讓陽光變成減碳好幫手！林麗瓊院士談奈米光觸媒與淨零碳排的挑戰

科學可以為減碳做什麼？

臺灣的夏天愈來愈熱了，而各種劇烈的極端天氣也愈來愈頻繁地出現在全球各地，如熱浪、颱風、超級寒流等。大自然一再用這種方式告訴我們，氣候變遷正在發生，影響著我們的環境、生活與未來。

「作為一名科學家，我能為地球做些什麼？」中研院數理科學組院士林麗瓊在踏入材料研究十多年後，開始思考這個問題。林麗瓊主要專注於奈米材料的研究，也就是在原子尺度上，對材料「做各式各樣的把戲，玩出許多特殊的結構與性質，例如在奈米管上做堆疊，或是做出像掛著禮物的聖誕樹一樣的特殊結構」，她解釋。

在對於奈米材料有了一定的認識與概念後，她開始轉變思維。「我應該先想，我要解決什麼問題，然後反推出應該創造什麼樣的結構，產生什麼特性。」於是林麗瓊開始往能源相關的應用發展，著重研究「人工光合作用」，目標是透過材料的設計，把氣候變遷和造成暖化的罪魁禍首——二氧化碳，轉化成生活中可以利用的資源，例如燃料，或是肥料中所需的碳材。

在 2023 年中研院知識饗宴科普講座中，林麗瓊以「淨零碳排的挑戰與契機：人工光合作用之我見」作為題目（註1），分享了她對氣候變遷與暖化議題的關注，也解釋了什麼是人工光合作用，以及研究人工光合作用所面臨的各種挑戰。

繁榮的代價

臺灣的溫室氣體約有九成都是二氧化碳。而身為一名臺灣人，你知道臺灣的溫室氣體主要來自哪裡嗎？答案是「製造部門」，也就是製造業與營造業的燃料燃燒之排放，加上工業製程和產品使用的非燃料燃燒之排放。根據環境部「氣候公民對話平臺」2023 年的最新數據（統計至 2021 年，註2），「製造部門」排放最多溫室氣體，共排放 15,716 萬公噸的二氧化碳當量（CO₂e）（註3），占該年總排放量 52.92%。

此外，臺灣政府有針對「排碳大戶」特別追蹤排放量，每年排放量達 2.5 萬公噸二氧化碳當量的事業體，應依「溫室氣體排放量盤查登錄及查驗管理辦法」規定，上傳數據至「事業溫室氣體排放量資訊平台」。

排碳大戶中，如果單看與上述「製造部門」相關的事業體，2021 年的前五名依序是：中國鋼鐵、台塑石化麥寮一廠、中龍鋼鐵、台塑石化麥寮三廠、台塑石化麥寮二廠，五家合計排放量（註4）達 5,843 萬公噸二氧化碳當量。在 2021 年登錄的 289 家廠商中，這五個事業體就佔了 21 %。林麗瓊說，鋼鐵與石化產業在過去為臺灣帶來了重要的經濟繁榮與發展，然而我們也付出了很多代價。

另一個追求繁榮而生的排碳巨獸，是台中火力發電廠。在全世界的發電廠中，台中的火力發電廠排碳量是世界第一，台塑的麥寮發電廠則排名世界第六。對於這樣的「世界第一」，林麗瓊略微苦笑地說：「有沒有機會在若干年後，臺灣能搶下一個第一名，是『減碳第一名』呢？」

不過，二氧化碳排放當然不全是工廠的責任，我們每一個人上網、滑手機、使用的每一分電力，都排放了一點點二氧化碳。林麗瓊說：「這不是說我們就不要用 3C 產品了，而是即使要用，也要想一想，可不可以讓這些行為更省電？」林麗瓊強調，即使是一般民眾，也可以在減碳上做出貢獻，「舉例來說，至少把你家的電燈泡改成 LED ，把空調和冰箱換成省電的，就從這些地方開始。」

減碳有價──1 公噸碳排值多少？

面對暖化危機，世界各國祭出許多減碳的手段。例如歐盟預計自 2026 年開始，對於排碳量高的進口產品，要徵收「碳邊境稅」。而 2014 年發起的「全球再生能源倡議」（RE100），也已經有三百多個全球的企業響應了。加入這個倡議的企業必須公開承諾，在 2050 年之前達到 100% 使用再生能源來生產產品，這些企業為了達到目標，會投資、購買再生能源，進而推動再生能源的茁壯發展。

臺灣也有十幾家企業加入了 RE100，包括台積電，林麗瓊說：「所以臺灣的風力發電幾乎已經全部被台積電買下來了。」

另一個減碳手段就是開啟碳交易市場。每家企業可以排放一定的碳量，如果排得太多，就要付錢給政府（形式有碳稅或碳費），或者和其他企業購買排碳的額度。透過這種方式，讓企業對自己的排碳付出成本。

在亞洲國家中，中國、南韓已經有碳交易的機制了，日本、新加坡開始徵收碳稅。臺灣的碳費也已經在立法院三讀通過了，具體費率還會持續調整。目前碳費收費辦法規定為：

如果公司為「高碳洩漏風險事業」（註5），例如鋼鐵業、水泥業等，免徵額 K 值為 0，為了鼓勵業者減碳轉型，碳洩漏風險係數依時間先後定為 0.2、0.4、0.6 實施。如果公司為「非高碳洩漏風險事業」，可享免徵額 K 值為 2.5 萬公噸二氧化碳當量，碳洩漏風險係數定為 1，這也就是說：只要你不是排碳大戶，就不會收你碳費。

至於最重要的碳費費率，也就是每公噸 CO₂e 徵收多少費用？環境部仍在討論中，除了一般費率之外，也會依情況給予優惠費率。根據 2024 年第六次碳費費率審議會，一般碳費費率為新臺幣 300 元，之後分階段調升，預計 2030 年後接軌國際碳費水準，訂在每公噸 CO₂e 碳費為 1,200 至 1,800 元。

臺灣能夠淨零轉型嗎？

臺灣國家發展委員會於 2022 年發布「臺灣 2050 淨零排放路徑及策略總說明」，其中包括了許多值得努力的細項。舉例來說，未來不再興建燃煤電廠，而是轉成燃氣電廠。天然氣的主要成分是甲烷，燃燒甲烷產生的每度電，排放的二氧化碳量大約只有燃煤的一半。「當然它還是會排碳，所以燃氣廠不是我們的終極目標，而是中期目標。」林麗瓊說。

至於已存在的燃煤電廠，也有可以努力的地方。原煤的種類很多，從無煙煤、煙煤到褐煤，產生的碳排放量也不同。電廠買了煤回來之後，還要做去雜質、溶出汙染物等處理過程。「從原料到處理過程，都有很多減碳的空間，我們可以選擇付多一點錢，買好一點的原煤。」林麗瓊說：「我想大家要有這樣的認知，沒有便宜又不會製造危害的東西。」

再生能源的發展也是一大重點。林麗瓊提到，臺灣相當適合發展離岸風力發電，因為臺灣海峽有風道的引導作用，夾在中央山脈與武夷山脈中間，風力特別強勁，到 2023 年底，臺灣累計已經安裝了 283 座風力發電機。相較之下，近年也發展快速的太陽光電，就沒有那麼適合臺灣。林麗瓊解釋：「因為臺灣容易下雨，以總照射量來說，我們連世界的中段班都排不上。」不過「我們製造光電板來賣給別人的能力，是非常厲害的。」

那麼，2050 年真的可以做到淨零排放嗎？林麗瓊覺得，這是個遠大又困難的目標，「但是我不會因為不樂觀、達不到，我就放棄。如果我們什麼目標都不定，就什麼也不會做了。」她接著說：「但是我們定了目標，即使 2050 年達不到，說不定 2060 年就達到了，或是 2080 就達到了。所以我是抱持著即使很難但是還是要努力去做的心態。」

把二氧化碳當作資源

「人工光合作用」是以人為的方式將討厭的二氧化碳，轉換成好用的碳氫燃料，這當然是再好不過了。但其實在自然界，植物的光合作用效率並不高，只有 1 % 而已，因為它們只需要產生足夠自身使用的葡萄糖就可以了。

然而，如果人工光合作用的轉換效率沒有到 10% 以上，無法創造足夠的產業價值。現在人工光合作用最大的挑戰，「就是我們還很難很穩定成熟地讓效率達到 1% 以上。」林麗瓊說。

人工光合作用是怎麼進行的呢？林麗瓊選擇走材料科學路徑，第一步就是要製造出一種光觸媒材料，它吸收光之後，可以產生電子電洞對，然後這些電子電洞對會遷移到材料表面，再跟外界的二氧化碳和水產生反應，生成有用途的產物，例如碳氫化合物。

「在這個過程中，每個步驟都是千山萬水。」林麗瓊形容研究的困難度。「電子電洞對要順利到達材料表面，才能很快樂地進行反應。而且，二氧化碳要靠近光觸媒材料，才會產生反應，但是二氧化碳在天空中飛來飛去它快樂得很，幹嘛跑到你的材料表面去？光是吸引二氧化碳吸附這一關，就已經是難關了。後面怎麼讓電荷能夠順利的傳輸，陷阱也很多。」

我們就從二硫化鉬（MoS₂）這樣的二維材料當作範例，看看人工光合作用是如何進行的吧！這類金屬二硫化物是一種三層結構，兩層的硫中間夾著一層鉬。林麗瓊說：「如果你把結構做得漂亮又緻密的話，二氧化碳不會理你的。」

她強調，一定要想辦法在材料上製造一些「缺陷」或改變，例如用氫電漿打掉一些原子；或是把某些原子調換成第三種元素；或者把二硫化鉬堆疊在另一種材料做的基板上，利用二硫化鉬與基板晶格寬度不同，造成材料被微微拉伸或壓縮的效果。這些動作會改變材料的能帶寬度與位置，找到有合適能帶的材料，就可以增加二氧化碳的吸附效果，也提高光觸媒的效率。

從下圖為例，可以看出這些做法真的有用！把材料打出缺陷，或是放在石墨烯基板上，最後都生產出了更多的碳氫化合物，尤其是乙醛。理論計算也推算出，當材料上有三到五個相鄰的空缺時，可以將原本二氧化碳 C-O-C 呈現 180 度的直線排列「掰彎」，拉進空缺裡和其他的原子手牽手，達到化學吸附的效果。

揭露反應過程

二氧化碳和水碰到光觸媒材料後，到底做了哪些反應呢？要先能理解反應發生的路徑，才有可能回推出應該怎麼設計觸媒，可以獲得想要的產物。

這也是林麗瓊目前實驗室一項重要的工作，利用觀測來找出反應過程的中間產物，把這些產物串聯起來，提出可能的反應模型，也就是二氧化碳和水走過了什麼路徑。其中一個重要的觀測工具，就是有「臺灣神燈」之名的「臺灣光子源」（Taiwan Photon Source, TPS）。

臺灣光子源設施由國家同步輻射研究中心營運，它提供的同步輻射Ｘ光目前是全世界最亮的，所以觀測時間可以縮短，而且觀測解析度更高，可以捕捉細微的電荷交換動態。

不過林麗瓊也說，每一種技術都有侷限性，「就像盲人摸象的故事，我們使用的每一種技術都只有摸牠的一部分，一定要把很多技術湊起來，才有辦法把大象的全貌弄清楚。」

未竟之路，等待有志之人加入

正如前面提到的，人工光合作用的過程步驟繁多，所以要把轉化效率拉高，是一項極為困難的挑戰。在林麗瓊十幾年的努力下，目前的效率約在 0.8%。

在演講的過程中，林麗瓊談及自己面對研究的心境轉變。她說：「從早期，研究是一個職場工作，當時的我好好鍛練我的職業技能，到現在，這十年來，我每天去工作時伴隨著一種內在的召喚，這是一種志業。這個研究讓我覺得生活很有力氣、很愉快。」她也多次勉勵年輕的學生或研究人員，希望能引導大家思考，是否在十幾二十年後，「你也是做一個『志業』，而不是一個『職業』？」

光觸媒材料的領域還有許多挑戰，而「這是挑戰也是契機，我們可以做研究的方向非常豐富也非常多元，不管是要解決光吸收的問題、要製造一個更有效能的結構，甚至你只是專注於怎樣去理解光合作用，都非常的重要。」林麗瓊最後以一句話結尾：「Be a scientist, save the world. 我想這是我們最後的一個目標。」