陽光直接分解水製氫：邁向未來燃料的新希望

氫氣可謂是最終極的潔淨燃料，當它在燃料電池中燃燒或產生反應時，唯一的產物僅是水。事實上，我們早已大量使用氫氣，像是製造肥料和甲醇等。然而，目前大部分的氫氣是透過化石燃料製造（也就是所謂的「灰氫」），過程中會釋放出二氧化碳。即便只是為了滿足現有的氫氣使用需求，尋找更好的製氫方式也勢在必行，更不用說那些想要將氫氣用於無汙染運輸、供暖或鋼鐵生產的構想（儘管這些構想備受爭議）。

綠氫則不存在汙染問題，它依靠太陽能或風能將水分子分解成其組成元素。雖然目前綠氫的產量規模尚小，但成長迅速。只是，它大多依賴先轉換為電能作為中間步驟。信州大學的久富隆史教授和門出和則教授認為，我們可以跳過這一步驟，而且他們已證明瞭此種可能性，儘管目前尚未具備實用性。

門出和則教授在一份宣告中表示：「利用光催化劑進行陽光碟機動的水分解，是太陽能轉化和儲存為化學能的理想技術。近期光催化材料和系統的發展，為其實現帶來了希望。」

光催化劑，顧名思義，就是在有光的環境下刺激化學反應。雖然在許多反應中它都能發揮作用，但將水分解成氫氣和氧氣的反應，才蘊藏著改變世界的潛力。

久富隆史和門出和則帶領的研究團隊，使用光催化劑SrTiO₃:Al薄片建造了一座100平方米的原型反應器。在這些薄片上放置了數種助催化劑於溶液中，水會蒸發。水流經催化劑，氣體則透過管子收集。

任何能量轉換都無法達到100%的效率，每增加一個步驟，都會降低總效率的上限。舉例來說，世界上最高效的太陽能電池，也很難將陽光中的能量轉化為電能的比例達到30%，而大量生產的太陽能電池，轉化效率僅略高於20%。當電能用於分解水時，效率又會降低，尤其若是使用廉價的鎳基催化劑，而非貴金屬製成的催化劑。目前大量的研究正在努力改善此狀況，但即便每個步驟的效率都能達到30%，最終氫燃料所獲得的太陽能也僅有9%。

若合適的光催化劑效率能達到10%，那就意味著在相同的陽光照射量下，能產生更多的氫氣。如此一來，綠氫在價格上可能終於能與灰氫一較高下。

遺憾的是，目前還無法做到。利用模擬陽光進行直接轉換的實驗室研究，所得到的效率低得可憐。任何創新技術在進入現實世界時，效率通常都會更低。然而，在這項研究中，研究人員卻收穫了意外之喜。

久富隆史表示：「在我們的系統中，使用對紫外線有反應的光催化劑時，在自然陽光下的太陽能轉換效率，比模擬陽光下高出約1.5倍。」這是因為模擬陽光的全球標準，是基於比測試反應器所在地東京緯度更高的地區的條件制定的——科學研究歷史上對北半球的偏向，即便在太陽能研究領域也留下了影響。在陽光中紫外線成分更高的熱帶地區，反應器的表現可能會更好。

即便如此，這項研究仍有很長的路要走。久富隆史稱：「目前在模擬標準陽光下的效率最高僅為1%，在自然陽光下也無法達到5%的效率。」

效率低下不僅會提高成本，效率低的反應器還需要佔用大量空間，畢竟它們需要大量的陽光照射。

更大的反應器能在一定程度上提高效率，但真正的進步仍取決於找到更高效的光催化劑。這一領域的研究最初從二氧化鈦開始，它雖常見但效率不高，如今研究重點已轉向更複雜的催化劑，如RhCrOₓ/SrTiO₃:Al。

另外，所有形式的水分解都需要解決一些共同問題，例如防止氫氣和氧氣在安全分離儲存前重新結合，有時這種重新結合甚至會引發爆炸。

要使陽光直接分解水在商業上可行，需要滿足四個主要要求。

久富隆史和門出和則認為，要實現這一目標，我們需要一個全球認證程式，就像太陽能電池效率認證那樣，制定統一的安全法規和效率標準。

目前，以這種方式生產的氫氣和有汙染的氫氣之間存在著巨大的成本差距。然而，門出和則並未氣餒。他表示，如果能研發出更好的光催化劑，「許多研究人員將會認真投入大規模生產技術、氣體分離工藝的開發，以及大型工廠的建設。這也將改變包括政策制定者在內的許多人對太陽能轉化的看法，加速與太陽能燃料相關的基礎設施、法律和法規的發展。」

有人希望，近期發現蘊藏量比先前認為的要豐富得多的天然氫氣開採，能解決問題，但廣泛開採天然氫氣的可行性，目前幾乎還未被深入研究。

一篇關於利用陽光直接製氫現狀的評述文章，已在《科學前沿》期刊上以開放存取的形式發表。該團隊建造100平方米反應器的研究成果，也已在《自然》期刊上以開放存取的形式發表。