三、 實驗步驟與儀器分析
3.2. 實驗流程與步驟
本實驗中實驗步驟分為基材與樣品的製作，在基材的部分為電泳自組 裝與電鍍鎳反蛋白石結構々而在樣品的製作包含無電鍍釕沉積、無電鍍銥 沉積與後續以不同氣體在高溫下熱處理幾個部分。下圖 3.2 是本實驗整體的 製備流程圖，左欄是製作半層鎳反蛋白石的基材，右欄是在基材表面沉積 觸媒後，進行熱處理等研究之後量測的流程圖。由於反結構更良率的問題，
電解水的效能會隨著結構堆積的完整性上升而上升，為了確保提升的性能 是來自於沉積上的觸媒，故要求每一片詴片的基準點相同，所以會在沉積 之前先進行 HER 的量測並以此做為基準，在沉積與熱處理後會分別再進行 一次 HER 的量測，並以兩者的差距判斷在電解水陰極造氫的性能是否更提 升。在電化學的量測結束後，將詴片分別進行 SEM、EDX、XRD 與 XPS 做表面形貌的觀測與定性量測。
圖 3.2〆本實驗的流程示意圖。
圖 3.3〆本實驗使用的基材為一面鍍鈦、一面沉積二氧化矽的矽晶圓。
3.2.1. 電泳自組裝-製備多層的膠體晶體
此小節包含基材詳細規格、膠體懸浮液的配製與電泳參數控制。
基材
0.01 ohm-cm。並且在晶圓的一面沉積厚度為 600 nm 的二氧化矽膜，如此可 以防止電泳自組裝與電鍍鎳的反應同時在詴片兩面進行，而另一面則鍍上 均勻的鈦，主要目的為增加詴片對 PS 球（聚苯乙烯球）的附著力使 PS 球 自組裝的缺陷降低，接著將詴片裁切為長寬分別為 2.1 cm×1.5 cm，做為基 材。
配製膠體懸浮液
實驗中的膠體粒子是使用單一粒徑約為 660 nm 均勻的 PS 球（聚苯乙 烯球），秤取 0.1 g 乾燥後的 PS 球粉末，溶於 100 ml 無水乙醇中，使用超 音波震盪器使其分散均勻成為高度穩定與分散的膠體粒子懸浮液。
電泳自組裝
將裁切好的詴片分別使用水與丙酮清洗後，由於 PS 球表面所帶電荷為 負電荷，故將欲沉積膠體粒子的電極插入膠體溶液中做為正極，負極則使 用不鏽鋼板，兩極的距離為 1 cm。在 1 g/l 的膠體濃度，外加 10 V/cm 的電 場的條件下沉積 5 分鐘後由電泳槽中緩慢將詴片抽出，平放入溫度為 50˚C 的烘箱中乾燥，即可得厚度約為 5 μm 的自組裝膠體晶體在鍍鈦的矽晶圓 上。
3.2.2. 電鍍鎳-製備鎳反蛋白石結構
此小節包含了鎳鍍液的配製，電鍍參數與移除 PS 球模板的製程。
配製電鍍鍍液
分別秤取 130 g 的硫酸鎳（NiSO4〄6H2O）、30 g 的氯化鎳（NiCl2〄6H2O）、 18 g 的硼酸（H3BO3）與 3 ml 的過氧化氫（H2O2）後溶於水中之後稀釋至 1 L，穩定攪拌一天。
電鍍鎳
由於 PS 球是疏水性物質，為了使鍍液能夠順利的進入球與球之間的孔 隙中，在將完全乾燥後的膠體晶體詴片放入電鍍鎳鍍液之前，先浸泡至水 與酒精的混合液中數秒，再浸泡至鎳電鍍液中做為負極，並以鎳板為正極，
施加 1 V 的固定電壓電鍍鎳 20 分鐘後取出。
移除 PS 球模板
接著為了移除詴片上做為模板的 PS 球，本實驗中結合化學腐蝕法與高 溫熱處理兩種方式。首先將詴片以蒸餾水與酒精清洗後浸泡至乙酸乙酯溶 液中 3 小時已軟化並去除部分 PS 球。隨後，將詴片置入 250˚C 的高溫爐中 在空氣的環境下以熱處理 1 天，經此兩步驟之後可以確保 PS 球完全移除。
最後，由於隨後無電鍍的方式沉積的製程需要確保表面無氧化鎳的存在，
所以將詴片放入高溫爐中，在氫氣的條件下升溫至 200˚C 熱處理 2 小時，
以確保表面成分為金屬鎳。
至此，可以成功製備做為基材的半層鎳反蛋白石結構。
3.2.3. 無電鍍釕鍍液-無電鍍沉積釕於鎳反蛋白石結構上
此小節包含了具活化作用的鍍液、無電鍍釕鍍液與前驅物溶液的配製，
最後為沉積詳細製程。
配製活化鍍液
分別量取 0.1 wt%的 PdCl2與 0.1 wt%的 HCl(aq)均勻混合。
配製無電鍍銥前驅物溶液
秤取 0.0186 g 的水合五氯釕酸鉀（K2RuCl5．xH2O）溶於 5 ml 的蒸餾 水中並稀釋至 10 ml，做為前驅物的溶液。
配製無電鍍釕鍍液
分別以量筒量取 17 ml 濃度為 0.06 M 的亞硝酸鈉（NaNO2），1 ml 濃 度為 1 M 的氫氧化鈉（NaOH）與 2 ml 的漂白水（NaClO），倒入燒杯中使
其均勻混合後加入含更前驅物的水溶液，此時 pH 值大約為 11 至 12 之間。
歷時 3 分鐘後，溶液會由紫黑色轉變為透明的亮黃色，在 4 分鐘後溶液會 由亮黃色轉變為橘紅色，至此可使用的無電鍍釕鍍液配製完成。
沉積
首先將前一小節製備好的基材以酒精與蒸餾水清洗後放入活化鍍液中 10 s 後取出，以蒸餾水洗淨。接著將詴片垂直的放入配製好的無電鍍鍍液中，
置入 40˚C 水域槽中恆溫，依實驗所需調整時間，待所需時間到達，將鍍液 由水浴槽中取出置於室溫下 40 分鐘，以空冷的方式降溫。40 分鐘後將詴片 夾出，以水沖洗後使用氮氣槍吹乾。
3.2.4. 無電鍍銥鍍液-無電鍍沉積銥於鎳反蛋白石結構上
此小節包含無電鍍銥鍍液與前驅物溶液的配製和沉積詳細製程。配製無電鍍銥前驅物溶液
秤取 0.0947 g 的六氯亞銥酸鈉（Na3IrCl6）溶於 30 ml 的蒸餾水中，隨 後依序加入 0.125 g 草酸（H2C2O 4•2H2O）與 0.69 g 碳酸鉀（K2CO3），混 合均勻後稀釋至 50 ml。最後將溶液放至 75˚C 水浴槽中恆溫 4 小時候並在 室溫下放置 5 天，至此鍍液足夠穩定可做為前驅物的溶液。
配製無電鍍銥鍍液
秤取 0.275 g 次磷酸鈉（NaH2PO2•xH2O）溶於 20 ml 的蒸餾水中，隨 後加入 10 ml 前驅物溶液，至此可使用的無電鍍銥鍍液配製完成。
沉積
首先將前一小節製備好的基材以酒精與蒸餾水清洗後放入活化鍍液中 10 s 後取出，以蒸餾水洗淨。接著將詴片垂直的放入配製好的無電鍍鍍液中，
置入 75˚C 水浴槽中恆溫，依實驗所需調整時間，待所需時間到達，將鍍液 由水浴槽中取出置於室溫下 40 分鐘，以空冷的方式降溫。40 分鐘後將詴片 夾出，以水沖洗後使用氮氣槍吹乾。