高中學測
114年
自然
第 53 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。
圖 17 顯示不同照光時間下，每克觸媒催化所產生的氫氣毫莫耳數（mmol/g），若使用 1.0 克的觸媒進行催化反應，照光 6 小時條件下，則 $\text{Zn-TiO}_2$ 的氫氣生成量為 $\text{TiO}_2$ 的幾倍？（2 分）
📝 此題為申論題
思路引導 VIP
請觀察圖 17 的橫座標，當「照射時間」來到 6 小時時，向上對照實心方塊（TiO₂）與空心方塊（Zn-TiO₂）的垂直刻度，這兩種觸媒在縱座標上各對應到多少生成量呢？兩者相比又是幾倍？