徐健維 / 工研院材化所
研討會簡介
第18屆國際觸媒大會(International Congress on Catalysis; ICC)於2024年7月14日至7月19日在法國里昂舉辦，為四年舉行一次的全球觸媒學術研討會議。本屆共有2,256位來自各地學術界及產業界專業人士與會(圖一)，報導並分享最新科學研發新知與產業發展動態，主題更多聚焦在能源與永續議題。本屆大會中頒發2位IACS傑出研究獎，並邀請5位Plenary Lectures以及25位Kkeynote Addresses，同時還有510位口頭報告，以及包含3個時段共1500個研究海報展示。詳細議程與資訊可見網址
https://www.icc-lyon2024.fr/
研討會記要
1. 光催化產氫及場域驗證
2024年Heinz Heinemann Awards of IACS獎項頒給日本東京大學的Kazunari Domen(堂免一成)教授，表彰其在光觸媒上的開發以及光催化產氫的貢獻。目前光觸媒的開發重點在將觸媒吸收的波長與太陽光光譜重疊度提高，以充分利用太陽光中不同波長的能量，因此在觸媒設計上會添加不同金屬成分來增加吸光波長。例如SrTiO3:Al觸媒的AQY(Apparent Quantum Yield)在400 nm可接近100%，參雜Sn、Nb、Ta、Sb等不同元素，可將吸收光譜延伸超過500 nm，然而AQY卻遽降至3%以下，因此提高吸收波長且維持AQY是目前觸媒設計上所需要突破的難題。由於長波長的轉化產氫效率差，使得整體光催化產氫STH(Solar to Hydrogen)效率無法達致5%或以上(商業化目標5~10%)，因此目前商業應用上仍是受到限制。其次挑戰的點在於觸媒的壽命，長時間維持穩定的轉化效率也是在未來商業化需要克服的問題。
堂免一成教授團隊在此次大會中報告，在2019年利用自行開發的觸媒系統，建立100 m2規模的光催化產氫pilot場域並測試1年(圖二)，發現產氫效率會隨著季節以及日照時間改變，接近中午時的轉化效率可達最高3.7 L/min (H2+1/2O2)，後續下午時分開始降低。近期堂免一成教授團隊的研究則是開始將光催化產生的氫氣直接轉變成甲烷或氨氣，並串聯兩套反應設備，將光解產生的氣體透過隔膜分離得到的氫氣與CO2反應，直接合成綠色甲烷，並已建立小型示範的展示(Prototype)。
圖二、光催化產氫pilot場域驗證 (Nature, 2021, 598, 304)
3. 塑膠裂解技術
會議中很多相關研究報導直接將塑膠透過催化裂解成小分子油品，其中美國UC Santa Barbara大學的Susannah Scott教授團隊，使用 Pt/g-Al2O3觸媒來裂解聚乙烯塑膠(圖四)。實驗中發現到當改變觸媒的酸鹼度時，會影響聚乙烯裂解(Hydrocracking)的效率，當觸媒酸度提升(Pt/g-Al2O3→ Pt/F-Al2O3或 Pt/Cl-Al2O3)可有效增加裂解效率，使產物組成中液態與氣態成分增加。然而當觸媒酸度增加的同時，會導致環化反應增加，使得產物顏色變深，因此該團隊嘗試調整氫化壓力來氫化苯環副產物，降低產物顏色。但是隨著氫氣壓力達到一定數值(>6 bar)後，聚乙烯裂解的速率隨之下降。因此整體聚乙烯裂解，在觸媒酸鹼、反應壓力、裂解速率與產物顏色等方面會互相影響，需要評估其最佳化條件。此外有與會者提問是否有嘗試其他觸媒系統的裂解表現，該團隊表示確實不同金屬的表現不同，有嘗試使用Ru但效果沒有Pt好，另外使用Ni金屬，發現會產生大量的甲烷(氣態組分大幅提升)。
4. CO/CO2轉化烷烯烴技術
本次會議中的一大主題包含CO/CO2轉化利用，合成甲醇或是烷烯烴等產物，其中美國Texas A&M University的Manish Shetty教授團隊開發一步法透過CO2轉甲醇，再進一步耦合反應成C2~C4之烷烯烴。該團隊透過物理混合兩種觸媒，其中一種為In2O3觸媒將CO2轉化成甲醇，另一種HZSM-5觸媒則是將甲醇轉化為C2~C4之烷烯烴，其中研究發現這兩種觸媒填充的位置不同，會大幅影響產物的組成與比例(圖五)。
另外浙江大學的蕭豐收教授報告該團隊在CO轉烷烯烴反應轉化效率提升的發現。在許多化學反應例如RWGS水煤氣反應、酯化脫水反應等之中，大量的水生成後會使反應平衡逆轉回去(勒沙特列原理)，使得產率下降，因此……
圖五、一步法CO2轉化C2-C4烷烯烴(ACS Sustainable Chem. Eng. 2024, 12, 5197)
6. 侷限效應之異相觸媒設計
2020年的Heinz Heinemann Awards of IACS獎項頒給西班牙Institute of Chemical Technology的Avelino Corma教授，由於上屆ICC大會受到COVID-19影響取消，因此本屆大會再度邀請Avelino Corma教授來講述他的研究工作。Avelino Corma教授從事沸石(Zeolite)相關研究，在石油裂解與異構化方面享有國際知名聲望，這次分享的主題在於Avelino Corma教授團隊如何利用侷限效應(Confinement Effect)來控制異相觸媒(圖八)，進一步達到立體選擇性(Enantioselectivity)與位置選擇性(Chemoselectivity)，來解決異相觸媒反應選擇性差的問題。所利用的侷限效應指的是 ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。