JP2005144225A - 近接場光触媒装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 紫外光よりも長波長である低エネルギーの光を用いて近接場光を生成することにより、高い光触媒活性を維持しつつ有機物を分解する。
【解決手段】 所定の波長の光を供給する光源１１と、光源１１から供給された光に応じて近接場光を発生させる近接場光発生部１２と、近接場光発生部１２により発生された近接場光を光触媒として被照射対象へ照射する照射部１３とを備え、供給された所定の波長の光に応じて近接場光を発生させ、当該発生された近接場光を光触媒として被照射対象へ照射する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、近接場光を光触媒として被照射対象へ照射する近接場光触媒装置に関する。

環境汚染等に対する関心の高揚に伴い、特に近年において日常生活における悪臭物質や空気汚染物質の除去の要求が増加している。そして、これらの要求に応えるべく、臭気分解装置を組み込んだ空気清浄機や換気扇等が提案されている。

これらの装置では、触媒燃焼方式及び活性炭吸着方式等が一般に採用されている。しかしながら、この触媒燃焼方式では、上述した悪臭物質等を確実に分解することはできる一方で、処理する物質量の増加に伴い、電力使用量が増加してしまうという欠点がある。また活性炭吸着方式では、ランニングコストを大幅に低減することができるが、主として吸着作用に基づいて悪臭物質等の処理を行うため、活性炭の吸着量が飽和に達すると除去能力が急低下してしまうという問題点がある。

このような問題点を解決すべく、高い酸化力を有する光触媒性半導体化合物の有機物分解作用を積極的に利用した光触媒反応装置が従来より提案されている（例えば、特許文献１参照。）。この光触媒性半導体化合物は、そのバンドギャップ以上のエネルギーを持つ波長の光が照射されると、一対の電子と正孔をそれぞれ伝導帯と荷電子帯に生成する。これら電子及び正孔が光触媒表面の水や酸素に作用し、スーパーオキサイドイオン及び水酸ラジカル等の活性酸素を更に生成し、その強力な酸化作用により有機物を分解する。

しかしながら、多くの光触媒性半導体化合物は、エネルギーの高い紫外光を照射しなければ電子と正孔を生成することができず、また可視光応答性の半導体光触媒の検討例は非常に限られており、またその可視光領域での光触媒活性はそれほど高いものではなかった。

特開２００３−２４７４８号公報

そこで本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的とするところは、紫外光よりも長波長である低エネルギーの光を用いて近接場光を生成することにより、高い光触媒活性を維持しつつ有機物を分解することができる近接場光触媒装置を提供することにある。

本発明は、上述した問題点を解決するために、供給された所定の波長の光に応じて近接場光を発生させ、当該発生された近接場光を光触媒として被照射対象へ照射する。

即ち、本発明を適用した近接場光触媒装置は、所定の波長の光を供給する光源と、上記光源から供給された光に応じて近接場光を発生させる近接場光発生手段と、上記近接場光発生手段により発生された近接場光を光触媒として被照射対象へ照射する照射手段とを備える。

本発明を適用した近接場光発生装置は、供給された所定の波長の光に応じて近接場光を発生させ、当該発生された近接場光を光触媒として被照射対象へ照射する。

これにより、本発明を適用した近接場光発生装置は、見かけ上、反応における活性化エネルギーを低減させ、かつ高い光触媒活性を維持しつつ有機物を分解することができ、更には光源からエネルギーの高い紫外光を出射する必要がなくなることから、装置全体の省力化を図ることが可能となり、ひいてはシステム全体に求められるスペックを大幅に緩和させることができる。

以下、本発明の実施するための最良の形態として、図１に示す近接場光触媒装置１を適用する場合を例に挙げて説明をする。

近接場光触媒装置１は、光を供給する光源１１と、光源１１から供給された光に応じて近接場光を発生させる近接場光発生部１２と、近接場光発生部１２により発生された近接場光を光触媒として被照射物へ照射するための照射部１３と、分解する有機物を含むガスを照射部１３へ供給するためのガス供給部１４とを備えている。

光源１１は、例えばガスレーザ光源、半導体レーザ光源或いは固体レーザ光源等により構成され、所定の波長からなる光を近接場光発生部１２へ出射する。この光源から出射される光の波長の詳細については後述する。なお、この光源１１から出射される光は、例えば図示しないビームスプリッタ等による反射部材を用いて上記近接場光発生部１２へ導かれるようにしてもよい。

近接場光発生部１２は、図１に示すように光導波部２１と、突出部２２とを備えている。光導波部２１は、例えばＴｉＯ_２やＳｒＴｉＯ_３等のように何れも３ｅＶ以上のバンドギャップを有する材料から構成されるが、かかる場合に限定されるものではなく、ガラス等を含めた透光性材料であればよい。突出部２２は、光導波部２１の一端において突出させた透光性材料を先鋭化させることにより構成され、後述するメカニズムに基づいて近接場光を発生させる。この突出部２２は、先端に至るまで徐々に先細になるような円錐形状となるように構成される。

ちなみに、この近接場光発生部１２は、純粋石英からなるコアの周囲にクラッドが設けられた光ファイバを束ねることにより構成してもよい。かかる場合において、突出部２２は、光導波部２１の一端においてクラッドから突出させたコアを先鋭化させることにより構成する。

通常このような形状からなる突出部２２は、光導波部２１に対して、選択化学エッチングを施すことにより作製される。例えば、近接場光発生部１２につき光ファイバを束ねることにより構成する場合において、例えばＮＨ_４Ｆ、ＨＦ等からなる緩衝ふっ酸溶液中にファイバを約１時間浸し、クラッド端部を除去することによりコアを選択的にエッチングして先鋭化する。また本発明では、例えば特開平１０−８２７９１に提案されている手法を用いることにより、エッチング液の組成と、光ファイバを構成する材料により溶解速度を制御して、突出部２２先端を例えば先端曲率半径１０ｎｍまで先鋭化させてもよい。なお、この先鋭化させた突出部２２に対して、先端を除く側面に例えばＡｕ等の金属層をコーティングして仕上げるようにしてもよい。

照射部１３は、ガス供給部１４から注入口を介して供給されるガスに近接場光を照射するために設けられたものである。実際にこの照射部１３は、供給されるガスに対して近接場光発生部１２より生成された近接場光を効率よく照射すべく、突出部２２先端における近接場発生領域内をガスが通過するように設計がなされている。ガスに含まれる有機物に対してこの照射部１３内で近接場光が照射される結果、これらは分解され、そのまま排出口を介して外部へ放出されることになる。

なお、照射部１３を通過するガスの濃度を均一化させることにより、ガス分子と光の波長との関係における有機物の分解状態を制御すべく、照射部１３における注入口付近に図示しない調整弁を付設するようにしてもよい。

このような近接場光触媒装置１において、ガス供給部１４から照射部１３に対してガスを供給する。そして、光源１１から近接場光発生部１２へ光を供給することにより、突出部２２から近接場光を発生させることができる。この近接場光のエネルギーによって照射部１３内を流れるガスに含まれる有機物を分解することができるため、近接場光はいわゆる光触媒としての役割を担うことにもなる。

次に、本発明を適用した近接場光触媒装置１の光源１１から出射される光について説明をする。

図２は、チャンバ内に充填されたガスにおける原子間距離に対するポテンシャルエネルギーの関係を示している。通常の光触媒装置では、供給されるガス分子に対して、基底準位と励起準位とのエネルギー差Ｅaに相当する帯域の光（以下、この光を共鳴光という。）を照射することにより、これを励起準位へ励起させる。この励起準位は、解離エネルギーＥｂを越えているため、矢印で示される方向へガス分子を解離させることにより分解させることができる。これに対して本発明を適用した近接場光触媒装置１では、かかる共鳴光を照射する共鳴光照射モードに加えて、共鳴光よりも長波長である非共鳴光をガス分子へ照射する非共鳴光照射モードを有する。

この非共鳴光照射モードでは、ガス分子の解離エネルギーＥｂに相当する光の波長以下の非共鳴光を照射するＳ１モードと、ガス分子の解離エネルギーＥｂに相当する光の波長以上の非共鳴光を照射するＳ２モードと有する。

このような非共鳴光照射モードにおけるガス分子は、複数回の光吸収による励起（多段階遷移過程）を経て解離させることができる。例えば図３に示すようなＳ２モードにおいて、ガス分子は、Ｅｂに相当する光の波長以上の非共鳴光を受光して分子軌道準位へ一度励起し、次にこの分子軌道準位より高準位の分子軌道準位へ励起して、３回目の光吸収による励起により励起準位へ、若しくは分子解離軌道準位へ励起させることができる。

このように、ガス分子振動を励起させることができる理由は、ガス分子に近接場光が照射されることにより、ボルン・オッペンハイマー近似が破れ、分子の振動レベルへの直接的な励起が生じているためである。

図４は、ガス分子と突出部２２先端との距離に対する光強度の関係を示している。通常の伝搬光は、光強度が一様である。このため、通常の伝搬光をガス分子に照射しても、核間軸に沿って対称的に伸縮振動させることができず、分子間距離を変化させることができないため、分子の振動レベルへの直接的な励起を生じさせることができない。一方、近接場光では、ガス分子とプローブ先端部との距離が短く、光の空間変位が激しい。このため、近接場光をガス分子に照射すると核間軸に沿って対称的に伸縮振動させることができ、分子間距離を変化させることができるため、分子の振動レベルへの直接的な励起を生じさせることができる。

図５は、ガス供給部１４からジエチル亜鉛（ＤＥＺｎ）を供給する場合において、各非共鳴光照射モード（Ｓ１、Ｓ２モード）の光強度に対する堆積レートの関係を示している。この図５において四角形のプロットはＳ１モードにおける測定データであり、円形のプロットはＳ２モードにおける測定データであり、実線でかかる測定結果をそれぞれフィットさせている。ちなみに、２９０ｎｍ以下の波長で共鳴するＤＥＺｎにおいて、Ｓ１モードで用いた光の波長は４８８ｎｍであり、Ｓ２モードで用いた光の波長は６８４ｎｍである。また、照射する近接場光の光強度はそれぞれ１２０μＷから１０ｍＷの間で変化させている。

この図５において示されるように、非共鳴光照射モードにおいても、基板１３上に堆積される分解生成物の量は、光強度に依存する傾向が示されていることから、非共鳴光としての近接場光を照射することにより、分解生成物を成膜できることが分かる。また、ガス分子の解離エネルギーＥbに相当する光の波長以上の非共鳴光を照射するＳ２モードにおいても、分解生成物を成膜させることができる。

すなわち、本発明を適用した近接場光触媒装置１は、ガスの解離エネルギーに相当する光の波長以上の非共鳴光としての近接場光を、先鋭化された突出部２２を介して発生させることにより、多段階遷移過程を経て解離させて得た分解生成物を堆積させることができる。これは、紫外光よりも長波長である低エネルギーの光を用いて近接場光を生成することにより、高い光触媒活性を維持しつつ有機物を分解することができることを示しており、見かけ上、反応における活性化エネルギーを低減させることを意味している。

これにより、光源１１からエネルギーの高い紫外光を出射する必要がなくなることから、装置全体の省力化を図ることが可能となり、ひいてはシステム全体に求められるスペックを大幅に緩和させることができる。

なお本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、例えば図６に示すように、近接場光発生部１２における突出部２２に対向する側に光源１１を配設し、かかる光源１１から出射された光を窓３１を介して突出部２２へ供給することにより、上述の如き近接場光を発生させてもよい。このような構成によってもガス供給部１４から供給されたガス中の有機物を低エネルギーの光で分解することができるため、発生させた近接場光を見かけ上活性化エネルギーを低減させることができる光触媒として機能させることが可能となる。

また本発明により、従来分解することができなかった有害で安定な物質についても、分解することができることは勿論である。

本発明を適用した近接場光触媒装置の構成を示す図である。 共鳴光照射モード並びに非共鳴光照射モードについて説明するための図である。 多段階遷移過程について説明するための図である。 ガス分子とプローブ先端部との距離に対する光強度の関係を示す図である。 各非共鳴光照射モード（Ｓ１、Ｓ２モード）の光強度に対する堆積レートの関係を示す図である。 本発明を適用した近接場光触媒装置の他の構成を示す図である。

符号の説明

１ 近接場光触媒装置、１１ 光源、１２ 近接場光発生部、１３ 照射部、１４ ガス供給部、２１ 光導波部、２２ 突出部

Claims (3)

1. 所定の波長の光を供給する光源と、
   上記光源から供給された光に応じて近接場光を発生させる近接場光発生手段と、
   上記近接場光発生手段により発生された近接場光を光触媒として被照射対象へ照射する照射手段とを備えること
   を特徴とする近接場光触媒装置。
2. 上記近接場光発生手段は、透光性材料の一端を先鋭化させた先鋭部を有し、上記光源から供給される光を上記先鋭部を介して出射することにより、上記近接場光を発生させること
   を特徴とする請求項１記載の近接場光触媒装置。
3. 上記光源は、紫外光よりも長波長の光を供給すること
   を特徴とする請求項１記載の近接場光触媒装置。
   

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