【研究成果】利用晶格應變優化銅基催化劑：揭示CO2還原反應機制的關鍵

撰稿  /  許芷辰 (科學推展中心特約編輯)

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近年來各界相繼投入發展永續新科技，還原二氧化碳除了有效趨緩全球暖化的肆虐，更能讓還原後的產物充分利用到能源產業上。國立陽明交通大學洪崧富助理教授研究團隊近期揭露了銅基催化劑能增強電化學 CO₂還原率的背後原理，為綠色產業提供研究電催化劑的設計策略！

二氧化碳還原反應與銅基催化劑

疫情回溫，越來越多人選擇購買機票一賭異國風采，那你有注意過購票網站上顯示的「航班預估碳排放量」嗎？日常食衣住行中，現代人過度仰賴石化工業產品、燃燒化石燃料作為能源推進，以上種種釋放的二氧化碳(CO₂)作為溫室氣體將引發一系列氣候變遷事件，於是乎各界單位無一不在尋找、開發永續新科技。利用電化學原理將二氧化碳還原成其他能在能源產業中帶有經濟價值的產物，除了能減少碳排放所造成的全球影響，還能替能源製造帶來更為環保的原料或製程。

目前已知摻雜其他元素的銅(Cu)基催化劑不僅顯示出增強CO₂還原反應的活性，而且還可以調節CO₂還原反應的產物選擇性(selectivity)。然而，這種Cu 基催化物的結構與反應性的關係(structure–reactivity relationship)卻仍然是個謎團，因為Cu 基催化劑在反應條件下經歷了重構(reconstruction)，導致優化設計應用於CO₂還原反應的催化劑性能潛能受限。

晶格應變(lattice strain)

晶格應變(lattice strain)是指晶格之間產生相對位移，而立基於此的應變工程(Strain engineering)是一種利用調控晶體內部原子間的力以優化電催化反應效能。國立陽明交通大學應用化學系洪崧富助理教授研究團隊即利用應變工程加以製造有著不同表面物理化學特徵的Cu 基催化劑，如圖2，依序是不同莫耳百分比(percentage molar ratio)的摻雜Sn之CuO催化劑(Sn-CuO)，對應的晶格壓縮比為0 %、-0.4 %、-3.7 %和-4.4 %。

結構與反應性的關係

研究團隊利用一系列臨場和非臨場測量以研究實際的結構-反應性之關係，例如：臨場X光吸收光譜(operando X-ray adsorption spectroscopy)、銅FT-EXAFS光譜、臨場拉曼光譜分析(operando Raman spectra analysis)。經過合成的壓縮應變Sn-CuO在CO₂還原過程中會進行動態重組，形成拉伸應變的Sn/Cu合金，該合金具有活性能夠催化CO₂還原反應。

經過各式分析，研究團隊推測，動態重組後的Sn/Cu合金催化劑中，作為 CO₂還原反應的活性位點為Cu原子而非Sn原子。Sn原子在Sn/Cu合金催化劑中扮演調節的角色，其可以精確調節相鄰Cu活性位點的局部幾何/電子結構，從而大大提高CO活性和選擇性(CO為CO₂還原反應之產物)。

這項研究的獨到之處在於，在反應過程中實時施加拉應力，成功地優化了銅催化劑的表面結構，從而大幅提升了CO₂轉化率和產物選擇性。提供了一種新的方法來設計和開發高效、選擇性和可持續的CO₂還原催化劑，同時也為理解金屬催化劑中活性位點的作用和機制提供了新的證據。這些結果對於解決CO₂排放問題和實現可持續發展具有重要意義。不僅開拓了CO₂轉化技術的新局面，也為開發更高效、更可持續的CO₂轉化催化劑提供了全新的策略和方法，為永續能源的實現奠定穩固基礎。