自 工業革命以來，人類的生活與石油的依賴關係已密不可分，但是由於地球有限的石油蘊藏，導致一次又一次的能源危機對全球經濟、社會的衝擊。因此，替代性能源 的開發主要目的是除了要解決石油短缺的危機外，還要抑制石化工業長期排放二氧化碳所導致日益嚴重地球暖化、溫室效應的問題。目前，被視為最有效率且零污染 的潔淨能源即是太陽能電池以及燃料電池，利用太陽能轉換成電能，能有效的降低民生用電對於傳統發電的依賴; 以 氫氣和氧氣為主要燃料的燃料電池，具有高能量密度的特性，足以提供汽機車所需的動能，進而取代目前以石油為主要燃料的汽機車，大幅降低二氧化碳的排放量。 因此，實驗室未來研究計畫將著重於太陽能的利用，除了有效的將太陽能轉換成電能外，還將利用光電化學反應分解水，將太陽能轉換成化學能以氫氣和氧氣的方式將能量 儲存，進而供給燃料電池之使用。除此之外，太陽能轉換電能之後的電荷儲存，也是刻不容緩的議題，能提供高功率的電能儲存元件-電化學電容，以及能提供高能量密度的電能儲存元件-鋰電池，也將會是未來研究計畫的方向。

能量轉換 (Energy Conversion)

I. 太陽能轉化學能-氫氣 (Solar-to-Hydrogen, Photoelectrochemical Hydrogen Generation)

利用光電化學 反應分解水不僅是單一步驟之反應，而且是無環境污染之產氫技術，這方法所產生的氫氣除了可用作能量儲存的機制外，還可直接作為燃料電池所需的燃料來源。目 前，產氫主要技術來自於重組器，其燃料一般為碳氫化合物，反應中仍會排放出二氧化碳造成溫室效應的增加。在此研究計畫中將提出利用太陽能轉換電化學能分解 水產生氫氣，這種無污染產氫方式將會是未來氫能源實際應用之關鍵技術。

                     
圖1. (a)金屬氧化物奈米線能帶示意圖。(b) 金屬氧化物奈米線應用於光電化學分解水反應示意圖。

在此部分計畫中將提出利用金屬氧化物奈米材料來作為光電化學分解水之光電極材料。由於大部分金屬氧化物的能隙超過水分解所需的能量，其一維奈米材料本身具備高表面積與高傳輸性的特性，很適合光電化學分解水的應用。特別是當金屬氧化物奈米線的直徑小於臨界值時會自動發生電子與電洞分離的現象，造成特長的生命期和特高的光導率，如圖1a所示。此種特性能將太陽光所激發之電子與電洞有效的分離進而促進分解水反應，這已經獲得初步的實驗結果證實。此外，奈米線表面的修飾也能增加在固液介面中電荷傳遞速率與其在電解液中的穩定性。在本計畫中將考量上述方法，能更有效率的利用金屬氧化物奈米線材料於分解水的反應中，進而能達成高效率產生氫氣的目標。

II. 太陽能轉電能 (Solar-to-Electron, Solar Cells)

現階段太陽能電池可分為矽晶、化合物半導體、染料敏化及有機半導體太陽能電池，其中染料敏化太陽能電池的成本約為傳統矽基材料太陽能電池的1/3， 且效率較有機半導體薄膜太陽能電池高出許多，因此成為發展太陽能電池的新指標。但是此類太陽能電池中，染料合成複雜繁瑣且穩定性差，再加上有機染料與半導 體界面電子傳輸仍有其阻抗存在，染料性能的優劣會直接影響太陽能電池的效率。因此，在此次計畫中提出利用金奈米顆粒的表面電漿共振效應來取代染料作為吸光 的媒介。由於金奈米顆粒因表面電將共振產生對於光子的吸收，此外也可藉由調控金奈米顆粒的直徑大小、亦或是金奈米柱直徑與長度的比值，來進一步的展延對於 不同光子能量的吸收。如圖2b所示，金奈米柱的表面電漿共振吸收波長最長可達到1.1μm，足以涵蓋太陽光譜80%的 能量。另一方面，金奈米顆粒本身即是良好的電化學電極材料，其擁有極佳的固液界面電子傳輸特性以及化學穩定性。再者，金奈米顆粒與半導體載體同屬於固體界 面，其電子的傳遞的損耗也將會優於目前所使用的有機染料。因此在此計畫中提出金奈米顆粒之表面電將共振敏化太陽能電池，如圖2c所示，預期將提升對於光電的轉換效率以及增加太陽能電池長時間操作的穩定性。

                        
圖2. (a)奈米金顆粒表面電漿共振。(b)奈米金顆粒與奈米金柱表面電漿共振吸收圖。(c)表面電漿子敏化太陽能電池反應示意圖

此 外在半導體載體的選擇上，我們也將使用金屬氧化物奈米線作為載體。其原因是奈米線在空間侷限效應下，導致導帶與價帶能隙彎曲，進一步在奈米線內部產生很強 的內建電場，使得當光電子從金奈米顆粒傳遞到奈米線時會很快的被內建電場分離，傳遞至外部電路，能有效的降低載子復合所造成的損失。

III. 化學能-氫氣轉電能 (Hydrogen-to-Electron, Fuel Cells)

將氫氣轉換成 電能亦即燃料電池被視為最潔淨的替代性能源之一。但是，現階段在白金觸媒價格昂貴以及地球蘊藏白金量有限的考量下，使得燃料電池要進行商品化受到很大的限 制。因此，如何降低白金觸媒的使用量而仍能保有一定的輸出功率及操作穩定性，是目前燃料電池發展所面臨的瓶頸。在本計畫中，將針對如何提高白金觸媒的利用 率提出有效的可行方案。首先，直接將高表面積、高導電性及高化學穩定性的一維奈米碳管直接成長在氣體擴散層-碳 纖維布的表面上作為白金觸媒的載體，其目的是有效的分散奈米白金觸媒、增加與質子交換膜接觸面積以及降低當奈米白金觸媒氧化氫氣或還原氧氣反應產生之電子 傳遞的損耗。此外，奈米白金觸媒的合成使用乙二醇含浸法，能利用控制反應溶液的酸鹼值，進一步有效決定奈米顆粒的大小，增加白金觸媒的活性與使用率。在奈 米白金觸媒沈積在一維奈米碳管表面上，我們將利用電泳法，奈米白金觸媒在特定電位所製造出均勻電場下，能被奈米碳管所吸附且能均勻的分散，如圖3a所示。此方法所製備出的奈米複和式觸媒，也已驗證過能擁有相當好的催化活性。

                          
                              圖3. 奈米複和式觸媒Pt/CNTs/CC製備示意圖。

能量儲存

I. 高功率儲存元件-電化學電容器 (High-power electron-storage device, electrochemical capacitor)

經 由太陽能轉換電能後的電子儲存元件，將是是否能延續太陽能被繼續利用的關鍵技術。近年來，對於電化學電容器的發展最引人注意，原因是他所能提供的功率密度 可比擬傳統電容器，同時他所能儲存的電子能量密度卻也能達到接近和鋰電池一樣的能力，因此電化學電容器成為電荷儲存元件發展的新指標。本計畫將提出具氧化 還原能力的無機材料氧化錳及有機材料聚苯胺，以電化學沈積技術成長出不同的奈米結構，於電化學電容器之應用。如圖4a所 示，層狀結構的氧化錳經由電化學陽極氧化的技術，可被均勻的成長在碳纖維表面上。由於其結構屬於層狀，在層與層間擁有相當大的容忍程度，能接受電解液中陽 離子的遷進與遷出，這所代表的是同時也伴隨著電子的儲存與釋放，達到了充電與放電的功能，而且由於材料本身對於離子容忍程度佳，使得充電放電次數可高達數 千次之多。因此，如何提升氧化錳儲存電荷的能力，是與增加氧化錳的利用率有關。利用高表面積、良好的電子導電率以及好的化學穩定性的奈米碳管作為載體，均 勻分散奈米片狀的氧化錳於其表面，不僅可增加氧化錳與電解液接觸面積，更可以減少電子在導電不佳的氧化錳中傳遞的距離，降低電子的損耗。

        
         圖4. (a)奈米層狀氧化錳。(b)聚苯胺奈米線於電化學電容之應用。

有機材料之聚苯胺由於擁有三種可逆變化的氧化態，其中三種氧化態的改變伴隨著四個電子的儲存，因此聚苯胺擁有較高的電子儲存能力。但由於聚苯胺本身導電性不佳，因此奈米結構的合成也將能大幅提昇電子儲存的效率。如圖4b所示，利用電化學循環伏安法的電位快速的變換，能成功的成長出聚苯胺的奈米線結構，也由於奈米線結構不僅增加了聚苯胺表面與電解液接觸的面積，也大幅的降低聚苯胺本身過高的內電阻所造成電荷的損失。