【記者林昕璿綜合報導】台南市官田區為國內菱角最大產地，然因廢棄菱角殼不易腐化且營養價值低，難以做為肥料使用，造成當地廢棄物處理難題。有鑑於此，國立成功大學化學系團隊將菱角殼製成菱殼炭，並封裝成超級電容，用於驅動電動腳踏車，獲得「第2屆大專校院綠色化學創意競賽」研究組金牌獎。
「農民以往多透過曬乾焚燒方式處理菱角殼，然而露天焚燒除了造成大量灰煙空汙，也影響當地居民產生呼吸道問題。」團隊學生陳傳仁談到。為解決此問題，團隊指導教授林弘萍五年前開始與當地區長合作，藉由開發炭化系統，將菱角殼炭化製成菱殼炭，用於土壤保濕與固肥。而此次團隊則進一步利用菱殼炭環保與高表面積的特性，將其製成超級電容，希望取代目前市面所使用的活性碳材。國立清華大學化學工程學系教授胡啟章補充，團隊碳化菱殼炭的方法，只需加熱到反應溫度，不必再另外添加燃料較為環保。
在超級電容中，電解液中的陰陽離子會藉由外線路電子的吸引，吸附於碳材電極，進而使電子儲存於碳材表面。因此，電極的表面積大小是影響電容儲電量的關鍵。林弘萍解釋，菱殼炭高表面積的特質，可以儲存大量電荷，同時，還有孔洞大且密集的優點，因此具高通透性，使得離子能快速通過電極進行充放電。陳傳仁解釋，菱殼炭每公克具有1500平方公尺表面積，相當於足球場的大小，相比同體積傳統電容，儲電量高出許多。
菱殼炭屬生物炭，用於製造超級電容電極需大量使用碳酸鈣，並在高溫900度下混合進行活化反應，以在其表面製造奈米級的孔洞。陳傳仁說：「在化學式中碳酸鈣與碳的反應用量是1：1的比例，但因固態與固態反應容易接觸不均勻，通常會以四倍碳酸鈣進行過量反應。」製程因而產生大量多餘鈣離子。為了更符合環保綠色概念，團隊將新的菱殼炭加入廢液中，讓菱殼炭吸附鈣離子，並增添小蘇打調節至鹼性的反應環境，使鈣離子沉澱，以再次與碳進行反應。
另一方面，考量製程進入量產後，可能衍生工安危險的疑慮，團隊改良原先以粉塵進行的試驗。陳傳仁補充說：「因為我們使用的是奈米級材料，飄散在空氣中不易察覺，長期吸入會對操作人員健康產生一定危害。」同時也因碳材顆粒細小，容易引起粉塵爆炸。團隊改將未經曝曬的菱殼炭絞碎，使其與液態碳酸鈣混合，在類似水下狀態進行反應，避免粉塵問題。
超級電容電池雖然於充放電過程不涉及化學反應，安全性高且充電時間短，可承受大電流的快速充放，但儲電量遠低於一般電池，續航力並不高。而由於驅動電動腳踏車需要高電壓與能量，現階段超級電容提供的單次電能，僅能維持2公里路程。因此陳傳仁表示，提升儲電量為未來首要解決的問題。
