JP2001187123A - 光触媒装置および光触媒浄化方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、紫外光照射下において防臭、防
汚、抗菌、電気化学反応促進などの作用を備えた光触媒
機能を有する光触媒層を超音波周波数で振動させること
により、その光触媒機能を飛躍的に高めた光触媒装置お
よび光触媒浄化方法を提供することにある。 【解決手段】 光触媒装置は、基体３０の表面に形成さ
れている光触媒機能を有する光触媒層２１と、基体３０
の裏面に接触して形成されている振動子１０と、振動子
１０を駆動して超音波周波数で振動させるための駆動回
路４０とを備えている。駆動回路４０により振動子１０
が超音波周波数で振動することに伴い、光触媒層２１も
超音波周波数で振動する。これにより、汚染物質の分解
効率を向上させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、紫外光照射下にお
いて防臭、防汚、抗菌、電気化学反応の促進などの作用
を有する半導体光触媒機能を用いた光触媒装置および光
触媒浄化方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】生活環境における各種の環境汚染物質に
対する関心が高まっているのを受けて、防臭、防汚、抗
菌などに対する要求も高くなっている。このような要求
に対して半導体の光触媒機能が注目されている。この光
触媒機能は従来から酸化チタンなどにおいて知られてい
る機能である。この光触媒機能によれば、紫外光照射下
において酸化力が強い正孔を形成し、これを空気中の水
蒸気や酸素と反応させることにより、ＯＨラジカルやＯ
^2-のような活性酸素などの反応活性種を発生させてい
る。これにより、防臭、防汚、抗菌の作用を生じさせて
いる。

【０００３】ところで、例えば、特許公報（第２５６４
４２１号）には、このような光触媒を用いた自動車道ト
ンネル用換気装置が開示されている。また、例えば、特
許公報（第２９００３０７号）には、このような光触媒
機能を長期間効果的に持続させるための光触媒定着方法
が開示されている。このように、光触媒に関しては極め
て多くの研究が進められていたが、これらの研究におい
ては、光触媒機能を有する光触媒層の表面の構造や光の
照射方法などに注意が払われていた。すなわち、光触媒
機能を有する光触媒層の表面そのものは固定した状態で
用いることを前提としていたのである。

【０００４】これに対して、公開特許公報（特開平１１
−２９９８７５号）には、光触媒担持シートを振動させ
ることにより、汚染物質の分解速度を向上させることが
可能であることが開示されている。これは、光触媒担持
シートを振動させることによってこの光触媒担持シート
と汚染物質を含む空気の間の接触の機会を増加させるこ
とを目的としている。換言すれば、空気の流れを強制的
に作り出すことを目的としている。このため、可聴周波
数の中でも低周波のコーン型スピーカに対して光触媒担
持シートを使用している。なお、この具体的な効果の定
量的な情報に関しては、この公開特許公報には一切開示
されていない。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】このように、光触媒は
様々な分野においてその応用が進んでいる。しかし、汚
染物質に関しては、各種の光触媒方法を用いても十分に
満足のいく分解速度を得ることはできなかった。例え
ば、特許公報（第２９００３０７号）によれば、最初に
１０ｐｐｍの濃度を有するアセトアルデヒドガスを１ｐ
ｐｍ以下の濃度にまで下げるように浄化を行うために
は、５０分以上の時間が必要であった。すなわち、従来
の光触媒方法においては、その反応速度が遅く、浄化を
行うのに時間がかかるということが大きな問題となって
いた。

【０００６】本発明は上記事情に鑑みてなされたもので
あり、本発明の目的は、光触媒機能を有する光触媒層を
超音波周波数で振動させることにより、この光触媒層の
反応速度を高めて浄化効率を向上させることが可能な光
触媒装置および光触媒浄化方法を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、請求項１に記載の発明の光触媒装置は、光触媒機能
を有する光触媒層と、前記光触媒層を超音波周波数で振
動させる振動手段とを備えていることを特徴とする。

【０００８】また、上記課題を解決するために、請求項
２に記載の発明の光触媒装置は、光触媒機能を有する光
触媒層と、前記光触媒層を５００ｋＨｚ以上５０ＭＨｚ
以下の範囲内の周波数で振動させる振動手段とを備えて
いることを特徴とする。

【０００９】また、上記課題を解決するために、請求項
３に記載の発明の光触媒装置は、光触媒機能を有する光
触媒層と、前記光触媒層を１ＭＨｚ以上５０ＭＨｚ以下
の範囲内の周波数で振動させる振動手段とを備えている
ことを特徴とする。

【００１０】上記請求項１から３に記載の発明の光触媒
装置において、請求項４に記載の発明は、前記振動手段
は、前記光触媒層を振動するための振動源として圧電振
動子を有することを特徴とする。

【００１１】上記請求項１から３に記載の発明の光触媒
装置において、請求項５に記載の発明は、前記振動手段
は、前記光触媒層を振動するための振動源として磁歪振
動子を有することを特徴とする。

【００１２】また、上記課題を解決するために、請求項
６に記載の発明の光触媒装置は、基体と、前記基体の表
面に形成された光触媒機能を有する光触媒層と、前記基
体に接触して形成され、前記基体を超音波周波数で振動
させる振動手段とを備えたことを特徴とする。

【００１３】また、上記課題を解決するために、請求項
７に記載の発明の光触媒装置は、基体と、前記基体の表
面に形成された光触媒機能を有する光触媒層と、前記基
体に接触して形成され、前記基体を５００ｋＨｚ以上５
０ＭＨｚ以下の範囲内の周波数で振動させる振動手段と
を備えたことを特徴とする。

【００１４】また、上記課題を解決するために、請求項
８に記載の発明の光触媒装置は、基体と、前記基体の表
面に形成された光触媒機能を有する光触媒層と、前記基
体に接触して形成され、前記基体を１ＭＨｚ以上５０Ｍ
Ｈｚ以下の範囲内の周波数で振動させる振動手段とを備
えたことを特徴とする。

【００１５】上記請求項６から８に記載の発明の光触媒
装置において、請求項９に記載の発明は、前記振動手段
は、前記基体を振動するための振動源として圧電振動子
を有することを特徴とする。

【００１６】上記請求項６から８に記載の発明の光触媒
装置において、請求項１０に記載の発明は、前記振動手
段は、前記基体を振動するための振動源として磁歪振動
子を有することを特徴とする。

【００１７】上記請求項１から１０に記載の発明の光触
媒装置において、請求項１１に記載の発明は、前記光触
媒層は酸化チタンを含有することを特徴とする。

【００１８】また、上記課題を解決するために、請求項
１２に記載の発明は、光触媒機能を有する光触媒層を用
いて浄化を行う光触媒浄化方法において、前記光触媒層
を超音波周波数で振動させることを特徴とする。

【００１９】上記請求項１２に記載の発明の光触媒浄化
方法において、請求項１３に記載の発明は、前記超音波
周波数は、５００ｋＨｚ以上５０ＭＨｚ以下の範囲内の
周波数であることを特徴とする。

【００２０】上記請求項１２に記載の発明の光触媒浄化
方法において、請求項１４に記載の発明は、前記超音波
周波数は、１ＭＨｚ以上５０ＭＨｚ以下の範囲内の周波
数であることを特徴とする。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して説明する。

【００２２】図１は本発明の実施の形態の光触媒装置の
概略構成を示す図である。図１に示すように、本発明の
実施の形態の光触媒装置は、基体として用いられるガラ
ス基板３０と、ガラス基板３０の表面に形成されている
光触媒機能を有する光触媒層２１と、ガラス基板３０を
挟んで光触媒層２１が形成されている面と反対側の面
（裏面）においてガラス基板３０に接触して形成されて
いる振動子１０と、振動子１０と電気的に接続され、振
動子１０を駆動して所定の振動周波数で振動させるため
の駆動回路４０と、光触媒層２１に紫外光を照射するた
めの白色蛍光灯５０とを備えている。

【００２３】光触媒層２１は、例えば、ゾルゲル法によ
り形成される酸化チタンを含有する酸化チタン層であ
る。この酸化チタン層の厚さは１μｍである。本発明の
実施の形態では、具体的には、酸化チタンのような金属
酸化物半導体の微粉末をポリテトラフルオロエチレン、
水酸化アルミニウムなどに担持したものをスラリーと
し、これを被処理物である基体３０に塗布したりするこ
とによって得られる酸化チタン層を光触媒層２１として
いる。

【００２４】なお、光触媒層２１は、バインダー混合体
を塗布する方法、チタンアルコキシドによるゾルゲル
法、真空成膜法、金属チタンの陽極酸化法などの各種の
形成方法によって形成することができる。

【００２５】駆動回路４０は、振動子１０を駆動して振
動周波数として超音波周波数で振動させる。これによ
り、振動子１０の振動に伴って光触媒層２１も超音波周
波数で振動することになる。

【００２６】ここで、超音波とは、理化学辞典に記載さ
れているように、周波数が可聴周波数領域を越えている
弾性波であり、広義の音波（対応する準粒子はフォノ
ン）の一部であり、５０ｋＨｚ以上１００ＭＨｚ以下の
周波数の帯域を示す。

【００２７】振動子１０は、超音波振動子として用いら
れる圧電振動子または磁歪振動子によって構成される。
具体的には、超音波周波数領域内の比較的低い周波数領
域では振動源として磁歪材料によって構成される磁歪振
動子を用いることが可能である。しかし、好ましくは、
超音波周波数領域内のより高い周波数領域においても対
応可能な振動源として、例えば、水晶、ＰＺＴ（ジルコ
ン酸チタン酸鉛）、ニオブ酸鉛、ニオブ酸ナトリウムカ
リウム、ＬｉＮｂ₃ 、ＣｄＳ、ＺｎＯ、ＢｉＧｅＯの各
種の圧電材料によって構成される圧電振動子が用いられ
る。

【００２８】白色蛍光灯５０は、振動子１０によって超
音波周波数で振動している光触媒層２１の表面に、必要
に応じて紫外光（０．１ｍＷ／ｃｍ² の光強度、４００
ｎｍ以下の波長）を照射する。

【００２９】以上のように構成されている光触媒装置
を、悪臭物質（汚染物質）の一例であるアセトアルデヒ
ドガスを充満させた密封ガラス容器（図示しない）内に
入れた状態で、振動子１０の振動周波数（ここでは超音
波周波数）に対するアセトアルデヒドガスの濃度をガス
センサ（図示しない）を用いて検出した。なお、白色蛍
光灯５０は、密封ガラス容器の外部に配置され、密閉ガ
ラス容器の外部から紫外光を必要に応じて照射した。ま
た、密封ガラス容器内のアセトアルデヒドガスの初期の
濃度は１０ｐｐｍである。

【００３０】図２は本発明の実施の形態の光触媒装置に
おける振動周波数の変化に対するアセトアルデヒドガス
の濃度の変化の結果を示す図である。なお、図２に示す
結果は、密封ガラス容器内に上述した光触媒装置を入
れ、振動子１０を各振動周波数（ここでは、５００Ｈ
ｚ、５ｋＨｚ、５０ｋＨｚ、５００ｋＨｚ、１ＭＨｚ、
２０ＭＨｚ）で振動させた状態で１５分経過した後のア
セトアルデヒドガスの濃度を示している。振動子１０の
振動周波数はＨｚ、アセトアルデヒドガスの濃度はｐｐ
ｍでそれぞれ示している。

【００３１】図２から、従来の場合と同様に、光触媒機
能を有する光触媒層２１を固定して振動させていない停
止状態の場合や光触媒層２１を振動周波数として超音波
周波数よりも低い可聴周波数（例えば、５００Ｈｚ、５
ｋＨｚ）で振動させている低周波振動状態の場合には、
密閉ガラス容器内のアセトアルデヒドガスの分解速度は
非常に遅く、１５分程度の振動時間ではアセトアルデヒ
ドガスの濃度の低下は見られない。従って、超音波周波
数よりも低い振動周波数では、光触媒層２１の振動によ
るアセトアルデヒドガスの分解効果を期待することはで
きない。

【００３２】また、光触媒層２１を振動周波数として超
音波周波数である５０ｋＨｚで振動させた場合には、ア
セトアルデヒドガスの濃度は８ｐｐｍとなっており、初
期の濃度と比較して２０％程度減少している。従って、
この場合には、超音波周波数での光触媒層２１の振動に
よるアセトアルデヒドガスの分解効果が現れはじめてい
ることがわかる。

【００３３】さらに、振動子１０の振動周波数を増加さ
せ、光触媒層２１を超音波周波数である５００ｋＨｚで
振動させた場合には、アセトアルデヒドガスの濃度が
０．９ｐｐｍとなり、初期の濃度の１／１０以下となっ
ている。従って、この場合には、１５分程度の振動時間
における超音波周波数での光触媒層２１の振動によって
アセトアルデヒドガスの分解効果が顕著に現れているこ
とがわかる。

【００３４】さらにまた、振動子１０の振動周波数を増
加させ、光触媒層２１を超音波周波数である１ＭＨｚで
振動させた場合には、アセトアルデヒドガスの濃度が
０．０８ｐｐｍとなり、初期の濃度の１／１００以下と
なっている。従って、この場合には、１５分程度の振動
時間における超音波周波数での光触媒層２１の振動によ
ってアセトアルデヒドガスの分解効果がさらに顕著に現
れていることがわかる。また、この場合、光触媒層２１
を５００ｋＨｚの周波数で振動させた上述の場合と比較
して、アセトアルデヒドガスの分解速度は１０倍以上と
飛躍的に上昇していることがわかる。

【００３５】なお、振動子１０の振動周波数をさらに増
加させて光触媒２１を超音波周波数である２０ＭＨｚで
振動させた場合には、アセトアルデヒドガスの濃度は
０．０７ｐｐｍとなり、光触媒層２１を１ＭＨｚの周波
数で振動させた上述の場合とほぼ同様な程度の分解効果
が現れている。

【００３６】さらに、振動子１０の振動周波数が３０Ｍ
Ｈｚ、４０ＭＨｚ、５０ＭＨｚの場合においても、ほぼ
同様な分解効果が確認された。なお、本発明の実施の形
態の光触媒装置においては、これ以上の振動周波数によ
る振動子１０の振動は発生不可能であるため、その分解
効果の確認はできなかった。

【００３７】以上のように、光触媒層２１を振動周波数
として超音波周波数で振動することにより、汚染物質の
分解効果が現れており、その振動周波数として好ましく
は５００ｋＨｚ以上、特に好ましくは１ＭＨｚ以上でよ
り顕著な分解効果が得られている。なお、汚染物質の顕
著な分解効果が得られる振動周波数の上限は、実用的な
振動発生装置が作成可能な１００ＭＨｚとなる。これ以
上の周波数では光触媒層を効率的に振動することが困難
となる。

【００３８】従って、本発明の光触媒装置による光触媒
機能は、従来の場合と同様に可聴周波数領域などの５０
ｋＨｚ未満の周波数での光触媒層の振動により汚染物質
の光触媒層の表面への移動速度を早くすることによって
汚染物質の分解速度（浄化速度）を向上させる場合とは
全く異なるメカニズムによるものと考えられるが、その
メカニズムは不明である。

【００３９】図３は本発明の実施の形態の光触媒装置の
他の概略構成を示す図である。図３において、本発明の
実施の形態の光触媒装置は、図１に示す光触媒装置の場
合とほぼ同様な構成を有しているが、さらに、光触媒機
能を有する光触媒層を基体の裏面にも形成している。す
なわち、図３に示す光触媒装置では、基体３０の表面に
光触媒層２１を形成するとともに、基体３０の裏面にも
光触媒層２２を形成している。このように、基体３０の
両面に光触媒層２１、２２がそれぞれ形成されている光
触媒装置の場合にも、振動子１０の振動に伴って光触媒
層２１、２２を超音波周波数で振動させることにより汚
染物質の分解効率（浄化効率）を向上させることができ
る。

【００４０】本発明の実施の形態の光触媒装置において
は１個の振動子を振動させることにより光触媒層を有す
る光触媒層を超音波周波数で振動させるようにしている
が、複数個の振動子を用いて１つの光触媒層を超音波周
波数で振動させるようにしてもよい。さらに、光触媒層
に接触するように振動子を設け、この振動子により光触
媒層を超音波周波数で直接振動させるようにしてもよ
い。これらの場合においても、汚染物質の分解効率を向
上させることが可能である。

【００４１】また、振動体により光触媒機能を有する光
触媒層を超音波周波数で振動させる場合、基体を用いる
ことなく振動体そのものの表面に光触媒層を直接形成し
て光触媒装置を構成しても、汚染物質の分解効率を向上
させることが可能である。なお、この場合においては高
周波振動を容易に行うことができるが、大きな振動体で
はコストがかかるので、使用する振動体の表面積が小さ
くなってしまう。

【００４２】従って、本発明においてより好ましい光触
媒装置は、上述したように、基体の表面に光触媒機能を
有する光触媒層が形成され、この光触媒層が形成されて
いる基体に振動体が接触しているような構造を有するこ
とである。振動体として用いられる磁歪振動子や圧電振
動子においては、小型であってもその駆動力は大きいた
め、大面積の光触媒層がその表面に形成されている基体
を振動させることは可能である。例えば、ある一定の面
積の振動表面を有する例えばＰＺＴ圧電振動子１個を用
いることにより、その面積の数十倍の表面積を有する基
体を振動させることが可能である。

【００４３】また、基体の表裏両面に光触媒機能を有す
るような表面処理を行って光触媒層を形成し、その両面
に形成された光触媒層を同時に超音波周波数で振動させ
ることも可能である。さらに、１個の振動体を用いて光
触媒機能を有する光触媒層がそれぞれ形成されている複
数の基体を同時に超音波周波数で振動させるようにする
こともできる。

【００４４】以上のように、本発明の光触媒装置による
各種の光触媒機能を応用することにより、汚染物質、例
えば、空気中のＮＯｘ、アセトアルデヒド、アルコール
類、オレフィン類、メチルメルカプトン、溶液中のトリ
クロロエチレン、微量の油などを分解して除去すること
が可能である。

【００４５】また、タバコのヤニが付着しやすい場所に
おけるセルフクリーニングや雑菌の繁殖を抑制したい場
所などにも本発明の光触媒装置を適用することができ
る。すなわち、本発明の光触媒装置は、汚染物質で既に
汚染されている場所において浄化を行うのみならず、こ
れから汚染が発生するおそれのある場所に対しても適用
することが可能である。

【００４６】さらに、光触媒機能を用いた電気化学的太
陽電池、水の電気分解、ＣＯ₂ 還元反応などの電気化学
反応の場合においても、本発明の光触媒装置を幅広く適
用することが可能である。

【００４７】さらにまた、本発明は、光触媒機能を有す
る光触媒層を超音波周波数で振動させているため、人間
の耳に音として検知されることはない。従って、例え
ば、コーン型スピーカーに光触媒担持シートを使用して
可聴周波数領域で振動させるような従来の振動装置の場
合と異なり、本発明の光触媒装置においては静かな環境
を維持した状態で光触媒による浄化を行うことが可能で
ある。

【００４８】

【発明の効果】以上、本発明によれば、光触媒装置を構
成する光触媒機能を有する光触媒層を超音波周波数で振
動させることにより、光触媒による浄化効率を向上さ
せ、従来の光触媒装置と比較して浄化時間を大幅に短縮
させることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態の光触媒装置の概略構成を
示す図である。

【図２】本発明の実施の形態の光触媒装置における振動
周波数に対するアセトアルデヒドガスの濃度の変化を示
す図である。

【図３】本発明の実施の形態の光触媒装置の他の概略構
成を示す図である。

【符号の説明】 １０ 振動子 ２１、２２ 光触媒層 ３０ 基体 ４０ 駆動回路 ５０、５１ 白色蛍光灯

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光触媒機能を有する光触媒層と、 前記光触媒層を超音波周波数で振動させる振動手段とを
   備えていることを特徴とする光触媒装置。
2. 【請求項２】 光触媒機能を有する光触媒層と、 前記光触媒層を５００ｋＨｚ以上５０ＭＨｚ以下の範囲
   内の周波数で振動させる振動手段とを備えていることを
   特徴とする光触媒装置。
3. 【請求項３】 光触媒機能を有する光触媒層と、 前記光触媒層を１ＭＨｚ以上５０ＭＨｚ以下の範囲内の
   周波数で振動させる振動手段とを備えていることを特徴
   とする光触媒装置。
4. 【請求項４】 前記振動手段は、前記光触媒層を振動す
   るための振動源として圧電振動子を有することを特徴と
   する請求項１から３のいずれかに記載の光触媒装置。
5. 【請求項５】 前記振動手段は、前記光触媒層を振動す
   るための振動源として磁歪振動子を有することを特徴と
   する請求項１から３のいずれかに記載の光触媒装置。
6. 【請求項６】 基体と、 前記基体の表面に形成された光触媒機能を有する光触媒
   層と、 前記基体に接触して形成され、前記基体を超音波周波数
   で振動させる振動手段とを備えたことを特徴とする光触
   媒装置。
7. 【請求項７】 基体と、 前記基体の表面に形成された光触媒機能を有する光触媒
   層と、 前記基体に接触して形成され、前記基体を５００ｋＨｚ
   以上５０ＭＨｚ以下の範囲内の周波数で振動させる振動
   手段とを備えたことを特徴とする光触媒装置。
8. 【請求項８】 基体と、 前記基体の表面に形成された光触媒機能を有する光触媒
   層と、 前記基体に接触して形成され、前記基体を１ＭＨｚ以上
   ５０ＭＨｚ以下の範囲内の周波数で振動させる振動手段
   とを備えたことを特徴とする光触媒装置。
9. 【請求項９】 前記振動手段は、前記基体を振動するた
   めの振動源として圧電振動子を有することを特徴とする
   請求項６から８のいずれかに記載の光触媒装置。
10. 【請求項１０】 前記振動手段は、前記基体を振動する
    ための振動源として磁歪振動子を有することを特徴とす
    る請求項６から８のいずれかに記載の光触媒装置。
11. 【請求項１１】 前記光触媒層は酸化チタンを含有する
    ことを特徴とする請求項１から１０のいずれかに記載の
    光触媒装置。
12. 【請求項１２】 光触媒機能を有する光触媒層を用いて
    浄化を行う光触媒浄化方法において、 前記光触媒層を超音波周波数で振動させることを特徴と
    する光触媒浄化方法。
13. 【請求項１３】 前記超音波周波数は、５００ｋＨｚ以
    上５０ＭＨｚ以下の範囲内の周波数であることを特徴と
    する請求項１２に記載の光触媒浄化方法。
14. 【請求項１４】 前記超音波周波数は、１ＭＨｚ以上５
    ０ＭＨｚ以下の範囲内の周波数であることを特徴とする
    請求項１２に記載の光触媒浄化方法。