城大用半導體材料光催化「人工光合作用」

陽光與水，孕育了無數生命；若結合科學智慧，更可轉化成新世代零污染燃料，推動人類文明可持續發展。眾所周知，水（H2O）是由氫（H）與氧（Ｏ）元素組成；當氫以氣體形式（H2）存在，則是極具發展潛力的潔淨能源，惟如何有效產生氫氣卻面對龐大挑戰。近年，城市大學學者吳永豪及其團隊，受植物的光合作用啟發，利用獨特的半導體材料作為光催化劑（又稱光觸媒），以陽光驅動進行「人工光合作用」，成功將水分解為氫氣及氧氣，過程中不會產生任何污染物。團隊更成功透過調控當中的電子反應，同時將廢水中的有機物氧化降解，同時做到產能及減污，「一石二鳥」的尖端技術廣受國際注目。■香港文匯報記者 詹漢基

面對全球暖化，開發潔淨能源成為解決問題的關鍵。由於氫氣燃燒過程只會產生水作為副產品，可望達至零排放，被視為有機會代替化石燃料成為未來的經濟動力核心。城大能源及環境學院副教授吳永豪日前接受香港文匯報記者訪問時指，氫氣並非天然存在需要藉化學反應提取，惟現時兩個主要方法分別涉及燃燒化石燃料或用大量能源將水電解，兩者成本效益欠佳且會排放溫室氣體，「因此，如何用『乾淨』方法大量產生氫氣，是為箇中關鍵。」

轉研光催化現象（photocatalysis）的吳永豪，因而向大自然「取經」。他表示，植物進行光合作用時，葉子利用陽光，將水、二氧化碳轉化所需養分（碳水化合物），當中葉綠素就是一種光催化劑，若能以此為參照，「從水中提煉氫氣，燃燒氫氣時又產生水分，這樣便可以形成一個理想的循環。」不過當中涉及一個關鍵，「水是地球最穩定的物質之一，所以需要很強的氧化與還原能力，才能將水分解。」

粉末吸光 有效推「水裂解」

吳永豪表示，光催化是以光為驅動力，透過光催化劑加速化學反應，團隊利用從礦物提煉出的鈦酸鍶（SrTiO3）及釩酸鉍（BiVO4）等化合物，合成粉末狀的光催化半導體，只要將其置於水中，粉末吸收光後即能有效推動「水裂解」過程，將水轉換為氫氣及氧氣。

他進一步解釋，在半導體物質中，存在「價帶（valence band）」及「導帶（conduction band）」，「價帶」上的電子會因為光的能量而激發到「導帶」，「那帶負電荷的電子就像上了高速公路一樣，具有活性」；水分中存在大量的氫正離子（H+），會因「正負相吸」而吸收具活性的電子，兩顆氫正離子會形成「Bonding（鍵結）」，繼而還原成氫氣。

有機物失電子 結構氧化分解

當電子離開「價帶」，原有位置則成為「電洞（electron hole）」。吳永豪指，由於「電洞」性質並不穩定，故傾向將有機物周遭的電子吸附過來。當有機物失去了電子，其結構就會氧化、分解，從而起到將水淨化的作用，「但想要一種光催化劑，能同時擁有很強的還原能力及氧化能力，其實是行不通的。因為『價帶』及『導帶』距離太遠的話，電子不能被激發，對光就沒有了反應，所以要有取捨及平衡。」吳永豪說，團隊的優勢在於做了很多基礎理論的理解，「我們對調控不同材料『價帶』及『導帶』的距離較有心得，繼而調整吸光率。」

吳永豪提到，不同的半導體粉末具有不同的氧化、還原能力，故團隊搭建「滑梯」，利用氧化石墨烯作為輸送帶，引導電子在不同光催化劑間移動，從而產生更多的氫氣，並達到更強的淨化能力。以此創新方法產生的氫氣，可用合適的儀器儲存，進而燃燒發電；亦可結合二氧化碳分解技術，提煉煤氣等化學燃料。

藉着多年來於光催化製造氫氣的研究，吳永豪在亞太經合組織（APEC）約20個國家與地區的青年科學家中脫穎而出，成為該組織2019年度「創新、研究與教育科學獎」唯一得主。他透露，機電工程署亦有邀請其加入APEC相關工作小組，並將以署方名義舉辦亞太區氫能論壇，推動區內氫能發展。