行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
奈米一維陶瓷粉體水熱法合成與特性分析
計畫類別： 個別型計畫 計畫編號： NSC92-2622-E-002-010-CC3 執行期間： 92 年 06 月 01 日至 93 年 05 月 31 日 執行單位： 國立臺灣大學化學工程學系暨研究所 計畫主持人： 呂宗昕 報告類型： 精簡報告 處理方式： 本計畫為提升產業技術及人才培育研究計畫，不提供公開查詢中 華 民 國 93 年 9 月 7 日
九十三年度 研究計畫—精簡報告 計畫名稱: 奈米一維陶瓷粉體水熱合成與特性分析 計畫編號： NSC-92-2622-A002-010-CC3 執行期間：92/06-93/5/31 計畫主持人：呂宗昕 台大化工系教授 摘要 本研究利用水熱法，製備二氧化 鈦奈米管粉體。於鹼性的環境之下， 在高溫高壓的水熱環境中，改變 TiO2 粉體粒徑時，發現當 TiO2粉體粒徑較 小時，有利於奈米 TiO2管狀粉體的生 成。經過改質的二氧化鈦粉體，由於 經過水熱處理之後，於粉體表面會出 現大量缺陷，因此在 UV-vis 吸收光譜 當中，於可見光區域會產生微量的吸 收。另外，當粉體形態由球狀改變為 管 狀 時 ， 其 比 表 面 積 會 有 大 幅 的 提 昇，因此在光觸媒活性方面，經過水 熱法改質的 TiO2奈米管狀粉體均具有 較強的光觸媒活性。 計畫緣由與目的 日本 Fujishima 等人發現 TiO2在照 射 UV 光後可分解水之後[1]，有關 TiO2 之 光 觸 媒 特 性 便 受 到 廣 泛 的 研 究 [2-4]。TiO2 主要有兩種晶相，分別為 銳 鈦 礦 相 （ anatase ） 與 金 紅 石 相 (rutile)，其中以 anatase 的光觸媒效果 較佳，故光觸媒的研究方面以 anatase 為主[5, 6]。TiO2光觸媒具有光學活性 佳、物理化學性質穩定、價格便宜以 及容易製備等優點[7, 8]。 近 年 來 因 為奈米科技的發達，於過去的研究顯 示奈米級 TiO2光觸媒具有相當優良的 光催化活性[9, 10]，經由粉體奈米化大 大增加其表面積，並提升了光催化活 性。 研究方法 本研究使用商用二氧化鈦粉體，以 水熱法在鹼性的環境中加以改質。所 得粉體以去離子水清洗數次後，經過 濾乾燥便可獲得奈米管狀 TiO2粉體。 特性分析使用 X 光繞射（XRD）來分 析粉體的晶相，而所得到的 X 光繞射 圖譜經 Debye-Scherrer’s equation 計算 可以得到粉體的平均晶粒大小。粉體 的紫外光-可見光光譜由 UV-vis 光譜 儀分析而得，其結果經過吸收度的計 算可以得到粉體能隙大小。粉體的形 態與一次粒子大小則由穿透式電子顯 微鏡（TEM）觀察而得。粉體的比表 面 積 則 由 Brunauer-Emmett-Teller (BET)氮氣吸收法測得。二氧化鈦之光 觸媒活性則經由亞甲基藍溶液降解反 應而得，根據比爾定律可推得亞甲基 藍溶液的濃度變化情形，進而比較得 知光觸媒活性之優劣。 目前之研究成果 圖一為商用粉體於的鹼源下，於 150℃下反應 12 小時所得之 XRD 結 果。其中圖一(a)、(b)分別為未經過 水熱以及經過水熱處理的 TiO2粉體。 經由所得 XRD 結果發現，商用粉體在 經過水熱處理之後，其粉體之 XRD 繞
射峰強度稍微變弱，表示經過水熱處 理所得粉體之結晶性變差。 圖二為原粉體與經過水熱處理所 得粉體之 UV-vis 結果，其中圖二(a)、 (b)分別為未處理以及經過水熱處理 之光觸媒粉體。發現三種粉體於經過 水熱處理之後，對於可見光 400nm 波 常 以 上 的 光 源 ， 其 吸 收 度 均 有 所 提 高。然而，觀察所得粉體之顏色可以 發現，在經過水熱處理之後所得的粉 體，其顏色均由原本的白色轉變為淡 黃 色 ， 且 其 淡 黃 色 的 程 度 反 應 於 UV-vis 結果上。這可能是由於粉體在 高 溫 高 壓 且 強 鹼 的 環 境 之 下 反 應 之 後，所得粉體之結構上產生了缺陷所 導致。在經過 band gap 的計算之後， 發現 TiO2粉體經水熱處理都發現能隙 變小。 圖三為於鹼源下，經過水熱反應 所得粉體之 TEM 結果。發現經過水熱 處理之後，較大的 TiO2粉體其形態除 了表面稍有溶解之外其餘並無太大的 改變，而較小的 TiO2粉體在經過水熱 反應後可獲得奈米管狀之 TiO2粉體， 但在這其中仍然有部份粉體未反應完 全。 表一為粉體於處理前和處理後之 BET 結果，其中*號代表經過水熱處理 之 sample。由此結果發現，所得粉體 在經過水熱處理之後，其 BET 比表面 積大小均有變大的趨勢。 圖四、五、六則為 A 與 B 兩種粉 體經過水熱處理之後，對亞甲基藍之 光催化活性的比較。發現經過水熱處 理的 Powder B 粉體具有較強的光觸媒 活性，在經過 20min 的照光之後便可 將亞甲基藍完全分解，推測是因為比 表面積較大導致其光觸媒活性增強。 結論 本研究已成功地使用水熱法製備 奈米管狀 anatase 二氧化鈦粉體。利 用鹼性的溶液與 TiO2混合，在水熱的 環境下將先驅物反應生成奈米管狀二 氧化鈦。粉體初始的粒徑大小對最終 的形態與大小有顯著的影響。另外， 相對於圓球狀粉體來說，管狀結構粉 體具有較高的能隙、較大的比表面積 與較佳的光觸媒活性。 參考文獻
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圖表說明 20 30 40 50 60 70 anatase rutile
(b)
(a)
powder A in te n s it y2
θ
powder B powder A powder B 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Powder A Powder B (b) (a) tra n sm itta nc e (% ) 200 300 400 500 600 700 800 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 wavelength (nm) 200 nm 200 nm(a)
(b)
Powder A
圖二 原粉體與經過水熱處理所得 粉體之 UV-vis 結果 圖一 商用粉體於鹼源下，經水熱反應 所得之 XRD 結果 200 nm 200 nm(c)
(d)
圖三 於鹼源下，經過水熱反應所得 粉體之 TEM 結果Powder A
Powder B
Powder B
表一 各系統下所得粉體之 BET 比 表面積之比較
圖四 TiO2粉體經過水熱處理之後，對
亞甲基藍之光催化活性的比較
Sample Name BET Surface Area (m2/g)
Powder A 9.868 ±0.01708 Powder B 48.14 ±0.2441 Powder A * 33.33 ±0.1183 Powder B * 117.8 ±0.8993 0 5 10 15 20 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 Ab sor b a n ce
Illumination Time (min)
