成大化工龔仲偉團隊 多孔金屬骨架研究成果登PCCP封面

成大化工系副教授龔仲偉與團隊的研究成果,登上國際期刊PCCP內頁封面,背景是台灣鹽田。圖/成大提供
成大化工系副教授龔仲偉與團隊的研究成果,登上國際期刊PCCP內頁封面,背景是台灣鹽田。圖/成大提供

科技發展帶動商用電池成為全球熱門話題之一,而學界也紛紛投入電化學效能相關研究。成大化工系副教授龔仲偉與團隊研究多孔金屬有機骨架材料應用於能源儲存過程的離子與電子傳輸行為,成果受物理化學領域的學門指標性期刊《Physical Chemistry Chemical Physics》青睞,成為2022年5月7日發布之第17期期刊封面內頁的專題,全球矚目。

龔仲偉指出,依據多孔金屬有機骨架材料(Metal–Organic Framework,簡稱MOF)架構下的電化學反應,影響效能的決定因素在於兩個主角「離子」與「電子」的流通速度是否能一樣快,若有任一方速度較慢,就會影響整個電化學反應成效,因此首要目標就是創造能讓離子與電子跑得一樣快的環境。

龔仲偉表示,現在國際上也有不少探究原因的研究,但得出的結論並不多,更存在許多爭議空間。例如,有些文章認為電化學反應的表現受限於電子傳遞速度,但也有文章提出許多實驗模型,認為是離子進出速度不夠快才導致電化學反應效果不彰。

眾說紛紜下,龔仲偉與團隊成員選擇利用具備高度水穩定性之「以鋯為基底的金屬有機骨架」製造出不同大小的孔洞結構,並在裡面安裝錳的反應位置,再以反應物離子濃度為變因測試反應效果。

結果發現,反應物的離子濃度需要大於0.5M(體積莫耳濃度)才能確保離子不會影響整體效能;同時,金屬有機材料的孔洞越大,電化學反應效果越好,但若離子濃度超過0.5M,孔洞再大也無益於電化學反應的效果,意即離子濃度超過0.5M後,影響整體的就是電子傳遞速度,而這就只與材料本身內部所安裝的反應位置之間的距離有關。

其中,「0.5M」可以說是這項研究發現的重要參數。龔仲偉說,由於平面電極的反應通常不需要這麼高的濃度,一般學者通常只會使用0.1M到0.05M的離子濃度來實驗,而不會想到提高離子濃度的結果。但團隊此次發現提高離子濃度的重要性,將會給予未來實驗者更多設計實驗的啟發。

不過,由於多孔金屬有機骨架的發展至今僅約20餘年,目前世界上可見的應用僅有吸附劑或分離膜的產品,且都是新創科技公司居多,甚至是反應系統也仍在學術研究的階段,因此要談到技術或應用都還言之過早。

但是在國際上眾多研究中獲得的突破性成果仍獲得英國皇家化學學會旗下的指標性期刊《Physical Chemistry Chemical Physics》(簡稱PCCP)的青睞,並在該期刊登約90篇文章中脫穎而出,獲選內頁封面。此外,龔仲偉也在封面設計中放入台灣鹽田為圖片背景,藉由自己的研究,讓台灣在國際舞台被世界看見。

成大化工系副教授龔仲偉與團隊的研究成果,登上國際期刊PCCP內頁封面。圖/成大提供
成大化工系副教授龔仲偉與團隊的研究成果,登上國際期刊PCCP內頁封面。圖/成大提供
成大化工系副教授龔仲偉與團隊的研究成果,登上國際期刊PCCP內頁封面。圖/成大提供
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