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研究生:林素妃
研究生(外文):Lin, Su-Fei
論文名稱:微波水熱合成二氧化鈦於光催化與光電化學之應用
論文名稱(外文):Microwave Hydrothermal Synthesis of Titanium Dioxide for Photocatalytic and Photochemical Applications
指導教授:胡啟章
指導教授(外文):Hu, Chi-Chang
學位類別:碩士
校院名稱:國立清華大學
系所名稱:化學工程學系
學門:工程學門
學類:化學工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2010
畢業學年度:98
語文別:中文
論文頁數:125
中文關鍵詞:二氧化鈦微波水熱
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本文主要研究利用微波水熱法合成純相之銳鈦礦晶相(anatase)二氧化鈦,先以實驗設計法得到控制結晶顆粒成長條件要素,接著製備出不同結晶顆粒大小之二氧化鈦,探討不同結晶顆粒大小二氧化鈦之光催化行為,最後再對聚集成團之二氧化鈦粒子進行分散,測試其光電化學行為。材料分析方面,利用X光繞射儀(XRD)、掃描式電子顯微鏡(SEM)、穿透式電子顯微鏡(TEM)分析觀察其結構組成、結晶顆粒大小、表面型態、及微結構,及利用氮氣之吸脫附曲線測其比表面積及孔洞分佈。
首先以六價鈦離子硫酸水溶液為前驅物,用全因素實驗設計法控制結晶顆粒之成長,根據實驗結果可瞭解影響結晶顆粒成長主要因素包含:溫度、硫酸濃度(pH值)、及持溫時間,隨後欲尋找更大與更小二氧化鈦結晶顆粒,以最陡升途徑實驗法調整溫度及持溫時間因素,得到控制結晶顆粒大小範圍由4 nm至15 nm。
接下來,選取四種微波水熱條件(提供瓦數:100 w;反應溫度:120 oC、140 oC、160 oC、190 oC;持溫時間:1分、4分15秒、5分30秒、15分),合成四種不同結晶顆粒之二氧化鈦,以XRD估算其結晶顆粒大小,分別為4.5、8.0、11.5、及15 nm,經上述一些材料分析分析其性質,接著再應用於照光分解亞甲基藍(MB)來測其光催化活性,而光降解結果為隨著結晶顆粒粒徑變大,光催化活性越好。而結晶顆粒最大的15 nm其結晶性最好,照射紫外光後能激發電子躍上導帶的數目多,因而其光催化活性表現最好。
而因微波水熱合成奈米級二氧化鈦易生聚集現象,此章節成功利用二氧化鈦硝酸溶液經微波水熱(100 w、80 oC、2小時)之酸處理分散聚集之二氧化鈦,並測試光電化學行為。分散前後光電壓由-0.33 V增至-0.4 V,光電流也由4.7×10-6 A 增至1.5×10-5 A,因分散後粒子分佈較均勻,提高對光線之吸收效率,且孔洞體積增大(直徑由3.8 nm增至23 nm)利於電解質進出接觸二氧化鈦粒子之表面,能快速調適維持電荷平衡,因而使更多電子被激發跳上導帶,傳送至導線被接收偵測,而大大提升光電壓及光電流。



中文摘要 i
Abstract iii
目錄 vi
圖目錄 x
表目錄 xiv
第一章 緒論與文獻回顧 1
1-1 前言 1
1-2 論文大綱與研究動機 2
1-3 觸媒與半導體基本原理 6
1-4 光觸媒催化反應基本原理 8
1-5 TiO2奈米光觸媒之物理性質 9
1-6 TiO2奈米光觸媒之光化學催化反應 13
1-7 實驗設計法 17
1-7-1 前言 17
1-7-2 全因素實驗設計法 18
1-7-3缺適度的檢驗 19
1-8 微波系統 22
第二章 實驗方法與儀器簡介 27
2-1 儀器與藥品 27
2-1-1儀器 27
2-1-2 藥品 28
2-2 微波實驗流程及電極之前處理與製備 29
2-2-1 微波實驗流程 29
2-2-2 電極之前處理與製備 32
2-3 光降解有機污染物 34
2-4 材料分析儀器與原理簡介 37
2-4-1 X光繞射分析(X-ray diffraction analysis, XRD) 37
2-4-2 掃描式電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope, SEM) 38
2-4-3 穿透式電子顯微鏡(Transmission Electron Microscope, TEM) 38
2-4-4 N2吸脫附曲線 39
第三章 利用24全因素實驗設計法控制結晶顆粒成長 42
3-1 前言 42
3-2 實驗設計法之參數設定 42
3-3 24全因素實驗設計法 43
3-4 變異數分析 (analysis of variance , ANOVA) 48
3-5 陡升途徑(steepest ascent)之結晶顆粒控制 57
3-6 結論 60
第四章 微波水熱合成TiO2之材料分析與光催化應用 61
4-1 前言 61
4-2 二氧化鈦材料之製備 61
4-3 二氧化鈦之材料分析 63
4-3-1 X光繞射之分析 63
4-3-2 FE-SEM之表面分析 66
4-3-3 TEM之微結構分析 69
4-3-4 N2吸脫附曲線之表面積與孔洞分析 74
4-4 二氧化鈦光降解亞甲基藍之應用 77
4-5 結論 81
第五章 TiO2之分散與光電化學探討 82
5-1 前言 82
5-2 微波水熱法分散二氧化鈦之實驗流程與分析 82
5-3 微波水熱法分散二氧化鈦之材料分析 86
5-3-1 二氧化鈦合成過程之分散 86
5-3-2 二氧化鈦二次粒子之分散 90
5-3-3 分散二氧化鈦之XRD分析 94
5-3-4 分散二氧化鈦之TEM分析 96
5-3-5 分散二氧化鈦之N2吸脫附曲線分析 98
5-4 光電化學影響之探討 100
5-4-1 鈦片基材之光電化學空白試驗 100
5-4-2 分散前後二氧化鈦之光電化學影響 102
5-4-3 不同厚度二氧化鈦之光電化學影響 105
5-4-4 不同結晶顆粒大小二氧化鈦之光電化學影響 110
5-5 結論 114
第六章 總結與未來展望 116
6-1 總結 116
6-2 未來展望 119
參考資料 120

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