第四章 結果與討論
4.1 羧化奈米碳管水中分散性測試
多壁奈米碳管其結構如同樹的年輪般由同心管束組成，其結構完整化 學性質穩定，難以其他化學物質做結合，加上奈米碳管本身有凡得瓦爾力 相互吸引，容易聚集在一起。為了增加奈米碳管的溶解性與分散性，藉由 硫酸與硝酸混合溶液，進行奈米碳管表面官能基化，利用羧化的羧酸基 (-COOH)，賦予奈米碳管溶解性與分散性，羧化示意圖如下圖 4.1，主要是 利用強酸混合液在奈米碳管表面產生氧化作用，破壞奈米碳管的碳原子環 狀結構，於奈米碳管管壁產生羧基。
量秤等重的奈米碳管與羧化的奈米碳管，置入相同體積的去離子水的 試瓶當中，將兩個試瓶放入超音波震盪3 小時，如下圖 4.2，最後將兩試瓶 靜至一天後，觀察奈米碳管在水中的分散情形，如下圖4.3，兩圖中左邊均 為未羧化的奈米碳管，由圖中可以發現，當靜置一天後未羧化的奈米碳管 沉澱在水的底部並聚集在一起，羧化過的奈米碳管經由一天的靜置，奈米 碳管幾乎沒有沉澱的現象，且分散於水中。
圖4.1 羧化碳管示意圖
圖4.2 奈米碳管與羧化奈米碳管超音波震盪 3 小時後比較圖
圖4.3 奈米碳管與羧化奈米碳管靜置一天後比較圖
4.2 複合材料傅立葉光譜儀分析
將含 5wt.%奈米碳管與聚苯胺(圖中紅線部分)與 10wt.%奈米碳管與聚 苯胺(圖中藍線部分)兩種不同碳管比例的複合材料薄膜作傅立葉光譜分析，
如下圖4.4，圖中兩種碳管比例的複合材料薄膜曲線圖幾乎呈現相同的趨勢，
圖中在 835cm-1的波峰為 N-H 的面外吸收，1500 和 1600cm-1的波峰分別為 醌型環與苯環震動吸收，此為聚苯胺本身特性，1240cm-1的波峰為 C-N 延 伸震動吸收，此為質子摻雜的聚苯胺特性峰，在3100cm-1附近的波峰乃 C-H 的延伸震動吸收，此信號顯示出原本奈米碳管的sp2鍵結受到破壞，使的碳 原子與氫原子的鍵結出現，此形成原因為奈米碳管的部分C=C 鍵結結構在 羧化過成中受到強酸混合液的破壞，因此當形成複合物時而產生 C-H 特性 峰。而一般多壁奈米碳管直接做傅立葉光譜分析其波峰位置出現在 2200 cm-1附近，但是在本實驗的複合材料經由傅立葉光譜分析並在2200 cm-1位 置未出現明顯的特性峰，其原因之一可能是奈米碳管在羧化過程中表面遭 到破壞使其特性峰不明顯，其二可能是因為奈米碳管外部由聚苯胺所包覆，
導致其特性峰無法藉由傅立葉光譜儀所分析。
圖 4.4 複合材料傅立葉光譜分析圖
4.3 複合材料掃描電子顯微鏡觀測
將含 5wt.%奈米碳管的聚苯胺複合材料與含有 10wt.%奈米碳管的聚苯
胺複合材料薄膜，以掃描電子顯微鏡觀察其表面材料狀況，首先將兩種複 合材料薄膜置入鍍金機中，在複合材料表面鍍上一層金以利掃描電子顯微 鏡觀測，直接將兩複合材料薄膜置入掃描電子顯微鏡中觀測，因為是直接 以薄膜型是觀測，所以在觀測時有許多地方是鑲在薄膜裡面較不易觀測，
而圖中觀測到表面有層狀類似珊瑚形狀的結構體，此珊瑚狀乃聚苯胺本身 聚合體的形貌，圖4.5 中長條形狀為奈米碳管被聚苯胺包覆而成，由圖中可 知奈米碳管外層被包覆一層聚苯胺，並非一般由掃描電子顯微鏡所觀測到 呈現中空管狀，由此可判定在聚合聚苯胺時，聚苯胺確實包覆於奈米碳管 之上。在使用SEM 觀測複合材料表面形貌時，奈米碳管並未容易可觀察到，
其原因乃奈米碳管被聚苯胺包覆且嵌入在複合材料薄膜內，所以在使用 SEM 觀測表面形貌時，奈米碳管較不容易被觀察到。圖中的顆粒狀和塊狀 物，應該是在運用電弧放電法製備多壁奈米碳管時，所生成碳粒與奈米碳 球等的碳雜質，在聚合奈米碳管/聚苯胺複合材料時並沒有將奈米碳管加以 純化而留下的碳雜質。
圖4.5 5%奈米碳管與聚苯胺複合材料 SEM 照
圖 4.6 10%奈米碳管與聚苯胺複合材料 SEM 照
4.4 複合材料生化需氧量測試
將奈米碳管與聚苯胺複合材料塗佈在鋁箔紙上，置入烘箱中以80℃烤乾 12小時，並將每個試片裁切成5x5公分的大小，置入大腸桿菌中做生化需氧 量(Biochemical oxygen demand, BOD)測試，其測試條件如下：
(1)起始菌濃度：Fix OD600 nm=1.084
(2)培養條件：LB 30℃ 125 rpm (前培)，0.1x LB(10 g L-1 NaCl) 30℃ 110 rpm (測試)
(3)滅菌條件：120℃、20 min (4)測試體積：50 ml
試片代號 試片物
DH5a_0.1xLB 大腸桿菌
Tinfoil 鋁箔紙
PANI_0_I 不含奈米碳管
之聚苯胺 PANI_0_II
PANI_5_I 含5%奈米碳管 之聚苯胺 PANI_5_II
PANI_10_I 含10%奈米碳管 之聚苯胺 PANI_10_II
表4.1 試片編號表
圖4.7 巨觀的呼吸曲線圖
圖4.8 微觀的呼吸曲線圖
4.5 複合極板電性測試
將不鏽鋼極板、含5wt.%奈米碳管的複合材料極板、含10wt.%奈米碳管 的複合材料極板分別置入微生物燃料電池系統中，並利用Jiehan 5600 Electrochemical Workstation做微生物燃料電池I-V曲線量測(圖4.9)，量測結 果如圖4.10，使用不鏽鋼陽極板的微生物燃料電池(圖4.10綠線部分)，其量 測電池最大輸出電壓為0.12V，最大Power Density為1.561mW/m2；使用5wt.%
奈米碳管複合材料陽極板(圖4.10紅線部分)，量測電池最大電壓輸出為 0.219V，最大Power Density為3.395 mW/m2；使用10wt.%奈米碳管複合材料 陽極板(圖4.10藍線部分)，量測電池最大輸出電壓為0.239V，最大Power Density為6.506 mW/m2。將含有奈米碳管的複合材料陽極板與不鏽鋼陽極板 電池系統的Power Density做比較，5wt.%奈米碳管的複合材料陽極板與不鏽 鋼陽極板電池Power Density提升117%，10wt.%奈米碳管的複合材料陽極板 與不鏽鋼陽極板電池Power Density提升了317%。
圖4.9 微生物燃料電池I-V曲線量測
圖4.10 複合極板 I-V 曲線圖
第五章 結論
由實驗的結果顯示，以奈米碳管/聚苯胺的複合材料做為微生物燃料電 池之陽極板，確實能夠提升微生物燃料電池之效能。將奈米碳管摻入聚苯 胺之中，而奈米碳管本身管狀的結構與優良的長寬比，分散於聚苯胺之中 扮演起橋梁之作用，增加聚苯胺電子傳遞與集電的效果，也提升了微生物 燃料電池中陽極的電化學反應，摻入 10wt.%的奈米碳管的複合材料陽極板，
在置入微生物燃料系統中有最佳的電壓輸出 0.239V 與最佳的功率密度 6.506 mW/m2，功率密度與使用未塗佈複合材料的極板相比提升了 317%，
因此奈米碳管/聚苯胺複合材料，相當適合作為微生物燃料系統中陽極板使 用。
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