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【科學新知】鹼性燃料電池效能大躍進

大台灣旅遊網/蔡聰挺 2019.04.06 16:51
科學家們近年積極研發可應用於電動車等環保先進產業的燃料電池,但難突破耐久性不足的限制。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」上去,做出更穩定耐久、比奈米還小的「原子級觸媒」,效率提升3倍以上,奠立下一代鹼性燃料電池的新里程碑。

  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,壽命則能維持2到3年。這項突破性的研究成果2019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。清華工程與系統科學系陳教授表示,將繼續推進研究,做出更小、效率更高的「量子級觸媒」。

  燃料電池是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,因為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。

  清華大學工程與系統科學系陳教授表示,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。因此不斷思考,如何能做到更小卻更穩定?研究用超音波在鐵等金屬表面打出小的凹槽,如果可以做到只有0.3奈米、就可以把3顆原子大小的觸媒穩穩地落在凹槽裡。而成為在金屬表面穩定長出原子級材料的學界第一人。

  另一項重要突破則來自於「汽泡咖啡」的啟發。2016年研究碰到瓶頸時,在咖啡廳與咖啡師閒聊,意外發現,先倒汽水、後加入咖啡,及先倒咖啡、後加入汽水產生的泡泡量、甜度及口感竟完全不一樣。因而指導學生改變實驗順序以控制氧還原反應。但打破規則的實驗方式也讓他吃足苦頭,終於在失敗了數百次,耗費無數實驗樣品後,找到了讓鹼性燃料電池陰極觸媒同時保持氧化還原高活性與高穩定度的金鑰。

  最終完成的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。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。

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