觸媒表面特性分析

本研究將進行觸媒物理化學特性分析，藉以探討了解反應機制，並找出 最佳觸媒配方。以下敘述擬進行之各項觸媒物化分析:

1. 氮氣等溫吸附/脫附儀

利用氮氣等溫吸附/脫附儀(N₂ adsorption/desorption isotherm)，求出各中 孔洞產物的表面積、孔洞大小與孔洞體積。此分析使用本實驗室中自有之

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C :與氣體吸附熱和凝結熱有關之常數

利用(3-2)式，以 P/[V(P₀-P)]對 P/P₀ (範圍為 0.05~0.3)作圖，可得一直線，

其斜率為(C-1)/V_mC，截距為 1/V_mC，由斜率及截距可求得 V_m 及 C，將 V_m 代 入下式即可得觸媒總表面積(徐聖揚，2009)：



av



mN

S V _(3-2)

其中， S ： 觸媒表面積(m²/g)

N_av：亞佛加厥數(6.023×1023 molecule/mol)

α ：氮氣分子覆蓋的面積(16.2×10-20 m²/molecule) υ ：標準狀態下的莫耳體積(2.24 ×104 cm³/mol)

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2. X 光粉末繞射分析

此分析使用中興大學貴儀中心之Rigaku D/MAX-2500X射線繞射分析儀 (XRD，X-ray Diffraction)，藉由XRD了解觸媒擔體本身之晶體結構及觀測擔 體之金屬結晶形態。X射線之向量與樣品因交互作用而造成散射，當樣品為 規則晶體時，散射之X射線間會發生干涉，當散射中心之空間分佈具高度規 則，且原子層間之距離與輻射之波長大致相同時，則會產生X射線繞射現象。

X射線可判定不同固體化合物之晶體結構，並在適當範圍內測出材質上 金屬粉粒之顆粒大小與分佈，同時可判定材質本身之晶相及觀測結晶形態，

進行X射線繞射對比後，探討各晶態對觸媒活性之影響。

因於製備觸媒操作條件(如鍛燒溫度、鍛燒時間、溶液濃度、鈦前驅物及 攪拌時間等)皆會造成觸媒晶相及觸媒表面結構之改變，亦造成觸媒活性之差 異，故可利用XRD進行單位晶胞(Unit cell)鑑定及晶格參數(Lattice parameters) 分析，其中繞射峰強度可做晶體微結構分析，亦可利用繞射峰進行晶粒尺寸 (Crystallite size)分析，以利於往後觸媒性能評估之相關性進行分析。其晶粒 尺寸分析可利用Debey-Scherrer equation計算，如3-3式所示(Chandra et al.

2010)。

d=0.9λ/βcosθ (3-3)

其中，λ: X-ray光波長 ((Cukα) = 1.5405 Å)

β：最大繞射峰之半峰寬 (Full Width at Half Maximum; FWHM)

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3. 掃描式電子顯微鏡

本研究使用交通大學貴儀中心之 Hitachi S-4700I 高解析度場射掃描電子 顯微鏡 (HR-SEM) 進行樣品表面型態分析，並利用能量散佈分析儀 (EDS) 進行特定位置表面材料成分分析。

SEM (Scanning electron microscopy) 之原理係利用加熱燈絲所發射出來 的電子束經柵極聚焦，形成約幾十毫米大小之點光源，在陽極之加速電壓的

此分析使用本所自有之 700 series ICP-OES(Inductively Coupled Plasma Optical Emisson Spectrometry) 分析儀器，其原理係利用高頻電磁感應產生的 高溫氬氣電漿，使導入電漿中之樣品溶液受熱而產生一系列之去溶劑、分解、

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此分析使用本實驗室自有之廠牌型號為 Micromeritics AutoChem II 2920 之熱程式控溫脫附儀，其主要是利用升溫速率與惰性氣體的控制方式，對觸 媒進行吸脫附反應，藉由熱導偵測器(Thermal Conductivity Detector, TCD) 測 量氣體的變化，以求得觸媒的熱力學性質，並搭配氧化、還原性氣體，可做 觸媒的氧化還原反應探討。

TPD (Temperature programming desorption) 模式下，透過升溫梯度過程中，

觸媒上的酸性或鹼性氣體 (CO2 或 NH3) 脫附出來氣體量的多寡，而可分析 觸媒表面活性基的強度、數量與形態，原理即，由於酸、鹼氣體分別吸附在 觸媒的鹼、酸性基上，於升溫過程中鍵結力較弱的物理性吸附首先脫附，而 後化學性脫附於較高溫下發生，經熱導偵測器記錄此一連串之脫附行為，方 可得知觸媒表面酸鹼性基的強弱與多寡。

TPR (Temperature programming redution) 模式下，以氫氣為反應氣體，於 觸媒升溫過程中某特定溫度下，氧化還原反應發生，消耗氫氣生成水，以熱 導偵測器量測氫氣的消耗量，進而得知觸媒表面還原性基之數量。

TPD 操作步驟及參數條件如下：

(3) 稱取 0.1 克的觸媒放入 U 型石英管中，通以 25ml/ min 的氦氣，在升 溫速率 10℃/ min 下，將觸媒從常溫升至 250℃維持 30min 以除去觸

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此分析使用本所自有之廠牌型號為 Thermo Scientific Nicolet iS10 之傅立 葉紅外線吸收光譜儀(Fourier Transform Infrared Spectroscopy, FTIR)，其原理 是由於分子中的原子產生振動和轉動模式時吸收了適當的能量而產生的光

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此區；一般分子的每一個振動皆會吸收某特定波長的紅外光，通常一個分子 的 IR 吸收光譜大致可分為彎曲 (bending) 和拉伸 (stretching) 兩種震動產 生之特性峰，其中 bending 是原子依兩鍵結的夾角做運動，藉由不同官能基 及不同原子所產生的特定吸收峰，而 stretching 則為兩原子沿其軸向做伸縮 運動，有對稱性 (νs) 及非對稱性振動 (νas) ，可作為鑑定有機分子之重 要依據(楊淑雯，2004)。

FTIR 依照由物體表面反射出來的情況不同又可分為正反射(Specular) 及 散射反射(Diffuse Reflection)及全反射(ATR)，本研究使用之 FTIR 方法為 散射反射，散射反射可應用於表面粗糙面之樣品，經由散射可得到粉末樣品 的反射及繞射(scattering)光譜，可作定性定量之分析，故本研藉由 FTIR 進行 MnFe/TiO₂、MnFe/TNT 觸媒經活性測試反前後之官能基分析。