研究動機

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之 400 天能量，由此可知，高效率利用太陽能應為一不可否認且刻不 容緩之研究方向。

圖 1.1 全球 PM2.5 濃度分佈圖 ³

另一方面 ，以「氫」作為燃料取代石化燃料，於近期已為一追 求零汙染之研究，乃氫具備下列三點優勢。第一，氫燃燒後之產物僅 為水，異於石化燃料燃燒生成二氧化碳等溫室效應氣體，亦不會產生 酸雨與霾害，對環境污染性可謂為零污染。第二，根據研究，每千克 氫氣燃燒之熱能約為燃燒每千克石油之六倍、燃燒每千克甲醇之三倍，

故其效益高於目前所有燃料之熱值，因此氫具有比石化燃料較高之能 量轉換效率之優勢。第三，氫元素於地球上含量僅次於氧與矽元素，

主要存在於水、碳氫化合物與生物體內等，其中又以水具循環之特點，

可於自然界中形成氫之循環，故氫能源近期被視為極具潛力，可取代

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傳統石化燃料之一。世界各先進國家亦已積極研發氫能源，期盼解決 石化燃料所造成之地球危害。

表 1-1 氫氣與常見之石化燃料之熱值對照表⁴

儘管氫具備取代石化燃料優勢之吸引力，然而其本身並非以燃料 H2 存在於自然界之中，幾乎是以化合物形式散佈於自然界中，因此 氫能源之利用，需先透過化學轉換，將水或碳氫化合物內之氫元素進 行轉換方能獲得 H₂。目前產氫方法可用天然氣蒸氣重組法(steam reforming)製造 ⁵，亦或透過對水進行電解產生 H2。然而，若是由石 化燃料取得氫之來源，並無益於降低石化燃料之使用，應優先以再生 能源作為生產氫氣之方法為研究發展。自然界中綠色植物已具有利用 太陽能將二氧化碳與水轉換成葡萄糖，用以儲存能量之方式，且因為 太陽能與水於地球上含量無窮盡，因此科學家們開始著手此方向希冀 以太陽能與水作為產氫之方式。自 1972 年，日本之本多(K. Honda)

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與藤嶋(A. Fujishima)兩位研究學者於自然(Nature)期刊發表以半導體 材料利用太陽光能進行水分解之研究 ⁶。爾後，以「太陽光分解水產 氫」便成為最具潛力且可永續經營之產氫方式。

於本多與藤嶋之研究中，他們利用銳鈦礦相(rutile)之二氧化鈦 (TiO2)作為光陽極(photoanode)，白金作為對電極(counter-electrode)以 兩電極法於太陽模擬光照射下，將水分解成氫氣與氧氣，實驗中氫氣 產於白金對電極，氧氣則產於光陽極處。其原理為利用二氧化鈦之半 導體特性吸收大於其能隙之太陽光能，二氧化鈦之電子(electron)將由 價帶(valence band)被激發至傳導帶(conduction band)，並於價帶處產 生電洞(hole)，傳導帶之電子會由外電路傳導至白金電極，還原溶液 之氫離子產生氫氣，價帶內之電洞則於光陽極傳導至溶液交界面氧化 水分子產生氧氣，此一現象稱為「本多-藤嶋效應」(Honda-Fujishima effect)。

圖 1.2 本多與藤嶋實驗裝置與光電流-電壓特性曲線 ⁶

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