邁向零碳未來：以二維材料解鎖氫氣能源
全球能源需求持續攀升，而由於能源消耗帶來的大量碳排放，我們的環境正面臨著前所未有的壓力，科學家們開始尋求清潔而高效的能源—氫氣，每公斤氫氣能釋放高達142兆焦耳的能量，相比之下，傳統汽油僅能提供約34.2兆焦耳，不只如此，氫氣燃燒後只產生水蒸氣，不會釋放二氧化碳，然而，目前大多數氫氣的生產仍依賴化石燃料，使得其製備成本高昂，並伴隨大量的溫室氣體排放，因此，如何以環保、可持續的方式生產氫氣成為當務之急，其中氫氣析出反應 (HER) 因為其能直接將水分解為氫氣而備受矚目，儘管如此，傳統的HER在酸性環境下進行，使得電極材料易被腐蝕，必須採用貴重金屬鉑 (Pt)，使其成本仍居高不下，以致於無法將此方法普及在能源發展之中，近年來，科學家發現二維材料的引入或許能成為突破口，這些材料因其僅具單層原子的結構，不只能提供更多的活性位點，還能由不同材料的堆疊能使電極自帶電場，促進氫氣生成反應。
撰文｜黃鼎鈞
近年來，高頻的極端氣候形成被大多數科學家認為與溫室氣體的過度增加高度相關，因此，隨著科技進步和地球環境惡化，對清潔能源的需求變得更加迫切，氫氣因此成為永續能源的理想候選者之一。就能量產生的效率而言，每公斤氫氣可產生142兆焦耳的能量，遠高於一公升汽油僅產生34.2兆焦耳的水準，更值得注意的是，氫氣燃燒只會產生水蒸氣，不會排放二氧化碳等溫室氣體，然而，由於氫氣的產生成本仍然高昂，目前全球大部分氫氣生產仍依賴化石燃料，在尋求經濟利益的驅動下，大部分的工業仍然依賴化石能源，並持續排放著溫室氣體，因此，科學家們正積極探索以再生能源驅動的水電解製氫方法，其中氫氣析出反應 (HER) 成為研究重點，以期提升製氫效率並降低成本。
氫氣析出反應 (Hydrogen Evolution Reaction, HER)
氫氣析出反應 (HER) 是一種電化學反應，是水分解過程的核心部分，HER在陰極進行，將水分解為氫氣和氧氣，在酸性條件下，HER過程可分為三個步驟，首先是Volmer步驟，即將氫離子 (H₃O⁺) 和電子轉化為吸附氫 (H*)，接下來可能發生Heyrovsky步驟，這是吸附氫與氫離子及電子反應生成氫氣；或者發生Tafel步驟，其中兩個吸附氫原子直接結合生成氫氣，具體化學式如表1所示。Heyrovsky步驟或Tafel步驟這兩條路徑取決於電解質環境和催化劑表面特性等因素。從HER的過程中可以看見，不只能直接產生氫氣，且只會產生水的副產物。
儘管HER是一個簡單且直接的製氫方法，但傳統HER催化劑面臨不少挑戰。HER通常採用硫酸作為電解質，在這樣的酸性環境中，HER 通過氫離子（H⁺ 或 H₃O⁺）還原生成氫氣，然而，這些酸性電解質容易腐蝕大部分的電極材料，因此多數都採用昂貴金屬—鉑 (Pt) 作為穩定的電極與催化劑，使得HER的成本大增，若改採氫氧化鉀作為電解質，使HER在鹼性的環境中進行，能降低腐蝕性，採用較低成本的金屬電極（如鐵和鎳），然而，在這樣的鹼性環境中，氫離子濃度較低，無法提供足夠的效率產生氫氣，要能夠滿足工業的需求仍有相當大的挑戰，面對這些限制，HER是否還有搞頭？科學家們發現，二維材料可能成為解決這些問題的突破口。
二維材料出馬解救HER！？
活性位點就像是催化劑表面上的「窗戶」，這些「窗戶」可以讓反應物（如氫離子）進入並發生反應，在普通的材料中，這些窗戶通常只集中在晶格缺陷、邊緣和角落，因為在這些位置，材料的結構偏離了正常的排列方式，就像一面牆上的裂縫或邊角，露出更多未配位的電子，使其更具反應性，因此，在普通三維材料中，只有少數窗戶能與外界互動，大部分原子被封閉在材料內部，無法參與反應。然而，二維材料不同，由於其只有單層原子厚度，每個邊緣都能暴露出來，就像一面牆，上頭竟然全是窗戶，每一個原子都能接觸到外界的氫離子，也因此二維材料具有更多的活性位點，使氫離子更容易被吸附並轉化為氫氣，換句話說，二維材料具備極高的表面積體積比，也就是說，在相同體積下，二維材料能提供超級多的「窗戶」來與反應物互動，從而大幅提高了反應活性。更進一步地，若我們將不同物理特性的二維材料（如MoS₂和WS₂）層疊在一起，會形成一種內建的電場，彷彿為這些「窗戶」加裝上了「磁鐵」，能加速吸引電荷，促使電荷快速分離並傳輸，加速氫氣的生成過程，因此，這些二維材料層中的活性位點對於催化HER至關重要，使得整個反應更高效、快速。
隨著二維材料技術的發展，以HER作為產生氫氣的方法再次被科學家關注，科學家們預計，未來將能通過材料結構工程和表面改性等技術，進一步提高HER催化效率，並促使氫氣生產的經濟性和應用性得到改善，這將使氫能成為大規模替代傳統化石燃料的理想能源，隨著工業需求不斷增長，相信氫能的發展將能幫助我們實現減少碳排放、推動永續發展的目標。
參考文獻
- Zhao, G., Rui, K., Dou, S. X., & Sun, W. (2018). Heterostructures for electrochemical hydrogen evolution reaction: a review. Advanced Functional Materials, 28(43), 1803291.
- Mondal, A., & Vomiero, A. (2022). 2D transition metal dichalcogenides‐based electrocatalysts for hydrogen evolution reaction. Advanced Functional Materials, 32(52), 2208994.
- Ghosh, R., Singh, M., Chang, L. W., Lin, H. I., Chen, Y. S., Muthu, J., ... & Chen, Y. F. (2022). Enhancing the photoelectrochemical hydrogen evolution reaction through nanoscrolling of two-dimensional material heterojunctions. ACS nano, 16(4), 5743-5751.