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  1. NTU Theses and Dissertations Repository
  2. 工學院
  3. 化學工程學系
請用此 Handle URI 來引用此文件: http://tdr.lib.ntu.edu.tw/jspui/handle/123456789/63385
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dc.contributor.advisor吳紀聖
dc.contributor.authorJiun-Jen Chenen
dc.contributor.author陳鈞振zh_TW
dc.date.accessioned2021-06-16T16:38:27Z-
dc.date.available2013-10-12
dc.date.copyright2012-10-12
dc.date.issued2012
dc.date.submitted2012-09-27
dc.identifier.urihttp://tdr.lib.ntu.edu.tw/jspui/handle/123456789/63385-
dc.description.abstract本研究探討奈米金顆粒的侷域性表面電漿共振(Localized Surface Plasmon Resonance, LSPR)對二氧化鈦光觸媒催化活性的影響。於實驗中建立兩套光催化反應系統,分別為亞甲基藍溶液降解及光催化水分解產氫,用以比較各種觸媒的光催化活性。
在亞甲基藍降解實驗中,能引發奈米金LSPR效應的可見光光源波長約在530 nm左右。實驗結果顯示,在能促使奈米金產生LSPR效應的可見光光源(波長為400-700 nm,光強度為185k lux)照射6小時後,使得亞甲基藍達31.5%降解。而在另外附加光過濾片(只能讓250-450 nm的波長通過,光強度為185k lux)的光源照射下,無法產生LSPR效應的奈米金僅促使19%的亞甲基藍降解。奈米金的LSPR效應加強了亞甲基藍的降解。
此外,本研究成功地以熱水解法製備了厚度約300 nm的二氧化鈦薄膜及以檸檬酸鈉還原法製備奈米金懸浮液。並將奈米金顆粒負載於二氧化鈦薄膜(Au/TiO2)。另外,也成功地製備了殼層厚度為3 nm二氧化矽的奈米金-二氧化矽核殼結構,並將其負載於二氧化鈦薄膜(Au@SiO2/TiO2)。添加上述各種不同的觸媒於亞甲基藍溶液中,在紫外光(365 nm, 光強度為5.5 mW/cm2)及可見光(400-700 nm, 光強度為185k lux)同時照射5小時後,觀察亞甲基藍降解程度,比較各種觸媒對光催化活性。結果顯示,亞甲基藍降解程度:Au@SiO2/TiO2 > Au/TiO2 > TiO2 ,降解效果最好的Au@SiO2/TiO2觸媒可使亞甲基藍溶液在光源照射5小時後降解達95%。3 nm二氧化矽殼層增強了奈米金的LSPR效應。
而在水分解產氫實驗中,以光沈積法成功地製備了3wt.% Au/TiO2。3wt.%Au/TiO2在單獨紫外光(254 nm, 光強度為30 mW/cm2)或紫外光(254 nm, 光強度為30 mW/cm2)與可見光(400-700 nm, 光強度為185k lux)同時照射7小時下的產氫量分別為35.04 μmol/g-cat及53.75 μmol/g-cat。在紫外光及可見光同時照射下,能引發LSPR效應的觸媒可得到最大產氫量。由於奈米金能延緩光激發所產生的電子電洞對再結合,此外,由於其LSPR效應,因而提昇了氫氣的產量。而產生的氫氣與氧氣符合水分解之化學劑量比例2:1。
最後,利用有限元素分析法來模擬電場強度的變化,用以輔助說明實驗結果。當奈米金存在時,奈米金特殊的LSPR效應確實增強了其周圍的電場強度,我們認為此電場增強現象可視為一外加電場,因而促致光催化效果增加。另外,由模擬結果也可證實當奈米金被一層適當厚度的二氧化矽包覆後並負載於光觸媒時,確實有助於增強奈米金的LSPR效應,因而比起單獨只有奈米金負載於光觸媒更能增加光催化活性。
zh_TW
dc.description.abstractThis research studies the LSPR (Localized Surface Plasmon Resonance) effect of gold nanoparticles on the photoactivity of TiO2. Two photocatalytic reaction systems, methylene blue (MB) photodegradation and hydrogen production by photocatalytic water splitting, the photocatalytic activity of various photocatalysts were compared.
In the MB photodegradation, the wavelength of visible light that can induce the LSPR effect of gold nanoparticles is around 530 nm. The experimental results showed that the gold nanoparticles with LSPR effect can achieve 31.5% of MB photodegradation after 6 h of visible light irradiation (the wavelength of light is 400-700 nm, the intensity of light is 185k lux). Whereas under filtered light (only wavelength of 250-450 nm can pass through, the intensity of light is 185k lux), the MB degradation only reached 19%. The gold nanoparticle’s LSPR effect enhanced the photodegradation of methylene blue.
Furthermore, a 300 nm-thick TiO2 film was successfully prepared by thermal hydrolysis method. Gold nanoparticle dispersion was prepared by sodium citrate reduced method and was later loaded unto the TiO2 film (Au/TiO2). Also, the gold nanoparticles coated by 3 nm-thick SiO2 shell was similarly loaded onto the TiO2 film (Au@SiO2/TiO2). The photocatalytic activities were compared by MB photodegradation again. Under 5 h of UV light (365 nm, the intensity of light is 5.5 mW/cm2) and visible light (400-700 nm, the intensity of light is 185k lux) irradiation simultaneously, the MB degradation results: Au@SiO2/TiO2 > Au/TiO2 > TiO2. The maximum MB photodegradation which was achieved by Au@SiO2/TiO2 was 95%. In short, the 3 nm of SiO2 shell enhanced the LSPR effect of gold nanoparticles.
3wt.%Au/TiO2 was successfully fabricated by photodeposition method. In water splitting, 3wt.%Au/TiO2 enhanced the production of H2 to 35.04 μmol/g-cat under 7 h of UV light irradiation (254 nm, the intensity of light is 30 mW/cm2). Under 7 h of UV light (254 nm, the intensity of light is 30 mW/cm2) and visible light (400-700 nm, the intensity of light is 185k lux) irradiation at the same time, 53.75 μmol/g-cat of H2 was produced. Because visible light can induce the LSPR effect of gold nanoparticles, it yielded a better production of the two. Gold nanoparticles can retard the recombination of electron and hole, additionally because of the LSPR effect, the production of H2 was increased. The ratio of H2 and O2 production corresponded to the stoichiometric ratio of water splitting.
Finally, we simulated the change of electric field intensity with finite element method (FEM). When gold nanoparticles were present, the LSPR effect of gold nanoparticles enhanced the surrounding electric field intensity. We consider this enhancement to be an extra electric field, which improved the photocatalytic activity. Also, the simulation result proved that when gold nanoparticles were coated with a 3-nm SiO2 shell, the LSPR effect was further enhanced compared to bare gold nanoparticle.
en
dc.description.provenanceMade available in DSpace on 2021-06-16T16:38:27Z (GMT). No. of bitstreams: 1
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Previous issue date: 2012
en
dc.description.tableofcontents摘要 I
Abstrct III
目錄 V
表目錄 VIII
圖目錄 IX
第一章 緒論 1
第二章 文獻回顧 4
2.1 光觸媒 4
2.1.1 光觸媒催化原理 4
2.1.2 二氧化鈦光觸媒特性介紹 7
2.1.3 二氧化鈦的製備方法 10
2.1.4 二氧化鈦塗佈技術 15
2.1.5 金屬添加改質二氧化鈦 18
2.1.6 光催化亞甲基藍降解 19
2.1.7 光催化水分解產氫 20
2.2 奈米金觸媒 22
2.2.1奈米粒子的製備方法 22
2.2.2以化學還原法製備奈米金顆粒 28
2.2.3奈米金負載於擔體的製備方法 31
2.3 表面電漿共振 37
2.3.1表面電漿子 37
2.3.2介電物質與金屬介面的表面電漿共振 37
2.3.3侷域性表面電漿共振 38
2.3.4奈米金屬的表面電漿共振特性 40
2.3.5表面電漿共振的應用 49
2.4 複合材料 51
2.4.1核殼結構的種類 51
2.4.2核殼結構的製備方法 54
2.5 表面電漿共振現象與化學反應 59
第三章 實驗原理與方法 65
3.1 藥品與器材 65
3.1.1 藥品 65
3.1.2 器材 66
3.2 基板潔淨程序 67
3.3 觸媒之製備 68
3.3.1 奈米金顆粒懸浮液 68
3.3.2 奈米金顆粒負載於二氧化鈦薄膜 69
3.3.3 二氧化矽包覆奈米金顆粒負載於二氧化鈦薄膜 71
3.3.4 奈米金顆粒負載於二氧化鈦顆粒 72
3.4 觸媒特性分析原理與方法 74
3.4.1 儀器型號與規格 74
3.4.2 X光繞射儀 76
3.4.3 紫外光可見光光譜儀 80
3.4.4 場發射掃描式電子顯微鏡 82
3.4.5 能量分散光譜儀 83
3.4.6 穿透式電子顯微鏡 84
3.4.7 比表面積分析儀 85
3.4.8 動態光散射粒徑分析儀及界面電位分析儀 85
3.4.9 X光光電子能譜儀 86
3.4.10氣相管柱層析儀–熱導偵測器 87
3.4.11火焰式原子吸收光譜儀 89
3.5亞甲基藍染料降解反應 90
3.6光催化水分解反應 94
3.6.1 檢量線製作 94
3.6.2 光催化水分解產氫系統 101
3.6.3 訊華軟體—SISC色層分析數據處理系統 110
3.7數值模擬計算 111
第四章 實驗結果與討論 112
4.1亞甲基藍降解 112
4.1.1 觸媒檢測與特性分析之結果 112
4.1.1.1 奈米金顆粒 112
4.1.1.2 奈米金-二氧化矽核殼結構 115
4.1.1.3 二氧化鈦薄膜 119
4.1.1.4 奈米金-二氧化矽核殼結構負載於二氧化鈦薄膜 124
4.1.2 亞甲基藍降解結果 126
4.1.2.1 附加光濾片的影響 126
4.1.2.2 二氧化矽包覆的影響 129
4.1.3 亞甲基藍降解模擬結果 132
4.2 水分解產氫 136
4.2.1 觸媒檢測與特性分析之結果 136
4.2.2 空白實驗 142
4.2.3 水分解光催化結果 144
4.2.4 水分解產氫模擬結果 147
第五章 結論與建議 152
第六章 參考文獻 153
附錄 171
個人小傳 179
dc.language.isozh-TW
dc.subject核殼結構zh_TW
dc.subject光催化反應zh_TW
dc.subject奈米金顆粒zh_TW
dc.subject侷域性表面電漿共振zh_TW
dc.subject電場模擬zh_TW
dc.subjectLSPRen
dc.subjectElectric field simulationen
dc.subjectPhotocatalysisen
dc.subjectGold nanoparticleen
dc.subjectCore-shell structureen
dc.title奈米金之侷域性表面電漿共振效應對光催化反應之研究zh_TW
dc.titleLocalized Surface Plasmon Resonance effect of Gold Nanoparticles on Photocatalytic reactionen
dc.typeThesis
dc.date.schoolyear101-1
dc.description.degree博士
dc.contributor.oralexamcommittee萬本儒,陳賢燁,鄧熙聖,白曛綾,蔡定平
dc.subject.keyword光催化反應,奈米金顆粒,侷域性表面電漿共振,核殼結構,電場模擬,zh_TW
dc.subject.keywordPhotocatalysis,Gold nanoparticle,LSPR,Core-shell structure,Electric field simulation,en
dc.relation.page180
dc.rights.note有償授權
dc.date.accepted2012-09-27
dc.contributor.author-college工學院zh_TW
dc.contributor.author-dept化學工程學研究所zh_TW
顯示於系所單位:化學工程學系

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