光電元件報告光觸媒性質研究－濺鍍二氧化鈦與氮摻雜二氧化鈦薄膜之結構

學生 : 杜怡昶授課老師 : 鄒文正

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介紹光觸媒特性 光觸媒目前產業動態 無摻雜成長 TiO 之結晶效果 摻入氮之 TiO 薄膜之影響 不同流量氮之影響及其光觸媒反應

前言

隨著全球工業化的影響，環境汙染的日益嚴重及有限能源的耗竭，除了積極從事低污染的製程和產品研究外，還有對污染物分解處理投入相當的資源。自從 1972 年 Fujishima 和 Honda 博士等人發現光觸媒效應後，二氧化鈦光觸媒科技在環境淨土上的開發受到世人矚目。

概述

光觸媒技術能有效處理異相污染物中的氯苯有機物、氯酚化合物、氰化物、重金屬離子等污染物質；在空氣污染除臭方面，光觸媒技術也能有效處理如氧化氮 (NOX) 、氧化硫 (SOX) 、甲基硫醇、乙醛等污染物質，除此之外， TiO2具有抗菌、防污、脫臭、抗癌、防塵及自清等功能。

何謂光觸媒

「光觸媒」 (Photo catalyzer) 是利用特定波長光源的能量來產生催化作用的一種物質。

二氧化鈦本身即是一種催化劑，觸媒本身能降低化學反應的能量，而促使化學反應或加快其反應速度，但本身卻不因化學反應而產生變化或破壞本體結構。

光觸媒材料 光觸媒的材料眾多，包括 TiO2 、 ZnO 、 SnO

2 、 ZrO2 等氧化物及 CdS 、 ZnS 等硫化物。 其中 以 TiO2(Titanium Dioxide ，二氧化鈦 )

具氧化能力強、化學性安定、無毒之特性而受到廣泛之應用。

二氧化鈦分別具有低溫銳鈦礦 (Anatase) 、高溫金紅石 (Rutile) 及斜方晶系的板鈦礦 (Brookite)三種結晶結構。

銳鈦礦 (Anatase) 具有較佳的化學活性與良好的光學性質，因此常被應用在光催化觸媒方面。

TiO2 在吸收太陽光中紫外線或照明燈中的紫外光後所產生類似植物的光合作用原理，只差異於生成物不同。 TiO2 經光反應後本身產生一組各帶正負電的電洞與電子的載子。電洞具有強大的氧化能力，電子亦具有超強還原能力，在經與 TiO2 上的水氣（ H2O）反應後會製造出氧化威力超強的〔氫氧自由基〕如 O 、 O2 、OH-，氫氧自由基可針對細菌（有機物質）、臭味（有機氣體）做分解處理，若與 UVA紫外線相互配合更能使光觸媒之活性（即分解反應）速率加倍。

TiO2 光觸媒之基本原理 -光能轉換

當光照射在光觸媒上時，位於價電帶 (VB) 上的電子會被紫外光能量所激發，而跳至導電帶 (CB) ，而價帶則會因電子跳離而形成一帶正電之電洞，形成一組電子－電洞對。

E=hv

1. 光照激發 TiO2, 形成電子 (e-) 電洞 (h+) 對： TiO2+2hv2e-+2h+

2. 電洞與 H2O 反應 (TiO2 電極端） H2O+2h+1/2 O2+2H+3. 電子與 H+反應 (Pt 電極端） 2H++2e-H2

4. 全反應式 H2O+2hv1/2 O2+H2

Solar Energy Conversion

親水性與接觸角 (Contact Angle) 物質與水滴之接觸角越大，疏水性越高。 (蓮花效應 ) 物質與水滴之接觸角越小，親水性越高，因此光

觸媒可以僅利用水即達到除污功效，並可除霧。

抑菌、殺菌 以 TiO2 的超氧化能力〔氫氧自由基〕破壞細胞的細胞膜使細菌質流失造成細菌死亡；凝固病毒的蛋白質，抑制病毒的活性，並且捕捉、殺除空氣中的浮游細菌，其能力高達 99.997％（以通過 TiO2 清淨處理機的空氣）。1. 可殺除大腸桿菌、綠膿菌、葡萄球菌、霉菌、化膿菌、白癬菌、徽菌等等。 2. 可分解空氣中過敏原、減少過敏性疾病及氣喘（蟎蟲），亦可分解徽菌。3. 改善香港腳情形，甚至痊癒，且不傷皮膚。

無毒性 經美國 FDA食品檢驗中心認可 TiO2 為一安

全物質對人體並無傷害，更經由以下以 TiO2 為各行業所使用之添加物得知。

食品工業：〔 1〕食品加工：作為白色添加色料。 〔 2〕食品冷凍：冷凍庫、車中所使用 TiO2 空氣對流處理機作為冷凍保鮮效果時可有效抑制乙醛濃度，使冷凍櫃、車中的蔬果不至早熟而腐爛並延長保鮮時間。

日常生活用品：化粧品業：隔離霜、防霜油或防紫外線化粧品〔抑制太陽光中 UV的活性，避免對皮膚成直接傷害〕。

醫藥業：內服用藥〔胃藥〕、抗癌〔光化學法〕。

養殖業：魚類養殖業、培育室〔具有殺菌殺藻效能〕。

光觸媒：〔 TiO2 〕受光後產生氫氧自由基〔 OH-〕，與空氣中有機物質反應後，即成無毒之無機物。

脫臭 ,分解有機氣體 因 TiO2 所產生的氫氧自由基會先行破壞有機

氣體分子的能量鍵，使有機氣體成為單一的氣體分子，加快有機物質、氣體的分解，故提高空氣清淨效率。　　二氧化鈦 TiO2 又稱光觸媒，比臭氧〔 O3〕、負離子，更有氧化能力；比活性碳、 HEAP 有更強的吸附力亦具有活性碳、 HEAP所沒有的功效〔分解細菌〕。 TiO2 脫臭能力根據歐美國家權威實驗室測試，每一平方公分的 TiO2 與每一平方公分的高效能纖維活性碳比較， TiO2 的脫臭能力為高效能纖維活性碳的 150倍，相當 500個活碳冰箱除臭劑。

隨科技進步環境所產生的污染源： 自來水水中的餘氯臭味、有機物質產生的霉味，

及水中氯分子與有機物結合生成的致癌物質〔二氯甲烷〕。

香煙燃燒所產生的氨氣〔 NH3〕、乙醛〔 CH3CHO〕及醋酸〔 CH3CHOH〕等碳氫化合物。

家具、壁紙、建材等所產生的福馬林〔防腐劑〕。

汽、機車因汽油未完全燃燒所產生的氮氧化合物〔 NOX〕、一氧化氮〔 NOX〕 實例：日本某高速公路路面舖設 TiO2 ，有效將路口氮氧化物〔 NOX〕濃度降低 70 ～ 80％。

廁所中尿素與細菌參雜產生阿摩尼亞〔氨氣 NH3〕。

石化工業、塑膠加工臭味、蔬果腐敗的氣味〔苯乙烯、乙烯、丙烯〕

印刷加工、電子工廠、醫院使用的有機溶劑揮發後產生的有害氣體〔甲苯、酒精、甲醇、戊酮、異戊酸．．．等等〕。

水溝、排水道氣味〔甲硫酸、硫化氫等等〕。

應用實例1. 空氣清淨機、冷氣、電風扇2. 口罩3. 燈罩燈管4. 玻璃：殺菌兼防霧5. 紡織布料6. 噴液、塗料7. 氧化鈦磚8. 浴盆、馬桶9. 廢水處理、飲用水處理

實驗步驟 本實驗摻雜氮於二氧化鈦薄膜期望改善光吸收

特性，將二氧化鈦的光吸收特性由紫外光範圍轉移到可見光範圍，並增進二氧化鈦的光觸媒之光氧化還原反應。

本實驗利用磁控反應性濺鍍來成長二氧化鈦薄膜，並通入氮氣作為摻雜雜質的來源。

製程溫度與基材偏壓對 TiO2 薄膜結構之影響

製程參數

1. Base pressure : 6.0 X 10-6

Torr2. Target power : 250 W3. Ar : 40 sccm O2 : 6 sccm4. 工作壓力 : 5.6m Torr

氮摻雜之二氧化鈦薄膜

以上述的製程條件再通入氮氣 2 、 4、 8 sccm 於腔體中，並在不同的氮流量施加不同之基板偏壓，觀察不同偏壓對 Ar+離子吸引轟擊基板的情況。

氮流量之影響 施加 -50V偏壓與不施偏壓 製程溫度 100度 工作壓力在 2 mTorr 並通入不同氮氣流量以觀察氮原子摻雜情況與

光觸媒反應。 光觸媒反應 : 以銀還原與亞甲基藍分解作為比較研究。

結論 濺鍍成長二氧化鈦薄膜 : 施加高偏壓 =>易得到 Rutile phase 不施加偏壓 =>得到結晶性好的 Anatase phase 隨著偏壓增加，相轉變由Anatase→Rutile+A

natase→Rutile→ Amorphous 隨著基材溫度升高，會提升薄膜的結晶性

濺鍍成長 TiO2-XNX 薄膜 :1. 氮氣流量增加， Rutile 結構會漸漸增加2. 摻雜氮為了縮短能帶，使吸收波長能位移至可見光區

3. 基材偏壓增加，薄膜表面粗糙度下降4. 含氮量越多，亞甲基藍分解速率越大與銀還原的量越多，粗糙度越大，水接觸角越小，有親水性的表現。

參考文獻 國立東華大學材料科學與工程學系碩士論文 濺鍍二氧化鈦與氮摻雜二氧化鈦薄膜之結構

與光觸媒性質 研究生 :周宏邦 指導教授 :翁明壽 中華民國九十三年六月 Photocatalytic Materials Inc. ㈱光触媒研究所 網站

光觸媒技術控制都市空氣污染之應用 國立交通大學環境工程研究所 白曛綾教授