呂柏毅、邱昱誠 / 台灣科技大學化工系
塑料當今被廣泛地運用在各個領域，根據聯合國統計，每年有13,000,000噸的塑膠製品流入海中，導致嚴重的生態問題。為了達到永續經營的目標，塑膠廢棄物處理問題成為世界關注的項目。本文首先介紹光催化的機制，並且從此切入，介紹不同的光降解策略，利用能階的概念分析不同策略的執行目的，文末也介紹除了光降解聚酯之外，其他聚酯光催化的應用，不僅結合光降解聚酯的優點，也為聚酯廢棄物處理找到新的解方。
【內文精選】
聚酯光催化降解技術
二氧化鈦的光催化技術最早是由日本化學家藤嶋昭(Akira Fujishima)和其導師本多健一(Kenichi Honda)於1972年發表，經過紫外光照射後，二氧化鈦的表面和水產生反應，發生水解現象，此現象後來被稱作本多–藤嶋效應。在此基礎之上，各式各樣的光降解技術也陸續發表。
1. 光觸媒降解聚酯
早期的光降解方法是將二氧化鈦直接混入聚酯中，測試降解效果，其最大的好處就是製程非常簡單，實驗過程容易控制。將滌綸布(Polyester Cloth; PY)直接混入二氧化鈦，進行光降解測試，並且記錄二氧化碳的排放量。二氧化鈦光降解的最終產物是二氧化碳，實驗結果顯示，在相同的照光時間下，2.8 wt% TiO2-PY有最高的二氧化碳排放，表現出最佳的光降解效果。事實也證明了利用混合法進行聚酯光降解，其關鍵就是提高光觸媒的分散性，奈米尺度的二氧化鈦會受到凡德瓦力的影響，發生團聚的現象，因此適當的光觸媒添加比例，可以提高光觸媒粒子之間的距離，降低團聚的現象，增加光觸媒的使用效率。
3. 可見光觸媒材料光降解聚酯
為了拓展光觸媒降解的應用範圍，可見光觸媒的概念應運而生。由於目前大部分的光觸媒都還停留在UV光的範疇，並不符合環境的實際情況，因此Sajid Ali Ansari等人開始在二氧化鈦中摻雜氮元素(N-doped TiO2)，未摻雜的TiO2能隙約為3.2 eV，無法有效吸收可見光，使電子從價帶跳躍至導帶。根據先前提到的光降解機制，未經處理的TiO2僅能在UV光的環境下降解塑膠產品，反之N-doped TiO2的氮會在TiO2的能隙之間形成一個中間能隙，將N-doped TiO2整體的能隙減少至2.5 eV，因此可以有效吸收可見光，執行可見光降解。
綜合異質接面和光觸媒摻雜的優點，許多研究開始進行可見光觸媒複合材料的降解測試。如圖十，Dawang Zhou團隊利用Bi2O3/N-TiO2降解聚酯，不過Bi2O3/N-TiO2-Type-II異質接面的複材，電子會從N-TiO2的導帶往Bi2O3的導帶移動，因為Bi2O3的導帶低於氧氣還原的能階，因此無法形成O2-，而電洞則會從Bi2O3的價帶往N-TiO2的價帶移動。由於N-TiO2的價帶高於水氧化的能階，無法形成∙OH，使光降解反應無法順利執行，因此Dawang Zhou利用溶劑熱合成(Solvothermal)和濕式含浸(Wet-impregnation)的方法，成功製作出Bi2O3@N-TiO2-Z-scheme異質接面光觸媒複材。其電子移動的方向如圖十，Bi2O3導帶的電子會往N-TiO2的價帶移動，使Bi2O3的復合率下降，而N-TiO2導帶上的電子因為價帶已經被Bi2O3的電子占滿，使N-TiO2導帶上的電子復合率下降，如此一來，N-TiO2導帶上就有更多的電子還原O2形成O2-，Bi2O3價帶上亦有更多的電洞氧化水分子形成∙OH，此降解策略不僅將紫外光觸媒改質成可見光觸媒，研究也證實了添加Bi2O3@NTiO2光觸媒可以有效降解PET。
圖十、Z-scheme異質接面光觸媒能階示意圖
台科大與工研院研究光降解塑料之成果
日前台科大化工系邱昱誠助理教授實驗室與工研院利用鹼性條件以及二氧化鈦光觸媒的光降解策略，對聚酯塑料進行光降解測試，如圖廿，PET/Nylon混紡底布/PU濕式塗佈和PET底布/PU濕式塗佈兩種複合材料，透過SEM觀察材料表面，可以清楚看到在鹼性條件以及二氧化鈦的樣品照射500 hr的UV光之後，表面產生明顯的破洞，證明了鹼性條件確實有助於提高塑料產品的光降解效果。
圖廿、PET底布/PU濕式塗佈照光後表面結構
除了以上複合材料之外，本策略也對聚丁二酸丁二醇酯(Poly(butylene succinate);PBS)進行光降解測試，觀察PBS的化學結構，其含有大量的C=O，而C=O是造成塑料光降解的重要官能基，因此PBS的結構有助於光降解反應進行，再搭配本光降解策略加速PBS的降解效率，未來也將針對降解後的PBS進行封端測試，拓展其他衍生應用---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
★本文節錄自《工業材料雜誌》432期，更多資料請見下方附檔。