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中山大學光電工程學系助理教授李炫錫。(中山大學提供)

全球首發現! 中山大學研究:奈米結構光觸媒可減碳

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國立中山大學創世界先例,首次發現奈米結構光觸媒的轉化應用有助於減少碳排!光電工程學系助理教授李炫錫的最新研究成果,以石墨氮化碳(g-C3N4)/三元金屬硫化物硫化銅錫(Cu2SnS3)奈米結構作為光觸媒,利用碳銅(Cu-C)與氮銅(Cu-N)雙鍵結加乘作用的功能,可有效將二氧化碳轉化為一氧化碳。

「這也是全球首次展示石墨氮化碳/硫化銅錫奈米結構光觸媒用於二氧化碳的轉化上。」李炫錫表示,此研究有助於光觸媒的進一步開發,並緩解能源需求和全球暖化等環境問題。這項重大發現獲刊國際知名頂尖期刊《應用催化B:環境》(Applied Catalysis B: Environmental)。

李炫錫主持中山大學光電系「奈米能源與界面實驗室」,並與國立陽明交通大學和香港城市大學研究人員合作國際計畫,開發高活性、無毒且長期穩定的光觸媒材料。

他指出,雖然早在1978年就有學者利用半導體材料做出光觸媒二氧化碳轉化技術的開創性研究,但高效、選擇性和長期穩定性能的光觸媒開發和設計,在近40年來仍然是艱難的挑戰。

李炫錫研究團隊透過熱注法,將合成的超薄石墨氮化碳粉末與硫化銅錫奈米粒子複合材料結合為奈米結構材料。

以工程操縱的石墨氮化碳/硫化銅錫奈米複合材料,顯示出每小時每克18.2 μ莫耳數的優異一氧化碳生產率,在波長為500 nm光照下的表觀量子產率為2.2%,這是目前已知的石墨氮化碳/三元金屬硫化物光觸媒材料中最高的。

這些優異的性能源自於硫化銅錫材料在超薄石墨氮化碳膜片表面成功結合,並與超薄石墨氮化碳膜片/硫化銅錫界面上獨特氮銅和碳銅雙鍵的形成有關。

氮銅和碳銅雙鍵在介面缺陷介導Z型傳導的活化和硫化銅錫奈米粒子中高反應銅活性位的供應扮演極為重要的角色。這些氮銅和碳銅雙鍵強化了高效光觸媒將二氧化碳轉化為一氧化碳的必要因素,如光吸收、電荷轉移和二氧化碳吸附。

相較於其他已知的光觸媒,此研究製備的光觸媒實現了從二氧化碳轉化為一氧化碳最高的百分之百選擇性產率,透過獨特的氮銅和碳銅雙鍵活化,以有效率的方式產生一氧化碳,製備過程安全、簡單且環保。

奈米結構光觸媒可在延長的操作時間內穩定的轉化二氧化碳,並具有高度回收性。在重視全球暖化問題、環境保護及永續發展的趨勢下,此項研究能將大氣中的二氧化碳轉化為可再生的化學工業原料或燃料。

如相關產業或工廠能廣泛應用此種技術,將有助於減少碳排放、實現永續環境綠色能源的可能性,善盡企業社會責任。

「我們用非常簡單的方法以石墨氮化碳/硫化銅錫奈米結構成功開發了2D/0D光觸媒系統,可以形成獨特的碳銅和氮銅雙鍵加速光觸媒轉化二氧化碳。這項研究將為光觸媒材料和高效二氧化碳轉化的設計開闢一條新途徑,研究團隊將繼續探索新的可能性和解決方案,以解決環境問題。」李炫錫強調,將繼續深入研究新材料與結構設計,以尋求更佳優化的光觸媒系統。

《應用催化B:環境》為國際知名頂尖期刊,其2022年學術期刊影響力為22.1。在工程環境類別中,按期刊影響因子(Journal Impact Factor),在55個期刊中排名第1;按期刊引用指標(Journal Citation Indicator),在75個期刊中排名第1。

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