2026/06/16 量子材料有望促成以太陽能驅動，從水中製造氫氣

作者：Ingrid Fadelli
引用來源：https://techxplore.com/news/2026-02-quantum-materials-enable-solar-powered.html
『參考要點』：為了實現大規模潔淨氫氣生產，研究人員提出光催化水分解的方法，並開發出由奈米尺度氮化鎵與氮化銦鎵組成的激子量子超晶格，利用量子侷限史塔克效應延長激子壽命，有效引導光生電荷載子進行水分解反應。
 
氫燃料是一種具發展潛力的化石燃料替代方案，在使用時僅排放水蒸氣，因此有助於降低地球上的溫室氣體排放。未來，氫燃料可能可用於為重型運輸工具提供動力，例如：卡車、火車與船舶，同時也可應用於工業供熱以及分散式發電系統。
不幸的是，目前大多數氫氣生產方法仍依賴燃燒化石燃料，因而限制了其在環境上的優勢。鑑於氫氣的潛力，全球許多能源工程師一直致力於構思更為永續的策略，以實現大規模生產氫氣。
其中一種被提出的潔淨製氫方法稱為光催化水分解。這種方法是利用光催化劑將水分子分解為氫氣與氧氣，所謂光催化劑，是指能對陽光產生反應並促進特定化學反應的材料。
密西根大學的研究人員最近開發出新的激子量子超晶格，這是一種超薄層狀超導材料，其中會形成成對束縛的電子與激子，有望支持以太陽能驅動的氫氣生產。這些具前景的材料在發表於Nature Energy的論文中指出，能以顯著的效率分解水並生成潔淨氫氣。
潘宇揚（Yuyang Pan）、張冰星（Bingxing Zhang）及其同事在論文中寫道：「直接利用陽光與水來生產潔淨氫氣，已成為實現碳中和與環境永續的一條具前景途徑。」
潘宇揚、張冰星及其同事指出：「然而，光催化劑中光生電荷載子的利用效率不足，限制了太陽能轉換為氫氣的效率。我們展示了一種利用激子量子超晶格結構的方法，該結構由奈米尺度的氮化鎵與氮化銦鎵組成，可在光催化整體水分解過程中實現有效的電荷導引。」
 
一種創新的量子超晶格設計
潘宇揚、張冰星及其同事設計了新的層狀材料，將半導體氮化鎵與氮化銦鎵結合成所謂的「超晶格」。這是一種由兩種材料以奈米尺度週期性堆疊而成的結構，展現出特定的光電性質。
潘宇揚、張冰星及其同事寫道：「利用這種結構，透過量子侷限史塔克效應，可以顯著延長由電子與空穴經庫倫作用形成的光生間接激子的壽命。」
潘宇揚、張冰星及其同事指出：「因此，光生電荷載子可被有效用於表面反應，使外部量子效率在可見光範圍內保持高效，並在環境條件與聚光太陽光下實現3.16%的太陽能轉氫效率。此外，戶外放大實驗在204倍太陽光強度下達成平均1.64%的太陽能轉氫效率。」
透過利用一種稱為量子侷限史塔克效應的現象，研究人員得以延長激子在其精心設計的量子超晶格中的壽命。接著，他們測試了這些材料在利用太陽能促使水分解生成氫氣與氧氣方面的性能。
 
下一步發展與實際應用
在最初的實驗室和戶外實地測試中，研究人員發現，他們的量子材料能以太陽能將水轉換為氫氣，實驗室中在聚光太陽光下的效率達3.16%，戶外環境下則可達1.64%。這些結果令人振奮，突顯了量子材料在實現光催化水分解方面的潛力。
雖然潘宇揚、張冰星及其同事報導的效率仍遠低於實現水分解系統廣泛應用所需的水準，但這證明了利用量子超晶格將水轉換為氫氣的可行性。未來，研究人員提出的這些材料有望進一步改進，並可啟發其他類似超晶格的設計。
最終，這有望為大規模潔淨氫氣生產開啟新可能，並有助於減少全球溫室氣體排放的努力。