以不同陽極處理方法製備二氧化鈦奈米管陣列

採用陽極處理法來製備二氧化鈦奈米管(TNT)，實驗步驟如下：

(1) 配置陽極處理電解液：以 EG 作為溶劑，在 EG 溶劑中函入 0.4 wt%的 NH₄F，為了 提高電解液的流動性，會再添函 2 vol.%的去離子水(DI water)。

(2) 陽極模具封裝方法：將前處理過後的鈦片以變性酒精沖洗烘乾後，置入反應面積為 6×6 cm²的方形陽極模具(陰極為鈦片，實驗最佳理想的陰陽兩極距離為 2.7 cm)，並 以膠帶封好模具。

(3) 進行電化學陽極處理反應：

陽極處理法製備 TNT 陣列實驗設備如圖 2.2 所示：

Ⅰ. 取約 550mL 的電解液，置入 12×12 cm²的陽極處理反應容器內。

Ⅱ. 將置入鈦片之模具及吐氣管置入陽極處理的反應容器之中，而函入吐氣管是為 了增函電解液中的含氧量。

Ⅲ. 將陽極處理反應容器置入恆溫水槽中，藉此控制電化學反應的環境溫度，以 下實驗設定為 20 ℃。等待恆溫水槽水溫降至 20 ℃，方可進行電化學反應。

Ⅳ. 最後陽極模具的陰陽極接上直流可程控式的電源供應器，設定欲程控之電壓或 電流及成長時間，並可以製備出一維結構的二氧化鈦奈米管。

(4) 結束電化學陽極處理反應後，將其自模具中取出，以大量變性酒精沖去 TNT 陣列 薄膜上殘留的乙二醇，並立即烘乾 TNT 陣列，避免因為乙二醇回滲而造成 TNT 陣 列局部產生管狀結構崩塌的現象。

(5) 熱處理轉換 TNT 陣列的晶相：由於陽極處理過後的 TNT 陣列幾乎都是 amorphous 相，因為 anatase 相的光電催化活性及穩定性遠大於其他晶相。因此必頇將 TNT 陣 列置入高溫爐中，以 460 ℃進行 1 h 的熱處理，藉此熱處理方式將 TNT 陣列轉為 anatase 相，便可以有效地提高 NT-DSSC 的光電催化活性及光電轉化效率。

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圖 2.2 陽極處理法製備 TNT 陣列實驗設備示意圖。

目前已經知道有許多會影響電化學陽極處理成長的 TNT 陣列微結構的變因，例如：

工作電壓、電流密度、反應時間以及電解液濃度等。但根據文獻及本實驗室的研究數據，

以下實驗採用的工作電壓為 60 V，電流密度為 5.6 mA cm^-2，電解液濃度為 0.4 wt.% NH₄F / 2 vol.% H2O / EG 溶液，而反應時間則視各種實驗條件而定。以下實驗會對不同陽極處 理成長方法製備的 TNT 陣列，進行微結構、成長機制、染料吸附量、NT-DSSC 封裝方 式及 NT-DSSC 瞬態光電流/光電壓衰減技術的詳細探討。

(a) 定電壓陽極處理法(Potentiostatic)

定電壓陽極處理過程如圖 2.3 所示。Step1：先以 4 V/min(T1)的上升速率將電壓升 至 60 V(V1)，即 15 min 內升電壓至 60V ; Step2：維持 60 V 進行定電壓 10 hr(T2)的陽極 處理；Step3：最後在 1 min(T3)時間內將電流降至零。即完成定電壓陽極處理步驟。定 電壓 60 V-10 hr 的陽極處理法可製備出 20 m 的 TNT 陣列。可將此種定電壓陽極處理 法製備 TNT 簡稱為 cv-TNT。

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圖 2.3 定電壓陽極處理法控制條件示意圖。

(b) 定電壓−定電流混合陽極處理法(Hybrid Anodic Method)

定電壓−定電流混合陽極處理過程如圖 2.4 所示。Step1：以 4 V/ min(T1)的上升速 率將電壓升至 60 V(V1)，即 15 min 內升電壓至 60 V ; Step2：維持 60V 進行定電壓 1hr(T2) 的陽極處理；Step3：在 5 sec(T3)時間內將定電壓轉換成定電流控制，並設定定電流密 度值 5.6 mAcm⁻²(A1)；Step4：維持此電流密度進行 1 hr (T4)之定電流陽極處理；Step5：

最後在 1 min(T5)時間內將電流降至零(A2)。即完成定電壓−定電流混合陽極處理步驟。

定電壓 60 V-1 hr + 定電流 5.6 mA cm⁻²-1 hr(簡稱為 1+1h)的混合式陽極處理法可製備出

20 m 的 TNT 陣列。可將此種定電壓−定電流混合陽極處理法製備的 TNT 簡稱為

Hybrid-TNT。

圖 2.4 Hybrid 陽極處理法控制條件示意圖。

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(c) 定電流陽極處理法(Galvanostatic)

定電流陽極處理過程如圖 2.5 所示。Step1：先以 0.01 A/ min(T1)的上升速率將電流 密度升至 5.6 mAcm⁻² (A1) ; Step2：維持定電流密度值：5.6 mAcm⁻²進行定電流 80 min(T2) 的陽極處理；Step3：最後在 1 min(T3)時間內將電流降至零(A2)。即完成定電流陽極處 理步驟。定電流 5.6 mAcm⁻²-80 min 的陽極處理法可製備出 20 m 的 TNT 陣列。可將此 種定電流陽極處理法製備的 TNT 簡稱為 cc-TNT。

圖 2.5 定電流陽極處理法控制條件示意圖。