21世纪的绿色技术-光催化应用

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1、21世紀的綠色技術－光催化應用＜前言＞對於除去空氣中的有害物質，如VOC、菌類，在以往已有許多相關技術；如吸附法、紫外線殺菌、催化燃燒、臭氧的利用等，且均已商業化。利用光催化在常溫下分解有害物質，則是最近這幾年正在發展的技術。本文將針對此項技術做一概括性的介紹。首先讓我們對“光催化”(Photocatalysis)的內涵做一說明。本文所指光催化是指：一化學反應發生是源自於光照射在觸媒上，使觸媒處於激發態，促使與觸媒接觸之化學分子（或物質）產生變化的過程。因此在光催化的過程，光提供能量，並非是一個觸媒；而為促使物質起反應，系統須要觸媒的存在。過去十年中商品化發

2、展的系統主要以使用異相觸媒為光觸媒的技術為主，因此本文所提到相關技術發展，亦指異相光觸媒系統，尤其將重點置於二氧化鈦光觸媒，因為以二氧化鈦為光催化觸媒的研究日趨熱烈與成熟有關。二氧化鈦是一種具半導體特性之金屬氧化物，由於其具高的折射率（refractiveindex3.87），因此很早即用於白色漆料。遠在約1929年時，人們已瞭解到二氧化鈦是造成漆料退變的原因。因此有關二氧化鈦之光化學性質遂引起許多深入研究。1972年日本的Fujishima及Honda首先發表以TiO2為陽極，Pt為陰極之光電化學電池，在光的照射下，將水電解成氧氣與氫氣。當時由於第一次石油

3、危機的關係，如何利用太陽能從水製造氫氣，是一項全球重視之研究方向。在這股風潮下，70年代以至80年代人們對半導體光化學的瞭解有了長足的增進，同時也促成了半導體光催化的發展。在1977年Frank及Bard報導了以二氧化鈦為光觸媒，可以把在水中的氰化物（Cyanide）分解的研究報告，更把二氧化鈦光觸媒的應用朝環保方面推展。為了介紹半導體光觸媒的應用，首先讓我們對半導體光觸媒的作用原理做一簡單敘述。＜原理＞半導體材料其混成電子軌域具有導電層（conductiveband)，且其價電層（Valenceband）之電子經適當能量吸收後，可躍過能階間距（bandga

4、p）至導電層，使材料因而具導電性。可作為環保光觸媒之半導體材料其能階間距需位於太陽光能量範圍內，如此材料內的價電子在光的照射下，可被激發至導電帶，藉此同時產生還原與氧化能力。圖一為常見半導體之能階間距分佈圖。如前述，二氧化鈦是已知很好的一個光觸媒，由圖二可知，二氧化鈦在PH＝7中性溶液中，吸收光線（380nm,3.2ev）所產生之電洞其氧化電位相對於標準氫電極（SHE)為+2.53V，如果說該電洞與水起反應，可產生氫氧根自由基（•OH），電洞所餘之氧化還原電位則僅略小於+2.53V，由圖二可知此時之電洞與氫氧根自由基之氧化能力均強於臭氧(+2.07)。臭氧由

5、於其氧化能力，已廣泛被應用於環保與除菌方面，二氧化鈦經光激化後，可顯現更強的氧化能力，此為二氧化鈦可作為環保光觸媒使用的主要原因之一。圖一為常見半導體之能階間距分佈圖圖二：在PH=7的中性溶液中，可發生於二氧化鈦表面之氧化還原反應二氧化鈦經過激發後，位於導電層之電子其氧化還原標準電位為-0.52V，理論上已足夠作為從水中產生氫氣之用，但實質上電子可能受制於分子結構或結晶格子，而損失一些還原能力（如圖示）。然而在此情形下，仍足以將O2還原成O2ˉ或形成過氧化氫（H2O2）。目前已瞭解，不論是電子洞、氫氧根自由基、O2ˉ、H2O2及O2在光觸媒催化反應均有其重要

6、性，其相對量與反應機制隨觸媒的狀況與反應條件而有所不同。二氧化鈦除了可當光催化反應的觸媒外，因光引發之超親水性特性亦於90年代中期內發現。研究證實，在二氧化鈦表面，部份鄰近只有兩個鈦原子的氧原子，經光線照射後，會脫離二氧化鈦表面。此時如果環境中有水分子存在，水分子會佔據氧離子所留下的空位，接著水分子脫去一個質子，在二氧化鈦表面形成一個氫氧基，如圖三所示。由於該氫氧基的存在，使得二氧化鈦具備了非常好的親水性，水與該項材質表面的接角（contactangel）趨近於零度。實驗証實該表面亦具備了非常好的親油性，事實上該物質亦是目前已發表唯一同時具備了良好親水性及親

7、油性之物質。此項研究成果隱含著親水性與親油性可相互取代，亦增加了該物質被應用的領域。經光照射後的二氧化鈦表面，置於暗處經數天後，仍具備親水性與親油性。但如果長期置於暗處，其親水、親油性消失，回覆到疏水性。惟如果重新曝光的話，則又可恢復親水及親油性，顯現穩定態的二氧化鈦是疏水性的。圖三：光引發親水性機制＜應用＞過去幾年裡，光觸媒的可能應用已做了廣泛的試驗。部份可能的應用列於表一。表一：光觸媒可能應用性質應用領域產品免洗特性住宅與大樓建材外牆磚、廚浴設施、內裝表面處理、塑膠表面、鋁質外牆與設施、石材與帷幕室內室外燈具及相關設施燈罩、燈管與燈泡表面塗裝、遮陽板道路

8、設施與其他用途燧道內牆、隔音牆、交通號誌、交通反光板