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香港理工大学研发高速传导性能的最新半导体纳米纤维


来源:香港理工大学

[导读]  香港理工大学(理大)机械工程学系采用崭新科技,将传导性能高的纳米材料植入半导体纳米纤维,研发出的合成物具高速传导性能,因而应用范围广泛,应用于创造洁净能源和环境的范畴,效果尤佳。

中国粉体网讯  香港理工大学(理大)机械工程学系采用崭新科技,将传导性能高的纳米材料植入半导体纳米纤维,研发出的合成物具高速传导性能,因而应用范围广泛,应用于创造洁净能源和环境的范畴,效果尤佳。


这项发明于第四十五届国际发明展获颁「评判特别嘉许金奖」,发明展于今年3月29日至4月2日于瑞士日内瓦举行。


解决议题


半导体材料可制成非常细小的纳米纤维,直径小至60纳米(少于一根人类头发的千分之一),在今日社会广泛应用于光子产品 (如:太阳能电池、清洁环境的光触媒),亦有用于非光子产品 (如: 生物化学感应器、锂电池)。半导体吸收光或能源后,会激发电子和电洞的产生,形成电流及讯息;然而,电子和电洞容易快速复合,导致流动减少,相关功能亦因而大减。这特性令半导体纳米纤维的应用与发展大受制肘。


理大机械工程学系团队研发的崭新科技,正能解决上述问题。团队由创新产品与科技讲座教授梁焕方教授率领,采用静电纺纱技术,将传导性能高的纳米材料(例如:石墨烯、碳纳米管),植入半导体纳米纤维(例如:二氧化钛 TiO2),制成具高速传导性能的半导体纳米纤维,其仿如为电子流动筑建的高速公路,大大提升电子流动速度,减少电子与电洞复合情况。


高速传导性能的半导体纳米纤维的应用与发展范畴非常众多,梁教授的团队先在两大环保范畴作应用研究: 太阳能电池,以及清洁环境的光触媒。


提升太阳能电池效率


研发最新世代的太阳能电池,包括颜料敏化太阳能电池(Dye Sensitized Solar Cell /DSSC)及钙钛矿太阳能电池(Perovskite Solar Cell),是发展清洁及再生能源的未来方向。然而,要更广泛应用,仍需着力研究两大范畴: 提升能量转换效率,以及减低生产成本。


理大团队以突破性科技,将碳纳米管/石墨烯植入颜料敏化/钙钛矿太阳能电池内的二氧化钛 (TiO2) 半导体纳米纤维,证实能量转换效率提升40-66%。在成本效益方面,如与市面普通使用的多层晶体硅太阳能电池比较,按其产生一度电的电费为US$0.25 (HK$1.94) 作推算,有植入碳纳米管的颜料敏化太阳能电池的成本会高12 - 32% (HK$2.18 - 2.56);而有植入石墨烯的钙钛矿太阳能电池的成本则低28 - 40% (HK$1.17 - 1.40)。


由于理大研发的半导体纳米纤维传导性能甚为高速,能助大幅提升效率,相信不久将来,按此科技研研发出的太阳能电池,效率会远胜硅太阳能电池,兼且成本亦较后者低。


提升光触媒清洁空气功能


二氧化钛(TiO2)是现时市面广泛应用于空气净化及消毒装置的光触媒物质,不过,TiO2     只受紫外光激发 (占太阳能约6%) ,在室内环境使用效果不理想,如要更广泛应用于不同范畴,面临相当制肘;此外,TiO2将一氧化氮(NO) 转化为二氧化氮(NO2)的效率亦较低,一般低于 5%。


理大团队将石墨烯卷植入TZB(主要成分为 TiO2)合成物,产生的崭新半导体纳米纤维,能发挥高速公路功效,快速输送电子,将已吸附的污染物氧化。此外,在崭新的半导体纳米纤维,吸光及吸附有害分子的外露面积亦大幅增加。


崭新的半导体纳米纤维可将90%的NO 转化为NO2,效率比不含石墨烯者增加35%;与市面广泛应用的优质TiO2粒子比较,转化效率更优胜10倍,而成本则低10倍。


应用范畴广泛、发展空间无限


半导体纳米纤维的应用广泛,发展空间辽阔。理大以突破性科技,研发高速传导性能的半导体纳米纤维,未来在各领域的发展潜力无可限量。


除了应用于研发效能大幅提升的太阳能电池及光触媒外,其他具发展潜力范畴的明显例子包括: 提高生物化学感应器的敏感度及感应速度,以及生产电阻少、储电能力强的锂电池。


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