臺北科技大學化學工程研究所學位論文
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本研究分為兩部分，包括：（1）以商用鋁板(#1070)做為鋁陽極處理膜(Anodic Aluminum Oxide,AAO)之基材，製作奈米模板。（2）利用電沉積法 (electrodeposition) 於奈米模板孔隙中製備釩氧化物(VxOy)奈米柱。其中，利用實驗設計法搭配變異數分析(Analysis of Variance)做進一步之研究，電沉積法之控制變因包括：釩酸鈉溶液濃度、操作電壓和沉積時間，並探討對產氫實驗的影響與效率。 鋁板經電解拋光後，利用草酸電解液於實驗條件控制下經過陽極處理(AAO)獲得奈米模板。該模板經電化學製程後，表面會形成一具高規則孔隙之高品質奈米模板薄膜。使用電沉積法利用釩酸鈉(Na3VO4)溶液為反應溶液，並利用外加電壓0.3V之輔助，使釩離子沉積於AAO模板內，待乾燥後VxOy奈米柱即形成。將所製作之VxOy奈米柱，以鉻酸和磷酸混合液（6vol% H3PO4+ 1.8wt% chromic acid（CrO3））於恆溫(25℃）下移除奈米模板，製成奈米柱。本研究利用化學分析能譜儀(Electron Spectroscopy for Chemical Analysis, ESCA)、場發電子顯微鏡 (Field Emission-Scanning Electron Microscope, FE-SEM)及能量散射光譜儀(Energy Dispersive Spectrometer, EDS)分析其電沉積產物之物理及化學性質。
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本研究主要以光沉積法製備奈米金觸媒，並探討不同的照光形式及溶液酸鹼值，對所合成金觸媒之一氧化碳催化影響。 本研究係利用四氯金酸作為金的前驅物，二氧化鈦(P25)作為觸媒載體。此外，本實驗以LED燈為光源，並搭配可調頻控制器與監控示波器，自製一套光還原合成系統。實驗規劃係利用實驗設計法搭配變異數分析(Analysis of Variance, ANOVA)進行實驗規劃與探討，主要分析因子有照光頻率、照光工作週期、照光時間和前驅物溶液pH值。再者，所合成之觸媒利用相關儀器進一步物性與化性分析。以X-射線繞射儀（X-ray Diffraction，XRD）進行觸媒材料成分分析；以X-光螢光分析儀（X-ray Fluorescence Spectrometer，XRF）進行元素定性和半定量分析；以穿透式電子顯微鏡（Transmission Electron Microscopy，TEM）來觀察觸媒微粒子形貌、粒徑大小與分佈；透過電子能譜化學分析儀 ( Electron Spectroscopy for Chemical Analysis，ESCA)分析金觸媒樣品之化學態；原位傅立葉散射-反射紅外光譜技術 ( in situ Diffuse Reflectance Infrared Fourier Transform Spectroscopy，in situ DRIFTS) 監控金觸媒表面與一氧化碳或二氧化碳氣體分子的反應情形，藉以觀察氣體分子於觸媒表面之吸、脫附反應行為；以氣相層析儀( Gas Chromatography，GC) 偵測不同溫度下，一氧化碳轉化成二氧化碳之轉化率。最後，將上述所得實驗結果進一步分析，推測由光沉積法合成奈米金觸媒之顯著因子，並評估合成奈米金觸媒的最佳合成條件。
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本研究主要以硼氫化鈉（NaBH4）來還原廢水中高濃度的硝酸根離子，探討硝酸鹽氮於不同實驗條件下之去除效果。實驗係以藥品級硝酸鈉(NaNO3)粉末配製模擬高濃度硝酸根之廢水，並加入不同添加量之硫酸銅（CuSO4）或氫氧化銅（Cu(OH)2）作為反應之起始劑，其中部分樣品利用5N氫氧化鈉（NaOH）水溶液調整其溶液之酸鹼濃度，再加入不同添加量之硼氫化鈉後，在60℃下反應一小時，記錄pH值與氧化還原電位(ORP)之變化。然後利用離子層析儀(Ion chromatography)檢測反應後溶液中殘留之硝酸根與亞硝酸根之濃度，探討硫酸銅 、氫氧化銅與硼氫化鈉用量以及溶液的酸鹼值對去除硝酸根之影響。此實驗可處理高達11297ppm之模擬硝酸根濃度廢液，當以硫酸銅為起始劑時，其去除率可達81％；而在某些濃度的試樣，加入硫酸銅後再調整pH至鹼性或將起始劑改成氫氧化銅時，其硝酸根離子之去除率可高達九成甚至達到完全去除的地步。本研究結果發現，此實驗在沒有加入起始劑的情況下，利用硼氫化鈉當還原劑之反應無法順利還原硝酸根。在不同pH值的條件下，pH值為10之鹼性溶液較無調整者有更佳的硝酸鹽氮之去除能力。另一方面在相同酸鹼值之條件下，當硝酸根起始濃度越來越高時，可以看出硫酸銅為起始劑時，其硝酸根的去除效果與氫氧化銅為起始劑時效果差異不大，但在成本上的考量以及藥品取得方便的情況下，選擇硫酸銅為此反應之起始劑為最佳的選擇。
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本研究主要分為兩部分來討論，第一部份我們使用電化學方法製備了鉑-二氧化錳玻璃碳電極，使用循環伏安法和微分脈衝伏安法分析鉑-二氧化錳薄膜修飾電極的電催化特性應用於對苯二酚和鄰苯二酚的並存偵測，利用掃描式電子顯微鏡的特性觀察薄膜的表面形態，這薄膜的表面形態顯示良好的電催化特性並有助於對苯二酚和鄰苯二酚的氧化還原反應，利用循環伏安法分析薄膜偵測對苯二酚和鄰苯二酚的混合溶液顯示出良好的氧化還原波峯，利用微分脈衝伏安法分析鉑-二氧化錳修飾玻璃碳電極偵測對苯二酚和鄰苯二酚的混合溶液，出現明顯的還原波峯，鉑-二氧化錳修飾電極當中的鉑有助於電極表面的電子轉移，可以增加2倍的電流，不同濃度的對苯二酚和鄰苯二酚的偵測結果以線性迴歸表示，偵測的濃度範圍分別為15.7至427 μM 和 19.6至427 μM。 第二部份是利用鉑奈米微粒的特性應用在電催化和感測器上，為了提供一個穩定的載體以穩定鉑沉積和避免污損，本研究藉由電化學方法合成鉑-聚二苯胺複合薄膜沉積在玻璃碳電極上，而利用掃描式電子顯微鏡和電化學阻抗頻譜研究鉑-聚二苯胺複合薄膜特性。使用掃描式電子顯微鏡進行研究，顯示出鉑奈米微粒在聚二苯胺表面有良好的附著性，藉由循環伏安法和計時安培法可研究鉑-聚二苯胺複合薄膜修飾電極的電催化特性，應用在亞硝酸根離子的氧化。循環伏安圖顯示出使用鉑-聚二苯胺複合薄膜修飾電極偵測亞硝酸根離子產生的氧化波峰電壓在0.85 V，在測試過程中的氧化波峰電壓偏移了0.33 V，由此可顯示出鉑-聚二苯胺複合薄膜良好的電催化活性，接續使用計時安培法進行鉑-聚二苯胺複合薄膜測定亞硝酸鹽的定量分析，結果顯示出偵測亞硝酸鹽的濃度範圍可從1 μM至10.6 mM，有良好的線性範圍及不到1秒的應答時間，此鉑-聚二苯胺的複合材料可應用於電化學分析和感測器。
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非洲嗜睡症是由一種微小的原生動物-錐蟲所引起，寄生在動物的血液中；錐蟲會經體表進入人體血液，當發育到一定程度時會沿著人的循環系統侵入腦脊髓，使人發生昏睡而發病。然而現階段有關此類疾病的治療藥物非常少，即使是有效的藥物，開發至今也都已經超過40年，而且都具有強大的副作用。為了深入了解真正的藥效機制與研發新型不具副作用的藥物，我們使用了電腦輔助藥物設計元件中的藥效基團、比較力場分子分析、虛擬篩選、分子嵌合與分子動態模擬來進行本研究。首先，我們分別以44個與34個錐蟲體內粒線體之特殊DNA序列抑制劑分別架設藥效基團以及定量構效關係模型。在藥效基團的模型方面，我們以Hypogen法來架設模型並使用線性迴歸法以及Guner–Henry (GH) 評分方式進行驗證。結果顯示，藥效基團模型(Hypo1)有最高的線性迴歸係數(R=0.93)，並有高的GH評分值(0.82)，證明此模型具有良好的藥物活性預測能力，故我們以此模型進行了NCI化學資料庫的虛擬篩選，篩選出的化合物在藉由分子嵌合與分子動態模擬實驗評估其結合力強弱，最後，我們依據藥物對藥效基團的吻合度、化合物對目標DNA的氫鍵結合力強度與和分子動態模擬分析結果選出了一個能作為未來藥物開發上可能的前導藥物。在定量構效關係方面，我們使用了3D-QSAR generation模組進行模型建立並以線性迴歸法及交叉驗證法作為其驗證方式。實驗結果發現，第一組比較力場分子分析模型最具可靠的迴歸值(R2=0.95)，而經由交叉驗證法所得到的值(q2 = 0.57)都証明了此模型有很高的可信度，故我們根據此比較力場分子分析模型所提供的結構資訊作為依據分別設計了8種化合物分子，並藉由分子嵌合與預測活性計算出這些化合物都具備高度的結合活性。在本研究中，我們成功的利用多種電腦輔助藥物設計元件進行了錐蟲體內粒線體之特殊DNA序列之藥物開發實驗，而實驗中搜尋與開發出的化合物分子期望在將來可以進一步的進行體外生物實驗來測試實際的藥物活性。
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蒸餾塔是化學工業中常用且重要的程序之一，藉由物質沸點的不同，達到分離與純化的效果。本研究期望開發出一座雙成份常壓蒸餾塔，使用者輸入欲分離之成份參數、蒸餾塔總板數、進料板位置、塔頂回流量、塔底加熱量等，便可進行穩態模擬，再藉由穩態模擬結果進行動態模擬，以提供學習使用 本研究利用Microsoft Visual Basic 2010程式語言作為視窗程式之開發工具，程式之撰寫是以質量平衡、能量平衡、相平衡作為基礎，並建立各個單元之副程式模組，再加入塔頂與塔底控制器來達到控制產品品質的目的，整合成一完整的視窗模擬程式。 由模擬結果可知，其穩態數據與文獻相近且動態應答合理。因此本模擬程式可幫助了解雙成份蒸餾塔之特性以及控制策略之研究。
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在高等控制策略中，串級控制是最廣泛應用的方法之一。雖然串級控制擁有許多優點，但調諧上卻仍有一些不方便存在。使用傳統的串級控制調諧方法，在調諧過程中必須進行二次模式識別。在調諧方法的選擇部分，目前除了傳統的調諧方法外，已有一些人投入串級控制的調諧研究中，並提供了一些調諧方法，但因為各種方法的優缺點不同，沒有任何一種方法是唯一的選擇。本研究的目的為開發一串級控制調諧之電腦輔助程式，讓使用者可以選擇各種不同的方法進行控制器調諧，再根據不同方法的應答表現指標與穩定度指標進行控制的參數選擇。 本程式所提供的模式識別功能中，使用者只需利用次控制器製造一次輸出值的階梯擾動，並同時紀錄內、外環路的應答，程式即可識別各種調諧方法所需的程序模式。 程式除了提供利用傳統的串級控制調諧方法調諧控制器參數外，並提供Lee et. al.、Song et. al.、Vivek and Chidambaram與Lopez所建議的調諧方法。另外，本程式還提供在滿足系統穩定度需求的條件下，搜尋使目標函數IAE值最小的控制器調諧參數。 根據控制器調諧參數，本程式能進行動態應答模擬與頻率應答分析，提供系統的IAE、ITAE、ISE應答表現指標與增益邊距、相位邊距等穩定度指標，做為選擇調諧方法的依據。
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利用一甲基二硝基的三苯胺1,3,4-噁二唑結構，將甲基氧化成羧基，更進一步將二硝基以Pd/C-聯胺還原後，合成具有一新型三苯胺1,3,4-噁二唑結構(6)含有一羧基二胺基AB2的單體進行自我縮聚反應形成具有多數末端胺基之官能基。此高分歧化聚醯胺為含有大量的胺基末端基，其與acetyl chloride、benzoyl chloride、4-nitrobenzoyl chloride、pentanoyl chloride、1-(4-methoxyphenyl)ethanone進行末端基取代反應後,有較好的溶解性如DMSO,DMF,NMP,DMAc。 以FT-IR和NMR鑑定其結構；UV及PL光譜分析其光學性質；以TGA和DSC測定其熱性質。高分歧聚醯胺的NMP溶液在264~284nm和372~382nm有UV-vis吸收峰，而434~560nm有PL放射峰。其熱性質玻璃轉移溫度並無看出，在氮氣下的5％重量損失溫度為344~455℃，黏度為0.09~0.14 dL/g。其電化學性質是由循環伏安法所檢測，高分歧化聚醯胺的HOMO和LUMO值可藉由氧化電位和吸收光譜的起始波長計算而得，分別是-5.34~ -5.2 eV and -2.82~ -2.73 eV。
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人工關節摩擦時所產生的磨耗顆粒會引起人體生理反應，尤其是超高分子量聚乙烯與Co-Cr-Mo合金的磨耗顆粒更會引發一連串免疫反應，造成人工關節鬆脫而須進行人工關節再置換手術。關節液分子藉由不同的潤滑機制保護對磨表面，達到潤滑的效果，而不同關節液分子於潤滑時所扮演的功能性也不同；不同關節液分子間也會有交互作用，亦會造成不同的潤滑機制。因此我們希望能深入探討關節液成分對人工關節材料的潤滑行為，以瞭解潤滑液分子於摩擦系統中所扮演的角色。 本研究利用奈米力學量測系統，以微觀的角度針對潤滑液的潤滑行為進行深入探討，期望能分析出潤滑液分子微觀的潤滑性質，藉以討論潤滑液分子巨觀的潤滑行為。從實驗結果發現單成份白蛋白濃度越高時刮痕摩擦係數越大，但單成份玻尿酸的刮痕摩擦係數並不會隨濃度升高而變化；白蛋白溶液中添加玻尿酸並無降低刮痕摩擦係數，且刮痕摩擦係數隨混合液中白蛋白濃度升高而增加，因此我們推測白蛋白會吸附於Co-Cr-Mo合金而影響摩擦係數，玻尿酸則較無吸附行為而對刮痕摩擦係數較無影響。當白蛋白因關節摩擦生熱而受熱變性時，其刮痕摩擦係數將隨受熱溫度升高而增加，且白蛋白的變性將使其吸附薄膜變形能力降低且硬度增加，由此推測白蛋白吸附薄膜之機械性質變化為摩擦係數升高的原因。未來仍須對不同關節液分子進行微觀刮痕實驗，以釐清各種潤滑液分子之潤滑機制，找出最佳潤滑效果之潤滑液成份。
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導電高分子在1977年被發現以來，便是許多科學家不曾中斷的研究對象，在不同類型的導電聚合物中，聚苯胺因為它獨特的電化學特性和環境的穩定性，能夠供給商業應用的相當大的潛能，因此以聚苯胺為主的複合材料目前正吸引許多關注，原因是聚苯胺只要少量便能使聚合物混和導電且單體價格低廉。 近年十分熱門的奈米碳材是石墨烯，它具有非常良好的各種物理性質，為了使其量產化並達到降低生產成本，不論學術界或業界，都有許多人員紛紛投入石墨烯製備的研究。本研究主要是藉由石墨烯極佳的導電性質與近乎透明的透光度兩項特性，期望維持聚苯胺的光學性質，並提升其導電能力，延伸其應用範疇。 聚苯胺/(官能化)石墨烯複合薄膜製備完成後，經由SEM、FT-IR、UV-Vis、Four-Point-Probe、CV以及白光干涉儀等儀器進行化學性質和物理性質的分析，最後將薄膜應用在染敏電池中的電極，模擬太陽光系統，進行效率測試。 經過儀器分析及效率測試後，證實石墨烯的添加的確增進聚苯胺的導電能力以及電化學表現，且聚苯胺/石墨烯複合薄膜的光電轉換效率最佳條件為0.3%，聚苯胺/官能化石墨烯複合薄膜光電轉換效率最佳條件則為0.5%，兩種薄膜皆能使未加入石墨烯的聚苯胺效率提升。