美國科學家最近發現，矽奈米微粒能迅速與水發生反應並產生氫氣。此化學反應不需要額外的熱能、光能或電力，而產出的氫氣可用於小型燃料電池。這項技術可望用於行動能源裝置──加點水便能立即產氫。
分解水來產生氫氣是乾淨的能源再生方式，傳統的方法包含電解、熱分解及光催化法。水也能與矽塊材反應產生氫氣，但因速率過慢而鮮少有研究報導。理論上，每1 mol的矽能釋出2 mol的氫氣，相當於自身質量的14%，而矽材還有在地表含量豐富、與水反應時不會產生二氧化碳氣體等優點。
由於矽奈米微粒有高表面積體積比(surface-to-volume ratio)，所以產生氫氣的速率自然遠高於矽塊材。根據紐約州立大學水牛城(Buffalo)分校的Paras Prasad與Mark Swihart所指導的實驗結果，直徑10 nm的矽奈米微粒在1分鐘內便能產生氫氣，較矽塊材快上1000倍，100 nm的粒子則約需45分鐘。
不過，水牛城團隊發現粒徑10 nm和100 nm矽微粒反應速率的差距遠大於表面積造成的影響，顯然反應速率的大幅提升不能單單以反應面積增加來解釋。為深究原因，研究人員在矽材料耗盡之前便中止反應，結果發現10 nm微粒的尺寸變小，但外型仍約略維持球狀；100 nm的微粒則非在各方向上一致縮小，反而形成由數層矽單原子層(monolayer)組成的中空膠囊。由於反應物必須擴散穿越這些單原子層外壁，反應速率因而下降。
Prasad表示，此技術可望發展用來供應能源給小型可攜式裝置，甚至未來可能取代體積龐大的汽油發電機。雖然此技術尚未能製造大量氫氣，但其整體效率能已經能與一般電池或其他隨身能源裝置相匹敵，研究人員並已成功利用此技術驅動小型風扇。
該研究團隊目前計畫深入探討較大矽微粒反應所形成的中空結構，並研究添加其他材料(如鹼金屬氫化物)會如何影響該反應。Swihart認為這些中空「奈米氣球」(nanoballon)可能適合作為鋰離子電池的陽極。鹼金屬氫化物與水反應會釋出氫氣並產生鹼金屬氫氧化物(如氫氧化鈉)。金屬氫化物能催化矽與水的反應，但它們在空氣中並不穩定，若以矽奈米微粒加以包覆，不僅能增加系統的氫氣產能，同時維持材料在空氣中的穩定性。詳見Nano Lett.｜DOI: 10.1021/nl304680w。
原始網站: http://nano.nchc.org.tw/
譯者:丁逸勳(台灣海洋大學材料工程研究所)
責任編輯:蔡雅芝