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研究生: 藍心怡
S. Y. Lan
論文名稱: 以微波合成法製備均勻分散之氧化錫與氧化鐵奈米顆粒
Preparation of uniform SnO2 and Fe2O3 nanoparticles by microwave irradiation
指導教授: 金重勳
T. S. Chin
丁原傑
Y. J. Ding
口試委員:
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 材料科學工程學系
Materials Science and Engineering
論文出版年: 2005
畢業學年度: 93
語文別: 中文
論文頁數: 84
中文關鍵詞: 微波奈米氧化錫氧化鐵
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  • 二氧化錫是一種n型半導體,已廣泛的被應用在氣體感測器方面,對於某些氣體不但具有高的靈敏度而且準確性高,在液晶顯示方面也常被應用在透明導電膜ITO上,而奈米氧化鐵顆粒也常被應用在光電材料、顏料與醫藥上。本實驗是以PVP與PVA為分散劑,以四氯化錫、三氯化鐵與尿素為前驅物,應用微波加熱的方式合成奈米級氧化錫與氧化鐵,當氧化物吸收來自微波熱量,由於微波具有快速加熱、加熱均勻且瞬間造成微胞內部壓力增大而微爆,再加上本身分散劑的分散作用,所製備出來的奈米微粒不但顆粒可到達10 nm而且分佈均勻,經由各儀器SEM、TGA、DTA、FTIR、NMR、粒徑分析等之分析結果,能更了解合成出之奈米粉的特性,對往後的應用具有其貢獻。
    而實驗顯示出以微波加熱與分散劑包覆的作用下,製備出的氧化錫顆粒大小約為10 nm且分佈均勻,而其中對於不同類型的粉末有不同的分散效果,對氧化錫而言PVA比PVP有更好的分散效果,對PVP而言其對氧化鐵的分散性比氧化錫好,但由於奈米顆粒具有高的表面能,即使在分散劑的作用下,分散劑只能暫緩其凝團的現象,稍後仍然會有團聚的狀況出現。而一開始的微波時間與微波功率也是影響因素之一,因此在控制適當的分散劑量,微波功率與時間將能製備出均勻、大小顆粒約10 nm的奈米氧化錫顆粒。


    Stannic oxide (SnO2) is widely applied for the detection of various types of gases with high sensitivity and fast response. It has also been widely used in the LCD industry as the transparent electric conductor coating. Iron oxide (Fe2O3) is conventionally adopted in the manufacturing of opto-electronic devices, pigments and electric transformers. Synthesis of nano-SnO2 and some other oxides were reported elsewhere with serious aggregation problems. If agglomeration of the synthesized nano-particles could not been avoided, it is meaningless for any nano-oxide forming process no matter how small the particle size could be reached initially.
    Objective of the studies has been focused on the synthesis of uniform nano-oxides via a microwave irradiation process. Stannic chloride and iron chloride were selected as the starting materials for the synthesis of nano-SnO2 and Fe2O3, respectively. Urea was used as the in-situ pH adjustor in the process. The main procedures for forming nano-oxides include: i) dissolution of metal chlorides in water, ii) formation of micelle by introducing polymeric surfactants such as polyvinyl alcohol (PVA) and Polyvinyl pyrrolidone (PVP), and iii) microwave irradiation of the reactants stabilized in the micelles and formation of nano-oxides without agglomeration. Experimental results show that uniform nano-SnO2 can be prepared by the microwave-micelle process with particle size down to 10 nm.
    The experimental results were characterized by high resolution transmission electron microscopy (HRTEM), scanning electronic microscopy (SEM), X-Ray diffractometer (XRD), Fourier transformed infred spectroscopy (FTIR), nuclear magnetic resonance analyzer (NMR), thermal gravimetric analyzer (TGA) and differential thermal analyzer (DTA).

    目 錄 中文摘要 Ⅰ 英文摘要 Ⅱ 誌謝 Ⅲ 目錄 Ⅳ 圖表索引 Ⅶ 第一章 緒論 -1 1.1 前言 -1 1.2 奈米材料的特性 -2 1.3 奈米粒子的製備 -4 1.4 研究目的 -7 第二章 文獻回顧 -8 2.1 SnO2的特性 -8 2.2 Fe2O3的特性 -9 2.3 微波的特性 10 2.4 表面活性劑 13 2.5 PVP的特性 15 2.6 PVA的特性 17 2.7 微胞 19 2.8 微爆 22 2.9 微波合成法制備耐米粉之優點 23 第三章 實驗部份 24 3.1 實驗流程 24 3.2 實驗器材 25 3.3 原料與試藥 26 3.4 實驗步驟 27 3.4.1 水質分析檢測 27 3.4.2 PVA與PVP水溶液的分析 28 3.4.3 SnO2製程參數的測試 29 3.4.4 粒徑分析 31 3.4.5 X-ray繞射分析 35 3.4.6 SEM分析 36 3.4.7 熱重熱差分析 36 3.4.8 光學分析 37 3.4.9 FTIR 37 3.4.10 NMR 38 3.4.11 ITO 39 第四章 結果與討論 40 4.1 粒徑分析 40 4.2 X-ray分析 44 4.3 SEM分析 47 4.4 熱重熱差分析 51 4.5 UV-Vis分析 53 4.6 FTIR分析 61 4.7 NNR分析 66 4.8 ITO 69 第五章 結論 73 參考文獻 75 附錄 80 作者簡介 84 圖表索引 圖表索引 Ⅶ 圖2.1.微波爐示意圖 12 圖2.2表面活性劑示意圖 14 圖2.3 PVP構造式 15 圖2.4 PVA構造式 17 圖2.5微胞與逆微胞示意圖 20 圖2.6表面張力與界面活性劑濃度的關係圖 21 圖3.1實驗流程圖 24 圖3.2 超純水之粒徑分佈圖 27 圖3.3 PVP水溶液之粒徑分析大小為4.17 nm(直徑) 28 圖3.4 PVA水溶液之粒徑分析大小為5.53 nm(直徑) 28 圖3.5 SnO2微波功率230W微波時間60秒之粒徑分布圖 33 圖3.6 SnO2微波功率230W微波時間90秒之粒徑分布圖 33 圖3.7 Fe2O3微波功率540W微波時間180秒之粒徑分布圖 34 圖3.8 Fe2O3微波功率540W微波時間195秒之粒徑分布圖 34 圖3.9 UV儀器示意圖 37 圖3.10 NMR儀器示意圖 38 圖4.1 SnCl4溶液微波後所得奈米懸浮液其放置時間對凝團顆粒 大小的關係圖 41 圖4.2 SnCl4溶液微波時間60秒放置時間9小時之粒徑分析圖 41 圖4.3微波時間150秒,不同分散劑對SnCl4溶液微波後凝團的 分散效果 42 圖4.4放置時間對FeCl3溶液微波後所得奈米粉凝團的關係 43 圖4.5 SnO2之JCPDcard 44 圖4.6 SnCl4溶液經微波後再經過不同熱處理之XRD圖 45 圖4.7 FeCl3溶液微波後經過不同熱處理後的x-ray圖 46 圖4.8 SnCl4溶液微波時間兩分鐘後經800 oC熱處理 47 圖4.9 SnCl4溶液經微波時間兩分鐘,再經100oC烘乾之奈米粉 48 圖4.10 SnCl4經微波兩分鐘,再經100oC烘乾 49 圖4.11 均勻凝團的情況 50 圖4.12 被高分子包覆的情形 50 圖4.13 SnCl4溶液經不同微波時間之TGA圖 51 圖4.14 SnCl4溶液經不同微波時間之DTA圖 52 圖4.15以PVP:1g包覆SnCl4溶液(微波時間150秒)經不同放置時間之UV光譜 55 圖4.16 UV吸收光譜與螢光釋放光譜之示意圖 57 圖4.17分散劑PVA:1g包覆SnCl4溶液(微波時間150秒)隨放置時間之UV光圖 58 圖4.18分散劑PVP 1g+PVA 1g包覆SnCl4溶液(微波時間150秒)隨放置時間之UV光圖 58 圖4.19最大吸收強度對放置時間變化的關係 59 圖4.20 PVP 1g包覆氧化鐵之UV光譜 60 圖4.21 PVP之FTIR圖 62 圖4.22經過不同微波時間後冷凍乾燥之SnO2 FTIR圖 62 圖4.23 SnO2經微波時間150秒後(PVP 1g),330oC熱處理 之FTIR 63 圖4.24 SnO2經微波時間150秒後(PVP 1g),再經不同熱處理 之FTIR圖 64 圖4.25 FeCl3溶液經微波時間195秒(PVP:1g)後,再經不同 熱處理之FTIR圖 65 圖4.26 SnO2之結構式 67 圖4.27 A:SnO2之NMR圖 B:SnCl4溶液微波時間150秒經冷凍乾燥之NMR圖 67 圖4.28 Sn(OH)4之NMR圖 68 圖4.29 ITO水溶液粒徑分佈圖 69 圖4.30 ITO水溶液微波照射後之團聚狀況 70 圖4.31 以每分鐘三度升到600oC持溫30分所得ITO之 x光繞射圖 70 圖4.32 經過300oC的熱處理ITO粉其顆粒大小分佈 71 圖4.33 ITO 膜導電性的量測 72 表1.1奈米晶表面能原子數即表面能量估計表 -2 表2.1微胞溶液之特性與特點 19 表3.1 超純水之粒徑分佈表 27 表3.2在不同微波時間功率與分散劑添加量所得SnO2變化情形 29 表3.3不同微波時間所合成之SnO2奈米顆粒 31 表3.4不同微波時間所合成之Fe2O3奈米顆粒 32 表3.5 x-ray的操作條件 35 表4.1圖4.15整理歸納後之吸收波長變化表 56

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