利用触媒且牵涉到光线吸收的催化反应.ppt

奈米光觸媒 劉冠廷 何謂光觸媒 在了解奈米光觸媒之前，首先需要了解「光觸媒」。「光觸媒」本身是一個複合名詞，結合了光與觸媒二個名詞與概念。觸媒的定義是大家所熟悉的，也就是：可加速或減緩化學反應的物質，且在反應過程中不會產生永久性的化學變化。 何謂光觸媒 光則是具有粒子與波動行為的量子化電磁能量，不具電荷或質量，但有動量。觸媒是物質，光是量子化的能量，兩者結合後，可以把光觸媒反應視為：利用觸媒且牽涉到光線吸收的催化反應。 何謂光觸媒 所有因光線吸收而產生的催化反應，都可稱為光觸媒反應，所使用的物質便可稱為光觸媒。光觸媒的種類繁多，如二氧化鈦、葉綠素、金屬錯合物（染料）等物質，凡是可吸收光線而引起催化反應進行的，都屬於光觸媒的範圍。 何謂光觸媒 其中尤以葉綠素更是廣為世人所熟悉的天然光觸媒，它可以吸收太陽光的能量，把二氧化碳和水轉化成葡萄糖，這就是著名的光合作用，既可提供生命所需的碳水化合物，更能去除空氣中的二氧化碳，是天然的光觸媒。 光觸媒的奈米化 「奈米光觸媒」則屬於組合式的名詞，「光觸媒」是主體名詞，它是一種材料；「奈米」則是尺寸大小的形容詞，是一種長度單位。因此奈米光觸媒的完整含意是：奈米尺寸顆粒大小的光觸媒材料。－奈米是十億分之一公尺（10?9 m），通稱的奈米尺寸則涵蓋 1 ~ 100 奈米的範圍，因此當一種物質的粒徑大小落在 1 ~ 100 奈米範圍時，就可在該物質前面冠上奈米二字來形容它的尺寸。  光觸媒的奈米化 光觸媒是一種吸收光線而產生觸媒反應的材料，只有在吸收適當光線後才會發生作用。當光觸媒材料的粒徑落在 1 ~ 100 奈米範圍時，就可稱為奈米光觸媒，以形容這光觸媒材料的粒徑大小屬於奈米級。然而某些材料即使具有奈米尺寸，並不必然具有光觸媒的功能，照光後也無法發揮光觸媒的作用，二者絕不相等，也不能混用。 光觸媒的奈米化 二氧化鈦的除污原理 天然的葉綠素儘管具有高效率的光觸媒功能，但到目前為止，還無法用人工方式合成。目前合成的光觸媒以半導體材料為主，很多種金屬氧化物半導體材料都光觸媒的功能。其中二氧化鈦（TiO2）因為化學性質安定、不會危害人體與自然環境、價格低廉等優點，而成為最為廣泛使用的人工光觸媒。  二氧化鈦的除污原理 當二氧化鈦粒子吸收大於其能量間隙的光能後，電子會從共價帶激發至傳導帶成為自由電子，而在共價帶留下一個帶正電的電洞。激發態的電子可以與靠近光觸媒粒子表面的分子進行還原反應，使它成為還原態。另一方面，帶正電的電洞可以與化學分子進行氧化反應，使它成為氧化態。因此在光觸媒粒子表面同時進行著氧化與還原反應，這就是典型的光催化反應過程。  二氧化鈦的除污原理 當利用二氧化鈦粒子進行環境淨化時，由於是在大氣中，因此氧分子與水氣分子會主導光觸媒粒子表面上氧化還原反應的進行。當環境中的水氣與氧氣分子分別接觸到二氧化鈦粒子表面的電子與電洞時，就會在二氧化鈦粒子表面上產生氫氧自由基（?OH）與負氧離子（O2?）等吸附態的活性物質。這些具有高度氧化能力的活性物質，與大氣或水相中的污染物，如有機化合物、臭味、氮氧化物、細菌等接觸時，會把它們氧化分解成二氧化碳與水，達到去除污染物的目的。 二氧化鈦的除污原理 空氣與水質的淨化 空氣污染的問題會直接影響生活環境的品質，大致可區分為室內與室外的空氣污染。室外空氣污染主要來自汽機車與工廠排放的廢氣，以氮氧化合物、硫氧化合物、懸浮微粒、臭氧等為主，會導致酸雨或呼吸道系統疾病等問題。室內空氣污染以揮發性有機化合物如甲醛、甲苯等溶劑性化學品為主，對人體具有毒性，而光觸媒可以把有機污染物分解成水與二氧化碳。  空氣與水質的淨化 光觸媒淨化空氣的功能與植物對氮氧化合物的吸收類似，根據研究，一平方公尺的光觸媒材料淨化空氣的能力，約等於三棵白楊樹的功能。因此若把光觸媒廣泛塗布在大樓外牆或高速公路隔音牆表面上，就與種樹淨化空氣的作用類似。 空氣與水質的淨化 水質淨化的原理及應用與空氣淨化相似，水中的有機污染物與光觸媒材料接觸後，就被破壞分解，因此可以分解臭味分子或破壞有機色料分子，而達到除臭脫色的功能，可廣泛使用於飲用水水質改善、游泳池用水的循環處理等。此外，光觸媒也可用來去除地下水或土壤中的有機污染物。 超親水性的功能 自我潔淨是指建材表面塗布光觸媒材料後，透過超親水性的作用，使水分子很容易附著在建材表面上，並進入污染物與建材的間隙中，輕易帶走沾黏在表面上的髒東西。與一般親水劑不同的是，光觸媒同時具有化學的分解能力，可以把建材表面的油脂或有機色料破壞分解，更能維持表面的潔淨。  超親水性的功能 超親水性的功能 光觸媒的超親水性也可延伸至透明玻璃、塑膠或鏡面的防霧。霧氣是由於水氣蒸發後在基材表面冷凝產生小水滴，以致降低了基材的能見度（如玻璃）與反射