3-1 實驗藥品與材料
藥品、材料名稱 試藥等級 供應商
苯胺鹽酸鹽 Aniline chloride
97% Aldrich
過硫酸銨
Ammonium peroxydisulfate
ACS reagent, ≧98.0% Sigma-Aldrich
鹽化鐵 Iron trichloride
GR
日本 JIS 試藥特級
Hanawa
鹽酸
Hydrochloride acid
ACS reagent, 37% Sigma-Aldrich
碳布 Carbon cloth
WOS1002 Ce Tech Co.,Ltd.
氯化鋰 Lithium chloride
Anhydrous, 99% Alfa Aesar
表格 3-1。實驗藥品、材料列表。
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3-2 實驗儀器
3-2-1 穿透式電子顯微鏡 (Transmission Electron Microscopy; TEM)
實驗中合成出的聚苯胺經由穿透式電子顯微鏡來鑑定其實際外貌與大小，
使用的機台是 hitachi 公司生產的 H-7100 (圖 3-1)。穿透式電子顯微鏡為利用電 場加速、聚焦的高能量電子束穿透樣品，利用電子束與樣品作用產生繞射和散 射的現象並投影在螢光屏幕上來顯現物質微細組織和晶體結構的儀器。它的成 像原理是利用電子成像的繞射對比，形成明視野像或暗視野像，並配合繞射圖 樣來進行觀察，一般應用最普遍的是雙電子束繞射 (two-beam, 2B,diffraction condition)。為了做深入的結構分析、針對特殊的材料結構或缺陷，通常試片座 會配備傾斜 (tilting stage) 的功能，可以用多重電子束繞射 (multi-beam WB, diffraction condition)，或微弱電子束繞射 (weak beam, WB, diffraction condition) 來 改善成像的品質或加強對比。
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圖 3-1。穿透式電子顯微鏡 (a)儀器影像 (b) 裝置示意圖。
(a)
(b)
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3-2-2 場校發射式掃描電子顯微鏡
(Field-Emission Scanning Electron Microscope, FE-SEM)
係利用加入燈絲所發射之電子束，在陽極之加速電壓下，並利用電磁線圈 聚焦至試片表面。墊子術式電子顯微鏡觀察樣品的光源，借電子束與樣品交互 作用，產生各種訊號，如反射電子(back-cattered electrons)，就像撞球遊戲中撞擊 抬緣或色球而彈回的母球，材料組成原子越重，彈回之電子也越多；次生電子 (secondary electrons) 好比被母球撞開四散的一群色球，原子中的軌道電子亦可 被加速電子撞擊而激發出來；其他訊號尚有吸收電子(absorbed electrons)、透射 電子(transmitted electrons) 及陰極螢光(cathode electrons)等。
SEM 一般配備電子接收器(detector)，可將反射電子與次生電子兩種電子訊 號，記錄成反射電子像(backs-cattered electron image, BEI)和次生電子像(secondary electron image, SEI)，BEI 和 SEI 中的明暗對比，可顯示礦物的成分和表面構造的 差異。SEM 的另一重要功能是利用電子撞擊樣品所產生的 X-ray 輔以適當的附 加裝置，作定性和定量的成分分析。
(儀器型號：JSM-6500，JEOL)
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圖 3-2。場校發射式掃描電子顯微鏡 (a)儀器影像 (b) 裝置示意圖 (a)
(b)
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3-2-3 傅立葉轉換紅外線光譜儀
(Fourier Transform Infrared Spectroscopy; FTIR)
傅立葉轉換紅外線光譜儀(Fourier Transform Infrared Spectroscopy)以紅外光 為光源，藉由物質僅吸收特定波長之紅外光，使入射光於特定波長產生能量減 損，以此而得吸收光譜。除同核雙原子分子外，幾乎所有化合物於紅外光區域 皆有獨特之吸收峰，由吸收峰之辨識可為樣品定性分析。
相較於傳統之紅外線光譜儀，傅立葉轉換紅外線光譜儀擁有高解析度(<0.1 cm-1)與好的再現性，工作原理如圖 3-1。FTIR 擁有三個干涉系統：紅外光系統(提 供干涉圖型)、雷射干涉波紋參考系統(精準規律地決定取樣間隔)、白光系統(決 定每次取樣掃描時之啟動)，經由干涉系統所得訊號再由傅立葉轉換(軟體處理) 可得樣品之紅外線光譜圖，其涵蓋波長範圍為 12800 至 10 cm-1。
(儀器型號：Nicolet，Thermo Electron Corporation)
圖 3-3。傅立葉轉換紅外線光譜儀 (a)裝置示意圖 (b)儀器影像。
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3-2-4 熱重分析儀 (Thermogravimetric Analyzer, TGA)
熱重量分析儀(Thermogravimetric Analyzer, TGA) 儀器型號為 TAQ500，是用 於量測樣品材料在特定溫度條件下的重量變化情形的儀器，如圖所附。工作原 理為利用溫度或時間改變所造成的變化條件，以量測樣品材料在特定溫度下的 重量變化，進而以探討測試材料的熱穩定性和組成。熱重量分析儀進行量測時，
首先需將秤重樣品(≦100 mg)放置於白金盤上，再藉由機器設計自動置入一個可 透過程控式升溫、降溫或恆溫的加熱爐中，於實際操作過程中，需持續導入氮 氣或二氧化碳氣體。當加熱爐溫度上升至樣品中某一材料成分的蒸發溫度、裂 解溫度、氧化溫度時，樣品會因蒸發、裂解、氧化而造成重量的損失，此時紀 錄樣品隨溫度或時間的重量變化，即可判定材料的裂解溫度、熱穩定性、成分 比例、樣品純度、水分含量、還原溫度及材料的抗氧化性等特性。
圖 3-4。TGA-Q500 儀器外觀示意圖。
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3-2-5 恆電位分析儀(Autolab potentiostats)
恆電位分析儀(potentiostats)為用來控制三電極系統、測量電化學分析實驗之 儀器，裝置由簡單之運算放大器組成一電子迴路，如圖
(儀器型號：PGSTAT 302N)
圖 3-5。Autolab 恆電位分析儀外觀示意圖。
三電極系統 (Three electrode system)
三電極系統為研究中最常使用之電化學系統，由工作電極(working electrode)、
輔助電極(counter electrode)及參考電極(reference electrode)所組成，如圖 3-6。
圖 3-6。三電極系統示意圖。
24 electrode；SCE)與銀/氯化銀電極被廣泛使用[30]。本研究以銀/氯化銀電極為 參考電極(Metrohm)。
循環伏安法 (Cyclic Voltammetry，CV)
循環伏安法為設定某電位範圍並施予工作電極來回反覆之線性電位變化。
當工作電極由低電位至高電位，過程中可得氧化電流產生，為氧化反應。反之，
當電位反向變化，則產生還原電流，為還原反應。反覆進行下，可得多次循環 曲線圖形，藉此可分析樣品之氧化還原電位與反應之可逆性，此方法亦可藉氧 化還原之方法將材料成長於發生氧化還原的工作電極上。
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同樣反應完成後再利用 0.45 μ 濾膜以抽氣過濾方式，將合成好的聚苯胺奈 米線予以過濾，另以 1 M HCl (200 ml)清洗聚苯胺奈米線，清洗 5 次，最後將洗 淨的聚苯胺奈米線放置入真空乾燥箱中，靜置乾燥 24 hr，以完成製備。
3-3-2 PANI 不同分子量之製備
第二部分主要是藉由化學反應，控制不同反應溫度、氧化劑濃度及添加不 同濃度的 LiCl 合成共 12 種分子量由 7,681 至 235,000，條件如表格 4-1 所示。
首先將聚苯胺單體苯胺鹽酸鹽(415 mg)溶入 1 M HCl (10 ml)溶液中，另將過 氧焦硫酸銨(182.6 mg)溶入另一瓶 1M HCl (10 ml)溶液中，兩瓶均充分攪拌至溶 液呈透明無色。繼而將磁石攪拌轉子置入含單體苯胺鹽酸鹽的溶液中攪拌 5 分 鐘(800 rpm)之後，再將含過氧焦硫酸銨的溶液倒入；此時聚合反應立即開始，
持續攪拌反應 5 分鐘後即停止攪拌，並靜置 24 小時使反應完全。
完成後利用 0.45 μ 濾膜並以抽氣過濾方式，將合成好的聚苯胺奈米線予以 過濾，另以 1 M HCl (200 ml)清洗聚苯胺奈米線，清洗 5 次，最後將洗淨的聚苯 胺奈米線放置入真空乾燥箱中，靜置乾燥 24 hr，以完成製備。
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3-3-3 PANI 奈米複合材料製備
本第三部分主要是使用電化學中三電極系統，利用循環伏安法 (Cyclic Voltammetry，CV)，固定電流、改變電壓，將奈米聚苯胺成長於碳布上。
首先剪裁所需要之碳布面積，將部分欲成長聚苯胺之碳布浸至於 acetone 中 15 分鐘，使碳布表面更親水，之後迅速將工作電極夾住碳布並置入欲反應之溶 液中，溶液包含 0.5 M HCl 和 0.2 M aniline chloride。再將參考電極及輔助電極放 入同一反應槽中，即完成三電極系統的架設。
在固定電流：10 mV/s、改變電壓範圍：- 0.2 V~1 V，此條件下來回掃描成 長 2、5、8、10、15、20 次，即可成長不同厚度之奈米結構聚苯胺於碳布上，
完畢後使用 10 ml 之 DI-water 清洗樣品表面，最後再置入真空乾燥箱中，靜置 乾燥 24 hr，以完成製備。
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