可見光觸媒材料之技術發展

刊登日期:2017/5/5
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光觸媒材料正廣泛應用在環境汙染控制、空氣清淨方面,特別是在空氣汙染防治上,顯示光觸媒產品於環保應用方面具有極大潛力。現有的光觸媒材料效率並不理想,因為實際上可使用之光源為紫外光,目前最常見的光觸媒商用產品以能隙(Band Gap)3.2 eV之TiO2為主,因此僅能吸收紫外光(387 nm或更短波長)的能量進行光觸媒催化作用。實際上,在整個太陽光譜中,紫外光(波長<400 nm)能量僅佔6%左右(圖一),因此需透過外加紫外光源才有足夠觸媒反應效率,如此既不環保也不經濟。開發可見光(Visible-light)即可進行觸媒反應之材料將可解決上述問題。可見光是指400~700 nm波段,換算為光子能量則為1.7~3.1 eV,可見光佔日光將近45%,在室內光源中可見光能量佔比更高,並且幾乎不存在紫外光,也因此必須開發能吸收可見光之觸媒材料。當觸媒材料之能隙小於3.1 eV,則可以利用更多可見光,其觸媒催化效率也越高,也因此許多能隙小於3 eV,甚至小於2.5 eV之新材料或是材料結構因應而生。

圖一、太陽光波長、能量分布
圖一、太陽光波長、能量分布

氮摻雜TiO2光觸媒材料
長久以來,TiO2最被詬病的問題就是在可見光下觸媒效果不佳,因此許多研究團隊嘗試解決此問題,包括:
①使用有機染料來轉換可見光子為電子並注入TiO2導帶。
②鍍製貴金屬於TiO2以表面電漿效應增強可見光吸收量。
③金屬或非金屬離子摻雜TiO2進行其能隙結構之調整

然而上述第一與第二項往往遭遇耐久性問題,並且所使用的貴金屬或是染料還具有毒性與高成本的缺點,因此透過摻雜提升TiO2之觸媒性能是較為穩定、低成本之技術。其中之一便是氮摻雜TiO2,摻雜氮進入TiO2的晶格之中會產生額外的中間隙(Mid-gap),例如N 2p能帶置於O 2p價帶上將可降低能隙到2.5 eV(圖二),因此能將吸收波段邊緣延展到接近500 nm,氮存在於TiO2晶格之中是透過何種機制影響能隙並沒有一致之解釋。

Ag3PO4光觸媒材料
2010年Yi的團隊在自然材料期刊(Nature Materials)提出開創性的材料Ag3PO4,其能隙為2.36 eV,因此可以吸收530 nm或更短波長之光源,該團隊的研究中將氮摻雜TiO2(TiO2-xNx)、WO3一起進行亞甲藍分解實驗,如圖四所示。實驗中分成I、II 兩項,在I 項之中比較了在照射波長>400 nm之光源下Ag3PO4(A)、TiO2(TiO2-xNx)(B)、WO3(C)、甲基藍對照組(D)之甲基藍分解濃度變化,可以看到Ag3PO4在四分鐘內就完全分解等濃度的甲基藍,TiO2(TiO2-xNx)、WO3則需要將近兩小時才完成分解,其效果差異非常顯著。

異質接面光觸媒材料
提高材料的光催化活性的方法若是以摻雜或是表面修飾,雖然可以延展吸收光譜範圍,但是往往材料本質的能隙大小與缺陷造成的載子復合仍無法解決,材料的異質接面設計可以有效的改善這些問題,奈米尺度的異質接面較不用考慮晶格匹配,材料的選擇與製備方法均非常廣泛,如圖七。固態異質接面可以分為下列三種:圖七(a)為半導體一(S I)的導帶與價帶都高於半導體二(S II),因此吸收光子後產生的電子會由半導體一之導帶流向半導體二之導帶,電洞則由半導體二之價帶流向半導體一之價帶,如此可將電子與電洞分別集中在不同的半導體材料中,能夠避免載子復合而增加參與氧化還原反應的載子數目,但是如此結構是將光生電子與電洞分別轉移到較低位置的導帶與較高位置的價帶,會降低氧化還原電位…以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。

圖七、觸媒材料之異質接面結構種類
圖七、觸媒材料之異質接面結構種類

作者:游勝閔、邱國創 / 工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌」365期,更多資料請見下方附檔。


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