葉佩宜、張仕欣、黃泳彬 / 工研院材化所
異質接面光反應淨化觸媒具有絕佳的氧化及還原能力，可以有效率地利用日光去除多種污染物，同時應用在纖維具有優異的光催化活性、多孔結構、出色的可回收性和可變形性，被認為是可用於環境修復和能量轉換最堅固和最熟練的材料之一。加入功能性添加劑是紡織品功能化最重要的方法之一，在這些添加劑中，光反應淨化觸媒近年來得到了廣泛的應用。本文概述光反應淨化觸媒在纖維材料中應用的研究現狀，並提出未來發展的關鍵挑戰和前景，藉此為進一步改進光反應淨化觸媒纖維的應用提供新的見解。
【內文精選】
光反應淨化觸媒基本原理
觸媒能夠產生光淨化效果的反應機制可分成以下五個步驟：①光催化反應始於污染物從周圍環境吸附到光催化劑表面；②吸收光子能量大於觸媒能隙(BandGap)能量的光，並在觸媒中產生光生電子(e-)–電洞(h+)對；③電子和電洞遷移到光催化劑表面參與氧化還原反應，同時部分光生載流子從光催化劑表面和內部重新結合；④價帶(VB)中的電洞和導帶(CB)中的電子分別與吸附在光催化劑表面的H2O和O2產生氧化和還原反應，形成羥基自由基(∙OH)和超氧自由基(∙O2-)，同時這些自由基使污染物可以降解為小分子(例如，H2O和CO2)；⑤降解後的小分子從觸媒界面脫離到本體溶液中，繼續進行光反應。
圖五、傳統異質接面光反應淨化觸媒三種類型的電子–電洞對分離示意圖 (a)跨能隙型；(b)交錯能隙型；(c)斷裂能隙型異質接面光觸媒)
光催化纖維的製備方法
光反應淨化觸媒複合纖維的合成方法主要可分成自上而下(Top-down)跟自下而上(Bottom-up)兩大類，如圖八所示。自上而下的方法主要適用於在現有纖維上預先合成觸媒，這些纖維的分層孔結構和大表面積有利於觸媒的高負載能力，而不會明顯降低固有的柔韌性和穩定性，除此優點外，纖維間大量的空隙和孔隙有利於加強光催化纖維與各種污染物的界面接觸。而自下而上的方法，是將觸媒粉末引入纖維製備過程中或與纖維同時形成，該工藝的優勢在於它可以製造出含有觸媒奈米顆粒的功能性纖維，其與纖維之間具有良好的黏附力，因此比自上而下的方法具有更好的穩定性。除此之外，這些功能纖維的內部多重結構、孔隙率、形態和直徑調控等，可以利用調整設備、前驅溶液配置等相關的參數，來調節所需要的性能。目前中空結構(多壁、多通道和多孔)的光觸媒纖維由於具有更高的光利用率和更豐富的活性位點等優點，比實心光觸媒纖維表現出更好的光催化性能。
圖八、光催化纖維製備方法的分類
光催化奈米材料功能化紡織品的特點
2. 揮發性有機化合物去除
目前用於VOC去除的方法和技術包括：多孔材料物理吸附、生物材料以及VOC分解去除，在這些技術中，光催化氧化是一種創新和有前途的方法。常用的光催化奈米材料以二氧化鈦觸媒為主，選用二氧化鈦光觸媒作為VOC的去除主要有幾個優點：①為安全性高的材料、②在室溫下具有光催化降解能力、③對各種污染物具有廣泛的光催化分解活性。
3. 水處理
光反應淨化觸媒作為一種低成本、環境友好和可連續作用，在水處理的應用上顯示出具有相當大的應用潛力，光觸媒材料具有去除水中持久性有機污染物和微生物的能力。
4. 抗菌作用
可以被可見光(如陽光)激活二氧化鈦觸媒作為抗菌消毒的應用也是一個吸引人的特點。先前提到利用金屬離子或是非金屬離子摻雜可以降低二氧化鈦的能隙，提高二氧化鈦的可見光吸收率並提高其光催化活性。Vohra等人證明，Ag摻雜的TiO2對大腸桿菌的破壞率比傳統光觸媒高了近12倍，因為它提高了光催化活性。人們認為，銀表面等離子體對可見光的吸收會誘導電子轉移到二氧化鈦，從而導致電荷分離，被可見光激活。
工研院已開發出二氧化鈦可見光反應淨化觸媒及異質接面結構反應淨化觸媒，同時也成功應用於融熔紡絲技術，產製具抗菌除臭等多功能的纖維及其紡織品(圖九)---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》433期，更多資料請見下方附檔。