本校自2005年起長期與國家級重點研究部門-國科會與國家中山科學研究院以及民間能源企業合作，致力於開發高效能電能儲存技術與材料，為我國建立低碳與乾淨能源核心技術以及政策擬定奠定基礎。

合作模式:

• 與國科會合作之計畫其研究成果皆會公開於政府研究資訊系統中供我國企業與工業機構免費應用相關研究成果。


• 與民間能源企業採契約委託案的合作形式，相關開發與研究成果歸屬於該企業所有

2021年執行的計畫:

國科會計畫: 開發低能隙多晶BiFeO3及應用
執行計畫教師: 杜繼舜

計畫摘要:
計畫將以(Bi0.93Nd0.07)FeO3 (BNFO)為基本材料架構，在B-site掺雜過渡金屬(transition metal)元素(Ni、Ta) 多鐵性材料; (Bi0.93Nd0.07)(Fe1-xNix)O3-δ (BNFNO)及(Bi0.93Nd0.07)Fe1-x(Ni2/3Ta1/3)xO3 (BNFNTO) (x=0.0-0.5)。計畫主要目標是降低光學能隙及增加極化量，以提升ITO(AZO)/陶瓷/Au異質結構的光伏轉換及光觸媒效率。 材料製備將使用固態反應法、刮刀成形技術及水熱合成法分別製備BNFNTO及BNFCO陶瓷塊材、厚膜(20-100 μm)及奈米顆粒薄片，同時探討材料的光伏及光觸媒效應應用。在性質分析，將對BNFNO及BNFNTO陶瓷塊材、厚膜與奈米顆粒，進行系統性分析實驗及探討材料微觀結構,光伏及光觸媒效應等。 第一年研究重點是藉由共掺稀土(A-site位置)及過渡金屬元素(B-site位置)及調節製備參數(燒結溫度、升溫速率、氧空缺等)，控制材料內部微結構及有序性(ordering)，以降低光學能隙及增加極化量，提升ITO(AZO)/陶瓷厚膜/Au異質結構的光伏效應、功率轉換效率及鐵電/鐵磁性。第二年研究重點是使用刮刀成形技術開發多晶陶瓷厚膜(20-100 μm)，減少試片厚度及降低光伏電荷載子傳輸損耗及電子−電洞重合機率，以提升光伏電流。第三年重點是使用上述最佳化光伏轉換材料進行光觸媒應用研究，低能隙BiFeO3可以有效提升光激發的電子與電洞對，預期BiFeO3材料做為光觸媒在工業廢液處理(例如染料)及水資源再利用等領域極有應用潛力。第三年我們也將使用水熱法製備奈米-微米級尺寸的均勻陶瓷顆粒，以增加光觸媒反應表面積，提升可見光的光觸媒效率。 在光伏效應機制方面，我們將結合p-n-junction-like model理論模型及bulk photovoltaic effect理論，定量描述光伏開路電壓Voc、短路電流密度Jsc、I-V 特徵曲線。另外，將使用新竹國家同步輻射中心先進光源，進行高解析材料晶格、晶粒邊界應力、結構扭曲及電子軌域結構等分析。 以下是此研究計畫要探討的主題: (1) 多晶陶瓷塊材、厚膜及奈米顆粒薄片製成 (2) 材料結構及性質分析 (3) 光伏效應與機制 (4) 光觸媒應用研究與機制
計畫執行時間:
2019.08.01~2022.12.31


國科會計畫: 新穎導電與介電配位聚合物之設計, 合成與能源應用
執行計畫教師: 呂光烈

計畫摘要:
本計畫旨趣為探討配位聚合物之合成、結構與導電、介電等應用，於各面向皆有可觀進展，成果分述如下：

1. Zr-MOF /聚苯胺複合薄膜之製備與熱電材料應用: 發展Zr-MOF與聚苯胺之混成材料，形成新型熱電薄膜。聚苯胺鏈滲透穿入原Zr-MOF結構中，增強了聚苯胺的結晶度，進一步提高導電率。此外，Zr-MOF原有孔隙能抑制熱導率之增加，並提升塞貝克(Seebeck)係數。當使用20 wt％之Zr-MOF時，其功率因數高達664μW/(m．K2)，並顯現卓越之負塞貝克係數。


2. 單成份寬帶白光光源: Sr(NO3)2與1,2,3-benzenetricarboxylicacid hydrate (1,2,3-H3btc) 於水熱條件下，自組裝合成金屬有機骨架化合物{[Sr(H2btc)2(MeOH)(H2O)2]·2H2O}，具優越寬帶白光發光光譜，以密度泛函理論(DFT)探討該化合物幾何與電子性質。本化合物不含鑭系金屬，為單成份白光發光材料，和一般的雙成份或三成份的白光材料有很大的改善。


3. 非中心對稱 Zn(II) MOF之金屬離子置換: 合成具非線性光學性質之MOF {[Zn2(4-abpt)(3,4-pydc)2]·2DMAc· 3MeOH· H2O}n。經金屬離子置換反應後，Cu(II)金屬離子可將四配位之Zn(II)完全交換，同時維持結構完整性。


4. 極性分子對Sr-Based MOF之介電研究: 合成三種isostructural Sr-based MOF [Sr2(1,3-bdc)2(H2O)(DMF)]n，[Sr2(1,3-bdc)2(H2O)2·H2O]n及無水[Sr2(1,3-bdc)2]n。在1 MHz (295 K)時，含DMF化合物之介電常數(κeff)為22.4 ，含客分子水化合物κeff為7.9，無水結構κeff為2.4。由此得知，結構中含DMF相較於含水分子或無水之結構具較佳之介電能力，因為DMF分子有較大之動力學直徑及偶極矩。


5. 具氧化還原活性配位聚合物光譜電化學研究: 將Tris[4-(triazol-1-yl)phenyl]amine (TTPA) 成功摻入Mn(II)/Cu(II) 配位聚合物中並做為具氧化還原活性之橋基，Mn(II)/Cu(II) 配位聚合物利用固態電化學和原位光譜電化學方法闡明了氧化還原與光學性質。這些發現有助於對不同氧化還原態之相互轉換以及電致變色之基本理解。


6. 鋁MOF結構之缺陷與重排: 本研究合成之含鋁金屬骨架聚合物具特殊性質。由於結構之缺陷，於適當條件下，化學鍵快速重新排列，拓樸結構因此有很大轉變，表面積從725增加至2749 m2 g-1。文章刊載於Nat. Chem.期刊，為重要成果。

計畫執行時間:
2019.08.01~2021.01.31
 

國科會計畫: 快速硬化疏水性有機無機混成材料製備及其對鈣鈦礦太陽能電池元件穩定性改善研究
執行計畫教師: 游源祥

計畫摘要:
本報告包含三個主題，第一個主題是: 「在鈣鈦礦太陽能電池的活性層中混摻還原氧化石墨烯-半胱氨酸/奈米金混成材料來增強元件之電荷傳輸性能及穩定性」。第二個主題是: 「具有優異耐候性和耐腐蝕性的柔性環氧樹脂石墨烯熱固性材料」。第三個主題是: 「奈米片堆疊球形氧化鋅用於製備氧化石墨烯/鋅錯合物/氧化鋅三元奈米複合材料的形態研究，並作為檢測抗組胺異丙嗪鹽酸鹽的新型電化學感測平台。」。
在第一個主題中，製備了還原氧化石墨烯-半胱氨酸/奈米金（rGOCysAu）混成材料，並將其摻入鈣鈦礦太陽能電池主動層中。 鈣鈦礦太陽能電池的內部電荷轉移電阻，因為鈣鈦礦層形成均勻分佈的奈米金-石墨烯之導電網絡而降低，使得元件的性能在開路電壓(Voc)、短路電流(Jsc)、外部量子效率(EQE)，和功率轉換效率(PCE)方面得到增強，具元件有較好的再現性和穩定性。所獲得最高
的元件性能，PCE為20.59%，Jsc為23.89 mA/cm^2，Voc為1.09V，填充因子(FF)為79.4%。
在第二個主題中，開發了以化學鍵分散法製備之功能性氧化石墨烯/環氧樹脂奈米複合塗料，該塗層具有多功能特性和長期穩定的防腐蝕和耐候性。本研究以 FTIR、XRD、TEM、紫外線老化、接觸角、電化學腐蝕研究、DMA、 TGA、柔韌性和附著力測試。所製備的奈米複合材料在紫外線下具耐久性，此外，奈米複合塗料表現出優異的防腐性能。在厚度約10μm的薄膜塗層，可獲得腐蝕速率為 6.10×10^-3 mil/年、腐蝕效率為99.99 %。使用電化學阻抗譜進行的長期耐久性測試，結果顯示化學鍵分散奈米複合材料優於物理混摻分散複合材料。奈米複合塗層在長期耐久性測試中保持高阻抗，經過90天測試，電荷轉移電阻為 8.73×10^7 Ω·cm^2。此研究證實所設計的塗層，在紫外線照射之前/之後的抗腐蝕、機械性質、熱穩定性的耐久性。我們認為此材料具有應用於太陽能電池封裝的潛力。
在第三個主題中，此研究製備鋅錯合物修飾的氧化石墨烯和奈米片狀堆疊的球形氧化鋅，以此新穎的三元奈米複合材料，具優異的電催化性能，因此用於檢測抗組胺藥鹽酸異丙嗪(PMTZ)。本研究採用循環伏安法和微分脈衝伏安法技術，量測三元奈米複合材料對PMTZ檢測的電催化活性。結果顯示可達0.3 nM的超低檢測限、0.05–177.45 μM的寬線性範圍和5.29 μA μM^-1 cm^-2 的靈敏度。此外，所開發的感測器表現出良好的操作穩定性、抗干擾性、重複性
和再現性。實際樣品分析提供了出色的回收率。抗組胺藥鹽酸異丙嗪，高毒性也被認為是一種環境危害，對於維持其使用安全非常重要。
計畫執行時間:
2020.08.01~2021.07.31

 
國科會計畫: 設計合成與鑑定輕量級主族混和金屬有機骨架結構化合物及其在高效率二氧化碳捕捉與儲存之應用研究
執行計畫教師: 劉彥祥

計畫摘要:

1. A Nonlinear Optical Cadmium(II)-Based Metal−Organic Framework with
   Chiral Helical Chains Derived from an Achiral Bent Dicarboxylate Ligand
   本研究採用有機配子2,5-(thiophenediyl)dibenzoic acid (H2TDB)與過度金屬鹽類進行水熱法合成出具非線性光學性質之金屬有機配位聚合物[Cd2(TDB)2(H2O)3]n (1)，以單晶X-ray 繞射解析結果為非中心對稱的二維結構，其晶系為單斜晶系(monoclinic)，空間群為P21。化合物1 藉由彎曲型TDB 有機配子表現出不對稱的配位模式，有機配子的羧酸基以螯合及單牙配位兩個鎘金屬中心並形成21 screw-axis 螺旋型鏈狀結構，此對掌性結構藉由連接Cd(2)離子形成一個新型的四層架構。化合物1 的結構使其具有SHG 性質，並經由測試得知其SHG 強度約為二氧化矽的 40 倍，能夠廣泛的應用在非線性光學領域。


2. 管狀結構分子Mn-MOF-1 對染料分子之吸附及應用
   本研究探討有機配子2-(pyridine-4-yl)-3H-imidazole[4,5-c]pyridine (L1)、Thiabendazole 與過渡金屬錳金屬鹽類進行水浴法80℃合成出[Mn(TBZ)(4,4’-Sulfonyldibenzoic acid)2(H2O)]n (Mn-MOF-1)，利用單晶X-ray 繞射解析結果為管狀之一維結構，其晶系為單斜晶系，空間群為C2/c，有機配子結構中具有磺酸根基團，將其應用在染料分子的吸附實驗，由結果得知化合物對亞甲基藍具有選擇性的吸附，因磺酸根基團對陽離子染料具有顯著的庫倫吸引力。


3. 自組裝之一維配位聚合物對有機染料分子之吸附研究
   以具有羧酸基的有機配子 4,4’ –sulfonyldibenzoic acid (H2sdba)，輔助配基
   2,2’-bipyridine(2,2’-bipy)與過渡金屬錳的氯化鹽類結合，透過自組裝的方式，合成出化合物{Mn(H2O)(sdba)(2,2’-bipy)∙H2O}n (Mn-MOF-2)，其結構是以單核錳為中心的一維結構，並藉由π-π 堆疊形成超分子網狀結構，進一步將化合物對特定的染料分子—亞甲基藍(Methylene blue)進行吸附動力學及吸附等溫線實驗並探討其吸附特性。


4. 三維孔洞結構Sr-MOF 之性質探討
   本實驗以具有羧酸基的彎曲型有機配子 m-phenylenediacrylateacid (H2mpda)
   與鹼土金屬鍶的氯化鹽類利用水浴法並透過自組裝的方式合成出
   {Sr(Hmpda)2·H2O}n (Sr-MOF)。由X-ray 單晶繞射的分析結果顯示出化合物1 為具孔洞性之三維結構，其晶系屬於單斜晶系(monoclinic)，C12/c 空間群，結構中的有機配子mpda2-以μ-3 橋接模式與金屬鍶離子配位，並探討其熱重分析性質。

計畫執行時間:
2020.08.01~2021.07.31

民間企業合作計畫

電池材料高溫燒結技術合作案

• 執行計畫教師:
  劉茂煌
  
• 合作企業:
  泓辰材料股份有限公司
  
• 計畫執行時間:
  2021.01.01~2021.12.31

鋰固態電池正極材料研究合作案

• 執行計畫教師:
  劉茂煌
  
• 合作企業:
  鐵研科技股份有限公司
  
• 計畫執行時間:
  2021-08-01~2022.07-31