太陽能可說是自然界最豐富與唾手可得的能量來源, 其中光催化劑制氫技術是太陽能應用之一, 透過催化劑讓太陽分解水, 製造氫與氧, 最後再將氫用於燃料電池, 為備受看好的綠色制氫選項, 但實現該技術可不是容易的事情, 由於光催化劑材料難找, 該技術仍處於實驗室階段.
不過最近英國牛津大學在光催化劑研究有所突破, 有望找出新一代綠能制氫材料. 根據《Applied Physics Letters》論文, 牛津大學科學家發現鹵化物雙鈣鈦礦(halide double perovskites)除了可用於太陽能電池技術, 也可能是個良好水分解材料.
牛津大學材料系教授 Feliciano Giustino 表示, 如果能提出有效的光催化劑材料, 這將是團隊一項重大突破.
各國研究團隊至今已測試多種光催化劑材料, 像是磷化鎵, 砷化鎵或是二氧化鈦, 但成效皆不如預期. 目前科學家能透過二氧化鈦來讓陽光分解水, 可惜該材料無法有效吸收可見光, 光轉換效率無法進一步提高, 因此還沒有任何一種光催化劑材料達到商業應用.
為找出潛力材料, 牛津大學團隊利用超級電腦計算 4 種鹵化物雙鈣鈦礦的量子能態, 發現雙鈣鈦礦 Cs2BiAgCl6 與 Cs2BiAgBr6 為光催化劑生力軍, 兩種材料的可見光吸收能力都比二氧化鈦還要好, 也可以產生電子與電洞, 擁有足夠能量進行氧化還原反應, 進而達成水分解制氫與氧.
Giustino 表示, 很少有材料同時具備這些功能. 雖然團隊無法打包票說這個一定是多有效的材料, 但這些化合物似乎擁有光催化劑全部特性.
意外發現鈣鈦礦其他應用
找到這個光催化劑材料可說是個意外, Giustino 團隊原本是在尋找太陽能電池材料, 結果發現這類型鈣鈦礦也可用在光催化劑.
近年來科學家察覺鈣鈦礦在太陽光電的應用潛力, 其轉換效率也在 9 年間提升 6 倍, 目前也有不少研究團隊透過串疊設計將矽與鈣鈦礦結合, 大大提高光電轉換效率. 不過鈣鈦礦電池含有鉛元素, 如果大規模用於太陽能發電廠, 含鉛太陽能電池可能會危害環境, 因此科學家於 2016 年開始運用電腦類比尋找替代材料, 進而研發出新型無鉛鈣鈦礦.
牛津團隊研究指出, 這些材料除了具有良好光電轉換潛力, 也可以用在光催化劑. 牛津大學材料系博士後研究員 George Volonakis 表示, 新型雙鈣鈦礦不僅可用於串疊型太陽能電池, 在光催化領域也具有非常大的發展潛力.
不過當前分析只有理論基礎, 團隊下一步是研究這些材料是否能如預測一般, 在現實中也可以發揮效用, 研究員也會同時利用電腦運算技術來測試雙鈣鈦礦材料是否能用於光感測器等應用.
