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託夢而來的奈米光觸媒 清大化工新研究

這是一個關於祖先有保佑而作出厲害研究的故事:製程是夢到的、氧化物是意外合成出來、該氧化物目前找不到五篇相關文獻(甚至資料庫裡沒有資料可比對),但可能是用途廣泛的材料。

這個集戲劇性於一身的材料是「錫鐵氧化物(SnFe2O4)」。清華大學化學工程系教授呂世源所帶領「奈米材料與奈米結構實驗室」的博士後研究員李冠廷研究「錫鐵氧化物(SnFe2O4)」的應用,發現它能快速分解污水中的有機物(降解速率為已知文獻第三快),論文並刊登於今年五月的國際學術期刊「材料化學期刊(Journal of Material Chemistry A)」。

李冠廷強調,這不是首度發現一個新的氧化物,過去就有人發現這材料了,只是不知為何乏人問津。李冠廷的研究重點在於發掘了它的應用面。錫鐵氧化物除了能快速分解有機汙水,初步測試用於生質能源、殺菌與處理空汙的效果也相當不錯,「有廣泛用途的材料並不常見。」李冠廷說。而一位審查此論文的科學家也稱此類成果可能會是廢水處理的領先研究。

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李冠廷與錫鐵氧化物。圖/劉珈均攝。

致力研究汙水處理 夢中想出新製程

李冠廷本身致力於以「高級氧化程序(Advanced Oxidation Process, AOP)」處理有機汙水,「基本上就是利用所產生的活性基,把廢水裡的有機物斷鏈,」李冠廷說:「你可以想像一個武士,拿著刀劍(活性基,free radical)斬斷有機物。」(註1)

汙水通常含有固體物、有機物、致病菌、重金屬、營養鹽等,必須交互運用物理、化學及生物方式處理。例如固體物用過濾;無法分解的金屬可用吸附方式移除;有些則須添加化學物讓目標與之反應、沉澱。汙水也常見有機物,有機物可被分解,「因為它是碳氫氧的組合,可以被斷鏈,剩下最終產物如:二氧化碳、氧氣、氫氣或水。」

但有機物分子鏈很長、狀態穩定而不好處理,AOP可說是幫助產生斷鏈有機物的「活性基兵器」的程序,為近十年盛行的新式技術。煉成兵器的方式有許多種,利用光觸媒材料是其一,有些光觸媒材料是半導體,當材料顆粒的尺寸縮小到5奈米以內,就有機會透過改變材料「粒徑大小」以控制「能隙結構」,適當的能隙結構大小與位置,就能有效產生活性基,繼而加強汙水處理的效能(註2)。

簡單而言,兵器充足,打仗才有效率(否則就要學諸葛亮要辛苦借箭),而要產生充足的活性基兵器,關鍵就在控制半導體材料的顆粒大小,只是過去控制能隙的製程大部分都須在高溫高壓下進行,耗時且不易操作。

2013年李冠廷從事另一項研究時,發想如何在常溫常壓下就能改變半導體氧化物能隙大小的製程,他苦思許久,想出了一個簡便的方法,原理看起來像複雜的三角戀情:瓶中裝著有機溶液氯仿,酒精與原料混合後倒入(原料不溶於氯仿但溶於酒精),接著加入水,水與有機溶劑不相溶,因此會像油水分層般形成兩層液體。而倒入水後,原本溶於有機溶劑的酒精因為更喜歡水,會帶著原料往上跑,奔向位在上層的水的懷抱,原料經過兩種溶液界面的瞬間就會跟水反應,析出所要的小尺寸顆粒氧化物。

若覺得水、氯仿、酒精、原料的多角關係太複雜,直接看影片吧:

「這作法很簡單,說不定以後中學作實驗會用到。」怕說出來大家不相信,李冠廷猶豫了一下才透露幕後花絮,「這製程其實是夢到的!」他說:「有時候其實答案就在腦袋裡了,但你怎樣就是不會看到,放鬆一下它就跳出來了。」

「兩個嬰兒變成連體嬰」 意外合成錫鐵氧化物

上述製程是在進行其他研究的過程中「巧合」而生,這製程後來又意外催生了本研究的主角錫鐵氧化物。李冠廷原打算合成錫鐵的複合物,結果卻毫無預警地合成出尖晶石結構的錫鐵氧化物,「本來要兩個嬰兒手牽手就好,卻得出一個連體嬰。」李冠廷形容。

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錫鐵氧化物粉末,其為奈米級顆粒,約3nm左右。李冠廷說,他曾好玩把粉末加入沐浴乳揉搓,發現產生的泡泡不太會破。圖/劉珈均攝。

「尖晶石結構」乍聽下腦中會浮現礦石或水晶的美麗樣貌,但這與水晶礦石的美貌無關,而是一種化合物排列結構方式(註3),其化學通式為「XY2O4」,錫鐵氧化物「SnFe2O4」正符合此通式規則。

「我合出來的時候還想說這到底是什麼。」李冠廷要確認這意外得出的東西為何物時,發現連JCPDS資料庫(元素繞射圖譜資料庫,Joint Committee on Powder Diffraction Standards)都沒有收錄,經過一番晶體繞射實驗、分析元素,確認為錫鐵氧化物。查找論文時也發現,過去有人在高溫高壓下合成出這東西,但相關論文卻不到5篇。

研究一路以來連續遇到美妙巧合,李冠廷笑著說,最大感想是大概上輩子燒好香,祖先有保佑吧。

小兵立大功 小小光觸媒的驚人魅力

李冠廷好奇把這錫鐵氧化物用在自身長期研究的廢水處理,發現它能快速分解水中的有機物。調控適當光觸媒配比,數分鐘內就能將1.2ppm濃度的有機染料廢水清除光,降解速率為已知文獻排名第三快;在相同濃度之下,有的材料要花半小時至一小時才能將有機物清除乾淨。此外,錫鐵氧化物具有磁性,「處理完後還可以用電磁鐵把它吸回來,處理下一批汙水。」李冠廷轉述,投稿期刊後,一位審查委員稱此類成果可能會是廢水處理的領先研究!

「電鍍廠(的廢水)包含了大量金屬,有機物含量較少,但這類型之外很多都是有機廢水。」例如染料廠、家戶廚餘等皆是,錫鐵氧化物的潛在應用範圍廣泛。除了用以分解污水,初步測試錫鐵氧化物用於殺大腸桿菌、分解線香煙霧也有不錯的效果(具有分解空汙粒子的潛力),但確切效果到哪裡還得投入更多研究。李冠廷說,實驗室也已嘗試其他尖晶石結構,有些效能甚至比錫鐵氧化物更好,不過他故作神祕的說,這部分得先保留,待日後公布!

錫鐵氧化物處理有機廢棄物的對照圖,左為處理前,右為之後。0.2公克左右的長纖維拭淨紙置於12毫升的水中,黃色水溶液為光觸媒顏色;照射太陽光約30分鐘後,可將固態廢棄物分解乾淨(右),底層的黃色光觸媒沉澱物可用磁鐵回收重復使用。圖/李冠廷提供。

 

 

  1. 一般來說,可作為斬斷有機物分子的活性基包含「OH·」、「HO2·」等。
  2.  精確而言,光觸媒是催化反應(而不是自己跳下去反應、分解有機物),水中有機物能分解,端賴光觸媒產生的活性基。光觸媒吸收光能後,會產生電子與電動對(electron-hole pair),並躍遷至能隙結構中的導帶(conduction band)與價帶(valence band),進而產生活性基。光觸媒的能隙越大,吸收波長範圍越偏紫外光,反之,則趨向可見光。例如普遍使用於化妝品與防曬乳的二氧化鈦(TiO2,俗稱鈦白粉),其能隙大小約3.2eV,能吸收的波長範圍是紫外光。
  3. 尖晶石結構(spinel structure)的化學式通式為「XY2O4」,X是+2價的陽離子,Y是+3價的陽離子。常見的尖晶石結構化合物如:Fe3O4、ZnFe2O4、 MgFe2O4等,由於其磁吸特性、高催化活性與吸收可見光能力等, 廣泛應用在太陽能電池之電極材料、超級電容器、產氫材料、生醫材料、殺菌材料、汙水處理材料等。

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關於作者

PanSci 特約記者。大學時期主修新聞,嚮往能上山下海跑採訪,因緣際會接觸科學新聞後就不想離開了。生活總是在熬夜,不是趕稿就是在屋頂看星星,一邊想像是否有外星人也朝著地球方向看過來。