演講主題:鈦酸鹽奈米管吸附劑之製備、鑑定及應用
演講者:萬能科技大學環境工程系教授 李中光教授
講座主持人:邱英嘉研發長
記錄者:吳政龍
記錄者指導教授:孫茂誠 教授
共同指導: 李季燃 教授
日期:101.5.2( 15: 10~17 :00 )
奈米碳管:奈米碳管,與金剛石、石墨、富勒烯一樣,是碳的一種同素異形體。
奈米碳管是在1991年1月由日本筑波NEC實驗室的物理學家飯島澄男使用高解析度分析電鏡從電弧法生產的碳纖維中發現的[1]。它是一種管狀的碳分子,管上每個碳原子採取SP2雜化,相互之間以碳-碳σ鍵結合起來,形成由六邊形組成的蜂窩狀結構作為奈米碳管的骨架。每個碳原子上未參與雜化的一對p電子相互之間形成跨越整個奈米碳管的共軛π電子云。按照管子的層數不同,分為單壁奈米碳管和多壁奈米碳管。管子的半徑方向非常細,只有奈米尺度,幾萬根奈米碳管並起來也只有一根頭髮絲寬,奈米碳管的名稱也因此而來。而在軸向則可長達數十到數百微米。
奈米碳管不總是筆直的,局部可能出現凹凸的現象,這是由於在六邊形結構中混雜了五邊形和七邊形。出現五邊形的地方,由於張力的關係導致奈米碳管向外凸出。如果五邊形恰好出現在奈米碳管的頂端,就形成奈米碳管的封口。出現七邊形的地方奈米碳管則向內凹進。奈米碳管的應用前景:
利用奈米碳管的性質可以製作出很多性能優異的複合材料。例如用奈米碳管材料增強的塑料力學性能優良、導電性好、耐腐蝕、屏蔽無線電波。使用水泥做基體的奈米碳管複合材料耐衝擊性好、防靜電、耐磨損、穩定性高,不易對環境造成影響。奈米碳管增強陶瓷複合材料強度高,抗衝擊性能好。[6]奈米碳管上由於存在五元環的缺陷,增強了反應活性,在高溫和其他物質存在的條件下,奈米碳管容易在端面處打開,形成一個管子,極易被金屬浸潤、和金屬形成金屬基複合材料。這樣的材料強度高、模量高、耐高溫、熱膨脹係數小、抵抗熱變性能強。
奈米碳管還給物理學家提供了研究毛細現象機理最細的毛細管,給化學家提供了進行奈米化學反應最細的試管。奈米碳管上極小的微粒可以引起奈米碳管在電流中的擺動頻率發生變化,利用這一點,1999年,巴西和美國科學家發明了精度在10-17kg精度的「奈米秤」[7],能夠稱量單個病毒的質量。隨後德國科學家研製出能稱量單個原子的「奈米秤」。 奈米碳管還用來構建各種微奈米器件,最成功的例子是用雙壁奈米碳管製作世界上最小的奈米馬達,不過目前這類研究還停留在實驗階段,離應用還有一段距離。但是碳管提供的可能性吸引了大量科學家,相信離實際應用不遠了。鈦酸鹽奈米管之水熱合成法是由 Kasuga 於 1999 年所提出:
1. 此方法首先將二氧化鈦奈米顆粒溶於 10 M 之氫氧化鈉 溶液中,
2. 接著,將其移入高壓釜反應器中,在不同的反應時間及溫度下進行水熱反應即可形成鈉鈦酸鹽奈米管,
3. 最後,將所得鈉鈦酸鹽奈米管沉澱物過濾,並使用 1 N 之 HCl 溶液及去離子水來洗滌沉澱物直到濾液之 pH 值接近至 7 為止。
鈦酸鹽/二氧化鈦奈米管之應用:
1. 在催化劑、半導體材料及光電材料上具有相當大之潛能。
2. 另外,由於其具有高比表面積、高孔隙體及高陽離子交換容量,因此亦相當適合作為 吸附劑。
鈦酸鹽奈米管吸附劑之改質:原理:
有機鈦酸鹽奈米管複合物之製備則是透過陽離子交換程序將鈦酸鹽奈米管內之鈉離子使用十六烷基三甲基銨離子 (HDTMA) 置換出來。
奈米碳管是在1991年1月由日本筑波NEC實驗室的物理學家飯島澄男使用高解析度分析電鏡從電弧法生產的碳纖維中發現的[1]。它是一種管狀的碳分子,管上每個碳原子採取SP2雜化,相互之間以碳-碳σ鍵結合起來,形成由六邊形組成的蜂窩狀結構作為奈米碳管的骨架。每個碳原子上未參與雜化的一對p電子相互之間形成跨越整個奈米碳管的共軛π電子云。按照管子的層數不同,分為單壁奈米碳管和多壁奈米碳管。管子的半徑方向非常細,只有奈米尺度,幾萬根奈米碳管並起來也只有一根頭髮絲寬,奈米碳管的名稱也因此而來。而在軸向則可長達數十到數百微米。
奈米碳管不總是筆直的,局部可能出現凹凸的現象,這是由於在六邊形結構中混雜了五邊形和七邊形。出現五邊形的地方,由於張力的關係導致奈米碳管向外凸出。如果五邊形恰好出現在奈米碳管的頂端,就形成奈米碳管的封口。出現七邊形的地方奈米碳管則向內凹進。奈米碳管的應用前景:
利用奈米碳管的性質可以製作出很多性能優異的複合材料。例如用奈米碳管材料增強的塑料力學性能優良、導電性好、耐腐蝕、屏蔽無線電波。使用水泥做基體的奈米碳管複合材料耐衝擊性好、防靜電、耐磨損、穩定性高,不易對環境造成影響。奈米碳管增強陶瓷複合材料強度高,抗衝擊性能好。[6]奈米碳管上由於存在五元環的缺陷,增強了反應活性,在高溫和其他物質存在的條件下,奈米碳管容易在端面處打開,形成一個管子,極易被金屬浸潤、和金屬形成金屬基複合材料。這樣的材料強度高、模量高、耐高溫、熱膨脹係數小、抵抗熱變性能強。
奈米碳管還給物理學家提供了研究毛細現象機理最細的毛細管,給化學家提供了進行奈米化學反應最細的試管。奈米碳管上極小的微粒可以引起奈米碳管在電流中的擺動頻率發生變化,利用這一點,1999年,巴西和美國科學家發明了精度在10-17kg精度的「奈米秤」[7],能夠稱量單個病毒的質量。隨後德國科學家研製出能稱量單個原子的「奈米秤」。 奈米碳管還用來構建各種微奈米器件,最成功的例子是用雙壁奈米碳管製作世界上最小的奈米馬達,不過目前這類研究還停留在實驗階段,離應用還有一段距離。但是碳管提供的可能性吸引了大量科學家,相信離實際應用不遠了。鈦酸鹽奈米管之水熱合成法是由 Kasuga 於 1999 年所提出:
1. 此方法首先將二氧化鈦奈米顆粒溶於 10 M 之氫氧化鈉 溶液中,
2. 接著,將其移入高壓釜反應器中,在不同的反應時間及溫度下進行水熱反應即可形成鈉鈦酸鹽奈米管,
3. 最後,將所得鈉鈦酸鹽奈米管沉澱物過濾,並使用 1 N 之 HCl 溶液及去離子水來洗滌沉澱物直到濾液之 pH 值接近至 7 為止。
鈦酸鹽/二氧化鈦奈米管之應用:
1. 在催化劑、半導體材料及光電材料上具有相當大之潛能。
2. 另外,由於其具有高比表面積、高孔隙體及高陽離子交換容量,因此亦相當適合作為 吸附劑。
鈦酸鹽奈米管吸附劑之改質:原理:
有機鈦酸鹽奈米管複合物之製備則是透過陽離子交換程序將鈦酸鹽奈米管內之鈉離子使用十六烷基三甲基銨離子 (HDTMA) 置換出來。