第一組 林雨農 陳栢林 陳子敬 陳昶宏 吳志杰 吳佳靜 吳宇耕 吳侑儒 葉明婷 閻正剛 王婉馨 李依純 氫能源 第一組 林雨農 陳栢林 陳子敬 陳昶宏 吳志杰 吳佳靜 吳宇耕 吳侑儒 葉明婷 閻正剛 王婉馨 李依純

Introduction 閻正剛

回顧人類使用能源的歷史 火的發現和利用 畜力、風力、水力等自然動力的利用 化石燃料的開發和熱的利用 電的發現及開發利用 原子核能的發現及開發利用

面臨問題 目前全球能源結構： 石油 51.4% 煤炭 30.8% 核能 9.0% 天然氣 6.7% 再生能源 2.1%

氫能源的優勢 2H2 + O2 → 2H2O 產物為 H2O，零污染 △H = 286 kJ/mol 氫的燃燒熱值高 汽油的3倍 ，酒精的3.9倍，焦炭的4.5倍

氫能源發展待解決的問題 1.如何產氫？ 目前朝利用太陽能的方向進行研究 2.氫氣的儲存 Ex: 高壓鋼瓶，合金金屬儲氫、吸附儲氫

產氫的方法 Water splitting 化石燃料製氫 生質製氫技術

Water splitting 林雨農

Water splitting 最一開始的方式 - 電解水 H2O H2+O2

Water splitting的方法 再生能源製氫 - 太陽能源 1.提高能源供給 2.環保訴求 太陽光能製氫法主要方法有： ( 1 ) 太陽能電池結合水電解法 ( 2 ) 直接光催化將水分解製氫法 ( 3 ) 太陽熱能分解製氫法

光觸媒？ 當化學物質受到光線照射時，可藉光的能量促使化學反應的產生。EX.冷氣機的殺菌光 能分解水的光觸媒受到光的照射，會生成電子及電洞 電子 水分子 氫氣 電洞 半導體 氧氣

光電化學產氫技術 PEC PhotoElectroChemical

Particulate photocatalyst 光催化反應產氫技術 Photocatalytic 光觸媒表面 Step 3. H+ H2 O2 H2O Step 3. Step 2. e- h+ Step 1. Recombination Hv > Eg Particulate photocatalyst

Principle

水分解三大需求 能量需求 過電壓 穩定性 水溶液 能階 位置高低

Titanium Dioxide, TiO2 二氧化鈦 陳子敬

TiO2 Occurs in nature as well known minerals Rutile, Anatase and Brookite. Most stable form is Rutile. All contained 6 coordinated titanium. Their band gaps are similar. (3.0 eV for Rutile and 3.15 eV for Anatase) Unit cell of Anatase: Unit cell of Rutile:

Honda-Fujishima Effect Discovered by AKIRA FUJIJSHIMA and KENICHI HONDA in 1972. Suggested that water can be decomposed by visible light without any external voltage. TiO2 + 2hv  2e- + 2p+ 2p+ + H2O  ½ O2 + 2H+ 2e- + H+  H2 ----------------------------------- Overall: H2O + 2hv  ½ O2 + H2

This effect is very similar to the photosynthesis process.

Development of TiO2 Efficiency is low when pure TiO2 is used. Over the years, different materials have been used to develop TiO2. Replacement of Pt with Rh as the cocatalyst. TiO2 combine with metal oxides (eg SrO) to form metal tanalates (SrTiO3). NiO deposition on the metal tanalates improves the Quantum Efficiencies (QEs). Rh > Ru > Re > Pt > Ir > Pd > Os > Co

The table below shows some of the photocatalysts that have been developed over the years.

化石燃料製氫 陳栢林

簡介 世界上商業用氫氣大約有 96％來源依然仰賴化石燃料 化石燃料製造氫氣依原料不同，大致可分為固態、液態以及氣態三種

化石燃料製氫 煤製氫： 天然氣製氫： 液體化石能源製氫： 煤的焦化 煤的汽化 (1) C(s) ＋ H2O(g) → CO(g) ＋ H2(g) (2) CO(g) ＋ H2O(g) → CO2(g) ＋ H2(g) 天然氣製氫： 天然氣水蒸氣重整製氫 CH4 (g) ＋ 2H2O(g) → CO2(g) ＋ 4H2(g) 天然氣水蒸氣重整與部分氧化法製氫 CH4 (g) ＋ 0.5O2(g) → CO(g) ＋ 2H2(g) 天然氣裂解製 CH4 (g) → C(s) ＋ 2H2(g) 液體化石能源製氫： 甲醇產氫反應 CH3OH(l) ＋ H2O(g) → CO2(g) ＋ 3H2(g) 輕質油製氫 重油部分氧化法製氫

天然氣水蒸氣重整製氫 氫氣產率：75％ (1) CH4 (g) ＋ H2O(g) → CO(g) ＋ 3H2(g) (2) CO(g) ＋ H2O(g) → CO2(g) ＋ H2(g) 總反應：CH4 (g) ＋ 2H2O(g) → CO2(g) ＋ 4H2(g) http://blog.roodo.com/energytech/archives/3936257.html

甲醇蒸氣重組產氫 貴金屬系鉑、鈀： 銅系觸媒 ： 電漿重組製氫： 缺點：價格高昂、且易受一氧化碳毒化 優點：在於活性高、選擇性好、穩定性佳 活性雖不如貴金屬系，但由於價格便宜 ，具有商業化之潛能 電漿重組製氫： 優點：不需使用觸媒

銅系觸媒 ：Cu/Zn/Zr/γ-Al2O3 觸煤製備方法：初濕含浸法 incipient wetness Taylor C. E. Ind. Eng. Chem. Res. 2007, 46, 8906-8909

甲醇電漿重組製氫 高能量將氧化氣體變為電漿氣，利用高導熱導電性能以及富含離子、電子、自由基可使混合良好的液體或氣體燃料充分加速反應產生以氫氣與一氧化碳為主的合成氣體 http://blog.roodo.com/energytech/archives/3936577.html

生質製氫技術 葉明婷

生物法製氫途徑 光合作用(photosynthesis) 光醱酵(light fermentation) 暗醱酵(darkfermentation)

光合作用(photosynthesis) hydrogenase 2H+ + 2Fd- H2 + 2Fd 發展歷史最久，研究最為透徹 產氫效率較差 需較大反應面積，不適合台灣發展

光醱酵(light fermentation) Glucose + 6 H2O 6 CO2 + 12 H2 廢棄有機物降解，解決環境汙染 可將有機物完全分解 光醱酵菌中nitrogenase需高能合成氫氣 太陽能轉換效率低 反應器建構複雜

暗醱酵(darkfermentation) C6H12O6+2H2O 2CH3COOH+4H2+2CO2 C6H12O6 CH3COOH+2H2+2CO2 H2 非完全降解，有伴隨其他產物（乙酸、乙醇 etc.） 操作條件要求低（常溫常壓、免日光可不分晝夜） 代謝速率最快、效率最高

生物氫能國內外發展現況 國際組織 國內 歐盟 Hyvolution 亞洲生質產氫聯盟 （Asian BioHyLinks) 工業技術研究院 成功大學 逢甲大學

儲氫 吳宇耕

未來是氫能的時代! 如何儲氫決定氫能經濟的實現! 壓縮儲氫 以壓縮氣體形式儲氫是目前最普遍儲氫方式，目前燃料電池車的儲存壓力大約落在25~35MPa之間。 研究發展 目前為了儲存足夠的能源，以滿足載客汽車所需行駛的里程數，目前已有測試壓力達到70MPa其能將效率由1.9wt％提升到3wt％

氫的壓縮 1. 壓縮功 2. 絕熱壓縮 W＝A T log(P2/P1) A為一經驗壓力修正係數 低壓=1、70MPa為0.8 在溫度T和壓力為P1和P2之間的等溫壓縮所需的功為 W＝A T log(P2/P1) A為一經驗壓力修正係數 低壓=1、70MPa為0.8 2. 絕熱壓縮 絕熱壓縮需要更多的能量輸入，較佳的方式為多階段中高壓風冷式 壓縮機，其能夠將單階段式的能量輸入減少一半。

高壓氫槽安全性 在乘客身邊的高壓氫槽安全性現已列入主要研究重點。 增加容器的抗壓性 玻璃塑鋼材料

液態氫儲氫 王婉馨 Advantages Disadvantages Examples

Advantages 以液氫儲氫具有較高的體積能量密度。常溫、常壓下液氫的密度為氣態氫的845倍 845

Disadvantages 需要耗用許多能源。 儲存成本較昂貴 安全技術較複雜。

BMW旗下第一款豪華氫氣動力房車－Hydrogen 7

多層複合金屬材質，再加上3mm的中空設計，讓儲存槽內的溫度得以經常保持在-250℃根據BMW的官方資料，這個儲存槽的保溫性能，可以讓放在裡面的雪人，得要花上17年的時間才能融化。

儲氫金屬儲氫 李依純

儲氫金屬之儲氫原理 LiAlH4、NaBH4等含氫化合物、化學 氫化物之氧化還原 電化學方法 金屬吸附氫氣體儲氫：

吸附型儲氫金屬作用機制

儲氫合金應用

儲氫合金應用

吸附儲氫 吳佳靜 吳侑儒

吸附儲氫 物理v.s化學吸附 優點 1.儲存條件溫和 2.成本較低 3.使用安全 4.儲存效率高

活性碳 低溫高壓 (圖片來自周里; 周亞平, 中國科學B輯 第26卷 第5期 1996)

奈米碳管 優點：材料尺寸很小、 獨特的晶格排列、 及較大的比表面積 Picture from paper published in Nanotechnology, Vol. 17, No. 15, 14 August 2006, pp. 3920-3924 (2006)

奈米碳管 原理 發展 1.奈米碳管的碳是以不飽和的SP2軌域鍵結而成 2.形成多孔性的結構 3.奈米的尺度，和氫氣分子大小差不多 4.被相鄰的碳原子所吸引 5.毛細力可以使氫氣壓縮在孔洞中 發展 大批生產奈米碳管的技術開發、價格的壓低

BN奈米管 1. 氮化硼和石墨的結構相近，特別是六邊型的氮化硼有類似石墨的層狀結構 2. BN奈米管的性質優於一般的奈米碳管，BN奈米管不易氧化且不易燒毀，因此適用於高溫下，而且具有半導體的性質 3. Narita和Oku等人指出BN奈米管儲存量較高，而在吸附性質方面，他們推斷有70%的氫為化學吸附，30%為物理吸附 Tang, C. C.; Bando, Y.; Ding, X. X.; Qi, S. R.; Golberg, D., J. Am. Chem. Soc.

硫化物奈米管 1. MoS2和TiS2 2. 奈米管性質和BN奈米管類似 3. 物理吸附外，還明顯表現出化學吸附 4. MoS2的晶體包含與氫作用較強的S原子以及較弱的Mo原子

Metal Organic framework 過渡金屬+有機配體 組裝成的結構 Cluster：[Zn4O]6+ Linker： [O2C-C6H4-CO2] Cavity MOF是 MOF-5 Zn4O(BDC)3 (BDC 1,4-benzenedicarboxylate)

Metal Organic framework 材料特性 1.高比表面積(2000~3000m2/g) 2.低密度(0.21～0.41g/cm 3) 儲氫能力 →77K下，儲氫能力4.5wt% →室溫下，以20Bar高壓，儲氫能力1.0wt% → P越大，吸氫能力越大 78K 298K

MOF 儲氫效能設計 高孔性結構：孔洞大小和幾何形狀 互穿結構 四次互穿 鑽石型結構 直徑 16 Å 球體

MOF 儲氫效能設計 活性金屬中心： 由小分子離去所產生 增強化學吸附氫的能力 輕金屬陽離子中心的應用 由小分子離去所產生 增強化學吸附氫的能力 輕金屬陽離子中心的應用 原子量較小的主族元素：Mg2+、Al3+ 氫氣的分解吸附 活性金屬(如鈀、鋰)和結晶型配位聚合物結合

MOF 儲氫效能設計 改變官能基(linker) 2倍 IRMOF-6 4倍 MOF-5 IRMOF-8

MOF發展目標與目前應用 增加在室溫下的儲氫能力 增加孔洞與氫氣之間的作用力 金屬有機骨架材料儲氫匣，和3W PEM燃料電池連結，並推動iPod Shuffle播放音樂的情形。(核能研究所)

結論 吳志杰

製氫 1.電漿重組產氫 2.分離助效式重組產氫 3.生質能重組產氫 4.太陽能產氫： TiO2、Tanalates、Zirconium Oxide ＊氮化物

儲氫 1.鋼瓶儲氫 2.液態儲氫 3.合金金屬儲氫 4.配位氫化物儲氫 5.吸附儲氫： 活性碳、奈米碳管、硫化物奈米管

未來展望 陳昶宏

產氫 現今產氫仍主要是從處理天然氣中獲得 利用再生能源產氫成為理想的方式 (ex:太陽能 風力 水力…等)

再生能源產氫

太陽能產氫 太陽能電池結合電解 光催化將水分解製氫 生物光化學製氫 太陽熱能分解製氫 缺點:價格過高與應用之廣泛性差

儲氫 物理儲氫 體積和安全性 化學儲氫 材料的環境友善程度和效率

化學儲氫:新材料的開發 The Journal of Physical Chemistry

Thanks for your attention!!