何謂光觸媒

何謂光觸媒?

光觸媒技術能有效處理液相污染物中的氯苯有機物、氯酚化合物、氰化物、金屬離子等污染物質

在空氣污染方面,光觸媒技術也能有效處理如氧化氮(NOx)、氧化硫(SOx)等污染物質。由於光觸媒在反應中僅扮演催化劑角色,本身並不會消耗掉,又沒有不良副作用,因此成為防治空氣及水河川污染的綠色尖兵。此外,若將半導體光觸媒(如二氧化鈦)放入水中,並照射紫外光,可以使水分解為氧與氫。這種將光能轉換為化學能的反應類似植物的光合作用,因而在石油危機時曾被用來生產乾淨又環保的能源──氫,但因效率不高,目前仍停留在研究階段。

「光觸媒反應」的原理 藉由紫外光或太陽光的照射,使觸媒表面的電子吸收足夠能量而脫離,而在電子脫離的位置便形成帶正電的電洞,電洞會將附近水分子游離出的氫氧基(OH-)氧化(即奪取其電子),使其成為活性極大的氫氧自由基(OH radical);氫氧自由基一旦遇上有機物質,便會將電子奪回,有機物分子因鍵結的潰散而分崩離析。一般的污染物或病源體多半是碳水化合物,分解後大部份會變成無害的水及二氧化碳,因此可以達到除污及滅菌的目標。

光觸媒的材料做為光觸媒的材料眾多,包括TiO2、ZnO 、 SnO2;、ZrO2等氧化物及CdS 、 ZnS等硫化物,其中二氧化鈦(Titanium Dioxide,TiO2)因氧化能力強、化學性安定又無毒,自1972年發現至今,已成為最近當紅的奈米光觸媒家電、口罩等民生用品的最愛。

二氧化鈦解說與應用

  • 01

    二氧化鈦是一種半導體,分別具有銳鈦礦(Anatase)、金紅石(Rutile)及板鈦礦 (Brookite)三種結晶結構,其中只有銳鈦礦結構具有光觸媒特性。

  • 02

    要使二氧化鈦的電子由價帶(valence band)躍遷至導帶(conduction band)並脫離材料,外來的光源必須供提電子足夠的能量以跨越能隙(band gap) 。光源的能量 E 與波長lambda;之間具有反比關係:E = h C / λ 其中 h 是浦朗克常數(Planck constant),C是光速。

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  • 03

    氧化鈦能隙的寬度為3.2 eV,對應的波長為380 nm,正是紫外光波段。換言之,波長超過380 nm(即能量低於3.2 eV)的光源是無法使二氧化鈦發揮光觸媒功能的。

  • 04

    為了擴大光觸媒的應用範圍,日本已成功開發出可見光(390~780 nm)適用的光觸媒;另一方面,應用奈米科技將二氧化鈦製成奈米級顆粒,則可藉由大幅增加表面積與體積的比例,提高光觸媒作用的效率。這些發展預期將帶動更多的光觸媒應用。

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