永續材料的挑戰：所謂的「綠色材料」，還是會造成環境汙染？

文：王潔（麻省理工學院材料工程學系博士，任教於清華大學化工系）、許惠晴（清華大學化工碩士班畢業，現為塑膠生物分解相關領域研究助理）

我們的生活與各種材料的使用密不可分，材料的發展引領人類文明前進，材料科學也被視為現代工業之母；然而隨著工業與文明飛速發展，環境與社會議題日漸累積，也令我們不禁回頭思考：總是讓我們予取予求的地球資源，是否也會有枯竭的一天？一項新材料的誕生，背後所造成的環境與社會成本該如何估計？哪一種材料的設計與選擇，才可以對地球的「永續」負責？

「綠色材料」（green materials）呼應人們對於永續的考量，成為材料科學的發展重點之一。聯合國（United Nations, UN）在1992年於巴西里約熱內盧（Rio de Janeiro）舉行地球高峰會議（Earth Summit），讓綠色材料有了更清晰的學術定義：在原料採取、產品製造、應用過程、使用過後的再生循環利用等環節中，對地球環境負荷最小、對人類身體健康無害的材料。

而「永續」這個名詞近年來也為各界所聞，並在民間及業界受到重視，永續的觀念逐漸在人們心中萌芽。聯合國更在2015年宣布17項永續發展目標（sustainable development goals, SDGs），內容涵蓋人類福祉、經濟與文明發展，還有保護與我們共存共榮的自然環境生態。

這些永續的概念都可以與電子、金屬、高分子等各種材料領域互相結合，而且必定需要各界共同朝向目標努力，你我也能夠一同思考，如何透過材料科學為地球的永續作出貢獻。

以環境、經濟平衡為目標的材料製程

國際上對於環境條約制訂與永續執行，最不遺餘力的是歐盟（European Union, EU），在條約要求與倡議的風氣之下，歐洲國家的綠色材料研究發展值得各界參考；以能源議題為例，溫室氣體帶來的氣候變遷，使得各國不得不思考如何節能減碳、使用低碳能源、致力於達到「碳中和」（carbon neutrality）目標。

歐洲就在能源材料上積極發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化，因此以高能量密度、安全且友善環境的儲能技術與材料研究備受關注。其中由瑞典林雪坪大學（Linköpings Universitets）有機電子實驗室與2017年成立的Ligna Energy 公司共同合作開發、量產的「木質素燃料電池」，就是很好的綠色儲能材料。

木質素（lignin）是樹木中的生物聚合物，占樹木成分為25％，可增加纖維素之間的緊密程度，進而使樹木堅韌強壯；但木質素其實是造紙業的副產物，丟棄如此便宜又容易取得的天然資源實為可惜。

不過這天然的材料幸運地在電池領域找到了一片天──木質素在工業製造過程中會分解成「苯二酚」（benzenediols），而在苯二酚的三種異構物中，「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，由於木質素電池發電後的副產物並非二氧化碳，對於減少溫室氣體能有所貢獻。

而且與氫燃料電池對比，木質素為可再生資源，現今氫氣則絕大部分來自天然氣、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，木質素原料並不稀少，而且還有一個間接卻重要的優點──木質素的取得過程不同於金屬開採耗能，也不會破壞當地環境地形，因此並不會因為推展先進地區的電氣化而犧牲礦石產地的生態，可謂符合「環境正義」（environmental justice）的天然電池燃料。

Photo Credit: 許惠晴提供

此外，木質素電池的材料設計也十分符合「循環經濟」（circular economy）概念，循環經濟是時下產業界熱議的名詞，核心價值是達成「經濟、社會、環境」三者之間的平衡，同時也回應了永續發展目標。木質素電池賦予造紙業副產物新生命，也讓資源在生命週期中、使用價值逐漸降低時，能透過修復與再利用，維持它的價值並減少廢棄，減少電池材料的金屬礦物開採，也對維護環境有所幫助。

此外，木質素電池的開發、量產製程符合經濟效益，更是達成環境保護與經濟社會互相平衡的目標，畢竟經濟發展仍是維持人類社會運行的重要條件之一，因此現今綠色材料開發者在設計材料時也需要審慎地在各種條件之間進行考量。

材料的後端處理

台灣近年來跟進世界的腳步，在工業上也提倡材料的循環利用，我們身邊伸手可得的資源都可以搖身一變成為循環綠色材料，例如生活中時常可見的寶特瓶或玻璃。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，竟然還能經過特殊加工，變成綠色建築材料「輕質節能磚」，並已在台灣多處建案中實際應用。

這款兼具資源再利用、實用性與環保節能的建築材料來自台灣開發資材股份有限公司，廠商回收面板玻璃再製成的玻璃砂，會混合水泥發泡形成蜂巢結構的堅固磚材。玻璃砂中的氧化鋁（aluminium oxide）結構堅硬、氧化矽（silica）熱導性低，材料本質的優勢被善加利用，除了讓建築物堅固還能阻隔豔陽，使用少量能源就可以冷卻室內溫度。