環保新尖兵—二氧化鈦光催化反應及應用

環保新尖兵—二氧化鈦光催化反應及應用
國立臺灣大學環境工程學研究所 楊政憲

二氧化鈦的光催化反應

二氧化鈦 (Titanium dioxide, TiO₂)在適當波長之光照射後，其物理結構中價電帶 (valence band)的電子會被激發至導電帶 (conduction band)，形成自由電子 (electron, e^– )，價電帶的電子受激發脫離後，將形成電洞 (electron hole, h⁺)，使原子電荷達到平衡。當二氧化鈦表面的電子 (TiO₂( ))與污染物 (Mⁿ⁺)發生光還原反應，使之還原成價數較低的狀態 (M^(n-m)+, n：污染物之價數；n-m：表示經過m次分解後污染物之價數)，其反應機制如下 [1]：

此時，二氧化鈦表面的電洞 (TiO₂( ))可將有機污染物分解產生中間產物、二氧化碳與水，其反應機制如下：

其中，S為有機物質 (organic substrate)；I為有機中間體 (organic intermediate)，有機中間體可以繼續與二氧化鈦反應分解。

另一方面，塗佈二氧化鈦之材料表面電子會與表面吸附的氧氣結合，發生還原反應；而表面的電洞將與水中之氫氧根離子發生氧化反應，光觸媒就是利用這些反應產生的強氧化還原劑進行氧化還原反應，促使化合物分解 [2]，其反應機制如下圖所示：

二氧化鈦光觸媒之應用

1.去除廢水中之有毒物質

二氧化鈦可用來降解廢水，因此可將二氧化鈦固定在玻璃、陶瓷或金屬表面上，將含有毒化物質之工業廢水通過表層鍍有二氧化鈦之材料進行降解反應。除此之外，在生活中常見的光觸媒裝置如濾水器、飲用水淨化裝置、超純水製造裝置、染料脫色處理系統等，近年來則致力於新興污染物淨化系統裝置開發與研究。

2.分解空氣中之污染物並去除臭味

二氧化鈦與通風、空調系統整合後，可將空氣中之污染物產生光催化反應，降低汙染物的濃度，如香菸產生的甲醛 (methanol, CH₂O)、廁所內的氨氣 (ammonia, NH₃)等臭味若低於人類嗅覺可感受的閥值，就感受不到它的存在。因此使用二氧化鈦除臭並將污染物轉化為二氧化碳與水，維持空氣清新以成為現代人的課題，與二氧化鈦結合之產品，如窗簾、百葉窗、壁紙等已在坊間問世。

3.防霉、抗菌改善醫療衛生條件

照光後的二氧化鈦可產生強氧化還原劑，其可分解細菌細胞中的輔酶 (co-enzyme Q10)及酵素，抑制黴菌與細菌生長，並可分解細菌生長的營養源及產生的毒素並轉化成二氧化碳及水，因此可將其固定在衛浴磁磚、刀具、刀板及建築材料上，可以產生防霉、抗菌，降低細菌傳染率，使減少環境中對抵抗力低的病人的威脅，科學家們近年來致力於破壞癌細胞的研究。

4.防霧、防油、自我清潔

二氧化鈦具超親水性，使水滴在二氧化鈦時於表面形成薄膜，防止霧氣產生。具有疏水性之油污附著時，若受到光線照射，二氧化鈦將使油污分解，並回復超親水性，這些油污分解後的產物及附著於油污中的粉塵可在雨天被雨水沖刷掉，因此二氧化鈦也具有自行清潔能力。近年來如建築材料、室外牆壁、磁磚、玻璃窗、除油煙機、護欄、洗衣機水槽及防霧鏡等為世面上常見之產品。[4]

參考文獻

[1] Vinu, R., and G. Madras (2010), Environmental remediation by photocatalysis, Journal of the Indian Institute of Science, 90(2), 189-230.

[2] 林錕松，王睿毅 (2009)，「表面改質二氧化鈦奈米管應用於環境中有機及硝酸鹽污染物去除技術之開發」期末報告(定稿本)，行政院環境保護署，臺北市。

[3] 楊政憲 (2012)，泡沫分餾法製備含鋯之銳鈦礦，國立中正大學碩士論文。

[4] Taoda Hiroshi 著，張晶，楊健 譯(2003)，光觸媒圖解，城邦文化事業股份有限公司，台北市。