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奈米光觸媒技術簡介

奈米光觸媒技術簡介. 吳仁彰 200 6.11.15. 奈米光觸媒健康機 利用涼風扇高循環風量，與高科技奈米光觸媒結合，不但可維持過去風扇之功能，更具殺菌、除臭、自清、防霉等功能。. 大綱. 什麼是光觸媒 光觸媒的原理 光觸媒的製備 光觸媒的應用 光觸媒的分解甲基藍技術. Market size of photocatalysis. 1998 nearly zero 2001 300 million US $ in Japan 20 million US $ in Europe

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奈米光觸媒技術簡介

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  1. 奈米光觸媒技術簡介 吳仁彰 2006.11.15

  2. 奈米光觸媒健康機 利用涼風扇高循環風量，與高科技奈米光觸媒結合，不但可維持過去風扇之功能，更具殺菌、除臭、自清、防霉等功能。

  3. 大綱 • 什麼是光觸媒 • 光觸媒的原理 • 光觸媒的製備 • 光觸媒的應用 • 光觸媒的分解甲基藍技術

  4. Market size of photocatalysis • 1998 nearly zero • 2001 300 million US $ in Japan 20 million US $ in Europe nearly zero in USA • 2002 400 million US $ in Japan 200 million US $ in Europe ? in USA • 2003 1 billion US $ in world

  5. 2005年的光觸媒市場預測 空氣清浄機 冰箱等 外牆的磁磚 市場規模 約一兆日圓 下水道處理 廢水處理

  6. 光觸媒技術在我國有著廣泛需求，國內市場前景看好。從1997年到2004年，我國光觸媒用戶數量逐年遞增，許多人由沒聽說過光觸媒到認識和使用光觸媒，有關光觸媒的功效通過在電器、家裝、汽車上使用，被廣大消費者所認同，並逐步走向大眾消費。光觸媒技術在我國有著廣泛需求，國內市場前景看好。從1997年到2004年，我國光觸媒用戶數量逐年遞增，許多人由沒聽說過光觸媒到認識和使用光觸媒，有關光觸媒的功效通過在電器、家裝、汽車上使用，被廣大消費者所認同，並逐步走向大眾消費。 • 跟據中國科學院專家預估，中國的噴塗光觸媒市場一年有100億人民幣的市場量，但以日本目前市場容量來看，中國應該至少有200億元人民幣以上的市場規模。

  7. 同時預測光觸媒的經濟效益在環境產業中佔10%的市場，到2010年每年平均13%的增長速度發展，預計5～10年後的市場規模能達到數百億，乃至上千億人民幣。同時預測光觸媒的經濟效益在環境產業中佔10%的市場，到2010年每年平均13%的增長速度發展，預計5～10年後的市場規模能達到數百億，乃至上千億人民幣。 http://www.nbdpc.gov.cn/big5/main_view.php?id=1145583163&theme=386

  8. I. 什麼是光觸媒 • 定義: 簡單地說，就是當某些化學物質受到光線照射時，可藉光的能量促使一些化學反應的產生。 • 過去光觸媒的應用已深入許多人的日常生活，例如冷氣機的殺菌光即是藉由光觸媒達到破壞病毒蛋白質及去除有害廢氣的效果。而日本產業技術綜合研究所則研究出新型的光觸媒，可將水分解成氫及氧。

  9. 什麼是光觸媒 • 光觸媒 (photocatalyst或photocatalysis) 顧名思義為光與觸媒的加成作用, 即觸媒的表面經照光後, 可以產生未照光之前未能達到的一些反應. • 自然界中綠色植物裡的葉綠素(Chlorophyll)就是一種光觸媒. 光合作用的反應為植物由太陽光吸收能量, 能藉由葉綠素將水及二氧化碳轉變成氧氣及碳氫化物. Definition by Wu

  10. H2O + CO2 => O2 + CnHm hv + 葉綠體

  11. 1.光反應: 造氫及氧 2. 暗反應: 造糖(養份)

  12. 全球經工業化後，人們的生活水準雖獲得改善，但是伴隨而來的卻是環境污染以及能源危機，光觸媒技術就在這樣的時空背景下因應而生。光觸媒技術能有效處理液相污染物中的氯苯有機物、氯酚化合物、氰化物、金屬離子等污染物質；在空氣污染方面，光觸媒技術也能有效處理如氧化氮(NOx)、氧化硫(SOx)等污染物質。全球經工業化後，人們的生活水準雖獲得改善，但是伴隨而來的卻是環境污染以及能源危機，光觸媒技術就在這樣的時空背景下因應而生。光觸媒技術能有效處理液相污染物中的氯苯有機物、氯酚化合物、氰化物、金屬離子等污染物質；在空氣污染方面，光觸媒技術也能有效處理如氧化氮(NOx)、氧化硫(SOx)等污染物質。 • http://nano.nchc.org.tw/dictionary/photocatalyst.html

  13. 由於光觸媒在反應中僅扮演催化劑角色，本身並不會消耗掉，又沒有不良副作用，因此成為防治空氣及水河川污染的綠色尖兵。此外，若將半導體光觸媒(如二氧化鈦)放入水中，並照射紫外光，可以使水分解為氧與氫。這種將光能轉換為化學能的反應類似植物的光合作用，因而在石油危機時曾被用來生產乾淨又環保的能源──氫，但因效率不高，目前仍停留在研究階段。

  14. 將水分解成氫與氧的光觸媒 • 能分解水的光觸媒受到光的照射，會生成電子及電洞，電子傳到水分子上而形成氫氣，電洞則在半導體上將水氧化而形成氧氣。最近研究發現，在懸浮反應溶液中加入炭酸鹽可使得水的光分解反應跳躍性地提昇，在某些情況下可達純水的500倍。 • 目前此光觸媒最大的問題在於能源利用的效率上。在300nm以下的波長（太陽光中無此波長的光）雖可達到50％的利用率，但在紫外線的區域則只有10％的利用率而已。雖然利用率低，但若能製作出便宜且耐用的系統，則在經濟的考量下仍有利用價值。而今後將更進一步地研究，期待能發展出更高效率的光觸媒。http://www.aist.go.jp/aist_j/press_release/pr20011206_1/pr20011206_1.html

  15. 光觸媒〔TiO2〕 • 鈦為地殼元素中第四大元素，二氧化鈦即為其氧合物之一。二氧化鈦本身即是一種催化劑，觸媒本身能降低化學反應的能量，而促使化學反應或加快其反應速度，但本身卻不因化學反應而產生變化或破壞本體結構。TiO2本身為N型半導體，在自然界中TiO2中以銳鈦礦〔A-type〕、金紅石〔R-type〕及板鈦礦〔B-type〕，其中最為世上廣泛使用的是A-type及B-type採單獨使用或以兩者混合來作為工業顏料〔鈦白粉〕，食品添加物（已經美國FDA食品檢驗中心認可）、化粧品（UV 吸收劑）。

  16. II. 光觸媒的原理 • TiO2 在吸收太陽光中紫外線或照明燈中的紫外光後所產生類似植物的光合作用原理，只差異於生成物不同。TiO2 經光反應後本身產生一組各帶正負電的電洞與電子的載子。電洞具有強大的氧化能力，電子亦具有超強還原能力，在經與TiO2上的水氣（H2O）反應後會製造出氧化威力超強的〔氫氧自由基〕如 O 、O2、OH-，氫氧自由基可針對細菌（有機物質）、臭味（有機氣體）做分解處理，若與UVA紫外線相互配合更能使光觸媒之活性（即分解反應）速率加倍。因為擁有製造氧化威力超強的〔氫氧自由基〕能力而使 TiO2 具有以下各項優點：

  17. 要使二氧化鈦的電子由價帶(valence band)躍遷至導帶(conduction band)並脫離材料，外來的光源必須供提電子足夠的能量以跨越能隙(band gap) 。光源的能量 E 與波長lambda;之間具有反比關係： E = h  C  /  λ其中 h 是浦朗克常數(Planck constant)，C是光速。二氧化鈦能隙的寬度為3.2 eV，對應的波長為380 nm，正是紫外光波段。換言之，波長超過380 nm(即能量低於3.2 eV)的光源是無法使二氧化鈦發揮光觸媒功能的。

  18. 光觸媒反應的原理如圖所示，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(即奪取其電子），使其成為活性極大的氫氧自由基(OH radical)；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。 • 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。    

  19. OH- + hole+ => OH· 光觸媒之催化反應機制圖

  20. 做為光觸媒的材料眾多，包括TiO2、ZnO 、 SnO2;、 ZrO2等氧化物及CdS 、 ZnS等硫化物，其中二氧化鈦(Titanium Dioxide，TiO2)因氧化能力強、化學性安定又無毒，自1972年發現至今，已成為最近當紅的奈米光觸媒家電、口罩等民生用品的最愛。 • 二氧化鈦是一種半導體，分別具有銳鈦礦(Anatase)、金紅石 (Rutile)及板鈦礦 (Brookite)三種結晶結構，其中只有銳鈦礦結構具有光觸媒特性。

  21. 為了擴大光觸媒的應用範圍，日本已成功開發出可見光(390~780 nm)適用的光觸媒；另一方面，應用奈米科技將二氧化鈦製成奈米級顆粒，則可藉由大幅增加表面積與體積的比例，提高光觸媒作用的效率。這些發展預期將帶動更多的光觸媒應用。

  22. III. 光觸媒製備 http://www.photocatalyst.co.jp/english/english3.htm

  23. IV. 光觸媒應用 1.空氣淨化：對甲醛、苯、氨氣、二氧化硫、一氧化碳、氮氧化物等影響從類身體健康的有害有 機物起到淨化作用。    2.殺菌：對大腸桿菌、黃色葡萄球菌等具有殺菌功效。在殺菌的同時還能分解由細菌死體上釋放 出的有害複合物。     3.除臭：對香煙臭、廁所臭、垃圾臭、動物臭等具有除臭功效。     4.防汙：防止油污、灰塵等産生。對浴室中的黴菌、水銹、便器的黃堿及鐵銹和塗染面褪色等 現象同樣具有防止其産生的功效。     5.淨化：具有水污染的淨化及水中有機有害物質的淨化功能，且表面具有超親水性，有防霧、易 洗、易幹的效能。

  24. 光觸媒產業應用舉例 • 光觸媒之主要產品應用於材料表面清潔及自潔、空氣清淨、水質純化、抗腫瘤及消毒…等. • 除了抗腫瘤技術尚在實驗階段外, 其餘應用領域國內外都已有商品出現, 現將上述用途簡單整理如下表.

  25. 功能 目標物 應 用 材料表面清潔及自潔 建築物內外牆壁 室內及室外的燈及其相關系統 道路的組成材質 其它 房子外面牆壁、浴室、廁所…等. 室內照明燈、醫院手術燈、殺菌燈、馬路路燈、紅綠燈、高速公路路燈、隧道返射燈…等. 隔音牆、隧道壁、道路表面材料…等 帳蓬材料、醫護人員防護具材料…等. 空氣清淨 室內空氣清潔 室外空氣清淨 空氣清境機、冷暖氣空調機、除濕機…等 隔音牆、隧道壁、道路表面材料…等 水質純化 地面水及飲用水 其它 河水、地下水、湖水或蓄水塔…等之水質純化 工業、農、漁、牧…等用水之水質純化 抗腫瘤 癌症治療 尚在動物實驗階段, 需有進一步人體試驗證明其確效. 消毒 醫院 其它 醫院手術防、病房、醫療用手術工具…等 公共場所: 公共會議廳、戲院、餐廳、學校…等

  26. 光觸媒之五大功能

  27. 1. Anti-Bacteria

  28. Anti-Bacteria 光觸媒對大腸桿菌 E.coli 滅菌實驗數據

  29. 2. 自潔功能 左邊: 未塗覆光觸媒, 右邊:塗覆光觸媒

  30. 自潔功能 左邊: 未塗覆光觸媒, 右邊:塗覆光觸媒

  31. 自潔功能 人造花塗覆光觸媒

  32. 自潔功能

  33. 自潔原理

  34. 3. 除臭功能

  35. 除臭功能

  36. 4. 水質處理

  37. 5. 防霧功能

  38. 防霧原理: 超親水性

  39. 　超親水性效果原理 圖

  40. 　防汚效果原理 圖

  41. 光觸媒處理原油 • 處理在運油船事故中流到海洋的原油而進行的. • 光觸媒玻璃球每公斤25美元, 可以大量生產. • 一公斤原油浮在水面上, 三天就分解完, 一個月處理一噸原油只需25000美元. Ref: 藤鳩昭, 橋本和仁, 光清淨革命, 協志工業叢書, 2000年

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