臺灣博碩士論文加值系統

摘 要
本研究先利用簡易水熱法成長硫化銦鋅奈米片。不同重量的硫化銦鋅奈米片的硫化銦鋅與氧化鋅奈米複合材料不僅可以控制期比表面積外，而且還影響其光學性質。在藍光與白光的發光二極體照射下針對4-胺苯甲酸進行光催化降解並探討其光催化性能，其結果顯示本研究所製備之硫化銦鋅與氧化鋅奈米複合材料相較於硫化銦鋅奈米片而言，具備有極佳的光催化性能。此外，硫化銦鋅與氧化鋅奈米複合材料在藍光與白光的發光二極體照射下，具備有優異的產氫效率。此新穎的硫化銦鋅與氧化鋅奈米複合材料將可提供優異的應用於太陽能轉換及能源儲存。


 

Abstract
This present study has been used a facile hydrothermal method to grow zinc indium sulfide nanosheets. The zinc indium sulfide and zinc oxide nanocomposites with the different weight of zinc indium sulfide nanosheets were not only controlled the surface-to-volume ratio, but also influenced their optical property. The photocatalytic activities of zinc indium sulfide and zinc oxide nanocomposites were evaluated in the photocatalytic degradation of 4-Aminobenzoic acid under the blue and white light LED irradiation. The zinc indium sulfide and zinc oxide nanocomposites revealed much higher photodegradation efficiency than zinc indium sulfide nanosheets. In addition, zinc indium sulfide and zinc oxide nanocomposites exhibited the better hydrogen production rate under the blue and white light LED irradiation. The novel zinc indium sulfide and zinc oxide nanocomposites will offer promising applications, such as solar energy conversion and energy storage.



 

總目錄

致謝 I
摘 要 II
Abstract III
第一章 緒 論 1
1.1 研究背景 1
1.2 研究目的 2
第二章 文獻回顧 3
2.1光催化降解 3
2.1.1光催化簡介 3
2.1.2 光催化反應 3
2.1.3光催化改質 5
2.2光催化產氫 6
2.2.1產氫反應 6
2.2.2 氫能源技術 7
圖2.4全球氫氣來源比。 8
2.3材料簡介 8
2.3.1硫化銦鋅(ZnIn2S4) 8
2.3.2 氧化鋅(ZnO) 9
第三章 實驗步驟與方法 10
3.1 實驗架構 10
3.1.1 實驗步驟 10
3.2光催化實驗 11
3.3捕捉劑實驗 11
3.4產氫實驗 11
3.5實驗藥品與儀器 12
3.5.1 實驗藥品介紹 12
3.5.2實驗儀器 14
3.5.3 分析儀器 15
第四章 結果與討論 29
4.1硫化銦鋅與氧化鋅奈米複合材料與光催化的應用 29
4.2硫化銦鋅與氧化鋅奈米複合材料之形貌與晶體結構 29
4.2硫化銦鋅與氧化鋅奈米複合材料之化學組成 36
4.3硫化銦鋅與氧化鋅奈米複合材料之比表面積 40
4.4硫化銦鋅與氧化鋅奈米複合材料之光催化降解有機汙染物 44
4.5硫化銦鋅與氧化鋅奈米複合材料之光催化分解水產生氫氣 50
第五章 結 論 56
第六章參考文獻 57

 
圖目錄

圖2.1光催化降解汙染物之示意圖。 4
圖2.2複合型光催化材料示意圖。 5
圖2.3光觸媒的導帶電位與水的還原電位。 6
圖2.4全球氫氣來源比。 7
圖2.5硫化銦鋅六角形結構。 8
圖2.6 (a)閃鋅礦和(b)纖鋅礦型結構。 9

圖3.1實驗架構圖。 10
圖3.2 掃描式電子顯微鏡構造示意圖。 17
圖3.3場發射掃描式電子顯微鏡。 18
圖3.4 X 光之特徵光譜及連續光譜 19
圖3.5布拉格定律。 19
圖3.6 X光管構造示意圖。 21
圖3.7光繞射儀。 21
圖3.8 拉曼光譜儀。 22
圖3.9 紫外光-可見光光譜儀。 23
圖3.10 化學分析電子能譜儀。 24
圖3. 11場發射穿透式電子顯微鏡。 25
圖3. 12高解析比表面積分析儀。 27
圖3.13 氣相層析儀。 28



圖4.1 比較不同材料的SEM影像，其分別為 (a)氧化鋅、 (b) 硫化銦鋅奈米片奈米粒子、(c) 氧化鋅/ 0.02 g 硫化銦鋅奈米複合材料、(d) 氧化鋅/ 0.04g 硫化銦鋅奈米複合材料與(e) 氧化鋅/ 0.06 g 硫化銦鋅奈米複合材料。 30
圖4.2 硫化銦鋅奈米片的(a)與(b) TEM影像、(c) HR-TEM影像與(d) 選區繞射圖譜。 32
圖4.3 硫化銦鋅奈米片的(a) EDS-Mapping影像與(b) EDS圖譜。 32
圖4.4 硫化銦鋅與氧化鋅奈米複合材料的(a)與(b) TEM影像、(c) HR-TEM影像、(d) 選區繞射影像、(e) EDS-Mapping影像與(f) EDS圖譜。 34
圖4.5 不同材料之XRD圖譜，其材料分別為(a) 氧化鋅、(b) 硫化銦鋅與(c) 硫化銦鋅與氧化鋅奈米複合材料。 35
圖4.6 氧化鋅奈米粒子之XPS圖譜。(a) 氧化鋅全圖譜、(b, c)不同元素成分之單元素圖譜，其元素分別為(b) 鋅與(c) 氧。 36
圖4.7 硫化銦鋅奈米片之XPS圖譜。(a) 硫化銦鋅全圖譜、(b-d)不同元素成分之單元素圖譜，其元素分別為(b) 鋅、(c) 銦與(d) 硫。 37
圖4.8 硫化銦鋅與氧化鋅奈米複合材料之XPS圖譜，(a) 全圖譜、(b-e) 不同元素成分之單元素圖譜，其元素分別為(b) 鋅、(c) 銦、(d) 硫與(e) 氧。 39
圖4.9 不同材料的BET之氮氣等溫吸附/脫附曲線圖，其材料分別為 (a) 氧化鋅奈米粒子、(b) 硫化銦鋅奈米片、(c) 氧化鋅/ 0.02 g 硫化銦鋅奈米複合材料、(d) 氧化鋅/ 0.04 g 硫化銦鋅奈米複合材料與(e) 氧化鋅/ 0.06 g 硫化銦鋅奈米複合材。 41
圖4.10 不同材料的BJH 吸附之孔徑分佈曲線，其材料分別為 (a) 氧化鋅奈米粒子、(b) 硫化銦鋅奈米片、(c) 氧化鋅/ 0.02 g 硫化銦鋅奈米複合材料、(d) 氧化鋅/ 0.04 g 硫化銦鋅奈米複合材料與(e) 氧化鋅/ 0.06 g 硫化銦鋅奈米複合材料。 42
圖4.11 不同材料的光致發光圖譜。 43
圖4.12 為不同材料之UV-vis吸收光譜圖。 44
圖4.13 不同材料在藍光下降解4-胺苯甲酸之光催化效率圖。 46
圖4.14 不同材料在藍光下降解4-胺苯甲酸之光催化動力學曲線圖。 46
圖4.15 不同材料在白光下降解4-胺苯甲酸之光催化效率圖。 47
圖4.16 不同材料在白光下降解4-胺苯甲酸之光催化動力學曲線圖。 48
圖4.17 氧化鋅/ 0.04 g 硫化銦鋅奈米複合材料在藍光光催化下比較不同捕捉劑。 49
圖4.18 氧化鋅/ 0.04 g 硫化銦鋅奈米複合材料進行藍光光催化降解循環圖。 50
圖4.19 氧化鋅/ 0.04 g 硫化銦鋅奈米複合材料在不同pH下的光催化分解水產生氫氣之效率圖。 51
圖4. 20不同的犧牲試劑對氧化鋅/ 0.04 g 硫化銦鋅奈米複合材料的光催化分解水產生氫氣之效率圖。 52
圖4. 21針對不同光源及不同光催化劑對光催化分解水產生氫氣之效率圖，其光源分別為(a) 藍光與(b) 白光。 53
圖4. 22氧化鋅/ 0.04 g 硫化銦鋅奈米複合材料對光催化分解水產生氫氣之循環效率圖。 54
圖4. 23氧化鋅與硫化銦鋅奈米複合材料對光催化產氫示意圖。 55









表目錄

表2. 1光催化應用表。 4

表3.1實驗儀器。 14
表3.2分析儀器。 15
表3.3 X 光繞射圖譜峰值特性。 20
表3.4 顯微鏡比較。 24
表3.5 吸附分類。 27

表4.1 不同材料的表面積與孔徑比較表。 43
表4. 2藍光下光催化降解4-胺苯甲酸速率常數與決定係數 47
表4. 3藍光下光催化降解4-胺苯甲酸速率常數與決定係數 48


 

第六章 參考文獻
1.Wu, Xiaofeng, Lili Wen, Kangle Lv, Kejian Deng, Dingguo Tang, Hengpeng Ye, Dongyun Du, Sining Liu, and Mei Li, Fabrication of ZnO/graphene flake-like photocatalyst with enhanced photoreactivity, in Applied Surface Science. 2015. p. 130-136.
2.Hossain, Muhammad Mohsin, Bon-Cheol Ku, and Jae Ryang Hahn, Synthesis of an efficient white-light photocatalyst composite of graphene and ZnO nanoparticles: application to methylene blue dye decomposition, in Applied Surface Science. 2015. p. 55-65.
3.Awasthi, Ganesh Prasad, Surya Prasad Adhikari, Sungwon Ko, Han Joo Kim, Chan Hee Park, and Cheol Sang Kim, Facile synthesis of ZnO flowers modified graphene like MoS2 sheets for enhanced visible-light-driven photocatalytic activity and antibacterial properties. Journal of Alloys and Compounds, 2016. 682: p. 208-215.
4.Xu, Junli, Ya Cui, Yide Han, Men Hao, and Xia Zhang, ZnO–graphene composites with high photocatalytic activities under visible light, RSC Advances. 2016. p. 96778-96784.
5.Wu, Yilun, Shan Zeng, Yanhui Dong, Yunhao Fu, Hang Sun, Shengyan Yin, Xingyuan Guo, and Weiping Qin, Hydrogen production from methanol aqueous solution by ZnO/Zn (OH) 2 macrostructure photocatalysts, RSC Advances. 2018. p. 11395-11402.
6.Du, Chun, Qian Zhang, Zhaoyong Lin, Bo Yan, Congxin Xia, and Guowei Yang, Half-unit-cell ZnIn2S4 monolayer with sulfur vacancies for photocatalytic hydrogen evolution, in Applied Catalysis B: Environmental. 2019. p. 193-201.
7.Zhu, Taotao, Xiangju Ye, Qiaoqiao Zhang, Zhenzhen Hui, Xuchun Wang, and Shifu Chen, Efficient utilization of photogenerated electrons and holes for photocatalytic redox reactions using visible light-driven Au/ZnIn2S4 hybrid, Journal of hazardous materials. 2019. p. 277-285.
8.Fu, Hongbo, Tongguang Xu, Shengbao Zhu, and Yongfa Zhu, Photocorrosion inhibition and enhancement of photocatalytic activity for ZnO via hybridization with C60, in Environmental science & technology. 2008. p. 8064-8069.
9.Li, Li, Xuan Liu, Yiling Zhang, Noel T Nuhfer, Katayun Barmak, Paul A Salvador, and Gregory S Rohrer, Visible-light photochemical activity of heterostructured core–shell materials composed of selected ternary titanates and ferrites coated by TiO2, in ACS applied materials & interfaces. 2013. p. 5064-5071.
10.Nagaveni, K, G Sivalingam, MS Hegde, and Giridhar Madras, Photocatalytic degradation of organic compounds over combustion-synthesized nano-TiO2, in Environmental science & technology. 2004. p. 1600-1604.
11.Linsebigler, Amy L, Guangquan Lu, and John T Yates Jr, Photocatalysis on TiO2 surfaces: principles, mechanisms, and selected results, Chemical reviews. 1995. p. 735-758.
12.Achouri, Faouzi, Serge Corbel, Abdelhay Aboulaich, Lavinia Balan, Ahmed Ghrabi, Myriam Ben Said, and Raphaël Schneider, Aqueous synthesis and enhanced photocatalytic activity of ZnO/Fe2O3 heterostructures, Journal of Physics and Chemistry of Solids. 2014. p. 1081-1087.
13.Dong, Shuying, Jinglan Feng, Maohong Fan, Yunqing Pi, Limin Hu, Xiao Han, Menglin Liu, Jingyu Sun, and Jianhui Sun, Recent developments in heterogeneous photocatalytic water treatment using visible light-responsive photocatalysts: a review, in Rsc Advances. 2015. p. 14610-14630.
14.Teoh, Wey Yang, Jason A Scott, and Rose Amal, Progress in heterogeneous photocatalysis: from classical radical chemistry to engineering nanomaterials and solar reactors, in The Journal of Physical Chemistry Letters. 2012. p. 629-639.
15.錢律廷, 微波水熱合成SrTiO3:Rh 光觸媒於光催化水分解反應研究. 國立東華大學材料科學與工程學系. p. 86.
16.Ibhadon, Alex and Paul Fitzpatrick, Heterogeneous photocatalysis: recent advances and applications, in Catalysts. 2013. p. 189-218.
17.Chen, Xiaobo, Shaohua Shen, Liejin Guo, and Samuel S Mao, Semiconductor-based photocatalytic hydrogen generation, in Chemical reviews. 2010. p. 6503-6570.
18.陳亭穆, 摻雜過渡金屬之觸媒在光催化及加氫脫硫反應促進效應之研究. 國立清華大學化學工程學系.
19.CHEN, Bo-Cai, Yang SHEN, Jian-Hong WEI, Rui XIONG, and Jing SHI, Research Progress on g-C3N4-Based Z-Scheme Photocatalytic System, in Acta Physico-Chimica Sinica. 2016. p. 1371-1382.
20.經濟部能源局再生能源資料網.
21.Hou, Jungang, Chao Yang, Huijie Cheng, Zheng Wang, Shuqiang Jiao, and Hongmin Zhu, Ternary 3D architectures of CdS QDs/graphene/ZnIn 2 S 4 heterostructures for efficient photocatalytic H 2 production, in Physical Chemistry Chemical Physics. 2013. p. 15660-15668.
22.Wang, H., H. L. Ye, B. H. Zhang, F. Q. Zhao, and B. Z. Zeng, Synthesis of ZnIn2S4/CdS Heterostructure Based on Electrostatic Interaction Mechanism for Indirect Photoelectrochemical Detection of Dopamine, in Journal of Physical Chemistry C. 2018. p. 20329-20336.
23.Carevic, M. V., T. D. Savic, N. D. Abazovic, M. N. Mitric, Z. A. Stojanovic, S. P. Ahrenkiel, and M. I. Comor, Formation of ZnIn2S4 nanosheets and tubular structures in organic media, in Materials Research Bulletin. 2017. p. 140-147.
24.Wang, Nuanxia, Chenghua Sun, Yong Zhao, Shuyun Zhou, Ping Chen, and Lei Jiang, Fabrication of three-dimensional ZnO/TiO 2 heteroarchitectures via a solution process, in Journal of Materials Chemistry. 2008. p. 3909-3911.
25.Xu, J. L., Y. Cui, Y. D. Han, M. Hao, and X. Zhang, ZnO-graphene composites with high photocatalytic activities under visible light, in Rsc Advances. 2016. p. 96778-96784.
26.Kansal, SK, M Singh, and D Sud, Studies on TiO2/ZnO photocatalysed degradation of lignin, in Journal of Hazardous materials. 2008. p. 412-417.
27.Van Heuvelen Lab Bioinorganic Chemistry at Harvey Mudd College.
28.Bian, Shao-Wei, Imali A Mudunkotuwa, Thilini Rupasinghe, and Vicki H Grassian, Aggregation and dissolution of 4 nm ZnO nanoparticles in aqueous environments: influence of pH, ionic strength, size, and adsorption of humic acid, in Langmuir. 2011. p. 6059-6068.
29.Li, Ning, Jun Zhang, Yu Tian, Jianhui Zhao, Jian Zhang, and Wei Zuo, Precisely controlled fabrication of magnetic 3D γ-Fe2O3@ ZnO core-shell photocatalyst with enhanced activity: ciprofloxacin degradation and mechanism insight. Chemical Engineering Journal, 2017. 308: p. 377-385.
30.儀器基本原理講義. 逢甲大學共用貴重儀器中心.
31.林佳慶, 鈦酸氫異質結構於光催化與表面增強拉曼光譜之應用. 逢甲大學材料科學與工程學系.
32.張育唐, 比爾定律與吸收度. 2011, 國立臺灣大學化學系: 科學Online.
33.吳毓純, 探索物質世界的偵察機─光. 2014年4月: 科學發展 第496期. p. 54-59.
34.陳建淼, 穿透式電子顯微鏡. 2009年9月, 國立彰化師範大學物理所.
35.黃仲楷, 氣相層析. 國立臺灣師範大學科學Online, 2016年6月.
36.Zhijie Shi, Zhenghua Jiang, Study on the Effects of Oxygen Vacancy in SrCoOx Thin Films. Applied Physics 應用物理, 2016, 6(10), 205-211, Sep. 26, 2016.
37.北京大學化學學院中級儀器實驗室, 比表面孔分佈儀操作手冊.
38.袁菁、莊博超、李惠雯, CNT/TiO2複合光觸媒於紫外光光源下對液相雙酚A降解之研究-pH值及增益劑之影響. 國立高雄大學土木與環境工程學系, 2011.
39.鄭紀民、林志偉, 以水熱法製備(NH4)2V6O16 光觸媒及其光催化產氫之研究. 國立中興大學化學工程, 2015.
40.Bai, Zhiming, Xiaoqin Yan, Zhuo Kang, Yaping Hu, Xiaohui Zhang, and Yue Zhang, Photoelectrochemical performance enhancement of ZnO photoanodes from ZnIn2S4 nanosheets coating. Nano Energy, 2015. 14: p. 392-400.