發佈日期:2015-12-09

氫應用開發之科技研發趨勢探討

作者:賴志遠

前瞻研究光催化金屬有機骨架材料固態氧化物燃料電池高被引論文photocatalysismetal organic frameworksolid oxide fuel cells (SOFC)highly cited papers

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氫氣是目前各界最看好的潔淨再生能源之一,氫燃燒值高,燃燒後的產物是水,是乾淨的能源載體,氫可以由水製備,而水又是地球上最豐富的資源,符合再生潔淨的要求,氫具備的特質讓許多國家選擇它作為未來國家能源發電體系的一員以及作為下世代燃料電池車的解決方案。而依據IEA及日本對氫應用開發的評估預測及推動規劃(1,2),多認為本世紀2030~2040年氫能的應用將會達到成熟期。因此確認現階段學術界氫應用科技熱門研究議題將有助於我國科技研發目標設定以及對未來能源選擇參考。同時透過前沿技術方案盤點,及早為我國產業界進行技術佈局,以爭取更好的先機。

為了瞭解目前氫應用開發的熱門研究主題為何,本文運用Thomson Reuster的ESI研究前沿資料庫(3),引用的資料期限為2015年1月,找出各領域與製氫/儲氫/氫應用相關的高被引論文,首先利用回顧性的論文找出相應的技術關鍵字,如water splitting、photocatalytic、hydrogen evolution reaction、hydrogenolysis、dihydrogen、hydrogen uptake、metal organic framework、hydrogenase等,進行多回合的篩選及整理後,確認共有700篇的高被引論文符合本文主題精神而被列入分析文本及統計資料。圖1為本研究的工作流程圖,針對所下載的論文,以論文的標題、摘要、論文所附關鍵字、找出論文內容所討論的技術及應用材料及理論後,依其研究目標劃分為製造、儲存及應用三大軸向進行分類與解讀,同時也就論文的發佈機構及國別進行統計,瞭解國際上投入於氫應用開發的主要國家及研究機構;最終完成氫技術應用開發地圖

圖1.研究流程圖

圖2為本研究所整理之高被引論文發表國家的分佈排行,為了簡化計算,本研究對國際合作的研究文章只計算第一作者的國別。從所整理的論文數量排行來檢視,以美國、中國、日本、德國及加拿大佔據排行前五名。從排行的比較可以看出美國的研究成果一直都是全球學術研究的領先者,而日本、德國及加拿大在再生及潔淨能源的投入一向不落於人後,而且也是國際上高調發展再生能源、減少碳排放的國家,而中國則因經濟高速發展、環境過度開發,飽受pm2.5 、空氣污染所苦,目前全力轉型中,因此在潔淨能源的開發上投入一定的努力,從排行第二的表現來看,中國可預期在未來氫能源開發將成為世界的一個重量級玩家。

圖2.氫應用開發高被引論文全球排名

圖三為全球學研機構氫應用開發高被引論文發表排名。而在研究機構的排行部份,前兩所機構均為中國的大學及研究機構,分別是武漢大學及中國科學院,德國的Max Planck研究院及瑞士的洛桑聯邦理工學院 (École Polytechnique Fédérale de Lausanne, EPFL) 以及日本產業技術總合研究所 (National Institute Of Advanced Industrial Science And Technology, AIST) 則分別位列三、四、五名;而美國雖然個別學校的高被引論文量比不上這些機構,但是研究能量水準高的學校遍佈全美,呈現全面發展的狀態,後續的排名多為美國大學所佔據,如賓州大學(The Pennsylvania State University)、史丹佛大學(Stanford University)、加州理工學院(California Institute of Technology)等。

若詳細檢視各學研機構所發表的論文內容,則可以進一步瞭解該機構所著重的研究主題為何,從而研判那一類型的技術將會在未來有可能落實到該國的產業鏈中,從而進一步掌握該國的技術佈局,並規劃本國的因應策略及措施。以武漢大學為例,所發表之高被引論文研究主題主要以製造氫氣為主,所探討的技術則是以利用可見光作為光催化光源為主之解決方案,但所開發的新型態光觸媒材料非常多元,包括了像是石墨烯/C3N4複合材料開發(4)、硫化鎘團簇鉗飾石墨烯奈米薄片(5)、以石墨烯承載的銀@鈷鎳(Ag@CoNi)新型結構的核殼奈米粒子(6)、以石墨烯承載的釕@鎳(Ru@Ni)新型結構的核殼奈米粒子(7)、石墨烯-鋅鎘硫(ZnxCd1-xS)複合材料(8)等多種新型材料的開發,同時對傳統光觸媒材料二氧化鈦的開發也不遺餘力,多聚焦在採用奈米技術來改善二氧化鈦的光催化能力,所投入的材料包括二氧化鈦奈米管陣列薄膜(9)、以石墨烯為基底的金-二氧化鈦光催化劑(10)、以氫氧化銅團簇(11)或以氫氧化鎳團簇Ni(OH)2(12)修正二氧化鈦光催化能力等。

圖3.全球學研機構氫應用開發高被引論文發表

此外透過排行前十的高被引論文主題及內容,則可以發現目前學研界對氫應用開發的熱門研究議題著重點所在。表1為本文所整理的被引數最高的前十篇論文,其中最熱門的主題就是金屬有機骨架(metal-organic frameworks)材料,所整理的前十篇高引用論文就有六篇是屬於本主題的文章,可見學界非常看好這種材料的應用潛力。金屬有機骨架材料是一種結晶性的有機無機複合錯合物,利用金屬離子或金屬簇團所組成的基本單元(building block)與多元有機配位基,透過配位鍵組合而成。這種材料具備很大的比表面積(specific surface area;指單位質量物體所具有的總表面積)及微小孔洞,這種特殊的結構適合用來吸附氣體分子,學界認為這種材料的特質可以開發為氣體儲存、分離、催化及檢測等多種用途。

在應用上主要是想要利用其吸附的功能作為儲氫用途,特別是在安全性及便利性比目前的氣體壓縮儲存好。其主要的考量點為若要把氫作為一種車載能源使用,安全性將是消費者、車商及公共運輸管理部門最關心的課題。上世紀30年代所發生的興登堡號飛船因泄漏氫氣與空氣混合產生爆炸而墮毀造成36人的死亡意外把氫氣不安全的印象深烙在人們的腦海中,在未來如何克服氫安全議題將是學研及開發廠商需要克服的最大課題。此外根據Ryan(13)對金屬有機骨架材料應用的研判,這種新穎材料引人注目的應用是在於它在螢光感測器、藥物傳輸或儲存、微孔磁體等更具有高附加價值的應用上。

表1.重要高被引論文整理

高被引論文被引次數
Li Jr, Kuppler Rj and Zhou Hc, “Selective Gas Adsorption And Separation In Metal-Organic Frameworks”, Chem Soc Rev 38(5), 1477-1504, 2009. 2097
Lee J, Farha Ok, Roberts J, Scheidt Ka, Nguyen St and Hupp Jt, “Metal-Organic Framework Materials As Catalysts”, Chem Soc Rev 38(5), 1450-1459, 2009.2005
Kudo A and Miseki Y, “Heterogeneous Photocatalyst Materials For Water Splitting”, Chem Soc Rev 38 (1): 253-278 2009.1773
Murray Lj, Dinca M and Long Jr, “Hydrogen Storage In Metal-Organic Frameworks”, Chem Soc Rev 38 (5): 1294-1314 2009.1753
Elias Dc, Nair Rr, Mohiuddin Tmg, Morozov Sv, Blake P, Halsall Mp, Ferrari Ac, Boukhvalov Dw, Katsnelson Mi, Geim Ak and Novoselov Ks, “Control Of Graphenes Properties By Reversible Hydrogenation: Evidence For Graphane “, Science 323 (5914): 610-613 Jan 30 2009.1425
Ma Lq, Abney C and Lin Wb, “Enantioselective Catalysis With Homochiral Metal-Organic Frameworks “, Chem Soc Rev 38 (5): 1248-1256 2009. 1306
Chen Xb, Shen Sh, Guo Lj and Mao Ss, “Semiconductor-Based Photocatalytic Hydrogen Generation”, Chem Rev 110 (11): 6503-6570 Nov 20101244
Li Jr, Sculley J and Zhou Hc, “Metal-Organic Frameworks For Separations”, Chem Rev 112 (2): 869-932 Sp. Iss. Si Feb 2012.997
Williams G, Seger B and Kamat Pv, “Tio2-Graphene Nanocomposites. Uv-Assisted Photocatalytic Reduction Of Graphene Oxide “, Acs Nano 2 (7): 1487-1491 Jul 2008.885
Tranchemontagne Dj, Mendoza-Cortes Jl, Okeeffe M and Yaghi Om, “Secondary Building Units, Nets And Bonding In The Chemistry Of Metal-Organic Frameworks “, Chem Soc Rev 38 (5): 1257-1283 2009.870

最後本文整理了所蒐集的論文,依其特性繪製了氫應用開發的技術分類架構圖。(見圖4)從高被引論文的整理,其技術開發可簡略分成三大類:製造、儲存及應用。其中製氫方法包括了傳統的石化燃料重組、生物法、光熱法、生質材與及目前非常受到注目的水解法,而水解法又可細分為光催化、電化學催化等不同的技術解法方案,而其中最受到廣泛注意的就是可見光光催化法;而在儲氫部份,大部份的文章主題都聚焦在運用奈米技術來開發固態式的儲氫材料,以提高未來這類產品的安全性及運輸方便性,這類固態式儲氫材料以金屬有機骨架材料為主;而在應用上,則是主要以燃料電池的應用為主,多種類型的燃料電池已經被廣泛投入研究,如質子交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cell)就是一種為目前市面上燃料電池車所廣泛運用的動力來源,這種電池具有能量轉化率高、低溫啟動、比功率大、使用壽命長、無機械磨損振動噪音等優點,但是催化結構需要用到貴重金屬(如鉑pt)來作為電極元件,因此目前學研界已經朝向開發替代貴金屬使用的新型燃料電池,從高被引論文的整理過程中,固態氧化物燃料電池(solid oxide fuel cell)極有可能是下一世代最受瞩目的燃料電池。

圖4.氫應用開發技術架構圖

小結

本文對氫應用開發的高被引論文進行初步整理及分析,並依照製氫、儲氫與應用三個架構就論文進行分類及群組,依照高被引論文的數量及被引次數,研判現階段學研界最關切的氫熱門議題分別是:可見光光催化法、金屬有機骨架材料、固態氧化物燃料電池。氫應用開發高被引論文發表國家主要以美國、中國、日本、德國及加拿大表現最優,其中學研機構的表現以武漢大學最好,該校所專注的熱門議題主要是以可見光光催化技術及光觸媒材料開發為主。此外本技術架構展開提供一個圖像化的技術地圖,圖像化的資料可以協助讀者確認未來氫能技術佈局及研發資源投入選擇上。唯本文限於篇幅無法對技術的討論更具體與深入,只能以簡略的方式提出一些方向性的說明,後續的工作將對技術解決方案作更詳盡的分析及整理。

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