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奈米科技與二氧化鈦光觸媒

93/04/12 瀏覽次數 60431
「二氧化鈦(TiO2)光觸媒」與「奈米科技」是最近常聽到的兩個名詞。在日常生活中,從化妝品到電子產品,都有奈米科技的理論與應用,因此奈米科技已經是現代人必備的知識之一。另外,二氧化鈦光觸媒更是新興的綠色環保產品,其未來發展將為人類社會創造出更舒適、清淨、高品質的生活環境。

奈米材料

奈米材料是指組成材料的基本單位,在三維空間中至少有一維在一百奈米以下,而一奈米的長度相當於十億分之一公尺。或許很難想像一個奈米到底有多小,但如果把一公尺拉長為地球那麼大,一個奈米的物體就相當於一個玻璃珠。

製造奈米材料的方法通常分為兩種,一種是由上而下(top down),是把一個巨觀的材料經外力作用,例如研磨方式,把它的尺寸由上而下減至奈米尺度範圍內;另外一種方式則是由下而上(buttom up),是以一種從小到大的方式產生奈米材料,例如化學反應生成等方法,把分子或原子狀態的物質,利用成核、結晶的途徑合成具有奈米尺度的材料。

以奈米碳管為例,奈米碳管是一種由碳原子所組成,且直徑僅有數個奈米大小的碳纖維,而不同直徑的奈米碳管會具有金屬和半導體兩種不同的性質,其軸向的硬度甚至高於鑽石,但徑向卻呈現完全不同的可撓性,可見奈米碳管是一種極為特殊的材料。另外,奈米碳管的抗張強度是鋼的一百倍,並可做為顯微探針等用途。由奈米碳管的例子,不難發現奈米材料魅力無限。

此外,奈米材料因具有較高的表面能量,故使得奈米粒子的熔點與燒結溫度都比常規材料低,例如奈米鉛粒子的熔點是絕對溫度288 K,比常規鉛粒子的600 K低了許多。除此之外,奈米材料常常具有與巨觀材料不同的光學性質,例如巨觀的金屬材料通常具有不同顏色的金屬光澤,但是奈米尺寸下的金屬材料幾乎都呈現黑色,這表示奈米金屬微粒對可見光的反射率相當低,導致其外表呈現黑色。

奈米表面效應是奈米材料相當重要的一個特性,當粒子達到奈米尺度時,其表面原子占所有原子的比例變高,導致粒子表面能量升高,因此奈米粒子具有較巨觀材料大的表面活性。又因為表面原子的總數增加,使得奈米材料的比表面積大幅增加。這種表面能升高與比表面積增加的現象,稱為奈米表面效應。

在實際產業應用方面,以化學機械研磨所使用的氧化鈰粉體為例,當氧化鈰粉體達到奈米等級之後,可以使被研磨的表面更加平坦化;在積層陶瓷電容方面,當其燒結體的粒徑在奈米等級時,介電常數可大大地提升;而在鋰離子二次電池方面,使用奈米等級的粉體當陰極材料時,電池所表現出來的電容量也會有明顯的提升。

光觸媒

奈米材料的種類相當眾多,近來最熱門的便是「奈米二氧化鈦光觸媒」了。一般我們所說的觸媒,是一種可以促進化學反應進行的材料,但觸媒本身在反應前後並不會改變或減少。而光觸媒顧名思義就是可以利用光當能量,在光觸媒材料表面上進行觸媒反應。

光觸媒材料在光的照射下,會把光能轉變成化學能,促進有機物的合成或分解,這樣的過程稱為光觸媒反應。利用這樣的光觸媒反應,我們可以分解一些污染物質、去除空氣中的臭味或分解水中的雜質,進而達到去污、除臭、淨水等功效,可說是具有相當發展潛力的綠色環保材料。

光觸媒是由日本東京大學的藤山鳥昭(Fujishima Akira)教授在一九七二年發現,當時他發現二氧化鈦在紫外光的照射下,可以把水分子分解產生氫氣,因而發現二氧化鈦的光化學特性。後來由於全球環保意識高漲,使得二氧化鈦的光觸媒特性引起世界各國的重視,尤其在日本更是掀起研究熱潮。

近年來發現許多半導體材料都具有光觸媒特性,但是後來的研究發現,部分半導體材料在酸性或鹼性的環境中容易變質,另外有些化合物容易發生化學或光化學腐蝕性,所以不太適合做淨水用的光觸媒。反觀二氧化鈦,不但具有相當優良的光觸媒活性,而且有物理與化學性質穩定,耐酸鹼、價格便宜、容易製備、無毒等優點,所以成為最具發展潛力的光觸媒材料。

日本對於光觸媒的研究不遺餘力,在一九九○年之後陸陸續續發表了二氧化鈦光觸媒的相關產品,更在一九九五年起,每年學術界都舉辦有關二氧化鈦光觸媒研討會。日本是目前光觸媒產品發展得最快、最多元化的國家,光觸媒產品在日本的銷售成績,逐年快速成長,根據日本工業新聞對光觸媒產品樂觀的預估,與光觸媒相關的延伸性產品將會大幅成長。未來,應用在公共工程上,更可以為光觸媒產品帶來無限商機。

光觸媒作用原理

二氧化鈦本身具有兩種比較常見的晶體結構,分別為金紅石相和銳鈦礦相,而銳鈦礦相的二氧化鈦具有較優良的光觸媒活性,故大部分的光觸媒研究皆著眼於此。

當二氧化鈦光觸媒受到大於二氧化鈦能隙寬度的光線照射後,電子會從價帶躍遷至導電帶,因而產生電子-電洞對。其中電子具還原性,電洞具氧化性,電洞會和二氧化鈦表面上的OH反應生成氧化性很高的‧OH自由基,電子則會和氧分子結合形成超氧離子(‧O2),活潑的‧OH自由基和超氧離子可以把有機物分解,變為二氧化碳和水,因而達到淨化效果。

在光源方面,由於銳鈦礦相二氧化鈦的能隙大小約為3.2電子伏特,相當於波長為387.5奈米(nm)的光波所攜帶的能量,故欲將二氧化鈦的電子自價帶激發至導電帶,必須提供波長小於387.5奈米的紫外線光源,才能使二氧化鈦產生光觸媒反應。(可見光範圍是400~700奈米,光波所攜帶的能量與波長成反比)

因為二氧化鈦光觸媒的分解有機物與超親水性的性質,所以具有抗菌、防污、除霧、脫臭、淨水、抗癌等六大功用。由於多方面的應用,在日本稱光觸媒為「夢幻材料」。

超親水性除霧

二氧化鈦光觸媒具有相當特殊的超親水性質,這是因為二氧化鈦光觸媒表面與水滴的接觸角幾乎是零度的緣故,所以水分很容易附著在二氧化鈦表面上,利用這種特性,表面鍍上二氧化鈦材質便具有除霧的神奇功效。

如果把二氧化鈦以薄膜方式鍍在玻璃、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,還可以利用二氧化鈦的超親水性質,使得表面污垢更容易去除。當有油滴或髒污附著在光觸媒表面時,由於光觸媒表面的超親水性質使油污不易附著,經清水沖洗後,可以使髒污很容易清除。故當光觸媒應用在戶外建材時,像高樓的窗戶、屋頂等不易清洗的地方,如此一來,大樓的洗窗工作就不再有這麼高的危險性了。

抗菌與抗癌

光觸媒除了可以分解有機污染物質之外,更可以用來分解細菌和病毒。實驗證明,經過一千燭光紫外光照射一小時後,二氧化鈦光觸媒可以把99.9%的大腸菌、耐甲氧苯青黴素鈉黃葡萄球菌及綠膿菌等細菌分解,殺菌效果相當顯著。實驗並發現,在室內的地板與牆壁上鍍上二氧化鈦光觸媒後,明顯減少空氣中的浮游菌數、降低室內霉菌滋生、臭味大幅減少,可說是一舉數得。

在細菌繁殖旺盛時期,光觸媒可利用其表面的去污功能分解細菌殘骸,使得抗菌功效得以持續,不會因受到髒污覆蓋而失去抗菌功能。此外,光觸媒不但可以殺菌,並可以把細菌體內的毒素分解,這是傳統抗菌劑所沒有的特性。

去污與脫臭

光觸媒經過紫外光照射後,可以用來分解導致污染的有機物質。利用此一功能,我們可以把光觸媒應用在除臭方面。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,空氣中只要有微量的惡臭物質存在,便會使人們聞到臭味與不適。例如,當每立方公尺的空氣中有2~10毫克甲基硫醇時,人的鼻子便可以嗅到臭味。二氧化鈦光觸媒可用來去除這些惡臭物質,達到脫臭的效果。由於惡臭物質的含量相當稀少,要分解這麼微量的物質,對光觸媒可以說是綽綽有餘。

其他如汽車排放的氮化物、二氧化硫等廢氣,以及惱人的煙味,實驗證明可直接用光觸媒去除,可見光觸媒對於空氣淨化與空氣品質的提升有相當大的助益。

應用與課題

在合成光觸媒薄膜或粉體時,遇到的最大問題是,必須要達到攝氏四百度以上的高溫退火或煆燒,才能得到具光觸媒活性的銳鈦礦相二氧化鈦結晶。筆者的研究室利用高壓法所合成的二氧化鈦薄膜,已能把二氧化鈦結晶溫度降低至攝氏150度。若能把結晶溫度再降低,光觸媒才能與各種不同基材,例如塑膠、纖維等不耐熱材料相互結合,使得應用的範圍更為廣泛。

由於光觸媒粉體的光催化活性,往往取決於粉體的比表面積,故如何提升光觸媒粉體的比表面積,也是一個重要的發展方向。一般來說,圓形粉體的比表面積是所有形狀中最小的,所以如果可以合成出長條狀的的粉體,便可以提升粉體的比表面積,而使光觸媒活性增加。

臺灣地處亞熱帶,全年陽光充足,所以非常適合推展光觸媒產品。截至目前為止,臺灣已經有很多光觸媒產品上市,例如標榜利用光觸媒殺菌、抗病毒、清潔等功能的光觸媒冷氣機。此外,部分燈具公司也已經開發出光觸媒照明設備,有清除病菌、除臭等功能。日本方面對光觸媒產品的開發更是不遺餘力,從光觸媒面膜到建築物表面的塗佈,到處都可以看見光觸媒的應用。由此可見,因光觸媒所引發的「光清淨革命」即將到來。

由於一般消費者對光觸媒產品不甚熟悉,往往誤以為光觸媒僅需照光即可產生光化學反應,這是一個不正確的觀念。大部分光觸媒均需在紫外光照射下才可以進行反應,在紫外光不足或是無光線的環境中,基本上光觸媒材料是起不了作用的。另一方面,光觸媒雖然可以抗菌,然而是否對所有菌類及病毒都有效,這一方面的學術研究至今並非十分完整。對國人最關心的SARS病毒是否有抑制作用,則仍待學術單位進一步驗證。

此外,奈米級光觸媒在施工或使用時,應避免口鼻直接吸入,以免造成肺部及相關呼吸器官病變,這一方面的研究也亟需公衛及環安相關單位共同努力。因此正確及謹慎地應用光觸媒產品,才可以有效改善我們的生活。

光觸媒未來的展望

近幾年來因為奈米科技的發展,奈米粒子的大表面積性質,使得二氧化鈦的光催化特性得到進一步的提升。另一方面,由於奈米粒子的量子限量效應,其尺寸越小,價帶與導電帶間的能隙越寬,奈米級二氧化鈦會具有更強的氧化力,奈米科技的發達將對光觸媒的發展產生決定性的影響。

由於二氧化鈦光觸媒所使用的是紫外光波段的光源,又因為日光中的紫外光能量僅占總能量大約5%,使得二氧化鈦光觸媒的應用範圍受到很大的限制。晴天戶外的陽光中紫外光的能量約有四毫瓦,足夠光觸媒分解污染物質。但是室內的日光燈只有0.1~1微瓦(μW),對於大部分的光觸媒而言,都不足以使其產生作用。因此二氧化鈦光催化效率的提升及奈米科技的發展,將是未來重要的發展方向,可以預見在不久的將來,奈米光觸媒科技必將有效地改善我們的居家環境,以提高生活品質。
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