奈米光觸媒原理與應用 主講人: 張議聰 老師
上課大網 介紹 何謂奈米和光奈米抗菌技術? 何謂奈米光觸煤? 其重要性和應用為何? 動手做樂趣多 結果與討論
介紹 為何蓮花出淤泥而不染?為何鴨子的翅膀 不透水?為何蝴蝶的翅膀色彩濱紛? 1986年諾貝爾物理獎得主羅雷爾(Heinrich Rohrer)所言：「一百五十年前，微米成為新的精度標準，奠定了工業革命的基礎。最早以及最佳學會使用微米科技的國家，都在工業發展中，佔了巨大的優勢。」「同樣的，未來的科技將屬於那些明智的接受奈米作為新標準，並首先學習以及使用奈米技術的國家。七十年代重視微米技術的國家，如今都已成為發達國家。今天重視奈米技術的國家，將很可能成為二十一世紀的先進國家。」 奈米與環保的關係
何謂奈米? 奈米 (nanometer)是一個長度的單位。1奈米 = 十億分之1米(10-9 meter)，約為分子或DNA的大小，或是頭髮寬度的十萬分之一。 奈米結構的大小約為1 ~ 100奈米，即介於分子和次微米之間。在如此小的尺度下，古典理論已不敷使用，量子效應（quantum effect）已成為不可忽視的因素，再加上表面積所佔的比例大增，物質會呈現迴異於巨觀尺度下的物理、化學和生物性質。
自然界的奈米實例 1奈米大約是「2～3個金屬原子」或「10氫原子」排列在一起的寬度。 「病毒」的直徑約60～250 奈米。 「紅血球」的直徑約2,000奈米。 「頭髮」的直徑約30,000 ~50,000奈米。
何謂光奈米抗菌技術? 光奈米抗菌技術，簡單來說就是當二氧化鈦(TiO2)粒子到達奈米等級時會產生性質的改變，變得較為活潑經光線照射後提供能量給二氧化鈦(TiO2)粒子，TiO2的表面電子會跳脫出來而在表面形成一個電洞，使得空氣中的氧氣一接觸到就生成O2-(超氧離子)及空氣中的水分子(相對溼度)生成OH-(氫氧自由基)，而產生會去搶有機物質中的碳原子的氧化還原效應。使得微小的有機物質(細菌、臭味、病毒、塵蹣)，被轉化為二氧化碳(CO2)和水(H2O)，即是光奈米抗菌技術。
呂宗昕, 奈米科技與光觸媒, 商周出版
呂宗昕, 奈米科技與光觸媒, 商周出版
何謂奈米光觸媒(photocatalysis) 光觸媒：TiO2、ZnO、SnO2與CdS TiO2 (二氧化鈦，Titanium Dioxide) 原理：在充足光照的條件下分解碳氫 鍵並將其轉化為二氧化碳與水。 特性：無毒、氧化能力強、化學安定 應用：奈米光觸媒家電、保養品、防霉 抗菌、自我清潔、淨化、空氣清 淨、鏡面防霧等領域。
光觸媒主要功能 殺菌、抗菌：以二氧化鈦產生強化作用會直接穿透細菌的細胞膜。 除臭：二氧化鈦所產生的氫氧自由基會先行破壞有機氣體分子的能量，使有機氣體成為單一的氣體分子，加快有機物質、氣體的分解。 環境污染物：光催化程序能有效處理液相污染物中氯苯有機物、氯酚化合物、金屬離子、四氯化碳及醇類等污染物質。 防污：二氧化鈦對被塗物形成有一層保護層，利用奈米光觸媒所產生氫氧自由離子基與水作用產生自淨效果。 親水性：利用表面吸附H2O產生的HO-與H+，可破壞分散水滴之形成，使表面不結水滴、不結霧。 太陽電池：利用增感色素，提高光電轉換效率可達12%; 等等!
光觸媒主要應用 漂浮式球狀淨水裝置。 空氣清靜裝置。 二氧化鈦牙齒漂白劑。 建築材料。 可見光適用型光觸媒。 玻璃防霧。 光觸媒空氣清靜燈管。 人造觀賞植物。 冷藏車用光觸媒拖臭抗菌裝置。 空氣清靜裝置。 建築材料。 玻璃防霧。 污水處理。 抗癌醫療。 抗菌紡織品。
光觸媒空氣清靜 呂宗昕, 奈米科技與光觸媒, 商周出版
動手做樂趣多 依知識單實驗, 觀察結果並討論
結果與討論 依知識單回答問題
光觸媒的原理： 當波長在400nm以下之紫外線照射在超微粒TiO2時，在價電子帶【valence band ﹐VB】的電子【e】被紫外線之能量【3ev】所激發跳升到傳導帶【conduction band ﹐CB】，此時在價電子帶便會產生帶正電之正孔【hole】，而形成一組電子–電洞對。二氧化鈦則利用所產生的電洞之氧化力及電子的還原力和表面接觸的H2O，O2發生作用，產生氧化力極強之自由基‧O_，‧O2_，‧O3_，‧O及‧OH，而進行殺菌、除臭、分解有機物作用。
光觸媒之功能： 殺菌： 自由離子基會破壞細菌之細胞膜，使細胞質流失，進而將細胞核氧化而殺死細菌， 實驗資料證明對葡萄球菌、大腸桿菌、黴菌等有效。 除臭 ◎氨氣：醫院、老人戒護中心、廁所、養豬舍 ◎乙醛：小汽車內、戲院小鋼珠、遊樂場等 ◎一氧化碳：小客車、使用暖氣石油爐 ◎苯乙烯、丙稀、乙烯等：石化產品、青果倉庫、塑膠加工廠臭味 ◎甲硫醇、硫化氫：下水道、養機場 ◎甲醛：塑膠製品、油漆、新建築、新傢俱等 自淨化 廁所地板、便斗中頑垢、尿石之分解；廚房油污之分解、香煙、焦油之分解等。 親水性 可破壞、分散水滴之形成，使表面不結水滴、不結霧。