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【水獺媽媽專欄:從日常學永續】多吃蔬菜水果,難道也會汙染地球嗎?

PanSci_96
・2022/09/08 ・821字 ・閱讀時間約 1 分鐘

台灣,蔬果生產的寶島,勤奮的農民、適宜的土壤加上人間好時節,讓我們隨時都有新鮮好吃的蔬菜水果,春天有菠菜、棗子;夏天有絲瓜、蓮霧;秋天有山藥、木瓜;冬天有蘿蔔和橘子。

在臺灣,一年四季都盛產不同的蔬果。圖/水獺媽媽提供

不過你知道嗎?吃當季的蔬菜水果,對我們的生態環境也可以幫上大忙!

這是因為選擇當季蔬果可以大幅減少冷藏時的電力耗損,在種植上也可以減少肥料以及農藥的使用,也就是可以降低「碳排放」。

另外,挑選在地的蔬果也有好處,若是蔬果產地距離我們越遠,運送時造成的碳排放量也會越高,加上保鮮的需要,可能會添加防腐劑,影響我們的健康。

購買當季、在地蔬果,可以減少運送途中產生的汙染。圖/水獺媽媽提供

那到底什麼是碳排放呢?又為什麼要降低碳排放呢?

碳排放泛指溫室氣體排放,是指人們在從事行為時,直接或間接向空氣中排出的溫室氣體,這些氣體的總重量就稱為碳排放量。

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溫室氣體又包含水蒸氣、臭氧、二氧化碳、氧化亞氮、甲烷、氫氟氯碳化物類等,其中又因二氧化碳在大氣的佔比最多,成為最常見用來衡量碳排放的標準。

而碳排放的增加,會對地球造成影響可不少,例如:全球暖化速度加快、全球平均溫度上升、海平面上升、極端氣候越來越惡化(夏天更熱、颱風更多等),因此,全世界對於碳排放的降低可說是擁有一致共識。

總結來說,每天吃適量的新鮮蔬果非常重要,因為這樣我們才能營養均衡,補充各種重要的維生素和纖維,但是,吃對蔬果更是重要,不只對身體有益處,對地球環境也能盡一份心力!

吃蔬果很重要,但吃對蔬果更重要!圖/水獺媽媽提供
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改良天然氣發電技術不會產生二氧化碳?灰氫、藍氫、綠氫分別是什麼?
PanSci_96
・2024/02/11 ・5656字 ・閱讀時間約 11 分鐘

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用天然氣發電可以完全沒有二氧化碳排放?這怎麼可能?

2023 年 11 月,台電和中研院共同發表去碳燃氫技術,說是經過處理的天然氣,燃燒後可以不產生二氧化碳。

誒,減碳方式百百種,就是這個聽起來最怪。但仔細研究後,好像還真有這麼一回事。這種能發電,又不產二氧化碳的巫術到底是什麼?大量使用天然氣後,又有哪些隱憂是我們可能沒注意到的?

去碳燃氫是什麼?

去碳燃氫,指的是改良現有的天然氣發電方式,將甲烷天然氣的碳去除,只留下乾淨的氫氣作為燃燒燃料。在介紹去碳燃氫之前,我們想先針對我們的主角天然氣問一個問題。

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最近不論台灣、美國或是許多國家,都提升了天然氣發電的比例,但天然氣發電真的有比較好嗎?

好像還真的有。

根據聯合國底下的政府間氣候變化專門委員會 IPCC 的計算報告,若使用火力發電主要使用的煙煤與亞煙煤作為燃料,並以燃燒率百分之百來計算,燃料每釋放一兆焦耳的能量,就會分別產生 94600 公斤和 96100 公斤的二氧化碳排放。

如果將燃料換成天然氣,則大約會產生 56100 公斤的二氧化碳,大約只有燃燒煤炭的六成。這是因為天然氣在化學反應中,不只有碳元素會提供能量,氫元素也會氧化成水並放出能量。

圖/pexels

除了碳排較低以外,煤炭這類固體燃料往往含有更多雜質,燃燒時又容易產生更多的懸浮顆粒例如 PM 2.5 ,或是溫室效應的另一主力氧化亞氮(N2O)。具體來說,產生同等能量下,燃燒煤炭產生的氧化亞氮是天然氣的 150 倍。

當然,也別高興這麼早,天然氣本身也是個比二氧化碳更可怕的溫室氣體,一但洩漏問題也不小。關於這點,我們放到本集最後面再來討論。

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燃燒天然氣還是會產生二氧化碳?

雖然比較少,但也有燃煤的六成。像是綠能一樣的零碳排發電方式,不才是我們的終極目標嗎?別擔心,為了讓產生的二氧化碳量減到最小,我們可以來改造一下甲烷。

圖/unsplash

在攝氏 700 至 1100 度的高溫下,甲烷就會和水蒸氣反應,變成一氧化碳和氫氣,稱為蒸汽甲烷重組技術。目前全球的氫氣有 9 成以上,都是用此方式製造的,也就是所謂的「灰氫」。

而產物中的一氧化碳,還可以在銅或鐵的催化下,與水蒸氣進一步進行水煤氣反應,變成二氧化碳與氫氣。最後的產物很純,只有氫氣與二氧化碳,因此此時單獨將二氧化碳分離、封存的效率也會提升不少,也就是我們在介紹碳捕捉時介紹的「燃燒前捕捉」技術。

去碳燃氫又是什麼?

圖/pexels

即便我們能將甲烷蒸氣重組,但只要原料中含有碳,那最終還是會產生二氧化碳。那麼,我們把碳去掉不就好了?去碳燃氫,就是要在第一步把甲烷分解為碳和氫氣。這樣氫氣在發電時只會產生水蒸氣,而留下來的碳黑,也就是固態的碳,可以做為其他工業原料使用,提升附加價值。

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在氫氣產業鏈中,我們習慣將氫氣的來源做顏色分類。例如前面提到蒸氣重組後得到的氫氣被稱為灰氫,而搭配碳捕捉技術的氫,則稱為藍氫。完全使用綠能得到的氫,例如搭配太陽能或風力發電,將水電解後得到最潔淨的氫,則稱為綠氫。而介於這兩者之間,利用去碳燃氫技術分解不是水而是甲烷所得到的氫,則稱為藍綠氫。

但先不管它叫什麼氫,重點是如果真的不會產生二氧化碳,那我們就確實多了一種潔淨能源可以選擇。這個將甲烷一分為二的技術,聽起來應該也不會太難吧?畢竟連五◯悟都可以一分為二了,甲烷應該也行吧。

甲烷如何去碳?

甲烷要怎麼變成乾淨的氫氣呢?

很簡單,加溫就好了。

圖/giphy

只要加溫到高過攝氏 700 度,甲烷就會開始「熱裂解」,鍵結開始被打斷,變成碳與氫氣。

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等等等等…為了發電還要耗費能源搞高溫熱裂解,划算嗎?

甲烷裂解確實是一個吸熱反應,也就是需要耗費能量來拆散原本的鍵結。根據反應式,一莫耳甲烷要吸收 74 千焦耳的熱量,才會裂解為一莫耳的碳和兩莫耳的氫氣。但是兩莫耳的氫氣燃燒後,會產生 482 千焦耳的熱量。淨能量產出是 408 焦耳。與此相對,直接燃燒甲烷產生的熱量是 891 千焦耳。

而根據現實環境與設備的情況,中研院與台電推估一公噸的天然氣直接燃燒發電,與先去碳再燃氫的方式相比,發電量分別為 7700 度和 4272 度。雖然因為不燃燒碳,發電量下降了,但也省下了燃燒後捕存的成本。

要怎麼幫甲烷去碳呢?

在近二十幾年內,科學家嘗試使用各種材料作為催化劑,來提升反應效率。最常見的方式,是將特定比例的合金,例如鎳鉍合金,加熱為熔融態。並讓甲烷通過液態的合金,與這些高溫的催化劑產生反應。實驗證實,鎳鉍合金可以在攝氏 1065 度的高溫下,轉化 95% 的甲烷。

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中研院在 2021 年 3 月,啟動了「 Alpha 去碳計畫」,進行去碳燃氫的設備開發。但團隊發現,盡管在理論上行得通,但實際上裝置就像是個不受控的火山一樣,熔融金屬與蒸氣挾帶著碳粒形成黏稠流體,不斷從表面冒出,需要不斷暫停實驗來將岩漿撈出去。因此,即便理論上可行,但熔融合金的催化方式,還無法提供給發電機組使用。

去碳燃氫還能有突破嗎?

有趣的是,找了好一大圈,驀然回首,那人卻在燈火闌珊處。

最後大家把目光放到了就在你旁邊,你卻不知道它正在等你的那個催化劑,碳。其實過去就有研究表明碳是一種可行的催化劑。但直到 201 3年,才有韓國團隊,嘗試把碳真的拿來做為去碳燃氫的反應催化劑。

圖/pexels

他們在高溫管柱中,裝填了直徑 30 nm 的碳粒。結果發現,在 1,443 K 的高溫下,能達到幾乎 100 % 的甲烷轉化。而且碳本身就是反應的產物之一,因此整個裝置除了碳鋼容器以外,只有碳與氫參與反應,不僅成本低廉,要回收碳黑也變得容易許多。

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目前這個裝置需要加緊改良的,就是當碳不斷的積蓄,碳粒顆粒變大,反應會跟著下降。如何有效清除或更換濾網與反應材料,會是能否將此設備放大至工業化規模的關鍵。

最後,我們回頭來談談,在去碳燃氫技術逐漸成熟之後,我們可能需要面對的根本問題。

天然氣是救世主,還是雙面刃?

去碳燃氫後的第一階段,還是會以天然氣為主,只混和 10 % 以下的氫氣作為發電燃料。

這是因為甲烷的燃燒速度是每秒 0.38 公尺,氫氣則為每秒 2.9 公尺,有著更劇烈的燃燒反應。因此,目前仍未有高比例氫氣的發電機組,氫氣的最高比例,通常就是 30 % 。

目前除了已成功串連,使用 10 % 氫氣的小型發電機組以外。台電預計明年完成在興達電廠,使用 5 % 氫氣的示範計畫,並逐步提升混和氫氣的比例。根據估計,光是 5 % 的氫氣,就能減少每年 7000 噸的二氧化碳排放。

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但隨著天然氣的使用量逐步提高,我們也應該同時留意另一個問題。

天然氣洩漏導致的溫室效應,是不可忽視的!

根據 IPCC 2021 年的報告,若以 20 年為評估,甲烷產生的溫室效應效果是二氧化碳的 82.5 倍,以 100 年為評估,效果為 29.8 倍,是僅次於二氧化碳,對於溫室效應的貢獻者第二名。這,不可不慎啊。

圖/unsplash

從石油、天然氣井的大量甲烷洩漏,加上運輸時的洩漏,如果沒有嚴格控管,我們所做的努力,很有可能就白費了。

非營利組織「環境保衛基金」曾在 2018 年發表一篇研究,發現從 2012 到 2018 年,全球的甲烷排放量增加了 60 % ,從煤炭轉天然氣帶來的好處,可能因為甲烷洩漏而下修。當然,我們必須相信,當這處漏洞被補上,它還是能作為一個可期待的發電方式。

圖/giphy

另一篇發表在《 Nature Climate Change 》的分析研究就說明,以長期來看,由煤炭轉為天然氣,確實能有效減緩溫室氣體排放。但研究也特別提醒,天然氣應作為綠能發展健全前的過渡能源,千萬別因此放慢對於其他潔淨能源的研究腳步。

去碳燃氫技術看起來如此複雜,為什麼不直接發展綠氫就好了?

確實,綠氫很香。但是,綠氫的來源是電解水,而反應裝置也不可能直接使用雜質混雜的海水,因此若要大規模發展氫能,通常需要搭配水庫或海水淡化等供水設施。另外,綠氫本來就是屬於一種儲能的形式,在台灣自己的綠能還沒有多到有剩之前,當然直接送入電網,還輪不到拿來產綠氫。

圖/unsplash

相比於綠氫,去碳燃氫針對的是降低傳統火力發電的碳排,並且只需要在現有的發電廠旁架設熱裂解設備,就可以完成改造。可以想像成是在綠能、新世代核能發展成熟前的應急策略。

當然,除了今天提到的灰氫、藍氫、綠氫。我們還有用核能產生的粉紅氫、從地底開採出來的白氫等等,都還沒介紹呢!

除了可以回去複習我們這一集的氫能大盤點之外,也可以觀看這個介紹白氫的影片,一個連比爾蓋茲都在今年宣布加碼投資的新能源。它,會是下一個能源救世主嗎?

最後,也想問問大家,你認為未來 10 年內,哪種氫能會是最有潛力的發展方向呢?

  1. 當然是綠:要押當然還是壓最乾淨的綠氫啦,自產之前先進口也行啊。
  2. 肯定投藍:搭配碳捕捉的藍氫應該會是最快成熟的氫能吧。
  3. 絕對選白:連比爾蓋茲也投資的白氫感覺很不一樣。快介紹啊!

什麼?你覺得這幾個選項的顏色好像很熟悉?別太敏感了,下好離手啊!

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馬斯克不屑一顧;比爾蓋茲卻視若珍寶!氫能源會成為永續發展的救世主嗎?
PanSci_96
・2024/02/04 ・5539字 ・閱讀時間約 11 分鐘

馬斯克的「氫能愚蠢說」被打臉了嗎?

馬斯克曾多次斷言發展氫能是個愚蠢的決定,更說氫氣不會自然出現在地球上。

然而今年 7 月,美國新創公司 Koloma 從比爾蓋茲與其他投資者手中,獲得了總計 9100 萬美元的融資,準備開採地下氫氣。今年 9 月,地質學家更是直接在法國的地底下發現大量氫氣,總量估計有 4,600 萬噸。
而且比起需要搭配綠能或是熱裂解設備才能製造的綠氫與灰氫,這些氫氣價格將會十分低廉,難道,氫氣的時代要到來了嗎?為了環保,我們得挖呀挖呀挖?

地球上真的還有氫氣嗎?

這張照片就能證明地底中含有氫氣?

這拍攝於澳洲的珀斯盆地,大大小小的圓圈被稱為仙女圈,在仙女圈內沒有植物生長,甚至向內凹陷形成鹽湖。當科學家調查這些仙女圈,他們意外發現土壤中竟然含有氫氣。氫氣與仙女圈之間的確切關係還未知,有人推測可能氫氣抑制了植物或是微生物菌落的生長,使得該區光禿甚至土壤流失。

我們知道氫氣是世界上最輕的氣體,一旦進入大氣,就會向上飄散,直至被拋至太空,離開大氣層。然而地球的大氣層中還是有少量的氫氣被束縛住,大氣濃度約為 0.55 ppm ,是臭氧的 13 倍。

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圖/pexels

但只要沒有進入大氣,還是被封在地底的氫氣因為不容易溢散,至今存量還很豐富。不只在澳洲,世界各地都觀察到了氫氣從地底向地表洩漏的情形。

第一炬奧運聖火至今還在燃燒?

位於土耳其奧林匹斯山山谷,就在希臘火神赫菲斯托斯的神廟廢墟上方,大大小小的火焰從土石間冒出,就好像赫菲斯托斯至今都還存在在該處一樣。該地的冒火處有十幾個,總燃燒面積高達 5000 平方公尺。

根據地質學家推估,這片火焰已經燃燒了 2500 年,根據史料比對,很有可能就是最早奧林匹克聖火的發源地。

圖/wikipedia

地質學家調查了這股火焰的形成原因,發現從岩石中噴出的氣體,除了含有 87 % 的甲烷以外,還含有百分之 7.5 到 11 是氫氣。這股持續 2500 年間不斷冒出的氣體,根據地質學家推估,與石油、天然氣成因不同,並不是因為遺骸或微生物等生物原因才產生的。而是大地之母地球源源不斷提供給我們的,這又是怎麼一回事?

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氫氣知多少:哪來這麼多地底氫氣?

地底的氫氣怎麼來?

這與岩石的變質作用息息相關,我們知道火成岩、沉積岩會在高溫高壓下產生變質作用,轉為性質截然不同的變質岩。而富含鎂與鐵的矽酸鹽類礦物,例如橄欖石、輝石,當他們在高溫環境下與水作用,會轉為蛇紋石、水鎂石、磁鐵礦等礦物,這個過程稱為蛇紋石化作用。

圖/wikipedia

這種作用是一種化學反應,會將大量的水吸入岩石,讓岩石的密度下降。在反應結束後,除了礦物特性產生變化以外,還會生成副產物,也就是氫氣。如果地層中又剛好有二氧化碳存在,就會在高溫的環境下進一步甲烷化,將氫氣與二氧化碳轉成甲烷。

目前科學家認為,大部分地層中非生物性原因產生的的氫氣與甲烷,多是由這樣的過程產生的。奧林匹斯山的聖火,推測也是這樣產生的。

而對於地質學家來說,也代表尋找天然氫氣這一目標,也可以從盲目搜尋,轉為限縮在尋找有經歷過蛇紋石化作用的地層上。

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圖/usgs

但除了蛇紋石化作用以外,大自然還有兩種生產氫氣的主要方式:深層蘊藏與水的輻解。

地球內的氫氣

在地底深處,推測蘊藏著大量氫氣。它們深達地底,甚至可能存在於地函與地核之中。

我們現在的技術當然無法直接來個地心探險開採這些氣體,但科學家陸續從美國、俄羅斯、東歐等地的岩石鑽探結果可以觀察到,在越深的地方氫氣濃度越高。因此地質學家推測這些氫氣可能來自更深的地方,並正從橄欖岩緩緩地擴散,進入靠近地表的岩層之中。

然而,因為我們還無法進入地底,因此即便我們知道它們存在,但對於這些氫的形成原因目前還未有結論。有些科學家放眼整個太陽系的形成過程,推測在原始地球形成時,整顆行星包含地核之中就有氫的存在。而也有人認為,地核中的鐵元素與水反應,形成氧化鐵與一氫化鐵兩種物質型態,將氫存在地核之中。

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這個問題的解答,就等待地球科學家為我們帶來解答吧。而且了解這些元素存在於地核、地函的形式,也可以解開許多未知謎團,例如地核的詳細組成分、地函存在異常低電阻區的原因、改善地函動力學模型,以及找出哥吉拉到底在哪裡等等。

圖/giphy

輻射也能產生氫氣?

地殼中的釷、鈾等放射性元素,在漫長的衰變過程中,會緩慢地將地層中的水分子鍵結破壞,形成氧氣與氫氣。例如一顆 1 MeV 的 α 粒子,平均足以讓 10 個水分子解離。而當岩石擁有更高的孔隙率, α 粒子會更有機會與水分子產生作用,會有更高的氫氣產量。

但其實,考慮到衰變的速度以及放射性元素存在於地底的超低含量,這個方式的效率並不高,而且實際上 α 粒子用來解離水分子的能量只消耗了 1 % ,剩餘的能量都還是被附近的岩層吸收,以熱的形式消耗掉。

除了產量不高以外,理論來說在輻射發生的地方,應該要能看到氫氣與氧氣同時存在,但目前實地調查的結果,都只有發現氫氣。氧氣是否進一步參與了其他反應,或是已經逸散,或甚至這個理論需要再做調整,還需要更多的研究。

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好的,我們知道氫氣是怎麼產生的,那麼重點是,我們到底有多少氫氣能用呢?

地底有多少氫氣?

世界各地都有發現自然氫氣的存在。對了,雖然這張地圖看起來氫氣的發現地點都集中在北亞與東歐,但這只是因為目前的探勘都聚集在這邊,並不代表真實的氫氣分布。

這些來自地底的氫氣,我們稱為地質氫,如果用顏色來分類,則稱為白氫或是金氫。如果氫氣的開採規模能像天然氣一樣龐大,白氫的價格,預計會落在每公斤 1 美元。

相比之下其他的氫氣生產方式,例如我們上次提到,由蒸汽重組產生的灰氫,售價約為 0.9~3.2 美元。由綠能生成的綠氫則是 3~7.5 美元。因此,如果白氫正式被大量使用,將大幅降低現在的氫氣價格,甚至帶動氫氣運輸、儲存、發電機組等產業鏈的發展,連帶降低其他顏色氫氣的隱含成本。

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比爾蓋茲與氫能產業

與馬斯克看衰氫能不同,比爾蓋茲不僅投資白氫的開發,也投資了不少氫能產業。

例如他就投資了西班牙公司 H2SITE ,一間致力於氫能運輸與氫氣製造的公司。因為現在運輸氫氣的成本是製造氫氣的三倍,如果能降低運輸成本,將有助於整個氫氣產業的發展。在開採方面,各國也都開始投入地質氫的調查與開採技術研發。

美國地質調查局初步估計,全球地底下可能藏有百億噸的氫氣等著被開發,能滿足全人類數千年的能源需求。當然,這個數字並沒有考慮到開發的困難度,只是單純地以全球存量作分析。

但也有人正打算轉個念頭,何不將熱水注入富含鐵的岩層中,促使更多的氫氣產生?類似於地熱發電會使用的增強型地熱系統,只是我們獲得的不是直接的熱能,而是氫氣。

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什麼?氫氣也是溫室氣體?

話說回來,氫氣真的會成為救世主嗎?先等等,事情可能沒那麼簡單。

氫氣作為最輕的氣體,存在於大氣的壽命大約只有兩年。但氫氣在存在的這段時間中,會與大氣中的羥自由基和其他氣體作用,產生一系列的反應。造成的結果包含增加甲烷停留在大氣的時間、臭氧的增加、與平流層中水氣的增加。

圖/wikipedia

因此,氫氣屬於一種「間接」溫室氣體,氫氣的一百年全球暖化潛勢 GWP 100 ,被評估為 11.6 ,也就是以 100 為區間進行評估,氫氣的溫室效應是二氧化碳的 11.6 倍。

此外,我們對氫氣的研究還太少,所以才到現在才發現它就在我們的身邊。而就跟我們上次提到的一樣,大量使用天然氣,就意味會有許多天然氣洩漏。而伴隨著氫氣被大量開採,一定會有更多的氫氣被釋放到大氣之中。這對我們的大氣是否會產生負面效應,甚至於弊大於利,都還需要更多研究。

最後想問問大家,馬斯克與比爾蓋茲,對氫能的看法十分兩極。你呢?你認為氫能會改變未來的能源形式嗎?

  1. 會,不論是什麼顏色的氫,大家都很認真的在進行研究,一定很快就有好結果。
  2. 不會,氫能運輸、儲存成本怎麼看都還太高
  3. 不論有沒有氫能,人類懂不懂得節制,才是關鍵中的關鍵

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減碳新招:二氧化碳再利用!光觸媒材料可以把二氧化碳還原成工業化學原料?——專訪中研院原分所陳貴賢特聘研究員
研之有物│中央研究院_96
・2023/11/03 ・5793字 ・閱讀時間約 12 分鐘

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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!

為了避免全球升溫超過工業化前水準的 +1.5 ℃,我們需要減少碳排放與開發負碳技術,並盡量在 2050 年左右達到全球溫室氣體淨零排放量的目標。所謂的「工業化前水準」是指 1850-1900 年的平均溫度。
圖|iStock

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。

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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。

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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:

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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。

陳貴賢團隊將 0 維的 ZnS 奈米顆粒沉積在 2 維的 ZIS 奈米片之上,就好像做巧克力豆餅乾一樣,形成複合的異質半導體,做為光催化材料用途。左圖是示意圖,右圖是電子顯微鏡下的照片,Zn:In 比例為 1:0.46。
圖|研之有物(資料來源|Nano Energy

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?

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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)。

水熱法製備的 ZnS/ZIS-3 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。最右邊是將 ZnS 和 ZIS 簡單物理混合的對照組,沒有介面效應的輔助,催化效果不佳。
圖|研之有物(資料來源|Nano Energy

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!

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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。

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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。

為了將二氧化碳轉換成可用化學原料,電子在材料內部能階走 Z 字路徑,過程中受到光的二次激發,最後到達材料表面。電子參與還原反應,將二氧化碳變成乙醛和甲醇。電洞參與氧化反應,將水變成氧氣。
圖|研之有物(資料來源|Nano Energy

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。

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ZnS 奈米顆粒接在 ZIS 奈米片上,兩邊的晶格排列方式不一樣,發生「晶格不匹配」,接面處晶格會微微變形。如果控制微應變(Strain)的程度,就可以微調材料能階的相對位置,微應變可以讓接面帶有「轉接站」的功能,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。
圖|研之有物(資料來源|Nano Energy
ZnS 奈米顆粒接在 ZIS 奈米片上,兩邊的晶格排列方式不一樣,發生「晶格不匹配」,接面處晶格會微微變形。如果控制微應變(Strain)的程度,就可以微調材料能階的相對位置,微應變可以讓接面帶有「轉接站」的功能,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。
圖|研之有物(資料來源|Nano Energy

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。

陳貴賢強調,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。
圖|研之有物

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。
研之有物│中央研究院_96
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研之有物,取諧音自「言之有物」,出處為《周易·家人》:「君子以言有物而行有恆」。探索具體研究案例、直擊研究員生活,成為串聯您與中研院的橋梁,通往博大精深的知識世界。 網頁:研之有物 臉書:研之有物@Facebook