JP3998381B2 - 光触媒層の活性化方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、基材に製膜した光触媒層の活性化方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、光触媒の活性機能を高める方法として、光触媒にＳｉ（シリコン）やＣｒを始とする他元素種をドーピングする方法等の種々の実験的試みが行われている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、他元素をドーピングする場合、ドーピングの量（ＴｉＯ2 との元素比率）のコントロールが困難であったり、再現性のある効果が得られない場合がある。また、特開平８−５２８２９０号公報に開示されているように、Ｓｉをドーピングすることにより超親水性の機能は上げることが可能であるが、逆に酸化分解活性を失ってしまうという弊害があった。
【０００４】
そこで、この発明は、かかる課題を解決し、乾式法によって製膜した光触媒層の機能を容易な方法にて向上させる方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、この発明は、基材上に製膜した光触媒層をイオンボンバード処理したのである。
【０００６】
ガラス、樹脂等の基材表面上に乾式法（スパッタリング）により製膜した光触媒層は、自然光、または照明光中に含まれる波長３００ｎｍ〜４００ｎｍの紫外光をその励起光として有機物酸化分解活性及び超親水性といった光触媒の持つ活性機能を有する。このとき、アルゴンイオンや酸素イオンボンバード処理によって光触媒層表面を凹凸に粗す。これにより、有機物等の光触媒表面ヘの接触表面積を大きくしたり、光触媒層表面近傍における光触媒を構成する金属と酸素からなる結晶中に格子欠陥（原子欠損）を生じさせたり、光触媒表面近傍における結晶構造をアモルフアス及びルチル型構造からアナターゼ型構造へと転移させることにより、有機物酸化分解活性及び超親水性といった光触媒の持つ活性機能をより活性化させることができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施形態を図面を参照して説明する。
【０００８】
この発明にかかる光触媒層の活性化方法は、基材上に製膜した光触媒層をイオンボンバード処理することに行われる。
【０００９】
上記基材とは、光触媒層を製膜するためのものであり、ガラス、樹脂等が一般的に使用される。
【００１０】
上記光触媒とは、自然光、または照明光中に含まれる波長３００ｎｍ〜４００ｎｍの紫外光をその励起光として、有機物酸化分解活性及び超親水性といった光触媒の持つ活性機能を有する触媒である。この光触媒の例としては、酸化チタンがあげられる。
【００１１】
この光触媒は、乾式法によって、上記基材上に製膜される。この乾式法としては、スパッタリングが例としてあげられる。
【００１２】
上記イオンボンバード処理とは、アルゴンイオンや酸素イオンを用いて光触媒層表面を凹凸に粗す処理をいう。このイオンボンバード処理は、例えば、図１に示す装置を用いて行うことができる。これは、開閉自在の真空チャンバ１の一面に陰極２を設け、その対向する面に基材１１を保持するパレット３が設けられ、このパレット３をアースした装置である。
【００１３】
イオンボンバード処理の方法は、まず、エアシリンダ４によって真空チャンバ１を開き、表面に光触媒層１２を形成した基材１１を、上記光触媒層１２が外側に向くように、パレット３に取り付ける。そして、真空チャンバ１を閉じ、排気管５から真空チャンバ１内の空気を排気し、真空チャンバ１内の圧力を１０〜５０ｍＴｏｒｒとする。
【００１４】
次いで、パレット３を所定回転数で回転させ、ガス流入管６から所定流量のアルゴンガス又は酸素ガスを真空チャンバ１内に流す。次に、パレット３側をアースして、ステンレススチールからなる陰極２に所定電圧をかける。このとき、真空チャンバ１と陰極２及びパレット３とは絶縁層７によって絶縁されている。上記の所定電圧をかけることにより、真空チャンバ１内でプラズマ放電が生起し、アルゴンプラズマ、すなわちアルゴンイオン（Ａｒ+ ）又は酸素プラズマ、すなわち酸素イオン（Ｏ+ ）が発生する。このプラズマは、電圧によって基材１１に引き寄せられ、光触媒層１２に衝突する。これにより、光触媒層１２が活性化すると考えられる。
【００１５】
このとき、陰極２として金属イオンの少ないステンレススチールを使用するので、金属イオンの発生が生じにくい。これは、金属イオンが発生すると、光触媒層１２に衝突した際に金属イオンが付着し、却って光触媒層１２の活性を低下させると考えられるからである。これに対し、アルゴンイオンや酸素イオンは、光触媒層１２への付着が生じないため、付着による阻害効果が少ないと考えられる。
【００１６】
上記イオンボンバード処理の条件は、パレット回転数１０〜３０ｒｐｍ、電圧１００〜６００Ｖ、圧力１０〜５０ｍＴｏｒｒ、ガス流量１０〜５０ｓｃｃｍ、処理時間１０〜６０分がよい。なお、ガス流量の単位の「ｓｃｃｍ」は、常温、常圧における流量（standard cc per minuit）を示す。
【００１７】
ルチル、及びアナターゼ結晶構造はＯ2-が細密充填し、その時間にＴｉ4+等の光触媒を構成する金属イオンが入っている構造をしており、正方晶系の結晶構造を持つ。ユニットセルの体積はルチル型で６２．４（Å3 ）、アナターゼ型で１３６．１（Å3 ）とされている。格子定数はルチル型ではａ＝４．５９３（Å），Ｃ＝２．９５９（Å）、同じくアナターゼ型ではａ＝３．７８５（Å），Ｃ＝９．５１４（Å）となっている。
【００１８】
このため、上記の条件でイオンボンバード処理をすることにより、結晶格子約１個分に相当する表面粗さを生成させ、付着有機物の接触表面積を最大にすることができ、従って分解活性を最大にすることができる。これにより、上記光触媒層の持つ有機物酸化分解活性及び超親水性等の活性機能をより活性化させることができる。
【００１９】
また、上記の条件にてイオンボンバードをすることにより、表面近傍における結晶構造の中から０2-を１個若しくは２個放出させて結晶格子中に丁度１〜３Å（１〜１０Å3 ）の格子欠陥を生成させ、酸素欠損を持つ酸化チタン結晶を生成することができる。こうしてできた格子欠陥には有機物が捕捉されやすくなり、また、格子欠陥の生成により電荷分離効率が大きくなり、すなわち、バンド構造における伝導帯と価電子帯間のバンドギャップが大きくなり、酸化力・還元力共に高くなる事により分解活性が高くなる。これにより、上記光触媒層の持つ有機物酸化分解活性及び超親水性等の活性機能をより活性化させることができる。これに対し、上記条件より下の条件では、表面の結晶構造に衝突する原子のエネルギーが不十分で結晶構造から酸素原子が放出されない。また逆にこの条件より上の条件では、Ｔｉ等の光触媒を構成する金属までもが抜けてしまい、光触媒としての機能を失活してしまうので、酸素原子１個〜２個分に相当する格子欠陥として上記範囲が望ましい。
【００２０】
さらに、上記の条件にて加速された原子によりイオンボンバードをすることにより、表面近傍における結晶構造の中の一部若しくは全部をルチル型構造から活性の高いアナターゼ型へ相転移させるのに必要な衝突エネルギーを与えることができる。すなわち、活性の低いルチル型結晶構造より活性の最も高いアナターゼ型結晶構造への相転移エネルギーを与えることができる。これにより、上記光触媒層の持つ有機物酸化分解活性及び超親水性等の活性機能をより活性化させることができる。しかし、アナターゼ型の結晶構造への相転移を起こすことができるエネルギー値はある閾値を持ち、即ち特定の線幅のエネルギーに限られる為、上記の条件より低い条件では相転移を起こすには原子の加速が不十分で、結果として衝突エネルギーが不十分なため相転移は起こらない。また、上記の条件より高い条件においては表面構造の一部がアナターゼ型から更にブルックライト型構造へと転移してしまい、逆に活性を落としてしまう。このため、上記範囲が望ましい。
【００２１】
上記の各作用を発揮するには、上記の条件を満たす必要があるが、このような条件の精密制御を可能とする方法として、イオンボンバード処理が有効な手段となる。
【００２２】
【実施例】
〔イオンボンバード処理〕
ガラス製の基材を図１に示す装置のパレット３に装着し、スパッタリングにより、酸化チタン被膜を積層した。続いて下記の条件下でイオンボンバード処理を行った。処理条件は、パレット回転数３０ｒｐｍ、電圧３００Ｖ、圧力２０ｍＴｏｒｒ、Ａｒ+ ガス流量３０ｓｃｃｍ、処理時間３０分で行った。
【００２３】
〔実施例１〕
上記の処理行った酸化チタン層の表面（φ１００ｍｍ）上に、１．３ｍｇ／ｃｍ2 の合成ニコチンを均一に塗布し、１０ｃｍの高さより３ｍＷの強度のＵＶを照射した。そのニコチンの経時的残存率を側定し、分解率に換算して図２に示すグラフに示した。
【００２４】
〔比較例１、２〕
上記イオンボンバード処理を行った酸化チタン層の代わりに、イオンボンバード処理を行わない酸化チタン層（比較例１）、及び基材そのもの（比較例２）を用いた以外は、実施例１と同様にニコチンの経時的残存率を側定し、分解率に換算して図２に示すグラフに示した。
【００２５】
なお、図２のグラフにおいて、各グラフは、下記のとおり、所定の実施例又は比較例を示す。
黒丸 ：実施例１
黒の菱形 ：比較例１
黒の四角形：比較例２
【００２６】
【発明の効果】
この発明によれば、乾式法により製膜した光触媒層を、イオンボンバード処理という比較的簡単な処理によって活性を高めることができる。
【００２７】
また、スパッタ装置内にて処理を行えるので、特別な装置を組む必要がなくなる。
【００２８】
さらに、イオンボンバード処理によって、酸化分解活性と超親水性の機能を同時に向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】イオンボンバード処理を行うための装置の例を示す模式図
【図２】ＵＶ照射時間とニコチン分解量との関係を示すグラフ
【符号の説明】
１ 真空チャンバ
２ 陰極
３ パレット
４ エアシリンダ
５ 排気管
６ ガス流入管
７ 絶縁層
１１ 基材
１２ 光触媒層
【発明の属する技術分野】
この発明は、基材に製膜した光触媒層の活性化方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、光触媒の活性機能を高める方法として、光触媒にＳｉ（シリコン）やＣｒを始とする他元素種をドーピングする方法等の種々の実験的試みが行われている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、他元素をドーピングする場合、ドーピングの量（ＴｉＯ2 との元素比率）のコントロールが困難であったり、再現性のある効果が得られない場合がある。また、特開平８−５２８２９０号公報に開示されているように、Ｓｉをドーピングすることにより超親水性の機能は上げることが可能であるが、逆に酸化分解活性を失ってしまうという弊害があった。
【０００４】
そこで、この発明は、かかる課題を解決し、乾式法によって製膜した光触媒層の機能を容易な方法にて向上させる方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、この発明は、基材上に製膜した光触媒層をイオンボンバード処理したのである。
【０００６】
ガラス、樹脂等の基材表面上に乾式法（スパッタリング）により製膜した光触媒層は、自然光、または照明光中に含まれる波長３００ｎｍ〜４００ｎｍの紫外光をその励起光として有機物酸化分解活性及び超親水性といった光触媒の持つ活性機能を有する。このとき、アルゴンイオンや酸素イオンボンバード処理によって光触媒層表面を凹凸に粗す。これにより、有機物等の光触媒表面ヘの接触表面積を大きくしたり、光触媒層表面近傍における光触媒を構成する金属と酸素からなる結晶中に格子欠陥（原子欠損）を生じさせたり、光触媒表面近傍における結晶構造をアモルフアス及びルチル型構造からアナターゼ型構造へと転移させることにより、有機物酸化分解活性及び超親水性といった光触媒の持つ活性機能をより活性化させることができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施形態を図面を参照して説明する。
【０００８】
この発明にかかる光触媒層の活性化方法は、基材上に製膜した光触媒層をイオンボンバード処理することに行われる。
【０００９】
上記基材とは、光触媒層を製膜するためのものであり、ガラス、樹脂等が一般的に使用される。
【００１０】
上記光触媒とは、自然光、または照明光中に含まれる波長３００ｎｍ〜４００ｎｍの紫外光をその励起光として、有機物酸化分解活性及び超親水性といった光触媒の持つ活性機能を有する触媒である。この光触媒の例としては、酸化チタンがあげられる。
【００１１】
この光触媒は、乾式法によって、上記基材上に製膜される。この乾式法としては、スパッタリングが例としてあげられる。
【００１２】
上記イオンボンバード処理とは、アルゴンイオンや酸素イオンを用いて光触媒層表面を凹凸に粗す処理をいう。このイオンボンバード処理は、例えば、図１に示す装置を用いて行うことができる。これは、開閉自在の真空チャンバ１の一面に陰極２を設け、その対向する面に基材１１を保持するパレット３が設けられ、このパレット３をアースした装置である。
【００１３】
イオンボンバード処理の方法は、まず、エアシリンダ４によって真空チャンバ１を開き、表面に光触媒層１２を形成した基材１１を、上記光触媒層１２が外側に向くように、パレット３に取り付ける。そして、真空チャンバ１を閉じ、排気管５から真空チャンバ１内の空気を排気し、真空チャンバ１内の圧力を１０〜５０ｍＴｏｒｒとする。
【００１４】
次いで、パレット３を所定回転数で回転させ、ガス流入管６から所定流量のアルゴンガス又は酸素ガスを真空チャンバ１内に流す。次に、パレット３側をアースして、ステンレススチールからなる陰極２に所定電圧をかける。このとき、真空チャンバ１と陰極２及びパレット３とは絶縁層７によって絶縁されている。上記の所定電圧をかけることにより、真空チャンバ１内でプラズマ放電が生起し、アルゴンプラズマ、すなわちアルゴンイオン（Ａｒ+ ）又は酸素プラズマ、すなわち酸素イオン（Ｏ+ ）が発生する。このプラズマは、電圧によって基材１１に引き寄せられ、光触媒層１２に衝突する。これにより、光触媒層１２が活性化すると考えられる。
【００１５】
このとき、陰極２として金属イオンの少ないステンレススチールを使用するので、金属イオンの発生が生じにくい。これは、金属イオンが発生すると、光触媒層１２に衝突した際に金属イオンが付着し、却って光触媒層１２の活性を低下させると考えられるからである。これに対し、アルゴンイオンや酸素イオンは、光触媒層１２への付着が生じないため、付着による阻害効果が少ないと考えられる。
【００１６】
上記イオンボンバード処理の条件は、パレット回転数１０〜３０ｒｐｍ、電圧１００〜６００Ｖ、圧力１０〜５０ｍＴｏｒｒ、ガス流量１０〜５０ｓｃｃｍ、処理時間１０〜６０分がよい。なお、ガス流量の単位の「ｓｃｃｍ」は、常温、常圧における流量（standard cc per minuit）を示す。
【００１７】
ルチル、及びアナターゼ結晶構造はＯ2-が細密充填し、その時間にＴｉ4+等の光触媒を構成する金属イオンが入っている構造をしており、正方晶系の結晶構造を持つ。ユニットセルの体積はルチル型で６２．４（Å3 ）、アナターゼ型で１３６．１（Å3 ）とされている。格子定数はルチル型ではａ＝４．５９３（Å），Ｃ＝２．９５９（Å）、同じくアナターゼ型ではａ＝３．７８５（Å），Ｃ＝９．５１４（Å）となっている。
【００１８】
このため、上記の条件でイオンボンバード処理をすることにより、結晶格子約１個分に相当する表面粗さを生成させ、付着有機物の接触表面積を最大にすることができ、従って分解活性を最大にすることができる。これにより、上記光触媒層の持つ有機物酸化分解活性及び超親水性等の活性機能をより活性化させることができる。
【００１９】
また、上記の条件にてイオンボンバードをすることにより、表面近傍における結晶構造の中から０2-を１個若しくは２個放出させて結晶格子中に丁度１〜３Å（１〜１０Å3 ）の格子欠陥を生成させ、酸素欠損を持つ酸化チタン結晶を生成することができる。こうしてできた格子欠陥には有機物が捕捉されやすくなり、また、格子欠陥の生成により電荷分離効率が大きくなり、すなわち、バンド構造における伝導帯と価電子帯間のバンドギャップが大きくなり、酸化力・還元力共に高くなる事により分解活性が高くなる。これにより、上記光触媒層の持つ有機物酸化分解活性及び超親水性等の活性機能をより活性化させることができる。これに対し、上記条件より下の条件では、表面の結晶構造に衝突する原子のエネルギーが不十分で結晶構造から酸素原子が放出されない。また逆にこの条件より上の条件では、Ｔｉ等の光触媒を構成する金属までもが抜けてしまい、光触媒としての機能を失活してしまうので、酸素原子１個〜２個分に相当する格子欠陥として上記範囲が望ましい。
【００２０】
さらに、上記の条件にて加速された原子によりイオンボンバードをすることにより、表面近傍における結晶構造の中の一部若しくは全部をルチル型構造から活性の高いアナターゼ型へ相転移させるのに必要な衝突エネルギーを与えることができる。すなわち、活性の低いルチル型結晶構造より活性の最も高いアナターゼ型結晶構造への相転移エネルギーを与えることができる。これにより、上記光触媒層の持つ有機物酸化分解活性及び超親水性等の活性機能をより活性化させることができる。しかし、アナターゼ型の結晶構造への相転移を起こすことができるエネルギー値はある閾値を持ち、即ち特定の線幅のエネルギーに限られる為、上記の条件より低い条件では相転移を起こすには原子の加速が不十分で、結果として衝突エネルギーが不十分なため相転移は起こらない。また、上記の条件より高い条件においては表面構造の一部がアナターゼ型から更にブルックライト型構造へと転移してしまい、逆に活性を落としてしまう。このため、上記範囲が望ましい。
【００２１】
上記の各作用を発揮するには、上記の条件を満たす必要があるが、このような条件の精密制御を可能とする方法として、イオンボンバード処理が有効な手段となる。
【００２２】
【実施例】
〔イオンボンバード処理〕
ガラス製の基材を図１に示す装置のパレット３に装着し、スパッタリングにより、酸化チタン被膜を積層した。続いて下記の条件下でイオンボンバード処理を行った。処理条件は、パレット回転数３０ｒｐｍ、電圧３００Ｖ、圧力２０ｍＴｏｒｒ、Ａｒ+ ガス流量３０ｓｃｃｍ、処理時間３０分で行った。
【００２３】
〔実施例１〕
上記の処理行った酸化チタン層の表面（φ１００ｍｍ）上に、１．３ｍｇ／ｃｍ2 の合成ニコチンを均一に塗布し、１０ｃｍの高さより３ｍＷの強度のＵＶを照射した。そのニコチンの経時的残存率を側定し、分解率に換算して図２に示すグラフに示した。
【００２４】
〔比較例１、２〕
上記イオンボンバード処理を行った酸化チタン層の代わりに、イオンボンバード処理を行わない酸化チタン層（比較例１）、及び基材そのもの（比較例２）を用いた以外は、実施例１と同様にニコチンの経時的残存率を側定し、分解率に換算して図２に示すグラフに示した。
【００２５】
なお、図２のグラフにおいて、各グラフは、下記のとおり、所定の実施例又は比較例を示す。
黒丸 ：実施例１
黒の菱形 ：比較例１
黒の四角形：比較例２
【００２６】
【発明の効果】
この発明によれば、乾式法により製膜した光触媒層を、イオンボンバード処理という比較的簡単な処理によって活性を高めることができる。
【００２７】
また、スパッタ装置内にて処理を行えるので、特別な装置を組む必要がなくなる。
【００２８】
さらに、イオンボンバード処理によって、酸化分解活性と超親水性の機能を同時に向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】イオンボンバード処理を行うための装置の例を示す模式図
【図２】ＵＶ照射時間とニコチン分解量との関係を示すグラフ
【符号の説明】
１ 真空チャンバ
２ 陰極
３ パレット
４ エアシリンダ
５ 排気管
６ ガス流入管
７ 絶縁層
１１ 基材
１２ 光触媒層
Claims (2)
- 基材上に製膜した、光触媒が酸化チタンである光触媒層を、パレット回転数１０〜３０ｒｐｍ、電圧１００〜６００Ｖ、圧力１０〜５０ｍＴｏｒｒ、ガス流量１０〜５０ｓｃｃｍ、時間１０〜６０分の条件下でイオンボンバード処理することによる光触媒層の活性化方法。
- 上記光触媒層は、乾式法で上記基材上に製膜した酸化チタン層である請求項１に記載の光触媒層の活性化方法。
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