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• 國家同步輻射中心的X光技術具備高亮度、高解析度與元素專一性等特性，能支援綠能、生醫等尖端研究，並進行反應中的即時量測，加速材料研發。
• 電化學能源技術在淨零碳排趨勢下扮演關鍵角色，但仍面臨效率、壽命、安全等挑戰，需要先進研究工具來解析反應機制並加速材料開發。
• 同步輻射中心的 XAS、XPS、XRD、XRM 等分析技術，能使科學家深入研究材料結構、表面特性及微觀結構，對電池與催化劑的研發具重要價值。

新竹的國家同步輻射中心（National Synchrotron Radiation Research Center, NSRRC，簡稱國輻中心）可謂分析技術的大本營，能提供研究人員不同的光譜、影像與結構分析技術。若是將國輻中心內的各項技術比喻為戰鬥機，那麼國輻中心就如同航空母艦一般，可承載不同類型的戰鬥機；而在一般貴重儀器中心的技術則像是小型無人機；個人實驗室的設備就顯得跟蚊子一樣小了（圖一）。

雖然許多同名稱設備使用的分析技術原理相同，卻會因為在儀器性能上的極大差異，導致很多工作可以在國輻中心進行，但無法在一般貴儀中心進行，或必須花費很多的時間。同步輻射光源技術提供的高亮度、高解析度與元素專一性的X 光，可說是解析材料結構與電子特性的強大工具，除了可支持綠能、生醫、奈米科學等尖端研究，還能進一步推動基礎科學研究與尖端技術創新。此外，同步輻射光源技術也特別適用於需要即時量測（in situ/ operando，又稱臨場）的研究，使得研究人員能夠在反應過程中即時觀測材料的結構變化、化學狀態與界面反應，進而加速材料科學與技術的研發。

當同步輻射遇上電化學

隨著全球淨零碳排（net zero）趨勢加速發展，各國政府與企業紛紛承諾在2050 年前實現碳中和，使得低碳能源技術成為全球關注的焦點。筆者團隊長期關注電化學能源技術，例如鋰離子電池、固態電池、燃料電池、高值化產氫〔註1〕、金屬電池、氨的電合成與二氧化碳電催化還原反應等研究，這些技術不僅在能源轉型中扮演關鍵角色，更支撐著再生能源儲存、電動車發展、無人載具應用與工業減碳等領域的發展。然而，上述電化學能源研究在現階段仍面臨能量密度、庫倫效率、能源效率、循環壽命、安全性和穩定性、產物選擇性〔註2〕，以及研究成本等挑戰，因此需要先進的研究工具來解析反應機制與加速材料開發。

〔註1〕目前政府對高值化的定義為產品附加價值率必須大於30％，其中包括員工薪資、設備支出、供應商貨款等。

〔註2〕當產物很多時，生產產物的比例即是選擇性。

其中，X 光技術在現代材料科學研究中扮演著關鍵角色，筆者團隊長期應用國輻中心設施強大的分析能力，進行與X 光相關的電化學能源材料研究，例如電池與催化劑材料的研發與最佳化。國輻中心有許多與X 光相關的技術，以下僅介紹X 光吸收光譜（X-ray absorption, XAS）、X 光電子能譜（X-ray photoelectron spectroscopy, XPS）、X 光繞射（X-ray diffraction, XRD）及X 光顯微術（X-ray microscopy, XRM）四種常見技術在電化學能源技術研究的應用。

用於研究材料局部結構的XAS

XAS 是一種專門研究材料內部結構與化學態的技術，能夠提供關於原子的局部結構與價態等重要資訊。在電池研究中，XAS 可用於即時觀察電極材料在充放電過程中的氧化態變化和局部結構演變，像是觀測鋰離子電池三元NMC111 正極材料在充放電過程中即時的X 光吸收光譜變化情形。透過XAS技術，可觀察電池是以何種元素做為氧化還原活性中心，幫助研究人員發現影響電池容量與穩定性的關鍵因素，由此調整材料設計與提升性能。

而在催化劑領域，XAS 可深入分析催化劑的活性中心結構與氧化還原反應過程，用來研究貴金屬或非貴金屬催化劑的原子價態變化與配位結構，找出反應機制並提升催化劑的活性與耐久性，讓研究人員可以直接觀測材料在實際工作條件下的動態行為，有助於開發高效、長壽命的催化劑材料。舉例來說，科學家透過「臨場X 光吸收光譜技術」分析層狀雙氫氧化物（Ni-Mn LDHs）催化劑在析氧反應〔註〕的反應中心價態與結構變化（圖二），發現此催化劑的催化中心為鎳（nickel, Ni）；再進一步分析後則證實三價鎳離子（Ni³⁺）可用於分解水分子，解開科學家對反應中心價態的爭議。

〔註〕指水氧化分解，產生氧氣的反應。

用於了解材料表面特性的XPS

XPS 技術專注於探測材料的表面化學態與鍵結等訊息，可用於分析材料的表面特性與元素組成。在電池領域，XPS 通常用於研究固態電解質界面（solid-electrolyte-interphase, SEI）的形成與組成。……【更多內容請閱讀科學月刊第663期】