微波水熱合成二氧化鈦於光催化與光電化學之應用

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研究生：	林素妃 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 Microwave Hydrothermal Synthesis of Titanium Dioxide for Photocatalytic and Photochemical Applications
指導教授：	胡啟章 Hu, Chi-Chang
口試委員:
學位類別：	碩士 Master
系所名稱：	工學院 - 化學工程學系 Department of Chemical Engineering
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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