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銅原子催化劑大突破 國輻中心開啟潔淨能源新契機



〔新網記者歸鴻亭台北報導〕 　在全球追求碳中和與能源轉型的浪潮中，如何將水或二氧化碳有效轉化為有用燃料，一直是能源科學的關鍵挑戰。來自國家同步輻射研究中心與國立臺灣大學凝態中心所組成的研究團隊，成功開發出一種能｢精準控制化學反應方向｣的新型催化系統，透過調控銅原子在石墨相氮化碳(g-C3N4)中的排列，就能引導反應路徑，依需求選擇生成氫氣或甲烷。這項突破可望為｢潔淨氫能｣與｢二氧化碳再利用｣帶來關鍵進展，研究成果於8月5日在國際頂尖期刊《先進功能材料》(Advanced Functional Materials)線上搶先刊載。

國輻中心許瑤真(右3)、陳琬婷(右2)、賴玉鈴(右1)、鄭淑齡(左1)、許紘瑋(左2)，以及臺大凝態中心Michitoshi Hayashi(左3)。(國家同步輻射研究中心攝影)
　在電催化領域中，如何讓反應「走向預期的方向」一直是科研界的難題。以常見的銅金屬為例，雖然活性佳，但反應過程中常同時產生氫氣、甲烷與一氧化碳等多種產物，導致產物分離困難、效率下降，難以滿足實際應用需求。

　由國輻中心許瑤真博士、陳琬婷博士與臺灣大學凝態中心Michitoshi Hayashi博士領銜，結合國輻中心的X光能譜、結構、影像相關技術，以及電子顯微鏡與理論計算，全面解析銅原子排列方式與反應選擇性的關係。研究結果發現，不同的原子配置就像一個「能源開關」，當銅原子｢單獨｣嵌入石墨相氮化碳時，主要催化的是氫氣生成反應；但當兩個銅原子「成對」嵌入石墨相氮化碳層之間時，則會選擇性地將二氧化碳轉化為甲烷，效率高達 88%，不僅轉化效率優異，更能避免傳統催化反應中產物複雜、難以分離的問題，顯示出極高的工業應用潛力。這種｢結構—功能對應｣關係首次被系統性揭示，也為未來設計更多高效能催化劑提供了清晰方向。

　氫氣被視為未來潔淨能源的核心，而將二氧化碳轉化為甲烷或一氧化碳，則是減碳與循環經濟的關鍵策略。過去常用的貴金屬催化劑雖然效率高，但成本昂貴、反應路徑複雜，不利於大規模應用。本研究利用價格低廉且產量豐富的銅元素，透過原子級精準設計，就能兼顧高效率與高選擇性，展現了低成本催化劑取代貴金屬的可能性。

　許瑤真博士指出，僅僅是原子排列的細微差異，就能徹底改變催化表現。透過原子級的結構設計，我們能依照需求「切換」反應路徑，使產物完全受控，這是前所未有的突破。未來若能進一步優化結構設計，將有機會推動綠色氫氣製造，也能將二氧化碳轉為燃料。這不僅有助於降低對化石燃料的依賴，也能在能源科技與減碳政策上帶來長遠影響，造創能源永續與環境保護的雙贏局面。

國輻中心臺灣光子源的奈米顯微光束線暨掃描穿透X光顯微實驗站。(國家同步輻射研究中心攝影)
　本研究成果不僅展現了臺灣在材料科學與能源轉換領域的國際競爭力，也為全球邁向淨零碳排提供了新方向。當原子級精準設計走進能源科技，反應結果不再是「被動接受」，而是能「主動調控」，為人類邁向永續能源時代點亮新的契機。

頻道:資訊科技　分類:科技新知
採訪:歸鴻亭　發稿日期:2025/9/11 上午 11:53:33
關鍵字:銅原子,催化劑,國輻中心,碳中和,能源轉型
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