洗眼镜得灵感！ 清大教授陈灿耀打造原子级触媒
▲清大教授陈灿耀从清洗眼镜的超音波机得到灵感，把作为触媒的白金「镶嵌」上去，做出更稳定耐久、比奈米还小的「原子级触媒」，效率提升3倍以上，奠立下一代碱性燃料电池的新里程碑。（图／清大提供，下同）
科学家们近年积极研发可应用于电动车等环保先进产业的燃料电池，但难突破耐久性不足的限制。清华大学工程与系统科学系教授陈灿耀从清洗眼镜的超音波机得到灵感，利用超音波在材料表面打出极细小的孔洞，再把作为触媒的白金「镶嵌」上去，做出更稳定耐久、比奈米还小的「原子级触媒」，效率提升3倍以上，奠立下一代碱性燃料电池的新里程碑。
原子级触媒可让燃料电池的电流强度提高10倍，且连续工作8个月效率都不衰退；若应用在电动车、发电厂，电池的价格可降到只要十分之一，寿命则能维持2到3年。这项突破性的研究成果今年2月登上国际顶尖期刊「自然通讯」Nature Communications，并被选为该月份的两篇能源材料焦点论文之一。陈灿耀表示，将继续推进研究，做出更小、效率更高的「量子级触媒」。
触媒缩小 氧化还原活性加大
燃料电池是透过氧化还原反应把燃料中的化学能转换成电能的发电装置，因为发电过程中只产生水跟热，不像烧煤等石化燃料会产生大量废气污染，而被视为绿色能源的新希望。其中碱性燃料电池的发电效率及安全性又比酸性电池来得高，如太空船及人造卫星的供电就是采用碱性燃料电池；但投入碱性燃料电池研究者比酸性少很多，主要是因触媒研发难以突破。
陈灿耀表示，影响触媒效率的因素很多，大小是其中很重要的一项，同样体积的触媒颗粒愈小、表面积愈大，氧化还原的活性愈高；但粒子太小就不稳定，效能很快就会衰退。因此他不断思考，如何能做到更小却更稳定？
陈灿耀回想，他从小就对超音波震荡机如何将眼镜清洗干净很感兴趣，甚至还请眼镜行老板帮他洗久一点，洗到镜框的涂漆都被震掉，「何不用超音波在铁等金属表面打出小的凹槽，如果可以做到只有0.3奈米、就可以把3颗原子大小的触媒就可以稳稳地落在凹槽里。」他也成为在金属表面稳定长出原子级材料的学界第一人。
有趣的是，陈灿耀研究的另一项重要突破则来自于「汽泡咖啡」的启发。2016年研究碰到瓶颈时，他常待在咖啡厅思考研究方向，与咖啡师闲聊，意外发现，先倒汽水、后加入咖啡，及先倒咖啡、后加入汽水产生的泡泡量、甜度及口感竟完全不一样，「真的，不信你回家自己试看看！」于是他指导学生改变实验顺序以控制氧还原反应，果然取得突破。
而且过去在金属表面长出不同材料的方式，是先长一层，稳定后再长第二层。陈灿耀也打破了这样的规则，每10秒钟加入一种新材料，或者只反应1到2秒即中止反应。
成本更低 效率更高 寿命更长
但打破规则的实验方式也让他吃足苦头，甚至团队里主修材料的资优生还质疑老师「乱搞」，终于在失败了数百次，耗费无数实验样品后，让他们找到了让碱性燃料电池阴极触媒同时保持氧化还原高活性与高稳定度的金钥。
陈灿耀表示，最终完成的白金原子触媒使用的贵金属白金量只要1%，比一般商用触媒的35%要低很多；且相较于传统触媒使用1周后效能即逐步衰退，原子级触媒在电流强度提高10倍、质量电流密度提高30倍的情况下，连续工作8个月、超过32万次电压循环，效率都不会衰退。
陈灿耀是清华少数来自业界的教授。他的硕士、博士、博士后研究都在清华大学取得，毕业后曾任职于台积电、高通。但产业界一成不变的工作型态渐渐无法再满足他，令他下定决心放弃业界的高薪，回到母校任教。
被问到教学与研究，他更爱哪一个？陈灿耀显然难以选择，研究固然是他的最爱，教学的挑战与刺激也同样吸引他，「而且你永远不知道学生在什么时候会给你什么。」他意味深长地笑答。
陈灿耀表示，日、韩等国近年积极发展燃料电池发电厂，2020年的东京奥运更可望采用燃料电池来打造一座氢能城市；若大小仅原子级触媒一半的量子级触媒能成功研发出来，效率将比目前的原子级触媒再提升10倍，绿能生活将指日可待。