Newsletter No. 444

4 444 • 4.10.2014 全 球正為尋求潔淨能源而努力，化學系 余濟美 教授 的研究朝這目標邁進了一大步。余教授與其研究 團隊發現，只需將水暴露於陽光下，即可產生能源。 關鍵的成分是紅磷，這是磷的三種形體中最穩定和常見 的。在陽光底下，紅磷可將水分解，產生氣泡狀的氫— 一種潔淨燃料。 這令紅磷成為全世界最簡單的光催化劑，「簡單就是美，」 余教授說：「這元素藏量豐富，取之不竭。」 光催化劑的運作，就如葉綠素之於植物，它吸收光的能 源，產生化學反應；光催化作用純粹就是一種人工的光合 作用。 可用作光催化劑的材料，沒有數千也有數百種，但大都是 重金屬氧化合物，昂貴且製造過程複雜，常要用上稀有元 素來提高效能。 因此化學家一直尋求有相同功能的單一元素。磷佔地殼 總量的千分之一，即有以千億噸計的磷，提取也算容易。 白磷是化學學生較熟悉的形體，極不穩定又危險，會於 空氣中燃燒，須儲存於油中。黑磷跟紅磷一樣，非常穩 定，但製造黑磷極之昂貴，因所需的結晶過程甚難進行。 紅磷是大量生產的常用物料，可用作阻燃劑，就是火柴 頭帶紅色的成分。它亦可用於防火物料和煙花。 余教授自1995年起一直致力於研究物料的環境應用，至 最近始和其博士生 王鋒 將焦點放在紅磷。他們檢驗了大量 可用作半導體的元素，這是可充當光催化劑的先決條件。 這番檢驗的主要發現是紅磷也可用作半導體，這是研究人 員從未留意的特性。傳統的看法是紅磷只可用作絕緣體。 余濟美教授對此大感驚訝，他和學生再三檢視這結果。 「這發現令人振奮，我們很意外原來磷也有光催化的特 性，」余教授說：「過往從沒發現有單一元素具此特性，原 來就這麽簡單。」 洞明集 In Plain View T he world is on a quest for clean energy, and it’s one step closer to getting there, thanks to the work of chemist Jimmy Yu . A discovery by the CUHK chemist and his team has paved the way to creating energy simply by exposing water to sunlight. The secret ingredient is red phosphorous, the most stable and commonly found of three forms of that element. In the sun, it breaks up water to give off bubbles of hydrogen gas, a clean fuel. That helps make it the world’s simplest photocatalyst. ‘Simple is beautiful,’ Professor Yu says. ‘This element is so abundant that it will never be used up.’ A photocatalyst operates much as chlorophyll does in a plant, absorbing energy from light and causing a chemical reaction. The process of photocatalysis is simply a form of artificial photosynthesis. There are hundreds, if not thousands, of materials that can be used as photocatalysts. But most of them are heavy-metal oxide compounds that are expensive and complicated to produce. Very rare elements are often used to enhance their efficiency. So chemists have been searching for a single element that can perform the same function. Phosphorous makes up around 0.1 per cent of the earth’s crust, meaning there are hundreds of billions of tons of it that can be extracted fairly easily. White phosphorous is the form many chemistry students are familiar with, so unstable and dangerous that it combusts in air and must be kept in oil. Black phosphorous, like red, is very stable, but extremely expensive to manufacture since the necessary crystallization process is hard to execute. Red phosphorous is a common and widely produced substance that is used as a flame retardant and that gives matches their red colour. It is also used in fire-prevention materials and fireworks. 余教授接着與一位專於理論計算的同事合作，了解該元 素為何可用作光催化劑，又如何運作。現時余教授和他的 團隊正檢視紅磷的各種結晶體結構，因為不同的結晶體 在產生氫時會有不同效果。 日本科學家 藤嶋昭 最早研究將氫從水中分解，他發現二 氧化鈦可產生氫，這研究成果於1972年的《自然》期刊刊 登。但二氧化鈦比紅磷更難製造，並需要紫外光將水分 子分解。而日常的陽光中，只有約百分之四為紫外光，因 此二氧化鈦得配合人工光源始能有效。 對比之下，紅磷可在天然陽光的整個光譜中運作，用作製 造潔淨能源最理想不過。陽光發揮輻照源的功用，刺激 催化劑，引起化學反應。 余教授的水分解過程於室溫進行，由磷將水的元素（即氫 和氧）拆解。氫的燃料容量甚高，即較其他化學燃料產生 更多的能量。與石油類燃料不同，這燃料燃燒時不會產 生溫室氣體等副產品，化學反應結束後，餘下的只有水。 余教授的研究獲同儕公認為全球最具開創性之一，他獲 選為路透社「2014世界最具影響力科學家」，並入選過去 十一年材料科學領域中「最高引用率研究人員」，即在該 段時間其論文獲引用最多的首百分之一的學者。 要用紅磷來製造工商業用能源，還有一段日子。因為這材 料不及傳統的光催化劑有效，所製造的氫分量也不多。 化石燃料獲廣泛應用，使大家忽略了需要投放資源，發 展光催化技術至商業規模。即使傳統的太陽能也更為有 效，但當大家都留意到傳統燃料對環境的破壞時，便可能 改變思維。 得到余教授的啟發，研究團隊的另一成員亦發現一種採 用其他元素以從水中產生氫的方法。副研究員 劉崗 博士 現於瀋陽的金屬研究所從事相關研究。 「最終目標是發現到環保的方法，製造潔淨能源。」余教 授說：「我們希望提供一些可行的解決方案。」 求索潔淨燃料 A Quest for Clean Fuel 中大化學家發現一種單一元素，能從水和 陽光中取出可潔淨燃燒的氫 CUHK chemist uncovers a single element that produces clean-burning hydrogen from just water and sunlight