開創新局的永續化學：永續能源挑戰下的化學研究方向：以二維奈米材料為光觸媒還原二氧化碳 連香婷、林麗瓊* 國立臺灣大學凝態科學研究中心*chenlc@ntu.edu.tw n  溫室效應的好與壞 溫室效應是地球大氣層上的一種物理特性，指大氣層內的某些氣體吸收紅外線輻射，並保留紅外能量的氣體，即為溫室效應氣體 [註1]，因為有這些氣體，所以地球的表面溫度才可以保持人類可生存的溫度。然而，19世紀工業革命後，人類開始大量燃燒化石燃料作為動力，使大氣層內溫室氣體的濃度大量上升（特別是二氧化碳），以及使用大量人為合成的氟氯化合物 [註2]，排放過量的溫室氣體，加劇了「溫室效應」的作用，導致現今地表平均溫度大量上升（見圖一）[2]，使得全球氣溫暖化，更進一步造成全球氣候變遷。 圖一：自十八世紀開始全球的平均溫度變化（更新至2017/01/18）。(a)1年平均和12年平均全球地表溫度異常圖，(b)綠線為利用1年平均與12年平均推測溫度變化之預測趨勢。（見參考資料[1]） n  全球溫室效應之對策 為了因應全球氣候變遷，聯合國於1992年制定一個國際公約，其目標是「於一定時間內，將大氣中溫室氣體的濃度控制在一定範圍。這濃度範圍應當在足以使生態系統能夠自然地適應氣候變化、確保糧食生產免受威脅並使經濟發展能夠可持續地進行」。該公約自1995年起，並每年召開締約方會議（Conferences of the Parties, COP），大家所熟知的「京都議定書」就是在1997年COP3會議中所制定的第一個具約束力的國際環保條約，於2015年底（2015/11/30-2015/12/12）為期13天在巴黎氣候變遷會議（COP21），這次會議的目標是達成具有約束力的措施，解決氣候變化問題，遏制全球氣溫上升。 根據統計（見圖二）[2]，雖然臺灣的碳排放不在世界前茅，但是臺灣卻有兩座發電廠排放的二氧化碳進入了前十名，臺中和麥寮火力發電廠，這實在不是一件值得光彩的事。因此，如何為地球提供一個更好的未來，是我們現在急需努力的事情，除了降低碳排放量之外，如何將它轉換成更有經濟效應的燃料，是目前科學家努力的目標。 圖二：2007年世界各國的二氧化碳排放量，左下圖顯示臺中和麥寮火力發電廠排放二氧化碳分別在全世界排名第一和第六。（見參考資料[2]） n  太陽能燃料：利用人工光合作用（光觸媒）達成二氧化碳減量 降低現今大氣中二氧化碳的濃度是各國現在努力的目標，其中降低二氧化碳排放量是減碳的第一種方法，另外還有二氧化碳儲存及利用太陽能燃料轉換二氧化碳為碳氫化合物。太陽能燃料的概念取自大家熟知的光合作用，自然界中植物進行光合作用是利用空氣中的二氧化碳與水經由太陽光的照射，轉化成葡萄糖與氧氣。因此除了大量種樹降低二氧化碳的含量之外，科學家想仿照自然方式，製造人工樹葉（光觸媒）來轉換二氧化碳成為更具經濟效應的燃料。無論是從能源的角度，還是從環境的角度來看，研究光觸媒還原二氧化碳是一舉兩得的好方法。 一、   背景介紹 太陽能取之不盡用之不竭，是目前最豐富且可持續的自然能源，地球接受太陽輻射能量為1.73 × 1017焦耳每秒，簡單來說，接受30分鐘的太陽輻射照射量，即足夠全球一整年的能源總消耗量。以太陽能電池為例，即是將太陽能轉換成電能，而所謂的太陽能燃料，便是將太陽能轉換成化學能，而光觸媒在此過程即是扮演一個重要的角色。太陽能燃料可以是以氫能的形式（利用光分解水產生氧氣與氫氣）或是以還原二氧化碳所產生的碳氫化合物形式存在。表一列出各種分解水與二氧化碳所產生的產物與所需的電子數與電位。[3] 2H2O à O2 + 4e– +0.81 V 2H+ + 2e– à H2 -0.42 V CO2 + 2H+ + 2e– à HCOOH （甲酸） -0.61 V CO2 + 2H+ + 2e– […]