奈米碳管酸純化前後表面特性之變化

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石立節(Li-Chien Shih) 查詢紙本館藏

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環境工程研究所

論文名稱

奈米碳管酸純化前後表面特性之變化
(Surface Characteristics Alternation of CNTs by Acid Purification)

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摘要(中)

奈米科技的發展逐漸影響到人類的生活型態，尤其奈米碳管的發現更是一大驚奇，亦對於污染物的去除開發了新的契機。一般在利用奈米碳管做一吸附材時，必須經過純化程序去除合成奈米碳管時所使用金屬觸媒顆粒，以及在高溫合成時產生碳的不純物質，以提高奈米碳管純度。
本研究藉由奈米碳管對於不同極性分子(對-二甲苯與鄰-二甲苯)的吸附能力，探討奈米碳管表面極性在酸純化前後的變化。研究結果發現，經硝酸純化處理後奈米碳管的金屬含量有明顯降低，相對增加了奈米碳管的純度，並伴隨著官能基的存在。此外，表面積與微孔體積亦有顯著的增加。由動力吸附實驗發現，奈米碳管吸附鄰-二甲苯達平衡的時間比活性碳短，並遵循一階動力模式。等溫吸附曲線實驗結果顯示，鄰-二甲苯與對-二甲苯由於甲基團位置之差異，將會造成苯環上π電子轉移程度不同之現象而直接影響吸附行為。再者，純化後之奈米碳管所增加之表面官能基會吸引水分子聚集現象，即而減低了奈米碳管吸附能力。不論純化前後的奈米碳管，對於二甲苯的吸附皆可以Langmuir與Freundlich吸附模式描述之。在競爭吸附實驗顯示，當奈米碳管同時吸附鄰-二甲苯與對-二甲苯時，表現出相同之親和力。若比較奈米碳管與活性碳的吸附能力，因為活性碳擁有巨大的表面積，因此表現出比奈米碳管為高的吸附量；但以單位表面積表現吸附量時，則顯示出純化前之奈米碳管擁有較高的吸附能力，表示有效吸附孔徑的重要性。此外，由純化前後之奈米碳管對於二甲苯之吸附量比較，純化程序是否真的有其必要性是有待思考的。

摘要(英)

CNT is considered a good sorbent due to its high specific surface area and large micropore volume. Usually, raw CNTs contain large amount of impurities (e.g., amorphous carbon and catalytic metal) which come from synthetic process, therefore, purification of CNT is usually required.
In this study, o-xylene and p-xylene were used to probe the alternation of surface properties of CNTs by acidic purification. It is found that purification of CNT by nitric acid significantly reduced the amount of metal catalyst, increased surface area as well as micropore volume of the CNTs, and introduced oxygen-containing group. Adsorption of o-xylene by purified-CNT attained adsorption equilibrium faster than that by activated carbon. The adsorption capacity of CNTs for o-xylene and p-xylene are mainly influenced by the positition of methyl groups and the presence of oxygen functional groups. Purified-CNTs have lower adsorption capability because water clusters compete with o-xylene and p-xylene for sorption sites. The competitive adsorption studies showed that there is no different affinity of o-xylene and p-xylene adsorbed by purified-CNT. Compared to both CNTs and purified-CNTs, activated carbons have larger adsorption capacity for its large specific surface area and no oxygen-containing functional group. However, when the adsorption capacity is calculated on the basis of unit surface area, CNTs have large adsorption capability than activated carbon for CNTs have more suitable pore size.

關鍵字(中)

★ 奈米碳管
★ 吸附
★ 酸純化
★ 二甲苯
★ 極性

關鍵字(英)

★ adsorption
★ xylene
★ purification
★ carbon nanotube
★ polarity

論文目次

目錄
圖目錄………………………………………………………………………IV
表目錄………………………………………………………………………VI
第一章前言 1
1-1 研究緣起 1
1-2 研究目的 2
1-3 研究流程 3
第二章文獻回顧 4
2-1 奈米碳管 4
2-1-1 基本特性 4
2-1-2 奈米碳管的應用 7
2-1-3 奈米碳管之合成與製備方法 8
2-2 吸附理論 11
2-2-1 物理吸附與化學吸附 11
2-2-2 液相吸附擴散機制 13
2-2-3 吸附曲線 14
2-2-4 等溫吸附曲線 16
2-2-5 活性碳 17
2-2-6 活性碳吸附現象 18
2-2-7 影響吸附之因素 21
2-3 奈米碳管吸附與環工之應用 22
2-3-1 化學感應器 22
2-3-2 奈米碳管的純化 23
2-3-3 奈米碳管的吸附現象 26
第三章實驗方法 28
3-1 實驗設備與材料 28
3-1-1 實驗設備 28
3-1-2 實驗材料 31
3-2 實驗方法 32
3-2-1 奈米碳管之純化程序 33
3-2-2 奈米碳管定性分析 34
3-2-3 二甲苯分析方法 34
3-2-4 吸附動力實驗 35
3-2-5 等溫吸附平衡實驗 36
3-2-6 奈米碳管吸附鄰-二甲苯與對-二甲苯競爭吸附實驗 37
第四章結果與討論 38
4-1 奈米碳管酸處理後特性分析 38
4-1-1 表面孔隙分析 38
4-1-2 奈米碳管純度的變化 42
4-1-3 奈米碳管表面官能基鑑定 44
4-2 鄰-二甲苯與對-二甲苯的定量 44
4-2-1 檢量線 44
4-2-2 層析圖 45
4-2-3 回收率 47
4-3 吸附動力平衡 48
4-4 酸純化前後奈米碳管對二甲苯之吸附 51
4-4-1 酸純化前奈米碳管對鄰-二甲苯與對-二甲苯之吸附 54
4-4-2 酸純化前後奈米碳管吸附鄰-二甲苯 56
4-4-3 酸純化前後奈米碳管吸附對-二甲苯 59
4-4-4 酸純化後奈米碳管對鄰-二甲苯與對-二甲苯之吸附 60
4-5 酸純化後之奈米碳管吸附鄰-二甲苯與對-二甲苯之競爭作用 63
4-6 活性碳與奈米碳管之比較 65
第五章結論與建議 69
5-1 結論 69
5-2 建議 70
參考文獻………………………………………………………….…………..71
圖目錄
圖1-1 研究流程 3
圖2-1 奈米碳管結構 4
圖2-2 奈米碳管的結構可以由二維石墨平面上的向量來表示 5
圖2-3 奈米碳管的椅狀(armchair)、鋸齒狀(zigzag)與對掌形(chiral) 6
圖2-4 奈米碳管生長機制圖 8
圖2-5 電弧放電法示意圖 9
圖2-6 雷射剝削法示意圖 10
圖2-7 化學氣相沈積法示意圖 10
圖2-8 吸附質於吸附劑表面之擴散行為 14
圖2-9 五種常見之等溫吸附曲線圖 15
圖2-10 活性碳表面官能基與水分子之氫鍵結 19
圖2-11 SiO2/Si substrate示意圖 23
圖3-1 奈米碳管純化程序 33
圖3-2 動力吸附實驗流程圖 36
圖3-3 批次實驗流程圖 37
圖4-1 場發射電子顯微鏡觀察奈米碳管表面之型態 40
圖4-2 奈米碳管孔徑分佈 (a)微孔、(b)中孔 41
圖4-3 奈米碳管熱重分析圖 43
圖4-4 奈米碳管熱差分析圖 43
圖4-5 奈米碳管FTIR圖譜 44
圖4-6 二甲苯檢量線圖(a) 鄰-二甲苯、(b) 對-二甲苯 46
圖4-7 鄰-二甲苯與對-二甲苯之層析圖 47
圖4-8 鄰-二甲苯之動力吸附曲線，T=25℃ 50
圖4-9 酸純化前後之奈米碳管等溫吸附模式 53
圖4-10 未純化之奈米碳管對鄰-二甲苯與對-二甲吸附曲線圖(25℃) 55
圖4-11 甲基團移轉苯環上π鍵電子示意圖 56
圖4-12 酸純化前後奈米碳管對鄰-二甲苯吸附曲線(25℃) 58
圖4-13 鄰-二甲苯與水分子共同競爭碳管表面官能基示意圖 59
圖4-14 酸純化前後奈米碳管吸附對-二甲苯曲線圖(25℃) 60
圖4-15 酸純化後奈米碳管對鄰-二甲苯與對-二甲苯之吸附曲線圖( 25℃) 61
圖4-16 奈米碳管表面官能基與水分子競爭鄰-二甲苯之示意圖 62
圖4-17 酸純化後之奈米碳管競爭吸附曲線圖(pH=5.3, 25℃) 64
圖4-18 奈米碳管單一吸附量與競爭吸附量之相關圖 64
圖4-19 活性碳吸附鄰-二甲苯曲線圖(pH=6.4, 25℃) 66
圖4-20 以表面積計算吸附量比較 67
圖4-21 活性碳與奈米碳管微孔分佈 68
表目錄
表2-1 物理吸附與化學吸附差異表 12
表3-1鄰-二甲苯與對-二甲苯之基本性質 32
表4-1 奈米碳管之表面積與微孔體積 39
表4-2 實驗所得之回收率值 48
表4-3 純化後奈米碳管與活性碳對鄰-二甲苯一階動力模式常數值 49
表4-4 等溫吸附模式參數值 52
表4-5 活性碳與奈米碳管之界達電位 58

參考文獻

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指導教授

秦靜如(Ching-Ju Chin)

審核日期

2005-7-20

推文