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實驗室

超微細功能材料實驗室

  • 地址:二館2318室
  • 電話:03 - 463-8800 分機 2561 轉 2306
實驗室網頁連結
連續式原子沉積奈米氧化物於高分子隔離膜以提升電池安全性
研究專長

主要研究奈米材料合成技術及特性研究,應用儲能、光電及感測元件開發,主要的研究領域有: 

1. 奈米材料和奈米技術 (微波合成/感應式加熱)
2. 能源存儲設備 (燃料電池/固態電池/鋰離子電池/超級電容器)
3. 電化學分析 (交流阻抗/循環伏安)

4. 原子層沉積技術 (金屬/合金/氧化物)

學生

五年一貫生:黃恆裕、宋柏佑、劉冠謙、卓子翔

專題生:劉沂諾、謝澤楨、黃允睿、廖柏昇、吳旻緯

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實驗室負責人

網管業務: 卓子翔
財產設備: 宋柏佑
環安衛事務: 劉冠謙
帳務業務: 黃恆裕

實驗室簡介

研究工作主要集中於三部份:(1)奈米材料合成及特性分析、(2)能源元件應用及(3)功能性塗層開發,其中之基礎學門知識涵蓋化學、物理、材料與工程。主要研究可以簡單描述如下 

(1)         奈米材料製造及特性分析
奈米材料已被證實具有許多特殊物理及化學性質,值得深入研究。有鑑於此,研究前期先以建立奈米材料製造技術平台為主要目標,期間所開發技術包括奈米模板合成(template synthesis)奈米碳管陣列或金屬氧化物奈米管、化學沉積(chemical vap deposition, CVD)成長奈米管、一階段水熱法合成金屬自催化成長(self-catalytic growth)生成高順向性氧化物奈米纖維陣列、溶凝膠合成奈米球體堆疊表層、改良式化學氧化法合成石墨烯材料以及CVD直接成長奈米管於碳紙/纖維布基材。由於這些奈米材料製造平台建立,陸續衍生應用技術於儲能元件,如電化學電容器、鋰離子電池、染料敏化太陽能電池及燃料電池等相關儲能元件之應用,已發表於SCI期刊中。其衍生相關技術已與郁松科技有限公司與杰昇科技股份有限公司,進行產學合作計畫。

 

(2)     能源元件應用
鋰離子電池技術:為因應全球能源需求,申請人致力於兩種鋰離子陽極材料開發:尖晶石鈦酸鋰(Li4Ti5O12)材料及石墨烯複合材。Li4Ti5O12材料穩定,充放電所導致的體積膨脹非常小(不到0.2%),即使反覆充放電,晶體結構也不容易發生變化,因此循環壽命佳(>1500 Cycles)。此外,Li4Ti5O12電位為1.55 V (vs. Li),不會和電解液反應形成固態電介質界面,電池內阻抗不會上升。並且由於電極不會發生樹枝狀結晶,所以電池單元不會因發熱而發生事故,適合大電流快速充電,可作為高功率快速充放電鋰離子電池的陽極材料。研究團隊採用噴霧造粒技術合成Li4Ti5O12陽極材料,並以新穎且簡單之微波輔助改質技術將多種金屬(如Co、Zn等)摻雜/批覆於Li4Ti5O12,以降低其電位、提高放電率能力及增加電容量,研發具快速充放電之Li4Ti5O12陽極材料。此外,開發以改良式化學氧化法製備石墨烯陽極材料,為了避免石墨烯再結合堆疊,以奈米碳管、奈米粒子(如Fe3O4、MnO及SnO2)隔離石墨烯片,形成三維奈米結構,不僅可應用高動力鋰離子電池,且可改善電化學電容器之功率密度。此製程可有效地增加石墨層間距以降低離子擴散阻力。此石墨烯材料目前已證實可應用於陽極材料,將有利於提升庫倫效率、降低不可逆電容量、提高循環性能以及使鋰離子電池具有高放電率。

 

燃料電池碳膜電極技術:由於燃料電池中的燃料與氧化劑的電化學反應速率甚低,須借助於催化劑加速,因此需要陽極觸媒及陰極觸媒。以質子交換膜燃料電池為例,其主要發電機制來自於電極膜組(Membrane Electrode Assembly, MEA),因此MEA常被稱為是燃料電池的心臟。其中,氣體擴散電極(Gas Diffusion Electrode, GDE)設計對MEA性能影響頗大,常見的控制因子包括微孔層表面堆疊方式、碳材親/疏水性及電化學觸媒活性,但卻極少有文獻有系統地進行研究。嘗試以碳材結構與觸媒設計為研究基礎,結合GDE創新設計與奈米觸媒合成方式,包含化學還原法、脈衝式電化學沉積法、微波輔助合成法及原子層沉積技術製備高性能觸媒,降低觸媒使用量,大幅提升燃料電池性能。在GDE設計部份,新型設計包括奈米碳球堆積、奈米碳管直接接枝及石墨烯薄片沉積於微米級碳紙/纖維布表面,形成新型複合結構。目前在最佳的操作條件下,白金觸媒電極之能量密度可達12 kW/g以上,遠高於文獻發表值。此外亦致力於使用鈀、銀及雙元金屬觸媒(如Pt-Sn、Pt-Zn及Pt-Co)取代純白金觸媒,這些非白金觸媒已證實具有高電化學催化活性、抗毒化及電化學穩定性,對於燃料電池之GDE設計與改良深具潛力。

 

(3)     功能性塗層特性

    本研究室除了致力於上述兩項研究工作,亦由奈米材料製備與表面修飾技術之研究成果中,衍生功能性奈米塗層之相關研究。以「師法大自然」觀念為基礎,建構仿生奈米/微米兩階粗糙超疏水(Superhydrophobic)塗層表面,此奈米表層之疏水/油特性,可提昇建材表面之抗污特性,降低灰塵的沾黏,或透過表層疏水/油特性,能輕易沖洗掉沾黏的灰塵或污垢。開發此自潔表面塗層研究包括奈米結構最適化、奈米分散、黏著劑與低表面能含氟樹脂選擇等問題,此技術已與「中華民國營建工程學會」進行產學合作。由於上述研究工作之材料製造平台提供各種奈米結構(奈米一維、二維及三維結構),有助於超疏水介面行為之基礎研究及理論探討。本研究工作已陸續發表於國際期刊中,其中超疏水之奈米碳管複合結構刊登於「Carbon」期刊,並獲選為封面故事。另一超疏水/油之高順向性二氧化矽奈米結構表面刊登於「Materials Science & Physics」,榮獲2010中國材料學會MCP年度「傑出論文獎」及100年度中國工程師學會「工程論文獎」。

儀器設備

接觸角量測儀 

高溫爐 

真空烘箱 

交流阻抗儀 

電化學分析儀 

流體化床高溫爐 

循環伏安儀

球磨機

均質機

原子層化學氣相沉積系統

手套箱

實驗室照片
化工年會-義守大學
實驗室休閒運動日
2016 畢業典禮
FTIR
AFM
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