全國中小學科展

工程學科(二)科

酒精辨識儀

本次的研究是利用聲音在不同介質中所產生的共鳴聲譜,來辨識不同濃度的酒精。不同濃度的酒精其作為聲音傳導介質的影響也會有所差異。在同體積、同敲擊力道下,但不同濃度的酒精來進行聲音錄製實驗,將這些音訊檔案轉換成特定時間長度的時譜圖後,利用分組訓練的方式,讓人工智慧(AI)去辨識不同的酒精濃度。初步結果可以發現,相同敲擊力道下,不同濃度的酒精的聲音時譜圖在頻率反映、強度、以及持續時間均有變化,且其變化與濃度正相關。

以微波輔助水熱法製備鐵鈷合金觸媒應用於陰離子交換膜燃料電池

本實驗使用微波輔助水熱法製備鐵鈷合金。先以不同比例製備鐵鈷合金觸媒並測量其催化效能,比較它們的粒徑、活性後,取最適比例探討合成溫度對催化效能之影響。最後嘗試利用氮摻雜的方式提升效能。經由XRD分析可知合成的鐵鈷合金為CoFe2O4、FeCo2O4屬於尖晶石結構。在SEM-EDS分析後可知,使用鐵:鈷為1:2的比例,其合金粒徑最小。在合成溫度的實驗中,經由XRD、SEM-EDS分析後,發現使用120°C、140 °C作為合成溫度,樣品無法完全形成鐵鈷合金。由極化曲線得知,使用鐵:鈷為1:2的比例,合成溫度為160°C製備的觸媒,其觸媒活性最好。其最大高率可達36 mW/cm2。鐵鈷合金氮摻雜還原出的氮不多,且形成的碳氮氧化合物覆蓋活性位點,使效能不升反降,因此須再調整合成參數。

溫度對鈷黃變色的探討與應用

本實驗最一開始主要是探討鈷黃的顏色變化原因,我們想到改變鈷黃顏色的主要要素為加熱時間、加熱溫度和加熱的鈷黃量,我們加熱的方法主要是用加熱板,將鈷黃平均整齊的放置在加熱版上,溫度計放在加熱板旁。而做完實驗、觀察及測量後我們發現,加熱時間改變並不會導致顏色的改變,而加熱的鈷黃藥品量做出調整後,顏色也不會改變,鈷黃主要變色的原因,便是鈷黃本身受加熱溫度的改變,因此我們想要將它運用在生活中的各個地方,顏料能作為在防偽顏料,將其加熱就能改變畫中用鈷黃作為原料的黃色顏料,轉換為橘色。或是當作警告用試紙,也就是我們要做的排氣管的檢測,甚至我們把它當作電烙鐵的警示用品,用途多樣。

「綠」治「微」新-微生物燃料電池結合魚菜共生系統

本研究旨在證實微生物燃料電池降解廢水的功能,以及實測其應用在魚菜共生中的可行性。在前期實驗中,首先探討微生物燃料電池的最佳產電環境,並推論改變其電量的因素,分別從微生物的生長環境及裝置的設置著手,在能穩定進行產電狀態時,開始測試其降解廢水的功能,得知COD去除率可達81%,電壓值可達500毫伏特。 在實驗後期,我們架設小型的魚菜共生裝置,利用微生物燃料電池替代硝化池,取代其降解功能,並將其產出的電力再回饋到魚菜共生中,顯示微生物燃料電池結合魚菜共生系統,的確是一個節能、環保又符合經濟效益的方式。

搖出超級電容

本實驗利用椰子殼、甘蔗渣和茶葉渣等廢棄物,高溫鍛燒製成不同碳源。與傳統活性碳相比,這些碳源具有更多的表面官能基和中型孔洞,是超級電容的理想材料。我們在製造超級電容時,以氮摻雜的活性碳和特殊膠黏合,並添加不同種類和濃度的電解質(如H2SO4、KI、KNO3、KOH)進行實驗,測試其有充電和無充電狀態下的電容值變化。我們成功找出最佳超級電容製造條件,即椰子殼鍛燒於600℃、以H2SO4作為電解質,其充電後的最高電容值達200mF/cm2,且在7天內保持穩定,未出現衰退現象。透過CV圖可證實,此碳材的反應是完全可逆的,非常符合超級電容的性質。這些廢棄物的轉化為高功能性、高附加價值的優秀電子產品,不僅輕巧且便於攜帶,更具有高穩定性,完全符合綠色化學的精神。

金刻遇鎳,突鈀錳進

本研究利用電位儀三電極系統,於foam-Ni上電沉積MnO2及Pd金屬,並以EDS、SEM進行電極表面的深度分析,協助瞭解電極表面產物之分佈及降解效能。 研究發現,使用孔洞數較多的110 ppi foam-Ni,搭配錳試劑MnSO4及電解質K2SO4,於酸洗後以掃描速率0.05 V/s,掃描圈數12圈下電沉積MnO2,能達到較佳效果,再以定電流法400~800秒電沉積Pd金屬,能有效降解有機物,為最佳複合電極製作方式。 透過自製複合電極降解有機物RB,在50分鐘內能趨近於完全降解,且能有效改善單一MnO2或Pd金屬複合的降解效果,在五重複實驗中,第五次降解效果為第一次的90.6%,顯示其具有良好重複性。 本研究自製電極一片成本約16~17元,便宜且具有良好效果,未來可以更廣泛地應用於其他廢水的處理。

動態球與膜的交互震盪

本研究探究動態球與剛性、彈性、超彈性膜的交互作用,研究球與膜連續碰撞後「球的彈跳」與「膜震盪、產聲」兩面向。我們分析球的彈跳,發現僅由前五次的趨勢可估算彈跳次數,預測值與數據接近。 另發現「球在彈性面上有後次彈跳高於前次」的情形,且「產聲強度有後次超越前次」的現象。這兩種不定性現象,我們以能量交換大致解釋。 再建立膜震動動力理論,用貝索函數預測撞擊時膜產生的多組頻率,對比數據誤差小於5%。此外膜震動時若再次被敲擊,膜將激發出另一組頻率,且仍在理論預測之內,我們稱之膜頻率的「躍遷」。 透過研究「動態物(球)與彈性膜的交互震盪」的能量交換與「躍遷」現象,以期未來在薄膜震盪工程或聲學失真問題中有更多應用。

藍已去除–探討二氧化鈦奈米線在不同製程下對亞甲藍的降解效果

本研究是探討將P25二氧化鈦改質成奈米線,其製程在可見光照射下對亞甲藍的光降解效果(10mg奈米線降解20ppm、15mL亞甲藍溶液)。首先我們在五種不同水熱溫度中找出最佳製程溫度,接著以不同的水熱時間找出最佳製程時間,最後發現以TiO2/180℃/18hr為最佳二氧化鈦奈米線製程條件,在可見光照射下降解率達41.7%。接著以此二氧化鈦奈米線作為載體,添加1.0%的銅、銀、鐵,發現添加銀可提高其降解率。最後以銀作為添加金屬,改變濃度製作觸媒,發現以1.0%的銀為最佳製程條件,降解率為60.4%。另外我們對觸媒進行XRD、SEM、PL、氫氧自由基檢測、BET、DRS分析、觸媒回收率、二次降解及日光降解之效果。我們發現觸媒回收率可達94.2%,二次降解效率可達99.0%與94.0%。

變化球-球化時間對球墨鑄鐵球化率及機械性質探討

本實驗以碳當量約4.3%的鑄鐵液,經球化處理,於不同等待時間下進行澆鑄,探討球化後等待時間對球墨鑄鐵球化率、石墨分佈及強硬度等機械性質之影響。 實驗過程以固定成份材質於球化桶進行球化處理後,分別等待5、10、15分鐘澆鑄至預先完成的鑄模中,待凝固冷卻後取出鑄件,並於切割及加工處理後進行各項實驗探討。 從實驗結果得知,球化反應10分鐘內澆鑄試片其球化率、強度硬度可達最佳值。極限強度達55.18kg/㎜2,為未球化試片之極限強度12.97kg/㎜2的4倍以上,等待時間超過10分鐘後強度與硬度隨著球化率有下降趨勢。但伸長率及降伏值都有倍數成長,而對硬度僅有少量提升。

「鈦」需要了,「啡」你不可-咖啡因對鈣鈦礦太陽能電池之主動層改質

隨著人類越來越重視綠色能源,太陽能的開發成為科學家積極發展的項目,而鈣鈦礦太陽能電池為近期最具有潛力的一種電池,其採用溶液塗佈的方式製造,製程相較於傳統矽晶太陽能電池簡單許多,但鈣鈦礦卻十分容易受環境影響而降解。而咖啡因作為一種生物鹼,能釋出電子填補鈣鈦礦層表面的正電缺陷,以增加電池效率及壽命。因此本研究希望透過在電池中加入咖啡因,提升電池的效率。在本研究中,我們將不同濃度的咖啡因或氯化咖啡因加入鈣鈦礦溶液,製作成太陽能電池,再對電池的各項光伏數值及鈣鈦礦表面狀況進行測量,以找出最能提升鈣鈦礦太陽能電池效率的咖啡因濃度,以及咖啡因氯化前後對電池影響之比較。