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114學測自然考科50

[題組:第50題到第54題]
奈米級的二氧化鈦(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,電子會從慣帶躍遷到導電帶,使得二氧化鈦表面生成氫氧自由基(•OH)與超氧離子(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氧和氧氣,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慣帶的能階差(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修雜來改善材料特性。
某研究團隊發現於二氧化鈦奈米材料中修雜少量的鮮離子(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慣帶跳到導電帶
(B)電子位於慣帶的能量比位於導電帶低
(C)可利用改變光的人射角來調整光源中光子的能量
(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

[題組題]
答案

(A)錯誤:需特定能量才能躍遷。
(B)正確:價帶能量低於導電帶。
(C)錯誤:光子能量與入射角無關。
(D)錯誤:光強度不影響光子能量。
(E)正確:增加頻率可增加光子能量。
答案:(B)(E) 報錯
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114學測自然考科51

[題組:第50題到第54題]
(a) 欲啟動未修雜二氧化碳光觸媒的催化反應,可允許之最長波長約為多少 nm?
(h=6.63×10^{-34} J·s,1eV=1.6×10^{-19} J,真空光速=3.0×10^8 m/s)(2分)
(b) 修雜少量的鈣離子於二氧化碳(Zn-TiO_2)後,恰可以使用波長400 nm的光激發催化。試在答題卷作答區中填入修雜鈣離子的余米線二氧化鉢能隙變化,並說明理由。(2分)

[]
答案

(a) \(E = \frac{hc}{\lambda}\),\(hc = 1240\ eV\cdot nm\),\(\lambda = \frac{1240}{3.20} = 387.5\ nm\)
(b) $\lt$;波長400 nm對應能量\(E = \frac{1240}{400} = 3.1\ eV\),小於3.2 eV,表示能隙變小
答案:(a)387.5 nm (b)$\lt$ 報錯
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