可見光奈米光觸媒效能驗證

事實上，光觸媒是一種「利用大自然太陽光或者是特定波長光源 產生的能量，進行催化反應的觸媒」。以化學作用來看光觸媒，基本 上光觸媒是一種半導體結晶材料，在其被光照射下後，材料中的電子 會跳耀出來，並且留下了一個具有強大氧化能力的帶正電孔洞，此即 為電洞。當跳耀出來的電子與空氣中的氧分子(O2)相遇時，就會生成 反應性很強的超氧離子(O2

-)；而電洞與空氣中的水氣(H2O)相遇時，會 透過光化學反應而搶奪水中氫氧基中的電子，此時，失去電子的氫氧 基就會變成不穩定的氫氧自由基( OH)‧ 。而這種不穩定的氫氧自由基 只要一遇到外來的、附在物體表面上的有機物時，就會開始藉由搶有 機物本身的電子，使自己驅於穩定狀態。氫氧自由基具有強烈的氧化 作用，可以很容易的破壞細胞壁、細胞膜、蛋白質和基因等，所以利 用此特性在與任何環境中的污染物或細菌接觸後，即可將之分解、去 除，發揮光觸媒的環境淨化作用。

為了印證本研究所製備之可見光觸媒之效能，吾人以瓷磚及吐司 麵包為驗證載具進行可見光抗菌/抑菌測試，如圖 6.2 和 6.3 所示，分別 為經上述實驗流程所製備之樣本：瓷磚及吐司麵包，其中對照組實際 可用來比較未處理及經本研究製備光觸媒塗層樣品之抗菌/抑菌效果。

圖 6.2 (a)為未經處理及(b)經奈米光觸媒表面處理之瓷磚。

(a)

(b)

對照組 光觸媒

表面處 理

圖 6.3 (a)為未經處理及(b)經奈米光觸媒含浸處理之吐司麵包。

(a)

(b) (a)

(b)

由圖 6.4 觀察，經市售商用二氧化鈦奈米光觸媒處理之瓷磚在可 見光下對 E. Coli 並不具殺菌/抑菌之能力，E. Coli 依舊可以在瓷磚上滋 長。反之，經過本研究製備 Ni-TiP 塗佈之瓷磚經過二週之後依然保持 乾淨表面，這表示以水熱法結合金屬離子添加製備之光觸媒確實有效 提升其在可見光下之光催化效能，本研究將 Ni-TiP 奈米光觸煤塗佈於 瓷磚表面而形成一層薄膜，之後再透過光產生的光能來啟動光觸媒機 制，和附著在物體表面的外來物質產生氧化或還原作用，使其達到除 垢、殺菌、抗菌或使物體表面清潔的用途。圖 6.5 更可清楚看見，在 可見光照射下，將瓷磚表面塗佈 Ni-TiP 光觸媒，並放置於 E. Coli 之培 養皿兩週後，依舊保持乾淨，觀察培養皿其他部分，卻是佈滿菌絲。

圖 6.4 商用 TiO2光觸媒之室內抗菌瓷磚測試結果：(a)經過三天、(b) 經過一週及(c)經過二週；本研究合成之可見光觸媒之室內抗菌 瓷磚測試結果：(d)經過三天、(e)經過一週及(f)經過二週。

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

圖 6.5 經本研究合成之可見光光觸媒處理之瓷磚表面抗菌測試結 果。

Aspergillus niger BCRC31512

再如圖 6.6 所示，由吐司麵包抗菌測試中發現一週之後，吐司麵 包並沒有明顯的發霉現象，這與麵包通常有添加少量抗菌劑(或稱防腐 劑)有關，但經過二週之後，添加商用 TiO2 光觸媒之麵包有明顯的發 霉現象產生，顯見在可見光下此種光觸媒並無抗菌/殺菌能力，此現象 與上述之抗菌瓷磚測試驗證結果相同。反之，本研究所製備之 Ni-TiP 光觸媒在可見光照射下，經過二週仍然沒有發霉現象產生。

圖 6.6 本研究合成之可見光觸媒之室內抗菌吐司麵包測試結果：(a) 經過三天、(b)經過一週及(c)經過二週；商用 TiO₂光觸媒之室 內抗菌吐司麵包測試結果： (d)經過三天、(e)經過一週及(f) 經過二週。

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

為了近一步證實 Ni-TiP 奈米光觸媒可見光催化效能，本研究將 Ni-TiP 奈米光觸媒放入甲基藍溶液中，如圖 6.7 所示，進行可見光光 解實驗。暴露於可見光照射下之樣品，逐漸的退色且趨於澄清，意味 著光觸媒成功的進行可見光光分解，而未照光之樣品，則保持藍色溶 液的狀態。

圖 6.7 TiO2光觸媒於可見光下光解甲基藍之實驗結果(a)為經可見光 照射之樣品及(b)未經可見光照射之樣品。

(a)

(b) (a)

(b)

另外，在圖 6.8 可觀察到，普通磁磚表面在顯微鏡觀察下顯得粗 糙且充滿裂縫，相較之下，經過 Ni-TiP 光觸媒處理之瓷磚表面較為平 整且光滑，此特殊效果有助於提升磁磚外表之美觀。除了改變表面結 構外，圖 6.9 之親疏水性測試更可發現，未經光觸媒處理之載具表面 呈現稍微疏水性，而經光觸媒塗層後之載具表面卻為親水的狀態，根 據此現象，吾人接著進行圖 6.10 之霧氣附著度測試，未經光觸媒處理 之表面容易沾附霧氣凝結出水珠，降低其玻璃載具之透明度，相反 的，披覆光觸媒塗層之載具卻因表面超親水性，並未產生小水珠影響 其透明度。

圖 6.8 瓷磚表面經光觸媒處理後之變化：(a)未經處理之磁磚表面、

(b)經光觸媒處理後之瓷磚表面。

(a)

(b)

圖 6.9 基材表面經光觸媒處理後之親疏水性變化：(a)未經處理之基 材表面、(b)經光觸媒處理後之基材表面。

(a)

(b)

圖 6.10 基材表面經光觸媒處理後之霧氣附著度測試結果。

從以上實驗結果中，我們可以得到證實本研究製備之可見光二氧 化鈦奈米光觸媒，在對抗細菌上有顯著的效果，將其塗佈在室內/外營 建材料表面，皆具有光分解淨化之能力，其應用範圍相當廣泛。