關於光觸媒

• 何謂光觸媒

        一種精密陶瓷，在光之照射下，會產生氧化還原反應，而具有諸多功能，如空氣及水中污染物之分解去除、除臭、抗菌、自我潔淨等效能。(ISO及CNS光觸媒標準對光觸媒之定義)

• 光觸媒作用原理

光觸媒作用原理示意圖

        如上圖光觸媒作用原理(光催化)示意圖所示，光觸媒在適當光線照射下產生電子-電洞對，產生的電子-電洞對可直接與接觸的污染物產生氧化還原反應，或是與接觸到的水氣與氧氣反應，生成具有氧化能力的活性物質(active agents)，透過這些活性物質將鄰近的污染物分解，進而達到環境淨化、除臭、抗菌、自我潔淨…等作用。上述所謂的適當光線係依據所使用的光觸媒特性而定，若是一般紫外光型的光觸媒，係指光波長在380 nm以下的紫外線；可見光型的光觸媒，則可以使用室內光源加以驅動，其波長為380 nm以上的可見光。

        在以上光催化過程中，光觸媒本身不參與反應，所以不會消耗；只要光觸媒還在，並且沒有被髒污或酸鹼遮蔽，在適當光線照射下，就會有光催化反應，但光觸媒表面若被髒污遮蔽，或無適當光線照射，光觸媒活性就會降低。若要恢復光觸媒的效能，可以透過水洗、照光兩種方式達成，水洗係以乾淨的水(雨水、自來水、純水…)將光觸媒表面附著的無機物(包含酸、鹼)去除，必要時佐以適當的刷洗動作去除表面堆積的粉塵；照光則是以太陽光或紫外光照射光觸媒表面，讓光觸媒將表面堆積的有機物分解去除，照光時間依據表面有機污染物的堆積量以及光強度而定，當表面全部恢復親水性時，就是清理乾淨了。

• 光觸媒材料有哪些？

        二氧化鈦光觸媒材料，依其外觀，可概分為兩大類：粉體（powder）、溶膠（sol）（參見下圖）。若依二氧化鈦的晶型，則可以分為銳鈦礦（anatase）、板鈦礦（brookite）和金紅石（rutile）三種。

光觸媒粉體（左）及溶膠（中、右）實體照片

        雖然以單位光觸媒重量的價格來看，使用光觸媒粉體較為便宜，但光觸媒粉體的固定化技術難度極高，目前較常應用在塗料、水泥相關的產品，可利用塗料和水泥本身的黏著能力將光觸媒粉體固定。但此類應用絕大部分的光觸媒幾乎都無法裸露在外，真正能作用的光觸媒非常有限。若是用在水相的反應，也可直接將光觸媒粉體置於水體中，再搭配粉體回收或隔離機制。其他的產品，特別是薄膜產品的應用，通常不會直接使用粉體，多是使用光觸媒溶膠或是先將粉體稀釋、懸浮分散後，再加以使用。

        光觸媒溶膠中所含的二氧化鈦光觸媒，係以固體顆粒或膠體（colloid，顆粒介在1～100 nm間）的形式懸浮於水性或有機溶劑中，大多數光觸媒溶膠中的光觸媒顆粒非常小（<100 nm），且懸浮性極佳，外觀呈現完全清澈透明的淡黃色或無色，容易讓人誤解為光觸媒已經完全溶解，實際上並非如此，所以應稱為溶膠。若是溶解於溶劑中，則可稱為溶液(solution)。

        光觸媒溶膠產品的種類繁多，以溶劑來分類，可分為水性（water base）和有機溶劑型（solvent base）；若以酸鹼來分類，可分為中性、酸性和鹼性。以顏色分類，有無色透明、白色、淡黃色…等。

        光觸媒溶膠的選擇必須依據基材的特性和製程來決定，酸性光觸媒溶膠較適合於工廠中的量產製程使用，因為含有高濃度的酸性成分，必須在製程後段加以去除，去除的方法有加熱（350℃以上，加熱1小時以上）或水洗。若酸性成分殘留，可能會影響光觸媒的光催化效果。中性光觸媒溶膠則沒有這類問題，所以可適用於產品製程中或後加工使用。

• 光觸媒的應用領域

光觸媒三大應用領域

        光觸媒的應用領域非常廣泛，最早係以水分解產氫吸引眾人的注意，但因為光觸媒產氫效率有限，而光觸媒在環境領域的淨化、抗菌、自我潔淨等應用，因為難度相對較低，又可以利用太陽光為驅動光源，具有節能效益，反倒成了主要的應用領域。環境領域的應用包含空氣和水質淨化、抗菌、防黴、自我潔淨、土壤復育…等，依據使用的環境和設計，可以使用人工光源或是自然光源驅動光觸媒反應，這領域的應用目前仍是光觸媒主要的應用市場。

        除了環境領域外，光觸媒在能源領域，特別是新能源領域中的水分解產氫和CO₂再利用為主要的研究重點，雖然這兩部分的應用尚不具商品化的價值，但因為市場潛力大，相關研究已吸引了大量的資金和人才投入。

        相較於熱門的能源領域，光觸媒在藥妝領域的應用雖相對冷門，但潛力不可限量。光觸媒應用於皮膚，雖僅僅只有數百奈米的塗層，但其高反射率讓皮膚看起來亮麗，卻不影響既有膚色，此幾乎隱形的塗層具有吸收紫外光、並將光能轉化為氧化還原能力，此能力與皮膚表面的汗水產生反應，可抗菌防黴，若能產生微量氫氣，還具有降解自由基的作用，可防衰老、抗發炎，期待未來此領域相關研究及產品的發表和問世。

• 光觸媒的應用方法

光觸媒的應用有以下幾點要確認，才不會浪費錢和時間，又得不到預期效果。

1. 期望的效能及使用的環境

        光觸媒雖然應用廣泛，但並非無所不能。若希望利用光觸媒達到期望的目的，就要清楚光觸媒的能與不能。舉幾個實際的例子：有廠商將光觸媒塗布在燈管表面，卻希望能夠有效降低室內桌面、牆面的細菌和黴菌，但如上述光觸媒的作用原理所說的，光觸媒僅對光觸媒接觸到的污染物才可以氧化分解，其產生的活性物質有效距離極短，不可能對遠距離的桌面和牆面起到抗菌的作用。若有作用，肯定是有其他的機制，而非光觸媒的作用。另一個例子，有廠商宣稱其光觸媒不需照光即可達到除臭、抗菌等作用，事實是這個作用並非來自光觸媒，而是來自其他會參與反應的成分，因為會參與反應，隨著反應時間增長，有效成分降低，效能自然會逐步衰減。

        若對期望的應用有疑問，應該找真正專業的光觸媒材料製造商或是專業人士詢問，可避免浪費錢又浪費時間。

2. 要塗布光觸媒的基材及適用的光觸媒材料

        釐清期望的光觸媒效能和使用環境無誤後，再來就可依據要塗布光觸媒的基材特性選擇適用的光觸媒材料，比如光觸媒粉體或水溶膠，以及光觸媒固含量…等。這部分若完全沒有經驗，也建議找真正專業的光觸媒材料製造商或專業人士詢問，可大幅縮短開發時間。

3. 塗布的方法

        光觸媒塗布的方法，這裡主要討論的是使用光觸媒溶膠。一般常用的方法有噴塗、浸鍍、刷塗…等方式，端看使用環境、基材以及所使用光觸媒材料的特性而定。噴塗的好處是可以適用大面積的基材，而且每次使用的光觸媒溶膠量不用很多，只要幾十毫升(mL)即可，不像浸鍍方式，一次至少要幾百毫升甚至幾公升以上才能有效浸泡基材。然而噴塗需要適當的噴槍及空壓機，若沒有這些設備就無法進行噴塗作業。

        既然噴塗需要專業的設備，浸鍍又需要大量的光觸媒水溶膠，對於一般少量需求的使用者來說，兩者都很難接受。這時，刷塗就是很好的折衷方法，對吸水性的基材(如石材、水泥牆面)，可以使用羊毛刷沾附光觸媒水溶膠後，直接在吸水性基材表面均勻塗抹；若是非吸水性基材(如玻璃、磁磚)，可以使用吸水性佳的棉布料搭配刮刀，或是選用合適且乾淨的拖把，吸附適量的光觸媒水溶膠後，直接在基材表面塗刷一至兩回即可，塗刷時應保持固定方向、速度均一，完成後的鍍膜才會漂亮。

4. 固定化的方式

        所謂的固定化就是將塗布光觸媒後的基材，透過加熱、照光等程序，增強光觸媒鍍膜的硬度及附著度，加熱溫度和時間得依據基材特性而定。若沒辦法加熱，也可以透過長時間太陽曝曬來增加表面硬度和附著性。

• 光觸媒的效能測試標準方法

        光觸媒的效能主要有空氣淨化、水質淨化、自我潔淨、抗菌、防黴等幾大項，這些項目的效能測試方法都可以在標檢局的網站上找到相對應的CNS國家標準(參見下表)，測試用的紫外光源也訂有國家標準，標準的詳細內容可直接在網站(https://www.cnsonline.com.tw/ )點選預覽或是購買。