JP2008221153A - 光を吸収して作用を提供する材料、及びその応用 - Google Patents

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Abstract

【課題】
光触媒自体のエネルギーバンドギャップを変えることなく、光を吸収して作用を提供する材料を提供する。
【解決手段】
半導体物質を主要成分とし、かつ一表面を有する第1部分と、該第1部分の表面の少なくとも一部分に付着し、有機分子と、無機分子と、染色分子と、高分子との4者の内の少なくとも一つを含む第2部分とを含み、 該第2部分の価電子帯と伝導帯との間のエネルギーバンドギャップが0.1電子ボルトと等しいか、もしくは0.1電子ボルトより大きい(≧0.1eV)。
【選択図】 図1

Description

この発明は光を吸収してゲイン、または作用を提供する材料に関し、特に紫外線、可視光線、赤外線などの各種の光を吸収する光触媒に類する材料に関する。
一般に、半導体の光触媒(例えば酸化チタン、酸化亜鉛、酸化鉄など)は、価電子帯(valence band)と伝導帯(conducting band)との間のエネルギーバンドギャップがかなり大きい。このため、紫外線によってのみ励起され、励起された光触媒粒子は電子とホールの分離が進行する。
電子とホールは光触媒の粒子の表面の異なる位置に分離して位置する。酸化チタンの正孔はエネルギーレベルが十分に低いため、酸化部分のほとんどが表面の有機物、臭いの分子、或いは細菌を表面に吸着させる。
また、酸化チタンの電子は酸素(O)の分子を還元してイオンラジカルと、副産物である水酸ラジカルを形成する。
上述の2種類のラジカル(radicals)の化学反応及び酸化能力はいずれも非常に強く、光触媒表面に付着した有機物を酸化して分解するか、或いは光触媒の表面に付着した各種細菌を殺菌する。酸化チタン半導体のエネルギーバンドギャップは3.2eVであるため、波長が380nm以下より短い光線(例えば紫外線など)によって初めて酸化チタンを励起する。その他の半導体光触媒は、それぞれのエネルギーバンドギャップに僅かな差があるが、いずれもエネルギーバンドギャップが、可視光線では励起しない。
文献によれば、半導体光触媒のバンドギャップを下げて、可視光線で励起できるようにする技術に関して、数多く掲載されている。例えば酸化チタンを生成する過程において異原子(metal
ionK、Ca2、Sr2、Ba2、Nb5、Fe3。Zn2、Al3など、またはnovel metal ionsMn、Ru、Rh、Irなど、またはV、またはNi、Fe、またはN、またはI、P、F、Sなどの異原子)を添加する方法、または酸化チタンナノ顆粒の表面に金シェル層を形成して、酸化チタンナノ顆粒の可視光線の吸収率を高める方法などが挙げられる。但し、これら方法は、いずれもその効果に限りがある。
高エネルギー粒子ビームを利用して酸化チタンナノ顆粒に多量の異原子を打ち込む方法が提案されている。係る方法は比較的高い可視光線の吸収率が得られるが、量産に適しなく、そのコストも極めて高い。
さらに、台湾特許登録第1229011号公報には、2種類の異なるエネルギーバンドギャップを具えた半導体顆粒を混合する方法が開示される。係る方法においては一方の半導体のバンドギャップが可視光線の範囲内に在る。
上述する従来の技術は、そのほとんどが光触媒として常用される物質である酸化チタン半導体ナノ粒子を対象とし、酸化チタン半導体ナノ粒子を可視光線吸収可能な光触媒に変えることを目的とする。そのための方法は、いずれも酸化チタン半導体ナノ粒子に各種の元素をドーピングして価電子バンド(valence band)と伝導帯(conducting band)との間のエネルギーバンドギャップを変更して可視光線の範囲内に存在させるものである。但し、これら従来の技術は、いずれも好ましい効果が得られない。
台湾特許登録第1229011号公報
この発明は、従来の技術に見られるように光触媒自体のエネルギーバンドギャップを変えることなく、顆粒状の半導体ナノ粒子(または微粒子、フィルム、管状などの各種構造体)の表面に付着して各種光波(紫外線、可視光線、近赤外線などを含む)を吸収する電子励起態物質(例えば染色(dyes)、有機分子、無機分子、または高分子など)に電子伝達反応を提供し、半導体ナノ粒子に、アニオンラジカルを自然発生させるとともに、半導体ナノ粒子の表面に付着した前記染色(dyes)、有機分子、無機分子、または高分子などの各種光波を吸収する物質にカチオンラジカルを自然発生させる物質であって、即ち光を吸収して作用を提供する材料を提供することを課題とする。
また、この発明は、上述する光を吸収して作用を提供する材料の応用方法を提供することを課題とする。
そこで、本発明者は、従来の技術に見られる欠点に鑑み鋭意研究を重ねた結果、第1部分と、該第1部分の表面に付着する第2部分とによってなり、該第1部分が半導体物質を主な成分とし、該第2部分が有機分子(organic molecules)か、無機分子(inorganic molecules)か、染色分子(dye molecules)か、高分子(polymers)から選択されてなり、光を吸収して作用を提供する材料によって課題を解決できる点に鑑み、かかる知見に基いて本発明を完成させた。
以下この発明について具体的に説明する。請求項1に記載する光を吸収して作用を提供する材料は、半導体物質を主要成分とし、かつ一表面を有する第1部分と、該第1部分の表面の少なくとも一部分に付着し、有機分子と、無機分子と、染色分子と、高分子との4者の内の少なくとも一つを含む第2部分とを含み、該第2部分の価電子帯と伝導帯との間のエネルギーバンドギャップが0.1電子ボルトと等しいか、もしくは0.1電子ボルトより大きい(≧0.1eV)。
請求項2に記載する光を吸収して作用を提供する材料は、請求項1における、第2部分の価電子帯と伝導帯と間のエネルギーバンドギャップが0.1電子ボルトから1.9電子ボルトの間である(>0.1eVであって、かつ<1.9電子ボルト)。
請求項3に記載する方法は、請求項1に記載する光を吸収して作用を提供する材料を応用した細菌の制御作用を得る方法であって、請求項1の材料を分散した状態にし、該分散した材料を一物体に付着させる。
請求項4に記載する光を吸収して作用を提供する材料は、請求項1に記載する光を吸収して作用を提供する材料を応用した消臭方法であって、請求項1の材料を分散した状態にし、該分散した材料を一物体に付着させる。
請求項5に記載する光を吸収して作用を提供する材料は、半導体物質を主要成分とし、かつ一表面を有する第1部分と、該第1部分の表面の少なくとも一部分に付着し、有機分子と、無機分子と、染色分子と、高分子との四者の内の少なくとも二つを含む第2部分とを含み、該第2部分の価電子帯と伝導帯との間のエネルギーバンドギャップが0.1電子ボルトと等しいか、もしくは0.1電子ボルトより大きい(≧0.1eV)。
請求項6に記載する光を吸収して作用を提供する材料は、請求項5における、第2部分の価電子帯と伝導帯の間のエネルギーバンドギャップが0.1電子ボルトから1.9電子ボルトの間である(>0.1eVであって、かつ<1.9電子ボルト)である。
本発明の材料は、この発明は、従来の技術に見られるように光触媒自体のエネルギーバンドギャップを変えることなく、半導体ナノ粒子の表面に付着して各種光波を吸収して作用と好ましい効果を提供することができ、消去、殺菌などを含み幅広く応用できるという利点を有する。
この発明は、この発明は光を吸収してゲイン、または作用を提供する材料に関し、従来の技術に見られるように光触媒自体のエネルギーバンドギャップを変えることなく、顆粒状の半導体ナノ粒子(または微粒子、フィルム、管状などの各種構造体)の表面に付着して各種光波(紫外線、可視光線、近赤外線などを含む)を吸収する電子励起態物質(例えば染色(dyes)、有機分子、無機分子、または高分子など)に電子伝達反応を提供し、半導体ナノ粒子に、アニオンラジカルを自然発生させるとともに、半導体ナノ粒子の表面に付着した前記染色(dyes)、有機分子、無機分子、または高分子などの各種光波を吸収する物質にカチオンラジカルを自然発生させる物質と、その応用方法を提供するものである。
上述する顆粒状の半導体ナノ粒子(または微粒子、フィルム、管状などの各種構造体であってもよい)の表面に付着する染色(dyes)、有機分子、無機分子、または高分子などの各種の光波を吸収する物質は、シェル、クラスター、もしくはフィルムなどの形態を選択することができる。
上述する顆粒状の半導体ナノ粒子のアニオンラジカルは酸素分子に還元し、酸化アニオンラジカル(O2.)、水酸ラジカル(HO-.)を生成する。酸化アニオンラジカル(O2)、水酸ラジカル(HO-.)は有機分子、または細菌に対して極めて強い破壊力を具える。
また、上述する顆粒状の半導体ナノ粒子(または微粒子、フィルム、管状などの各種構造体)の表面に付着して各種光波(紫外線、可視光線、近赤外線などを含む)を吸収する物質から生成されるカチオンラジカルは、その他有機分子、または近在する細菌を酸化する可能性がある(表面に付着した物質のカチオンラジカルのエネルギーレベルによる)。
総じて言えば、顆粒状の半導体ナノ粒子(または微粒子、フィルム、管状などの各種構造体)にアニオンラジカルを発生させれば、殺菌、有機物の分解、親水性の提供、または光線を照射することによって物体の物理性を変化させる(例えば、物体の表面に用いるか、またはハイブリッド材料に混合して、物体に光線を照射した場合に色、光透過性、反射度を変化させる)などの効果が得られる。
以上の説明から明らかなように、この発明の基本的概念は、文献、または公開された特許公報に見られる従来の技術と明らかに異なる。この発明において電子を受ける側は、半導体材料に限らず、その他金属、セラミックス、または非金属物質であってもよい。また、この発明において電子を受ける側(半導体材料)は、マイクロメートルサイズであっても、ナノメーターサイズであってもよい。但し、ナノメーターサイズの場合はさらに優れた効果が得られる。
この発明の光を吸収して各種作用、または光触媒の効果を提供する材料は、半導体物質を主要な成分とし、表面を有する第1部分と、該表面の少なくとも一部に付着する第2部分とを含む。該第2部分は、有機分子、たとえばCdS、CdSe、CdTe、PbSなどのナノサイズ量子ドットである無機分子、染色分子、または高分子など四種類の内の少なくとも一つである。
好ましくは第2部分が上述する有機分子、無機分子、染色分子、または高分子など四種類の内の少なくとも二つを含む。
上述する第2部分は、紫外線、可視光線、近赤外線のいずれをも吸収するという特性を有する。
上述する有機分子は、純有機分子か、金属イオンを含む有機金属錯体の内の少なくとも一つである。即ち、上述する有機分子は純有機分子か、金属イオンを含む有機金属錯体か、純有機分子と金属イオンを含む有機金属錯体とを混合したものである。
上述する高分子は、好ましくは官能基グループ (chromophores)を含む。該官能基グループは波長の範囲が200〜300nm(nanometer)の間の光波を吸収し、かつ波長の範囲が200〜300nmの間の如何なる光波であろうと、その光吸収係数が少なくとも20 M-1cm-1に等しくなる。
また、上述する高分子は、分散剤(dispersion reagent)の作用を兼ね備えていてもよく、また同時に粘着剤の作用を兼ね備えていてもよい。
この発明による光を吸収して各種の作用か、または光触媒の効果を提供する材料の他の形態は、半導体物質を主要な成分とし、表面を有する第1部分と、該表面に付着する第2部分とを含む。該第2部分の特性は、吸収できる波長の範囲が200〜300nmの間であって、かつ光吸収係数が少なくとも20 M-1cm-1により大きいか、もしくはこれに等しい。即ち、波長の範囲が200〜300nmの間であれば、如何なる光波であろうと光吸収係数が少なくとも0 M-1cm-1に等しくなる。
この発明による光を吸収して各種の作用か、または光触媒の効果を提供する材料は、他の特徴を有する。即ち、第1部分は表面を有し、かつ伝導帯と価電子帯を提供し、該伝導帯と価電子帯との間のエネルギーバンドギャップが0.1〜5 eVの範囲にあり、第2部分は該表面に付着し、波長の範囲が200〜300nmの間の光線を吸収するという特性を有する。その伝導帯のエネルギーレベルの下限は、該第1部分の伝導帯のエネルギーレベル下限より大きいか、または等しい。これらエネルギーレベル下限の計算は無限遠点を参考点とする(例えば無限遠点のポテンシャルエネルギーのエネルギーレベルを0に設定する)。
前記第1部分の提供する該伝導帯と価電子帯との間のエネルギーバンドギャップは、好ましくは0.5〜4 eVの範囲内とする。
該第1部分の提供する伝導帯は図5における図番51で示すとおりであって、該第1部分の提供する価電子帯は、図5におけ図番53で示すとおりである。伝導帯51と価電子帯53との間のエネルギーバンドギャップは図5における図番50で示すとおりである。
該第2部分の伝導帯(図5において図番61で示す)のエネルギーレベル下限(図5において図番64で示す)は、該第1部分の伝導帯(図5において図番51で示す)のエネルギーレベル下限(図5において図番54で示す)より高いか、または等しい。
前記第2部分は、好ましくは該伝導帯と価電子帯との間のエネルギーバンドギャップが0.1 eVより大きいか、または等しくする。よって、紫外線、可視光線、近赤外線などの光領域に対応することができる。該伝導帯と価電子帯との間のエネルギーバンドギャップを0.1 eVから1.9 eVの間とし(>0.1 eV、かつ<1.9 eV)、近赤外線の光領域に対応できるようにした場合、さらに理想的となる。
前記第1部分は、好ましくは金属酸化物(例えば、Al2O3、PbO2など)、遷移金属酸化物(例えば TiO2、CrO3、Fe2O3、CuO、 ZnO、WO3、MoO3など)、ランタノイド系金属酸化物、III-V族半導体、II-VI族半導体、またはセラミックスの六種の内の少なくとも一つである。
この発明による光を吸収して各種の作用か、または光触媒の効果を提供する材料は、該第1部分については顆粒状、管状、もしくはフィルムの三種類の形態から選択し、少なくともその内の一つとして存在する。
該第2部分は、分子、シェル、クラスター、。フィルムの四種類の形態から選択し、少なくともその内の一つとして存在する。
該第1部分が顆粒状か、もしくは管状の形態で存在した場合、顆粒、または管状の直径は最大300μmに等しくする。即ち、直径が300μより小さいか、または等しい。
該第1部分が顆粒状か、もしくは管状の形態で存在した場合、通常は分散剤が該第1部分の顆粒か、もしくは管状体の表面の一部分に付着し、該第2部分が該顆粒か、もしくは管状体の表面のその他の部分の局部か、全部に付着する。
該分散剤は該第1部分を分散して顆粒、または管状体を形成するために用い、該顆粒、または管状体の表面の一部分のみに付着する。
前記第1部分がフィルムの形態で存在した場合、好ましくはフィルムの厚さが最大10cmである。即ち、フィルムの厚さが10cmより小さいか、等しい。
この発明による光を吸収して各種の作用か、または光触媒の効果を提供する材料は、該第2部分の該第1部分に対する重量比が、好ましくは少なくとも0.001%に等しい(即ち、0.001%より大きいか、等しい)。
この発明による光を吸収して各種の作用か、または光触媒の効果を提供する材料は、提供する作用、効果、またはその応用範囲が建築物の表面への塗布(例えば内壁、外壁、床、トンネル内壁など)、殺菌、細菌の繁殖抑制を目的とした民生及び/もしくは医療用品(例えば被服の布、布製品、セラミックス製品など)への塗布、汚れの付着、蓄積の防止、抑制を目的とした物体(例えば建築物の内壁、外壁、床、器具、設備など)への塗布、水蒸気による曇りの発生、水分の付着の防止、抑制を目的とした物体表面(例えばガラス、鏡面、またはこれらに類似した特性を有する物体の表面)への塗布、各種の臭い、タバコの臭い、化学薬品の臭い、または人に不快感を与える臭いなどの消臭、空気の浄化(紫外線、可視光線、近赤外線の三種類の光線の内の任意の一があれば達成でき、かつ光線が電灯、クーラー、冷蔵庫、プロジェクター、またはその他如何なる器具、設備から照射されてもよい)などを含む。
臭いを発生させる物質、または分子は、通常特定の官能基グループ(functional groups)か、構造(moieties)を含む。例えば、脂質(esters)、アルデヒド(aldehydes)、またはアミノグループ(amino groups)などである。また、消臭は二種類の異なる経路 (pathways or processes)によって達成することができる。一つは臭いの分子の官能基グループ(functional groups)か、構造(moieties)を直接光触媒で酸化させて徐々に分解してさらに小さい分子とし、臭いを徐々に消失させる。他の一つは、臭いの分子と光触媒の表面に活性ラジカル(active free radicals)を生成して作用させる。例えば、臭いの分子と水酸ラジカル (hydroxyl radicals, .OH)、及びスーパーオキシド (superoxide,
O2-.)と加算的に化学反応させて(additional types of chemical
reactions)、化学構造を変換させ、臭いを変えるか、または薄くする。
上述する作用、効果、応用範囲は、いずれも浄化作用の領域に属すると見なすことができる。
この発明の光を吸収して各種の作用か、または光触媒の効果を提供する材料は、殺菌、有機物の分解などの功能以外に、親水性を提供することができ、また光を照射することによって物体の物理性を変化させる(例えば、物体の表面に用いるか、ハイブリッド材料に混合して、物体に光が照射すると色、光透過性、反射度などを変化させる)などの効果を提供することができる。
この発明による材料を細菌の抑制、または消臭などに応用する場合は、好ましくは予め材料が分散した状態を呈するようにし、さらに分散した状態の材料を物体(例えば物体の表面)に付着させる。いわゆる細菌の抑制とは、殺菌、病原体の除去、細菌の繁殖抑制、病原体の発生抑制などを指す。また、消臭とは、臭いの除去、臭いの濃度を低減させることなどを含む。
この発明の材料の第2部分は、高分子も含む。該高分子は分散剤と粘着剤の作用を兼ね備え、この発明の材料を応用し、実施する場合に利便性を提供する。
この発明の光を吸収して各種の作用か、または光触媒の効果を提供する材料について、第1部分が顆粒状として存在する形態を選択した場合、その断面の拡大図は、図1、2によって代表されるとおりである。図1においては、少なくとも第2部分3が第1部分(顆粒体1)の表面(図番を付しない。その必要がない)に散布するか、もしくは付着して、この発明の光を吸収して各種の作用か、または光触媒の効果を提供する材料の微小単位11を構成する。
図2において、第2部分3が第1部分の顆粒体1の表面に分散、または付着するとともに、分散剤4が該第1部分(顆粒体1)の表面に付着する。
この発明の光を吸収して各種の作用か、または光触媒の効果を提供する材料について、第1部分が管状として存在する形態を選択した場合、その断面の拡大図は、図3、4によって代表されるとおりである。図3において、少なくとも第2部分3が第1部分(管状体7)の表面(図番を付しない。その必要がない)に散布するか、もしくは付着して、この発明の光を吸収して各種の作用か、または光触媒の効果を提供する材料の微小単位11を構成する。
図4は図3と異なり、図4において第2部分3は第1部分である管状体7の表面に分散するとともに、分散剤4が第1部分(管状体7)の表面に分散して付着する。
この発明の光を吸収して各種の作用か、または光触媒の効果を提供する材料の応用は、多数の微小単位11、または21によってなる材料を物体(建築物、民生/医療用品、器具、設備、ガラスもしくは鏡面などの表面)に塗布する。
この発明の光を吸収して各種の作用か、または光触媒の効果を提供する材料について、第1部分がフィルムである形態を選択した場合、好ましい実施の形態は、この発明の材料に含まれる第2部分3を図3、4の開示に従って第1部分(フィルム)の表面に散布させるか、または付着させ、第1部分(フィルム)の一方の面を物体(建築物、民生/医療用品、器具、設備、ガラスもしくは鏡面などの表面)に貼着する。
以上はこの発明の好ましい実施例であって、この発明の実施の範囲を限定するものではない。よって、当業者のなし得る修正、もしくは変更であって、この発明の精神の下においてなされ、この発明に対して均等の効果を有するものは、いずれも本発明の特許請求の範囲に属するものとする。
この発明の材料の実施の形態であって、第1部分が顆粒状を呈する場合の断面を示した説明図である。 この発明の材料の実施の形態であって、第1部分が顆粒状を呈する場合の他の断面を示した説明図である。 この発明の材料の他の実施の形態であって、第1部分が管状を呈する場合の断面を示した説明図である。 この発明の材料の他の実施の形態であって、第1部分が管状を呈する場合の他の断面を示した説明図である。 この発明における伝導帯と価電子帯とエネルギーバンドギャップを示した説明図である。
符号の説明
1 第1部分
11 微小単位
21 微小単位
3 第2部分
4 分散剤
50 エネルギーバンドギャップ
51 伝導帯
52 禁制帯
53 価電子帯
54 伝導帯のエネルギーレベル下限
61 伝導帯
62 禁制帯
63 価電子帯
64 伝導帯のエネルギーレベル下限
7 第1部分

Claims (6)

  1. 半導体物質を主要成分とし、かつ一表面を有する第1部分と、該第1部分の表面の少なくとも一部分に付着し、有機分子(organic molecules)と、無機分子(inorganic molecules)と、染色分子(dye molecules)と、高分子(polymers)との4者の内の少なくとも一つを含む第2部分とを含み、該第2部分の価電子帯と伝導帯との間のエネルギーバンドギャップが0.1電子ボルトと等しいか、もしくは0.1電子ボルトより大きい(≧0.1eV)ことを特徴とする光を吸収して作用を提供する材料。
  2. 前記第2部分の価電子帯と伝導帯と間のエネルギーバンドギャップが0.1電子ボルトから1.9電子ボルトの間である(>0.1eVであって、かつ<1.9電子ボルト)ことを特徴とする請求項1に記載の光を吸収して作用を提供する材料。
  3. 請求項1の材料を分散した状態にし、該分散した材料を一物体に付着させることを特徴とする細菌の抑制作用を得る方法。
  4. 請求項1の材料を分散した状態にし、該分散した材料を一物体に付着させて消臭作用を得ることを特徴とする消臭方法。
  5. 半導体物質を主要成分とし、かつ一表面を有する第1部分と、該第1部分の表面の少なくとも一部分に付着し、有機分子と、無機分子と、染色分子と、高分子との四者の内の少なくとも二つを含む第2部分とを含み、該第2部分の価電子帯と伝導帯との間のエネルギーバンドギャップが0.1電子ボルトと等しいか、もしくは0.1電子ボルトより大きい(≧0.1eV)ことを特徴とする光を吸収して作用を提供する材料。
  6. 前記第2部分の価電子帯と伝導帯の間のエネルギーバンドギャップが0.1電子ボルトから1.9電子ボルトの間である(>0.1eVであって、かつ<1.9電子ボルト)であることを特徴とする請求項5に記載の光を吸収して作用を提供する材料。
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