TiO 2 奈米光觸媒之光化學催化反應

二、大於能隙能量的光照射到 TiO2 表面，使其產生電子和電洞 對。

三、電子和電洞對被傳遞到表面的吸附分子(H2O/O2)分別存在於 TiO2表面。

四、電子和電洞對分別與氧氣及水分子產生還原氧化反應，形成 O2-自由基以及‧OH自由基。

五、欲分解的有機物與‧OH 自由基以及 O2

-自由基進行氧化還原 反應。

六、產物從 TiO2表面脫離。

其機制如下[31]：

TiO2 (anatase) + hν → TiO2(h⁺) + TiO2 (e^-) (3.7)

TiO2(h⁺) + H2O → H⁺ + ‧OH (3.8)

TiO2(e^-) + O2 → ‧O2

- (3.9)

e^-+ O2 → ‧O2- → HO2‧ (3.10)

2HO2‧→ O2 + H2O2‧→ ‧OH +OH^- + O2 (3.11)

‧OH + Ared → Aoxd (3.12)

H⁺

‧O2

-一般光化學反應可分兩種[32]：

一、直接光解(Direct photolysis)：

物質吸收光能達成激發態後，此物質本身進行化學反應。其機 制如下：

A+ hν→A^＊ (3.13)

A^＊→D1 + D2 (3.14)

式中 A：反應分子

hν：光能

A^＊：激發態之反應物

D1, D2：分解產物，可為原子或自由基

但運用直接光解的機制來分解有機物，在效率及實際應用上，

並非合適的選擇，其原因如下：

（一）可經由直接光解的物質，大多需吸收波長小於 290 nm 的 光，以使其激發，但此波長範圍的太陽光在到達地面之 前，已經被大氣的過濾作用所過濾，已無法提供足夠的 能量來打斷此化學鍵結，使得在實際操作中可能必須使 用紫外光，其經濟性大打折扣，而在此波長範圍之光，

對人體也有不良之影響；

（二）反應的產率低，因為激發態會失去能量，回到基態，而沒 有反應發生；

（三）直接光解對大多數物質而言需要較長的時間，有許多物質

之半衰期甚至一個月之久。

二、間接光解(Indirect photolysis)：

系統中存在的光敏化劑吸收光能達到激發態後，再誘使系統中 另一種物質產生化學反應，即所謂的間接光解。其機制如下：

A+ hν→A^＊ (3.13)

A^＊+B→A+B^＊ (3.15)

B^＊→D1 + D2 (3.16)

式中，A：光敏化劑

間接光解在實際應用上是以催化劑(如光敏化劑、氧化劑或半導 體)存在來加速光化學反應進行，這類反應除了不需加溫加壓即可進 行之外，還具以下優點：

1.可在短時間內將有機物分解；

2.在反應過程中產生的中間產物會被持續氧化，故毒性有機中 間產物不會累積；

3.催化劑價廉，經濟效益高；

4.太陽光可做為光源，實用性高。

間接光解又可分為同相光催化反應(Homogeneous Photo- catalysis) 與異相光催化反應(Hetergeneous Photocatalysis)[33]。

（一）同相光催化反應：

同相光催化反應是指催化劑與反應物存於相同之物理 相中。

一般用來處理有機物之同相光催化反應，主要有有機

感光劑與氧化劑。

（二）異相光催化反應：

異相光催化反應是指光催化劑與反應物存在於不同之 物理相，反應物擴散且吸附於固體催化劑之表面，催化劑 吸收光子之後，於固態顆粒表面引發一連串之氧化還原反 應，而逹到反應物完全分解之目的。異相光催化反應之催 化劑多半以半導體為光催化劑，而常用於光催化劑的半導 體有二氧化鈦(TiO2）、氧化鋅(ZnO)、硫化鎘(CdS)等。