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姓名 劉富維(Fu-Wei Liu) 查詢紙本館藏 畢業系所 材料科學與工程研究所 論文名稱 RP-LaSr3Fe3-xMxO10(MX = Co0~1.5或Mn0~0.5)之合成及其在氧催化特性之差異
(On the synthesis of RP-LaSr3Fe3-xMxO10 (MX = Co0~1.5或Mn0~0.5) and their characterization of oxygen catalysis)相關論文 檔案 [Endnote RIS 格式]
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摘要(中) 本研究在探討關鍵性電化學與光電化學的電極儲能材料，研究目標有三： (1)依Pechini法合成Ruddlesden-Popper (RP)結構之RP-LaSr3Fe3-xMxO10(MX = Co0~1.5或Mn0~0.5)錳鈷摻雜物，並探討其對氧還原反應 (Oxygen reduction reaction, ORR) 與氧氣釋出反應 (Oxygen evolution reaction, OER)之催化活性。(2) 以簡單之沉積退火法(Deposition-Annealing method, DA)，探討製備赤鐵礦製程參數，以獲致最佳光陽極之條件。(3) 結合第(1)、(2)技術，將RP-LaSr3Fe3-xMxO10裝載於最佳赤鐵礦製備光陽極，探討是否會增進光電化學分解水之效率。
結果顯示： (1) RP-LaSr3Fe3-xMxO10(M = Co, Mn)之ORR/OER催化活性高於純RP-LaSr3Fe3O10，摻鈷之樣品效率更高於摻錳者，尤其摻鈷量在x=1.5催化活性最高，在定電流ORR(3 mA/cm2 )/OER(10 mA/cm2)下之電位差值(ΔE) 約為0.93 V，比文獻值(1.00 V~1.16V)小，顯示雙催化效率更極佳。(2) 以前驅物在5 mM進行10次沉積退火(即10 DA)所得之赤鐵礦光陽極，其光暗差電流最佳(即照光電流-暗室電流)，可達6.3 mA/cm2。 (3) 裝載RP-LaSr3Fe1.5Co1.5O10之赤鐵礦光陽極，可藉RP-LaSr3Fe1.5Co1.5O10提升OER催化效率，因而增進光陽極之水分解效率，光暗差之電流提升約108%。
摘要(英) This study facilitated the design of critical element for clean energy-conversion and energy-storage electrode material. The main three goals of research were as follow, (1) we attempted to fabricate the RP-LaSr3Fe3-xMxO10 with B-site cations substitution with Mn and Co via Pechini method. Effects of B-site cation kinds and components on the catalytic property for ORR/OER of RP-LaSr3Fe3-xMxO10 were investigated; (2) the α-Fe2O3 photoanode were fabricated on F-doped SnO2 glass substrate via a facile Deposition-Annealing (DA) process. Influence of synthetic parameters on photoelectrochemical performance of α-Fe2O3 photoanodes were characterization; (3) with above technique on electrode, heterojunction of RP-LaSr3Fe3O10/α-Fe2O3 were carried out which facilitated a enhancement for photoelectrochemical water splitting.
The developmental results were summarized below: (1) RP-LaSr3Fe1.5Co1.5O10 revealed a higher ORR/OER catalytic activity than other B-site cation kinds or components. The different in potential between the ORR at 3 mA/cm2 and the OER at 10 mA/cm2 was measured (ΔE =0.93 V), which was lower than data reported elsewhere demonstrating high bifunctional catalytic avtivity. (2) Result from the synthesis of α-Fe2O3, the sample prepared via 5 mM precusor and 10 DA cycles had better physical and chemical properties than synthetic parameters. The maximum photocurrent could reach 6.3 mA/cm2. (3) The modification of the RP-LaSr3Fe1.5Co1.5O10/hematite heterojunction photoanodes facilitated the electron transfer at the electrode/electrolyte interface and thus enhanced the 108% of efficient on photoelectrochemical water splitting. Compared to noble material, RP-LaSr3Fe3-xMxO10 have been employed for the synthesis of the heterojunction photoanodes via a simple route. The photoelectrochemical results have great important, both from scientific and an economical point of view.
關鍵字(中) ★ 赤鐵礦
★ 鈣鈦礦
★ 氧還原
★ 氧釋放
★ 光電化學水分解
★ 共觸媒關鍵字(英) ★ Perovskite
★ Oxygen evolution reaction
★ Oxygen reduction reaction
★ Photoelectrochemical water splitting
★ Cocatalyst論文目次 目錄
摘要 I
Abstract II
致謝 III
表目錄 IX
圖目錄 X
第一章 緒論 1
1-1前言 1
1-2研究動機 1
1-3研究目的 3
第二章 文獻回顧 4
2-1氧還原/釋出反應(ORR/OER) 4
2-1-1氧還原反應 4
2-1-2氧釋出反應 5
2-2層狀鑭鍶錳鐵鈣鈦礦氧化物RP-LaSr3Fe3O10 8
2-3光觸媒 8
2-3-1光觸媒之發展背景(發展背景、起源、用途) 9
2-3-2光觸媒水分解之工作原理 9
2-4光觸媒之發展現況 10
2-4-1 本質光特性研究 10
2-4-2赤鐵礦(α-Fe2O3)光觸媒 11
2-4-3 共觸媒裝載光觸媒水分解 12
2-5實驗方法 15
2-5-1鈣鈦礦材料合成方法 15
2-5-2赤鐵礦(α-Fe2O3)光陽極合成方法 16
2-5-3電化學實驗設備 17
2-5-4 旋轉碟型電極 (RDE) 18
第三章 實驗方法 20
3-1實驗規劃 20
3-2實驗藥品 21
3-2實驗儀器設備 21
3-3實驗步驟 22
3-3-1 Pechini法製備RP-LaSr3Fe3-xMxO10粉末 22
3-3-2 RP-LaSr3Fe3-xMxO10電極製備 23
3-3-3赤鐵礦(α-Fe2O3)光陽極製備 23
3-3-4 LaSr3Fe3-xMxO10/α-Fe2O3製備 24
3-4材料鑑定分析 24
3-4-1 LaSr3Fe3-xMxO10分析 24
3-4-2氧化鐵光陽極分析 25
3-5電化學分析 25
3-5-1 RP-LaSr3Fe3-xMxO10電化學分析 25
3-5-2光電化學分析 26
3-5-3交流頻譜分析 27
第四章 實驗結果 28
4-1 RP-LaSr3Fe3-xMxO10合成與特性 28
4-1-1 RP-LaSr3Fe3O10熱分析 28
4-1-2 粉體XRD之分析結果 29
4-1-3 FE-SEM 表面形貌及粒徑大小觀察 31
4-1-4 RP-LaSr3Fe3-xMxO10 電極光學性質分析 32
4-1-5 RP-LaSr3Fe3-xMxO10 晶格分析 32
4-1-6 RP-LaSr3Fe3-xMxO10 電化學性質分析 33
4-2 α-Fe2O3光陽極製備與特性 35
4-2-1結構分析 35
4-2-2 FE-SEM 表面形貌觀察 36
4-2-3光學性質分析 37
4-2-4光電化學性質分析 37
4-3 RP-LaSr3Fe3-xMxO10/α-Fe2O3光陽極製備與特性 38
4-3-1光電化學性質分析 38
4-3-2電化學性質分析 38
第五章 實驗討論 39
5-1 RP-LaSr3Fe3-xMxO10合成與特性 39
5-1-1 Pechini法製備RP-LaSr3Fe3O10 39
5-1-2 RP-LaSr3Fe3O10結晶特性探討 39
5-1-3 RP-LaSr3Fe3-xMnxO10催化特性探討 40
5-2α-Fe2O3光陽極特性 42
5-2-1不同前驅物濃度對光電流之探討 42
5-2-2不同DA循環數對光電流之探討 43
5-3 RP-LaSr3Fe3-xMxO10/α-Fe2O3光陽極特性探討 44
第六章 結論 45
第七章 未來展望 48
八、參考文獻 49
表4- 1不同活物對氧還原之塔弗曲線電化學參數 54
表4- 2前驅物濃度為10 mM 55
表4- 3不同離子摻雜與白金之氧還原反應電子轉移數之比較 55
表4- 4前驅物濃度為10 mM， 55
表4- 5純赤鐵礦與RP-LaSr3Fe1.5Co3O10裝載赤鐵礦之交流阻抗軟體分析各電路元件數值 56
圖2- 1 Sunarso等人研究不同B為離子之鑭系鈣鈦況氧化物之陰極極化曲線 57
圖2- 2 Sunarso研究不同B為離子之鑭系鈣鈦況氧化物Koutcky-Levich plot 57
圖2- 3鈣鈦況氧化物結構示意圖 58
圖2- 4(A)塔佛曲線(B)於1.56V 定質量產氧催化活性比較 58
圖2- 5鈣鈦礦催化產氧反應機制示意圖 59
圖2- 6定電流50 µAcm-2下，過渡金屬eg電子數與產氧反應過電位之關係圖 60
圖2- 7氧還原活性比較(A)極化曲線(B)定質量活性於-30 µAcm-2下過電位比較 60
圖2- 8 Fujishima與Honda兩位科學家進行本多-藤島效應之實驗示意圖[1] 61
圖2- 9光觸媒水分解工作示意圖 61
圖2- 10半導體內部電子-電洞再結合示意圖 62
圖2- 11半導體能帶結構與氧化還原電位關係圖 62
圖2- 12 α-Fe2O3可見光光觸媒可利用之太陽光波長 63
圖2- 13光觸媒水分解氧釋出反應自由能 63
圖2- 14實驗室意圖 64
圖2- 15旋轉碟型電極 64
圖2- 16旋轉碟型電極量測所繪製之白金Koutechy-Levich plot 65
圖3- 1實驗流程圖 66
圖3- 2Pechini法製備鑭鍶鐵錳層狀鈣鈦礦粉末實驗示意圖 67
圖3- 3光電化學氧化鐵(α-Fe2O3)光陽極示意圖 68
圖4-1 RP-LaSr3Fe3O10 前驅物之TGA分析 69
圖4- 2 Pechini法製備RP-LaSr3Fe3O10 經不同退火溫度48小時之XRD圖譜 69
圖4- 3 Pechini法製備RP-LaSr3Fe3O10 經不同退火時間1100℃之XRD圖譜 70
圖4- 4 Pechini法製備RP-LaSr3Fe3-xMnxO10經不同錳摻雜(x=0.5~2.0)之XRD圖譜 70
圖4- 5 Pechini法製備RP-LaSr3Fe3-xCoxO10經不同鈷摻雜(x=0.5~2.0)之XRD圖譜 71
圖4- 6 RP-LaSr3Fe3-xMxO10經不同錳摻雜之SEM 圖 72
圖4- 7RP-LaSr3Fe3O10經球磨前後之SEM 圖 72
圖4- 8 RP-LaSr3Fe3-xMnxO10經不同錳摻雜(x=0~0.5) 之吸收光譜 73
圖4- 9 RP-LaSr3Fe3O10 之HR-TEM影像 (a)(c)(e)為不同晶面之晶面影相(b)(d)分別為(200)與(110) 面影相放大圖 74
圖4- 10 RP-LaSr3Fe3O10之氧還原反應陰極極化旋轉碟型電極結果 75
圖4- 11 RP-LaSr3Fe2.5Co0.5O10之氧還原反應陰極極化旋轉碟型電極結果 76
圖4- 12 RP-LaSr3Fe2.0Co1.0O10之氧還原反應陰極極化旋轉碟型電極結果 76
圖4- 13 RP-LaSr3Fe2.0Co1.5O10之氧還原反應陰極極化旋轉碟型電極結果 76
圖4- 14 RP-LaSr3Fe1.0Co2.0O10之氧還原反應陰極極化旋轉碟型電極結果 77
圖4- 15RP-LaSr3Fe2.5Mn0.5O10之氧還原反應陰極極化旋轉碟型電極結果 77
圖4- 16 RP-LaSr3Fe3-xMxO10系列活物之氧還原反應陰極極化慢速掃描結果μ 78
圖4- 17 RP-LaSr3Fe3-xMxO10之氧釋出反應陽極極化旋轉碟型電極結果 78
圖4- 18經過550 ℃退火後，不同濃度前驅物之α-Fe2O3 XRD 圖譜 79
圖4- 19經過550 ℃退火後，不同濃度前驅物之α-Fe2O3 Raman 圖譜 79
圖4- 20經過550 ℃退火後，不同前驅物濃度試片表面之α-Fe2O3 SEM 圖 80
圖4- 21經過550 ℃退火後，不同前驅物濃度， 81
圖4- 22經過550 ℃退火後，不同DA循環數， 82
圖4- 23經過550 ℃退火後，不同濃度前驅物之α-Fe2O3穿透光譜 83
圖4- 24經過550 ℃退火後，不同濃度前驅物之α-Fe2O3吸收光譜 83
圖4- 25經過550 ℃退火後，前驅物濃度為2.5mM之α-Fe2O3光電化學分析 84
圖4- 26經過550 ℃退火後，前驅物濃度為5.0mM之α-Fe2O3光電化學分析 85
圖4- 27經過550 ℃退火後，前驅物濃度為10.0mM之α-Fe2O3光電化學分析 86
圖4- 28經過550 ℃退火後，前驅物濃度為20.0mM之α-Fe2O3光電化學分析 87
圖4- 29前驅物濃度為5.0mM之α-Fe2O3搭載RP-LaSr3Fe3-xMxO10之光電化學分析 88
圖4- 30純赤鐵礦光陽極於操作電壓0.6V之Nyquist圖 89
圖4- 31 LaSr3Fe1.5Co1.5O10裝載赤鐵礦光陽極於操作電壓0.6V之Nyquist圖 89
圖5- 1 LSFO之不同離子與摻雜量之陰極極化掃描比較 90
圖5- 2 LSFO之不同離子與摻雜量之陰極極化掃描比較放大圖 90
圖5- 3 LSFO之錳離子不同摻雜量之陰極極化掃描比較 91
圖5- 4 LaSr3Fe3O10之Koutechy-Levich plot 91
圖5- 5 LaSr3Fe2.5Co0.5O10之Koutechy-Levich plot 92
圖5- 6 LaSr3Fe2.0Co1.0O10之Koutechy-Levich plot 92
圖5- 7 LaSr3Fe1.5Co1.5O10之Koutechy-Levich plot 93
圖5- 8 LaSr3Fe1.0Co2.0O10之Koutechy-Levich plot 93
圖5- 9 LaSr3Fe2.5M0.5O10之Koutechy-Levich plot 94
圖5- 10不同DA循環數及前驅物濃度製備純赤鐵礦於偏壓0.6 V vs SCE之光電流 94
圖5- 11 赤鐵礦顆粒大小影響載子遷移距離示意圖 95
圖5- 12顆粒大小影響赤鐵礦膜均勻性與緻密度示意圖 95
圖5- 13 不同鈷離子摻雜LSFO共觸媒組裝之光、暗電流 96
圖5- 14不鈷離子摻雜LSFO共觸媒組裝光陽極於偏壓0.6 V vs SCE之光電流 96
圖5- 15 經軟體分析之純赤鐵礦與LSFCO組裝赤鐵礦之交流阻抗頻譜圖 97
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