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研究生： 康志銘
論文名稱： 氧電漿修飾奈米碳管應用於燃料電池
Oxygen incorporated CNT as catalyst support for methanol oxidation reaction in fuel cell
指導教授： 陳家俊
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 化學系
Department of Chemistry
論文出版年： 2010
畢業學年度： 98
語文別： 中文
論文頁數： 76
中文關鍵詞： 奈米碳管 、燃料電池
論文種類： 學術論文
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    • 在本研究中我們利用直接成長奈米碳管的方式來合成氧修飾的奈米碳管，探討在製程中加入氧氣對於成長奈米碳管的影響，並利用此碳材應用在甲醇氧化觸媒載體的應用。我們利用穿透式電子顯微鏡及場發射電子顯微鏡來觀察我們成長的含氧奈米碳管表面形貌，並以傅立葉紅外線光譜和電子能量損失圖譜來確認表面含氧的官能基的分佈。
    我們利用射頻磁控濺鍍機將白金觸媒佈植於直接成長含氧奈米碳管(Pt/O-CNT)以及一般奈米碳管上(Pt/Untreated-CNT) ，並利用電化學的實驗來分析碳材載體對觸媒活性的影響。在甲醇氧化反應的測量中我們發現到氧修飾的奈米碳管有增進白金觸媒活性的現象，與Pt/Untreated-CNT相比，Pt/O-CNT可以提升80%的甲醇氧化電流，因為碳管表面含氧官能基的貢獻使得白金觸媒毒化的現象降低不少，因此在氧化甲醇實驗中得到良好的效果，而且含氧官能基均勻的分佈在碳管表面，增強白金觸媒和碳材之間的作用力，減少白金觸媒聚集的現象，因此在穩定度方面也有不錯的結果。

    We study the effect of oxygen incorporation in carbon nanotube for the application as catalyst support in methanol oxidation reation (MOR). We dope oxygen into the microwave plasma enhanced chemical vapor deposition during the CNT growth; oxygen-containing functional groups can form on the side wall of the CNTs, which can enhance the catalystical activity of platinum in MOR. By comparing the activity of Pt/OCNT with different oxygen content, an 80% increasment in the activity has been achieved with oxygen incorporation. Detailed Raman, FTIR, XPS, TEM EELS analysis and long-term stability test have been performed on the Pt/OCNTs for MOR.

    中文摘要 I ABSTRACT II 目錄 III 圖目錄 VI 表目錄 X 第一章 緒論 1 1-1 前言 1 1-1-1 石化燃料危機 1 1-1-2 新能源開發 2 1-2 燃料電池 3 1-2-1 燃料電池的種類[2] 3 1-2-2 質子交換膜燃料電池 4 第二章 文獻探討及研究動機 8 2-1 文獻探討 8 2-1-1 奈米碳管[7] 8 2-1-2 奈米碳管的成長機制[10] 10 2-1-3 奈米碳管的製備方法[10] 12 2-1-4 奈米碳管的修飾 15 2-2 研究動機 19 第三章 實驗步驟與研究方法 22 3-1 實驗流程 22 3-2 實驗藥品及材料 23 3-3 實驗儀器[43] 24 3-3-1 離子濺鍍膜系統 24 3-3-2 微波電漿化學氣相沉積系統 25 3-3-3 射頻磁控濺鍍機 26 3-4 分析鑑定儀器[43] 28 3-4-1 場發射掃描式電子顯微鏡 28 3-4-2 拉曼振動光譜 29 3-4-3 傅立葉轉換紅外線光譜儀 30 3-4-4 穿透式電子顯微鏡 31 3-4-5 化學分析電子光譜 32 3-4-6 電漿偶合原子發射光譜儀 33 第四章 結果與討論 37 4-1 成長奈米碳管 37 4-1-1 催化金屬觸媒沉積 37 4-1-2 微波電漿氣相沉積法成長奈米碳管(O-CNT/CC) 38 4-1-3 O-CNT之SEM影像 40 4-1-4 O-CNT之TEM影像 43 4-1-5 拉曼振動光譜分析 47 4-1-6 傅立葉紅外線光譜分析 50 4-1-7 化學分析電子光譜分析 51 4-1-8 親疏水性質分析 53 4-2 O-CNT之電化學分析 55 4-2-1 O-CNT之基本電化學性質 55 4-2-2 電極製備 61 4-2-3 甲醇氧化反應測試 62 第五章 結論 71 第六章 參考資料 72 圖目錄 圖1-1 國際原油價格走勢[1] 1 圖1-2 質子交換膜燃料電池結構示意圖[2] 5 圖1-3 質子交換膜燃料電池實物照片 5 圖1-4 質子交換膜之化學結構圖[2] 7 圖2-1 穿透式電子顯微鏡下的單壁和多壁奈米碳管[7] 8 圖2-2 奈米碳管不同向量結構的示意圖[9] 9 圖2-3 奈米碳管之成長機制[11] 11 圖2-4 電弧放電沉積法裝置示意圖[15] 13 圖2-5 雷射蒸發沉積法裝置示意圖[16] 13 圖2-6 化學氣相沉積法裝置示意圖 14 圖2-7 奈米碳管修飾示意圖 (A)摻雜[24] (B)表面修飾[22] 17 圖2-8 竹節狀奈米碳管之穿透式電子顯微鏡圖[26] 17 圖2-9 (A)化學法修飾過程 (B)奈米碳管經化學法修飾後之TEM圖[30] 18 圖2-10 臭氧修飾奈米碳管表面機制示意圖[34] 18 圖2-11 加入水氣之後成長之單壁奈米碳管[36] 21 圖2-12 水氣使金屬觸媒再活化之機制和示意圖[37] 21 圖3-1 實驗流程圖 22 圖3-2 離子濺鍍膜系統示意圖 24 圖3-3 微波電漿化學氣相沉積系統示意圖[43] 25 圖3-4 射頻磁控濺鍍機示意圖[43] 27 圖3-5 場發射掃描式電子顯微鏡裝置圖[43] 28 圖3-6 傅立葉轉換紅外線光譜儀裝置圖 30 圖3-7 穿透式電子顯微鏡裝置圖 31 圖3-8 化學分析電子光譜（ESCA PHI 1600）儀器圖[43] 32 圖3-9 三極式電化學分析系統示意圖[43] 36 圖3-10 電化學儀器裝置圖 36 圖4-1 不同倍率下之SEM圖(A)碳布纖維 (B)單一碳布纖維 (C)O-CNT/CC (D)單一碳管 40 圖4-2 含氮奈米碳管之SEM圖[45] 42 圖4-3 五種含氮官能基的結構圖 42 圖4-4 不同含氧量之奈米碳管之SEM圖 43 圖4-5 不同成長條件之奈米碳管之TEM圖 45 圖4-6 不同含氧處理的奈米碳管 (A),(B)UNTREATED CNT和 (C),(D) O-CNT-2利用TEM做EELS MAPPING之電鏡圖 46 圖4-7 不同條件成長之奈米碳管之RAMAN圖 48 圖4-8 不同條件成長之奈米碳管之2D-BAND圖 49 圖4-9未修飾碳管及氧修飾碳管之FTIR圖 50 圖4-10 不同含氧量奈米碳管之XPS 分析 52 圖4-11 不同含氧量的奈米碳管與去離子水之接觸角圖 54 圖4-12 不同條件之碳材載體於0.5 M硫酸水溶液中以10 MV．S-1掃描速率所得之CV圖 55 圖4-13 不同條件之碳材載體於0.1 M赤血鹽 + 1 M硫酸水溶液中以100 MV．S-1的掃描速率所得之CV圖 56 圖4-14 不同條件之O-CNT/CC於0.1 M赤血鹽 + 1 M硫酸水溶液中以不同掃描速率所得之CV圖 58 圖4-15 不同條件之O-CNT/CC以氧化電流對掃描速率的平方根做圖 59 圖4-16 利用RF-SPUTTER沉積白金觸媒在O-CNT/CC之示意圖 61 圖4-17 不同功率所沉積觸媒量的示意圖 61 圖4-18 不同PT/O-CNT電極在0.5 M硫酸水溶液中之CV圖(SCAN RATE : 10 MV‧S-1) 62 圖4-19 不同PT/O-CNT電極在0.5 M硫酸+1 M甲醇水溶液之CV圖(SCAN RATE : 10 MV‧S-1) 64 圖4-20 不同PT/O-CNT電極在0.5 M硫酸+ 1 M甲醇水溶液連續掃描500圈之CV圖 66 圖4-21 不同掃描圈數所得到的氧化甲醇電流圖 67 圖4-22 不同含氧量的奈米碳管所製備的電極在0.5 M硫酸+1 M甲醇水溶液連續掃描500圈之CV圖之甲醇氧化起始電位比較 70 表目錄 表3-1 實驗材料及藥品 23 表4-1 氫氣電漿處理試片表面操作條件 39 表4-2 成長奈米碳管的製程條件 39 表4-3 不同氧氣摻雜量所成長奈米碳管之ID / IG值 48 表4-4 不同含氧量之奈米碳管利用XPS所偵測之原子比例值 52 表4-5 不同氧氣摻雜量所成長CNT/SI WAFER之接觸角圖表 53 表4-6 不同含氧量的碳管所量測的氫氣吸脫附面積之圖表 62 表4-7 不同含氧量的碳管在不同圈數下測量甲醇氧化電流之圖表 68

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