二氧化碳光學式SERS感測材料製程與應用

 

刊登日期:2017/12/5
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根據政府間氣候變化專門委員會(Intergovernmental Panel on Climate Change; IPCC)預估,從1990年到2100年之間,全球氣溫將升高1.4˚C~5.8˚C,溫室效應為全球必須共同面對的問題。為了抑制二氧化碳(CO2)排放量持續增加,2015年制定的「巴黎協定(Paris Agreement)」要求把全球平均氣溫升幅控制在工業革命前水平低於2˚C之內,並在2016年4月22日196國完成簽署,巴黎協定中並提到2020年之前,簽署國每年會投入共1,000億美元於淨潔能源資源領域,將來碳稅、碳交易或對非減碳標籤產品的設限,極可能成為國際間對減碳不力國家的一種貿易處罰或制裁手段,屆時我國將無法置外於這樣的減量壓力。而二氧化碳捕獲與封存技術,是目前被認為最能有效降低大量二氧化碳排放的方法之一。

大量二氧化碳在捕獲後須進行處理,目前以地質封存(Geological Storage)為最可行之選項。但二氧化碳注入地層後是否可保持穩定狀態,是地質封存可行性之關鍵性挑戰。地質封存須整合長期數值模擬與風險評估,並挑選密閉性佳的蓋層搭配高孔隙率儲集層,及配合注入後的長期監測、驗證和計量技術。地質封存之監測項目中,二氧化碳氣體監測是用來佐證封存完整性及安全性的重要依據,目前市面上有多種氣體感測器技術(表一),各有其優/劣勢。為此美國國家能源技術實驗室(National Energy Technology Laboratory; NETL)投入二氧化碳低成本監測技術開發,研發新型二氧化碳感測材料,結合光學式量測,利用吸收光譜位移或訊號之改變,推算即時二氧化碳濃度(圖一),同時與產業界共同建置二氧化碳即時同步監測網(Real-time In-situ CO2 Monitoring Network; RICO2M)與光纖感測器陣列系統(1 × 4 Fiber Optic Sensor Array),並於美國蒙大拿州Zero Emission Research Technology(ZERT) site進行實地測試,初步驗證光纖可有效監測二氧化碳洩漏訊號。

圖一、二氧化碳感測光纖現地應用示意圖
圖一、二氧化碳感測光纖現地應用示意圖

目前氣體感測材料對於現地環境靈敏度仍受限於螢光訊號訊雜比(Signal-to-Noise Ratio; SNR),對於二氧化碳實際變化濃度與範圍仍有改善空間。因此本研究以提升材料靈敏度為目標,利用溶膠凝膠法(Sol-gel Method)開發材料製程,在液態下將感測材料與奈米金粒子均勻混合,透過控制溫度、濃度、比例與時間調控水解(Hydrolysis)反應與縮合(Condensation)反應,凝膠製程經乾燥、燒結固化,製備出具奈米結構之材料薄膜。其優點為所需設備少、產物易達均一性、薄膜結構易控制與適用於大規模塗佈;且低溫製程有利於商業化,感測材料與奈米金粒子均勻混合薄膜能產生明顯SERS Effect,放大螢光訊號以提升訊雜比。

本研究使用表玻璃作為SERS氣體感測薄膜基板,以旋塗法(Spin Coating)方式製作。因光波在光纖中傳遞具高頻寬、不受電磁場干擾等優點,並可支援多點量測功能,因此選用光纖將光源導引至薄膜表面。待測薄膜的性質如應力、材料結構、溫度、折射率等改變,將造成光波特性改變,分析光波特性變化量,即可推得待測薄膜變化量。

材料與方法
4. 材料感測驗證系統
本研究設計與架設氣體感測材料驗證系統(圖三),氣體通過Mass Flow Controller(編號A),精密調控濃度至小數點以下第二位,混和氣體進入測試腔體通氣半小時後靜置約10分鐘,待腔體氣體濃度穩定,即可開始材料效能測試。試驗中光源由LED藍光供應器供應,以光纖傳輸至材料薄膜表面激發螢光訊號,設定圖譜訊號位置為532 nm (HPTs),固定積分時間為100 msec,收集即時材料螢光訊號。

圖三、氣體感測材料測試系統
圖三、氣體感測材料測試系統

5. 感測材料製程
本研究使用MeSi(OEt)3與MeSi(OMe)3兩種不同溶劑合成感測材料HPTs-OMe與HPTs-OEt,取1.08 g與0.6 g Oct4NBr分別在高溫下溶於11.2 mL MeSi(OEt)3與MeSi(OMe)3中,另外取…...以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。

作者:黃國瑋、廖啟雯/工研院綠能所
★本文節錄自「工業材料雜誌」372期,更多資料請見下方附檔。


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