研發服務平台亮點成果獎─佳作獎

使用平台：國家高速網路與計算中心「台灣杉一號超級電腦」

自從人類進入工業時代，使用了大量的化石燃料，例如煤炭、石油、天然氣等，所排放出的溫室氣體破壞了地球的宜居條件，引發氣候變遷，對全球經濟發展與人類生活安全造成威脅。為了維繫地球家園，2021年聯合國氣候變遷大會達成了「2050淨零碳排」的共識，減少化石燃料已是必然的趨勢，因此尋找新興的綠色能源，就成為了全球科學家的重要任務。其中「氫能」因擁有容易燃燒、排水不排碳的特性，並且氫又是宇宙中含量最豐富的元素，因此被視為綠色能源的明日之星。

電腦模擬計算　提升綠能材料研發效率

在綠氫商轉的關鍵技術之一，就是尋找更低成本的催化劑。隨著資訊科技快速發展，透過科學計算及電腦模擬工具可以快速推演各種原子級微觀特質，例如結構、穩定度、電子結構、熱力學及動力學性質等，在瞭解複雜的催化反應步驟及關鍵步驟之後，便可能找到催化劑的設計方向。國立清華大學工程與系統科學系、材料科學工程學系及半導體研究學院的陳馨怡副教授，於2016年創立能源材料模擬實驗室，致力於運用模擬計算工具，設計與優化綠色能源的催化劑或材料，目前實驗室從事催化劑、儲能、半導體、高熵、多尺度模擬等五大模擬計算研究。陳馨怡說明，電腦模擬克服了傳統催化劑設計及優化實驗耗時又耗材的限制，並且在超級電腦運算的加持之下，大幅縮短優質催化劑研發時間，可望縮短達成淨零碳排的時間。

模擬計算是高度仰賴超級電腦的研究工作，因此陳馨怡與國家高速網路與計算中心（簡稱國網中心）進行密切的合作。陳馨怡表示，國網中心的超級電腦能夠提升VASP（維也納第一原理計算套件）等材料平行模擬計算軟體的執行效率，而實驗室主要是使用國網中心的台灣杉一號超級電腦，來完成許多尖端研究題目，例如2023年甫獲得國家實驗研究院研發服務平台亮點成果佳作獎的「計算催化工具於綠色再生能源相關材料設計、優化與描述符（descriptor）開發」，成功發展新一代符合綠色製程的催化劑，來合成並分解氫燃料的載體：氨氣，幫助綠氫運輸更加安全與環保。

超級電腦高速運算　快速找到材料解方

氫能依據製造過程的不同，可分類為「灰氫」、「藍氫」、「綠灰氫」、「綠氫」，前三種因製造過程中排放過多二氧化碳或是成本過高，難以發展成為具經濟效益的綠色能源；而運用電解水分子產生的「綠氫」，因電解過程中不會產生二氧化碳，是目前科學家主力發展的氫能源方向。但是氫的儲存和運輸非常困難，傳統多採用高壓儲存的方式進行運送，然而科學家發現如果利用氨氣做為載體，可以更方便又安全地儲存氫能源。

陳馨怡進一步說明，最重要的是電解水的電力來源也要從再生能源（綠電）而來，因此以氨做為氫燃料的載體，也需利用綠電將綠氫與氮氣合成而來，才能稱為「綠氨」。得獎研究是運用量子力學的理論，不需要實驗參數和資料庫，只要給定原子的種類和位置，以第一原理計算，去了解綠氨製造過程中所用的催化劑材料效能及反應機制，在台灣杉一號超級電腦運算之下，現階段的研究成果成功設計了幾種催化劑，能夠克服產氨反應時的「氫中毒」和「氮解離之高耗能」這兩大難題，大幅降低了整體反應能耗。

陳馨怡認為，材料模擬計算的迷人之處，就是能夠基於科學理論之上，探討原子之間各種作用力的原因，並找到最貼近真實的答案。如今，得益於超級電腦的幫助，可以運用更複雜的工具、挑戰更困難的題目，從而於更為廣袤的研究領域中遨遊。

傳承學習經驗 與國網中心共同培育人才

陳馨怡身為材料模擬科學家，學生時代卻是做陶瓷材料的實驗，在攻讀碩士時期，經由指導教授的鼓勵，嘗試學習陶瓷製程模擬計算，沒想到卻成為往後主要的研究道路。當時實驗室沒有做模擬計算的電腦和軟體，因此陳馨怡找到了國網中心的資源，也參加多堂國網中心開設的專業課程，奠定了模擬計算相關知識基礎。她畢業後進入中央研究院原子與分子科學研究所，在魏金明博士的實驗室奠定了模擬計算的專業能力，也經由魏金明的引薦，赴英國倫敦大學學院取得博士學位。

陳馨怡也以自身經驗鼓勵學生參加國網中心相關課程，把握各項珍貴的資源，表示：「目前實驗室共有將近30位的研究生，如果沒有國網中心的資源，難以完成如此龐大的模擬計算研究，很感謝國網中心讓我們能夠自由、大量地運用相關資源，才能在短時間內發表高水準的學術論文；也很感謝我的學生認真學習，才有如今的好成績。」

下一階段，陳馨怡的目標是建立一個能夠快速完成材料篩選、效能預測的模擬計算與實驗資料庫數位平台，提供材料開發與設計之實際建議，藉此縮短新興能源材料開發週期，「環保是我的堅持、人生價值觀，雖然我現在是一名大學教授，但是希望透過我的研究專長及人生經驗，培育更多人才，為推動環境永續盡一份心力，進而能幫助更多眾生。」陳馨怡期盼未來能夠更深化與國網中心的合作，攜手推動淨零碳排的願景，為實現無碳家園盡一份心力。