以奈米碳管直接生長於基材產空氣負離子之研究

Generation Negative Air Ions by Carbon Nanotube Directly Grown on Carbon Cloth by Chemical Vapor Deposition

曾顯堯(Xian-Yau Tzeng)

指導教授 ： 李慧梅

國立臺灣大學/工學院/環境工程學研究所/碩士(2014年)

https://doi.org/10.6342/NTU.2014.00323

摘要

本研究目的在於製作攜帶型空氣負離子產生器，產生空氣負離子的方法選用電暈放電法，為方便攜帶必須降低產生空氣負離子所需要的電壓，同時要考量產生空氣負離子之數量與其穩定性。本研究嘗試透過更換不同的電極以降低產生空氣負離子所需電壓，實驗選用奈米碳管直接生長於碳布上做為放電電極，奈米碳管直接生長於碳布上相較於將奈米碳管黏著於基材上有較低的電阻，且奈米碳管較不容易脫落導致產生空氣負離子效果降低。為了避免產生之副產物臭氧過多對人體造成危害，實驗最後亦會監控臭氧之濃度。本實驗之奈米碳管選用六種不同的條件，分別為有無摻雜氮元素、生長時間分別為5分鐘、10分鐘、15分鐘，在相對濕度0%、20%、40%、60%、80%下測量起始電壓、放電穩定性、負離子穩定濃度等性質。
實驗結果顯示摻雜氮的奈米碳管較無摻雜氮的奈米碳管較容易產生叢聚的現象。無摻雜氮的奈米碳管生長時間為5分鐘、10分鐘、15分鐘時的起始電壓分別為2.3kV、1.93kV、2.06kV；氮摻雜的奈米碳管生長時間為5分鐘、10分鐘、15分鐘時的起始電壓分別為3.23 kV、1.86 kV、2.33 kV，生長時間為5分鐘與15分鐘下無摻雜氮的碳管有較低的起始電壓，生長時間為10分鐘時則是氮摻雜的碳管有較低的起始電壓。在相對濕度為0%、20%、40%、60%、80%下測量六種不同的碳管，得到的起始電壓平均值分別為2.22±0.43kV、1.67±0.38kV、1.63±0.38kV、1.63±0.36kV、1.67±0.37kV，顯示在20%~60%有較低的起始電壓。在中間濕度40%、2.5kV下進行穩定放電測試，無摻雜氮的奈米碳管生長時間為5分鐘、10分鐘、15分鐘變異係數分別為5.50%、64.98%、10.75%，氮摻雜的奈米碳管生長時間為5分鐘、10分鐘、15分鐘變異係數分別為20.78%、63.26%、8.84%，顯示生長5分鐘與15分鐘有較好的穩定性。穩定性較高的四個電極：摻雜氮奈米碳管生長時間5分鐘、15分鐘與無摻雜氮奈米碳管摻雜氮奈米碳管生長時間5分鐘、15分鐘，並從其中選出負離子穩定濃度高於200×103ions/cm3、起始電壓最低的電極-無摻雜氮生長15分鐘的奈米碳管，進行放電距離、濕度與負離子濃度之關係，結果顯示距離越遠偵測到的空氣負離子濃度越低。且在2.5kV下連續放電30分鐘，每五分鐘偵測到的臭氧濃度分別為1.5ppb、2.1ppb、0.8ppb、1.8ppb、2.4ppb、1.6ppb，低於空氣品質表準法中的0.06ppm，過程中產生的臭氧並不足以危害人體健康。
無摻雜氮生長15分鐘的奈米碳管起始電壓在1.9~2.0kV，在2.5kV下連續放電的變異係數為10.75%、平均濃度約773×103ions/cm3，為本研究最適合產生空氣負離子之奈米碳管，與林(2009)研究中將奈米碳管沾附於鐵基材上比較，奈米碳管沾附與鐵基材能有較低的起始電壓(0.5kV)，但連續放電不到3分鐘負離子濃度會迅速的衰減至開啟的10%，因此在長期使用考量下本研究之碳管能有較好的產生負離子效果。

關鍵字

空氣負離子 ； 電暈放電 ； 化學氣象沉積 ； 碳布 ； 奈米碳管

並列摘要

The purpose of this study is to produce a portable negative air ion (NAI) generator. NAI generated by corona discharge. In order to be portable, voltage which produces air ions needed should be reduced. This study attempts to replace the different electrode to reduce the voltage required to produce NAI. In this study chose carbon nanotubes directly (CNTs) grown on carbon cloth as the discharge electrode. It has lower resistance than the CNTs stick to the substrate. In this study, CNT have six terms, they are doped nitrogen (CNT-N) or not (CNT), growing time that is 5min, 10min, 15min. In this study measures starting voltage, stability of discharging and steady concentration of NAI in RH=0%, 20%, 40%, 60%, 80%,.
The result of experiment reveal CNT-N is easier gathering than CNT. Growing time of CNT in 5min, 10min, 15min that their starting voltage is 2.3kV、1.93kV、2.06kV; Growing time of CNT-N in 5min, 10min, 15min that their starting voltage is 3.23 kV、1.86 kV、2.33 kV. It revels CNT have lower staring voltage in 5min and 15min. CNT-N in 10min have lower starting voltage. Measuring six different CNTs in relative humidity is 0%, 20%, 40%, 60%, 80%, the average value of starting voltage is 2.22±0.43kV、1.67±0.38kV、1.63±0.38kV、1.63±0.36kV、1.67±0.37kV, showing in 20%~60% has lower starting voltage. Testing in stability with humidity 40% and 2.5kV, growing time of CNTs-blank in 5min, 10min, 15min their coefficient of variation is 5.50%、64.98%、10.75%, growing time of CNT-N 5min, 10min, 15min their coefficient of variation is 20.78%、63.26%、8.84%, they reveal growing in 5min and 15min have better stability. Four electrode with higher stability : growing time of CNTs-N in 5min, 15min and growing time of CNTs-blank in 5min, 15min. Chose the steady concentration of NAI is higher than 200×103ions/cm3 and growing time of CNT in 15min (CNT-15) which starting voltage is the lowest electrode as the best electrode. Observing the relation of distance, humidity and concentration of NAI which generated by CNT-15. The result reveal when the longer distance between detector and generator the lower concentration of NAI. And continuous discharging electricity in 30 min, detecting concentration of ozone is 1.5ppb、2.1ppb、0.8ppb、1.8ppb、2.4ppb、1.6ppb, lower 0.06ppm in air quality law, in the course, producing ozone is not enough to endanger human body.
Starting voltage of CNT-15 between 1.9~2.0kV. Coefficient of variation is 10.75%, average of concentration of NAI is around 773×103ions/cm3 , while CNT-15 discharge at -2.5kV and R.H.=40%. CNT 15 is most suitable CNTs to producing NAI in this study. Compare CNT-15 with research of 林(2009) stick carbon nanotubes on iron substrate (Fe-CNT), Fe-CNT has lower starting voltage(0.5kV). Fe-CNT can produce NAI only for 3 min. Consider the produce time of NAI, CNT-15 is better than Fe-CNT.

並列關鍵字

Negative air ion ； Corona discharge ； CVD ； carbon cloth: carbon nanotube

參考文獻

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