3-1 藥品與儀器
化學藥品與器材以及實驗設備分別列於表3-1 與表 3-2。
3-2 電極製備
3-2-1 二氧化鈦奈米管製備
本實驗之高純度鈦片(99.95% Ti foil, 0.2mm)，一開始需使用乙醇與丙酮 清洗表面，之後用氮氣吹乾，但是此時鈦片表面是粗糙不平的，所以我們
必須先經電解拋光後，可使鈦片表面具有光學級之平整度。鈦片的電解拋
光液主要成份為過氯酸(HClO4 )、甲醇(CH3OH) 、單丁醚乙二酯
(HOCH2CH2OC4H9)等三種溶液，本研究中純鈦之電解拋光液比例為 5 % 過氯酸 + 53 %單丁醚乙二酯 + 42 % 甲醇，外加電壓為 31V，拋光時間為
6min，實驗溫度控制在 1℃，拋光完成後鈦片表面就會有銀亮色。
拋光完鈦片將會開始第二階段的電化學實驗，而本研究中可以分為幾種 電解液，第一種電解液為實驗完後可以摻雜碳在奈米管中，電解液組成為
10wt%的 DI water+0.5wt%的 NH4F+89.5%的 ethylene glycol 或 10wt%的 DI water+0.5wt%的 NH4F+89.5%的 glycerol[35,36]，第二種為不含碳的奈 米管作法是將電解液改成體積比8:2 的 0.14M NaF:0.5M H3PO4[4]，此種作 法奈米管中將會含有少量的磷。之後將要實驗的電解液置於超音波震盪器
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[37]或者馬達攪拌器中，定電壓為 30V，溫度控制在 20℃，實驗完成後以 去離水沖洗，再用氮氣吹乾，然後在500℃高溫爐中退火三小時即可完成，
退火完後的二氧化鈦奈米管需放在乙醇中以超音波震盪器震盪30 秒清除表 面上的一些多餘氧化物。
3-2-2 鉑電極製備
將拋光完後的鈦片使用體積比 2:8 的 0.14M NaF:0.5M H3PO4當作電解液 電鍍產生奈米管，反應條件與製作含碳奈米管相同，反應完成且退火過後
將此奈米管放置於稀釋過後的H2PtCl6中(8wt%在水中)，以超音波震盪器 震盪三分鐘後，用去離子水稍微沖洗之後以氮氣吹乾，之後在高溫爐中加
入氫氣還原鉑並控制溫度在500℃退火兩小時即可完成，此時的二氧化鈦奈 米管中將會有許多的奈米等級鉑粒子。
3-3 光電化學裝置與分析
光電化學分析是利用 CHI611C 電化學儀器以三極式系統進行，分別以二 氧化鈦奈米管為工作電極，鉑電極為相對電極，Ag/AgCl 為參考電極；電
解液為1M KOH 水溶液，光照光源為 1000W 的高能 Xe 燈，並搭配使用 UV(330±70nm，光源強度到達二氧化鈦奈米管為 13.9 mW/cm2)與
Visible(520±46nm，光源強度到達二氧化鈦奈米管為 5.27 mW/cm2) filter，
光電化學反應槽以側面照光，照光面材質為石英玻璃，其餘為PYREX 玻 璃，實驗裝置為圖(3-1)，圖(3-2)則為二氧化鈦奈米管實驗裝置圖。
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表3-1 化學藥品 單丁醚乙二酯 2-Butyloxyethanol 99%
Aldrich Ruthenium 535
N3 >99%,
Mw=741.7 Riedel-de Haen 碘化鋰 Lithium
表3-2 儀器與設備
儀器與設備 出廠公司/型號
高溫爐 LINDBERG/BLUEM
旋轉塗佈機 詠欣有限公司/TA-01
超音波震盪器 DELTA/DC400
X 光繞射儀 Bruker AXS D8 Advance/Leipzig Germany 掃瞄式電子顯微鏡(SEM) JEOL JSM-7401F FE-SEM
太陽能電池I-V 量測器 Keithley-2440 太陽光模擬器(包含電源供
應器和光源)
日本山下電裝/YSS-50A
馬達攪拌器 尚偉
電化學儀器 佳佑/CHI611C
1000 瓦高能 Xe 燈系統 SCIENCETECH 直流電源供應器 佳佑
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1
7
8
6 5 4
3 2
1. CHI611C 電化學儀器 2.1000 瓦高能 Xe 燈系統 3. 光電化學槽
4. 工作電極
5. 參考電極 Ag/AgCl 6. 相對電極(Pt 鉑薄片)
7. 光強度偵測器(Power meter) 8. 升降台(Support jack)
圖(3-1) 光電化學反應裝置圖
21
4 5
6 3
2
1
1.冷卻系統
2.直流電源供應器 3.馬達攪拌器 4.鉑電極
5.工作電極(二氧化鈦奈米管) 6.化學反應槽
圖(3-2)二氧化鈦奈米管實驗裝置圖
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3-4 分析儀器簡述
3-4-1 X 光繞射儀(X-ray Diffraction Spectrometer，XRD)
X 射線是一種波長很短的電磁輻射，範圍介於 0.1~100Å 之間。當 X 射線 被晶體內有規則的環境散射時，散射的光線間會發生干涉現象(同時發生建
設性干涉與破壞性干涉)，因此產生了繞射。我們可以利用布拉格方程式
(Bragg’s law)，計算其晶格間的距離，同時也可以由繞射峰的半高寬計算出 結晶區塊的大小。
布拉格方程式(Bragg’s law):
2dsinθ=nλ
其中，n :為整數值
θ : 繞射波峰的布拉格角(Bragg Angle) λ: X 光的波長(1.5405Å)
d : 結晶面間的距離
此外，XRD 亦可用來量測樣品結晶顆粒的大小，依據 Debye-Scherrer
sequation 求出平均之二氧化鈦的結晶粒子大小，其計算公式如下:
D=0.9λ/B cosθ
3-4-2 掃描式電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope，SEM)
利用電子槍產生電子束後，以約 0.2~40KV 電壓予以加速，經過柵極聚焦 及電磁透鏡，匯聚成電子束，接著聚焦於試片表面。在末端電磁透鏡上裝
有掃描線圈，可偏折電子束，使其在試片表面作二度空間掃描。當電子束
撞擊試片表面時，會產生向後散射的墊子及自材料中被激發射出的二次電
子(secondary electron) 。這些電子產生的狀態與材料表面的凹凸、物質種
類及電位有關。將這些電子訊號利用檢測器(detector)接收並經放大器放
大，再送到顯示螢幕上成像。由於掃描線圈上的電流與螢幕上的電流同步
變化，所以試片表面之任意點所產生的訊號與顯示螢幕的亮點會逐一對
應，因此亮點組合的成像可呈現該試樣的特徵與形貌。
3-4-3 紫外光/可見光吸收光譜儀(UV/Visible Absorption Spectrometer) 偵測光波長在 190~1100nm 範圍內化合物分子外層軌道電子躍遷的能 量，一般可做定性、定量分析、光的吸收量與偵測物物濃度之間的關係，
可用藍伯特-比爾定律(Lambert-Beer Law)表示，如下式 : A= log Io/I=εbc
其中A 為吸收度，I0為入射光強度，I 為透射光(transmitted light)強度，ε 為吸收光係數(extinction coefficient)，b 為光路徑長度(light path)，通常以
cm 為單位，c 為待測物的莫耳濃度(molar concentration)。待測物的吸光係
數ε 在特定波長時為定值，因此根據藍伯特-比爾定律，可由吸收強度 A 推 測待測物的濃度。
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3-4-4 X 射線光電子能譜儀(X-ray Photoelectron Spectrometer，XPS) 其原理為一束 X 光射線打到樣品上，藉由光電效應將某一能階的電子激 發出來成為光電子，然後再分析這些光電子的能量，可以獲得關於表面元
素組成以及元素的化學環境。當數個原子鍵結成一化合物時，其在化合物
中的結合能明顯與純原子時不同，其內核層電子的束縛能也會有不同的變
化，及一般的化學位移(Chemical Shift) ，分析束縛能的變化，便可獲得材
料中的電子結構與化學鍵結的訊息。其所造成的能譜位移可用來區來不同
氧化態之元素。偵測深度約為5nm(除氫元素外皆可偵測) 。 3-4-5 太陽光模擬器(Solar Simulator AM 1.5)
由模擬太陽光的入射光源，為 AM1.5 且入射光的日照強度為
100mw/cm2。一般測試環境上所採用標準測試條件為:在 AM1.5(Air Mass 1.5) ，且太陽能電池溫度為 25℃時日照量為 1kw/m2之情況。我們通常定 義一乾淨無污染的環境下，且太陽位於天頂時為AM1，而 AMX 約略近似 為AM1/cosθ，其中 θ 為太陽與天頂所夾的角度。在進行太陽能電池之 I-V 量測時，光源是置於電池上方約12 公分處，將待測之電池元件置於模擬光 源下且將兩電極利用外部線路外接至電位電流控制儀，經由儀器自動化量
測後再經計算，即可得到電池元件之操作表現，包含開路電壓、短路電流、
光電轉換效率等數值。
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