第十四卷 第一期 - 2010年五月二十一日 PDF
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乙醇酸(HOCH2COOH)在二氧化鈦上的化學反應
國立成功大學理學院化學系教授
 
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氣污染防治是環境保護的主要課題之一,散佈在大氣層中的有機氣膠微粒含有不少的羧酸分子,報導指出這些有機成分中有3.6%是乙醇酸分子[1]。二氧化鈦是一化學穩定的半導體,可用來當作光觸媒以降解有機分子。當二氧化鈦吸收具有比它能帶隙更大能量的光分子時,會將價帶中的電子提升至傳導帶,所產生的電子-電洞對會引起吸附在二氧化鈦上有機分子的反應。這篇文章呈現乙醇酸/二氧化鈦基礎的相互作用結果,包括吸附,熱變化和光分解。

圖一、溫度相關的乙醇酸/二氧化鈦紅外光譜
本研究所用二氧化鈦粉末是附著在精密的鎢網上,並被置於可做原位址紅外光譜分析的樣品槽中,以便研究乙醇酸與二氧化鈦的相互作用。乙醇酸吸附在二氧化鈦表面(35 ˚C)以及後續加熱所得的紅外光譜呈列在圖一中。在35 ˚C的光譜中,一些特性吸收峰透露出乙醇酸分解後所生成的表面物種,圖二( a )和( b )列出這些吸附物的結構和它們相對應的紅外線頻率。增溫至150 ˚C引起在1420,1563和1756 cm-1位置的吸收增強,這些位置的吸收峰在乙醛酸( HCOCOOH )/二氧化鈦的作用中也曾出現過,這組吸收峰是來自圖二( c )的結構,然而這組吸收峰在275 ˚C時幾乎消失。此溫度下,主要的吸收峰出現在1360,1386,1563,2836,2895,2933和2954 cm-1,它們是來自甲酸根( HCOO )和甲氧基( CH3O )[2,3],見圖二( d )和( e )。
圖二、不同溫度下,乙醇酸在二氧化鈦上分解後生成的物種
圖三、乙醇酸/二氧化鈦於氧氣中光照前後所測得的紅外光譜

於325nm光照和氧氣存在下,乙醇酸會在二氧化鈦表面上進行光分解。紅外光譜分析的結果呈列在圖三中。光照射引起在1329,1356,1438,1540,1575,2362,2886和2955cm-1位置的紅外吸收增加,這些吸收峰是來自甲酸根、二氧化碳和碳酸根等。圖四列出乙醇酸光降解的路徑。

有效地使用光觸媒,例如二氧化鈦,分解有機分子端賴對有機分子-二氧化鈦基本相互作用的了解。本篇報導呈現有趣的乙醇酸( 同時具醇基和羧酸基的分子 )和二氧化鈦互相作用的結果。
圖四、乙醇酸於二氧化鈦上光分解路徑

參考文獻
  1. S.R. Souza, P.C. Vasconcellos, L.R.F. Carvalho, Atoms. Environ. 33 (1999) 2563.
  2. W.-C. Wu, C.-C. Chuang, J.-L. Lin, J. Phys. Chem. B 104 (2000) 8719.
  3. G. Busca, J. Lamotte, J.-C. Lavalley, V. Lorenzelli, J. Am. Chem. Soc. 109 (1987) 5197.
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