奈米TiO2光触媒除污路竹高中戴嘉亨老师
奈米奈米TiOTiO2 2光觸媒光觸媒 除污除污路竹高中路竹高中 戴嘉亨老師戴嘉亨老師右：喂！你踩到屎了！ 左：有嗎？ 觸媒(catalyst)在生物中稱為酵素或酶(enzyme)在化學中稱為催化劑 什麼是觸媒在一個反應中，反應 物形成產物時需要克 服一定的能量障礙， 我們稱之為活化能活化能什麼是觸媒(續)若在此反應中加入 觸媒的物質，可降 低反應的活化能，加 快反應的進行廣義的觸媒(觸媒的功力)¡一般定義：能加快或減緩反應速率之物質¡更廣義一點：¡能改變選擇率(主產物生成率對反應物消耗 率之比值)¡能改變反應路徑生成不同的產物二氧化鈦礦石什麼是光觸媒 (photocatalyst)¡在吸收光的 能量後，能 發揮觸媒特 性之物質光合作用是典型的光觸媒例子CO2O2澱粉H2O葉綠素本身不產生變 化，是不折不扣的一 種光觸媒防霧 擋風玻璃、後視鏡光觸媒功能光清淨革命抗菌 抗菌磁磚醫療 光化學療法清淨空氣 空氣清淨機、除臭材料TiO2光觸媒防污 玻璃、油漆淨水 淨水器光觸媒的反應機制傳導帶禁制帶(能隙 )價電子帶光觸媒光觸媒的反應機制(續)傳導帶禁制帶(能隙 )價電子帶紫 外 光+ + +電子進入了傳導帶後，變成自由電子可以自由移 動，同時在原來價電子帶的地方產生電洞光觸媒的反應機制(續)-e- h+ +電子和電洞會往材料表面移動及擴散光觸媒的反應機制(續)HO2-e- h+ +O2- 還原反應氧化反應h+trap O2 H+H2O+OHH+ 被表面捕 捉的電洞光觸媒的反應機制(續)OHO2- HO2光觸媒的反應機制(續)強氧化力強還原力強還原力可破壞有機化合物之C-C、 C- H、 C-N、 C-O、 H-O、 N-H 等鍵結進而分解成CO2、H2O超氧離子 自由基過氧根 自由基羥基自由基此部分有待 進一步證實光觸媒 一定要是奈米級嗎YESWHY奈米光觸媒(Nano-Photocatalyst)光觸媒為何要奈米化比表面積效應：5奈米的二氧化鈦與53奈米的粉體 相較，比表面積大了約40倍 有效電子與電洞產生量：當光觸媒粉體小至奈米級 時，所產生的電子與電洞會迅速移動至粉體表面， 與水及氧起反應產生自由基 量子效應：當價電子帶氧化還原電位越正，而傳導 帶氧化還原電位越負時，所產生的電子與電洞氧化 還原能力強 材料透明度：因其高能隙且不吸收可見光的特性， 分散在液體中將呈無色透明狀態(濃度高則非透明) 材料加工性：光觸媒材料奈米化後，可穩定懸浮及 分散於溶劑中，提高作業利性2002美國科學人雜誌（Scientific American） 指出，一般氧化鈦的結晶在20250nm之間 如此大的徑無法發揮效用 氧化鈦徑必須要小到7nm以下才能產生效果 因為在三維空間，徑愈小的子愈能夠緊密地排，比表面積增大，反應相對較為敏 光觸媒徑要多小才有作用光觸媒材料須具有的特性不溶解、耐酸鹼 反應中本身不變質不具毒性光觸媒需要什麼光紫外光 (380nm以下)可見光紅外光(780nm以上)波長(nm)380780 400 600 800 1000 光 的 量太陽光光譜 太陽光 中有5% 的光可 催化光 觸媒光能與觸發光觸媒關係光能量公式光能量公式光能(電子伏特 eV)=1240 光波波長(nm)問題：如有一光觸媒需要4eV能量才能進行光化學反應，試求所需要的光波之波長為何解：12404波長=1240波長4=波長=310nm目前光觸媒材料有哪些其中二氧化鈦(Titanium Dioxide)因為具有 強大的氧化-還原能力，並且不會產生光溶解 其化學穩定度高及無毒的特性，使用最廣泛 光觸媒的起源紫外光電阻氫氣電阻二氧化鈦電極白金電極氫氣氧氣水的二氧化鈦光分解電池白金電極白金電極氧氣氫氣水的電解光觸媒產業之父¡1968東京大學博士研究生藤嶋昭實驗發現， 放置氧化鈦的水經過光的照射後，會分解成了 氧和氫¡這種水的分解過程中，氧化鈦本身不會被溶解 ，即使被持續照射數天表面也看不到任何變化 ，此發現在1972發表¡此特性與植物的光合作用極為類似，此發現後 來被命名為【本多藤嶋效應】(是東京大學藤 嶋昭教授與其老師本多健一教授發現的現象) ¡ ¡故故藤嶋昭藤嶋昭可說是光觸媒產業之父可說是光觸媒產業之父TiO2光觸媒天然二氧化鈦的結晶型態與用途金紅石銳鈦礦板鈦礦只為學術研究用白色塗料用光觸媒用TiO2光觸媒(續)¡二氧化鈦是目前最廣泛使用的奈米材料，優點有比表面積增加，接受光照射的機會將隨之提高避免電子與電洞結合，增加有效電子與電洞的 產生，提高效率具高透光性，可使整層材料均勻受到光的刺激 ，以利進行光觸媒反應提高加工作業的方性，改善被加工成品的均 勻性及穩定度鈦礦豐富，價格宜TiO2與奈米銀相見歡摻銀的氧化鈦薄膜比純氧化鈦更平滑，亦即氧化鈦顆更小 銀的摻雜不影響氧化鈦之晶型並提高光催化活性 銀的摻雜增加光的吸收能力且產生紅移現象，從365nm移動 到413nm，能隙由3.4eV下降到3.0eV 光觸媒只能在日光或紫外光下工作，而銀-氧化鈦不單 在日光下比單純的氧化鈦強，更能在夜間繼續殺菌分解毒物 原理：銀(細小金屬顆)的加入會形成電子累積中心，對氧化鈦之電子有更有效的吸引力，從而使電子與電洞分離之機率大增奈米光觸媒抗菌金黃色葡萄球菌大腸桿菌抗菌劑比較有機系抗菌系銀系抗菌系二氧化鈦光觸媒優點容易製造適合 的抗菌劑具耐熱、安 全安定性與 加工容易具多功能性(除 污、除臭、抗菌 )缺點不耐高溫 易分解因形成氧化 銀、氯化銀 而喪失效果必須提供光能且 與基板易反應須 有保護措施奈米光觸媒防污奈米光觸媒水淨化奈米光觸媒防霧(超親水性)一般玻璃奈米防霧玻璃隨紫外光照光時間 的增長，水滴與二 氧化鈦表面的接觸 角漸減，形成水膜奈米光觸媒防霧(續)基片TiO2薄膜基片TiO2薄膜UV照射暗處水滴疏水超親水(0度 )奈米光觸媒防霧(續)奈米光觸媒清潔空氣一般臭氣分類奈米光觸媒醫療光照射治療 皮膚病變：利用不同波長之紫外光治療乾癬皮膚病 ，尚可用於治療黃疸症、美容手術(傷口無疤化) 抗癌治療 問題思考：光觸媒殺菌速度與能力須大於腫瘤細胞 繁殖速度，此外光觸媒須對腫瘤細胞與正常細胞具 選擇性 解決方案：增加光觸媒之比表面積以提高活性；另 外製造一種會向腫瘤細胞集中之特殊試劑，並使試 劑載有光觸媒奈米光觸媒產業概況光觸媒產品(市面所售)噴劑(抗菌、防霉)、濾網、空調、燈 管、口罩、殺菌劑、成衣、毛巾、床 罩、枕套、空氣清淨機 口罩產品阻隔方式口罩孔 隙(nm)防SARS功用光觸媒殺菌 口罩氧化還原分解2nm經受光照後在數微秒中分解有 機物，在極微觀的層次上破壞 SARS病毒分子結構。 一般口罩網狀結構過濾260nm100 0nm無法阻絕大小僅60nm的SARS病 毒及細小的病毒。 活性碳口罩260nm100 0nm僅能吸附氣味分子，吸附細菌 與病毒的能力尚未獲得確認， 可能將細菌病毒帶著走，更增 加傳染的危險性。 N95或P1等級 口罩帶電濾材過濾75nm以帶靜電材料製成，但最高帶 電濾材也只能過濾徑大於75nm 的物體，無法阻絕僅60nm的 SARS病毒。產品光觸媒口罩產品光觸媒風扇¡利用365nm波長之近紫外線光照射於表面鍍 TiO2 奈米微溶膠之玻纖套管上，再配合涼風扇能快 速帶動空氣循環對流原理，如此來產生直接且快 速之除臭、殺菌、抑菌的效果 形式有光觸媒燈管及可見光光觸媒燈管兩種 光觸媒燈管係將光觸媒(TiO2)鍍在玻纖套管後 ，套上365nm波長紫外光燈管，故僅具殺菌、除 臭、自清、防霉等功能，而無照明之功能 可見光光觸媒燈管係將光觸媒(TiO2)直接鍍在 543nm波長之燈管表面，不但具殺菌、抑菌、除 臭、自清、防霉等功能尚可作照明用 光觸媒燈管壽命決定在燈管的壽命；可見光光觸媒燈管與一般燈管一樣，不影響室內照明產品光觸媒燈管產品光觸媒燈管(續)通過可見光通過可見光二氧化鈦紫外光照明燈消除污物消除油狀物質玻璃產品光觸媒磁磚塗布釉料 的磁磚噴含有銅或 銀的二氧化 鈦液膠高溫燒結 固定化銅基板釉藥二氧化鈦產品光觸媒空氣清淨機二氧化鈦光觸媒過濾 器可抗菌除臭過濾粗 塵高密度靜電過濾器 能過濾微細污物離子化部 用靜電以集聚污物空氣流過濾器 過濾粗塵紫外光燈管產品光觸媒塗料光觸媒作用時 這些有機色料 會被分解，因 此必須改用無 機系產品光觸媒汽車後視鏡玻璃板二氧化矽玻璃板二氧化鈦二氧化矽玻璃板後視鏡光觸媒標章的認證制度對象 光觸媒原料 (粉體、溶膠 ) 光觸媒材料 (光觸媒載體 ) 光觸媒產品 (號稱具有光觸媒功效的產品) 等以上三種做認證制度 光觸媒標章細菌必需與光觸媒表面接觸才能發揮作用 作用快慢取決於光源之強度及接觸面積 光觸媒噴撒在空間是不可行的,光觸媒需塗佈 在處理細菌防治時,光觸媒並不是站在第一防 線,而是站在第二防線 傳統的消毒方法(如酒精殺菌)有立即見效的 優點,但是其效能維持有限 因此使用光觸媒做為持續的消毒,將活動空間 的菌量有效降低,彌補原有之不足光觸媒殺菌之正確用法光觸媒之發展 環保方面研發更穩定、低價位、應用範圍廣且對環境無害的光觸 媒 能源方面研發高效能之光觸媒，期能利用太陽光由水大量製造氫 氣並減小燃料電池尺寸與電極之抗毒性 研發可見光光觸媒太陽光中只有低於5%是紫外線，而一般日光燈中含紫外 線更少，有必要擴大效能與應用範圍 特定污染物處理應用光觸媒來處理一些較棘手的汙染物 化學藥品之生產應用光觸媒於生產化學藥品之空間目前還相當大 溫室效應之改善已經有研究利用光觸媒將二氧化碳還原成一氧化碳，對 於溫室效應有舒緩之貢獻好書推薦實驗(除污)將二氧化鈦利用噴霧器噴在磁磚表面待乾燥後，利用濕紙巾沾墨水塗抹在 磁磚表面將塗有墨水處一半遮住，利用紫外光 燈照射，約3分鐘後取出觀察顏色變化備註紫外光會對皮膚與眼睛會造成傷害請小心使用
