第 2 屆大專校院綠色化學創意競賽創意說明書
一、主題：
可見光驅動磁性奈米核殼反應器(GQDs@Fe3O4)降解塑化污染物
二、動機
因應社會及石化工業之發展，化學品合成與使用普及大眾，成就了人民生活之 便利，卻伴隨著新興持久性污染物(Persistent Organic Pollutants, POPs)的生成，具影 響人民健康之可能，有鑑於 POPs之生物累積性，對人體及環境會產生不可逆反 應、長距離傳播的問題，聯合國於2001年通過POPs公約，又於2009年新增列管 品，明訂列管21種化學物質。雙酚A(又稱：酚甲烷, BPA)屬現代社會中高度被使用 的化學合成原料，應用於塑膠製造中的粘合劑、增塑劑及固化劑，雖屬無毒物質，
對人體造成之危害機制亦尚未釐清，卻已證實會干擾人體內分泌系統影響人體健 康，如腎臟疾病、罹癌風險等，且重複使用之塑膠瓶容易釋放出BPA，殘留於民生 用水，故急需尋找BPA之有效社區型處理方式。
太陽能源的使用是目前能源發展的重要趨勢，其中，可見光約佔陽光的50%，
屬未來研究開發之重點；結合光能在處理有機廢水領域中，除了有效降解有機污染 物外，也減少了化學能源的使用，符合綠色化學的理念。在半導體的材料應用中，
新型的石墨烯量子點(GQDs)具優秀的物化特性：高比表面積、高載子傳輸率、化 學穩定性及易用於表面改質，亦能利用可見光源分離電子電動對，此外，利用具磁 性Fe3O4有效降解有機污染物，且同時達到高回收率，故本團隊提出：新穎奈米核 殼反應器(GQDs@Fe3O4)，以光驅動電化學方式降解 BPA，利用石墨烯量子點之可 見光驅動，分解水產生自由基，以氧化水中有機污染物，以BPA作為研究對象，應 用於民生廢水範疇，達到處理與淨化目的，具有簡單、低成本、處理效率佳的優 勢，符合綠色化學指標，並作為提供一般民眾或低開發國家淨化水質之設備。
三、目的
人口遽增，水權之爭奪無可避免，嚴重可能引發戰爭、弱勢國家或民眾受害，
因此，有效處理有機廢水技術之突破，有利於提供平價且符合國家安全需求之民主 /工 業 用 水 。 我 們 將 還 原 石 墨 烯 與Fe3O4結 合 量 子 點(QDs)技 術 生 成 新 穎 性
GQDs@Fe3O4奈米核殼反應器，反應機制如圖1，其機制主要為利用太陽光驅動奈
米反應器降解有機廢水，當太陽光照射後，電子從價帶被激發至導帶，形成電洞氧 化有機廢水，電子還原O2生成H2O2可作為燃料，也可提供一般民眾或低開發國家 淨化水質之來源。
導入綠色化學設計理念- 本創意符合綠色化學指標中的十項原則：防廢(Prevent wastes)、 再 生 (Renewable materials)、 簡 潔 (Omit derivatization steps)、 可 解 (Degradable chemical products)、保安(Use safe synthetic methods)、催化(Catalytic reagents) 、 節 能 (Temperature, Pressure ambient) 、 降 輔 (Very few auxiliary substances)、低毒(Low toxicity of chemical products)、思危(Yes, it’s safe)。
防廢(Prevent wastes) –無須添加藥品於此太陽光驅動光降解有機物，且降解後副產
物僅為H2O及CO2，無其他衍生副產物，自無需額外處理方式；
再生(Renewable materials) - 太陽能的應用屬於再生能源之範疇，利用光驅動可以 降低化學能源的需求，以達到淨水之目的，催化劑具磁性可多次重複使用。
簡潔(Omit derivatization steps) –開發新穎光催化奈米核殼反應器，可於太陽光下 降解有機污染物，反應潔淨，且無異味。
可解(Degradable chemical products) –新穎奈米核殼反應器具優異的化學、機械及 穩定性，另在可見光下降解有機污染物。
保安(Use safe synthetic methods) – 無使用到具有毒性的物質或其衍生物，亦無使 用高溫高壓之設備，不具有安全疑慮之考量。
催化(Catalytic reagents) – 利用半導體導電材料之光催化劑，將太陽能源轉化成化 學能後，處理廢水中之有機物質，屬於光催化能源應用。
節能(Temperature, Pressure ambient) –使用太陽能驅動催化劑，不需要使用額外的
能源。
降輔(Very few auxiliary substances) -操作簡易模組簡易，可直接利用太陽光源的照 射，不須加裝其餘設備。
低毒(Low toxicity of chemical products) – 利用環境友善的半導體材料，副產物無 害。
思危(Yes, it’s safe) – 太陽光驅動降解有機污染反應過程中，無劇烈性、爆炸性、危
害性之反應。
圖1、光催化有機污染物降解與去除毒性廢水中離子之途 徑。
四、設計大綱（含流程圖及照片更佳）
本團隊曾提出可見光催化水分解反應生成H2(g)與H2O2(aq)(2H2O → H2(g) + H2O2(aq))， 以此概念，提出磁性奈米核殼反應器(GQDs@Fe3O4)光催化降解有機污染物，包 括：(1)直接降解-高能量之光子與有機汙染物接觸後直接將其結構鍵結破壞，而達 到降解效果；(2)間接降解-光子與水中活性物質接觸後產生強氧化性自由基，進一 步氧化有機汙染物例如：藥物、染料、芳香烴族及持久性有機化合物(POPs)等。氫
氧自由基( OH˙)具強氧化劑性質，常用於去除廢水中有機污染物，氧化生成CO2及
H2O，達淨化目的。舉例來說：有機質、內分泌干擾素及重金屬等物質，若沒適當 處置可能造成環境破壞及產生異味，以薄膜生物系統結合H2O2之程序，透過OH˙強 氧化特性，破壞污泥結構，使細胞內部結合水被釋放，降低污泥含水量及改善脫水 效果。將此概念應用於光電催化系統，製備可見光驅動之光電化學設備，藉由新穎 之奈米核殼材料GQDs@Fe3O4處理目標有機污染物BPA，此設計需求是針對一般、
家庭、貧窮落後低開發程度民眾，提供清潔且簡易之民生水處理設備，僅需太陽能 驅動，不須額外能源；符合公平、正義、包容性及為人類服務等原則。
圖2、磁性奈米核殼反應器(GQDs@Fe3O4) 之反應途徑
另透過本次設計之磁棒光反應器如圖3所示，當陽光照射時，藉由間接降解，
利用GQDs@Fe3O4可於可見光源下進行反應產出之氫氧自由基處理民生廢水中的 BPA，提升反應及能源效益，且易於回收催化劑，可達到廢水淨化及產生潔淨能源 之雙贏局面。
圖3、磁性光催化反應器之示意圖
