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由於CO₂化學結構安定，傳統分解製程常需仰賴高溫、高壓環境支持，對於能量耗用、設備安置與製程轉化率的取捨，經常難以兩全。考量處理程序需對環境友善，近年有愈來愈多產學研單位，投入利用電化學法還原CO₂之再利用加值產品研發。本文將以CO₂再利用之分類為始，簡介電化學技術可投入之應用領域。

CO₂為主要溫室氣體，對地球暖化影響達60%，欲降低此效應，減排將是最直接的手段。CO₂減排技術具體可分為捕獲、封存與再利用三項（如圖1所示），CO₂再利用技術可分為直接利用與轉化利用。直接利用如食品工業、藥品業超臨界萃取、促進微藻生長及枯竭油氣井資源增益回收等；而轉化利用則是將CO₂以外加能量方式，搭配其他反應物，轉化分解為其他產物之手段，常見領域可分為燃料、化學品與建材等三項^[1]。

圖1 CO₂再利用技術路徑示意^[1]

CO₂本為無毒、不可燃且來源不虞匱乏的氣體，但隨環境暖化效應日甚，CO₂也逐漸被視為引起環境效應的人類活動產物（或污染物），因而亟待進行減量或以無淨產出形式，封閉於系統中循環使用（稱之為淨零或碳中和）。然而，在減量轉化利用過程中，即涉及能量施加；CO₂就化學結構而言，為熱力學穩定物質；代表欲使CO₂轉製為再利用產物，即需額外能量（源）參與。

利用電化學法作為還原CO₂為可再利用加值產品之手段，可省卻高溫、高壓條件，僅透過還原電位、觸媒材料、反應溫度及電解質種類的選擇，即可使CO₂轉化為不同種類之化學產品，除使CO₂再利用呈現多樣性，也使電化學法成為極具發展潛力之技術。接續，本文將依CO₂再利用技術之電化學應用趨勢進行整理。

依據電子轉移數目不同，CO₂可還原生成多樣化的化學產物，如表1所示，可為2電子轉移產物，如CO及甲酸；或是6電子轉移所生成之甲醇；也可是8電子轉移所生成之甲烷；又或是透過中間體偶合(Coupling)而進一步生成雙碳之乙烯、乙醇等，甚至是更高碳數的產物。

表1 CO₂電化學還原反應常見之化學產物及相應之平衡電位^[2]

當電子轉移數愈高，意即代表觸發電化學反應所需作動之能量也愈高；然而，觀察表列之平衡電位（熱力學中理論上反應會發生的位置），皆差距甚微，且與產氫反應共伴。代表在追求高反應產量的同時，產物選擇性的區別，也是電化學法再利用CO₂領域的一大要點。

其中，觸媒材料即是關鍵課題，以電化學還原產製甲酸為例，錫或銦等金屬對甲酸有接近90%的偏向性；金或銀則對CO有較高選擇性；銅則較為特別，是唯一對碳氫產物，皆有轉化特性的金屬。（如表2所示）

表2 各式CO₂電化學還原觸媒與相應之轉製產物^[3]

相較於捕獲、封存技術，CO₂的再利用，除了可降低CO₂排放量外，亦可發展具經濟效益之產物。轉製化學品在電化學技術中，較似半電池反應，因此若能推廣至全電池反應，或許更可與儲能概念相結合。是以，類似金屬-空氣電池之金屬-CO₂電池概念，亦為研究者所重視。

室溫金屬-CO₂二次電池，是CO₂應用於能源儲存領域之最終目標。該架構可直接利用CO₂進行發電，無進一步碳排放；透過觸媒轉化更可將CO₂以碳酸鹽、碳氫化學品等形式釋出，達到創能減碳之雙效目的。目前，已有研究針對其充放電反應機制、開發穩定電解液、研發高效陰極催化材料和開發新型電池體系等，進行系統性整理，可有助於推動金屬-CO₂電池的全面發展。

圖2 金屬-CO₂二次電池應用於民生及工業示意圖^[4]

所謂礦化，主要係將CO₂與鹼土金屬氧化物（如氧化鎂 (MgO)或氧化鈣(CaO)等），在特定溫度與壓力之下進行反應，使CO₂固定於碳酸鹽中，形式上也是一種封存策略。碳封存技術可分為地質封存、海洋封存、礦化封存三種方式。其中，濕式礦化封存技術，主要係將原料及CO₂溶解於溶液中，由鹼土金屬離子與碳酸根離子(CO₃^2-)進行反應，形成碳酸鹽而沉澱，再透過分離程序，提取固態碳酸鹽。

目前技術上已有電化學法沉積CaCO₃的案例，反應前驅物可為Ca(HCO₃)₂、CaCl₂，惟CaCl₂之Cl-於溶液中與H⁺作用將生成HCl，有可能進一步攻擊已生成之CaCO₃，造成逆反應。相應搭配的還原劑則為NaHCO₃及NaNO₃，主要於電化學系統中扮演OH^-提供者的角色。

圖3 電化學溼式礦化研究^[5]

電化學還原法雖具節能、環境友善、易於量化等優勢且應用面向廣泛（如礦化概念亦可延伸至鹵水處理），但如何選擇系統，搭配適切的觸媒/催化機理相結合，將是相關技術走向工業應用的研究重點。

其次，觸媒材料亦是課題之一，以電化學還原產製甲酸為例，錫或銦等金屬對甲酸有接近90%的偏向性；金或銀則對CO有較高選擇性；銅則較為特別，是唯一對碳氫產物，皆有轉化特性的金屬。加上反應環境多為溼式條件，如若產物為液相，後續產物分離亦是電化學技術效益的考量重點之一。

整體來說，電化學技術是否具有效益，歸納重點有二：其一，觸媒必須具有好的選擇性、低的過電位和大的電流密度，從而能夠產生有價值的碳基產品。其二，電力來源若能由再生能源提供，則後續無論是CO₂的還原、H₂產生均可符合低碳與永續發展之目標。

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