空氣污染竟然可以變成可用能源？再加上可燃冰的話就厲害了！

空氣污染也可以變成可用能源？

首圖來源：UAntwerpen and KU Leuven

淨化空氣及尋找替代性能源，是當前人類面臨的兩大社會挑戰，如果能一次解決那該有多好？

比利時安特衛普（Antwerp）大學與魯汶（KU Leuven ）大學的研究團隊也是這麽想：他們設計出一種可以邊淨化空氣，邊產生氫能源的全氣相光電化學電池，而且運作過程只需要照光！完整研究結果刊登 2017 年 4 月 10 日出版的（ChemSusChem）科學期刊上。

根據山米．佛布魯根（Sammy Verbruggen）教授解釋，設備內以薄膜隔成兩個部分：

空氣會在光陽極的這一側被清潔，同時帶有陰極的另一側則因降解作用製造出氫氣（hydrogen gas）。這些氫能可以儲存起來，作為氫能巴士等氫能設備的燃料使用。

這套技術靠得是「異相光催化（heterogeneous photocatalysis）」反應，其運用光與特殊催化劑（通常是某種半導體）來引發化學反應，屬於光化學反應中間接光解反應的一種，而異相光催化反應與其反應物在不同的物理相。

異相光催化過去常應用於從水抽取氫，而研究團隊發現用在含有有機污染物的空氣上也行得通，而且效率甚至更高。這套設備的運作原理和太陽能電池有些相似，都只要照光就可以進行，只是後者可以直接發電，前者則會產生氫能。目前的研究還只能靠人工光線運作，研究團隊正在努力改良材料，期盼未來可直接靠陽光觸發反應。

雖然聽起來能淨化空氣又能產生乾淨能源的電池很威，不過目前團隊只造出約手掌大，面積僅數平方公分的電池原型，還處於概念階段（proof-of-concept）。接下來團隊將投入讓技術規模化，以及能確實應用在工業的研究。

原始論文：

Sammy W. Verbruggen et al.. Inside Back Cover: Harvesting Hydrogen Gas from Air Pollutants with an Unbiased Gas Phase Photoelectrochemical Cell (ChemSusChem 7/2017). ChemSusChem, 2017; 10 (7): 1640 DOI: 10.1002/cssc.201700485

參考資料：

Polluted air can generate power. KU Leuven. [8 May 2017]

Belgian scientists turn polluted air into hydrogen fuel. Engadget. [12 May 2017]

延伸閱讀：

環保新尖兵—二氧化鈦光觸媒之簡介

科技日新月異，人人追求著高品質的生活方式，但卻也帶來了一連串的環境污染問題。在環保意識抬頭的今日，我們不僅意識到要有高品質的生活環境，更重要的是如何使環境得以永續發展。近年來新研發的光觸媒 (photocatalysts)技術，是一種透過光產生化學作用，可將有害化學物質分解，得以淨化環境並防止污染。光觸媒是一種必須受到光照才能產生作用的觸媒，其吸收光能後形成高能量狀態，再將能量傳遞給反應物而觸發反應發生。光觸媒所需之能量為光能，而光能與波長成反比，計算方式如下:

光觸媒應用之研究中以二氧化鈦 (Titanium Dioxide, TiO2)為主的光催化 (photocatalysis)最為廣泛。使用二氧化鈦的理由如下(如圖一所示)：(1)光觸媒活性高，(2)具有高度物理與化學安定性，(3)無毒害，(4)耐酸礆，(5)容易製備，(6)來源豐富，成本低廉，故適合大量使用[1]。

圖一 二氧化鈦光觸媒之應用優勢

光觸媒的光化學反應

光化學反應分為兩種：直接光解 (direct photolysis)與間接光解 (indirect photolysis)。在光觸媒吸收光能後成激發態，本身進行化學反應者，屬於直接光解反應；反應過程中某一物質吸收光能後，再誘導另一物質發生化學反應，若在反應過程中加入催化劑（如氧化劑、半導體等），而使反應速率增加，稱為光催化，又稱為間接光解。

間接光解又可分為同相光催化 (homogeneous photocatalysis)與異相光催化 (heterogeneous photocatalysis)。同相光催化反應是指催化劑與反應物均存在於氣相或液相中；而異相光催化反應是指光催化劑與反應物存在於不同之物理相，通常為固-液相或固-氣相。二氧化鈦常應用於固-液相之異相光催化反應。

異相光催化反應中，又以半導體光觸媒研究最為廣泛。半導體 (semiconductor)是指導電率介於導體與絕緣體間，半導體的導電率與本身之能隙結構有關。在常溫下負責導電的電子由於受到原子核的束縛，所以大多數分布於價電帶 (valence band)中，也就是所謂的電子軌域。若價電帶中的電子受到光、熱或電場等能量的激發，使電子有足夠的能量可以越過能隙 (band gap)，它就可以由價電帶激發至導電帶 (conduction band)上，而在導電帶上的電子不受束縛能自由移動，故半導體的導電率將大幅提升。

導電帶與價電帶中間稱禁制帶 (forbidden band)，禁制帶的能階寬度稱為能隙。不同半導體的能隙大小不同。當半導體受到能量大於能隙的光波後，原本位於價電帶的電子會被激發到導電帶成為自由電子，而對應電子的電洞也在價電帶同時產生。而受光激發產生電子電洞對 (electron-hole pairs)，再經由電荷轉移即產生氧化還原反應，故受光照射形成激發態促進氧化還原反應的半導體稱為半導體光觸媒[2]。

半導體光觸媒在照光後所產生的電子電洞對，可分別與水和氧氣產生氧化還原反應，產生超氧化物自由基(?O2-)或氫氧自由基(?OH)，而以上這些物質具有強氧化力，可氧化分解很多種物質。

半導體有很多，因此我們只需要選擇較低能隙的半導體材料，如硒化鎘或硫化鎘，就可在可見光區激發，進行光觸媒反應。反之，若以提升氧化分解能力，氧化鋅則為強氧化分解能力的代表。但是以上之半導體之金屬元素，只有一種氧化電位，在受光後將產生金屬離子，致使觸媒發生腐蝕現象，如下公式所示：

其原因在於照光時所產生的電洞，將使本身之非金屬元素氧化，使觸媒溶解併產生金屬離子。但二氧化鈦它有兩個氧化還原電位(Ti3+, Ti4+)，此可自行氧化還原的可逆反應，使上述之反應不會發生，故二氧化鈦比其他半導體光觸媒更受科學家的青睞 [3]。

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