JP4461546B2 - 光触媒物質および光触媒体 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、可視光動作が可能な光触媒物質および光触媒体に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より、光触媒作用を発現する材料として、酸化チタン(TiO2)、酸化鉄(Fe2O3)、酸化タングステン(WO3)、酸化スズ(SnO2)、酸化ビスマス(Bi2O3)、酸化ニオブ(Nb2O5)、酸化ニッケル(NiO)、酸化銅(Cu2O)、酸化ジルコニウム(ZrO2)、酸化亜鉛(ZnO)、チタン酸ストロンチウム(SrTiO3)、チタン酸鉄(FeTiO3)、酸化ケイ素(SiO2)等の酸化物半導体が知られている。これらの光触媒材料は半導体であり、光を吸収して電子と正孔を生成し、種々の化学反応(例えば、有害物質の分解)や殺菌作用を呈する。
【0003】
ところが、これら半導体が吸収して光反応に使用できる光(触媒の動作光)は、それぞれの物質におけるバンドギャップEgの値により制限される。例えば、酸化タングステンでは、λ≦460nm(Eg=2.7eV)、酸化亜鉛ではλ≦388nm(Eg=3.2eV)である。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、図7に示すように、太陽光や蛍光灯光のスペクトルは、450〜600nmの波長域にピークを有しており、400nm以下の成分は非常に少ない。一方、上述のような酸化物半導体は、400nm以下の領域の光しか吸収しないものが多い。従って、これら酸化物半導体からなる光触媒を太陽光下あるいは室内の蛍光灯下で使用する場合、光の利用効率が低く、十分な光反応を生起することができないという問題点があった。
【0005】
本発明の目的は、より長波長域の光も吸収し、太陽光下、蛍光灯下での光利用効率を向上することができる光触媒物質および光触媒体を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る光触媒物質は、酸化スズまたは酸化亜鉛から構成される金属酸化物の結晶の酸素サイトの一部を窒素原子で置換、金属酸化物の結晶の格子間に窒素原子をドーピング、あるいは金属酸化物の結晶の多結晶集合体の粒界に窒素原子を配することで、スズと窒素の化学結合(Sn−N)または亜鉛と窒素の化学結合(Zn−N)を含むように窒素を含有させた、可視光において光触媒作用を呈することを特徴とする。
【0007】
このように、酸化物半導体に窒素原子Nを配すると、酸素Oの特性を支配する半導体の価電子帯が影響を受け、酸化物のバンドギャップの内側に新しいエネルギー準位が形成され、バンドギャップが狭くなる。その結果、窒素ドープ前の酸化物の場合より低エネルギーの長波長光をも吸収して、電子と正孔を生成し、光触媒作用を呈することが可能となる。また、窒素のドーピングにより、生成した電子と正孔の寿命が長くなる。さらには、構造的に材料表面への有機物やガスの吸着性が高くなるため、この相乗効果によって触媒活性が向上する。従って、太陽光、蛍光灯光を光源とした場合における光触媒効率、すなわち、有害ガス分解、水浄化、有機物分解、抗菌などの効果を向上することができる。
【0008】
また、可視光照射による物体表面の濡れ性や、防曇性能の発現を可能にし、かつその特性の長時間保持を可能とする。
【0010】
また、上述の窒素原子を配した酸化物半導体(窒酸化物)の光触媒物質を内部物質とし、この内部物質の表面に外部物質として酸化チタン(TiO2)または酸化チタンに窒素を含有させたTi−O−N層を形成することを特徴とすることが好適である。このように、窒酸化物より安定なTiO2や、Ti−O−Nを最表面に配置することで、窒酸化物単体の場合と比較して安定性を向上することができる。また、内部の窒酸化物が可視光を吸収して電子と正孔を生成し、これが表面のTiO2やTi−O−Nへ移動してこれらの表面において、優れた親水性、防汚性、有機物分解性を実現することができる。
【0011】
なお、Ti−O−Nは、酸化チタン等の金属酸化物の酸素サイトの一部を窒素原子(N)で置換、格子間に窒素原子をドーピング、あるいは多結晶集合体の粒界に窒素原子を配してなるチタン化合物である。このTi−O−Nは、TiO2に比べ可視光領域において光触媒作用を発現する。従って、この層においても可視光を動作光として光触媒作用を得ることができる。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態(以下実施形態という)について、図面に基づいて説明する。
【0013】
「実施形態1」
図1は、実施形態の構成を示す図であり、SiO2等の基板10上に、光触媒物質膜12が形成されている
この光触媒物質膜12は、酸化スズ(SnO2)、酸化亜鉛(ZnO)、チタン酸ストロンチウム(SrTiO3)、酸化タングステン(WO3)、酸化ジルコニウム(ZrO2)、酸化ニオブ(Nb2O5)、酸化鉄(Fe2O3)、酸化銅(Cu2O)、チタン酸鉄(FeTiO3)、酸化ニッケル(NiO)、酸化ビスマス(Bi2O3)、酸化ケイ素(SiO2)のうちの少なくとも1種の結晶に、窒素原子(N)を配したものである。
【0014】
ここで、Nは、上述の酸化物結晶の中でその金属原子と化学結合を有している。例えば、SnO2であれば、Sn−Nの化学結合を含む。これによって、バンドギャップを狭くし、長波長側の可視光の吸収が可能となる。
【0015】
このような光触媒物質膜12は、上述の酸化物をターゲットとして窒素ガス雰囲気でスパッタすることなどによって得ることができる。
【0016】
「実施形態2」
さらに、図2に、実施形態2の構成を示す。図2(a)において、SiO2の基板10上に光触媒物質膜12形成し、その上にチタン化合物膜14を形成している。光触媒物質膜12は、上述の第1実施形態と同様の膜である。一方、チタン化合物膜14は、TiO2膜またはTiO2結晶に窒素原子をドープしたもので、
TiO2結晶の酸素(O)サイトの一部を窒素原子(N)で置換、格子間にNをドーピング、あるいは多結晶集合体の粒界にNを配してなるチタン化合物である。
【0017】
なお、図2おいては、二層の積層構造としているが、熱処理などの過程で両者の境界は必ずしも明確ではなくなり、表面に向けてNが徐々に減少していく構成となる場合もあり、またこの場合の方が、生成した電子と正孔の長寿命化の観点から、より好ましい。
【0018】
このような構成により、基板10に近い光触媒物質膜12で可視光を吸収し、電子と正孔が生成される。これらは膜表面のチタン化合物膜(TiO2膜またはTi−O−N膜)14に供給される。そこで、表面においては、チタン化合物膜14として光触媒作用を発現する。
【0019】
これによって、Sn−O−NやZn−O−N等より安定なTiO2や、Ti−O−Nを最表面に配置することで、Sn−O−NやZn−O−N等単体の場合と比較して安定性を向上することができる。なお、Ti−O−Nは、TiO2に比べ可視光領域において光触媒作用を発現する。従って、この層においても可視光を動作光として光触媒作用を得ることができる。
【0020】
なお、上述のような傾斜組成の窒酸化物の光触媒物質/チタン化合物からなる光触媒体は、図2(b)に示すように、内部に光触媒物質部分22、外側にチタン化合物部分24を有する粒子状とすることも好適である。このような粒子状の光触媒は、塗料用のバインダー中に混入させておき、塗料のようにして利用することが好適である。
【0021】
【実施例】
「実施例1」
この実施例では、SnO2結晶に、NをドープしたSn−O−N構造の光触媒物質について述べる。
【0022】
この実施例では、光触媒物質をRFマグネトロンスパッタリングで作成した。ターゲットには、3インチの径のSnO2焼結ターゲットを用いた。このターゲットを40%N2−Ar雰囲気中で、0.5Paの圧力下でスパッタリングを行い、550℃、N2雰囲気中で90分間熱処理することにより結晶化させ、Sn−O−N膜を作成した。投入電力は、600W×2とした。
【0023】
一方、比較対象としてSnO2膜も形成した。この場合、ターゲットを20%O2−Ar雰囲気中でスパッタし、550℃、O2雰囲気中で90分間熱処理することにより結晶化させた。
【0024】
X線回折によりSn−O−N膜の結晶性を見たところ、正方晶SnO2の(110)、(101)、(211)回折線が観察された。しかし、これらはSnO2膜と比較して、いずれもやや低角度側へシフトしている。このことから、窒素Nのドープによって、格子間隔がSnO2より広がっていると考えられる。
【0025】
またXPS(X−ray Photoemission Spectroscopy)による窒素N1s殻の測定結果から窒素原子の化学的な結合状態を判断したところ、本発明のSn−O−N中の窒素原子は、Sn−N結合に由来するピークを示した。
【0026】
この膜の光吸収スペクトルを図3に示す。Sn−O−N膜は、SnO2膜と比べて、吸収端が長波長側にシフトしている。これは、Nのドープにより、SnO2のバンドギャップ内に新たな準位が形成され、実効的なバンドギャップが狭くなったことに起因する。
【0027】
この膜の光触媒機能をメチレンブルーの分解性能から評価した。この評価は、Sn−O−N膜の表面に塗布したメチレンブルーの分解性能を波長600nmにおける膜の吸光度(ΔABS)の変化として測定した。照射光源に500WのXeランプを用い波長λ≧200nmの紫外線を含む光を照射した場合と、光学フィルタにより照射波長域を制限することにより波長λ≧380nmの可視光を照射した場合について試験した。
【0028】
その結果を図4に示す。このように、Sn−O−N膜では、紫外光から可視光に渡る照射(λ≧200nm)において大きな触媒活性が得られることがわかる。この要因は、λ≧380nmの可視光における触媒活性が向上していることによる。これはNドープの効果である。この結果は、図3における光吸収スペクトル特性を反映しているといえる。
【0029】
「実施例2」
この実施例では、ZnO結晶に、NをドープしたZn−O−N構造の光触媒物質について述べる。
【0030】
この実施例においても、上述の実施例1と同様に、光触媒物質をRFマグネトロンスパッタリングで作成した。ターゲットには、3インチの径のZnO焼結ターゲットを用い、その他の条件は実施例1と同様とした。すなわち、ターゲットを40%N2−Ar雰囲気中で、0.5Paの圧力下でスパッタリングを行い、550℃、N2雰囲気中で90分間熱処理することにより結晶化させ、Zn−O−N膜を作成した。なお、投入電力は、300W×2とした。
【0031】
一方、比較対象としてZnO膜も形成した。この場合、ターゲットをAr雰囲気中でスパッタし、550℃、O2雰囲気中で90分間熱処理することにより結晶化させた。
【0032】
X線回折によりZn−O−N膜の結晶性を見たところ、六方晶ZnOの(002)回折線が観察された。しかし、この回折線はZnO膜と比較して、やや低角度側へシフトしている。このことから、窒素Nのドープによって、格子間隔がZnOより広がっていると考えられる。
【0033】
またXPS(X−ray Photoemission Spectroscopy)による窒素N1s殻の測定結果から窒素原子の化学的な結合状態を判断したところ、本発明のZn−O−N中の窒素原子は、Zn−N結合に由来するピークを示した。
【0034】
この膜の光吸収スペクトルを図5に示す。Zn−O−N膜は、ZnO膜と比べて、吸収端が長波長側にシフトしている。これは、Nのドープにより、ZnOのバンドギャップ内に新たな準位が形成され、実効的なバンドギャップが狭くなったことに起因する。
【0035】
この膜の光触媒機能をメチレンブルーの分解性能から評価した。この評価は、Zn−O−N膜の表面に塗布したメチレンブルーの分解性能を波長600nmにおける膜の吸光度(ΔABS)の変化として測定した。照射光源に500WのXeランプを用い波長λ≧200nmの紫外線を含む光を照射した場合と、光学フィルタにより照射波長域を制限することにより波長λ≧380nmの可視光を照射した場合について試験した。
【0036】
その結果を図6に示す。このように、Zn−O−N膜では、紫外光から可視光に渡る照射(λ≧200nm)において大きな触媒活性が得られることがわかる。この要因は、λ≧380nmの可視光における触媒活性が向上していることによる。これはNドープの効果である。この結果は、図5における光吸収スペクトル特性を反映しているといえる。
【0037】
「その他」
上記酸化スズ(SnO2)、酸化亜鉛(ZnO)の2つの実施例の他、チタン酸ストロンチウム(SrTiO3)、酸化タングステン(WO3)、酸化ジルコニウム(ZrO2)、酸化ニオブ(Nb2O5)、酸化鉄(Fe2O3)、酸化銅(Cu2O)、チタン酸鉄(FeTiO3)、酸化ニッケル(NiO)、酸化ビスマス(Bi2O3)、酸化ケイ素(SiO2)のうちの少なくとも1種の結晶に、窒素原子(N)を配したものが利用できる。
【0038】
また、上述の説明では、酸化物ターゲットを用いたスパッタにより、薄膜を形成する例について述べた。しかし、これらの光触媒特性は、材料が本質的に有するものであり、金属ターゲットを用いたスパッタ、蒸着で作成した薄膜、ゾル・ゲル法により作成した薄膜、あるいは微粉末の形態においても同様の特性を得ることができる。
【0039】
【発明の効果】
以上説明したように、光触媒作用を呈する金属酸化物半導体に窒素原子を配することで、より低エネルギーの長波長光をも吸収して、電子と正孔を生成し、光触媒作用を呈することが可能となる。従って、太陽光、蛍光灯光を光源とした場合における光触媒効率、すなわち、有害ガス分解、水浄化、有機物分解、抗菌などの効果を向上することができる。
【0040】
また、上述の窒酸化物の光触媒物質の表面に、窒酸化物より安定なTiO2や、Ti−O−Nを最表面に配置することで、窒酸化物単体の場合と比較して安定性を向上することができる。また、内部の窒酸化物が可視光を吸収して電子と正孔を生成し、これが表面のTiO2やTi−O−Nへ移動してこれらの表面において、優れた親水性、防汚性、有機物分解性を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 実施形態1の構成を示す図である。
【図2】 実施形態2の構成を示す図である。
【図3】 実施例1の光吸収スペクトルを示す図である。
【図4】 実施例1の光触媒機能を示す図である。
【図5】 実施例2の光吸収スペクトルを示す図である。
【図6】 実施例2の光触媒機能を示す図である。
【図7】 太陽光および蛍光灯光の放射スペクトルを示す図である。
【符号の説明】
10 基板、12 光触媒物質膜、14 チタン化合物膜。
Claims (2)
- 酸化スズまたは酸化亜鉛から構成される金属酸化物の結晶の酸素サイトの一部を窒素原子で置換、金属酸化物の結晶の格子間に窒素原子をドーピング、あるいは金属酸化物の結晶の多結晶集合体の粒界に窒素原子を配することで、スズと窒素の化学結合(Sn−N)または亜鉛と窒素の化学結合(Zn−N)を含むように窒素を含有させた、可視光において光触媒作用を呈する光触媒物質。
- 請求項1に記載の光触媒物質を内部物質とし、この内部物質の表面に外部物質として酸化チタンまたは酸化チタンに窒素を含有させたTi−O−Nの層を形成した光触媒体。
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