行政院國家科學委員會專題研究計畫 期末報告
直接電化學還原法測定碳黑碘吸附值與其自動化量測系統
的研究與開發
計 畫 類 別 ： 個別型 計 畫 編 號 ： NSC 100-2221-E-151-045- 執 行 期 間 ： 100 年 08 月 01 日至 101 年 10 月 31 日 執 行 單 位 ： 國立高雄應用科技大學化學工程與材料工程系 計 畫 主 持 人 ： 卓錦江 公 開 資 訊 ： 本計畫可公開查詢 中 華 民 國 101 年 09 月 30 日中 文 摘 要 ： 本研究有系統地以電化學法分析各種商業碳黑，分別利用碘 還原法和循環伏安法(Cyclic voltammetry, CV)測定碳黑碘 吸附值(Iodine adsorption number, IN)和碳黑的電雙層電 荷量(Q)。碘還原法是使用離心法將碳黑沉積於管底，再運用 電化學法直接還原碳黑上吸附碘，由碘的還原電量來計算 IN，結果顯示 IN 值和 Brunauer-Emmett-Teller (BET)法所 測得的表面積(SBET)有極佳的線性關係(R2=0.996)。本研究 並探討利用以碳黑樣品電雙層電荷量(Q)來估算碳黑的比表面 積，針對薄膜碳黑電極的 Q 值的測量容易受到以下因素的影 響：碳黑表面的官能基、製作電極時黏著劑的添加和碳黑孔 洞中阻塞的氣體，進一步設計未添加黏著劑的三明治式碳黑 薄膜電極，探討這些因素的影響，求得量測準確的 Q 的最佳 測定條件。研究結果發現，利用外插法得到碳黑表面完全充 放電之 Q 值(Q0)，與樣品的總比表面積 SBET 有很好的線性關 係，其 R2 值達 0.993；另外，碳黑微孔表面積(Sμ)則與其 未充足的電量(Q0-Q)呈正相關，在掃描速率為 5 mV s-1 時， 其未充足的電量(Q0 - Q5)與微孔表面積(< 2 nm)呈現一非常 好的線性關係，R2 值高達 0.998。由本研究所得到之關係 式，作為設計的電化學分析儀器的計算根據，配合恆電位儀 及創新的三明治式碳黑薄膜電極電極設計，可快速且準確的 分析得到碳黑樣品的 IN，SBET 和 Sμ 值。 中文關鍵詞： 碳黑、比表面積、碘吸附值、循環伏安法、電雙層 英 文 摘 要 ： 英文關鍵詞：
行政院國家科學委員會補助專題研究計畫
■成果報告
□期中進度報告
直接電化學還原法測定碳黑碘吸附值與其自動
化量測系統的研究與開發
Development of a novel electrochemical
determination method and an automated apparatus
for the measurement of the iodine adsorption
number of carbon blacks
國科會計畫編號：100-2221-E-151-045-
執行期限：100 年 08 月 01 日至 101 年 10 月 31 日
計畫主持人：卓錦江
受委託機關(構)：國立高雄應用科技大學化學工程與材料工程系
聯絡電話：(07) 3814526-5109
E-mail address：jjjow@cc.kuas.edu.tw
報告日期：中華民國 101 年 10 月 31 日
直接電化學還原法測定碳黑碘吸附值與其自動化量測系統的研究與開發
Development of a novel electrochemical determination method and an automated apparatus for the measurement of the iodine adsorption
number of carbon blacks 摘要
本研究有系統地以電化學法分析各種商業碳黑，分別利用碘還原法 和 循 環 伏 安 法 (Cyclic voltammetry, CV) 測 定 碳 黑 碘 吸 附 值 (Iodine adsorption number, IN)和碳黑的電雙層電荷量(Q)。碘還原法是使用離心法 將碳黑沉積於管底，再運用電化學法直接還原碳黑上吸附碘，由碘的還 原電量來計算 IN，結果顯示 IN值和 Brunauer-Emmett-Teller (BET)法所測 得的表面積(SBET)有極佳的線性關係(R2=0.996)。本研究並探討利用以碳 黑樣品電雙層電荷量(Q)來估算碳黑的比表面積，針對薄膜碳黑電極的 Q 值的測量容易受到以下因素的影響：碳黑表面的官能基、製作電極時黏 著劑的添加和碳黑孔洞中阻塞的氣體，進一步設計未添加黏著劑的三明 治式碳黑薄膜電極，探討這些因素的影響，求得量測準確的 Q 的最佳測 定條件。研究結果發現，利用外插法得到碳黑表面完全充放電之 Q 值(Q0)， 與樣品的總比表面積 SBET有很好的線性關係，其 R 2 值達 0.993；另外，碳 黑微孔表面積(Sμ)則與其未充足的電量(Q0-Q)呈正相關，在掃描速率為 5 mV s-1時，其未充足的電量(Q0 - Q5)與微孔表面積(< 2 nm)呈現一非常好的 線性關係，R2 值高達 0.998。由本研究所得到之關係式，作為設計的電化 學分析儀器的計算根據，配合恆電位儀及創新的三明治式碳黑薄膜電極 電極設計，可快速且準確的分析得到碳黑樣品的 IN，SBET和 Sμ值。 關鍵字： 碳黑、比表面積、碘吸附值、循環伏安法、電雙層。 一、前言 碳黑(Carbon black)，是在空氣不足 的情況下燃燒碳氫化合物得到極細微 碳黑粉，經與廢氣分離後得到之純黑粉 末。碳黑的等級分類，通常依製造方 法、特性及應用而定。而應用上主要分 為：橡膠及塑膠製品的添加物、塗料、 油墨產品、以及其他化學之領域，如防 靜電塗層級及電池之電極等[1-5]。 碳黑的結構複雜，其基本特性主要 有比表面積、粒徑、構造和表面氧化官 能基等。商業上對碳黑比表面積的檢測 通常使用傳統碘滴定法的碳黑碘吸附 值和Brunauer-Emmett-Teller (BET) 法 [1,6-14]。傳統碳黑碘滴定是以一定量的
碳黑能吸附的碘量值(mg I2 /g C)，因 此，碳黑碘吸附值是用來判定碳黑吸附 能力的指標。目前，業界所使用的分析 條 件 因 不 同 國 家 的 規 定 而 有 些 許 差 異 ， 例 如 ： ASTMD1510 ( 美 國 ) 、 JISK1474 (日本)和GB/T7702 (中華人民 共和國)。而最廣泛使用的檢測方法是 根據ASTMD1510來進行檢測，但此滴 定法有些操作技術上的問題，例如：滴 定 終 點 的 判 讀 需 要 有 經 驗 的 技 術 人 員、標準碘溶液及硫代硫酸鈉滴定試劑 的 配 置 和 濃 度 的 定 期 校 正 都 相 當 繁 瑣，需要支出相當高的人工成本；BET 法則需要花費長時間去除氣及達到吸 脫附平衡。因此以電化學還原法的方式 來 計 算 碳 黑 碘 吸 附 值 (Iodine adsorption number, IN)和 循環 伏安 法 (Cyclic voltammetry, CV)來計算Q值可 解決上述問題。 碳黑是一導電的材料，因此可將碘 吸附至碳黑上，用電化學還原法直接分 析碳黑上的碘含量；碳黑除了是導電材 外，碳黑能夠快速吸附碘，其強吸附力 大於凡德瓦吸附力[8,15]。因此，碳黑 的IN值利用直接陰極還原法此一技術 是可行的，而本實驗室先利用電化學還 原法進行對碳黑比表面積的測定，並有 了初步的結果[16,17]。為了更簡化量測 方式，又使用CV法或定電位法來量測 電化學電荷量(Q)，根據文獻，Q值與用 BET法得到的比表面積(SBET)有明顯的 正相關[18,19]，且相對於SBET和傳統碳 黑碘滴定法，在液相量測Q值較為簡 單。理論上，Q值應隨著碳黑的SBET值 增加而呈線性增加，因此用來測量碳黑 的比表面積是可靠且實用的方法。然 而，有些因素會影響測量Q值的準確 性，例如：在電化學測試下，碳黑表面 上官能基會產生氧化還原反應[20-22] 及 用 來 形 成 碳 黑 薄 膜 電 極 的 黏 著 劑 (binder)會降低Q值[23]等，皆會影響Q 值的量測。此外，碳黑孔洞中形成的電 雙層在不同的充放電速率下也會受到 掃描速率的限制，並導致Q值的誤差， 但理想的量測Q值的條件仍未清楚了 解。 本研究對商業碳黑的Q值及其與碳 黑 樣 品 表 面 積 的 關 係 進 行 有 系 統 研 究，設計一創新的三明治式碳黑薄膜 電極，以更快且便利的方式得到準確的 IN值和Q值，並探討Q值和IN值與樣品的 總比表面積SBET的線性關係，及碳黑微 孔表面積(Sμ)及Q值的關係；並據以設 計自動化分析儀器的模組，提供業界使 用。 二、實驗方法 本 研 究 所 使 用 之 基 材 為 鈦 片 (Aldrich)，實驗樣品是各種商業碳黑。 2.1. 碘溶液配置 秤量 58 g 的 KI 加入 1 L 的去離子 水中以配置 KI 溶液，並秤取約 6.1 g 的 I2加入 KI 溶液，靜置過夜。 2.2. 工作電極的製作 2.2.1. 離心法製備碳黑電極進行碘吸附 值分析 將約 10 mg 的碳黑置於尖底試管， 根據 ASTMD1510 的操作說明，不同比 表面積的碳黑添加不同量的標準碘溶 液，混合物經超音波震盪器混和震盪， 使碳黑可快速吸附碘並達飽和，利用離 心機使其溶液與碳黑分離，使用滴管吸 取上層液後，加入 0.5 M 硫酸水溶液作 為電解液，已成為緻密沉積層的碳黑作 為工作電極(陰極)。 2.2.2. 碳黑薄膜三明治電極
將約 25 mg 的碳黑置入連接抽氣幫 浦(APEX VC-701)的錐形瓶中，經過 10 min 的抽氣處理後，將 10 ml 的 0.01 M 硫酸水溶液經由過濾瓶上方的橡膠管 通入錐形瓶中，將碳黑混合物超音波震 盪 1 分鐘後，離心 10 分鐘以分離出碳 黑，接著將上層液用排液管移除，即可 得到漿狀的碳黑。 圖 1 為三明治電極的製作順序：先 利用膠帶固定電極的面積，其面積大小 為 1.5×1.5 cm2；將適量的碳黑置於鈦片 上，利用刮刀法將碳黑塗抹於鈦片上； 除去黏貼的膠帶；得到 1.5×1.5 cm2的薄 膜碳黑；將不鏽鋼網(SUS316, 400 mesh) 覆蓋在薄膜碳黑上；使用鐵氟龍膠帶固 定碳黑和不鏽鋼網，最後得到一未使用 黏著劑的碳黑薄膜三明治電極作為工 作電極。此一形式的電極可使碳黑完全 接觸到電解液，以得到準確的 Q 值。 2.4. 電化學性質之測試 本 研 究 採 用 三 極 式 的 電 解 槽 系 統 ， 所 使 用 之 電 化 學 測 試 裝 置 為 Autolab/PGSTAT30 ( 定 電 位 / 定 電 流 儀)；其中，所使用之參考電極為飽和 甘汞電極(SCE)，對應電極為白金絲。 實驗中工作電極與參考電極保持在約 1 mm 的距離，以降低電解質中歐姆電阻 的影響。電解液為 0.01 M 硫酸水溶液。 三、結果與討論 3.1. 電化學還原法測定 IN 電化學反應進行時，觀察電流變化 可得知電極表面物質之反應物的消耗 速率，因此將電流(I)與時間(s)積分便可 得知碘之還原電量，經由如下計算公式 可得碘之吸附量。 96485 N E W Q W Q I B B S S (2-1) 圖 4 為碳黑電極於碘溶液中還原之 極化曲線，碳黑電極於碘溶液中之平衡 電位約為 0.28 V (vs. SCE)，施加正偏壓 時，碳黑薄膜電極所吸附的 I2/I3 -將會 進行氧化反應，施加負偏壓時，碳黑薄 膜電極所吸附的 I2或 I3-將會進行還原 反應。而碘還原的極化曲線就如圖 2 所 示，實驗結果顯示碳黑薄膜電極電位約 低於 0.28 V (vs. SCE)時，便開始將碳黑 表面吸附的 I2/I3 -還原成 I -。為了達到 快速分析的目的，本實驗將還原電位設 定為 0 V (vs. SCE)。 圖 3 為碳黑薄膜電極吸附碘之定電 位還原電流-時間曲線，圖中顯示各種 碳黑之碘吸附值分析。以圖 3(a)為例， 圖中虛線部分是碳黑薄膜電極於 H2SO4 溶液中的還原電流曲線，此還原電流為 碳黑表面的官能基及電雙層之還原電 流，將還原電流曲線對時間作積分可得 到電量(QB)，碳黑 R660 之還原電量值 約為 0.07 C，此還原電量值為碳黑碘吸 附分析的空白試驗背景值；實線部分為 吸附碘之碳黑於 H2SO4 溶液中的還原 電流曲線，此還原電流為碳黑表面孔洞 結 構 所 吸 附 碘 及 碳 黑 背 景 的 還 原 電 流，將此還原電流曲線對時間作積分可 得到電量(QS)約為 0.9776 C，將兩種還 原電量 QB和 QS代入公式(2-1)，可得到 碳黑 R660 之碘吸附值約為 126.5 mg g-1。圖 5(b) ~ (d)為碳黑 N326、N550 和 N660 的碘吸附值，分別為 138.2、45.2 和 40.5 mg g-1 。 為了探討此測量方法的再現性及 準確性，本研究對定電位還原法進行數 據偏差的分析。圖 4 為碳黑 R660 進行
多次的碘吸附值分析結果，其 IN avg.值 為 125.1 mg g-1 ，標準差(s)為 1.3 mg g-1。實驗結果顯示電化學方法分析碘吸 附值具有良好的再現性及準確性。 圖 5 為各種商業碳黑的 SBET與 IN 值的關係，此圖是碳黑經由氮氣所測得 之比表面積與碳黑的 IN 值作出的檢量 線，圖中顯示出碳黑的 SBET與 IN值有 很好的線性關係，其 R2 值達 0.996。由 此可證明 IN 值不只可作為碳黑吸附能 力的指標，也可藉由 IN值來推估碳黑的 比表面積。 3.2. CV 法測定碳黑 Q 值 為了得到測定準確 Q 值的理想條 件，本研究針對電解液 pH 值、工作電 極 的 前 處 理 和 電 極 的 製 作 作 深 入 探 討。圖 6 為碳黑表面的官能基於不同 pH 值的電解質下測量所產生的氧化還原 電位，由圖中可看到隨著 pH 值的減 少，氧化還原電位呈線性增加。此外， 碳黑表面的官能基在電化學 CV 法測量 下，容易產生氧化還原反應，而影響 Q 值的量測。故為了減少官能基產生的氧 化還原反應的影響，將掃描範圍設定為 -0.1~0.5V (電解質 pH 為 1.0，)。 為了得知碳黑孔洞表面的濕潤性 和孔洞內空氣對 Q 值的影響，實驗以碳 黑 樣 品 有 無 經 過 除 氣 過 程 (Degassing process)來進行比較探討。圖 7 為碳黑 R660 於 0.01 M H2SO4，掃描速率為 1 mV s-1 下所得到之 CV 圖，圖(a)和(b) 分別為經過和未經過除氣過程的碳黑 R660。在圖 7(a)的 CV 圖中，經除氣後 的碳黑在約第 5 圈後達到平衡；未經除 氣的碳黑在 15 圈後達到平衡。在未抽 氣的碳黑 CV 圖中出現不穩定的負偏差 電流曲線是孔洞含氧氣所造成的還原 反應。其結果顯示，經過除氣的步驟可 以避免碳黑孔洞內空氣的干擾，並在 CV 法測量下得到準確的 Q 值。 圖 8 為碳黑 R660 添加不同含量的 黏著劑(Nafion® 117)所形成的碳黑薄膜 電極在 CV 法下所測得之電荷值。電荷 值隨著 Nafion 的添加量增加而減少，此 現象是因黏著劑的添加而覆蓋住碳黑 的孔洞結構，導致 Q 值的減少。為了讓 電解液完全進入碳黑孔洞，得到正確的 碳黑 Q 值，以添加黏著劑的碳黑薄膜電 極進行分析是必須的。 圖 9 為碳黑 BP2000 和 XC72 在 0.01 M 和 1.00 M 的硫酸溶液下所測得之 Q 值，其最低操作電位由-0.1 改變到 0.4 V，再分別掃描至最大操作電位 0.5 V。 圖 9 顯示出碳黑在不同濃度電解質 0.01 M 和 1.00 M 所得之 Q 值幾乎相同，代 表碳黑在各種不同的掃描範圍下，電解 質的濃度對測量結果影響皆不大。相對 於傳統碳黑碘滴定法，碳黑對碘的吸附 量 與 碘 溶 液 的 濃 度 則 有 很 大 的 關 聯 [24,25]，於硫酸電解液中進行碳黑 Q 值 受硫酸濃度的影響度很可以忽略。 圖 10 (a)為碳黑樣本在不同掃描速 率下所得到之 CV 圖，為了得到碳黑電 極完全充放電之 Q 值(Q0)，本實驗利用 外插法至掃描速率為 0，所得數值則為 Q0值，圖中可得到碳黑 XC72 和 R660 之 Q0值分別為 14.18 和 10.82 C g -1。圖 10 (b)為碳黑 XC72 於 0.01 M 硫酸水溶 液在不同的掃描速率下所得之 CV 圖和 充放電程度(Q/Q0)數據，結果顯示出 Q 值隨著掃描速率減少而增加；掃描速率 越快，CV 圖表現出明顯的遲滯現象， 此現象是由於離子在孔洞中的移動受 到限制所造成[26,27]。 各種商業碳黑的 SBET與 Q0值的線 性關係顯示於圖 11，圖中得到兩條檢量
線，一條為 Q0大於 10 C g -1的碳黑，另 一條則為 Q0小於 10 C g -1的碳黑，其關 係式分別為：SBET = 25.12 Q0 – 131.5 (R 2 = 0.993) 和 SBET = 8.55 Q0 + 9.83 (R 2 = 0.992)。由以上結果得知，可藉由 Q0 值精確計算出碳黑的比表面積。 圖 11 中亦顯示具有高比表面積的 碳黑，其 SBET對 Q0的斜率(25.12)大於 低比表面積的斜率，此現象是由於高比 表面積的碳黑擁有較多微孔，微孔孔洞 直徑(2 nm)小於離子雙層加上有效電雙 層(包括內部的 Stern layer 和外部的擴 散層)厚度，故電解液離子在微孔孔洞 進出容易受到孔洞大小的限制[28,29]。 此外，在 CV 法測試下，碳黑樣本 在低掃描速率下得到高的 Q/Q0 值，高 Q/Q0 值是由於低掃描速率能夠讓電雙 層在微孔表面形成，而不僅僅是在碳黑 的中孔或外表面形成，因電雙層能夠在 碳黑中孔及外表面快速的形成，因此， 碳黑在低掃描速率的充放電率應該與 碳黑微孔表面積(Sμ)有關。因此，在慢 速掃描下，離子在微孔中移動所受到的 限制，即未充足的電量(Q0 -Q)，應與S μ 間有一很好的線性關係。圖 12 顯示出 當掃描速率為 5 或 6 mV s-1 時，即(Q0 - Q5) 和(Q0 –Q6)皆與Sμ有很好的線性關 係，R2值分別為 0.998 和 0.997。此結 果也證實了在低掃描速率下，碳黑的 充放電速率由微孔表面積決定，因此 (Q0 -Q)與 Sμ呈線性關係，並有很高的 R2值，其關係式：Sμ = 28.2 (Q0 –Q5) – 3.59。 3.3. 電化學自動量測系統: (a)
(b)
(c)
Fig. 1 – Design of the (a) automatic electrochemical measurement system; (b) algorithm flow chart and (c) procedure for assembling a metal foil-net sandwich-electrode with a binderless CB thin-film: (1) masking an area; (2) coating CB paste; (3) peeling the adhesive tape; (4) thin-film CB coating with 1.5x1.5 cm2; (5) adding a stainless-steel net; (6) fixing with Teflon tape; (7) the completed sandwich-electrode.
Fig. 2 - Cathodic polarization behavior of I2 adsorbed on CB. Electrode: XC72 coating
on Ti substrate. Scan rate: 3 mV s-1
Fig. 3 - Typical curves of current vs. time for the electrochemical reduction of adsorbed iodine on the CB samples: (a) R660, (b) N326, (c) N550, and (d) N660.
Fig. 4 - Variation of IN of CB R660 determined by electrochemical method.
Fig. 6 - The redox-potential of the surface functional-groups on various CB samples (▲: XC72*, ●: R660*, □: N550＃ and ▽: N660＃) in electrolytes of different pH values. Inset shows the CV curve and redox-potential of the surface functional-group (0.423 V) of XC72 CB in electrolyte of pH 2.0. * Cabot Corp., ＃China Synthetic Rubber Corp.
Fig. 7 - CVs of R660 CB in 0.01 M H2SO4 at 1 mV s-1: (a) with and (b) without
Fig. 8 - Dependence of the Q value of R660 CB on the Nafion* content. Inset are CV curves for the CB electrode with (dashed line) and without (solid line) 3% Nafion binder. The CV measurements of the CB with and without binder were carried out using a sandwich thin-film CB electrode (see Fig.1) and a dip-coated thin-film CB electrode, respectively. *(Sigma-Aldrich, Nafion®117).
Fig. 9 - The Q of BP2000 and XC72 CB corresponding to the various potential ranges measured in 0.01 (solid symbol) and 1.00 M H2SO4 (empty symbol)
electrolytes. Inset is the CVs (recorded at 1 mV s-1) of BP2000 in 0.01 M H2SO4 with high potential limit 0.5 V and low potential limit altered from -0.1
Fig. 10 - (a) The Q0 of XC72 and R660 CB obtained in 0.01 M H2SO4 electrolyte, and
(b) the CVs and Q values of XC72 obtained at scan rates of 1, 5, 10 and 20 mV s-1, denoted as Q1, Q5, Q10 and Q20, respectively.
Fig. 11 - Correlations between the SBET and Q0 values of various CB samples. Inset
shows the results for CB samples with a SBET less than 100 m2 g-1 (empty
Fig. 12 - (a) Plots of Sμ vs. (Q0-Q5) and (Q0-Q6); (b) the R2 of the linear relation
between the Sμ and (Q0-QN) of the CB samples.
四、結論 本研究利用簡單、便宜、對環境污 染小的方法來進行對碳黑表面積的分 析探討，分別利用離心法及未添加黏著 劑的三明治式碳黑薄膜電極作為工作 電極，進行電化學還原及 CV 法分析。 相對於一般滴定法，本方法不需藉由還 原劑(硫代硫酸鈉)與指示劑(澱粉)判 定滴定終點，可避免標準滴定液之配 置、保存、滴定步驟及判斷溶液滴定終 點其顏色變化的困擾，具有快速分析及 減低廢液的環保效果。實驗結果顯示: 1. 電化學還原法分析藉由碳黑的碘 吸附含量來進行對碘還原所得到 之還原電量，計算出 IN值，並進一 步推算出碳黑的比表面積。結果顯 示其偏差值小，且相對誤差低於
6%，具有相當好的準確性。 2. 電化學 CV 法則是藉由 Q 值來推算 出碳黑的比表面積，結果顯示 SBET 與 Q0值有很好的線性關係，R 2 值 為 0.993；此外，Sμ與(Q0-Q5)亦有 很好的線性關係，R2值為 0.998。 因此利用此方法可準確的得到碳 黑的 SBET比表面積。 3. 與傳 統的 SBET和碳黑碘吸附測量 相比較， IN和Q值 的量測 則較簡 單，減少人力和試劑的浪費，導致 成本低且能夠快速操作。 總之，本研究的結果，可以據以設 計自動化分析儀器及相關運算模組，更 快且便利的方式得到準確的IN值和Q 值，並估算樣品的總比表面積SBET及微 孔表面積Sμ，供業界使用。 五、自我評比 1. 本文有系統的找出適當的操作 條 件，利用電化學還原法量測 IN值和 CV 法，實驗結果顯示 SBET與 IN和 Q 值有很好的線性關係，皆有很高 的 R2值，分別為 0.996 和 0.993， 可準確計算出碳黑的總比表面積值 SBET及微孔表面積Sμ。 2. 本實驗已達成預期的成果，其中初 步 的 實 驗 結 果 已 發 表 於 Electrochemistry Communications； 另外部份亦正整理準備發表於相關 六、參考文獻
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[29] J. Huang, R. Qiao, B.G. Sumpter, V. Meunier, J. Mater. Res. 25 (2010) 1469-1475.
國科會補助計畫衍生研發成果推廣資料表
日期:2012/07/27國科會補助計畫
計畫名稱: 直接電化學還原法測定碳黑碘吸附值與其自動化量測系統的研究與開發 計畫主持人: 卓錦江 計畫編號: 100-2221-E-151-045- 學門領域: 電化學無研發成果推廣資料
100 年度專題研究計畫研究成果彙整表
計畫主持人：卓錦江 計畫編號： 100-2221-E-151-045-計畫名稱：直接電化學還原法測定碳黑碘吸附值與其自動化量測系統的研究與開發 量化 成果項目 實際已達成 數（被接受 或已發表） 預期總達成 數(含實際已 達成數) 本計畫實 際貢獻百 分比 單位 備 註 （ 質 化 說 明：如 數 個 計 畫 共 同 成 果、成 果 列 為 該 期 刊 之 封 面 故 事 ... 等） 期刊論文 0 0 100% 研究報告/技術報告 0 0 100% 研討會論文 2 2 100% 篇 論文著作 專書 0 0 100% 申請中件數 0 0 100% 專利 已獲得件數 1 1 100% 件 件數 0 0 100% 件 技術移轉 權利金 0 0 100% 千元 碩士生 2 2 100% 博士生 0 0 100% 博士後研究員 0 0 100% 國內 參與計畫人力 （本國籍） 專任助理 0 0 100% 人次 期刊論文 1 1 100% 研究報告/技術報告 0 0 100% 研討會論文 0 0 100% 篇 論文著作 專書 0 0 100% 章/本 申請中件數 0 0 100% 專利 已獲得件數 1 1 100% 件 件數 0 0 100% 件 技術移轉 權利金 0 0 100% 千元 碩士生 0 0 100% 博士生 0 0 100% 博士後研究員 0 0 100% 國外 參與計畫人力 （外國籍） 專任助理 0 0 100% 人次其他成果 (無法以量化表達之成 果如辦理學術活動、獲 得獎項、重要國際合 作、研究成果國際影響 力及其他協助產業技 術發展之具體效益事 項等，請以文字敘述填 列。) 無 成果項目 量化 名稱或內容性質簡述 測驗工具(含質性與量性) 0 課程/模組 0 電腦及網路系統或工具 0 教材 0 舉辦之活動/競賽 0 研討會/工作坊 0 電子報、網站 0 科 教 處 計 畫 加 填 項 目 計畫成果推廣之參與（閱聽）人數 0
國科會補助專題研究計畫成果報告自評表
請就研究內容與原計畫相符程度、達成預期目標情況、研究成果之學術或應用價 值（簡要敘述成果所代表之意義、價值、影響或進一步發展之可能性）、是否適 合在學術期刊發表或申請專利、主要發現或其他有關價值等，作一綜合評估。 1. 請就研究內容與原計畫相符程度、達成預期目標情況作一綜合評估 ■達成目標 □未達成目標（請說明，以 100 字為限） □實驗失敗 □因故實驗中斷 □其他原因 說明： 2. 研究成果在學術期刊發表或申請專利等情形： 論文：□已發表 □未發表之文稿 ■撰寫中 □無 專利：■已獲得 □申請中 □無 技轉：□已技轉 □洽談中 ■無 其他：（以 100 字為限） 中華民國專利名稱為「碳黑之所吸附碘量的量測方法暨其電化學量測系統」，公告號為 I357495。 3. 請依學術成就、技術創新、社會影響等方面，評估研究成果之學術或應用價 值（簡要敘述成果所代表之意義、價值、影響或進一步發展之可能性）（以 500 字為限） 碳黑是在空氣不足的情況下燃燒碳氫化合物得到極細微碳黑粉，經與廢氣分離後得到之純 黑粉末。碳黑的等級分類，通常依製造方法、特性及應用而定。碳黑廣泛應用於橡膠及塑 膠製品的添加物、塗料、油墨產品、以及其他化學之領域，如防靜電塗層級及電池之電極 等 碳黑的結構複雜，其基本特性主要有比表面積、粒徑、構造和表面氧化官能基等。商 業 上 對 碳 黑 比 表 面 積 的 檢 測 通 常 使 用 傳 統 碘 滴 定 法 的 碳 黑 碘 吸 附 值 和 Brunauer-Emmett-Teller (BET)法。傳統碳黑碘滴定是以一定量的碳黑能吸附的碘量值(mg I2 /g C)，因此，碳黑碘吸附值是用來判定碳黑吸附能力的指標。目前，業界所使用的分 析條件因不同國家的規定而有些許差異，例如：ASTMD1510 (美國)、JISK1474 (日本)和 GB/T7702 (中華人民共和國)。而最廣泛使用的檢測方法是根據 ASTMD1510 來進行檢測， 但此滴定法有些操作技術上的問題，例如：滴定終點的判讀需要有經驗的技術人員、標準 碘溶液及硫代硫酸鈉滴定試劑的配置和濃度的定期校正都相當繁瑣，需要支出相當高的人 工成本；BET 法則需要花費長時間去除氣及達到吸脫附平衡。因此以電化學還原法的方式 來計算碳黑碘吸附值和循環伏安法來計算 Q 值可解決上述問題。 本研究針對商業碳黑的 IN 值及 Q 值與碳黑樣品表面積的關係進行有系統研究，並設關係；並據以設計自動化分析儀器的模組，提供業界使用。 本研究利用簡單、便宜、對環境污染小的方法來進行對碳黑表面積的分析探討，分別 利用離心法及未添加黏著劑的三明治式碳黑薄膜電極作為工作電極，進行電化學還原及 CV 法分析。相對於一般滴定法，本方法不需藉由還原劑(硫代硫酸鈉)與指示劑(澱粉)判定滴 定終點，可避免標準滴定液之配置、保存、滴定步驟及判斷溶液滴定終點其顏色變化的困 擾，具有快速分析及減低廢液的環保效果，與傳統的 SBET 和碳黑碘吸附測量相比較，IN 和 Q 值的量測則較簡單，減少人力和試劑的浪費，導致成本低且能夠快速操作。總之，本 研究的結果，可以據以設計自動化分析儀器及相關運算模組，更快且便利的方式得到準確 的 IN 值和 Q 值，並估算樣品的總比表面積及微孔表面積，供業界使用。
