南台科技大學化材系專題報告 101 葉綠素電池葉綠素電池 蘇順發* 陳姿羽 沈宜蓁 蕭毓慧 南台科技大學 化學工程與材料工程系 摘摘 要要 電池發電原理簡而言之就是將化學能轉換成電能，正、負極為兩種不同金屬，經由產生 電位差，活性高的金屬放出電子，由導線傳遞到活性低的金屬，推動電流流通產生電力。 葉綠素電池原理是利用葉綠素在加熱或加酸時，容易釋放出鎂離子，讓葉綠素聚合物作 用成能量比較低的脫鎂葉綠素，在這個過程中釋放出的能量，將其轉換成電能。綠色植物吸收太 陽能，以葉綠素做為觸媒行光合作用，藉由葉綠素吸收光能放出電子而產生的化學能，被存放在 三磷酸腺苷(adenosine-triphospate,ATP)中，此反應在囊狀膜中進行，並且只能在光照下發生，稱 為光反應。根據此反應，我們可將能量純化提煉成我們所需的能源。葉綠素電池在理想情形下， 其內部大部分都選用對環境無害的材料，因此也沒有重金屬或電解液流出造成污染的情形。 我們查找的文獻當中所製作的葉綠素電池多為捲筒狀，本實驗專題以將電池平板化為目標， 利用不同種類的葉片，研究葉綠素的多寡與電位的變化，比對溫度與烘烤時間對葉綠素的影響， 以及製成平板葉綠素電池後照UV光的數值。 關關鍵字：鍵字：電池發電、葉綠素、光合作用、葉綠素電池 一一. 前言前言 科技業蓬勃發展，能源的需求量大增，因石油的 枯竭使國際油價連連調漲，而燃燒汽油所排放出的 CO2、CH4，皆是促使溫室效應日趨惡化，臭氧層破洞擴 大的元凶。 三月十一日日本因地震引發海嘯，使得反應爐核 心熔毀，輻射外洩，造成全球恐慌，各國間也熱烈討 論核能廠的存廢議題，國內輿論也一度為是否停用核 能廠而議論紛紛。除此之外，台灣由於地小人稠，無 論選擇何處做為核廢料處置場，一旦輻射外洩便會迅 速擴及全台，嚴重性不言可喻。若選擇其他未開發國 家安置核廢料不但在金錢上須給予補償，也帶給當地 人民身心極大的恐懼，且恐有不人道的國際譴責 言論產生，這對我國外交和經濟上皆有不良影響。近 年來，人類主要利用石油來供給能源，這種耗竭能源 由於不具再生性，隨時間流逝而不斷減少，因此就安 全性、環保及經濟層面來看，低污染性能源正切合我 們的需求。 選擇替代能源必須考慮是否方便取得、製造出的 能源含量多寡以及製造過程中是否符合經濟效益等。 葉綠素電池是根據葉綠素在太陽光照下可釋放出能量 的特性，加以利用轉換。若能有效把太陽光能源取之 不盡，僅受天氣影響的有利條件充分利用，必能帶來 相當大的效益。葉綠素電池有重複使用、可分解的特 色，即使丟棄了也不會造成環境汙染，環保又具發展 性，希望能藉由此次實驗更近一步了解，並在葉綠素 太陽能電池發展上盡一份微薄之力。 南台科技大學化材系專題報告 101 二二.實驗步驟實驗步驟 2.2.1 萃取葉綠素萃取葉綠素 搗碎搗碎離心離心萃取法：萃取法： （1）將地瓜葉清洗擦乾，撕成碎片、去除較難搗碎的 主葉脈部分。 （2）稱 10.00g 裝入研缽中(分成 2 次搗碎)。 （3）於暗處搗碎，並加入 75的丙酮 15ml。 （4）待汁液略成稠狀，再加 75%丙酮 10ml 於研缽。 （5）連同搗碎的葉片與汁液平均倒入離心管，以鋁箔 紙將離心試管口封起來(離心試管液面需等高)。 （6）以 75%丙酮 20ml 潤洗研缽，平均倒入離心管以 2500rpm 離心 10min。 （7）將濾出液盛於定量瓶中(不要到入沉澱物)要加蓋 以免揮發（取上層澄清液倒入血清瓶中，以止瀉 帶纏螺旋處蓋上瓶蓋，再用鋁箔紙包覆瓶身，冰 冰箱） 。 烘乾萃取法：烘乾萃取法： （1 1）先將葉片置於烘箱中，設定溫度110烘乾約5小 時。（如圖一所示） （2）烘乾後葉片呈脆狀，將其置入研缽搗之，搗成碎 狀。 （如圖二、三所示） （3）把10.00g芒果葉片加入75 100ml丙酮裝在血清 瓶裡，並用鋁箔紙包覆，避免葉綠素受光。 （如圖四所示） （4）置於超音波池震盪30 分鐘至溶液呈深綠色。 （如圖五所示） （5）以抽氣過濾法過濾，並且要再暗箱裡進行，以免 葉綠素受光影響。 （如圖六所示） （6）以分光度計測量330nm750nm的吸光度。 圖一 圖二 圖三 圖四 圖五 圖六 2.2.2 製備葉綠素電池製備葉綠素電池- -負極製作負極製作 先以丙酮清洗 FTO 玻璃表面，再將所得葉綠素溶液平 均滴附在 FTO 玻璃粗糙面待其半乾後再重覆滴上葉綠 素溶液 34 次，將之做為負極 （如圖七所示） 圖七 2.2.3 葉綠素電池葉綠素電池-正極製作正極製作 不同方法之製作：不同方法之製作： （1） 以 2B 鉛筆在 FTO 玻璃上塗畫 （2） 以打火機烘烤 FTO 玻璃。 （如圖八所示） （3） 從廢電池中取出石墨棒，敲擊成碎片後以篩網 篩出較小粉末，再與異丙醇混合，塗布在 FTO 玻璃上。 （4） 將石墨粉與熱熔膠片加熱混合，塗布在 FTO 玻 璃粗糙面。 （5） 將熱熔膠片加石墨粉灑在我們預製的紙板，蓋 上投影片，以熱壓機進行熱壓。 （如圖九所示） 南台科技大學化材系專題報告 101 （6） 將石墨粉和高分子凝膠配成以 1：1 的比例的 溶液，均勻塗布在 FTO 玻璃粗糙面，以烘箱稍 加烘乾。 圖九圖九 2.2.42.2.4 葉綠素電池組裝葉綠素電池組裝 正、負極板組裝前，先在石墨板正極滴上少許葉綠素 溶液再以夾子固定，葉綠素電池即製備完成。 （如圖十所示） 圖十圖十 2.2.5 葉綠素電池的測試葉綠素電池的測試 不同光照射不同光照射 將葉綠素電池兩端接上三用電表，設定 200K 歐姆電組 後，將組裝好之裝置分別置於室內、日光燈、太陽光 等不同照光下，測量其電阻。 電阻與時間測試電阻與時間測試 將葉綠素電池兩端接上三用電表，設定 200K 歐姆電組 後放在加熱板上，於暗箱中以 UV 燈波長 230nm，在室 溫，分別量測一小時中電組的變化並記錄。 三三. 結果與討論結果與討論 3.1 搗碎離心法與烘乾萃取法比較搗碎離心法與烘乾萃取法比較 在搗碎離心法中，因為葉脈部分無法搗碎，葉片搗細 困難，因此在秤重上會產生些許誤差，與烘乾萃取法 相比作法較為粗糙；以烘乾萃取法處理後的葉片，因 為水分已經散失，連葉脈部分也成易碎狀，在操作上 更為簡易，故在萃取上採用此法。 3.2 萃取萃取出的出的葉綠素與純葉綠素參考比較圖葉綠素與純葉綠素參考比較圖 為了確定本實驗的葉綠素萃取是否成功，將所萃取出 的葉綠素以分光光度計照射，並與純葉綠素之光譜對 照比較。 圖十一圖十一 圖十二圖十二 圖十一圖十一：為文獻中葉綠素波峰的參考圖 圖十圖十二二：我們萃取出來的葉綠素 UV 圖(已稀釋 20 倍) 我們的葉綠素萃取液所得 UV 圖，和文獻的 UV 圖比較， 在 400500nm 以及 600700nm 間有很強的 peak 出現， 稀釋 20倍 Wavelength(nm) 300400500600700800 Absorbance 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 南台科技大學化材系專題報告 101 可看出確實含有葉綠素 a 及葉綠素 b。 3.3 正極平板化的製作正極平板化的製作 (1) 以 2B 鉛筆在 FTO 玻璃塗布困難表層很薄也不均 勻，而且不確定是否能導電 (2) 以打火機烘烤玻璃雖然表面尚稱平整，但可能只 是玻璃上的碳層，雖然烘烤過程較方法一簡單， 但表面附著容易脫落。 （如圖十三所示） (3) 沒辦法均勻附著，過一段時間，待異丙醇揮發後 表面會呈現龜裂狀。 (4) 與熱熔膠片混合雖可讓石墨粉呈片狀聚集，但加 熱後的液態熱溶膠與空氣接觸後會快速凝固，人 力塗布無法使表面平整，會影響導電性。 （如圖十四所示） (5) 剛熱壓完表面附著均勻，隨溫度下降表面逐漸剝 落且呈易碎狀。（如圖十五所示） (6) 步驟簡單，表面塗佈均勻，但溫度過高會使表面 呈羽狀剝落，要注意溫度控制。為使用過六種方 法中最佳塗布方式，故採用此法製作正極。 （如圖十六所示） 圖十三 圖十四 圖十五 圖十六 3.4 葉綠素電池受不同光照射所得電組葉綠素電池受不同光照射所得電組 本實驗將所製作之葉綠素電池置於不同光照下，圖十 七為將葉綠素電池置於室內之電阻，其電阻為 0.396。 圖十八為將葉綠素電池置於日光燈照下測量電阻，其 電阻為 0.589； 圖十九為將葉綠素電池置於陽光下測量 電阻，其電阻為 0.251。由實驗數據可知在陽光照射 下，其電阻為最低，因此葉綠素電池受陽光照射後， 其效果為實驗組中最佳。 圖十七 圖十八 圖十九 3.53.5 時間對電阻的影響時間對電阻的影響 南台科技大學化材系專題報告 101 圖二十龍眼葉片的電阻對時間作圖 圖二十一芒果葉片的電阻對時間作圖 我們設定以 230nm 的 UV 光照射葉綠素電池，觀測其在 一小時中的電阻變化值，再以電組對時間作圖可看 出，隨著時間增加，電阻越來越小。 四四. 結論結論 本實驗由上述結果與討論中得知以下結論： 1. 經由葉綠素萃取圖與純葉綠素萃取圖比較得知此 實驗的萃取結果可行，能將葉綠素萃取出來。 2. 搗碎離心法與烘乾萃取法比較中 ， 考量操作上的影 響及簡易性，使用烘乾萃取法較佳，但其所花時間 較長。 3. 正極平板化的製作結果比較，由方法六-將石墨粉 和高分子凝膠以 1：1 配成溶液，均勻塗布在 FTO 玻璃粗糙面 ， 以烘箱稍加烘乾的方法為最佳塗布方 式。 4.由葉綠素電池受不同光照射所得電組數據可看出其 在陽光照射下，電阻為最低。 5. 時間對電阻的影響-由實驗數據可知隨著時間增 加，電阻減少。 五五. 參考文獻參考文獻 1.陳立達、陳泰宇、張政傑。科技新能源-葉綠素電 池 。 100 年全國高職學生實務專題製作競賽暨成果展報 告書 化工科 2.林鵬、黎上瑋、吳郁萱。新型葉綠素電池的研究與 開發。中華民國第 49 49 屆中小學科學展覽會 王聰瑋、 姜任鴻、陳昱態。葉問綠素電從哪 來？ 3.中華民國第 50 50 屆中小學科學展覽會 高中組化學 科 4.王淨樺。 金枝玉葉金米與葉綠素的交互 作用。台灣二五年國際科學展覽會 5.蘇彥勳。金米粒子形成蕭基式能障用於染料敏化 太陽能電池。民國 96 年 國立成功大學材料科學及工 程學系碩博士班論文 6.03-流言追追追-葉綠素電池_主持人蔓蔓小兵_翰林 自然.wmv 7. APHA,AWWA and WPCF, Standard methods for the examination of water and Wastewater, 18th ed., American Public Health Association,washington D.C., 1992. 8. 戴明鳳（民 95 年） 。DIY TIO2 染料敏化電池製作。 清華大學論文，未出版。 9. 、蘇建華 （民92年） 。生物系統中的電子轉移反應。 中華技術學院生物科技系論文， 未出版。 10. 程金保、商育滿(2009 年 9 月)。能源與生活 11. 錦囊妙計-葉綠體中的囊膜在太陽能電池上的應 用（12 頁） 12. 戴明鳳、邱立翰。米TiO2 晶粒和藍莓或覆盆子 汁液作為染料DIY 製作染料敏化米晶化太陽能電 池。國立清華大學、吳鳳技術學院（21頁） 13. 東華大學東華大學化學系幼旭實驗室(2011 南台科技大學化材系專題報告 101 年11月2日) 二氧化鈦米結晶多孔膜在染料敏化太陽能電池的應 用研究 14. 濱川圭弘(2009)。光電太陽能電池設計與應用。 台北市：五南圖書出版社股份有限公司。 15. 鄭名山（2007）。太陽能發電簡介。物理雙月刋， 廿九卷，707 頁。2011年3 月3 日。取自 psroc.phys.ntu.edu.tw/bimonth/download.php?d=1 &cpid