> 簡介大自然的環保材料:二氧化鈦光觸媒
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  2014/06/05 簡介大自然的環保材料:二氧化鈦光觸媒

環保新尖兵—二氧化鈦光觸媒之簡介
國立臺灣大學環境工程學研究所楊政憲

前言

科技日新月異,人人追求著高品質的生活方式,但卻也帶來了一連串的環境污染問題。在環保意識抬頭的今日,我們不僅意識到要有高品質的生活環境,更重要的是 如何使環境得以永續發展。近年來新研發的光觸媒 (photocatalysts)技術,是一種透過光產生化學作用,可將有害化學物質分解,得以淨化環境並防止污染。光觸媒是一種必須受到光照才能產生作 用的觸媒,其吸收光能後形成高能量狀態,再將能量傳遞給反應物而觸發反應發生。光觸媒所需之能量為光能,而光能與波長成反比,計算方式如下:

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光觸媒應用之研究中以二氧化鈦 (Titanium Dioxide, TiO2)為主的光催化 (photocatalysis)最為廣泛。使用二氧化鈦的理由如下(如圖一所示):(1)光觸媒活性高,(2)具有高度物理與化學安定性,(3)無毒害,(4)耐酸鹼,(5)容易製備,(6)來源豐富,成本低廉,故適合大量使用[1]。

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光觸媒的光化學反應

光化學反應分為兩種:直接光解 (direct photolysis)與間接光解 (indirect photolysis)。在光觸媒吸收光能後成激發態,本身進行化學反應者,屬於直接光解反應;反應過程中某一物質吸收光能後,再誘導另一物質發生化學反 應,若在反應過程中加入催化劑(如氧化劑、半導體等),而使反應速率增加,稱為光催化,又稱為間接光解。

間接光解又可分為同相光催化 (homogeneous photocatalysis)與異相光催化 (heterogeneous photocatalysis)。同相光催化反應是指催化劑與反應物均存在於氣相或液相中;而異相光催化反應是指光催化劑與反應物存在於不同之物理相,通 常為固-液相或固-氣相。二氧化鈦常應用於固-液相之異相光催化反應。

異相光催化反應中,又以半導體光觸媒研究最為廣泛。半導體 (semiconductor)是指導電率介於導體與絕緣體間,半導體的導電率與本身之能隙結構有關。在常溫下負責導電的電子由於受到原子核的束縛,所以 大多數分布於價電帶 (valence band)中,也就是所謂的電子軌域。若價電帶中的電子受到光、熱或電場等能量的激發,使電子有足夠的能量可以越過能隙 (band gap),它就可以由價電帶激發至導電帶 (conduction band)上,而在導電帶上的電子不受束縛能自由移動,故半導體的導電率將大幅提升。

導電帶與價電帶中間稱禁制帶 (forbidden band),禁制帶的能階寬度稱為能隙。不同半導體的能隙大小不同。當半導體受到能量大於能隙的光波後,原本位於價電帶的電子會被激發到導電帶成為自由電 子,而對應電子的電洞也在價電帶同時產生。而受光激發產生電子電洞對 (electron-hole pairs),再經由電荷轉移即產生氧化還原反應,故受光照射形成激發態促進氧化還原反應的半導體稱為半導體光觸媒[2]。

半導體光觸媒在照光後所產生的電子電洞對,可分別與水和氧氣產生氧化還原反應,產生超氧化物自由基(•O2-)或氫氧自由基(•OH),而以上這些物質具有強氧化力,可氧化分解很多種物質。

半導體有很多,因此我們只需要選擇較低能隙的半導體材料,如硒化鎘或硫化鎘,就可在可見光區激發,進行光觸媒反應。反之,若以提升氧化分解能力,氧 化鋅則為強氧化分解能力的代表。但是以上之半導體之金屬元素,只有一種氧化電位,在受光後將產生金屬離子,致使觸媒發生腐蝕現象,如下公式所示:

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其原因在於照光時所產生的電洞,將使本身之非金屬元素氧化,使觸媒溶解並產生金屬離子。但二氧化鈦它有兩個氧化還原電位(Ti3+, Ti4+),此可自行氧化還原的可逆反應,使上述之反應不會發生,故二氧化鈦比其他半導體光觸媒更受科學家的青睞 [3]。

 

參考文獻:
[1] 吳怡貞 (2006),利用真空濺鍍法製備可見光奈米光觸媒進行丙酮分解之研究, 114頁,國立中山大學,高雄市。
[2] 高濂,鄭珊,張青紅 (2004),奈米光觸媒,初版,402頁,五南,台北市。
[3] Vinu, R., and G. Madras (2010), Environmental remediation by photocatalysis, Journal of the Indian Institute of Science, 90(2), 189-230.

 

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