认知纳米光触媒及其正确使用方法

1.技术发展沿革

以二氧化钛(TiO2)作为光触媒以进行光催化反应，肇始于1970年代日本东京大学的Akira Fujishima 教授所发表之光触媒电极分解水以产生氢气与氧气之研究成果，从此开启了光触媒电化学反应研究之大门，并尝试利用太阳光分解水以产生氢气作为洁净能源。由于光触媒电极产制氢气之效率偏低，距离实用化仍有很长的路，因此在1980 年代中期，Fujishima 教授将光触媒之研究转向利用光激发后产生电子与电洞之氧化还原能力，用来进行化学物质的光催化氧化还原反应，以拉近光触媒之实用化时程。

配合光触媒之氧化还原能力，自1990 年代起，在东京大学的带头作用下，日本的产业界与学术研究机构纷纷投入光触媒之污染物去除，包括空气净化、水质净化、除臭、xx等应用。在1995 年，Fujishima教授再度发表光触媒之超强亲水性与超强疏水性研究成果后，日本之光触媒应用更扩及防止镜面起雾、陶瓷或玻璃用品表面防污、建筑物外墙防尘等自我清洁的功能，对人类生活环境的改进，产生重要影响。近年来(2001 年以后)，Fujishima 教授更发表利用光触媒防止钢铁材料表面生锈之研究成果，预计将对光触媒应用产生重大影响。除了在应用面积极投入研究之外，日本的产业界与学研机构亦纷纷投入可见光光触媒的开发，以便能将光触媒之应用范围从紫外光波长(380 nm 以下)移向可见光波长(400~700 nm)，俾能提升光触媒之日光使用效率。此项研究成果，在2002 年公布取得突破，可在实验室制备可见光触媒，唯其试产价格仍然极度偏高，因此研发可量产化之技术，仍是日本以及全世界致力研发之目标。

从上述之发展历程来看，即使在日本，光触媒的应用亦尚在萌芽阶段，虽然目前有超过20 家xx厂商投入光触媒的产品化与应用，但仍未xx达到成熟阶段，尤其在光触媒产品的效能验证方面，更是尚无统一之标准。有鉴于此，日本政府于2002 年出面组织一个光触媒产品标准化制定委员会，由东京大学的Fujishima 教授担任总召集人，下设四个子项委员会，负责制定自我洁净、xx、空气处理与水处理等四个领域之光触媒产品验证标准，预期将对光触媒产业的发展产生重大影响。

2.基本特性

光触媒属于半导体材料，最普遍的例子为二氧化钛。其它半导体材料如ZnO、CdS、SrTiO3 等氧化物、非氧化物与混合型氧化物，皆具有吸收光线以激发电子之功能，而具有光催化之性能。其中TiO2因具有强氧化还原能力、化学安定性、环境友善性等优点，而成为目前光触媒主要的研究与环境应用对象。TiO2 的能阶约为3.0eV，属于紫外光(波长在380nm 以下)激发范围，因此在应用上须以紫外光为光源，方能具有光催化之作用。TiO2之粒径大小亦会影响光触媒之功能，文献研究结果指出，TiO2之粒径大小须在5~30nm(纳米)范围内，才具有较好的光催化活性，{zj0}的粒径大小约为7nm 左右，这也是为什么将之称为纳米光触媒之原因(依目前政府对纳米产业之定义，纳米之范围为1~100nm)。利用光触媒材料经光线激发后，进而活化空气中的水气分子或氧气分子形成氢氧自由基或负氧离子，进行氧化或还原作用，以分解环境中的污染物，即可应用于去除空气中或废水中的污染物，亦可应用于抑制或灭除附着于表面之xx，达到xx之效果。这几项应用方面之研究，近年来已逐渐从实验室成果提升至商业化应用，而使光触媒成为环保应用的新材料。

3.光触媒在我国产业应用现况

光触媒的应用，近年来在我国亦逐渐受到很多厂商的关注，纷纷收集各种相关的产品、技术与应用数据，从国外引进产品，或透过与研究机构合作开发相关产品与应用，尤其是传统的民生产业，更是寄望透过光触媒产品的应用，提升产品的附加价值，增强产品之竞争力。而在光触媒之环境净化应用方面，利用太阳光激发光触媒以去除环境大气中的污染物，我国亦透过与日本合作研发方式，积极开发其应用途径，对环保产业之发展将有极大帮助。

台湾社会对光触媒产品之了解，尚在启蒙阶段，虽然部份厂商在二年前左右即自日本引进相关民生消费用途之光触媒产品，但其市场应用仍在草创时期。自从今年(2003)四月底以来，因应SARS 疫情所引发之光触媒热潮，在国内外之光触媒产业发展来看，应可视为一个意外。好的方面而言，固然藉此机会增进消费者熟悉光触媒此一新颖名称与产品，为该产业带来商机；但坏的一方面而言，由于事起匆促，产业界、学术研究界、社会意识皆来不及对光触媒充分认知与教育，各种产品推销造成过度的商业语言使用，反而容易误导民众之认知，造成市场之混淆，皆非产业与社会之福。

4.光触媒作为xx剂之应用方式

如前所述，纳米光触媒颗粒对污染物去除与xx等效能，皆经国内外实验室测试验证，确实具有此一功能。也因为它具有此一功能，因此从学理上推测应会对病毒的去活化亦具有功能，因为纯粹从化学的观点，病毒并没有像xx一样有一层外壳保护，其结构比xx脆弱，因此有机会被光触媒破坏。只是由于病毒的培养与测试比xx更加危险与困难，因此目前国内外皆尚未有病毒破坏之测试验证；而引发SARS 的冠状病毒又是最近才确定，更加不可能有测试验证结果，因此坊间的光触媒产品若直接打上可治SARS 的口号，应属于商业语言的夸大，不代表有实际的测试验证。但是光触媒可以xx与去除污染物等功能，则是具有测试验证之结果，具有相当的可靠性。

虽然光触媒颗粒具有xx、去除污染物等功能，但在实用上并不能以颗粒型态直接使用，必须将纳米颗粒固定于某些基材表面，如磁砖、玻璃、墙壁、金属、塑料等表面，这些表面必须具有不怕光触媒氧化之特性，以免本身遭到氧化分解，因此某些含有机染料的布面，可能不适合喷上光触媒，以免染料被分解而产生退色。因此光触媒颗粒固定化后与基材之密着性，是决定光触媒使用寿命的主要因素。为了使用上的方便，通常配成光触媒水溶液进行固定化操作，工业上专业人员使用之光触媒溶液可以是酸性(pH < 6)；但民生消费使用之光触媒溶液则必须为中性(pH = 6~8)，以免对消费者造成伤害。目前光触媒溶液的制造主要从钛金属的盐类为起点，经过湿式化学法合成，才能得到颗粒大小约为10 nm 的光触媒溶液。若直接从光触媒粉体加水稀释，则不容易分散且容易造成沉淀，因此若有沉淀产生之光触媒溶液，将影响其附着性、耐久性与功能性之质量。只要附着性良好，光触媒即可持续发挥功用，而成为长效性之xx剂。

光触媒颗粒既为纳米粒子，则与一般纳米颗粒相同，若吸入人体，对肺部将造成伤害，这并非是因为其为光触媒之缘故，而是因为纳米粒子之特性所致，因此不只是光触媒，所有的纳米粒子都应避免吸入人体，以免造成肺部的伤害。故在使用上应该避免将光触媒喷散于空气中，或直接喷在人体上，防止吸入人体造成肺部伤害，或直接粘着于皮肤，可能造成毛细孔堵塞。因此光触媒溶液干燥后必须具有好的附着性，既能维持长久功能，又能避免剥落造成粉尘。为了让附着性更好，在喷涂前应尽可能维持基材表面之干净，越干净的表面其附着性会越好。

5.光触媒之紫外光来源与应用方式

光触媒颗粒既然需要紫外光(波长< 380 nm)方能激发xx与去除污染物之作用，因此光源的供应就成为必要条件。启动光触媒催化作用的光强度在波长365 nm 的紫外光下，实验测试结果在约为0.1mW/cm2 下即可具有xx与去除污染物之作用。在中午时分室外之日光下的紫外光(365 nm 波长)强度约为2~3 mW/cm2，室内靠窗之处约为1 mW/cm2左右，距离窗口越远的地方，紫外光强度越弱，但只要高于启动光触媒所需的强度，仍会具有xx与去除污染物的效果，因此采光充分的室内，应是最适合发挥光触媒功能的空间。在无采光的空间或夜晚，则需提供紫外光来源。一般的紫外光灯管，如家庭用的捕蚊灯管，即可提供紫外光来源，但使用时应避免长期间眼睛直视，以免造成眼睛功能的慢性伤害。若使用波长更短的紫外光灯管(253nm)，如杀菌灯管，则应避免眼睛直视，以免造成立即性的眼睛肿痛等伤害。至于一般的白昼光与灯泡色日光灯管或省电灯管(包括螺旋型、U型与电球型)，虽然主要为可见光，但仍具有微量的紫外光(365nm 波长)，其强度在灯管表面约为0.2 mW/cm2左右，与微弱的日光强度相似，因此在靠近灯管表面之处，仍足以启动光触媒作用，当距离越远则光强度越弱，光触媒之效用将越低。故在较大的室内空间里，于夜晚无人的时段若能改用类似捕蚊灯之紫外光来源，将更能有效发挥光触媒之作用。

6.消费性光触媒溶液之正确使用方法

纳米光触媒既然是一个新型产品，为了导正产品市场之发展，必须尽速建立产品规范，让消费者能够真正买到有效的光触媒产品，才是当务之急。因此建立光触媒产品之功能验证的标准方法，可参考日本之做法，分别建立xx、自我洁净、空气净化、水质净化等功能验证，是政府与学术研究机构可以提供服务的课题。

由于功能验证标准方法的建立，属于相当专业的课题，且需要长期之努力。为了因应民生消费者对喷涂式光触媒溶液之需求，综合以上所述光触媒之基本特性与应用方式，本文尝试归纳出下列消费性光触媒产品之正确使用方法如下：

(1) 二氧化钛光触媒为纳米尺寸之固体颗粒，其粒径大小约为10 个纳米(nm)左右，制成中性乳白色或无色透明水溶液 。

(2) 光触媒溶液喷涂在磁砖、墙壁、玻璃、金属、塑料等表面，水分干燥后将纳米颗粒密着在表面，不应有剥落现象，才不会造成粉尘的产生。

(3) 纳米粒子造成的粉尘若吸入人体，将造成肺部的危害，这是所有纳米粒子的特性所造成，并非是光触媒的特性所独具。因此光触媒既然具有纳米粒子的特性，就不适合直接喷洒在空气中，以免形成粉尘吸入人体，危害肺部。

(4) 光触媒溶液并非xx水，因此不适合直接喷在身上，以免因皮肤附着性不佳，造成纳米粒子剥落，因而吸入肺部造成危害。身体的xx，仍以酒精擦拭最为直接有效。

(5) 口罩的功能系过滤沾带xx或病毒的飞沫或灰尘，光触媒喷在口罩上，并非增加过滤功能，而是藉由与吸附在口罩上之xx或污染物的接触，抑制xx繁殖或分解污染物，以净化口罩表面。因此光触媒只要喷涂在口罩外面能接收光源之处即可，不须喷在口罩内面，以免纳米粒子吸入肺部造成危害。

(6) 光触媒必须照射紫外光方能有效，因此若喷涂在室内，应打开窗帘或窗户，让日光照射进来方能有效。若是没有日光照射的室内或夜晚，可使用家庭用捕蚊灯照射，以加强紫外线来源。一般白昼光之日光灯管或省电型灯管或灯泡，亦含有较低强度的紫外光来源，但必须在越接近的距离下，光触媒的效果才会越好。

(7) 为增进光触媒与磁砖、墙壁、玻璃、塑料表面之密着性，喷涂前尽可能先清洗表面，维持干净的表面才能避免光触媒喷涂后的剥落现象，亦能增进光触媒功能之持久性。

(8) 光触媒属于固体型态的xx剂，因此不需要与漂白水、清洁剂、酒精等混合使用，与其它溶剂或液体混合并不会增加效果，反而降低其功能。

(9) 光触媒的功能必须在污染物或xx与光触媒表面接触下方能有效，因此喷涂后只有最表面的颗粒能吸收光源破坏污染物或xx，以发挥功能，故表面的均匀性最为重要，喷的均匀远比喷的多来的重要。

7.光触媒之环境效益与未来展望

光触媒属于固态型、长效性的xx剂，与液态型、短效性的漂白水可形成互补，提供民众另一种维护生活环境的选择。若由于光触媒的使用，可减少漂白水的使用次数与用量，以减轻环境负荷、降低对污水处理场与环境生态可能造成之冲击，亦是对环境与生态效益提供正面的贡献，因此透过学者专家与业者的研究讨论，逐步建立对光触媒的认知与正确的使用方式，对于利用光能以提升生活环境之质量，应会产生正面之效益。错误的认知与夸大之商业语言的使用，容易造成误导，必须予以避免。

中性光触媒溶液系由钛金属之液相盐类，经过湿式化学法合成二氧化钛结晶体(属于锐钛矿Anatase)之水溶液，由于颗粒只有10 个纳米左右，因此溶液澄清无沉淀，即使以高速离心机亦无法将纳米颗粒分离沉淀。以二氧化钛粉体加水直接配制之光触媒溶液，则分散性受到限制，容易造成沉淀，影响光触媒之效能。中性光触媒溶液既为新型产品，价格系由市场机制决定，除了材料成本之外，尚应包含研发成本、生产成本、销售成本等，无法仅以工业原料成本计算。虽然如此，相关厂商为了产品市场的永续经营，仍应回归合理的市场机制，对光触媒产品之应用与发展较为有利。

由于纳米光触媒的应用范围，除了xx与环境净化用途之外，尚可应用于氢气能源产制、化学品合成、废水、废气处理等多种用途，研究发展的空间既深且广，若因短期的热潮扭曲了长期之发展，殊为可惜，亦是产业界与社会的损失。期望在业者自制、学者专家导正、消费者正确认知的努力下，开启光触媒技术深化研究与开发之契机，以建立光触媒产业永续发展之环境，达到促进传统产业技术纳米化之总体发展目标。