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新一代碳複合材料應用於現代科技與環境挑戰

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工業含碳基廢棄物及生物質轉化為活性碳與其應用

工業含碳基廢棄物及生物質(bio-mass)的轉化研究近年來引起了廣大的注意，其中以廢輪胎或生物質廢棄物可經由熱裂解後通過物理活化法(steam/CO_2)或化學活化法(KOH、H_3PO_4、NaOH)途徑轉化為活性碳。本文統整介紹近幾年來廢輪胎及各種農業生物質廢棄物再活化成為具有高孔洞結構的活性碳並利用在水中有機染劑的吸附、儲能的超級電容及水中中金屬的去除等應用，這些研究成果不僅為活性碳的製備來源找到解決方案，更可以將原本會造成環境物染的廢棄物找到再活化的途徑。

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碳複合材料於電容去離子技術之應用

氣候變遷、水資源和能源有相互依存的關聯，電容去離子技術(capacitive deionization, CDI)具有低耗能、清淨、環境友善性的特性，成為最具發展潛力的電化學脫鹽技術之一。電容去離子技術是以多孔的碳材料作為電極，利用電雙層電容的機制，有效分離與貯存水體中的帶電荷離子，達到淡化鹽水的目的。目前國際上學術研究有關於電容去離子技術之研究大多致力於開發高電容、脫鹽效能的碳電極材料，本文對於近幾年碳複合材料，包含碳-碳複合材料、碳-金屬氧化物複合材料及碳-導電聚合物複合材料，在電容去離子技術的發展與應用進行介紹。

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以石墨烯類材料作為吸附劑去除水中藥品或其他有機／無機污染物

家庭與工業、農業活動等不同來源廢污水排放已引起許多水污染問題，其中藥品本身及衍生有害副產物對環境與公共健康之危害已被認定為一種重要環境污染物。目前在水中藥品污染物之處理技術改良或開發議題中，以石墨烯類材料(如石墨烯、氧化石墨烯、還原氧化石墨烯)作為吸附劑去除水中藥品是一種極具開發潛力的替代方案。石墨烯類材料具有以碳為主結構、高比表面積和可修飾官能基團等特性與二維結構可有效吸附具類似維度結構之化合物，可應用於去除廢污水中藥品或其它不同有機與無機污染物。本文首先介紹環境中藥品類污染物來源與環境流佈，對環境和人體健康之可能危害、以及常見之處理技術與方法，接續討論石墨烯類材料的製備與改質以及吸附去除水中藥品污染物或其它有機或無機污染物的可行性，最後補充說明石墨烯類材料用於水中吸附處理技術時可能衍生之穩定性與生物抑制性等問題，希冀藉由本文討論內容簡要介紹以石墨烯類新穎吸附材料去除水中藥品類新興污染物或其他有機或無機物之可行性及未來發展方向。

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有效合成高度氧化石墨烯應用於週期性奈米光柵

石墨烯的商業化以及特性調控，高度依賴如何從石墨上進行快速且大量地氧化剝離。本文提出一新製程－前置酸環境氧化製程(preformed acidic oxidizing medium approach, PAOM)，可結合傳統哈默法(Hummers' method)，進行快速且有效的氧化石墨烯(graphene oxide, GO)合成。本製程著重在預先混合過錳酸鉀及濃硫酸，得到一強氧化環境，再加入石墨粉達到快速且大量製備高度氧化的氧化石墨烯(significantly oxidized graphene oxide, SOGO)。PAOM除了能促進錳氧化劑擴散進入石墨內層間來加速石墨的氧化，還能有效地氧化大尺寸石墨片(直徑約0.8 mm)，改進傳統哈默法只能氧化小尺寸石墨片的限制。而10倍產量的SOGO可以藉由PAOM一次製備完成。SOGO具卓越的分散性，被用來成功產出極度平坦的氧化石墨烯薄膜，有利於進行奈米級微影製程，成功地製作出高解析GO光柵，具有高規律的週期性(300 nm)及均勻厚度(厚度差異小於7 nm)。結合PAOM與大面積的奈米微影技術，可實現石墨烯大規模應用於奈米電子及光學元件的目標。

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整合氧化石墨烯光柵於矽光子平台以實現窄頻光濾波器

氧化石墨烯(graphene oxide, GO)薄膜可藉由簡單的旋轉塗佈法於大面積晶片上實現，其厚度可以非常薄且均勻，僅約數十奈米，並可利用雷射干涉微影(laser interference lithography, LIL)與反應式離子蝕刻(reactive ion etching, RIE)將其圖案化，形成一次微米週期性光柵結構。此外，為了精準地控制薄膜厚度，我們透過臭氧處理(ozone treatment)緩慢地削薄此薄膜(0.26 nm/min)，同時亦對氧化石墨烯薄膜更進一步氧化。氧化石墨烯相對於石墨烯(pristine graphene)而言有較低的折射率(n = 1.58, @λ = 1550 nm)及較高的穿透度(～99.96%)。藉由氧化石墨烯的獨特性質，本實驗室利用轉移技術將7 nm厚的氧化石墨烯光柵圖案轉移至條型矽光子波導上，並成功實現了高消光比(19 dB)、低損耗(～5 dB/cm)及窄線寬(0.425 nm)的複合型氧化石墨烯/矽波導布拉格反射器。有別於一般的側壁光柵條型矽波導布拉格反射器對製程誤差非常敏感，且側壁的光柵輪廓常因製程誤差導致與設計的結果差距甚多，氧化石墨烯光柵覆蓋的條型矽波導布拉格反射器具有相對穩定的布拉格反射波長(Bragg wavelength)和可調控的反射帶寬(reflection bandwidth)，其結果也較容易透過數值模擬分析去預測。

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石墨烯－金奈米金屬陣列於表面增強拉曼（SERS）檢測之應用

本研究將石墨烯(graphene)奈米片與聚二甲基二烯丙基氯化銨(poly diallyldimethylammonium chloride, PDDA)合成出表面帶正電之graphene-PDDA，再加入以檸檬酸鈉熱還原法製備表面帶負電之金奈米粒子(AuNPs)，經由兩者之間的正負電作用力使得金奈米粒子能均勻吸附於石墨烯奈米片表面，而自組裝成金奈米粒子－石墨烯(Au/Graphene-PDDA)奈米金屬陣列，於表面增強拉曼光譜(surface-enhanced Raman scattering, SERS)檢測之用，可偵測DNA生物分子腺嘌呤(adenine)及微生物金黃色葡萄球菌(S. aureus)之SERS訊號。由於單層或是少層(few layer)石墨烯奈米片具有(1)優異光學穿透性；(2)可撓性及高比表面積；(3)良好的導熱特性；(4)其苯環結構能作為表面電漿子(surface plasmon)之共振腔之特性，因此具備(1)能減少拉曼散射的損失；(2)提升待測分子之接觸面積；(3)避免待測分子被拉曼雷射損害，增加其穩定性；(4)提高SERS偵測靈敏度等多項優點。藉由改變金奈米粒子與石墨烯奈米片之間的比例，可控制金奈米粒子於graphene-PDDA奈米片上之表面形態及粒子間距，藉此尋找最佳熱點(hot spots)效應，以達到最佳之SERS檢測功效。此SERS奈米光譜技術平台將非常有潛力應用於生物、水污染及食品安全衛生之快速檢測上，例如：孔雀石綠、重金屬離子(水質毒物檢測)、微生物金黃色葡萄球菌(醫療病菌檢測)、銅葉綠素(油品檢測)、DNA(生物分子)等檢測，成為新一代的生醫檢測系統。

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直接於304不鏽鋼箔片上成長奈米碳管做為染料敏化太陽能電池對電極之研究

本研究是以商用304不鏽鋼箔片為基材，使用熱化學氣相沉積法於304不鏽鋼箔片上直接成長奈米碳管，並將其應用在染料敏化太陽能電池之對電極上，藉以取代傳統之透明導電玻璃與鉑貴金屬薄膜之使用，並且保有鉑貴金屬薄膜催化碘三根離子的還原能力。不鏽鋼箔片具有其良好的導電性，透過簡單且價格低廉的熱化學氣相沉積法直接將奈米碳管成長於此基板上，期望能提升太陽能電池元件之光電轉換效率，並同時兼顧簡單製造與低成本之優點。本研究利用拉曼光譜儀(Raman)量測奈米碳管之D-band與G-band特徵振動模式，及利用掃瞄式電子顯微鏡(SEM)觀測其表面形貌。以304不鏽鋼上直接成長奈米碳管作為對電極所製備之染料敏化太陽能電池，利用模擬太陽光之檢測系統((AM1.5)，入射光源強度為100 mW/cm^2)所量測出之光電轉換效率、開路電壓、短路電流、填充因子分別為5.4%、0.725 V、13.31 mA/cm^2、0.56，相較於傳統以電子束蒸鍍機製備之鉑薄膜為5.6%、0.675 V、13.82 mA/cm^2、0.6，具有優異之光電轉換效率的成果，其光電轉換效率相較於鉑金屬觸媒達到96.4%。相較於傳統之鉑觸媒對電極。在不鏽鋼箔片上合成奈米碳管可直接進行對電極之製備，不需要額外的基板進行輔助(例：FTO導電玻璃)，證實了此方法可大幅的提升效率且降低染料敏化太陽能電池製作成本。