日常生活中不能沒有金屬＂鈦＂
發布時間：2017-03-15
信用卡分類為:普卡、金卡、白金卡及鈦金卡，其中鈦金卡最為尊貴，如圖1。鈦(Titanium)化學符號Ti，原子序22，是一種銀白色的金屬，其特點為重量輕、強度高、具金屬光澤，亦有良好的抗腐蝕能力。鈦最有用的兩個特性是:抗腐蝕性及金屬中最高的強度－重量比。在非合金的狀態下，鈦的強度和鋼相同，但卻輕很多，中鋼公司積極發展鈦金屬，并推出鈦杯，如圖2.中鋼鈦杯。鈦是西元1791年由格雷戈爾(R.W.Gregor)牧師，于英國康沃爾郡發現，他把這項發現呈報給皇家地質學會，另外寫了一篇論文發表在德國的科學雜志上。4年后，由德國化學家克拉普洛斯(M.H.Klaproth)確認此新元素并以希臘神話泰坦(Titans)的名字命名為鈦(Titanium)。由于它的高抗拉強度－密度比、優良的抗腐蝕性、抗疲乏性、抗裂痕性及能夠抵擋高溫，鈦合金被用于航空太空工業。生產波音737/777及787等客機及空中巴士客機，要用到大量的鈦金屬。日常生活中鈦金屬可用于眼鏡框架，表面可使用PVD鍍膜上氮化鈦(TiN)薄膜涂層成黃色，氮化鈦具有耐磨抗刮痕等特性。
圖 1 信用卡分類為 : 普卡、金卡、白金卡及鈦金卡，其中鈦金卡最尊貴。
圖2 鈦杯
圖 3 鈦金屬眼鏡框架，表面使用PVD鍍膜上氮化鈦薄膜涂層成黃色。
鈦的化合物二氧化鈦(TiO2)最常使用于日常生活中，如圖4二氧化鈦為白色粉末，可用于制造白色顏料，日常生活中二氧化鈦可用于牙膏、白色修正液、油墨顏料、塑膠添加物，化妝品及食品添加物等生活必需品中。21世紀以來「環境保護」及「綠色能源」已成為全球人類最迫切需要創新的二大議題，最近幾年世界各地的研究機構無不積極地投入人力及物力資源以進行研發。其中用于日常生活中傳統二氧化鈦的尺寸主要介于300納米至600納米間，呈現白色粉末。科學家發現納米二氧化鈦的尺寸介于15納米和25納米間，呈現透明薄膜并且具有光觸媒特性，納米二氧化鈦為感光性半導體，能夠吸收小于436納米波長的紫外光電磁幅射，其介于價電子帶(Valence Band)和傳導電帶(Conductivity Band)的能量差異為3.05電子伏特。納米二氧化鈦吸收紫外光后會產生電子激發從價電子帶轉移至傳導電帶，電子激發后留下的電洞(Electron Hole)則向相反方向移動，納米二氧化鈦固體表面的氧化還原反應(Redox Reaction)因此產生。納米二氧化鈦光觸媒在紫外光電磁幅射光源照射下利用特定波長光源的能量來催化產生氧化還原反應作用，使周圍之氧氣及分子激發成具有活性的．OH及．O2自由離子基，這些氧化力極強的自由基離子能夠分解對人體或環境有害的有機物質及部份無機物質。制造氧化威力強大的自由基能使納米二氧化鈦光觸媒具有抑菌、殺菌、無毒性、脫臭、親水及自潔等特性，促成納米二氧化鈦光觸媒成為理想環保產品。光觸媒能有效防止煙塵、花粉、細菌、病毒、有害氣體的危害。以光觸媒產生的強效氧化作用，去除捕捉到的浮游細菌，去除率高達百分之九十九。而光觸媒產生強效氧化，使通過光觸媒的空氣中病毒的蛋白質氧化變質，如此可以讓病毒不具活性化，抑制病毒活動。并可分解汽車排出的廢氣、油漆及裝潢材料發出的建材異味，去除有害氣體，并且可以除臭。
圖 4 二氧化鈦白色粉末。
圖 5 奈米二氧化鈦光觸媒是在光源照射下利用特定波長光源的能量來產生催化的作用
納米二氧化鈦光觸媒具有氧化還原功能，結合太陽光能以環境保護為主要訴求。納米二氧化鈦光觸媒可應用于殺菌除臭及防污方面，包含吸附，光化學反應及脫附等反應機構。納米二氧化鈦光觸媒將有毒有機化合物去除可以如下化學反應來表示:
Organicmolecules→CO2+H2O
OrganicN-compounds→HNO3+CO2+H2O
OrganicS-compounds→H2SO4+CO2+H2O
OrganicCl-compounds→HCl+CO2+H2O
圖5表示納米二氧化鈦光觸媒是在光源照射下利用特定波長光源的能量來產生催化作用的反應機構。
圖 6 奈米二氧化鈦染敏太陽能電池的元件結構
圖 7 氮化鈦 (TiN) 在半導體元件金屬接點之間的導電阻擋層示意圖。
圖 8 為鈦金屬用于人工假牙。
瑞士科學家格雷策爾(Gratzel)教授于西元1991年採用納米結構的二氧化鈦電極材料及可見光吸收染料，產生光電效率超過百分之十二的太陽能電池。納米二氧化鈦染敏太陽能電池的工作原理主要結合納米二氧化鈦電極與可見光吸收染料而制造出高效率電子轉移介面的元件，避開傳統太陽能電池需要昂貴半導體晶圓材料，可說是第三代太陽能電池。此類型太陽能電池的工作原理是藉由染料做為可見光吸收光材。染料中價電層電子受光激發，氧化鈦跳躍至高能階層，進而傳導至納米二氧html化鈦半導體的導電帶，再經由電極引至外部。失去電子的染料則經由電池中碘及碘化鉀電解質得到電子，電解質是由碘(I)及碘離子(I3+)溶解于有機溶劑中形成。此型電池的結構為三明治結構，上下均為玻璃，玻璃內面則為導電層。納米二氧化鈦染敏太陽能電池的元件結構如圖6所示。
氮化鈦(TiN)涂層廣泛用于金屬表面以保持機械模具的耐腐蝕性，如鑽頭和銑刀，氮化鈦薄膜可用于微電子領域，作為半導體元件金屬接點之間的導電阻擋層。而將薄膜擴散到金屬硅中，它的電導率（30-70μΩ•cm）足以形成良好的導電連接。這種特殊的導電阻擋層還具有陶瓷的化學及機械性能，此技術大量用于當前的納米晶片設計中以提高電晶體的性能。圖7為氮化鈦(TiN)在半導體元件金屬接點之間的導電阻擋層示意圖。
由于鈦的生物相容性(無毒及不被人體排斥)，鈦在醫學上有廣泛應用，鈦有一種固有的骨骼融合特性，使得鈦制的牙科植入物能在原位上逗留30年。這種特性對整形植入物而言亦相當有用。使用鈦的好處還有鈦較低的彈性模數(楊氏模數)，與骨較為接近，植入物是以修補骨骼為目的而設計。因此骨骼負重會更平均地分布于骨及植入物之間，這樣會減低骨質流失的機會，圖8.為鈦金屬用于人工假牙。
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