歷屆畢業生 | Alumni

鐘鼎鈞 (碩士2017)

表面修飾TiO2光觸媒應用於氣相與水溶液相光催化還原CO2特性探討

(Photocatalytic Reduction of CO2 by Surface-Doped TiO2 Photocatalysts in Gaseous and Aqueous Phases)

 

摘要

本研究成功以溶膠-凝膠法製備表面摻雜二氧化鈦(TiO2),研究中除探討銅(Cu)、鐵(Fe)以及釩(V)離子對於表面摻雜二氧化鈦(CT, FT, VT)的特性差異(元素比例、元素分布、載子分離效率及表面特性)以及光催化還原二氧化碳(CO2)特性的影響外,並比較氣相及水溶液相還原系統在還原特性上的差異,最後為了改善水溶液相系統的效率,探討系統促進劑溴化鉀(KBr)與還原態氧化石墨烯(rGO)—對於光催化還原 CO2 效率改善的影響。元素分析結果顯示金屬離子主要分布在 TiO2 表層晶格中,濃度比例(M/Ti, M=摻雜離子) 0.71-1.63 %,受金屬離子向外擴散程度的影響,VT 樣品呈現較高表面金屬摻雜量。VT 觸媒在三種摻雜觸媒中具有最好的還原效率,其 CH4 產率(1.3 µ mol/g)在氣相系統中更高於 TiO2 的兩倍,V5+離子在表面抑制載子再結合,且導入較高的表面酸度,是呈現高活性的原因。氣相系統中的還原產物以甲烷(CH4)為主,而水溶液相中則除了 CH4,還有乙烯(C2H4)、乙烷(C2H6)以及丙烯(C3H6)的存在,雖物種較多,然水溶液系統的還原總產率卻不如氣相系統,原因為水中 CO2 濃度僅為氣相系統濃度的一半,降低 CO2 參與還原反應的機率,另外,反應初期生成的產物受到周圍水分子的籠效應影響佔據觸媒表面活性位置,也造成反應速率低下。系統中存在溴離子與 rGO 時,產物生成率均受到抑制,雖然兩者能去除強氧化性的氫氧自由基(‧OH),但卻都因為影響 CO2 的吸附而造成界面電荷轉移效率降低,因而對系統造成負面的影響。


 

徐樹剛 (博士2017)

結合光子晶體與奈米探測材開發環境光學感測元件

(Development of Environental Optical Sensing Devices by a Combination of Photonic Crystals and Nano-Probes)

 

摘要

環境感測器主要為提供有效、即時之環境資訊,以作環境品質確保、突發污染事件範圍確定及追蹤與污染控制成效判定等等運用,須具備於複雜環境基質中快速分析出目標物質之能力。光學感測器以光做為感測訊號轉譯機制,具有可量測訊號種類多、反應快與非接觸等等特點,常見於各類環境感測應用。然光學感測器一般有使用藥劑與光學元件成本偏高等缺點,限制了其環境感測應用範圍。
光子晶體為不同折射率材料以週期性規則排列之結構,具有可反射特定波長光之光能隙。利用此一特性,可將光學感測訊號直接轉譯或放大,有助於拓展光學感測器之環境應用範圍與提高其感測效能。本研究將光子晶體光能隙特性與奈米感測材料結合,開發可簡易且快速感測水中雙酚A與Cu2+離子之奈米光學元件。分別利用具反蛋白石結構之分子拓印矽基材料,吸附雙酚A後造成光子晶體光能隙變化進行雙酚A感知,與利用一維光子晶體--膽固醇液晶膜之布拉格反射鏡機制,使量子點螢光訊號放大並提高其Cu2+離子感知能力。
雙酚A為製造塑膠製品常使用之原料,國際間普遍認為其具環境荷爾蒙物質特性,需密切關注其於環境之流佈狀況。本研究以分子拓印聚合物(molecularly imprinted polymers, MIPs)技術,製備出對雙酚A具有良好選擇性吸附能力之矽基分子拓印材料,並以聚苯乙烯微米球自組裝之模板,將其製成具光子晶體特性之反蛋白石結構,藉由材料吸附雙酚A後,整體折射率改變並造成反射光波長偏移特性,進行水中雙酚A濃度感測。本研究所製得雙酚A矽基分子拓印材料之拓印因子(α)為10.5,與4-叔丁基苯酚比較之選擇性係數(β)為3.94,以此拓印材料製得的反蛋白石感測元件可於10分鐘內響應分析物濃度,並對水中BPA濃度1 - 100 mg/L範圍具訊號線性關係(r2=0.974)。
銅因良好電與熱導體特性,為工業製造常使用之原物料,然銅亦屬對生態系統與人類健康有不良影響之重金屬,需嚴格監測其於水體中存在狀況。本研究以巰基包覆CdS/ZnS量子點為Cu2+離子感測探針,藉由低成本、材料穩定之一維光子晶體—膽固醇液晶膜,放大量子點螢光感測訊號強度與提高其應用性。研究顯示,以L-半胱氨酸、2-巰基琥珀酸與巰基乙酸等包覆劑所製備水溶性CdS/ZnS量子點,具備感測含高濃度Ca2+,Mg2+,Na+,K+和NH4+等陽離子之TFT-LCD工業廢水中微量Cu2+離子能力,可做為工業廢水Cu2+離子排放是否超出 0.15 mg/L排放標準之早期預警工具。另結合具光子晶體光能隙特性之膽固醇液晶膜與鏡子基板,可放大CdS/ZnS量子點感測Cu2+離子之螢光訊號達 7.5-10.3倍,於自來水樣品外添加 0.5-1.0 mg/L濃度Cu2+離子之回收率可達 88-114 %。顯示膽固醇液晶膜搭配鏡子基板為一低成本、高穩定度之螢光訊號放大方法,有助於擴大量子點螢光感測法之應用範圍。


 

陳文琳 (碩士2017)

二氧化鈦表面摻雜鎢光催化還原二氧化碳特性探討

(Surface Doped W-TiO2 Photocatalysts for CO2 Reduction)

 

摘要

本研究以表面摻雜鎢的二氧化鈦(W-TiO2)進行光催化還原CO2反應,探討材料特性(表面結構、離子價態,元素比例、元素分布、電子轉移)與光催化還原CO2活性,並比較氣相與液相系統的還原特性,最後為了解光催化還原CO2反應機制,而進行光觸媒表面官能基分析。從材料鑑定結果顯示,W均勻分布於TiO2上,並以六價形式存在,在粒徑大小上因W作為不純物在TiO2表面上使鍛燒時顆粒間無法縮合形成大顆粒,並且W能在TiO2表面能隙導入兩個未填滿能階,驅使電子移動至表面並捕捉電子降低電子電洞對再結合機率。以TiO2W-TiO2進行氣相光催化還原CO2反應,甲烷為主要產物,不同表面摻雜W/Ti比例皆在第一小時有最佳甲烷產率,並且在表面摻雜W/Ti3.2 at.%W-TiO2時,有最佳產量0.84 μmol/g,是TiO22.6倍。液相反應系統中,除主要產物甲烷外,還有次要產物乙烯,另外因CO2水溶解度低、大量水分子阻礙CO2與光觸媒接觸,因此使液相系統總碳量約小於氣相系統的2倍。由EPRDRIFT實驗的分析中可知,在光催化反應過程中CO2會先形成單牙基與雙牙基碳酸錯合吸附在W-TiO2表面,而光激發電子會從強電負度的W上進行界面轉移至吸附的碳酸根離子,爾後C-O鍵結逐漸被打斷且進行氫化反應,最後因W強電負度的特性使表面C-O斷鍵而生成甲烷。W離子的強電負度促使CO2鍵結於W-TiO2表面上進行電子轉移,並增加表面酸性而益於吸附H2O,而促進光催化還原CO2活性。


 

謝侑璁 (碩士2018)

氨基修飾二氧化矽之製備與銨離子吸附研究

(Preparation of Amino-Functionalized Silica for Adsorption of Ammonium Ions)

 

摘要

本研究將針對NH4+去除,首度開發以鹼基為基礎的吸附材料,製備氨基修飾二氧化矽(NH2-SiO2),研究中以四乙氧基矽烷(tetraethyl orthosilicateTEOS)(3-氨基丙基)三乙氧基矽烷((3-Aminopropyl)triethoxysilaneAPTES)作為SiO2-NH2來源,從FTIR圖譜中可以看到單純SiO2樣品中波數為798 cm-1的訊號代表Si-O-Si之鍵結,而不同APTESTEOS比例之NH2-SiO2中,除SiO2的特徵峰外,在694cm-1多出N-H鍵結的訊號,表示-NH2成功地修飾在SiO2顆粒上。隨著APTESTEOS比例從05增加至205NH4+吸附量從無法量測增加至9.85 mg/g,表示-NH2為一有效吸附活性位址。再以動力吸附模式、等溫吸附模式、FTIR圖譜瞭解NH4+吸附行為與機制,結果顯示動力吸附模式較符合擬二階動力模式,其相關係數R2高達0.997,等溫吸附模式較符合Langmuir model,其相關係數為0.984且最大吸附量為11.53 mg/g,表示其速率決定步驟為NH4+NH2-SiO2表面上的-NH2形成化學作用力,-NH2在溶液中以質子化的-NH3+形式存在,而-NH3+中的H+NH4+進行離子交換達吸附效果,而再生方面,相較於酸基為基礎吸附材再生容易造成二次污染,本研究以簡單的100℃加熱方式使NH4+脫附達到再生效果,再生率為74.5%


 

鍾昆霖 (碩士2019)

銅離子負載二氧化矽之製備與銨離子吸附研究

(Preparation of Cu2+-loaded Silica for Adsorption of Ammonium Ions)

 

摘要

由於氨基與銅離子具有很高的錯合常數 k值(1.1x1013),本研究以氨基修飾的二氧化矽(SiO2-N)為基材製備銅離子負載的複合物,以作為高效能銨離子(NH4+)吸附劑,研究顯示,基材上隨著銅離子負載濃度提升,表面與整體的N/Cu元素比例降低。吸附實驗顯示銅離子負載二氧化矽(SiO2-NCu)吸附量為未負載銅離子之氨基修飾二氧化矽膠體(SiO2-N)的3.8倍,最大NH4+離子吸附量可達21.07 mg/g,等溫吸附表現符合Langmuir模式,且吸附反應在1分鐘內即達平衡,顯示銅離子在SiO2-NCu材料中為一有效的NH4+吸附位址,且由於NH4+離子吸附前後,表面與整體的Cu/Si元素比例均無明顯改變,顯示銅離子能高度穩定地固著在基材表面,XPS的Cu 2p圖譜說明,高濃度的CuCl2,會使材料表面的銅離子大多以Cu+方式存在,吸附時伴隨氧化還原的進行。銅負載複合羧酸基(-COOH)與氨基的二氧化矽(SiO2-HybridCu)顆粒大小為 SiO2-NCu的5.5倍,吸附量僅為SiO2-NCu的0.67倍,儘管-COOH 額外提供SiO2-HybridCu靜電吸附NH4+離子的位址,但相較於SiO2-NCu(表面Cu/Si= 0.10),較低的銅附載量(表面Cu/Si= 0.04)仍限制其吸附表現。