【材料科技】蝦殼竟也妙用無窮

■以後吃蝦子的時候別急著丟蝦殼,科學家可是能把蝦殼的萃取物合成太陽能電池所需的材料!

photo credit: Phu Thinh Co via Flickr. CC BY-SA 2.0
photo credit: Phu Thinh Co via Flickr. CC BY-SA 2.0

撰文|方程毅

太陽能、太陽能,若說到永續能源,大家心中浮現的第一個候選人想必是太陽能。數十年來,科學家已經找出各式各樣將太陽光轉換成電能的材料,包括:矽、有機物、染料或量子點等等,但這些東西畢竟都還是人造,如果想要找出世界上能源轉換效率最好成本又最低的地方,答案或許就在生物體內。大自然精密又神乎其技的設計讓人類科技始終望塵莫及,直至今日,要在實驗室仿造出生物這樣複雜的結構仍就極其困難。雖然現今科技仍不夠進步到複製出整套生物結構拿來用,但擷取一部份來研究,讓問題不那麼複雜卻同時能享受到有機或生物體的高效率就可行的多。

利用生物體內的一些化學物質或是組織來改進現有的科技產品是近年來相當主流的研究方向。太陽能電池當然也不意外,今年(2015年),英國瑪麗王后學院(Queen Mary University of London)材料科學系Magdalena Titirici教授的實驗室便從蝦殼萃取出化學物質來增進太陽能電池的效率。他們使用的物質稱之為甲殼素(chitin)、甲聚醣或甲殼質(chitosan),但這項研究並不是直接拿甲殼素或甲聚醣本身來發電,而是利用甲殼素或甲聚醣當作前驅物來合成碳量子點(carbon quantum dots (CQDs)),再將碳量子點覆蓋到氧化鋅(ZnO)的奈米柱上,形成一複合材料的太陽能電池。

圖片來源:http://www.nipic.com/show/4/79/4149348kdbd6737a.html
圖片來源 http://ppt.cc/bpBV

碳量子點在這種型態的太陽能電池中扮演類似觸媒的角色,在照光後可以幫助氧化鋅產生電子電洞對(electron-hole pair),進而產生電流。可想而知,觸媒的選擇與製備就極其重要。除了碳量子點可以當作觸媒外,還有硫化鉛(PbS)、硒化鎘(CdSe)或碲化鎘(CdTe)等等材料,但這些材料都有一個共同的缺點,就是製備成本相當高。甲殼素或甲聚醣製備出來的碳量子點最大的優點就是成本低廉,因為蝦子的殼在取得上相對容易得多,而且蝦子的殼本身也沒什麼用,因此拿來合成碳量子點再適合不過。

主持這項研究計畫的Magdalena Titirici便表示:「新科技意味者我們可以從有機物或生物體的副產物中創造出新的材料,這些原料本身是很容易取得且有永續性,這些永續材料便具備高科技與低成本的特性。」「我們也用其他的生物材料,例如藻類來製作超電容(supercapacitor),這些超電容可以儲存大量的能量,用於消費性電子產品、去顫器(defibrillators)或汽車等等。」

Magdalena Titirici教授將這項研究被發表在2015年Angewandte Chemie International Edition上,並獲得Phys.org網站專題報導。這類型研究在近年來屢見不鮮,各種仿生結構或生物體身上物質的衍生物的研究其實都是在告訴人類,石油或煤礦有朝一日終會用盡,從生物身上取得的材料成本不高又低汙染,生物體也有永續性,可以不斷再生,與其不斷把人工的材料科技推到極致,不如回頭看看我們身邊的大自然,想想看有沒有可以運用的資源吧。

原始論文:
Joe Briscoe, Adam Marinovic, Marta Sevilla, Steve Dunn and Magdalena Titirici 'Biomass-derived Carbon Quantom Dots Sensitizers for Solid-State Nanostructured Solar Cells', Angewandte Chemie International Edition (2015)

參考資料:Cheap solar cells made from shrimp shells

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作者:方程毅 科教中心特約寫手,從事科普文章寫作。

 

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