臺灣博碩士論文加值系統

二氧化鈦以其無毒、催化活性高及自潔能力強的特性，已被廣泛的發展應用，然而光催化劑粉末回收不易，進而促成將TiO2薄膜化固著於物件表面，拓展應用範圍的動機。本研究採用電弧離子鍍法在玻璃表面被覆TiO2光觸媒薄膜，藉調整施鍍時間、氧氣分壓及基材偏壓三種最重要之鍍膜參數，探討其對鍍膜之成長行為、顯微組織及光催化效率之影響。研究中使用掃描式電子顯微鏡觀察鍍膜之表面、截面形態，並以X光繞射儀分析鍍層之組織結構，以及應用紫外光－可見光光譜儀量測鍍膜光催化亞甲基藍水溶液之穿透度變化情形，以期了解施鍍參數與光催化行為間的相互關係。
實驗結果顯示：當鍍膜中組織結構為銳鈦礦相時，鍍膜具較高的光催化效率，且隨著鍍膜銳鈦礦相含量增加，其光催化效率亦有提高的趨勢。TiO2鍍膜的結晶性除了會因基材溫度的升高而提昇之外，氧氣分壓亦扮演著重要的影響角色，富氧的施鍍條件下所得之鍍膜，鈦原子有較大的機會與氧氣反應生成足劑量比之TiO2，呈現出較高的光催化效率。鍍膜的機械性質方面，TiO2鍍膜的表面硬度隨著膜厚的增加而提高，刮痕試驗結果亦顯示鍍膜與玻璃基材的附著性極高。證明以電弧離子技術可成功的將TiO2光催化鍍膜沉積於玻璃基材上，並具有高硬度、高附著性的鍍膜特性，在未來民生方面之應用極具潛力。

Titanium dioxide photocatalyst is well developed and wildly used due to its safety, highly catalytic activity, and self-cleaning properties. However, recycling of TiO2 powder is difficult. This motivates the development of TiO2 thin-films processes to extend its application. In this study, arc ion plating technique was used to deposit TiO2 films on glass substrate. The influence of three most effective deposition parameters - deposition time, oxygen partial pressure, and substrate bias were discussed respectively. The cross sectional morphology, surface morphology, and microstructure was observed by SEM and XRD respectively. The photocatalysis-induced decolorization of methylene blue aqueous solution was measured by UV-visible spectrometer as an indication of photocatalytic activity of TiO2 thins to reveal the relationship between deposition parameters, film structure, and photocatalytic property.
Experimental results show that the deposited films with anatase structure exhibit the higher photocatalytic efficiency. Photocatalytic efficiency increases with the fraction of anatase phase in TiO2 films. Crystallinity of TiO2 films is not only affected by substrate temperature but also by oxygen partial pressure. In high oxygen atmosphere, the probability of titanium ions reacting with oxygen to form the saturated TiO2 stoichiometry is increased, so that higher photocatalysis efficiency is obtained. Surface hardness of TiO2-coated glass specimen was found to be dependent on film thickness. The scratch test results show that the TiO2 films remain fully adherent. It is demonstrated that using arc ion plating can deposit photocatalytic TiO2 films onto glass substrate successfully. The high mechanical strength of films also promotes their potential in future environmental application.

總目錄
中文摘要I
英文摘要III
總目錄V
圖目錄VII
表目錄XII
第一章前言1
第二章文獻回顧3
2.1光催化3
2.2光催化材料4
2.3TiO2光催化的機制5
2.4超親水性7
2.5晶體結構的影響12
2.6晶格缺陷的影響14
2.7晶面的影響15
2.8光催化之應用16
2.9TiO2的被覆技術19
2.10真空電弧法原理21
第三章實驗方法與流程29
3.1試片準備30
3.2被覆TiO2薄膜30
3.3微觀組織分析33
3.4光催化試驗33
3.5親水性試驗35
3.6機械性質量測36
第四章結果與討論37
4.1施鍍參數對鍍膜外觀的影響37
4.1.1施鍍時間對鍍膜外觀的影響37
4.1.2氧氣分壓對鍍膜外觀的影響38
4.1.3基材偏壓對鍍膜外觀的影響39
4.2施鍍參數對鍍膜的成長行為之影響40
4.2.1施鍍時間與鍍膜型態的關係及其成長行為40
4.2.2氧氣分壓與鍍膜型態的關係及其成長行為42
4.2.3基材偏壓與鍍膜型態的關係及其成長行為45
4.3施鍍參數對鍍膜的微觀組織之影響48
4.3.1施鍍時間與微觀組織的關係48
4.3.2氧氣分壓與微觀組織的關係50
4.3.3基材偏壓與微觀組織的關係52
4.4施鍍參數對光催化效率的影響53
4.4.1施鍍時間對光催化效率的影響53
4.4.2氧氣分壓對光催化效率的影響55
4.4.3基材偏壓對光催化效率的影響57
4.5施鍍參數與親水性之關係59
4.6TiO2鍍膜的機械性質探討62
4.6.1TiO2鍍膜的表面硬度量測62
4.6.2TiO2鍍膜的附著力65
第五章結論72
參考文獻73

圖目錄
圖2-1光催化的反應機制示意圖，其中A，B，C及D分別代表電子電洞對的再結合可發生於表面（反應A），或者在半導體塊材內部（反應B），由光所產生之電子可還原受體A（反應C），由光所產生之電洞可氧化載體D（反應D）。7
圖2-2原本附著在TiO2催化材料表面的油滴經UV照射後，被移除而達到表面自潔的效用。9
圖2-3經過1 mW/cm2的UV光照射後，水與TiO2表面的接觸角度的變化。9
圖2-4在未受光照下，水與TiO2表面的接觸角度的變化。10
圖2-5在40 mW/cm2的UV光照射下，金紅石相的TiO2半導體（110）面及（001）面的水滴與表面的接觸角變化曲線。11
圖2-6在未受光照之環境下，金紅石相的TiO2半導體上的（110）面及（001）面水滴與表面的接觸角變化曲線。12
圖2-7(a)金紅石相，(b)銳鈦礦相。14
圖2-8電弧放電之電流－電壓特性曲線。21
圖2-9電弧產生的機制。23
圖2-10使用磁控與否的電弧模式陰極點之運動軌跡示意圖 (a)散亂電弧模式 (b)磁控電弧模式。24
圖2-11使用限弧環弧點的情形。24
圖2-12Thorton的Structure-zone model理論。25
圖2-13Messier將基材偏壓(Vs)導入Structure-zone model理論。26
圖3-1研究進行流程。29
圖3-2本研究使用之電弧離子鍍設備實景。30
圖3-3本研究使用之電弧離子鍍設備示意圖。31
圖3-4光催化暗箱及紫外光燈。34
圖3-5紫外光-可見光光譜儀所使用之Liquid cell。34
圖3-6用於測定亞甲基藍溶液穿透度的紫外光-可見光光譜儀。35
圖3-7刮痕試驗示意圖。36
圖4-1氧氣分壓為50%，基材偏壓-100 V下，不同施鍍時間所得鍍膜之外觀 (a)未鍍試片（0 min）， (b)5 min， (c)10 min， (d)20 min， (e)30 min。38
圖4-2基材偏壓-100 V，不同氧氣分壓下，施鍍10 min所得鍍膜之外觀 (a)20%， (b)30%， (c)40%， (d)50%， (e)60%， (f)70%， (g)未鍍試片。39
圖4-3氧氣分壓50%，不同基材偏壓下，施鍍時間為10 min所得鍍膜之外觀 (a)0 V， (b)-50 V， (c)-100 V， (d)-150 V， (e)-200 V。40
圖4-4氧氣分壓50%，基材偏壓-100V下，不同施鍍時間所得鍍膜之表面型態與截面型態， (a)5 min， (b)10 min， (c)20 min， (d)30 min。41
圖4-5氧氣分壓50%，基材偏壓-100V下，鍍膜厚度隨施鍍時間的變化情形。42
圖4-6基材偏壓-100 V，不同氧氣分壓（PO2/PT）下，施鍍10 min，所得之鍍膜截面型態 (a)20% (b)30% (c)40% (d)50% (e)60% (f)70%。44
圖4-7基材偏壓-100 V下，施鍍10 min，鍍膜厚度隨氧氣分壓的變化情形。45
圖4-8氧氣分壓50%，不同基材偏壓下，施鍍10 min，所得鍍膜之表面型態及截面型態 (a)0 V， (b)-50 V， (c)-100 V， (d)-150 V， (e)-200 V。46
圖4-9氧氣分壓50% 下，施鍍10 min，TiO2鍍膜厚度隨基材偏壓的變化情形。47
圖4-10氧氣分壓50%，基材偏壓-100V下，不同施鍍時間所得鍍膜之XRD繞射圖形。49
圖4-11基材偏壓為-100 V，不同氧氣分壓下，施鍍10 min所得鍍膜的XRD繞射圖形。51
圖4-12氧氣分壓50%，不同基材偏壓下，施鍍10 min所得鍍膜的XRD繞射圖形。52
圖4-13氧氣分壓50%，基材偏壓-100V下，不同施鍍時間所得鍍膜光催化亞甲基藍水溶液的穿透度變化，更高的穿透度代表亞甲基藍被催化而分解。54
圖4-14基材偏壓-100 V，以不同氧氣分壓下施鍍10 min所得鍍膜，分別催化亞甲基藍水溶液的穿透度變化，更高的穿透度代表亞甲基藍被催化而分解。56
圖4-15氧氣分壓50%，不同基材偏壓下施鍍10 min所得鍍膜，光催化亞甲基藍水溶液的穿透度變化，更高的穿透度代表亞甲基藍被催化而分解。58
圖4-16氧氣分壓50%，基材偏壓-100V，不同施鍍時間所得鍍膜，分別受紫外光照射下，滴覆水滴隨時間的變化的情形 (a)未鍍試片 (b)施鍍時間為5 min的試片 (c)施鍍時間為30 min的試片。60
圖4-17基材偏壓-100 V，不同氧氣分壓下施鍍10 min所得鍍膜，分別受紫外光照射下，滴覆水滴隨時間的變化的情形 (a)未鍍試片 (b)氧氣分壓為20% 的試片 (c)氧氣分壓為30% 的試片 (d)氧氣分壓為70% 的試片。61
圖4-18氧氣分壓50%，基材偏壓-100V，不同施鍍時間所得TiO2鍍膜的表面硬度曲線。圖中水平虛線為玻璃基材的硬度值。63
圖4-19基材偏壓-100V，不同氧氣分壓下，施鍍10 min所得TiO2鍍膜的表面硬度曲線。64
圖4-20氧氣分壓50%，不同基材偏壓下，施鍍10 min所得TiO2鍍膜的表面硬度曲線。65
圖4-21刮痕試驗中五種常見的鍍膜破裂模式。67
圖4-22以氧氣分壓70%，基材偏壓-100 V，施鍍10 min所製備的試片，經過刮痕試驗之 (a)刮痕低倍率形貌 (b)刮痕末端高倍率形貌及 (c)刮痕末端氧元素之線掃描 (c)刮痕末端鈦元素之線掃描 (c)刮痕末端矽元素之線掃描。69
圖4-23以氧氣分壓50%，基材偏壓-100 V，施鍍20 min所製備的試片，經過刮痕試驗之 (a)刮痕末端高倍率形貌及 (b)刮痕末端鈦元素之分布圖 (c)刮痕末端矽元素之分布圖。70
圖4-24以氧氣分壓50%，未施加基材偏壓0 V，施鍍10 min所製備的試片，經過刮痕試驗之 (a)刮痕末端高倍率形貌及 (b)刮痕末端鈦元素之分布圖 (c)刮痕末端矽元素之分布圖。71

表目錄
表2-1殺菌光、電子式空氣濾清系統及剋菌清的殺菌方式之比較。17
表2-2各種製程優缺點比較。20
表2-3各種防止微滴的方法及其特點。27
表3-1TiO2鍍膜的被覆條件。32

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