TWI409101B - 一種可見光答應之碳摻雜二氧化鈦光觸媒及其用於去除乙烯的使用方法 - Google Patents
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Description
本發明係有關一種應用於水果農產品保鮮之可見光答應之二氧化鈦光觸媒及其用途，尤關一種可見光答應之碳摻雜二氧化鈦光觸媒及其用於去除乙烯的使用方法，其應用於在水果在熟化過程中所釋放出的乙烯之降解。
乙烯為一種由植物產生之荷爾蒙影響植物熟化，貯藏環境中乙烯之累積會誘導水果成熟、增添風味、葉綠素減少及提高病害之發生率。蔬果於採收後儲存若未能適當處理，將造成蔬果腐敗、損耗，使生產時所投入之勞力、土地、物質與資本等生產成本之效益降低。
目前對於延長水果保鮮時間之方法分為物理、化學、生物三大部分。物理方法，改變環境之溫度、氣體組成；二是化學方法，改變水果基因，依水果特性不同進行不同之基因轉植或以化學藥劑抑制水果產生乙烯，使其不易在運送過程中腐爛；三是生物方法，以生物取代物化材料進行降解反應，減少貯藏環境之乙烯濃度，以達延緩熟化之效果。由於上述傳統方法效果不彰，又基因轉植及化學藥劑，對人體健康之影響與否仍存有疑慮。
目前研究指出，光催化劑在適當環境下可長期持續作用不需更換，適於水果採後儲藏環境(postharvest environment)中乙烯的移除。而二氧化鈦光催化劑更可摻雜非金屬之不純物使原本只能於紫外光下運作之二氧化鈦可於可見光之照射下進行光催化氧化反應，但目前多數研究僅針對單一鍛燒控制溫度或單一碳摻雜量對二氧化鈦光催化材料之特性作分析，並無完整針對探討鍛燒控制溫度變化及碳摻雜量變化兩項因子對碳摻雜二氧化鈦(C-doped TiO2
)材料之特性的研究，且進而以乙烯為研究目標降解物。
為提升蔬果保鮮品質，其採收後之貯藏與運送之過程亦需要完善之配套措施，目前為降低蔬果中乙烯之釋放及出最佳的蔬果保鮮方式，實為目前蔬果保鮮的重要解決問題。
為解決現有水果在採收後因熟化而產生乙烯，於貯藏與運送過程因乙烯之累積會誘導水果成熟、腐化，而現有延緩熟化之技術效果不彰且仍存有安全性疑慮。目前光催化劑在適當環境下可長期持續作用不需更換，適於水果採後儲藏環境中乙烯的移除。本發明利用二氧化鈦光催化劑可摻雜非金屬之不純物使原本只能於紫外光下運作之二氧化鈦可於可見光之照射下進行光催化氧化反應的特性，提供一種碳摻雜之可見光答應二氧化鈦之最佳合成比例及其使用方法。
本發明係提供一種可見光答應之碳摻雜二氧化鈦光觸媒，其包含碳摻雜的二氧化鈦，而該碳摻雜的二氧化鈦中二氧化鈦與碳的重量比例為99.5: 0.5。
較佳的，本發明所述之可見光答應之碳摻雜二氧化鈦光觸媒，其中該碳摻雜的二氧化鈦藉由下列方式製得：準備一四丁氧基鈦(titanium tetrabutoxide，TBT，又稱鈦四丁醇)溶液、一葡萄糖溶液及一乙醇溶液；將該四丁氧基鈦溶液及該葡萄糖溶液加入乙醇溶液充分混合且完全反應，以獲取完全反應的四丁氧基鈦溶液、葡萄糖溶液及乙醇溶液；乾燥鍛燒已完全反應的四丁氧基鈦溶液、葡萄糖溶液及乙醇溶液並獲得一碳摻雜之可見光答應二氧化鈦。
較佳的，本發明所述之可見光答應之碳摻雜二氧化鈦光觸媒，其中四丁氧基鈦含量約為0.05莫耳。
較佳的，本發明所述之可見光答應之碳摻雜二氧化鈦光觸媒，其中葡萄糖含量介於0.001~0.150莫耳之間。
較佳的，本發明所述之可見光答應之碳摻雜二氧化鈦光觸媒，其中乾燥鍛燒控制溫度係介於400~600℃。
較佳的，本發明所述之可見光答應之碳摻雜二氧化鈦光觸媒，其中最佳乾燥鍛燒控制溫度為400℃。
較佳的，本發明所述之可見光答應之碳摻雜二氧化鈦光觸媒，其中含碳摻雜量的二氧化鈦的晶相結構為銳鈦礦(anatase)。
較佳的，本發明所述之可見光答應之碳摻雜二氧化鈦光觸媒，其中含碳摻雜量的二氧化鈦的能隙為2.94eV。
本發明係提供一種可見光答應之碳摻雜二氧化鈦光觸媒使用於去除乙烯的使用方法。
依據本發明，去除乙烯為水果保鮮的方法，其包含於一儲存水果之空間中，利用可見光答應之碳摻雜二氧化鈦光觸媒吸收乙烯，藉以延緩水果之組織老化。
另一方面，本發明係提供可見光答應之碳摻雜二氧化鈦使用於去除乙烯的使用方法，其係包括有下列步驟：令如前述已合成的碳摻雜之可見光答應二氧化鈦光觸媒材料置入一光催化反應系統，該光催化反應系統由一動態氣體控制設備、一光催化反應器及一氣相層析儀(gas chromatography，GC)三部分組成；一動態氣體控制設備，用以通入一含有乙烯的氣相汚染物；一光催化反應器，其內部置入該碳摻雜之可見光答應二氧化鈦光觸媒材料，且調設該光催化反應器之波長於可見光範圍；通入氣相汚染物於該光催化反應器內，且以氣相汚染物中之初始乙烯濃度對一系列於不同鍛燒控制溫度之不同碳摻雜量變化之二氧化鈦進行光催化。
較佳的，本發明所述之可見光答應之碳摻雜二氧化鈦光觸媒材料的使用方法，其中調設該光催化反應器之偵測波長範圍>400nm。
本發明提供下列優點及其功效：
1.利用碳摻雜之可見光答應二氧化鈦之方法，研究出不同碳摻雜量在不同鍛燒控制溫度之最佳合成比例，得到碳摻雜二氧化鈦光觸媒材料之結構及特性，其中二氧化鈦與碳的重量比例為99.5:0.5，為0.5%碳含量，將原本二氧化鈦光催化劑只能於紫外光下運作之二氧化鈦可於可見光之照射下進行光催化氧化反應，提升光能源使用效率。
2.利用本發明之不同碳摻雜比例的二氧化鈦光觸媒材料進行光催化試驗，乙烯於不同摻雜比例及不同鍛燒控制溫度下對乙烯可見光降解效率，結果顯示合成之碳摻雜比例之二氧化鈦樣品均可以在可見光下去除乙烯，且合成出具有最佳碳摻雜比例及最佳降解乙烯效果的摻雜碳之二氧化鈦，表示適合用於水果採收後儲藏環境中乙烯的移除，且有效保持水果農產品的新鮮度及延緩組織老化，有效延長水果採收後的保鮮時間，把關食用者健康及提升經濟效益等優點。
本發明係提供一種碳摻雜之可見光答應之二氧化鈦光觸媒及其使用方法。
本發明將由下列的實施例，進一步以乙烯為催化反應之目標物作為探討對象說明可見光答應之二氧化鈦光觸媒最佳合成比例及碳摻雜二氧化鈦之催化機制，並說明利用溶膠凝膠法自行合成所需材料，經由改變其鍛燒控制溫度及碳摻雜量，觀察兩實驗摻數對材料特性之影響相關性。然而該等實施例係用以說明本發明之技術特徵，並非用以限制本發明之範圍於該等實施例。熟知本發明之技藝者，可以做些許的改良與修飾，但不脫離本發明的範疇。
製備例1 溶膠凝膠法製備碳摻雜之二氧化鈦光觸媒
溶膠凝膠法製備材料的過程依序包括前驅物與碳源的混合、老化過程、乾燥作用及鍛燒過程等，碳源則以葡萄糖為首選。本發明使用溶膠凝膠法製備碳摻雜之二氧化鈦(C-doped二氧化鈦)光觸媒材料。製備步驟如圖1所示，取0.05莫耳四丁氧基鈦溶液(A)加入乙醇溶液，於磁石攪拌器上均勻混合，此時加入葡萄糖溶液(B)一同反應，混合攪拌30分鐘後，進行乾燥鍛燒，得到一碳摻雜之二氧化鈦灰色粉末。本發明藉改變葡萄糖添加量(0.001莫耳~0.150莫耳)以製備不同碳含量之碳摻雜二氧化鈦，另外亦觀察鍛燒控制溫度(400℃~600℃)對碳摻雜二氧化鈦特性之影響，樣品編號及其製備條件如下表1所列，製備一系列於不同鍛燒控制溫度之不同摻雜濃度之二氧化鈦。
實施例1 碳摻雜二氧化鈦之光催化反應系統
光催化反應系統係由動態氣體控制系統、光催化反應器及氣相層析儀三部分串聯而成，串組模式如圖2所示。利用碳摻雜二氧化鈦之光催化反應系統偵測乙烯濃度的實驗步驟，如圖3所示，動態氣體控制系統主要功能為配製欲反應氣體(乙烯)，此氣相汚染物係由氧氣(>99.99%)、氮氣(>99.9999%)及乙烯(1000 ppm)鋼瓶分別以氣體質量控制器調節所需流量，於混合器中混合均勻後，通入露點偵測器得之露點數值，經由數值換算成相對濕度(RH%)；本試驗以初始乙烯濃度100ppmv，相對溼度55%，氧氣濃度19%，反應氣體控制溫度33℃下以兩支500W鹵素燈管搭配濾片(cut off filter<400 nm)所得之可見光對一系列鍛燒於600℃之不同碳摻雜比例之二氧化鈦進行光催化試驗。
光催化反應器係以不銹鋼材製成，其可容納之氣體體積約為400 ml，當氣相汚染物配製完成後，即可通過光催化反應器再進入氣相層析儀分析乙烯初始濃度，此時光源為關閉狀態並觀察GC所得之乙烯初始濃度為穩定狀態；此光觸媒於不光照之操作是為了讓光觸媒預先吸附乙烯直至吸附飽和，以避免光催化反應受吸附行為影響；可見光光催化反應是利用2支功率500 W之鹵素燈管平行懸吊於反應器上緣約8 cm處照射，光催化之光源先穿透反應器上緣之濾光片(cutoff=400 nm)到達反應器內部之光催化觸媒試片，石英玻璃則至於光催化觸媒試片上方5 mm處；反應氣體則連續通過光催化反應器並進入GC進行分析，GC分析項目包含乙烯殘餘濃度、二氧化碳產生濃度，操作變因則調整相對濕度、乙烯初始濃度、氣體流速、氧氣含量及光照強度進行探討。
如圖4及圖5所示，含碳摻雜的二氧化鈦之光催化反應結果，實驗條件：含碳摻雜的二氧化鈦之重量為0.1 g，相對溼度50%，O2
=20%，反應控制溫度25℃，C2
H4
濃度=63 ppm；實驗結果顯示乙烯於不同摻雜比例及不同鍛燒控制溫度下對乙烯可見光降解效率，結果顯示乙烯於2小時內去除率約在6%~15%。在鍛燒控制溫度400℃，樣品G10T4含有100%銳鈦礦，0.5%碳含量及能隙2.94 eV，有最高乙烯去除率，約15%。其次依序為樣品G10T5和G05T5，其乙烯去除率為14%。
從實驗結果顯示合成之摻雜碳之二氧化鈦樣品均可以在可見光下去除乙烯，而高乙烯去除率之樣品其材料特徵為晶相銳鈦礦成分比重大，較高碳含量及較低能隙。
圖1係為本發明之碳摻雜之二氧化鈦製作步驟之流程圖。
圖2係為碳摻雜之可見光答應二氧化鈦光催化反應系統之示意圖。
圖3係為碳摻雜之可見光答應二氧化鈦之實施步驟之流程圖。
圖4及圖5分別為碳摻雜之可見光答應二氧化鈦在不同鍛燒控制溫度之乙烯去除率結果的圖表。
Claims (9)
- 一種可見光答應之碳摻雜二氧化鈦光觸媒，其包含碳摻雜的二氧化鈦，而該碳摻雜的二氧化鈦中二氧化鈦與碳的重量比例為99.5：0.5，其中該碳摻雜二氧化鈦光觸媒的能隙為2.94eV。
- 如申請專利範圍第1項所述之可見光答應之碳摻雜二氧化鈦光觸媒，其中該碳摻雜的二氧化鈦藉由下列方式製得：準備一四丁氧基鈦溶液、一葡萄糖溶液及一乙醇溶液；將該四丁氧基鈦溶液及該葡萄糖溶液加入乙醇溶液充分混合且完全反應，以獲取完全反應的四丁氧基鈦溶液、葡萄糖溶液及乙醇溶液；乾燥鍛燒已完全反應的四丁氧基鈦溶液、葡萄糖溶液及乙醇溶液並獲得一碳摻雜之可見光答應二氧化鈦。
- 如申請專利範圍第2項所述之可見光答應之碳摻雜二氧化鈦光觸媒，其中四丁氧基鈦含量約為0.05莫耳。
- 如申請專利範圍第3項所述之可見光答應之碳摻雜二氧化鈦光觸媒，其中葡萄糖含量介於0.001~0.150莫耳之間。
- 如申請專利範圍第2或4項中所述之可見光答應之碳摻雜二氧化鈦光觸媒，其中乾燥鍛燒控制溫度係介於400~600℃。
- 如申請專利範圍第5項所述之可見光答應之碳摻雜二氧化鈦光觸媒，其中最佳乾燥鍛燒控制溫度為400℃。
- 一種如申請專利範圍第1至6項任一項所述之可見光答應之碳摻雜二氧化鈦光觸媒使用於去除乙烯的使用方 法。
- 一種可見光答應之碳摻雜二氧化鈦光觸媒使用於去除乙烯的使用方法，其係包括有下列步驟：令如專利範圍第1至6項任一項所述之可見光答應之碳摻雜二氧化鈦光觸媒置入一光催化反應系統，該光催化反應系統由一動態氣體控制設備、一光催化反應器及一氣相層析儀三部分組成；一動態氣體控制設備，用以通入一含有乙烯的氣相汚染物；一光催化反應器，其內部置入該碳摻雜之可見光答應二氧化鈦光觸媒材料，且調設該光催化反應器之波長於可見光範圍；通入氣相汚染物於該光催化反應器內，且以氣相汚染物中之初始乙烯濃度對一系列於不同鍛燒控制溫度之不同碳摻雜比例之二氧化鈦進行光催化。
- 如申請專利範圍第7項所述之方法，其中調設該光催化反應器之偵測波長範圍>400nm。
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| TW99127143A TWI409101B (zh) | 2010-08-13 | 2010-08-13 | 一種可見光答應之碳摻雜二氧化鈦光觸媒及其用於去除乙烯的使用方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| TW99127143A TWI409101B (zh) | 2010-08-13 | 2010-08-13 | 一種可見光答應之碳摻雜二氧化鈦光觸媒及其用於去除乙烯的使用方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| TW201206565A TW201206565A (en) | 2012-02-16 |
| TWI409101B true TWI409101B (zh) | 2013-09-21 |
Family
ID=46761992
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| TW99127143A TWI409101B (zh) | 2010-08-13 | 2010-08-13 | 一種可見光答應之碳摻雜二氧化鈦光觸媒及其用於去除乙烯的使用方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| TW (1) | TWI409101B (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| TWI860684B (zh) * | 2023-04-17 | 2024-11-01 | 國立中興大學 | 包含改質可見光應答二氧化鈦及由廢棄蝦殼萃取之幾丁聚醣的複合抗菌材之製備方法 |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1857769A (zh) * | 2006-04-20 | 2006-11-08 | 华中师范大学 | 低温法制备碳掺杂介孔二氧化钛可见光光催化剂 |
-
2010
- 2010-08-13 TW TW99127143A patent/TWI409101B/zh active
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1857769A (zh) * | 2006-04-20 | 2006-11-08 | 华中师范大学 | 低温法制备碳掺杂介孔二氧化钛可见光光催化剂 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Sakthivel et.al."Daylight Photocatalysis by Carbon-Modified Titanium Dioxide",Angew. Chem. Int. Ed. 2003,42,pp. 4908-4911 * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| TWI860684B (zh) * | 2023-04-17 | 2024-11-01 | 國立中興大學 | 包含改質可見光應答二氧化鈦及由廢棄蝦殼萃取之幾丁聚醣的複合抗菌材之製備方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| TW201206565A (en) | 2012-02-16 |
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