第三章 研究方法
3.1 中孔洞顆粒(MSP)材料之製備
3.1.1 純矽中孔洞顆粒製備(MSP)
本研究之氣膠輔助中孔洞顆粒(Mesoporous silica particle，MSP)快速製程實 驗系統配置如圖 3.2 所示，系統主要配件包括前端的氣膠產生器(超音波霧化 器)，中段的兩段式管狀高溫爐，以及尾端的粉體收集(不鏽鋼濾紙夾與真空幫浦)。
製 備 程 序 則 首 先 配 置 前 驅 液 藥 劑 。 將 11.1 ml 的 四 乙 氧 基 矽 烷 (tetraethoxysilane, TEOS, C8H20O4Si, 台灣默克，合成試藥級，純度 98%)與 28.2 ml 的乙醇(Ethanol, EtOH, C2H6O,島久藥品，試藥級純度 95%)攪拌混合至透明勻相 後，再添入36 ml 之去離子水並攪拌至均勻。秤取適量之十六烷基三甲基溴化銨 (cetyltrimethylammonium bromide, CTAB, C19H42BrN, 台灣默克，分析級純度 99%) 與12μl 之氯化氫(Hydrochloric Acid, HCl, 島久藥品，試藥級純度 35%)加至上述 混合液中，經過30 min 的攪拌，此時之前驅液呈現透明無色均質溶液。組成莫 耳比為TEOS： CTAB：EtOH： Di-water： Hydrochloric Acid= 1：X：10：40：
0.008；本研究選定試驗之界面活性劑 CTAB 的莫耳比為 0.06 ~ 0.26。
將前驅液藥劑裝入超音波霧化器(1.81 MHz)腔體內，使前驅液霧化成液滴，
通入以空氣壓縮機產生、經過流量計控制，及矽膠球乾燥器與高效率粒子空氣過 濾器(high efficiency particle air, HEPA)之乾淨高壓空氣後，可驅動所超音波霧化
器腔體內之霧化氣氛，形成進流系統流量為2.0 LSTPmin-1 之反應氣膠氣流。
氣膠氣流流經不鏽鋼反應管進行反應，反應管為兩段式管狀高溫爐所包 覆，橫式管狀高溫爐為提供氣膠自我聚集排列機制之所需高溫能量，內部裝有 PID 控制，實驗反應溫度控制為 150 與 550 ℃。其中反應管長度為 100 cm、內徑 為0.5 inch。經過反應過後所產出之材料則利用不鏽鋼濾紙夾內置 1µm mesh 之 玻璃纖維濾紙收集，濾紙夾外則以保溫方式控溫在150 ℃，以防止水氣凝結。
將濾紙所收集之中孔洞顆粒材料放入陶製坩鍋後，一同置入 PID 溫度控制 之高溫鍛燒爐，進行550℃、4 小時界面活性劑鍛燒程序，界面活性劑鍛燒揮發 之後即可形成具孔洞結構之微粒材料。
3.1.2 金屬化中孔洞顆粒製備(metallic MSP)
金屬化中孔洞顆粒的合成方法採用一步合成氣膠製程，基於本研究群累積 之氣膠合成中孔洞材質經驗，本研究章節以surf / Si 莫耳比 0.18 之比例，再摻 入金屬前驅物，混合作為前驅液，進行氣膠程序，合成金屬化中孔洞顆粒；矽源 是四乙氧基矽烷(TEOS)，並以十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)作為分子篩合成之 介面活性劑，金屬前驅物則是硝酸鋁(Al(NO3)3‧9H2O，Showa Chemicals Inc., Japan)，其合成莫耳比例為 TEOS : 0.18CTAB : 10EtOH : 40H2O : 0.008HCl : 0.1-0.005 Al。加入金屬之詳盡合成步驟，請參閱本論文第 3.1.1 節。本研究選定 試驗之矽鋁莫耳比(Si/Al molar ratio)為 10-200。
3.1.3 Si-MCM-41 分子篩合成
Si-MCM-41 分子篩的合成方法，則係利用水熱法加以製備，矽源是偏矽酸
鈉(Na2SiO3‧9H2O，Kanto Chemical Co. Inc., Japan)，並以十六烷基三甲基溴化銨 (CTAB) 作 為 分 子 篩 合 成 之 介 面 活 性 劑 ， 其 合 成 比 例 為 SiO2 : 0.2CTAB : 0.89H2SO4 : 120H2O。首先將 21.2 g 之偏矽酸鈉溶於 80 ml 的去離子水中，以攪 拌器攪拌30 分鐘後，大約 40 ml 之 4N 硫酸緩緩加入攪拌溶液中，調整 pH 值至 10.5 左右直至能夠清楚看到白色凝膠。接下來取 7.28 g 之 CTAB 溶於 25 ml 的去 離子水中，再將此液緩緩加至上述的白色凝膠內，攪拌3 小時之後，將溶液置換 至塗覆有鐵氟龍之壓力釜(autoclave)，放入溫度 145oC 之高溫爐中。36 小時之後 取出，待退溫至常溫後，以抽濾法收集固體，再以110oC 烘乾 8 小時，其後取出 研磨並置入550oC 之高溫爐鍛燒 10 小時。整個水熱合成 Si-MCM-41 分子篩所需 時間約為60 小時。
T T
P P
Drying Zone Heating\Calcining Zone
Carrier Gas Ultrasonic Atomizer
Solution Reservoir
Combustion Chamber 1
Combustion Chamber 2
Spray Drying Method
Filter Collector
Pump
Exhaust
圖3.2 氣膠輔助快速製備中孔洞顆粒(MSP)系統