1-1 前言
美國前總統布希於 2001 年 5 月發布「國家能源政策」，闡述美國國內能 源供應與國內能源需求之間嚴重不平衡乃其所面臨最根本之能源挑戰。美
國能源部於同年11 月在華府舉辦氫能會議，目標為尋找更安全與更乾淨的 能源，結果一致認為氫氣為未來重要能源之ㄧ。
氫氣具有含量豐富、乾淨、有效率與來源廣泛等優點，因此成為取代汽 油的新能源極佳選擇。宇宙約有75%由氫構成，故其於自然界含量豐富，
於自然界中氫常與其它元素化合，以化合物質存在而不以氫氣形式存在，
故具氫之化合物皆可視為氫燃料之來源，諸如硼氫化鈉水解、光觸媒分解
水，或以地熱、太陽能或風力電解水等。在幾種獲取氫來源的方法中，目
前以光觸媒分解水成氫氣和氧氣最受科學界之重視，原因主要是利用太陽
光做為分解水之能量來源，而據科學家估計，太陽的壽命約有50 億年之久，
故對於人類而言，可謂取之不盡、用之不竭。另外由於可見光佔太陽光組
成的45%[1]，因此目前國際之光觸媒材料開發均朝能吸收可見光之研究方 向進行。
二氧化鈦因具有光催化活性、長期化學穩定性、低價格等優點，因此常 被應用於光催化相關領域。然而以二氧化鈦作為光觸媒應用於光化學氧化
1
的技術上，由於很難將懸浮的二氧化鈦粒子從水溶液中分離，因此導致由
光產生的電子與電洞會快速結合，進而降低量子效率。為了解決此一問題，
有一些研究利用電化學的技術，於鈦基板上鍍上多孔性的二氧化鈦薄膜，
也有學者提出參雜不同元素(如碳、氮、硫等[2])後的二氧化鈦可使載子分離
較遠，且吸收光的波長範圍可由紫外光擴大到可見光區，期望可以將水分
解效率更提高一些。
2
1-2 研究動機
光觸媒於 1967 年被發現。當時還是研究生的東京大學教授藤嶋昭於某次 試驗中偶然發現，用二氧化鈦單晶及鉑做為電極放入水中形成迴路，當用
水銀燈照射紫外光，即使不通電，兩個電極上均有氣體產生。證實在二氧
化鈦電極及鉑電極上所產生之氣體分別為氧氣和氫氣。藤嶋昭於1972 年與 本多教授將此研究成果發表文章於Nature 雜誌上，此即為著名的本多-藤嶋 效應[3]，而此處的二氧化鈦就是扮演光觸媒之角色。
光
白金對極 二氧化鈦電極
水素 酵素
圖(1-1) 本多-藤嶋效應設備圖[3]
3
近年來二氧化鈦在太陽能電池上的研究非常多，主要是因為二氧化鈦具
有強大氧化還原能力、化學穩定性高及無毒的特性，且具有一般材料所沒
有的半導體性質，而太陽光電解水產氫之過程可完全避免化石能源之應
用，故符合氫能經濟之要求，此乃極佳之取氫方式。因此本研究主要著重
於利用電化學方法製作高密度排列的二氧化鈦奈米管，此法優點為控制實
驗中的電壓電流便可調節二氧化鈦奈米管的一些物理特性如奈米管半徑、
管壁厚度及長度，利用奈米管特殊的結構將可更有效的收集太陽光讓水裂
解效率變高。而我們知道太陽能電池在可見光波長的吸收效率一直都是極
差的，但在Misra 的研究中[4]卻說明了他的太陽能電池水分解系統的可見 光效率可以高達 8.5%，若他的研究屬實，太陽能電池效率將會有大大提
升，而這就是本研究實驗的最早動機，因此我們也摻雜了碳元素在奈米管
中，希望可以降低二氧化鈦本身的能階，讓二氧化鈦的吸收光譜可以延伸
到可見光區以增加效率，因此我們將會特別針對紫外光跟可見光區的水裂
解效率做深入的探討，以確定Misra 的結論是否正確的。
4