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。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。
(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?請列出計算過程。(h=6.63×10⁻³⁴ J·s、1 eV=1.6×10⁻¹⁹ J、真空光速=3.0×10⁸ m/s)(2 分)
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