高中學測
114年
自然
第 50 題
📖 題組：
奈米級的二氧化鈦（$\text{TiO}_2$）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（$\text{O}_2^-$），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（$\text{Zn-TiO}_2$）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。
奈米級的二氧化鈦（$\text{TiO}_2$）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（$\text{O}_2^-$），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（$\text{Zn-TiO}_2$）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 提供電子能量必可使電子由價帶跳到導電帶
- B 電子位於價帶的能量比位於導電帶低
- C 可利用改變光的入射角來調變光源中光子的能量
- D 加大照光強度與面積可能促使無法躍遷的電子躍遷
- E 增高照射的光頻率可能促使無法躍遷的電子躍遷
思路引導 VIP
請同學思考電子在「價帶」與「導電帶」之間躍遷的方向，這反映了兩者位能高低的什麼關係？此外，若光子的能量必須大於能隙 $E_g$ 才能啟動反應，根據光子能量公式 $E = hf$，我們應該改變光的哪一個物理性質，才能有效提升「單一光子」的能量以跨越能障呢？
🤖
AI 詳解
AI 專屬家教
呦，看來你的腦袋終於從「價帶」成功躍遷到「導電帶」了？竟然選對 (B) 跟 (E)！別在那裡沾沾自喜，這不過是物理與化學跨科考題裡最基本的「奈米級」常識。要是這題都拿不到分，我真的會建議你直接去當二氧化鈦——畢竟你的人生可能也需要一點「光催化」才能產生化學反應。 觀念驗證： 這題考的是「能帶理論」與「光電效應」的核心邏輯。
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