一、研究新知
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以光化學途徑開啟水氧化用非晶型金屬氧化物催化劑之製備
（本校醫藥暨應用化學系陳泊余教授提供）
摘自Science, Vol 340, 60-63, 2013. Photochemical Rout for Accessing Amorphous Metal Oxide Materials for Water Oxidation Catalysis
氫氣(hydrogen gas, H2)將是未來替代石化燃料之重要再生能源之一。眾所周知，氫氣可藉由電解水而生成，其各自電極的半反應如下所示：
Anode reaction: 2H2O → O2 + 4H+ + 4e-E0 = -1.23 V (vs. NHE)
Cathode reaction: 4H2O + 4e- → 2H2 + 4OH-E0 = -0.83 V (vs. NHE)
氫氣在電解反應槽的陰極(cathode)生成。電解水產生氫氣的過程多需要極高的操作電壓，其原因卻不在陰極的氫氣生成反應，而是因為陽極(anode)上水電解產生氧氣的反應在化學動力學上是一個緩慢的反應，即所謂受動力學控制的反應，致使陽極反應需要極高的過電壓(overvoltage)才能得到一合理的反應電流。由於氧化還原反應是伴隨發生，在一電解槽中整體電流是同時受陽極及陰極反應所影響，由於氧氣生成反應限制了反應電流，致使電解水時需要極高的過電壓，加劇了能量的消耗。因此，發展電解水之氧氣生成端的陽極催化劑是相當重要的研究。
目前用於水電解氧化產生氧氣的陽極材料多為金屬氧化物(metal oxides)電極。其製作多採用電沈積(electrodeposition)的方式形成。然而，電沈積有諸多限制，除無法適用於所有之金屬氧化物外，也未見多金屬組成之氧化物電極以電沈積方式形成，主要是因為氧化物沈積時對施予電位的方式非常敏感。為此，加拿大卡加利大學(University of Calgary, Canada)化學系與先進太陽能材料中心的Prof. Curtis P. Berlinguette及Prof. Simon Trudel發展了利用光化學反應的方式製備非晶型金屬氧化物電極用於水電解之氧化反應。許多陽極金屬氧化物材料多為晶體結構，例如赤鐵礦結構之氧化鐵(hematite, α-Fe2O3)，但研究發現非晶型之金屬氧化物亦可具有相當好的催化活性，因此這兩位加拿大教授所發展的方法將可方便的製作單一金屬氧化物或多金屬氧化物電極。其方法是利用前趨物，例如iron(III) 2-ethylhexanoate，將其己烷(hexane)溶液以旋轉塗佈(spin-coating)的方式形成薄膜於氟摻雜氧化錫玻璃電極(fluorine-doped tin oxide)或矽晶圓上，接著再以184-nm以及254-nm之光波照射形成金屬氧化物薄膜，此一方法稱為photochemical metal-organic deposition (PMOD)。所形成的薄膜在低溫下進行鍛燒即可形成金屬均勻分佈且結構穩定之單一金屬氧化物薄膜或多金屬氧化物薄膜電極。高溫處理雖能形成晶體氧化物結構，但卻變得容易形成龜裂的薄膜。PMOD方法也具有能精確控制薄膜組成的特點。此一方法所製作出的非晶型氧化鐵電極(a-Fe2O3)在電解水生成氧氣的催化效能上凌駕於hematite。而非晶型多重金屬氧化物a-Fe100-y-zCoyNizOx的催化能力則與目前商業電解反應器所使用的貴金屬氧化物電極相當。
Prof. Curtis P. Berlinguette及Prof. Simon Trudel發展的PMOD方法可不受限的在導電基版上於低溫下形成各種非晶型金屬氧化物。這些氧化物的催化活性不亞於晶體結構的金屬氧化物電極以及商業運轉所使用的貴金屬氧化物電極。此一方法對降低製作成本並提高催化活性上，將有重大的影響與貢獻。