廢水變燃料、污水變綠金　國輻中心研發新型「智能」催化劑

▲台灣在綠氨能源轉型的科研新銳。圖右起：國輻中心黃詩晴博士、林玉茹博士、彭俊國博士，以及台大游湘君博士生。這群充滿活力的科學新秀是本研究達成關鍵突破的重要推手。(圖／國輻中心提供)

【勁報記者羅蔚舟/竹科報導】
隨著全球積極推動綠色能源與環境永續，如何將廢水中的硝酸鹽有效轉化為高價值的氨（NH3），已成為科學界的重要研究課題。由國科會轄下的國家同步輻射研究中心（國輻中心），攜手澳洲科廷大學（Curtin University）所組成的跨國研究團隊，成功開發出一種新型催化劑「反鈣鈦礦結構之三元銅鈷氮（CuNCo3）」，大幅提升硝酸鹽轉換成綠氨的效率與穩定性，為廢水治理與綠色氨能源轉型帶來重大突破，研究成果於2月12日發表國際頂尖期刊《先進材料》（Advanced Materials）。

▲國科會轄下的國家同步輻射研究中心。(圖／國輻中心提供)

硝酸鹽還原反應是一個多步驟、複雜的電化學過程，不僅反應速度慢，還容易受到副反應干擾。此外，傳統催化劑在反應過程中常出現結構不穩或副產物累積的致命傷，導致氨的產率與選擇性難以提升。

研究團隊打破傳統研究方式，首度設計出「三元銅鈷氮」的反鈣鈦礦結構之催化劑。此材料利用銅與鈷之間的特殊電子交互作用，當硝酸鹽分子靠近時，催化劑表面的鈷原子會立刻智能切換「自旋狀態」，藉此產生高度活性的鈷位點。這些位點能改變硝酸鹽的吸附方式，使反應更容易進行，進而降低能量門檻並加快生成氨的速度。

國輻中心林彥谷博士表示，為了深入理解反應機制，研究團隊首度運用了「台灣光子源（Taiwan Photon Source）｣與興建在日本｢SPring-8同步加速器光源｣台灣光束線的｢先進原位臨場監測技術（Operando）」，包括原位X射線吸收光譜（XAS）、X射線發射光譜（XES）及紅外顯微光譜（ATR-FTIR），即時追蹤催化反應進行過程中，活性位點的電子結構、局部鍵結變化與反應中間體演化，成功證實了｢鈷原子智能切換自旋性｣在催化過程中的核心作用。

研究結果證實，這款新型催化劑展現了近乎完美的效能。首先是卓越的能源利用效率，在低電壓、低能耗的條件環境下，它對氨的生產效率達到100%；其次是它能以極快的運作速度，將高濃度的硝酸鹽持續穩定地輸出大量的氨；最後是耐久性，即使經過長時間的連續運轉測試，依然保持高穩定性。

這項研究不僅為硝酸鹽轉化綠氨技術提供了一種高效、穩定的催化劑架構，更開創了透過調控金屬自旋態，來優化電催化反應的新思路。未來可望為解決工業廢水中的硝酸鹽污染問題提供環保解決方案，並推動綠色氨能的能源轉型，為電催化領域注入了嶄新的動能。