沒看過打不壞的木製球棒？最新「加工法」讓木材硬度堪比金屬！

本文由 建研所 委託，泛科學企劃執行。 

當你走進一棟建築，是否能感受到它對環境的友善？或許不是每個人都意識到，但現今建築不只提供我們居住和工作的空間，更是肩負著重要的永續節能責任。

綠建築標準的誕生，正是為了應對全球氣候變遷與資源匱乏問題，確保建築設計能夠減少資源浪費、降低污染，同時提升我們的生活品質。然而，要成為綠建築並非易事，每一棟建築都需要通過層層關卡，才能獲得標章認證。

為推動環保永續的建築環境，政府自 1999 年起便陸續著手推動「綠建築標章」、「智慧建築標章」以及「綠建材標章」的相關政策。這些標章的設立，旨在透過標準化的建築評估系統，鼓勵建築設計融入生態友善、能源高效及健康安全的原則。並且政府在政策推動時，為鼓勵業界在規劃設計階段即導入綠建築手法，自 2003 年特別辦理優良綠建築作品評選活動。截至 2024 年為止，已有 130 件優良綠建築、31 件優良智慧建築得獎作品，涵蓋學校、醫療機構、公共住宅等各類型建築，不僅提升建築物的整體性能，也彰顯了政府對綠色、智慧建築的重視。

說這麼多，你可能還不明白建築要變「綠」、變「聰明」的過程，要經歷哪些標準與挑戰？

綠建築標章	智慧建築標章	綠建材標章

第一招：依循 EEWH 標準，打造綠建築典範

環境友善和高效率運用資源，是綠建築（green building）的核心理念，但這樣的概念不僅限於外觀或用材這麼簡單，而是涵蓋建築物的整個生命週期，也就是包括規劃、設計、施工、營運和維護階段在內，都要貼合綠建築的價值。

關於綠建築的標準，讓我們先回到 1990 年，當時英國建築研究機構（BRE）首次發布有關「建築研究發展環境評估工具（Building Research Establishment Environmental Assessment Method，BREEAM®）」，是世界上第一個建築永續評估方法。美國則在綠建築委員會成立後，於 1998 年推出「能源與環境設計領導認證」（Leadership in Energy and Environmental Design, LEED）這套評估系統，加速推動了全球綠建築行動。

臺灣在綠建築的制訂上不落人後。由於臺灣地處亞熱帶，氣溫高，濕度也高，得要有一套我們自己的評分規則——臺灣綠建築評估系統「EEWH」應運而生，四個英文字母分別為 Ecology（生態）、Energy saving（節能）、Waste reduction（減廢）以及 Health（健康），分成「合格、銅、銀、黃金和鑽石」共五個等級，設有九大評估指標。

我們就以「台江國家公園」為例，看它如何躍過一道道指標，成為「鑽石級」綠建築的國家公園！

位於臺南市四草大橋旁的「台江國家公園」是臺灣第8座國家公園，也是臺灣唯一的濕地型的國家公園。同時，還是南部行政機關第一座鑽石級的綠建築，其外觀採白色系列，從高空俯瞰，就像在一座小島上座落了許多白色建築群的聚落；從地面看則有臺南鹽山的意象。

因其地形與地理位置的特殊，生物多樣性的保護則成了台江國家公園的首要考量。園區利用既有的魚塭結構，設計自然護岸，保留基地既有的雜木林和灌木草原，並種植原生與誘鳥誘蟲等多樣性植物，採用複層雜生混種綠化。以石籠作為擋土護坡與卵石回填增加了多孔隙，不僅強化了環境的保護力，也提供多樣的生物棲息環境，使這裡成為動植物共生的美好棲地。

第二招：想成綠建築，必用綠建材

要成為一幢優秀好棒棒的綠建築，使用在原料取得、產品製造、應用過程和使用後的再生利用循環中，對地球環境負荷最小、對人類身體健康無害的「綠建材」非常重要。

這種建材最早是在 1988 年國際材料科學研究會上被提出，一路到今日，國際間對此一概念的共識主要包括再使用（reuse）、再循環（recycle）、廢棄物減量（reduce）和低污染（low emission materials）等特性，從而減少化學合成材料產生的生態負荷和能源消耗。同時，使用自然材料與低 VOC（Volatile Organic Compounds，揮發性有機化合物）建材，亦可避免對人體產生危害。

在綠建築標章後，內政部建築研究所也於 2004 年 7 月正式推行綠建材標章制度，以建材生命週期為主軸，提出「健康、生態、高性能、再生」四大方向。舉例來說，為確保室內環境品質，建材必須符合低逸散、低污染、低臭氣等條件；為了防溫室效應的影響，須使用本土材料以節省資源和能源；使用高性能與再生建材，不僅要經久耐用、具高度隔熱和防音等特性，也強調材料本身的再利用性。

在台江國家公園內，綠建材的應用是其獲得 EEWH 認證的重要部分。其不僅在設計結構上體現了生態理念，更在材料選擇上延續了對環境的關懷。園區步道以當地的蚵殼磚鋪設，並利用蚵殼作為建築格柵的填充材料，為鳥類和小生物營造棲息空間，讓「蚵殼磚」不再只是建材，而是與自然共生的橋樑。園區的內部裝修選用礦纖維天花板、矽酸鈣板、企口鋁板等符合綠建材標準的系統天花。牆面則粉刷乳膠漆，整體綠建材使用率為 52.8%。

在日常節能方面，台江國家公園也做了相當細緻的設計。例如，引入樓板下的水面蒸散低溫外氣，屋頂下設置通風空氣層，高處設置排風窗讓熱空氣迅速排出，廊道還配備自動控制的微噴霧系統來降溫。屋頂採用蚵殼與漂流木創造生態棲地，創造空氣層及通風窗引入水面低溫外企，如此一來就能改善事內外氣溫及熱空氣的通風對流，不僅提升了隔熱效果，減少空調需求，讓建築如同「與海共舞」，在減廢與健康方面皆表現優異，展示出綠建築在地化的無限可能。

在綠建材的部分，另外補充獲選為 2023 年優良綠建築的臺南市立九份子國民中小學新建工程，其採用生產過程中二氧化碳排放量較低的建材，比方提高高爐水泥（具高強度、耐久、緻密等特性，重點是發熱量低）的量，並使用能提高混凝土晚期抗壓性、降低混凝土成本與建物碳足跡的「爐石粉」，還用再生透水磚做人行道鋪面。

同樣入選 2023 年綠建築的還有雲林豐泰文教基金會的綠園區，首先，他們捨棄金屬建材，讓高爐水泥使用率達 100%。別具心意的是，他們也將施工開挖的土方做回填，將有高地差的荒地恢復成平坦綠地，本來還有點「工業風」的房舍告別荒蕪，無痛轉綠。

等等，這樣看來建築夠不夠綠的命運，似乎在建材選擇跟設計環節就決定了，是這樣嗎？當然不是，建築是活的，需要持續管理–有智慧的管理。

第三招：智慧管理與科技應用

我們對生態的友善性與資源運用的效率，除了從建築設計與建材的使用等角度介入，也須適度融入「智慧建築」（intelligent buildings）的概念，即運用資通訊科技來提升建築物效能、舒適度與安全性，使空間更人性化。像是透過建築物佈建感測器，用於蒐集環境資料和使用行為，並作為空調、照明等設備、設施運轉操作之重要參考。

為了推動建築與資通訊產業的整合，內政部建築研究所於 2004 年建立了「智慧建築標章」制度，為消費者提供判斷建築物是否善用資通訊感知技術的標準。評估指標經多次修訂，目前是以「基礎設施、維運管理、安全防災、節能管理、健康舒適、智慧創新」等六大項指標作為評估基準。
以節能管理指標為例，為了掌握建築物生命週期中的能耗，需透過系統設備和技術的主動控制來達成低耗與節能的目標，評估重點包含設備效率、節能技術和能源管理三大面向。在健康舒適方面，則在空間整體環境、光環境、溫熱環境、空氣品質、水資源等物理環境，以及健康管理系統和便利服務上進行評估。

樹林藝文綜合大樓在設計與施工過程中，充分展現智慧建築應用綜合佈線、資訊通信、系統整合、設施管理、安全防災、節能管理、健康舒適及智慧創新 8 大指標先進技術，來達成兼顧環保和永續發展的理念，也是利用建築資訊模型（BIM）技術打造的指標性建築，受到國際矚目。

在興建階段，為了保留基地內 4 棵原有老樹，團隊透過測量儀器對老樹外觀進行精細掃描，並將大小等比例匯入 BIM 模型中，讓建築師能清晰掌握樹木與建築物之間的距離，確保施工過程不影響樹木健康。此外，在大樓啟用後，BIM 技術被運用於「電子維護管理系統」，透過 3D 建築資訊模型，提供大樓內設備位置及履歷資料的即時讀取。系統可進行設備的監測和維護，包括保養計畫、異常修繕及耗材管理，讓整棟大樓的全生命週期狀況都能得到妥善管理。

智慧建築導入 BIM 技術的應用，從建造設計擴展至施工和日常管理，使建築生命周期的管理更加智慧化。以 FM 系統 ( Facility Management，簡稱 FM ) 為例，該系統可在雲端進行遠端控制，根據會議室的使用時段靈活調節空調風門，會議期間開啟通往會議室的風門以加強換氣，而非使用時段則可根據二氧化碳濃度調整外氣空調箱的運轉頻率，保持低頻運作，實現節能效果。透過智慧管理提升了節能效益、建築物的維護效率和公共安全管理。

總結

綠建築、綠建材與智慧建築這三大標章共同構建了邁向淨零碳排、居住健康和環境永續的基礎。綠建築標章強調設計與施工的生態友善與節能表現，從源頭減少碳足跡；綠建材標章則確保建材從生產到廢棄的全生命週期中對環境影響最小，並保障居民的健康；智慧建築標章運用科技應用，實現能源的高效管理和室內環境的精準調控，增強了居住的舒適性與安全性。這些標章的綜合應用，讓建築不僅是滿足基本居住需求，更成為實現淨零、促進健康和支持永續的具體實踐。

邁向 2050 淨零轉型，當企業在面對客戶價值鏈要求時，導入 ESG 早已成為提升營運績效的重要指標。而「產品碳足跡」是企業在品質、價格、規格之外，貼近客戶價值鏈、爭取國際品牌廠青睞的重要關鍵。透過本文一起深入探討，如何有效率地開展產品碳足跡計算與報告領域。

本文轉載自宜特小學堂〈把握淨零轉型契機　用產品碳足跡提升 ESG 績效〉，如果您對半導體產業新知有興趣，歡迎按下右邊的追蹤，就不會錯過宜特科技的最新文章！

全球氣候變遷早已成為國際間重要環境議題，目前不同國家和地區具有針對碳足跡的要求和指南，例如：法國的 ADEME（環境和能源管理署）指南和日本的碳足跡計劃；而國際大廠（包含 Microsoft 及 Bosh 等車電大廠等）也積極推動供應商碳足跡管理，以降低整體供應鏈的碳排放，致力於實現其永續發展目標（Sustainable Development Goals，簡稱 SDGs）。臺灣也針對「2050 淨零轉型」提出四大策略及兩大基礎。

企業導入產品碳足跡可以幫助其成為客戶 ESG（Environmental, Social, and Governance）發展策略中重要合作夥伴，促進長期合作關係。然而，在企業開始進行碳足跡計算時，常常會面臨邊界設定、數據收集與量化等方面的各種問題，不知道該從何下手導致進展受阻。

宜特科技已有為數百家企業提供輔導服務的豐富經驗，成功協助客戶獲得多項增值認證，順利進入國際產業供應鏈。在本文中，我們將分享透過實例經驗，並深入探討如何有效率地開展產品碳足跡計算與報告領域，滿足客戶在 ESG 需求，從而幫助企業在國際供應鏈中保持競爭優勢！

產品碳足跡-基於生命周期評估（Life Cycle Assessment，簡稱 LCA）

碳足跡是一種特定的環境指標，用於量化某個活動、產品或服務在生命周期內，直接和間接產生的溫室氣體排放量，通常會以二氧化碳當量（CO_2e）來表示。而產品碳足跡是基於 ISO 14040  和 14044 所定義之系統化的方法，針對整個生命周期中對暖化的影響加以評估，這其中包括從原材料的獲取、製造、使用到最終處置的各個階段排碳量。

( 一 ) ISO 14040：生命周期評估原則與框架（Life Cycle Assessment-Principles and Framework）提供了 LCA 的總體框架和原則，涵蓋了 LCA 的基本概念、應用範圍和限制，以及進行 LCA 的基本步驟和程序。

( 二 ) ISO 14044：生命周期評估需求與準則（Life Cycle Assessment-Requirements and Guidelines）描述了 LCA 各階段的技術要求，包括數據收集、數據品質、影響評估方法和解釋結果的方法。ISO 14044 對 LCI（Life Cycle Inventory，生命周期清單）　的實施提供了全面指導和技術要求，LCI 作為 LCA 的一個關鍵階段，在 ISO 14044  的框架下進行，可以確保其數據的品質和結果的可靠性。常見 LCI 如下：

綜合上述 LCA 提供了一個全面的環境影響評估，可以幫助企業和決策者了解各種環境影響並進行綜合決策；LCA 涵蓋了多種環境影響指標（如暖化效應、臭氧層破壞、資源消耗、酸化效應、生態毒性等），而碳足跡是則聚焦於暖化效應。

產品碳足跡系統邊界設定：

設定產品碳足跡盤查範疇（Boundary）是準確量化碳足跡的關鍵步驟。此過程包括確定哪些生命週期相應階段、活動和排放源應被納入碳足跡計算，並據此推動相關減排措施。基於生命週期的產品碳足跡，通常會涵蓋以下幾個主要階段：

1. 原材料獲取：從自然資源中提取和加工原材料。
2. 生產：製造和裝配產品的過程。
3. 運輸和配銷：產品從生產地運輸到消費地的過程。
4. 使用：產品在其使用壽命期間的階段。
5. 最終處理階段：產品使用壽命結束後的處理，包括回收、再利用或廢棄處置。

完成生命週期設定後，需要進一步定義產品系統的邊界，包括哪些過程和活動應該納入盤查範疇。例如對於包材，應涵蓋包材的生產、製程中的能源消耗以及廢棄包裝的處理等完整階段，以供後續執行數據分配，如下圖所示：

若屬於 B2C 產品將涵蓋上述完整五個階段，而 B2B 產品則只包含上述前兩階段；下圖是 B2C 產品碳足跡的案例。

量化產品碳足跡：依據 ISO14067 產品碳足跡來量化要求與指引

ISO 14067 提供了關於如何量化產品碳足跡的詳細指引，產品碳足跡計算基於「活動數據」與「排放係數」，下圖為相關案例。

( 一 ) 如何蒐集活動數據

基於生命週期的不同階段，說明如下：

  1. 原材料階段

• 原材料（包含輔材與包材）使用量：每種原材料的數量和重量。
• 原材料製造過程的排放：包括從自然資源提取和加工過程中的溫室氣體排放。
• 運輸數據：原材料從提取地點到加工廠的運輸距離和運輸方式（如貨運、海運等）。

  2. 生產階段

• 能源消耗：生產過程中使用的電力、燃料（如天然氣、汽柴油）等能源的消耗量。
• 製程排放：生產過程中直接排放的溫室氣體（如化學反應產生的排放）。
• 廢棄物管理：製造過程中產生的固體廢棄物、廢水和廢氣的處理過程中，涉及燃燒、分解等清理方式之處理量。

  3. 運輸和分銷階段

• 運輸距離和方式：產品從生產地到消費地的運輸距離和運輸方式。
• 運輸工具的能源消耗：運輸過程中運輸工具的燃料消耗量和類型。

  4. 使用階段

• 使用過程中的能源消耗：產品在使用過程中消耗的能源（如家電使用的電力，車輛使用燃料等）。

  5. 最終處理階段

• 廢棄物處理方式：產品生命終期（End of Life）不同處理方式（如焚燒、掩埋）對應之處理量。

( 二 ) 蒐集與應用排放係數

藉由排放係數（Emission Factors，簡稱EF）可將活動數據（如能耗、材料使用等）轉換為溫室氣體排放量。ISO 14067 提供了量化產品碳足跡相關指引，幫助企業有效地收集和應用排放係數。以下是收集和使用排放係數的步驟和建議：

1.選擇排放係數來源

• 官方資料庫：使用來自政府和國際組織的標準化排放係數，例如： United States Environmental Protection Agency（EPA）的排放係數資料庫、European Environment Agency（EEA）的排放係數、國際能源署（IEA）的能源數據以及台灣碳足跡資料庫。
• 供應商提供的一手數據（Primary Data）：來自供應商自行盤查的數據。
• 第三方商業資料數據：市售第三方商業數據庫和工具，如 Ecoinvent（Simapro）和 GaBi。

2.評估和選擇排放係數

• 地理相關性：確保排放係數與產品生產和使用的地理位置相關。例如，電力生產的排放係數在不同國家或地區可能差異很大。
• 時間相關性：使用最新的排放係數數據，因為技術更新可能會影響排放量。

 3.應用排放係數

• 計算流程標準化：在計算產品碳足跡時，應建立標準化計算流程來應用排放係數，確保一致性和可比性。
• 善用軟體工具：使用專門 LCA 軟體工具來管理和應用排放係數，如 SimaPro、GaBi 等。
• 數據整合：將排放係數整合到產品碳足跡的計算公式中，與活動數據（如能源使用、材料消耗等）相結合，以計算總的溫室氣體排放量。

確保碳足跡量化數據品質

ISO 14067 對數據品質管理提出了明確的要求，以確保產品碳足跡量化準確性和可信度。以下是 ISO 14067 對數據品質管理的主要要求：

1. 數據品質的評估指標

• 代表性（Representativeness）：數據應該反映真實的情況，包括地理範圍、時間範圍的相關性。
• 一致性（Consistency）：應使用一致的方法和假設來收集和處理數據，確保不同數據集之間的可比性。
• 可靠性（Reliability）：數據應該來自可信的來源，並經過適當的驗證。
• 精確度（Accuracy）：數據應該盡可能準確，減少誤差。
• 完整性（Completeness）：數據應該包含生命週期各階段重大排放，確保碳足跡計算的全面性。
• 可追溯性（Traceability）：數據來源和處理方法應該可追溯至原始單據，以便審查和驗證。

   2. 管控數據品質

• 內部稽核：定期進行內部查核，評估數據品質，確保數據的準確性和可靠性。
• 外部驗證：在必要時，進行外部驗證，確保數據和碳足跡計算結果的可信度。

   3. 執行數據敏感度分析

• 碳足跡的敏感度分析是確保碳足跡計算結果的可靠性和準確性的重要步驟。敏感度分析有助於識別和理解不同參數對碳足跡數據的影響，從而幫助決策者進一步優化產品環境表現。
• 執行方式為識別在碳足跡計算中使用的所有主要參數（能源消耗、材料用量、排放係數）等。選擇那些對結果有較大影響或存在較大不確定性的變量進行分析。
• 執行方式為單因素分析（逐一改變每個變量，在保持其他變量不變的情況下，逐一調整每個變量的值，計算並記錄每次調整後的碳足跡結果）或多因素分析（同時改變多個變量，評估這些變量之間的交互作用及其對碳足跡結果的綜合影響）。
• 根據敏感度分析結果，提出具體的改進方案，例如替換高碳排放材料、提高能源效率等。

 4. 持續改善和更新

• 持續改進：定期檢討和改進數據收集和處理流程，採用最新的技術和方法，提高數據品質。
• 數據更新：根據最新的技術、方法和排放因子，定期更新數據，確保碳足跡計算的準確性。

ISO 14067 對數據品質管理的要求涵蓋了數據收集、評估、管控、改進的各個方面。通過遵循這些要求，企業可以確保其產品碳足跡計算的數據是準確、可靠和透明的，從而提高碳足跡報告的可信度和科學性。

碳足跡與產品環境宣告（Environmental Product Declaration）：

產品碳足跡和產品環境宣告（Environmental Product Declaration，簡稱 EPD）是兩個相關但不同的概念，它們都提供產品的環境衝擊資訊，以幫助企業與消費者做出更可持續的選擇。

產品環境宣告是根據 ISO14025 國際標準所編制的技術文件，提供產品在生命周期內的環境影響資訊。EPD 基於生命周期評估（LCA）數據，可申請第三方認證。產品碳足跡通常是 EPD 中的一部分數據，尤其是在全球變暖潛勢（GWP）方面。EPD 包含了更廣泛的環境影響數據，而碳足跡專注於溫室氣體排放，相關範例如下：

產品碳足跡和產品環境宣告（EPD）兩者都是評估和傳達產品環境影響的重要工具。產品碳足跡專注於溫室氣體排放，而 EPD 則提供全面的環境影響資訊。兩者結合使用，可以幫助企業和消費者做出更可持續的選擇，推動環境保護和可持續發展。除了 ISO14067 外，溫室氣體議定書（GHG Protocol）也提供了計算產品碳足跡的詳細指導方針和方法。

自 2011 年起，宜特透過經濟部技術處科技專案「產品碳足跡與節能減碳資訊服務平台暨工具開發計畫」，積累輔導國內指標企業導入碳足跡的豐富經驗。我們認為，供應商碳排占比與減量機會，都是彰顯「產品環境績效」之關鍵，這正是導入碳足跡的重要目的之一。

因此供應商實地盤查至關重要，尤其針對排放貢獻占較大的本土供應商，宜特已定義出約 30 種盤查指標，企業可利用相關數據，偕同供應商建構減碳價值鏈。

我們輔導的客戶中包含全球知名代工龍頭廠、半導體設備製造廠、IC 設計廠商、光電業、電子元器件製造業、電子系統廠、傳產等國內上市櫃公司。在 ESG 輔導方面，亦有協助溫室氣體盤查、產品碳足跡、氣候相關財務揭露建議（TCFD）及 SBTi （科學基礎減量目標倡議，Science Based Targets Initiative）與 ISO 50001 能源管理與節能等相關輔導服務。

本文出自 宜特科技。

本文轉載自中央研究院「研之有物」，為「中研院廣告」

• 採訪撰文｜簡克志
• 責任編輯｜簡克志
• 美術設計｜蔡宛潔

降低碳排還不夠，奈米材料幫你直接減少二氧化碳！

氣候變遷問題日益嚴重，2023 年 9 月成為全球有史以來最熱的月份，臺灣夏天飆破 38 ℃ 的頻率逐漸增加。為了避免地表升溫超過工業化前水準的 +1.5 ℃，世界各國訂出 2050 年淨零排放的目標，設法減少大氣中的溫室氣體。減碳解方除了低碳電力之外，直接減少二氧化碳也是一條路徑。中央研究院「研之有物」專訪院內原子與分子科學研究所陳貴賢特聘研究員，他的研究專長是奈米能源材料，我們將介紹一種複合光催化材料：硫化鋅（ZnS）／硫化銦鋅（ZnIn₂S₄，簡稱 ZIS），在太陽光照射下，此材料表面發生的氧化還原反應，會將二氧化碳還原成有用的工業化學原料！

地球「保冷」計畫——減碳是關鍵

我們每天排放多少二氧化碳？根據 Our World in Data 的人均二氧化碳排放數據，2021 年全球每人排放的二氧化碳為 4.69 噸，而燃燒 1 公升的汽油大概會產生 2.3 公斤的二氧化碳。換算一下，每人每天排放二氧化碳約為 12.8 公斤，相當於每人每天消耗 5.6 公升的汽油！

根據聯合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）的特別報告「全球暖化 1.5 ℃」，人類活動排放的溫室氣體，已經讓地球表面平均溫度上升了 1 ℃。若以人類目前經濟模式發展下去，碳排放量可預期將不斷上升，大量溫室氣體將讓暖化現象與極端天氣事件更加劇。

氣候科學家警示，地球表面平均溫度需控制在 +1.5 ℃ 以內 ^{註 1}，否則將有不可逆的後果，例如生物多樣性大幅度降低的風險。因此，世界各國有了 2050 年淨零排放的共同目標，並不是說都不排碳了，而是要設法讓溫室氣體的碳排放量和碳減少量相互抵消，達到「淨零」的目標。

要達到淨零的目標，除了尋找與開發減碳電力之外，直接減少二氧化碳也是一個方法。想像一下，如果可以像植物一樣，只要照太陽光，就把二氧化碳變成有價值的碳氫化合物，聽起來不錯吧？但是二氧化碳做為燃燒後的產物已相當穩定，要如何以人工方式讓二氧化碳再次參與反應？

我們可運用「陽光」與「光催化材料」（又稱光觸媒，photocatalyst），不僅可以減碳，還能產生有價值的碳氫化合物，是一種「一舉兩得」的方法！

光觸媒（光催化）材料是什麼？

在談到光催化材料之前，先複習一下「催化劑」這個概念，催化劑不參與化學反應，但是它讓原先不可能的化學反應變得可行！陳貴賢分享，這就像過去從臺北到宜蘭需要翻過雪山，經過九彎十八拐的北宜公路；但如今有了「雪山隧道」之後，就大大降低臺北到宜蘭的時間與難度。「雪山隧道」就是臺北通往宜蘭的催化劑。

除此之外，催化劑也可以說是推進人類歷史發展的重要角色！在過去，農作物施肥只有天然氮肥可以使用，產量有限。而肥料意味著糧食增加與生產力增加，《巫師與先知》這本書就提到位於秘魯的鳥糞島嶼成為各家跨國公司必爭之地。另一方面，波斯人也在各地建造供鳥類休息的高塔，用來收集當肥料用的鳥糞。

到了近代，陳貴賢提到在 20 世紀初，德國科學家哈伯（Fritz Haber）透過催化劑，在高溫高壓的條件下，以鐵粉做為催化劑，讓氮氣和氫氣轉換成氨。這讓人工固氮成為可能，人類不用再依賴緩慢的生物固氮反應就可以合成化學氮肥，農作物產量也大幅提昇。

本文主角「光催化材料」，顧名思義就是協助光化學反應的催化劑，但光催化材料與一般催化劑不同的地方在於，其化學反應通常發生在固態的表面環境，目標反應物、光子和電子都有參與反應。

比起光催化材料，你可能更常聽到它的同義詞「光觸媒」，例如某某產品宣稱具有「奈米光觸媒消毒」的功能，其實就是照射足夠的光，讓材料表面的氧化還原反應把細菌分解。而之所以光觸媒需要做到奈米尺寸，這是因為奈米小顆粒可以改變物質的電子能量結構，且大幅增加反應的表面積，讓光催化反應更有效率。

陳貴賢：「一個高表面積的奈米粉末，它的表面積可能是薄膜的一萬倍，甚至於十萬倍。」

給你電子，還你原形！光催化材料上的氧化還原反應是怎麼發生的？

光催化材料之所以能夠減少二氧化碳，是因為照光後材料表面發生「氧化還原反應」，氧化反應會失去電子，還原反應會得到電子。陳貴賢與團隊開發的複合光催化材料：硫化鋅（ZnS）／硫化銦鋅（ZnIn₂S₄，簡稱 ZIS），可以讓二氧化碳還原成甲醇（CH₃OH）和乙醛（CH₃CHO），這兩種產物都是工業常用的化學原料。反應式如下：

要持續減少二氧化碳，就要持續發生上述還原反應，持續供給電子。不過，我們要怎麼讓電子快速又順利的補充到材料表面？這裡就開始涉及到半導體的核心問題：電子與電洞的產生、分離和傳輸。

陳貴賢與團隊開發的複合光催化材料：ZnS／ZIS，是結合兩種奈米半導體材料，透過水熱法合成，將 0 維的 ZnS 奈米顆粒沉積在 2 維的 ZIS 奈米片之上，形成 0D-2D 結構的 ZnS／ZIS 複合物，就像製作巧克力豆餅乾，不過要複雜得多。

既然 ZnS／ZIS 是半導體，當受到光照之後，原來的價帶（valence band）電子會被光激發成導帶（conduction band）電子，原本價帶電子佔據的位置則留下一個空位，就是電洞。電子和電洞的遷移，就是半導體形成電流的原因，因此電子和電洞都稱為「載子」（charge carrier）。

還記得上面的還原反應嗎？

對光催化材料來說，為了在光照環境下把二氧化碳還原成乙醛和甲醇，必須獲得穩定的電子來源，材料內部要迅速補充電子到表面，因此：

照光產生的電荷載子數量越多越好；產生的電子和電洞要傾向分離，分得越遠越好；電子和電洞越快移動到表面參與反應越好。

載子輸送要快速穩定，首先照光產生的載子要多，就有更多電子和電洞參與反應。分離載子是為了避免復合，照光產生的電子和電洞很容易復合，一旦復合，等同於減少載子。再來是載子越快移動到表面越好，可以讓每次的氧化還原反應都是最佳效率。

尋找最有效的光催化材料

陳貴賢團隊總共做了 4 種不同比例的 ZnS／ZIS 光催化材料，依照 Zn:In 比例 1:0.12、1:0.26、1:0.46 和 1:0.99，分別標記為 ZnS/ZIS-1、ZnS/ZIS-2、ZnS/ZIS-3 和 ZnS/ZIS-4。其中，ZnS/ZIS-3 的光催化效果最好，可以有效減少二氧化碳，產生最多的乙醛和甲醇（如下圖）。

為了驗證光催化材料產生有效載子的效率，陳貴賢團隊計算了 ZnS/ZIS-3 的總 AEQ 值（apparent quantum efficiency），用來評估「照到光催化材料上的每顆光子數量，產生了多少實際參與催化反應的電子數」。測量之後，ZnS/ZIS-3 的 AEQ 值為 0.8%，量子效率比單獨的 ZnS 材料提高了將近 200 倍！

這也是為什麼陳貴賢團隊要使用兩種不同的材料結合，因為單一半導體材料照光產生的電子和電洞有很高的復合機率，選擇兩種不同的半導體材料組合，讓兩種材料形成特殊的「能量階梯」就可以有效分離電子和電洞，並且把電子送到它該去的材料表面。

此外，使用兩種半導體材料的好處還有「二次激發電子到更高能階」，以符合光催化反應的能量門檻，自由電子掙脫 ZnS 的束縛之後，繼續往 ZIS 跑，光的能量會繼續把電子往上送到更高能級的材料表面，還原二氧化碳的反應在此發生。

Z 字形跑比較快！控制材料之間的微應變提升氧化還原效率

關於光催化材料的二次激發，陳貴賢提到：「材料低能階，然後光子進來後，把電子激發到高能階去做反應，太陽能電池也是這樣。但是呢，有時候沒那麼剛好，例如激發後的能階不夠高，雖然激發上去了，但電子沒有辦法跟二氧化碳做反應。那我把兩個材料拼在一起，電子上去以後又下來，然後再吸收第二個光子上去，那就變得很高了，高了以後它的反應效率就提升很多。」

如果我們把光催化材料的二次激發過程畫成示意圖，如下圖所示，電子在 ZnS 束縛區受到第一次光子的激發，變成自由電子，接著經過設計完善的材料介面，先降到較低的 ZIS 束縛區，受到第二次光子的激發，再次變成自由電子，跑到光催化材料的表面，和二氧化碳發生還原反應，將二氧化碳變成可再利用的乙醛和甲醇。

看看電子走過的路，如果向左歪著頭看，是不是就是一個 Z 字呢？科學家把這個過程稱為「直接 Z 方案」（Direct Z-scheme）。「直接」的意思是，電子從 ZnS 跑到 ZIS 的過程，不需要再經過一個中間地帶，降低電子和電洞復合的機會。

為什麼陳貴賢團隊設計的「直接 Z 方案」光催化材料，電子可以不需要中間的「轉接站」，直接轉移到另一個材料上呢？這裡也有一個巧思：不同材料之間的「微應變」。

不同材料的晶體排列規律是不一樣的，當兩種材料接在一起時，接面處會發生「晶格不匹配」，也就是兩種材料的原子會互相卡到、晶格微微變形。但是，如果我們可以控制微應變（Strain）的程度，就可以控制兩種材料「能量階梯」的相對位置，微應變可以讓材料接面自動帶有「轉接站」的功能，進而形成一個內部電場，讓電子和電洞更能快速分離，提高光催化效率。

總之，陳貴賢團隊開發的這套材料組合，是有微應變誘導的直接 Z 方案光催化材料，可做為未來量產光催化材料的研發設計參考，同時也是減碳的解方之一。

綠能趨勢——光催化材料未來可期

陳貴賢表示，目前表面科學和材料是中研院原分所的主要研究領域，他的實驗室選擇能源材料作為研究主軸，有太陽能電池和熱電材料，同時團隊也專注研究可還原二氧化碳的光催化材料，以及與燃料電池相關的催化劑。

陳貴賢看好將來能源材料的發展，因為在 2050 淨零排放之前，有愈來愈多企業紛紛加入「RE100 倡議」的行列，企業必須承諾最晚於 2030 年前使用 100% 再生能源。最著名案例是科技巨頭蘋果、Google 和微軟等公司都已宣布其全球供應鏈將符合 RE100 的要求。其中，台積電為蘋果主要供應商，2020 年也加入 RE100，目前為臺灣再生能源的主要買家。

可以預見，將來風能、太陽能與燃料電池的相關材料有其市場需求，而能夠減少二氧化碳的光催化材料，也將成為全球減碳的利器。陳貴賢提到，當前光催化材料還在基礎研究階段，目前的人工光合作用效率約 1%，接近大自然效率，而團隊希望提升到至少 5% 到 10% 以上，方能有其實用價值。

陳貴賢進一步強調，未來效率提高之後，能夠轉化二氧化碳的光催化材料就會有很大的經濟價值，不僅轉化後的燃料可以賣錢，處置二氧化碳原料亦可以收取負碳費用，是一種前所未有的概念。

註解

1. 根據 IPCC 的資料，如果要將全球暖化幅度控制在 +1.5 °C 以內，必須在 2050 年左右達到二氧化碳的淨零排放目標，同時也要大幅度降低非二氧化碳的溫室氣體排放，特別是甲烷。