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光觸媒

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化學中,光觸媒又稱光催化,是指光化學反應催化劑的作用下加速的過程。能夠加速光化學反應的催化劑則被稱為光催化劑。常用的光催化劑有磷化鎵(GaP)、砷化鎵(GaAs)等等。最廣泛使用的是二氧化鈦,它能靠光的能量來進行消毒、殺菌。

發現

1972年,日本東京大學的藤嶋昭觀察到二氧化鈦TiO
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)在紫外光的照射下,會把水分子分解成氫氣,因而發現二氧化鈦的光化學特性。隨着環保意識高漲,其特性引起世界各國的重視,近年研究發現許多半導體材料皆具有光觸媒特性,目前常見的有磷化鎵(GaP)、砷化鎵(GaAs)及二氧化鈦

然而,進一步的研究發現,部分半導體材料在酸性或鹼性環境中容易變質,有些化合物易發生化學或光化學腐蝕性,皆不適合作為淨水的光觸媒。相較之下,二氧化鈦具有高穩定性、耐酸鹼、價格便宜、容易製備和無毒等優點,為目前最常用、也最有發展潛力的光觸媒材料。

由於光觸媒環保又實用,光觸媒的開發試驗已逐漸實行,但需注意的是光觸媒優點同時亦可成為缺點,因它在陽光紫外線照射達到一定強度時才產生化學作用。

原理

光子具有一定能量,當照射到某些物質上(如半導體),原子電子吸收一定的能量後,便會從價帶(valence band)躍升,到導帶(conduction band),而原本電子存在的地方就會出現一個帶正電的電洞 —— 也即光生電子和光生空穴。正電子與空氣中的水分子結合產生具有氧化分解能力的氫氧自由基,負電子則與空氣中的氧結合成活性氧,由於這種電子和空穴分別具有較強的還原性和氧化性,因此能使半導體上的物質發生氧化還原反應,從而將光能轉換為化學能。這些物質被稱為光催化劑。

光催化水分解

會解離成氫氧根(OH)和離子(H+):

H2O ↔ H+ + OH

在光觸媒顆粒表面,氧氣會與電子結合形成氧離子,水分子會被電洞氧化成氫氧自由基(OH·),這兩者皆為極不穩定的物質,會與有機物結合重新降解成二氧化碳、水。[1]

參考資料

  1. ^ 功能性粉末:無所不在的環境清潔工–奈米光觸媒. 工業技術研究院. [2016-06-09]. (原始內容存檔於2016-08-02).