奈米能源材料合成應用實驗 - 逢甲大學材料系.DOC

奈米能源材料合成應用實驗 Experiments on Syntheses and Applications of Energy Nano-Materials 功能性氧化物實驗室 實驗背景 奈米顆粒的尺寸小於100 nm，具有許多性質與其原來的塊材（bulk material）截然不同，因此吸引了許多在光、電、磁及結構方面的研究，包括在形成結晶薄膜，奈米複合材料或是奈米相材料（nanophase materials）等。奈米顆粒的型態包含奈米團簇（nano-clusters）、層狀、管狀以及自我排列（self-assembled）等，由於各具有特殊的性質，可應用於奈米結構材料或元件，如量子點、螢光材料、氣體感知器、變阻器（varistor）、導電及電容薄膜、高溫超導以及熱、光、電材料等。奈米顆粒在過去十年來吸引了大批的研究人員的高度興趣，使得”nanoparticle”成為在1990年代以後取代奈米級顆粒（nanoscaled or nanosized particles）最常使用的專有名詞。由於奈米顆粒大小介於分子與塊材之間，相對於原材料的塊材結構具有極為不同的特性，至今仍有許多性質並無法完全理解，因此也創造了許多理論解釋的挑戰。許多例子包括較低的熔點[1]，鐵電相變溫度的降低（ferroelectric phase transition temperature）[2]，較高的自擴散係數（self-diffusion coefficient）[3]，熱物理性質以及觸媒催化作用的改變等。 奈米顆粒或粉體的合成方法有氣凝合成法、雷射、電子束或電漿氣相沉積法、溶膠–凝膠法（sol-gel method）、機械合金法、分子束磊晶法（molecular beam epitaxy method）、液態急冷凝固法、反應濺射法、以及電化學沉積法等[4,5]。其奈米粉體的晶粒大小、形狀及結構會隨著不同的合成方法和控制條件而改變，其中氣相合成技術為目前最主要之合成技術之一。其原理是利用氣相中的原子或分子處於過飽和狀態，開始成核析出固相或液相。倘若由氣相中進行均質成核，控制其冷卻速率或反應氣氛，則可成長為純金屬、陶瓷或複合材料的奈米粉體；若在固態基板上緩慢冷卻的異質成核成長，則可長成薄膜、鬚晶或管狀等奈米級材料。氣相沈積製程中，奈米顆粒經歷成核、成長及凝集等現象，溫度及反應氣氛將是其中最大的影響因素。溫度昇高時，游離粒子的濃度增加，蒸氣壓因而增加，碰撞的頻率也增加，可直接造就粒子的大小；而載送氣體分子與蒸發粒子間的交互作用，則影響粒子成長的速度。反應時間及冷卻速率直接控制了粒子的穩定性及不再成長的機制，也關係到最終奈米材料的大小與型態（morphology），因此這四個因素是氣相合成法中最重要的控制因子。 就探討非低壓的氣膠製程（aerosol process），氣相合成法擁有其他製程方式所沒有的優點[6]：(1) 既使液相的純度極高，氣相合成法通常所製備出的粉末較液相合成法所得的純度來得高；尤其在應用於需要純度較高的半導體製程方面，液相通常較難避免有其他礦物雜質的存在，至今為了避免此不純物的影響，多半在真空或氣相系統中進行；(2) 氣相合成法具有製造複雜化學結構的潛力，尤其在需要製造多種成分的材料中特別有用。如高溫超導[7]；(3) 就氣相合成法而言，其製程與生成物的控制較為成熟且容易，例如：顆粒的大小，結晶的程度（crystallinity），形成團聚（agglomeration）的程度，孔隙率，化學均勻性（homogeneity），計量比（stoichiometry）等性質，都可以藉由控制製程的變數，或其他如燒結等外加的步驟，較容易地控制；(4) 就一個非低壓的系統而言，氣相合成法提供一種相對於需要真空系統較便宜的薄膜或厚膜製程方式[8]；此外，沈積的產率相較於真空系統也高出甚多，具有大量生產的潛力；(5) 每顆液滴扮演一個相當小的反應者（reactor），生成後的相即停留於顆粒內，對於其內部的化學偏析可以降到最低[7]；(6) 由氣相合成顆粒的方式通常為連續的製程，而液相合成或研磨製程多半是以批次的形式進行，批次製程多半會造成每一批所得的性質或多或少有些差異， 本實驗課程之目的在使學生瞭解奈米氧化物粉體之製程、其能源應用特性以及特性檢測技術，實驗分為兩大主題，第一部份為奈米氧化物電化學超級電容器實驗，第二部分為固態氧化物燃料電池原理實驗。課程內容包括奈米晶氧化物噴霧熱解製程實驗、電泳沈積實驗，由製程進行能源應用之電化學電容器與燃料電池電解質特性量測與分析，使學生更加瞭解材料製程與特性之關連性。 第一單元 噴霧熱解/靜電沈積製程 功能性氧化物實驗室 一、實驗目的： 噴霧熱解（spray pyrolysis）相較於其他製程，具有可在常壓下