Tangerine John

2014/11/24 專題演講

電化學能源之研究

黃炳照(Bing-Joe Hwang)

台灣科技大學化工系 講座教授

2014/11/17 人還在美國亞特蘭大，參加AICHE。

2014/11/20 人在日本參加日本電子協會的會議。

2014/11/24 台科大有奈米觸媒相關的研討會舉行，有很多國內外研究學者，黃教授撥空前來大同演講。

研究成果，不是靠經費和設備的大小與多寡，研究人才是靠動機motivation。黃教授的實驗室，甚至比史丹佛要好。

電池、燃料電池、太陽能電池、鋰離子電池。

若今天探討「鋰離子電池」，研究更深的機制，不單只是商業的表面運作，怕大家會失去興趣而睡著，除非大家的研究領域都是這方面的，會比較有興趣。

因人類過度使用石化能源，造成環境汙染，那些非立即性的反應，如：空氣汙染，台北的空氣汙染頗嚴重，但大家卻習慣了，感受不深。

Biomass, wind, … 提高能源轉換效率；開發新能源。

節省、避免浪費能源。

Hydrogen氫能源，Fuel Cell。

Clean & Sustainable Cycles，乾淨、可再生。

產氫：

1. 1.      Photocatalytic Water Splitting

電子上導帶；電洞留在價帶。熱力學1.23 V，動力學的值要更高。

人類模仿葉綠素。

Cu₂O/O，氧化亞銅。只能在氫氣，無法在氧氣端，但其band gap小，不用跑到紫外光(短波長)區域吸收。

TiO₂的band gap約3.1V，可產水和氫，但實際應用效率約2%。

主題、動機、問題。

Conduction band過高，可製造氫氣。

電洞卻會氧化Cu₂O，導致材料的裂解，corrosion。

Graphene的添加，使電子迅速分散，穩定性也提高。

1. 2.      Electrolytic Water Splitting

史丹佛，吳溪煌教授的母校，那邊學生的motivation很好。大家不怕工作多，只怕沒好的想法和方向。

上次我去史丹佛的時候，給那邊的學生一點建議，隔天他就找我再確認建議無誤，下週就給我看新的數據。好機會，大家都在爭搶，就像嗜血的鯊魚。

酸中氫原子的吸脫附很重要；鹼性中，不只著重氫了，OH基也要加入考慮。

NiO, Pt…

對基礎花一點時間去了解，更扎實和透徹。

Try and error較花時間，但這過程也很重要。日本人的例子，這次諾貝爾獲獎者日裔有增加。

光分解的方式，效率要達16%以上，才有機會。

思考意義在哪？

燃料電池 → 電解水的逆反應

氫氣當燃料，氫氣氧化。

氧氣的還原問題。

氧化電位0.8~0.9V，觸媒會剝落。

Cathode: carbon corrosion

Anode: 大部分的材料在酸中都不太穩定。

O₂ reduction on bi-metallic catalyst

O₂ → H₂O₂ (pathway 1)效果差，失火風險，在使用黃金有較大的機率走路徑1。

O₂ → 2OH (pathway 2) less passivation。

Improvement in ORR activity

引進第二個元素，去改變電子。

Atomic distribution in electrocatalysts

還原控制，時間、溫度。建立再現性過程(Renewable process)。

ex. Pt, Ni的還原電位完全不同。

PtRu/C觸媒合金化有較佳與較差者，分別運用在CO和甲醇的氧化。

XRD來看，結構一樣，但原子排列不同。

ex. 觸媒表面的元素分佈要1:1效果最佳。

合金化較佳，電子效果較佳，析出較不團聚。

Alloying, segregation。

ex. 鈷影響Pt的電子結構。

Dealloying mechanism for Pt-Co nanoparticles

FCC → HCP

Stabilization of Platinum on ORR

Carbon石墨化程度提高

Carbon black → carbon nanotubes

取代carbon?

Support要電子導電度佳，高表面積，高電壓和電化學中穩定性，價格。

Pt on Ti_xM_1-xO₂ supports

提升TiO₂的導電度。

DOS of TiO₂ and Ti_0.7Mo_0.3O₂，靠計算。

EG還原Pt。

表面積 → BET，230 m²/g。

Anatase phase

Pt NW/Ti_0.7Ru_0.3O₂效果更優，也更貴。