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探讨二氧化钛应用于电触媒的氢氧自由基产率与其奈米化特性
探討二氧化鈦應用於電觸媒的氫氧自由基產率與其奈米化特性
章日行1 唐政宏2 沈善鎰2
1私立朝陽科技大學環境工程與管理學系副教授(台中縣)
2私立朝陽科技大學環境工程與管理學系研究生(台中縣)
NSC 95-2221-E-324-014
摘要
觸媒系統應用於空氣與廢水整治已有相當的成效,其主要的機制為提供足夠的能量給予觸媒材料時,藉由電子的躍遷進而產生氫氧自由基(hydroxyl radical),而氫氧自由基即為去除有機污染物的重要物質。眾多觸媒材料之中仍以TiO2因具有強大的氧化還原能力、化學穩定度高及無毒的特性,最常被用來作為觸媒的基本材料,觸媒奈米化的特性是決定未來應用的重要關鍵;而觸媒材料的氫氧自由基產率亦是環境工程應用的重要參數,因此,本研究針對二氧化鈦在電觸媒應用下的氫氧自由基產率與其奈米化的製備、特性進行試驗與探討。
本研究氫氧自由基的試驗以外加電壓為操作參數,並利用已知濃度的丙醇作為氫氧自由基的捕捉劑,最後再利用高效能液相層析儀(HPLC)定量分析氫氧自由基的產率,結果發現,其與所施加之操作電壓梯度成正相關,且其產率比一般Fenton法為高。利用濃膠凝膠法中的迴流濃膠的方式來製備粉末,先以100℃低溫乾燥之後,再進行鍛燒。利用場發射掃描式電子顯微鏡(FE-SEM)、比表面積分析儀(BET)與X光繞射分析儀(XRD)來進行材料奈米化的驗證及其特性分析。經由實驗結果發現,迴流加熱時間2小時,鍛燒溫度由200℃上升到500℃,總時間為2小時,可得到較均勻的奈米尺度粉末的銳鈦礦二氧化鈦結晶,其平均直徑約20 nm,比表面積約108 m2/g。
關鍵詞:電觸媒、氫氧自由基、二氧化鈦、濃膠凝膠法、奈米尺度
一、前言及研究目的
半導體複合材料是近幾年來被認為最具有淨化環境潛力的觸媒材料,例如二氧化鈦(TiO2)、氧化鋯 (ZrO2)、氧化鋅 (ZnO) 、硫化鉻 (CdS)等,皆可作為觸媒材料。而不同半導體材料的能隙 (band gap) 結構皆不同,不同的結構特性將影響材料的觸媒反應。一般而言,能隙較大的半導體材料有著較高之反應活性,但同時需要較高的能量予以激發,反之,能隙小者,所激發的電子與電洞對 (electron-electron hole pair)易再結合使得反應活性降低。在眾多半導體材料中,由於二氧化鈦具有較大的能隙結構 (約3.2 eV) 與化學穩定性等,因此受到廣泛使用,其應用範圍包含淨化水質,醫療及廢棄物處理等領域。環境工程應用上,觸媒材料多被使用於光催化反應降解污染物,直接應用於電解廢水(電觸媒)亦是具潛力之新穎技術。
為了提升催化的效率,將觸媒材料奈米化可能是最直接有效的方法,當材料尺寸微小至奈米尺寸時,由於小尺寸、表面及量子化效應的產生,半導體材料的比表面積增加、表面活性提高及能隙擴大,應可大幅提升觸媒材料之反應活性 [1]。
奈米級二氧化鈦製備的方法包括有:溶膠凝膠法 (Sol-Gel) 、含浸法(Impregnation Method)、化學氣相沈積法(Chemical Vapor Deposition;CVD)、濺射(Sputtering)、金屬熱氧化(Thermal Oxidation Of The Metal)等方法,其中,由於Sol-Gel 製備方法簡單便宜的特性,使其受到重視。溶膠凝膠法(Sol-Gel)主要是利用高純度的鈦原料與一些特定的溶劑以及酸觸媒進行水解與縮合反應,而得到溶膠態溶液,之後再進行脫水乾燥,則可得到凝膠態溶液。利用此方法可以製備出高均勻相且粒徑尺寸細小的觸媒,且可再利用不同的後續處理,得到薄膜與塊材等各種不同型態的產物。此方法主要特點是可在低溫下進行製程,且可以使用高純度的前驅物確保樣品的高純度特性,有較大之表面積,膜厚均勻性比含浸法較佳,附著能力也較好,最主要的部份是比化學氣相沈積法、濺射有較低成本的特性。Ivanda et al [2] 以Ti(OC3H7)4 為主要來源,經由 Sol-Gel 法製得TiO2,在適當的鍛燒溫度下,能得到較高的比表面積。Sunajadevi [3]利用Sol-Gel法製備二氧化鈦,得到微細的粉末與所有樣品皆為銳鈦礦結構之二氧化鈦。Hu et al. [4] 以 TiCl4 為主要原料,製備二氧化鈦實驗結果顯示,粒徑大小達奈米級尺寸,且晶相類型為銳鈦礦結構。Lei et al [5] 在 Sol-Gel 過程中製備出 TiO2 薄膜,對於降解甲基橙水溶液有不錯的成效。因此,本實驗以溶膠凝膠法製備奈米二氧化鈦,冀能製備出高均勻性且粒徑細小的粉末。
理論上,電觸媒可產生具有高氧化能力與不會造成二次污染的氫氧自由基,其反應原理類似光觸媒技術。近年來,許多學者針對各種高級氧化技術的氫氧自由基產生機制與產率進行研究,例如以傳統Fen
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