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研究生: 呂信德
Loi, Hsin-Der
論文名稱: 磁控濺鍍TiO2-WO3複合膜光催化性質之研究
指導教授: 黃紀嚴
Huang, Chi-Yen
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 資源工程學系
Department of Resources Engineering
論文出版年: 2003
畢業學年度: 91
語文別: 中文
論文頁數: 54
中文關鍵詞: 氧化鈦氧化鎢奈米結構光催化電漿濺鍍親水性
外文關鍵詞: photocatalysis, plasma sputtering, nano-structuure, titanium oxide, hydrophilic, tungsten oxide
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  • 光觸媒因具有強烈氧化分解反應與超親水現象,素為人所重視,若將光觸媒大面積塗佈在窗材玻璃上,則反應面積將大幅提高,污染物或有害氣體能更有效率的被分解,且藉超親水現象也使玻璃能永保潔淨。但若要應用於室內窗材,則必需開發可見光適用型光觸媒。為得到均勻且摻雜離子以降低能帶間隙的光催化薄膜,本研究以真空射頻磁控式電漿鍍膜法輔以金屬鎢線共濺鍍,製備比例不等之氧化鎢摻雜於二氧化鈦薄膜,探討鍍膜層數的改變、熱處理改變結晶相及摻入氧化鎢對薄膜的光學與光觸媒特性之影響。在操作條件方面,本研究將最高真空壓力、操作壓力、氬氣氧氣流量比及基板偏軸旋轉速率固定參數值,以鍍膜功率與鍍膜時間及薄膜膜厚為實驗變數。
    實驗結果顯示以150W的功率,與1 vol.%鎢共濺鍍120分鐘,濺鍍速率為1.25nm/min之二氧化鈦複合膜具有光觸媒分解甲基藍之特性及超親水性,尤其經350~400度的熱處理後,部分結晶成銳鈦礦型TiO2,光催化活性增強。為改善二氧化鈦薄膜一段時間不照光,表面會呈疏水性,實驗出鎢的摻雜可讓初始和最終的接觸角降低,且親水狀態也能保持更長的時間。預鍍SiO2可阻隔光觸媒與基材間的使複合膜的結構不因加熱的反應而被破壞,也不影響薄膜的透明度。

    Photocatalyst has received much attention for strongly redox reaction and superhydrophile. The window glass coated with photocatalyst can increase the action area and reduce the pollutant to maintain a clean surface. For applying to indoor enviroment, it must be develop the visible radiation absorption efficiency. The preparation of nano-sized TiO2-WO3 composite thin film coated by radio-frequency magnetron sputtering has been studied. The control factors of this research include time and voltage of sputtering, the ratio between TiO2 and WO3 target material
    . Later on an annealing treatment will be applied on TiO2/WO3 composite film to convert the armorphous phase of TiO2 to crystalline. Finally this film will be examined by spectrum analysis and scanning electron microscope. Hydrophilic property and decomposition ability will be examined too.
    The results given above clearly demonstrate that the preparation of nano-sized TiO2 films doped WO3 can be formed via condition of 150W 120minutes, 1.25nm/min of sputer rate, and 1 vol.% tungsten co-sputtering, then a significant photocatalytic rate enhancement and photo-generated superhydrophilic phenomenon is observed. After annealing at 350℃, anatase phase identified in TiO2 thin film; the grain size of TiO2-WO3 grew up a little. The pre-sputtering layer of SiO2 can disconnect the surface reaction between glass substrate and TiO2-WO3 photocatalyst and avoide decrease of component transmittances.

    摘要…………………………………………………………………………Ⅰ 英文摘要……………………………………………………………………Ⅱ 誌謝…………………………………………………………………………Ⅲ 目錄…………………………………………………………………………Ⅳ 表目錄………………………………………………………………………Ⅵ 圖目錄………………………………………………………………………Ⅶ 第1章 緒論……………………………………………………………1 1-1 研究動機……………………………………………………………1 1-2 研究目的……………………………………………………………4 第2章 理論基礎與前人研究…………………………………………6 2-1 光觸媒簡介…………………………………………………………6 2-2 光觸媒材料特性……………………………………………………8 2-3 二氧化鈦物理性質…………………………………………………10 2-4 二氧化鈦之光觸媒原理……………………………………………12 2-5 二氧化鈦之超親水性………………………………………………14 2-6 電漿濺鍍原理………………………………………………………16 2-7 前人研究……………………………………………………………19 第三章 實驗與分析方法…………………………………………………22 3-1 光觸媒薄膜製備………………………………………………………22 3-1-1 基材準備……………………………………………………………22 3-1-2 電漿濺鍍……………………………………………………………22 3-1-3 熱處理………………………………………………………………27 3-2 光觸媒薄膜分析………………………………………………………27 3-2-1 光譜儀分析…………………………………………………………27 3-2-2 掃瞄式電子顯微鏡分析(SEM)……………………………………27 3-2-3 低掠角繞射分析(Thin-Film XRD) ………………………………28 3-2-4 α-step膜厚量測…………………………………………………28 3-2-5 甲基藍分解力測試…………………………………………………28 3-2-6 超親水性……………………………………………………………30 第四章 結果與討論………………………………………………………31 4-1 複合光觸媒薄膜穿透與反射光譜之探討……………………………31 4-2 熱處理對複合光觸媒薄膜表面微結構影響之探討…………………36 4-3 熱處理對複合光觸媒薄膜結晶相影響之探討………………………36 4-4 複合光觸媒薄膜鍍膜厚度之探討……………………………………40 4-5 甲基藍分解實驗對複合光觸媒光催化性能之探討…………………41 4-6 親水性實驗對複合光觸媒光催化性能之探討………………………47 第五章 結論………………………………………………………………50 參考文獻……………………………………………………………………52 表目錄 表1-1 光觸媒的應用範疇………………………………………………3 表2-1 金紅石型與銳鈦礦型之比較……………………………………10 表2-2 電漿的組成成分…………………………………………………17 表3-1 鍍膜成分與鍍膜參數……………………………………………26 表4-1 膜厚量測結果……………………………………………………40 圖目錄 圖2-1 二氧化鈦電極照紫外光分解水……………………………………6 圖2-2 二氧化鈦光觸媒可應用的領域……………………………………7 圖2-3 光觸媒進行自潔淨(self cleaning)的機制………………… …8 圖2-4 代表性半導體能隙圖………………………………………………9 圖2-5 單位晶格圖…………………………………………………………11 圖2-6 二氧化鈦的能量圖與其他氧化劑的氧化電位……………………12 圖2-7 二氧化鈦的親水性與疏水性機制…………………………………15 圖2-8 照光前後水的接觸角之變化使水滴形成水膜……………………16 圖2-9 氬離子撞擊靶材示意圖……………………………………………18 圖2-10 TiO2 -WO3複合半導體光激發過程………………………………20 圖2-11 各種光觸媒對色素分解率與光誘起親水化特性……………… 21 圖3-1 實驗流程……………………………………………………………23 圖3-2 偏軸旋轉真空濺鍍機台示意圖……………………………………24 圖3-3 電漿濺鍍設備內部圖………………………………………………24 圖3-4 多層膜示意圖(以Glass/SiO2/TiO2為例)…………………… 26 圖3-5 Hitachi U-4001光譜儀……………………………………………27 圖3-6 甲基藍分解實驗示意圖……………………………………………29 圖3-7 紫外燈箱外觀………………………………………………………30 圖4-1 Glass/TiO2 100W & 150W 之光譜圖……………………… ……33 圖4-2 Glass/TiO2-WO3*2 100W之光譜圖……………………………… 33 圖4-3 Glass/TiO2-WO3*2 150W 之光譜圖………………………………34 圖4-4 Glass/SiO2、Glass/SiO2/TiO2和 Glass/SiO2/TiO2-WO3光譜圖34 圖4-5 Glass/WO3和Glass/WO3/TiO2 光譜圖……………………………35 圖4-6 Glass/WO3/TiO2-WO3*2之光譜圖…………………………………35 圖4-7 成分Glass/TiO2+WO3*2 鍍膜條件RF100W 60min SEM圖……… 37 圖4-8 成分Glass/TiO2 鍍膜條件RF100W 60min SEM圖…… …………38 圖4-9 低掠角繞射結果圖…………………………………………………39 圖4-10 甲基藍穿透光譜與光波長關係圖………………………… ……41 圖4-11 甲基藍分解實驗一Glass/TiO2 100W 60min…………… ……43 圖4-12甲基藍分解實驗二Glass/WO3和Glass/WO3-TiO2 150W 60min ………………………………………………………… ……43 圖4-13甲基藍分解實驗三Glass/SiO2/TiO2-WO3 和 Glass/WO3/TiO2-WO3………………………..……………………………44 圖4-14甲基藍分解實驗四Glass/SiO2/TiO2 和Glass/WO3/TiO2……………………………………………………………44 圖4-15 熱處理溫度對甲基藍吸收率減少量之柱狀圖…………… ……46 圖4-16接觸角實驗一………………………………………………………49 圖4-17 接觸角實驗二……………………………………………… ……49 圖4-18 接觸角實驗三……………………………………………… ……49

    1. Akira Fujishima, Tata N. Rao, Donald A. Tryk , “Titanium dioxide
    photocatalysis”, Journal of Photochemistry & Photobiology C :
    Photochemistry Reviews 1(2000) 1-21.
    2. 田中義身,光觸媒技術研討會,經濟部,2000/7/13。
    3. Andrew Mills , Stephen Le Hunte , “An overview of semiconductor
    Photocatalysis” Journal of Photochemistry & Photobiology A :
    4. H. Y. Zhu, J. A. Orthman, J. Y. Li, J. C. Zhao, G. J. Churchman, and E.
    F. Vansantjj, “Novel composites of TiO2 (Anatase) and
    silicatenanoparticles”, Chem. Mater. 2002, 14, 5037-5044
    5. Akira Tsujiko, Tetsuya Kisumi, Yoshifumi Magari, Kei Murakoshi,
    and Yoshihiro Nakato, “Selective formation of nanohole with
    (100)-face walls by photoetching of n-TiO2 (Rutile) electrodes,
    accompanied by increases in water-oxidation photocurrent”, J. Phys.
    Chem. B 2000, 104, 4873-4879
    6. 中山千秋, “光触媒? 評價法? 標準化”, 工業材料2002 年7 月號
    50 No.7
    7. Y. Takata, S. Hidaka, M. Masuda and T. Ito, “Pool boiling on a
    superhydrophilic surface”, Int. J. Energy Res. 2003; 27:111–119
    8. Brian Chapman, “Glow Discharge Process Sputtering & Plasma
    Etching”, John Wiley & Sons Inc. (1980).
    9. R. Y. Lin, “Vacuum Sputter Deposition and Industrial Application”,
    John Wily & Sons Inc. (1995).
    10. Ashti Rampaul, Ivan P. Parkin, Shane A. O’Neill, Juilio DeSouza,
    Andrew Mills, Nicolas Elliott, “Titania and tungsten doped titania thin
    films on glass; active photocatalysts”, Polyhedron 22 (2003) 35-44
    11. G. H. Li, L. Yang, Y. X. Jin, L. D. Zhang, “Structural and optical
    properties of TiO2 thin film and TiO2 + 2wt.% ZnFe2O4 composite
    film prepared by r.f. sputtering”, thin solid film 368 (2000) 163-167
    12. Norma R. de Tacconi , C.R. Chenthamarakshan , Krishnan
    Rajeshwar ,Thierry Pauport , Daniel Lincot , “Pulsed electrodeposition
    of WO3–TiO2 composite ?lms”, Electrochemistry Communications 5
    (2003) 220–224
    13. Donia Beydoun and Rose Amal, Gary K.-C. Low, Stephen McEvoy,
    "Novel Photocatalyst: Titania-Coated Magnetite. Activity and
    Photodissolution", J. Phys. Chem. B 2000, 104, 4387-4396
    14. Elias Stathatos, Tatyana Petrova, and Panagiotis Lianos, "Study of the
    efficiency of visible-light photocatalytic degradation of basic blue
    adsorbed on pure and doped mesoporous titania films", Langmuir
    2001, 17, 5025-5030
    15. Kang M G, Han H E, Kim K J, Journal of Photochemistry and
    Photobiology A: Chemistry, 1999, 125, pp119~125
    16. M. Machida, K. Norimoto, T. Watanabe, K. Hashimoto, A. Fujishima,
    “The effect of SiO2 addition in super-hydrophilic property of TiO2
    photocatalyst”, Journal of Materials Science 1999 34 (11): 2569-2574
    17. S.A. Agnihortry, Roshmi, R. Ramchandran, S. Chandra,
    “Pre-existence of HxWO3 in e-beam deposited WO3 films”, Solar
    Energy Materials and Solar Cells 36 (1995) 289-294.
    18. 宮內雅浩, 中島章, “TiO2 /WO3 複合? 高感度光誘起親水性材
    料”, 工業材料2000 年6 月號V0l.48 No.6
    19. Masahiro Miyauchi, Akira Nakajima,Kazuhito Hashimoto, and
    Toshiya Watanabe, “A highly hydrophilic thin film under 1 µW/cm2
    UV llumination”, Adv. Mater. 2000, 12, No. 24, December 15
    20. 黃呈加,“電致色變薄膜製備與光學常數量測”,工研院能資所技
    術報告,2001

    下載圖示 校內:立即公開
    校外:2003-06-30公開
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