光触媒

光触媒起源光触媒原理光触媒应用光触媒制造方法及未来发展方向报告

光触媒技术控制都市

空气污染之应用

光触媒材料与起源

光触媒之基本原理

光触媒之应用领域

光触媒应用之迷思

光触媒之制造方法

光触媒之未来发展与限制

光触媒材料

l 光触媒的材料众多，包括TiO2、ZnO 、SnO2、ZrO2等氧化物及CdS 、ZnS等硫化物。

l 其中以TiO2(Titanium Dioxide，二氧化钛)具氧化能力强、化学性安定、无毒之特性而受到广泛之应用。

l 二氧化钛是一种半导体，分别具有锐钛矿(Anatase)、金红石(Rutile)及板钛矿(Brookite)三种结晶结构。

l 只有锐钛矿(Anatase)结构具有光触媒特性。

TiO2光触媒之起源

l 1972年由A. Fujishima及其指导教授K. Honda发表于Nature杂志中，其发现TiO2半导体在光照下会出现和植物光和作用类似之反应。

l 其先是应用于光能之转换储存，最后于环境触媒中发扬光大，成为现今最热门之环境科技话题之一。

l 日本在此方面一直居于领先之地位。

TiO2光触媒之基本原理-光能转换

n Solar Energy Conversion

1. 光照激发TiO2,形成电子(e-)电洞(h+)对：

TiO2+2hvà2e-+2h+

2. 电洞与H2O反应(TiO2电极端）

H2O+2h+à1/2 O2+2H+

3. 电子与H+反应(Pt电极端）

2H++2e-àH2

4. 全反应式

H2O+2hvà1/2 O2+H2

TiO2光触媒之基本原理-光能转换

n Solar Energy Conversion

1. 光照激发TiO2,形成电子(e-)电洞(h+)对：

TiO2+2hvà2e-+2h+

2. 电洞与H2O反应(TiO2电极端）

H2O+2h+à1/2 O2+2H+

3. 电子与H+反应(Pt电极端）

2H++2e-àH2

4. 全反应式

H2O+2hvà1/2 O2+H2

环保光触媒原理

l 触媒经照光后被激发形成之电子电洞对,将附近分子(H2O、O2)游离形成正、负离子或自由基(OH-、OH*…)。

TiO2+hvàh++e-

OH-+h+àOH* O2ads+e-àO2-ads

l 污染物质遇上氢氧自由基即被分解，形成中间产物，或是无害的水及二氧化碳，因此可以达到除污及灭菌的目标。

OH* + pollutant + O2àproducts (CO2, H2O,...)

环保光触媒NOx 去除

n 利用TiO2光触媒将NOx氧化形成HNO3，或是还原形成N2与O2。

n HNO3尚须与其它碱性物种（如NH3)反应方能形成稳定之物质，因此应用该方法做为都会区污染控制将被限制。

n 还原反应之光触媒（须添加其它物质如沸石）在都会污染控制较有可为，其可以涂覆在物质表面，降低汽机车所产生之空气污染。

环保光触媒除臭、除有机物

n 光触媒已经被证实可以去除多种具臭味之有机物质。

n 其中包括室内外常见之空气污染物如甲醛、甲苯、三氯乙稀、苯等。

n 光照强度、停留时间与照光时间为影响光触媒效率之关键因子之一。其触媒反应所需之停留时间约需数秒至数十秒，照光时间则通常需数十分钟后，其去除效率才会逐渐增加。

杀菌消毒

n 光触媒亦证实具有杀菌之效果。

n 环保光触媒典型之测试方法：

将含病菌（如大肠杆菌）之溶液置于玻片上，施以适度之光照。

n 有文献指出经一小时光照后可以将大肠杆菌杀光，若隔着PTFE薄膜(50μm厚，0.4 μm孔隙)，则4小时后可以杀光细菌。

n 显示其仍须足够之光照（最好是紫外光）及光照时间。

除污、除雾

n 光触媒可以涂覆于固体表面（如磁砖、墙壁、玻璃、马桶、浴盆等），其会将沈积于其上之污染物质自动分解。

n 光触媒亦有除雾之功效，因此可以应用于汽车玻璃及浴室镜面上。

环保光触媒光触媒除雾之原理

l 光触媒与SiO2混合制造时，在光照下会产生超亲水性现象：

1. TiO(IV)àTi(III)

2. h++O2-àO2，形成氧缺位(oxygen vacancy)

3. H2O占据氧缺位，OH-被吸附

4. 形成超亲水性特质

l 光照越久，超亲水性越强（接触角à0°）

环保光触媒接触角(Contact Angle)

n 物质与水滴之接触角越大，疏水性越高(莲花效应之自净原理）。

n 物质与水滴之接触角越小，亲水性越高，因此光触媒可以仅利用水即达到除污功效，并可除雾。

应用实例

1. 空气清净机、冷气、电风扇

2. 口罩

3. 灯罩灯管

4. 玻璃：杀菌兼防雾

5. 纺织布料

6. 喷液、涂料

7. 氧化钛砖

8. 浴盆、马桶

9. 废水处理、饮用水处理

光触媒应用之迷思- 光触媒之限制

n 需要光的照射。à只要有光就可以分解?暗光触媒?银光触媒? Yes，暗光=紫外光(e.g. 365nm)，添加银可以促进光触媒反应

n 必须在触媒表面进行反应。à可以”遥控”分解各种污染物及病菌? 可能，但

是污染物传输速度为其限制因子!（如次页图）

n 长期使用会受到毒化。à光触媒永远有效，不会衰减? 经过一段时间后仍必须更换。

n 所需反应时间长。à百分之百消灭病毒? 可能，但是要长反应时间！

1.光强度会随距离增长而消减

à墙壁与光照之距离？

2. 污染物必须传输至光触媒表面à光触媒灯管之表面热度所造成之热传阻碍？

光触媒应用之迷思–杀菌测试

不同之细菌病毒其所需光照强度与时间即不同。

ü经含光触媒之滤网过滤后之病菌灭菌效果并不显著(Lin and Li, 2002)。

ü在滤网上之光触媒其同样光照强度与时间之处理效率仍低于玻片测试结果(Lin and Li, 2003)。

üUV光本身即有灭菌效果，光触媒之贡献？

à具有高度杀菌抑菌能力（预防SARS最有效！）?

à预防SARS最有效？未确定！

光触媒应用之迷思-口罩

ü至今尚没有认证标准。

ü光触媒口罩之基本原理与滤网过滤相似。

à奈米光触媒口罩:ISO 9000系列认证? 指的是该工厂之制程符合ISO标准，与奈米口罩是否有效并无关连性。

光触媒应用之迷思-奈米尺寸

l 光触媒之奈米尺寸效应：