JP3389187B2 - フィルム型の光触媒 - Google Patents
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- Catalysts (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は光触媒に関し、特に
効率の高いフィルム型の光触媒並びにその製造方法に関
する。
効率の高いフィルム型の光触媒並びにその製造方法に関
する。
【０００２】
【従来の技術】一般に、光触媒とは、光を浴びると表面
の化学的な状態を変化させて化学反応を促進させる触媒
機能を果たす素材をいう。光触媒機能に優れた素材には
酸化チタンＴｉＯ2(Ｔｉｔａｎｉａ)が挙げられる。紫
外線の照射時に酸化チタンの表面に活性高い化学基（Ｏ
Ｈラジカル）を形成されて人体に有害な有機物(ｏｒｇ
ａｎｉｃ ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ)を酸化反応によって無
害な安定物質に変化させる作用を行う。
の化学的な状態を変化させて化学反応を促進させる触媒
機能を果たす素材をいう。光触媒機能に優れた素材には
酸化チタンＴｉＯ2(Ｔｉｔａｎｉａ)が挙げられる。紫
外線の照射時に酸化チタンの表面に活性高い化学基（Ｏ
Ｈラジカル）を形成されて人体に有害な有機物(ｏｒｇ
ａｎｉｃ ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ)を酸化反応によって無
害な安定物質に変化させる作用を行う。
【０００３】以下、このような光触媒の原理を図１を参
照して説明する。アナタゼ(ａｎａｔａｓｅ)結晶構造の
酸化チタンは約３.２ｅＶ程度のバンド・ギャップ・エ
ネルギーを有し、これに相当する光エネルギー(ｐｈｏ
ｔｏｎ−ｈｏｌｅ ｐａｉｒ)が入射すると、電子が伝
導帯に励起されながら電子−正孔対を形成する。この時
に形成された電子及び正孔は図１に示すように表面に吸
着している酸素又は水分とそれぞれ化学反応して酸素イ
オンとＯＨラジカル(ｒａｄｉｃａｌ)を作る。ＯＨラジ
カルは酸化力の強い化学基であり、酸化チタンの表面に
残っている間に有機物に接触するとすぐに酸化して分解
反応を起こす。従って、酸化チタンの光触媒を公害物質
の分解に用いることができる。
照して説明する。アナタゼ(ａｎａｔａｓｅ)結晶構造の
酸化チタンは約３.２ｅＶ程度のバンド・ギャップ・エ
ネルギーを有し、これに相当する光エネルギー(ｐｈｏ
ｔｏｎ−ｈｏｌｅ ｐａｉｒ)が入射すると、電子が伝
導帯に励起されながら電子−正孔対を形成する。この時
に形成された電子及び正孔は図１に示すように表面に吸
着している酸素又は水分とそれぞれ化学反応して酸素イ
オンとＯＨラジカル(ｒａｄｉｃａｌ)を作る。ＯＨラジ
カルは酸化力の強い化学基であり、酸化チタンの表面に
残っている間に有機物に接触するとすぐに酸化して分解
反応を起こす。従って、酸化チタンの光触媒を公害物質
の分解に用いることができる。
【０００４】その時の酸化チタンの光触媒の応用形態に
は次の２つがある。一つは粉末型(ｐｏｗｄｅｒ ｔｙ
ｐｅ)であり、アナタゼ結晶構造の酸化チタン(粒径１０
〜５０ｎｍ）粉末を廃水又は汚染された大気と混合し、
紫外線を照射して浄化反応を起こさせる形態である。し
かし、微細粉末の酸化チタンを回収するために濾過(ｆ
ｉｌｔｅｒｉｎｇ)工程を必要とするという短所があ
る。これは実際の応用に妨げとなる。他の一つはフィル
ム型(ｆｉｌｍ ｔｙｐｅ)である。粉末型と同様にアナ
タゼ結晶構造の酸化チタンを合成してガラス、金属など
の支持体の表面にコーティングしてフィルム化した後、
廃水又は汚染された大気に接触可能に設けて紫外線を照
射することで浄化処理を行う。このフィルム型は、基板
に酸化チタンが固定されているため濾過工程が必要な
い。しかし、表面積が小さいため粉末型よりも効率が一
層低いという短所がある。
は次の２つがある。一つは粉末型(ｐｏｗｄｅｒ ｔｙ
ｐｅ)であり、アナタゼ結晶構造の酸化チタン(粒径１０
〜５０ｎｍ）粉末を廃水又は汚染された大気と混合し、
紫外線を照射して浄化反応を起こさせる形態である。し
かし、微細粉末の酸化チタンを回収するために濾過(ｆ
ｉｌｔｅｒｉｎｇ)工程を必要とするという短所があ
る。これは実際の応用に妨げとなる。他の一つはフィル
ム型(ｆｉｌｍ ｔｙｐｅ)である。粉末型と同様にアナ
タゼ結晶構造の酸化チタンを合成してガラス、金属など
の支持体の表面にコーティングしてフィルム化した後、
廃水又は汚染された大気に接触可能に設けて紫外線を照
射することで浄化処理を行う。このフィルム型は、基板
に酸化チタンが固定されているため濾過工程が必要な
い。しかし、表面積が小さいため粉末型よりも効率が一
層低いという短所がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】本発明は上記の問題点
を解決するためのものであり、その目的は効率の高いフ
ィルム型の光触媒並びにその製造方法を提供することに
ある。
を解決するためのものであり、その目的は効率の高いフ
ィルム型の光触媒並びにその製造方法を提供することに
ある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明のフィルム型の光
触媒は、表面に酸化チタンＴｉＯ 2 層がコーティングさ
れたチタンＴｉからなるワイヤで形成された少なくとも
一対のメッシュ（ｍｅｓｈ）と、ワイヤの一定領域に形
成される入力端子部と、入力端子部を介してワイヤにパ
ルス状の電圧を印加する電源部とから構成される。ここ
で、電源部は、パルス状の電圧を＋，−に切り換えるよ
うにしてもよい。又、ワイヤの入力端子部の形成された
領域は酸化チタンでコーティングされていないものであ
ってもよい。
触媒は、表面に酸化チタンＴｉＯ 2 層がコーティングさ
れたチタンＴｉからなるワイヤで形成された少なくとも
一対のメッシュ（ｍｅｓｈ）と、ワイヤの一定領域に形
成される入力端子部と、入力端子部を介してワイヤにパ
ルス状の電圧を印加する電源部とから構成される。ここ
で、電源部は、パルス状の電圧を＋，−に切り換えるよ
うにしてもよい。又、ワイヤの入力端子部の形成された
領域は酸化チタンでコーティングされていないものであ
ってもよい。
【０００７】本発明のフィルム型の光触媒は、紫外線に
より励起された電子と正孔とが互いに再結合されずに分
離されて化学作用に寄与するので、処理効率が従来に比
べて２倍以上向上し、広範囲な応用が可能である。
より励起された電子と正孔とが互いに再結合されずに分
離されて化学作用に寄与するので、処理効率が従来に比
べて２倍以上向上し、広範囲な応用が可能である。
【０００８】
【発明の実施の形態】以下、本発明のフィルム型の光触
媒並びのその製造方法を添付図面を参照して説明する。
図２は本発明に関連する参考例によるフィルム型の光触
媒の構造を示す図である。本発明に関連する参考例にか
かるフィルム型の光触媒は、図２に示すように、ガラ
ス、金属、セラミックス等の基板上に酸化錫ＳｎＯ2コ
ーティング層を形成し、その上に酸化チタンＴｉＯ2コ
ーティング層を形成した２層構造を有する。このような
２層構造の光触媒は、図３に示すように、入射光により
励起された電子−正孔対を酸化錫と酸化チタンとのエネ
ルギー準位差で分離して、正孔が化学反応に関与する確
率を高めることができる。従って、光触媒の効率を約２
倍以上向上させることができる。
媒並びのその製造方法を添付図面を参照して説明する。
図２は本発明に関連する参考例によるフィルム型の光触
媒の構造を示す図である。本発明に関連する参考例にか
かるフィルム型の光触媒は、図２に示すように、ガラ
ス、金属、セラミックス等の基板上に酸化錫ＳｎＯ2コ
ーティング層を形成し、その上に酸化チタンＴｉＯ2コ
ーティング層を形成した２層構造を有する。このような
２層構造の光触媒は、図３に示すように、入射光により
励起された電子−正孔対を酸化錫と酸化チタンとのエネ
ルギー準位差で分離して、正孔が化学反応に関与する確
率を高めることができる。従って、光触媒の効率を約２
倍以上向上させることができる。
【０００９】以下、図４を参照して２層構造のフィルム
型の光触媒の製造方法を説明する。まず、光触媒をコー
ティングしようとするガラス、金属、セラミッククス等
の支持体又は基板を、アルコール、アセトン、脱イオン
水等で洗浄する。次いで、ディップ・コーティングに適
切なように製造された酸化錫ゾル(ｓｏｌ)溶液を用いて
コーティングした後、大気中で常温乾燥させる。この
際、酸化錫ゾル溶液は、コーティングの直後には液状の
膜になるが、常温乾燥により固体状態のゲル(ｇｅｌ)フ
ィルムになる。この酸化錫コーティング層上に、ディッ
プコーティングに適切な酸化チタンゾル溶液をコーティ
ングして乾燥させる。この後、ゲル状態の２層構造のコ
ーティング層を電気炉又はオーブンで約１００〜５００
℃で熱処理すると、酸化物の結晶質コーティング膜を得
られる。この際、熱処理の温度が５００℃以上では、膜
の粘着力や透明性等の物理的な性質が改善できるが、酸
化チタンの結晶構造がアナタゼからルチル(ｒｕｔｉｌ
ｅ)構造へ転移して光触媒特性が低くなるため注意すべ
きである。
型の光触媒の製造方法を説明する。まず、光触媒をコー
ティングしようとするガラス、金属、セラミッククス等
の支持体又は基板を、アルコール、アセトン、脱イオン
水等で洗浄する。次いで、ディップ・コーティングに適
切なように製造された酸化錫ゾル(ｓｏｌ)溶液を用いて
コーティングした後、大気中で常温乾燥させる。この
際、酸化錫ゾル溶液は、コーティングの直後には液状の
膜になるが、常温乾燥により固体状態のゲル(ｇｅｌ)フ
ィルムになる。この酸化錫コーティング層上に、ディッ
プコーティングに適切な酸化チタンゾル溶液をコーティ
ングして乾燥させる。この後、ゲル状態の２層構造のコ
ーティング層を電気炉又はオーブンで約１００〜５００
℃で熱処理すると、酸化物の結晶質コーティング膜を得
られる。この際、熱処理の温度が５００℃以上では、膜
の粘着力や透明性等の物理的な性質が改善できるが、酸
化チタンの結晶構造がアナタゼからルチル(ｒｕｔｉｌ
ｅ)構造へ転移して光触媒特性が低くなるため注意すべ
きである。
【００１０】図５は、上述のようにして製造された２層
構造の光触媒の分解反応測定結果を示すグラフである。
染色廃水の一種のメチルオレンジ(ｍｅｔｈｙｌ ｏｒ
ａｎｇｅ)の分解反応で評価した結果、酸化チタン１層
のみコーティングした光触媒よりも２層構造の酸化錫−
酸化チタンコーティング膜の分解反応速度が著しく向上
することが分かる。
構造の光触媒の分解反応測定結果を示すグラフである。
染色廃水の一種のメチルオレンジ(ｍｅｔｈｙｌ ｏｒ
ａｎｇｅ)の分解反応で評価した結果、酸化チタン１層
のみコーティングした光触媒よりも２層構造の酸化錫−
酸化チタンコーティング膜の分解反応速度が著しく向上
することが分かる。
【００１１】図６は本発明の一実施の形態にかかる光触
媒の構造を示す図で、図７はメッシュ状の光触媒を示す
図である。図６に示すように金属ワイヤ又はプレート
(ｐｌａｔｅ)の表面に酸化チタンＴｉＯ2をコーティン
グし、図７に示すように酸化チタンのコーティングされ
た金属ワイヤをメッシュ状に加工した後、酸化チタンの
コーティングされていない金属ワイヤの端部に電源を接
続して光触媒を制作する。
媒の構造を示す図で、図７はメッシュ状の光触媒を示す
図である。図６に示すように金属ワイヤ又はプレート
(ｐｌａｔｅ)の表面に酸化チタンＴｉＯ2をコーティン
グし、図７に示すように酸化チタンのコーティングされ
た金属ワイヤをメッシュ状に加工した後、酸化チタンの
コーティングされていない金属ワイヤの端部に電源を接
続して光触媒を制作する。
【００１２】このように制作された光触媒の動作原理は
次の通りである。まず、外部の電源より光触媒の金属ワ
イヤに電場を加えてやる。すると、紫外線によって酸化
チタンの内部で生成された電子と正孔が互いに反対方向
に誘導され、電子と正孔間の再結合が抑制される。この
再結合の抑制された電子と正孔はそれぞれ化学反応に寄
与するので、効率が向上する。もし、紫外線により励起
された電子と正孔が化学反応に関与することなく直ちに
再結合すればするほど光触媒の効率が低くなる。すなわ
ち、光触媒の酸化チタンコーティング膜の両端に電場が
形成されると、電子と正孔とが互いに反対方向に移動し
ようとする力が発生して電子と正孔との再結合が抑制さ
れるので、生成された電子及び正孔が化学反応に寄与す
る程度が高くなる。ここで光触媒に加える電圧は＋、−
をパルス状に変えた電圧である。電圧の＋、−をパルス
状に変えてやることにより、反応を一方だけで起こすこ
とを防ぐことができる。したがって、化学的な平衡状態
を誘導することができ、光触媒反応の安定性を高めるこ
とができる。
次の通りである。まず、外部の電源より光触媒の金属ワ
イヤに電場を加えてやる。すると、紫外線によって酸化
チタンの内部で生成された電子と正孔が互いに反対方向
に誘導され、電子と正孔間の再結合が抑制される。この
再結合の抑制された電子と正孔はそれぞれ化学反応に寄
与するので、効率が向上する。もし、紫外線により励起
された電子と正孔が化学反応に関与することなく直ちに
再結合すればするほど光触媒の効率が低くなる。すなわ
ち、光触媒の酸化チタンコーティング膜の両端に電場が
形成されると、電子と正孔とが互いに反対方向に移動し
ようとする力が発生して電子と正孔との再結合が抑制さ
れるので、生成された電子及び正孔が化学反応に寄与す
る程度が高くなる。ここで光触媒に加える電圧は＋、−
をパルス状に変えた電圧である。電圧の＋、−をパルス
状に変えてやることにより、反応を一方だけで起こすこ
とを防ぐことができる。したがって、化学的な平衡状態
を誘導することができ、光触媒反応の安定性を高めるこ
とができる。
【００１３】一方、本発明の酸化チタンコーティング膜
は、チタンＴｉ金属を空気又は酸素雰囲気中で約４００
〜８００℃範囲の温度で約３０分〜５時間程度酸化させ
ることで容易く得ることができるが、できるだけアナタ
ゼ(ａｎａｔａｓｅ)結晶構造が多く現れるように低温で
長時間にわたって処理した方がよい。酸化チタンコーテ
ィング膜の形成は熱による酸化の外、ゾル−ゲル(ｓｏ
ｌ−ｇｅｌ)工程又はその他の方法でも可能である。ゾ
ル−ゲル工程を用いる際は、チタン−アルコキサイド
(Ｔｉ−Ａｌｋｏｘｉｄｅ)類の試薬をアルコール溶液に
適当な濃度で溶解させた後、安定した分散状態を維持す
るようにｐＨを調節してコーティング溶液を作り、ここ
にＴｉワイヤ又はメッシュをディッピングして乾燥、熱
処理すればよい。ここで、熱処理の温度は約２００〜５
００℃であり、維持時間は１０分乃至１時間程度がよ
い。更に、酸化チタンのコーティング膜の厚さは１．０
μｍ前後が適当である。
は、チタンＴｉ金属を空気又は酸素雰囲気中で約４００
〜８００℃範囲の温度で約３０分〜５時間程度酸化させ
ることで容易く得ることができるが、できるだけアナタ
ゼ(ａｎａｔａｓｅ)結晶構造が多く現れるように低温で
長時間にわたって処理した方がよい。酸化チタンコーテ
ィング膜の形成は熱による酸化の外、ゾル−ゲル(ｓｏ
ｌ−ｇｅｌ)工程又はその他の方法でも可能である。ゾ
ル−ゲル工程を用いる際は、チタン−アルコキサイド
(Ｔｉ−Ａｌｋｏｘｉｄｅ)類の試薬をアルコール溶液に
適当な濃度で溶解させた後、安定した分散状態を維持す
るようにｐＨを調節してコーティング溶液を作り、ここ
にＴｉワイヤ又はメッシュをディッピングして乾燥、熱
処理すればよい。ここで、熱処理の温度は約２００〜５
００℃であり、維持時間は１０分乃至１時間程度がよ
い。更に、酸化チタンのコーティング膜の厚さは１．０
μｍ前後が適当である。
【００１４】図８は本発明によるメッシュ構造の光触媒
の特性を示すグラフであり、染色廃水の一種のメチルオ
レンジの分解反応結果を示している。図８に示すよう
に、本発明のメッシュ構造の光触媒に電圧を印加しなか
った場合には、メチルオレンジの分解反応速度が非常に
遅く、あまり分解されない。しかし、電圧を印加した場
合には、分解反応速度が速くなり、よく分解される。
の特性を示すグラフであり、染色廃水の一種のメチルオ
レンジの分解反応結果を示している。図８に示すよう
に、本発明のメッシュ構造の光触媒に電圧を印加しなか
った場合には、メチルオレンジの分解反応速度が非常に
遅く、あまり分解されない。しかし、電圧を印加した場
合には、分解反応速度が速くなり、よく分解される。
【００１５】
【発明の効果】本発明によるフィルム型の光触媒におい
ては次のような効果がある。本発明のフィルム型の光触
媒は、紫外線により励起された電子と正孔とが互いに再
結合されずに分離されて化学作用に寄与するので、処理
効率が従来に比べて約２倍以上向上する。更に、広範囲
に応用可能である。本発明は本発明の技術的思想を脱し
ない範囲内で当業者によって変更及び修正可能である。
本発明の技術的な範囲は実施の形態に記載の内容に限定
されず、特許請求の範囲により決定される。
ては次のような効果がある。本発明のフィルム型の光触
媒は、紫外線により励起された電子と正孔とが互いに再
結合されずに分離されて化学作用に寄与するので、処理
効率が従来に比べて約２倍以上向上する。更に、広範囲
に応用可能である。本発明は本発明の技術的思想を脱し
ない範囲内で当業者によって変更及び修正可能である。
本発明の技術的な範囲は実施の形態に記載の内容に限定
されず、特許請求の範囲により決定される。
【図１】一般的な光触媒の動作原理を示す図である。
【図２】本発明に関連する参考例によるフィルム型の光
触媒の構造を示す図である。
触媒の構造を示す図である。
【図３】本発明に関連する参考例のフィルム型の光触媒
における電荷分離現象による効率の向上を示す図であ
る。
における電荷分離現象による効率の向上を示す図であ
る。
【図４】本発明に関連する参考例によるフィルム型の光
触媒の製造工程を示す流れ図である。
触媒の製造工程を示す流れ図である。
【図５】本発明に関連する参考例によるフィルム型の光
触媒の分解反応測定結果を示す図である。
触媒の分解反応測定結果を示す図である。
【図６】本発明の一実施の形態によるフィルム型の光触
媒の構造を示す図である。
媒の構造を示す図である。
【図７】本発明の一実施の形態によるメッシュ状の光触
媒を示す図。
媒を示す図。
【図８】本発明の一実施の形態によるフィルム型の光触
媒の分解反応測定結果を示す図である。
媒の分解反応測定結果を示す図である。
─────────────────────────────────────────────────────
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(56)参考文献 特開 昭63−305922（ＪＰ，Ａ)
特開 平１−143630（ＪＰ，Ａ)
特開 平10−130887（ＪＰ，Ａ)
特開 平10−57838（ＪＰ，Ａ)
特開2000−51712（ＪＰ，Ａ)
特開2000−33270（ＪＰ，Ａ)
特開 平11−333451（ＪＰ，Ａ)
特開 平11−333303（ＪＰ，Ａ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
B01J 21/00 - 38/74
Claims (3)
- 【請求項１】 表面に酸化チタンＴｉＯ 2 層がコーティ
ングされたチタンＴｉからなるワイヤで形成された少な
くとも一対のメッシュと、前記ワイヤの一定領域に形成される入力端子部と、 前記入力端子部を介して前記ワイヤにパルス状の電圧を
印加する電源部 とを備えることを特徴とするフィルム型
の光触媒。 - 【請求項２】 前記電源部は、前記パルス状の電圧を
＋，−に切り換えることを特徴とする請求項１記載のフ
ィルム型の光触媒。 - 【請求項３】 前記ワイヤの前記入力端子部の形成され
た領域は前記酸化チタンでコーティングされていないこ
とを特徴とする請求項１または２記載のフィルム型の光
触媒。
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-
1999
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