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光催化大全：從基礎到應用圖解

為了解決汽車內裝清潔推薦的問題，作者（日）藤島昭 這樣論述：

《光催化大全》精闢概況了光催化自發現以來數十年取得的系列成果，是光催化鼻祖藤島昭教授的新作。全書概述了光催化在空氣淨化、汙水處理、自清潔、殺菌防腐、太陽能制氫等領域的技術原理和應用前景，全文文字簡潔、圖文並茂、深入淺出、排版生動、可讀性強，是不可多得光催化科普書。 《光催化大全——從基礎到應用圖解》是被譽為光催化鼻祖、光催化大師的國際著名學者——藤島昭（Akira Fujishima）教授的*著作。本書對光催化自發現以來數十年間取得的系列成果進行了精闢概括，概述了光催化在空氣淨化、汙水處理、自清潔、殺菌防腐、太陽能制氫等領域的應用情況和技術原理。此外，作者將自己多年的科學研究方法、研究思維、

心得體會等娓娓道來。在藤島昭教授的眼裡，科學研究不僅僅是對自然規律的客觀描述，更是充滿人文氣息和生活溫度的科學之旅。 全書文筆凝練、圖文並茂、排版生動、可讀性強，集學術性、技術性和科普性于一體，適合相關專業人員以及大中學生閱讀，也是一本為新學科、新技術好奇者準備的入門書。 藤島昭（AkiraFujishima） 1942年生，1966年橫浜國立大學工學部畢業，1967年發現光催化現象，即“本多-藤島效應”。1971年獲得東京大學大學院工學系博士學位，同年任神奈川大學工學部講師，1975年東京大學工學部講師。1976～1977年德克薩斯大學奧斯丁學院博士後研究員，1978

年東京大學工學部助理教授，1986年東京大學工學部教授。2003年財團法人神奈川科學技術研究院理事長，2003年東京大學名譽教授，2005年東京大學特別榮譽教授，2010年始任東京理科大學校長。 現任東京理科大學光催化國際研究中心主任、東京應用科學技術振興團理事長、光學材料研究會會長、吉林大學名譽教授、上海交通大學名譽教授、中國科學院大學名譽教授、北京大學客座教授、歐洲科學院院士、中國工程院外籍院士。 曾任電化學學會會長、日本化學會會長、日本學術會議化學委員會委員長等職。 發表原創性論文（英文）896篇、著書（含合著和英文著書）約50部、綜述及評論文章494篇、發明專利310項。 【主

要獲獎】日本文化勳章（2017年）、湯姆森路透引文桂冠獎（2012年）、路易吉·格瓦尼獎章（2011年）、文化功臣獎（2010年）、神奈川文化獎（2006年）、國家發明嘉獎（2006年）、日本國際獎（2004年）、日本學士院獎（2004年）、產學官合作功臣——內閣總理大臣獎（2004年）、紫綬帶勳章（2003年）、首屆Gerischer獎（2003年）、日本化學獎（2000年）、井上春成獎（1998年）、朝日獎（1983年）等。 第1章為什麼光催化的應用範圍在持續擴展？1 1.1光催化的廣泛應用2 光催化應用的無限可能性引起廣泛的關注2 以光催化國際研究中心為平臺3 利用光

催化抗黴菌取得效果的“日光東照宮的油漆工程”5 日本特有的漆器也利用了光催化技術7 1.2光催化在醫療領域的應用9 利用光催化技術的手術室每年有數百間9 對癌症和手足口病也有一定療效11 世界首例預防食物中毒的應用和“光催化滅蚊器”13 預防才是最好的治療！漂白劑及牙根種植體也用上了光催化14 1.3光催化在農業和生物學領域的應用16 農業生產的高效率和低成本16 將太陽光引入室內18 光導管(液體光導管)18 可生成用於預防齲齒及抗癌的“稀少糖”20 1.4光催化在提高生活品質方面的應用22 賓館、醫院、護理機構、保育院、二手車等行業使用的可見光高靈敏度光催化劑發展迅速22 光催化在預防花粉

症口罩、抗菌圓珠筆、地毯等商品上的使用也很普及23 利用希拉斯火山灰製作防汙塗層25 從2020年東京奧運會到宇宙開發26 ［作者縱談］光催化，終於登上了審定教材！30 第2章在建築物和高樓上使用光催化大受歡迎的原因31 2.1建築物外牆上採用不易髒的光催化瓷磚已成新常識32 丸大廈成為日本第一個使用光催化瓷磚的高層建築！帶動了1000億日元的市場32 光催化瓷磚創造了住宅的美觀34 光催化瓷磚的住宅可去除NOx36 2.2活躍在高樓、工廠、教堂外牆的建材、裝飾材料38 TOTO公司將日本的原創技術傳播到世界38 空氣淨化能力相當於2000棵白楊樹的豐田工廠39 筆者私宅、岐阜大學、德國、中

國、義大利光催化隨處可尋39 既美觀又降低了清潔成本的鋁材41 無需清潔維護的眼鏡店看板41 2.3提升了帳篷膜材功能的光催化帳篷43 製造了東京巨蛋帳篷膜材的公司43 “四大特點”和網球場、足球場、棒球練習場44 八重洲出口的光之帆大屋頂、達拉斯10萬人體育館帳篷膜材在世界各地大顯身手45 胡夫金字塔也用上了光催化！48 2.4不易髒、不起霧的玻璃讓您始終視野清晰50 節水成功的中部國際機場和東京理科大學不起霧的玻璃50 盧浮宮美術館和學校等也使用光催化自清潔鋼化玻璃52 2.5活躍於室內的可見光型光催化56 “可見光回應型”光催化在內裝玻璃上的應用56 世界首例！日本製造抗菌、抗病毒玻璃5

6 抗病毒窗簾、高附加值壁紙、百葉窗58 可淨化室內空氣的光催化空氣淨化器59 TOTO公司和筆者合作解決廁所問題的緣由61 光催化除菌消臭器“LUMINEO”62 ［作者縱談］朝著“3F”努力！65 第3章在機場和新幹線等場所如何普及光催化技術？67 3.1活躍在機場、空運貨物等航空場所的光催化68 中部國際機場內17000m2的玻璃上採用了光催化技術68 抗流感病毒有效果70 世界首例光催化用於航空運輸71 3.2活躍在新幹線等鐵路系統的光催化72 什麼是陶瓷光催化篩檢程式72 活躍在“希望號N700系”吸煙室內的光催化空氣淨化器72 月臺屋頂和白色帳篷74 “光催化塗料”使車站變美75

用於車站內的廁所76 3.3光催化讓路面和道路周邊乾淨整潔77 提高排水效果的高性能鋪裝道路77 淨化路面空氣的道路光清潔施工法77 無需特別維護管理的NOx削減法78 避免隧道擁堵，安裝光催化隧道照明器具79 對公路兩側的遮音壁、道路標識、看板等大有用武之地80 “橋樑膜材施工”使高架橋下變成明亮歡快的休閒場所81 “橋樑膜材施工”的3大優勢82 光催化車門後視鏡已成豐田高級車的標配84 ［作者縱談］讀書是最好的靈感之源85 第4章光催化的6大功能及其日常系列產品87 4.1光催化的6大功能是什麼？88 氧化分解能力和超親水性88 光催化的6大功能和轉捩點89 世界首例用於普通住宅——筆

者私家的光催化外牆!91 4.26大功能之①抗菌、抗病毒效果92 耐藥性細菌急增、持續高漲的病毒感染症威脅92 既可抗細菌病毒又能分解去除有機揮發物93 防汙、滅菌、防臭效果超群的光催化瓷磚96 可見光就OK！強抗病毒的光催化玻璃97 在新千歲機場、內排國際機場大顯身手的“光催化薄膜”98 可見光回應型粉末漿料LUMIRESHTM及認證制度99 三維網狀結構的陶瓷片和空中浮游菌去除裝置100 不發生二次感染是最大優點101 4.36大功能之②受哥白尼式轉折啟發誕生的除臭效果103 為什麼氧化鈦不能分解大量的物質？103 以微量的物質為目標——哥白尼式轉捩點104 延伸到紙、纖維製品、空氣淨化

器的緣由106 篩檢程式和光源組合而成的大型光催化除臭裝置107 4.46大功能之③玻璃和鏡子的表面不易起霧的防霧效果109 何謂光催化的超親水現象？109 水的接觸角以及親水性110 超親水性就是接觸角幾乎為零111 不易起霧、不易髒的超親水性和氧化分解能力的合力並舉112 汽車的車門後視鏡和保命的彎道凸面鏡(道路反射鏡)113 4.56大功能之④通過自清潔達到防汙效果115 來訪者突破10萬人的光催化博物館115 對“魔法實驗”將信將疑和“氫博士”的秘密116 超親水性實驗，體驗“光和水之美”117 反向思維將“失敗”變為可用118 利用雙重自清潔效果降低成本！進軍1000億日元的市場11

9 4.66大功能之⑤光催化的水淨化效果121 地球上的淡水資源很有限121 不增加成本又安全的土壤地下水淨化系統122 70多座ADEKA公司綜合設備的解決方案123 軍團桿菌和二英統統分解！環保的淨水裝置125 利用太陽光處理農業廢液！水稻耕作和番茄栽培也進入光催化時代126 有機物去除率幾乎100%，收穫與過去同等程度的番茄127 解決魚市上的“光復活現象”難題獲得安全潔淨的海水129 4.76大功能之⑥光催化的空氣淨化效果130 讓古羅馬帝國的塞內加也苦惱的空氣污染問題130 既能去除NOx又能大幅降低成本的劃時代的系統是什麼？130 ［作者縱談］為什麼說蒲公英是農夫的時鐘133 第

5章人工光合作用的最新常識135 5.1資源、能源、環境問題和光合作用機理136 什麼是葉綠素的“Z型反應”136 化石燃料存在的兩大問題137 5.2光解水發現的震撼和光催化的誕生140 50年前成功實驗“光增強電解氧化”的原理140 光解水發現之前的相關科學史141 Nature上發表論文的緣由144 1974年元旦的《朝日新聞》頭版、“朝日獎”、“湯姆森路透引文桂冠獎”145 光催化劑的定義147 發現氧化鈦光催化制氫的局限性148 5.3迅速發展的人工光合作用的最新動向151 太陽能電池和水的電解混合系統151 引人矚目的金屬氧化物材料152 可見光也可以使水完全分解！單一體系和Z型體

系153 日本引領二氧化碳的還原和資源化154 從大自然中學習，拓寬視野找到最優解155 ［作者縱談］湯姆森路透引文桂冠獎及論文被引用次數156 第6章反應機理和光159 6.1光催化反應的兩大主角160 氧化鈦的使用量反映一國的文化水準160 氧化鈦的製作方法162 硫酸法和氯氣法的原理163 光催化的氧化鈦是銳鈦礦型164 有效利用近紫外線是個打破常規的思路166 6.2氧化鈦是半導體的一種169 什麼是半導體169 本征半導體和雜質半導體170 氧化鈦是具有光活性的n型半導體171 6.3氧化鈦的能帶結構和光照效果172 半導體的能帶結構172 禁帶寬度和帶隙能量173 影響光催化反應

的三個因素174 6.4氧化鈦的結晶形態和光催化活性176 氧化鈦是如何被發現的176 金紅石型和銳鈦礦型的禁帶寬度177 銳鈦礦型具有更高光催化活性的原因177 6.5氧化鈦光催化可利用光的波長179 什麼是可見光、紫外線、紅外線179 氧化鈦的獨特性和普及推廣的理由180 6.6強氧化分解和還原的原理182 氧化鈦表面到底發生了什麼182 氧化分解的原理182 還原的原理184 6.7為什麼會產生超親水現象？185 親水性和憎水性的區別185 氧化鈦表面的結構變化引起關注186 6.8不易髒和不起霧的作用機制有什麼不同187 防汙效果的光介面反應和防霧效果的光固體表面反應187 自清潔是2

個反應的合力作用188 6.9光催化具有多功能性的原因190 為什麼多個行業接連進入？190 “本多-藤島效應”延伸而來的3個研究方向190 ［作者縱談］外出講課給孩子們傳授科學的趣味性192 第7章光催化劑的合成方法193 7.1光催化劑的形態194 氧化鈦溶膠、鈦醇鹽、氧化鈦塗料194 7.2如何活用兩種表面塗裝工藝196 濕法工藝和幹法工藝196 塗層工藝的選擇要點197 7.3塗層的核心在於黏結層200 利於保護光催化反應的二氧化矽中間層200 防止基材老化、提高黏接性的梯度膜202 7.4世界首塊光催化瓷磚是如何做成的204 最普及的光催化瓷磚204 光催化和抗菌金屬組合205 向

外牆的自清潔建材延伸206 7.5光催化玻璃、後視鏡的製作208 光催化自清潔玻璃的製作208 被寄予安全駕駛厚望的“防雨車門後視鏡”209 7.6淨化國際宇宙空間站的UV-LED光催化211 光源和光催化篩檢程式的模組化212 UV-LED助力淨化國際宇宙空間站213 國際上快速發展的LED214 ［作者縱談］伽利略、法拉第、巴斯德，向這些偉大的先人們學什麼？215 第8章光催化技術的標準化、產品認證制度217 8.1日本(JIS)和世界(ISO)試驗方法的標準化218 JIS、ISO等標準化的制定現狀219 海外光催化標準化的應對221 8.2建立全日本體制！光催化產品的認證制度222

建立和完善健全的市場機制222 建立認證制度促進試驗方法的標準化222 安全標準和設置管理責任人的必要性225 認證流程和認證後的監督活動226 【參考文獻】228 結尾——從中國古典名言中學習超越“死亡之穀”229 檢索詞231 光催化清潔技術的發展已經日趨成熟。東海道山陽新幹線希望號上的光催化空氣淨化器、成田國際機場的光催化屋頂帳篷、丸之內大樓(丸大廈)的光催化瓷磚，以及最近日光東照宮的油漆噴塗項目和光催化滅蚊器等家庭住宅方面的應用，都標誌著日本原創的光催化清潔技術是值得在全世界誇耀的。 我的光催化研究，自1967年發現“本多-藤島效應”，到今年(2017年)正好整

整50年了。 當時，光催化實驗用的基礎材料氧化鈦(TiO2)在水中受到光照後，我意外發現水被分解產生了氧氣，之後所發生的一切也都從那裡開始。 對我們人類來說，最重要的化學反應是光合作用(太陽光照在植物葉片上發生的反應)。當時，我也突然靈光一現：莫非像植物光合作用中樹葉的葉綠素那樣，所用的氧化鈦在這裡也發揮著同樣的作用？ 那份感動，真是無以言表。 接著，我將這一發現寫成論文《太陽光下水分解成氫氣和氧氣》發表在英國的學術期刊《自然》上。運氣很好，引起了世界的矚目。1974年元旦的《朝日新聞》在頭版以“太陽，夢想的燃料”為標題，用一個版面對該研究作了介紹。 從那以後，因為“氧化鈦的光催化反

應的發現”我獲得了多種獎勵。其中，2012年獲得了“湯姆森路透引文桂冠獎”，2017年獲得了日本“文化勳章”。 我認為，研究最重要的是真實。不管誰做都能看到效果，只有自己可以自信地向別人推薦的技術才能生存下去。而且不僅僅只停留在理論階段，更重要的是人們在日常生活中也可以用到，這樣的研究才有意義。 現在，全世界使用氧化鈦的人工光合成研究如火如荼。但到目前為止，我的研究方向已轉移到利用光照射後氧化鈦表面所產生的一些獨特性能上，諸如很強的氧化分解能力以及對水具有很強親水能力的“超親水效果”等。 日本借2020年東京奧運會和國際殘疾人運動會的契機，提出了“環境立國”的目標，利用光催化技術的新產品

的研發正急速地展開。 值此本書出版之際，我以圖解的形式將光催化從基礎到最新事例進行了完整的歸納總結。與其說是一本書，不如說是我人生的集大成之作。 本書寫作過程中得到了菱沼光代、東京理科大學的角田勝則、鈴木孝宗、伊藤真紀子、宮本崇、木村繭子、寺島千晶、中田一彌等人的大力協助，感謝神奈川縣立產業技術綜合研究所的落合剛先生，以及鑽石出版社寺田庸二先生，在此對他們的熱情幫助表示衷心的感謝。 2017年11月吉日 藤島昭