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环保新尖兵—二氧化钛光触媒之简介

前言

科技日新月异,人人追求着高品质的生活方式,但却也带来了一连串的环境污染问题。在环保意识抬头的今日,我们不仅意识到要有高品质的生活环境,更重要的是如何使环境得以永续发展。近年来新研发的光触媒 (photocatalysts)技术,是一种透过光产生化学作用,可将有害化学物质分解,得以净化环境并防止污染。光触媒是一种必须受到光照才能产生作用的触媒,其吸收光能后形成高能量状态,再将能量传递给反应物而触发反应发生。光触媒所需之能量为光能,而光能与波长成反比,计算方式如下:

环保新尖兵—二氧化钛光触媒之简介

光触媒应用之研究中以二氧化钛 (Titanium Dioxide, TiO2)为主的光催化 (photocatalysis)最为广泛。使用二氧化钛的理由如下(如图一所示):(1)光触媒活性高,(2)具有高度物理与化学安定性,(3)无毒害,(4)耐酸硷,(5)容易製备,(6)来源丰富,成本低廉,故适合大量使用[1]。

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图一 二氧化钛光触媒之应用优势


光触媒的光化学反应

光化学反应分为两种:直接光解 (direct photolysis)与间接光解 (indirect photolysis)。在光触媒吸收光能后成激发态,本身进行化学反应者,属于直接光解反应;反应过程中某一物质吸收光能后,再诱导另一物质发生化学反应,若在反应过程中加入催化剂(如氧化剂、半导体等),而使反应速率增加,称为光催化,又称为间接光解。

间接光解又可分为同相光催化 (homogeneous photocatalysis)与异相光催化 (heterogeneous photocatalysis)。同相光催化反应是指催化剂与反应物均存在于气相或液相中;而异相光催化反应是指光催化剂与反应物存在于不同之物理相,通常为固-液相或固-气相。二氧化钛常应用于固-液相之异相光催化反应。

异相光催化反应中,又以半导体光触媒研究最为广泛。半导体 (semiconductor)是指导电率介于导体与绝缘体间,半导体的导电率与本身之能隙结构有关。在常温下负责导电的电子由于受到原子核的束缚,所以大多数分布于价电带 (valence band)中,也就是所谓的电子轨域。若价电带中的电子受到光、热或电场等能量的激发,使电子有足够的能量可以越过能隙 (band gap),它就可以由价电带激发至导电带 (conduction band)上,而在导电带上的电子不受束缚能自由移动,故半导体的导电率将大幅提升。

导电带与价电带中间称禁制带 (forbidden band),禁制带的能阶宽度称为能隙。不同半导体的能隙大小不同。当半导体受到能量大于能隙的光波后,原本位于价电带的电子会被激发到导电带成为自由电子,而对应电子的电洞也在价电带同时产生。而受光激发产生电子电洞对 (electron-hole pairs),再经由电荷转移即产生氧化还原反应,故受光照射形成激发态促进氧化还原反应的半导体称为半导体光触媒[2]。

半导体光触媒在照光后所产生的电子电洞对,可分别与水和氧气产生氧化还原反应,产生超氧化物自由基(•O2–)或氢氧自由基(•OH),而以上这些物质具有强氧化力,可氧化分解很多种物质。

半导体有很多,因此我们只需要选择较低能隙的半导体材料,如硒化镉或硫化镉,就可在可见光区激发,进行光触媒反应。反之,若以提升氧化分解能力,氧化锌则为强氧化分解能力的代表。但是以上之半导体之金属元素,只有一种氧化电位,在受光后将产生金属离子,致使触媒发生腐蚀现象,如下公式所示:

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其原因在于照光时所产生的电洞,将使本身之非金属元素氧化,使触媒溶解并产生金属离子。但二氧化钛它有两个氧化还原电位(Ti3+, Ti4+),此可自行氧化还原的可逆反应,使上述之反应不会发生,故二氧化钛比其他半导体光触媒更受科学家的青睐 [3]。

参考文献:
[1] 吴怡贞 (2006),利用真空溅镀法製备可见光奈米光触媒进行丙酮分解之研究, 114页,国立中山大学,高雄市。
[2] 高濂,郑珊,张青红 (2004),奈米光触媒,初版,402页,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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