太阳能可说是自然界最丰富与唾手可得的能量来源, 其中光催化剂制氢技术是太阳能应用之一, 透过催化剂让太阳分解水, 制造氢与氧, 最后再将氢用于燃料电池, 为备受看好的绿色制氢选项, 但实现该技术可不是容易的事情, 由于光催化剂材料难找, 该技术仍处于实验室阶段.
不过最近英国牛津大学在光催化剂研究有所突破, 有望找出新一代绿能制氢材料. 根据《Applied Physics Letters》论文, 牛津大学科学家发现卤化物双钙钛矿(halide double perovskites)除了可用于太阳能电池技术, 也可能是个良好水分解材料.
牛津大学材料系教授 Feliciano Giustino 表示, 如果能提出有效的光催化剂材料, 这将是团队一项重大突破.
各国研究团队至今已测试多种光催化剂材料, 像是磷化镓, 砷化镓或是二氧化钛, 但成效皆不如预期. 目前科学家能透过二氧化钛来让阳光分解水, 可惜该材料无法有效吸收可见光, 光转换效率无法进一步提高, 因此还没有任何一种光催化剂材料达到商业应用.
为找出潜力材料, 牛津大学团队利用超级电脑计算 4 种卤化物双钙钛矿的量子能态, 发现双钙钛矿 Cs2BiAgCl6 与 Cs2BiAgBr6 为光催化剂生力军, 两种材料的可见光吸收能力都比二氧化钛还要好, 也可以产生电子与电洞, 拥有足够能量进行氧化还原反应, 进而达成水分解制氢与氧.
Giustino 表示, 很少有材料同时具备这些功能. 虽然团队无法打包票说这个一定是多有效的材料, 但这些化合物似乎拥有光催化剂全部特性.
意外发现钙钛矿其他应用
找到这个光催化剂材料可说是个意外, Giustino 团队原本是在寻找太阳能电池材料, 结果发现这类型钙钛矿也可用在光催化剂.
近年来科学家察觉钙钛矿在太阳光电的应用潜力, 其转换效率也在 9 年间提升 6 倍, 目前也有不少研究团队透过串叠设计将硅与钙钛矿结合, 大大提高光电转换效率. 不过钙钛矿电池含有铅元素, 如果大规模用于太阳能发电厂, 含铅太阳能电池可能会危害环境, 因此科学家于 2016 年开始运用电脑模拟寻找替代材料, 进而研发出新型无铅钙钛矿.
牛津团队研究指出, 这些材料除了具有良好光电转换潜力, 也可以用在光催化剂. 牛津大学材料系博士后研究员 George Volonakis 表示, 新型双钙钛矿不仅可用于串叠型太阳能电池, 在光催化领域也具有非常大的发展潜力.
不过当前分析只有理论基础, 团队下一步是研究这些材料是否能如预测一般, 在现实中也可以发挥效用, 研究员也会同时利用电脑运算技术来测试双钙钛矿材料是否能用于光感测器等应用.
