<世紀的催化劑> & <人造光合作用>

<世紀的催化劑>

20 世紀是一個人口爆炸,人造物質氾濫的時代,而造成這樣結果的人造肥料以及塑膠,其背後的製程都有賴催化劑的支持。本講次介紹催化劑在人造肥料以及塑膠製程中扮演的關鍵角色。

講師:牟中原|中央研究院院士、臺灣大學化學系名譽教授

催化劑是一種可加速化學反應速率,又不會被反應本身轉化或消耗的物質。根據化學家估算,全世界有 40% 的 GDP ,以及 90% 的化學工業,都有使用催化劑製成產品;此外,催化劑對於製造新材料,發現替代能源,進行汙染控制等等工作,也都有其助益。

比方說以氮氣跟氫氣製氨的哈伯法,這個反應在自然條件下速率趨近於零,高溫可提高反應速率,但是產量會有耗損;高壓可減低耗損率,但是需要耗能。德國化學家哈伯 (Fritz Haber) 經過數千次的試驗,終於找到攝氏 450 度, 200 大氣壓,以及鐵這項關鍵的高效催化劑,可以讓這個反應達到最佳的成本效益。如今我們身體中幾乎一半的氮,都是來自哈伯法所製的氮肥,有學者認為哈伯法製氨對於現代世界而言,比起飛機、核能、電腦等等發明,具有更重要的根本意義;如果沒有哈伯法,世界人口根本不可能在 20 世紀成長 50 億。

塑膠是人類另一項重大的發明。人們打撈 1912 年沉沒的鐵達尼號殘骸,沒有發現任何一件塑膠製品,然而時至今日,人們想要過上一天沒有塑膠的日子都極其困難。塑膠是由聚乙烯以及聚苯乙烯所構成,德國化學家齊格勒 (Karl Ziegler) 以及義大利化學家納塔 (Giulio Natta) 在 1950 年代,發現以含鈦鋁的分子作為催化劑,可催化乙烯聚合,他們也因此獲頒 1963 年的諾貝爾化學獎。

哈伯法以及齊格勒-納塔催化劑,是催化科學對於人類社會產生深遠影響的兩個範例,但它們在嘉惠人類社會的同時,也製造出不少副作用。哈伯法的製程不但耗能,且會排放出大量二氧化碳,對於全球暖化危害甚大;若能夠以光觸發反應機制減少耗能,找到可替代氫氣的製程原料,或是以天然酵素充當催化劑以降低反應溫度,就可以減少哈伯法對於全球暖化的負面衝擊。塑膠生產成本低廉,然而要分解它們的成本卻很高昂,如何讓近年來的生物可分解塑膠成為主流,也是改善塑膠垃圾問題的重要課題。

 

<人造光合作用>

人類大量使用石化燃料作為能量來源,卻在反應過程中產生許多溫室氣體,導致全球暖化。若能設法以取之不盡的太陽能,將水與二氧化碳轉換成氧氣以及可使用的燃料,形成一個循環的能源系統,便可實現「人造光合作用」。本講次細說這個人工碳循環的演變及展望。

講師:陳浩銘|臺灣大學化學系副教授

在自然界的碳循環中,舉凡燃燒,動植物的呼吸作用,真菌、細菌的分解作用,都會把二氧化碳排放到大氣中,然而能夠把二氧化碳反向從大氣中排除的,就只有光合作用一項。光合作用吸附的碳,會以植被的形式存在,但是人類活動又會把許多植被移除,以人造光合作用加以輔助的想法於焉而生。

光合作用的原理是把水與二氧化碳,轉化為氧氣與糖份,其過程可粗分為產生氧氣的光陽極反應,以及產生氫氣並合成糖類的光陰極反應。人造光合作用基本上是在仿效這個過程,由日本學者在 1972 年提出的本多-藤島效應 (Honda-Fujishima Effect) ,利用光觸媒以太陽能分解水,同時製造出氧氣與氫氣,就是人造光合作用的最初嘗試。然而以二氧化碳為原料所產生的電流有其限度,人造光合作用的發展遭遇了數十年的瓶頸,直到前幾年有研究提出可改用釩酸鉍作為光觸媒,顯著提高所產生的電流之後,人造光合作用的相關研究才又動了起來。

然而直接以太陽能分解水,在實作上有很多技術問題,導致人造光合作用效率不彰且難以維持。於是科學家想出了以太陽能生電再電解水,分成兩階段模仿光合作用效果的替代作法。太陽能電池傳統上使用的材料是矽,然而卻有電壓不足,材料劣化迅速等等問題;材料科學家設法在矽基電解液上面加上一些氧化層,才把太陽能電池的性能提升到足堪商業化的程度,如今已可輕易達到 20% 以上的太陽能轉化率。單純的水電解過程,更是能夠達到 90% 的能源轉化率。兩階段的作用結合起來,便可達成某種差強人意的人造光合作用。

人造光合作用的循環過程,最關鍵的是還原二氧化碳所生成的產物。選擇使用不同的金屬催化劑,就會產生不同的產物,科學家嘗試了各種金屬催化劑,大多是產生氫氣、甲酸、以及一氧化碳等等產物;好不容易找到可以產生碳氫化合物的銅,但是其產物通常是混合物,欠缺穩定的選擇性。運用新穎的奈米科技以及生物混合材料,實現原子尺度的調控之後,以銅作為催化劑所生成的產物,就具有比較高度的選擇性。

人類活動在過往很長一段時間,都只是在進行半個碳循環,也就是把燃燒各種燃料以為己用,並且在過程中排放大量二氧化碳。如今透過使用再生能源的人造光合作用,我們正在嘗試把二氧化碳還原成燃料,完成這個具有永續性的碳循環。

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