全球暖化成因目前推測是大氣溫室氣體增加的原因，尤以二氧化碳為主要因子，限制其排放是2050實現淨零轉型目標的關注重點之一。在各種工廠減碳方式之中，碳捕捉及封存 (CO₂ captureand storage, CCS)技術自2015年巴黎協議以來逐漸受到關注。但是近期發展之中逐漸注意到了現有技術上應用到實務之中仍許多障礙，包含了經濟層面(如研發經費、政府支持及碳價高低等)、技術層面 (如製程效率、新材料及新技術等)、政策面 (彈性政策推動及研發支持)、商業面 (如企業成本回收)等。因此，為了使物質循環及企業生產資源能永續循環，並希望政府政策上支持，近期學研界發展進程思維已從CCS技術關注至碳捕捉及再利用技術 (CO₂ capture, storage and utilization, CCUS)，指的是讓碳排放能捕捉、封存及再利用，使得二氧化碳能在環境之中永續循環，不再增加。

    二氧化碳捕捉技術於學術研究上包含了許多種分類，依捕捉路徑可分為空氣直接捕捉(Direct air capture)、燃燒後捕捉 (Post combustion)、燃燒前捕捉(Pre combustion)、高氧燃燒 (OXY combustion)以及化學迴路(Chemical looping)，就捕捉技術上可分為吸收(Absorption process)、吸附(Adsorption)、薄膜分離(Membrane separation)、化學迴路(Chemical looping)等，二氧化碳捕捉路徑如圖所示[1]
 

圖一、二氧化碳捕捉路徑[1]

[1] Aseem Dubey, Akhilesh Arora, Advancements in carbon capture technologies: A review, Journal of Cleaner Production 373 (2022) 133932

 CO₂化學吸收法源於1930年，此法使用固定床來吸收CO₂及再生吸收劑，已有非常多的文獻(實驗室、示範工廠、商業化工廠規模)。化學吸收法式亦是目前較廣泛的研究方法，可將工廠內含有H₂S、NOx及CO₂氣體的廢氣，透過化學吸收劑在低反應壓力之下，來對二氧化碳(CO₂)產生高選擇率吸收，著名的吸收法包含了運用胺類(Amines)、胺基酸(Amino acids)、冷氨製程(Chilled ammonia process)、碳酸化(Carbonation)等[2]。不過，在實務應用來說，傳統化學吸收法為燃燒後捕捉技術，捕碳之再生能耗過高為相當大的挑戰，且另一大挑戰為設備體積龐大，因需要處理的氣體量龐大、CO₂進氣分壓低氣液間存在明顯的質傳阻力。

    綜上所述，二氧化碳捕捉技術至今歸納出許多可改善面向，實務上仍有相當大進步的空間。本研究中心團隊成員如顧洋講座教授、曾堯宣副教授等近年績效而言，主要是以運用化學迴路方式來捕捉CO₂。其中顧洋講座教授，具備化學迴路反應系統、二氧化碳捕捉及處理等專業研究技術，且曾為國科會永續學門召集人、能源國家型計劃能源科技政策召集人、空汙科研計畫總召集委員、兩期「二氧化碳捕獲及再利用、燃燒後二氧化碳捕獲技術開發」計畫計畫主持人等，並為史丹佛大學透過Scopus論文影響力數據遴選為「終身科學影響力排行榜(1960-2021)排名前2%頂尖科學家」，其具備豐富的淨零技術研究經驗。

    化學迴路程序具有相當大的操作彈性，藉由調控各項可控參數，可以調整產物的氧化程度，若目的是完全氧化，此程序稱為化學迴路燃燒（Chemical Looping Combustion, CLC），若為部分氧化，則依原料性質差異分為固體進料的化學迴路氣化（Chemical Looping Gasification, CLG）與氣體進料的化學迴路重組（Chemical Looping Reforming, CLR）兩類，本研究中心將針對CLC以及CLG進行探討。化學迴路燃燒程序技術(CLC)，是指添加載氧體(Oxygen Carrier)與燃料進行反應，將原有的燃燒反應，分成兩個反應器上進行，形成一反應上化學迴路，讓載氧體不斷在兩個迴圈循環，減少燃燒時產生能耗，最終反應器排放出僅為CO₂的潔淨尾氣，其可再用其他捕捉再利用技術進行回收，且反應器反應產生的熱可用於發電，是個具備高發展潛力的未來潔淨技術，惟目前商業化尚有載氧體價格、用量及壽命、反應器設計等問題需突破，未來將會是研究及技術開發重點項目之一。

    此外，本研究中心團隊成員游承修助理教授，原為德州理工大學博士後研究員，進行二氧化碳捕捉相關研究，而後曾於中鋼能源研發應用部門開發工廠等級之二氧化碳吸收法捕捉模型，在業界具備一定專業技術與合作模式，就化學吸收法在工廠實務開發上，亦具備能設計製程強化設備-超重力旋轉床(Rotating Packed Bed, RPB)來進行CO₂吸收優化等實務能力。就RPB捕碳而言，國內已有中國鋼鐵、長春人造樹脂與台塑公司與學界合作，將學界實驗室的RPB成功地放大到示範工廠規模(30 – 300噸CO₂/年)，於不同氣體排放源實測試捕碳效能。
    最後，針對二氧化碳再利用技術而言，生物去碳化為一新興技術，是透過運用植物改殖技術，可讓植物將二氧化碳轉換為化學品。目前微藻廣泛的分布於陸地、海洋、淡水、極地等各種生態環境中，由於微藻具有生長營養需求低，不需要有機碳源，且其可以利用廢水、廢氣和畸零土地來培養，可以有效降低生產成本並提高過程綜合收益。據估計，生產1公斤藻類生物量需要1.83公斤CO₂，具備相當大的固碳及再利用潛力。隨著合成生物學工具的開發和應用，通過代謝途徑的修飾和設計重構，將二氧化碳的利用重導向至天然或非天然代謝產物的微藻生物合成技術開發模式引起越來越多的關注。這種基於人工設計和理性改造的開發模式主要是通過對微藻的遺傳背景和代謝網絡進行分析，進而根據目標產物合成途徑構建需求，引入外源基因並對內源途徑進行修飾和改造。這種方式具有目標性強與拓展性好的特點。美國藻醇生物燃料技術公司Algenol曾利用合成生物學將乙醇合成途徑進行過量表達於藍藻，獲得了可以利用海水和工業廢氣進行培養並穩定生產乙醇的產醇藻株，該技術除具初步經濟可行性外，並於2015年獲得美國總統綠色化學獎。除生產乙醇外，隨著微藻生物技術應用深度和廣度的全面拓展，利用合成生物學和代謝工程技術，藻類細胞工廠將可合成糖、酸、脂、烴、醛、酮和芳香族化合物等多種重要產品。因此，就未來而言，藻類其實具備高二氧化碳再利用之潛力。本研究中心團隊成員蔡伸隆教授專長在於生物技術運用於環境工程及能源開發，未來擬結合進行利用微藻及藍綠菌生物固碳、基因工程改質菌株以生產特用酵素或化學品等二氧化碳再利用研究議題。
 

圖二、二氧化碳捕捉及再利用技術