吳重毅 製備高度水分散性TiO2奈米粒子以提升有機染料的可見光光催化降解研究

光觸媒技術是指利用光的能量照射在固體材料上，此材料可將光能轉換成化學能，促使有機物污染物的分解或合成，進而達到除污、除臭、工業合成等目的。在眾多的光觸媒材料中，TiO2有相當優良的光觸媒活性，而且有物理與化學性質穩定，耐酸鹼、價格便宜、容易製備、無毒等優點，所以成為最具發展潛力的光觸媒材料。雖然TiO2已廣泛地應用於染料敏化太陽能電池及水體污染物降解等能源及環境領域，但TiO2觸媒存在易聚集、難以回收、能隙大等缺點而限制了該材料的應用性。本論文以製備高度水分散性TiO2奈米粒子為主軸，研究內容主要分成三大部分，第一部分探討鹼性過氧化氫(alkaline hydrogen peroxide, AHP)處理市售TiO2粉末(AHP-TiO2)之製備流程條件。利用熱重分析儀(TGA)、電子能譜儀(XPS)、傅立葉轉換紅外線光譜儀(FT-IR)等儀器分析AHP-TiO2表面變異，結果顯示AHP-TiO2表面的氫氧官能基總量比未修飾TiO2增加了2.6倍。從穿透式電子顯微鏡(TEM)、動態光散射儀(DLS)及原子力顯微鏡(AFM)觀察到AHP-TiO2的形狀與粒徑均一，能有效地分散於極性溶液中減少聚集。第二部分則是將AHP-TiO2應用於染料光敏化系統，並探討過渡金屬離子的影響。因AHP-TiO2的分散性高，能有效地利用可見光能量，使得染料污染物的降解速率明顯提升。在此系統中加入不同的金屬離子(Fe3+、Cu2+、Zn2+以及Al3+)測試，結果發現Fe3+離子能與表面的氫氧官能基錯合，當染料經可見光激發出的電子會轉移到此錯合物而釋放出額外的活性氧化物種(reactive oxygen species, ROS)以提升染料降解速率，此反應速率與市售二氧化鈦(Degussa P25)相比高出一個數量級。活性氧化物種包含超氧離子(superoxide anion)、單一態氧(singlet oxygen)、氫氧自由基(hydroxyl radical)，為了探討此系統的活性氧化物種，第三部分研究主題為甲醇氧化(methanol oxidation)及香豆素衍生法(coumarin derivation)偵測系統中產生的氫氧自由基。結果顯示AHP-TiO2-Fe3+光敏化系統裡，主要是產生氫氧自由基，經由此兩種方法捕捉氫氧自由基能力的不同，推測出此系統所產生的氫氧自由基主要來自於AHP-TiO₂-Fe³⁺表面。