時光荏苒,自 2019 年底,爆發新冠肺炎全球大流行以來,迄今已經快兩年了,『空氣』這個原本大家幾乎感受不到它的存在的物質,如今卻讓全世界對它刮目相看。這一次它成為造成全球有數百萬人失去寶貴生命的幫兇,許多國家的經濟崩潰,無數的公司倒閉,更多的人失去工作,他們的家庭也因此失去依靠,它也因此永遠改變了你我的日常生活。生活作息,工作,旅行⋯⋯全變了。住在在台灣的我們很慶幸的躲過了這一次的大災難,主要由於大家齊心協力對抗病毒,我們因此成為全球中少數倖免於難的國家。我們的日常生活大致人如以往一樣正常,但是大家對乾淨健康的空氣需求大幅增加,紛紛為家裡添購空氣清淨機,但由於一般大眾對空氣淨化技術的理解相對比較有限,因此在購買上常常會造成許多的困擾。於是我想利用自己過往購買的經驗與所收集的相關資訊做整理跟大家分享,針對市面上各種主要空氣清淨機淨化技術做一系列的介紹,希望可以對想要購買空氣清淨機的朋友有所幫助。第一篇,我們將以光觸媒淨化技術為開始,主要因為它可以有效殺死 COVID-19 病毒,希望在此時此刻可以對大家立即有所幫助。

什麼是光觸媒?

觸媒,是指一種可以促進化學反應進行的物質,但觸媒本身在反應前後並不會改變或減少。所以光觸媒顧名思義就是可以利用光作為能量來源,在光觸媒材料表面上進行觸媒反應,其中整體效能最好也最成熟的材料便是「奈米二氧化鈦光觸媒」了。

光觸媒材料在適當波長光的照射下,可將光能轉變成化學能,促進有機物的合成或分解,這種過程稱為光觸媒反應。利用這樣的光觸媒反應,可以分解一些污染物質、去除空氣中的臭味或分解水中的雜質,進而達到去污、除臭、淨水等功效,是具有相當發展潛力的綠色環保材料。

光觸媒的發現

光觸媒最早是由日本東京大學的藤嶋昭(Fujishima Akira) 教授在1972年發現,當時他發現二氧化鈦在紫外光的照射下,可以把水分子分解產生氫氣,因而發現二氧化鈦的光化學特性。日後更由於全球環保意識高漲,使得二氧化鈦的光觸媒特性引起世界各國的重視,在日本更是掀起研究熱潮。

光觸媒是如何作用的呢?

二氧化鈦(TiO2)光觸媒其實是一種半導體材料,本身具有兩種常見的晶體結構,分別為銳鈦礦(anatase)、金紅石(rutile),而銳鈦礦相的二氧化鈦具有較佳的光觸媒活性,因此大部分的光觸媒研究皆著眼於此。銳鈦礦相二氧化鈦的能隙大小約為 3.2電子伏特,相當於波長為 387.5 奈米(nm)光波的能量,故必須提供波長小於 387.5 奈米的紫外線光源,才能將二氧化鈦的電子自價帶激發至導電帶,使二氧化鈦產生光觸媒反應。(註:可見光範圍是 400∼700 奈米)

圖 銳鈦礦 (Anatase) 結構   圖 2 金紅石 (Rutile) 結構

當二氧化鈦光觸媒受到大於其能隙寬度的光線照射後,電子會從價帶躍遷至導電帶,因而產生電子-電洞對。其中電子e具還原性,電洞h+具氧化性,電洞會和二氧化鈦表面上的水分子反應成將氧化性極強的氫氧自由基‧OH(hydroxyl radical)是破壞力最強的自由基。電子則會和氧分子結合形成超氧離子‧O2– 和H2O2,其中H2O2則會再被反應行成氫氧自由基。活潑的‧OH自由基和超氧離子可以把有機物分解並轉換為二氧化碳和水,達到淨化效果。

因為二氧化鈦光觸媒的超強分解有機物能力與其超親水性的性質,所以具有抗菌、防污、除霧、脫臭、淨水、抗癌等 六大功用。故在日本有「夢幻材料」之稱。

奈米光觸媒的應用

生活上光觸媒的應用非常廣泛,有水質的淨化,空氣的淨化,殺菌,以及防污清潔等用途,本文我們的介紹將以空氣的淨化為主題,介紹光觸媒如何去除有機屋染物以及如何殺死細菌、病毒等生物類污染源。圖一簡述奈米光觸媒的淨化作用原理。

  1. 空氣淨化
    氨、硫化氫、甲苯,甲基硫醇、甲醛,乙醛等是我們生活環境中的主要惡臭物質,會使人們聞到臭味與不適。光觸媒經過紫外光照射後產生自由基可以用來將空氣中的有機污染物分解成二氧化碳與水。其他如汽車排放的氮化物、二氧化硫等廢氣亦可直接用光觸媒去除。
  2. 防霉抗菌
    以光照射二氧化鈦能夠產生氧化力強的自由基,能夠破壞細包膜將細菌殺死抑制細菌的生長,也能將細胞中的酵素分解,降解毒性。常應用於空氣淨化,衛浴磁磚、刀具、刀板及建築材料上,可以產生防霉、抗菌的功效,降低細菌傳染率。
光觸媒淨化原理

有光觸媒空氣清淨機嗎?

目前國內的空氣清淨機品牌仍以 HEPA 濾網為主,光觸媒淨化屬於輔助方面的角色,不像國外已有許多以光觸媒分解技術為核心的空氣清淨機,並且應用於大型醫療相關場域。(如 Molekule),這點非常可惜。因為根據理想空氣淨化方程式(簡單過濾+有效分解+循環淨化=乾淨空氣我們知道「有效分解」是空氣淨化過程中非常重要的一部分(可參考這一篇文章「一次就選對你要的空氣清淨機!」)。因為利用光觸媒的光分解特性,來分解有機污染物及殺死細菌病毒是目前最有效且環保的空氣淨化方式,所以希望能有更多的廠商加入技術開發的行列,造福大眾。

註:搜尋目前國內的空氣清淨機廠商,發現只有一家台灣在地的光觸媒空氣淨化器品牌公司,專注於光(觸媒)引擎技術開發,深耕台灣 100% MIT 生產製造的新創公司,已知有商品化相關產品上市以及可與國際品牌競爭的技術,值得持續關注其發展。

未來發展性

理想空氣淨化方程式簡單過濾+有效分解+循環淨化=乾淨空氣),得知有效分解是淨化空氣的最重要步驟。光觸媒其超強的氫氧自由基與超氧離子幾乎可以分解所有的有機污染物質及殺死細菌病毒與降解其毒性!因此在環保意識抬頭與病毒肆虐的今日,同時具有環保與光分解光殺菌特色的光觸媒空氣淨化技術,是最具有未來發展濳力的空氣淨化技術。