JP2012030172A - Method of manufacturing visible light responsive photocatalyst and visible light responsive photocatalyst - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、可視光応答型光触媒の製造方法、及び当該方法によって得られる可視光応答型光触媒に関する。 The present invention relates to a method for producing a visible light responsive photocatalyst, and a visible light responsive photocatalyst obtained by the method.
代表的な光触媒として酸化チタン(TiO2)がある。酸化チタンにバンドギャップより大きいエネルギーを有する紫外光を照射すると、価電子帯の電子が伝導帯に励起され、価電子帯に正孔が生成する。この正孔は強い酸化作用を有するため、悪臭物質や汚染物質の分解、防汚、殺菌等に有効である。 A typical photocatalyst is titanium oxide (TiO 2 ). When titanium oxide is irradiated with ultraviolet light having energy larger than the band gap, electrons in the valence band are excited to the conduction band and holes are generated in the valence band. Since these holes have a strong oxidizing action, they are effective for the decomposition, antifouling and sterilization of malodorous substances and pollutants.
ところが、通常の酸化チタン(アナターゼ型)が光触媒活性を発現するのは、波長が約400nm以下の紫外光を照射した場合に限られる。従って、主に可視光や赤外光を多く含む太陽光や蛍光灯の光では、約400nm以下の紫外光の割合が少ないため、効率よく正孔を発生させることができない。そこで、従来、可視光の照射でも光触媒活性を発現させるべく、酸化チタンに対して種々工夫が行われている。 However, ordinary titanium oxide (anatase type) exhibits photocatalytic activity only when irradiated with ultraviolet light having a wavelength of about 400 nm or less. Accordingly, sunlight or fluorescent light mainly containing a large amount of visible light or infrared light cannot generate holes efficiently because the proportion of ultraviolet light of about 400 nm or less is small. In view of this, various attempts have been made for titanium oxide to develop photocatalytic activity even when irradiated with visible light.
例えば、酸化チタンに少量のB、P、V、Cr、Mn、Fe等の陽イオンを含有させた陽イオンドープ酸化チタンが知られている(例えば、特許文献1を参照)。特許文献1によれば、酸化チタンに陽イオンをドープすると、酸化チタンの結晶構造において電子状態が変化し、これにより可視光に対しても光触媒活性を発現するようになるとされている。
For example, cation-doped titanium oxide in which a small amount of cations such as B, P, V, Cr, Mn, and Fe is contained in titanium oxide is known (see, for example, Patent Document 1). According to
また、酸化チタンにプラズマ処理を施す方法も提案されている(例えば、特許文献2を参照)。特許文献2によれば、減圧下で、酸化チタンに対して水素プラズマ処理又は希ガス類プラズマ処理を行っている。これにより、酸化チタンの結晶構造中に安定した酸素欠陥が生成し、可視光の照射でも光触媒活性が得られるとされている。
In addition, a method of subjecting titanium oxide to plasma treatment has been proposed (see, for example, Patent Document 2). According to
しかしながら、上記の特許文献1や特許文献2の方法には幾つかの問題がある。特許文献1では、酸化チタンに陽イオンを導入するために当該陽イオンを含む溶液を酸化チタンに含浸させている。ところが、このような方法はウェットコンディションで行うことになるため、後に乾燥や加熱等の処理工程が必要となる。また、含浸処理では溶液が酸化チタンの全体に含浸するため、例えば、所定の部位のみに陽イオンをドープするなどの精密な触媒設計をすることは不可能である。さらに、酸化チタンへの陽イオンの導入は、ある意味で不純物を添加することになる。従って、一旦陽イオンのドープを行うと元の純粋な酸化チタンに再生することは困難である。
However, the methods disclosed in
特許文献2では、プラズマ処理を減圧下で行う必要がある。このため、装置構成が複雑になり、製造コストが高くなる。また、減圧下ではプラズマ処理の最中に不純物が混入する可能性が高く、目的物のイオンとともに不純物が酸化チタンに注入されるおそれがある。
In
このように、現状では、有効に可視光応答型光触媒を得る手法は十分に確立されていない。本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、簡便、確実、かつ低コストで実現可能な可視光応答型光触媒の製造方法を確立するとともに、当該製造方法によって得られる可視光応答型光触媒を提供することにある。 Thus, at present, a method for effectively obtaining a visible light responsive photocatalyst has not been sufficiently established. The present invention has been made in view of the above problems, and its object is obtained by establishing a method for producing a visible light responsive photocatalyst that can be realized simply, reliably, and at a low cost. The object is to provide a visible light responsive photocatalyst.
上記課題を解決するための本発明に係る可視光応答型光触媒の製造方法の特徴構成は、
大気圧下で酸化チタンにフェムト秒レーザを照射し、当該酸化チタンの結晶中に酸素欠陥及びTi3+の少なくとも一方を形成させることにある。
The characteristic configuration of the method for producing a visible light responsive photocatalyst according to the present invention for solving the above problems is as follows.
The titanium oxide is irradiated with a femtosecond laser under atmospheric pressure to form at least one of oxygen defects and Ti 3+ in the titanium oxide crystal.
上記課題で説明したように、従来行われていた酸化チタンの光触媒活性を可視光で発現させる手法は、製造工程が煩雑である、精密な触媒設計が不可能である、再生が困難である、装置構成が複雑になる、コスト高になる、コンタミ混入のおそれがある等の問題があった。
この点、本構成の可視光応答型光触媒の製造方法によれば、酸化チタンにフェムト秒レーザを照射するという簡便な方法で可視光応答型の酸化チタンを得ることができる。ここで、フェムト秒レーザの照射は、酸化チタンの結晶中に酸素欠陥及びTi3+の少なくとも一方が形成するように行われる。結晶中に形成した酸素欠陥又はTi3+は、比較的安定した状態で存在し続けると考えられる。その結果、酸化チタンは、紫外光だけでなく可視光に対しても有効な吸収を示すようになる。
本構成の可視光応答型光触媒の製造方法であれば、従来のような陽イオンドープを行わなくても酸化チタンに可視光吸収特性を発現させることができる。すなわち、不純物を含まない再生可能な可視光応答型酸化チタンを実現することができる。また、フェムト秒レーザを照射する手法は、酸化チタンの特定の部位に対して選択的に処理を行うことも容易である。このため、使用目的等に応じて精密な触媒設計が可能となる。さらに、本構成の可視光応答型光触媒の製造方法は、大気圧下で実施し得るものである。従って、製造装置の構成を簡素化でき、製造コストの低減に寄与し得る。
As described in the above problem, the conventional method for expressing the photocatalytic activity of titanium oxide with visible light is a complicated manufacturing process, precise catalyst design is impossible, and regeneration is difficult. There are problems such as complicated apparatus configuration, high cost, and the possibility of contamination.
In this regard, according to the method for producing a visible light responsive photocatalyst having this configuration, visible light responsive titanium oxide can be obtained by a simple method of irradiating the titanium oxide with a femtosecond laser. Here, the irradiation with the femtosecond laser is performed so that at least one of an oxygen defect and Ti 3+ is formed in the titanium oxide crystal. It is considered that oxygen defects or Ti 3+ formed in the crystal continues to exist in a relatively stable state. As a result, titanium oxide exhibits effective absorption not only for ultraviolet light but also for visible light.
If it is the manufacturing method of the visible light response type photocatalyst of this structure, a visible light absorption characteristic can be expressed in titanium oxide, without performing cation doping like the past. That is, a reproducible visible light responsive titanium oxide containing no impurities can be realized. In addition, the method of irradiating a femtosecond laser can easily perform a selective treatment on a specific portion of titanium oxide. This makes it possible to design a precise catalyst according to the purpose of use. Furthermore, the method for producing a visible light responsive photocatalyst having this configuration can be carried out under atmospheric pressure. Therefore, the configuration of the manufacturing apparatus can be simplified, which can contribute to the reduction of manufacturing cost.
本発明に係る可視光応答型光触媒の製造方法において、
前記フェムト秒レーザの照射エネルギーは、133〜533GW/cm2であることが好ましい。
In the method for producing a visible light responsive photocatalyst according to the present invention,
The irradiation energy of the femtosecond laser is preferably 133 to 533 GW / cm 2 .
本構成の可視光応答型光触媒の製造方法によれば、酸化チタンに照射するフェムト秒レーザの照射エネルギーを133〜533GW/cm2とすることにより、酸化チタンの結晶中に酸素欠陥及びTi3+を確実に形成することができる。 According to the method for producing a visible light responsive photocatalyst having this configuration, the oxygen energy and Ti 3+ are reduced in the titanium oxide crystal by setting the irradiation energy of the femtosecond laser for irradiating the titanium oxide to 133 to 533 GW / cm 2. It can be reliably formed.
本発明に係る可視光応答型光触媒の製造方法において、
前記フェムト秒レーザのパルス幅は、50〜1000fsであることが好ましい。
In the method for producing a visible light responsive photocatalyst according to the present invention,
The pulse width of the femtosecond laser is preferably 50 to 1000 fs.
本構成の可視光応答型光触媒の製造方法によれば、酸化チタンに照射するフェムト秒レーザのパルス幅を50〜1000fsとすることにより、酸化チタンの結晶中に酸素欠陥及びTi3+を確実に形成することができる。 According to the method for producing a visible light responsive photocatalyst of this configuration, oxygen defects and Ti 3+ are reliably formed in the titanium oxide crystal by setting the pulse width of the femtosecond laser irradiated to the titanium oxide to 50 to 1000 fs. can do.
本発明に係る可視光応答型光触媒の製造方法において、
前記フェムト秒レーザの波長は、250〜1600nmであることが好ましい。
In the method for producing a visible light responsive photocatalyst according to the present invention,
The wavelength of the femtosecond laser is preferably 250 to 1600 nm.
本構成の可視光応答型光触媒の製造方法によれば、酸化チタンに照射するフェムト秒レーザの波長を250〜1600nmとすることにより、酸化チタンの結晶中に酸素欠陥及びTi3+を確実に形成することができる。 According to the method for producing a visible light responsive photocatalyst having this configuration, oxygen defects and Ti 3+ are reliably formed in the titanium oxide crystal by setting the wavelength of the femtosecond laser irradiated to the titanium oxide to 250 to 1600 nm. be able to.
本発明に係る可視光応答型光触媒の製造方法において、
前記酸化チタンとして、ドーパントが添加された酸化チタンを用いることが好ましい。
In the method for producing a visible light responsive photocatalyst according to the present invention,
It is preferable to use titanium oxide to which a dopant is added as the titanium oxide.
本構成の可視光応答型光触媒の製造方法によれば、可視光に対してある程度の吸収特性を有するドーパントが添加された酸化チタンにフェムト秒レーザを照射することにより、酸化チタン光触媒の可視光吸収特性をさらに向上させることができる。その結果、強力な可視光応答型光触媒を生成することができる。 According to the method for producing a visible light responsive photocatalyst of this configuration, the titanium oxide photocatalyst absorbs visible light by irradiating a titanium oxide to which a dopant having a certain absorption characteristic with respect to visible light is added with a femtosecond laser. The characteristics can be further improved. As a result, a strong visible light responsive photocatalyst can be generated.
上記課題を解決するための本発明に係る可視光応答型光触媒の特徴構成は、
酸化チタンの結晶中に酸素欠陥及びTi3+の少なくとも一方を有することにある。
The characteristic configuration of the visible light responsive photocatalyst according to the present invention for solving the above problems is as follows:
It exists in having at least one of an oxygen defect and Ti3 + in the crystal | crystallization of a titanium oxide.
本構成の可視光応答型光触媒では、結晶中において、酸素欠陥又はTi3+が比較的安定した状態で存在し続けると考えられる。その結果、酸化チタンは、紫外光だけでなく可視光に対しても有効な吸収を示すようになる。
本構成の可視光応答型光触媒であれば、従来のような陽イオンドープ酸化チタン等とは異なり、再生可能な純粋な酸化チタンのみで可視光吸収特性を発現する。また、本構成の可視光応答型光触媒は、使用目的等に応じて精密な触媒設計が可能となる。さらに、本構成の可視光応答型光触媒は、大気圧下で製造することができるため、製造装置の構成を簡素化でき、製造コストの低減に寄与し得る。
In the visible light responsive photocatalyst having this configuration, it is considered that oxygen defects or Ti 3+ continues to exist in a relatively stable state in the crystal. As a result, titanium oxide exhibits effective absorption not only for ultraviolet light but also for visible light.
In the case of the visible light responsive photocatalyst having this configuration, unlike the conventional cation-doped titanium oxide, the visible light absorption characteristic is manifested only by reproducible pure titanium oxide. In addition, the visible light responsive photocatalyst having this configuration enables precise catalyst design according to the purpose of use. Furthermore, since the visible light responsive photocatalyst having this configuration can be manufactured under atmospheric pressure, the configuration of the manufacturing apparatus can be simplified, and the manufacturing cost can be reduced.
以下、本発明に関する実施形態を図面に基づいて説明する。ただし、本発明は、以下に説明する実施例や図面に記載される構成に限定されることを意図せず、それらと均等な構成も含む。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the present invention is not intended to be limited to the configurations described in the examples and drawings described below, and includes configurations equivalent thereto.
本発明の可視光応答型光触媒における一つの大きな特徴は、実質的に不純物を含まず、純粋な酸化チタンのみから構成し得る点にある。従って、再生やリサイクルが容易である。原料の酸化チタンの結晶形態は、光触媒用として広く利用されているアナターゼ型酸化チタンの他、ルチル型酸化チタンやブルッカイト型酸化チタンも使用可能である。ただし、光触媒活性の大きさや入手容易性等を考慮すると、アナターゼ型酸化チタンが好ましい。原料の酸化チタンは、市販されている酸化チタン粉末をそのまま使用することができる。一方、有機チタン化合物から酸化チタンを合成しても構わない。例えば、チタンアルコキシドをゾル−ゲル反応させることにより、所望の酸化チタンを合成することができる。使用に供する酸化チタンの性状は、粉末状、膜状、固体状等、用途に応じて任意の性状とすることができる。また、多孔質体などの触媒担体に酸化チタンを担持させた担持タイプや、基板上に酸化チタンを成膜したフィルムタイプも使用可能である。なお、本実施形態では、ガラス基板に酸化チタンを成膜した酸化チタン膜を使用した。 One major feature of the visible light responsive photocatalyst of the present invention is that it can be composed of pure titanium oxide substantially free of impurities. Therefore, recycling and recycling are easy. As the crystal form of the raw material titanium oxide, rutile titanium oxide and brookite type titanium oxide can be used in addition to anatase type titanium oxide widely used for photocatalysts. However, in view of the photocatalytic activity and availability, anatase-type titanium oxide is preferable. As the raw material titanium oxide, commercially available titanium oxide powder can be used as it is. On the other hand, titanium oxide may be synthesized from an organic titanium compound. For example, a desired titanium oxide can be synthesized by a sol-gel reaction of titanium alkoxide. The property of titanium oxide to be used can be any property such as powder, film, solid, etc. depending on the application. Also, a support type in which titanium oxide is supported on a catalyst carrier such as a porous body, or a film type in which titanium oxide is formed on a substrate can be used. In this embodiment, a titanium oxide film in which titanium oxide is formed on a glass substrate is used.
図1に、ガラス基板に酸化チタン膜を形成するために使用する成膜装置100の概略図に示す。成膜装置100は、主に、プロセスチャンバ1、エアロゾルチャンバ2、ガスボンベ3、メカニカルブースターポンプ4、及びロータリーポンプ5から構成される。
FIG. 1 is a schematic view of a
プロセスチャンバ1の内部には基板を配置するためのプロセスステージ11が設けられ、当該プロセスステージ11に対向するように酸化チタンのエアロゾルを吹き付けるためのノズル12が設けられている。プロセスステージ11は可動式であり、コントローラ13により、プロセスステージ11に載置したサンプルをノズル12に対して縦方向(Y方向)及び横方向(X方向)に相対移動させることができる。プロセスステージ11上に基板Aを配置した後、メカニカルブースターポンプ4及びロータリーポンプ5を作動させ、プロセスチャンバ1の内部を減圧する。
A
エアロゾルチャンバ2の内部には、成膜原料となる酸化チタン微粒子が予め導入されている。また、エアロゾルチャンバ2には、フローガスとしての不活性ガス(例えば、ヘリウム、窒素等)を供給するガスボンベ3が接続されている。エアロゾルチャンバ2の内部にガスボンベ3から不活性ガスを導入すると、酸化チタン微粒子はエアロゾルチャンバ2中に吹き上げられて不活性ガスと混合状態(エアロゾル)となり、上方のホース21を通って下流のノズル12に供給される。ここで、エアロゾルチャンバ2には、酸化チタン微粒子の分散性を向上させるために振動装置22を必要に応じて設ける。プロセスチャンバ1内では、ノズル12からプロセスステージ11上に配置された基板Aに向けて酸化チタン微粒子の噴流(エアロゾルビーム)が入射角θで吹き付けられる。ここで、吹き付けの最中にプロセスステージ11をノズル12に対して相対移動させる。プロセスステージ11の移動パターンは、設計した酸化チタン膜の形状に応じて、コントローラ13にプログラミングされている。基板Aの表面に酸化チタンのエアロゾルが衝突すると、当該エアロゾルが破壊されて薄膜化する。このとき、薄膜の表面には活性な新生面が生成する。この活性な新生面に後から到来した別のエアロゾルが衝突すると、新生面の上に新たな酸化チタン膜が形成される。そして、この衝突が繰り返されることにより薄膜が成長し、緻密で強固な酸化チタン膜となる。
Inside the
成膜装置100によって形成した酸化チタン膜を可視光応答型光触媒へと変化させるには、酸化チタン膜にフェムト秒レーザを照射する。本明細書において「フェムト秒レーザ」とは、フェムト秒オーダーのパルス幅を有するレーザ光とする。フェムト秒レーザの照射は、減圧チャンバ等を必要とせず、通常の大気圧下で行うことができる。図2に、フェムト秒レーザの照射装置200の概略図を示す。照射装置200は、主に、フェムト秒レーザ発信器51、エネルギー減衰器52、反射ミラー53、集光レンズ54、及び照射ステージ55から構成される。
In order to change the titanium oxide film formed by the
フェムト秒レーザ発信器51から出射したフェムト秒レーザ(以下、「レーザ光」とする)は、エネルギー減衰器52によって照射エネルギーが調整される。その後、エネルギー調整されたレーザ光は反射ミラー53及び集光レンズ54を経由し、照射ステージ55の上に載置された基板A上の酸化チタン膜Sを照射する。ここで、フェムト秒レーザ発信器51からのレーザ光の照射は、酸化チタン膜Sの結晶中に酸素欠陥及びTi3+の少なくとも一方が形成するように行われる。すなわち、酸化チタンのバンド構造内において、新たなドナー準位が形成されるように、レーザ照射が行われる。具体的には、酸化チタン膜Sに到達するレーザ光は、エネルギー減衰器52によって照射エネルギーが133〜533GW(ギガワット)/cm2となるように、より好適には267〜533GW/cm2となるように減衰調整される。照射エネルギーが133GW/cm2より小さい場合、酸素欠陥又はTi3+が充分に形成されない。一方、照射エネルギーが大きくなり過ぎると、酸化チタン膜Sが破損されるおそれがある。また、レーザ光のパルス幅は50〜1000fsに、より好適には100〜200fsに調整される。これらの範囲であれば、レーザ光の照射により、酸化チタン膜Sが黒色化し、可視光を吸収するようになる。パルス幅が50fsより小さい場合、酸素欠陥又はTi3+が充分に形成されない。一方、パルス幅が1000fsより大きくなると、酸化チタン膜Sが溶融するおそれがある。さらに、レーザ光の波長は250〜1600nmに、より好適には700〜800nmに調整される。波長が250nmより小さい場合、あるいは1600nmより大きい場合では、酸素欠陥又はTi3+が充分に形成されない。
The irradiation energy of the femtosecond laser emitted from the femtosecond laser transmitter 51 (hereinafter referred to as “laser light”) is adjusted by the
上記の照射条件により、フェムト秒レーザ発信器51によってレーザ光を酸化チタン膜Sに照射すると、照射部が褐色乃至黒色に変色し、酸化チタン膜Sの結晶中に酸素欠陥又はTi3+が形成する。この酸素欠陥及びTi3+は、比較的安定した状態で存在し続けると考えられる。その結果、酸化チタンは、紫外光だけでなく可視光に対しても有効な吸収を示すようになる。また、レーザ光の照射により褐色乃至黒色に変色した酸化チタン膜Sについて、紫外光又は可視光を照射することにより電気抵抗を測定した。その結果、紫外光照射時だけでなく可視光照射時においても、酸化チタン膜Sは変色前の状態より電気抵抗が低下することが確認された。この新規で且つ特異な現象は、酸化チタンのバンド構造内の伝導帯から0.75〜1.18eV低位に新たなドナー準位が形成されたため発生すると考えられる。以上のようにして、本発明では、可視光に対して優れた活性を示し得る可視光応答型光触媒を形成することができる。
Under the above irradiation conditions, when the laser light is irradiated onto the titanium oxide film S by the
本発明の可視光応答型光触媒に関する実施例について説明する。以下に説明する実施例では、初めに、図1に示した成膜装置100を用いて酸化チタン膜Sを成膜した。次いで、酸化チタン膜Sに対して、フェムト秒レーザ発信器51から照射エネルギーの異なるレーザ光を照射し、本発明の可視光応答型光触媒を生成した。各実施例に共通の酸化チタン膜Sの成膜条件は以下のとおりである。
Examples relating to the visible light responsive photocatalyst of the present invention will be described. In the examples described below, first, the titanium oxide film S was formed using the
<成膜条件>
(1)原料:アナターゼ型酸化チタン粉末(平均粒径200nm)
(2)搬送ガス:ヘリウム
(3)ガス流量:17L/秒
(4)基板:スライドガラス
(5)ノズル−基板間距離:10mm
(6)エアロゾルビーム入射角度:40度
(7)掃引速度:3mm/秒
(8)エアロゾルビーム処理面積:10×20mm2
(9)処理温度:室温
<Film formation conditions>
(1) Raw material: Anatase-type titanium oxide powder (
(2) Carrier gas: helium (3) Gas flow rate: 17 L / sec (4) Substrate: glass slide (5) Nozzle-substrate distance: 10 mm
(6) Aerosol beam incident angle: 40 degrees (7) Sweep speed: 3 mm / sec (8) Aerosol beam processing area: 10 × 20 mm 2
(9) Processing temperature: room temperature
<実施例1>
実施例1では、酸化チタン膜Sから可視光応答型光触媒を形成するのに適したレーザ光の照射エネルギー範囲を確認する試験を行った。フェムト秒レーザ発信器51によるレーザ光の照射は、図2に示した照射装置200を用いて行った。実施例1におけるレーザ光の照射条件は以下のとおりである。
<Example 1>
In Example 1, a test for confirming an irradiation energy range of laser light suitable for forming a visible light responsive photocatalyst from the titanium oxide film S was performed. The irradiation of the laser beam by the
<照射条件>
(1)波長:775nm
(2)パルス幅:150fs
(3)繰り返し周波数:1kHz
(4)レンズ焦点距離:100mm
(5)ビームスポット径:250μm
(6)照射エネルギー:67〜1267GW/cm2の範囲で67GW/cm2毎
(7)掃引速度:1μm/パルス
(8)照射雰囲気:大気
<Irradiation conditions>
(1) Wavelength: 775 nm
(2) Pulse width: 150 fs
(3) Repetition frequency: 1 kHz
(4) Lens focal length: 100 mm
(5) Beam spot diameter: 250 μm
(6) Irradiation energy: 67 GW / cm 2 in the range of 67 to 1267 GW / cm 2 (7) Sweep speed: 1 μm / pulse (8) Irradiation atmosphere: air
図3に、実施例1におけるレーザ光の照射パターンを示す。同図に示すように、酸化チタン膜Sの上に、67〜1267GW/cm2の範囲で67GW/cm2毎に照射エネルギーを調整したレーザ光をライン状に照射した。 FIG. 3 shows an irradiation pattern of the laser beam in Example 1. As shown in the figure, a laser beam whose irradiation energy was adjusted every 67 GW / cm 2 in a range of 67 to 1267 GW / cm 2 was irradiated on the titanium oxide film S in a line shape.
図4に、レーザ光を照射した後の酸化チタン膜Sの表面の全体写真、及び酸化チタン膜Sの一部の表面を走査型電子顕微鏡(SEM)により撮影した拡大写真を示す。同図より、照射エネルギーを133GW/cm2以上に調整した場合、白色の酸化チタン膜Sが褐色乃至黒色に変色した。ただし、照射エネルギーを1200GW/cm2まで上げると、酸化チタン膜Sにクラック等の形状変化が見られた。これらの結果から、酸化チタン膜Sを可視光応答型光触媒に変化させるには、レーザ光の照射エネルギーを133〜1067GW/cm2程度に調整するのが好適と考えられる。 FIG. 4 shows an overall photograph of the surface of the titanium oxide film S after irradiation with laser light, and an enlarged photograph of a part of the surface of the titanium oxide film S taken by a scanning electron microscope (SEM). From the figure, when the irradiation energy was adjusted to 133 GW / cm 2 or more, the white titanium oxide film S changed from brown to black. However, when the irradiation energy was increased to 1200 GW / cm 2, changes in the shape of the titanium oxide film S such as cracks were observed. From these results, in order to change the titanium oxide film S into a visible light responsive photocatalyst, it is considered preferable to adjust the irradiation energy of the laser light to about 133 to 1067 GW / cm 2 .
<実施例2>
実施例2では、可視光応答型光触媒によるアセトアルデヒドの分解試験を行った。この実施例2において使用した可視光応答型光触媒は、図2に示した照射装置200を用いて酸化チタン膜Sにレーザ光を照射したものである。実施例2におけるレーザ光の照射条件は以下のとおりである。
<Example 2>
In Example 2, a decomposition test of acetaldehyde using a visible light responsive photocatalyst was performed. The visible light responsive photocatalyst used in Example 2 is obtained by irradiating the titanium oxide film S with laser light using the
<照射条件>
(1)波長:775nm
(2)パルス幅:150fs
(3)繰り返し周波数:1kHz
(4)レンズ焦点距離:100mm
(5)ビームスポット径:250μm
(6)照射エネルギー:133〜800GW/cm2の範囲で133GW/cm2毎
(7)掃引速度:1μm/パルス
(8)照射雰囲気:大気
<Irradiation conditions>
(1) Wavelength: 775 nm
(2) Pulse width: 150 fs
(3) Repetition frequency: 1 kHz
(4) Lens focal length: 100 mm
(5) Beam spot diameter: 250 μm
(6) Irradiation energy: Every 133 GW / cm 2 in the range of 133 to 800 GW / cm 2 (7) Sweep speed: 1 μm / pulse (8) Irradiation atmosphere: Air
図5に、実施例2におけるレーザ光の照射パターンを示す。図5(a)に示すように、酸化チタン膜Sの上に照射エネルギーを調整したレーザ光を全面に照射し、可視光応答型光触媒の試料を得た。試料は、133〜800GW/cm2の範囲で133GW/cm2毎に照射した試料を準備した(全6サンプル)。図5(b)にレーザ光を照射した後の酸化チタン膜Sの表面写真の例を示す。同図より、白色の酸化チタン膜Sが褐色乃至黒色に変色したことが確認できる。 In FIG. 5, the irradiation pattern of the laser beam in Example 2 is shown. As shown in FIG. 5A, the entire surface of the titanium oxide film S was irradiated with a laser beam with adjusted irradiation energy to obtain a sample of a visible light responsive photocatalyst. Samples were prepared specimen irradiated every 133GW / cm 2 in the range of 133~800GW / cm 2 (total six samples). FIG. 5B shows an example of a surface photograph of the titanium oxide film S after irradiation with laser light. From the figure, it can be confirmed that the white titanium oxide film S has changed from brown to black.
上記6つの試料を用いて、アセトアルデヒド分解試験を行った。図6に、アセトアルデヒド分解試験を行うための試験装置300の概略図を示す。図6(a)に示すように、容量1Lの透明容器61の内部にステージ62を配置し、当該ステージ62上に各照射エネルギーで照射した試料(基板Aに形成した酸化チタン膜S)を載置した。そして、透明容器61にアセトアルデヒド100ppmを含むガスを導入し、紫外光を透明容器の下方から各サンプルに向けて照射した。紫外光は、図6(b)に示すスペクトルを有する。紫外光の照射は4時間継続し、1時間毎にガス検知管63を用いてガス濃度を測定した。また、対照試験として、レーザ光を照射していない酸化チタン膜Sについても同様のアセトアルデヒド分解試験を行った。試験結果を図7のグラフに示す。
An acetaldehyde decomposition test was performed using the above six samples. FIG. 6 shows a schematic diagram of a
次に、図6の試験装置300を使用し、可視光によるアセトアルデヒド分解試験を行った。可視光は、図8(a)に示すスペクトルを有する。試験条件は、紫外光照射試験における試験条件と同様である。試験結果を図8(b)のグラフに示す。
Next, an acetaldehyde decomposition test using visible light was performed using the
図7及び図8の試験結果より、フェムト秒レーザ発信器51により酸化チタン膜Sにレーザ光を照射エネルギー133〜533GW/cm2で照射して得た可視光応答型光触媒は、優れたアセトアルデヒド分解性能を示すことが確認された。紫外光を照射した場合では、アセトアルデヒドを最高で80%以上分解することができた。可視光を照射した場合においても、アセトアルデヒドを約50%分解することができた。特に、可視光の照射によって発現する光触媒活性は、陽イオンドープ等の処理を施していない従来の純粋な酸化チタンには見られない新たな知見である。この理由については、まだ完全には解明されていないが、レーザ光の照射により酸化チタンの結晶中に形成した酸素欠陥又はTi3+が比較的安定した状態で存在し続けたことに起因するものと考えられる。このように、本発明の可視光応答型光触媒は、紫外光だけでなく可視光に対しても有意な光触媒活性を示しており、有機物質の分解に優れた効果が認められた。
From the test results shown in FIGS. 7 and 8, the visible light responsive photocatalyst obtained by irradiating the titanium oxide film S with the irradiation energy of 133 to 533 GW / cm 2 by the
<別実施形態>
上記実施形態(実施例)においては、フェムト秒レーザを照射する酸化チタンとして、実質的に不純物を含まない純粋な酸化チタンを使用している。しかしながら、本発明の技術思想は、酸化チタンにフェムト秒レーザを照射することにより、酸化チタンの結晶中に酸素欠陥及びTi3+の少なくとも一方を形成させ、その結果、可視光応答特性を向上させることにある。従って、照射対象の酸化チタンとして、純粋な酸化チタンだけでなく、ドーパントが添加された酸化チタン、例えば、ホウ素(B)、リン(P)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)等がドープされた陽イオンドープ酸化チタンや、硫黄(S)、窒素(N)等がドープされた陰イオンドープ酸化チタンを使用することも可能である。この場合、可視光に対してある程度の吸収特性を有するドーパントが添加された酸化チタンにフェムト秒レーザを照射することで、元々酸化チタン光触媒が備えていた可視光吸収特性をさらに向上させることができる。よって、強力な可視光応答型光触媒を生成するためには、ドーパントが添加された酸化チタンへのフェムト秒レーザの照射も有効である。
<Another embodiment>
In the above embodiment (example), pure titanium oxide containing substantially no impurities is used as the titanium oxide irradiated with the femtosecond laser. However, the technical idea of the present invention is that at least one of oxygen defects and Ti 3+ is formed in the titanium oxide crystal by irradiating the titanium oxide with a femtosecond laser, and as a result, the visible light response characteristic is improved. It is in. Therefore, as a titanium oxide to be irradiated, not only pure titanium oxide but also titanium oxide to which a dopant is added, for example, boron (B), phosphorus (P), vanadium (V), chromium (Cr), manganese (Mn ), Cation-doped titanium oxide doped with iron (Fe) or the like, or anion-doped titanium oxide doped with sulfur (S), nitrogen (N) or the like can be used. In this case, the visible light absorption characteristic originally provided in the titanium oxide photocatalyst can be further improved by irradiating the titanium oxide to which the dopant having a certain absorption characteristic with respect to visible light is added with the femtosecond laser. . Therefore, in order to generate a strong visible light responsive photocatalyst, it is also effective to irradiate titanium oxide to which a dopant is added with a femtosecond laser.
本発明の可視光応答型光触媒は、蛍光灯などの照明器具が設置された室内や、太陽光を利用できる屋外での使用において特に有用であり、悪臭物質や汚染物質の分解、防汚、殺菌等を目的として利用することができる。 The visible light responsive photocatalyst of the present invention is particularly useful in a room where a lighting device such as a fluorescent lamp is installed or outdoors where sunlight can be used. The decomposition, antifouling and sterilizing of malodorous substances and pollutants Etc. can be used for the purpose.
1 プロセスチャンバ
2 エアロゾルチャンバ
3 ガスボンベ
4 メカニカルブースターポンプ
5 ロータリーポンプ
11 プロセスステージ
12 ノズル
51 フェムト秒レーザ発信器
52 エネルギー減衰器
53 反射ミラー
54 集光レンズ
55 照射ステージ
100 成膜装置
200 照射装置
DESCRIPTION OF
Claims (6)
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