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電化學中思考的聯想與跳躍

超級電容器的研發成功,擁有比可充電電池更高的功率密度與充放電循環壽命,還提供比傳統電容器更高的能量密度。
 
 
 

以往能提供動力的元件主要有電池、燃料電池和電容器,現在又有超級電容器的研發成功,擁有比可充電電池更高的功率密度與充放電循環壽命,還提供比傳統電容器更高的能量密度。雖然超級電容器的研發初具成效,但許多科學家仍追求更好的材料或配方,以提高其能量密度、功率密度與充放電循環使用壽命。在這方面的改進,二氧化釕(RuO2)是個吸引人的題材。

 

常見二氧化釕材料的製作方法包括溶膠–凝膠法、化學氣相沉積法、熱裂解法等,不同的方法可以得到不同性質的材料。

 

清華大學化工系胡啟章教授在當大學部專題生時就開始研究二氧化釕,對這種材料的發展和特性很了解,因此當他 10 年前在中正大學初任教時,便選擇以二氧化釕為研究對象。他首創以氯化釕為起始原料,利用電化學法使其化合生成釕氧化物,並成功地應用於超級電容器中。其他學者都認同其原創性,胡教授也成為這個領域的領航者。

 

之後,胡教授分析:在超級電容器中,為了使二氧化釕的能量密度與功率密度提高,必須達到兩項要求,就是要同時維持優異的電子導電性與質子傳遞能力。符合這二項性質,就可使二氧化釕的電化學可逆性達到最佳狀態。為此,必須滿足二化學條件:一是二氧化釕必須結晶,其次二氧化釕須含結晶水。

 

先前多數科學家採用溶膠–凝膠法,並以熱處理達成結晶目的。當溫度達到攝氏 150 度時,二氧化釕開始結晶,然而這時無法有效控制結晶水,使得比電容迅速下降。科學家一直以為這是魚與熊掌不能兼得的情況,攝氏 150 度熱處理成為臨界結晶溫度。

 

但胡教授直觀地認為,採用水熱法或許可同時達到這二項需求。於是他把氯化釕放在密閉高壓富含水的環境中,讓溫度控制在攝氏 150 ~ 250 度,果然在裡面長出大小一致(平均直徑是 2 ~ 6 奈米)的含水結晶二氧化釕,成功地獨立控制二氧化釕的結晶大小與含水程度。

 

這項技術還有項優點,一般用溶膠–凝膠法做出來的氧化物,表面上常是一些氫氧基,當以熱處理使其結晶時,就有燒結、結晶變大的現象,表面積就相對變小,活性位置也會大幅減少,因此電容不高。胡教授製造出來的材料已產生奈米結晶,這時若想以攝氏 300 度破壞它再形成大結晶顆粒會有困難,因此能有效維持二氧化釕的氧化還原活性位置。此外,它本來就已結晶,因此導電性奇佳。也就是說這樣製造出的二氧化釕,可以符合超級電容器的電極材料所必須具備的理想特性。

 

在之前,有的科學家會在氧化物表面製造一層含矽的保護膜,以防止溶膠–凝膠法衍生的氧化物產生燒結現象。但因表面性質改變,所以活性、導電性、電容等都變差。相較之下,胡教授的方法可以不用保護膜就達到一定的熱穩定性而更勝一籌。

 

胡教授受訪時不斷強調,他所用的設備都很普通,且方法簡單,說穿了沒甚麼特別,關鍵在於如何從其他相關研究實驗中獲取靈感,然後在自己領域中嘗試改進。談完目前的研究,胡教授也放眼其他可能發揮的地方。他認為相同的方法應該也適用於其他材料,例如二氧化鈦。如果能做出 20 奈米大小的柱狀銳鈦礦結晶,會有助於維持其結構的熱穩定性,使得在燒結二氧化鈦薄膜時,能夠維持原先建構的中孔結構,對染料敏化太陽能電池效率的提升,或許是個可行的方向。

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