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學術發展1

奈米科技與光觸媒

文•圖/呂宗昕(化工系)

奈米科技

    「奈米」是度量衡單位之一,是十億分之一公尺。奈米科技被譽為二十一世紀中最重要的前瞻技術之一,奈米科技亦被認為將引發人類社會的第四波工業革命,將衍生與過去截然不同的新世代電子、光電、化工、材料、機電、與生醫等產業。奈米科技將為現代工業帶來巨大衝擊,並對現代文明具有深遠影響。諾貝爾物理獎得主費曼教授於一九五九年所發表的預言式演講中,以「底層之下,還有廣大空間」為題,將人類的思維帶向超迷你及微小的空間,並指出在架構物質最基礎的原子與分子層次中,還有一個浩瀚無窮的未知世界等待科學家去開拓。他所指的原子及分子層次,即是今日的奈米世界。

奈米科技與現代工業

    現代工業社會積極追求輕、薄、短、小的科技產品之際,同時對產品的靈敏度、精確杜、處理速度及多功能性的要求亦日趨嚴格,依傳統理論與技術發展出的現代科技,已逐漸無法滿足上述需求。在另一方面,隨著環保意識的提高,綠色潔淨產品及永續經營的概念,亦挑戰目前製備技術。另外在醫療保健的重視下,如何開發可早期診斷及治療的技術,亦考驗著科學家的智慧。在各種不同的經濟、社會、政治、文化背景下,為了迎接新的挑戰及滿足新科技的需求,第四次工業革命已蓄勢待發。在這波工業革命中,奈米科技將扮演重要角色。不同的學術理論將被建立,不同學術藩籬將被打破,各科技領域也將重新整合。原有的化工、材料、電子、光電、生醫、機電等工業,亦將與奈米科技結合後,產生全然不同的風貌及企業再生的動力。

奈米材料與光觸媒

    奈米材料是奈米科技的基礎,由不同化學或物理的方式製備不同形態的奈米材料,其電、光、磁、化學等特性經量測分析,確立其獨特特性後,再加以組裝及應用於不同奈米元件上。奈米材料乃指構成材料的基本單位,在三維空間中至少有一維在100奈米以下。其材料種類包括陶瓷、半導體、高分子、金屬、及複合材料等。依其尺寸特徵,可分為零維、一維、及二維奈米材料,在量子力學上稱為量子點、量子線、及量子井結構。零維的奈米材料即是所謂的奈米粉體,亦是目前最被積極廣泛應用的奈米材料。奈米光觸媒是奈米粉體中的代表材料,也是國內在第一波的奈米科技中的熱門產品。

奈米光觸媒的發展

    一般所說的觸媒是可以促進化學反應的物質,觸媒本身參與反應進行,但在反應前後並不會減少或改變。而光觸媒是指經過特定範圍的光激發下,可以催化化學反應進行的物質。光觸媒在光照射下,可將光能轉成化學能,促進有機物降解,這樣的反應過程稱為光觸媒反應。利用光觸媒的作用,可去除空氣的臭味或水中的有機物質,以達到去污、除臭、淨水等功能。

    目前使用最多的光觸媒材料為二氧化鈦。其光觸媒特性由日本東京大學名譽教授藤嶋昭教授所發現。當時因注意到二氧化鈦在紫外光照射下,可以將水分子分解為氫氣及氧氣,因而發現二氧化鈦的光化學特性,並開啟光觸媒於各種民生產品上的應用。雖然其他半導體材料亦具有光觸媒作用,但因二氧化鈦具有物性及化性穩定、原料來源豐富、價格低、耐酸鹼、及無毒性等優點,因此成為眾多光觸媒材料中最被廣泛運用的奈米粉體。

光觸媒作用原理

    二氧化鈦具有兩種較常見的晶體結構(如圖一所示),分別為金紅石型(Rutile)及銳鈦礦型(Anatase),而後者具有較優良的光觸媒活性。光觸媒作用原理如下:當以大於二氧化鈦的能隙照光後,電子會由導電帶越遷至傳導帶,因而產生電子-電洞對。電子會與氧分子結合成為超氧離子自由基,而電洞會與氫氧根反應成為氫氧離子自由基,所產生的兩種自由基具有高氧化還原能力,因此可將有機物降解圍二氧化碳及水,而達到淨化的效果。因鈦銳礦相的二氧化鈦能隙為3.2 eV,故須紫外光波段的光源才可激發二氧化鈦產生光觸媒作用。利用光觸媒的特殊光化學反應,可運用於「淨水」、「清淨空氣」、「防污」、「抗菌」、「防霧」、及「醫療」六大領域。因光觸媒的眾多功能,亦被稱為「夢幻材料」,故目前已被廣泛應用於空氣清淨機、冷氣機、抗菌塗料、自清磁磚、自潔玻璃上。當二氧化鈦粉體粒徑小至奈米等級後,隨著粒徑變小,粉體比面積增大,可增加被反應物質與光觸媒的接觸機會,促進光觸媒反應效率,且可避免電子與電洞的再結合,以提高其量子效率。另外奈米化後,可提高透明度,以擴展光觸媒使用範圍。

新型高效能二氧化鈦光觸媒製程

    為進一步提高二氧化鈦的光觸媒活性,本研究室開發新型溶液製程,結合水熱法製程與顯微乳膠的技術,進一步控制二氧化鈦的結晶性、粒徑、及比面積,以提昇其光化學反應效率。採用油相溶液與水相溶液混合得微乳膠溶液。溶液經過滴定改變溶液酸鹼值。將上述的微乳膠溶液置於一密閉容器中,進行水熱反應。在水熱反應後生成白色的粉體懸浮物,經過清洗後過濾收集粉體產物,並置於乾燥箱中乾燥後,最後可得到白色的粉體產物。

    本研究室成功以微乳膠水熱法於100℃-200℃之低溫,成功製備單相銳鈦礦相二氧化鈦光觸媒粉體。當微乳膠溶液為酸性時,經水熱反應後可得到圓球狀的粉體,而當pH值增加時,則可得到特殊的短柱狀TiO2粉體(如圖三所示),其粉體比表面積與光觸媒活性相較於圓球狀粉體皆有明顯的提昇。其比面積可高達280m2/g,且短柱狀二氧化鈦的光觸媒反應性可較日本石原產業公司之ST-01粉體活性高出數倍。本製程有反應溫度低和反應時間短之優點,且所合成之粉體形態及比面積可藉製程控制,可大幅提昇其光觸媒活性,及提高我國光觸媒產業之競爭力。

低溫高壓結晶化製程

    奈米科技中,具二維的陶瓷薄膜材料亦是重要材料之一。一般陶瓷具有複雜結晶構造及多種陽離子成分,因此不易於低溫結晶化,往往須要高溫退火處理。當陶瓷薄膜應用於電子或光電元件時,因高溫熱處理程序,容易造成陶瓷薄膜與基板發生相互擴散反應,並使陶瓷中低蒸汽壓物質逸散,以致影響陶瓷薄膜及基板之特性。再者,高溫處理程序限制了基板所用之種類,一般低晶點物質如塑膠或玻璃無法使用。為克服上述高溫熱處理程序之缺點,本研究室發展一新型高壓結晶化製程,將各種不同利用化學或物理法製備之陶瓷薄膜先驅物,於一定程序處理後,利用高壓反應器進行結晶化處理。一般於兩小時反應下,可將陶瓷薄膜結晶化溫度大幅下降。目前已成功於150℃成功製備光觸媒薄膜結晶化(如圖四),且證實該光觸媒薄膜有優良的光觸媒活性及親水性。未來可將光觸媒直接塗佈於塑膠基板上。另外並成功於350℃製備PZT壓電陶瓷、氧化鉭high K材料等陶瓷薄膜。該技術已獲多國專利,將來可與不同技術整合,將陶瓷薄膜應用於不同光電及電子元件上。

 

    隨著各種不同維次的奈米材料發展,奈米科技將越來越成熟。光觸媒熱潮僅是奈米科技的第一波,咸信日後將有各種不同材料的熱潮將風起雲湧。奈米世代的來臨亦指日可待。

 

參考文獻

  • (1) 藤嶋昭、橋本和仁、渡部俊也,光清靜革命,CMC出版社,1997
  • (2) 藤嶋昭、橋本和仁、渡部俊也,光觸媒的結構,日本實業出版社,2000
  • (3) A. Fujishima and K. Honda, Nature, 238, 37, 1972
  • (4) 呂宗昕,圖解奈米科技與光觸媒,商周出版社,2003
  • (5) C. H. Lu, Y. C. Chen, and Y. C. Sun, J. Mater.Chem., 12, 1628, 2002
  • (6) C. H. Lu, W. J. Hwang, and Y. C. Sun, Jpn. J. Appl. Phys. 41, 6074, 2002

 

呂宗昕     小檔案

現職:台大化工系教授

學歷:台灣大學化工系學士

      日本東京工業大學無機材料系碩士

      日本東京工業大學無機材料系博士

經歷:美國柏克萊大學及勞倫斯國家實驗室博士後研究員

      台灣大學化工系副教授

研究領域:奈米電子與光電粉體材料、LED螢光材料、電子陶瓷材料、鋰離子電池、被動元件材料、半導體薄膜製程

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