光触媒的反应机制.PPT

奈米半導體的應用奈米光觸媒 石豫臺 國立彰化師範大學 物理系暨光電科技研究所 奈米光觸媒 觸媒工作原理 光觸媒是什麼？ 光觸媒的反應機制 光觸媒材料 – 二氧化鈦 將光觸媒奈米化的優點 光觸媒的功能與應用 結論 觸媒是什麼？ 觸媒又稱為催化劑。 是某種可促進或催化特定化學反應的物質 但反應前後，觸媒本身並不會消耗。 觸媒的工作原理 反應物A經過一定程序形成產物B。 反應所需克服的能障稱為「活化能」。若活化能太高，反應無法進行。 可加入一些「觸媒」，降低活化能，使A較容易變成B。 反應後，觸媒本身不會消耗。 光觸媒是什麼？ 凡可吸收光線而產生的催化反應都可稱為光觸媒反應。 所使用的物質便可稱為光觸媒(photocatalyst) 。 光觸媒是一種吸收光線而產生觸媒反應的物質，只有在吸收特定光線後，才會發生作用。 常見的光觸媒 二氧化鈦 可吸收光線，進行水的分解 葉綠素 天然的光觸媒 可吸收太陽光，進行光合作用 把二氧化碳和水轉化成葡萄糖 … 二氧化鈦與葉綠素均為光觸媒 人工的二氧化鈦與天然的葉綠素在光觸媒作用上，有異曲同工之妙。 大多數合成的光觸媒材料是半導體 很多金屬氧化物半導體具有光觸媒的功能。 當半導體材料受到光的刺激，若光子的能量大於能隙能量，價電子會越過能隙，進入傳導帶中變成自由電子。 原來的價電帶中也會相對產生一個電洞。 部分電子與電洞再結合，產生熱能。 另外有一部分的電子與電洞移到材料表面，再進行氧化還原反應。 光觸媒的反應機制 光觸媒於照光後產生的電子與電洞，有機會移動到固體表面，以進行一連串的氧化還原反應： ?光觸媒在照光後，形成電子與電洞對 ?移至表面的電子與吸附的氧結合產生 ?O2? ? ?O2?與水中的氫離子結合產生HO2? ?移至表面的電洞與水發生反應產生H?與 ?OH ?表面局限的電洞htrap?具有極強的氧化能力 H+, ?O2?, HO2?, ?OH 等正負離子或自由基具有很強的氧化還原能力，可達到抗菌或分解有機物質的目的。 光觸媒的反應機制 光觸媒就是利用H+, ?O2?, HO2?, ?OH 等正負離子或自由基，達到抗菌或氧化還原分解有機物質的目的 常見半導體材料的能帶圖 價電帶上緣越低，氧化能力越強。 傳導帶上緣越高，還原能力越強。 同時具有強氧化與還原能力?較大的能隙。 但太大的能隙必須以更低波長的光激發，不實用。 故傳導帶與價電帶的位置必須適中，才可使光觸媒產生有效的氧化與還原反應。 光觸媒材料 光觸媒材料，基本上屬於半導體，包括 TiO2, CdS, WO3, GaAs, Fe2O3, Nb2O5, SnO2 及ZrO2等無機化合物。 多數材料的缺點： 性質不穩定，易溶於強酸或強鹼或反應時自身會溶解。 部分含有鎘、砷等毒性物質。 部分礦源缺乏，價格過高。 實際應用有限。 二氧化鈦的主要優點 可耐強酸、強鹼及有機溶劑。 在光化學反應中，不會發生自身溶解現象。 不含有毒物質，不會危害人體與自然環境。 原料鈦礦豐富，價格低廉。 目前最廣泛使用的光觸媒，最具商業價值。 二氧化鈦的晶體結構 晶粒大小：5~100 nm。 鈦原子與六個氧原子相接，形成一個八面體。 八面體以不同形式相接，形成不同結構： 金紅石型(rutile) 銳鈦礦型(anatase) 結構上的差異產生了不同的物性與化性。 二氧化鈦的兩種結晶 均屬於立方晶系 金紅石型(rutile、高溫型) 俗稱 R-type 牙粉、化妝品、塗料、白色顏料 銳鈦礦型(anatase、低溫型) 俗稱 A-type 光觸媒 二氧化鈦的能帶 製成光觸媒的二氧化鈦屬於銳鈦礦型。 銳鈦礦型的二氧化鈦的傳導帶電位比金紅石型處於更低位置，故具有更強的還原能力。 ? 具有更高的光觸媒活性。 銳鈦礦型的二氧化鈦的能隙為3.2 eV。要產生電子-電洞對，必須施予380 nm以下波長的紫外光。 二氧化鈦光觸媒需要什麼樣的光？ 二氧化鈦(TiO2)的能隙為3.2 eV。 光子的能量必須大於3.2eV，才能刺激光觸媒進行反應。 E = h? = hc/? 3.2 eV ? ? hc/3.2 eV = 1240 nm / 3.2 ? 380 nm 必須波長小於380 nm的紫外光才可激發。 可見光無法刺激光觸媒進行反應。 照射太陽光可催化二氧化鈦光觸媒 太陽光中大約有 5%是在紫外光範圍。 所以在太陽光照射下，二氧化鈦光觸媒可進行光化學反應，發揮其功效。 將光觸媒奈米化所考量的因素 比表面積效應 有效電子與電洞產生量 量子效應 材料透明度 材料加工性 比表面積效應 當光觸媒粒徑縮小時，比表面積會隨之增加 例如：5 nm的二氧化鈦與53 nm 的粉體相比，比表面積增加約40 倍。 比表面積增大時： 受光照射機會提高 反應物質與光觸媒接觸機會增加 ?可提高光觸媒的效率。