以熱迴流系統製備奈米級異價摻雜鈦酸鍶粉體及其燒結塊材之研究

Translated title of the thesis: The study on nanopowder preparation by reflux system and sintered bulk for heterovalent dopants strontium titanate
  • 史 曜瑋

Student thesis: Master's Thesis

Abstract

近年來急遽的氣候變遷,危害了生物的生存環境,溫室效應可以說是最主要的元兇。十八世紀工業革命之後,人類文明快速進步,大量開發石油、煤炭等石化燃料,產生大量的溫室氣體,讓大氣中的二氧化碳濃度日益增加,使得各地的年均溫持續攀升,因此各國開始關注能源危機以及全球暖化的問題,開發新能源來解決這項危機是當務之急。目前科學家積極發展再生能源,例如:生質能、風能、地熱、水力等無汙染的能源;或是提高傳統能源的轉換效率,例如:汽電共生、燃料電池、太陽能電池以及熱電材料等。鈦酸鍶可以應用於太陽能電池的電極以及n型的熱電材料,並且無毒性、環境友善性佳以及良好的熱穩定性,因此是具前瞻性的能源材料之一。 目前大部分的鈦酸鍶是以高溫固相反應法製備而得,但是固相法需要高溫(> 1300 ℃)煆燒反應,不易合成單一相且難以製備小粒徑粉體之缺點,其常壓燒結溫度高達1400至1800 ℃,而水熱法以及溶液凝膠法具有反應溫度低、時間短,並且可以合成奈米晶粒的優點,大幅降低生產成本,達到節能的需求。 本研究旨在以熱迴流系統製備未摻雜以及摻雜鑭、釹的奈米級鈦酸鍶粉體,依據實驗製程中兩種不同極性(異丙醇以及乙二醇)的溶劑,探討合成粉體之結晶相鑑定、微觀結構、表面結構、熱重損失以及燒結塊材的密度。研究結果顯示以異丙醇為反應溶劑製備之鈦酸鍶粉體,於75 ℃加熱30分鐘即可合成未摻雜以及摻雜鑭、釹之鈦酸鍶粉體,由Scherrer equation計算可得粉體粒徑大小為35 0 nm;以乙二醇為反應溶劑製備之鈦酸鍶粉體,於75 ℃加熱90分鐘可以合成未摻雜以及摻雜鑭、釹之鈦酸鍶粉體,由Scherrer equation計算可得粉體粒徑大小為26 1 nm。 從FT-IR結果發現,合成粉體的表面帶有水分子、硝酸根離子以及碳酸根離子。粉體經600 ℃熱處理1 ~ 5小時後,未摻雜以及摻雜鑭、釹的奈米級鈦酸鍶粉體之重量損失皆無明顯的差異,因此以1小時做為熱處理之持溫時間。製程A以異丙醇為反應溶劑製備之粉體粒徑大小為44 0 nm;製程B以乙二醇為反應溶劑製備之粉體顆粒大小為37 1 nm,並且沒有初期燒結的現象。 製程A之未摻雜鈦酸鍶粉體以及摻雜鑭、釹鈦酸鍶粉體經600 ℃熱處理1小時後,於98 MPa的壓力冷壓成型,並且以1400 ℃、5% H2-95% Ar的還原氣氛下燒結1小時所得燒結塊材,其相對密度皆高於80 %,晶粒大小為1 ~ 5 μm;製程B之未摻雜鈦酸鍶粉體以及摻雜鑭、釹鈦酸鍶粉體經冷壓成型後,以相同條件進行燒結,其相對密度皆高於85 %,晶粒大小為1 ~ 5 μm。
Date of Award2016 Sep 7
Original languageChinese
SupervisorChii-Shyang Hwang (Supervisor)

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以熱迴流系統製備奈米級異價摻雜鈦酸鍶粉體及其燒結塊材之研究
曜瑋, 史. (Author). 2016 Sep 7

Student thesis: Master's Thesis