香港理大开发具有超级电荷电导率的新型半导体纳米纤维

香港理工大学机械工程系（理大）开发了一种将高导电纳米结构嵌入半导体纳米纤维的新技术。这样生产的新型复合材料具有极好的电荷导电性，因此可以广泛应用，特别是在环境领域。

该创新在今年3月29日至4月2日举行的第45届日内瓦国际发明会上获得了评审团的勋章。

要解决的问题

半导体制造成直径小至60nm的纳米纤维（小于人的头发的1/1000）已广泛用于现代日常生活中的光子器件（如太阳能电池，用于清洁环境的光催化剂）和非光子器件（如化学生物传感器，锂电池）。然而，由半导体中的光或能量产生的电子和空穴容易复合，从而降低电流或器件的有效性。这种性质限制了半导体纳米纤维的进一步发展和应用。

由Ir领导的研究小组开发的小说技术。教育部创新产品与技术主任教授华莱士教授克服了这一局限。应用静电纺丝，该团队成功地将高导电性纳米结构（如碳纳米管，石墨烯）插入到半导体纳米纤维（如二氧化钛（TiO2））中。因此，所制造的新型纳米复合材料为电子传输提供了专用的超高速公路，消除了电子 - 空穴复合的问题。

在许多领域创新的潜在广泛应用中，梁教授的团队最初开始研究将新型纳米复合材料应用于两个环境方面：太阳能电池和光催化剂用于清洁空气。

提高太阳能电池效率

最新一代太阳能电池（例如染料敏化太阳能电池（DSSC），钙钛矿太阳能电池））是有希望的清洁和可再生能源。然而，对于更广泛的应用，仍然有进一步提高其功率转换效率和以更具成本效益的方式生产的空间。

通过应用理大新技术，将碳纳米管/石墨烯嵌入到DSSC和钙钛矿太阳能电池的TiO2组分中，将能量转换率从40-66％提高。与市面上市售的多晶硅太阳能电池相比，目前的价格为0.25美元（1.94美元）/千瓦时，嵌入式碳纳米管的DSSC成本高出12-32％（2.18-2.56港元）;而嵌入石墨烯的钙钛矿太阳能电池则低28-40％（1.17-1.40港币）。

鉴于新型半导体纳米纤维的极好的电荷电导率，与硅电池相比，具有更高效的太阳能电池的快速开发和成本较低的潜力很大。

增强光催化剂在清洁空气中的性能

TiO 2是市售的商用空气净化或消毒装置中最常用的光催化剂材料。然而，TiO 2只能通过紫外线（即太阳能的约6％）激活，因此限制了其更广泛的应用，因为其在室内环境中效果较差。将一氧化氮（NO）转化为二氧化氮（NO2），以小于5％的速度也相对无效。

通过应用理大的新技术，将石墨烯卷入TZB复合材料（主要由TiO2组成）。如此制造的新型半导体纳米纤维具有极好的导电性，为电子提供了更快速地运输以吸收污染物的氧化石墨烯高速公路。该技术还显着增加了新型纳米纤维的表面暴露于光吸收和捕获有害分子。

这种新型半导体纳米纤维可以将约90％的NO转化为NO2，与没有石墨烯的复合材料相比，可以提高35％。如果与市面上普遍采用的高标准TiO2纳米粒子相比，转换率甚至是10倍以上，成本效益高10倍。

易于应用于广泛应用

鉴于现在和未来半导体纳米纤维的广泛应用，理大开发技术开发出具有极好电荷导电性的半导体纳米纤维，具有不同应用进一步开发的巨大潜力。

除了在太阳能电池和光催化剂中，使用这种新技术的其他明显例子包括开发具有增强的灵敏度和感测速度的生物化学传感器，以及具有较低阻抗和增加存储的锂电池。