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科普講堂 4
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信用卡分類為: 普卡、金卡、白金卡及鈦金卡,其中
鈦金卡最為尊貴,如圖1。鈦(Titanium)化學符號Ti,原
子序22,是一種銀白色的金屬,其特徵為重量輕、強度
高、具金屬光澤,亦有良好的抗腐蝕能力。鈦最有用的
兩個特性是:抗腐蝕性及金屬中最高的強度-重量比。在
非合金的狀態下,鈦的強度和鋼相若,但卻輕很多,中
鋼公司積極發展鈦金屬,並推出鈦杯,如圖2.中鋼鈦杯。
鈦是西元1791年由格雷戈爾(R.W. Gregor)牧師,於英國康
沃爾郡發現,他把這項發現呈報給皇家地質學會,另外
寫了一篇論文發表在德國的科學雜誌上。4年後,由德國
化學家克拉普洛斯(M. H. Klaproth)確認此新元素並以希臘
神話泰坦(Titans)的名字命名為鈦(Titanium)。由於它的高
抗拉強度-密度比、優良的抗腐蝕性、抗疲乏性、抗裂
痕性及能夠抵擋高溫,鈦合金被用於航空太空工業。生
產波音737/ 777及787等客機及空中巴士客機,要用到大
量的鈦金屬。日常生活中鈦金屬可用於眼鏡框架,表面
鍍上氮化鈦(TiN)薄膜成黃色,氮化鈦具有耐磨抗刮痕等
特性圖3鈦金屬眼鏡框架。
鈦的化合物二氧化鈦(TiO2)最常使用於日常生活中,
如圖4二氧化鈦為白色粉末,可用於製造白色顏料,日常
生活中二氧化鈦可用於牙膏、白色修正液、油墨顏料、
塑膠添加物,化妝品及食品添加物等生活必需品中。21
世紀以來「環境保護」及「綠色能源」已成為全球人類
最迫切需要創新的二大議題,最近幾年世界各地的研究
機構無不積極地投入人力及物力資源以進行研發。其中
用於日常生活中傳統二氧化鈦的尺寸主要介於300奈米至
600奈米間,呈現白色粉末。科學家發現奈米二氧化鈦
的尺寸介於 15奈米和25奈米間,呈現透明薄膜並且具有
光觸媒特性,奈米二氧化鈦為感光性半導體,能夠吸收
小於 436奈米波長的紫外光電磁幅射,其介於價電子帶
( Valence Band)和傳導電帶( Conductivity Band)的能量差
異為3.05電子伏特。奈米二氧化鈦吸收紫外光後會產生
電子激發從價電子帶轉移至傳導電帶,電子激發後留下
的電洞(Electron Hole )則向相反方向移動,奈米二氧化鈦
固體表面的氧化還原反應(Redox Reaction)因此產生。奈
米二氧化鈦光觸媒在紫外光電磁幅射光源照射下利用特
定波長光源的能量來催化產生氧化還原反應作用,使周
圍之氧氣及分子激發成具有活性的.OH 及.O2 自由離
子基,這些氧化力極強的自由基離子能夠分解對人體或
環境有害的有機物質及部份無機物質。製造氧化威力強
大的自由基能使奈米二氧化鈦光觸媒具有抑菌、殺菌、
無毒性、脫臭、親水及自潔等特性,促成奈米二氧化鈦
日常生活中不能沒有"鈦"施錫龍
國家奈米元件實驗室/微影光罩組
圖 1 信用卡分類為 : 普卡、金卡、白金卡及鈦金卡,其中鈦金卡最尊貴。
奈米通訊NANO COMMUNICATION 22卷 No.4
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日常生活中不能沒有"鈦"
光觸媒成為理想環保產品。光觸媒能有效防止煙塵、花
粉、細菌、病毒、有害氣體的危害。以光觸媒產生的強
效氧化作用,去除捕捉到的浮游細菌,去除率高達百分
之九十九。而光觸媒產生強效氧化,使通過光觸媒的空
氣中病毒的蛋白質氧化變質,如此可以讓病毒不具活性
化,抑制病毒活動。並可分解汽車排出的廢氣、油漆及
裝潢材料發出的建材異味,去除有害氣體,並且可以除
臭。奈米二氧化鈦光觸媒具有氧化還原功能,結合太陽
光能以環境保護為主要訴求[1-3]。
奈米二氧化鈦光觸媒可應用於殺菌除臭及防污方
面,包含吸附,光化學反應及脫附等反應機構。奈米二
氧化鈦光觸媒將有毒有機化合物去除可以如下化學反應
來表示:
Organic molecules → CO2 + H2O
Organic N-compounds → HNO3 + CO2 + H2O
Organic S- compounds → H2SO4 + CO2 + H2O
Organic Cl- compounds → HCl + CO2 + H2O
圖5表示奈米二氧化鈦光觸媒是在光源照射下利用特
定波長光源的能量來產生催化作用的反應機構。
瑞士科學家格雷策爾(Gratzel)教授[4]於西元1991年採
用奈米結構的二氧化鈦電極材料及可見光吸收染料,產
生光電效率超過百分之十二的太陽能電池。奈米二氧化
鈦染敏太陽能電池的工作原理主要結合奈米二氧化鈦電
極與可見光吸收染料而製造出高效率電子轉移介面的元
件,避開傳統太陽能電池需要昂貴半導體晶圓材料,可
說是第三代太陽能電池。此類型太陽能電池的工作原理
是藉由染料做為可見光吸收光材。染料中價電層電子受
圖 2 中鋼公司鈦杯。
圖 3 鈦金屬眼鏡框架,表面鍍上氮化鈦薄膜成黃色。
圖 4 二氧化鈦白色粉末。
圖 5 奈米二氧化鈦光觸媒是在光源照射下利用特定波長光源的
能量來產生催化的作用 [5]。
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html光激發,氧化鈦跳躍至高能階層,進而傳導至奈米二氧
化鈦半導體的導電帶,再經由電極引至外部。失去電子
的染料則經由電池中碘及碘化鉀電解質得到電子,電解
質是由碘(I) 及碘離子(I3+)溶解於有機溶劑中形成。此型電
池的結構為三明治結構,上下均為玻璃,玻璃內面則為
導電層。奈米二氧化鈦染敏太陽能電池的元件結構如圖6
所示。
氮化鈦(TiN)塗層廣泛用於金屬表面以保持機械模具
的耐腐蝕性,如鑽頭和銑刀,氮化鈦薄膜可用於微電子
領域,作為半導體元件金屬接點之間的導電阻擋層。而
將薄膜擴散到金屬矽中,它的電導率(30-70μΩ•cm)
足以形成良好的導電連接。這種特殊的導電阻擋層還具
有陶瓷的化學及機械性能,此技術大量用於當前的奈米
晶片設計中以提高電晶體的性能。圖7為氮化鈦(TiN)在半
導體元件金屬接點之間的導電阻擋層示意圖。
由於鈦的生物相容性(無毒及不被人體排斥),鈦在醫
學上有廣泛應用,鈦有一種固有的骨骼融合特性,使得
鈦製的牙科植入物能在原位上逗留30年。這種特性對整
形植入物而言亦相當有用。使用鈦的好處還有鈦較低的
彈性模數(楊氏模數),與骨較為接近,植入物是以修補骨
骼為目的而設計。因此骨骼負重會更平均地分布於骨及
植入物之間,這樣會減低骨質流失的機會,圖8.為鈦金屬
用於人工假牙。
參考資料
[1] Taoda Hiroshi 著,張晶,楊健 譯(2003),光觸媒圖
解,城邦文化事業股份有限公司,台北市。
[2] ht tp : / /203.145.193.110/NSC_INDEX/Journa l /
EJ0001/9304/9304-10.pdf
[3] http://ejournal.stpi.narl.org.tw/NSC_INDEX/Journal/
EJ0001/9411/9411-09.pdf
[4] https://en.wikipedia.org/wiki/Michael_Gr%C3%A4tzel
[5] http://www.photocatalyst.co.jp/
[6] http://pv.energytrend.com/knowledge/DSSC_20111202.
圖 7 氮化鈦 (TiN)在半導體元件金屬接點之間的導電阻擋層示意
圖。
圖 6 奈米二氧化鈦染敏太陽能電池的元件結構 [6] 。
圖 8 為鈦金屬用於人工假牙。