文／張怡婷　圖／丁志明教授提供
 
永續綠能近年來成為各界熱門討論的焦點，水裂解反應的產氫、產氧也是綠能研究中相當重要的關鍵，無論產氫或產氧都需要有催化劑的存在，因此高效能的催化劑製備成為首要目標。國立成功大學材料系教授丁志明及博士生李翔雲在科技部支持下以真空製程結合高熵合金，順利開發出「高熵合金薄膜催化劑」，這項突破性技術榮獲國際關注讚賞，2022 年 8 月登上物理、化學國際著名期刊 Small。成大研究團隊從綠能、高熵、科技出發，實踐創新並加速科學研究之進程，達到實務應用以及科學關鍵性技術的突破。
 

高熵合金薄膜樣品
 
「這是傳統催化劑無以比擬的，」丁志明教授指出，高熵材料的優勢在於其組成多元（至少須由 5 種金屬元素組成），當這些多元金屬結合成高熵化合物，其表面電子結構的重組可藉由金屬種類及成分調整而產生巨量可能性，「因為金屬元素的選擇幾乎涵蓋整個週期表，母數選擇多，便更容易達到最佳化的目標」。
 
成大團隊採用濺射沉積的方式製作高熵合金薄膜催化劑，濺射沉積指的是在真空低壓、充滿惰性氣體的空間裡，通過施加高電壓向材料（目標）放電，被濺出的靶材料原子或分子沉澱積累在半導體晶片或玻璃、陶瓷上而形成薄膜，在半導體、光電等相關領域中已獲得廣泛的應用。
 

濺鍍在基板上的高熵合金薄膜，即使元素不同，其厚度依然呈現非常均勻
 
「iPhone 12 的金色不銹鋼手機中框就是用這個方法製成，」李翔雲表示，濺射沉積是一種成熟的大規模生產技術，在金屬元素的選擇上相當廣泛，且薄膜均勻性已被證明是極好的，生成的薄膜基本上能夠複製靶材成分，高水準的還原度有助於研究團隊掌控金屬元素的成分比例，且薄膜具有高度的可重複性，「每片做出來幾乎一模一樣」，品質的穩定度對於控制催化劑成分特別重要，裨益於將來的大量生產商用。
 
除了針對高熵合金薄膜催化劑進行研究，成大團隊更是挑戰難度極高的雙功能電催化劑，以高熵的概念設計製造同時具有「氧化」以及「還原」催化功能的新穎材料。李翔雲指出，雙功能電催化劑的關鍵在於操縱缺陷、電子結構，以及變形，雖然高熵合金有著極大的組合可能性，隨之而來的其製作複雜程度也相當地高。
 
成大團隊大約在 3、4 年前開始投入高熵研究，一開始在金屬元素組成中毫無頭緒的前進，最後是透過藥物開發中常用的「組合化學技術」，能在短時間內合成上千、上百種的金屬組合，再送到日本國家物質材料研究機構（National Institute for Materials Science,NIMS）以及美國國家標準暨技術研究院（National Institute of Standards and Technology,NIST）進行分析。此舉「使我們得以 1 年多的時間，在多種金屬元素中找到最佳的高熵合金組合」，丁志明教授補充，驗證了濺射 FeNiMoCrAl（鐵鎳鉬鉻鋁）高熵合金薄膜催化劑表現出優於目前市面上商用的高熵合金催化劑，不僅成本可以下降，成大製作出的催化劑穩定性以及活性表現也都更加出色。
 

在析氧反應過程中，FeNiMoCrAl 高熵合金薄膜催化劑的形貌及結構變化
 
高熵合金薄膜催化劑最主要的用途是作為水分解產氫過程中的催化劑，隨著化石燃料逐漸枯竭，氫能源被視為未來重要的能源技術之一，除了發電外，許多鋼鐵大廠也致力發展以氫氣取代焦炭把鐵從鐵礦砂還原出來，降低製程中的大量碳排；英國也推出氫能雙層巴士、設立迷你加氫站；空中巴士（Airbus）公司也宣布 2035 年氫飛機將投入市場，在在應用都凸顯了氫能以及高熵合金薄膜催化劑的重要性。
 
此外，丁志明也認為，高熵不僅僅侷限高熵合金，高熵氧化物、硫化物也是當前研發重點與趨勢，高熵的多元空間、無數的電子結構變化，每走一步都帶給研究團隊驚喜。高熵材料與綠能連接的號角於焉響起，團隊目前也朝與廠商接洽媒合商用以及「綠氫」相關的應用方向努力，致力在全球零碳浪潮中，引領人們遨遊及探索未知的高熵合金領域。
 
 
維護單位: 新聞中心
更新日期: 2022-10-24