研究背景

隨著社會工業化程度的提升，人類對於能源的需求量也與日俱增。然而當今所使用的燃料仍以化石燃料為主。化石燃料除了在燃燒過程會伴隨大量的碳排放與汙染之外，其不可再生性更成為人類未來能源供給的隱憂。為了發展永續且乾淨的能源，科學家提出使用氫氣(H₂)作為燃料的能源策略。H₂具有極高的能量密度(120 MJ kg^-1, 33.3 kWh kg^-1)，除此之外，H₂還具有燃燒產物為水，乾淨無害與能量轉換效率高等優點，因此被認為是未來最具潛力的能源形式之一。目前工業界產氫的方式仍以蒸汽甲烷重組(steam methane reforming)為主，然而此製程使用化石燃料作為原料，且副產物產生大量溫室氣體CO₂，違背了潔淨能源的初衷，因此勢必開發更乾淨永續的方式產氫。

電化學分解水(electrochemical water splitting)被認為是未來最具潛力的產氫方式，主要有以下原因：

(1)電化學分解水的最終目標為電解海水，海水取之不盡，用之不竭。

(2)電解水全反應由陰陽兩個半反應所組成，陽極(anode)進行氧化反應，產生氧氣(O₂)；陰極(cathode)進行還原反應，產生H₂。透過 捕捉電解水系統中陰極所產生的氣體，可輕易取得高純度的H₂，直接做為燃料使用，省去後續氣體分離與純化等成本。

(3)其陽極副產物為O₂，對環境不會造成汙染，且有經濟價值。

綜合上述電解水的優點，若能透過可再生能源來驅動電解水產氫，即可達到零汙染的產氫系統。電解水產氫系統最主要的成本來自於電能，因此降低催化電解水反應所需要的過電壓為開發電解水觸媒最主要的課題之一。而電解水反應中，陽極的產氧反應(oxygen evolution reaction, OER)具有較大的動力學阻礙，往往限制了陰極的產氫反應(hydrogen evolution reaction, HER)。因此除了電解水產氫電觸媒外，產氧電觸媒也是研究的一大重點。

近年研究

本實驗室致力於開發高效能、高穩定且低廉的電催化水分解觸媒。目前實驗室的電解水觸媒材料研究方向可大致分為：

(1)單原子觸媒(single-atom catalyst, SAC)

(2)金屬有機框架(metal-organic framework, MOF)

(3)合金、金屬氧化物、硫化物、磷化物等等奈米材料

(4)高熵合金(high-entropy alloy, HEA)。

單原子觸媒(SAC)

觸媒進行催化反應時，往往是藉由反應物吸附至材料表面的原子後進行反應，故觸媒材料最表層原子的特性是最受關切的。在固體材料中，位於材料表面的原子相較於內部原子具有較高的表面自由能(surface free energy)，因此具有較高的催化活性。

科學家為了增加觸媒暴露的反應面積，致力於控制材料的尺寸，將尺寸縮小。位於材料表層的原子比例隨著固體材料尺寸縮小而上升。當材料尺寸縮小至奈米等級時，由於奈米粒子具有較高的表面原子比例，奈米粒子整體具有較高的表面自由能，同時也因具有較高的比表面積，故具有優越的催化效率。

當金屬活性中心的尺度縮小到極限，以單一原子的方式存在於觸媒/觸媒載體表面時，因單一原子表面自由能最大化，故具有極高的本質催化活性。此類型的觸媒被稱為SACs。目前實驗室正積極開發、設計單原子相關觸媒材料。

金屬有機框架(MOF)

MOF為一種透過金屬離子(ion)或是金屬團簇(cluster)作為結點，與有機配位基(organic ligand)配位作為骨架所形成連續、具有結晶性的金屬有機複合材料。

MOF因具有以下特點，使得MOF近年成為電解水觸媒領域受到極大的關注：

(1)分子等級的孔洞，進行催化反應時可以提供極大的比表面積。

(2)使用不同的有機配位基與金屬離子，可針對不同催化反應設計出不同結構、性質的MOF。

本實驗室合成出Fe, Co, Ni三元金屬中心的MOF。透過金屬成分比例的調控與平衡，成功在催化OER展現極高的活性與穩定性。

再透過修飾Au奈米晶體於MOF表面，使得MOF的活性金屬中心具有更強的氧化能力，成功改善其OER活性。並透過in-situ Raman和in-situ XAS分析技術，探討活性改善與催化OER的機制。

合金、金屬氧化物、碳化物、硫化物、磷化物等等奈米材料

非貴金屬的過渡金屬元素如Fe, Co, Ni, Cu, Mo因具有較高的電解水活性，因此常選用作為開發非貴重金屬電解水觸媒的金屬活性中心。此外，透過混合兩種以上的金屬，或是形成氧化物、碳化物等等來調控金屬活性中心的電荷環境，進而達到高效的催化效果。或是控制其奈米結構、缺陷生長，探討其催化機制。

本實驗室透過電鍍雙晶(twin)銅，研究顯示銅在具有較緻密的雙晶結構時，同時具有較佳OER與HER活性。透過in-situ Raman分析，觀察到銅雙晶在低過電位下形成具有OER活性的Cu^ⅢO²⁻，因此得以具有較高的催化活性。

本實驗將聚苯乙烯(polystyrene, PS)球體自組裝於泡沫鎳(nickel foam, NF)骨幹，再將NiFeMo合金電鍍於PS表面。最後將PS以化學蝕刻的方式移除，使NiFeMo合金形成空心的殼狀反結構。此結構大幅提升了觸媒的比表面積，展現了優秀的OER與HER雙功能催化效果。

高熵合金(HEA)

將五種以上的金屬混合，其中最主要的五種金屬均勻混合，且濃度介於5 at%至35 at%之間，而次要元素濃度則低於 5 at%，此類型的合金材料被稱為高熵合金。高熵合金混合了多種金屬成分。

近年來發現，高熵材料在金屬成分均勻分散的環境下，彼此之間產生強烈的交互作用與協同效應。高熵材料在機械性質或是化學特性上產生有別於以往以單一金屬為主體的合金系統的性質。此外，其成分的高度可調整性使其物性與化性同時具有高度可調整性，因此近年來高熵材料在各個領域的應用皆備受矚目。本實驗室也正積極開發高熵材料，並應用於電解水觸媒。