20082008 光華女中專題研討光華女中專題研討20082008 光華女中專題研討光華女中專題研討

主講：陳立偉 老師主講：陳立偉 老師國立臺南第一高級中學國立臺南第一高級中學 2008.05.08 2008.05.08

OutlineOutline•何謂光觸媒？•光觸媒的功能•光觸媒工作原理•光觸媒應用於教學、專題製作• Q & A

OutlineOutline•何謂光觸媒？•光觸媒的功能•光觸媒工作原理•光觸媒應用於教學、專題製作• Q & A

光觸媒光觸媒• 光觸媒本質上即是催化劑，光觸媒在照光的情形下具有催化功能，有機物會因光觸媒的加入分解成 H2O 、 CO2或其他小分子。

• 光觸媒中以二氧化鈦 (TiO2) 最常見， TiO2光觸媒具有半導體材料特性以及無毒特性，所以在生活上應用很廣。

某些物質會吸收特定波長某些物質會吸收特定波長的光，使其分子達到激發態，的光，使其分子達到激發態，具十分活潑的性質，可與其具十分活潑的性質，可與其他物質進行反應，此種物質他物質進行反應，此種物質稱之為光觸媒。稱之為光觸媒。目前市面上最常見的就是目前市面上最常見的就是二氧化鈦光觸媒。二氧化鈦光觸媒。

什麼是光觸媒？什麼是光觸媒？

催化劑原理催化劑原理• 參與反應，改變反應速率，反應前後不改變，不出現在全反應式中的物質，稱之為催化劑。

• 絕大多數的催化劑會使速率增加，少數會使速率減慢。

• 提供新的反應途徑，降低活化能。

Discovery and applications of photocatalysishttp://www.nanonet.go.jp/english/mailmag/2005/044a.html

二氧化鈦是無毒的固體，常作白色塗料或化妝品、牙膏的原料，二氧化鈦光觸媒的研究則肇始於 1970 年代初，藤島與本田發現用強光照射水溶液中的二氧化鈦電極，電極表面產生了許多氧氣氣泡。切斷光線後，氣泡就不再釋出。另外一個惰性白金電極上則產生了氫氣，顯示光可以啟動二氧化鈦分解水。後來又發現二氧化鈦照光，可以將二氧化碳還原成甲醇等有機化合物

Akira Fujishima

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光觸媒的功能光觸媒的功能• 有機化合物礦化處理• 光觸媒殺菌功能• 光觸媒親水性研究• 光觸媒疏水性研究• 光觸媒於光電池的開發

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光觸媒作用原理光觸媒作用原理 • TiO2 具有價帶及傳導帶，兩能帶間具有帶隙

(Eg)，位於價帶中之電子不易移動，但電子若在傳導帶中則可自由移動。

• 當有足夠的能量克服帶隙使電子提升至傳導帶，並將電子、電洞傳遞至介面時，可催化水或氧氣產生自由基，如氫氧基 (OH) 、氧原子 (O)、超氧離子 (O2

–) 等。• 這些自由基進一步分解水溶液中有機物，使得有機物分解成 H2O 、 CO2 或其他小分子等。

能隙與導電現象能隙與導電現象

導體 半導體 絕緣體

價帶

傳導帶

半導體的光催化半導體的光催化

二氧化鈦照光後可催化水或氧氣

TiO2

O2

O2 UV

H2O

OH

光觸媒殺菌功能光觸媒殺菌功能• 將有機物分解成無害的二氧化碳和水。• 可以開發淨化空氣與水方面的應用，如殺菌、消毒、除臭等。

• 在醫療方面，則有發展抑制腫瘤或癌症治療的技術。

奈米銀與奈米光觸媒奈米銀與奈米光觸媒

光觸媒疏水性研究光觸媒疏水性研究

蓮花效應蓮花效應

(a) 二氧化鈦照光前薄膜上的水滴 (b) 照光後

油滴水膜TiO2玻璃

照光

二氧化鈦表面的防污功能

光觸媒於光電池的開發光觸媒於光電池的開發

本徵半導體本徵半導體 (( 純半導體純半導體 )) 載流子 (change carries)是由部分電子從價帶激發到傳導帶上所產生的，形成數目相等的電子和電洞

NN 型半導體型半導體 施體 (donor)向半導體導帶輸送電子形成以電子為主體的的結構

PP型半導體型半導體 受體 (receptor)接受半導體價帶電

子 . 形成以電洞為主體的結構

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光觸媒改良光觸媒改良•添加金屬原子•添加金屬離子•加入其他半導體

學生專題製作學生專題製作• 入選 2007臺灣國際科展複審• 第 47屆中小學科學展覽會化學科佳作• 入選臺灣科學教育館中學生專題製作• 第 48屆中小學科學展覽會應用科學佳作

實驗方法實驗方法

謝謝您的聆聽謝謝您的聆聽• Q & A• 碧霜老師：目前主要添加何種離子來改良光觸

媒？• 老師：我看過的是有添加銅離子，但是到底添

加何種離子效果較好，仍不清楚。• 欣怡老師：奈米銀可以打入細胞消除腫瘤，是

將細胞刺破，在進行時如何標的腫瘤細胞？如何確定是否無害？

• 老師：醫師須確定腫瘤位置，再打入導管，引入紫外光。

• 碧霜老師：九二一的光觸媒口罩是否有研究支持其具有殺菌效果？

• 老師：若要達到殺菌效果，一定需要有紫外光的照射，因此這是不實的廣告。只要有活性碳口罩就足以吸附病毒。

• 欣怡老師：自由基易造成氧化，和負離子的差異為何？

• 老師：氯原子的周圍有七顆電子，當它和鈉結合時，周圍就會多一顆從鈉原子取得的離子，使周圍有八顆電子，而帶負電，即負離子；自由基的形成則是受到不平均的能量切割，遺失了一顆電子，就形成自由基。也可說若有不成對的電子，就是自由基。

• 欣怡老師：在一般紫外線過量的情況下，光觸媒能產生作用嗎 ?

• 老師：我有試過，三天後的確就有啟動作用。