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某科學の超電報

臺大瑞士跨國團隊發表新型催化劑「單原子三價鐵」,可高效率回收二氧化碳,力阻全球暖化

圖/pixabay

二氧化碳還原反應被公認為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。

臺灣大學化學系陳浩銘教授與瑞士洛桑理工學院胡喜樂教授等人所組成的跨國研究團隊,發展出化學反應之臨場分析技術,使用國家同步輻射研究中心的臺灣光源(Taiwan Light Source)與和日本同步加速器光源(SPring-8)的臺灣合約光束線,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「單原子三價鐵」。

「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它燃料,研究成果於今(2019)年 6 月 14 日登於全球頂尖學術期刊《科學》(Science)。

高活性背後隱藏的關鍵秘密

圖/pixabay

此研究中,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。

目前的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,相較於單原子三價鐵,其他的催化劑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。然而在這個研究裡面,更重要的問題是,為什麼此單原子鐵的活性如此之高?又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,陳浩銘教授利用國輻中心位於臺灣與日本的光束線,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的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。

此外,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。產出的一氧化碳可進一步轉換成烴類碳氫化合物,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。

  • 本文改寫自科技部新聞稿,原標題為〈力阻全球暖化—臺灣跨國研究榮登國際期刊《科學》〉。

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