綠色能源的新希望! 清大教授研究登國際期刊

清華工科系教授陳燦耀研發出「原子級觸媒」,奠立下一代鹼性燃料電池的新里程碑。圖/清華大學提供
清華工科系教授陳燦耀研發出「原子級觸媒」,奠立下一代鹼性燃料電池的新里程碑。圖/清華大學提供

清華大學工程與系統科學系教授陳燦耀從清洗眼鏡的超音波機得到靈感,利用超音波在材料表面打出極細小的孔洞,再把作為觸媒的白金「鑲嵌」上,做出穩定耐久、比奈米還小的「原子級觸媒」,效率提升3倍以上,突破燃料電池耐久性不足的限制,奠立下一代鹼性燃料電池的新里程碑。

陳燦耀表示,原子級觸媒可讓燃料電池的電流強度提高10倍,且連續工作8個月效率都不衰退;若應用在電動車、發電廠,電池的價格可降到只要十分之一,壽命維持2到3年。此突破性的研究成果今年2月登上國際頂尖期刊「自然通訊」(Nature Communications),並被選為該月份的兩篇能源材料焦點論文之一。

他說,燃料電池透過氧化還原反應把燃料中的化學能轉換成電能的發電裝置,因發電過程中只產生水跟熱,不像燒煤等石化燃料會產生大量廢氣汙染,而被視為綠色能源的新希望。其中,鹼性燃料電池的發電效率及安全性又比酸性電池來得高,如太空船及人造衛星的供電就是採用鹼性燃料電池;但投入鹼性燃料電池研究者比酸性少很多,主要是因觸媒研發難以突破。

陳燦耀表示,影響觸媒效率的因素很多,大小是其中很重要的一項,同樣體積的觸媒顆粒愈小、表面積愈大,氧化還原的活性愈高;但粒子太小就不穩定,效能很快就會衰退。他思考如何能做到更小卻更穩定?

陳燦耀回想,透過超音波震盪機能將眼鏡清洗乾淨,他聯想何不用超音波在鐵等金屬表面,打出小的凹槽,若能達0.3奈米、可把3顆原子大小觸媒穩穩落在凹槽裡。此發想也成為在金屬表面穩定長出原子級材料的學界第一人。

他說,過去,在金屬表面長出不同材料的方式,是先長一層,穩定後再長第二層。陳燦耀打破規則,以每10秒鐘加入一種新材料,或者只反應1到2秒即中止反應,意外找到讓鹼性燃料電池陰極觸媒,也同時保持氧化還原高活性與高穩定度的金鑰。

陳燦耀表示,最終完成白金原子觸媒使用的貴金屬白金量只要1%,比一般商用觸媒的35%要低很多;且相較於傳統觸媒使用1周後效能即逐步衰退,原子級觸媒在電流強度提高10倍、質量電流密度提高30倍的情況下,連續工作8個月(超過32萬次電壓循環)效率都不會衰退。

陳燦耀表示,日、韓等國近年積極發展燃料電池發電廠,2020年的東京奧運更可望採用燃料電池來打造一座氫能城市;若大小僅原子級觸媒一半的量子級觸媒能成功研發出來,效率將比目前的原子級觸媒再提昇10倍,綠能生活將指日可待。

清華工科系教授陳燦耀研發出更穩定耐久、比奈米還小的「原子級觸媒」。圖/清華大學提供
清華工科系教授陳燦耀研發出更穩定耐久、比奈米還小的「原子級觸媒」。圖/清華大學提供
燃料電池被視為綠色能源的新希望。圖/清華大學提供
燃料電池被視為綠色能源的新希望。圖/清華大學提供
清華工科系教授陳燦耀(中)樂在體會學生帶給他不同的教學挑戰與刺激。圖/清華大學提供
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東京奧運 奈米

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