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原來光觸媒是這麼回事

國人對環境淨化的渴望,在SARS疫情緊繃之際達到最高點,短短幾個月內,打著防疫抗菌口號的光觸媒產品簡直熱得不得了。到底光觸媒是什麼?作用如何?功效如何?
 
 
 
個性溫和  非強悍武器

光觸媒(photocatalyst)是一種「利用光能,進行催化反應的觸媒」。使用前,會先把它塗布或噴灑在物體表面形成一層薄膜,再透過光能的啟動,與附在物體表面的外來物質產生氧化或還原作用,以達到除污、殺菌、抑菌或使物體表面清潔的目的。

雖然光觸媒可發揮的功效仍在評估中,但與它相關的研究工作卻已如火如荼地展開。現今科學家對光觸媒消滅微生物的能力已給予不錯的評價,甚至預期,在未來的食、衣、住、行與空氣清淨、水質淨化等相關產業中,將有許多發展空間。只不過,面對市面上誇大的宣傳廣告,專家學者們又不免憂心忡忡而大聲疾呼:光觸媒不如想像中神奇!

從科學實驗中證實,光觸媒在對抗細菌的環境淨化上頗具成效,但用來對抗SARS病毒卻是另外一回事。因為,迎戰SARS是一場分秒必爭、詭譎多變的戰役,需要更積極、更快速、更強烈的防疫武器,若把個性溫和,需要較長時間才能滅菌的光觸媒推上戰場,在防疫功效上緩不濟急;更何況,病毒不是細菌,到目前為止,我們仍未獲得光觸媒可消除病毒的確切證據。因此,光觸媒並不是對抗SARS的最佳選擇。

熱鬧有趣的搶電子遊戲

從化學作用來看,光觸媒是一種半導體結晶材料,被光照射以後,材料中的電子會跳出來,並留下一個具有強大氧化能力的帶正電孔洞,這些電子與電洞在化學上稱為「電子洞對」。

當電子與空氣中的氧分子(O2)相遇時,即生成反應性很強的超級氧分子(˙O2)﹔當電洞與空氣中的水氣(H2O)相遇時,會透過光化學反應搶奪水中氫氧基的電子,此時,失去電子的氫氧基立刻變成不安定的氫氧自由基(˙OH)。一旦不安定的氫氧自由基遇到外來的、附在物體表面上的有機物時,又會藉由搶奪對方電子的方式使自己趨於穩定。如此一來,有機物即被氧化,變成水和二氧化碳,消散在空氣中。

倘若以光觸媒淨化水質,則從光化學反應中產生的氫氧自由基,也會與水中的不純物發生反應,變成水、二氧化碳或沉澱物。這整個過程,就像一場熱鬧有趣的搶電子遊戲。

然而,氫氧自由基具有強烈的氧化作用,易破壞細胞膜、血管壁、蛋白質和基因,會使人體產生老化和疾病問題,因此有人擔心,在光觸媒反應中出現的氫氧自由基,是否會對人體造成傷害呢?一般而言,光觸媒反應是在物體表面發生,而氫氧自由基釋出到空氣中的可能性非常小,在光觸媒表面的濃度亦非常微弱,對人體應不致於造成傷害,不過相關問題仍需進一步確認。

光線問題 傷腦筋喔

能夠利用大自然光源,使有害物質消失,且無二次污染,是光觸媒最具價值的地方。然而能激發光觸煤反應的最低能量是多少呢?這個答案與製造光觸媒的材料有關。適合作為光觸媒的材料必須具有半導體特性,例如氧化鋅(ZnO)、二氧化鈦(TiO2)、二氧化錫(SnO2)、硫化鎘(CdS)等都是,而所有材料中,又以二氧化鈦的氧化還原力較強,並具有化學性質穩定、對環境無害、材料價格低廉等優勢。所以,目前使用的光觸媒材料大都以二氧化鈦為主。

令人傷腦筋的是,欲使二氧化鈦光觸媒產生反應的光子,必須要有3.2 電子伏特(ev)以上的能量,亦相當於波長380 奈米(nm)以下的紫外線。這樣的啟動條件,讓光觸媒的應用受到了限制,也因此,如何擴大光源利用,使波長400~700 nm的可見光也能激發光觸媒反應,成為科學家急欲突破的關卡。

陽光具有啟動能力

陽光中照到地表的近紫外線具有1.0~10 mW/cm2 的照度,此照度已達啟動光觸媒反應的能量。由此可知,凡是陽光照得到的地方,如建築物外牆、窗戶玻璃、窗簾等,都可採用光觸媒產品。

當然,直接利用紫外線燈管釋出光線,讓光觸煤產生反應就更方便了。只是,除波長300~400 nm的近紫外線以外,其餘波長如254 nm的紫外線,雖可殺菌亦會傷害人體。因此,加裝紫外線燈管的光觸煤產品,只能在一定條件與環境下使用。

我們的室內光源大都來自照明用的日光燈。通常,從日光燈燈管表面放出的近紫外線只有0.1 mW/cm2  的照度,由於照度與光源距離的平方成反比,因此,室內物體接收到的實際光線大約只剩下0.1 μW/cm2 ,如此微弱的照度,無法使光觸媒產生有效反應。

新技術不斷冒出來

無法利用室內可見光的事實,使光觸媒的應用受到限制,但是,突破障礙的新技術亦不斷冒出來。例如,日本一家小型創投企業與日本產業技術總和研究所聲稱,已成功開發在400~530 nm的可見光下作用的二氧化鈦材料,如果這項技術能提出科學證據,將是研發上的一大進步。而我國科學研究單位亦已實驗成功在400~500 nm的可見光下啟動光觸媒的技術,只是,若要全面商品化仍需一段時間。

光線之外,影響光觸媒功效的還有鍍膜技術與二氧化鈦結晶構造。二氧化鈦結晶構造分為金紅石型、銳鈦礦型與板鈦礦型三種。傳統中用來製造塗料、油墨、化妝品、橡塑膠著色劑、顏料等的材料均以金紅石結晶為主;現在的光觸媒材料,則以活性較高的銳鈦礦結晶結構為主。

所謂奈米級光觸媒是指所使用的光觸媒材料粒徑已達奈米級(10~100 nm)。若以二氧化鈦來說,粒徑在10 nm左右的效果較佳。光觸媒材料經常以懸浮液或粉末方式出現,在功效上,懸浮液比粉末好。大部分工廠把材料買回去以後,再以塗布或噴灑方式將其附著在產品表面,或加工製成噴霧式水懸浮液。

此外,市面上亦出現以粒徑100 nm以上的非奈米級材料製造的二氧化鈦光觸媒。這類材料因為缺乏奈米微粒所具有的親和性,所以很難附著在物體表面,為了增加它的附著力,人們常在生產過程中摻入分散劑或粘著劑。只是,這些添加物可能與光觸媒表面產生反應而形成一層薄膜,這層薄膜會將光觸媒包覆,使得受光照射後所產生的電子洞對,無法穿過薄膜來與外界物質發生作用。

也有人疑惑,使用噴霧式光觸媒到底有沒有效用呢?這應該與使用方法有關。如果直接將光觸媒往口罩上噴塗,或在密閉空間內噴灑,會因為無法直接接觸到有效的光線,使得光觸媒效果不如預期中好。

國人已研發多項專利

全世界申請光觸媒專利的數量已超過一千件,日本是提出申請最積極的國家,歐美地區如德國、荷蘭、美國的化工業者亦日益重視光觸媒研發。而我國科學家亦已研發出多項專利,例如,在經濟部科技專案研發計畫下,中山科學研究院化學研究所與臺灣日光燈公司合作,已成功研發出光觸媒空氣清淨燈管,並獲得兩項我國與美國專利。

其中一項製作技術的專利,是以鈦醇鹽與螯合劑製得奈米級光觸媒微粒溶膠後,先將溶膠浸鍍於玻璃纖維布上,再把纖維布直接套在365 nm或254 nm的紫外線燈管外。另一項技術應用的專利,是在通風口處裝置光觸媒紫外線燈管,利用空氣對流原理,只要空中懸浮物沾上纖維布,即可利用光觸媒反應達到淨化空氣與殺菌、抑菌目的。

預防院內感染 可找光觸媒幫忙

二○○三年五月,SARS疫情快速升溫,醫院院內感染問題引起很大關注。造成院內感染的原因很複雜,若能做好防止細菌散播、殺死細菌、抑制細菌繁殖等工作,即有希望降低感染。針對此部分,光觸媒被認為可發揮某種程度的功效。

一般大廈建築物內的中央空調系統,常被懷疑是散播細菌的重要來源。這類設備大都先將空氣吸回,經過熱交換處理,待空氣冷卻後,再經通風管將冷空氣送回各區域。萬一出現細菌,便有可能透過通風口四處散播。而且,這類系統內的過濾設備大都屬於活性碳、過濾棉式的高效能過濾網,因為只能過濾細菌無法殺死細菌,如果細菌在濾網上的累積數量過多,管理人員又未注意更換時,即易形成細菌溫床,造成感染。

上述狀況的改善方法是,在各區內設立獨立的空調系統,使空氣不再集中循環,但因需要的改裝工程龐大,在時間與經費成本上相當驚人。較簡單的做法是,在各個通風管道設置254 nm紫外線燈管或光觸媒254 nm紫外線燈管,把經過的微生物殺死或氧化分解,或者在空調系統的空氣進出口安裝365 nm光觸媒紫外線燈管,直接進行空氣清淨工作,進而發揮除臭、殺菌功效。

尤其是醫院內的手術室,即使只有一丁點細菌,在裡面接受手術的病人仍很容易受到感染。倘若將手術室的地板和牆壁換成「光觸媒抗菌瓷磚」有可能解決問題。這是一種在瓷磚表面鍍上銀、銅等金屬離子的光觸媒瓷磚,由於銀、銅等金屬離子一直就是很好的抗菌劑,除定時使用紫外燈照射殺菌外,在沒有光線照射的時候,這類瓷磚仍可發揮抑菌功效。

另一個不錯的想法是,把病房內陽光照得到的地方換上光觸媒窗簾,利用空氣的自然對流,使窗簾發揮緩慢的殺菌、抑菌和淨化空氣效果。目前國內業者製造的人造纖維光觸媒紡織品上市未久,初期朝製作窗簾布、外出運動服、戶外遮陽布等方向發展。

借鏡日本 避免重蹈覆轍

日本的許多中小企業,因為看好光觸媒市場而投入資金。但因新產品優劣雜陳,生意人誇大競爭,消費者欠缺辨識能力,以及受到經濟不景氣等因素影響,使得此等新興產品上市未久,市場發展便逐漸萎縮。直到最近幾年,日本境內相繼成立與光觸媒有關的製品技術協議會、製品論壇等組織,並提供產品檢驗及評鑑服務,才使產品重回發展的正軌。

我國受到SARS疫情影響,五花八門的光觸媒產品已快速上市,為免重蹈日本覆轍,防止魚目混珠、混淆視聽,唯有訂定產品規格與功能評估標準,提供具有公信力的檢驗及評鑑服務,加強宣導相關知識等,才能促成全民環保與抗菌觀念的發揚光大。

據了解,由國內業者自行組成的「空氣清淨產業技術開發聯盟會」依照「日本光觸媒製品技術協議會」訂定的標準,已提供以光觸媒空氣清淨產品為主的檢測服務。檢測人員將大小10 × 10 cm2樣品裝入採樣袋,灌入乙醛標準氣,然後在1 mW/cm2的光照射強度下觀察,如果氣體濃度變化達70%以上,此產品便認為具有較好的光觸媒效果。

光觸媒的未來發展值得注意

總之,光觸媒一點也不神奇,它的應用範圍仍然有限,許多研究工作尚待開發,而且,所有研發技術在商品化以前仍須解決許多問題,但是,它的未來發展值得大家關心。

如果有一天「利用可見光使光觸媒產生反應的技術」研發成功了,光觸媒的特色將不只是除污、抑菌、抗菌而已,到那個時候,只要將浴室、廁所、廚房等處更換成光觸媒瓷磚,即可讓居住環境進一步達到乾淨舒適的效果。在紡織品方面,除了人造纖維外,國內科學家現正研究利用天然纖維製造的光觸媒紡織品。而在保持公路與隧道燈具的清潔與照明亮度上,採用光觸媒燈罩應為改進方法之一,只是,如何降低製造成本,讓工程單位樂於使用,又是另一個待克服問題。

光觸媒應用在水處理方面的發展亦值得注意。一九九二年首次召開的世界性「有關二氧化鈦光觸煤用於水及空氣淨化技術國際會議」中,來自加拿大、美國、日本、歐洲各國二百多位與會者展開五天熱烈討論後,對光觸媒的水處理問題達成共識,認為是今後非常重要的研究課題。只是,在實驗室內不是那麼困難的研究,一旦要實用化,就會出現很多待解決問題,而科學家經過多次實驗後亦發現,光觸媒適合朝製造超純水、去除微量污染物方面發展,但不適合使用於大量廢水的處理。
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