氧化物光觸媒技術發展趨勢：材料世界網

周涴盈 / 工研院材化所

光觸媒技術以其綠色特性展現高度應用潛力，廣泛用於污染物降解、空氣與水質淨化及能源轉換，已成為環境與能源領域的研究熱點。本文回顧氧化物光觸媒技術的演進與應用擴展，深入探討其催化原理與作用機制，並針對奈米結構設計、摻雜改性與異質結構等優化策略進行解析，分別在空氣淨化、水質處理及能源轉換等不同領域之應用展現其成果。隨著人工智能輔助材料設計與新型複合結構開發，光觸媒技術有望克服當前限制，實現更廣泛的可見光響應與高效催化性能，在環境淨化與可持續能源領域發揮更大的潛力，為全球綠色發展提供創新解決方案。

【內文精選】

氧化物光觸媒材料的研究進展與優化策略

1. 奈米結構設計

奈米化材料具高表面能特性，導致晶格結構的穩定性降低，促使表面形成結構缺陷，如氧空位(Oxygen Vacancy)或晶格畸變(Lattice Distortion)；這些缺陷在電子結構中會產生額外的電子能級─中間能隙(Midgap State)，可作為載流子的捕獲中心，影響光生電子與電洞的分離行為，進而調控材料的光催化活性與電子傳輸特性。Xu等人介紹了使用TIRA-EESS與TSA辨識光催化材料如TiO₂、ZnO和CdS能隙內的缺陷能階及載流子的動態行為，建立光催化活性與缺陷能階之間的關係，將有助於透過缺陷工程來提高光催化性能(如圖五)。

圖五、Mid-gap States有助於降低光生載子的復合速率

此外，奈米形貌設計也被視為一提升光觸媒催化性能的有效途徑，通過構建低維度奈米結構材料，因其獨特結構特性，對光催化性能的提升具有針對性的影響。研究顯示，一維結構的TiO₂奈米管或ZnO奈米棒具有沿軸向的定向電子傳輸路徑特性與較短的橫向擴散距離，兩者協同作用下，可顯著降低載流子復合的概率並促進反應效率；特別適用於光電化學水分解與光催化產氫應用領域。

2. 摻雜改性

非金屬原子的摻雜如氮(N)、碳(C)、硫(S)，會在能隙內引入額外的電子態，形成中間能級，從而縮小能隙並增強可見光吸收。以氮摻雜TiO₂為例，N在晶格中可分為替位型與間隙型。替位型氮摻雜如圖八(a)所示，氮原子取代氧原子形成的N2p5軌域位於TiO₂價帶上方0.14 eV，影響價帶結構使吸收邊緣紅移，提升可見光吸收能力；而間隙摻雜則是氮原子透過擴散方式進入TiO₂晶格間隙，與氧原子鍵結形成NO。根據Dozzi等人提出的研究指出，摻雜過程中形成的πN-O成鍵分子軌域位於價帶之下，對電子結構的穩定性具有重要影響，而其對應的π* N-O反鍵結軌域則位於能隙內0.73 eV，影響光生載流子的躍遷與光催化活性，如圖八(b)所示 ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。