第三章 研究方法與步驟
3.3 實驗方法
3.3.2 分析儀器簡述
3.3.2.1 感應耦合電漿原子發射光譜分析儀(Inductively Coupled Plasma-Atomic Emission Spectrometer, ICP-AES)
本研究使用清華大學貴儀中心之感應耦合電漿原子發射光譜分 析儀進行觸媒金屬含量之分析，儀器型號為Jarrell-Ash, ICAP9000，
其金屬偵測極限可達ppb，而進行分析前需將固體待測樣品以微波消 化方式溶成液體。
ICP-AES 之原理為將樣品溶液導入由高頻電子感應所產生的高 溫氬氣電漿中，因受熱使樣品發生去溶劑、分解、原子化或離子化及 激發等過程，而受激發後待測元素會射出特徵光，隨著不同波長會形 成光譜，根據光譜中各特徵光的波長進行定性分析，並根據光譜的強 度積分進行定量分析。
3.3.2.2 高解析 X 光繞射儀(High Resolution X-ray Diffractometer, HRXRD)
本研究使用中興大學貴儀中心之高解析 X 光繞射儀進行樣品的 結構分析，分析時以 Cu Kα(λ=1.5405 Å)為放射源，操作電壓為 30KV，電流為 20mA，掃描範圍 2~30o，掃瞄速度1o/min。
X 光繞射原理為當 X 光入射至樣品表面時，因晶格的光柵作用 會產生繞射現象，當入射光角度滿足布拉格繞射公式(λ=2dsinθ，λ 為
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X 光入射波長，d 為晶面間距，θ 為入射角)時，會產生建設性干涉，
形成圖譜上之繞射線，而經由繞射線可判斷出晶格的原子排列與晶體 結構。
XRD 之所以可以鑑定物質的結晶情況，是因為若粉末之結晶有 成規則排列，當 X 光入射後會產生繞射現象，而不同的晶面排列情 況會產生不同的繞射角度與繞射強度，因此可以觀察出不同樣品的晶 格差異，並鑑定出某結晶物質的存在。
3.3.2.3 比表面積分析儀(Specific surface area analysis, BET)
本 研 究 所 使 用 的 比 表 面 積 分 析 儀 型 號 為 Micromeritics, ASAP2000，其可量測樣品之比表面積、孔徑分布與孔洞大小。在進 行量測時，樣品會先於 350℃(10-6 mbar)下除氣 6 小時，再於 77K 溫 度下進行氮氣之吸附，即可得等溫吸附曲線圖。
比表面積分析儀是利用存在於氣體分子與待測樣品表面之間的 凡得瓦力，當吸附氣體達到平衡時，測量此平衡吸附時的壓力與氣體 量，再利用於1938 年被 Brunauer, Emmett 與 Teller 所提出的 Langmuir Isothermal 此等溫吸附方程式計算，即可得樣品之單層吸附量，並進 一步算出樣品之比表面積。而BET 法適用於粉末及多孔材料(包括奈 米粉末與奈米級多孔材料)之比表面積測定，在量測之前皆需對樣品
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進行除氣處理，排除原先吸附於樣品上之氣體，以提高樣品分析之準 確度。而一般樣品是採用氮氣做為分析的吸附氣體，若進行比表面積 極小之樣品，則吸附氣體可改選用氪氣。
3.3.2.4 穿透式電子顯微鏡(Transmission electron microscopy, TEM) 本研究利用中興大學奈米中心之 JEOL JEM 1210 高解析穿透式 電子顯微鏡進行樣品型態分析，其主要構造可分為電子槍、真空柱 (vacuum column)及攝影室(camera chamber)三個部分。基本原理是利 用電子槍提供陰離子電子束，經過高電壓加速後，在真空柱中形成一 條電子束，並經過兩個電磁透鏡聚焦，聚焦後可使電子束直徑變小，
接著利用此電子束撞擊待測樣品，產生穿透電子束與彈性散射電子 束，這些電子束再經過電磁透鏡放大和聚焦後可在螢光板上形成影 像。本研究樣品進行分析前先將樣品置於乙醇中，利用超音波震盪器 將樣品均勻分散於乙醇中，接著取少量滴於銅網上，待樣品乾燥即可 進行分析，而本研究樣品進行分析時加速電壓為120KV。
3.3.2.5 傅立葉紅外線光譜分析(Fourier transform infrared, FTIR) 本研究所使用的傅立葉紅外線光譜儀型號為BRUKER, VECTOR 22，進行分析前先將待測樣品與 KBr 以重量比 1:40 比例均勻混合，
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接著利用壓錠機將此混合樣品壓成片狀，接著置入分析儀樣品槽中進 行分析，掃描波數設定為600 至 4000cm-1。
傅立葉紅外線光譜儀之原理為利用紅外線為分析光源，由於不同 分子鍵結會有不同振動與轉動之能階，當吸收適當頻率的紅外光後，
其分子會從基態躍升至激發態，使入射光強度減弱，並在紅外光光譜 中形成紅外光的吸收帶，而不同分子其有不同的振動能階，故可得其 相對應之吸收帶，即為紅外線光譜圖。由於本研究之樣品為固態樣 品，所以分子和分子間會彼此束縛，故只有振動光譜。
3.3.2.6 紫外/可見光光譜分析(UV-Vis spectrophotometer)
本研究所使用之分光光譜儀型號為 HITACHI U3012 UV/VIS Spectrophotometer，並以氧化鋁(Al2O3)為參考物，光譜掃描範圍為 200nm 至 800nm，掃瞄速度為 60nm/min。
紫外/可見光光譜儀為一種分析材料透光率與反射率的儀器，其 基本原理為根據光電效應，當紫外與可見光和分子作用時，使電子躍 遷到另一能量較高的軌域，記錄吸收光之後電子於激發態時的振動模 式，此吸收光強度對波長(λ)所得的圖，即為紫外與可見光譜。而其 測定方法包含波長掃描(wavelength scan)及吸光度測定(photometry)，
可用於分析複合材料之紅移或藍移的現象。本研究利用波長掃描模式 進行全波段掃描粉體反射率R，利用 Kubelka-Munk Abs=(1-R)2/(2×R)
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此方程式將反射率換算成吸光度，即可知粉體之光吸收範圍。而在分 析 UV-Vis 之吸收光譜時，吸收峰起始曲線最大斜率處延伸所形成之 傾斜線，其與底部水平基線延長線的交叉點即為此光觸媒之吸收波 長，進而可再算出光觸媒能隙（Bao et al., 2001）。
3.3.2.7 化學分析能譜儀(Electron Spectroscopy for Chemical Analysis, ESCA)
本研究利用清華大學貴儀中心之化學分析電子能譜儀進行光觸 媒表面元素分析，分析時所使用的 X 光源為鋁靶(Al Ka，能量 1486.6ev)，掃描後之數據以 C 1s(Binding energy 為 284.6ev)進行校正。
ESCA 之基本原理為光電效應，當原子受到 X 光照射激發出光電 子，光電子動能（E）如 Eq. (12)所示：
h EZ
E (12) 其中，
h: 普朗克常數，6.626068×10-34 m2．kg /s
: X 光頻率
EZ: 電子束縛能
: 電子脫離固態表面束縛之功函數
由於不同元素有其特定電子束縛能，故其光電子動能也會有所不 同，因此可以利用光電子動能不同之特性來判別其元素種類。此外，
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由於在化合物中不同原子間彼此利用價電子鍵結，導致此原子之間會 有電子傳輸之現象，因此利用圖譜上化學位移，可判斷化合物組成成 分之化學式。