採訪 / 何郁庭 (科學推展中心執行編輯) ‧ 撰稿 / 朱舢樺 (科學推展中心特約編輯)
國科會自然處推動的「卓越領航研究計畫」，旨在強化自然科學與永續領域中具潛力團隊的研究實力，透過資源挹注，協助其發展關鍵技術，進而培育具國際競爭力的卓越團隊。國立東華大學化學系劉鎮維教授主持的卓越領航計畫「含氫之雙金屬簇應用於永續能源之光（電）催化劑」已邁入第三年，曾於2017、2019年分別獲得侯金堆傑出榮譽獎與國科會傑出研究獎的他，致力於金屬氫化物及超原子合金之研究，開發高效穩定的催化材料，為永續能源應用開啟新篇章。
從配位化學出發，走進奈米化學世界
憶起踏入奈米化學領域的契機，劉鎮維提到博士班時期的研究歷程。他當時所專注的領域是無機化學中的配位化學，研究核心材料為雙硫螯合型配位基。這類配位基在產業界常被用於潤滑油的添加劑，扮演抗氧化的角色，因為引擎運轉時會釋出銅離子，而雙硫基團能有效與銅離子形成穩定的金屬簇(數個金屬原子組成的微小原子團)，進而抑制銅離子的氧化反應，這段經驗成為了他開始研究銅氫簇的起點。近十年來，劉鎮維的研究團隊逐步將這條路徑延伸至當代熱門的「超原子(Superatom)」研究領域。
「超原子」是指由多個原子組成的團簇，分子尺寸已進入奈米尺度。縱使包含多個原子，整體的電子結構與化學反應特性類似單一原子，並具備結構穩定性。超原子理論起源於1970年代末期至1980年代。科學家在氣相鹼金屬簇的質譜圖中發現有規則性的訊號，為了解釋這些訊號，超原子理論因而被提出。在2000年初，有研究者透過X光單晶繞射成功解析出超原子金屬簇的精確結構，超原子也成為了熱門研究領域。
在研究的路上，技術資源取得的困難是劉鎮維印象最為深刻的挑戰，而他坦言度過難關的最大原因，來自許多貴人一次次的相助。例如，研究團隊2009年其中一項的重要研究成果，是在銅金屬團簇中引入氫負離子來增強團簇的穩定性與功能性，由於氫原子僅有一個電子，難以透過X光單晶繞射直接觀察，在劉鎮維博士班指導老師的牽線下，才認識法國專精於理論計算的科學家Saillard教授並與之合作。此外，當金屬團簇引入愈來愈多的氫負離子後，需要使用中子繞射來解析結構，所以他們向美國橡樹嶺國家實驗室提出需求，最終獲得資源，完整解析出32個銅與20個氫組成的銅氫簇(Cu₃₂H₂₀)結構。
還有一項重要挑戰也讓研究團隊印象深刻。當劉鎮維團隊成功將金屬簇愈做愈大，分子量超過6,000時，發現台灣的現有的質譜儀解析度不足以清楚觀測到團簇的特徵峰。透過一次學術演講的機緣，他與一位物理化學領域的日本學者建立合作關係，利用電灑游離質譜法完成精密測定。而2024年0403花蓮大地震導致實驗室受損停擺時，更是因為曾經合作所建立的緣故，讓劉鎮維有機會將博士生送到日本進行為期三個月的研究，並將樣品帶到日本的實驗室測量。
銅氫簇：從儲氫材料到減碳技術
金屬氫化物是一個很好的儲氫材料，劉鎮維將銅氫簇合成出來並鑑定結構之後，發現其確實具備產氫能力，但挑戰是無法源源不絕的產氫。除了儲氫材料之外，銅氫簇也可以做為二氧化碳還原的催化劑。如同前面劉鎮維的分享，他與美國及韓國的研究團隊合作，成功合成的Cu₃₂H₂₀銅氫簇，能將二氧化碳經由電催化的方式還原成甲酸—一種重要的化工原料，對減碳具有重要意義。此研究成果發表於頂尖期刊《Journal of the American Chemical Society》(JACS)，累積引用數達三百餘次。乘著這次的經驗，韓國的合作團隊在討論過程中提出一項新的點子：「能不能在銅金屬簇中引入白金？」如果能把鉑引入金屬簇中，那會是極佳的產氫催化劑。而這個問題，成為了日後卓越領航計畫的起點。
在為期三年的計劃期間內，團隊進行多次努力，最終成功將白金與鈀原子引入銅與銀的金屬簇中，合成出多氫鈀(鉑)銅(銀)合金，並在晶體結構解析中意外發現白金與鈀的周圍穩定地存在氫負離子，以中子繞射實驗證明氫負離子可穩定嵌入白金銀簇中，並成為整體「超原子」結構的一部分，此研究於2022年發表於國際期刊《JACS》。這些氫負離子雖非催化主體，卻對金屬簇整體的穩定性扮演關鍵角色。更令人驚喜的是，他們觀察到三維結構中存在一個空隙，能使質子進入並參與反應，提升產氫效率。當這個金屬簇送往韓國進行電催化產氫實驗時，果然顯示出極佳的產氫活性。這項成果於2023年發表於國際期刊《Angewandte Chemie》。
點燃綠氫契機，期待更多跨界接棒
劉鎮維表示，國科會卓越領航計畫提供的三個博士後名額與經費支持，對於團隊的研究推進帶來極大助益，他們所研發出來的材料，在水中通電後便可以產氫，如果搭配太陽能發電等綠色能源，便能製得現在最熱門的「綠氫」。他也表示：「很樂意把這個催化劑提供給業界，或是這方面的專家繼續做研究，希望透過這個機會，可以讓大家知道我們在東華有這個東西。」
合成新化合物，也要走出自己的路
劉鎮維指出，超原子金屬簇是當代無機化學中極具熱度的研究主題，此領域最初由美國與日本的研究團隊率先推進，近年來則多為中國學者投入研究；儘管相關的研究內容時常在熱門期刊上刊登，然而台灣投入此領域的化學家卻相對稀缺，因此他期許更多的台灣研究團隊投入超原子領域的研究。台灣有許多學者專注於金屬有機骨架(Metal Organic Frameworks, MOFs)相關的研究，金屬有機骨架是由金屬原子或金屬簇，經由有機分子連結構成的網狀材料，若將其中的金屬置換成超原子金屬簇，將是一個較少人研究的創新方向。「台灣真的可以走這條路」他這樣強調。
套用劉鎮維的博士班指導老師常說的一句話：「Chemists are supposed to make new compounds.」，他勉勵有志投入無機化學領域的後進，除了合成新化合物之外，要找到自己獨門的東西，並繼續向前推進，走出自己的路。
