何謂光觸媒?
光觸媒(Photocatalyst)= 光(Photo)+ 觸媒(Catalyst)
觸媒:可加速或減緩化學反應之物質,且在反應過程中該物質不會產生永久性的化學變化。
光子:具有粒子與波動行為之量子化電磁能量,不具有電荷或質量,但具有動量。
聯合國純化學應用化學國際組織(IUPAC)對光觸媒定義,一個系統只要利用到觸媒或某些基材,且牽涉到光線吸收的催化反應,都可稱為光觸媒。
光觸媒材料種類以半導體光觸媒材料為最主要材料型態。半導體材料的能階構造決定其被光線激發所需要的能量與波長。每一種半導體材料都有其獨特能階構造。圖中可看出各種類半導體材料能階分布很大不同。以金屬氧化物來講,其最特別處為具有穩定之氧化還原化學特性,適合作為光觸媒材料,進行化學反應。
(From:奈米科學網)
光觸媒技術應用
光觸媒的應用極廣,目前最為常用的五大領域為:
l 廢氣(NOx)淨化
l 除臭,空氣中揮發性有機物(VOC)去除
l 水處理
l 抗菌(殺滅微生物)
l 防汙
若是細分應用機制則為物理作用機制以及化學反應機制
物理作用機制應用可大致分為幾類,主要的一類稱為自我潔淨,是利用超親水性的原理來形成除霧、防污的效果;另外是利用電子轉移的原理來達到金屬防銹的功能。這是目前物理作用的主要兩大類別。
化學反應機制應用方面最主要的有空氣淨化,也就是把空氣中的污染化學物質給氧化、分解或去除而達到淨化的效果;也可以用在水處理;同樣也可以利用化學反應的作用破壞細胞膜,讓細菌無法自我繁殖,因而達到抗菌的效果;也可合成一些化學品,合成的過程利用光線,而不是利用其他有害的化學物質,是屬於一種非常環保的製程,稱之為綠色製程,這也是光觸媒未來可以應用的方向;醫療部份,光觸媒既然可以殺菌,當然就可以分解或是破壞某一些癌細胞,因此就可以達到醫療治癌的功效,這目前還在實驗室實驗的階段,尚未真正商業化,目前已商業化應用的部分主要是空氣淨化、水處理、抗菌。
(From: http://www.mandalaconcrete.com/photocatalyticconcrete.htm)
藉由紫外光或太陽光的照射,在光觸媒表面附近的水分子游離出的氫氧基(OH-),使其成為活性極大的氫氧自由基(OH radical);氫氧自由基一旦遇上有機物質,有機物分子因鍵結的破壞而分崩離析。一般空氣中的揮發性有機污染物多半是碳水化合物,分解後大部份會變成無害的水及二氧化碳,因此可以達到除臭目標。
光觸媒抗菌(殺滅微生物)
光觸媒殺滅微生物的機制有:
1. 光觸媒經UV光激發後產生之高氧化物質直接對微生物的細胞膜脂質破壞,造成細胞膜流動性不佳,喪失細胞膜傳遞物質之能力。
2. 光觸媒可導致蛋白質變性喪失功能。
3. 光觸媒產生之自由基亦會造成RNA有hydroxylation現象,造成影響蛋白質的製造。
這些機制都會造成抑制微生物繁殖或直接造成其死亡,此部分並不需要完全分解微生物才能有抑制及殺滅的效果。再者UV光源對微生物照射後,可造成其DNA遺傳物質結構產生不可逆之破壞(特定鹼基型成Dimer,破壞雙股螺旋結構),可增加殺滅微生物的效果。
在nanomedicine國際期刊中,2006年也發布了類似的研究結果,證實光觸媒的殺菌功能。(K.-J. Shieh et al. / Nanomedicine: Nanotechnology, Biology, and Medicine 2 (2006) 121–126)
如何分辨光觸媒優劣:一標準、二標章
2003年開始,由於SARS災害所帶來了光觸媒炫風使得光觸媒廠商如雨後春筍般冒出,當時並無針對光觸媒的認證與國家測試,導致無效產品充斥市面,造成消費者對於光觸媒的效果產生質疑。
所幸目前不論國際或我國,皆逐漸建立起完善的光觸媒產品認證及標準檢測機制。以我國來說,可簡稱為一標準、二標章。
一標準為CNS15094測試標準,其參考國際ISO22197針對光觸媒濾網及基材的汙染氣體分解效率進行檢測,為全球公認統一之標準,可做為識別各家產品效能好壞之依據。
二標章即為經濟部創辦的奈米標章之光觸媒空氣清淨產品,其審核嚴謹,從生產品質、ISO9001認證、效能門檻、市場產品抽查等,皆需通過始可發證;另一認證為民間的光觸媒產業發展協會頒發之光觸媒標章,雖審核上並無訂立效能門檻,亦為一個有效之光觸媒產品之認證途徑。唯有透過一標準、二標章,才能讓消費者選擇到真正有效之光觸媒產品。