做完光觸媒多久可以擦車?

【專家解說】：光觸媒技術(shù)控制都市 空氣污染之應(yīng)用 光觸媒材料與起源 光觸媒之基本原理 光觸媒之應(yīng)用領(lǐng)域 光觸媒應(yīng)用之迷思 光觸媒之制造方法及施工方法 光觸媒之未來發(fā)展與限制 光觸媒材料 l 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。 l 其中以TiO2(Titanium Dioxide，二氧化鈦)具氧化能力強(qiáng)、化學(xué)性安定、無毒之特性而受到廣泛之應(yīng)用。 l 二氧化鈦是一種半導(dǎo)體，分別具有銳鈦礦(Anatase)、金紅石(Rutile)及板鈦礦(Brookite)三種結(jié)晶結(jié)構(gòu)。 l 只有銳鈦礦(Anatase)結(jié)構(gòu)具有光觸媒特性。 TiO2光觸媒之起源 l 1972年由A. Fujishima及其指導(dǎo)教授K. Honda發(fā)表于Nature雜志中，其發(fā)現(xiàn)TiO2半導(dǎo)體在光照下會出現(xiàn)和植物光和作用類似之反應(yīng)。 l 其先是應(yīng)用于光能之轉(zhuǎn)換儲存，最后于環(huán)境觸媒中發(fā)揚(yáng)光大，成為現(xiàn)今最熱門之環(huán)境科技話題之一。 l 日本在此方面一直居于領(lǐng)先之地位。 TiO2光觸媒之基本原理-光能轉(zhuǎn)換 n Solar Energy Conversion 1. 光照激發(fā)TiO2,形成電子(e-)電洞(h+)對: TiO2+2hvà2e-+2h+ 2. 電洞與H2O反應(yīng)(TiO2電極端) H2O+2h+à1/2 O2+2H+ 3. 電子與H+反應(yīng)(Pt電極端) 2H++2e-àH2 4. 全反應(yīng)式 H2O+2hvà1/2 O2+H2 TiO2光觸媒之基本原理-光能轉(zhuǎn)換 n Solar Energy Conversion 1. 光照激發(fā)TiO2,形成電子(e-)電洞(h+)對: TiO2+2hvà2e-+2h+ 2. 電洞與H2O反應(yīng)(TiO2電極端) H2O+2h+à1/2 O2+2H+ 3. 電子與H+反應(yīng)(Pt電極端) 2H++2e-àH2 4. 全反應(yīng)式 H2O+2hvà1/2 O2+H2 環(huán)保光觸媒原理 l 觸媒經(jīng)照光后被激發(fā)形成之電子電洞對,將附近分子(H2O、O2)游離形成正、負(fù)離子或自由基(OH-、OH*…)。 TiO2+hvàh++e- OH-+h+àOH* O2ads+e-àO2-ads l 污染物質(zhì)遇上氫氧自由基即被分解，形成中間產(chǎn)物，或是無害的水及二氧化碳，因此可以達(dá)到除污及滅菌的目標(biāo)。 OH* + pollutant + O2àproducts (CO2, H2O,...) 環(huán)保光觸媒NOx 去除 n 利用TiO2光觸媒將NOx氧化形成HNO3，或是還原形成N2與O2。 n HNO3尚須與其它堿性物種(如NH3)反應(yīng)方能形成穩(wěn)定之物質(zhì)，因此應(yīng)用該方法做為都會區(qū)污染控制將被限制。 n 還原反應(yīng)之光觸媒(須添加其它物質(zhì)如沸石)在都會污染控制較有可為，其可以涂覆在物質(zhì)表面，降低汽機(jī)車所產(chǎn)生之空氣污染。 環(huán)保光觸媒除臭、除有機(jī)物 n 光觸媒已經(jīng)被證實可以去除多種具臭味之有機(jī)物質(zhì)。 n 其中包括室內(nèi)外常見之空氣污染物如甲醛、甲苯、三氯乙稀、苯等。 n 光照強(qiáng)度、停留時間與照光時間為影響光觸媒效率之關(guān)鍵因子之一。其觸媒反應(yīng)所需之停留時間約需數(shù)秒至數(shù)十秒，照光時間則通常需數(shù)十分鐘后，其去除效率才會逐漸增加。 殺菌消毒 n 光觸媒亦證實具有殺菌之效果。 n 環(huán)保光觸媒典型之測試方法: 將含病菌(如大腸桿菌)之溶液置于玻片上，施以適度之光照。 n 有文獻(xiàn)指出經(jīng)一小時光照后可以將大腸桿菌殺光，若隔著PTFE薄膜(50μm厚，0.4 μm孔隙)，則4小時后可以殺光細(xì)菌。 n 顯示其仍須足夠之光照(最好是紫外光)及光照時間。 除污、除霧 n 光觸媒可以涂覆于固體表面(如磁磚、墻壁、玻璃、馬桶、浴盆等)，其會將沈積于其上之污染物質(zhì)自動分解。 n 光觸媒亦有除霧之功效，因此可以應(yīng)用于汽車玻璃及浴室鏡面上。 環(huán)保光觸媒光觸媒除霧之原理 l 光觸媒與SiO2混合制造時，在光照下會產(chǎn)生超親水性現(xiàn)象: 1. TiO(IV)àTi(III) 2. h++O2-àO2，形成氧缺位(oxygen vacancy) 3. H2O占據(jù)氧缺位，OH-被吸附 4. 形成超親水性特質(zhì) l 光照越久，超親水性越強(qiáng)(接觸角à0°) 環(huán)保光觸媒接觸角(Contact Angle) n 物質(zhì)與水滴之接觸角越大，疏水性越高(蓮花效應(yīng)之自凈原理)。 n 物質(zhì)與水滴之接觸角越小，親水性越高，因此光觸媒可以僅利用水即達(dá)到除污功效，并可除霧。 應(yīng)用實例 1. 空氣清凈機(jī)、冷氣、電風(fēng)扇 2. 口罩 3. 燈罩燈管 4. 玻璃:殺菌兼防霧 5. 紡織布料 6. 噴液、涂料 7. 氧化鈦磚 8. 浴盆、馬桶 9. 廢水處理、飲用水處理 光觸媒應(yīng)用之迷思- 光觸媒之限制 n 需要光的照射。à只要有光就可以分解?暗光觸媒?銀光觸媒? Yes，暗光=紫外光(e.g. 365nm)，添加銀可以促進(jìn)光觸媒反應(yīng) n 必須在觸媒表面進(jìn)行反應(yīng)。à可以”遙控”分解各種污染物及病菌? 可能，但是污染物傳輸速度為其限制因子!(如次頁圖) n 長期使用會受到毒化。à光觸媒永遠(yuǎn)有效，不會衰減? 經(jīng)過一段時間后仍必須更換。 n 所需反應(yīng)時間長。à百分之百消滅病毒? 可能，但是要長反應(yīng)時間! 1.光強(qiáng)度會隨距離增長而消減 à墻壁與光照之距離? 2. 污染物必須傳輸至光觸媒表面à光觸媒燈管之表面熱度所造成之熱傳阻礙? 光觸媒應(yīng)用之迷思–殺菌測試 不同之細(xì)菌病毒其所需光照強(qiáng)度與時間即不同。 ü 經(jīng)含光觸媒之濾網(wǎng)過濾后之病菌滅菌效果并不顯著(Lin and Li, 2002)。 ü 在濾網(wǎng)上之光觸媒其同樣光照強(qiáng)度與時間之處理效率仍低于玻片測試結(jié)果(Lin and Li, 2003)。 ü UV光本身即有滅菌效果，光觸媒之貢獻(xiàn)? à具有高度殺菌抑菌能力(預(yù)防SARS最有效!)? à預(yù)防SARS最有效?未確定! 光觸媒應(yīng)用之迷思-口罩 ü 至今尚沒有認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)。 ü 光觸媒口罩之基本原理與濾網(wǎng)過濾相似。 à奈米光觸媒口罩:ISO 9000系列認(rèn)證? 指的是該工廠之制程符合ISO標(biāo)準(zhǔn)，與奈米口罩是否有效并無關(guān)連性。 光觸媒應(yīng)用之迷思-奈米尺寸 l 光觸媒之奈米尺寸效應(yīng): 量子效應(yīng)與藍(lán)移現(xiàn)象(Yoneyama ,1993) 光電子擴(kuò)散效應(yīng)(Rothenberger ,1985) 表面積效應(yīng) 紅移現(xiàn)象(Ball et al. 1992) 光觸媒尺寸之量子效應(yīng) l 半導(dǎo)體材料(如TiO2)具有特殊之電子結(jié)構(gòu)特征: 1. 電子存在的價帶(valence bond) 2. 室溫下不存在電子的導(dǎo)帶(conduction band) ü 半導(dǎo)體材料之能量間隙(band gap)不如導(dǎo)體那么小，也不像絕緣體那么大。 ü TiO2半導(dǎo)體即可藉由照光控制，使在價帶的電子吸收能量而激發(fā)到能量較高的導(dǎo)帶。 奈米尺寸之量子效應(yīng)、藍(lán)移與光活性 當(dāng)粒徑減小時，粒子電子結(jié)構(gòu)的能量分布出現(xiàn)逐漸分散的能階態(tài)，而非群聚式的能帶，亦即當(dāng)光觸媒尺寸下降到奈米尺寸時(如<10nm)其電荷載體就會顯示出量子行為，亦即能量間隙將變大。 因此粒徑越小的粒子，能隙越大，需要越大的能量，亦即波長越短的光(如紫外光)，此稱為藍(lán)移(blue shift)現(xiàn)象。 電子-電洞的氧化還原能力增強(qiáng)，因而增加了光催化氧化有機(jī)物之效果。 光電子擴(kuò)散效應(yīng)與表面積效應(yīng) l 對奈米半導(dǎo)體微粒而言，粒徑愈小其光生載子(carrier)從體內(nèi)擴(kuò)散到表面所需時間愈短，光電效應(yīng)電荷分離率愈高，則電子-電洞再結(jié)合率就愈小，從而導(dǎo)致光催化活性提高。 l 觸媒顆粒之尺寸變小時，其比表面積將變大，其吸附位置亦隨之大幅增加，此結(jié)果亦使得光催化之效率增強(qiáng)。 奈米尺寸之紅移現(xiàn)象 l 另一方面，粒徑減小同時，內(nèi)部的內(nèi)應(yīng)力增大導(dǎo)致能帶結(jié)構(gòu)變化，電子波函數(shù)重迭加大，使得能帶間隙變窄，吸收帶向長波長(可見光)偏移，此即為紅移(red shift)現(xiàn)象。 l Almquist and Biswas(2002)指出利用火焰法所合成之TiO2,光觸媒微粒時, 對水中有機(jī)物氧化去除的最佳粒徑范圍為25nm~40 nm間。 à粒徑應(yīng)小于多少nm才有效?目前尚未有定論。 光觸媒之制造方法 l 濕式法:最常見者為sol gel法 濕式法之優(yōu)點為容易大量制造，但是尺寸控制較不易。 l 氣態(tài)法:最常見者為化學(xué)氣相沈積法(chemical vapor deposition，CVD) 氣態(tài)法之優(yōu)點為較容易控制尺寸，但是量產(chǎn)較困難。 施工方法:噴涂后12小時方可擦.一定要定期清理灰. 光觸媒之未來發(fā)展 l 同時控制各項空氣污染物質(zhì)(VOCs、NOx、NH3、SOx、致病菌、臭味等，或任何可以以氧化還原反應(yīng)分解之污染物質(zhì)，但其前提為反應(yīng)產(chǎn)物必須為無害物)。 ü 應(yīng)用于控制都會區(qū)周界空氣質(zhì)量。 ü 應(yīng)用于控制室內(nèi)空氣質(zhì)量。 ü 應(yīng)用于控制工廠及汽機(jī)車排氣。 光觸媒之未來發(fā)展 l 除污 各項器具之除污:廚房、浴室、玻璃 l 除霧 鏡面、玻璃 l 其它? 光觸媒仍有很多應(yīng)用潛力待開發(fā)