臺師大開創綠色能源新契機 開發新世代對掌性光電材料

推動人造光合作用 登上美國化學會期刊JACS封面

　　在全球積極尋求減碳與替代能源科技的趨勢下，人造光合作用與光催化二氧化碳還原技術成為備受關注的研究方向。臺師大與臺大組成的跨校團隊近期取得突破性進展，成功製備出具有對掌性 (Chiral) 結構的鈣鈦礦(CsPbBr₃)光催化材料，運用此創新材料於人造光合作用反應，進行利用太陽光將二氧化碳有效轉換為有用的燃料的光觸媒反應，為太陽能轉化技術開啟新的研究方向。

　這項研究成果由臺師大化學系陳家俊、物理系趙宇強教授、臺大材料系教授團隊共同合作，已刊登於化學領域最具權威性的美國化學會（ACS）旗艦期刊《Journal of the American Chemical Society (JACS)》，並獲選為該期刊的當期封面論文，展現臺灣的創新科研能量。

跨校團隊發表對掌性鈣鈦礦光催化關鍵成果 利用太陽能有效將二氧化碳轉化燃料

　　研究團隊指出，光催化二氧化碳(CO₂)還原的效率，常受限於電荷載子快速複合，使得能量無法有效投入反應。過去已有研究顯示，若能讓光激發電子具有特定「自旋方向」（自旋極化），可明顯抑制複合行為。然而，多數提升自旋極化的方法，需仰賴磁性摻雜或引入缺陷，易造成材料結構受損。

　　此次研究採用全新策略，臺師大研究團隊結合掌性分子與奈米級鈣鈦礦晶體，成功合成出具有「左旋」與「右旋」結構的新材料，這種結構差異會影響光生電子與電洞的行為。臺大的合作團隊則深入研究揭示了「自旋極化」（Spin polarization）在光催化與能量轉換中的關鍵角色，提供了一條利用自旋來調控化學反應的新途徑，此途徑將使反應過程更具選擇性，與產生更高的光催化的轉換效率。

　　研究過程中，研究人員以對掌性鹽類溴化甲基苄胺(methylbenzylammonium bromide, MBA:Br)為基礎，導入無機CsPbBr₃鈣鈦礦奈米板，形成(R)-與(S)-型的二維Ruddlesden–Popper鈣鈦礦奈米板混合薄膜。對掌性結構可產生強烈的對掌性光學效應，進而使材料內部產生自旋極化電子。

　　研究結果顯示，經對掌性分子修飾後的薄膜，其自旋極化電子得以有效延長載子生命週期，降低電子與電洞的複合速率，光催化二氧化碳的還原效率因此顯著提升。在加入0.3特斯拉外加磁場後，催化效能更進一步提高，最高可達未修飾鈣鈦礦奈米板的五倍效率。

　　為了驗證材料內部的結構與光學特性，研究團隊運用多項先進分析技術，包括掠入射廣角X光散射（GIWAXS）、磁圓二色性（MCD）光譜與時間解析螢光（TRPL），完整揭示從結構、手性到自旋極化對光催化性能的系統性影響。而且對掌性調控具有「分子可設計性」、不需額外摻雜磁性元素、亦不會破壞晶體結構，具備材料工程上的高度靈活性。

　　這項成果不僅拓展了鈣鈦礦材料在光催化與能源轉換上的應用潛力，也展示了透過結合掌性結構與自旋物理，開啟了掌性光電材料的新方向，為未來太陽能燃料轉換材料提供了全新的設計思維，且為整個綠色化學帶來嶄新契機。

　　本合作研究由臺灣師範大學、臺灣大學、國家同步輻射研究中心、屏東大學與國立陽明交通大學共同推動，並獲國科會及教育部高教深耕計畫「臺大新穎材料原子級科學研究中心（AI-Mat）」的大力支持。

(採訪撰文 | 由本校公共事務中心提供)。

圖1：結合性與自旋效應的光催化材料，進行人造光合作用 (JACS 封面)

 
圖2：具有掌性(Chirality)的鈣鈦礦奈米晶體

原文出處：
“Chirality-Regulated Spin-Polarization of Perovskite Nanoplates for Photocatalytic CO2 Reduction Reaction”, Journal of the American Chemical Society, 147, 40347, (2025) (https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c11357)