(Ⅰ)磁性奈米鑽石之製備、表面快速改質及生醫應用研究(Ⅱ)碳紙上生長垂直列陣奈米碳管作為甲醇燃料電池金屬觸媒顆粒承載電極之研究

簡易檢索 / 詳目顯示

回結果列表

研究生：	張吟平 In Pin Chang
論文名稱：	(Ⅰ)磁性奈米鑽石之製備、表面快速改質及生醫應用研究(Ⅱ)碳紙上生長垂直列陣奈米碳管作為甲醇燃料電池金屬觸媒顆粒承載電極之研究
指導教授：	黃國柱 Kuo Chu Hwang
口試委員:
學位類別：	碩士 Master
系所名稱：	理學院 - 化學系 Department of Chemistry
論文出版年：	2008
畢業學年度：	96
語文別：	中文
論文頁數：	141
中文關鍵詞：	奈米鑽石、石墨化、官能基化、直接甲醇燃料電池、碳紙、磁性奈米鑽石、奈米碳管
外文關鍵詞：	nanodiamond, graphitization, functionalization, Direct Methanol Fuel Cell, carbon paper, magnetic nanodiamond, carbon nanotubes
相關次數：	點閱：2 下載：0
分享至:	分享至facebook 分享至twitter

查詢本校圖書館目錄查詢臺灣博碩士論文知識加值系統勘誤回報

本論文第一部分是將奈米鑽石(~100nm)作表面改質，先將奈米鑽石在真空高溫1200℃下燒結1小時，讓鑽石表面石墨化後，增加表面sp2鍵結的數目，再利用微波引發自由基起始高分子聚合反應，可將高分子接枝在奈米鑽石表面，接上奈米鑽石表面的高分子包括油溶性的高分子 (polystyrene、polymethyl methacrylate)，和水溶性的高分子(polyacrylic acid、poly[2-(methacryloyloxy)ethyl]trimethylammonium chloride) ，並利用FTIR、TGA鑑定奈米鑽石表面接上的高分子，奈米鑽石表面接上不同的高分子時其於水相或有機相中之溶解度大約在600~1200mg/L之間◦
第二部分是利用聚焦式微波爐照射產生電弧將固態反應物(奈米鑽石與Ferrocene)裂解製備出磁性奈米鑽石(Fe@CNP-NDs)，利用HRTEM可以鑑定出鐵奈米粒子是藉由表面石墨層包裹固定於奈米鑽石表面，再將磁性奈米鑽石表面作化學修飾，將之接枝上poly acrylic acid和fluorescein Ο-methacrylate，讓磁性奈米鑽石同時具有水溶性跟螢光性質，其在水相的溶解度大約2100mg/L。細胞影像的實驗也證明了(螢光磁性)奈米鑽石不僅可以很容易經由non-receptor mediated endocytosis的過程進入HeLa cells，有修飾上四級胺鹽高分子的(磁性)奈米鑽石也成功的攜帶綠色螢光蛋白DNA進入HeLa cells表現出綠色螢光的影像，所以我們希望利用細胞相容性高的奈米鑽石，經過簡單步驟將鑽石表面修飾四級胺鹽來取代其他奈米材料作為蛋白質、藥物、DNA、RNA和基因的載體
第三部分是在碳紙上利用電子槍蒸鍍的方式將鈦和鎳的催化層沉積於碳紙表面，經由化學氣相沉積法(thermal CVD)的方式生長垂直列陣奈米碳管(CNT-CP)，再將碳管表面修飾上PVP(poly vinylpyrrolidone)來支撐Pt或PtRu觸媒(Pt-PVP-CNT-CP或PtRu-PVP-CNT-CP)，藉由HRTEM鑑定可以發現均勻分散且顆粒較小的觸媒沉積於碳管表面，藉由循環伏安法來測試其電化學活性，確實對於甲醇氧化反應(MOR)具有催化的效果，証實利用此製程方式在未來可以作為甲醇燃料電池中承載金屬觸媒顆粒之陽極。

摘要…………………………………………………………………………I
目錄………………………………………………………………………III
圖目錄…………………………………………………………………VII
表目錄………………………………………………………………… XVI

第一章. 簡介……………………………………………………………1
1-1碳、碳六十、奈米碳管、奈米碳球和鑽石…………………………1
1-1.1碳……………………………………………………………………1
1-1.2碳六十………………………………………………………………2
1-1.3奈米碳管……………………………………………………………4
1-1.4奈米碳球……………………………………………………………7
1-1.5 鑽石…………………………………………………………………8
1-2  奈米碳管的結構及製備……………………………………………14
1-2.1奈米碳管的結構……………………………………………………14
1-2.2奈米碳管的製備…………………………………………………19
1-2.2.1電弧電漿法………………………………………………………19
1-2.2.2 雷射激發法…………………………………………………… 21
1-2.2.3催化化學氣相沉積法………………………………………………22
1-3奈米鑽石的發展與合成………………………………………………24
第二章. 奈米鑽石表面改質……………………………………………29
2-1 實驗原理………………………………………………………………29
2-1.1高溫燒結的方式將奈米鑽石表面石墨化…………………………29
2-1.2奈米鑽石表面官能基………………………………………………32
2-2  實驗藥品和設備…………………………………………………34
2-2.1實驗藥品…………………………………………………………34
2-2.2實驗設備…………………………………………………………35
2-3 實驗步驟………………………………………………………………36
2-3.1奈米鑽石表面石墨化……………………………………………36
2-3.2奈米鑽石表面官能基步驟…………………………………………37
2-4  實驗結果與討論…………………………………………………39
2-4.1鑑定奈米鑽石表面石墨化………………………………………39
2-4.2鑑定奈米鑽石表面官能基化……………………………………53
2-5結果與討論…………………………………………………………60
第三章. 製備螢光磁性奈米鑽石及細胞影像…………………………62
3-1 文獻回顧………………………………………………………………62
3-2 製備磁性奈米鑽石(MNDs)…………………………………………65
3-2.1實驗原理……………………………………………………………65
3-2.2實驗藥品與設備……………………………………………………66
3-2.3實驗步驟……………………………………………………………67
3-2.4鑑定磁性奈米鑽石MNDs(Fe@CNPs-NDs)………………………68
3-3將MNDs表面官能基化，製備具有水溶性與螢光的磁性奈米鑽石PFM-PAA-Fe@CNP-NDs (FMNDs)……………………………75
3-3.1實驗原理…………………………………………………………75
3-3.2實驗藥品與設備……………………………………………………76
3-3.3實驗步驟……………………………………………………………78
3-3.4鑑定MNDs表面官能基化和螢光性質…………………………………………79
3-4將FMNDs/FNDs以及PMADQUAT-MNDs/NDs攜帶DNA(EGFP)餵入HeLa cells的細胞影像實驗………………………………………………………………87
3-4.1實驗原理……………………………………………………………87
3-4.2實驗藥品與設備……………………………………………………88
3-4.3實驗步驟……………………………………………………………89
3-4.4鑑定FMNDs在HeLa cells中的細胞影像………………………91
3-4.5鑑定MNDs/NDs作為pEGFP-DNA載體的細胞影像實驗……94
3-5結果與討論……………………………………………………………98
第四章. 碳紙上生長垂直列陣奈米碳管作為甲醇燃料電池金屬觸媒顆粒承載電極之研究…………………………………………………101
4-1實驗原理………………………………………………………………101
4-1.1研究背景……………………………………………………………101
4-1.2直接甲醇燃料電池介紹…………………………………………102
4-1.3甲醇於Pt電極上之氧化機制……………………………………103
4-1.4添加Ru觸媒對催化甲醇氧化之影響…………………………105
4-1.5 實驗目的及介紹…………………………………………………106
4-2 實驗藥品與設備……………………………………………………108
4-3 實驗步驟……………………………………………………………110
4-3.1在碳紙上生長垂直列陣奈米碳管………………………………110
4-3.2將碳紙上的垂直列陣奈米碳管作表面改質……………………111
4-3.3在碳紙上的奈米碳管接上催化金屬……………………………112
4-4  實驗鑑定結果………………………………………………………113
4-4.1鑑定在碳紙上生長奈米碳管(CNT-CP)…………………………113
4-4.2鑑定PVP-CNT-CP………………………………………………116
4-4.3鑑定支撐在奈米碳管上的金屬催化劑(Pt or PtRu)……………119
4-4.4利用循環伏安法(cyclic voltammetry)測量電化學活性…………126
4-5結果與討論…………………………………………………………129
第五章. 結論……………………………………………………………131
參考文獻………………………………………………………………134

                                

1. S. Iijima, Nature 1991, 354, 56.

2. R. F. Service, Science 1998, 281, 940.

3. H. W. Kroto, J. R. Heath, S. C. O’Brien, R. F. Curl, R. E. Smalley, Nature 1985, 318, 162.

4. W. Krätschmer, L. D. Lamb, K. Fostiropolos, D. R. Huffman, Nature 1990, 347, 354.

5. T. W. Ebbesen, P. M. Ajayan, Nature 1992, 358, 220.

6. T. Ichihashi, S. Iijima, Nature 1993, 363, 603.

7. D. S. Bethune, C. H. Kiang, M. S. Vries, G. Gorman, R. Savoy, J.Vasquez, R. Beyers, Nature 1993, 363, 605.

8. MS. Dresselhaus, G. Dressehaus, P. C. Eklund, Science of Fullerence ＆ Carbon Nanotubes. San Diego: Academic Press, 1996.

9. S. Iijima, Journal of Crystal Growth 1980, 50, 675.

10. D. Ugarte, Nature 1992, 359, 707.

11. Y. Saito, J. Phys. Chem. 1994, 98, 6696.

12. Y. Tzeng, J. Wei, Program and Abstracts of the Fourth International Conference on the New Diamond Science and Techology(ICNDT-4), Kobe, Japan, 1994(July 18-22), pp. 63.

13. T. Henning, F. Alama, Science 1998, 282, 2204.

14. W. E. Wildoer, L. C. Venema, A. G. Rinzler, R. E. Smalley, C. Dekker, Nature 1998, 391, 59

15. S. Iijima, Mater Sci ＆ Eng .B 1993, 19, 172.

16. S. Iijima, T. Ichihashi, Y. Ando, Nature 1992, 356, 776

17. T. W. Ebbesen, H. Hiura, J. Fujita, Y. Ochiai, S. Matsui, K. Taniggaki, Chem. Phys. Lett. 1993, 209, 83.

18. T. Guo, P. Nikolaev, A. Thess, D. T. Colbert, R.E. Smalley, Chem. Phys. Lett. 1995, 243, 49.

19. W. Krätschmer, L. D. Lamb, K. Fostiropoulos, D. R. Huffman, Nature 1990, 347, 354。

20. Y. Saito, Chemical Physic letters 1993, 204, 34, 277

21. J. Li, C. Papadopoulos, J. M. Xu, M. Moskovits, Appl. Phys. Lett. 1999, 75, 367.

22. S. Fan, M. G. Chapline, N. R. Franklin, T. W. Tomber, A. M. Cassell, H. Dai, Science 1999, 283, 512.

23. K. Mukhopadhyay, A. Koshio, T. Sugai, N. Tanaka, H. Shinohara, Z. Konya, J. B. Nagy, Chem. Phys. Lett. 1999, 303, 117.

24. H. M. Cheng, F. Li, G. Su, H. Y. Pan, L. L.He, X. Sun, M. S. Dresselhaus , Appl. Phys. Lett. 1998, 72, 3282.

25. A. L. Lavoisier, Memoire Academie des Science 1882, 564.

26. P. W. Bridgman, Scient. Am. 1955, 193, 42

27. J. C. Angus, H. A. Will, W. S. Stanko, J. Appl. Phys. 1968, 39, 2915.

28. 宋健民, “奈米鑽石的大千世界” 2005, 工業材料雜誌, 217期, 158-170頁.

29. A. Krüger, F. Kataoka, M. Ozawa, T. Fujino, Y. Suzuki, A. E. Aleksenskii, A. Ya. Vul, E. Osawa, Carbon 2005, 43, 1722.

30. S. Osswald, G. Yushin, V. Mochalin, S. O. Kucheyev, Y. Gogotsi, J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 11635.

31. T. Evans, in The Properties of Diamond, edited by J. E. Field (Academic, London, 1979), p. 403.

32. V. L. Kuznetsov, I. L. Zilberberg, Yu. V. Butenko, A. L. Chuvilin, J. Appl. Phys. 1999, 86, 863.

33. O. O. Mykhaylyk, Y. M. Solonin, D. N. Batchelder, R. Brydson, J. Appl. Phys. 2005, 97, 074302.

34. Z. Qiao, J. Li, N. Zhao, C. Shi, P. Nash, Scripta Materialia 2006, 54, 225.

35. A. S. Barnard, S. P. Russo, I. K. Snook, PHYSICAL REVIEW B 2003, 68, 073406.

36. S. J. Kwon, J. G. Park, J. Phys.: Condens. Matter 2007, 19, 386215

37. A. Krüger, F. Kataoka, M. Ozawa, T. Fujino, Y. Suzuki, A. E. Aleksenskii, A. Ya. Vul, E. Osawa, Carbon 2005 43 1722.

38. J. S. Tu, E. Perevedentseva, P. H. Chung, C.L. Cheng, J. Chem. Phys. 2006, 125, 174713.

39. K. Ushizawa, Y. Sato, T. Mitsumori, T. Machinami, T. Ueda, T. Ando, Chemical Physics Letters 2002, 351, 105

40. Y.Liu, Z.Gu,J.L. Margrave, V. N. Khabashesku, Chem. Mater. 2004, 16, 3924.

41. Y. L. Hsin, J. Y. Lai, K. C. Hwang, S. H. Lo, F. R. Chen, J. J. Kai, Carbon 2006, 44, 3328.
42. A. C. Ferrari, Robertson, J. Phys. Rev. B 2000, 61, 14095.

43. A. M. Cassell, W. A. Scrivens, J. M. Tour, Angew. Chem. Int. Ed. 1998, 37, No.11, 1528.

44. S. J. Yu, M. W. Kang, H. C. Chang, K. M. Chen, Y. C. Yu, J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 17604.

45. E. H. Hong, K. H. Lee, S. H. Oh, C. G. Park, Adv. Funct. Mater. 2003, 13, 961.

46. Y. Saito, T. Yoshikawa, M. Okada, M. Ohkobchl, Y. Ando, Y. Kasuyu, Chem. Phys. Lett. 1993, 209, 72.

47. S. Talapatra, P.G. Ganesan, T. Kim, R. Vajtai, M. Huang, G. Ramanath, D. Srivastava, S.C. Deevi, P.M. Ajayan, Physical Review Letters 2005, 95, 097201.

48. S. P. Gubin, O. V. Popkov, G. Y. Yurkov, V. N. Nikiforov, Y. A. Koksharov, N. K. Eremenko, Diamond ＆ Related Materials 2007, 16, 1924.

49. A. M. Schrand, H. Huang, C. Carlson, J. J. Schlager, E. Osawa, S. M. Hussain, L. Dai, J. Phys. Chem. B 2007, 111, 1.

50. C. C. Fu, H. Y. Lee, K. Chen, T. S. Lim, H. Y. Wu, P. K. Lin, P. K. Wei, P. H. Tsao, H. C. Chang, W. Fann, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2007, 104, 727.

51. K. K. Liu, C. L. Cheng, C. C. Chang, J. I Chao, Nanotechnology 2007, 18, 325102.

52. X. H. Gao, Y. Y. Gui, R. M. Levenson, L. W. K. Chung, S. M. Nie, Biotechnol. 2004, 22, 969.

53. X. Michalet, F. F. Pinaud, L. A. Bentolila, J. M. Tasy, S. Doose, J. J. Li, G. Sundaresan, A. M. Wu, S. S. Gambhir, S. Weiss, Science 2005, 307, 538.

54. B. Rezek, D. C. Shin, T. Nakamura, C. E. Nebel, J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 3884-3885.

55. S. J. Yu, M. W. Kang, H. C. Chang, K. M. Chen, Y. C. Yu, J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 17604.

56. . Y. L. Hsin, C. F. Lin, Y. C. Liang, K. C. Hwang, J. C. Horng, J. A. Ho, C. C. Lin, J. R. Hwu, Adv. Funct. Mater. in press, 2008

57. Y. C. Liang, K. C. Hwang, S. C. Lo, Small 2008, 4, 405.

58. A. G. Whittaker, D. M. P. Mingos, J. Chem. Soc. Dalton Trans 1995, 12, 2073.

59. Y. Saito, T. Yoshikawa, M. Okada, M. Ohkobchl, Y. Ando, Y. Kasuyu, Chem. Phys. Lett. 1993, 209, 72-76.

60. JCPDS粉末繞射資料庫06-0696.

61. S. Hampel, A. Leonhardt, D. Selbmann, K. Biedermann, D. Elefant, Carbon 2006, 44, 2316.

62. JCPDS粉末繞射資料庫35-0772.

63. B. S. Kim, T. H. Fan, O. V. Lebedeva, O. I. Vinogradova, Macromolecules 2005, 38, 8066.

64. S. B. Jhaveri, D. Koylu, D. Maschke, K. R. Carter. Journal of Polymer Science: Part A: Polymer Chemistry, Published online in Wiley InterScience. January 4, 2007.

65. R. G. W. Anderson, B. A. Kamen, Science 1992, 255, 410.

66. Q. I. Zhang, G. Xiang, Y. Zhang, K. Yang, W. Fan, J. Lin, F. Zeng, J.Wu, J. Pharm. Sci. 2006, 95, 2266.

67. H. Huang, E. Pierstorff, E. Osawa, D. Ho, Nano Lett. 2007, 7, 3305.

68. J. K. Olson, C. Grose, J. Virol. 1997, 71, 4042.

69. C. C. Chen, Y. P. Lin, C. W. Wang, H. C. Tzeng, C. H. Wu, Y. C. Chen, C.P. Chen, L. C. Chen, Y. C. Wu, J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 3709.

70. N. L. Rosi, D. A. Giljohann, C. S. Thaxton, A. K. R. Lytton-Jean, M. S. Han, C. A. Mirkin, Science 2006, 312, 1027.

71. C. C. Chen, Y. C. Liu, C. H. Wu, C. C. Yeh, M. T. Su, Y. C. Wu, Adv. Mater. 2005, 17, No. 14, 404.

72. L. Ren, Q. Q. Zhang, G. M. Chow, J Sol-Gel Sci Techn 2006, 39, 269.

73. R. Singh, D. Pantarotto, D. McCarthy, O. Chaloin, J. Am. Chem. Soc. 2006, 127, 4388.

74. A. K. Salem, P. C. Searson, K. W. Leong, nature materials 2003, 2, 668.

75. D. Luo, W. M. Saltzman, NATURE BIOTECHNOLOGY 2000, 18, 33

76. K. Sundmacher, K. Scott, Chemical Engineering Science 1999, 54 2927.

77. E. S. Steigerwalt, G. A. Deluga, D. E. Cliffel, C. M. Lukehart, J. Phys. Chem. 2001, 105, 8097.

78. W. Li, C. Liang, W. Zhou, J. Qiu, Z. Zhou, G. Sun, Q. Xin, J. Phys. Chem. B 2003, 107, 1938.

79. M. P. Hogarth, T. R. Ralph, Platinum Metals Rev. 2002, 46(4), 146.

80. G. T. Burstein, C. J. Barnett, A. R. Kucernak, K. R. Williams, Catal. Today 1997, 38, 425.

81. R. Liu, H. Iddir, Q. Fan, G. Hou, A. Bo, K. L. Ley, E. S. Smotkin, J. Phys. Chem. B 2000, 104, 3518.

82. W. F. Lin, M. S. Zei, M. Eiswirth, G. Ertl, T. Iwasita, W. Vielstich, J. Phys. Chem. B 1999, 103, 6968.

83. B. Beden, F. Kadirgan, C. Lamy, J. M. Leger, J. Electroanal. Chem. 1981, 127, 75.

84. C. J. Zhong, M. M. Maye, Adv. Mater. 2001, 13, 1507.

85. A. K. Shukla, R. K. Raman, N. A. Choudhury, K. R. Priolkar, P. R. Sarode, S. Emura, R. Kumashiro, J. Electroanal. Chem. 2004, 563, 181.

86. A. Hamnett, Catal. Today 1997, 38, 445.

87. E. Reddington, A. Sapienza, B. Gurau, R. Viswanathan, S. Sarangapani, E. S. Smotkin, T. E. Mallouk, Science 1998, 280, 1735.

88. J. W. Long, R. M. Stroud, K. E. Swider-Lyons, D. R. Rolison, J. Phys. Chem . B 2000, 104, 9772.

89. Z. Liu, J. Y. Lee, M. Han, W. Chen, L. M. Gan, J. Mater. Chem. 2002, 12, 2453.

90. C. Lim, C.Y. Wang, J. Power Sources 2003, 113, 145.

91. C.Y. Chen, P. Yang, J. Power Sources 2003, 123, 37.

92. M. Neergat, D. Leveratto, U. Stimming, Fuel Cells 2002, 2, 25.

93. L. Jiang, G. Sun, X. Zhao, Z. Zhou, S. Yan, S. Tang, G.Wang, B. Zhou, Q.Xin, Electrochem. Acta 2005, 50, 2371.

94. X. Sun, B. Stansfield, J. P. Dodelet, S. Desilets, Chemical Physics Letters 2002, 363, 415.

95. C. H. Wang, H. Y. Du, Y. T. Tsai, C. P. Chen, C. J. Huang, L. C. Chen, K. H. Chen, H. C. Shih, J. Power Sources 2007, 171, 55.

96. M. C. Tsai, T. K. Yeh, Z. Y. Juang, C. H. Tsai, Carbon 2007, 45, 383.

97. Y. L. Hsin, K. C. Hwang, C. T. Yeh, J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 9999.

98. Y. Zhang, N. W. Franklin, R. J. Chen, H. Dai, Chemical Physics Letters 2000, 331, 35.

99. JCPDS粉末繞射資料庫04-0802.

100.H. Tang, J. H. Chen, L. H. Nie, D. Y. Liu, W. Deng, Y. F. Kuang, S. Yao, J. Colloid Interface Sci. 2004, 269, 26.

全文公開日期本全文未授權公開 (校內網路)
全文公開日期本全文未授權公開 (校外網路)
全文公開日期本全文未授權公開 (國家圖書館：臺灣博碩士論文系統)

簡易檢索 / 詳目顯示

相關論文