文：王潔（麻省理工學(xué)院材料工程學(xué)系博士，永續(xù)任教於清華大學(xué)化工系）、材料材料許惠晴（清華大學(xué)化工碩士班畢業(yè)，戰(zhàn)所造成現(xiàn)為塑膠生物分解相關(guān)領(lǐng)域研究助理）

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• 綠色材料的謂的汙染定義為對(duì)環(huán)境負(fù)荷最小、對(duì)人類健康無(wú)害的綠色材料，如木質(zhì)素燃料電池賦予造紙業(yè)副產(chǎn)物新生命，還會(huì)環(huán)境開(kāi)發(fā)和量產(chǎn)製程不會(huì)破壞當(dāng)?shù)丨h(huán)境又符合經(jīng)濟(jì)效益。永續(xù)
• 材料被使用時(shí)的材料材料狀況、去處應(yīng)該完整考量，戰(zhàn)所造成像是謂的汙染玻璃、寶特瓶、綠色植物等材料組成單純，還會(huì)環(huán)境使用後的永續(xù)回收處理可讓資源生生不息又減少?gòu)U棄。
• 雖然可堆肥塑膠中的材料材料聚乳酸（PLA）是能在自然界降解的塑膠材質(zhì)，但若隨意丟棄還是戰(zhàn)所造成會(huì)像傳統(tǒng)塑膠一樣造成環(huán)境汙染，臺(tái)灣目前也未積極設(shè)置堆肥場(chǎng)所。因此評(píng)估材料性質(zhì)、製程耗能、環(huán)境影響，以及經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、立法層面的配合，才能讓綠色材料普及應(yīng)用並發(fā)揮價(jià)值。

我們的生活與各種材料的使用密不可分，材料的發(fā)展引領(lǐng)人類文明前進(jìn)，材料科學(xué)也被視為現(xiàn)代工業(yè)之母；然而隨著工業(yè)與文明飛速發(fā)展，環(huán)境與社會(huì)議題日漸累積，也令我們不禁回頭思考：總是讓我們予取予求的地球資源，是否也會(huì)有枯竭的一天？一項(xiàng)新材料的誕生，背後所造成的環(huán)境與社會(huì)成本該如何估計(jì)？哪一種材料的設(shè)計(jì)與選擇，才可以對(duì)地球的「永續(xù)」負(fù)責(zé)？

「綠色材料」（green materials）呼應(yīng)人們對(duì)於永續(xù)的考量，成為材料科學(xué)的發(fā)展重點(diǎn)之一。聯(lián)合國(guó)（United Nations, UN）在1992年於巴西里約熱內(nèi)盧（Rio de Janeiro）舉行地球高峰會(huì)議（Earth Summit），讓綠色材料有了更清晰的學(xué)術(shù)定義：在原料採(cǎi)取、產(chǎn)品製造、應(yīng)用過(guò)程、使用過(guò)後的再生循環(huán)利用等環(huán)節(jié)中，對(duì)地球環(huán)境負(fù)荷最小、對(duì)人類身體健康無(wú)害的材料。

而「永續(xù)」這個(gè)名詞近年來(lái)也為各界所聞，並在民間及業(yè)界受到重視，永續(xù)的觀念逐漸在人們心中萌芽。聯(lián)合國(guó)更在2015年宣布17項(xiàng)永續(xù)發(fā)展目標(biāo)（sustainable development goals, SDGs），內(nèi)容涵蓋人類福祉、經(jīng)濟(jì)與文明發(fā)展，還有保護(hù)與我們共存共榮的自然環(huán)境生態(tài)。

這些永續(xù)的概念都可以與電子、金屬、高分子等各種材料領(lǐng)域互相結(jié)合，而且必定需要各界共同朝向目標(biāo)努力，你我也能夠一同思考，如何透過(guò)材料科學(xué)為地球的永續(xù)作出貢獻(xiàn)。

以環(huán)境、經(jīng)濟(jì)平衡為目標(biāo)的材料製程

國(guó)際上對(duì)於環(huán)境條約制訂與永續(xù)執(zhí)行，最不遺餘力的是歐盟（European Union, EU），在條約要求與倡議的風(fēng)氣之下，歐洲國(guó)家的綠色材料研究發(fā)展值得各界參考；以能源議題為例，溫室氣體帶來(lái)的氣候變遷，使得各國(guó)不得不思考如何節(jié)能減碳、使用低碳能源、致力於達(dá)到「碳中和」（carbon neutrality）目標(biāo)。

歐洲就在能源材料上積極發(fā)展可取代化石燃料的天然可再生能源，並在政策上大力推行交通工具電動(dòng)化，因此以高能量密度、安全且友善環(huán)境的儲(chǔ)能技術(shù)與材料研究備受關(guān)注。其中由瑞典林雪坪大學(xué)（Link?pings Universitets）有機(jī)電子實(shí)驗(yàn)室與2017年成立的Ligna Energy 公司共同合作開(kāi)發(fā)、量產(chǎn)的「木質(zhì)素燃料電池」，就是很好的綠色儲(chǔ)能材料。

木質(zhì)素（lignin）是樹(shù)木中的生物聚合物，占樹(shù)木成分為25％，可增加纖維素之間的緊密程度，進(jìn)而使樹(shù)木堅(jiān)韌強(qiáng)壯；但木質(zhì)素其實(shí)是造紙業(yè)的副產(chǎn)物，丟棄如此便宜又容易取得的天然資源實(shí)為可惜。

不過(guò)這天然的材料幸運(yùn)地在電池領(lǐng)域找到了一片天──木質(zhì)素在工業(yè)製造過(guò)程中會(huì)分解成「苯二酚」（benzenediols），而在苯二酚的三種異構(gòu)物中，「鄰苯二酚」（catechol）可作為良好的電池燃料。相較於以甲醇（methanol）和乙醇（ethanol）為基底的燃料電池，由於木質(zhì)素電池發(fā)電後的副產(chǎn)物並非二氧化碳，對(duì)於減少溫室氣體能有所貢獻(xiàn)。

而且與氫燃料電池對(duì)比，木質(zhì)素為可再生資源，現(xiàn)今氫氣則絕大部分來(lái)自天然氣、石油、煤碳等不可再生資源；再相較其他以金屬作為材料的電池，木質(zhì)素原料並不稀少，而且還有一個(gè)間接卻重要的優(yōu)點(diǎn)──木質(zhì)素的取得過(guò)程不同於金屬開(kāi)採(cǎi)耗能，也不會(huì)破壞當(dāng)?shù)丨h(huán)境地形，因此並不會(huì)因?yàn)橥普瓜冗M(jìn)地區(qū)的電氣化而犧牲礦石產(chǎn)地的生態(tài)，可謂符合「環(huán)境正義」（environmental justice）的天然電池燃料。

Photo Credit: 許惠晴提供

此外，木質(zhì)素電池的材料設(shè)計(jì)也十分符合「循環(huán)經(jīng)濟(jì)」（circular economy）概念，循環(huán)經(jīng)濟(jì)是時(shí)下產(chǎn)業(yè)界熱議的名詞，核心價(jià)值是達(dá)成「經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、環(huán)境」三者之間的平衡，同時(shí)也回應(yīng)了永續(xù)發(fā)展目標(biāo)。木質(zhì)素電池賦予造紙業(yè)副產(chǎn)物新生命，也讓資源在生命週期中、使用價(jià)值逐漸降低時(shí)，能透過(guò)修復(fù)與再利用，維持它的價(jià)值並減少?gòu)U棄，減少電池材料的金屬礦物開(kāi)採(cǎi)，也對(duì)維護(hù)環(huán)境有所幫助。

此外，木質(zhì)素電池的開(kāi)發(fā)、量產(chǎn)製程符合經(jīng)濟(jì)效益，更是達(dá)成環(huán)境保護(hù)與經(jīng)濟(jì)社會(huì)互相平衡的目標(biāo)，畢竟經(jīng)濟(jì)發(fā)展仍是維持人類社會(huì)運(yùn)行的重要條件之一，因此現(xiàn)今綠色材料開(kāi)發(fā)者在設(shè)計(jì)材料時(shí)也需要審慎地在各種條件之間進(jìn)行考量。

材料的後端處理

臺(tái)灣近年來(lái)跟進(jìn)世界的腳步，在工業(yè)上也提倡材料的循環(huán)利用，我們身邊伸手可得的資源都可以搖身一變成為循環(huán)綠色材料，例如生活中時(shí)常可見(jiàn)的寶特瓶或玻璃。其中令人驚艷的是玻璃除了回收再製成新的玻璃用品之外，竟然還能經(jīng)過(guò)特殊加工，變成綠色建築材料「輕質(zhì)節(jié)能磚」，並已在臺(tái)灣多處建案中實(shí)際應(yīng)用。

這款兼具資源再利用、實(shí)用性與環(huán)保節(jié)能的建築材料來(lái)自臺(tái)灣開(kāi)發(fā)資材股份有限公司，廠商回收面板玻璃再製成的玻璃砂，會(huì)混合水泥發(fā)泡形成蜂巢結(jié)構(gòu)的堅(jiān)固磚材。玻璃砂中的氧化鋁（aluminium oxide）結(jié)構(gòu)堅(jiān)硬、氧化矽（silica）熱導(dǎo)性低，材料本質(zhì)的優(yōu)勢(shì)被善加利用，除了讓建築物堅(jiān)固還能阻隔豔陽(yáng)，使用少量能源就可以冷卻室內(nèi)溫度。