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系統識別號 U0002-1407200910591500
中文論文名稱 P/Si莫爾比對P/Si-TiO2光觸媒相穩定與光催化性質的影響
英文論文名稱 Phase stabilities and photocatalytic activities of gel-derived P/Si-TiO2 nanoparticles
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 化學工程與材料工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Chemical and Materials Engineering
學年度 97
學期 2
出版年 98
研究生中文姓名 楊士德
研究生英文姓名 Shih-Te Yang
學號 695400373
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2009-06-19
論文頁數 126頁
口試委員 指導教授-余宣賦
委員-張裕祺
委員-尹庚鳴
中文關鍵字 溶膠-凝膠法  二氧化鈦  熱行為 
英文關鍵字 Sol-gel  Titanium dioxide  Thermal Behavior  Particle morphology 
學科別分類
中文摘要 本實驗主要是利用溶膠-凝膠法(sol-gel method)來合成P/Si -TiO2光觸媒。實驗的過程,在固定摻雜物(磷、矽)的總莫爾添加量的情況下改變磷、矽之莫爾比,以探討磷和矽的添加對二氧化鈦銳態礦相態的維持、粉體的尺寸和粒徑分散性與其光催化效率的影響。實驗程序中固定[Ti]:([P]+[Si])的莫耳數比97:3,僅改變[P] / ([P]+[Si])的莫爾比,依次為1、0.67、0.5、0.33、0。反應溶液在90oC回流反應4小時;反應後經90oC乾燥24小時並以不同熱處理溫度(600oC-1000 oC)
煆燒2小時以製得所需粉體,接著再進行粉體的特性分析。實驗的結果顯示:(1)利用溶膠-凝膠法可以成功的合成奈米級P/Si -TiO2可見光型光觸媒,且其銳鈦礦結構可維持至900oC並具有良好的光催化活性;(2)當[P]/([P]+[Si])=1/3和1/2時,P/Si -TiO2於900oC煆燒後粉體大小仍在奈米尺寸且仍然呈現鬆散的堆疊;(3) 動力學分析指出[P]/([P]+[Si])=0.5的P/Si-TiO2的粉體且有最大的反應常數,意味著有著最佳的光催化能力。
英文摘要 The P/Si-TiO2 nanoparticles were synthesized by a sol–gel method.
The contents of dopants (i.e., P and Si) were controlled at [P+Si]/[P/Si-
TiO2]=0.03. The effects of relative ratios of dopants (i.e., R≡[P]/[P+Si]) and calcinations temperatures on phase transformation, crystallite sizes, and photocatalytic activity of the gel-derived P/Si-TiO2 were investigatied. The experimental results indicate that (1)visible light activated P/Si-TiO2 photocatalysts can be produced using the sol-gel technigue; (2)being calcined at 900oC, the P/Si-TiO2 specimens of R= 0.33 and 0.5 are still composed of loosely packed nanoparticles and show good photocatalytic abilities; (3)in whole, the P/Si-TiO2 nano-
particles of R=0.5 calcined at 600~900oC possess the best performance in photocatalytic activity, under both 365nm UV light and white light irradiation.
論文目次 目錄

目錄 Ⅰ
圖目錄 Ⅳ
表目錄 XI
第一章緒論 1

第二章文獻回顧 3
2-1 二氧化鈦介紹 3
2-2 二氧化鈦的製備方法 8
2-2-1 水熱法 8
2-2-2 化學氣相沉積法 9
2-2-3 溶膠-凝膠法 10
2-3 光催化的原理 15
2-4 量子效應 18
2-5 磷酸對於二氧化鈦的影響 19
2-6 添加Si對於二氧化鈦的影響20
2-7 可見光型二氧化鈦 21

第三章 實驗步驟及方法 23
3-1 實驗藥品 23
3-2 光觸媒粉體的製備 24
3-3 實驗儀器 27
3-4 儀器分析 29
3-4-1傅立葉轉換紅外線光譜儀 29
3-4-2 X光繞射分析儀 31
3-4-3掃描式電子顯微鏡 33
3-4-4紫外光-可見光光譜儀 34
3-4-5穿透式電子顯微鏡 36
3-4-6熱重損失分析儀與差溫分析儀37
3-5 光觸媒活性檢測 39

第四章 結果與討論 41
4-1 二氧化鈦的相態與晶粒尺寸42
4-1-1銳鈦礦-金紅石TiO2相轉變的探討42
4-1-2晶粒大小的探討 64
4-2 磷、矽扮演的角色 68
4-3 粉體的形態 77
4-4 光觸媒的光催化能力 84
4-4-1紫外光下轉化效率 85
4-4-2可見光下轉化效率 93
4-4-3動力學分析 100
4-4-3-1紫外光條件下 102
4-4-3-2可見光條件下 107
4-5 磷、矽莫爾比對光催化能隙的影響111

第五章 結論116
參考文獻 118
附錄…………………………………………………………124

圖目錄
圖2-1 二氧化鈦(TiO2)的相圖 5
圖2-2 二氧化鈦之晶體結構(a)Anatase(b)Rutile 5
圖2-3 二氧化鈦之基本晶體結構-八面體 6
圖2-4 (a)銳態礦結構的二氧化鈦 7
圖2-4 (b)金紅石礦結構的二氧化鈦 7
圖2-5 Ti(OR)4製備TiO2的流程圖 11
圖2-6 無機金屬鹽類製備奈米粉體的流程圖 13
圖2-7 為半導體表面與內部捕抓電子圖 17
圖2-8 二氧化鈦光催化反應機制 17
圖2-9 為能隙能量隨著粒徑減小而增加 18
圖3-1 P/Si -TiO2光觸媒的步驟與流程 26
圖3-2 X-ray繞射分析儀 31
圖3-3 Methylene blue 化學結構式 39
圖4-1(a) 未摻雜作任何元素TiO2 44
圖4-1(b) 3PS10 45
圖4-1(c) 3PS21 45
圖4-1(d) 3PS11 45
圖4-2(a) 摻雜純磷的TG-DTA分析圖 51
圖4-2(b) 磷、矽莫爾比為2:1的TG-DTA分析圖 51
圖4-2(c) 磷、矽莫爾比為1:1的TG-DTA分析圖 52
圖4-2(d) 磷、矽莫爾比為1:2的TG-DTA分析圖 52
圖4-2(e) 摻雜純矽的TG-DTA分析圖 53
圖4-2(f) 為摻雜任何元素的TG-DTA分析圖 53
圖4-3 摻雜磷元素的二氧化鈦煆燒200-500℃不持溫的IR圖 54
圖4-4 未摻雜任何元素的二氧化鈦煆燒200、300℃不持溫的IR圖54
圖4-5 磷、矽莫爾比1:2,無持溫時間、熱處理1000、1100℃的XRD55
圖4-6(a)為純磷不同升溫速率的DTA圖 58
圖4-6(b) 3PS10相轉變的放熱峰位置代入 1/T 對 ln(T^2/β) 58
圖4-7(a)為磷、矽莫爾比為2:1不同升溫速率的DTA圖 59
圖4-7(b) 3PS21相轉變的放熱峰位置代入 1/T 對 ln(T^2/β) 59
圖4-8(a)為磷、矽莫爾比為1:1不同升溫速率的DTA圖 60
圖4-8(b) 3PS11相轉變的放熱峰位置代入 1/T 對 ln(T^2/β) 60
圖4-9(a)為磷、矽莫爾比為1:2不同升溫速率的DTA圖 61
圖4-9(b) 3PS12相轉變的放熱峰位置代入 1/T 對 ln(T^2/β) 61
圖4-10 [P]/([Si]+[P])莫爾比的TEM圖 65
圖4-11 不同組成比例其晶粒成長曲線圖 67
圖4-12(a) 摻雜純磷的二氧化鈦IR圖 71
圖4-12(b) 磷/矽莫爾比2:1的二氧化鈦IR圖 72
圖4-12(c) 磷/矽莫爾比1:1的二氧化鈦IR圖 73
圖4-12(d) 磷/矽莫爾比1:2的二氧化鈦IR圖 74
圖4-12(e) 雜純矽的二氧化鈦IR圖 75
圖4-12(f) 未摻雜任何元素的二氧化鈦IR圖 76
圖4-13二氧化鈦未經熱處理程序的SEM(a)3PS10(b)3PS21
(c)3PS11 (d)3PS12 (e)3PS01 79
圖4-14二氧化鈦經煆燒600℃的SEM圖(a)3PS10600 (b)3PS21600(c)3PS11600 (d)3PS12600 (e)3PS01600 80
圖4-15二氧化鈦經煆燒700℃的SEM圖(a)3PS10700 (b)3PS21700 (c)3PS11700 (d)3PS12700 (e)3PS01700 81
圖4-16二氧化鈦經煆燒800℃的SEM圖(a)3PS10800 (b)3PS21800(c)3PS11800 (d)3PS01800 82
圖4-17二氧化鈦經煆燒900℃的SEM圖(a)3PS10900 (b)3PS21900(c)3PS11900 (d)3PS12900 (e)3PS01900 83
圖4-18(a) 3PSxy600樣品的MB去除率及所對應的 anatase –TiO2的尺寸 87
圖4-18(b) 3PSxy700樣品的MB去除率及所對應的
anatase –TiO2的尺寸 87
圖4-18(c) 3PSxy800樣品的MB去除率及所對應的
anatase / rutile –TiO2的尺寸 88
圖4-18(d) 3PSxy900樣品的MB去除率及所對應的
anatase / rutile–TiO2的尺寸 88
圖4-19(a) 3PS10a樣品的MB去除率及所對應的
anatase –TiO2的尺寸 90
圖4-19(b) 3PS21a樣品的MB去除率及所對應的
anatase –TiO2的尺寸 90
圖4-19(c) 3PS11a樣品的MB去除率及所對應的
anatase –TiO2的尺 91
圖4-19(d) 3PS12a樣品的MB去除率及所對應的
anatase –TiO2的尺寸 91
圖4-19(e) 3PS01a樣品的MB去除率及所對應的
anatase / rutile–TiO2的尺寸 92
圖4-20(a) 3PSxy600樣品的MB去除率及所對應的 anatase –TiO2的尺寸 94
圖4-20(b) 3PSxy700樣品的MB去除率及所對應的 anatase –TiO2的尺寸 94
圖4-20(c) 3PSxy800樣品的MB去除率及所對應的 anatase –TiO2的尺寸 95
圖4-20(d) 3PSxy900樣品的MB去除率及所對應的 anatase –TiO2的尺寸 95
圖4-21(a) 3PS10a樣品的MB去除率及所對應的
anatase –TiO2的尺寸 97
圖4-21 (b) 3PS21a樣品的MB去除率及所對應的
anatase –TiO2的尺寸 97
圖4-21 (c) 3PS21a樣品的MB去除率及所對應的
anatase –TiO2的尺寸 98
圖4-21 (d) 3PS21a樣品的MB去除率及所對應的
anatase –TiO2的尺寸 98
圖4-21 (e) 3PS01a樣品的MB去除率及所對應的
anatase –TiO2的尺寸 99
圖4-22 (a) 煆燒溫度600oC CA/CA0對時間t的反應光譜圖 104
圖4-22 (b) 煆燒溫度700oC CA/CA0對時間t的反應光譜圖 104
圖4-22 (c) 煆燒溫度800oC CA/CA0對時間t的反應光譜圖 105
圖4-22 (d) 煆燒溫度900oC CA/CA0對時間t的反應光譜圖 105
圖4-23 (a) 煆燒溫度600oC CA/CA0對時間t的反應光譜圖 109
圖4-23 (b) 煆燒溫度700oC CA/CA0對時間t的反應光譜圖 109
圖4-23 (c) 煆燒溫度800oC CA/CA0對時間t的反應光譜圖 110
圖4-23 (d) 煆燒溫度900oC CA/CA0對時間t的反應光譜圖 110
圖4-24固定磷、矽莫爾比在不同煆燒溫度下的紫外光可見光吸收光譜能隙圖 111
圖4-25 Si/P-TiO2在不同磷、矽莫爾比和煆燒溫度下所對應的譜能隙圖 114
圖4-26雙成份系統在各個煆燒溫度下,磷、矽莫爾比所對應
能隙的關係圖 114


表目錄
表2-1 二氧化鈦銳鈦礦晶體與金紅石礦晶體之晶型結構與物性比較6
表2-2 改善二氧化鈦光觸媒反應速度方法 22
表3-1 相關反應之莫爾比例 25
表4-1 不同煆燒溫度對於晶粒的影響 47
表4-2 為各組成比例依Kissinger法計算所使用的數據 63
表4-3 不同磷/矽莫爾比對於煆燒700oC後P/Si-TiO2晶粒的影響64
表4-5 不同組成比例與條件下其k_(A,ξ)值(紫外光條件下) 106
表4-6 不同組成比例與條件下其k_(A,ξ)值(可見光條件下) 108
表4-7為不同磷、矽莫爾比對煆燒溫度的能隙彙整表 115
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