在科技部及國家同步輻射研究中心長期的支持下,台灣大學所組成的跨國研究團隊發展出化學反應之臨場分析技術,首度發現「新型催化劑—單原子三價鐵」,能取代金或銀等貴金屬催化劑,以極高轉化效率且極低耗能的電解方式,將二氧化碳轉化為一氧化碳,大幅降低催化劑成本。不僅高效率回收二氧化碳、延緩全球暖化,還能產生一氧化碳進而再製其他燃料,相當具有商業發展價值,研究成果在2019年6月14日登上了《科學》(Science)期刊。

台大化學系教授陳浩銘與瑞士洛桑理工學院教授胡喜樂等人所組成的跨國研究團隊,費時3年時間利用國家同步輻射研究中心的「台灣光源」(Taiwan Light Source)與「日本同步加速器光源」(SPring-8)的台灣合約光束線,利用「臨場X光吸收光譜」(Operando X-ray absorption spectroscopy)技術,即時觀察二氧化碳轉化為一氧化碳的反應過程中,催化劑的價態與化學環境等條件,成功找到高效且低廉的新型催化劑,獲得了全球注目的突破性成果。

二氧化碳還原反應被公認為是目前解決溫室效應問題最有機會的途徑,近年來利用太陽能、風能等潔淨能源所產生的電能將溫室氣體──二氧化碳(CO2)還原為一氧化碳(CO)備受關注,如此一來可同時實現溫室氣體的減量並進一步轉換為可被人類利用的燃料。在目前研究大多以金或銀等貴金屬做為二氧化碳還原為一氧化碳之催化劑,而其他的催化劑則需要極高的施加電壓,才能達到相同的轉化效能,高電壓意味著高耗能,不符合經濟效益。

Hidetoshi Shibata台大化學系教授陳浩銘

這個研究首度發現,使用「單原子三價鐵」當催化劑,即使在極低電壓下,二氧化碳轉化成一氧化碳的效率為90%,是目前全世界已知最佳的轉化效率,甚至優於貴金屬催化劑的轉化效率。然而在這個研究裡面,更重要的一個問題是:為什麼此單原子鐵的活性如此之高?與過去所合成的單原子鐵有何差異?為解開高活性背後所隱藏的關鍵秘密,陳浩銘利用國輻中心位於台灣與日本的光束線,並配合該團隊近幾年所發展之X光臨場分析技術,發現高活性鐵單原子催化劑之秘密為保持穩定的高氧化態,這是其活性能夠媲美甚至超越貴金屬催化劑的關鍵。

值得一提的是,由單原子三價鐵製成的新型電催化劑,不僅可以高效且低廉的方式回收二氧化碳,減低二氧化碳量,還可以產出一氧化碳。產生的一氧化碳可以再進一步轉換成烴類或碳氫化合物,可用來製造燃料、塑膠和其他材料,如此一來即可以實現將危害地球環境的二氧化碳轉換為人類可以使用的「燃料」,若是還原反應所需要的電能是來自於取之不盡用之不竭的太陽,將可以實現現代科技重大的里程碑「人工光合作用」,以太陽能將水與二氧化碳轉換成氧氣與人類可以使用的燃料。

國家同步輻射研究中心的台灣光源以及日本同步加速器光源的台灣合約光束線,二十多年來產出許多卓越的研究成果。而在這個研究中使用搭造於同步輻射中心的「臨場X光吸收光譜技術」,被廣泛應用在觸媒催化與電化學等領域,可洞悉化學反應過程中,物質的電子結構與原子結構。陳浩銘使用此關鍵技術,成功揭開單原子三價鐵是提升轉化效率的大功臣,單原子周圍的環境成功的幫助對抗外來干擾,進一步有效的穩定反應中心而展現出如此高的轉化率,這是一項獨步全球的新發現。

2015年的「巴黎氣候協定」呼籲各國在2050年之前,把碳排量降到淨零排放。2019年6月英國將「2050年零碳排」送交國會立法,而台灣政府也力推綠能政策。陳浩銘的研究不僅順應國際綠能趨勢,且相當具有商業發展價值。