具備Core-Shell 結構In2O3＠CaIn2O4光觸媒材料之抑菌研究
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具備Core-Shell 結構In2O3＠CaIn2O4光觸媒材料之抑菌研究
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具備 具備 Core-<strong>Shell</strong> 結構躬 結構躬 結構躬 In2O3@CaIn2O4 光觸媒材俔料頔之<br />
光觸媒材俔料頔之抑俊菌<br />
光觸媒材俔料頔之<br />
光觸媒材俔料頔之 抑俊菌 抑俊菌研究倏 抑俊菌 研究倏<br />
Study on bactericidal activity of core-shell structure In2O3@CaIn2O4<br />
photocatalyst<br />
(國科會計畫編號: NSC 94-2120-M-259-001)<br />
張 文 固 李俒 訓 任<br />
Wen-Ku Chang Syun – Ren Li<br />
國立東華大學材俔料頔科學與工程學系倐<br />
Department of Materials Science and Engineering, National Dong Hwa University<br />
摘躔<br />
本研究倏 研究倏 研究倏利佐用固態躊燒結法<br />
研究倏 利佐用固態躊燒結法<br />
利佐用固態躊燒結法及溶液沉浸顉反應<br />
利佐用固態躊燒結法 及溶液沉浸顉反應<br />
及溶液沉浸顉反應法,ā製備出<br />
及溶液沉浸顉反應 製備出 製備出具有<br />
製備出 具有 core-shell 結構躬 結構躬之良候好抑俊菌效頒果<br />
結構躬 良候好抑俊菌效頒果<br />
良候好抑俊菌效頒果的<br />
良候好抑俊菌效頒果<br />
In2O3@CaIn2O4 光觸媒 光觸媒材俔料頔<br />
光觸媒 光觸媒 材俔料頔 材俔料頔ă實蹴驗<br />
材俔料頔 實蹴驗 實蹴驗結果發現<br />
實蹴驗 結果發現 結果發現,ā利佐用<br />
結果發現 利佐用 利佐用固態躊燒結法於<br />
利佐用 固態躊燒結法於<br />
固態躊燒結法於低佂溫<br />
固態躊燒結法於 低佂溫 低佂溫進行 低佂溫 進行 進行反應 進行 反應 反應,ā以溫度<br />
反應 溫度 溫度 700℃<br />
所反應出 所反應出之光觸媒<br />
所反應出 之光觸媒 之光觸媒材俔料頔<br />
之光觸媒 材俔料頔 材俔料頔活性最佳<br />
材俔料頔 活性最佳 活性最佳,ā推測是因為燒結<br />
活性最佳 推測是因為燒結<br />
推測是因為燒結反應不完侖全<br />
推測是因為燒結 反應不完侖全<br />
反應不完侖全而形侫成<br />
反應不完侖全 而形侫成 core ore ore- ore shell shell 結構躬 結構躬,ā有助佔於<br />
結構躬<br />
有助佔於<br />
光催化過跸程電踝子電踝洞對蹹的分離<br />
光催化過跸程電踝子電踝洞對蹹的分離,ā進而提高光催化反應活性<br />
光催化過跸程電踝子電踝洞對蹹的分離<br />
光催化過跸程電踝子電踝洞對蹹的分離 進而提高光催化反應活性<br />
進而提高光催化反應活性;Ć而利佐用溶液沉浸顉反應<br />
進而提高光催化反應活性 利佐用溶液沉浸顉反應<br />
利佐用溶液沉浸顉反應法並添加<br />
利佐用溶液沉浸顉反應 添加 添加 PVA PVA<br />
PVA<br />
的方式 的方式,ā所製備<br />
的方式 所製備 所製備之 所製備 In2O3@CaIn2O4 的光觸媒材俔料頔<br />
的光觸媒材俔料頔,ā其分散效頒果最佳且具有較跨大的反應比表面<br />
的光觸媒材俔料頔 其分散效頒果最佳且具有較跨大的反應比表面<br />
積ă本實蹴驗利佐用<br />
本實蹴驗利佐用 XRD XRD 分析法檢測反應<br />
分析法檢測反應的成份<br />
分析法檢測反應<br />
的成份 的成份及結構躬<br />
的成份 及結構躬 及結構躬、UV<br />
及結構躬 UV UV-visible UV visible 光譜評估 光譜評估其光的吸佫收範圍<br />
光譜評估<br />
其光的吸佫收範圍<br />
其光的吸佫收範圍、<br />
其光的吸佫收範圍<br />
SEM/TEM SEM/TEM 觀察蹸 觀察蹸粉體表面的型態躊<br />
觀察蹸 粉體表面的型態躊<br />
粉體表面的型態躊,ā並利佐用亞甲基藍降解<br />
粉體表面的型態躊 並利佐用亞甲基藍降解<br />
並利佐用亞甲基藍降解脫色<br />
並利佐用亞甲基藍降解 脫色 脫色及塗盤抑俊菌試驗<br />
脫色 及塗盤抑俊菌試驗<br />
及塗盤抑俊菌試驗來檢測<br />
及塗盤抑俊菌試驗 檢測 檢測材俔料頔之<br />
檢測 材俔料頔之 材俔料頔之光觸<br />
材俔料頔之 光觸<br />
媒 催 催 化 化 活 活 性 性 ă 由 由 實蹴 實蹴 驗 驗 結 結 果 果 可 可 知 知 ,ā 在 亞 亞 亞 甲 甲 甲 基 基 基 藍 藍 藍 降 降 降 解 解 解 脫 脫 脫 色 色 色 方 方 方 面 面 面 In2O3@CaIn2O4 (S.S.) 與<br />
In2O3@CaIn2O4 (PVA) 均佾 均佾 在 在 40min 左 左 右 右 降 降 解 解 完侖 完侖 成 成 ,ā 而 在 塗 塗 盤 盤 抗侹 菌 菌 試 試 驗 驗 中 中 可 可 以 以 發 發 現 現 ,ā<br />
In2O3@CaIn2O4(PVA)的滅菌率 的滅菌率 的滅菌率高達跲<br />
的滅菌率 高達跲 高達跲 100%ă %ă<br />
關鍵詞 關鍵詞:ć光觸媒<br />
關鍵詞 光觸媒 光觸媒、溶液沈浸顉反應<br />
光觸媒 溶液沈浸顉反應<br />
溶液沈浸顉反應法、抑俊菌活性<br />
溶液沈浸顉反應 抑俊菌活性 抑俊菌活性、core<br />
抑俊菌活性 core core-shell core shell 結構躬<br />
一、前言借 前言借<br />
近年來,ā由於全球高度化的工業發展韙,ā人<br />
們靽的生活水準獲得了改俌善,ā但伽是伴隨而來的效頒<br />
應卻是嚴重的污染問題以及能源危機,ā因此為<br />
了有效頒的解決俩這些環境蹜問題,ā利佐用取之不盡的<br />
太陽作伿為能源的光觸媒材俔料頔,ā便成了重要的研<br />
究倏發展韙之一ă<br />
對蹹於光觸媒的研究倏可追溯至1972年由東<br />
京大學電踝化學工程系倐博士生A. Fujishima,ā及<br />
其指導教授K. Honda發表於Nature雜誌;Ć研究倏<br />
發現以銳鈦礦二氧頿化鈦(TiO2)做為陽極電踝極、<br />
白金(Pt)做為陰極電踝極,ā在415 nm以下光源照<br />
射韗二氧頿化鈦電踝極後,ā二氧頿化鈦電踝極在吸佫收光後<br />
會將水分解反應而產生氧頿氣頾,ā而在白金電踝極發<br />
生還原鞝反應後則與水反應產生氫氣頾,ā其原鞝因為<br />
二氧頿化鈦會被光激發,ā產生電踝子-電踝洞對蹹,ā此<br />
要<br />
時頗二氧頿化鈦表面的電踝洞會進行產生氧頿化反<br />
應,ā而電踝子則傳遞至白金電踝極處產生還原鞝作伿<br />
用ă此現象稱為Honda-Fujishima effectă<br />
圖蹙一:ć銳鈦礦二氧頿化鈦水分解反應槽,ā發現在<br />
光照射韗下 TiO2 會出現類似和植物行光和作伿用<br />
之反應ă<br />
雖然將水分解產生氫氣頾跟氧頿氣頾於當時頗震<br />
撼了全世界,ā但伽產生氣頾體的效頒率太低佂,ā無法有
效頒的利佐用,ā且銳鈦礦 TiO2 的 Band Gap 約為<br />
3.2eV(~358nm),ā屬於紫外光範圍,ā而太陽光<br />
中所含佳的紫外光僅有 3~~5%左右,ā所以如果想<br />
要有效頒的利佐用光觸媒作伿為能源發展韙之一,ā就必<br />
須要提昇 TiO2 的激發光源至可見倝光範圍或是<br />
尋找俁其他具有光觸媒反應之化合物ă<br />
光觸媒材俔料頔為半導體氧頿化物,ā當受到大於<br />
能隙寬度能量的光子照射韗後,ā電踝子會從價帶<br />
(valence band)躍遷至導電踝帶(conduction band),ā<br />
因而產生電踝子–Ė電踝洞對蹹ă其中電踝子具有還原鞝<br />
性,ā電踝洞具有氧頿化性,ā電踝洞與半導體氧頿化物的<br />
表面 OH - 反應生成氧頿化性很高的氫氧頿自由<br />
基,ā電踝子則會和氧頿分子結合形侫成超氧頿離子ă<br />
活潑的自由基可將有機物氧頿化成無害韐的<br />
二氧頿化碳及水,ā因此光觸媒材俔料頔適當的運跮用可<br />
有效頒的破壞分解各種有機物及細菌的細胞膜<br />
和固化病毒的蛋白質,ā具有污染防倸治、殺菌和<br />
除臭功能ă<br />
近年來有部分學者開始積極的研究倏多元<br />
氧頿化物之光觸媒 NaTaO3、KTaO3、NaNbO3、<br />
KNbO3、CaIn2O4 等ă而本實蹴驗將使用 CaCO3<br />
與 In2O3 混合,ā並利佐用固態躊燒結法及溶液沉浸顉<br />
反 應 法 製 備 出 具 有 core-shell 結 構躬 之<br />
In2O3@CaIn2O4 光觸媒材俔料頔,ā並將進行抑俊菌效頒<br />
果的試驗ă<br />
二、實蹴驗方法 實蹴驗方法<br />
2-1.Materials and apparatus<br />
三氧頿化二銦:ćIn2O3, Opetech Material, 99.99<br />
%, ~~36nm;Ć碳酸鈣:ćCaCO3,99.9%,SHOWA;Ć<br />
二氧頿化鈦:ćTiO2-P25, Opetech Materials, 99.99<br />
% ;Ć 聚 乙 烯 醇 :ć PVA, (-CH2CHOH-)n,<br />
SHOWA ;Ć 亞 甲 基 藍 :ć MB, C16H18CIN3S ;Ć<br />
LB-medium、LB agar plates;Ć二次水:ćDouble<br />
Distilled H2O, (ddH2O) ;Ć E.coli :ć<br />
Bacteria ,DH5-αă<br />
X 射韗線繞射韗儀:ćXRD, Rigaku, D/maxx-2500,<br />
Japan ;ĆUV-visible:ćHitachi, 3300H;Ć穿透式電踝<br />
子顯微鏡:ćTEM, JEOL, JSM-3300, Japană<br />
2.2.Typical procedures<br />
本實蹴驗是使用 CaCO3與 In2O3混合以固態躊<br />
燒結法【如圖蹙二】燒結 600℃、700℃、800℃、<br />
900℃、1050℃等五個鞄溫度,ā製備出 In2O3@<br />
CaIn2O4 之多元氧頿化物光觸媒,ā以 UV-visible、<br />
TEM、XRD 等對蹹粉末做性質分析,ā且由亞甲<br />
基藍降解的試驗中找俁出降解效頒果最好且具備<br />
Core-shell 結構躬之固態躊燒結法燒結溫度ă<br />
圖蹙二:ć固態躊燒結法之實蹴驗流程圖蹙ă<br />
再由溶液沉浸顉反應法【如圖蹙三】煆燒 550<br />
℃ 12 小時頗,ā將殘留於粉末間之 PVA 燒掉後,ā<br />
持續加熱至降解效頒果最好且具 Core-shell 結構躬<br />
之燒結溫度 700℃, 4 個鞄小時頗,ā利佐用此方法製備<br />
出較跨小顆粒且其分散效頒果最佳且具有較跨大反<br />
應比表面積的光觸媒粉體ă<br />
圖蹙三:ć溶液沉浸顉反應法之實蹴驗流程圖蹙ă
最後將固態躊燒結法之 CaIn2O4600℃、700<br />
℃、800℃、900℃、1050℃及溶液沉浸顉反應法<br />
之 In2O3@CaIn2O4+PVA 與 TiO2-P25 共七種粉<br />
末及一組控制組,ā作伿塗盤抑俊菌試驗【如圖蹙四~<br />
八】,ā檢測材俔料頔之光觸媒滅菌活性ă<br />
12500rpn 5min<br />
Centrifugal<br />
LB-medium<br />
LB medium<br />
• Tryptone : 1g<br />
• Yeast : 0.5g adds ddH 2O until 100ml<br />
• NaCl : 1g<br />
autoclaved<br />
at 121℃<br />
for 15min<br />
100ml 滅菌箱<br />
滅菌箱<br />
Experiment-Bacterium Experiment Bacterium Solution<br />
4cc of LB-medium<br />
Added 200ul of<br />
bacterium into the<br />
LB-medium<br />
Suck 20ul of bacterium solution<br />
250 Rotation / min<br />
37℃<br />
Greenhouse<br />
Wait for 2~3 hr<br />
Suck all LB-medium of liquid<br />
Added bacterium of 10ul<br />
into ddH2O of 1980ul<br />
Dilute 100 times<br />
LB-Agar LB Agar plates<br />
• Tryptone : 8g<br />
• Yeast : 4g<br />
• NaCl : 8g<br />
adds ddH2O until 800ml<br />
• Agar : 12g<br />
autoclaved<br />
at 121℃<br />
for 15min<br />
滅菌箱<br />
滅菌箱<br />
圖蹙四:ć為 LB 和 plates 之製作伿方法ă<br />
Experiment-Shine Experiment Shine the Light<br />
• Bacterium solution : 40ul<br />
• Powder solution : 100ul<br />
• DDH 2O: 460ul<br />
In aseptic operations area<br />
12 well<br />
Suck the bacterium of 2000ul<br />
OD value of bacteria =0.6<br />
Added ddH 2 O of 2000ul<br />
into the bacterium<br />
Added ddH 2 O of 400ul<br />
into the powder<br />
Powder of 2mg<br />
bacterium of 2000ul into add dose<br />
大的微量離心管<br />
vortexed<br />
vortexed for about 1min<br />
Experiment-Powder Experiment Powder Solution<br />
Incandescent lamp, 60W<br />
10cm<br />
15<br />
sonicated<br />
Sonicated for about 15min<br />
圖蹙五:ćBacterium solution 與 Powder solution<br />
之製作伿方法ă<br />
圖蹙六:ć將 40ul 的 Bacterium solution 與 100ul<br />
的粉末溶液混合於 24well 中,ā並加入<br />
DDH2O 至 600ulă<br />
15min<br />
Suck 20ul of sample solution<br />
In aseptic operations area<br />
Drip the sample solution which<br />
enters 20ul in the agar plates<br />
SIMB^LION雄獅<br />
Daub the sample solution evenly<br />
In aseptic operations area<br />
圖蹙七:ć照光後溶液之塗菌方法ă<br />
三、結果與討論<br />
結果與討論<br />
overnight at 37℃<br />
暖房 暖房37℃ 暖房<br />
倒靼著放<br />
圖蹙八:ć紀錄各溶液<br />
之細菌成長<br />
的數量ă<br />
固態躊燒結法製備 CaIn2O4 的實蹴驗中,ā我侷們靽<br />
分別低以 600℃、700℃、800℃、900℃、1050<br />
℃等不同溫度燒結,ā結果由 XRD patterns【如<br />
圖蹙八】中我侷們靽可以發現,ā燒結溫度在 700℃<br />
時頗,ā會慢躌慢躌的形侫成 CaIn2O4 之結晶相;Ć相對蹹的<br />
當燒結溫度逐漸軌上升至 800℃、900℃、1050℃<br />
時頗,ā我侷們靽發現 CaIn2O4 的結晶性幾乎未改俌變,ā<br />
但伽 In2O3 的反應卻有逐間消顆失,ā估計是因為<br />
In2O3 在高溫燒結下相變化成 CaIn2O4ă<br />
將固態躊燒結法之 CaIn2O4600℃、700℃、<br />
800℃、900℃、1050℃等五個鞄溫度分別低做亞甲<br />
基藍降解試驗【如圖蹙九】,ā我侷們靽發現降解效頒果<br />
最好的為 CaIn2O4700℃,ā其次為 800℃, 600℃,<br />
900℃, 1050℃,ā於是,ā我侷們靽推測這樣的結果是<br />
因為 In2O3@CaIn2O4 Core shell 結構躬的形侫成ă<br />
圖蹙八、不同燒結溫度下之 XRD patterns.
C/C 0<br />
1.0<br />
0.9<br />
0.8<br />
0.7<br />
0.6<br />
0.5<br />
0.4<br />
0.3<br />
0.2<br />
0.1<br />
0.0<br />
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130<br />
Time(min)<br />
MB light<br />
TiO 2 P-25<br />
CaIn 2 O 4 -1050<br />
CaIn 2 O 4 -900<br />
CaIn 2 O 4 -800<br />
CaIn 2 O 4 -700<br />
CaIn 2 O 4 -600<br />
圖蹙九、不同燒結溫度之 CaIn2O4 與 TiO2-P25<br />
對蹹 MB 降解之光觸媒催化能力比較跨ă<br />
在燒結的過跸程中,ā由於燒結反應是由外往<br />
內燒結,ā所以在過跸程中外層會先形侫成 CaIn2O4<br />
,ā但伽是因為燒結溫度只有 700℃,ā未能完侖全反<br />
應的關係,ā所以形侫成了内層為 In2O3 外層為<br />
CaIn2O4 之 Core shell 結構躬ă<br />
CaIn2O4<br />
圖蹙十、為 CaIn2O4 固態躊燒結 700℃所拍攝之<br />
TEM 照片<br />
具備 Core shell 結構躬之光觸媒,ā可有效頒的<br />
使電踝子電踝動對蹹分離,ā進而延長再結合的時頗間,ā<br />
而致使光催化效頒果增加,ā可大幅度的增加光觸<br />
媒的活性ă<br />
In2O3<br />
最後我侷們靽使用溶液沉浸顉反應法燒結 550<br />
℃ 12 小時頗、700℃ 4 小時頗,ā製備出 In2O3@<br />
CaIn2O4+PVA 光觸媒【如圖蹙八】,ā其結晶相幾<br />
乎都是 In2O3ă而由抗侹菌試驗的結果我侷們靽可以<br />
明顯的發現 In2O3@CaIn2O4+PVA 光觸媒,ā具<br />
有很強的抗侹菌效頒果ă<br />
CaIn2O4<br />
In2O3<br />
抗侹菌試驗結果:ćO.D 值靹:ć0.5 菌種:ćDH5α<br />
照光距離:ć10cm 照光時頗間:ć10min<br />
Control 稀 稀 釋<br />
釋<br />
10000 倍靰<br />
1 2 3 4<br />
81 71 61 50<br />
TiO2 16720 12040 16160 15410<br />
CaIn2O4-600 2033 2149 2484 2888<br />
CaIn2O4-700 22 0 14 0<br />
CaIn2O4-800 185 65 51 119<br />
CaIn2O4-900 3094 2723 4208 4849<br />
CaIn2O4-1050 3784 3944 4360 4232<br />
In2O3-PVA 0 0 0 0<br />
四、結論 結論<br />
1. 利佐用固態躊燒結法及溶液沉浸顉反應法,ā可製<br />
備出具有 core-shell 結構躬之良候好抑俊菌效頒果<br />
的 In2O3@ CaIn2O4 光觸媒材俔料頔ă<br />
2. Core shell 結構躬之光觸媒,ā可有效頒的使電踝子<br />
電踝動對蹹分離,ā進而延長再結合的時頗間,ā而<br />
致使光催化效頒果增加ă<br />
3. 抗侹菌試驗的結果我侷們靽明顯的發現 CaIn2O4<br />
+PVA 光觸媒,ā具有 100%的抗侹菌效頒果ă<br />
誌謝 誌謝 感謝國科會計畫編號 NSC 94-2120-<br />
參考文獻<br />
參考文獻<br />
M-259-001 支持本研究倏ă<br />
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conjugated polymer complex employed for<br />
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2. Chia-Hao Chang, Yun-Hwei Shen *ō ” Syn-<br />
thesis and characterization of chromium<br />
doped SrTiO3 photocatalyst” Materials<br />
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3. Hua-Cing Guo”preparations andphotocaty-<br />
sis properties of CaIn2O4 photocatalyst”
Change language