臺大化學系攜手國際團隊突破水氧化反應催化瓶頸 創新鐵分子催化劑登Nature Sustainability

臺灣大學化學系教授陳浩銘領銜的國際研究團隊，成功開發出一種以鐵為核心的分子催化劑，可大幅提升水氧化反應的效率與穩定性，為綠氫能源技術發展帶來嶄新突破。該研究成果已刊登於國際頂尖期刊Nature Sustainability。

水氧化反應（即電解水分子進而釋出氧氣）是綠氫製備中的關鍵步驟，卻長期面臨動力學障礙與對貴金屬催化劑的高度依賴，成為限制再生能源應用的重要瓶頸。為突破此一挑戰，陳教授與香港城市大學合作，設計出具備「自旋交錯(spin crossover)」機制的鐵分子催化劑，能在反應過程中由單核錯合物二聚化為雙核活性結構，顯著提升催化活性與反應穩定性。

研究團隊更運用日本同步輻射設施SPring-8的臨場高解析X光放光光譜(X-ray Emission Spectroscopy)技術，首次直接觀測到鐵原子自旋態由低自旋(Low Spin)轉換為高自旋(High Spin)的動態過程。這項發現揭示，自旋狀態的轉變是驅動催化劑結構二聚化與性能提升的關鍵機制，亦為將來分子催化設計提供全新思維。

所開發的催化劑不僅在如乾電池的簡易條件下即可達成數百mA/cm²的高電流密度，更展現超過1,000小時的長期穩定操作，整體性能優於多數現有水氧化催化劑，展現其潛力成為低成本、可持續的綠氫技術關鍵材料。

此研究成果強調動態自旋態與過渡金屬電子結構之間的顯著關聯，並展現臨場高解析光譜技術在探討化學反應中電子組態與鍵結變化上的獨特價值。未來有望推動更多非貴金屬分子催化劑的研究，加速永續能源科技的進展。

此研究由國家科學及技術委員會與臺大核心研究群計畫共同支持，實驗工作於日本兵庫縣SPring-8同步輻射設施的臺灣合約光束線完成。

論文資訊：Chen, H. M. et al., “Spin crossover-driven diiron electrocatalyst boosts sustainable water oxidation”, Nature Sustainability, 2025

研究連結：https://www.nature.com/articles/s41893-025-01571-3