21世纪的绿色技术-光催化应用

21 世纪的绿色技术 － 光催化应用 ＜前言＞ 前言＞ 对于除去空气中的有害物质，如 VOC、菌类，在以往已有许多相关技术； 如吸附法、紫外线杀菌、催化燃烧、臭氧的利用等，且均已商业化。利用光催化 在常温下分解有害物质，则是最近这几年正在发展的技术。本文将针对此项技术 做一概括性的介绍。 首先让我们对“光催化”(Photocatalysis)的内涵做一说明。本文所指 光催化是指：一化学反应发生是源自于光照射在触媒上，使触媒处于激发态，促 使与触媒接触之化学分子（或物质）产生变化的过程。因此在光催化的过程，光 提供能量，并非是一个触媒；而为促使物质起反应，系统须要触媒的存在。过去 十年中商品化发展的系统主要以使用异相触媒为光触媒的技术为主，因此本文所 提到相关技术发展，亦指异相光触媒系统，尤其将重点置于二氧化钛光触媒，因 为以二氧化钛为光催化触媒的研究日趋热烈与成熟有关。 二氧化钛是一种具半导体特性之金属氧化物，由于其具高的折射率 （refractive index 3.87） ，因此很早即用于白色漆料。远在约 1929 年时， 人们已了解到二氧化钛是造成漆料退变的原因。因此有关二氧化钛之光化学性质 遂引起许多深入研究。1972 年日本的 Fujishima 及 Honda 首先发表以 TiO2 为阳极，Pt 为阴极之光电化学电池，在光的照射下，将水电解成氧气与氢气。当 时由于第一次石油危机的关系，如何利用太阳能从水制造氢气，是一项全球重视 之研究方向。在这股风潮下，70 年代以至 80 年代人们对半导体光化学的了解有 了长足的增进，同时也促成了半导体光催化的发展。在 1977 年 Frank 及 Bard 报导了以二氧化钛为光触媒，可以把在水中的氰化物（Cyanide）分解的研究报 告，更把二氧化钛光触媒的应用朝环保方面推展。 为了介绍半导体光触媒的应用，首先让我们对半导体光触媒的作用原理做 一简单叙述。

＜原理＞ 原理＞ 半导体材料其混成电子轨域具有导电层（conductive band)，且其价电 层（Valence band）之电子经适当能量吸收后，可跃过能阶间距（band gap） 至导电层，使材料因而具导电性。可作为环保光触媒之半导体材料其能阶间距需 位于太阳光能量范围内，如此材料内的价电子在光的照射下，可被激发至导电带， 藉此同时产生还原与氧化能力。图一为常见半导体之能阶间距分布图。如前述， 二氧化钛是已知很好的一个光触媒，由图二可知，二氧化钛在 P H ＝ 7 中 性 溶 液 中 ， 吸 收 光 线 （380nm ,3.2ev）所产生之电洞其氧化电位相 对 于 标 准 氢 电 极 （ S H E ) 为+2.53V，如果说该电洞与水起反应，可产生氢氧根自由基 （•OH） ，电洞所余之氧化还原电位则仅略小于+2.53V，由图二可知此时之电洞 与氢氧根自由基之氧化能力均强于臭氧(+2.07)。臭氧由于其氧化能力，已广泛 被应用于环保与除菌方面，二氧化钛经光激化后，可显现更强的氧化能力，此为 二氧化钛可作为环保光触媒使用的主要原因之一。
图一为常见半导体之能阶间距分布图

图二：在 PH=7 的中性溶液中，可发生于二氧化钛表面之氧化还原反应
二氧化钛经过激发后，位于导电层之电子其氧化还原标准电位为-0.52V， 理论上已足够作为从水中产生氢气之用，但实质上电子可能受制于分子结构或结 晶格子，而损失一些还原能力（如图示） 。然而在此情形下，仍足以将 O2 还原成 O2ˉ或形成过氧化氢（H2O2） 。目前已了解，不论是电子洞、氢氧根自由基、O2ˉ、 H2O2 及 O2 在光触媒催化反应均有其重要性， 其相对量与反应机制随触媒的状况与 反应条件而有所不同。 二氧化钛除了可当光催化反应的触媒外， 因光引发之超亲水性特性亦于 90 年代中期内发现。研究证实，在二氧化钛表面，部份邻近只有两个钛原子的氧原 子，经光线照射后，会脱离二氧化钛表面。此时如果环境中有水分子存在，水分 子会占据氧离子所留下的空位，接着水分子脱去一个质子，在二氧化钛表面形成 一个氢氧基，如图三所示。由于该氢氧基的存在，使得二氧化钛具备了非常好的 亲水性，水与该项材质表面的接角（contact angel）趋近于零度。实验证实 该表面亦具备了非常好的亲油性，事实上该物质亦是目前已发表唯一同时具备了 良好亲水性及亲油性之物质。此项研究成果隐含着亲水性与亲油性可相互取代， 亦增加了该物质被应用的领域。经光照射后的二氧化钛表面，置于暗处经数天后， 仍具备亲水性与亲油性。但如果长期置于暗处，其亲水、亲油性消失，回复到疏 水性。惟如果重新曝光的话，则又可恢复亲水及亲油性，显现稳定态的二氧化钛 是疏水性的。

图三：光引发亲水性机制
＜应用＞ 应用＞ 过去几年里，光触媒的可能应用已做了广泛的试验。部份可能的应用列于 表一。 表一：光触媒可能应用
性质 应用领域 住宅与大楼建材 免洗特性 室内室外灯具及相关设施 道路设施与其它用途 室内空气清洁 空气清洁 室外空气清洁 饮用水及其它 癌症治疗 医院 产品 外墙砖、厨浴设施、内装表面处理、塑料表 面、铝质外墙与设施、石材与帷幕 灯罩、灯管与灯泡表面涂装、遮阳板 燧道内墙、 隔音墙、 交通号志、 交通反光板、 营帐设施、医院用品与衣务、汽车涂装 空气滤净器、空调系统、厂房空气清洁 高速公路设施、 道路与人行道设施、 燧道墙、 隔音墙、建筑外墙 河水、地下水、湖水、水槽、工业废水、居 定废水 类内视镜医疗器材 医院手术室内砖与壁砖、硅胶管
水的净化 肿瘤抑制 免杀菌特性
其中较新奇且值得一提的有下列几个例子。首先是美国将其做为清洁海上 油污的试剂；先将微玻璃球的表面披覆一层二氧化钛，而后铺附于水上油污，尤 其是当厚层的油污被清除后，剩余薄层油垢不易以其它较不具污染性的方法去除 时，该方法非但有放，且非常环保。 其次在 1996 年夏天，日本西部曾发生一件大肠杆菌中毒事件，将近 1800 人送医救治，其中 12 人不幸死亡。造成中毒元凶是一种 O-157 endotoxin 的