NSC95-EPA-Z-007-001

三 、 文 獻 探 討
常 用 的 CO 2 處 理 技 術 有 物 理 方 法 ( 物 理 吸 收 / 吸 附 法 )、 低 溫 冷 凝 法 、 薄 膜 分 離 法 、
化 學 吸 收 法 、 生 物 固 定 法 、 以 及 觸 媒 還 原 法 , 而 本 子 計 畫 所 使 用 的 二 氧 化 碳 固 定 技 術 為
觸 媒 還 原 法 , 又 稱 觸 媒 轉 化 法 。 傳 統 的 觸 媒 催 化 方 法 還 原 CO 2 是 在 高 溫 高 壓 下 (1000K,
2~4MPa) 進 行 , 以 金 屬 鎳 做 為 催 化 劑 , 整 個 過 程 為 吸 熱 反 應 , 相 當 的 耗 能 。 若 使 用 光 觸
媒 催 化 , 可 在 常 溫 常 壓 下 進 行 , 整 個 過 程 可 以 視 為 利 用 太 陽 能 將 CO 2 轉 化 。 其 原 理 是 藉
由 外 加 光 源 激 發 觸 媒 價 帶 內 的 電 子 躍 遷 至 傳 導 帶 , 使 觸 媒 表 面 形 成 電 子 電 洞 對 進 行 氧 化
還 原 反 應 。 依 照 使 用 的 半 導 體 種 類 , 會 有 不 同 的 能 隙 值 , 造 成 光 觸 媒 的 活 性 差 異 。
從 1979 年 開 始 , 陸 續 有 許 多 使 用 具 有 光 催 化 效 果 之 半 導 體 來 還 原 CO 2 的 研 究 , 例 如
1979 年 Inoue et al. 在 水 溶 液 進 行 光 催 化 還 原 CO 2 ,Kaneco et al. 在 1997 年 以 液 態 CO 2 ,1998
年 以 高 壓 CO 2 , 作 為 光 催 化 的 反 應 起 始 物 , 並 且 說 明 了 CO 2 的 還 原 如 果 沒 有 提 供 電 子 的
角 色 存 在 是 沒 有 辦 法 發 生 的 。
3-1 光 觸 媒 反 應 催 化 CO 2 之 原 理 與 機 制
光 催 化 最 重 要 的 程 序 是 光 致 電 荷 分 離 , 以 及 後 續 由 分 離 的 正 負 電 荷 引 起 的 催 化 作
用 。 最 困 難 的 問 題 在 於 分 離 的 正 負 電 荷 會 快 速 的 再 結 合 , 必 須 克 服 這 個 問 題 才 能 達 到 有
效 的 光 催 化 作 用 。 因 為 這 個 問 題 , 許 多 研 究 , 特 別 是 可 見 光 的 能 量 轉 換 系 統 , 仍 停 留 在
使 用 昂 貴 的 犧 牲 劑 , 作 為 授 與 電 子 或 捕 捉 電 子 , 以 避 免 電 荷 再 結 合 。 所 以 一 個 有 效 的 光
觸 媒 至 少 應 具 備 兩 項 特 性 : 一 為 容 易 產 生 電 子 電 洞 對 , 此 意 味 著 僅 需 較 低 能 量 的 光 源 ,
即 能 驅 動 整 個 光 催 化 反 應 ; 二 為 激 發 的 電 子 能 有 效 的 分 離 , 不 易 與 電 洞 再 重 新 結 合 。
近 年 來 , 光 觸 媒 在 催 化 還 原 CO 2 的 研 究 日 趨 重 要 , 以 TiO 2 為 例 , 其 半 導 體 特 殊 的 電
子 結 構 、 光 吸 收 特 性 、 電 荷 傳 輸 性 質 及 在 激 發 態 時 之 生 命 週 期 等 性 質 , 加 上 無 毒 、 穩 定
及 便 宜 等 特 點 , 在 光 催 化 反 應 中 應 用 最 為 廣 泛 , 但 這 些 反 應 多 需 要 在 紫 外 光 照 射 下 才 有
較 佳 的 效 果 , 這 是 因 為 要 使 TiO 2 的 電 子 由 價 帶 (valence band) 跨 越 能 隙 (band gap) 躍 遷 至
導 帶 (conduction band) 的 能 隙 寬 度 為 3.2 eV, 其 對 應 的 波 長 為 380 nm, 而 此 波 長 正 屬 於
UV 光 的 波 長 範 圍 。 換 言 之 , 只 有 使 用 波 長 小 於 380 nm( 即 能 量 大 於 3.2 eV) 的 光 源 , 才
能 使 TiO 2 進 行 光 觸 媒 反 應 。 在 表 1 中 , 可 清 楚 地 觀 察 到 目 前 光 觸 媒 在 催 化 還 原 CO 2 的 研
究 上 所 使 用 的 光 源 波 長 仍 在 UV 光 附 近 。
CO 2 催 化 反 應 的 起 始 步 驟 為 半 導 體 或 光 觸 媒 照 光 , 產 生 電 子 電 洞 對 , 同 時 CO 2 在 水
溶 液 中 形 成 H 2 CO 3 , 並 進 一 步 解 離 出 碳 酸 根 離 子 CO 3 2- , 而 產 物 則 由 CO 2 、H 2 CO 3 或 CO 3 2- ,
分 別 與 電 子 以 及 H + 離 子 反 應 所 生 成 。 以 甲 醇 和 尿 素 為 目 標 產 物 , 將 詳 細 步 驟 整 理 如 表 2、
表 3 所 示 。
起 始 反 應
表 2 光 觸 媒 催 化 CO 2 生 成 甲 醇 之 反 應 機 制
SC/PC e - + h +
CO 2 + H 2 O H 2 CO 3 2H + + CO 3
2-
E vs. NHE
NA
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