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水與非水媒介的不同之處：為何二氧化碳在這兩種環境中的表現截然不同？
隨著全球暖化議題日益嚴重，科學家們正在尋找有效的方法以減少大氣中的二氧化碳，其中一項引人注目的技術是光電化學還原二氧化碳。這一過程能夠利用光能將二氧化碳轉化為一氧化碳或各類烴類化合物。當中，水相與非水相介質的影響成為研究的焦點，其結果顯示在不同媒介中二氧化碳的行為截然不同。
在水相中，二氧化碳的溶解度約為35 mM，而在甲醇及乙腈中，溶解度則高達210 mM。
光電化學過程的背景
許多研究顯示，水相和非水相介質對二氧化碳還原過程的影響至關重要。透過光電化學的方式，科學家們能夠選擇合適的催化劑，以及不同的媒介，以提高二氧化碳的轉化效率。這一過程可追溯到義大利光化學家Giacomo Luigi Ciamician，他早在1912年就理論上預測了這種可能性，認為利用合適的催化劑可以使水和二氧化碳的混合物轉化為氧氣和甲烷。
熱力學及其對周圍環境的影響
熱力學的考量對於理解二氧化碳的還原過程至關重要。在水相中，二氧化碳的單電子還原反應需要的電位為-1.90 V，而此反應的熱力學不利性來自於分子間的重組能量。然而，聯合質子多電子還原相對簡單，這使得在水相的光電化學反應更具可行性。
動力學挑戰
雖然聯合質子多電子還原在熱力學上較為有利，但在動力學上這一過程遇到巨大挑戰。尤其是在半導體界面上，逐步吸附和消耗產生的中間物種會導致高過電位。研究人員已經部署了多種p型半導體，如p-GaP、p-CdTe和p-InP等，來提升這一過程的催化效率。
“在光照下，由於半導體/液體界面的能帶彎曲，紅氧物種的還原反應在照明下的p型半導體上實現了比金屬電極更少的負電位。”
水相系統中的二氧化碳還原
在水相中，p-GaP被廣泛用作光陰極，成功地還原二氧化碳生成形式酸、甲醇及一氧化碳等。而在不同的p型半導體中，所產物的分佈各有不同，其中p-InP及p-CdTe系統能夠生成一氧化碳及形式酸。
非水相系統的優勢
相較於水相，在非水相系統，如DMF、乙腈及甲醇中，可實現更高的催化電流密度，這是因為二氧化碳的溶解度更高，且傳輸限制較少。在非水相系統中，主要產物為一氧化碳，並且可以有效降低氫氣的生成，這對於二氧化碳的選擇性還原來說是個重要優勢。
“在非水相中，二氧化碳的還原過程發現主要經由單電子還原至CO2●−自由基，然後通過與未還原的二氧化碳反應來生成一氧化碳。”
結論：未來的發展趨勢
水相和非水相介質在二氧化碳的光電化學還原中各有其獨特的優點與挑戰。隨著科學研究的深入，如何在這兩種介質中選擇合適的催化劑和反應條件，將成為提升減碳技術有效性的關鍵。面對氣候變遷的挑戰，我們是否能找到最佳的解決方案來促進這項技術的廣泛應用呢？
