次奈米孔洞分子篩選碳之製備及其特性研究

由於燃燒化石燃料將造成地球能源的急速枯竭並同時伴隨環境污染問題的產生，因此清潔能源觀念的推動已成為目前世界各國的重要議題，如氫氣能源或金屬-空氣電池等。氫氣能源的主要產生方式，係利用觸媒重組器將甲烷轉化成氫氣，並結合儲氫材料與高效率發電的燃料電池而將氫氣轉換為電能。然而，燃料電池的發展仍面臨諸多問題，如由甲醇或汽油經觸媒重組器後所產生的氫氣氣流中常共存有一氧化碳氣體，而成為燃料電池的嚴重毒化物；而空氣中所含的微量二氧化碳氣體與水蒸汽因會引起電解液碳酸鹽化及漏液等問題都將使燃料電池或金屬-空氣電池的性能降低。
然而，傳統的活性碳因係利用吸附平衡所產生之差異性將氣體分離，因此並不適用於具有相同平衡特性之氣體的分離行為。相較於傳統型吸附劑，分子篩選碳的選擇率則源自於吸附動力的差異性，因此對於即使擁有相似分子尺寸之氣體（將具有相同的平衡特性）亦具有篩選能力。由於吸附速率的不同，分子篩選碳對於尺寸小於微孔徑之尺寸的分子展現極佳的吸附性能，因此當氣體之分子尺寸近似於孔洞直徑時，其活化擴散程序之重心便在於「形狀選擇」的動力分離。藉由微孔勢能於傳輸速率所產生的顯著差異而放大兩分子間動力直徑的極微差距。在此限制下，分子亦將因尺寸過大無法傳輸至孔洞內，而完全地被排除於孔洞之外。
本計劃共訂定三年研究目標，第一年係分別利用含碳前趨物及已具備微孔結構之碳材做為分子篩選碳的製備原料，製備適於H2/CO、O2/CO2選擇性分離之分子篩選碳。第二年則進一步地製備分子篩選碳膜，使其能應用於電池中。第三年則針對不同的應用對象，將分子篩選碳製備成具有支撐能力且不同形狀之支撐型分子篩選碳膜而能適用於不同產業領域。