簡易檢索 / 詳目顯示

研究生: 李淇彰
Li, Chin-chang
論文名稱: 利用界面活性劑自組裝電沈積奈米白金薄膜
Electrodepositon of Thin Platinum Film via Surfactant Assembly
指導教授: 洪敏雄
Hon, Min-hsiung
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 材料科學及工程學系
Department of Materials Science and Engineering
論文出版年: 2007
畢業學年度: 95
語文別: 中文
論文頁數: 99
中文關鍵詞: 界面活性劑介孔氫氣
外文關鍵詞: hydrogen, mesoporous, surfactant
相關次數: 點閱:72下載:1
分享至:
查詢本校圖書館目錄 查詢臺灣博碩士論文知識加值系統 勘誤回報
  • 近年來,水分解技術的提高,氫逐漸為重要的能源,而光電水分解電池可將水分解產生氫氣。本研究目的為藉由界面活性劑添加改變白金薄膜表面型態作為光電水分解電池的陰極提升水產氫效率。
    本研究利用界面活性劑(SDS)自組裝模版製備奈米白金薄膜,探討製程參數如電沈積電壓、界面活性劑濃度、電沈積時間對白金薄膜表面型態與沈積速率的影響。
    結果顯示:利用電沈積方法可製備出具介孔白金薄膜,經由TEM分析其介孔大小為7.5nm。本研究得到歸納三點結論: 1.電沈積電壓在-0.2V及-0.4V可製備具介孔性質的白金粒子。2.界面活性劑濃度0.1wt%增加到1wt%時,介孔尺寸由7.5nm增加至15nm。3.電壓與界面活性劑濃度大小與白金沈積速率有相關性,而低沈積速率較能製備介孔白金薄膜。
    本研究在-0.4V電沈積、界面活性劑濃度為0.1wt%SDS、時間為30s時製備的白金薄膜有最大比表面積為42.1m2/g,水產氫的轉換效率為20.2%。

    In recent years, hydrogen has been one of the important source of energy, and in a photovoltaic cell hydrogen is produced by water splitting. The purpose of the thesis is to make the cathode for photovoltaic cell in order to raise the efficiency of water splitting by varying surface morphology of platinum thin film.
    In this thesis, nanostructure platinum thin film was prepared by utilizing surfactant assembly to investigate the effects of experimental parameters, such as electrical potential、surfactant concentration and deposition time.
    The wormhole-like platinum thin film could be prepared by electrodeposition, and its size is 7.5 nm. There are three important results obtained in this study. First, the wormhole-like platinum thin film could be prepared at -0.2, and -0.4 volt. Second, the size of wormhole increases from 7.5 to 15 nm by varying 0.1 to 1 percent of surfactant concentration. Third, the wormhole -like platinum thin film could be prepared easily by slowing the deposition rate.
    The highest surface area obtained is 42.1m2/g and the hydrogen conversion efficiency is 20.2% when the platinum is deposited at -0.4 volt, and the surfactant concentration of 0.1 percent. The highest symmetrical current is 112mA/cm2 as calculated by electrode kinetics.

    總目錄 中文摘要 Ⅰ 英文摘要 Ⅱ 總目錄 Ⅳ 圖目錄 ⅠⅩ 表目錄 ⅩⅢ 序論 1 前言 1 研究動機及目的 3 第二章 理論基礎和文獻回顧 5 2-1 前人研究 5 2-2 界面活性劑性質簡介 6 2-2-1界面活性劑分子結構 6 2-2-2 界面活性劑分類 6 2-2-3 微胞理論 8 2-3 孔洞材料之合成 10 2-4 白金的基本特性 14 2-5 界面活性劑SDS的基本特性 14 2-6 電化學原理 15 2-6-1 電化學基本理論 15 2-6-2 電沈積裝置 18 2-6-3 電雙層原理 18 2-7 電沈積過程隨著膜厚增加薄膜成長原理示意圖 20 2-8 CV法計算白金薄膜比表面積 20 2-9 極化曲線計算水分解產氫平衡電流值 25 第三章 實驗方法與步驟 27 3-1 實驗藥品 27 3-2 電沈積白金薄膜製備方法 27 3-3 界面活性劑自組裝電沈積奈米白金薄膜機制 30 3-4 製備電沈積白金薄膜之製程參數 32 3-4-1 電沈積電壓對白金薄膜的影響 32 3-4-2 界面活性劑濃度對白金薄膜的影響 32 3-4-3 沈積時間對白金薄膜的影響 33 3-4-4 基材對沈積結果的影響 33 3-5 白金薄膜材料特性 34 3-5-1界面活性劑粒徑 34 3-5-2 白金薄膜熱重/熱差 34 3-5-3 白金薄膜表面粗度 34 3-5-4 白金薄膜場發射電子掃瞄顯微鏡觀察 34 3-5-5 白金粒子穿透式電子顯微鏡觀察 35 3-5-6 AFM原子力顯微鏡表面觀察 35 3-5-7 比表面積測量 35 3-5-8 水分解產氫轉換效率 36 3-5-9 水分解產氫平衡電流 37 第四章 結果與討論 38 4-1 界面活性劑性質與電沈積基材的選用 38 4-1-1界面活性劑粒徑與帶電性分析 38 4-1-2界面活性劑熱重曲線分析 41 4-1-3界面活性劑自組裝電沈積白金薄膜基材選用 41 4-1-4 玻璃上E-beam蒸鍍白金和ITO玻璃為電沈積之白金表面型態圖 44 4-2電沈積電壓對白金薄膜影響 48 4-2-1 I-t curve與沈積速率影響 48 4-2-2白金薄膜表面型態 54 4-2-3 白金薄膜表面粗糙度 57 4-2-4 白金粒子表面型態 57 4-3界面活性劑濃度對電沈積白金薄膜影響 60 4-3-1 I-t曲線圖與沈積速率影響 60 4-3-2 白金薄膜表面型態 63 4-3-3 白金薄膜表面粗糙度 63 4-3-4 白金粒子表面型態 66 4-4電沈積時間對白金薄膜影響 68 4-4-1白金薄膜表面型態 68 4-4-2白金薄膜表面粗糙度 68 4-4-4白金粒子表面型態 71 4-5 電沈積參數對白金薄膜之性質 73 4-5-1 白金薄膜之比表面積 73 4-5-1-1 電沈積電壓對白金薄膜比表面積之影響 73 4-5-1-2 界面活性劑濃度對白金薄膜比表面積之影響 76 4-5-1-3 電沈積時間對白金薄膜比表面積之影響 79 4-5-2 白金薄膜之水產氫效率 82 4-5-2-1 電沈積電壓對白金薄膜之水產氫效率影響 82 4-5-2-2 界面活性劑濃度對白金薄膜之水產氫效率影響 83 4-5-2-3 電沈積時間對白金薄膜之水產氫效率影響 87 4-5-3 白金薄膜之比表面積與水產氫效率關係 89 4-5-4 水產氫平衡電流值量測 91 結論 93 參考文獻 95 圖目錄 圖 1-1 光催化水分解電池的示意圖 4 圖 2-1 界面活性劑結構示意圖 7 圖 2-2 微胞表面型態示意圖(a)球狀微胞(b)圓柱狀狀微胞(c)層狀微胞(d)反微胞(e)囊狀微胞 9 圖 2-3 微胞在水中的示意圖 11 圖 2-4 無機分子與帶正負電界面活性劑的鍵結示意圖 12 圖 2-5 SDS 分子結構圖 16 圖 2-6 一般陰極電極反應的路徑圖 17 圖 2-7 電沈積裝置示意圖 19 圖 2-8 電雙層原理示意圖 22 圖 2-9 電沈積隨著膜厚增加薄膜成長原理示意圖 23 圖 2-10 白金薄膜的典型循環伏安法掃瞄曲線 24 圖 2-11 以電極動力學法求得之Tafel圖 26 圖 3-1製備電沈積白金薄膜及分析示意圖 29 圖 3-2電沈積製備奈米白金薄膜機制示意圖 31 圖 4-1 微胞在電沈積溶液[0.05M H2PtCl6 +(a)1 (b)5wt% SDS]中的粒徑分析圖 39 圖4-2 微胞在電沈積溶液的Zeta電位分析 40 圖4-3 界面活性劑SDS的TG曲線分析圖 42 圖4-4 (a)在玻璃上E-beam蒸鍍白金薄膜 (b)ITO玻璃的循環伏安圖 43 圖4-5以ITO玻璃為基板,在(a)-0.2 (b)-0.4 (c)-0.6V電沈積;玻璃上E-beam蒸鍍白金為基板,在(d)-0.2V (e)-0.4V (f)-0.6V電沈積的白金薄膜FE-SEM圖 46 圖4-6在(a)-0.1 (b)-0.2 (c)-0.3 (d)-0.4 (e)-0.5 (f)-0.6V電沈積之電流對時間曲線圖 51 圖4-7在-0.1至-0.6V電沈積,時間為180s的沈積速率對電壓曲線圖 53 圖4-8 (a)在-0.6V電沈積,時間為 180s的薄膜剖面圖 (b)電沈積白金薄膜的EDX成分分析圖 (c)E-beam蒸鍍白金薄膜的EDX成分分析圖 55 圖4-9 電沈積白金薄膜在(a)-0.1 (b)-0.2 (c)-0.3 (d)-0.4 (e)-0.5 (f)-0.6V電沈積的表面型態圖 56 圖4-10電沈積白金薄膜在 (a)-0.2 (b)-0.4 (c)-0.6V電沈積之表面與粗糙度圖 58 圖4-11電沈積白金薄膜在 (a)-0.2 (b)-0.4 (c)-0.6V電沈積之白金粒子型態圖 59 圖4-12電沈積白金薄膜在不同界面活性劑濃度 [(a)0.1 (b) 1 (c) 5wt%] +0.05M H2PtCl6之I-t圖 61 圖4-13電沈積溶液為[0.05M H2PtCl6 +(a)0.1 (b)1 (c) 5wt% SDS]之白金薄膜表面型態圖 64 圖4-14 電沈積溶液為[0.05M H2PtCl6 +(a)0.1 (b)1 (c) 5wt% SDS]之白 金薄膜表面與粗糙度圖 65 圖4-15電沈積溶液為[0.05M H2PtCl6 +(a)0.1 (b)1 (c) 5wt% SDS]之白金粒子表面型態圖 67 圖4-16在-0.4V電沈積,時間為(a)10(b)30(c)180s的電沈積白金薄膜表面型態 69 圖4-17在-0.4V電沈積,時間為(a)10(b)30(c)180s之電沈積白金薄膜表面與粗糙度圖 70 圖4-18 電沈積時間為(a)10(b)30(c)180s的白金粒子表面型態 72 圖4-19 電沈積電壓為(a)-0.1(b)-0.2(c)-0.3(d)-0.4(e)-0.5(d)-0.6V之電沈積白金薄膜的循環伏安圖 74 圖4-20 電沈積電壓於白金薄膜之比表面積曲線圖 75 圖4-21 界面活性劑濃度(a)0.1(b)1(c)5wt%SDS之白金薄膜循環伏安圖 77 圖4-22 界面活性劑濃度於白金薄膜之比表面積曲線圖 78 圖4-23 電沈積時間(a)10(b)30(c)180s之白金薄膜循環伏安圖 80 圖4-24 不同電沈積時間所製備白金薄膜之比表面積關係圖 81 圖4-25 以定電流法之電壓與時間示意圖 84 圖4-26 電沈積電壓於白金薄膜之水產氫效率曲線圖 85 圖4-27 界面活性劑濃度於白金薄膜之水產氫效率曲線圖 86 圖4-28 電沈積時間於白金薄膜之水產氫效率曲線圖 88 圖4-29 白金薄膜之比表面積與水產氫轉換效率曲線圖 90 圖4-30 (a)電沈積白金薄膜(b)電沈積白金薄膜(fit)(c)E-beam蒸鍍白金薄膜之電極動力學曲線圖 92 表目錄 表4-1 本研究界面活性劑濃度及電沈積參數 49 表4-2 界面活性劑濃度對應白金薄膜沈積速率 62 表4-3 不同電沈積電壓之白金薄膜比表面積 75 表4-4 不同界面活性劑濃度之白金薄膜比表面積 78 表4-5 不同電沈積時間之白金薄膜比表面積 81 表4-6 不同電沈積電壓之白金薄膜水產氫效率 85 表4-7 不同界面活性劑濃度之白金薄膜水產氫效率 86 表4-8 不同電沈積時間之白金薄膜水產氫效率 88

    1. M. Grätzel, “Ultrafast colour displays ”, Nature, 409, 575 (2001).
    2. H. Verweij, “Nanocrystalline and nanoporous ceramics ” , Adv. Mater,
    17, 1483 (1998).
    3. M. Itoh, H. Hattori and K. Tanabe, “Catalytic sites on SnO2 and TiO2-
    SnO2 for the isomerzation of 1-Butene”, J. Catal., 43, 192 (1976).
    4. S. S. Park and J. D. Mackenzie, “Thickness and microstructure effects on alcohol sensing of tin oxide thin films”, Thin Solid Films, 274, 154
    (1996).
    5. K. Langer, E. Mutschler, G. Lambrecht, D. Mayer, G. Troschau, F.
    Stieneker and J. kreuter, “Methylmethacrylate sulfopropylmethacrylate
    copolymer nanoparticles for drug delivery part Ⅲ: evaluation as drug
    delivery system for ophthalmic application”, International Journal of
    Pharmaceutics, 158, 219 (1997).
    6. M. Grätzel,”Photoelectrochemical cell”, Nature, 414, 338 (2001).
    7. W.J. Ward, “Molecular sieve catalysis”in applied industrial catalysis,
    Academic press , New York,3,11(1984)
    8. 王興平, “奈米介孔二氧化鈰之合成及特性”, 成功大學材料科學工程學系碩士論文,p63(2004)
    9. L-R Dai, T-W Wang, L-T Bu, G Chen, “Mixed surfactant templating route for mesoporous silica”, Colloids and Surfaces, A: Physicochemical and Engineering Aspects , 181 , 151 (2001)
    10.G S. Attard, P N. Bartlett, N R. B. Coleman, J M. Elliott, J R. Owen, J H Wang, “Mesoporous Platinum Films from Lyotropic Liquid Crystalline Phases”, Science, 278, 31(1997)
    11. S . TRASATTI' and O. A. PETRⅡ, “Real surface area measurements
    in electrochemistry”, Pure & Appl. Chern., 63, 71(1991)
    12. T. F. Todros, “Surfactant”, Academic Press, London, 1, p.46(1984).
    13. D. F. Evans and H. Wennerstrom, “The colloidal domain: where Physics, chemistry, biology, and technology meet”, VCH Publisher, New York, 63,69(1994).
    14.B.Lindmanm and H. Wennerstrom, “Micelles: amphiphile aggregation in aqueous solution, springer-verlag”, Heidelberg, p.6 (1980).
    15. A. A G. J. de. Soler-Illia, C. Sanchez, B. dicte Lebeau, and J. Patarin,
    “Chemical strategies to design textured materials: from microporous andmesoporous oxides to nanonetworks and hierarchical structures”, Chem.Rev., 102, 4093 (2002).
    16. 曾耀東,“利用X 光反射率法分析超薄白金薄膜的表面形貌及其做為透明導電膜的研究” , 國立清華大學工程與系統科學學系碩士論文, p39(2006)
    17. 許文瑞,“界面活性劑S D S在人工模擬系統中的降解研究” ,國立雲林科技大學環境與安全衛生工程系碩士論文, p9(2006)
    18. 趙承琛博士,“界面科學基礎“ , 2 ,p30(1987)
    19. 李岳勳,“微/奈米化氧化亞銅之電鍍行為及其在鋰離子二次電池之應
    用” , 國立成功大學材料科學及工程學系博士論文 ,pp16-19(2006)
    20. 許薰丰,“電化學法沈積氫氧基磷灰石” , 國立成功大學材料科學及工程學系碩士論文 ,p13(1998)
    21. 駱榮富, 劉煥林 , “陶瓷成形技術”, 陶瓷技術手冊, 中華民國產業科技發展協進會及中華民國粉末冶金協會出版,pp50-68(1994)
    22. T Watanabe, “Nano-Plating”, 1, pp14-24(2004)
    23. I Lee, K-Y Chan, D L Phillips,” 2 Dimensional Dendrites and 3 Dimensional Growth of Electrodeposited Platinum Nanoparticles”, Journal of Applied Physics,43,767(2004)
    24. 孫斌,任大志,沙晶,金准志,”鉛的電沈積枝晶成長”, 武漢大學學報
    48,81(2002)
    25. 柴永存,陳曉,隋震鳴,莊文昌 , “溶致液晶模板電化学沈積束狀鉑纳米材料”,物理化學學報,22,12(2006)
    26. G. D. Stucky, K-S Choi, E W-Mcfarland, ”Electrocatalytic Properties of Thin Mesoporous Platinum Films Synthesized Utilizing Potential - Controlled Surfactant Assembly”, Adv Mater, 23,15(2003)
    27. Y Tan, S Srinivasan, and K-S Choi,“Electrochemical Deposition of Mesoporous Nickel Hydroxide Films from Dilute Surfactant Solutions”,J.AM. CHEM. SOC. ,127,3596-3604 (2005)
    28. 劭元華,朱果逸,董楠堆,張柏林,”電化學方法原理和應用”,化學工業出版社,附錄C(2005)
    29. 劭元華,朱果逸,董楠堆,張柏林,”電化學方法原理和應用”, 化學工業出版社, 3, pp62 -75(2005)
    30. 劭元華,朱果逸,董楠堆,張柏林,”電化學方法原理和應用”, 化學工業
    出版社,5 ,pp110 - 116(2005)

    下載圖示 校內:2008-07-31公開
    校外:2008-07-31公開
    QR CODE