系統識別號 | U0002-0502201810010900 |
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DOI | 10.6846/TKU.2018.00137 |
論文名稱(中文) | P/Si-TiO2光觸媒厚膜的製備與特性分析 |
論文名稱(英文) | Preparation and characterization of P/Si-TiO2 photocatalytic thick films |
第三語言論文名稱 | |
校院名稱 | 淡江大學 |
系所名稱(中文) | 化學工程與材料工程學系碩士班 |
系所名稱(英文) | Department of Chemical and Materials Engineering |
外國學位學校名稱 | |
外國學位學院名稱 | |
外國學位研究所名稱 | |
學年度 | 106 |
學期 | 1 |
出版年 | 107 |
研究生(中文) | 鄭昭韋 |
研究生(英文) | Chao-Wei Cheng |
學號 | 604400266 |
學位類別 | 碩士 |
語言別 | 繁體中文 |
第二語言別 | |
口試日期 | 2018-01-16 |
論文頁數 | 99頁 |
口試委員 |
指導教授
-
余宣賦
委員 - 賴偉淇 委員 - 尹庚鳴 |
關鍵字(中) |
二氧化鈦 厚膜 光催化能力 溶膠-凝膠法製程 |
關鍵字(英) |
TiO2 thick film photocatalysis sol-gel process |
第三語言關鍵字 | |
學科別分類 | |
中文摘要 |
高光催化能力的P/Si-TiO2厚膜以溶膠-凝膠法、旋轉塗布技術和棒塗技術穩固地附著於FTO導電玻璃基材上。製備過程中,首先使用溶膠-凝膠法與旋轉塗布技術將鈦酸正四乙酯的醇溶液塗布於FTO玻璃表面以形成緻密的TiO2薄膜來作為TiO2光觸媒厚膜的基底層。接著,以煆燒後具高結晶度的凝膠衍生P/Si- TiO2奈米粉體來調配漿料,再以12 μm塗布棒將漿料塗布於基材上,所得濕膜再經熱處理以製得TiO2光觸媒厚膜。製備之薄膜、粉體及厚膜經由X-光繞射分析、紫外光-可見光光譜儀、掃描式電子顯微鏡、表面輪廓儀和百格測試(ASTM D 3359-95)等來分析樣品特性。厚膜的光催化能力以光降解水中亞甲基藍(MB)所計算得的特徵時間常數(τ)來表示,τ越小代表光催化能力越好。結果顯示,以煆燒800 °C之粉體配製塗布漿料,並控制其固含量為20 wt.%所製得的厚膜中銳鈦礦TiO2結晶度高且具有較適當的微結構,所以整體呈現較優異的光催化能力,光催化反應6小時能夠分解81 mol%的MB(特徵時間常數τ值為3.59±0.5 %小時);在相同條件與反應時間下TiO2薄膜只能分解29 mol%的MB(τ =18 ±0.1%小時)。P/Si-TiO2厚膜的光催化能力數倍高於TiO2薄膜。動力學探討得知,TiO2厚膜的光催化效能與光催化面積(NS; N:數目, S:面積)呈正比關係,與光照強度(I)呈指數關係。將不同實驗條件下量測所得τ進行數據的擬合分析得到其關係式為τ=[(0.052N+0.002)I^0.338 ]^(-1),此關係式可充分地描述TiO2光觸媒厚膜降解水中MB的光催化行為表現。 |
英文摘要 |
P/Si-TiO2 thick films with high photocatalytic activities firmly adhered on FTO glass substrates were prepared using the sol-gel method, spin-coating and bar-coating techniques. The TiO2 thin film coated on the FTO glass substrate, as a base layer for P/Si-TiO2 thick film, was formed via a spin-coating technique. The slurry containing the gel-derived P/Si-TiO2 nanoparticles was then bar-coated on the TiO2 base layer, followed by calcining at 550 °C to form the photocatalytic thick film on the FTO glass substrates. The specimens were characterized using X-ray diffractometer, ultraviolet-visible spectro- photometer, scanning electron microscope, stylus profiler and adhesion test (ASTM D 3359-95). By photocatalytic degradation of methylene blue (MB), the photocatalytic activities of the films were measured and represented using the corresponding characteristic time constant (τ). Smaller τ is, the higher is the photocatalytic ability of the film. The P/Si-TiO2 thick film, prepared from the slurry containing 20 wt.% of the calcined P/Si-TiO2 powder at 800 °C, gave the superior performance in photocatalysis; this thick film had τ=3.59 hours and decomposed about 81 mole% of MB in the water after 6 h, under irradiation 365-nm UV light. For the sake of comparison, the TiO2 thin film decomposed 29 mol% MB in water (τ= 18 hours) under the same conditions. Kinetic analysis showed that the photocatalytic abilities of P/Si-TiO2 thick films are directly proportional to the photocatalytic area (NS; N: number of specimens, S: area), and have a power relationship with light intensity (I). By experimental data fitting, it was found that τ = [(0.052N+0.002)I0.338]-1, which can well predict the characteristic time constant of the P/Si-TiO2 thick films at different operation conditions. |
第三語言摘要 | |
論文目次 |
主目錄 論文提要內容 I Abstract III 主目錄 V 圖目錄 VII 表目錄 X 第一章 緒論 1 1-1 光觸媒材料之興起 1 1-2 光觸媒材料之固定化 2 1-3 研究目的 2 第二章 文獻回顧 3 2-1 二氧化鈦的基本性質 3 2-2 二氧化鈦膜的製備 5 2-3 光催化原理 12 2-4 二氧化鈦光催化效果的提升 14 第三章 實驗步驟與方法 21 3-1 實驗藥品 22 3-2 TiO2薄膜的製備 23 3-3 P/Si-TiO2奈米粉體的製備 24 3-4 P/Si-TiO2厚膜的製備 25 3-5 實驗儀器 29 3-6 光催化活性實驗 36 第四章 結果與討論 38 4-1 TiO2薄膜製備、特性分析及光催化能力 38 4-2 P/Si- TiO2奈米粉體的特性分析 47 4-3 P/Si-TiO2厚膜的製備與特性分析 51 4-4 光催化面積和光照強度對P/Si-TiO2厚膜光催化能力的影響 80 4-5 P/Si-TiO2厚膜的穩定性及再現性測試 87 第五章 結論 90 參考文獻 92 附錄 95 圖目錄 圖 2-1 1 TiO2銳鈦礦及金紅石相態的晶體結構圖 4 圖 2-3 1銳鈦礦二氧化鈦光催化反應機制圖 13 圖 3-4 1 TiO2薄膜的製備流程圖 26 圖 3-4 2 P/Si-TiO2奈米粉體的製備流程圖 27 圖 3-4 3 TiO2厚膜的製備流程圖 28 圖 3-6 1亞甲基藍的化學結構式 36 圖 4-1 1 FTO導電玻璃上不同鍍膜層數和煆燒溫度所製得TiO2薄膜的XRD圖 39 圖 4-1 2 FTO及FTO導電玻璃上不同鍍膜層數和煆燒溫度所製得TiO2薄膜的紫外光-可見光穿透光譜圖 40 圖 4-1 3 FTO及FTO導電玻璃上不同鍍膜層數和煆燒溫度所製得TiO2薄膜的表面SEM圖 44 圖 4-1 4 FTO及FTO導電玻璃上不同鍍膜層數和煆燒溫度所製得TiO2薄膜的截面SEM圖 45 圖 4-1 5旋轉塗布次數及熱處理溫度對TiO2薄膜厚度的影響 46 圖 4-1 6 TiO2薄膜光催化降解水中亞甲基藍 46 圖 4-2 1 P/Si-TiO2奈米粉體在不同煆燒溫度處理後的XRD圖譜 48 圖 4-2 2 P/Si-TiO2奈米粉體在不同煆燒溫度處理後的SEM圖 49 圖 4-2 3 煆燒後P/Si-TiO2奈米粉體的紫外光-可見光漫反射光譜圖 50 圖 4-3 1不同製備條件製得之P/Si-TiO2厚膜表面微結構的SEM圖 54 圖 4-3 2以不同溫度煆燒的P/Si-TiO2粉體所配製漿料製得的厚膜之XRD圖譜 57 圖 4-3 3以不同溫度煆燒的P/Si-TiO2粉體所配製漿料製得的厚膜之SEM俯視圖 60 圖 4-3 4以不同溫度煆燒的P/Si-TiO2粉體所配製漿料製得的厚膜之SEM剖視圖 61 圖 4-3 5 FTO、TiO2基底層以及塗布漿料中使用不同煆燒溫度粉體所製得的P/Si-TiO2厚膜之紫外光-可見光穿透光譜圖 64 圖 4-3 6 FTO、TiO2基底層以及塗布漿料中使用不同煆燒溫度粉體所製得的P/Si-TiO2厚膜之紫外光-可見光漫反射光譜圖 65 圖 4-3 7使用不同煆燒溫度的粉體所製得P/Si-TiO2厚膜光催化降解水中亞甲基藍 67 圖 4-3 8使用固含量不同的漿料所製得的P/Si-TiO2厚膜之XRD圖 69 圖 4-3 9使用不同漿料固含量製得的P/Si-TiO2厚膜之SEM俯視圖 71 圖 4-3 10使用不同漿料固含量製得的P/Si-TiO2厚膜之SEM剖視圖 72 圖 4-3 11不同固含量的漿料所製得之P/Si-TiO2厚膜的平均厚度(由SEM觀察而得) 73 圖 4-3 12不同固含量漿料所製得P/Si-TiO2厚膜之紫外光-可見光穿透光譜圖 75 圖 4-3 13 FTO、TiO2基底層以及不同固含量(粉體煆燒溫度800 °C)漿料所製得之P/Si-TiO2厚膜的巨觀觀察圖 75 圖 4-3 14不同固含量漿料所製得P/Si-TiO2厚膜之紫外光-可見光漫反射光譜圖 76 圖 4-3 15使用不同漿料固含量製得P/Si-TiO2厚膜之光催化降解亞甲基藍水溶液的結果 (光催化反應條件:光源使用365-nm紫外光、反應時間12小時及染料濃度10 μM) 79 圖 4-3 16煆燒550°C薄膜基底層之光催化結果 79 圖 4-4 1使用粉體煆燒800 °C固含量20 wt.%之P/Si-TiO2厚膜對MB光催化降解測試 81 圖 4-4 2 P/Si-TiO2光觸媒反應面積與τ值之關係 81 圖 4-4 3厚膜在不同光照強度下分解亞甲基藍濃度隨反應時間變化關係 83 圖 4-4 4光照強度與厚膜τ值之關係 83 圖 4-4 5厚膜分解亞甲基藍濃度隨反應時間變化關係圖 86 圖 4-5 1使用粉體煆燒700及800 °C固含量20 wt.%之 P/Si-TiO2厚膜的光催化再使用測試結果 88 圖 4-5 2光催化反應前後P/Si-TiO2厚膜的SEM影像 88 圖 4-5 3使用粉體煆燒800 °C固含量20 wt.%之P/Si-TiO2厚膜的光催化再現性測試結果 89 圖A. 煆燒後P/Si-TiO2奈米粉體的能隙計算過程 95 圖B. FTO、TiO2基底層和P/Si-TiO2厚膜的能隙計算過程 97 圖C. P/Si-TiO2厚膜的能隙計算過程 99 表目錄 表 2-1 1二氧化鈦結晶相態與物理性質 4 表 3-1 1實驗所需的主要藥品 22 表 4-1 1 FTO及鍍上TiO2薄膜之FTO玻璃的紫外光-可見光穿透率 40 表 4-2 1Scherrer’s方程式估算之煆燒P/Si-TiO2奈米粉體的TiO2平均晶粒尺寸 48 表 4-2 2 P/Si-TiO2奈米粉體在不同煆燒溫度處理後TiO2的能隙 51 表 4-3 1不同製備條件製得之P/Si-TiO2厚膜的附著性 55 表 4-3 2以不同煆燒溫度的TiO2粉體所配製之漿料棒塗所製得P/Si- TiO2厚膜中TiO2平均晶粒尺寸 57 表 4-3 3使用不同煆燒溫度粉體製得P/Si-TiO2厚膜之厚度 62 表 4-3 4不同煆燒溫度粉體製得P/Si-TiO2厚膜紫外光-可見光穿透率 64 表 4-3 5使用不同煆燒溫度的粉體所製得P/Si-TiO2厚膜之能隙 65 表 4-3 6使用固含量不同的漿料所製得的P/Si-TiO2厚膜之平均晶粒尺寸 70 表 4-3 7使用不同漿料固含量製得P/Si-TiO2厚膜之量測厚度 73 表 4-3 8不同固含量漿料所製得P/Si-TiO2厚膜之紫外光-可見光穿透率 76 表 4-3 9不同固含量漿料所製得P/Si-TiO2厚膜之能隙 77 表 4-4 1 P/Si-TiO2厚膜在不同光反應條件下光催化降解水中MB所對應的特徵時間常數(τ) 85 |
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