第五章 結果與討論
5.4 MFI_Dry-gel 高方向性 b 軸向之沸石薄膜
本實驗室黃琳意學姊論文中，所研究是一種連續性且具有方向性的 沸石膜二次成長方式，先進行晶體的貼合至金屬基材上，之後再利用結 構導向劑TPAOH 來經過氣相轉換法方式，藉由二次成長法生成晶體所黏 合且大面積無缺陷之 MFI 薄膜。實驗中 TPAOH 會水解方向性沸石，再 重新聚合生長成緻密連續薄膜，藉以調整TPAOH 濃度、蒸液的水量、反 應時間等實驗參數加以討論。吾人在製程上有稍作更改，利用手指來回 塗佈的方式重複塗抹，促使沸石晶體在黏貼金屬基材上能排列得更整齊 更緊密，也可以將塗佈晶體的層數降低至單層的 b 軸向沸石晶體厚度，
因此將沸石晶體堆疊的厚度排列至單層的200 nm 單顆晶體厚度；單層膜 經過浸鍍TPAOH 結構導向劑後，放進反應之鐵氟龍瓶中底部添加適量水 量進行二次成長法。
吾人在命名樣品的方式為bMFI_Tc_Zw (T 為反應溫度，Z 為添加水 量)確定合成薄膜材料的方向性，因此以 X-ray 繞射圖鑑定是否為 b 軸取 向之沸石膜，(圖 5-39、圖 5-40) 從 XRD 圖中可以顯示出，b 軸向的結 晶面分別為 (020)、(040)、(060)、(080) 以及 (0100)，角度為 8.76°、
17.68°、26.72°、35.94°以及 45.4°；在無水的條件下可觀察結晶度並不會 有太大的影響，薄膜皆為b 軸向之結晶性。
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Intensity (arb. units)
2 theta (o)
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圖5-40 鋁合金與不同反應溫度合成 bMFI_0.01w 單層薄膜之 XRD 圖
圖5-41 經過細拋之鋁合金 AA-6061 之 SEM 圖
圖 5-42 於鋁合金表面塗佈 bMFI 晶體，bMFI-NR 之 SEM 圖
10 20 30 40 50
Intensity (arb. units)
2 theta (o)
bMFI_180c_0.01w bMFI_170c_0.01w bMFI_160c_0.01w bMFI_150c_0.01w AA-6061 (020)
(040)
(060) (080) (0100)
(a) (b)
(a) (b)
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圖5-43 於鋁合金表面合成 bMFI-150C_0w 膜之 SEM 圖
(a) (b)
(a) (b)
(c) (d)
(c) (d)
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圖5-44 於鋁合金表面合成 bMFI-160C_0w 膜之 SEM 圖
圖5-45 於鋁合金表面合成 bMFI-170C_0w 膜之 SEM 圖
(a) (b)
(a) (b)
(c) (d)
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圖5-46 於鋁合金表面合成 bMFI-180C_0w 膜之 SEM 圖
圖5-47 於鋁合金表面合成 bMFI-150C_0.01w 膜之 SEM 圖
(a) (b)
(c) (d)
(c) (d)
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圖5-48 於鋁合金表面合成 bMFI-160C_0.01w 膜之 SEM 圖
(a) (b)
(a) (b)
(c) (d)
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圖5-49 於鋁合金表面合成 bMFI-170C_0.01w 膜之 SEM 圖
圖5-50 於鋁合金表面合成 bMFI-180C_0.01w 膜之 SEM 圖
(a) (b)
(c) (d)
(c) (d)
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圖5-51 在 0.01ml 水量的情況下，不同反應溫度合成 bMFI 單層薄膜之 AFM 圖
(a) AA-6061; (b) bMFI-150C-0.01w; (c)bMFI-160C-0.01w;
(d) bMFI-170C-0.01w; (e) bMFI-180C-0.01w (c)
(d)
(a)
(b)
(e)
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表5-13 在 0.01ml 水量的情況下，不同反應溫度合成 bMFI 單層薄膜之 AFM 數據表
Max(nm) Min(nm) Rpv(nm) Ra(nm) bMFI-150 c-0.01w 199.87 56.73 256.6 28.7 bMFI-160 c-0.01w 174.29 117.77 292.06 15.58 bMFI-170 c-0.01w 119.29 61.43 180.71 14.8 bMFI-180 c-0.01w 111.44 46.55 157.98 12.16
利用電化學分析討論薄膜於 3 wt%鹽水的抗腐蝕效果，於無添加水 量之沸石薄膜進行tafel 分析，探討溫度效應之影響，吾人溫度範圍設定 為150˚C ~ 180˚C ，從 Tafel 數據(圖 5-52、表 5-14)可以觀察溫度較低時，
電位(Ecorr)偏低，電流值也與純鋁基材差異不大，應該是反應溫度較不足 以讓晶粒進行黏合反應，隨反應溫度上升至180˚C，可以發現電位會逐漸 偏向正值，電流密度值也從10-4.22 A/cm2下降至 10-5.97 A/cm2，證明提升反 應溫度有助於形成連續膜；因此，嘗試添加瓶內水量方式增加薄膜的黏 合效果，添加為0.01ml 水量於鐵氟龍瓶內進行熱處理反應，可以經由電 化學分析觀察得知不同溫度的差異性，溫度由 150˚C 時腐蝕電位與裸鋁 將近於-1.48 V/SCE，反應溫度升高至 170˚C、180˚C 後有明顯上升，為-1.03 V/SCE、-0.88 V/SCE，電流密度也由原來的 10-3.89 A/cm2下降至 10
-7.34 A/cm2以及10-8.13 A/cm2，效果提升了四個數量級，抗腐蝕效果有明顯 的提升。
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圖5-52 鋁合金與不同反應溫度(無水)合成 bMFI 單層薄膜之 Tafel 圖 表5-14 鋁合金與不同反應溫度(無水)合成 bMFI 單層薄膜之電化學性質
Sample Cathode slope
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圖5-53 鋁合金與不同反應溫度合成 bMFI_0.01w 單層薄膜之 Tafel 圖 表5-15 鋁合金與不同反應溫度合成 bMFI_0.01w 單層薄膜電化學性質
Sample Cathode slope
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根據上列的實驗數據以及電化學分析，了解提升溫度有助於晶體黏 合與抗腐蝕能力提升，藉用 EIS 分析得以探薄膜的性質。於鐵氟龍瓶內 添加 0.01ml 水量進行反應，Nyquist 圖譜 (圖 5-54) 可以表示 150˚C 時，
bMFI 晶體未黏合完全所以導致阻抗電阻只有 9 x103Ω cm2，隨溫度升高 至170、180 ˚C 促使黏合效果較佳，總阻抗電阻提升至 1 x105、4 x106 Ω cm2，顯示bMFI 晶體黏合後，就可產生阻抗值較高，隔絕能力強的超薄 抗腐蝕膜。再觀察Bode 圖譜 (圖 5-55、表 5-16) 時，可以了解塗佈 bMFI 粉體後，反應 150˚C 下雖黏合效果未完全，相位峰仍會偏移至中頻區，
表示溶液中電子傳遞還是需要通過 MFI 晶體層而產生阻抗，反應 160˚C 下的bMFI 膜相位又比 150˚C 的峰值更偏向低頻，而當溫度上升，相位角 橫跨頻率也會越寬，電容值越大，阻抗電阻也隨之增加，表中顯示溫度上 升 Rc 與 Ri 值也逐漸提升，於 180˚C，Rc 與 Ri 值增加為 5.3 x104與 5.4 x106 Ω cm2。
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圖5-55 鋁合金與不同反應溫度合成 bMFI_0.01w 單層薄膜之 EIS 圖 表5-16 鋁合金與不同反應溫度合成 bMFI_0.01w 單層薄膜之 EIS 阻抗
分析表
Electrolyte MFI Zeolite Film Interfacial Layer Rs
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