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化學

Application of Carbon Aerogels in Lithium-Air Batteries

One of the main challenges with today’s batteries is their relatively low volumetric and specific capacities. The highest specific capacity can be achieved with lithium-air batteries, which use metallic lithium as the anode and typically some form of porous carbon as the cathode. To enhance performance, aerogels—among the world’s lightest solid materials—are ideal candidates for cathodes. Resorcinol-formaldehyde (RF)-based carbon aerogels, for example, serve this purpose well. In my work, I utilized two types of carbon aerogels as cathode materials: one derived from pyrolyzed resorcinol-formaldehyde polymer and the other a graphene-oxide-modified version of this carbon gel. I integrated the carbon aerogels I had pyrolyzed into lithium-air batteries to improve the cell’s performance, energy density, and capacity compared to cells using activated carbon. In my research, I examined the pore structure and surface properties of these materials in aqueous media using NMR (nuclear magnetic resonance) relaxometry and cryoporometry, exploring their impact on battery efficiency. I found that the graphene-oxide-containing sample's pores filled with water in a layered manner, indicating a more hydrophilic surface, which suggests a denser arrangement of oxygen-containing functional groups compared to the unmodified carbon aerogel. The pore sizes were reduced after adding graphene oxide, resulting in an increased specific surface area for the sample. Incorporating the reduced graphene-oxide-containing carbon aerogel enabled the creation of a more efficient, higher-capacity battery than with the RF carbon aerogel. This improved performance is likely due to the aerogel’s higher oxygen content and altered morphology. The increased oxygen content provides more active sites for oxygen reduction, meaning that a greater specific power output can be obtained from the battery.

自組裝DNA探針於GNP@PANI電極以檢測miRNA

在許多疾病,如癌症、心血管等疾病中,微核醣核酸 ( microRNA,簡稱miRNA) 的表現水平可作為診斷指標。現行檢測miRNA多使用RT-qPCR,然而此技術成本高、操作繁瑣且耗時。本研究自行設計可抓取目標miR-155的DNA分子探針,透過化學合成與修飾將此探針接合在奈米金-聚苯胺( GNP@PANI )電極上,組裝出具靈敏度與特異性的DNA分子電極。實驗結果顯示:此自組裝探針電極具有良好的線性檢量關係,偵測極限可達0.1 nM。在摻雜多種miRNA的樣品中,此電極仍具有極佳的專一性,回收率高達101.5 %。應用於含生物基質的尿液樣本,可不受背景干擾,其檢測差異僅約0.4 %。本研究採用電化學技術來檢測miRNA,不但成本低、操作簡便,且可依據目標分子進行客製化設計,為新一代檢測技術開創前景。

含鐵、鎳之過渡金屬錯合物相變材料研究暨應用研析

量子運算發展日新月異,人類對上網溝通保密的需要與日俱增。市場已有量子資訊加解密所需的金鑰分配系統(QKD)搭配機密資料保險庫(Archive)。然實體金鑰因其安全性,不可或缺。本文探討以製備含鐵、鎳過渡金屬錯合物,利用含 X 光繞射儀等設備檢測、分析其結構與相變。並研析將該錯合物作為分子開關裝置,導入半導體製程,應用於研發上述金鑰之可行性。

探討鐵鎳合金催化劑對電解產氫之影響

目前大部分電解產氫反應(HER)均使用貴金屬,如鉑和鈀,作為催化劑。而我們提出了更便宜的 FexNiyP 金屬磷化物用於經濟製氫。在催化劑的製備中採用不同的化學成分(x/y 比例)和合成條件(氧化溫度)。並將合成樣品通過掃描式電子顯微鏡(SEM)、能量色散 X射線光譜(EDS)和 X光繞射儀(XRD)進行了鑑定,以確認其形態、成分和晶體結構。再通過線性掃描伏安法(LSV)測試了它們的 HER催化效率。實驗結果發現,磷化程度強烈影響催化性能,且可以通過合成條件來適當調整,而 250° C是最佳氧化溫度。此外,電化學測試顯示,FeP 啟動反應所需之能量最低,具有最低的過電位(overpotential);而 NiP 反應路徑最佳,具有最低的塔菲爾斜率(Tafel slope)。我們的結果解決了 HER的反應機構,並對氫燃料生產的發展提供了有用信息。

含3-高醯基香豆素之二烯羧酸酯合成方法探討

香豆素(coumarin)是一種廣泛使用於增香用途之化合物,同時亦被作為藥 物使用,γ-乙烯基聯烯酸酯 (γ-Vinyl Allenoates),則是一種具有多樣的反應性之架構,透過適當的控制,可擁有相當良好之區域及立體選擇性。本研究利用氮催化劑 DMAP 建構帶二烯羧酸酯之 3-高醯基香豆素,並透過篩選溶劑、反應溫度及催化劑及反應物當量數,找出本反應之最佳化條件。後以該條件探討反應環境酸鹼性對反應的化學選擇性影響,以及在 3-高醯基香豆素上改變不同取代基,探討不同取代基對反應性的影響,並擴展含 3-高醯基香豆素之二烯羧酸酯未來使用的潛力。 實驗結果顯示,以DMAP 作為催化劑催化此親核加成反應時,可在 15 分鐘內達到 96%的 NMR 產率。未來希望能將含 3-高醯基香豆素之二烯羧酸酯應用於進行合環、加成等反應,期望藉此增加此化合物泛用性。

自製奈米銀添加至染料來提升DSSCs的轉換效率

有關於染料敏化太陽能電池(DSSC)的優化。首先使用平整的刮刀器均勻地塗抹 400um 的石墨膠在 DSSC 的電極上可以提高導電性。而 0.5M 的 I-/IO3-電解液可以獲得最佳的填充因子和高轉換率。染料方面混合梔子紫、梔子綠和梔子藍色素可以增加吸收可見光波段並提高吸收度。ITO 導電玻璃的耐受溫度約為 300℃左右,超過此溫度電阻逐漸增加。負極之奈米粒子所製備之 TiO2 薄膜的最佳厚度為 5-10um,且 30nm 的粒徑比 25nm 和常規粒徑表現較好。使用 TiCl4 乙醇溶液進行電化學沉積時,最佳的電化學沉積電位在-1.025~-1.1V 區間內且可以成功製備出超薄奈米 TiO2 薄膜,其 DSSC 的轉換率可達 3.4%。加入奈米銀到 DSSC 的染料中可以有效提高吸收度,比例為奈米銀:混合染料=1:30 時可以有效提高 DSSC 的效能。

可同時用於霧水收集與風力發電的石墨烯仿生陣列魔毯

受到地區限制,偏遠地區一直面臨著缺水和缺電的問題。有許多解決方案,其中一個被視為在乾燥地區收集水的有效方法是薄膜霧氣收集技術。這項研究受到自然界沙漠甲蟲的啟發。我們在不吸水的石墨烯/PVDF基底上使用仿生的幾丁聚醣陣列,幫助水滴在霧氣中凝結和滾動脫落,使水收集效率達到0.63LMH。此外,我們使用石墨烯和離子液體一起誘導PVDF晶型自組裝成具壓電性的β相,獲得最適化薄膜的電壓輸出可達到13V(±6.5V)。我們還對於薄膜進行同時取水和取電的可行性評估,結果顯示,在4m/s的霧氣風速下,水收集效率為0.74LMH,發電功率為99.2mW/m2。基於上述研究結果,我們證實了使用單一薄膜利用霧和風作為驅動力,可實現同時產生水和電,這對解決偏遠地區的缺水與缺電問題提供了新的解決方案。

以計算化學探討全取代四氫吡咯酮的不對稱合成

本研究探討之四氫吡咯酮作為一種常用的藥物骨架,其已被發現在多種藥理學方面具有應用價值。本研究所探討的反應結合了文獻中的含氮五元環合成方法以及另一篇文獻當中以雙氫鍵予體催化劑進行不對稱催化的原理,並利用計算化學的密度泛函理論對此反應進行熱力學分析。 本研究共分成四個階段,第一個階段為方法學測試,在此階段我們選定了以 ω-B97X-D 與 B3LYP 兩種方法進行後續實驗;第二階段則分析了本研究探討的四氫吡咯酮的各種異構物,並選定後續進行熱力學模擬的異構物;第三階段分析了此反應在不同溶劑下的可行性, 發現使用低介電常數溶劑(如:甲苯)對於反應可行性有正向幫助;最後一個階段則為催化劑改良,並發現到在催化劑的氫鍵予體旁加上拉電子官能基可降低反應活化能。在未來,我們將更進一步改良催化劑,試圖改變催化劑對各式立體異構物的反應可行性。

苧麻線微流體應用於工業廢水全範圍濃度量測

以台灣常見的植物”苧麻”所製之纖維線作為線微流體應用,開發出低成本、操作便利、量測信度高的工廠汙染物濃度判斷用模組。以線微流體進行了 鉛離子、銅離子、硫氰根、磷酸根,亞甲藍及剛果紅的濃度量測。這些經常於 工業製程上或是紡織業所產生的汙染源,透過線微流體分析,檢測濃度最高可 由 2.0g/L 到最低 0.4g/L,且獲得判定係數(R2)達 0.98 以上完整的檢量線,該模組可以進行相當準確的汙染源濃度檢測。此外,本研究也探討苧麻線微流體 在不同的待測物上所呈現的各種數值回歸。除了有線性回歸之外,亦發現也有 對數回歸。透過黏度的實驗,來探討微流體濃度與層析長度之間的關聯性,可 快速建立待測物檢測檢量線是否存在的方法。

Synthesis of functionalized mesoporous silica nanoparticles as drug delivery carriers for therapeutic agents

奈米藥物在臨床治療引入了重大創新。多孔性二氧化矽奈米粒子(mesoporous silica nanoparticle) 具有生物相容性和高孔隙度的特性,被運用在奈米藥物傳遞和標靶治療。奈米粒子經過表面修飾可提高藥物載荷效能以達到有效的治療。 本研究建立一項有效的奈米藥物傳遞載體的開發系統,目標在合成多孔性二氧化矽奈米粒子,使用幾丁聚糖對表面進行修飾,以提升地塞米松藥物載荷和穩定的藥物釋放。應用 X-射線繞射和傅立葉轉換紅外光譜來分析奈米粒子產物和表面官能基。應用分光光譜儀進行測定藥物的載荷和釋放速率。幾丁聚糖修飾包覆的多孔性二氧化矽奈米粒子具有 53.7%的藥物載荷率,比較未修飾的粒子只有 27.9%。藥物釋放實驗,幾丁聚糖包覆的二氧化矽奈米粒子可以延緩藥物釋放,在 5 天釋放 19.7%的地塞米松。本次研究說明幾丁聚糖包覆多孔性二氧化矽奈米粒子是有潛力的奈米藥物載體。