1-1 金觸媒簡介
金是常見的貴重金，他的原子序是 79，在週期表上和銅、銀同族，與鉑、汞 同列，具金屬光澤及高延展性。金的陰電性是2.4 ，是陰電性最高的金屬之一，因 此很容易與其他金屬形成合金，或是和銅、鋁、錫、鈦等金屬形成介金屬化合物。
也由於它的高陰電性，使得金很少與氟以外的高陰電性元素如硫或氧等直接反 應。這造成了它擁有高抗氧化與高抗腐蝕的特性。也因為這樣，金一直被認為是 一種活性非常低的金屬，其化學性質上的應用遠不及白金。1987年，日本的春田 正毅（Masatake Haruta）博士發現使用共沈澱法，把奈米級的金粒子承載到金屬氧 化物上，即使在-70℃的反應溫度下，仍能有催化一氧化碳氧化反應的高活性[1]。 這個結果改變了以往認為金不具活性的印象，也開啟了金觸媒的研究。
金觸媒具有高活性的要素，普遍認為需要高分散性且顆粒小，而金觸媒顆粒 大小在反應中扮演的角色，其中之一的說法是，金觸媒活性來源在其表面圓周，
其顆粒越小可提供較多面積以利催化反應進行。另一看法為小尺寸下的量子效應 使得金的化學性質及電性改變，進而影響其催化能力。以往本實驗室的研究經驗 顯示，在低溫CO氧化反應中，金觸媒的顆粒較大，其反應活性明顯較低[2]。不過 有學者研究指出，即使是製備出無載附於擔體上的奈米金顆粒(~76nm)，對於CO 氧化反應依舊有活性[3]，或製備出已知不同顆粒大小的金觸媒，但是對於CO吸附 能力亦無不同，顯示出顆粒大小並非唯一決定金觸媒活性的要素[4]，目前一致認為 金顆粒最佳大小為2~5nm，小於2nm的金顆粒由於太小不穩定，易於反應中因反應 放熱而燒結成大顆粒失活。
除了金觸媒的粒徑大小，其化學性質會隨著金屬氧化物擔體不同、製備方法、
以及反應前處理不同而有所改變。擔體的表面積與還原能力被視為影響金觸媒活 性的可能因素之一，擔體的表面積較大，可提供較多的載負空間，使金均勻分散 在擔體上，製備出高分散性且顆粒小的金觸媒。部分學者依其在CO氧化反應中之
供氧(O2)的能力，將金屬氧化物擔體分為兩種，其一為「惰性的(inert)」，另一種 為「活潑的(active)」。藉由觀察反應中金觸媒的性質，一般認為本身較不具化學 反應性質的SiO2、Al2O3和MgO金屬氧化物為惰性擔體，而具有供氧能力的Fe2O3、 TiO2及CeO2則被視為可以增加金觸媒催化能力的活性擔體。文獻上學者的研究指 出，比較載負在TiO2和Al2O3上的金觸媒，在同樣反應溫度下(25℃)，前者的反應 活性是後者的四倍，但是於0℃下，前者的反應性只是後者的兩倍[5]。也有研究發 現，將小尺寸的金顆粒載負於TiO2、Al2O3和Mg Al2O4擔體上，其CO反應活性是截 然不同的[6]，顯示了擔體的影響可能在不同反應溫度下，或金屬與擔體作用力不 同，影響的程度也不同。不過，也有學者研究發現，將顆粒大小差不多的金載附 於TiO2、Al2O3、ZnO和ZrO2上，其反應性質與擔體的還原性無關係[7]。雖然沒有 直接證據顯示擔體的性質與金觸媒催化反應能力有關，但是經由許多實驗瞭解 到，擔體的性質可能間接影響金觸媒活性[8]。
隨著金觸媒的研究發展，此觸媒的應用除了CO 氧化反應外，已被證實在高氧 濃度下，藉由碳氫化合物的選擇性還原NO 反應上有高活性[9]，金也可以和其他金 屬做成合金觸媒，催化合成醋酸乙烯酯(Vinyl Acetate)反應。有些反應原本所用的 觸媒是稀有且價格昂貴的白金，近年來因為其需求量增加，價格更是隨著上揚。
隨著金觸媒的應用，在丙烯的環氧化、不飽和碳氫化合物的氫化反應等，皆可以 應用金觸媒參與催化反應。
1-2 金觸媒在 CO 氧化反應上的應用
一氧化碳(CO)是一種無色、無味、無臭伴隨燃料燃燒不完全產生的有毒氣體，
如汽、機車的內燃機燃燒，火災現場，密閉空間內的燃燒(熱水器、瓦斯爐)，還有 香菸的煙霧中，皆有一氧化碳的存在。每年在冬天時，時常可從新聞報導中得知，
人們因通風不良而吸入熱水器燃燒不完全產生的CO 氣體，造成中毒缺血死亡的不 幸消息。根據美國醫學協會的統計，全世界每年大約有 10000 件以上的案例與一
氧化碳中毒有關。一氧化碳在吸入人體後，由於其與血紅素的親和力約為氧氣的 240 倍，因此 CO 會和 O2競爭與血紅素結合，使得血液輸氧能力大幅下降，會造 成身體組織缺氧的狀況。輕微中毒者會有頭暈、頭痛、嘔吐、腹瀉等症狀，中度 者會出現心跳加速、呼吸急促、昏厥等現象，嚴重者會導致呼吸衰竭、昏迷、甚 至死亡，一氧化碳濃度在100ppm 以上即會對人體造成直接的傷害。金觸媒在低溫 下即可藉由CO 氧化反應來去除 CO，使得金觸媒可以應用於防毒口罩上或 CO 感 應器[10]。
CO 氧化成 CO2是應用金觸媒最簡單的反應，以往去除一氧化碳的觸媒大多使 用貴重金屬中的Pt、Pd、Ru 和 Rh，但是應用這些觸媒的反應溫度必須高於 150℃，
而且相較於金觸媒，Ag、Ru 或 Pd 觸媒在 CO 反應中活性低且易衰退。這些貴金 屬因價格昂貴且活性熱穩定性不佳，使得其相當不利於一般工業使用。由於奈米 金觸媒在低溫下即有很高的CO 轉化率，開啟了金觸媒的研究領域，也是金觸媒應 用研究較完整的反應。近年來隨著燃料電池(fuel cell)科技的發展，金觸媒的應用更 涉及了氫氣(H2)的生產，產生乾淨無污染的燃料，由於促進氫氧反應生成水的白金 (Pt)觸媒易受 CO 毒化而降低活性，因此，金觸媒催化 CO 氧化反應的高活性，亦 應用於燃料電池科技中。水氣轉移反應(Water Gas Shift Reaction)及在富氫環境中部 分CO 氧化反應(Preferential Oxidation of CO in H2-rich Strem)，皆是金觸媒參與燃 料電池科技中的催化反應。本實驗室已證實Au/TiO2、Au/CeO2觸媒在低溫下(200℃
和80℃)參與此兩種反應皆有高催化活性[11][12]。
1-3 研究動機與目的
本實驗室過去幾年的研究，成功的以離子交換法將金載負於沸石 Y(zeolite Y) 擔體上，利用其高比表面積且熱穩定性佳的特性，將金離子以溶液方法載負於其 上。在適當的製備條件下製備出均勻散布於擔體上的金觸媒，且在反應中有高活 性且高穩定性，使其更有工業上的應用價值。
過去的研究中，本實驗室針對製備過程做一系列的探討得知，較多金離子載負 於沸石Y 的孔洞結構中，可增加 Au/Y 觸媒在 CO 反應上的活性和穩定性，而製備 程序中的條件會影響 Au/Y 觸媒活性表現。擔載金觸媒的 H 型沸石 Y(HY)經過
NaNO3(aq)和NaOH(aq)表面處理後，Au/Y 觸媒反應活性較高和穩定，且載負於經過
表面處理後 Y 上的金顆粒分散均勻且尺寸較小[2]。製備金觸媒的過程中，金溶液 的pH 值、濃度及載負溫度皆會影響金觸媒載負的量、反應活性與穩定性[14]。近年 來國際間又再度掀起 Au/Y 觸媒的研究熱潮，期望利用沸石 Y 特殊的孔洞結構，
製備出粒徑一致且具有催化CO 氧化反應高活性的 Au/Y 觸媒，進而瞭解小尺度金 顆粒的物化特性。依照本實驗室以往的研究成果，以相同的製備程序卻無法製備 出穩定性良好的觸媒，因此改變了不同的製備變因與反應條件，針對Au/Y 觸媒提 出載負機制並做深入的探討，以瞭解各變因對金載負過程以及對催化CO 氧化反應 活性的影響。除此之外，希望藉由研究結果能瞭解Au/Y 觸媒活性衰退的原因。