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光触媒

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化学中,光触媒又称光催化,是指光化学反应催化剂的作用下加速的过程。能够加速光化学反应的催化剂则被称为光催化剂。常用的光催化剂有磷化镓(GaP)、砷化镓(GaAs)等等。最广泛使用的是二氧化钛,它能靠光的能量来进行消毒、杀菌。

发现

1972年,日本东京大学的藤嶋昭观察到二氧化钛TiO
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)在紫外光的照射下,会把水分子分解成氢气,因而发现二氧化钛的光化学特性。随著环保意识高涨,其特性引起世界各国的重视,近年研究发现许多半导体材料皆具有光触媒特性,目前常见的有磷化镓(GaP)、砷化镓(GaAs)及二氧化钛

然而,进一步的研究发现,部分半导体材料在酸性或碱性环境中容易变质,有些化合物易发生化学或光化学腐蚀性,皆不适合作为净水的光触媒。相较之下,二氧化钛具有高稳定性、耐酸碱、价格便宜、容易制备和无毒等优点,为目前最常用、也最有发展潜力的光触媒材料。

由于光触媒环保又实用,光触媒的开发试验已逐渐实行,但需注意的是光触媒优点同时亦可成为缺点,因它在阳光紫外线照射达到一定强度时才产生化学作用。

原理

光子具有一定能量,当照射到某些物质上(如半导体),原子电子吸收一定的能量后,便会从价带(valence band)跃升,到导带(conduction band),而原本电子存在的地方就会出现一个带正电的电洞 —— 也即光生电子和光生空穴。正电子与空气中的水分子结合产生具有氧化分解能力的氢氧自由基,负电子则与空气中的氧结合成活性氧,由于这种电子和空穴分别具有较强的还原性和氧化性,因此能使半导体上的物质发生氧化还原反应,从而将光能转换为化学能。这些物质被称为光催化剂。

光催化水分解

会解离成氢氧根(OH)和离子(H+):

H2O ↔ H+ + OH

在光触媒颗粒表面,氧气会与电子结合形成氧离子,水分子会被电洞氧化成氢氧自由基(OH·),这两者皆为极不稳定的物质,会与有机物结合重新降解成二氧化碳、水。[1]

参考资料

  1. ^ 功能性粉末:無所不在的環境清潔工–奈米光觸媒. 工业技术研究院. [2016-06-09]. (原始内容存档于2016-08-02).