綠能製氫技術更進一步，新型光電極可捕獲 85% 可見光

科學家近年來不斷研發新型人工光合作用設備，各界都希望能用少量、低成本材料來提升可見光吸收量與製氫效率，近期日本北海道大學在光電極（Photoelectrode）研究有所進展，該團隊的金─二氧化鈦奈米光電極能有效捕獲 85% 可見光，進一步將光轉換效率提升 11 倍。

氫燃料電池車與氫能為備受看好的下一代技術，「排放物只有純水」儼然成為廣告宣傳代名詞，但目前製氫技術多以化石燃料為主，氫氣在製造方面尚未達到百分之百綠能，因此各方科學家紛紛絞盡腦汁想提出最佳解決方案。

光電解水製氫則是實驗室重點研究技術，結合光催化劑與電化學原理，將光電極置入水溶液後，就可把光電極所吸收的能源轉換成氫氣，若該技術成功走出實驗室，將有助於未來氫能社會的發展。

北海道大學電子科學研究所教授三澤弘明（Hiroaki Misawa）團隊一直以來便致力於打造金製光電極，希望可透金奈米粒子捕獲更多可見光，不過由於金奈米粒子只能吸收光譜範圍較窄的光，若是只有一層金奈米粒子，沒有辦法吸收足夠的可見光。

（Source：北海道大學）

因此為提高光吸收量，團隊打造一款「三明治」光電極，將 30 奈米厚的二氧化鈦薄膜夾在 100 奈米厚金製薄膜與金奈米粒子之間。當光被金奈米粒子層吸收時，二氧化鈦另一面的金薄膜就可以變成鏡子，光可在兩面鏡子間來回反射，即是所謂的「共振腔」（Cavity），光會不斷穿過二氧化鈦層，可最大化光吸收與製氫效益。

實驗結果也指出，新型光電極效率比以往的設備還要高，可吸收超過 85% 可見光，三澤弘明指出，金奈米粒子會出現「局部電漿共振」（localized plasmon resonance）現象，可吸收特定波長的光，且二氧化鈦層中的電漿會與可見光相互作用，讓金奈米粒子可吸收光譜範圍較寬的光。

當金奈米粒子吸收光時，額外的能量會刺激金的電子激發（electron excitation）並將電子轉移到二氧化鈦層中。三澤弘明表示，光轉換效率可說是以往的 11 倍，可大大提升水分解製氫效率。

研究員表示，團隊希望未來可用極少的材料、讓光電極有效將陽光轉換成再生能源，進一步加速實現永續社會。目前研究已發表在《Nature Nanotechnolog》。