本章節內容主要包括實驗儀器設備、實驗藥品與材料，與實驗方法流 程，其重點彙整如下：
3-1 實驗設備與材料 3-1-1 實驗設備
1. 超音波振盪器利用超音波振盪器使奈米碳管於酸性溶液中均勻分散，以有效溶解奈 米碳管所含之金屬顆粒。研究中使用之超音波振盪器為 Ney 公司製造，型 號為 28H，儀器振盪頻率為 47kHz。
2. 高速離心機
高速離心機之目的乃是使吸附後之奈米碳管能夠快速沉澱並達到固液 分離的效果。型號為 Du pont, Sorvall instruments RC-5C。離心管容量為 25
mL (USA Corning Inc.生產，corex No. 8446)，可承受最高轉速為 12100 rpm。其操作條件為 26～28℃，轉速 3500 rpm，15 min，rotor 為 SS-34。
3. 真空冷凍乾燥機
利用真空冷凍乾燥機去除奈米碳管所含水份，其原理是將水份由固態 直接到氣態之方式以去除樣品中之水份，避免對樣品表面造成損害，或是 導致樣品結塊。真空冷凍機為 Labconco country 所生產，型號為 LYPH．
4. 掃描式電子顯微鏡(Field emission scanning electron microscopy, FE-SEM)
場放射掃描式顯微鏡(FE-SEM)觀察奈米碳管表面形態。儀器之製造廠 商及型號為日本 Jeol JSM-6700F 冷陰極(Cold Cathode)場發射掃描式電子 顯微鏡。其優點為高電場發射之電子束徑小，亮度高，具有傳統掃描式電 子顯微鏡所明顯不及之高解析度，解析度可高達 1.0 nm (15 kV)、2.2 nm (1 kV)，另可在低電壓(可低至 0.5KV)下操作，具直接觀察非導體之功能，能 提供金屬材料、電子材料及高分子材料等於高倍率下之二次電子影像(SEI) 之表面型態觀察。
5. 傅立葉轉換紅外線光譜(Forier transform infrared spectroscopy, FTIR) 為 Bio-rad 公司所出產，型號為 FTS-40，量測頻率範圍 400～4000 1/cm，解析度最高可達 0.5 1/cm，備有漫反射附件。
6. 熱重量分析儀(Thermogravimetry analysis, TGA )
為美國 Perkin elmer 公司之 TGA-7，測定溫度範圍可由 50 至 1000℃，
精確度 1µｇ。
7. 氮孔隙吸附儀(Accelerated surface area and porosimeter system, ASAP) 氮氣吸附孔隙儀(ASAP)為美國 Micromertics 公司之 ASAP2010 型，
可量測小於 20 Å 微孔洞。主要分析項目包含 BET 比表面積(m2/g)、
Langmuir 比表面積(m2/g)、微孔隙比表面積(m2/g)、微孔及中粗孔之孔隙 體積(cc/g)、平均孔隙直徑(Å)與孔徑分佈等，可測低於 10 埃之微孔或用 Ar 氣吸附。
8. 拉曼光譜儀(Raman spectroscopy)
藉由拉曼光譜的量測，可以得到純化前後奈米碳管純度的變化。為 Renishaw inVia 所生產，型號為 H25831，雷射激發波長為 514.5 nm、25 mW，分析範圍可從 100 cm-1~2000cm-1。
9. 其它儀器設備
使用之其它儀器設備包含純水機、pH meter、冷凝管、滴定管、磁石 加熱板、抽氣裝置、濾紙等。
3-1-2 實驗材料與藥品
1. 奈米碳管本研究中所使用的奈米碳管為單層管壁(carbon nanotube, signel-walled)，公司及型號如下：Sigma-Aldrich Co, CarboLex AP-grade 50-70％, 519308。直徑為 12~15 Å，長度為 2~5μm，每一束碳管由 10~200 單一碳 管組成，平均直徑 13 Å，純度為 50%~70 % (v/v)。主要不純物包含金屬觸 媒粒子鎳(Ni)和釔(Y)、非結晶碳物質以及奈米粒子。
2. 硝酸(Nitric Acid, HNO3, 65%, Fluka, Germany) 3. 鹽酸(Hydrochliric Acid, HCl, 37%, Fluka, Germany)
4. 過氧化氫水溶液(Hydrogen peroxide, H2O2, 30%, Nacalai Tesque, Japan) 5. 碳酸鈉(Sodium carbonate, Na2CO3, Nacalai Tesque, Japan)
8. 溴化鉀(Potassium bromide, KBr, Riedel-de Haen, Germany)
9. 去離子水(Deionized Water, 18.2 MΩ．cm，導電度值為 0.0549 μS/cm)
3-2 實驗方法
實驗分為兩部分進行，第一階段純化部份：選用不同酸作為氧化劑，
選定加熱迴留時間以及加熱溫度，並改變氧化劑濃度，對奈米碳管進行純 化程序。第二階段定性分析：針對純化前後奈米碳管進行表面物性與化性 之定性分析，定性分析包括：BET、FE-SEM、FTIR、TGA、Raman spectroscopy 等，最後根據傅立葉轉換紅外光譜儀鑑定的結果，選用不同 的鹼性溶液，滴定奈米碳管並且計算出表面官能基的含量，以觀察酸純化 前後對奈米碳管表面特性的影響。
3-2-1 奈米碳管之純化程序
研究中選用三種強氧化劑作為純化藥劑，利用加熱迴流方式對奈米碳 管進行純化，其步驟(流程)詳述如圖 3-1：
1、將 0.5g 奈米碳管放入 250mL 圓底燒瓶裡，並加入 100mL 配製好之 酸液，利用超音波震盪半小時，使得碳管於溶液中分散性良好。
2、利用加熱迴流方式於設定溫度及迴流時間 3 小時(表 3-1 所示)，進行加 熱，並以磁石攪拌之。
3、靜置至室溫後，利用高速離心機分離奈米碳管與酸液。
4、以大量去離子水潤洗碳管，使濾液的 pH 值近乎中性。
5、將潤洗後之奈米碳管置於水溶液中超音波振盪一小時，以冷凍乾燥法 去水。
圖 3- 1 奈米碳管純化程序
表 3- 1 純化操作條件配置
氧化劑種類 氧化劑濃度(M) 加熱溫度(°C)
硝酸 3、6、9 M 120°C
鹽酸 3、6、9 M 110°C
過氧化氫水溶液 3、6、9 M 80°C
3-2-2 奈米碳管定性分析
1. 場發射掃描式電子顯微鏡(FE-SEM)
SEM 是透過二次的電子呈像，利用表面鍍金器將奈米碳管鍍金以進行 顯微攝影，可用來觀察奈米碳管表面之型態。將純化前後的奈米碳管以冷 凍乾燥法進行水份去除，避免觀察時因為水份干擾而無法獲得清晰影像，
之後將樣品盤貼附碳膠帶，並將適當樣品黏於碳膠帶上，鍍金，放入儀器 中進行觀察。
2. 傅立葉轉換紅外線光譜儀(FTIR)
分別將奈米碳管與光譜級之溴化鉀粉末磨細過篩，以 1:100 的重量比 例均勻混合，混合後樣品若含有水氣，可置於 80°C 烘箱中烘乾一小時，乾 燥完之樣品壓製成半透明之鹽片。利用紅外線光譜儀進行量測，設定其波 長範圍值 400~4000 cm-1，掃描次數為 16，解析度為 8 cm-1。並以純溴化鉀 的透明鹽片做為參考背景值，扣除後即為奈米碳管之實際吸收光譜，將得 到的吸收光譜與官能基圖譜對照，以判斷純化前後奈米碳管表面官能基之 種類與變化。
3. 氮孔隙吸附儀(ASAP)
進行氮氣吸附孔隙儀(ASAP)分析時，樣品必須先進行去氣(degas)，為 了避免樣品中含有過多水分，影響 degas 的時間，樣品須先經過烘乾步驟。
首先將樣品管秤重，記錄其重量，秤取適量樣品(大於 0.1 克)置入分析儀之 樣品管中，以 110℃進行加熱，直到真空度降至 2~3×10-3mmHg，充份去 除樣品孔隙中的水分及雜質，再進行孔隙分析實驗。
4. 熱重量分析儀(TGA)
當奈米碳管石墨層之結晶性較佳時，其熱分解溫度較高，重量損失較 慢。由熱重分析法可得知奈米碳管純化前後純度之變化。秤取適量的奈米 碳管以 105℃烘乾，去除表面水分，之後進行加熱分析，實驗操作條件為：
以空氣作為反應氣體，升溫速率 10℃/min，量測範圍為 50℃至 900℃
5. 拉曼光譜儀(Raman spectroscopy)
拉曼散射是一種光散射的現象，當光子與物質作用之後，僅作動 量交換而無能量的交換即為彈性散射，也就是說散射後光子的頻率不變，
此種散射稱為雷利散射(Rayleigh scattering)。若散射過程中有能量的交換，
即是非彈性散射，散射後光子的頻率改變，稱為拉曼散射(Raman
scattering)。拉曼散射的光子可以失去或得到能量，前者稱為史托克斯側 (Stokes side)，後者稱為反史托克斯側(anti-Stokes side)，一般拉曼光譜為測 定史托克斯側。取適量樣品置於載玻片上，雷射激發波長為 514.5 nm、25 mW，量測範圍由 100 cm-1~2000cm-1。
3-2-3 Boe hm’ s t i t r a t i on
1、取 0.05 克奈米碳管，加入 50ml 去離子水。
2、根據 FTIR 鑑定之結果加入適當之 0.1M 10ml 鹼性溶液 NaHCO3、 Na2CO3、NaOH。(NaHCO3中和羧基；Na2CO3中和羧基與羰基；NaOH
4、滴定，以 0.1M NaOH 反滴定直至濾液 pH 值等於 7 停止。
5、根據 NaOH 滴定體積計算奈米碳管表面官能基含量(以 mmol/g 表示)。
NaHCO3titration = carboxylic group
NaOH titration - NaHCO3titration = phenolics and lactones NaOH titration = carboxylics + lactones + phenolics