催化劑材料一直是被用來淨化水資源與生產潔淨能源的主要策略模式。其中，水分解被公認為是透過陽光進行氫氣擷取不污染環境的最有效方法之一。然而，太陽光是一種間歇性能源，受限於白天、黑夜、季節與地理位置、且不具調度性等多項變因。鑑於光催化方法在水系溶液中具有極大光衰減與電子-電洞對快速復合等現象，使催化劑在可見光下之吸收效率極低，降低光觸媒的商業應用價值。

　　吳志明教授研究團隊擴大壓電晶體在電化學氧化還原的深度與廣大應用面，該團隊結合了奈米石英棒與二維材料研製一種前瞻技術，稱為壓電電催化系統，吳志明教授表示「在石英微棒修飾高比表面積之二硫化鉬奈米片以呈現獨特分層異質結構，透過理論計算與實驗結果，驗證石英微棒可被視為自供電元件為修飾在石英微棒表面的二硫化鉬奈米片提供內部電場，透過外力誘導下，壓電勢可有效在界面被調解提升自由載體分離率促進二硫化鉬奈米片進行氧化還原反應」。

壓電電觸媒之產氫與廢水分解

　　自然資源的過度開採釋放了過量的溫室氣體與工業廢水。近年來，以資源效率為中心的主題持續推動低碳的社會發展，此發展已成為未來全球綠色經濟重要討論議題。由於人類對生態永續發展的重視，科學家已採用適當研發策略以平衡社會發展與兼顧環境永續性。催化劑材料一直是被用來淨化水資源與生產潔淨能源的主要策略模式。其中，水分解被公認為是透過陽光進行氫氣擷取不污染環境的最有效方法之一。然而，太陽光是一種間歇性能源，受限於白天、黑夜、季節、地理位置、且不具調度性等多項變因。鑑於光催化方法在水系溶液中具有極大光衰減與電子-電洞對快速復合等現象，使催化劑在可見光下之吸收效率極低，降低光觸媒的商業應用價值。

　　在科技部專題研究計畫支持下，國立清華大學（NTHU）吳志明研究團隊開發出一種獨特的催化活性之新型壓電觸媒，無須照光即可有效分解有機汙染物[1]，使得近年壓電催化劑在再生能源與環境修復應用受到全世界研究團隊的矚目，由於壓電催化劑在先進奈米技術領域改善了傳統光觸媒之低量子效率問題，除了可有效節省能源外也為工業應用帶來極大的彈性與便利應用性，吳志明教授研究團隊為新一世代觸媒的催生貢獻甚偉。

　　近年，吳志明教授研究團隊持續擴大壓電晶體在電化學氧化還原的深度與廣大應用面，吳教授結合了奈米石英棒與二維材料研製一種前瞻技術，稱為壓電電催化系統，吳志明教授表示「在石英微棒修飾高比表面積之二硫化鉬奈米片以呈現獨特分層異質結構，透過理論計算與實驗結果，驗證石英微棒可被視為自供電元件為修飾在石英微棒表面的二硫化鉬奈米片提供內部電場，透過外力誘導下，壓電勢可有效在界面被調解提升自由載體分離率促進二硫化鉬奈米片進行氧化還原反應」。

　　研究團透過應變工程有效地調節分層奈米結構之壓電勢(如下圖示)，促使壓電電催化劑之氫氣釋放速率達到6456過應變工程有效地調節分層，並且在八小時內累計產氫量達到16.8 mmolg-1[2]。該成果是目前在壓電催化條件下的最高紀錄值，研究團隊也首次發現壓電電催化系統能分解水中污染物兼產氫效果，氫氣析出性能可匹配一般電催化劑系統。由於整體反應過程完全可在黑暗條件下無須施加任何外部光源照射，該研究可以完全避免光催化劑的低量子產率低之缺點，具有極高工業應用價值可應用在淨化水源與潔淨能源開發。全球有17-20%的工業廢水汙染來自紡織品染整產業，吳志明教授是全球第一位以創新思維透過壓電觸媒材料降解廢水染料[3-4]，目前已持有多項台、美專利，研究團隊除了奠立了臺灣在新世代觸媒開發的國際地位外，也為工業廢水提供了一種更有效的處理方法。

 
圖(a)工廠廢水（示意圖）透過石英複合二維材料(二硫化鉬)壓電觸媒可在完全暗條件施加機械力達到降解廢水並同步產氫效果，(b) 石英複合二硫化鉬壓電觸媒之壓電勢模擬分析。

參考資料：

[1] J. M. Wu*, W. E. Chang, Y. T. Chang, C. K. Chang, “Piezo‐Catalytic Effect on the Enhancement of the Ultra‐High Degradation Activity in the Dark by Single‐ and Few‐Layers MoS₂ Nanoflowers”, Advanced Materials 28 (19), 3718-3725 2016.

[2] Y. T. Lin, S. N. Lai, and J. M. Wu* “Simultaneous Piezoelectrocatalytic Hydrogen‐Evolution and Degradation of Water Pollutants by Quartz Microrods@Few‐Layered MoS₂ Hierarchical Heterostructures.” Advanced Materials 32 (34), 2002875 2020.

[3] Y. J. Chung, C. S. Yang, J. T. Lee, G. H. Wu, J. M. Wu* “Coupling Effect of Piezo–Flexocatalytic Hydrogen Evolution with Hybrid 1T‐ and 2H‐Phase Few‐Layered MoSe2 Nanosheets”, Advanced Energy Materials 10 (42), 2002082 2020

[4] Y. C. Wang and J. M. Wu* “Effect of Controlled Oxygen Vacancy on H2‐Production through the Piezocatalysis and Piezophototronics of Ferroelectric R3C ZnSnO3 Nanowires”
Advanced Functional Materials 30 (5), 1907619 2020.