文．圖 / 石豫臺、楊和學 數學教室 本月專題｜認識奈米 淺談 奈米光觸媒 科學小學堂 生活科技教室 科教館 科學讀書會 科學家的科學路 奈米光 觸媒吸引臺灣一般民眾的 注意始於 2003 年 SARS（嚴重急性呼 吸道症候群）流行期間。當時為 了 防 範 SARS 病毒，總統府委請民間廠商 以奈米光觸媒在府內上下及玉山官 邸展開大規模消毒。從此，頂著「總 統級」明星光環的奈米光觸媒從專業 名詞一躍而成最時髦的產物，不僅相 關書籍紛紛出版，許多廠商也看到龐 大的商機，陸續推出相關的商品。從 空氣清淨機、捕蚊燈到口罩等等，似 乎只要掛上「奈米光觸媒」五個字， 便是熱銷的保證。事實上，奈米光觸 媒是結合「奈米科技」與「光觸媒技 術」的新興環保產品，在殺菌、防黴、 GO 除臭、清潔、淨化空氣等方面都有優 異的效能，可以廣泛應用在各種民生 用品上，稱得上是 21 世紀的綠色科 技產物。若能有效應用奈米光觸媒， 可為人類創造出更舒適、清淨、優質 的生活環境。 徵稿與訂閱 好玩 20 科學研習｜ 2013 年 1 月，No. 52-1 圖 1：在反應過程中加入催 化劑，可降低活化能， 促進反應進行。 什麼是光觸媒？ 觸媒就是催化劑， 在生化領域也稱為酵素或 酶。它是一種可以促進化學反 應，但本身在反應後不會改變或消 光觸媒又是什 麼呢？光觸媒是複合 名詞，來自「光」與「觸 媒」兩個名詞的結合。光觸 媒又稱為光催化劑，顧名思義就 耗的物質。如圖 1 所示，通常在化學反應 是一種可以在吸收特定波長的光能後，促 過程中，反應物 X 要變成生成物 Y，必須 進化學反應的觸媒。最有名的光觸媒反應 克服稱為活化能的能量障礙 Ea。如果活化 是日本東京大學的藤嶋昭教授與他的老師 能太高，反應便不易進行。這時若加入適 本多健一教授在 1968 年發現的「本多．藤 當的觸媒，可使活化能降低成 Eb，有效加 嶋效應」。如圖 2 所示，他們用二氧化鈦 速反應的進行。 (TiO2) 與白金 (Pt) 做為電極，進行水的分 解實驗，發現不加電壓僅以水銀燈 照射時，在二氧化鈦與白金電極分 別有氧氣與氫氣產生。探究其原因， 原來是二氧化鈦扮演了光觸媒的角 色，它在受到水銀燈發出的紫外光 照射後，產生了電子與電洞，進而 與水發生反應，產生了氫氣與氧氣。 雖然藤嶋昭教授在四十幾年前 就證實了光觸媒可以促進水的分解， 但由於反應效率很低，迄今仍未能實 圖 2：利用二氧化鈦光觸媒進行水的分解。 際應用。直到最近幾年，研究人員將 應用的方向轉到淨化空氣與水質、防 污、殺菌等民生與環保用途，光觸媒 的發展才真正蓬勃起來。 光觸媒的反應機制 淺談奈米光觸媒 大部分的光觸媒屬於半導體材 料，具有如圖 3 所示的能帶結構。 在沒有受到光的激發時，它們的價 電子都處在較低能量的價電子帶， 圖 3：半導體的能帶結構 21 此時電子被束縛在原子周圍，不具有活性。 光觸媒的半導體材料。 二氧化鈦因為外觀為白色，在工業上 足夠的能量克服能隙，躍遷到傳導帶，它 俗稱的「鈦白粉」。二氧化鈦有銳鈦礦、 們就會變成活性的自由電子（以 e- 表示）， 金紅石與板鈦礦等三種結晶結構，前二者 而此時價電子帶因電子的離開，相對產生 較常見，板鈦礦則較罕見。因為晶體結構 帶正電的活性電洞（以 h+ 表示）。自由電 的不同，造成三者性質的差異。適合做為 子與電洞是成對產生，所以數目一樣。 光觸媒的是銳鈦礦型二氧化鈦。金紅石型 光觸媒照光後產生的電子與電洞可自 二氧化鈦的光觸媒活性較低，但因為具有 由移動。它們有可能再結合而放出能量， 良好的遮蔽性，且對酸、鹼、熱的安定性 數學教室 本月專題｜認識奈米 但如果給這些價電子光的刺激，讓它們有 也可能移動到光觸媒的表面。如果光觸媒 佳，故廣泛應用於顏料、塗料、塑膠、食 表面有氧分子或水存在，移動到表面的電 品、合成纖維與化妝品等工業上。 氧化反應： 須吸收波長小於 380 奈米的光線才可產生 銳鈦礦型二氧化鈦的能隙為 3.2 eV，必 子與電洞會與氧分子或水發生下列還原與 生活科技教室 O2 + e- → ．O2+ 電子—電洞對。這部分的波長範圍位在紫 + 外光區，因此，二氧化鈦光觸媒必須照射 ．O2- + H+ → HO2． 紫外光才能產生活性。一般消費者對光觸 - + 科學小學堂 H2O + h → H + ．OH 產生 ．O2 ，H ，．OH 和 HO2． 等離 - 媒的原理不熟悉，多誤以為光觸媒僅需照 光就可產生反應，這是不正確的觀念。因 強的還原能力，．OH 自由基具有很強的氧 為在紫外光不足的環境中，基本上光觸媒 化能力，可以將光觸媒表面的其它有機化 材料並無法產生作用。 科學家的科學路 子與自由基。．O2 與 HO2． 自由基具有很 合物分解成水和二氧化碳。因此，光觸媒 具有防污、殺菌、淨化空氣與水質等功效。 固體表面的親疏水性可用水珠的接觸 角表示。如圖 4 所示，若水珠的接觸角大， 大部分的光觸媒屬於半導體材料，但 表示表面為疏水性，若接觸角小，則表面 並 非所 有 照 光 後 能 產 生電 子 —電 洞對 的 為親水性。二氧化鈦光觸媒在不照光時， 半導體材料都可以做為光觸媒，只有電子 屬於疏水性，水珠有較大的接觸角。但在 —電洞對能有效與表面分子反應的半導 體材料才適合做為光觸媒。常見的光觸媒 照紫外光之後，水珠的接觸角逐漸變小， GO 表面逐漸變成親水性，甚至是超親水性（接 材 料 有 磷 化 鎵 (GaP)、 砷 化 鎵 (GaAs)、 氧 觸角 ~ 0 度）。這種親水性的轉變是因為紫 化 鋅 (ZnO)、 二 氧 化 鈦 (TiO2)、 二 氧 化 錫 外光照射後，二氧化鈦產生的氫氧基為親 (SnO2)、硫化鎘 (CdS) 等等，但最廣泛使用 水端，故具有超親水性。這種過程是可逆 的是二氧化鈦。這是因為二氧化鈦具有氧 的，只要不照光，表面又逐漸回復成疏水 化還原能力強、化學性質安定、無毒、不 性。我們可將二氧化鈦光觸媒塗布在建築 溶解、耐酸鹼等優點，再加上鈦的礦藏豐 物的表面，利用它的超親水性，達到建物 富，二氧化鈦的價格便宜，是最適合做為 自我潔淨的效果。 科教館 徵稿與訂閱 好玩 22 科學讀書會 光觸媒材料 二氧化鈦光觸媒的超親水性 科學研習｜ 2013 年 1 月，No. 52-1 圖 4：水珠與光觸媒表面的接觸角隨著照光時間增加而逐漸變小。 光觸媒的奈米化 「奈米光觸媒」是組合式的名詞。 「光觸媒」是主體名詞，如前面所述， 1. 防污 奈米光觸媒的防污能力主要來自於它 本身具有自我潔淨的功能。圖 5 顯示奈米 是一種可以在吸收特定波長的光能後，促 光觸媒自淨作用的兩種機制： 進化學反應的觸媒材料；「奈米」則是尺 (a) 氧化分解：奈米光觸媒經紫外光照射後， 寸大小的形容詞，也是一種長度單位。一 表面具有超強的氧化還原能力，可將附 奈米即是十億分之一公尺，大約是人類頭 著的污垢分解成二氧化碳及水。 髮直徑的十萬分之一。所謂奈米化是指將 (b) 水膜清污：奈米光觸媒經紫外光照射後， 材料大小縮小到 1 ~ 100 奈米的尺度範圍。 表面的超親水性使得附著在上面的水份 因此奈米光觸媒的完整含意是：粒徑大小 變成水膜滲入污垢與光觸媒的界面，污 為奈米尺度的光觸媒材料。許多研究顯示， 垢的附著力因此大幅降低。當雨水沖刷 當材料奈米化之後，會顯現出大粒子材料 時，污垢自然脫落。 所沒有的一些特性。將光觸媒奈米化之後， 它與一般大粒徑粉體光觸媒的差別在於材 料的表面積、有效電子電洞產生量、電子 與電洞的氧化還原能力、材料的透明度等 均顯著增加。整體而言，奈米化使得光觸 媒的反應活性顯著提高，效能也隨之增加。 淺談奈米光觸媒 奈米光觸媒的應用 奈米光觸媒在民生與環保方面的應用 極廣，茲列舉三大方面供讀者參考： 圖 5：奈米光觸媒的自淨作用 23 奈米光觸媒的自淨防污功能可應用在 輔脢，停止細菌或鰴菌的生長與繁殖，達 公用照明設備上。將奈米光觸媒塗布在照 到抗菌、防黴的目的。光觸媒不僅可殺死 明設備的燈罩上，可使燈罩長期保持潔淨， 細菌，還可進一步分解細菌的殘骸，避免 提高照明效率。 也可把奈米光觸媒塗布在 細菌殘留毒素的危害。 一般醫院中由於病患的來來往往，最 長期保持潔淨。圖 6 是日本仙台醫院的吸 容易造成細菌或病毒的散播，如果不設法 菸室牆面，部分塗上光觸媒，經過 30 天之 加以管控，院內感染的風險極高。可將奈 後的結果照片。可發現經過光觸媒塗布的 米光觸媒塗布在醫院內的牆壁、窗簾、家 牆面，防污的效果特別顯著。 具或浴廁的磁磚上。相關研究顯示，奈米 奈米光觸媒也可用於玻璃表面的防污 光觸媒的抗菌效果極為顯著，不僅物體表 與防霧。玻璃表面的霧氣實際上是水氣凝 面的細菌數大幅減少，連空氣中浮遊的細 結所形成的許多微小水滴。這些小水滴散 菌數也明顯變少。因此，善用奈米光觸媒， 射光線，造成玻璃的透視度或鏡面的反射 對抑制流行疾病的傳播，極有助益。 數學教室 本月專題｜認識奈米 建築的室內或室外的牆面上，可以使牆面 生活科技教室 度不佳。若在玻璃表面塗布奈米光觸媒， 由於超親水性，小水滴會散開形成連續的 3. 淨化空氣 奈米光觸媒照光後可分解有害物質的 水膜，就不致於影響透視度或反射度了。 科學小學堂 這樣的功能對汽車的檔風玻璃與照後鏡最 特性，恰可用來淨化空氣。隨著工業的發 為有用，而講究美觀的玻璃帷幕大樓，也 展，空氣污染的問題日趨嚴重。當人們在 可因此顯得更光鮮亮麗。 戶外活動時，感受到污濁、惡臭的空氣， 奈米光觸媒分解有機物質的能力還可 用來分解細菌、鰴菌和病毒。圖 6 顯示奈 廢氣，其中有害成分以氮氧化合物、硫氧 化合物、懸浮微粒、臭氧等為主。 科學讀書會 科學家的科學路 2. 抗菌、防黴 其污染源主要是來自汽機車與工廠排放的 我們可以把奈米光觸媒廣泛塗布在大 樓外牆、公路隔音牆表面，或者塗鋪在道 媒的抗菌、防黴效果。當細菌或鰴菌與奈 路上。戶外有充足的陽光，光觸媒經由陽 米光觸媒接觸時，受光照射的光觸媒會產 光的照射，可將空氣中的氮氧化物分解成 生強氧化力的氫氧基，它會破壞細胞中的 硝酸根離子，將硫氧化合物分解成硫酸根 A B C 科教館 米光觸媒的抗菌機制。圖 7 顯示奈米光觸 圖 6：A：原始未經過洗淨塗裝的牆面；B：經過洗淨劑 清洗過的牆面；C：經過光觸媒塗布過後的牆面。(6) 24 圖 7：奈米光觸媒的抗菌機制 徵稿與訂閱 好玩 GO 科學研習｜ 2013 年 1 月，No. 52-1 實驗組 對照組 實驗組 金黃色葡萄球菌 對照組 實驗組 對照組 大腸桿菌 黴菌 圖 8：奈米光觸媒的抗菌、防黴效果（資料來源（6）） 等到雨水一來，這些離子被沖走之後，光 淨化空氣等方面的優異的效能，可稱得上 是 21 世紀的綠色科技產物。至於人類如 何利用奈米光 觸媒創造出更舒適、清淨、 觸媒反應可以持續進行，如此就達到淨化 優質的生活環境，就讓我們拭目以待吧！ 離子。這些離子沈積在光觸媒的表面，可 能會妨礙光觸媒反應的進行，但沒有關係， 空氣的目的。 不僅室外空氣有污染，室內的空氣也 不能倖免，尤其在都市中的密閉式大樓， 室內空氣僅靠中央空調來調節，污染問題 最為嚴重。室內空氣的污染源，以揮發性 誌謝 本 研 究 承 蒙 國 科 會 科 教 處 (NSC1012120-S-018-001) 經費支持，特此致謝。 有機化合物如甲醛、甲苯等溶劑性化學品 為主，另外香菸燃燒產生的硫化氫、二氧 參考文獻 化硫等亦是對人體有害的致癌物質。 1. 丁志明等編著，奈米科技：基礎、應用 為了去除室內空氣中的有害物質，採 用奈米光觸媒的空氣清淨機、空調設備相 繼問市。另外，廠商還開發出室內人工觀 賞植物、壁紙、窗簾、人造花等奈米光觸 與實作，初版，臺北縣五股鄉，高立， 2005 年。 2. 呂宗昕，圖解奈米科技與光觸媒，初版， 臺北市，商周出版，2003 年。 媒產品。這些產品利用室內照明或照到室 3. 呂宗昕，全面進攻奈米科技與太陽電池， 內的自然光，就可產生光觸媒反應，將有 第一版，臺北市，天下遠見，2009 年。 害污染物質分解，改善室內空氣的品質。 4. 陳富亮編著，最新奈米光觸媒應用技術， 初版，臺北縣五股鄉，普林斯頓，2003 年。 結語 隨著現代環保意識的抬頭，人類積極 持良好的生活品質，各種防污、抗菌工具的 需求也日漸殷切。奈米科技的發展，帶動了 第四波工業革命。在這股革新的浪潮下，奈 米光觸媒的出現，標識著一個全新清淨的 解，初版，臺北市，商周出版，2003 年。 6. http://www.arc-flash.co.jp 淺談奈米光觸媒 追求解決環境污染的永續方法，而為了維 5. 垰田博史著，張晶、楊健譯，光觸媒圖 7. 林有銘，無所不在的環境清潔工奈米光 觸媒，科學發展，408 期，2006 年。 石豫臺、楊和學 彰化師範大學物理系 時代即將來臨。奈米光觸媒在殺菌、防污、 25