3-1 實驗流程概要
本計劃實驗程序以碳奈米管與釕化合物混合材料為主體研究，改以數種單壁、多 壁等不同類型的奈米碳管天加入混合溶液調配出電鍍溶液進行試驗。實驗方式分成四 大部分，分別為基材前置處理、鍍液調配、基材電鍍處理與鍍層的觀察和電容量測試。
基材前處理部份首先利用鈦片為基材，對其進行腐蝕，以利於電鍍。鍍液調配部份使 用不同類型的奈米碳管，加入含釕化物水溶液調配電鍍液，然後使用陰極沈積法製作 成超電容電極，最後對完成的超電容電極試片量測超級電容器之性質。利用電化學分 析法求出電容量數據，相互比較不同類型的奈米碳管所測試出來的數據，比較不同類 型的奈米碳管在相同的條件參數下，對於超級電容器的性質影響的程度【圖3-1】。
3-2 基材前置處理
a.
本計劃中使用鈦片為基材，面積為1cmx1cm，首先基材泡入丙酮中，目的是清洗 掉表面的汙垢以及油漬等物質，讓基材保持乾淨，避免多餘的物質污染。b.
為了讓鈦金屬基材 可以產生大量孔隙，使基板在電鍍的時候對披覆物可以有更強 的附著力，不會輕易脫落，所以需要對基材先進行腐蝕。首先調配出濃度5%的氫 氟酸(HF)，將鈦片放入腐蝕五分鐘，待腐蝕完成後使用去離子水清洗乾淨。c.
利用濃鹽酸(HCl)與純水以 1：1 混合，然後將混合鹽酸溶液加熱到 90 度以上，過 程中皆需要持續攪拌，使腐蝕液可以均勻混合，溫度也可以一致。然後將上一步 驟中粗腐蝕過的鈦基板，以純水清洗後再進行細腐蝕，腐蝕的時間為15 分鐘，目 的為使其孔洞更為細緻，也可以幫助將前步驟中沒腐蝕到的部份進行第二次處理。d.
腐蝕完成後的基材以純水清洗，放入以 1：1：1.5 調配的酒精、丙酮、純水混合 的溶液中保存，目的為隔絕空氣避免基材被氧化以及受到空氣中灰塵等物質污染。3-3 電鍍液調配
a. 將純水與酒精 1:1 混合，然後添加界面活性劑。界面活性劑有分成陽離子型界面 活性劑與非離子型界面活性劑兩種。因為奈米碳管的表面有著些微的OH－基，在 陽離子界面活性劑的作用下，表面將會因此生成帶有正電荷的界面活性劑，然後 碳管之間會因同性相斥而分散開來，使其均勻分布在溶液中。而非離子型界面活 性劑，雖然一樣可以使奈米碳管有均勻分散的功用，但是其無法如陽離子型界面 活性劑一樣與碳奈米管表面緊緊接合，但仍然可以讓碳奈米管不會凝結一起。另 外非離子型界面活性劑會在奈米碳管的表面產成一層濕潤薄膜，這層薄膜，可以 讓釕化物的沈積有良好的加乘作用，可以使釕化物更為容易附著於碳奈米管上 方。在這邊我們將選用(Triton X-100)當作界面活性劑加入。
b. 將界面活性劑依照調配的溶液多寡，計算重量百分濃度後加入水與酒精混合的溶 液，然後攪拌均勻，此時溶液會有泡沫產生，可以利用超音波震盪將溶液內空氣 打出。
c. 接著將氯化釕的粉末依照溶液量以重量百分濃度進行調配，用精密電子天平 (CPA225D,德國 Sartoris)【圖 3-2】量取所需的克數，再添加入上一步驟調配的含 有界面活性劑之水溶液，此過程將持續使用電磁攪拌器【圖3-3】持續的進行攪拌，
使溶液可以均勻混合。
d. 在前面程序完成以後，從不同類型的奈米碳管中選擇一種加入，依照溶液重量百 分濃度利用精密電子天平量取所需的克重，倒入調配好的含有釕化物之水溶液，
此過程仍然使用電磁攪拌器持續的進行攪拌，使氯化釕以及奈米碳管可以均勻的 分散在溶液中。
e. 利用超音波細胞粉碎機(Chrom Tech, UP-80)【圖 3-4】，對溶液進行超音波震盪，
將奈米碳管與溶與水中的氯化釕震散，使之在溶液內布分散更均勻，不在底部沉 澱。由於超音波震盪會產生高熱，所以必須在周圍再利用容器放置些冰水或冷卻 劑，再將調配好的電鍍溶液與容器放於中央，再進行超音波震盪。如果周圍沒有
配置冷卻措施的話，將會因為高熱使得液體沸騰，溶液中酒精將會揮發，內部也 會有些化學變化，將會導致溶液變質無法使用。
f. 接著由文獻【28-29】得知在特定酸鹼值下效能含水釕化物電鍍容易可以達到最佳 效果，所以調整溶液的酸鹼值，其PH 值將調整到 1.5。
g. 最後加入氯化鉀(KCl)以後，以鋁箔紙將容器整個包裹住，隔絕光線以及空氣直接 接觸，調整到適當的轉速持續攪拌，並且靜置一個晚上。
3-4 超電容電極製備
a. 將腐蝕好的基材烘乾，以精密電子微量天平測電鍍前基材的重量，單位為mg（紀 錄至小數點第5 位）。
b. 接著利用陰極沈積法進行超電容電極的沈積，利用電源供應器來提供電流進行電 鍍，陰極接於基材，陽極接上以鈦為原料所做成的鈦網，將基材以及鈦網放置到 裝有含水釕化物與碳奈米管的水溶液燒杯中，其次電鍍之前需要控制電極和試片 之間的距離以及溶液攪拌的轉速，距離的遠近會影響到基材上釕以及奈米碳管批 覆物的生成。而過快或過慢都會導致鍍層沈積狀況不佳，過快容易使批覆物較難 披覆上去，過慢則容易讓基材上沈積過多釕化物以及碳管，導致重量過重而剝落。
透過適當的調整後才能使鈦片在進行陰極沈積的時候有較好的鍍層披覆。此時提 供每平方公分的電流量為10~15 毫安培，其裝置如【圖 3-5】所示。
c. 電鍍層的沈積則依照時間長短的控制來取得數組不同的超電容電極成品，此時附 有電鍍層的鈦板上面累積的披覆物，會因為時間以及電鍍液反覆使用的頻率而有 所差異，所以可以透過電鍍層的狀態來判斷電鍍液是否變質，或者水溶液內部釕 以及碳管數量足不足夠進行超電容電極的製備流程。
d. 最後再將電鍍完成的試片利用純水進行簡單的清洗，將殘留在上面以及周圍的電 鍍溶液沖洗掉，避免影響到電極整體的重量以及後續檢測流程。透過低溫的烘烤 或自然風乾方式進行乾燥，將超電容電極上多餘水分清除乾淨，這邊需要注意的
是烘烤的溫度不可太高，以免造成鍍層的變質或過度乾燥而破裂。接著將完成品 電極放入試片盒裡隔絕外部空氣，避免空氣中物質對電極的汙染。
3-5 電容器之電化學性質量測
電容量測試：
本實驗利用恆電位儀(EG&G, VersaStat II)【圖3-6】以循環伏安掃瞄法來檢測其電 容量，測試所用的裝置為典型三極式電化學分析槽【圖3-7】。參考電極 （Reference Electrode，R.E）為含有飽和KCl的甘汞電極Hg/Hg2Cl2（Saturated Calomel Electrode，
S.C.E），對應電極（Counter Electrode，C.E）為鈦板，工作電極（Working Electrode，
W.E）則為前面的實驗中電鍍完成的超電容電極，電解質為0.5M的硫酸水溶液，電位 掃瞄範圍在0V～1V之間，掃瞄速度25 mV/sec。
電容量計算:
（1）將試片烘乾，用精密電子微量天平測電鍍後的重量，單位為 mg。
（2）比較基材電鍍前後重量差異，即可得到鍍層重量。
（3）統計 CV 曲線所量測到的數據與平均掃描時間，並算出單位面積電容量(F)。
（4）將所得之電容量與試片增加的鍍層重量相除，即可得到單位克重電容量(F/g)。
用恆電位儀對超電容電極進行C.V 掃瞄，電容( C )定義為單位電壓、( V )所含電荷，
其關係式如下：
V
C=Q Q=I×Δt ⇒ 對I 做積分 ⇒ Q=Δt×
∫
Idi ⇒ C=Δt×V∫
Idi其中：電容的單位為法拉（Farad）、電荷（Q）的單位為庫倫（Coulomb）、電壓（V）
的單位為伏特（Volt）
3-6 鍍層結構觀察
為觀察透過不同類型的奈米碳管所生成鍍層表面有無沈積生長上的差異，所以透 過電子顯微鏡對表面結構進行觀察。
3-6-1 SEM 結構觀察
為了分辨不同奈米碳管電鍍後的差異，首先利用掃描式電子顯微鏡對鍍層進行結 構上的觀察，掃描式電子顯微鏡是觀察鍍層顯微結構之常用之儀器，它具有高倍率之 鑑別率，因此初步的觀測可以藉此儀器來觀察，另外利用其上附有的化學元素分析 器，亦可分析鍍層上微小區域之化學成份分析（EDAX）。利用此設備，將可以初步 探討由不同的奈米碳管進行電鍍以後，對於鍍層節構密度上的影響程度、以及釕與碳 管電鍍披覆的程度。
檢測前將電極烘乾去除水分以後，利用鍍金機在表層披覆上一層白金，目的是要 讓電極整體導電性更佳，較利於觀察。
3-6-2 TEM 結構觀察
穿透式電子顯微鏡(Transmission electron microscopy,TEM)常應用於材料之表面 型態分析、結晶結構分析以及材料成分的分析，並可提供原子影像觀察，可分析單晶 與多晶結構之各種缺陷與鑑定其缺陷種類。利用此種方式可以詳細的觀察到奈米碳管 以及附著在上方的晶格結構與大小，透過計算晶格結構可以得到上方所沈積的是否為 氧化釕(RuO2)或者其他成分、鍍層的厚度等。
【圖3-1】 本研究實驗流程圖
【圖3-2】精密電子天平
【圖3-3】電磁攪拌器
【圖3-4】超音波細胞粉碎機
【圖3-5】 電鍍系統示意圖
【圖3-6】恆電位儀
【圖3-7】 C.V 掃瞄裝置示意圖