博碩士論文 87621010 詳細資訊




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姓名 曾亮鋒(Lian-Fong Tzeng)  查詢紙本館藏   畢業系所 化學學系
論文名稱 新式二氧化鈦觸媒膜的製備
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摘要(中) 利用光催化觸媒來分解有機廢棄物是近年來用以處理水質的淨化和工業廢水處理最有潛力的方法。其中二氧化鈦是具有高光催化效率的觸媒之一,雖然二氧化鈦對於分解有機化合物有很大的效果,但在使用它時存在著一些問題,比如說二氧化鈦粉體的回收不易,二氧化鈦觸媒膜的緻密度高透光不易,導致效率降低。我們利用”分子自我組合”的特性,在二氧化鈦膜與載體間插入一個含雙官能基之修飾分子將二者連結,以製造高穩定性和高催化活性的新型二氧化鈦薄膜。本實驗所用的修飾分子一端為矽烷分子,一端是磺酸基(-SO3H)的雙官能基分子,利用矽烷分子連接載體,磺酸基來捕捉二氧化鈦粒子,用這種方式製造的二氧化鈦薄膜可能有比較大的表面積和高的穩定性,經過光催化分解水楊酸之活性測試,得知二氧化鈦粒徑小於200nm時,沈積在修飾過載體上的二氧化鈦膜,其活性比較大;鍛燒觸媒膜會對使觸媒活性降低,但是沈積在修飾載體上的二氧化鈦膜活性降低較少;經摻雜金屬離子 (Au+、Pd2+),鍍膜液老化或觸媒膜老化,都會使觸媒的光催化活性有明顯的增加,但仍以沈積在修飾載體上的二氧化鈦觸媒膜活性增加較顯著。然而觸媒膜的壽命似乎與所沈積的載體是否修飾無關。
關鍵字(中) ★ 二氧化鈦
★ 觸媒
★ 分子自我組合
關鍵字(英) ★ TiO2
★ molecular self-assembly
★ catalyst
論文目次 中文摘要------------------------------------------------Ⅰ
英文摘要------------------------------------------------Ⅱ
目錄----------------------------------------------------Ⅲ
圖目錄--------------------------------------------------Ⅶ
表目錄--------------------------------------------------Ⅹ
第一章 緒論---------------------------------------------1
1-1 基本觀念-----------------------------------------1
1-2 異相觸媒的反應過程-------------------------------1
1-3 二氧化鈦的物理性質-------------------------------2
1-4 二氧化鈦的光化學性質-----------------------------3
1-5 二氧化鈦的光催化反應-----------------------------4
1-6 二氧化鈦的文獻回顧-------------------------------6
1-6-1 二氧化鈦為結晶粒子的製備文獻回顧-----------------8
1-7 二氧化鈦的應用-----------------------------------13
1-8 二氧化鈦在應用上碰到的難題-----------------------13
1-9 研究動機-----------------------------------------13
第二章 實驗部分---------------------------------------15
2-1 藥品與器材--------------------------------------------15
2-2 實驗步驟---------------------------------------------17
2-2-1 載體修飾-----------------------------------------17
2-2-1-1 載體清洗-------------------------------------17
2-2-1-2 載體修飾-------------------------------------18
2-2-1-2-1 3-Mercaptopropyltrimethoxysilane修飾分子---18
2-2-1-2-1-1 載體再修飾-------------------------------19
2-2-1-2-2 N-phenylaminopropyltrimethoxysilane修飾分子----20
2-2-1-2-3 Octyltriethoxysilane修飾分子-------------------20
2-2-1-2-4 N-[(trimethoxysilyl)propyl] ethylene-diamine-triacetic
acid修飾分子--------------------------------20
2-2-2 二氧化鈦鍍膜液之製備--------------------------21
2-2-2-1 由四氯化鈦製造二氧化鈦鍍膜液----------------21
2-2-2-2 用Degussa P-25水溶液----------------------21
2-2-2-3 由醇氧鈦製造二氧化鈦鍍膜液------------------22
2-2-3 二氧化鈦薄膜的製備----------------------------22
2-2-3-1 浸煮法--------------------------------------22
2-2-3-2 浸泡沈積法----------------------------------23
2-2-4 二氧化鈦薄膜的定量----------------------------24
2-2-5 二氧化鈦薄膜的改質----------------------------24
2-2-5-1 在二氧化鈦薄膜上摻雜金屬離子----------------24
2-2-5-2 沈積二氧化鈦薄膜在聚苯胺(PANI)膜上----------25
2-2-5-3 鍛燒二氧化鈦薄膜-----------------------------25
2-2-6 水楊酸的分解速率測試---------------------------25
2-2-7 二氧化鈦觸媒活性的定義-------------------------26
2-2-8 水楊酸濃度的校正曲線---------------------------26
2-3 使用的儀器與樣品製備-----------------------------29
一 紫外光/可見光/近紅外光吸收光譜---------------------29
二 紅外光吸收光譜儀-----------------------------------30
三 調滅式全反射式紅外線吸收光譜儀---------------------31
四 X-光繞射儀-----------------------------------------31
五 掃描式電子顯微鏡-----------------------------------32
六 化學分析電子分光儀---------------------------------33
七 穿透式電子顯微鏡-----------------------------------34
八 動態光散射雷射粒徑儀-------------------------------35
第三章 結果與討論---------------------------------------37
3-1 表面修飾-------------------------------------------37
修飾表面之調減式全反射式紅外線吸收光譜 (ATR)測量--37
修飾載體之表面之化學分析電子光譜儀(ESCA)的測量----39
表面接觸角測定------------------------------------46
3-2 表面再修飾部分------------------------------------47
再修飾表面之化學分析電子光譜儀(ESCA)的測量--------48
3-3 二氧化鈦薄膜的沉積--------------------------------51
二氧化鈦薄膜之化學分析電子光譜(ESCA)圖------------52
3-4 不同修飾分子對二氧化鈦薄膜沈積的影響--------------56
3-5 二氧化鈦薄膜沈積在修飾及未修飾的載體上的區別------58
3-6 不同種類的二氧化鈦鍍膜液的催化活性----------------63
3-7 二氧化鈦薄膜厚度與觸媒活性的關係------------------64
3-8 載體修飾與否對二氧化鈦薄膜活性的影響--------------67
3-9 決定二氧化鈦薄膜催化活性的因素--------------------68
3-10 二氧化鈦粉末之X-光繞射圖與觸媒膜的活性-----------72
3-11 在二氧化鈦薄膜上摻雜金屬離子----------------------74
3-12 PANI薄膜對二氧化鈦觸媒膜對觸媒的催化活性的影響---78
3-13 鍛燒對二氧化鈦觸媒膜對活性的影響------------------80
3-14 二氧化鈦鍍膜液老化對所鍍成之二氧化鈦薄膜活性的影響
----------------------------------------------------83
3-15 二氧化鈦觸媒的壽命---------------------------------86
3-16 其他非二氧化鈦觸媒粉末的光催化活性-----------------86
第四章 結論---------------------------------------------89
參考文獻-------------------------------------------------91
圖 目 錄
圖1-5-1 二氧化鈦光催化反應機制圖-----------------------7
圖2-2-1-1-1 載體表面的矽氧化物水解--------------------17
圖2-2-1-2-1 載體修飾示意圖----------------------------18
圖2-2-1-3-1 表面再修飾示意圖--------------------------19
圖2-2-2-1-1 迴流裝置圖--------------------------------21
圖2-2-3-1-1 浸煮製程裝置圖----------------------------23
圖2-2-3-2-1 浸泡鍍膜裝置圖-----------------------------24
圖2-2-6-1 二氧化鈦光催化分解水楊酸反應的裝置圖--------26
圖2-2-7-1 水楊酸濃度隨催化反應時間之變化--------------27
圖2-2-8-1 水楊酸濃度對UV吸收強度的校正曲線-----------28
圖2-3-8-1 光散射示意圖--------------------------------36
圖3-1-1-1 (a)矽烷分子多層膜(b)矽烷修飾分子單層膜的ATR圖
----------------------------------------------38
圖3-1-2-1 矽晶片之ESCA表面分析圖-----------------------41
圖3-1-2-2 矽晶片之ESCA表面元素分析圖-------------------42
圖3-1-2-3 經硫醇分子修飾後之矽晶片ESCA表面分析圖-------44
圖3-1-2-4 經硫醇分子修飾後之矽晶片的ESCA表面元素分析圖-45
圖3-2-1-1 經再修飾後之矽晶片的ESCA大範圍掃描圖---------49
圖3-2-1-2 經再修飾後之矽晶片的ESCA化學位移掃描圖-------50
圖3-3-1-1 沈積在矽晶片上的二氧化鈦薄膜之ESCA大範圍掃描圖
----------------------------------------------53
圖3-3-1-2 沈積在矽晶片表面之二氧化鈦膜的ESCA元素分析圖-54
圖3-4-1 表面修飾分子的結構式--------------------------57
圖3-5-1a 二氧化鈦薄膜沈積在修飾載體上的SEM圖---------59
圖3-5-1b 二氧化鈦薄膜沈積在未修飾載體上的SEM圖-------59
圖3-5-2 二氧化鈦膜均勻度測量點-------------------------60
圖3-5-3 二氧化鈦薄膜光催化反應前後的反射式UV吸收光譜
(a)催化反應前(b)催化反應後---------------------61
圖3-5-4 二氧化鈦薄膜催光化反應前後的IR光譜(a)催化反應前、
(b)催化反應後、 (c)水楊酸----------------------62
圖3-7-1a 在修飾的載體上所鍍之DP-25膜的厚度與觸媒光催
化活性的關係----------------------------------65
圖3-7-1b 在未經修飾的載體上所鍍之DP-25膜的厚度與觸媒光催化
活性的關係------------------------------------65
圖3-7-2a 在修飾的載體上,鍍上由四丙基氧化鈦合成的二氧化鈦
膜,其厚度與觸媒光催化活性的關係--------------66
圖3-7-2b 在未經修飾的載體上,鍍上由四丙基氧化鈦所合成的
二氧化鈦膜其厚度與觸媒光催化活性的關係--------66
圖3-9-1a 二氧化鈦鍍膜液的粒徑與光催化活性的關係-----------69
(二氧化鈦薄膜沈積在修飾的載體上)
圖3-9-1b 二氧化鈦鍍膜液的粒徑與光催化活性的關係-----------69
(二氧化鈦薄膜沈積在未修飾的載體上)
圖3-9-2a 活性較佳之二氧化鈦的TEM圖--------------------67
圖3-9-2b 中等活性之二氧化鈦的TEM圖--------------------67
圖3-9-3a 粒徑為150nm之二氧化鈦電子繞射圖--------------71
圖3-9-3b 粒徑為200nm之二氧化鈦電子繞射圖--------------71
圖3-10-1 不同結晶度的二氧化鈦粉末的X光繞射圖----------73
圖3-11-1a Au原子在二氧化鈦薄膜上的ESCA元素分析圖-----74
圖3-11-1b Pd原子在二氧化鈦薄膜上的ESCA元素分析圖-----74
圖3-11-1c Ag原子在二氧化鈦薄膜上的ESCA元素分析圖-----74
圖 3-13-1 二氧化鈦觸媒膜鍛燒前後的反射式UV光譜
(a)鍛燒前(b)鍛燒後----------------------------82
圖 3-14-1a 二氧化鈦鍍膜液老化前的電子繞射圖------------85
圖 3-14-1b 二氧化鈦鍍膜液老化90天後的電子繞射圖---------85
圖3-15-1 二氧化鈦薄膜的壽命(a)二氧化鈦鍍在修飾的載體上(b)
二氧化鈦鍍在未修飾的載體上--------------------87
表 目 錄
表2-2-8-1 水楊酸濃度對UV吸收強度--------------------28
表3-1-3-1 矽晶片經硫醇矽烷分子修飾後接觸角的改變-----44
表3-2-1-1 表面經再修飾過的矽晶片之ESCA數據----------51
表3-3-1-1 沈積在經表面修飾過矽晶片上之二氧化鈦薄膜的ESCA
圖中各元素的化學位移值---------------------56
表3-4-1 本實驗所使用之矽烷修飾分子及其末端官能基-----56
表3-4-2 沈積在不同修飾分子上之二氧化鈦膜的反射式UV吸收強
度(二氧化鈦的來源:0.024%的DP-25)------------55
表3-5-1 二氧化鈦薄膜的均勻度(二氧化鈦的來源:由醇氧鈦所合
成)------------------------------------------60
表3-6-1 不同種類二氧化鈦鍍膜液所鍍的二氧化鈦薄膜的催化活
性-------------------------------------------64
表3-8-1 二氧化鈦薄膜沈積在修飾或未修飾之載體上光催化活性
(二氧化鈦的來源:由醇氧鈦合成;反應時間:24hr)-68
表3-10-1 不同結晶度的二氧化鈦所鍍出的觸媒膜之光催化活性
---------------------------------------------74
表3-11-1a 摻雜金原子前後的二氧化鈦觸媒活性變化
(鍍膜液的來源:DP-25;載體有做表面修飾)-------76
表3-11-1b 摻雜鈀原子前後的二氧化鈦薄膜活性變化
(鍍膜液的來源:DP-25;載體有做表面修飾)-------76
表3-11-1c 摻雜銀原子前後的二氧化鈦薄膜活性變化
(鍍膜液的來源:DP-25;載體有做表面修飾)-------76
表3-12-1 二氧化鈦觸媒膜及沈積在聚苯胺膜之二氧化鈦的光催化
活性 (二氧化鈦的來源:由四丙基氧化鈦合成、DP-25)
---------------------------------------------79
表3-13-1a 鍛燒對二氧化鈦觸媒膜光催化活性的影響
(鍛燒400℃、兩個小時) ---------------------81
表3-13-1b 鍛燒對二氧化鈦觸媒膜光催化活性的影響
(鍛燒500℃、兩個小時) ---------------------81
表3-13-1c 鍛燒對二氧化鈦觸媒膜光催化活性的影響
(鍛燒900℃、兩個小時) ---------------------83
表3-14-1 二氧化鈦鍍膜液老化對所鍍膜之光催化活性的影響
(老化132天) ------------------------------83
表3-14-2 二氧化鈦鍍膜液老化對所鍍膜之光催化活性的影響
(老化50天) -------------------------------84
表 3-14-3 二氧化鈦觸媒膜老化對其光催化活性的影響------86
表3-16-1a 非二氧化鈦觸媒粉末的活性-------------------86
表3-16-1b 二氧化鈦觸媒粉末的活性---------------------86
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41 吳炳佑, 國立中央大學化學工程研究所, 1996.
指導教授 吳春桂(Chun-Guey Wu) 審核日期 2000-7-17
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