大氣中二氧化碳含量的 增加被認為是造成地球暖化現象的主要元兇之一。因此，高效能且符合經濟效益的二氧化碳捕捉或隔離技術的研發是一重要且刻不容緩的議題。在本研究中，吾人利用中孔洞氧化矽所具備的高比表面積、高孔體積、可調控孔徑以及豐富的表面氫氧基可供官能化修飾等特點，探討並比較以後合成法或一步合成法製備不同胺基表面修飾中孔洞氧化矽樣品，並利用各種物化光譜與分析實驗技術，如傅立葉紅外線光譜、氮氣等溫吸附/脫附、粉末x-ray繞射、元素分析及掃描式/穿透式電子顯微鏡等，對各種樣品之物化特性詳加鑑定。隨後利用熱重分析法測試並比較各種樣品之二氧化碳吸附效能，並利用固態核磁共振光譜探討可能的CO2吸附機理。
在後合成修飾法方面，吾人首先合成中孔洞二氧化矽SBA-15做為擔體，而後將各種胺官能基修飾在其孔璧上，並探討不同胺基結構、鏈長與負載量之聚乙烯聚胺類，如二乙烯三胺(DETA；含3N)、三乙烯四胺(TETA；含4N)、四乙烯五胺(TEPA；含5N)、五乙烯六胺(PEHA；含6N)等對CO2吸附效能之影響。實驗結果發現，所合成修飾之吸附劑在未去除模板劑時(樣品以PSxN命名； x = 3 ~ 6命名)，由PS3N、PS4N、PS5N、PS6N所測得之CO2吸附量分別為40、200、200和182 mg-CO2/g-adsorbent。後三者之吸附效能遠超過一般公認商業化所需的最低標準(~ 88 mg/g)。其中，PS3N之吸附效能較低，推估應是因為其鏈長較短，因而可利用來捕捉CO2的胺官能基也較少之故。吾人並探討利用微波加熱輔助以一步合成法直接製備胺基表面修飾之孔洞氧化矽吸附劑。同樣的，在未去除模板劑條件下(樣品以MWxN; x = 3 ~ 6表示)，由MW3N、MW4N、MW5N以及MW6N吸附劑所測得之CO2吸附量分別為10、149、195和110 mg/g。後三者之CO2吸附效能雖略遜於前述以後合成法所合成修飾之吸附劑，但是整體效果仍然不差，尤其是此舉有效地縮短了吸附劑樣品合成的時間。
進一步的物化鑑定分析顯示：經煅燒去除模板劑之後的樣品，一步合成法相較於後合成法所得到之SBA-15擔體本身的比表面積明顯降低，而孔體積則無明顯變化。據此，吾人推估擔體之比表面積並非影響吸附效能的主因，而其孔體積大小才是決定可負載胺官能基數量，進而影響CO2吸附量的關鍵。此外，在探討比較四種不同胺基表面修飾SBA-15吸附劑在經過多次重複吸/脫附之後，發現含較高碳數胺基吸附劑之CO2吸附效能並無明顯衰退，反之，含較低碳數者因鏈長較短，在經多次吸/脫附後，其胺官能基團容易從SBA-15擔體上脫落，因而造成CO2吸附效能的衰退。在CO2吸附機理方面，吾人由碳-13交叉極化魔角旋轉固態核磁共振光譜實驗證實擔體中P123模板劑的存在與否，並不影響二氧化碳吸附效能，此一結果顯然與現有文獻所推論之吸附機制相違背，就此而論，類此固態吸附劑系統之詳細CO2吸附機理仍有待進一步研究闡明。

The progressive increase in atmospheric carbon dioxide (CO2) content has been held responsible for the global warming phenomena, which has becoming a vital ecological issue. Thus, the R&D of highly efficient and cost-effective technologies for CO2 capture and separation is a demanding task in carbon sequestration. Utilizing the unique characteristics possessed by mesoporous silicas, viz. high surface areas, high total pore volume, controllable pore sizes, and enriched surface hydroxyls available for functionalizations etc., this study aims to use porous silicas as supports to fabricate various amine-functionalized adsorbents for CO2 capture. The amine-functionalized porous adsorbents prepared by either post-synthesis modification or microwave-assisted direct (one-step) synthesis methods were characterized by a variety of different analytical and spectroscopic techniques, such as Fourier-transformed infrared (FT-IR), N2 adsorption/desorption isotherm, powdered x-ray diffraction (PXRD), elemental analysis (EA), and scanning/transmission electron microscopy (SEM/TEM). The CO2 uptake capacities and adsorption/desorption kinetics of various solid adsorbents were examined by a home-built thermogravimetic apparatus. The adsorption mechanism was also explored by solid-state nuclear magnetic resonance (SS-NMR) spectroscopy.
For samples prepared by post-synthesis modification method, various polyethylenepolyamines, viz. diethylenetriamine (DETA; 3N), triethylenetetramine (TETA; 4N), tetraethylenepentamine (TEPA; 5N), and pentaethylenehexamine (PEHA, 6N) were grafted onto the as-synthesized mesoporous SBA-15 silica support. The amine-functionalized adsorbents so fabricated without removing the surfactant (P123) template (denoted as PSxN; x = 3-6), namely PS3N, PS4N, PS5N, and PS6N were found to have a maximum CO2 uptake capacity of 40, 200, 200, and 182 mg-CO2/g-adsorbent, respectively; the latter three being surpassing the minimum benchmark value (ca. 88 mg/g) commonly proposed for commercialization. That the PS3N adsorbent showed a lower CO2 uptake capacity is attributed to the shorter chain length and less amine functional group available by the DETA compared to its counterparts. Likewise, for samples fabricated by microwave-assisted direct synthesis method without removing the surfactant template (denoted as MWxN, x = 3-6), namely MW3N, MW4N, MW5N, and MW6N were found to have a maximum CO2 uptake capacity of 10, 149, 195, and 110 mg/g, respectively. While the adsorbents so fabricated appear to have a somewhat lower CO2 uptake capacity than those prepared by post-synthesis grafting method, the time required for obtaining the former samples (12 hours) was shorten as much as 6 folds.
By comparing the physicochemical properties of PSxN and MWxN samples after removing their surfactant templates (by calcination) revealed that while the latter series samples exhibit notably lower surface areas than the former, their pore volumes remained nearly unchanged after the calcinations treatment. Thus, it is indicatives that pore volume (rather than surface area) of the adsorbent, which dictates the available amine functional group loading, is the controlling factor of CO2 uptake. Additional durability tests further revealed that adsorbents modified by polyethylenepolyamines with longer carbon chain lengths (and hence more amines) show superior durability than those with shorter carbon chain lengths (less amines). Further investigation by 13C cross-polarization magic-angle-spinning (CP-MAS) SS-NMR also verified that the presence of the P123 surfactant template has negligible effect on CO2 uptake. This result clearly contradicts the adsorption mechanism proposed in the literatures, as such, genuine mechanism related to adsorption of CO2 in these solid porous adsorbents demands further investigations.

中文摘要 I
Abstract III
目錄 VI
圖目錄 IX
表目錄 IX
第一章 緒論 1
1.1. 研究動機 1
1.2. 研究目的 2
第二章 文獻回顧 4
2.1. 溫室效應 4
2.1.1. 溫室效應的起因 4
2.1.2. 溫室氣體 5
2.1.3. 溫室效應對地球之影響 7
2.1.4. 二氧化碳的捕捉與封存的技術和優缺點 8
2.2. 中孔洞分子篩之發展 12
2.2.1. 中孔洞氧化矽SBA-15簡介 13
2.3. 胺基官能化修飾中孔洞分子篩 14
第三章 樣品合成、修飾與鑑定 17
3.1. 化學藥品與試劑 17
3.2. 樣品製備與處理 18
3.2.1. SBA-15樣品的合成 18
3.2.2. 中孔洞分子篩之表面修飾 19
3.2.2.1. 後合成修飾法 19
3.2.2.2. 微波輔助直接合成法 23
3.3. 樣品物化特性鑑定 25
3.3.1. 熱重分析實驗 25
3.3.2. 傅氏紅外線光譜實驗 26
3.3.3. 氮氣等溫吸/脫附實驗 26
3.3.4. 掃描式電子顯微鏡實驗 32
3.3.5. 粉末x-光繞射實驗 33
3.3.6. 穿透式電子顯微鏡實驗 34
3.3.7. 固態核磁共振光譜學及其應用 36
3.3.7.1. 核磁共振光譜學簡介 36
3.3.7.2. 魔角旋轉(Magic Angle Spinning; MAS) 38
3.3.7.3. 去耦合(decoupling) 39
3.3.7.4. 跨越極化(cross polarization; CP) 39
3.3.8. 二氧化碳吸附效能測試實驗 40
第四章 結果與討論 41
4.1. 中孔氧化矽SBA-15擔體 41
4.1.1. SBA-15擔體之物性鑑定 41
4.2. 以後合成修飾法製備含胺官能基as-SBA-15材料 44
4.2.1. PSxN-(y)系列樣品之物性鑑定 44
4.2.2. PSxN-(y)系列樣品之二氧化碳吸附效能 48
4.2.3. CO2吸附機制及P123模板劑的效應 55
4.3. 以微波直接合成法製備含胺官能基複合吸附材料 61
4.3.1. MWxN-(y)複合材料之物性鑑定 61
4.3.2. MWxN-(y)材料之二氧化碳吸附效能 68
第五章 結論 74
參考文獻 76
附錄 81

圖目錄

圖2- 1 地球大氣層的輻射平衡情形。 5
圖2- 2 SBA-15之合成示意圖(a)界面活性劑，(b)微胞，(c)六角結構SBA-15。 14

圖3- 1 as-SBA-15樣品之合成流程圖。 18
圖3- 2 以後合成法製備胺官能基表面修飾as-SBA-15示意圖。 20
圖3- 3 利用乙醇將大部分界面活性劑去除後再以後合成法製備胺官能基表面修飾as-SBA-15示意圖。 20
圖3- 4 以後合成法製備胺官能基表面修飾as-SBA-15流程圖。 21
圖3- 5 以微波輔助直接合成法製備含胺官能基樣品流程圖。 23
圖3- 6 以BDDT分類法區分之六種等溫吸附曲線型態。 29
圖3- 7IUPAC所歸類的四種遲滯環型式。 31
圖3- 8 x-光對晶體的繞射示意圖。 34
圖3- 9穿透式電子顯微鏡剖面圖。 35
圖3- 10 核磁矩在進動圓錐之間躍遷。 37
圖3- 11 本研究所使用二氧化碳吸/脫附測試裝置示意圖。 40

圖4- 1 煅燒去除模板劑後SBA-15樣品之低角度PXRD圖。 42
圖4- 2 未經煅燒as-SBA-15樣品之低角度PXRD圖。 42
圖4- 3 煅燒後SBA-15樣品之氮氣等溫(77K)吸/脫附曲線 圖。 43
圖4- 4 未經煅燒as-SBA-15樣品之氮氣等溫(77 K)吸/脫附曲線圖。 43
圖4- 5 初合成as-SBA-15及負載不同胺官能基PSxN-(50) (x = 3-6)樣品之小角度PXRD比較圖。 45
圖4- 6 初合成as-SBA-15及負載不同胺官能基PSxN-(50) (x = 3-6)樣品之氮氣等溫(77 K)吸/脫附曲線圖。 46
圖4- 7 初合成as-SBA-15及負載不同胺官能基PSxN-(50) (x = 3-6)樣品之FT-IR吸收光譜。 48
圖4- 8 PSxN-(50) (x = 3-6)樣品之二氧化碳吸/脫附曲線比較圖。 52
圖4- 9 不同胺官能化修飾as-SBA-15系列樣品之CO2吸附量隨胺基負載濃度的變化圖。 52
圖4- 10 PS4N-(70)、PS5N-(70)和PS6N-(70)系列樣品的初始平均吸附速率比較圖。 54
圖4- 11 PS4N-(y)、PS5N-(y)和PS6N-(y)系列樣品的CO2/N比值隨胺基負載量變化圖。 54
圖4- 12 PS4N-(70)、PS5N-(70)和PS6N-(70)系列樣品之循環CO2吸/脫附圖。 55
圖4- 13 Wen等人所提出之模板劑增進TEPA分散性示意圖。[53] 56
圖4- 14 未去P123除模板劑之as-SBA-15擔體的13C (a) CP-MAS與(b) 1H-decoupled NMR光譜。圖(a)中顯示組成P123之PO和EO共聚物結構單元。 57
圖4- 15 負載TETA胺官能基後PS4N-(50)樣品的13C (a) CP-MA S與(b) 1H-decoupled NMR光譜。 58
圖4- 16 經特殊處理後PS4N-(50)-dP樣品的13C (a) CP-MAS與(b) 1H-decoupled NMR光譜。 60
圖4- 17 煅燒去除模板劑後之SBA-15與MWxN-(50cal) (x = 3-6)樣品之低角度PXRD圖。 62
圖4- 18 以微波輔助直接合成法所製備之負載胺官能基(a) MW3N-(50cal)，(b) MW4N-(50cal)，(c) MW5N-(50cal)及(d) MW6N-(50cal)樣品之TEM圖。 63
圖4- 19 以微波輔助直接合成法所製備之(a) MW5N-(50cal)及(b) MW5N-(30cal)樣品之TEM圖。 64
圖4- 20 以微波輔助直接合成法所製備之負載胺官能基(a) MW3N-(50cal)，(b) MW4N-(50cal)，(c) MW5N-(50cal)及(d) MW6N-(50cal)樣品之SEM圖。 65
圖4- 21 以微波輔助直接合成法所製備之負載胺官能基MWxN-(50cal) (x = 3-6)之氮氣等溫(77 K)吸/脫附曲線。 66
圖4- 22 以微波輔助直接合成法所製備之負載胺官能基MWxN-(50) (x = 3-6)之FT-IR譜圖。 67
圖4- 23 MWxN-(50) (x = 3-6)樣品之二氧化碳吸/脫附曲線比較圖。 68
圖4- 24 不同胺官能化修飾MWxN (x = 4-6)系列樣品之CO2吸附量隨胺基負載濃度的變化圖。 71
圖4- 25 MW4N-(70)、MW5N-(70)和MW6N-(70)之吸/脫附速率比較圖。 71
圖4- 26 MWxN (x = 4-6)系列樣品CO2/N比值隨胺基負載量變化圖。 73
圖4- 27 MWxN-(70) (x = 4-6)系列樣品之循環CO2吸/脫附圖。 73
表目錄

表2- 1 溫室氣體的種類與特性。 6
表2- 2 各種化學吸收劑之優缺點比較。 10
表2- 3 目前工業上採用的二氧化碳回收方法一覽表。 11

表3- 1實驗過程中所用的化學藥品與試劑。 17
表3- 2 各種聚乙烯聚胺化合物的基本性質比較表。 19
表3- 3 以後合成法修飾as-SBA-15中孔矽材吸附劑樣品一覽表。 22
表3- 4 以微波輔助直接合成法製備含胺官能基吸附劑樣品一覽表。 24

表4- 1 SBA-15與as-SBA-15的孔洞特性。 44
表4- 2 初合成as-SBA-15及負載不同胺官能基PSxN-(50) (x = 3-6)樣品之物理特性。 47
表4- 3 PS3N-(y)及PS4N-(y)系列樣品之CO2吸附量、含氮量和CO2/N比值一欄表。 49
表4- 4 PS5N-(y)及PS6N-(y) PS3N-(y)及PS4N-(y)系列樣品之CO2吸附量、含氮量和CO2/N比值一欄表。 50
表4- 5 以微波輔助直接合成法所製備之負載胺官能基MWxN-(50cal) (x = 3-6)之物理特性。 66
表4- 6 MWxN-(y)系列樣品之CO2吸附量、含氮量和CO2/N比值。 69

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