聯合國研究報告顯示，2023年全球溫室氣體排放量達571億噸二氧化碳當量（CO2e），較2022年增加1.3%，再創歷史新高。全球碳計畫調查結果則指出，2024年全球僅化石燃料的二氧化碳排放量，就比2023年成長0.8%達374億噸，全年碳排放量更不容樂觀。這些數據為全球氣候危機拉響警報，也促使科學家更積極尋求突破性的減碳解方。
國立陽明交通大學應用化學系助理教授洪崧富，與香港中文大學王瑩助理教授及紐西蘭奧克蘭大學王子運資深講師組成的跨國研究團隊，在二氧化碳電催化還原反應中，創新運用「三唑有機小分子」作為催化劑，成功將二氧化碳高效轉化爲甲烷，甲烷又可作為後續電催化之燃料。
這項領先全球的革命性技術，可謂完美實現碳循環的永續目標，也為全球減碳行動帶來新希望。相關研究成果以〈Electroreduction of CO2 to methane with triazole molecular catalysts〉為題，發表於頂尖期刊《Nature Energy》，引發學術界與產業界的高度關注。
化不可能為可能
專注研究均相催化劑、反應器設計及臨場觀測技術的洪教授，近年重心轉向零碳與負碳技術的應用探索。洪教授表示，零碳技術專注於降低對化石燃料的依賴，目前主流是以氫氣取代傳統燃料，可降低二氧化碳的排放，但對於降低現有二氧化碳在大氣中的濃度以快速減緩溫室效應及氣候變遷，卻顯得緩不濟急。相較之下，將二氧化碳轉化為可供利用的小分子（如甲烷、乙醇等）的負碳技術，可直接消耗二氧化碳而改善環境危害，是當前產、學界重點探討領域。
二氧化碳催化還原，主要分成熱催化、光催化和電催化三大主流技術，只是熱催化耗能且產物相對低階，光催化產率產量又偏低，洪教授團隊因此聚焦鑽研轉化率高、產物多樣化的電催化技術。當前電催化多採用銅、銀等金屬催化劑，其成本價格相對高昂，原本不受青睞的有機小分子催化劑，此時卻意外吸引住研究團隊的目光。
研究團隊從文獻中發現，含氮小分子對二氧化碳還原反應具有一定催化活性（即促進反應的能力），經理論推導後確認含三個氮原子的三唑小分子，其催化性能表現優異。特別是三唑分子旁接的胺基為含氮之鹼性功能基，能高效地吸附弱酸性的二氧化碳，不僅扮演啟動整個轉化反應的關鍵角色，進一步提升了催化效率。團隊在通入水汽（提供氫元子）後，最終成功將二氧化碳還原生成了甲烷。
洪教授解釋，甲烷作為二氧化碳還原的高階產物，較一氧化碳等初階產物更難生成，同時甲烷為天然氣主要成分，因此這項全球首次以三唑有機小分子實現高效二氧化碳電催化還原反應，並將二氧化碳回收再利用生成甲烷的人工技術，具有取代化石燃料的里程碑意義。洪教授自豪地說：「這算是第一個具有工業化潛力的研究，是將『不可能化為可能』。」
實現永續碳循環
除了催化劑本身的突破，研究團隊在電催化反應器設計上也取得重要進展。傳統電催化反應是在電解槽中進行，槽中加入電解液和催化劑後，再插入電極，但二氧化碳在水溶液中的溶解度僅5%，嚴重限制催化活性。為此，團隊採用了膜電極組與流動反應池兩種新型反應器進行改良。
研究過程是在膜電極組一側直接通入二氧化碳氣體，另一側加入電解液，一方面解決了二氧化碳溶解度過低的問題，再者也讓催化活性提升100至1,000倍。本次研究成果顯示，三唑有機小分子催化劑能在膜電極組中，以10安培電流穩定運行長達10小時，甲烷產率達到每小時23.0毫莫耳 (mmol)，轉化率（法拉第效率）為52 ± 4%，已相當接近60%的工業化量產標準。此外，透過調控通入水汽和二氧化碳比例，更可直接生成可供民生使用的煤氣，實現從二氧化碳到燃料的永續碳循環。
值得一提的是，研究團隊所採用的膜電極組面積，已從一般實驗室中常見的1平方公分擴增至80平方公分。未來若串接10片膜電極組形成電堆模組，總產量更可望提高9至10倍，顯示本項技術確實已具備工業化應用的潛力。
這項研究能獲得成功，很大程度得益於跨國團隊的緊密合作。洪教授、王瑩與王子運曾在加拿大多倫多大學共事，本次研究是由洪教授與王瑩負責催化劑、反應器規劃設計、催化反應臨場觀察，王子運則專注於理論計算和解析反應機制。
「除了展現小分子的活性之外，反應機制的探討也很重要。團隊運用了臨場觀測和同位素分析，成功紀錄了二氧化碳與催化劑接觸互動的關鍵數據，再將數據交由紐西蘭的研究者計算，這才完善解析了整個催化反應機制。這種連結實驗端跟理論端的研究過程，其實比想像中更耗時間。」洪教授補充。
加速消滅碳足跡
隨著2050年淨零排放的時程日益迫近，碳稅與碳足跡等議題日益受到各界重視，尤其是製程常排放大量二氧化碳的化工業面臨高額碳稅壓力，即使被譽為「護國神山」的半導體業，大量用電也讓碳足跡居高不下。NYCU主導開發的這項新興負碳技術，對於解決碳足跡問題將有莫大助益。
洪教授指出，新技術所生成的甲烷、乙醇或乙酸等化工原料，企業可直接利用或販售獲利，而二氧化碳轉化爲甲烷所形成的碳循環，又能降低碳足跡並減少碳稅支出。然而，現階段新負碳技術要正式邁入工業化應用，洪教授認為仍有許多挑戰必須克服，包括如何處理不同產業排放氣體中的各種雜質，避免影響反應裝置和催化劑效能，以及如何將反應器與現有工廠系統對接。
未來研究團隊將聚焦於提升轉化率與轉換量，目標將催化活性提高至現有水平的千倍以上，吸引更多產業關注並加速技術落地。同時，團隊將持續優化反應器設計，解決原料與產物的流動平衡等問題，避免裝置設計問題影響催化劑活性。研究團隊未來亦計劃探索有機分子與金屬催化劑的混搭設計，實現更高轉化率與產物多樣性。
「我們的終極願景，是將二氧化碳排放量拉回工業革命前的水平，因此在全球碳排量無法有效壓低的情況下，更必須加速負碳技術開發進程。這是在淨零排放和產業轉型的路上，科學家們可以和必須提供的協助。」洪教授強調。
顯然，一場「點石成金」的減碳大革命，正在蓄勢待發！