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淨零科技大躍進 國輻中心綠氫研究登上"科學"期刊


新網記者歸鴻亭台北報導
2023/9/6 下午 07:12:01 / 科技新知

 國家同步輻射研究中心助研究員陳政龍、副研究員莊裕鈞及研究助理張仲凱,與美國加州勞倫斯伯克利國家實驗室陳璐寧博士、Gabor A. Somorjai教授、蘇際博士等共組跨國研究團隊,歷時3年,領先全球開發出高產氫效率、高穩定性與低能耗的甲烷熱裂解催化劑「鎳鉬鉍熔融態合金」(NiMo-Bi),探討鎳活性金屬於熔融態之價態,證明了鎳鉬鉍熔融態合金能有效的降低鉍金屬造成之籠子效應(Cage effect),使得甲烷有效地流經鎳活性金屬,並產生氫氣,傑出的研究成果於8月25日登上國際頂尖期刊《科學》(Science),成為推動淨零轉型的重要生力軍。

國輻中心台灣光子源的快速掃描X光吸收光譜光束線。(國家同步輻射研究中心提供)
 美國研究團隊首度將鉬原子加入鎳鉍催化劑,製成新型催化劑—鎳鉬鉍熔融態合金,國輻中心團隊則設計可通氣體之臨場高溫加熱實驗裝置,並使用「台灣光子源」(Taiwan Photon Source, TPS)的「快速掃描X光吸收光譜光束線」與「高解析度粉末繞射光束線」,證實此催化劑可有效將甲烷熱裂解溫度降至攝氏450度,且在攝氏800度時甲烷100%裂解成氫氣跟碳,並維持長達120小時的穩定性。相較過去研究成果,產氫速率大幅提高了近37倍,熱裂解溫度從攝氏1,065度降低至攝氏800度,有效降低轉化過程的能耗。

 近年來,被譽為「未來燃料」的氫氣已成為零碳排的新興能源之一,世界各國紛紛加入氫能科技的研發。然而目前大部分的氫氣產自於燃燒石化燃料並搭配水蒸氣重組,此法碳排放量相當高。另一種方式是在電解槽加入催化劑,以極高電壓將水電解成氫與氧,雖然零碳排但非常耗能,加上催化劑價格昂貴,所以並不普遍。第三種方式則是將甲烷催化熱裂解成氫氣,且反應副產物還可以產生石墨烯、奈米碳管和富勒烯等高價值碳材料,因此逐漸成為極具商業發展潛力的製氫技術。

國輻中心台灣光子源的高解析度粉末繞射光束線。(國家同步輻射研究中心提供)
 本研究成果證實在鎳鉬鉍熔融態合金的催化下,大幅提升了甲烷催化熱裂解成氫氣的有效性與穩定性,有助發展高效率且低價格的氫能。研究團隊利用快速掃描X光吸收光譜光束線,進行「活性位點探討」與「配位環境分析」,解析鎳鉬鉍熔融態合金之間的相互作用。X光吸收光譜實驗技術因具備原子級的超高敏感度、極低的探測極限(百萬分之一),相當適合探討金屬元素之氧化態、周圍之配位元素種類、數目,以及鄰近原子間之鍵長與結構亂度,藉以觀測物質電子結構與原子結構的毫秒級動態變化,幫助科學家探討觸媒於化學反應時之即時資訊。

 為了進一步瞭解鎳鉬鉍熔融態合金之催化效能大幅提升的原因,本研究團隊另外利用高解析度粉末繞射光束線,來鑑定鎳鉬鉍熔融態合金的「相結構組成」,成功驗證了鉬原子在鎳鉍催化劑中所扮演的關鍵角色與影響力,並搭配臨場加熱實驗,洞悉了鎳鉬鉍熔融態合金在不同溫度的「結構相變」。由於高解析度粉末繞射光束線具有超高繞射解析力、極快速量測力及廣泛適用各類實驗樣品等特性,同時整合搭配溫度加熱系統,相當適合觀察催化、熱處理與熱裂解等非常態之化學反應,提供了全方位即時的能源材料結構分析。

通氣臨場加熱裝置。(國家同步輻射研究中心提供)
 目前政府正力推「淨零新生活運動」,以跨部會協作、公私協力、國際合作等方式,部署五大淨零科技領域的研發,整合我國具有發展優勢的淨零科技技術,協助國內淨零科技與產業躍上國際舞台。在國科會的長期支持下,國輻中心積極投入綠能研發,包含氫能、太陽能、鋰電池與超級電容等,未來將持續響應政府的「2050淨零碳排目標」,發展潔淨新能源、新興負碳科技等淨零科技關鍵技術。
頻道:資訊科技 分類:科技新知
採訪:歸鴻亭 日期:2023/9/6 下午 07:12:01
關鍵字:淨零科技,國輻中心,綠氫,科學

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