第一章 緒論
1-1 全球暖化
全球暖化是自工業化前時期（1850 年至 1900 年）以來由於人類活動頻繁增 加所引起地球氣候系統長期的溫度上升，導致增加了地球大氣層中的溫室氣體排 放量。經常與“氣候變化”互換使用，儘管後者是指人為的和自然產生的變暖，
也指對地球的影響，最通常將其衡量為地球全球表面溫度的平均升高，因為從太 陽照射地球的能量（熱量）增加被累積在大氣中，而沒有輻射到太空中，使地球 大氣平均溫度的緩慢升高。
地球的平均溫度約為攝氏 15 度，但現在氣溫的上升速度很快。目前大多數 的暖化趨勢極有可能是人類燃燒化石燃料的結果，由於燃燒化石燃料使溫室氣體 被釋放到大氣中，從而吸收了太陽的熱量且提高了地表溫度和空氣溫度。
圖 1. 1800-2019 年均溫比平均溫度上升或下降變化圖[1]
2
1-2 溫室效應
溫室效應(Greenhouse effect)是地球大氣中的氣體捕獲太陽熱量時發生的過 程，此過程導致地球比沒有大氣層時還要溫暖許多，溫室效應是讓地球成為舒適 居住環境的原因。地球的大氣層就像溫室一樣的作用，即使在冬天也可以保持溫 暖。白天時，陽光照進溫室裡，此時室內是溫暖的，到了晚上外面較冷，溫室裡 卻很溫暖，是因為溫室的玻璃牆會吸收太陽熱量減少了空氣的流動，而提高溫室 內的氣溫。溫室效應在地球上的作用方式一樣，大氣層使地球所處的溫度以便人 類生存。大氣中的氣體(包括二氣化碳、一氧化二氮、甲烷、臭氧、氟氯碳化物 及水蒸氣等等)會吸收太陽輻射出的熱量，大約有三分之一的太陽能被直接反射 回太空，剩下的三分之二會被地球表面吸收，很少部分被大氣吸收，如同溫室的 玻璃屋頂，這些會吸收熱能的氣體稱之為溫室氣體（GHGs）。因此，沒有地球的 自然溫室效應，就不可能有我們現在的生活。但是，人類燃燒煤炭、石化燃料和 焚燒樹林，正在改變地球的自然溫室效應。
圖 2. 溫室效應示意圖[2]
3
1-2-1 溫室氣體
自工業革命開始以來，主要來自化石燃料燃燒的二氧化碳排放量急劇增加。
一般而言，造成地球氣候暖化的自然界所存在氣體主要有五種，包括二氣化碳 (CO2)、一氧化二氮(N2O)、甲烷(CH4)、氟氯碳化物(CFxCly)及水蒸氣(H2O)等[3]，
對於氣候變得溫暖影響最大的溫室氣體是水蒸氣，但是它只在大氣中短暫停留，
而二氧化碳停留時間卻很長，其中四分之三以上是二氧化碳，其他溫室氣體，例 如甲烷和一氧化二氮也是透過人類活動釋放出，但它們的含量低於二氧化碳。
圖 3. 1980-2019 年均溫變化和二氧化碳排放量圖[4]
圖 4.全球溫室氣體排放比例圖[5]
4
1-2-2 溫室氣體的主要來源[6]
二氧化碳:自然過程中，如：光合作用、呼吸作用、火山爆發、海洋、土壤與沼 澤。但目前有 75﹪以上是人為排放，自工業革命後，二氧化碳含量從 340ppm 升 高到現今為 420ppm(圖 3)，世界各國大量使用石油、天然氣、煤礦等石化燃料 是主要造成的因素。並且，二氧化碳在大氣中可存在 50-150 年以上，這說明了 自然界中本身就會累積少量的二氧化碳，不過由近期的二氧化碳含量顯現出大幅 度成長，由此可知人為影響因素十分可觀。
甲烷:為第二大的溫室氣體，僅次於二氧化碳，是天然氣中最主要的成分，為常 見的石化能源之一，捕捉熱能的能力遠大於二氧化碳，幸好在大氣中只能存在較 短時間(約 12 年左右)。在缺氧的土壤中，包括農田、沼澤、湖泊等，透過厭氧 甲烷菌將有機物質分解產生甲烷，或是畜牧業所排放出的廢氣所產出。
一氧化二氮:為三大溫室氣體之一。自然來源包含海洋、土壤、大氣中氨的化學 氧化，或是人們使用肥料中的氮轉化生成、工業(生產尼龍製品等)、石化燃料排 放、汙水以及生物質燃燒等，其中從農業土壤中的排放量為主。
氟氯碳化物：工業化時期以前在大氣中是不存在的，是由人類產生，具高穩定性，
因此不易分解，為破壞臭氧層的元凶，來源為工業製品，包括冰箱或是冷氣機等 電器產品中的冷媒、清潔劑、發泡劑等日常用品。
5
1-3 二氧化碳處理方法
為了解決二氧化碳含量過多的問題，已成為近期學術研究的目標，大氣中二 氧化碳的減量方法大致分為四大類：分離、轉化、固定、儲存。其中儲存與轉化 這兩種方式可相輔相成，例如能透過碳捕捉與封存(Carbon capture and storage，
CCS)的能源技術，將二氧化碳捕獲且儲存起來後，搭配光催化還原的方式，將
6 (eV)以上的光源(也就是波長為 380nm 以下的紫外光)[12]，若使用可見光波長範
7
價電帶(Valence Band)電子接受光能量被激發而躍遷過能隙(Band Gap)至導電帶 (Conduction Band)，價電帶因為缺乏電子所以形成電洞。光觸媒材料所產生的電 子-電洞對有高電子傳遞的特性，而能夠與反應物有效地氧化還原。
（二）能有效分離和傳輸電子-電洞對(Electron-electron hole pair)；光催化反應必 須延緩電子-電洞對的再結合速率，以反應動力學的觀點來看，若是電子-電洞對
8
圖 5. 光催化反應過程中的步驟。R：還原反應中的化學物質，O：氧化反應中 的化學物質。（Ι）吸收光以產生電子-電洞對；（Π）分離激發電荷；（Ⅲ）將電子 和電洞轉移到光觸媒的表面；(Ⅲ'）電子和電洞的複合；（IV）利用表面上的電荷 進行氧化還原反應[13]
1-6 表面電漿共振效應對光催化反應之影響
當金屬奈米粒子被波長遠大於該粒子大小的光照射激發，此特定波長電磁波 由介電質進入金屬表面時，金屬粒子內電子受到光的電磁波擾動而瞬間極化，使 得電子分布不均，電荷密度會有高低差異而重新分佈，這樣電荷產生密度不均會 使 金 屬 自 由 電 子 在 兩 介 質 接 面 產 生 震 盪 現 象 稱 之 為 表 面 電 漿 共 振(surface plasmon resonance，SPR)。由於某些特定金屬顆粒(例如：金、銀、銅)吸收波段 都位在可見光區域，藉由結構些微調整來獲得所需之吸收波段，再利用可見光(例 如模擬太陽光)來做光催化反應，金屬與吸附物(二氧化碳)間電子轉移所造成電 子能階分佈改變而引發光催化機制。
9