學位論文
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Item 新型鎢金屬有機框架衍生物複合石墨烯應用於超級電容器負極材料之開發(2025) 林璟棠; Lin, Ching-Tang面對氣候變遷與能源轉型的挑戰，可再生能源因其低碳排與永續特性，被視為未來能源系統的關鍵因素。然而，風能與太陽能等再生能源受限於其間歇性難以穩定供電，迫切需要高效儲能的研發。超級電容器具備高功率密度、快速充放電能力與長循環壽命等優勢，在穩定能源供需中展現出極大潛力。本研究以設計具備優異儲能能力的負極電極材料為目標，提出一種基於鎢金屬有機框架(W-MOF)衍生之複合材料，應用於超級電容器負極。鎢元素具多種氧化態(+2至+6)，在氧化還原反應中具備高度活性，但以鎢作為金屬中心的 MOF 材料仍鮮有文獻深入探討。本研究使用六氯化鎢(WCl6)、均苯四甲酸(PMA)與硝酸(HNO3)透過一步水熱法合成W-MOF材料，並藉由煅燒形成鎢金屬框架衍生物材料(D-WO3)。為進一步提升其導電性與倍率性能，將不同含量之氧化還原石墨烯(rGO)摻雜其中，合成D-WO3@rGO複合材料。該材料兼具電雙層與擬電容儲能機制，並藉由D-WO3本身結構與rGO的協同效應，大幅提升其比表面積與導電性。本研究所製備的D-WO3@rGO60材料，擁有低電解液電阻(Rs) 2.31 Ω與電荷轉移電阻(Rct) 0.56 Ω，在電流密度為1 A g-1下可獲得高比電容值998.8 Fg-1。相比D-WO3(350A) (654.2 F g-1)、D-WO3@rGO40 (751.2 F g-1)與D-WO3@rGO80 (816.2 F g-1)材料，分別提升1.53、1.33及1.22倍，顯示D-WO3@rGO60具有優異的電容性能。當電流密度提升至5 A g-1時，仍保有40.5 %的倍率性能，驗證D-WO3透過水熱法複合rGO能有效提升其倍率性能。最後，以D-WO3@rGO60為負極材料，活性碳(Activated carbon, AC)為正極材料組裝成混合式超級電容器(Hybrid supercapacitor, HSC)，該HSC在15.7 W h kg-1的能量密度下具有3000 W kg-1的高功率密度。它可點亮排列有NTNU ME圖樣的88顆並聯紅光LED燈，持續時間可達240秒，也透過相同方式成功驅動計算機20秒，證實本研究所開發的HSC具有作為儲能元件的實際應用能力，而其所使用之D-WO3@rGO60複合材料，可在高性能儲能領域，提供一條兼具材料創新性與應用導向性的技術路徑，對次世代可攜式與再生能源整合型儲能系統具有重要意義。