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世界創舉!中山大學跨國研發綠能材料「氧化石墨烯黏土」登上Nature

 2019-02-19 16:26
中山大學化學系副教授陳軍互帶領博士生張仁懷,與美國西北大學材料工程系Prof. Jiaxing Huang研究團隊跨國研發綠能材料「氧化石墨烯黏土」登上Nature。
中山大學化學系副教授陳軍互帶領博士生張仁懷,與美國西北大學材料工程系Prof. Jiaxing Huang研究團隊跨國研發綠能材料「氧化石墨烯黏土」登上Nature。

全球再生能源發展可望有重大突破!國立中山大學化學系副教授陳軍互帶領博士生張仁懷,與美國西北大學材料工程系Prof. Jiaxing Huang研究團隊合作開發尖端奈米材料「石墨烯(graphene)」,歷時半年,成功研發出高度濃縮的嶄新產物「氧化石墨烯黏土」,為綠能產業材料─石墨烯商品的加工與儲存運輸帶來前所未有的便利性,並能降低石墨烯材料運輸成本至原本的1/500,這項創舉榮登國際頂尖期刊「自然通訊」(Nature Communications)。

近幾年來,再生能源的電催化技術是全球對抗極端氣候的重要科學議題,電催化電極或電池元件更是其中必要的成功關鍵,當前手法大多是透過石墨烯液體或膠體塗佈到載體上來進行,但因為缺乏自我支撐力,讓很多科技上的理想結構到了實際生產上,即面臨既困難又繁雜的窘境,甚至無法實現。中山大學化學系副教授陳軍互指出,大部份石墨烯研究與產品的關鍵原料─氧化石墨烯(graphene oxide)也是如此,由於該材料的化學特性,當前大多採用低濃度氧化石墨烯溶液(例如1 mg/mL)為主要原料,但如此低濃度的溶液(99.9%重量皆為溶液,氧化石墨烯僅占0.1%)會在產業化長途運送、特別是跨國輸送與儲存過程中產生極大成本,這也是石墨烯技術普及化的一大瓶頸。

「『氧化石墨烯黏土』(graphene oxide dough)可以高度延展,且能自由重複塑形,就像一般孩童的黏土玩具!」陳軍互副教授強調,氧化石墨烯黏土單純由氧化石墨烯與水組成,不含任何有機溶劑或化學黏合劑,相較於石墨烯固態粉體,更能保存石墨烯的優異特性。該材料不但具有黏著性,可隨意黏接,又能自行維持3D結構,解決了當前科技遭遇到的困境,「製作超大面積或特殊外型電池、電極元件指日可待。」例如一公斤的氧化石墨烯黏土,可以轉化成500公斤的上述水溶液原料(1 mg/mL),將運輸成本降低至原來的1/500,同時體積也大幅縮小,增加了跨國運送的安全性,。

陳軍互副教授進一步解釋,石墨烯黏土內的水分子可簡單地透過加熱去除 ,保有電催化劑活性不受黏著劑的干擾影響,使其成為再生能源與電化學研究的一大利器。這項突破性的研究成果結合台美雙邊電化學專長與石墨烯材料技術,目前已被國際科技媒體廣泛報導。本次跨國研究重要推手Prof. Jiaxing Huang 為全球頂尖知名的石墨烯材料學者,他的學術貢獻被頒予Humboldt Research Award與當代高度引用學者等殊榮,獲獎無數;中山大學團隊則期許此合作研究後續能為台灣再生能源發展與石墨烯技術,提供一國際領先的技術平台。

期刊全文請見https://www.nature.com/articles/s41467-019-08389-6

※【附錄】

什麼是石墨烯?石墨烯於2010年獲得諾貝爾獎肯定後,已成為近來全球的熱門話題;全球科學家們積極拓展石墨烯在眾多新興科技上的應用,例如證實石墨烯能幫助快速篩檢血糖等生醫代謝分子,或提升新型電池的儲電量。近期也有不少民生用品搭上石墨烯熱潮推出相關商品。簡而言之,石墨烯(graphene)是由單層碳原子以正六邊形共價鍵連續組成的一種新興材料。

中山大學化學系陳軍互副教授的研究團隊致力於石墨烯與其複合材料的製備,並針對其在潔淨能源電化學與生醫感測技術上的深入探討,重點研究成果包括半導體薄膜水分解技術,石墨烯複合材料用於燃料電池催化劑以及石墨烯量產技術及應用(Journal of Materials Chemistry A, 2018; Scientific Reports, 2016/2017)

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