氫循環（Hydrogen cycle）

氫循環（Hydrogen cycle）
國立臺灣師範大學化學系碩士班一年級陳培杰研究生

根據估計，所有生物 $$99\%$$ 都會利用到 $$\mathrm{H_2}$$（hydrogen）。即使這些種類大部份是微生物，但事實上，幾乎所有的細菌和古細菌都具有非常活躍的金屬酶（metalloenzyme），稱為氫化酶（hydrogenase），這些氫化酶可以讓 $$\mathrm{H_2}$$ 和 $$\mathrm{H^+}$$ 互相轉換，當微生物產生 $$\mathrm{H_2}$$ 後，這些 $$\mathrm{H_2}$$ 會被別人利用作為燃料，這有助於解釋為什麼大氣中 $$\mathrm{H_2}$$ 的偵測量那麼少的原因。在人的腸道中也存在著細菌，這些細菌也含有氫化酶，所以在人的呼吸當中，也會有少量的 $$\mathrm{H_2}$$ 可被偵測到。

那麼這些 $$\mathrm{H_2}$$ 又是怎麼循環呢?如圖(一)所示

圖(一)：氫循環示意圖

由圖(一)可以知道，利用太陽光中的能量通過光伏電池（photovoltaic cell）的裝置並轉換成電能。再利用這些電能來電解水，產生氫氣和氧氣。氧氣被釋放於大氣中，氫氣則被儲存利用。氫連同氧氣被燃燒並釋放能量，釋放水或蒸氣到大氣中。

$$\mathrm{2H_2O\rightarrow 2H_2+O_2}$$ (電解 $$2$$ 分子水產生 $$2$$ 分子氫氣和 $$1$$ 分子氧氣)

$$\mathrm{2H_2+O_2\rightarrow 2H_2O}$$ ($$2$$ 分子氫氣和 $$1$$ 分子氧氣燃燒產生 $$2$$ 分子水)

但是利用太陽光伏電池的方法有幾個缺點，就是如果沒有太陽光照射便無法運作，以及所需要的土地面積較大，成本也相對提高，如圖(二)所示利用太陽光伏電池的方法需要 $$30$$ 公頃的土地，與高溫氣冷式反應器（air-cooled reactor）所需要的 $$6$$ 公頃土地比較，足足相差了 $$5$$ 倍，而且所提供的氫氣也較經濟許多

圖(二)：各能源設施所需土地面積

所以現代發展另一種製備氫氣的方法那就是利用高溫氣冷式反應器，高溫氣冷式反應器是利用高溫的氦氣進行熱交換或是直接驅使氣輪機發電，此方法的好處是可以利用較低的成本來製備氫氣，其製備氫氣的示意圖如下

圖(三)：高溫氣冷式反應器

利用化學性質為惰性的氦氣作為反應器的冷卻劑，而讓反應器出口溫度達到 $$850^\circ C$$，再藉由熱化學的硫碘循環來製備氫氣，其示意圖如下圖(四)

圖(四) ：硫碘循環製備氫

硫碘循環主要由三個反應式組成

Bunsen反應(約 $$100^\circ C$$)
$$\mathrm{I_2+SO_2+2H_2O\rightarrow 2HI+H_2SO_{4(g)}}$$

硫酸分解反應(約 $$900^\circ C$$)
$$\mathrm{H_2SO_4\rightarrow H_2O+SO_2+\frac{1}{2}O_2}$$

氫碘酸分解反應(約 $$400^\circ C$$)
$$\mathrm{2HI\rightarrow H_2+I_2}$$

淨反應只要提供水跟高溫的環境，就能夠產生 $$\mathrm{H_2}$$ 跟 $$\mathrm{O_2}$$，其他物質可循環再利用。

總結

能源的利用是全世界都關注的議題，雖然現在大部分都是利用石油或天然氣等來當作能源的來源，但是這些來源在燃燒過後會產生 $$\mathrm{CO}$$ 等溫室氣體，造成地球環境汙染，現在有了利用氫循環來產生能源的方法，不論是在環保或是能源需求上，都是目前最為理想的方法，氫能將是今後能源的發展方向。

參考文獻：

1. 太陽光伏電池製氫 http://rsta.royalsocietypublishing.org/content/368/1923/3329/F3.expansion.html
2. 氫循環 http://en.wikipedia.org/wiki/Hydrogen_cycle
3. 氫循環 Inorganic Chemistry shriver and atkins 5th edition P.768
4. 高溫氣冷式反應器 http://www.chns.org/s.php?id=34&id2=1467