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114-學測-自然-題組-50-54
奈米級的二氧化鈦(TiO₂)為一種光觸媒材料,當此光觸媒照光之後,可將周遭環境中的汙染物質分解,達到去汙與除臭的效果。而其原理主要是二氧化鈦光觸媒照光後,電子會從價帶躍遷到導電帶,使得二氧化鈦表面生成氫氧自由基(•OH)與超氧離子(O₂⁻),此兩者的活性很大可以將有機物分解成二氧化碳和水,達到淨化效果。 此外,二氧化鈦光觸媒亦可在光的照射下催化水裂解產生氫氣和氧氣,為綠色能源與永續發展的重要觸媒。由於二氧化鈦光觸媒的導電帶與價帶的能階差(亦稱為能隙)大約為3.20 eV,故所照的光源中光子能量必須高於此能量才能啟動催化反應,為了提升其催化活性與效率,許多研究利用不同的金屬摻雜來改善材料特性。 某研究團隊發現於二氧化鈦奈米材料中摻雜少量的鋅離子(Zn-TiO₂)後,會改變能隙,並提升催化水裂解的效率。根據上述資訊及所學,回答下列問題。
下列與上文相關的敘述,哪些正確?(應選2項)
(a)欲啟動未摻雜二氧化鈦光觸媒的催化反應,可允許之最長波長約為多少nm?(h=6.63×10−34 J⋅sh=6.63\times10^{-34}\text{ J}\cdot\text{s}h=6.63×10−34 J⋅s、1 eV=1.6×10−19 J1\text{ eV}=1.6\times10^{-19}\text{ J}1 eV=1.6×10−19 J、真空光速=3.0×108 m/s=3.0\times10^8\text{ m/s}=3.0×108 m/s)(2分) 請列出計算過程: (b)摻雜少量的鋅離子於二氧化鈦(Zn\mathrm{Zn}Zn-TiO2\mathrm{TiO}_2TiO2​)後,恰可以使用波長400 nm的光激發催化。試在答題卷作答區中填入摻雜鋅離子後的奈米級二氧化鈦能隙變化,並說明理由。(2分) 未摻雜二氧化鈦能隙:3.2 eV。 摻雜後能隙: 3.2 eV(空格填入>、<或=) 說明理由:
有關二氧化鈦光觸媒與水裂解反應的相關敘述,下列哪些正確?(應選2項)
圖17顯示不同照光時間下,每克觸媒催化所產生的氫氣毫莫耳數(mmol/g),若使用1.0克的觸媒進行催化反應,照光6小時條件下,則Zn\mathrm{Zn}Zn-TiO2\mathrm{TiO}_2TiO2​的氫氣生成量為TiO2\mathrm{TiO}_2TiO2​的幾倍?(2分) 圖17 倍
二氧化鈦光觸媒可用不同的方法製備,其中之一是將四氯化鈦與水反應產生二氧化鈦,此反應亦會同時生成氯化氫。試寫出此化學反應式(係數以最簡整數表示)。(2分)
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