陳浩銘/台灣大學化學系
前言
人類社會的文明與科技隨著時代的發展與演進可以說是日新月異，從古老的石器時代，到後來的青銅器、鐵器時代，甚至是現今的資訊時代，人類的生活在歷史發展的過程中經歷了大大小小的無數轉變，而眾多的轉變裡又屬第一次工業革命對人類的影響最為深遠。讓我們將時間拉回到十八世紀的末期，一位英國的工程師詹姆士・瓦特 ( James von Breda Watt) 改良了傳統的蒸汽機，結果引發了十九世紀的工業革命，原先只能仰賴畜力、人力、風力和水力的動力來源逐漸被燃料驅動的蒸汽機給取代，並開始了化石燃料的大量發掘與使用，雖然巨幅的改善了人類的生活品質與經濟發展，便利的生活背後同時也造成嚴重環境問題的隱憂。
從一開始，使用煤炭作為燃料，一根根吞吐黑煙的煙囪工廠聳立於世界各個角落，不僅造成了地球環境的污染，同時也產生了大量的二氧化碳排放。接著，二十世紀石油的發現，又更進一步的助長石化重工產業的推演，二氧化碳汙染的危害也更加躍升了一個層級，大氣中的二氧化碳濃度急遽上升，造成了嚴重的溫室效應(Greenhouse Effect)。由於存在於大氣中的溫室氣體會使得太陽於地表反射的熱輻射被溫室氣體給吸收、阻擋，而被保留下來的熱量將會使地表溫度逐漸增加。常見的溫室氣體包含了二氧化碳 (Carbon Dioxide) 、一氧化二氮、甲烷、氟氯碳化物 (chlorofluorocarbon; CFCs) 或是臭氧等。從19世紀以後，地表的平均溫度隨著大氣中二氧化碳濃度的增加而逐漸上升，該要如何處理大量的二氧化碳已成了當務之急。
為了解決問題，必須從造成二氧化碳大量排放的根本原因來著手，從圖一可以看到從工業革命以來化石燃料被大量地使用，不僅使用量逐年上升，到現在煤炭、原油和天然氣作為能量來源已佔了高達八成甚至更高，在燃燒這些化石燃料的同時，很可觀的二氧化碳排放也不斷的被釋放到大氣中。
圖一、全球歷年能源消耗種類分布趨勢圖
使用化石燃料所衍生的問題，除了造成大量二氧化碳排放而產生環境的破壞外，地球有限的化石燃料存量也不足以支持永續發展的目標，從表一可以看到，根據預估的數值來看，石油和天然氣將會在2066年和2068年被使用完畢，煤炭也會在22世紀的初期便消耗殆盡。為了能夠同時降低二氧化碳排放又兼顧新的環保能源開發，相關的技術發展也已被認為是21世紀最迫切的議題，並被全球各界所關注著。
表一、全球化石燃料剩餘量統計數據表
電催化二氧化碳還原反應 (Electrochemical CO2 Reduction Reaction)
電催化的二氧化碳還原反應可說是現今眾多的二氧化碳轉換技術中最具有發展潛力的技術，可以在溫和的條件下以電子作為還原劑有效的將二氧化碳還原成可做為能源來使用的碳氫產物。其具備以下優點：在常溫常壓條件下便可進行電催化反應；可簡單的透過改變還原電位、反應溫度或是所選用電解質環境等，便能控制還原的產物；最後由於電化學技術已發展成熟，故要放大至工業化規模的可行性也相對較高。
早在1985年時Hori教授的團隊，就嘗試將一系列的過渡金屬拿來做為電催化二氧化碳還原反應的催化劑，被視為此領域的先驅研究團隊。如表二所示，根據法拉第效率 (Faradaic Efficiency; FE) 比例分布的不同來看，可以將這些金屬催化劑分為如下四大類。
1. 第一類金屬有鎘 (Cadmium; Cd)、錫 (Tin; Sn)、鉛 (Lead; Pb) 、銦 (Indium; In) ： 主要產物為甲酸 (Formate; HCOO-)，次要產物為氫氣 (Hydrogen; H2) 和少量的一氧化碳 (Carbon monoxide; CO)。
2. 第二類金屬有鋅 (Zinc; Zn) 、銀 (Silver; Ag) 、金 (Gold; Au)：以一氧化碳為主要產物，伴隨著氫氣與少量甲酸。
3. 第三類金屬為鎳 (Nickel; Ni) 、鐵 (Iron; Fe)：產物以氫氣為主以及微量的甲酸、一氧化碳和甲烷等二氧化碳還原產物。
4. 最後第四類金屬為這些過渡金屬中最特別的銅 (Copper; Cu)：主要產物為---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。