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中山大學研發奈米結構光觸媒 可為半導體提供減碳解方

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國立中山大學光電工程學系助理教授李炫錫,在奈米結構光觸媒研究上有了重大突破。他以硫化錫(SnS)/石墨氮化碳(g-C3N4)奈米結構,作為光觸媒,可將二氧化碳轉化為甲烷,克服了以塊狀硫化錫為基底的光觸媒的侷限性。李炫錫20日指出,此一製備技術,非常符合目前的半導體產業基礎設施,應能大規模應用,可望紓解石化燃料價格不斷上漲的壓力,減緩全球暖化現象。

此項新研究,近期刊登於國際知名頂尖期刊「應用催化B:環境」(Applied Catalysis B: Environmental)中。

李炫錫教授帶領「奈米能源與界面實驗室」及博士班學生何莫善(Hossam A. E. Omr)研究光能轉換相關應用,特別是光觸媒系統與奈米結構材料製備,試圖開發儲量豐富、無毒、高效率的吸光材料。

此次研究包含奈米結構材料的結合,以雕刻薄膜技術和簡單的浸漬法,製備出硫化錫石墨氮化碳微結構的奈米複合薄膜。硫化錫/石墨氮化碳奈米結構光觸媒,表現出優異的百分之百選擇性甲烷產率,且可穩定運行超過10小時。

由於硫化錫/石墨氮化碳奈米結構間異質接面形成的加乘作用,因此,該裝置擁有眾多優異表現,例如極佳的光吸收率、結晶度更高、透過C-S鍵結的高效Z型電荷傳輸、以及硫化錫奈米結構表面的良好物理化學性質等。

李炫錫教授指出,光觸媒二氧化碳轉化技術的歷史,可以追溯到1978年。一直以來,科學家和工程師們,致力於開發此項技術,包含設計新材料或改進現有材料。然而,運用該技術從二氧化碳轉化出燃料的生產效率和選擇性,仍然是巨大的挑戰。此研究則將傳統光觸媒石墨氮化碳與硫化錫結合,將二氧化碳轉化為甲烷,在金屬硫化物為基底的觸媒中產率是最高的。

他說,此研究製備的光觸媒與其他相比,達到了從二氧化碳轉化為甲烷最高的百分之百選擇性產率,克服了二氧化碳還原反應的侷限性。與過去的方法相較,這種光觸媒的製備過程簡單、安全且環保,能將二氧化碳轉化為穩定性高且可回收的甲烷,在全球暖化和環境劇變下,期望能減少大氣中的二氧化碳含量,同時為日常生活提供潔淨且可再生的燃料。

若此項技術能廣泛運用在工業中,將會成為減少碳排、與實現環保能源可行的解決方案,並為聯合國永續發展目標SDGs貢獻一份心力。

李炫錫表示,此研究可讓相關領域對奈米結構光觸媒和高效率二氧化碳轉化反應系統,有更深刻的理解。此種硫化錫/石墨氮化碳奈米結構光觸媒,在薄膜型光觸媒和金屬硫化物/石墨氮化碳複合基光觸媒兩大類型中的產率最高;這項新研究,未來可應用於轉化工業排放的二氧化碳,為解決環境問題提供有效解方。研究團隊也將繼續開發雕刻薄膜技術的相關研究,改善二氧化錫半導體的本質特性,並嘗試提升入射太陽能的最佳量子效率。

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