讓陽光變成減碳好幫手！中研院林麗瓊談奈米光觸媒與淨零排放的挑戰

林麗瓊院士在 2023 年中研院知識饗宴科普講座中分享她近年對於人工光合作用和氣候變遷的知識探索。圖｜研之有物

淨零科技的材料科學路徑

氣候變遷問題日益嚴重，根據歐盟哥白尼氣候變遷服務機構的最新數據，從 2023 年 6 月到 2024 年 5 月，幾乎每個月都創下了該月份的歷史最高溫紀錄，這 12 個月的全球平均地表氣溫，已經比工業化前的全球均溫高出 1.63℃，超過 2015 年《巴黎協定》規範的 1.5℃ 上限。造成溫度上升的主要原因是人為活動排放的溫室氣體「二氧化碳」，目前世界各國都正在擬定各種策略與倡議來面對這項挑戰，科學界也不落人後，想方設法要減碳、抓住碳，甚至是……把二氧化碳轉化成有用的物質！面對氣候變遷，中央研究院院士林麗瓊以自己的志業為起點，從奈米材料結構著手，研究人工光合作用，為減碳貢獻一份心力。

科學可以為減碳做什麼？

臺灣的夏天愈來愈熱了，而各種劇烈的極端天氣也愈來愈頻繁地出現在全球各地，如熱浪、颱風、超級寒流等。大自然一再用這種方式告訴我們，氣候變遷正在發生，影響著我們的環境、生活與未來。

「作為一名科學家，我能為地球做些什麼？」中研院數理科學組院士林麗瓊在踏入材料研究十多年後，開始思考這個問題。林麗瓊主要專注於奈米材料的研究，也就是在原子尺度上，對材料「做各式各樣的把戲，玩出許多特殊的結構與性質，例如在奈米管上做堆疊，或是做出像掛著禮物的聖誕樹一樣的特殊結構」，她解釋。

在對於奈米材料有了一定的認識與概念後，她開始轉變思維。「我應該先想，我要解決什麼問題，然後反推出應該創造什麼樣的結構，產生什麼特性。」於是林麗瓊開始往能源相關的應用發展，著重研究「人工光合作用」，目標是透過材料的設計，把氣候變遷和造成暖化的罪魁禍首——二氧化碳，轉化成生活中可以利用的資源，例如燃料，或是肥料中所需的碳材。

在 2023 年中研院知識饗宴科普講座中，林麗瓊以「淨零碳排的挑戰與契機：人工光合作用之我見」作為題目（註1），分享了她對氣候變遷與暖化議題的關注，也解釋了什麼是人工光合作用，以及研究人工光合作用所面臨的各種挑戰。

目前全球平均地表氣溫的趨勢已經不太樂觀，屢屢創下歷史高溫紀錄。圖｜研之有物（資料來源｜Copernicus Climate Change Service）

繁榮的代價

臺灣的溫室氣體約有九成都是二氧化碳。而身為一名臺灣人，你知道臺灣的溫室氣體主要來自哪裡嗎？答案是「製造部門」，也就是製造業與營造業的燃料燃燒之排放，加上工業製程和產品使用的非燃料燃燒之排放。根據環境部「氣候公民對話平臺」2023 年的最新數據（統計至 2021 年，註2），「製造部門」排放最多溫室氣體，共排放 15,716 萬公噸的二氧化碳當量（CO₂e）（註3），占該年總排放量 52.92%。

此外，臺灣政府有針對「排碳大戶」特別追蹤排放量，每年排放量達 2.5 萬公噸二氧化碳當量的事業體，應依「溫室氣體排放量盤查登錄及查驗管理辦法」規定，上傳數據至「事業溫室氣體排放量資訊平台」。

排碳大戶中，如果單看與上述「製造部門」相關的事業體，2021 年的前五名依序是：中國鋼鐵、台塑石化麥寮一廠、中龍鋼鐵、台塑石化麥寮三廠、台塑石化麥寮二廠，五家合計排放量（註4）達 5,843 萬公噸二氧化碳當量。在 2021 年登錄的 289 家廠商中，這五個事業體就佔了 21 %。林麗瓊說，鋼鐵與石化產業在過去為臺灣帶來了重要的經濟繁榮與發展，然而我們也付出了很多代價。

根據環境部資料，2021 年的排碳大戶中，如果只看製造業，前五名依序是：中國鋼鐵、台塑石化麥寮一廠、中龍鋼鐵、台塑石化麥寮三廠、台塑石化麥寮二廠，這五家的合計排放量為 5,843 萬公噸的二氧化碳當量（CO₂e）。圖｜研之有物（資料來源｜環境部氣候變遷署）

另一個追求繁榮而生的排碳巨獸，是台中火力發電廠。在全世界的發電廠中，台中的火力發電廠排碳量是世界第一，台塑的麥寮發電廠則排名世界第六。對於這樣的「世界第一」，林麗瓊略微苦笑地說：「有沒有機會在若干年後，臺灣能搶下一個第一名，是『減碳第一名』呢？」

不過，二氧化碳排放當然不全是工廠的責任，我們每一個人上網、滑手機、使用的每一分電力，都排放了一點點二氧化碳。林麗瓊說：「這不是說我們就不要用 3C 產品了，而是即使要用，也要想一想，可不可以讓這些行為更省電？」林麗瓊強調，即使是一般民眾，也可以在減碳上做出貢獻，「舉例來說，至少把你家的電燈泡改成 LED ，把空調和冰箱換成省電的，就從這些地方開始。」

減碳有價──1 公噸碳排值多少？

面對暖化危機，世界各國祭出許多減碳的手段。例如歐盟預計自 2026 年開始，對於排碳量高的進口產品，要徵收「碳邊境稅」。而 2014 年發起的「全球再生能源倡議」（RE100），也已經有三百多個全球的企業響應了。加入這個倡議的企業必須公開承諾，在 2050 年之前達到 100% 使用再生能源來生產產品，這些企業為了達到目標，會投資、購買再生能源，進而推動再生能源的茁壯發展。

臺灣也有十幾家企業加入了 RE100，包括台積電，林麗瓊說：「所以臺灣的風力發電幾乎已經全部被台積電買下來了。」

另一個減碳手段就是開啟碳交易市場。每家企業可以排放一定的碳量，如果排得太多，就要付錢給政府（形式有碳稅或碳費），或者和其他企業購買排碳的額度。透過這種方式，讓企業對自己的排碳付出成本。

在亞洲國家中，中國、南韓已經有碳交易的機制了，日本、新加坡開始徵收碳稅。臺灣的碳費也已經在立法院三讀通過了，具體費率還會持續調整。目前碳費收費辦法規定為：

碳費＝（每年溫室氣體排放量－免徵額 K 值）× 碳費費率 × 碳洩漏風險係數

如果公司為「高碳洩漏風險事業」（註5），例如鋼鐵業、水泥業等，免徵額 K 值為 0，為了鼓勵業者減碳轉型，碳洩漏風險係數依時間先後定為 0.2、0.4、0.6 實施。如果公司為「非高碳洩漏風險事業」，可享免徵額 K 值為 2.5 萬公噸二氧化碳當量，碳洩漏風險係數定為 1，這也就是說：只要你不是排碳大戶，就不會收你碳費。

至於最重要的碳費費率，也就是每公噸 CO₂e 徵收多少費用？環境部仍在討論中，除了一般費率之外，也會依情況給予優惠費率。根據 2024 年第六次碳費費率審議會，一般碳費費率為新臺幣 300 元，之後分階段調升，預計 2030 年後接軌國際碳費水準，訂在每公噸 CO₂e 碳費為 1,200 至 1,800 元。

林麗瓊認為，假如只是出於政治家的理想或一般老百姓的熱忱，沒有具體的政策，很難達到減碳的效果。

臺灣能夠淨零轉型嗎？

臺灣國家發展委員會於 2022 年發布「臺灣 2050 淨零排放路徑及策略總說明」，其中包括了許多值得努力的細項。舉例來說，未來不再興建燃煤電廠，而是轉成燃氣電廠。天然氣的主要成分是甲烷，燃燒甲烷產生的每度電，排放的二氧化碳量大約只有燃煤的一半。「當然它還是會排碳，所以燃氣廠不是我們的終極目標，而是中期目標。」林麗瓊說。

至於已存在的燃煤電廠，也有可以努力的地方。原煤的種類很多，從無煙煤、煙煤到褐煤，產生的碳排放量也不同。電廠買了煤回來之後，還要做去雜質、溶出汙染物等處理過程。「從原料到處理過程，都有很多減碳的空間，我們可以選擇付多一點錢，買好一點的原煤。」林麗瓊說：「我想大家要有這樣的認知，沒有便宜又不會製造危害的東西。」

再生能源的發展也是一大重點。林麗瓊提到，臺灣相當適合發展離岸風力發電，因為臺灣海峽有風道的引導作用，夾在中央山脈與武夷山脈中間，風力特別強勁，到 2023 年底，臺灣累計已經安裝了 283 座風力發電機。相較之下，近年也發展快速的太陽光電，就沒有那麼適合臺灣。林麗瓊解釋：「因為臺灣容易下雨，以總照射量來說，我們連世界的中段班都排不上。」不過「我們製造光電板來賣給別人的能力，是非常厲害的。」

那麼，2050 年真的可以做到淨零排放嗎？林麗瓊覺得，這是個遠大又困難的目標，「但是我不會因為不樂觀、達不到，我就放棄。如果我們什麼目標都不定，就什麼也不會做了。」她接著說：「但是我們定了目標，即使 2050 年達不到，說不定 2060 年就達到了，或是 2080 就達到了。所以我是抱持著即使很難但是還是要努力去做的心態。」

把二氧化碳當作資源

「人工光合作用」是以人為的方式將討厭的二氧化碳，轉換成好用的碳氫燃料，這當然是再好不過了。但其實在自然界，植物的光合作用效率並不高，只有 1 % 而已，因為它們只需要產生足夠自身使用的葡萄糖就可以了。

然而，如果人工光合作用的轉換效率沒有到 10% 以上，無法創造足夠的產業價值。現在人工光合作用最大的挑戰，「就是我們還很難很穩定成熟地讓效率達到 1% 以上。」林麗瓊說。

人工光合作用是怎麼進行的呢？林麗瓊選擇走材料科學路徑，第一步就是要製造出一種光觸媒材料，它吸收光之後，可以產生電子電洞對，然後這些電子電洞對會遷移到材料表面，再跟外界的二氧化碳和水產生反應，生成有用途的產物，例如碳氫化合物。

光觸媒材料將二氧化碳還原成目標產物的示意圖。光觸媒材料是一種半導體，照光之後產生電子（e^–）和電洞（h⁺），之後電子和電洞各自擴散到材料表面，並和吸附在材料表面的二氧化碳產生還原反應。圖｜研之有物

「在這個過程中，每個步驟都是千山萬水。」林麗瓊形容研究的困難度。「電子電洞對要順利到達材料表面，才能很快樂地進行反應。而且，二氧化碳要靠近光觸媒材料，才會產生反應，但是二氧化碳在天空中飛來飛去它快樂得很，幹嘛跑到你的材料表面去？光是吸引二氧化碳吸附這一關，就已經是難關了。後面怎麼讓電荷能夠順利的傳輸，陷阱也很多。」

我們就從二硫化鉬（MoS₂）這樣的二維材料當作範例，看看人工光合作用是如何進行的吧！這類金屬二硫化物是一種三層結構，兩層的硫中間夾著一層鉬。林麗瓊說：「如果你把結構做得漂亮又緻密的話，二氧化碳不會理你的。」

她強調，一定要想辦法在材料上製造一些「缺陷」或改變，例如用氫電漿打掉一些原子；或是把某些原子調換成第三種元素；或者把二硫化鉬堆疊在另一種材料做的基板上，利用二硫化鉬與基板晶格寬度不同，造成材料被微微拉伸或壓縮的效果。這些動作會改變材料的能帶寬度與位置，找到有合適能帶的材料，就可以增加二氧化碳的吸附效果，也提高光觸媒的效率。

二硫化鉬（MoS₂）的缺陷工程示意圖，硫原子標示為黃色，鉬原子標示為藍色。二硫化鉬透過缺陷工程技術，例如用氫電漿打出空位、離子植入，或是用化學氣相沉積（CVD）控制薄膜的堆疊，都可以增加二氧化碳吸附的效果，並提高光觸媒的效率。圖｜研之有物

從下圖為例，可以看出這些做法真的有用！把材料打出缺陷，或是放在石墨烯基板上，最後都生產出了更多的碳氫化合物，尤其是乙醛。理論計算也推算出，當材料上有三到五個相鄰的空缺時，可以將原本二氧化碳 C-O-C 呈現 180 度的直線排列「掰彎」，拉進空缺裡和其他的原子手牽手，達到化學吸附的效果。

二硫化鉬（MoS₂）經過缺陷工程處理之後，可以提升人工光合作用的最終產物產量，圖中可以看到，乙醛產量大幅增加。圖｜研之有物（資料來源｜林麗瓊）

利用密度泛函理論（DFT），模擬二氧化碳（CO₂）在二硫化鉬（MoS₂）表面的吸附情況。結果發現，當 MoS₂ 具有五個以上相鄰的硫原子空缺時，原本呈直線形的 CO₂ 分子會被「掰彎」，吸附到光觸媒材料的空缺中。在有五個相鄰硫原子空缺的條件下，二氧化碳的吸附能量（E_a）最低最穩定，且平均電子轉移量高達 0.9 個電子，已經很接近理想情況——即成功轉移整個電子。圖｜研之有物（資料來源｜林麗瓊）

揭露反應過程

二氧化碳和水碰到光觸媒材料後，到底做了哪些反應呢？要先能理解反應發生的路徑，才有可能回推出應該怎麼設計觸媒，可以獲得想要的產物。

這也是林麗瓊目前實驗室一項重要的工作，利用觀測來找出反應過程的中間產物，把這些產物串聯起來，提出可能的反應模型，也就是二氧化碳和水走過了什麼路徑。其中一個重要的觀測工具，就是有「臺灣神燈」之名的「臺灣光子源」（Taiwan Photon Source, TPS）。

臺灣光子源設施由國家同步輻射研究中心營運，它提供的同步輻射Ｘ光目前是全世界最亮的，所以觀測時間可以縮短，而且觀測解析度更高，可以捕捉細微的電荷交換動態。

不過林麗瓊也說，每一種技術都有侷限性，「就像盲人摸象的故事，我們使用的每一種技術都只有摸牠的一部分，一定要把很多技術湊起來，才有辦法把大象的全貌弄清楚。」

國家同步輻射研究中心空拍圖。臺灣光子源設施由國家同步輻射研究中心營運，它提供的同步輻射Ｘ光目前為全世界最亮。圖｜國家同步輻射研究中心

未竟之路，等待有志之人加入

正如前面提到的，人工光合作用的過程步驟繁多，所以要把轉化效率拉高，是一項極為困難的挑戰。在林麗瓊十幾年的努力下，目前的效率約在 0.8%。

在演講的過程中，林麗瓊談及自己面對研究的心境轉變。她說：「從早期，研究是一個職場工作，當時的我好好鍛練我的職業技能，到現在，這十年來，我每天去工作時伴隨著一種內在的召喚，這是一種志業。這個研究讓我覺得生活很有力氣、很愉快。」她也多次勉勵年輕的學生或研究人員，希望能引導大家思考，是否在十幾二十年後，「你也是做一個『志業』，而不是一個『職業』？」

光觸媒材料的領域還有許多挑戰，而「這是挑戰也是契機，我們可以做研究的方向非常豐富也非常多元，不管是要解決光吸收的問題、要製造一個更有效能的結構，甚至你只是專注於怎樣去理解光合作用，都非常的重要。」林麗瓊最後以一句話結尾：「Be a scientist, save the world. 我想這是我們最後的一個目標。」

我不知道現在的年輕人有沒有想像過，在十年、二十年後，你也是做一個志業，而不是只是做一個職業？我希望年輕人也有這樣的想像。

科學對林麗瓊來說是志業，也是人生。她演講最後以一句話結尾：「Be a scientist, save the world.」圖｜研之有物

—
註1：淨零排放是指：在特定時間範圍內，人為溫室氣體的排放量減去移除量之後，淨排放量等於零。而淨零碳排則是針對二氧化碳達到淨零排放。參考來源：臺灣科技媒體中心。
註2：因為溫室氣體數據的收集和驗證需要時間，所以溫室氣體排放報告是用前兩年的數據呈現。例如美國國家環境保護局 2024 年的溫室氣體排放報告，最新數據是統計至 2022 年。參考來源：美國國家環境保護局。
註3：溫室氣體很多種，為了方便比較，會依照其暖化影響程度，將不同溫室氣體換算成「等效的」二氧化碳，也就是「二氧化碳當量」。參考來源：臺灣科技媒體中心。
註4：根據環境部「事業溫室氣體排放量資訊平台」，合計排放量為：化石燃料燃燒之直接排放量，加上使用電力之間接排放量。
註5：碳洩漏：當國家採用嚴格的碳排放限制政策，導致企業將生產線轉移至碳排放限制較少的國家或地區，反而讓另一個國家的溫室氣體排放量增加的情況。一般來說，能量密集產業的碳洩漏風險會比較高。而《臺灣碳費收費辦法草案》中，規定碳費徵收對象應先取得中央主管機關核定之自主減量計畫，才能申請是否屬「高碳洩漏風險事業」。參考來源：歐盟執行委員會。

---

※本文根據知識共享協議（CC BY-NC-ND 4.0）最初發表於「研之有物」，原標題為〈讓陽光變成減碳好幫手！林麗瓊院士談奈米光觸媒與淨零碳排的挑戰〉。