開拓更潔淨能源之路

文 : 鄭智友

由呂堅教授（左一）、李揚揚博士（右三）領導的團隊，研發出基於二維礦物凝膠納米片的電解水製氫催化劑。 由城大材料科學家領導的科研團隊，研發出兩款高效且價格低廉的新型電解水製氫催化劑。氫氣是潔淨及可再生能源，可取代化石燃料，但問題是生產低成本、高性能的氫催化劑需要用上昂貴的貴金屬。

單原子催化劑因其高活性、最大化原子效率和最小化催化劑用量，在催化HER應用上前景遠大。然而，傳統單原子催化劑的製造過程過於複雜，須消耗大量能源和時間。

城大研製的新型電解水製氫催化劑帶來新希望。新的電催化劑是基於二維礦物凝膠納米片，不含貴金屬，因而可以大規模生產，有助降低氫氣價格。

領導這項研究的國家貴金屬材料工程技術研究中心香港分中心主任、城大機械工程學系兼材料科學及工程學系講座教授呂堅教授說：「我們發現礦物凝膠在大規模生產電催化劑上有極大優勢；因為其原料容易獲得，合成過程既簡單又環保，且所需反應條件溫和。」

具備雙相合金納米結構的電催化劑。 實驗結果證明，這種新催化劑電催化活性性能優異，且耐久及極為穩定。相關的科研成果已於《自然通訊》發表。

呂教授的團隊還取得另一突破，就是研發出一種新型析氫催化劑。這項創新成果已發表於科學期刊《科學進展》。研究的設計策略為開發用於大規模制氫的電催化劑提供了有效途徑。

呂教授說：「研究團隊使用名為磁控共濺射的簡單方法，製作一種高效、低成本的鉑基電催化劑替代品。」.

金屬氧化物半導體釩酸鉍（BiVO4）是一種在光電化學水分解過程中，性能極高的光催化劑，可分解水來產生氫氣作為替代能源。 對潔淨能源與碳中和來說，還有更令人振奮的好消息，就是使用金屬氧化物作為「光電化學水分解」催化劑來生產氫。一直以來的問題是，不良的「電荷載流子傳輸」阻礙了活性，尤其在低偏置電壓下。城大、澳洲和德國學者組成的研究團隊，發現摻雜了磷質的氧化金屬催化劑，可減少水分解過程中的能源損耗，從而解決了這一問題。

這項研究的關鍵是金屬氧化物半導體釩酸鉍（BiVO4），這是一種在光電化學水分解過程中性能極高的光催化劑。城大能源及環境學院吳永豪教授共同領導這項研究計劃，研究成果已在科學期刊《自然通訊》上發表。

吳永豪教授（右）與他的研究團隊成員吳昊博士 本身為光電化學研究專家的吳教授說︰「光電化學水分解是利用太陽光結合光催化劑、即釩酸鉍等半導體，透過光能和額外的小量電壓供應，讓光催化劑直接將水分子分解為氫氣及氧氣。但在低電壓情況下，大量由光激發的電荷載流子卻無法被提取。」

然而，研究團隊發現「釩酸鉍光陽極」可幫助儲存能量，在摻雜磷質之後，電荷遷移率較一般釩酸鉍增強，電荷分離效率也大幅提升。

“吳教授說︰「我們希望通過理解提高釩酸鉍效能的方法，為有效轉化氫氣以實現碳中和願景，提供進一步的潛在解決方案。」

城大在2023年3月舉行2023年清潔能源及碳中和國際會議（ICCECN-2023），強調轉型到脫碳的可持續能源體系迫在眉睫。會議由城大香港清潔能源研究院與法國科學院領導，議題涵蓋可擴展光伏、穩定可靠的電池科技，以及節能智能電網技術，重點探討能源生產、運用、儲存、分配與碳捕獲，及零碳核能。

任廣禹教授於會議上分享見解。城大香港清潔能源研究院院長兼李兆基講座教授（材料科學）任廣禹教授說：「2023年清潔能源及碳中和國際會議結合了香港清潔能源研究院與法國科學院獨有的知識與經驗，聯合世界知名學者與研究人員，促進跨學科對話，以擴大清潔能源的規模，確立清晰的目標，創造有利的監管環境，加快採用新興科技。」

會議討論的具體領域包括可用於塗佈型太陽電池、鋰離子電池技術的發展、節能設備及應用的最新功能材料設計與合成、智能設備配置，同時探討局限清潔能源大規模工業應用能源設備的基本原理及降解機制，以及其他議題。

任教授表示：「我們希望這次會議能加強城大、法國科學院和全球大學之間的研究合作。」

城大各種論壇、學術研究與國際會議，對我們邁向更具創意的碳中和之路深具啟發意義。

世界知名學者與研究人員出席會議，討論清潔能源問題。