臺灣博碩士論文加值系統

本研究目的為氧氣濃縮器(Oxygen Concentrator)陰極電極材料的探討，利用Modified Reverse Homogeneous Precipitation (MRHP)方法來製作LaMnO3/C觸媒，其中碳材選用Vulcan XC-72R、Black Pearls 2000。自製觸媒以掃描式電子顯微鏡（SEM）、能量散佈分析儀（EDS）及X光粉末繞射分析儀（XRPD）鑑定其成分、比例、表面狀態及觸媒顆粒大小，之後再進行電化學測試。
電化學測試包括了循環伏安法量測及利用旋轉電極(RDE)進行氧氣還原極化區線(I-V curve)量測，分析自製觸媒(LaMnO3/C)對氧還原性能之評估並與商用E-TEK 10% Pt/C比較。
由實驗結果顯示，自製觸媒(LaMnO3/C)對氧氣還原性能為30% LaMnO3/C最佳，與E-TEK 10% Pt/C比較，開始產生電流之過電位30% LaMnO3/C比E-TEK 10% Pt/C大0.1V，在電流0.6mA下，30% LaMnO3/C比E-TEK 10% Pt/C大0.2V，顯示出E-TEK氧還原性能優於30% LaMnO3/C。
本實驗以RDE (Rotating disk electrode)進行氧還原反應(ORR)測試，在混合控制(mixed-controlled)下來解析氧氣還原反應，利用Levich plot、Koutecky-Levich plot分析，可計算出n、B、ik值。由Tafel slop分析來評估鹼液中氧還原反應之交換電流密度(io)，i0表示在平衡狀態下的電流密度，決定了某各材料對反應快慢的代表。

The study of oxygen reduction by using carbon supported oxide (LaMnO3/C) in alkaline system is a potential cathode to be used in a oxygen concentrator and LaMnO3 is made by using modified reverse homogeneous precipitation (MRHP) approach. The BP2000 and Valcan XC-72R are two kinds carbon supports used for comparison of catalysts support effect.The characterization of synthesized materials are analyzed by using SEM , XRD and electrochemical cyclic voltammetry.The oxygen reduction reaction are carried by using commericial available platinum materials and MRHP process oxide materials.The forced-convection rotating disk electrode studies are used in evaluating oxygen reduction reaction. Levich plot and Tafel slope are used to study the electrochemical catalysis effects of materials.

內容目錄
中文摘要 I
英文摘要 II
內容目錄 III
表目錄 V
圖目錄 VI
第一章 序論 1
1-1 研究動機 1
1-2 研究目的 4
第二章 基礎理論 7
2-1 引言 7
2-2 氧氣還原反應 7
2-3 氧氣還原途徑 9
2-4 氧氣還原機制 12
2-5 氧還原反應之電化學催化 15
2-6多孔性氣體擴散電極 17
2-6-1 單一孔徑結構電極 18
2-6-2 雙孔結構電極 20
2-7 氧氣還原反應用電極觸媒 21
2-8電極反應與極化現象 23
第三章 實驗 25
3-1 實驗藥品與材料 25
3-2 實驗儀器與設備 26
3-3 實驗步驟 27
3-3-1 觸媒的製作過程 27
3-3-2觸媒製作流程圖 27
3-3-3 工作電極樣本製作 28
3-4 觸媒材料的鑑定 29
3-4-1 掃描式電子顯微鏡 30
3-4-2 能量散佈分析儀 30
3-4-3 X光粉末繞射分析儀 31
3-5 電化學測試 31
第四章 結果與討論 35
4-1自製觸媒材料之鑑定 35
4-1-1 電子顯微鏡(SEM)分析 35
4-1-2能量散佈分析儀(EDS)觀察 37
4-1-3 X光粉末繞射分析儀(XRD) 39
4-2 循環伏安法(Cycle Voltammetry) 41
4-3 氧還原極化曲線(Oxygen reduction polarization curve) 47
4-4 混合控制(mixed-controlled)下來解析氧氣還原反應 56
4-5 由Tafel slop評估鹼液中氧還原反應之交換電流密度(io) 68
第五章 結論 75
參考文獻 77








表目錄
表1-1-1 Oxygen Concentrator公司相對研發能力比較圖 3
表1-2-2 Perovskite-type oxides and Lanthanum and Manga公司相對研
發能力比較圖 6
表2-1-1：氧氣在電化學技術與程序的相關表 8
表3-1 實驗材料及藥品 25
表3-2 實驗儀器和設備 26
表4-1-2-1 自製觸媒EDS測試成分比例與預期原子比例 37
表4-2-1 Black Pearls 2000與Vulcan XC-72R 的比較 46
表4-2-2 樣品比表面積值(BET分析) 46
表4-3-1 樣品及其比較項目 47
表4-4-1 第一部份樣品及比較項目 57
表4-4-2 第二部份樣品及比較項目 58
表4-4-3 第一部分樣品B、ik值 63
表4-4-4 第二部分樣品B、ik值 67
表4-4-5 第一部分樣品n值………………………………….......67
表4-4-6 第二部分樣品n值………………………………….......67
表4-5-1 不同轉速下各樣品所對應的io值 72
表4-5-2 1600rpm下各樣品所對應的io值 74








圖目錄
圖1-1-1 Oxygen Concentrator歷年專利件數 3
圖1-2-2 Perovskite-type oxides and Lanthanum and Manga歷年專利件
數 5
圖2-3-1 RRDE與RDE 示意圖 11
圖2-4-1 氧氣還原反應可能發生的反應機構 14
圖2-5-1氧氣吸附的形式及符合氧還原之反應途徑 16
圖2-6-1-1 單一孔徑結構示意圖 19
圖2-6-2-1 雙孔結構電極示意圖 20
圖2-7-1 perovskite形式之金屬氧化物結構圖 22
圖2-8-1 電極反應路徑圖 23
圖2-8-1 極化形式之概要表示. 24
圖3-3-2 實驗步驟流程圖 28
圖3-3-3 旋轉電極構造圖 29
圖3-5-1 電化學CV測試裝置圖 32
圖3-5-2 Pt絲CV圖，埽描速率50mv/s，0.5M KOH 33
圖3-5-3 E-TEK 10% Pt/XC-72R CV圖，掃描速率為50mv/s，電解
液為0.5M KOH，Loading 0.08mg 33
圖4-1-1-1 30% LaMnO3 / XC-72R SEM 36
圖4-1-1-2 50% LaMnO3 / XC-72R SEM 36
圖4-1-2-1 30% LaMnO3 / XC-72R EDS 38
圖4-1-2-2 50% LaMnO3 / XC-72R EDS 38
圖4-1-3-1 30% LaMnO3/XC-72R XRD圖650℃，通N2，燒結5小時
39
圖4-1-3-2 50% LaMnO3/XC-72R XRD圖650℃，通N2，燒結5小時
40
圖4-1-3-3 LaMnyFe1-yO3/C XRD圖 650℃，通N2，燒結5小時 40
圖4-2-1 E-TEK 10% Pt/XC-72R CV圖，掃描速率為50mv/s，電解
液為0.5M KOH，Loading0.08mg 42
圖4-2-2 20%、30%、50% LaMnO3/XC-72R CV圖，掃描速率為
50mv/s，電解液為0.5M KOH，Loading 0.08 mg 43
圖4-2-3 商用XC-72R及BP2000碳材CV圖，掃描速率為50mv/s，
電解液為0.5M KOH，Loading 0.08mg 45
圖4-2-4 自製30% LaMnO3/XC-72R及30% LaMnO3/BP2000觸媒CV
圖，掃描速率為50mv/s，電解液為0.5M KOH，Loading 0.08
mg 45
圖4-2-5 Carbon-black 中心形狀以橢圓表示 46
圖4-3-1 20% LaMnO3/XC-72R通飽合氧氣，穩定下氧氣還原極化線
圖，掃描速率為10 mv/s，電解液為0.5M KOH，Loading 0.08
mg 49
圖4-3-2 30% LaMnO3/XC-72R通飽合氧氣，穩定下氧氣還原極化線
圖，掃描速率為10 mv/s，電解液為0.5M KOH，Loading 0.08
mg 50
圖4-3-3 50% LaMnO3/XC-72R通飽合氧氣，穩定下氧氣還原極化線
圖，掃描速率為10 mv/s，電解液為0.5M KOH，Loading 0.08
mg 50
圖4-3-4 E-TEK 10% Pt /XC-72R通飽合氧氣，穩定下氧氣還原極化
曲線圖，掃描速率為10 mv/s，電解液為0.5M KOH，Loading
0.08 mg 51
圖4-3-5 轉速1600rpm下，20% 、30%、 50% LaMnO3/XC-72R，
E-TEK 10% Pt /XC-72R的氧還原極化曲線比較圖 51
圖4-3-6 商用XC-72R通飽合氧氣，穩定下氧還原極化曲線，掃描速
率為10 mv/s電解液為0.5M KOH，Loading 0.08 mg 53
圖4-3-7 商用BP2000通飽合氧氣，穩定下氧還原極化曲線，掃描速
率為10 mv/s電解液為0.5M KOH，Loading 0.08 mg 54
圖4-3-8 30% LaMnO3/XC-72R通飽合氧氣，穩定下氧還原極化曲
線，掃描速率為10 mv/s電解液為0.5M KOH，Loading 0.08
mg 54
圖4-3-9 30% LaMnO3/BP2000通飽合氧氣，穩定下氧還原極化曲
線，掃描速率為10 mv/s電解液為0.5M KOH，Loading 0.08
mg 55
圖4-3-10 轉速1600rpm下，XC-72R、BP2000、30% LaMnO3/XC-72R、
30% LaMnO3/BP2000，氧還原極化曲線比較圖 55
圖4-4-1 Limiting electrochemical currents at a rotating-disk electrode
with angular rotation speed ω 57
圖4-4-2 20% LaMnO3/XC-72R Levich plot 59
圖4-4-4 50% LaMnO3/XC-72R Levich plot 60
圖4-4-5 E-TEK 10% Pt/XC-72R Levich plot 60
圖4-4-6 20% LaMnO3/XC-72R Koutecky-Levich plot 61
圖4-4-7 30% LaMnO3/XC-72R Koutecky-Levich plot 61
圖4-4-8 50% LaMnO3/XC-72R Koutecky-Levich plot 62
圖4-4-9 E-TEK 10% Pt/XC-72R Koutecky-Levich plot 62
圖4-4-10 商用XC-72R Levich plot 64
圖4-4-11 商用BP2000 Levich plot 64
圖4-4-12 30% LaMnO3/BP2000 Levich plot 65
圖4-4-13 XC-72R Koutecky-Levich plot 65
圖4-4-14 BP2000 Koutecky-Levich plot 66
圖4-4-15 30% LaMnO3/BP2000 Koutecky-Levich plot 66
圖4-5-1 1600 rpm下30% LaMnO3/XC-72R、E-TEK 10% Pt/XC-72R
Tafel slop 比較圖 70
圖4-5-2 900 rpm下30% LaMnO3/XC-72R、E-TEK 10% Pt/XC-72R
Tafel slop 比較圖 71
圖4-5-3 1600 rpm下30% LaMnO3/XC-72R、E-TEK 10% Pt/XC-72R
過電位(η) vs log i 作圖，取Tafel slop。 71
圖4-5-4 900 rpm下30% LaMnO3/XC-72R、E-TEK 10% Pt/XC-72R
過電位(η) vs log i 作圖，取Tafel slop。 72
圖4-5-4 1600 rpm下30% LaMnO3/XC-72R、E-TEK 10% Pt/XC-72R
電位V vs log 作圖，取Tafel slop。 73
圖4-5-6 1600 rpm下30% LaMnO3/XC-72R、E-TEK 10% Pt/XC-72R
過電位(η) vs log 作圖，取Tafel slop。 73

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