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研究生： 翁維勵
Weng, Wei-Li
論文名稱： 製備中孔洞材料應用於磷化氫氣體的吸附與感測
Synthesis of Mesoporous Materials for Adsorption and Sensing of Phosphine Gas
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： 2013
畢業學年度： 101
語文別： 中文
論文頁數： 125
中文關鍵詞： 氧化銅 、磷化氫 、氧化鈦奈米管
外文關鍵詞： CuO, PH3, Titanium nanotube
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    • 近年來半導體產業蓬勃發展，產生了相當可觀的有毒廢氣，例如PH3。這些氣體對於晶圓本身以及人體都具有相當大的毒害，為了解決PH3造成的危害，近年來的研究發現氧化銅對PH3氣體具有良好的吸附效果，本研究合成兩類型PH3吸附劑，分別為以TNT(Titanium nanotube)為載體之CuO/TNT複合材料及具有特殊結構氧化銅，所合成材料對PH3氣體具有高吸附效能，而CuO/TNT複合材料可進一步進行對低濃度PH3氣體進行感測。

    (1) 異相成核法製備CuO/TNT複合材料
    本研究以簡單的異相成核法合成得到具有高表面積(約250 m2/g)的CuO/TNT複合材料，以Na2CO3為鹼源於適當的成核條件下，CuO/TNT比例< 0.4能使CuO奈米顆粒均勻的分布在TNT管子上，將CuO/TNT複合材料做半導體毒性氣體PH3的吸附與感測，CuO/TNT對PH3有高吸附效率(>99%)，高分散性的氧化銅於TNT上增加了氧化銅催化的面積以及活性，進一步利用反射式IR將材料應用於低濃度PH3氣體的感測，一樣具有高靈敏度，CuO/TNT複合材料對PH3氣體具有高吸附與感測效果。
    (2) 水熱法高活性氧化銅材料
    本研究以醋酸銅作為前驅物以簡單水熱反應合成出三種不同型態且具有高表面積的奈米結構之氧化銅材料。直接以NaOH 為鹼源，調整Cu(OAc)2水溶液的pH值後進水熱反應即可合成得杏仁核狀氧化銅，產物外觀具有高一致性，具有高表面積約70 m2g-1，將其應用於PH3氣體的吸附得到杏仁核狀氧化銅對PH3具有高攔截率(~97%)；加入結構導向劑P123於Cu(OAc)2水溶液中分散均勻後進水熱反應即可合成得到蒲公英狀氧化銅，產物具有階層狀結構，由奈米線狀結構組成微米蒲公英球，本研究產物雖然具有特殊結構與高表面積約50 m2g-1，但其產率過低，水溶液仍殘留許多銅離子，不適合大量製備，且殘留的銅離子需要再進一步的處理，是需要克服的問題；加入螯合劑檸檬酸鈉於Cu(OAc)2水溶液中分散均勻調整pH值後進水熱反應得次穩定產物檸檬酸銅，經由鍛燒反應將有機物燒掉即得不規則塊狀氧化銅，產物具有階層狀結構與高表面積約70 m2g-1，由奈米顆粒堆積成不規則塊狀，將其應用於PH3氣體吸附仍具有高攔截率(>99%)。

    Phosphine (PH3), a toxic hydride, is commonly used as a dopant gas in semiconductor industries. According to the National Institute for Occupational Safety and Health (NIOSH) pocket guide, PH3 could cause immediate death at a level of 50 ppm. Recent studies have found that CuO demonstrates strong adsorption capacity toward PH3 gas removal. In this research, we prepared two kinds of CuO-materials for adsorption of phosphine.

    Part 1. Synthesis of CuO/TNT nanocomposite by Heterogeneous Nucleation
    Titanium nanotube (denoted as TNT) with surface area of around 280 m2/g and pore size of 9.0 nm was prepared by using a typical synthetic method. Owing to the high surface area, we used the TNT as the supporters for well dispersion of CuO as the active sites. The CuO/TNT nanocomposite with high dispersity of CuO can be obtained from heterogeneous nucleation of Cu(OH)2 on the TNT and calcination at mild temperature. In practice, the CuO/TNT nanocomposite was used as a high-performance adsorbent and sensor for PH3 gas.

    Part 2. Synthesis of nanostructured CuO with high surface area by hydrothermal reaction
    We prepared three kinds of nanostructured CuO in novel morphologies via hydrothermal method by using copper acetate aqueous solution as precursor. The nanostructured CuO in amygdala shape with high surface area of around 70 m2g-1 was synthesized by directly adjusting the pH of Cu(OAc)2 solution with NaOH solution, and then hydrothermal reaction for 6 h. When adding Pluronic P123 as structure-directing agent, a dandelion-like CuO structure was generated instead. The dandelion-like has hierarchical structure and high surface area of around 50 m2g-1 , but the yield of product is quite low. The nanostructured CuO irregular blocks with hierarchical structure and high surface area of around 70 m2g-1 via metastable product copper citrate prepared by using citrate as chelating agent. We used these nanostructured CuO materials to adsorb PH3, and these CuO materials exhibited high-performance for PH3 removal.

    第一章 緒論 1 1.1 二氧化鈦簡介 1 1.1.1 二氧化鈦的晶體結構及特性簡介 2 1.1.2 二氧化鈦的光催化機制 4 1.2 氧化鈦奈米管相關文獻回顧 5 1.3 中孔洞材料介紹 7 1.4 界面活性劑簡介 7 1.5 微胞的簡介 9 1.5.1 微胞的生成 10 1.5.2 界面活性劑的聚集體結構 11 1.6 PH3氣體及其吸附特性 12 1.6.1 PH3氣體的基本特性 12 1.6.2 局部廢氣處理設備去除廢棄之方法 12 1.6.3 乾式吸附法處理氫化物系氣體之吸附劑 14 1.7螯合劑 15 1.8 水熱法 16 1.8.1 水熱法反應機構 17 1.8.2 影響水熱法製備粒子大小與形狀反應的變因 18 第二章 實驗部分 26 2.1實驗合成步驟 26 2.1.1-1氧化鈦奈米管(TNT)之合成 26 2.1.1-2 氧化銅/氧化鈦奈米管複合成材料(CuO/TNT)之合成 27 2.1.2 孔洞奈米氧化銅材料之合成 28 2.1.2-1杏仁核狀CuO合成步驟 28 2.1.2-2蒲公英狀CuO合成步驟 29 2.1.2-3 不規則塊狀CuO合成步驟 30 2.2 化學藥品 32 2.2.1 氧化銅/氧化鈦奈米管複合材料的合成所需要之化學藥品 32 2.2.2 孔洞奈米氧化銅的合成所需要之化學藥品 32 2.3 應用實驗步驟 33 2.3.1 Rhodamine B的光降解實驗 33 2.3.2 毒氣PH3的吸附實驗 34 2.4 實驗儀器鑑定與分析 34 2.4.1 穿透式電子顯微鏡(Transmission Electron Microscopy；TEM) 34 2.4.2 X-射線粉末繞射光譜(Powder X-Ray Diffraction；PXRD) 35 2.4.3氮氣等溫吸附/脫附測量(N2 adsorption / desorption isotherm) 36 2.4.4熱重分析儀(Thermogravimetry Analysis; TGA) 39 2.4.5能量分散光譜儀(Energy Dispersive Spectrometer；EDX) 39 2.4.6全反射式-紅外線光譜儀 (ATR-IR) 40 2.4.7紫外光-可見光光譜儀 (Ultraviolet-Visible Spectra；UV-Vis) 40 第三章 氧化銅/氧化鈦奈米管複合材料(CuO/TNT)之合成與應用 41 3.1 研究動機與目的 41 3.2 氧化鈦奈米管(TNT)的特性分析 42 3.3 氧化鈦奈米管鑑定分析 44 3.3.1改變溫度與NaOH濃度對氧化鈦奈米管影響 45 3.3.2 放大劑量 49 3.3.3不同pH值下水熱反應對TNT結構的影響 51 3.3.4 在不同溫度下進行鍛燒對TNT結構的影響 53 3.4 氧化銅/氧化鈦奈米管複合材料(CuO/TNT)鑑定分析 55 3.4.1合成條件選擇 55 3.4.2 CuO擔載於TNT上的分散性 56 3.4.3不同CuO/TNT比例 61 3.5應用 64 3.5.1 研究目的與動機 64 3.5.2 Rhodamine B的光降解活性評估 65 3.5.3毒氣PH3吸附與感測 69 第四章 孔洞奈米氧化銅之合成與應用 75 4.1 研究動機與目的 75 4.2 杏仁核狀CuO的鑑定分析 76 4.2.1 合成條件的選擇 76 4.2.1-1 銅前驅物的選擇 76 4.2.1-2 鹼源的選擇 78 4.2.2 反應溫度不同對產物的影響 82 4.2.3 改變反應pH值對產物的影響 86 4.2.4 改變成核速率對產物的影響 88 4.2.5 反應時間對產物的影響 93 4.3 蒲公英狀CuO的鑑定分析 97 4.3.1 結構導向劑的選擇 97 4.3.2 改變加入P123劑量對產物的影響 100 4.3.3 改變反應溫度對產物的影響 102 4.3.4 改變反應時間對產物的影響 104 4.4 不規則塊狀CuO 105 4.4.1 次穩定產物 106 4.4.2 檸檬酸鈉劑量對產物的影響 109 4.4.3 改變反應pH值對產物的影響 110 4.4.4改變反應溫度對產物的影響 113 4.4.5 改變反應時間對產物的影響 115 4.5 應用 118 第五章 結論 121 參考文獻 123

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    下載圖示 校內：2018-07-29公開
    校外：2018-07-29公開
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