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研究生: 王暐翔
Wang, Wei-Hsiang
論文名稱: 孔洞氧化矽、碳材@氧化矽及矽酸鈦複合材料的合成與應用
Synthesis and Application of Porous Silica, Carbon@Silica and Titanium-Silicate Materials
指導教授: 林弘萍
Lin, Hong-Ping
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 理學院 - 化學系
Department of Chemistry
論文出版年: 2015
畢業學年度: 103
語文別: 中文
論文頁數: 109
中文關鍵詞: 中孔洞氧化矽奈米碳管@氧化矽奈米石墨@氧化矽矽酸鈦
外文關鍵詞: mesoporous silica, carbon nanotube@mesoporous silica, nanographite@mesoporous silica, Ti-silicate
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  • 本文的主旨可分為利用酸化後的矽酸鈉(Sodium silicate)為氧化矽來源,並以一鍋化的合成方式製備出孔洞氧化矽材料(Porous silica,PS)、碳材@孔洞氧化矽材料以及矽酸鈦材料。
    本研究利用檸檬酸或硫酸酸化不具揮發性的矽酸鈉作為氧化矽源,搭配界面活性劑P123、具有親水官能基的PEG高分子及天然高分子明膠為有機模板合成出孔洞尺度可控制的高比表面積孔洞氧化矽材料;接著以表面活化劑明膠活化奈米碳管(Carbon nanotube,CNT)與奈米石墨(Nano-Graphite,NG),並以相同的概念製備出奈米碳管@孔洞氧化矽(CNT@PS)與奈米石墨@孔洞氧化矽(NG@PS)材料;最後以無有機模板的合成方式,利用共沉澱法及異相成核法合成出矽酸鈦中孔洞材料。
    (1) 孔洞氧化矽材料
    在pH ≈ 5.0的反應條件下,藉由氫鍵(Hydrogen bond)的作用力,以共聚高分子P123、PEG高分子及明膠為有機模板,搭配檸檬酸酸化的矽酸鈉水溶液為氧化矽源形成有機無機複合材料,可藉由改變水熱處理時間調控材料的孔徑尺度,以及藉由矽酸鈉濃度調控材料的粒徑尺度,並且移除有機模板後,即可製備出孔洞氧化矽材料;而以明膠合成的材料,則可以利用硫酸水溶液置換母液,並藉由100℃酸水熱處理的方式,可以製備出含有大量Si-OH官能基的高比表面積孔洞氧化矽材料。此部分的材料由於製作手法簡單、高比表面積、孔洞通透性佳及孔洞、粒徑尺度可調整等特性,在應用上具有非常大的潛力,而本實驗室製備的孔洞氧化矽材料在隔熱漆的應用上已有初步的效果。
    (2) 奈米碳管@孔洞氧化矽及奈米石墨@孔洞氧化矽材料
    在pH ≈ 5.0的反應條件下,利用天然高分子明膠使奈米碳管與奈米石墨具表面活化後分散於水中,並搭配檸檬酸酸化的矽酸鈉水溶液為氧化矽源,經由水熱反應後,可以合成出分散性佳且完整包覆的CNT@PS及NG@PS材料。由於CNT與NG材料本身具有很好的導熱性質,在這些材料外包覆了一層孔洞氧化矽層後,可以利用孔洞氧化矽的高比表面積與具有大量Si-OH的特性,使CNT@PS和NG@PS藉由氫鍵的方式混入封裝膠材(還氧樹酯)中,增加膠材的導熱效果。
    (3) 矽酸鈦中孔洞材料
    將TiCl4加入硫酸酸化的矽酸鈉水溶液中,並在pH ≈ 9.0的反應條件下,利用共沉澱法搭配水熱處理的方式,合成出高比表面積的矽酸鈦中孔洞材料;另一方面,以孔洞氧化矽為氧化矽來源,在相同的反應條件下,以異相成核的方式把Ti擔載在氧化矽的孔洞結構中,經過100℃水熱處理,也可製備出矽酸鈦中孔洞材料。而本部分合成的矽酸鈦材料對過氧化氫(H2O2)的分解反應及染料的降解反應上都具有很好的催化效果。

    For the purpose to easily synthesize silica based porous materials, we provide a new strategy by using acidified sodium silicate as silica source. With this concept, we can use one-pot synthesized method combined with organic template and hydrothermal treatment method to fabricate porous silica with tunable pore size, particle size and high specific surface area. And then, by using environmental friendly polymer gelatin as surface activator for carbon nanotubes (CNT) and nanographites (NG) and acidified sodium silicate as silica source, we can use a facile one-pot method to synthesize dispersible and uniformly silica coated carbon nanotube@porous silica (CNT@PS) and nanographite@porous silica (NG@PS) materials. In the last chapter, by adding appropriate amount of NaOH(aq) into Ti source (TiCl4) mixed acidified sodium silicate and with hydrothermal treatment, the mesoporous Ti-silicate with high specific surface area and good dispersities of Ti activated sites can be formed. The mesoporous titanium-silicate with well-dispersed titanium active sites can be used as a high-performance catalyst toward decomposition of hydrogens peroxide and dyes molecules.

    第一章 序論 1 1-1 孔洞材料的定義 1 1-2 中孔洞氧化矽 1 1-3 界面活性劑 3 1-4 微胞 4 1-5 矽酸鹽 7 1-6 檸檬酸 9 1-7 生物成礦34-39 10 1-8 水熱法 11 1-9 觸媒合成方法 18 1-10 綠色化學 19 第二章 合成與鑑定 22 2-1 藥品 22 2-2 第三章之合成步驟 23 A. 以Pluronic-P123為有機模板製備孔洞氧化矽材料 23 B. 以PEG10000為有機模板製備孔洞氧化矽材料 24 C. 以PEG400000為有機模板製備球狀孔洞氧化矽材料 25 D. 以明膠為有機模板製備孔洞氧化矽材料 (100℃水熱處理) 26 E. 以明膠為有機模板製備孔洞氧化矽材料 (70℃水熱處理) 27 2-3 第四章之合成步驟 28 A. 奈米碳管@孔洞氧化矽材料的製備 28 B. 奈米石墨@孔洞氧化矽材料的製備 29 2-4 第五章之合成步驟 30 A. 以共沉澱法製備矽酸鈦材料 30 B. 以異相成核法製備矽酸鈦材料 31 C. 雙氧水降解反應步驟 32 D. 染料分子降解反應步驟 32 2-5 儀器鑑定分析 33 A. 穿透式電子顯微鏡 (Transmission Electron Microscopy,TEM) 33 B. 掃描式電子顯微鏡 (Scanning Electron Microscopy,SEM) 33 C. 熱重分析儀 (Thermogravimetry Analysis,TGA) 33 D. 氮氣等溫吸附/脫附測量 (N2 adsorption / desorption isotherm) 34 E. X-射線粉末繞射光譜 (Powder X-Ray Diffraction,XRD) 38 F. 能量分散光譜儀(Energy Dispersive Spectroscopy,EDS) 39 G. 全反射红外光谱法(Attenuated Total Reflectance,ATR) 40 第三章 孔洞氧化矽材料的合成與探討 41 3-1 實驗動機 41 3-2 以水熱時間調控P123-氧化矽的孔徑尺度 42 3-3 以水熱時間調控 PEG10000-氧化矽的孔徑尺度 46 3-4 以pH值控制PEG400000-孔洞氧化矽的粒徑尺度 48 3-5 以矽酸鈉的濃度控制奈米孔洞氧化矽的粒徑尺度 51 3-6 以水熱時間控制孔洞氧化矽材料孔洞尺度 53 3-7 以水熱時的pH值控制孔洞氧化矽材料孔洞尺度 57 3-8 以矽酸鈉濃度控制孔洞氧化矽材料粒徑尺度 60 3-9 以明膠/矽酸鈉的重量比控制孔洞氧化矽材料粒徑尺度 62 3-10 以不同矽酸鹽合成孔洞氧化矽材料 64 3-11 以煅燒溫度探討氧化矽材料之孔洞保留率 65 3-12 以硫酸水熱法移除明膠,製備Silanol-rich孔洞氧化矽材料 66 3-13 在70℃下,以水熱時間控制孔洞氧化矽材料孔洞尺度 69 第四章 利用明膠分子當活化劑製備碳材@氧化矽材料 72 4-1 實驗動機 72 4-2 製備奈米碳管@孔洞氧化矽材料 73 4-3 改變矽酸鈉/CNT的比例調控氧化矽層的厚度 74 4-4 探討pH值對氧化矽層包覆的影響 75 4-5 CNT@PS材料的性質 76 4-6 調控矽酸鈉/NG比例控制氧化矽層的包覆量 78 4-7 NG@MS材料之性質 80 第五章 以共沉澱法及異相成核法製備矽酸鈦孔洞材料 82 5-1 實驗動機 82 5-2 尋找矽酸鈦材料之合成方式 83 5-3 降低TiCl4濃度製備出無氯化鈉晶體之矽酸鈦材料 86 5-4 改變TiCl4/矽酸鈉的比例合成出不同Ti/Si比的Ti-silicate材料 88 5-5 以水熱時間調控矽酸鈦材料之比表面積 89 5-6 pH對製備矽酸鈦材料之影響 91 5-7 以共沉澱法合成矽酸鈦材料之反應機構 92 5-8 以異相成核法合成矽酸鈦材料 93 5-9 以不同Ti/Si比例的矽酸鈦催化H2O2的降解反應 96 5-10 以Ti/Si =1的矽酸鈦降解不同濃度的H2O2水溶液 97 5-11 比較共沉澱法與異相成核法合成的矽酸鈦對降解H2O2催化 98 5-12 以H2O2搭配矽酸鈦催化染料分解反應 99 第六章 總結 101 6-1 氧化矽材料的合成與未來發展 101 6-2 碳材@氧化矽材料的合成與未來發展 102 6-3 矽酸鈦之合成與未來發展 102 參考文獻 103

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    105. 吳宇婷, 2014,以金屬氫氧化物模板法製備metal-silicate孔洞性複合材料之合成與應用

    下載圖示 校內:2018-06-30公開
    校外:2018-06-30公開
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