光觸媒於環境污染物降解的應用

光觸媒於環境污染物降解的應用 (Application of photocatalyst on contaminant degradation)
國立臺灣大學環境工程學研究所 黃教程

我們身處的環境，不論是在水中、空氣中都含有可能會對人體造成危害的污染物或細菌，現有的技術中，有相當多方法能將這些環境污染物去除，或者分解成毒性較低的產物，然而，這麼多方法中，沒有一個能比的上由光能啟動的光催化反應具有低能耗、低成本、效率高等特性。近年來，「光觸媒」這個名詞不斷出現在生活周遭，並應用於各個層面，如空氣清淨、水質淨化等，密切地影響著我們的生活，但鮮少人知道其中的原理，本篇文章將會有深入淺出地說明。

何謂光觸媒?

指能夠加速光化學反應的催化劑，受到光線的照射，原子中的電子吸收了光子的能量後被激發，電子便會從價帶(Valence band)躍遷到導帶(Conduction band)，而價帶處電子躍遷後留下帶正電的電洞(electron hole)，形成光生電子電洞對，光生電子電洞對分別具有相當強的還原性及氧化性，使光觸媒表面的物質進行氧化還原反應。

常用的光觸媒有氧化鋅（ZnO）、二氧化錫（SnO₂）、硫化鎘（CdS）等等，其中使用最為廣泛的是二氧化鈦。

光催化原理

氣相中，光觸媒的受光照產生的電子會與氧分子生成氧離子，電洞則與水分子生成氫氧自由基，此兩者皆為不穩定物質，會將氣相中的有機物降解成二氧化碳和水，反應如下。

圖一 光催化反應示意圖(本文作者黃教程繪製)

經由上方光催化反應產生的自由基，具有強氧化性，能分解環境中的有機污染物，因此常常用於處理微生物難分解的污染物或者重金屬。新興污染物逐漸被重視，包含個人美容與保健用品、抗生素、止痛藥，及防曬用品等等，這類的物質進入環境中，難以被環境中的微生物以自然方式分解而持續存在於環境中，對人體與環境都會造成影響，因此光觸媒的強氧化性及材料特性使得其應用層面相當廣泛。

光觸媒的應用

1. 清淨水質
   在光觸媒在生活中於水質處理的應用包含濾水器、飲用水淨化裝置、染料脫色處理系統，利用光觸媒照光後產生的光生電子電洞對水中污染物、重金屬進行氧化還原反應，使污染物轉變為對人類為害較小的物質。

2. 潔淨空氣
   氨、硫化氫、甲基硫醇、乙醛等是我們生活環境中的主要惡臭物質，會使人們聞到臭味與不適。光觸媒經過紫外光照射後產生自由基可以用來將空氣中的有機污染物分解成二氧化碳與水。其他如汽車排放的氮化物、二氧化硫等廢氣亦可直接用光觸媒去除。

3. 抗菌
   以光照射二氧化鈦能夠產生氧化力強的自由基，能夠將細菌細胞中的酵素分解，抑制細菌的生長，常應用於衛浴磁磚、刀具、刀板及建築材料上，可以產生防霉、抗菌的功效，降低細菌傳染率。

4. 防污清潔
   二氧化鈦光觸媒具有相當特殊的超親水性質，所以水分很容易附著在二氧化鈦表面上，若將二氧化鈦薄膜鍍在玻璃、牆壁等材質表面，在照射紫外光之後，不但可以把周遭環境中的污染物質分解，且因表面不易被油污附著，使得表面污垢更容易去除。多應用於居家磚牆、外牆磁磚、窗戶等。

參考文獻

1. Photocatalysis — Wikipedia. https://en.wikipedia.org/wiki/Photocatalysis
2. 張志玲 (2004) 。原來光觸媒是這麼回事。科學發展月刊，第373期。
3. 林榮良 (2002)。TiO2光催化原理和應用。Chemistry (The Chinese Chem. SOC., Taipei)，第60卷，457~461頁。