顯微觀測技術的進步，各種奈米材料競相研發出現，由於奈米材料表
1-2 乙醇催化產氫原理
15-17在正常情況下，乙醇直接和氧氣反應燃燒 :
(1) C2H5OH + 3 O2 → 3 H2O + 2 CO2 △HR≒ -1280 KJ/mol
但是D. K. Liguras18 提到將乙醇汽化混和氧氣通過加熱到攝氏 500 度 含 鎳 的 氧 化 鑭(La2O3)表面時，乙醇進行將部份氧化反應(partial oxidation reaction):
(2) C2H5OH + 1/2 O2 → 2 CO + 3 H2 △HR≒ +20 KJ/mol
產生的一氧化碳在有水的情況下加上適當的催化環境可進行 Water-Gas shift reaction 但此反應並非完全反應，其反應視所使用催化 劑以及催化環境不同而有程度上不同 :
(3) CO + H2O →CO2 + H2 △HR≒ -40 KJ/mol
L. D. Schmidt8 提到利用氧化鈰加入百分之五的銠金屬為催化劑 可將總反應導向一自身放熱反應，合併上列反應式(2) 、(3)可得到 :
(4) C2H5OH + 2 H2O + 1/2 O2 → 2 CO2 + 5H2 △HR≒ -50 KJ/mol 總反應為放熱反應，因此催化此反應僅需在反應起始時預熱催 化劑，再汽化乙醇混和空氣及水蒸氣通過催化劑，其中不僅可得到一 莫耳乙醇分子中所含三莫耳氫氣，更可將水分子中的氫還原得到額外 還原來自水分子中的氫氣，理論上一莫耳乙醇在有水及氧氣反應將可 以得到五莫耳氫氣。
1-3 氧化鈰簡介
19氧化鈰特殊的化學性質，使得其用途十分廣泛。由於其對一氧化 碳及硫化物的氧化催化活性極高，更可催化甲醇裂解以及WGS反應，
因此經常被用來當作催化劑。更因為其具有氧氣儲存，釋放的性質，
通常利用它來控制整體催化劑表面的氧氣濃度而使用在汽車排氣管裡 的三向催化劑(Three-Way Catalysts )，因其可用來同時將引擎內燃燒未 完全產生的一氧化碳(CO)，碳氫化合物，以及氮氧化物(NOx)催化使之 氧化所以稱之。此外也可製成化學機械研磨( Chemical Mechanical Polishing)用的漿料(原理為利用含氧化鈰之漿料將欲研磨物表面不平 處發生化學反應，使之鬆散易脫落，再進一步將其磨除)20。
氧化鈰晶體結構如圖 1-3-1 所示，為CaF2類型的Fluorite結構，鈰原 子為面心立方堆積，而氧原子則填滿其中的八個八面體空隙，三軸長 各為5.41Å，空間群為Fm3m。
圖1-3-1 氧化鈰晶體結構圖
鈰的電子組態為 [Xe]4f15d16s2，在Ce4+時電子組態與Xe相同，Ce3+
時電子組態為 [Xe]6s1(因 6s軌域半填滿)亦可穩定存在，因此Ce可以輕 易在三價/四價轉換，所以氧化鈰可視作二氧化鈰以及三氧化二鈰固態 溶液。化學式為 : CeO2-x，0 X 0.5≦ ≦ 。在大氣中，氧氣充足情況下多
傾向為CeO2，表面部分則為Ce2O3。
當氧化鈰在適當條件下，與一氧化碳接觸則行下列反應 : (1) CO + 2 CeO2 → CO2 + Ce2O3
而Ce2O3再和空氣中氧氣反應 : (2) O2 + 2 Ce2O3 → 4 CeO2
由上列二式可知，氧化鈰可儲存及釋放氧，因此氧化鈰對一氧化 碳的氧化具有極大活性，可利用來減輕汽機車排放廢氣中的一氧化碳 含量，而值得注意的是( 2 )式可逆向進行，利用此性質，在固態氧化物 燃料電池中(Solid State Fuel Cell)可以擔任利用氧原子傳遞電流的材料
21。
1-4 已知氧化鈰奈米晶體
1-4-1 二氧化鈰奈米粒子
Z. L. Wang 在 2003 年的文獻12提出，在二氧化鈰結構中，經過理 論計算得知{1 0 0}表面能最高，{1 1 1}表面能最低，因此在自然不加 干擾的長晶環境下，易生成由四組{1 1 1 }晶面構成的八面體，如圖 1-4-1 所示，在晶體開始成長時，{1 1 1 }及{1 0 0}共同構成變形之八面 體球狀粒子，但晶體持續成長至接近微米尺度時，由於{1 1 1 }晶面成 長速度較快，便形成八面體形狀的奈米粒子如圖1-4-2。
圖 1-4-1 二氧化鈰奈米粒子穿透視顯微鏡照片12
圖1-4-2 二氧化鈰晶體成長形成八面體12
1-4-2 二氧化鈰奈米柱
Aurelien Vantomme22 在 2005 年提出利用氨水使氯化鈰變成氫氧 化鈰沉澱，並加入界面活性劑(溴化十六烷基三甲基銨)在水熱法環境下 可合成長度 150-400 奈米，寬度 10-25 奈米的二氧化鈰奈米柱，如圖 1-4-3 所示，其晶體成長方向為[1 1 0 ]。
其優點在於奈米柱大小分佈均勻，且可大量合成，但是缺點在於 界面活性劑難以去除，因此Kebin Zhou提出使用氫氧化鈉14使硝酸鈰沉 澱析出為氫氧化鈰，在高濃度氫氧化鈉(2M)的水熱環境下即可合成類 似大小的二氧化鈰奈米柱，如圖1-4-4 所示，且此奈米柱為一由兩組( 1 1 0 )及一組( 1 0 0 )晶面構成之短柱體。
圖1-4-3 二氧化鈰奈米柱22
圖1-4-4 二氧化鈰奈米柱穿透視電子顯微鏡圖及晶面示意圖14
1-4-3 二氧化鈰奈米方塊
Hao-Xin Mai 在 2005 年的著作13中提出，利用與 1-4-2 類似水熱環 境，加長反應時間，可使產物變成二氧化鈰奈米方塊，其中邊長為 40 奈米，其方塊六個面都是{ 1 0 0}晶面。
圖1-4-5 二氧化鈰奈米方塊穿透式電子顯微鏡圖13