林萱、林國興、賴建銘、蔡麗端 / 工研院材化所
自工業革命以來，人為二氧化碳 (Carbon Dioxide; CO2)排放量顯著增加，全球變暖日益嚴重，造成許多環境問題。電化學二氧化碳還原反應 (Carbon Dioxide Reduction Reaction; CO2RR) 被視為解決此問題的關鍵技術之一，可以於減少二氧化碳排放量的同時，產生有價值化學品 (如一氧化碳、甲酸、乙醇、乙烯等)。然而，CO2RR亦面臨技術瓶頸，如其與析氫反應 (Hydrogen Evolution Reaction; HER) 之競爭關係以及CO2RR活性低和難以控制產物選擇性等問題。目前已經有許多研究致力於不同觸媒材料的研發以改善其選擇性及效能。本研究提出了一種有效的 CO2RR 陰極電極 Ag-0.7，透過掃描電子顯微鏡證明其具有穩定的觸媒結構。而在電催化CO2RR的效能上，Ag-0.7展現優異的電化學性能，在3.0V下達到100.0% 的法拉第效率及144.8 mA/cm2的 CO 電流密度。
前言
全球約有65% 的溫室氣體 (Global Greenhouse Gas; GHG) 是由化石燃料和工業製程所排放的CO2，而當今世界各國的能源系統皆重度依賴非可持續性燃料(如石油、煤炭和天然氣)來產生電力和熱力，並造成全球94% 的溫室氣體排放 (圖一)。2015年，362億噸人為產生的CO2被排放到大氣中，使得全球平均溫度增加約0.1°C，並進而造成對全球能源系統的損害，衍生的碳循環社會成本預估在 2015 年至 2050 年間將產生15,000億美元的經濟成本負擔。國際上對於全球暖化之議題高度重視，尤其大氣層中CO2 含量的上升被視為全球暖化的主要原因之一。在2015年由195個國家於「第二十一次締約國大會」(21st Conference of Parties; COP21) 進行了《巴黎協定》的簽署，主要目標是在本世紀將全球氣溫上升幅度控制在低於工業化前水平的2℃之內，並努力將氣溫上升幅度進一步限制在 1.5℃ 以內，以降低氣候變化的風險和影響。
圖一、溫室氣體含量比例及溫室氣體來源比例圖
除了氣候變遷及全球暖化的問題外，逐漸枯竭的化石燃料伴隨著地理環境分佈不均的問題，容易導致全球能源供應的地理限制和潛在的戰爭風險，因此新能源的開發及降低大氣中CO2的濃度已成為當務之急。目前降低CO2濃度的措施主要有CO2捕獲、CO2存儲以及CO2轉化。其中以CO2轉化最為關鍵，採取有效的減碳技術才有機會實現將全球暖化限制在2°C 之內。目前已經有許多團隊針對CO2再利用進行研究並制定了不同的解決方案。其中，利用可再生能源 (如太陽能、風力發電) 進行電化學還原二氧化碳反應(Carbon Dioxide Electrochemical Reduction Reaction; CO2RR) 可以達到減少CO2含量的目的，同時將溫室氣體轉換成有價化學品。可再生能源多具有發電高低峰間歇性的問題，透過CO2RR可以將餘電以化學品或燃料的形式儲存能量。從經濟和環境發展的角度來看，電化學CO2RR被視為一種有潛力的CO2再利用關鍵技術，因為它能夠將CO2轉換為能量密度更高的有機小分子，如：一氧化碳、甲酸、醇或更高分子量的碳氫化合物等。這種策略不僅可以減少大氣中CO2的積累，還可以生產燃料和有用的工業化學品，從而減緩能源及氣候危機。(圖二)
圖二、由再生能源結合電化學CO2RR轉換至化學燃料示意圖
然而，目前針對CO2RR技術仍舊有許多瓶頸需要克服，像是CO2RR與電解水產氫反應 (Hydrogen Evolution Reaction; HER) 的競爭關係，以及CO2RR活性低和產物選擇性上的控制。如圖三和表一所示，CO2RR反應涉及觸媒表面的吸附及多種電子轉移途徑，相較於HER反應更為複雜。
在CO2RR中起始反應為形成關鍵中間物質CO2-，由線性結構穩定的二氧化碳分子轉變成彎曲結構的二氧化碳陰離子自由基，其需要足以跨越能障進行電子結構的重新排列的活化能，所以在水溶液中需要-1.90 V (NHE) 的大電壓下才能促使催化反應開始進行。其中，CO2- 的形成為CO2RR的速率決定步驟 (Rate- Determining Step; RDS)，當中間體吸附在觸媒表面上激發了COOH中間吸附---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。