高中學測
114年
自然
第 53 題
📖 題組:
奈米級的二氧化鈦($\text{TiO}_2$)為一種光觸媒材料,當此光觸媒照光之後,可將周遭環境中的汙染物質分解,達到去汙與除臭的效果。而其原理主要是二氧化鈦光觸媒照光後,電子會從價帶躍遷到導電帶,使得二氧化鈦表面生成氫氧自由基(•OH)與超氧離子($\text{O}_2^-$),此兩者的活性很大可以將有機物分解成二氧化碳和水,達到淨化效果。 此外,二氧化鈦光觸媒亦可在光的照射下催化水裂解產生氫氣和氧氣,為綠色能源與永續發展的重要觸媒。由於二氧化鈦光觸媒的導電帶與價帶的能階差(亦稱為能隙)大約為 3.20 eV,故所照的光源中光子能量必須高於此能量才能啟動催化反應,為了提升其催化活性與效率,許多研究利用不同的金屬摻雜來改善材料特性。 某研究團隊發現於二氧化鈦奈米材料中摻雜少量的鋅離子($\text{Zn-TiO}_2$)後,會改變能隙,並提升催化水裂解的效率。根據上述資訊及所學,回答下列問題。
奈米級的二氧化鈦($\text{TiO}_2$)為一種光觸媒材料,當此光觸媒照光之後,可將周遭環境中的汙染物質分解,達到去汙與除臭的效果。而其原理主要是二氧化鈦光觸媒照光後,電子會從價帶躍遷到導電帶,使得二氧化鈦表面生成氫氧自由基(•OH)與超氧離子($\text{O}_2^-$),此兩者的活性很大可以將有機物分解成二氧化碳和水,達到淨化效果。 此外,二氧化鈦光觸媒亦可在光的照射下催化水裂解產生氫氣和氧氣,為綠色能源與永續發展的重要觸媒。由於二氧化鈦光觸媒的導電帶與價帶的能階差(亦稱為能隙)大約為 3.20 eV,故所照的光源中光子能量必須高於此能量才能啟動催化反應,為了提升其催化活性與效率,許多研究利用不同的金屬摻雜來改善材料特性。 某研究團隊發現於二氧化鈦奈米材料中摻雜少量的鋅離子($\text{Zn-TiO}_2$)後,會改變能隙,並提升催化水裂解的效率。根據上述資訊及所學,回答下列問題。
圖 17 顯示不同照光時間下,每克觸媒催化所產生的氫氣毫莫耳數(mmol/g),若使用 1.0 克的觸媒進行催化反應,照光 6 小時條件下,則 $\text{Zn-TiO}_2$ 的氫氣生成量為 $\text{TiO}_2$ 的幾倍?(2 分)
📝 此題為申論題
思路引導 VIP
請觀察圖 17 的橫座標,當「照射時間」來到 6 小時時,向上對照實心方塊(TiO₂)與空心方塊(Zn-TiO₂)的垂直刻度,這兩種觸媒在縱座標上各對應到多少生成量呢?兩者相比又是幾倍?