淨零科技大躍進，國輻中心綠氫研究登上《科學》期刊
2023/09/07
國科會轄下國家同步輻射研究中心（國輻中心）的陳政龍助研究員、莊裕鈞副研究員及張仲凱研究助理，與美國加州勞倫斯伯克利國家實驗室陳璐寧博士、Gabor A. Somorjai教授、蘇際博士等共組跨國研究團隊，歷時三年，領先全球開發出高產氫效率、高穩定性與低能耗的甲烷熱裂解催化劑「鎳鉬鉍熔融態合金」（NiMo-Bi），探討鎳活性金屬於熔融態之價態，證明了鎳鉬鉍熔融態合金能有效的降低鉍金屬造成之籠子效應（Cage effect），使得甲烷有效地流經鎳活性金屬，並產生氫氣，傑出的研究成果於8月25日登上國際頂尖期刊《科學》（Science），成為推動淨零轉型的重要生力軍。
美國研究團隊首度將鉬原子加入鎳鉍催化劑，製成新型催化劑—鎳鉬鉍熔融態合金，國輻中心團隊則設計可通氣體之臨場高溫加熱實驗裝置，並使用「台灣光子源」（Taiwan Photon Source, TPS）的「快速掃描X光吸收光譜光束線」與「高解析度粉末繞射光束線」，證實此催化劑可有效將甲烷熱裂解溫度降至攝氏450度，且在攝氏800度時甲烷100%裂解成氫氣跟碳，並維持長達120小時的穩定性。相較過去研究成果，產氫速率大幅提高了近37倍，熱裂解溫度從攝氏1065度降低至攝氏800度，有效降低轉化過程的能耗。
近年來，被譽為「未來燃料」的氫氣已成為零碳排的新興能源之一，世界各國紛紛加入氫能科技的研發。然而目前大部分的氫氣產自於燃燒石化燃料並搭配水蒸氣重組，此法碳排放量相當高。另一種方式是在電解槽加入催化劑，以極高電壓將水電解成氫與氧，雖然零碳排但非常耗能，加上催化劑價格昂貴，所以並不普遍。第三種方式則是將甲烷催化熱裂解成氫氣，且反應副產物還可以產生石墨烯、奈米碳管和富勒烯等高價值碳材料，因此逐漸成為極具商業發展潛力的製氫技術。
本研究成果證實在鎳鉬鉍熔融態合金的催化下，大幅提升了甲烷催化熱裂解成氫氣的有效性與穩定性，有助發展高效率且低價格的氫能。研究團隊利用快速掃描X光吸收光譜光束線，進行「活性位點探討」與「配位環境分析」，解析鎳鉬鉍熔融態合金之間的相互作用。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），相當適合探討金屬元素之氧化態、周圍之配位元素種類、數目，以及鄰近原子間之鍵長與結構亂度，藉以觀測物質電子結構與原子結構的毫秒級動態變化，幫助科學家探討觸媒於化學反應時之即時資訊。
為了進一步瞭解鎳鉬鉍熔融態合金之催化效能大幅提升的原因，本研究團隊另外利用高解析度粉末繞射光束線，來鑑定鎳鉬鉍熔融態合金的「相結構組成」，成功驗證了鉬原子在鎳鉍催化劑中所扮演的關鍵角色與影響力，並搭配臨場加熱實驗，洞悉了鎳鉬鉍熔融態合金在不同溫度的「結構相變」。由於高解析度粉末繞射光束線具有超高繞射解析力、極快速量測力及廣泛適用各類實驗樣品等特性，同時整合搭配溫度加熱系統，相當適合觀察催化、熱處理與熱裂解等非常態之化學反應，提供了全方位即時的能源材料結構分析。
目前政府正力推「淨零新生活運動」，以跨部會協作、公私協力、國際合作等方式，部署五大淨零科技領域的研發，整合我國具有發展優勢的淨零科技技術，協助國內淨零科技與產業躍上國際舞台。在國科會的長期支持下，國輻中心積極投入綠能研發，包含氫能、太陽能、鋰電池與超級電容等，未來將持續響應政府的「2050淨零碳排目標」，發展潔淨新能源、新興負碳科技等淨零科技關鍵技術。
