離子交換法

利用共縮合將中孔洞氧化矽孔洞內壁改質成腈基，再利用硫酸將腈基酸化 成羧酸官能基，並移除有機模板，接著將羧酸根的質子與金屬之鈣陽離子來進 行交換，使得金屬鈣陽離子取代原來位於其上的質子，再經由鍛燒將金屬氧化 鈣顆粒分佈在中孔洞氧化矽的孔壁及骨架內。

含氧化鈣之中孔洞氧化矽S15COOH2-CaO，亦經由感應耦合電漿質譜儀 (ICP-MS)測量後，其氧化鈣總重量百分比分析的結果列於表4-4。發現含浸溶液 裡的鈣離子濃度對最後中孔洞氧化矽的氧化鈣載量的影響相對於含浸法的差異 較小，因為在合成過程中，是利用重力過濾方式將剩餘的鈣離子溶液去除，導 致鈣離子流失，另外，在鈣離子進入孔道內時，是利用負電荷吸附鈣離子，而 非含浸法的濃度梯度。

圖 4-16 為含不同氧化鈣載量的中孔洞氧化矽 S15COOH2-CaO 之小角度 X 光繞射光譜，可以看到其保有中孔洞氧化矽 SBA-15 特徵峰，但圖中(100)特徵

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峰隨著氧化鈣含量增加往右邊偏移，證明了氧化鈣載量增加，孔洞內部的氧化 鈣使孔徑縮小了。

表4-4 S15COOH2-CaO的氧化鈣總重量百分比之分析

Samples CaO (wt.%)

S15COOH2-CaO-1 6.7 S15COOH2-CaO-2 8.1

圖4-16 不同載量的 S15COOH2-CaO 之 Small-angle XRD 圖

以 離 子 交 換 法 製 備 的 S15COOH2-CaO ， 利 用 XRD 鑑 定 經 過 鍛 燒 後 的

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S15COOH2-CaO之結晶形態，圖4-17為經過鍛燒後不同載量的S15COOH2-CaO 的X光繞射光譜，可以發現較低載量的中孔洞氧化矽並未出現氧化鈣的繞射峰，

其原因可能為晶粒太小XRD無法偵測 (一般 XRD 偵測晶粒大小的極限，最小 顆，表示氧化鈣侷限於中孔洞氧化矽孔道中，形成奈米級的氧化鈣。當載量提 高時，可以看到X光繞射光譜出現在28°、32°、46°有三個寬的繞射峰，其分別 為Ca(OH)₂的(100)、CaO的(111)、Ca(OH)₂的(012)，表示鈣離子濃度較高時，氧 化鈣載量會增加，但負電荷吸附鈣離子的量有一上限，當負電荷不再吸附鈣離 子時，過多的鈣離子則會沉積於中孔洞氧化矽表面，故有較多大顆的氧化鈣在 中孔洞氧化矽表面，而XRD圖即出現明顯的繞射峰。

圖 4-17 不同載量的 S15COOH2-CaO 之 Large-angle XRD 圖

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(a)

(b)

圖4-18 不同載量的 S15COOH2-CaO 之 (a)氣等溫吸附/脫附曲線圖；(b)孔徑大 小分佈圖

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表4-5 不同載量的S15COOH2-CaO之孔洞性質分析

Samples Surface Area (m²/g) Pore Volume (cm³/g) Pore Size (nm)

S15COOH2-CaO-1 450.034 0.502 5.499

S15COOH2-CaO-2 395.306 0.424 4.803

圖4-18(a)為不同氧化鈣載量之中孔洞氧化矽 S15COOH2-CaO 之氮氣等溫吸 附/脫附曲線圖，發現負載不同含量氧化鈣的中孔洞氧化矽 SBA-15 其遲滯曲線 TEM 圖。4-20(a) S15-CaO-2 可以看到有許多氧化鈣聚集於中孔洞氧化矽的外部，

而 4-20(b)則分散於中孔洞氧化矽內部。由上述結果，說明利用含浸法合成樣品 時，S15-CaO 之氧化鈣較不易進入孔洞內部，而利用離子交換法則可以利用負 電荷將氧化鈣更有效的引入孔洞內，使氧化鈣局限於中孔洞氧化矽中。

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(a)

(b)

圖4-19 (a)S15-CaO-2；(b)S15COOH2-CaO-1 之 SEM 圖

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圖 4-20 (a)S15-CaO-2；(b)S15COOH2-CaO-1 之 TEM 圖

4.4 含氧化鈣之中孔洞氧化矽複合材料對二氧化碳吸附之研究