2008光華女中專題研討 光觸媒簡介與應用 主講：陳立偉 老師 國立臺南第一高級中學 2008.05.08

Outline 何謂光觸媒？ 光觸媒的功能 光觸媒工作原理 光觸媒應用於教學、專題製作 Q & A

Outline 何謂光觸媒？ 光觸媒的功能 光觸媒工作原理 光觸媒應用於教學、專題製作 Q & A 「光」的意義，就是指需要在光照的情況下，才能作用。「觸媒」即催化劑的意思。

光觸媒 光觸媒本質上即是催化劑，光觸媒在照光的情形下具有催化功能，有機物會因光觸媒的加入分解成H2O、CO2或其他小分子。 光觸媒中以二氧化鈦(TiO2)最常見，TiO2光觸媒具有半導體材料特性以及無毒特性，所以在生活上應用很廣。 如空氣清淨機，就是利用了最常見的二氧化鈦做為催化劑。

什麼是光觸媒？ 某些物質會吸收特定波長的光，使其分子達到激發態，具十分活潑的性質，可與其他物質進行反應，此種物質稱之為光觸媒。 目前市面上最常見的就是二氧化鈦光觸媒。

催化劑原理 參與反應，改變反應速率，反應前後不改變，不出現在全反應式中的物質，稱之為催化劑。 絕大多數的催化劑會使速率增加，少數會使速率減慢。 提供新的反應途徑，降低活化能。 催化劑的角色，就是提供新的反應途徑，使產生反應須克服的活化能減低。

Discovery and applications of photocatalysis http://www.nanonet.go.jp/english/mailmag/2005/044a.html 二氧化鈦是無毒的固體，常作白色塗料或化妝品、牙膏的原料，二氧化鈦光觸媒的研究則肇始於1970年代初，藤島與本田發現用強光照射水溶液中的二氧化鈦電極，電極表面產生了許多氧氣氣泡。切斷光線後，氣泡就不再釋出。另外一個惰性白金電極上則產生了氫氣，顯示光可以啟動二氧化鈦分解水。後來又發現二氧化鈦照光，可以將二氧化碳還原成甲醇等有機化合物 Akira FUJISHIMA Akira FUJISHIMA Akira FUJISHIMA 二氧化鈦在光照的情境中，不一定皆具有催化的效果。一般是藉由紫外光的照射，須足夠能量方能啟動。 Akira Fujishima

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光觸媒的功能 有機化合物礦化處理 光觸媒殺菌功能 光觸媒親水性研究 光觸媒疏水性研究 光觸媒於光電池的開發 將有機化合物，分解轉換為無機化合物，如水、二氧化碳，就稱為礦化作用。

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光觸媒作用原理 TiO2具有價帶及傳導帶，兩能帶間具有帶隙(Eg)，位於價帶中之電子不易移動，但電子若在傳導帶中則可自由移動。 當有足夠的能量克服帶隙使電子提升至傳導帶，並將電子、電洞傳遞至介面時，可催化水或氧氣產生自由基，如氫氧基(OH)、氧原子(O)、超氧離子(O2–)等。 這些自由基進一步分解水溶液中有機物，使得有機物分解成H2O、CO2或其他小分子等。

能隙與導電現象 價帶 導體 半導體 絕緣體 傳導帶 「價帶」是指電子聚集的部分，「傳導帶」則沒有電子，當兩者間沒有隔閡，價帶的電子容易跳進傳導帶，就是導體。而絕緣體也並非完全不導電，只要能克服價帶和傳導帶之間的隔閡，如高壓電，就能導電。 導體 半導體 絕緣體

當電子跳到傳導帶時，就會在價帶形成「電洞」，進而進行氧化還原反應。

半導體的光催化

二氧化鈦照光後可催化水或氧氣

光觸媒殺菌功能 將有機物分解成無害的二氧化碳和水。 可以開發淨化空氣與水方面的應用，如殺菌、消毒、除臭等。 在醫療方面，則有發展抑制腫瘤或癌症治療的技術。

奈米銀與奈米光觸媒 到底是奈米銀還是奈米光的殺菌產品較佳，仍有爭議。但後者較經濟。

光觸媒疏水性研究

蓮花效應 蓮花效應是指蓮葉表面具有超疏水以及自潔的特性。由於蓮葉具有疏水、不吸水的表面，落在葉面上的水珠會因表面張力的作用形成水珠，水與葉面的接觸角(contact angle)會大於140度，只要葉面稍微傾斜，水珠就會滾離葉面。

(a)二氧化鈦照光前薄膜上的水滴 (b)照光後

二氧化鈦表面的防污功能

光觸媒於光電池的開發

本徵半導體(純半導體) 載流子(change carries)是由部分電子從價帶激發到傳導帶上所產生的，形成數目相等的電子和電洞 大部分會利用矽做為半導體。

N型半導體 施體(donor)向半導體導帶輸送電子形成以電子為主體的的結構

P型半導體 受體(receptor)接受半導體價帶電子.形成以電洞為主體的結構

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光觸媒改良 添加金屬原子 添加金屬離子 加入其他半導體 現今研究著重讓TiO2在可見光下產生效果。

學生專題製作 入選2007臺灣國際科展複審 第47屆中小學科學展覽會化學科佳作 入選臺灣科學教育館中學生專題製作 第48屆中小學科學展覽會應用科學佳作

實驗方法 將TiO2燒在玻璃柱內壁上。

謝謝您的聆聽 Q & A 碧霜老師：目前主要添加何種離子來改良光觸媒？ 老師：我看過的是有添加銅離子，但是到底添加何種離子效果較好，仍不清楚。 欣怡老師：奈米銀可以打入細胞消除腫瘤，是將細胞刺破，在進行時如何標的腫瘤細胞？如何確定是否無害？ 老師：醫師須確定腫瘤位置，再打入導管，引入紫外光。

碧霜老師：九二一的光觸媒口罩是否有研究支持其具有殺菌效果？ 老師：若要達到殺菌效果，一定需要有紫外光的照射，因此這是不實的廣告。只要有活性碳口罩就足以吸附病毒。 欣怡老師：自由基易造成氧化，和負離子的差異為何？ 老師：氯原子的周圍有七顆電子，當它和鈉結合時，周圍就會多一顆從鈉原子取得的離子，使周圍有八顆電子，而帶負電，即負離子；自由基的形成則是受到不平均的能量切割，遺失了一顆電子，就形成自由基。也可說若有不成對的電子，就是自由基。 欣怡老師：在一般紫外線過量的情況下，光觸媒能產生作用嗎? 老師：我有試過，三天後的確就有啟動作用。