張祖豪、童敬維 / 明志科技大學材料工程系；
王逸平 / 國立臺灣科技大學先進半導體科技研究所、工研院電光所；李旭峰 / 亞羅米克氫能股份有限公司
全球能源轉型的腳步正加快，如何建構一個兼具低碳、永續與高效率的能源體系，已成為跨學科的重要挑戰。在此脈絡下，氫能因具備高能量密度與零碳排放的優勢，被廣泛視為未來能源版圖中的關鍵角色。電解水製氫作為最具潛力的途徑之一，能直接與太陽能、風能等再生能源耦合，將電能轉換為可長期儲存與輸運的化學燃料，為「綠氫」發展奠定了基礎。然而，水分解反應涉及氫氣生成(HER)與氧氣生成(OER)兩個半反應，其中OER因多電子、多質子轉移而動力學遲緩，是整體反應效率的主要瓶頸。傳統的鉑、銥、釕等貴金屬雖能提升催化效率，但其稀缺性與高成本限制了大規模應用；因此研究者們開始探索過渡金屬氧化物、氫氧化物與其他新穎催化材料，期望在降低成本的同時兼顧催化活性與耐久性。然而，奈米尺度催化劑雖能提供高比表面積，但晶面不均與結構重建常使活性難以精準控制；原子級催化劑雖可最大化金屬利用率，卻在長時間操作下仍存在穩定性挑戰。在這樣的背景下，有機金屬分子催化劑因其結構均一與配體設計的優勢，展現出在原子水平精確調控活性中心的潛力，並能模擬天然酶的催化模式，為研究結構與性能之間的關係提供了理想平台。隨著同步輻射光譜等先進技術的推進，研究者們得以深入追蹤分子催化劑在反應過程中的電子結構演化，進一步展示其催化本質。本文將以此為核心，探討有機金屬分子催化劑於水分解製氫中的最新發展趨勢與挑戰。
【內文精選】
催化劑的演進：奈米級、分子級、原子級尺度
1. 奈米尺度催化劑
在奈米尺度催化設計中，2015年臺灣大學團隊以臨場同步X光繞射光譜追蹤Co3O4@CoO奈米電催化劑在電解水的動態結構轉變（圖二）。該催化劑展現了可逆表面調節與結構穩定間的良好平衡，Co3O4@CoO本身具有清晰的晶格排列，而約0.9 nm厚的CoO薄層覆蓋在外表面（圖三）。這層CoO在氧氣析出反應(OER)中會轉化為具有催化活性的β-CoOOH，反應停止後又回復為CoO，形成可動態調節的自適應表面層(Self-adapting Layer)。此相變過程可由具有臨場X光繞射光譜清楚追蹤。隨著電位的週期性提升與下降，繞射光譜中β-CoOOH與CoO的訊號也呈現規律轉換，代表這一表面結構調節是可逆且穩定重複的，而非一般奈米催化劑中常見的不可逆表面轉變。更重要的是，這一自適應表面層不僅保護了晶格，也實際表現在電催化的穩定性上---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖二、臨場同步X光量測技術應用於Co3O4@CoO單晶奈米立方體的水分解反應
圖三、Co3O4@CoO單晶奈米立方體之催化活性量測與機制探討
★本文節錄自《工業材料雜誌》470期，更多資料請見下方附檔。