兒時提問化為國家能源使命
四年級時，王偉俊學習光合作用，提出一個簡單的問題：能不能像植物一樣利用陽光，為現代生活提供能源？這份好奇成了他畢生投入的志業。如今，這位馬來西亞科學家運用奈米科學與催化技術，追尋同一個原理，將陽光儲存在清潔燃料的化學鍵中。
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王偉俊教授是馬來西亞廈門大學助理院長，也是奈米能源與催化技術卓越中心（Centre of Excellence for NaNo Energy & Catalysis Technology，簡稱 CONNECT）的創辦主任。他與團隊設計人工葉片，模仿光合作用的關鍵步驟。這些裝置以工程化奈米材料取代葉綠素，製造富含能量的分子。
CONNECT研究如何從水中製氫、將二氧化碳轉化為甲醇及其他化學品，以及將塑膠廢棄物轉化為燃料。長遠目標包括建置模組化太陽能製氫場，為偏鄉社區供電，讓尖端科學滿足日常所需。
人工光合作用的實際運作方式
人工光合作用利用吸光材料與催化劑，將陽光轉化為化學能。裝置吸收光子、產生可移動的電荷，再利用這些電荷分解水或還原二氧化碳。產物是可儲存、運輸，並在無日照時使用的燃料。
分解水時，其中一個反應會釋出氧氣，另一個則生成氫氣。半導體提供能量，催化劑則降低各反應的能障。氫氣可作為燃料電池的能源載體，也是製造氨、鋼鐵及煉油所需的清潔原料。
將二氧化碳轉化為燃料，採用的原理也相同。經過設計的催化劑會引導電子，將二氧化碳轉化為一氧化碳、甲酸或甲醇。裝置可以是粉末狀光催化劑、採用吸光電極的光電化學電池，或由再生電力驅動的電催化系統。目標一致：穩定運作、高效率且成本合理。
從實驗室突破走向馬來西亞實際計畫
CONNECT透過與產業及政府合作，將研究發現推向實際應用。2024年8月，馬來西亞廈門大學宣布，王教授獲得馬來西亞國家石油公司（PETRONAS）學術合作對話計畫補助，金額超過100萬令吉。該計畫旨在利用太陽能人工光合作用，將陸上天然氣終端燃燒氣體排放的二氧化碳轉化為高價值化學品，直接處理工業排放源。
PETRONAS計畫從25所大學提出的588件申請中選出61件計畫。對CONNECT而言，這項補助將擴大其研究布局，包括目標於2026年年中完成的太陽能製氫系統原型、用於抑制溫室氣體的催化劑，以及將棕櫚油廢棄物轉化為石墨烯與綠氫的技術。這些研究的共同方向很明確：讓具潛力的奈米催化劑走出受控的實驗室測試環境，成為能在戶外可靠運作的裝置。
催化劑內部的科學原理
人工光合作用建立在三大支柱上：吸收光線的材料、能讓電荷分離的結構，以及能快速且選擇性地促進反應的催化位點。CONNECT的研究結合二維材料、智慧接面與地球豐富元素構成的表面位點，打造這三大支柱。
二維材料與異質結構
從類石墨烯碳片到過渡金屬二硫族化合物，二維材料為電荷提供超薄傳輸路徑。將一片二維材料堆疊在另一片上，便能形成寬廣的界面，讓電子與電洞有效分離。透過選擇能帶能量與分解水或還原二氧化碳相符的材料組合，二維對二維異質結構可提升效率，無須仰賴稀缺元素。
Z型與S型電荷傳輸
自然界的光合作用會利用兩個光反應步驟，常以Z字形表示，來產生高能電荷。人工裝置則透過Z型與S型設計模仿這個原理。兩種吸光材料相互連接，使還原能力最強的電子與氧化能力最強的電洞得以保留，同時讓較弱的載子彼此抵銷。保留活性最高的電荷，有助於推動較困難的反應，並抑制副反應。
金屬碳化物與MXene材料
包括MXene在內的過渡金屬碳化物兼具高導電性與可調整的表面特性。它們可用作吸光材料，或作為助催化劑，也就是能加速關鍵步驟並引導反應選擇性的表面輔助材料。MXene由蝕刻層狀前驅物製成，形成導電薄片。合成方法決定的表面基團，會影響其吸附分子與傳輸電荷的能力，這對穩定且高效地利用太陽能製造燃料至關重要。
以光與精準化學將廢棄物轉化為資源
塑膠帶來便利，也造成廢棄物處理難題。光催化與電催化升級再利用技術，透過針對性的化學反應處理這個問題。在光照或再生能源驅動下，催化劑可分解長鏈聚合物，轉化為甲酸鹽、乙酸鹽、醇類或氫氣等有用分子。CONNECT也將這種方法應用於農業殘餘物。馬來西亞棕櫚產業產生富含碳的廢棄物，可升級轉化為石墨烯與綠氫。該團隊表示已取得一項與利用生物甲烷製造石墨烯和氫氣相關的專利，展現如何將廢棄物流轉化為材料與能源的原料。
從實驗台走向現場的水製氫技術
利用陽光製氫看似簡單，實際上要整合至戶外環境並不容易。裝置必須有效集光、分解水、隔離氫氣與氧氣，並承受數月的高溫、雨水與灰塵。CONNECT正建造較大型的原型裝置，以測試戶外環境，目標是在2026年年中完成一套結合光催化與光電化學技術、能利用陽光製氫的運作系統。
擴大規模時，通常有兩項關鍵課題。第一是效率，必須提高太陽能轉氫效率，同時維持材料價格合理。許多專家認為10%是實用門檻，不過成本會因場址而異。另一項考驗是耐久性。催化劑可能因氧氣與強光而劣化。海水中的氯離子則可能引發腐蝕並生成氯氣。研究團隊透過保護層、選擇性薄膜與適當反應條件，促使反應只生成氫氣與氧氣。
這項技術對馬來西亞與區域的意義
馬來西亞目標於2050年達到淨零排放，因此需要新的清潔燃料，以及更有效的碳資源利用方式。人工光合作用與多項國家優先發展方向相契合。氫能可作為再生能源的備援，並減少工業排放。將燃燒排放或製程氣流中的二氧化碳轉化為原料，可使廢棄物創造價值。升級利用塑膠與生質廢棄物，則能減輕垃圾掩埋場負擔，並減少對進口化石原料的依賴。模組化太陽能燃料裝置也可支援電網擴建緩慢的偏遠地區，為學校、診所及小型企業供能。
合作、人才與數位工具加速進展
CONNECT透過與PETRONAS研究部門及國家科技計畫合作，並整合化學、材料、工程及資料科學等領域的專業，推動研究進展。密度泛函理論與機器學習可在少數候選催化劑進入實驗室製作前，先篩選數千種材料，節省時間與成本。王教授也指導持續壯大的研究生與博士後研究員團隊。「高被引研究人員」及「全球前2%頂尖科學家」等肯定，彰顯研究影響力；但團隊的目標仍著眼於實用，打造能在馬來西亞環境中可靠製造清潔燃料的裝置。
仍待克服的挑戰
人工光合作用可能成為電解槽製造綠氫的補充技術，而非取而代之。要實現規模化，仍須提高效率、提升耐久性、降低輔助設備成本，並設計安全的氣體處理方式。二氧化碳轉化產物通常是混合物，必須進一步分離。塑膠升級再利用則需要品質穩定的原料，以及具選擇性的催化劑。2026年原型裝置與PETRONAS計畫將提供現場數據，協助判斷這項技術最適合如何融入馬來西亞的能源轉型。
重點摘要
- 王偉俊教授領導馬來西亞廈門大學的CONNECT，研究重點為人工光合作用與奈米催化。
- 團隊研究從水中製氫、將二氧化碳轉化為甲醇及其他產品，以及透過光催化或電催化升級再利用塑膠。
- 2024年8月，PETRONAS提供超過100萬令吉補助，支持利用太陽能將陸上天然氣終端燃燒排放的二氧化碳轉化為其他物質。
- 團隊目標於2026年年中完成太陽能製氫系統原型，在馬來西亞測試戶外運作表現。
- 研究工具包括二維異質結構、Z型電荷傳輸，以及MXene等金屬碳化物。
- 海水製氫研究致力於解決氯離子腐蝕與反應選擇性問題，避免生成氯氣。
- 產業合作，以及密度泛函理論與機器學習的應用，可加快催化劑開發。
- 這項研究符合馬來西亞2050年淨零目標，也有助於改善偏鄉能源取得。
