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研究生: 黃翌瑋
Huang, Yi-Wei
論文名稱: 皮秒雷射製備二氧化鈦的特性及光催化性能之研究
Characteristics and Photocatalytic Performance of Titanium Dioxide Prepared by Picosecond laser
指導教授: 鄧敦建
Teng, Tung-Chien
鄭慶民
Cheng, Ching-Min
口試委員: 陳建志
Chen, Chien-Chih
鄧敦建
Teng, Tung-Chien
鄭慶民
Cheng, Ching-Min
口試日期: 2022/08/02
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 機電工程學系
Department of Mechatronic Engineering
論文出版年: 2022
畢業學年度: 110
語文別: 中文
論文頁數: 114
中文關鍵詞: 綠光皮秒雷射二氧化鈦黑色二氧化鈦鋭鈦礦金紅石光觸媒通氧亞甲基藍光降解
英文關鍵詞: Green Picosecond Laser, Black Titanium Dioxide, Anatase, Rutile, Photocatalyst, oxygen, methylene blue light degradation
研究方法: 實驗設計法
DOI URL: http://doi.org/10.6345/NTNU202201341
論文種類: 學術論文
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  • 本論文提出一種利用皮秒雷射製備黑色二氧化鈦(Black Titanium Oxide)的方法,使用綠光皮秒雷射在鈦金屬基板製備黑色二氧化鈦。通過調整雷射功率及改變掃描速度、掃描間距、雷射焦距、雷射頻率、加工環境,獲取黑色二氧化鈦中擁有不同比例金紅石(rutile)與銳鈦礦(anatase)。對於製備完成材料的表面形貌與結晶型態使用掃描電子顯微鏡(SEM)、X光繞射儀(XRD)、拉曼光譜儀進行測量與分析。最後通過上述測量與分析結果搭配亞甲基藍(MB)光催化降解實驗挑選出最佳的皮秒雷射製程參數,目的為探討本製程所製備的黑色二氧化鈦在光觸媒清潔領域應用的可能性。研究結果顯示,試片表面因為不同的雷射參數呈現出不同形貌的表面,且透過EDS量測結果顯示試片存在氧空缺的TiO2-x。XRD及拉曼光譜量測發現黑色二氧化鈦材料成分含有anatase、rutile、Ti2O3、TiO2-x,並且發現在富含氧的雷射加工環境中加工更有利於金紅石相態的生成,且能提升製程穩定性。照光LED燈板中心波長為385 nm情況下全數試片的亞甲基藍降解率皆明顯優於對照組的鈦金屬基板;而在中心波長445 nm可見光照射下亞甲藍降解率雖略為下降,但仍明顯高於對照組鈦金屬基板,並發現在富含氧的環境下雷射加工有利於擴大製程有效焦距範圍,且能增加光催化穩定性。照光波長在 380 nm、445 nm中,光降解時間為4小時,最高的亞甲基藍降解率則分別為61%、45%。

    In this paper, a method for preparing black titanium dioxide by picosecond laser is proposed, and black titanium dioxide is prepared on titanium metal substrate by green light picosecond laser. By adjusting the laser power and changing the scanning speed, scanning distance, laser focal length, laser frequency, and processing environment, the black titanium dioxide with different ratios of rutile and anatase was obtained. Scanning electron microscope (SEM), X-ray diffractometer (XRD) and Raman spectrometer were used to measure and analyze the surface morphology and crystal form of the prepared materials. Finally, the optimal picosecond laser process parameters were selected through the above measurement and analysis results combined with methylene blue (MB) photocatalytic degradation experiments, in order to explore the possibility of the application of titanium dioxide prepared by this process in the field of photocatalytic cleaning. The research results show that the surface of the test piece has different appearances due to different laser parameters. It is inferred that the surface of the test piece is disordered, which will enhance the absorption of visible light, and the EDS measurement results show that the test piece has oxygen vacancies (TiO2-x). XRD and Raman spectroscopy measurements found that the material composition contains anatase, rutile, Ti2O3, TiO2-x, and it can be found that in the laser processing environment with rich oxygen is more conducive to form rutile and improve process stability. The degradation rate of methylene blue of all the test pieces was significantly better than that of the titanium metal substrate in the control group when the central wavelength of the LED light panel was 385 nm; while the degradation rate of methylene blue was slightly decreased under the visible light irradiation of the central wavelength of 445 nm, but still obvious is higher than the control group (titanium metal substrate), and it is found that laser processing in an oxygen-rich environment is conducive to expanding the effective focal length range of the process, and can increase the photocatalytic stability. When the illumination wavelength was 380 nm and 445 nm, the photodegradation time was 4 hours, and the highest methylene blue degradation rate was 61% and 45%, respectively.

    第一章 序論 1 1.1 前言 1 1.2 研究動機 2 1.3 研究目的 3 1.4 研究方法 4 1.5 論文章節組成 5 1.6 文獻回顧 6 1.6.1利用飛秒雷射成型鈦植入物 6 1.6.2對非晶態TiO2薄膜進行鋭鈦礦相或金紅石相的選擇性光活化 8 1.6.3雷射改質黑色二氧化鈦奈米球及其在可見光下的光催化活性 10 1.6.4高度缺陷的深色奈米二氧化鈦:通過脈衝雷射燒蝕製備及其應用 14 1.6.5新型水中雷射輻射可用於環境修復,可擴展的黑色TiOx光催化劑的合成 17 1.6.6水中雷射燒蝕製備鉑改性的二氧化鈦奈米粒子 20 1.6.7脈衝雷射沉積生長的TiO2中的相變氧分壓和釹摻雜對薄膜的影響 22 1.6.8非熱雷射燒蝕在常壓下的分形TiO2奈米結構 24 1.6.9飛秒雷射在水溶液中燒蝕並沉積在導電基底上的TiO2奈米粒子相變 25 1.6.10脈衝雷射製備二氧化鈦的特性及光催化性能之研究 26 1.6.11飛秒雷射照射在環境空氣中鈦薄膜上形成多相氧化鈦 LIPSS 28 第二章 理論分析與文獻探討 35 2.1 雷射原理及基本特性 35 2.1.1電子能階 36 2.1.2 雷射光的特性 37 2.1.3 雷射組成基本要素 38 2.1.4 皮秒雷射之控制參數 39 2.2 二氧化鈦光觸媒特性介紹 40 2.2.1 光觸媒 40 2.2.2 二氧化鈦 41 2.2.3 二氧化鈦光觸媒反應機制 43 2.3 亞甲藍介紹 45 2.4 二氧化鈦薄膜製程技術 46 2.4.1 溶膠-凝膠法 46 2.4.2 燃燒合成法 46 2.4.3 濺鍍法 47 2.4.4 化學氣相沉積法 47 2.4.5 雷射加工法 47 第三章 實驗設計與規劃 48 3.1 實驗設計 48 3.2 實驗流程 49 3.3 二氧化鈦(黑色TiO2)製備 50 3.3.1 實驗設備 50 3.3.2實驗用雷射機台 51 3.3.3鈦板基材準備 52 3.3.4製備二氧化鈦(黑色TiO2) 53 3.4二氧化鈦(黑色TiO2)表面、結構與光學特性分析 55 3.4.1二氧化鈦(黑色TiO2)試片表面觀察 55 3.4.2二氧化鈦(黑色TiO2)材料結晶型態量測 56 3.5二氧化鈦(黑色TiO2)光催化性能檢測 57 第四章 結果與討論 62 4.1製程參數對二氧化鈦結晶結晶狀態及表層形貌與元素成分分析結果與討論 62 4.1.1 材料結晶狀態XRD分析 62 4.1.2 二氧化鈦表層形貌與元素成分分析 74 4.2製程參數對二氧化鈦紫外光光催化特性初步量測結果與討論 85 4.3最佳光催化性能試片的製程參數與成分及光催化性能結果與討論 90 4.3.1 最佳製程參數對紫外光光催化能力分析 90 4.3.2 最佳製程參數結晶成分分析 96 4.3.3 最佳製程參數對可見光光光催化能力分析 104 第五章 結論與未來展望 108 5.1 結論 108 5.2 未來展望 110 參考文獻 111

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