張 文 固 博 士 國立東華大學 材料科學與工程學系

Presentation on theme: "張 文 固 博 士 國立東華大學 材料科學與工程學系"— Presentation transcript:

1 張 文 固 博 士 國立東華大學 材料科學與工程學系
奈米科技論壇 奈米碳管與二氧化鈦光觸媒 張 文 固 博 士 國立東華大學 材料科學與工程學系 東區奈米科技中心

2 (Carbon Nano-tube 奈米碳管) TiO2 Photocatalysts 二氧化鈦光觸媒
Contents Magic Carbon (Carbon Nano-tube 奈米碳管) TiO2 Photocatalysts 二氧化鈦光觸媒 Risky Nano-technology 奈米技術的風險 2019/1/1 東區奈米科技中心

3 化學世界中的基本觀念： 1）原 子：組成物質的基本單元，”不可分割 ”。 2）週期表：將原子依原子序排列，則化學性質相似的原子
1）原 子：組成物質的基本單元，”不可分割 ”。 2）週期表：將原子依原子序排列，則化學性質相似的原子 會規則性地重複出現，經歸納可得週期表。 3）分 子：具有物質”本性 ”的最小單元，通常由一個以 上的原子經由化學鍵的結合而形成分子。 4）化學鍵：原子與原子間的相互作用力，一個穩定的分子 存在，其能量必定比原來原子所含的總能量 低，故當分子形成時必有能量釋出。反之，將 分子分解成原子或原子團時，需要能量，此能 量稱為化學鍵能。 2019/1/1 東區奈米科技中心

4 (Carbon Nano-tube 奈米碳管) TiO2 Photocatalysts 二氧化鈦光觸媒
Contents Magic Carbon (Carbon Nano-tube 奈米碳管) TiO2 Photocatalysts 二氧化鈦光觸媒 Risky Nano-technology 奈米技術的風險 2019/1/1 東區奈米科技中心

5 碳之同素異形體： 環己烷 C6H12 苯 C6H6 丁三烯 C4H4 碳 足球烯 （零度空間） 鑽石 （三度空間） 石墨 （二度空間）
R. F. Curl. Jr H. W. Kroto R. E. Smalley 1996 諾貝爾化學獎 環己烷 C6H12 苯 C6H6 丁三烯 C4H4 碳之同素異形體： 碳 足球烯 （零度空間） 鑽石 （三度空間） 石墨 （二度空間） 碳纖（聯烯） （一度空間） 2019/1/1 東區奈米科技中心

6 2019/1/1 東區奈米科技中心

7 太空電梯 2019/1/1 東區奈米科技中心

8 各種材料的性質比較 Materials Young’s Modulus (GPa) Tensile strength (GPa)
Density (g/cm3) Single-walled CNT 1054 ~150 Multi-walled CNT 1200 2.6 (10, 10) Nanorope 563 ~75 1.3 Type I C fiber 350 2.5 Steel 208 0.4 7.8 Epoxy 3.5 0.05 1.25 Wood 16 0.08 0.6 2019/1/1 東區奈米科技中心

9 CNT的結構 2019/1/1 東區奈米科技中心

10 CNT的結構 2019/1/1 東區奈米科技中心

11 CNT的性質 高導電度：1G A/cm2，而銅在1M A/cm2時就已經因產生高熱而溶解。
高熱導率：6600W/mk，是鑽石(3320W/mk)的兩倍。 高強度：楊式係數達1.2TPa，鋼鐵只有0.21TPa。 2019/1/1 東區奈米科技中心

12 電弧放電法(Arc discharge) 電弧放電法係利用電弧放電所產生的高溫(約4000 K)，將原料氣化以沉積為奈米材料的方法。代表性的例子為西元1991 年飯島澄男教授等人首先利用電弧放電法合成出奈米碳管。 2019/1/1 東區奈米科技中心

13 雷射蒸發法 雷射蒸發法主要原理與電弧法相似，最大的不同乃是以高能雷射取代電弧放電的功能。 2019/1/1 東區奈米科技中心

14 催化劑化學氣相沉積法( Catalytic Chemical Vapor Deposition ; CCVD )
2019/1/1 東區奈米科技中心

15 成長機制 2019/1/1 東區奈米科技中心

16 單層和多層奈米碳管 2019/1/1 東區奈米科技中心

17 2019/1/1 東區奈米科技中心

18 2019/1/1 東區奈米科技中心

19 2019/1/1 東區奈米科技中心

20 2019/1/1 東區奈米科技中心

21 CNT-FED的優勢 不同冷陰極材料所具有的起始電壓： 場發射冷陰極材材料 啟始電壓(V/µm) 鉬 50-100 矽 50-100
　　不同冷陰極材料所具有的起始電壓： 場發射冷陰極材材料 啟始電壓(V/µm) 鉬 矽 p型鑚石 CVD鑚石 非晶型鑽石 奈米碳管 2019/1/1 東區奈米科技中心

22 Nanotransistors from CNTs
Gate isolated from CNT The CNT is the channel) Just like a MOSFET Operation similar to MOSFET Carbon NanoTube Field Effect Transistor or CNTFET for short N-CNTFETS and P-CNTFETS P-CNTFETs made naturally N-CNTFETS made by annealing in a vacuum at 200o for 10 hrs or doping the nanotube with an electropositive element such as potassium 2019/1/1 東區奈米科技中心

23 (Carbon Nano-tube 奈米碳管) TiO2 Photocatalysts 二氧化鈦光觸媒
Contents Magic Carbon (Carbon Nano-tube 奈米碳管) TiO2 Photocatalysts 二氧化鈦光觸媒 Risky Nano-technology 奈米技術的風險 2019/1/1 東區奈米科技中心

24 TiO2 Photocatalysts TiO2 – play an important role in Green Chemistry
2019/1/1 東區奈米科技中心

25 TiO2 has attracted considerable attention due to
-- stable, nontoxic, low cost -- as a photocatalyst in environmental applications degradation of pollutant chemicals -- photochemical selective recovery of noble metals from industrial wastes -- optical devices. -- catalyst support for noble metal catalyst - SMSI characteristics 2019/1/1 東區奈米科技中心

26 ( TiO2/SiO2, TiO2/MCM-41, TiO2 nanoparticles, TiO2 nanotubes)
However, -- As a photocatalyst, TiO2 uses only very small fraction of solar energy due to its band gap energy (~3.2 eV) (Doping with suitable transition metal ions allows extending to use visible lights) -- the low surface area of TiO2 restricts its effective catalytic activity. ( TiO2/SiO2, TiO2/MCM-41, TiO2 nanoparticles, TiO2 nanotubes) 2019/1/1 東區奈米科技中心

27 圖解奈米科技與光觸媒 呂宗昕 商周出版 2019/1/1 東區奈米科技中心

28 Applications of photocatalyst TiO2
2019/1/1 東區奈米科技中心

29 Electrochemical Photolysis of Water at a Semiconductor Electrode
TiO2 + 2 h  2 e- + 2 h+ (excitation of TiO2 by light) 2 h+ + H2O  ½ O2 + 2 H+ (at the TiO2 electrode) 2 e- + 2 H+  H (at the Pt electrode) —————— H2O + 2 h  ½ O2 + H2 (overall reaction) A. Fujishima & K. Honda, Nature 238 (1972)37 Chem. Rev. 95 (1995) 735. 2019/1/1 東區奈米科技中心

30 2019/1/1 東區奈米科技中心

31 氧化反應 還原反應 2019/1/1 東區奈米科技中心

32 UV-Visible Spectroscopy
UV-Visible Spectroscopy 2019/1/1 東區奈米科技中心

33 2019/1/1 東區奈米科技中心

34 太陽光能譜 2019/1/1 東區奈米科技中心

35 2019/1/1 東區奈米科技中心

36 Composite Catalysts 2019/1/1 東區奈米科技中心

37 TiO2 的親水性 TiO2-added TiO2-free 產生均勻的水膜 2019/1/1 東區奈米科技中心

38 2019/1/1 東區奈米科技中心

39 TiO2的潔淨效果 屋外暴露約２年 2019/1/1 東區奈米科技中心

40 TiO2 驚人的淨化力 TiO2 除藻抗菌球 2019/1/1 東區奈米科技中心

41 TiO2應用於空氣污染物控制 http://www.fujita.co.jp/kankyo/kankyo_2/photoroad.html
2019/1/1 東區奈米科技中心

42 TiO2應用於淨水設備 表面為TiO2光觸媒材料
2019/1/1 東區奈米科技中心

43 染料敏化太陽能電池(Dye Sensitive Solar Cell)
2019/1/1 東區奈米科技中心

44 Growth of TiO2 seeds patterned using SVP229
150 nm 1hr 6hr Cross section 交大材料系韋光華教授 2019/1/1 東區奈米科技中心

45 Nanosize Pt particles (2-3 nm) dispersed uniformly on TiO2-M.
中央研究院化學所簡淑華教授 Length: 300 – 1000 nm; Outer diameter: 9 – 10 nm; Inner diameter: 4 – 6 nm; Layer spacing : ~ 0.7 nm 2019/1/1 東區奈米科技中心

46 (Carbon Nano-tube 奈米碳管) TiO2 Photocatalysts 二氧化鈦光觸媒
Contents Magic Carbon (Carbon Nano-tube 奈米碳管) TiO2 Photocatalysts 二氧化鈦光觸媒 Risky Nano-technology 奈米技術的風險 2019/1/1 東區奈米科技中心

47 ETC group ETC group藉由所收集到之奈米材料對人類健康危害之相關資訊，來呼籲全球重視奈米技術或材料可能對人體健康和環境產生的危害，如同生物科技一樣，許多已經商業化的奈米材料對環境或人體健康的衝擊並未經過適當的評估 。 (國內工研院一直在進行奈米標章的認證標準製定) ETC Group主張，在政府無法全面回應此新科技潛在的風險之前，全球應該暫緩奈米技術或奈米材料的發展，更重要的是急需發展一套全球通用與法令掛勾之新技術評估國際公約(a legally-binding International Convention for the Evaluation of New Technology) (目前由工研院主導和APEC合作進行技術評估) 2019/1/1 東區奈米科技中心

48 奈米材料毒性之特性 微粒會被累積在有機體中，且會被活細胞所吸收。如果細菌會吸收奈米材料，則其隨之進入食物鏈。
奈米微粒如果存在血液中，血液中的蛋白質會附著在奈米微粒的表面上並試圖將其包覆，如此，蛋白質的形狀與功能可能會改變。 奈米碳管在自然環境中傾向於成群結塊，而非單獨成纖維狀，有可能和石綿一樣引起嚴重的呼吸系統問題。 純碳的奈米級產品(奈米碳管或微粒)進入細胞時，細胞不會產生免疫反應(即不會釋放出一氧化碳)。 有證據顯示超細微粒可以透過吸收、消化道和皮膚(粒徑小於0.1µm的微粒可以深入皮膚而進入淋巴系統)而進入人體並引起健康危害 2019/1/1 東區奈米科技中心

49 奈米材料毒性之特性 (continued)
有相當多的證據顯示超細微粒是具有毒性的，因此具有潛在的危害。超細微粒引起毒性危害的機制雖然尚未充分確認，但是主要可能原因為伴隨小尺寸所增加之反應性。 對活細胞所進行的研究證實，超細微粒製造自由基(free radical)所增加的能力會引起細胞的損害。 對超細微粒的毒性而言，尺寸效應較材料組成本身更重要(即不同材料在超細微粒條件下其毒性近似;且顆粒越小越具反應性與毒性)一般無害的大物質做成超細微粒後，會變得具有毒性。 2019/1/1 東區奈米科技中心

50 奈米材料：安全或不安全？ 2003年3月23～27日於紐奧良舉行“Nanotech and the enviroment”研討會中對於奈米技術或材料健康危害有關議題之討論內容，經整理如下： 美國萊斯大學的director Colvin指出，奈米技術發展較為立即性需要考量的問題為“奈米材料如何與人和生態系統相互影響”。雖然目前並沒有很多的數據出現，但是可以確定的是“並不是所有的奈米材料料均為生物惰性的”。奈米材料的多樣性意味著奈米微粒對生物影響並無單一的答案。 在奈米微粒的毒性研究方面，加州大學化學系教授A.Paul Alivisatos的研究顯示，表面塗上氧化矽的CdSe超細微粒進到細胞後作為一個“惰性的旁觀者(inert spectator)” ，對細胞並沒有不良的影響。 他認為CdSe微粒的健康影響會隨覆蓋其上的物質而有所改變。 2019/1/1 東區奈米科技中心

51 奈米材料：安全或不安全？ 美國羅徹斯特大學之讀物學Günter Oberdörster教授的研究顯示，超細微粒(<100nm)比起大顆粒更易引發肺部發炎傷害，即使像TiO2等在大顆粒狀態下不具毒性的材料，當其為超細微粒時，也會引起發炎反應。 因此他認為空氣污染之超細微粒應較“潛在更清潔的”奈米技術更令害怕。 在奈米碳管的研究方面，NASA Wyle實驗室的Chiu-Wing Lam毒理學家研究結果顯示，在相同重量下，如果奈米碳管可以到達肺臟，其較碳黑或石英更具毒性，他建議採取降低人體曝賽的策略。 2019/1/1 東區奈米科技中心

52 奈米材料：安全或不安全？ 任職於杜邦公司Haskell實驗室健康與環保科學部門的毒理學家David B.Warheit及其同事的研究結果則顯示：15%的老鼠在接受高劑量(5mg/kg)的單壁奈米碳管(SWNTs)後，在24小時內死亡，存活下來的老鼠在24小時以後，出現短暫肺部發炎和細胞損害的現象，此係奈米管堵塞氣管所致。Warheit認為奈米碳管不像適於呼吸的奈米微粒，因此危害性較低或並沒有吸入性危害。 整體而言，奈米微粒對的健康影響已受到一般大眾所關注，對奈米碳管的毒性試驗結果尚十分缺乏，後續有必要再進行相關之研究。 2019/1/1 東區奈米科技中心