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研究內容

綠色氫能技術供應鏈共分為三大區塊 : 1.氫氣產生，2.氫氣儲存，3. 氫氣應用。 其中氫氣產生-水電解系統技術最為缺乏，目前市場幾乎沒有可用的大規模產品。接下來於儲氫領域中，可以與國內大型氣體供應商合作，但小規模或是非氣態儲 氫方式，仍需要研發單位來開發。下游的氫氣應用是產業鏈中最成熟領域，如燃料電池、混合燃燒發電等，已有商業產品。下游的另一方向為轉化CO2，是利用氫氣與CO2反應，轉化為化學品，藉此消耗大氣中的 CO2，但還需要更精進及大量的研發能量的投入，使生成的化合物具有更高附加價值或是提升產品純度。 由此可知需要一整個團隊完成整合上下技術供應鏈，才能有效推動氫能經濟，並且達成負碳排的社會目標。

現今鹼性水電解(AEMWE)產氫技術不成熟，且所使用的貴金屬催化劑及耗花電力成本高，因此需要更低成本、高效能、耐用性強的催化劑，使綠氫生產有望商業化。陳軍互教授團隊所獨創之 「 酸性氧化還原輔助沉積法 (Acid Redox-assisted Deposition, ARD)」，利用氧化還原反應，可於室溫室壓下，將多種過渡金屬沉積在任何形式的基板上，形成連續緻密的多元金屬氧化物薄膜催化劑。此催化劑的實驗結果展現出等同高成本貴金屬催化劑的電解水效果，有效促使催化劑成本下降到千分之一以下。最後成功使用捲送製程將催化劑試量產。

除此之外，催化劑優異的附著性，克服高電流運作下常有的瓶頸--催化劑容易從電極上剝離，目前團隊技術 已可達到5 A/cm2條件下穩定運作。

本團隊初步實驗證實緻密的複雜氧化物 (complex oxides) 催化劑可防止ClO- 離子腐蝕之特性，再加上完整覆蓋電極表面，也避免電極與 ClO- 反應。這個結果顯示未來台灣的龐大的海水能源，皆可有效使用作為發展綠氫的可行性與儲備技術。

文獻:

  1. T.-A. Zegeye; W.-T. Chen; C.-C. Hsu; J. A. A. Valinton; C.-H. Chen* Activation Energy Assessing Potential-Dependent Activities and Site Reconstruction for Oxygen Evolution. ACS Energy Lett. 2022, 7, 2236-2243.
  2. C.-H. Yeh; W.-Y. Hsu; C.-C. Hsu; J. A. A.Valinton; C.-I. Yang; C.-C. Chiu*; C.-H. Chen* Cobalt Iron Oxides Prepared by Acidic Redox-Assisted Precipitation: Characterization, Applications, and New Opportunities. ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, 13, 52181-52192.
  3. P.-C. Liao; R.-H. Jhang; Y.-H. Chiu; J.A.A. Valinton; C.-H. Yeh; Jr. V. D. Ebajo; C.-H. Wang; C.-H. Chen* Rock Salt Oxide Hollow Spheres Achieving Durable Performance in Bifunctional Oxygen Energy Cells. ACS Appl. Energy Mater. 2021, 4, 3448-3459.
  4. M.-C. Shih; R.-H. Jhang; Y.-T. Tsai; C.-W. Huang; Y.-J. Hung; M.-Y. Liao; J. Huang*; C.-H. Chen* Discontinuity-enhanced Thin Film Electrocatalytic Oxygen Evolution. Small 2019, 15, 1903363.
  5. R.-H. Jhang; C.-Y. Yang; M.-C. Shih; J.-Q. Ho; Y.-T. Tsai; C.-H. Chen* Redox-assisted Multicomponent Deposition of Ultrathin Amorphous Metal Oxides on Arbitrary Substrates: Highly Durable Cobalt Manganese Oxyhydroxide for Efficient Oxygen Evolution. J. Mater. Chem. A 2018, 6, 17915-17928.

專利:

  1. 在液相環境中沉積金屬氧化物薄膜的方法，中華民國發明專利， 公告號 I705936，公告日 2020年10月1日

成本為負碳技術商轉的主要致命傷，其次為高耗能、低CO2轉化率及低產物選擇性。若要解決成本的問題，就需要使用地球含量豐富的過渡金屬取代貴金屬(金、銀)催化劑。
陳浩銘教授團隊利用地球高蘊藏量的元素鐵，突破上述窘境。獨創的單原子鐵催化劑 (Fe3+)，此催化劑的高價態促使在低耗能的情況下，就能將 CO2 轉化為 CO，而且 90% 的高轉化率、選擇性已滿足商業需求。此技術榮登 Science (Science 2019, 364, 1091-1094.)，以及多家媒體報導。

為了更了解CO2 轉化成 CO 的關鍵因素，陳浩銘教授團隊也開發「 臨場 X 光吸收光譜 」技術，以監控催化劑在反應過程中，化學結構轉變對化學選擇性的影響 。除了深入探討二氧化碳還原反應的機制外，同時持續研發以推動二氧化碳還原技術的商轉。本技術開發了全球罕見的及時觀測裝置，目前也發表於Nature Communications。

(a) 臨場 X 光吸收光譜的實驗設置示意圖 (b) 臨場 X 光吸收光譜技術裝置。 ( Nat. Commun. 2020, 11, 3525.)

文獻:

  1. H. Sun; C.-W. Tung; Y. Qiu; W. Zhang; Q. Wang; Z. Li; J. Tang; H.-C. Chen; C. Wang*; H.-M. Chen* Atomic Metal-support Interaction Enables Reconstruction-free Dual Sites Electrocatalyst. J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, 1174-1186.
  2. X. Cao; A. Huang; C. Liang; H.-C. Chen; T. Han; R. Lin; Q. Peng;* Z. Zhuang; R. Shen; H.-M. Chen; Y. Yu; C. Chen;* Y. Li* Engineering Lattice Disorder on a Photocatalyst: Photochromic BiOBr Nanosheets Enhance Activation of Aromatic C−H Bonds via Water Oxidation. J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, 3386-3397.
  3. L. Ba; C.-S. Hsu; D. T.L. Alexander; H. M. Chen*; X. Hu* Double-Atom Catalysts Provide a Molecular Platform for Heterogeneous Oxygen Evolution Electrocatalysis. Nat. Energy 2021, 6, 1054-1066.
  4. S.-C. Lin; C.-C. Chang; S.-Y. Chiu; H.-T. Pai; T.-Y. Liao; C.-S. Hsu; W.-H. Chiang; M.-K. Tsai*; H.-M. Chen* Operando Time-resolved X-ray Absorption Spectroscopy to Unravel the Chemical Nature Enabling Highly Selective CO2 Reduction. Nat. Commun. 2020, 11, 3525.
  5. J. Deng; S.-C. Lin; J. F. III; J. A. Iñiguez; D. Xiang,; D. Yang; G. Chan; H.-M. Chen*; A. N. Alexandrova*; C. Liu* Ambient Methane Functionalization Initiated by Electrochemical Oxidation of a Vanadium (V)-Oxo Dimer. Nat. Commun. 2020, 11, 3686.
  6. J. Gu; C.-S. Hsu; L. Bai; H.-M. Chen*; X. Hu* Atomically Dispersed Fe3+ Sites Catalyze Efficient CO2 Electroreduction to Co. Science 2019, 364, 1091.
  7. B. Weng; K.-Q. Lu; Z. Tang; H.-M. Chen*; Y.-J. Xu* Stabilizing Ultrasmall Au Clusters for Enhanced Photoredox Catalysis. Nat. Commun. 2018, 9, 1543.

專利:

  1. 膜電極組與電解產氫的方法，中華民國發明專利，公告號 TW 202242199 A，公告日 : 2022年4月21日
  2. 二氧化碳的電解裝置，中華民國新型專利，公告號 TW M629398 U，公告日: 2022年7月11日
  3. 二氧化碳的 电解装置，中華人民共和國新型專利，公告號 CN 216947223 U，公告日 : 2022年7月12日

常用於探索可能的儲氫材料之計算化學方法

問題:

  1. 量子化學計算提供吸附能。 數據難以解釋。(H2分子在給定溫度 T 和壓力 P 下是吸附還是解吸附？）
  2. 吸附能需要轉化為覆蓋率等宏觀觀測值

當前的方法:

  1. Langmuir-Isotherm（和類似的分析模型）：僅適用於非常簡單的系統🡪難以推導出現實系統的分析模型。
  2. 分子動力學 (MD) 模擬：計算系統中的原子如何隨著時間的推移而移動；計算要求非常高，與“真實世界”應用相比，模擬的時間尺度非常小。

邱政超博士的研究可以解決上述“蒙特卡羅動力學”(kMC)問題。

 

蒙特卡羅動力學 (kMC)：基於隨機選擇和執行反應來模擬系統演化的數值方法。

蒙特卡羅動力學是如何運作的?

Publications:

  1. T.N.-M. Le; C.-C. Chiu*; J.-L. Kuo* A decomposition mechanism for Mn2(DSBDC) metal-organic framework in the presence of water molecules. Phys. Chem. Chem. Phys. 2021, 23, 22794-22803.
  2. T. N.-M. Le; C.-C. Chiu*; J.-L. Kuo* From the perspectives of DFT calculations, thermodynamic modeling, and kinetic Monte Carlo simulations: the interaction between hydrogen and Sc2C monolayers. Phys. Chem. Chem. Phys. 2020, 22, 4387-4401.

各種傳統與新興污染物造成水中碳、氮濃度快速增加，對生態與環境造成威脅，例如過量肥料、各種廢污水排放釋放過量營養鹽進入承受水體造成優養化。而相關管制規定日趨嚴格如放流水標準，急需高效率低能耗之管理對策。一般水處理除碳常仰賴好氧生物技術，曝氣需要之能耗 以及反應過程產生之 大量污泥 為後續待解決之問題。另外 脫氮多利用水中溶氧將氨氮氧化成硝酸鹽氮，後續再以厭氧脫硝去除硝酸鹽氮，能耗及污泥仍有疑慮。 前述厭氣氨氧化法（ANAMMOX）為厭氣處理，雖可降低曝氣電力成本，自營菌生化反應亦不須添加碳源，但有系統不易啟動，倍生期長(約11-14天)之挑戰。

陳威翔教授團隊利用CO2之ANAMMOX為基礎，配合不同菌群如氨氧化菌（AOB）、亞硝酸鹽氧化菌（NOB）、或脫硝菌（DNB），可組合多種複合生物處理系統，再藉由石墨烯與金屬氧化物複合材料其高比表面積、良好導電性、及觸媒催化反應快速進行，加速ANAMMOX馴養，快速啟動並提高複合生物處理系統之效能。

技術目標：

  • 放流水水質滿足新法規及水資源永續循環利用要求。
  • 提高水處理能源自給，邁向零能耗之目標。
  • 建立低碳綠色之永續型新世代水處理技術。

文獻：

  1. T.-H. Huang; F.-T. Tung; G.-F. Chen; W.-H. Chen* Variations of N concentrations and microbial community in the start-up of anammox using anaerobic heterotrophic sludge: Influence of a long reaction-phase time and comparison of the efficiencies of attached- versus suspended-growth cultures. Chemosphere, 2022, 287, 132151.
  2. C.-H. Lin; W.-H. Chen* Influence of water, H2O2, H2SO4, and NaOH filtration on the surface characteristics of a graphene oxide-iron (GO-Fe) membrane. Sep. Purif. Technol. 2021, 262, 118317.
  3. W.-H. Chen*; C.-J. Huang; C.-H. Lin; C.-P. Huang Catalytic degradation of chlorpheniramine over GO-Fe3O4 in the presence of H2O2 in water: The synergistic effect of adsorption. Sci. Total Environ. 2020, 736, 139468.

專利：

  1. 氧化石墨烯-鐵複合薄膜、其製備方法及其用途，中華民國發明專利，公告號 I743678，公告日 2021年10月21日
  2. 含鐵氧化石墨烯複合物的製造方法，中華民國發明專利， 公告號 I651127，公告日 2019年2月21日

黃文堯教授及張美瀠教授多年來致力於磺酸化聚芳香醚離子性高分子結構的設計與開發，此高分子膜可廣泛應用於許多產業，如氯鹼產業、釩液流電池、氫燃料電池、氫氣純化、酸性水分解系統等。

開發的一系列新穎聚芳香醚高分子材料透過高分子主鏈之剛性結構設計，不僅使之擁有良好之機械強度及熱穩定性。另外，引入氟原子基團，幫助分子膜具有較低的介電值、較低的吸水特性、較好的溶解度及較高的抗火性等。且相比市售Nafion 212，在測試中有高 IEC值、高質子導電度、成本低且製程對環境友善。上述之成果皆已發表於期刊上，且申請多項專利。

文獻:

  1. H.-Y. Wen; T.-S. Huang; H.-D. Zhang; M.-Y. Chang; W.-Y. Huang Discrete Conjugated Poly(arylene ether) Compounds for Blue Emission Electroluminescent Devices. ACS Appl. Polym. Mater. 2019, 1, 3343-3353.

專利:

  1. 磺酸化聚芳香醚高分子之複合材料，中華民國新型專利，公告號 M631697，公告日 : 2022年9月11日
  2. 磺酸化聚芳香醚高分子之複合材料，中華人民共和國發明專利，公告號 CN 114316321 A，公告日 : 2022年4月12日
  3. 陽離子導電聚合物，日本發明專利，特願 2018-174263公告日 : 2020年5月18日
  4. 4. 陽離子導電聚合物，中華民國 發明專利，公告號 I675864，公告日 : 2019年11月1日

在合成出更具價值的分子藥物衍生物及其功能化時，有機鋰試劑常被用於”拔氫”，而形成的陰離子親核試劑將ABB進行開環，最終形成新的碳-碳鍵或碳-雜原子鍵。此試劑限制了衍生物官能基的選擇，且價格昂貴、不易取得以及不環保。
因此，廖軒宏教授團隊將起始物修飾成前陰離子親核基，並藉由電催化的方法活化此試劑，並以CO2作為C1的位點合成藥物分子衍生物。此方法可取代有機鋰試劑，且能於較溫和的反應條件將CO2作為再生原料。

陳嘉祥教授團隊則針對現今大多數分子催化劑，仍需要較大的能量才能驅使電催化還原CO2的問題。因此，研發特殊結構碳材料的藉由氮摻雜奈米石墨烯化合物，實現可行的最低過電勢下將 CO2 還原。陳嘉祥教授藉由 ”自下而上 ”的合成方法，改變奈米石墨烯的共振系統來調節分子催化劑的還原電位，在利用此材料作為過渡金屬錯合物中的配體，合成出新型異原子摻雜奈米石墨烯過渡金屬催化劑。此催化劑能以較低催化電位選擇性地將 CO2 轉化為 CO，另外還可透過奈米石墨烯吸收特定波長的光，有望藉由太陽能驅使光催化CO2還原反應。大幅往綠能永續減碳方向推進。

扭曲的氮摻雜奈米石墨烯進行環化脫氫過程示意圖。(Chem. Asian J. 2022, 17, e202200114.)

文獻:

  1. E.-V. Varghese; C.-F. Gao; Y.-L. Chang; H.-Y. Chen*; C.-H. Chen* Synthesis of Distorted Nitrogen-Doped Nanographenes by Partially Oxidative Cyclodehydrogenation Reaction. Chem. Asian J. 2022, 17, e202200114.
  2. C.-H. Chen*; L. Spree; E. Koutsouflakis; D.-S. Krylov; F. Liu; A. Brandenburg;G. Velkos; S. Schimmel; S.-M. Avdoshenko; A. Fedorov; E. Weschke;F. Choueikani; P. Ohresser; J. Dreiser; B. Büchner; A.-A. Popov* Magnetic Hysteresis at 10 K in Single Molecule Magnet Self-Assembled on Gold Adv.Sci. 2021, 8, 202000777.
  3. C.-H. Chen; D.-S. Krylov; S.-M. Avdoshenko; F. Liu.; L. Spree; R. Westerström; C. Bulbucan; M. Studniarek; J. Dreiser; A. U. B. Wolter; B. Büchner; A.-A. Popov* Magnetic Hysteresis in Self-Assembled Monolayers of Dy-Fullerene Single Molecule Magnets on Gold” Nanoscale 2018, 10, 11287-11292.

日益嚴格的法規，導致內燃機的燃料須轉型為氫氣。與傳統燃料相比，氫氣具有更寬的燃燒極限，如更快的火焰傳播速度和擴散速度等優勢。並且可以實現更高的效率、改善燃燒效率和燃油經濟性，同時減少碳排放，進而符合全球零碳排法規。而改用純氫燃燒，內燃機只需要小幅度修改，無額外大幅度的研發成本，即可進行使用。台灣有完整的引擎供應鏈，研發氫引擎技術可以延續供應鏈以及生產設備的壽命，引擎使用的材質多為可回收的鋁合金，以及其他可回收的材質，非常環保。因此氫氣引擎是燃料電池之外的另一條重要的淨零路徑。 李卓昱教授團隊於目前探討原始引擎導入氫氣，並針對模擬結果進行配置優化，在透過引擎設計變更，完成適合燃氫之引擎的硬體配置。後續還能再搭配發電機、載具等作為綠色能源之載具與運用，進而達到綠能綠電效益。

文獻:

  1. C.-Y. Lee*; L.-F. Tua Influence of Tumble and Tke on Combustion, Fuel Economy, and Emissions of a Single Cylinder Motorcycle Engine. Int. J. Engine Res. 2022, 14680874221086609.
  2. C.-Y. Lee; X. Cheng; H.-M. Poon; Y.-S. Reddy; W.-C. Wang The Spray Ignition Characteristics of Ethanol Blended with Hydro-Processed Renewable Diesel in a Constant Volume Combustion Chamber. Fuel 2022, 314, 123089.
  3. C.-Y. Lee*; D.-Q. Vo Influence of Cold-Start Time Reduction on Scooter Emissions and Fuel Consumption Over Wmtc Cycle. Energy 2021, 231, 120997.

專利:

  1. Motor Engine Having an Oxygen Sensor, US Patent, US 10,677,137 B2, Date of Patent: Jun. 9, 2020.
  2. Electromagnetic Continuously Variable Transmission System, US Patent, US20200132181A1, Date of Patent: Apr. 30, 2020.
  3. 具氧濃度感測器之機車用引擎，中華民國發明專利，公告號I662182，公告日2019年7月1日.
  4. Engine Temperature Regulating Device, EP Patent, EP3330511, Date of Patent: Jun. 6, 2018.
  5. Engine Temperature Regulating Device, US Patent, US 20180149072 A1, Date of Patent: May 6, 2018.
  6. 可變進氣管路截面積系統，中華人民共和國發明專利，公告號 CN 107542587 A，公告日: 2018年 1月5日
  7. 低阻抗電盤之結構，中華人民共和國發明專利，公告號CN 107546914 A，公告日 : 2018年1月5日
  8. 可變進氣管路截面積系統，中華民國發明專利，公告號 I618851，公告日 : 2018年 1月 1日
  9. 低阻抗電盤之結構，中華民國發明專利，公告號 I591255，公告日 : 2018年1月1日
  10. 引擎溫度調節裝置，中華民國發明專利，公告號I573705，公告日 : 2017年3月11日

應對全球企業永續發展所崛起的ESG(環境/社會/公司治理)訴求，其中有關E(環境)的首要任務即是碳中和及淨零排放，而企業要達成上述目標的核心工作可分為三個關鍵步驟，其一、從巨觀來確認企業的碳排狀況；其二、從微觀來釐清商品(服務)的碳足跡來源；其三、提出碳減量與碳抵換計劃達成碳中和，最後協助企業轉型邁向淨零排放，成為永續企業。 張耿崚教授可協助企業進行碳盤查、碳足跡與碳中和規劃，也具有開設組織型溫室氣體盤查(ISO14064-1)、碳足跡(ISO14067)、碳中和(PAS2060)等培訓課程的經驗，課程中以實際案例演練來引導學員掌握各階段之技巧與能力，協助企業精準邁向淨零碳排與企業永續之路。

CO2還原反應涉及多重電子轉移(ET)和質子轉移(PT)過程。因此，了解此反應機理，就可操縱 ET 和 PT ，實現給定反應所需的效率和選擇性，以獲得目標產品。 因此王琢堅教授團隊，結合多種光譜方法(Time-resolved spectroscopy (時間分辨光譜)、紅外-可見光譜、紫外-可見光譜)、電化學方法及動力學建模探索多電子、多步驟的電催化機制。

文獻:

  1. V. C.-C. Wang* Beyond the Active Site: Mechanistic Investigations of the Role of the Secondary Coordination Sphere and Beyond in Multi-electron Electrocatalytic Reactions. ACS Catal. 2021, 11, 8292–8303.
  2. V. C.-C. Wang*; B. A. Johnson Interpreting the Electrocatalytic Voltammetry of Homogeneous Catalysts by the Foot of the Wave Analysis and its Wider Implications. ACS Catal. 2019, 9,7109-7123.
  3. Y.-C. Hsu; V. C.-C. Wang*; K.-C. Au-Yeung; C.-Y. Tsai; C.C. Chang; B.C. Lin; Y.-T Chan; C.-P .Hsu; G.P.A. Yap; T. Jurca*; T.-G. Ong* One-Pot Tandem Photoredox and Cross-Coupling Catalysis with a Single Palladium Carbodicarbene Complex. Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 4622-4626.