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环保新尖兵—二氧化钛光催化反应及应用


二氧化钛的光催化反应

二氧化钛 (Titanium dioxide, TiO2)在适当波长之光照射后,其物理结构中价电带 (valence band)的电子会被激发至导电带 (conduction band),形成自由电子 (electron, e– ),价电带的电子受激发脱离后,将形成电洞 (electron hole, h+),使原子电荷达到平衡。当二氧化钛表面的电子 (TiO2( ))与污染物 (Mn+)发生光还原反应,使之还原成价数较低的状态 (M(n-m)+, n:污染物之价数;n-m:表示经过m次分解后污染物之价数),其反应机制如下 [1]:

环保新尖兵—二氧化钛光催化反应及应用

此时,二氧化钛表面的电洞 (TiO2( ))可将有机污染物分解产生中间产物、二氧化碳与水,其反应机制如下:

环保新尖兵—二氧化钛光催化反应及应用其中,S为有机物质 (organic substrate);I为有机中间体 (organic intermediate),有机中间体可以继续与二氧化钛反应分解。

另一方面,涂布二氧化钛之材料表面电子会与表面吸附的氧气结合,发生还原反应;而表面的电洞将与水中之氢氧根离子发生氧化反应,光触媒就是利用这些反应产生的强氧化还原剂进行氧化还原反应,促使化合物分解 [2],其反应机制如下图所示:

环保新尖兵—二氧化钛光催化反应及应用

二氧化钛光触媒之应用

1.去除废水中之有毒物质

二氧化钛可用来降解废水,因此可将二氧化钛固定在玻璃、陶瓷或金属表面上,将含有毒化物质之工业废水通过表层镀有二氧化钛之材料进行降解反应。除此之外,在生活中常见的光触媒装置如滤水器、饮用水净化装置、超纯水製造装置、染料脱色处理系统等,近年来则致力于新兴污染物净化系统装置开发与研究。

2.分解空气中之污染物并去除臭味

二氧化钛与通风、空调系统整合后,可将空气中之污染物产生光催化反应,降低汙染物的浓度,如香菸产生的甲醛 (methanol, CH2O)、厕所内的氨气 (ammonia, NH3)等臭味若低于人类嗅觉可感受的阀值,就感受不到它的存在。因此使用二氧化钛除臭并将污染物转化为二氧化碳与水,维持空气清新以成为现代人的课题,与二氧化钛结合之产品,如窗帘、百叶窗、壁纸等已在坊间问世。

3.防霉、抗菌改善医疗卫生条件

照光后的二氧化钛可产生强氧化还原剂,其可分解细菌细胞中的辅酶 (co-enzyme Q10)及酵素,抑制霉菌与细菌生长,并可分解细菌生长的营养源及产生的毒素并转化成二氧化碳及水,因此可将其固定在卫浴磁砖、刀具、刀板及建筑材料上,可以产生防霉、抗菌,降低细菌传染率,使减少环境中对抵抗力低的病人的威胁,科学家们近年来致力于破坏癌细胞的研究。

4.防雾、防油、自我清洁

二氧化钛具超亲水性,使水滴在二氧化钛时于表面形成薄膜,防止雾气产生。具有疏水性之油污附着时,若受到光线照射,二氧化钛将使油污分解,并回复超亲水性,这些油污分解后的产物及附着于油污中的粉尘可在雨天被雨水沖刷掉,因此二氧化钛也具有自行清洁能力。近年来如建筑材料、室外墙壁、磁砖、玻璃窗、除油烟机、护栏、洗衣机水槽及防雾镜等为世面上常见之产品。[4]

参考文献

[1] Vinu, R., and G. Madras (2010), Environmental remediation by photocatalysis, Journal of the Indian Institute of Science, 90(2), 189-230.

[2] 林锟松,王睿毅 (2009),「表面改质二氧化钛奈米管应用于环境中有机及硝酸盐污染物去除技术之开发」期末报告(定稿本),行政院环境保护署,台北市。

[3] 杨政宪 (2012),泡沫分馏法製备含锆之锐钛矿,国立中正大学硕士论文。

[4] Taoda Hiroshi 着,张晶,杨健 译(2003),光触媒图解,城邦文化事业股份有限公司,台北市。

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