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以複合材料推動氫能發展

2021/01/26 廣告部企劃製作
氫能的研究對於再生能源的發展至關重要,東海大學化學系教授林宗吾以複合材料做為產氫的電催化材料,讓產氫變得更有效率又便宜,推動能源科技往前邁進。

關於林宗吾教授

英國牛津大學化學系博士,現職為東海大學化學系教授,主要研究以複合材料為主,橫跨材料、化學、能源等領域,至今已發表64篇SCIE論文,其中發表於最高等級的Q1期刊的有34篇,並且其中18篇論文發表於Materials Science, Multidisciplinary; Engineering Environmental; Energy& Fuels; Chemistry, Analytical等領域的重量級期刊。在可用於評估研究人員的學術產出數量與學術產出水平的H指數(H index)上,在同年資的研究人員中相當傑出。


現今世界面臨全球暖化的威脅,使用再生能源已成為重要趨勢,然而如太陽能、風能等再生能源都屬於間歇能源,會受到天候與季節影響,無法穩定輸出,因此再生能源的發展必須搭配良好的儲能系統,才能將能源做更有效率、更有彈性的運用。在儲存能源的方法中,除了目前最主流的鋰離子電池外,氫能也是極受矚目的發展方向,東海大學化學系教授林宗吾說明:「這是因為1公斤的氫所儲存的能量密度比等重的鋰離子電池大了130倍之多。」


林宗吾長期研究電催化產氫,電催化產氫的過程需要一個電解槽,裡面放入水及合適的陰陽電極,外加一個偏壓後分別在陰極與陽極把水電解成氫氣與氧氣。林宗吾表示,電催化產氫使用的電極必須具有高催化活性、高導電性、高反應面積等特性,傳統電極使用的材料都是如鉑等貴金屬,成本很高,而他的主要研究便是使用複合材料來取代這些貴金屬,其中成效最好的即是以金屬硫化物結合碳奈米材料。


截長補短的複合材料

「這是一種截長補短的概念。」林宗吾解釋,金屬硫化物的催化活性好,但是導電性不佳,而碳奈米材料的導電性佳,而且比表面積也大,當金屬硫化物長在碳奈米材料上時,也會形成奈米尺寸的微小結構,增加電化學活性表面積。金屬硫化物與碳奈米材料結合,正好可以取得各自的優點,消弭彼此的缺點。


林宗吾以2013年的研究舉例,他們使用硫化鎳結合碳奈米管做為電極材料,並且嘗試找出合適的複合材料比例,發現在硫化鎳的重量百分比為55%時,在1M 氫氧化鉀溶液中可以獲得最佳的產氫效果。該項成果發表於國際期刊《應用催化B:環境》(Applied Catalysis B: Environmental)。



▲林宗吾的團隊嘗試不同比例的硫化鎳與碳奈米管複合材料,最後以硫化鎳重量百分比55%的比例最佳(如中圖)。圖中亦可看見硫化鎳(黑)形成粒徑僅幾十奈米的小粒子,分布在碳奈米管(灰)上。


在製造這種複合材料時,林宗吾使用水熱法,將反應物和葡萄糖溶解於水中在高溫高壓的環境中來合成複合材料,而葡萄糖在這個條件下會形成「碳膠」,就像膠水一般把硫化鎳與碳奈米管黏在一起,林宗吾表示:「我們特別使用了葡萄糖碳化成碳膠的技巧,而水熱法的運用也增加了催化材量產上的可能性。」


看見能源科技的潮流

林宗吾從2010年開始踏進複合材料的研究領域,至今已有10年的時間,他在博士班畢業後,便看見能源科技這個潮流,並且預見了複合材料在能源科技發展上有著很大的潛力,因此從原本對碳奈米管的研究,轉而以複合材料為主,並以相關主題在各國際期刊發表了許多成果。

複合材料於綠能應用的研究吸引全世界許多團隊相繼加入,在激烈的研究競爭下,林宗吾不曾停下腳步。他說:「我們還有很多可以進步的地方,例如完成了硫化鎳與碳奈米管的結合後,我們也改以三維的石墨烯取代碳奈米管。」林宗吾表示,一般學術上比較產氫效果的方式,是看看產生相同的電流密度(例如10毫安培每平方公分)需要外加多少偏壓,而林宗吾用硫化鎳-樹枝金-石墨烯複合材做為水分解的雙功能催化材,所需的偏壓僅1.63伏特,在世界各團隊的研究之中算是相當不錯的成果。該項成果發表於國際期刊《美國化學學會.應用能源材料》(ACS Applied Energy Materials)




此外,林宗吾也試圖把電催化產氫反應的電流密度往上提高,「因為我們希望這些基礎科學的研究,變得更加實用,在人類未來的能源科技上,產生重要的應用價值。」


# 關鍵字:專題報導化學能源
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