范明順 - Pham Minh Thuan

- 論文題目: 應用光催化劑、光催化複合材料和光催化薄膜去除氮氧化物之研究：毒性、穩定性和機制的探討

- Doi: orcid.org/0000-0002-6069-445X

- 摘要: 

    氮氧化物空氣污染物（其中二氧化氮是主要成分）由於對人類健康和環境產生影響而引起關注並成為環境挑戰的課題，因 NO 是一種高反應性氣體，有助於形成二氧化氮 (NO2)，二氧化氮是霧霾的關鍵成分，也是臭氧和懸浮微粒等二次污染物的前驅物質，接觸氮氧化物可能與兒童呼吸系統疾病、心血管疾病和肺部發育受損有關，因此如何有效控制氮氧化物是一重要議題。
    去除氮氧化物污染物有多種方法，包括化學洗滌、催化還原和吸附。 然而，光催化方法因其在相對較溫和條件下操作，大大減少能源消耗和營運成本而成為一種有展望且環保的方法； 是一種永續的綠色處理方法。 然而，大多數光催化劑具有高能帶隙，在可見光或太陽光下較不活躍，並且具有快速的電子空穴 (e– – h+)複合率。 g-C3N4 和 ZnSn(OH)6 (cZHS) 都是潛在的光催化劑，但仍然存在上述缺點。 本研究重點是對 g-C3N4 和 ZnSn(OH)6 (cZHS)進行改質，以增強其在可見光或太陽光下的光催化性能，同時測試與這些光催化劑相關的毒性，強化其永續綠色處理特性。 研究利用 g-C3N4 與商用 MgO 和 TiO2 結合構建異質結結構，以提高可見光下光催化去除 NO 的能力， 此外，貴金屬（Au和Ag納米顆粒）被應用於太陽光下的表面電漿共振（SPR）增強鈣鈦礦ZHS的光催化NO去除能力。 研究整合新穎的DeNOx指數方程式，計算和比較單一催化劑（TiO2、MgO、g-C3N4、cZHS、Bi2S3）和複合光催化劑（TiO2@g-C3N4、MgO@g-C3N4、Ag@Bi2S3, Au:cZHS, Ag:cZHS) 的副產物毒性。此外，研究進一步應用在PES膜上採用冷電漿和PAA接枝來構建光催化膜，以供未來的實際應用。實驗結果顯示，在可見光下，MgO/g-C3N4、TiO2/g-C3N4、Au:ZHS和Ag:ZHS樣品對NO的光催化效率均達到75%~90%的去除率，且副產物毒性較低。 相比之下，單一光催化劑在可見光下的NO去除率僅在62%-72%之間，且副產品的毒性測試亦較高。此外，cZHS、Au:cZHS 和 Ag:cZHS 在太陽光下亦展現了 57%-87% 的光催化 NO 去除率，同時亦顯示出副產品的低毒性。 比較DeNOx指數，單一光催化劑的副產物毒性高於複合光催化劑，其中TiO2@g-C3N4和MgO@g-C3N4表現出良好的性能，且TiO2@g-C3N4/PAA/PES 膜（83%）優於 MgO@g-C3N4/PAA/PES 膜（73%），值得注意的是，TiO2@g-C3N4/PAA/PES膜亦呈現出較高的可重複使用性，五次循環後效率測試僅下降2.4%。 採用XRD、FTIR、SEM-EDS、TEM、XPS、BET、UV-Vis DRS、ESR等多種先進技術對光催化劑和光催化膜進行了特性分析，結果顯示這些光催化劑都已成功製備，具有優異的性能，結果亦顯示製備方法對光催化劑的性能影響不大。 DRS光譜顯示異質結合和SPR降低了光催化劑的能帶隙和e– – h+ 複合率，BET結果證實電荷分離是光催化性能的主要影響因素。 若考量較低的製備成本和優異的光催化活性，TiO2@g-C3N4/PAA/PES膜的製備和應用可優先列入光催化實廠應用的選擇，這些發現為開發應用於去除空氣污染物的高性能光催化劑以及對其總體毒性的評估提供了重要的參考資訊。

關鍵詞: 可見光/太陽光光催化、光催化膜、NOx 去除、DeNOx 副產物毒性指數、石墨氮化碳、ZnSn(OH)6 複合光催化劑、異質結機理、表面等離子體共振