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2019-07-01有光的地方就不怕髒? 看光觸媒如何抗菌除臭 595 期

Author 作者 廖美儀/國立屏東大學應用化學系助理教授;鄭廷瑜/國立屏東大學應用化學系。

光觸媒的神奇之處

環境中的各種細菌、汙染和致癌物質無處不在,包括孳 生在磁磚縫隙中的黴菌、新裝潢傢俱上超標的甲醛及瀰漫在空氣中的懸浮微粒(PM2.5)造成的紫爆等,曝露在這些威脅中將對人體造成不容忽視的影響。針對這些問題,光觸媒(photocatalyst)是一個極佳的選擇,且許多科學研究證實它能有效解決上述問題。

光觸媒材料是利用光能來加速化學反應進行的催化劑,當啟動光能時,它會與附在物體表面的外來物質產生氧化或還原作用,進而達到殺菌、抑菌或除汙的效果。除此之外,光觸媒也已是現今被廣泛進行的研究項目,其應用性與消滅微生物的能力擁有很高的評價,預期在食、衣、住、行(包括空氣清淨與水質淨化)等相關產業中,將有極大的商機與發展空間。

光觸媒的發現

1972 年,日本東京大學的藤嶋昭(Fujishima Akira)

觀察到二氧化鈦(TiO2)在紫外光的照射下,會把水分子分解成氫氣,因而發現二氧化鈦的光化學特性。隨著環保意識高漲,其特性引起世界各國的重視,近年研究 發現許多半導體材料皆具有光觸媒特性,目前常見的有磷化鎵(GaP)、砷化鎵(GaAs)及二氧化鈦。

然而,進一步的研究發現,部分半導體材料在酸性或鹼性環境中容易變質,有些化合物易發生化學或光化學腐蝕性,皆不適合作為淨水的光觸媒。相較之下,二氧化鈦具有高穩定性、耐酸鹼、價格便宜、容易製備和無毒等優點,為目前最常用、也最有發展潛力的光觸媒材料。

光觸媒作用原理

二氧化鈦有兩種較常見的晶體結構,分別為「金紅石 (rutile)相」和「銳鈦礦(anatase)相」;其中,後者有較佳的光觸媒活性,大部分的研究皆以它作為對象。當二氧化鈦受到大於其能隙(energy gap)的光線照射後,電子(e-)會從價帶躍遷至導電帶,留下一個正電孔洞(h+),這個組合被稱為電子-電洞對。

電子會和氧分子結合,最後形成還原性強的超氧根離子 (O2-);電洞則會和二氧化鈦表面的水氣反應生成氧化 性高的氫氧自由基(‧OH)。活潑的超氧根離子及氫氧自由基可對汙染物或在有機物表面進行氧化還原反應,將有機物分解,進而達到殺菌、抑菌或除汙的效果。光源方面,由於銳鈦礦相二氧化鈦的能隙約為3.2電子伏特(eV),相當於波長(λ)為 387.5 奈米(nm)的光波所攜帶的能量,故欲將二氧化鈦的電子自價帶激發至導電帶,必須提供波長小於 387.5 奈米的紫外線光源,才能使二氧化鈦產生光觸媒反應。......【更多內容請閱讀科學月刊第595期】