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國輻中心催化劑研究登國際頂尖期刊"自然"



〔新網記者歸鴻亭台北報導〕  國科會轄下國家同步輻射研究中心助研究員包志文,與美國亞利桑那州立大學教授劉景月以及美國史丹佛同步輻射光源等人所組成的跨國研究團隊,歷時5年,領先全球首度研發出具有特殊孔隙結構的二氧化鈰(CeOx)「奈米膠」。該奈米膠具有結晶性、尺寸小、與高孔隙數量等特性,均勻分佈在二氧化矽(SiO2)「載體」上後,非常適合作為鉑(Pt)「單原子催化劑」的主體,以克服合成單原子催化劑過程中的凝結現象。研究團隊使用「台灣光子源」(Taiwan Photon Source, TPS)的「快速掃描X光吸收光譜光束線」與美國史丹佛同步輻射光源光束線分析鉑原子周圍的環境,確定使用該奈米膠可合成出高效率與高穩定性的鉑單原子催化劑,催化效率提高了近百倍,傑出的研究成果於10月26日登上國際頂尖期刊《自然》(Nature)。

單原子催化劑(紅色為鉑單原子、黃色與藍色為奈米島、灰色為載體)。(國家同步輻射研究中心提供)
 目前90%以上的化工製程與催化技術有關,催化劑除了用於煉油等工業製程外,亦廣泛地應用在環保設施中,如工廠烟道氣的脫硝、汽機車的廢氣轉化器等。近年來大眾關注的綠色能源議題,更牽涉到很多催化劑的研究,例如電解水產氫,硝酸根還原產氨、二氧化碳還原等。此研究成果將有助減緩氣候暖化,共同朝環境永續、全球淨零碳排的國際目標邁進。許多催化劑中含有貴金屬,參與催化作用的貴金屬原子稱為「活性中心」。過去的研究發現,催化反應僅發生在表面的貴金屬原子,絕大多數表面下的貴金屬原子都未參與反應,導致催化效率低。加上貴金屬稀少且昂貴,如何提高貴金屬原子的利用效率,便成為科學家急欲解決的難題。

 商業量產的貴金屬催化劑主要為「奈米顆粒」,但奈米顆粒的催化效率與穩定性有其限制。近10年來,單原子催化劑的研究蓬勃發展,科學家們紛紛投入單原子催化劑的結構研究,以提高單位面積下可容納的單顆貴金屬原子數目,好讓每顆貴金屬原子都能成為活性中心,以提升催化效率與穩定度,並大幅降低貴金屬催化劑的成本。

 然而,載體上的金屬原子經常產生凝聚現象而無法單顆分散獨立,本研究團隊獨步開發了一種新方法,讓特殊結構的奈米膠形成類似「奈米島」的形狀,而尺寸極小的奈米島以極高密度的方式排列在載體上,讓每個島上僅住著一個單原子貴金屬,單原子貴金屬能在孤島上自由活動,卻無法跳島與其他單原子貴金屬凝聚,如此不僅提升了穩定度,還能讓每顆貴金屬原子都能成為活性中心,不會因凝聚而被埋沒於其他貴金屬原子之下,結果大幅提升近百倍的一氧化碳氧化反應催化效率並降低成本,為單原子催化劑掀起巨大革命。

 本研究團隊利用國輻中心台灣光子源的快速掃描X光吸收光譜光束線,藉由延伸X光吸收精細結構,對金屬單原子與奈米膠、載體所形成的特殊結構,進行配位環境分析。X光吸收光譜實驗技術因具備原子級的超高敏感度、極低的探測極限(百萬分之一)等優異特性,能夠極準確的分析極微量的原子、分子結構。

國輻中心台灣光子源快速掃描X光吸收光譜光束線。(國家同步輻射研究中心提供)
 日前國科會通過2050「淨零科技方案」,推動永續及前瞻能源、低碳、負碳、循環、人文社會科學等五大淨零領域。台灣光子源快速掃描X光吸收光譜光束線,特別適合解析物質電子結構與原子結構的毫秒級動態變化,原子級(10-10 公尺)精細結構的變化,皆可一覽無遺。除了可用於研究觸媒催化反應外,如鋰電池充放電、物質吸附過程的動態行為等研究,皆能快速擷取數據,可望在綠能材料、再生能源、低碳製程的研發,成為推動淨零科技之研究利器之一。

頻道:資訊科技 分類:科技新知
採訪:歸鴻亭 發稿日期:2022/12/22 下午 07:04:03
關鍵字:國輻中心,催化劑,自然,包志文,貴金屬
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