模擬植物光合作用 中山大學將二氧化碳變燃料

波新聞─李至文／高雄
如果人類能像植物一樣，利用陽光把二氧化碳轉換成能源，全球暖化將迎來新的解方。國立中山大學光電工程學系副教授李炫錫研究團隊，成功模擬植物光合作用原理，研發出新型奈米光觸媒材料，能利用太陽光將二氧化碳轉換為甲烷（CH4）等燃料，達到減少溫室氣體與產生新能源的雙重功效。創新研究成果獲登國際頂尖期刊「應用催化B：環境與能源」（Applied Catalysis B: Environment and Energy）。
在自然界中，植物每天都在進行光合作用；透過吸收陽光，將二氧化碳與水轉換成養分，並釋放氧氣，就像天然的「太陽能工廠」。如今，科學家正嘗試將這種能力帶進科技世界。李炫錫表示，全球暖化與氣候變遷問題日益嚴峻，科學界一直希望發展「人工光合作用」技術，利用太陽光把二氧化碳重新轉化為能源。但現有光觸媒技術仍面臨許多瓶頸，如可吸收的光線範圍有限、電子容易迅速消失，導致反應效率不高，也難以穩定產生特定燃料。
為突破限制，中山大學研究團隊設計了一種由二氧化錫（SnO2）與硫化錫（SnS）組成的一維（1D）奈米複合結構；讓硫化錫奈米棒垂直生長在二氧化錫奈米柱表面，形成一種外觀尖銳的奈米異質結構，不僅增加材料表面積，也讓光線能從不同角度被捕捉，大幅提升光能利用效率。研究團隊指出，由於太陽在天空的位置會隨時間改變，因此光觸媒在實際應用上常會受到光照角度影響。此次研發的奈米異質結構，則首次展現可在雙面光照下高效率運作的光觸媒系統，即使光線從不同方向照射，也能有效啟動反應。
其關鍵在於「能隙工程」的設計。二氧化錫屬於寬能隙半導體，而硫化錫則是窄能隙半導體，兩者結合後可形成「交錯型異質結」。當光線照射材料時，產生的電子與電洞會分開流向不同方向，使電子能夠與二氧化碳發生反應，進而轉換成甲烷等燃料。這種電荷分離機制，大幅提升了反應效率。此外，硫化錫還能將光吸收範圍從原本的紫外線，擴展到可見光，甚至部分近紅外線區域，意味著材料可利用更多太陽能光譜，提高能源轉換效率。
在模擬太陽光的實驗結果顯示，這種新型複合光觸媒的二氧化碳轉化效率比單一材料提升數倍。研究團隊也透過調整硫化錫奈米棒比例，成功控制反應路徑，使其對特定燃料具有高度選擇性。該材料即使在連續反應數小時後，結構依然保持穩定，催化活性沒有明顯衰減，顯示出良好的長期穩定性與未來應用潛力。相較於許多光觸媒需要使用貴金屬材料，李炫錫研究團隊選用的錫基材料成本低、環境友善，卻能展現優異的光觸媒性能，不僅更符合永續發展理念，也為二氧化碳回收利用與再生能源技術開闢新的可能。
圖／國立中山大學光電工程學系副教授李炫錫研究團隊，成功模擬植物光合作用原理，研發出新型奈米光觸媒材料，能利用太陽光將二氧化碳轉換為甲烷（CH4）等燃料，達到減少溫室氣體與產生新能源的雙重功效。