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仿生表面結構及活化生質碳材之導入對聚苯胺應用在硫化氫氣體感測元件之性能提升的探討

為了解決SOFT99 水鍍膜的問題，作者洪羽函 這樣論述：

本論文之研究主軸，是以導電高分子「聚苯胺」為主要基材，透過兩種方式: (1) 改變聚苯胺表面型態及 (2) 添加活化生質碳材於聚苯胺中，來研究此兩種方式對此材料於應用氣體感測元件效能之提升成效。論文的第一部份研究之核心精神以結合「仿生」的概念為主，透過聚二甲基矽氧烷 (PDMS) 之軟模板轉印技術，複製了天然的千年芋葉片的表面微結構，製備出具備葉面微奈米複合「乳凸」結構之聚苯胺薄膜，預期可提升原本聚苯胺塗層之表面積，之後並將其塗覆於「指叉式電極」的表面，來研究「仿生結構的導入」是否能有效改善聚苯胺之氣體感測元件效能。 第二部分研究之核心精神以導入「活化生質碳材」為主，透過使用廢棄之椰子殼材

料進行高溫碳化及活化處理後，製備出高比表面積之活化碳材並適量添加於聚苯胺中，來研究「活化生質碳材的導入」是否能有效改善聚苯胺之氣體感測元件效能。 在材料合成方面，本研究論文以過硫酸銨為氧化劑，對苯胺單體進行「原位氧化聚合法」來合成聚苯胺，並以1H-NMR光譜, FT-IR光譜及GPC進行聚苯胺之結構鑑定，並以循環伏安儀(CV)及紫外可見(UV-VIS)光譜儀進行材料性質之鑑定，確認所合成聚苯胺具有「可逆氧化還原」及「可逆摻雜」的物理性質。 另一方面，選擇利用「轉印千年芋葉片」及「添加活化生質碳材」兩種方式來提升聚苯胺在氣體感測元件上的應用。「千年芋之仿生結構的導入」(第一部分): 透過P

DMS軟模板轉印技術，將「天然」千年芋葉片的表面結構進行轉印，藉此得到「人造」具仿生結構之聚苯胺薄膜，並利用掃描式電子式顯微鏡 (SEM) 及水滴接觸角 (WCA) 進行「表面微結構型態」及「表面親疏水性質」的觀察。 在性質鑑定方面，利用CV及UV-VIS光譜檢測具仿生結構之聚苯胺薄膜，確保「千年芋之仿生結構的導入」可有效提升聚苯胺之「可逆氧化還原」及「可逆摻雜」性質。「活化生質碳材的導入」(第二部分): 首先將廢棄之椰子殼進行高溫碳化得到椰子殼碳粉(CC)，然後透過化學活化法，利用ZnCl2對CC進行活化，得到活化的碳材(AC)。 所製備之CC 及AC利用BET檢測碳材之孔洞大小及表面積，

利用Raman光譜進行碳材之結構鑑定，利用SEM進行碳材之表面型態觀察。 後續將適量的CC及AC添加入聚苯胺，之後利用CV及UV-VIS光譜進行聚苯胺複合塗料之「可逆氧化還原」及「可逆摻雜」性質的檢測。 確保「活化生質碳材的導入」可有效提升聚苯胺之「可逆氧化還原」及「可逆摻雜」性質。第一部分所合成之材料以等面積的方式黏附於鍍有ITO指叉式電極（inter-digitated electrode, IDE）的表面上，膜厚度約為 28 µm, 做為後續氣體感測元件樣品。 第二部分之樣品將其溶於NMP溶劑中，經過旋轉塗佈機將其塗佈於ITO-IDE表面上，膜厚度約為 100 nm, 接著在所建構的

硫化氫氣體感測系統中進行氣體感測元件的量測。 本研究論文中氣體感測的基本測試項目有如下四項：（a）靈敏度（Sensitivity）; （b）氣體選擇性（Selectivity）; （c）穩定性（Stability）及（d）重複性（Repeatability）。 在室溫下，藉由在不同環境相對濕度下(60 %RH 與80 %RH) 之氣體進行量測比較。 由研究的結果明白地顯示: 千年芋仿生結構的導入，可增強聚苯胺之氣體感測靈敏度~ 200%。 此外，3wt-%的AC導入聚苯胺中，可增強聚苯胺之氣體感測靈敏度~ 300%。 綜而言之，本研究所研究的兩種方式: (1) 「千年芋仿生結構的導入」

及 (2)「活化生質碳材的導入」皆能有效大幅改善聚苯胺之氣體感測元件的執行效能。