觸媒材料鑑定

2.2.1 粉末式 X 光繞射儀（Powder X-Ray Diffractometer；XRD）

本研究使用型號 Bruker D8 Advanced XRD(圖 2-2 (a))。粉末式 X 光繞射儀

（Powder X-Ray Diffractometer；XRD）主要用於結晶材料的鑑定，能提供樣品之 組成分析、相分析、結晶粒子狀態及晶體結構等訊息。X 光由陰極射線管發出，

經過濾而產生單一波長入射光，並射向樣品。其量測原理是根據布拉格定律 (Bragg Law)，其中 d 為晶格面間距，2θ 為散射角，當入射光與散射光產生之波 程差(path difference)為 2dsinθ，是波長 λ 的整數倍時，會產生建設性干涉即有繞 射峰產生，如圖 2-2所示。以下為布拉格定律(Bragg’s Law)表示式：

nλ = 2dsinθ

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圖 2-2 (a) XRD 儀器 (b) XRD 原理

每個晶體具有一組獨特的 d 間距，故樣品的繞射峰可以與已知物質的繞射 峰 (JCPDS)相互對照比較用以鑑定組成種類，進行定性分析。晶格可以看成由一 組原子面在同一個特定方向重複排列所組成。

由 X 光繞射儀計算出的晶格大小及繞射峰半高寬，可利用 Scherrer Equation 推算出晶體的粒子大小。以下為 Scherrer Equation 表示式：

D = Kλ β⁄ _2θ˙cosθ

D：粒徑大小 K：0.89 或 0.94，形態常數

λ：1.54056 Å ，X-射線波長(Cu 靶) β2θ：繞射峰的半高寬(弧度值)

θ：布拉格繞射角

而晶格常數可利用 X 光繞射圖譜和布拉格定律來計算：

a = √(ℎ²+ 𝑘²+ 𝑙²)/2 sin 𝜃

a：布拉格常數 h、k、l ：米勒指數

(a) (b)

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XRD 實驗流程

將待測樣品以壓錠成型機壓製成錠狀，將其平放在標準 Holder 上，如圖 2-3 所示。操作條件為 Cu Kα(1.542 Å )的 X-Ray，工作電壓 40 kv、電流 30 mA，使用 θ/2θ 之廣角模式，掃瞄速度 2 s/step，掃描角度(2θ)從 20~90°，每 0.06°記錄一點，

每個樣品掃描時間並無固定，會根據訊號強弱掃描圈數而有改變。將測得的 XRD 圖譜與 JCPDS 資料庫上的標準圖做比對，可得知金屬觸媒是否如預期地有金屬 被合成在碳黑上，作為確認觸媒製成有無成功的方法。

圖 2-3 (a)粉體置於載台 (b) XRD 偵測裝置

2.2.2 掃描式電子顯微鏡 (Scanning Electron Microscope；SEM)

本研究使用 JEOL JSM-6510 SEM (圖 2-4 (a))。掃描式電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope；SEM)是由電子鎗發射的能量為 5～35 keV 的電子束，經過 電磁透鏡組後產生聚焦電子束，在掃描線圈驅動下於樣品表面二維掃描成像。聚 焦電子束與樣品相互作用會產生二次電子(SEI)以及背向散射電子(BEI)訊號，其 中以二次電子是最主要的成像訊號。二次電子產生量隨樣品表面形貌變化。二次 電子信號被探測器收集轉換成電訊號，帶有表面形貌的訊息，被二次電子偵測器 接收成像，可以得到試片表面凹凸的影像。

(a) (b)

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SEM 實驗流程

先將待測樣品先黏在銅膠上固定，之後再以蒸鍍機蒸鍍 Pt 或 Au 以增加導 電性，即可利用掃描式電子顯微鏡觀察樣品表面，使用電壓為 20 kV，工作距離 為 10 mm，樣品在放大倍率為 2000 倍下觀測。

2.2.3 能量散佈分析儀 (Energy Dispersive X-ray Spectrometer；EDS)

EDS 主要利用電子束所激發的特性 X 光來進行待測樣品的定性或半定量化 學成份分析。當原子的內層電子受到外來能量源的激發而脫離原子時，原子的外 層電子將很快的遷降至內層電子的空穴並釋放出兩能階差能量。被釋出的能量可 能以 X 光的形式釋出，或者此釋出的能量將轉而激發另一外層電子使其脫離原 子 。由於各元素之能階差不同，因此分析此 X 光的能量即可鑑定待測樣品的各 個組成元素進而得到材料的成份組成，確認所合成出來樣品的金屬比例與目標比 例是否相符。本研究使用 JEOL JSM-6510 (SEM)加裝 OXFORD inca x0zct (EDS) 的機台，如圖 2-4 (b)所示。

圖 2-4 SEM 加裝 EDS 儀器(a) SEM 與 EDS 儀器 (b)加裝的 EDS (a)

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EDS 實驗流程

此實驗流程與 SEM 相同，先將待測樣品先黏在銅膠上固定，之後再以蒸鍍 機蒸鍍 Pt 或 Au 以增加導電性，即可利用掃描式電子顯微鏡觀察樣品的表面，使 用電壓為 20 kV，工作距離為 10 mm，樣品在放大倍率為 2000 倍下觀測。擷取 SEM 畫面之後，可使用 EDS，對樣品進行元素分布及組成分析，確定樣品內金 屬與碳黑的比例與分散性。

圖 2-5 (a)樣品置於載台示意圖 (b)濺鍍機 (c)SEM 真空腔 (d) SEM 分析圖譜

2.2.4 穿透式電子顯微鏡 (Transmission electron microscopy；TEM)

本研究使用的 TEM 機台為透過國科會申請到國立臺灣大學貴儀中心進 行測試，其型號為 Hitachi H-7100 Transmission Electron Microscope ，其原理是 利用加速電壓發射電子，當加速電子碰撞到樣品時會產生反射及折射到偵測器，

根據原子質量不同會有明暗之差別，利用此原理可比較不同金屬觸媒的粒子大 小。

(a) (b)

(c) (d)

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TEM 實驗流程

樣品的製備，先取少量的觸媒與適量的水混合，超音波震盪 1 小時，使其 均勻分散，在吸取少量的液體滴在銅網上，置於室溫下乾燥。即可使用 TEM 來 觀測合成觸媒的金屬粒子大小及金屬分散性。

圖 2-6 TEM 樣品銅網