微波創新：數分鐘製取氫氣，顛覆潔淨能源格局

科學家們成功開發出一種突破性的方法，利用微波製取潔淨氫氣，大幅降低了傳統方法所需的極高溫度。透過運用微波能量，研究團隊將反應溫度降低了超過60%，使得氫氣生產變得更高效且更具永續性。一個關鍵突破在於能在短短幾分鐘內快速產生氧空位，而氧空位是將水分裂成氫氣的必要條件，以往可是需要花費數小時才能達成。

浦項科技大學（POSTECH）的一個研究團隊開發出一項突破性技術，成功克服了利用微波製取潔淨氫氣過程中的關鍵挑戰。由尹根秀（Gunsu S. Yun）教授和金亨宇（Hyungyu Jin）教授領銜，博士候選人柳宰民（Jaemin Yoo）和李東奎（Dongkyu Lee）共同參與，該團隊還揭示了這一創新過程背後的科學機制。他們的研究成果作為《材料化學A期刊》（Journal of Materials Chemistry A）的內封面文章（見上圖）發表，標誌著向更具永續性的能源解決方案邁出了重要一步。

隨著世界逐漸擺脫對化石燃料的依賴，潔淨氫氣因其零碳排放的特性，正成為備受期待的替代能源。然而，目前的氫氣生產方法面臨著諸多重大障礙。傳統的熱化學技術利用金屬氧化物的氧化還原反應，需要極高的溫度，有時高達1500°C（約2700°F）。這使得整個過程能耗極高、成本昂貴，且難以擴大規模以供廣泛使用。

為瞭解決這些挑戰，浦項科技大學的研究團隊將目光投向了一種常見但未充分利用的能源：微波能量，也就是家用微波爐所使用的能源。雖然微波通常與加熱食物聯絡在一起，但它們也能有效地驅動化學反應。研究人員證明，微波能量可以將摻釓二氧化鈰（Gd-doped ceria，CeO₂，氫氣生產的一種基準材料）的還原溫度降低到600℃（約1100°F）以下，將溫度要求降低了超過60%。值得注意的是，發現微波能量可以替代反應所需75%的熱能，這對可持續的氫氣生產而言是一項重大突破。

另一項至關重要的進展在於氧空位的產生。氧空位是材料結構中的缺陷，對將水分裂成氫氣至關重要。傳統方法通常需要在極高溫度下花費數小時才能形成這些空位。浦項科技大學的研究團隊藉助微波技術，在低於600°C（約1100°F）的溫度下僅用幾分鐘就達到了同樣的效果。這一快速過程還透過一個熱力學模型得到了進一步驗證，該模型為微波驅動反應的機制提供了寶貴的見解。

金亨宇教授表示：「這項研究有潛力徹底改變熱化學氫氣生產技術的商業可行性。它也將為開發更適用於微波驅動化學過程的新材料鋪平道路。」尹根秀教授補充道：「引入由微波驅動的新機制，並克服現有流程的限制，是重大成就，而這要歸功於我們研究團隊緊密的跨學科合作。」

參考文獻：李東奎（Dongkyu Lee）、柳宰民（Jaemin Yoo）、尹根秀（Gunsu S. Yun）和金亨宇（Hyungyu Jin）於2024年11月5日發表的《用於微波輔助熱化學還原的摻釓二氧化鈰的熱力學評估》，發表於《材料化學A期刊》。DOI：10.1039/D4TA05804F

本研究由圓形基金會（Circle Foundation）的創新科技計劃、科學和資訊通訊技術部的中年研究人員計劃、浦項科技大學基礎科學研究所，以及貿易、工業和能源部資助。