<p>人類活動導致的碳排放中，工業排放是大宗來源。於火力發電廠或工廠之排放源頭捕捉二氧化碳，無疑是最直接的減碳手段。如此獲取的二氧化碳也能再行利用，將危害環境的工業污染物，轉化為甲酸、甲醇、甲烷或乙醇等價值較高的產物。</p>
<p>&nbsp;</p>
<h2><span style="font-size: 20px;"><strong>把二氧化碳抓起來，「加工」成有價值的產物</strong></span></h2>
<p>國立臺灣大學的 NTU ZERO 團隊，便集結化學工程學系及化學系的研發力量，由各有所長的五位教授主導，致力於「薄膜碳捕捉」及「電化學碳轉化」之目標。目前已經完成初步成果，正在尋求與廠商合作的機會，驗證實戰成效。</p>
<p>&nbsp;</p>
<p>薄膜碳捕捉的意思是，從含有二氧化碳的混合氣體中，以特製的薄膜分離出二氧化碳。電化學碳轉化的意思則是，以電力為能量來源，將二氧化碳轉化為可以再利用之化工原料。</p>
<p>&nbsp;</p>
<p>NTU ZERO 的五位教授中，臺大化學系的陳浩銘教授團隊著重於電化學碳轉化，打造出的測試機台每天能處理 50 公斤的二氧化碳，轉化為甲酸或合成氣。臺大化工系的余柏毅教授團隊專精於工業製程計算，評估碳捕捉各種方法之效益優劣。其餘三位臺大化工系的教授都利用「金屬有機骨架」（Metal-Organic Framework, MOF），以不同方式達到碳捕捉的共通目標。</p>
<p>&nbsp;</p>
<p>簡稱 MOF 的金屬有機骨架，近年成為分離二氧化碳的高潛力材料。吳嘉文教授團隊的工作是開發合適的新 MOF，利用其內部的空腔吸附二氧化碳。郭修伯教授團隊的方向是將 MOF 製成管狀的吸附劑，用吸附的方式去除二氧化碳。康敦彥教授團隊則將 MOF 製成薄膜的型態，直接分離混合氣體中的二氧化碳。</p>
<p>&nbsp;</p>
<div class="py-6">
<div class="jsx-3968805167 flex justify-center -mx-2">
<div class="jsx-3968805167 px-2">
<div class="jsx-3968805167 relative overflow-hidden"><img decoding="async" class="jsx-3968805167" src="https://www.charmingscitech.nat.gov.tw/backend/wp-content/uploads/2025/03/14-1_670x460-1.jpg" /></p>
<div class="jsx-3968805167 absolute w-full left-0 bottom-0 p-4 text-white text-[13px]" style="background: rgba(0, 0, 0, 0.66); display: block; line-height: normal;">NTU ZERO 團隊是由國立臺灣大學化工系康敦彥、郭修伯、吳嘉文、余柏毅 及化學系陳浩銘 5 位教授共同組成的研發團隊。左 2 起為陳浩銘教授、余柏毅副教授、康敦彥教授及吳嘉文教授。（國科會新聞資料）</div>
</div>
</div>
</div>
<p>&nbsp;</p>
<h2><span style="font-size: 20px;"><strong>先抓緊二氧化碳，再耗能釋放</strong></span></h2>
<p>人為捕捉二氧化碳行之有年，MOF 是較新的技術。至今普遍使用的「化學吸收法」，利用鹼性、胺類、醇胺類、離子液體等水溶液作為吸收劑，和二氧化碳結合以進行捕捉。當吸收劑作用至飽和後，再經由加熱釋放二氧化碳。</p>
<p>&nbsp;</p>
<p>化學吸收法的缺點是較為耗費能量，過程中會排放額外的二氧化碳。依照余柏毅教授的估算，化學吸收法平均捕捉 1 公斤的二氧化碳，也會間接排放 0.4 公斤，補碳效益為 60%。相比之下，採用 MOF 之薄膜碳捕捉技術，有機會將間接排放降低為 0.1 公斤，使補碳效益上升為 90%。</p>
<p>&nbsp;</p>
<p>MOF 的優勢從何而來？MOF 衍生的方法有兩大方向：吸附或薄膜分離法。康敦彥教授解釋，用吸附的方式去除氣體中的二氧化碳，可以類比為用濾芯過濾水。水通過濾芯後，水中雜質被過濾掉，流出乾淨的水；而濾芯持續吸附雜質到一個程度，便要更換新的濾芯。相較之下，若採用薄膜法來分離捕捉二氧化碳，則可以在穩態（steady state）下連續操作，整體捕捉過程都無須加熱再生。</p>
<p>&nbsp;</p>
<p>事實上不只 MOF，活性碳、沸石，以及高分子聚合物材料，都能用於捕捉二氧化碳。這些材質都具有微小孔洞，孔洞內部的表面對二氧化碳有親和性。而且因為它們的內部表面積很大，所以只要有限的材料，即可吸附大量的二氧化碳。</p>
<p>&nbsp;</p>
<p>康敦彥教授舉例，看似微不足道的 1 公克 MOF，其實內部表面積可達一個足球場那麼大！也就是說理想狀況下，讓氣體通過 1 公克的 MOF，相當於有一個足球場的吸附面積。</p>
<p>&nbsp;</p>
<h2><span style="font-size: 20px;"><strong>二氧化碳不結合，直接穿透薄膜</strong></span></h2>
<p>MOF 一大優點是由人工合成，方便調整成分與結構，控制效果。它們是由金屬離子和有機連接體（organic linker）組成，可以形成一維、二維，或三維的人造產物，又能再與高分子聚合物等材料結合。</p>
<p>&nbsp;</p>
<p>不同設計之 MOF，能滿足不一樣的目的。康敦彥教授努力的方向是，讓二氧化碳直接穿透 MOF 製成的薄膜，藉以分離出二氧化碳，而非由 MOF 吸附二氧化碳。好處顯而易見：不用再加熱釋放吸附的二氧化碳，可以省下不少能量，也減少間接排碳。另外也有容易操作、減少裝置體積之優點。</p>
<p>&nbsp;</p>
<p>然而，薄膜仍有一些阻礙普及的缺點，有待克服。像是依然高昂的造價，以及有待提升的效能。目前薄膜的效能，尚未優秀到足以取代其他方法。問題是：分離二氧化碳時，怎樣才算是好的薄膜？</p>
<p>&nbsp;</p>
<p>薄膜被用於分離氣體與液體時，有兩點互斥的性質：滲透性（permeability）和選擇性（selectivity）。薄膜滲透性的意思是，欲分離成分的穿透力，滲透性愈高，通過薄膜愈快。薄膜選擇性指的是，欲分離成分通過薄膜的專一性，選擇性愈佳，分離效果愈好。</p>
<p>&nbsp;</p>
<p>例如工廠產生的煙道氣（flue gas），主要成分為氮氣和二氧化碳，也是康敦彥教授主要的實驗測試對象。用薄膜分離煙道氣中的二氧化碳，一方面要考慮二氧化碳穿透膜的速度不能太慢，另一方面還要顧及，在二氧化碳穿透的同時，不能也讓太高比例的氮氣分子通過。滲透性與選擇性兩者皆達到標準的 MOF 薄膜，才值回成本，有應用價值。</p>
<p>&nbsp;</p>
<div class="py-6">
<div class="jsx-3968805167 flex justify-center -mx-2">
<div class="jsx-3968805167 px-2">
<div class="jsx-3968805167 relative overflow-hidden"><img decoding="async" class="jsx-3968805167" src="https://www.charmingscitech.nat.gov.tw/backend/wp-content/uploads/2025/03/14-2_885x460.jpg" /></p>
<div class="jsx-3968805167 absolute w-full left-0 bottom-0 p-4 text-white text-[13px]" style="background: rgba(0, 0, 0, 0.66); display: block; line-height: normal;">用各種方法，捕捉到工廠排放的碳，可以儲存起來，也能再行利用，轉化為價值較高的產物。</div>
</div>
</div>
</div>
<p>&nbsp;</p>
<h2><span style="font-size: 20px;"><strong>打造理想的 MOF 薄膜</strong></span></h2>
<p>另一類常用的實驗對象，是分離天然氣中的甲烷和二氧化碳。處理天然氣和煙道氣面臨的共通問題是，MOF 薄膜作用時，部分結構會發生改變，影響分離效能。例如某種 MOF 一旦與甲烷互動，結構就會開始扭曲。</p>
<p>&nbsp;</p>
<p>康敦彥教授研究得知，如果不只使用單一種有機連接體製作 MOF，而是按照特定比例混合不同的有機連接體（mixed-linker），便有望順利穩定結構，提升滲透性和選擇性。</p>
<p>&nbsp;</p>
<p>另一個想法是，調整 MOF 的局部結構。康敦彥教授的另一項研究得知，在 MOF 上製作與二氧化碳分子一樣大的超微孔（ultramicropore），控制一次只允許一個分子通過，能提高二氧化碳相對於氮氣或甲烷的選擇性。</p>
<p>&nbsp;</p>
<p>為了釐清 MOF 的作用狀況，核磁共振光譜、元素分析、掃描式電子顯微鏡，以及 X 光繞射都是可行的觀測手段。除了真正進行實驗測試之外，還可以用電腦模擬輔助，目的皆為更深入認識材料性質，找出更好的材料。</p>
<p>&nbsp;</p>
<p>在實驗室測試成功的 MOF，在工業應用上也能令人滿意嗎？康敦彥教授表示，這要等到合作廠商實際操作才知道。在臺大實驗室的環境下，自行合成 MOF 薄膜不成問題，但是受限於空間與設備規模，無法做到太大。商用的薄膜勢必需要規模放大，這將會面臨更複雜的使用條件。NTU ZERO 團隊完成的初步成果深具潛力，下一步需要與廠商合作進行實場驗證，才能真正發揮價值。</p>
<p>&nbsp;</p>
<p>（客座總編輯｜東海大學化工與材料工程系 張嘉修講座教授兼副校長；研究顧問團隊｜臺灣大學化工系康敦彥教授團隊；責任編輯｜曹盛威、趙筱文）</p>
</div>
</div>
