模擬植物光合作用 中山大學將二氧化碳變燃料
【記者吉雄世／高雄報導】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1: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。
圖2:中山光電系副教授李炫錫研究團隊的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）。
圖3:中山光電系副教授李炫錫，手持研發出的新型奈米光觸媒材料樣本。
圖4:中山光電系副教授李炫錫指導研究生操作實驗機器。
