二氧化鈦光觸媒的應用

中正大學化學工程研究所 盧泓

財團法人台灣產業服務基金會 蔡嘉恩副理

一、 前言

光觸媒(Photocatalyst)的應用在日常生活中無所不在，尤其現今許多電器產品

皆標榜具光觸媒殺菌之功效，如：冷氣機、空氣清淨機、電冰箱、飲水機等，甚

至有洗衣粉強調利用光觸媒殺菌。近年來有科學家提出，運用太陽能仿照植物光

合作用的產氫技術，將氫氣儲存以供做為能源使用，一般使用於氫氣燃料電池(其

發電轉化效率約為 60%～80%)。目前已有汽車大廠投入研發燃料電池公車、燃

料電池汽機車，但礙於高壓氫氣桶裝載於高速行駛的交通工具上，安全疑慮備受

矚目。因此，發展二氧化鈦光觸媒即時產生氫氣，並導入發電裝置直接使用，將

可降低高壓氫氣之安全疑慮。由於氫氣氧化後產生純水可回收使用，使用光觸媒

產氫對生物與環境友善性相當高，且氫能是未來重要的綠色替代能源之一，因此

發展光觸媒產氫之應用技術將可預見之方向。

二、 光觸媒簡介

2.1 光觸媒 觸媒在化學反應中又稱催化劑，在初中階段的定義是能改變化學反應速率，

而本身的質量、組成和化學性質在參加化學反應前後保持不變的物質；例如二氧

化錳可以作為過氧化氫(雙氧水)分解的催化劑。一般來說觸媒大多應用於化學反

應器中，當化學反應開始進行時，反應物需要克服該物質的活化能(Ea)才能產生

自發反應，一旦添加了催化劑，改變了反應途徑，會隨著反應路徑的不同可能有

不同的活化能，如圖1。

圖 1 化學反應活化能示意圖[1]

一般化學反應器都使用白金(鉑)作為觸媒，鉑也是現今工業上公認為效果最

好的觸媒，但觸媒的價格相當昂貴，因此隨著奈米材料科學的進步，將以往的觸

媒奈米化，反應接觸面積的提升，大大減少觸媒的使用量，工業上白金觸媒使用

也相當普遍，如汽車內燃器中的觸媒轉換器，就是以白金當作觸媒，可以將未完

全燃燒的有機物，再度氧化成為二氧化碳及水達到環保的效果；還有像是台塑六

輕工業區，從石油裂解裏面，也需要用到很多種白金觸媒，才能將原油的一些成

份轉成 PVC、ABS 等工程塑膠料。基本上衣服的合成纖維，也是經由一些塑化

原料加上觸媒的轉換，就可以成為聚脂材料。

1972 年本多健一(Kenichi Honda)助理教授與藤嶋昭(Akira Fujishima)發表於

Nature 之論文，當時藤嶋昭研究生發現將可見光照射在二氧化鈦(Titanium

dioxide)時，水會產生電解的反應現象，現今稱之為 Honda-Fujishima 效應。當

光接觸到觸媒本身時，觸媒本身不發生變化，而是被反應物與光發生變化，稱之

為光觸媒，其實光觸媒本身是一個合成詞，主要是因為本身是催化劑(觸媒)的一

種且需要光來產生反應所以稱為光觸媒，而平時若缺乏光觸媒時，光與被反應物

不會發生化學變化。如三氯乙烯與光觸煤TiO2的反應在UV光下：

CHCl=CCl2＋4H2O＋6H＋ → 2CO2＋3HCl＋6H＋

其實光觸媒有很多種材料，例如：TiO2、ZnO、SnO2、ZrO2 等氧化物及CdS、

ZnS 等硫化物，但現今市面多以二氧化鈦為光觸媒的主要材料，主要是二氧化

鈦的價格相對便宜、化學安定性與氧化能力強而受到大眾青睞。二氧化鈦有三種

使用觸媒所降

低的活化能

晶體結構：銳鈦礦(Anatase)如圖2、金紅石(Rutile)如圖3及板鈦礦(Brookite)三種，

但只有銳鈦礦(Anatase)或是金紅石(Rutile)的結構擁有光觸媒性質。

圖 2 銳鈦礦 (Anatase) 結構[2]

圖 3 金紅石 (Rutile) 結構[2]

光觸媒受光激發後所生成之電洞( )、氫氧自由基( )及超氧離子

( )等具有強氧化力，能將有機汙染物分解成CO2及H2O等較無害小分子，此過

程亦稱為礦化作用(Mineralization)，這個特性就是淨化空氣和除臭的關鍵，以二

氧化鈦為例，常見光催化降解反應機制如下：

1.當光觸媒受到光激發後產生電子-電洞對 3.2 eV）

2.電子（ ）與吸附在表面的氧分子( )形成超氧離子（

3.電洞( )將吸附在表面的水分子氧化形成氫氧自由基（ ）

4.過程中產生過氧化氫（ ）

5.過氧化氫( )再度形成氫氧自由基（ ）

6.經由氫氧自由基（ ）連續攻擊，使得有機物氧化

7.或者反應物直接與電洞發生氧化反應

2.2 二氧化鈦光觸媒 二氧化鈦分子式為TiO2，別名為鈦白粉，分子量79.88 g/mol，比重為 3.8～

4.2，白色粉末無毒。二氧化鈦粒子細而均勻，粒徑分布窄、分散好，白度高且

具有高著色力與遮蓋力，可應用於無機顏料的原材料，如化妝品、防曬乳或馬路

上的斑馬線原料等。其具有穩定化學性質，強氧化還原能力，無害與價格低廉的

優點，且跟許多化學試劑之間不會有化學反應的產生；不溶水、弱無機酸或脂肪

酸，可微溶於鹼，也可被熱硫酸和鹽酸溶解。

奈米TiO2為 n 型半導體材料，在光照條件下尤其是在紫外光照射下而其能

帶(band gap)為(3～3.2 Ev)以上，傳導帶上的光激發電子(e-)與價電子帶的電洞(h+)

會因此而生成，因而引起光觸媒反應，而 e- 和 h+ 與吸附在 TiO2 表面上的

H2O、O2 等發生作用生成 ·OH 、O2- 等活性基團；而 TiO2 因這些反應，會形

成很強的氧化分解力和超親水性的化學現象。

在二氧化鈦的晶型中，相當多的報導指出，金紅石相並不太適合直接用於光

觸媒的材料;因此有相當多的學者摻雜金屬、非金屬或金屬氧化物雜質於銳鈦礦

相中改質，可以有效的提升銳鈦礦的效果。

摻雜金屬的主要目的有兩個：一是將由光所激發出的電子轉移至摻雜入的金

屬上，而電洞則留在二氧化鈦中，使電子-電洞再結合的機率降低；二是為了改

變二氧化鈦的物性，如比表面積及結晶顆粒大小的性質，降低光觸媒的粒徑雖然

能增加其比表面積外，當觸媒粒徑縮小至5-20 nm時，粒徑大小與電子-電洞對之

波場相當，因此產生量子尺寸效應(Quantum size effect)，且對光線吸收強度亦會

造成影響。而當光觸媒顆粒粒徑越小，能階差變大，所需之最低光源波長變短，

此即所謂吸收能階之藍位移(Blue shift)現象，此現象亦會影響光觸媒反應活性。

當光觸媒粒徑繼續變小至5 nm以下時，能階彎曲(Band-bending)現象變弱，反而

造成電子-電洞對的分離效果變差。因此，光觸媒粒子之粒徑大小對表面光催化

反應活性的影響，存在一個最適值，該最適值則依材料的不同而有所差異。由於

金屬對於電子具有很強的吸引力，若將其摻雜於觸媒之中，經由光催化步驟電子

躍遷至觸媒表面之金屬並加以累積，使電子不容易再回去二氧化鈦上，進而降低

電子電洞對的結合。

另外摻雜非金屬主要有兩個目的：一是將價電子帶拉高進而降低二氧化鈦的

能隙大小，或是藉由摻入不同的非金屬價電子數的不同，而形成多餘的電洞，進

而降低電子電洞對的結合；另一個目的則是為了改變二氧化鈦的物性，如表面積

及孔洞大小的性質；更有學者直接在二氧化鈦進行本質上的改質，降低其能隙，

使其反應能力增強，反應速率増快。而且二氧化鈦也只有照射到紫外光，由紫外

光提供足夠的能量才足以將電子從價帶躍遷至導帶，引發其氧化還原反應 [4]。

2.3 光觸媒應用

「光觸媒反應」的原理如圖4所示，藉由紫外光或太陽光的照射，使觸媒表

面的電子吸收足夠能量而脫離，而在電子脫離的位置便形成帶正電的電洞，電洞

會將附近水分子游離出的氫氧基(OH-)氧化(奪取其電子)，使其成為活性極大的氫

氧自由基( )；氫氧自由基一旦遇上有機物質，便會將電子奪回，有機物分子

因鍵結的潰散而分崩離析。

許多研究更證實二氧化鈦的光催化性質能夠有效地應用於環境與能源問題

上，像是：

1.有機色料分子的脫色處理，如亞甲基藍(Methylene blue)[5-11]、甲基橙(Methyl

orange)[12]、剛果紅(Congo red)[13]及分散藍(Disperse blue 1)[14]等常用染料。

2.有機分子的降解如苯酚(phenol)[15-17]。表1為各種利用二氧化鈦光催化性質所分

解之有機物[18]。

3.亦有研究指出二氧化鈦能有效分解一些常用的農藥以解決土地污染問題，如拉

草(Alachlor)[19]及畏草麥(Dicamba)[20]等。

4.在能源上的應用為分解水製氫及太陽能電池等。

一般的污染物或病源體多半是碳水化合物，分解後大部份會變成無害的水及

二氧化碳，因此可以達到除污及滅菌的目標。因此可利用光觸媒的強氧化能力造

成細菌死亡，並且捕捉、消滅空氣中的浮游細菌，有效除去大腸桿菌、金黃色葡

萄球菌，是優良抗菌產品。此外，也可藉由光觸媒分解有機物的特性，對於不好

的氣味進行除臭，光觸媒能夠分解這些不好的有機物包含香菸菸味中所產生的致

癌物質，如硫化氫、二氧化硫，徹底除臭。光觸媒比臭氧、負離子有更強的氧化

能力，可強力分解臭源。同時，光觸媒的特性為利用空氣中的氧分子及水分子將

所接觸的有機物轉換為二氧化碳和水，並不使用本身的能量，理論上有效期間非

常長久。且光觸媒水溶液施工硬化後，具有非水溶性，能容許正常水洗使用。

圖 4 光觸媒作用原理 [3]

表1 各種利用二氧化鈦光催化性質所分解之有機物[18]

三、 結語

目前二氧化鈦光催化已有許多商品應用，例如電腦鍵盤、浴廁用品、擋風玻

璃等容易積灰塵髒汙的產品，可以輕易的使用水把髒汙沖洗掉，常保潔淨；另外

使用光觸媒可以將環境中的有害物質經由光催化，分解成較小的分子，在物品表

面形成一種強氧化的清潔塗層，雖然光觸媒大量的使用於我們日常生活中，仍然

有效率、成本、方便性等研究須突破，但在這學術研究發達的年代，相信光觸媒

使用上的難處將會一一被克服，爾後真正的光觸媒產品充分應用於生活中的盛況

也將指日可待。

四、 參考文獻

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