臺灣博碩士論文加值系統

碳量子點是近年來新興的奈米材料之一，因為它不只無毒、高化學惰性、高光漂白抗性，且具有尺寸依賴性的光致發光特性。製備碳量子點的方法有很多種，但許多方法過程十分繁雜，且效果不甚理想。在本研究中，使用碳棒為工作電極，超純水為電解液，成功以一種非常簡單的電化學氧化法製備出碳量子點。這種方法不需施加高電位與長時間的反應，且生成的產物不需過濾、純化；以水溶液的狀態儲存，其螢光經五個月後仍然存在。
　　本研究中以定電位電沉積的方式，成功將製備出的碳量子點修飾於二氧化鈦奈米線上。經過測試，發現此方法製備出的碳量子點適合以負電位來進行沉積，但若電位過高，容易使二氧化鈦奈米線自基板上剝落。經碳量子點修飾的二氧化鈦奈米線，其光電流密度可達原本的六倍，電荷轉移電阻也有明顯的下降。由研究結果可判斷出以碳量子點做為敏化劑，有助於增強二氧化鈦對太陽光的利用，提升在光催化等領域的應用性。

Carbon quantum dots are a recently emerging class of nanomaterials due to their non-toxicity, high chemical inertness, high resistance to photobleaching and size-dependent photoluminescence properties. There are many methods to prepare carbon quantum dots, but most of them have complicated processes and unideal results. In this research, carbon quantum dots have been prepared successfully by a very simple electrochemical method, using the graphite rod as a working electrode and ultrapure water as the electrolyte. This method doesn’t need high applied potential and long reaction time, and the products don’t need filtrations or purifications. After five months, carbon quantum dots which stored in ultrapure water still keep their fluorescence.

In this research, author have modified carbon quantum dots onto the TiO2 NW successfully by a potentiostatic electrodeposition method. Carbon quantum dots made by this method were deposited in a negative potential window, but the TiO2 NW may flak away when the potential was too high. After the modification, the photocurrent density of carbon quantum dots/TiO2 NW could be six times higher than the original one, and the charge-transfer resistance was also reduced. Therefore, carbon quantum dots, as a sensitizer, can help TiO2 to improve the use of sun light and the application in photocatalysis.

目錄

第一章　緒論 1
1.1 奈米與光觸媒 1
1.2 奈米碳材 3
第二章 基礎理論與文獻回顧 8
2.1 二氧化鈦(Titanium dioxide, TiO2) 8
2.1.1 二氧化鈦簡介 8
2.1.2 二氧化鈦合成 10
2.2 碳量子點(Carbon quantum dots, CQDs) 1
2.2.1 碳量子點簡介 12
2.2.2 碳量子點合成 14
第三章 研究動機 18
3.1 製備碳量子點方法的簡化 18
3.2 碳量子點修飾二氧化鈦 18
第四章 實驗部分 22
4.1 儀器及藥品 22
4.1.1 儀器 22
4.1.2 藥品 23
4.2 實驗步驟 24
4.2.1 製備碳量子點 24
4.2.2 電極四氯化鈦(TiCl4)處理 25
4.2.3 以水熱法製備二氧化鈦奈米線 25
4.2.4 製作碳量子點卅二氧化鈦奈米線電極 26
4.3 材料特性分析 26
4.3.1 紫外線卅可見光光譜儀(UV/Vis spectrometer) 26
4.3.2 螢光光譜儀(Spectrofluorometer) 26
4.3.3 高解析度穿透式電子顯微鏡(HR-TEM) 27
4.3.4 場發射掃描式電子顯微鏡(FE-SEM) 27
4.3.5 三維奈米拉曼磷光顯微鏡系統(3D Nanometer Scale Raman PL Microspectrometer) 28
4.4 電化學量測 28
第五章 結果與討論 29
5.1 生成理論與參數選擇 29
5.1.1 碳量子點生成理論之探討 29
5.1.2 掃描次數選擇 32
5.1.3 再現性測試 33
5.2 碳量子點與二氧化鈦奈米線性質鑑定 36
5.2.1 碳量子點性質鑑定 36
5.2.2 碳量子點修飾二氧化鈦奈米線之參數選擇與鑑定 42
5.3 電化學量測 46
第六章 結論 49
第七章 未來展望 50
參考文獻 51


表目錄

表 1　常見之碳量子點製備方法及其優缺點 15
表 2　各類電解液於製備碳量子點時的優缺點比較 17
表 3　儀器 22
表 4　藥品 23
表 5　文獻與本實驗所使用參數之對照 31
表 6　定電位沉積參數與沉積完的表面形貌之比較 42

 
圖目錄

圖 1- 1　奈米科技的應用 2
圖 1- 2　2007年到2014年的光觸媒全球產值 3
圖 1- 3　石墨的原子結構示意圖 4
圖 1- 4　鑽石的原子結構示意圖 5
圖 1- 5　C60的原子結構示意圖 6

圖 2- 1　二氧化鈦的三種晶體結構 9
圖 2- 2　銳鈦礦與金紅石的能帶相關圖 10
圖 2- 3　(a)零維結構和(b)一維結構之電子傳遞示意圖 11
圖 2- 4　碳量子點之特性與其應用 14

圖 3- 1　二氧化鈦(anatase)與CQDs的能帶相關分布圖 19
圖 3- 2　碳、二氧化鈦與碳修飾二氧化鈦的循環伏安圖 20
圖 3- 3　修飾碳量子點前後的二氧化鈦之Nyquist圖 21

圖 5- 1　對碳棒進行電化學氧化法得到之碳量子點生成機制的假設 30
圖 5- 2　氫氧自由基打開石墨結構之示意圖 30
圖 5- 3　不更換碳棒與超純水，連續掃描的CV電流變化圖 33
圖 5- 4　只更換超純水，連續掃描的CV電流變化圗 34
圖 5- 5　不同碳棒經多次掃描後，得到之水溶液的螢光變化情形 35
圖 5- 6　碳棒二所得之碳量子點的TEM影像圖 37
圖 5- 7　碳棒二所得之碳量子點粒徑分布圖 37
圖 5- 8　碳棒二所得之碳量子點的UV-Vis吸收光譜圖 38
圖 5- 9　碳棒二得到之碳量子點的PL光譜圖 39
圖 5- 10　混合後所得之碳量子點的UV-Vis吸收光譜圖 40
圖 5- 11　混合後得到之碳量子點的PL光譜圖 41
圖 5- 12　混合後得到之碳量子點的TEM影像圖 41
圖 5- 13　分別以不同參數進行電沉積後的CQDs/TiO2之TEM影像圖 43
圖 5- 14　以-3 V沉積60 min的CQDs/TiO2之TEM影像圖 44
圖 5- 15　FTO導電玻璃、TiO2與以-3 V沉積60 min的CQDs/TiO2之Raman光譜圖 45
圖 5- 16　修飾碳量子點(a)前、(b)後之二氧化鈦奈米線基板的電極示意圖 46
圖 5- 17　修飾碳量子點前後之二氧化鈦奈米線基板的瞬時光電流密度響應圖 47
圖 5- 18　修飾碳量子點前後之二氧化鈦奈米線於光照下的Nyquist圖 48

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