二氧化鈰奈米膠促合出高效率單原子催化劑，提升效率近百倍

許多催化劑含有貴金屬，但過去研究發現許多位於表面之下的貴金屬原子都未參與催化反應，導致催化效率低。國輻中心與美國機構組成之跨國團隊歷時 5 年，領先全球首研發具特殊孔隙結構的二氧化鈰（CeOx）奈米膠，能合成出高效率與高穩定性的鉑單原子催化劑，催化效率提高近百倍。

90% 以上化工製程與催化技術有關，催化劑除了用於煉油等工業製程，亦廣泛應用於環保設施，如工廠烟道氣的脫硝、汽機車的廢氣轉化器等。近年大眾關注的綠色能源議題也牽涉許多催化劑研究，如電解水產氫、硝酸根還原產氨、二氧化碳還原等。

許多催化劑內含貴金屬，但過去研究發現催化反應往往只發生在表面，下方的貴金屬原子都未參與，導致催化效率低。而貴金屬稀少又昂貴，如何提高貴金屬原子利用效率便成為科學家急欲解決的難題。

目前商業量產的貴金屬催化劑主要為「奈米顆粒」，但奈米顆粒的催化效率與穩定性有限。於是近 10 年來，單原子催化劑的研究蓬勃發展，透過提高單位面積下可容納的單顆貴金屬原子數目，讓每顆貴金屬原子都能成為活性中心，提升催化效率與穩定度，並大幅降低貴金屬催化劑成本。

▲ 研究人員使用台灣光子源（Taiwan Photon Source，TPS）的快速掃描 X 光吸收光譜光束線，確定使用新型奈米膠可合成出高效率與高穩定性的鉑單原子催化劑。

不過單原子催化劑也有瓶頸，在於載體上的金屬原子常產生凝聚現象而無法單顆分散獨立。國家同步輻射研究中心（國輻中心）包志文助研究員與美國亞利桑那州立大學劉景月教授、美國史丹佛同步輻射光源等組成的跨國研究團隊，獨步開發出一種新方法，能讓特殊結構的二氧化鈰（CeOx）奈米膠形成類似「奈米島」形狀，並以極高密度排列在二氧化矽（SiO2）載體，每個島上僅住著 1 個單原子貴金屬。

單原子貴金屬能在自己的島上自由活動，但無法跳出島外與其他單原子貴金屬凝聚，如此一來不僅提升穩定度，還能讓每顆貴金屬原子都成為活性中心。

新研究不只克服了合成單原子催化劑過程的凝結現象，還大幅提升一氧化碳氧化反應催化效率近百倍、降低成本，為單原子催化劑研究領域掀起新氣象。

新論文已發表於《自然》（Nature）期刊。

（圖片來源：國輻中心）