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在全球氣候變遷、節能減碳的呼籲愈來愈受重視的情況下，氫能被寄予重望，希望以氫取代化石燃料，作為儲存再生能源與替代能源的方案。但氫能技術現階段尚未達到商轉效率與永續的需求，美國德雷塞爾大學（Drexel University）與羅馬尼亞加勒斯特國家材料物理研究所（National Institute of Materials Physics in Bucharest）合作，在《物質》（Matter）期刊發表了一款鈦（titanium）氧化物衍伸的奈米結構（hydroxides-derived nanostructures, HDNs），可以藉由陽光催化反應直接將水分解產生氫氣，或許將成為氫能技術的一項突破。
 
陽光是地球上多數地區最容易獲得的再生能源，但受限於現今的發電技術與再生能源的特性，需要找到有效的儲能方案。使用再生能源發電將水電解為氫氣為其中一種正在發展中的方案，但中間的能量損耗不容小覷。本次德雷塞爾大學團隊發表的成果，則為直接藉由光催化製造氫氣，帶來潛在更經濟實惠的途徑。
 
過往已經有針對促進氫氣光催化進行的研究，但過去使用的催化劑材料只能持續1～2天，在長期的使用效率以及商業可行性上非常低，難以被列入實際的應用面向。過去氧化鈦材料已經展現了一定的光催化能力，但相較於純粹的氧化鈦，此次德雷塞爾大學研究團隊發表的奈米微絲氧化鈦在光催化反應的活性高出了整整一個數量級，而且可以在水中穩定作用達六個月，不僅是新一代光催化反應的里程碑，也代表了此奈米材料很有機會離開實驗室進軍應用市場。
 
研究團隊測試了五種光催化材料，將每種材料浸泡在水與甲醇的混合液中，並且照射模擬太陽光譜的可見光與紫外光，然後再計算每個反應所產生的氫氣含量，以及催化反應持續的時間。團隊發現相較於二碳化鈦，以氧化鈦製成的催化劑反應更有效率。但最重要的發現是，此種材料在水中非常穩定，而且在陽光下模擬反應持續超過180天後仍然十分活躍。
 
針對此材料的催化特性，團隊的下一個研究目標是想了解為什麼奈米微絲會有如此催化效果，藉以進一步提升催化劑的功能。目前的理論認為奈米微絲一維的性質與較大的表面積使它的活性得以持續，但還需要研究進一步加以驗證。
 
除了促成光催化、作為氫能技術的關鍵進展之外，HDN仍有許多應用空間可被探索，如用於製造電池、太陽能電池、淨化水資源以及醫療等用途，有待更多材料科學相關研究加以發掘。
 

新聞來源
1. Drexel University. (2023 July 13). Titanium oxide material lets sunlight drive green hydrogen production. Tech Xplore. https：//reurl.cc/b9g9Od
2. Badr，H. O., Natu, V., et al.(2023). Photo-stable, 1D-nanofilaments TiO2-based lepidocrocite for photocatalytic hydrogen production in water-methanol mixtures. Matter.