篇 名 二 氧 化 鈦 光 觸 媒 之 初 探 作 者 林 隆 奕 高 雄 縣 中 山 工 商 綜 合 高 中 二 年 6 班
壹 前 言 自 十 八 世 紀 的 工 業 革 命 後, 全 球 進 入 了 工 業 化 的 時 代 人 們 的 生 活 品 質 獲 得 了 改 善, 但 卻 帶 來 了 環 境 污 染 以 及 能 源 耗 竭 的 危 機, 所 以 光 觸 媒 的 技 術 就 在 這 樣 的 時 空 下 誕 生 了 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 什 麼 不 良 副 作 用, 因 此 成 為 防 治 空 氣 及 水 河 川 污 染 的 好 幫 手 而 為 了 要 增 進 我 對 光 觸 媒 的 瞭 解, 且 我 對 它 也 有 一 些 些 興 趣, 所 以 我 以 光 觸 媒 來 做 這 次 論 文 的 研 究 題 目, 以 便 我 探 索 光 觸 媒 的 一 切 貳 正 文 一 何 為 光 觸 媒? 1. 光 觸 媒 的 定 義 光 觸 媒 本 身 是 一 個 複 合 名 詞, 它 結 合 了 光 與 觸 媒 二 個 名 詞 與 概 念 觸 媒 的 定 義 是 大 家 所 熟 悉 的, 也 就 是 : 可 加 速 或 減 緩 化 學 反 應 的 物 質, 且 在 反 應 過 程 中 不 會 產 生 永 久 性 的 化 學 變 化 光 則 是 具 有 粒 子 與 波 動 行 為 的 量 子 化 電 磁 能 量, 不 具 電 荷 或 質 量, 但 有 動 量 觸 媒 是 物 質, 光 是 量 子 化 的 能 量, 兩 者 結 合 後, 可 以 把 光 觸 媒 反 應 視 為 : 利 用 觸 媒 且 牽 涉 到 光 線 吸 收 的 催 化 反 應 註 一 2. 光 觸 媒 的 材 料 可 用 於 光 觸 媒 材 料 其 實 很 多,TiO2 ZnO SnO2 ZrO2 等 氧 化 物 及 CdS ZnS 等 硫 化 物, 但 其 中 二 氧 化 鈦 (TiO2) 因 為 具 有 強 大 的 氧 化 還 原 能 力, 且 不 會 產 生 光 溶 解, 其 化 學 穩 定 度 高 及 無 毒 的 特 性, 而 被 使 用 來 做 為 光 催 化, 二 氧 化 鈦 之 結 晶 可 分 銳 鈦 礦 型 (Anatase) 金 紅 石 型 (Rutile) 板 鈦 礦 型 (Brookite) 三 種 其 中 最 常 見 及 最 廣 泛 使 用 的 是 前 面 兩 種 型 態, 後 者 則 極 為 罕 見 用 來 作 為 光 觸 媒 材 料 的 二 氧 化 鈦 為 銳 鈦 礦 結 晶 或 銳 鈦 礦 與 金 紅 石 的 混 合 結 晶 ; 而 一 般 廣 泛 被 使 用 來 做 為 工 業 顏 料 的 鈦 白 粉 則 為 金 紅 石 結 晶 這 兩 種 不 同 用 途 的 TiO2 的 比 較 如 表 一 所 示 表 一 不 同 用 途 的 TiO2 的 比 較 表 光 觸 媒 級 顏 料 級 顆 粒 徑, nm (10-9 m) 0.5~20 210 比 表 面 積, cm 2 /g 200 8 密 度, cm 3 /g 3.9 4.2 ( 資 料 來 源 : 大 同 股 份 有 限 公 司 檢 索 於 2007/10/2,http://www.tatung.com/b5/air/know/know1.htm) - 1 -
3. 二 氧 化 鈦 光 觸 媒 作 用 原 理 當 二 氧 化 鈦 光 觸 媒 受 到 大 於 二 氧 化 鈦 能 隙 寬 度 的 光 線 照 射 後, 電 子 會 從 價 電 帶 躍 遷 至 導 電 帶, 因 而 產 生 電 子 - 電 洞 對 其 中 電 子 具 還 原 性, 電 洞 具 氧 化 性, 電 洞 會 和 二 氧 化 鈦 表 面 上 的 OH - 反 應 生 成 氧 化 性 很 高 的 OH - 自 由 基, 電 子 則 會 和 氧 分 子 結 合 形 成 超 氧 離 子 ( O2 - ), 活 潑 的 OH - 自 由 基 和 超 氧 離 子 會 把 有 機 物 分 解, 變 為 二 氧 化 碳 和 水 如 圖 一 所 示, 因 而 達 到 潔 淨 效 果 註 二 圖 一 光 觸 媒 反 應 圖 ( 資 料 來 源 : 世 屋 高 原 檢 索 於 2007/9/30,http://www.lightkiller.com/photo4.htm) 由 於 銳 鈦 礦 型 二 氧 化 鈦 的 能 隙 大 小 約 為 3.2 電 子 伏 特, 相 當 於 波 長 約 為 380 奈 米 的 光 波 所 攜 帶 的 能 量 如 圖 二 所 示, 故 欲 將 二 氧 化 鈦 的 電 子 自 價 帶 激 發 至 導 電 帶, 必 須 提 供 波 長 380 奈 米 的 紫 外 線 光 源, 才 能 使 二 氧 化 鈦 產 生 光 觸 媒 反 應 ( 可 見 光 範 圍 是 400~700 奈 米, 光 波 所 攜 帶 的 能 量 與 波 長 成 反 比 ) 註 三 圖 二 二 氧 化 鈦 電 子 受 激 躍 遷 示 意 圖 ( 資 料 來 源 : 檢 索 於 2007/9/30,http://nano.nchc.org.tw/dictionary/photocatalyst.html) - 2 -
二 二 氧 化 鈦 光 觸 媒 的 由 來 以 第 一 回 石 油 危 機 為 契 機, 石 油 燃 料 之 替 代 品, 大 部 分 多 著 重 在 太 陽 能 轉 換 成 氫 氧 方 面 之 研 究 因 此, 從 發 現 至 現 今 已 過 了 三 十 多 年, 發 現 者 為 現 任 東 京 大 學 件 研 究 所 工 學 系 研 究 科 教 授 工 學 博 士 藤 島 昭 在 發 現 時, 藤 島 先 生 為 東 京 大 學 研 究 所 之 學 生 在 當 時 為 電 子 寫 真 ( 影 印 ) 之 影 像 材 料 之 基 礎 研 究 者 之 一, 從 事 光 回 應 氧 化 物 半 導 體 之 研 究 係 以 氧 化 鋅 半 導 體 做 電 極 置 於 水 容 易 中 受 光 照 射 後, 可 瞭 解 依 照 射 光 之 強 度 不 同 而 依 比 例 產 生 強 度 不 同 之 電 流 如 此 之 現 象, 當 時 在 德 國 美 國 亦 同 步 熱 烈 展 開 研 究, 因 而 解 析 了 以 電 流 之 流 動 機 構, 說 明 利 用 光 來 溶 解 氧 化 鋅 之 反 應 式 除 了 ZnO 以 外, 硫 化 鎘 同 樣 可 產 生 光 溶 解 現 象, 在 偶 然 機 會 取 得 二 氧 化 鈦 半 導 體 單 結 晶 此 結 晶 為 透 明 玻 璃 狀 質 硬 而 且 對 光 之 折 射 率 大, 因 此 有 如 鑽 石 的 替 代 品 一 般 被 視 為 至 寶 將 該 TiO2 單 結 晶 用 鑽 石 切 割 機 切 取 薄 片 丹 版 狀 片 作 為 電 極, 而 對 極 使 用 白 金 電 極, 做 成 閉 所 迴 路, 並 朝 TiO2 單 結 晶 照 射 氙 燈 看 看 驚 人 的 是 在 TiO2 白 金 兩 表 面 冒 出 氣 體, 快 速 的 將 這 類 氣 體 集 中 後, 用 氣 層 分 析 (GC) 測 定 結 果 發 現 自 TiO2 冒 出 氧 氣, 而 白 金 冒 出 氫 氣, 由 此 可 知, 用 光 可 以 將 水 分 解 成 氧 氣 及 氫 氣 而 在 此 時,TiO2 本 身 並 不 溶 解, 照 射 好 幾 天 其 表 面 特 性 並 沒 有 完 全 變 化 如 此 發 現 的 現 象 與 植 物 光 合 作 用 極 為 類 似 命 名 為 本 田 藤 島 效 應 註 四, 此 發 現 被 發 表 使 世 界 上 之 科 學 家 週 知 後 來 至 今, 探 索 比 TiO2 更 具 太 陽 吸 收 能 力 而 能 使 水 分 解 之 半 導 體 之 報 告, 至 今 尚 未 被 發 現 三 光 觸 媒 的 多 種 用 途 1. 空 氣 與 水 質 的 淨 化 A. 空 氣 污 染 的 問 題 會 直 接 影 響 生 活 環 境 的 品 質, 可 區 分 為 室 外 與 室 內 的 空 氣 污 染 室 外 空 氣 污 染 主 要 來 自 汽 機 車 與 工 廠 排 放 的 廢 氣, 以 氮 氧 化 合 物 硫 氧 化 合 物 懸 浮 微 粒 臭 氧 等 為 主, 會 導 致 酸 雨 或 呼 吸 道 系 統 疾 病 等 問 題 室 內 空 氣 污 染 以 揮 發 性 有 機 化 合 物 如 甲 醛 甲 苯 等 溶 劑 性 化 學 品 為 主, 對 人 體 具 有 毒 性 而 光 觸 媒 可 以 把 有 機 污 染 物 分 解 成 水 與 二 氧 化 碳 光 觸 媒 淨 化 空 氣 的 功 能 與 植 物 對 氮 氧 化 合 物 的 吸 收 類 似, 根 據 研 究, 一 平 方 公 尺 的 光 觸 媒 材 料 淨 化 空 氣 的 能 力, 約 等 於 三 棵 白 楊 樹 的 功 能 因 此 若 把 光 觸 媒 廣 泛 塗 布 在 大 樓 外 牆 或 高 速 公 路 隔 音 牆 表 面 上, 就 與 種 樹 淨 化 空 氣 的 作 用 類 似 B. 水 質 淨 化 的 原 理 及 應 用 與 空 氣 淨 化 相 似, 水 中 的 有 機 污 染 物 與 光 觸 媒 材 料 接 觸 後, 就 被 破 壞 分 解, 因 此 可 以 分 解 臭 味 分 子 或 破 壞 有 機 色 料 分 子, 而 達 到 除 臭 脫 色 的 功 能, 可 廣 泛 使 用 於 飲 用 水 水 質 改 善 游 泳 池 用 水 的 循 環 處 理 等 此 外 光 觸 媒 也 可 用 來 去 除 地 下 水 或 土 壤 中 的 有 機 污 染 物 - 3 -
2. 超 親 水 性 的 功 能 二 氧 化 鈦 光 觸 媒 具 有 相 當 特 殊 的 超 親 水 性 質, 這 是 因 為 二 氧 化 鈦 光 觸 媒 表 面 與 水 滴 的 接 觸 角 幾 乎 是 零 度 的 緣 故, 所 以 水 分 很 容 易 附 著 在 二 氧 化 鈦 表 面 上, 利 用 這 種 特 性, 表 面 鍍 上 二 氧 化 鈦 材 質 便 具 有 防 霧 的 神 奇 功 效 如 果 二 氧 化 鈦 以 薄 膜 方 式 鍍 在 玻 璃 牆 壁 等 材 質 表 面, 在 照 射 紫 外 光 之 後, 不 但 可 以 把 周 遭 環 境 中 的 污 染 物 質 分 解, 還 可 以 利 用 二 氧 化 鈦 的 超 親 水 性 質, 使 得 表 面 污 垢 更 容 易 去 除 當 有 油 滴 或 髒 污 附 著 在 光 觸 媒 表 面 時, 光 觸 媒 表 面 的 超 親 水 性 質 能 使 油 污 不 易 附 著, 經 清 水 沖 洗, 可 以 使 髒 污 很 容 易 清 除 當 光 觸 媒 應 用 在 戶 外 建 材 時, 像 高 樓 的 窗 戶 屋 頂 等 不 易 清 洗 的 地 方, 清 洗 就 不 再 是 危 險 的 工 作 了 3. 防 蝕 與 抗 菌 A. 防 蝕 是 指 金 屬 材 質 經 過 表 面 加 工 後, 具 備 抵 抗 環 境 中 水 氣 氧 氣 與 鹽 類 侵 蝕 的 能 力 金 屬 腐 蝕 屬 於 氧 化 作 用, 如 鐵 受 腐 蝕 後 會 生 成 紅 色 的 銹 斑 金 屬 表 面 塗 布 光 觸 媒 材 料 後, 在 光 線 的 照 射 下, 被 激 發 的 電 子 會 傳 遞 至 金 屬 表 面, 使 其 帶 負 電, 而 提 高 水 氣 與 氧 氣 侵 蝕 的 難 度, 達 到 防 蝕 的 功 能 光 觸 媒 應 用 於 金 屬 防 蝕, 對 目 前 流 行 的 大 樓 不 銹 鋼 建 材, 可 提 供 最 好 的 保 護 作 用, 減 少 防 銹 維 護 的 成 本 B. 抗 菌 是 指 物 質 本 身 經 加 工 後, 具 有 抑 制 細 菌 生 長 或 進 而 使 細 菌 死 亡 的 功 能 實 驗 證 明, 經 過 一 千 燭 光 紫 外 光 照 射 一 小 時 後, 二 氧 化 鈦 光 觸 媒 可 以 把 99% 的 大 腸 菌 耐 甲 氧 苯 青 黴 素 鈉 黃 葡 萄 球 菌 及 綠 膿 菌 等 細 菌 分 解, 殺 菌 效 果 相 當 顯 著 實 驗 並 發 現, 在 室 內 的 地 板 與 牆 壁 上 鍍 上 二 氧 化 鈦 光 觸 媒 後, 明 顯 減 少 空 氣 中 的 浮 游 菌 數 降 低 室 內 黴 菌 滋 生 臭 味 大 幅 減 少, 可 說 是 一 舉 數 得 而 在 細 菌 繁 殖 旺 盛 時 期, 光 觸 媒 可 利 用 其 表 面 的 去 污 功 能 分 解 細 菌 殘 骸, 使 得 抗 菌 功 效 得 以 持 續, 不 會 因 受 到 髒 污 覆 蓋 而 失 去 抗 菌 功 能 此 外, 光 觸 媒 不 但 可 以 殺 菌, 並 可 以 把 細 菌 體 內 的 毒 素 分 解, 這 是 傳 統 抗 菌 劑 所 沒 有 的 特 性 4. 其 他 高 科 技 功 能 光 觸 媒 除 了 環 境 淨 化 的 應 用 之 外, 在 水 的 分 解 以 產 生 氫 氣 二 氧 化 碳 還 原 以 產 生 甲 醇 光 觸 媒 太 陽 電 池 等 方 面 的 應 用, 也 日 益 受 到 重 視 和 廣 泛 的 研 究 與 開 發 尤 其 是 光 觸 媒 太 陽 電 池 的 開 發, 自 1990 年 代 以 來, 其 發 展 已 日 益 成 熟, 商 業 化 應 用 指 日 可 待 與 一 般 矽 基 太 陽 電 池 比 較, 光 觸 媒 太 陽 電 池 具 備 可 撓 繞 曲 性, 可 製 備 於 軟 性 基 材 ( 如 布 料 塑 膠 等 ) 上, 應 用 範 圍 會 大 為 增 加, 因 此 備 受 期 待 - 4 -
四 光 觸 媒 未 來 展 望 近 幾 年 來 因 為 奈 米 科 技 的 發 展, 奈 米 粒 子 的 大 表 面 積 性 質, 使 得 二 氧 化 鈦 光 觸 媒 的 光 催 化 特 性 得 到 進 一 步 的 提 升 另 一 方 面, 由 於 奈 米 粒 子 的 量 子 限 量 效 應, 其 尺 寸 越 小, 價 帶 與 導 電 帶 間 的 能 隙 越 寬, 奈 米 級 二 氧 化 鈦 光 觸 媒 會 具 有 更 強 的 氧 化 力, 奈 米 科 技 的 發 達 將 對 光 觸 媒 的 發 展 產 生 決 定 性 的 影 響 註 五 由 於 二 氧 化 鈦 光 觸 媒 所 使 用 的 是 紫 外 光 波 段 的 光 源, 但 日 光 中 的 紫 外 光 能 量 僅 占 總 能 量 大 約 5%, 使 得 二 氧 化 鈦 光 觸 媒 的 應 用 範 圍 受 到 很 大 的 限 制 晴 天 戶 外 的 陽 光 中 紫 外 光 的 能 量 約 有 四 毫 瓦, 足 夠 光 觸 媒 分 解 污 染 物 質 但 是 室 內 的 日 光 燈 只 有 0.1~1 微 瓦, 對 於 大 部 分 的 光 觸 媒 而 言, 都 不 足 以 使 其 產 生 作 用 所 以 如 果 有 一 天 利 用 可 見 光 使 光 觸 媒 產 生 反 應 的 技 術 研 發 成 功 了, 光 觸 媒 的 特 色 將 不 只 是 除 污 抑 菌 抗 菌 而 已, 到 那 個 時 候, 只 要 將 浴 室 廁 所 廚 房 等 處 更 換 成 光 觸 媒 瓷 磚, 即 可 讓 居 住 環 境 進 一 步 達 到 乾 淨 舒 適 的 效 果 在 紡 織 品 方 面, 除 了 人 造 纖 維 外, 國 內 科 學 家 現 正 研 究 利 用 天 然 纖 維 製 造 的 光 觸 媒 紡 織 品 而 在 保 持 公 路 與 隧 道 燈 具 的 清 潔 與 照 明 亮 度 上, 採 用 光 觸 媒 燈 罩 應 為 改 進 方 法 之 一, 只 是, 如 何 降 低 製 造 成 本, 讓 工 程 單 位 樂 於 使 用, 又 是 另 一 個 待 克 服 的 問 題 參 結 論 據 我 所 知 現 在 的 光 觸 媒 需 要 照 波 長 約 380 奈 米 的 紫 外 光 才 可 以 引 發 它 的 催 化 反 應 但 紫 外 光 大 多 來 自 太 陽 光 的 照 射, 含 量 約 3~5%, 若 要 單 獨 濾 出 380 奈 米 左 右 的 紫 外 光 那 含 量 就 更 低 了, 可 能 不 到 3%, 所 以 研 究 出 利 用 可 見 光 使 光 觸 媒 產 生 反 應 的 技 術, 是 未 來 的 一 個 很 大 的 目 標, 雖 然 其 中 可 能 會 遇 到 許 多 技 術 問 題 的 瓶 頸, 不 過 這 一 切 都 考 驗 著 我 們 的 技 術 研 發, 以 及 對 它 是 否 投 入 所 以 我 期 望 這 個 技 術 能 夠 成 功 的 研 發 出 來, 讓 光 觸 媒 到 達 普 遍 使 用 的 地 步, 肆 引 註 資 料 註 一 林 有 銘 (2006) 無 所 不 在 的 環 境 清 潔 工 奈 米 光 觸 媒 檢 索 於 2007/9/27, http://nr.stpi.org.tw/ejournal/nscm/9512/9512-04.pdf 註 二 蘇 俊 鐘 (2003) 光 觸 媒 (Photocatalyst) 檢 索 於 2007/9/27,http://nano. nchc.org.tw/dictionary/photocatalyst.html 註 三 高 濂 鄭 珊 張 青 紅 (2004) 奈 米 光 觸 媒 台 灣 : 五 南 出 版 註 四 藤 島 昭 橋 本 和 仁 渡 部 俊 也 (2006) 圖 解 光 觸 媒 台 灣 : 世 茂 出 版 註 五 呂 宗 昕 吳 偉 宏 (2004) 奈 米 科 技 與 二 氧 化 鈦 光 觸 媒 檢 索 於 2007/9/27, http://www.nsc.gov.tw/files/popsc/2004_43/72-77.pdf - 5 -