JP4568882B2 - 応力駆動型光触媒システム - Google Patents
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Description
本発明は、環境、衛生等の分野において有用な、新しい光触媒システムに関するものである。
近年、排気ガスや有機物による汚れ、悪臭という環境問題への対応や有機物、あるいは微生物、細菌等による衛生問題への対応として、酸化チタン系等の光触媒を用いて光照射にともなう触媒作用によって洗浄、脱臭、殺菌等を実現することが注目されている。
ただ、これら従来の光触媒を用いた各種のシステムでは、太陽光や照明による光の照射が十分でない場合には光触媒作用の発現は難しくなるという制約がある。また、光照射の条件下にない設備や機器においては、光触媒を用いることはできなかった。
一方、光触媒の分野に限られることなく、光技術への関心は高まり、発光技術についてもＬＥＤに見られるように格段に発展してきている。このような状況において、力学的なエネルギーを光に変換するという特異な機能を有する応力発光体が本出願人により提案され（たとえば特許文献１）、この応力発光体を用いた新規なセンシング手法等が世界的にも注目されている。
特許第３５１１０８３号公報
本発明は、上記のとおりの背景から、本出願人が開発してまた、応力発光体技術の知見を生かしながら、従来の光触媒を用いた各種システムでの制約を克服し、自然光や照射による光照射が乏しい、あるいはほとんど期待できない条件下においても、光触媒による分解、浄化、抗菌等の作用を発現させるための新しいシステムを提供することを課題としている。
本発明は、上記の課題を解決するもの以下のことを特徴としている。
第１：少くとも、負荷される力学的な外部エネルギーを光に変換して発光する応力発光体と光触媒とを具備し、応力発光体をオンサイトし（その場）の光源として光触媒を発光させることを特徴とする応力駆動型光触媒システム。
第２：応力発光体は以下の群より選択される少くとも１種からなるものであることを特徴とする上記の応力駆動型光触媒システム。
（１）多面体構造の複数の分子によって形成される母体構造の空間に、アルカリ金属イオンおよび／またはアルカリ土類金属イオンが、挿入された基本構造を有し、上記空間に挿入された、アルカリ金属イオンおよび／またはアルカリ土類金属イオンの一部が、希土類金属イオン、遷移金属イオン、III族の金属イオン、およびIV族の金属イオンからなる群より選択される、少なくとも１種の金属イオンによって置換されている応力発光材料。
（２）少なくともＡｌＯ4様構造およびＳＩＯ4様構造の四面体構造を有する複数の分子が、その四面体構造の頂点の原子を共有して結合することにより形成された母体構造の空間に、アルカリ金属イオンおよびアルカリ土類金属イオンの少なくとも一方が挿入された基本構造を有し、
上記母体構造は、さらに、非対称性のフレームワーク構造を有しており、
上記空間に挿入されたアルカリ金属イオンおよびアルカリ土類金属イオンの少なくとも一方の一部が、希土類金属イオンおよび遷移金属イオンの少なくとも１種の金属イオンに置換されている応力発光材料。
上記母体構造は、さらに、非対称性のフレームワーク構造を有しており、
上記空間に挿入されたアルカリ金属イオンおよびアルカリ土類金属イオンの少なくとも一方の一部が、希土類金属イオンおよび遷移金属イオンの少なくとも１種の金属イオンに置換されている応力発光材料。
（３）歪エネルギーにより発光する条件を満たしている応力発光材料。
（４）複数の結晶構造が混在してなる混相を含んでいる応力発光材料。
（５）摩擦力により発光する条件を満たしている応力発光材料。
第３：応力発光体に光触媒が固定化されていることを特徴とする請求項１または２の応力駆動型光触媒システム。
第３：応力発光体に光触媒が固定化されていることを特徴とする請求項１または２の応力駆動型光触媒システム。
上記のとおりの本発明によれば、振動、衝撃、圧縮、引張り、曲げ、摩擦、衝撃波、さらには風圧等の応力によって発光体が発光し、これをオンサイトし（その場）の光源とすることで光触媒の触媒機能を発現され、有機物等の分解や殺菌、浄化等が可能とされる。
本発明は上記のとおりの特徴をもつものであるが、以下にその実施の形態について説明する。
本発明の光触媒システムは、その基本において、少くとも
Ａ：応力発光体
Ｂ：光触媒
を具備するものとして構成される。
Ａ：応力発光体
Ｂ：光触媒
を具備するものとして構成される。
ここで、Ａ：応力発光体としては、負荷される力学的な外部エネルギーを光に変換して発光する物質あるいはこれを必須として含有する成形体、もしくは物品である。そして、このような応力発光体は、物質としては、上記のとおり本出願人がすでに提案している（たとえば特許文献１）公知のものをはじめとして、以下の１種または２種以上のものが好適に考慮される。
（１）多面体構造の複数の分子によって形成される母体構造の空間に、アルカリ金属イオンおよび／またはアルカリ土類金属イオンが、挿入された基本構造を有し、上記空間に挿入された、アルカリ金属イオンおよび／またはアルカリ土類金属イオンの一部が、希土類金属イオン、遷移金属イオン、III族の金属イオン、およびIV族の金属イオンからなる群より選択される、少なくとも１種の金属イオンによって置換されている応力発光材料。
（２）少なくともＡｌＯ4様構造およびＳＩＯ4様構造の四面体構造を有する複数の分子が、その四面体構造の頂点の原子を共有して結合することにより形成された母体構造の空間に、アルカリ金属イオンおよびアルカリ土類金属イオンの少なくとも一方が挿入された基本構造を有し、
上記母体構造は、さらに、非対称性のフレームワーク構造を有しており、
上記空間に挿入されたアルカリ金属イオンおよびアルカリ土類金属イオンの少なくとも一方の一部が、希土類金属イオンおよび遷移金属イオンの少なくとも１種の金属イオンに置換されている応力発光材料。
上記母体構造は、さらに、非対称性のフレームワーク構造を有しており、
上記空間に挿入されたアルカリ金属イオンおよびアルカリ土類金属イオンの少なくとも一方の一部が、希土類金属イオンおよび遷移金属イオンの少なくとも１種の金属イオンに置換されている応力発光材料。
（３）歪エネルギーにより発光する条件を満たしている応力発光材料。
（４）複数の結晶構造が混在してなる混相を含んでいる応力発光材料。
（５）摩擦力により発光する条件を満たしている応力発光材料。
また、上記の応力発光材料については、さらに、
上記基本構造が長石構造であることや、
上記応力発光材料には、少なくとも１種のアルミン酸塩からなる母体材料を含有しているとともに、
歪による圧電効果に由来する発光機構を実現するために、上記母体材料には、自発分極性を有する結晶構造が含まれること、
上記母体材料がα−ＳｒＡｌ2Ｏ4であること
が好適なものとして考慮される。
上記基本構造が長石構造であることや、
上記応力発光材料には、少なくとも１種のアルミン酸塩からなる母体材料を含有しているとともに、
歪による圧電効果に由来する発光機構を実現するために、上記母体材料には、自発分極性を有する結晶構造が含まれること、
上記母体材料がα−ＳｒＡｌ2Ｏ4であること
が好適なものとして考慮される。
以上のような応力発光材料は、たとえば、まず、アルカリ土類金属酸化物とアルミニウム酸化物とから構成され、かつアルカリ土類金属イオンが化学量論的組成比から０．０１〜２０モル％少ないアルミン酸塩の少なくとも１種からなる物質を、たとえば空気中での７００〜９００℃の温度での焼成により調製したのち、場合により、この物質の粉末に、希土類金属及び遷移金属の中から選ばれた少なくとも１種の金属の酸化物粉末を、金属原子換算で０．０１〜１０モル％の範囲でかつ格子欠陥を形成しうる割合で添加して十分に混合し、還元雰囲気下、たとえば２−１０％の水素含有のアルゴン雰囲気下、８００〜１７００℃の温度において焼成することにより製造することができる。後述の実施例で用いられているＥｕドープストロンチウムアルミネートもこのようにして製造されたものである。
なお、以上の製造プロセスでは、発光特性をさらに向上させるために、ホウ酸などのフラックスを添加して、焼成することもできる。
発光強度を高め、高輝度化するために、発光中心の中心イオンとして、希土類金属イオンや遷移金属イオンを含ませる場合、希土類金属イオンの例としては、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕなどのイオンが挙げられ、遷移金属イオンの例としてはＴｉ、Ｚｒ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗなどのイオンが挙げられる。
これらの金属イオンは、発光中心の中心イオンとして、１種含ませてもよいし、２種以上を組み合わせて含ませてもよいが、母体物質の結晶構造に応じて最適な発光中心の金属イオンが異なる。例えば、母体物質がＭxＡｌ2Ｏ3＋x（Ｍはアルカリ土類金属）の場合には、特にＥｕイオン及びＣｅイオンが有効であり、ＭxＱＡｌ10Ｏ16＋x（Ｍ，Ｑはアルカリ土類金属）の場合には、特にＥｕイオンが有効である。
発光中心の中心イオンとして添加する上記イオンの量は、０．０１〜１０モル％の範囲でかつ格子欠陥を形成しうる割合で選ぶのが好ましい。この添加量が０．０１モル％未満では発光強度の向上効果が不十分であるし、１０モル％を超えると母体物質の結晶構造が維持できなくなり、発光効率が低下して実用に適さなくなる。これらの理由から、この金属イオンのより好ましい添加量は０．０１〜８モル％の範囲である。
そして、本発明におけるＡ：応力発光体は、その形状は、粒状、バルク状、シート状等の各種であってよい。
一方のＢ：光触媒は、固体状物質として光のエネルギーにより触媒作用での化学的反応を実現するものであれば各種のものであってよい。代表的には、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化タングステン、酸化鉄、酸化スズ等の各種の酸化物半導体や硫化カドミウム等が考慮されてよく、なかでも、酸化チタン、もしくは酸化チタンと他の遷移金属酸化物が複合化された酸化物もしくは遷移金属イオンのドープされたもの酸化チタン系光触媒が代表的なものとして好適に考慮される。
Ａ：応力発光体とＢ：光触媒とは、その具有、具備されている形態は、本発明の応力駆動型光触媒の用途、使用条件等を考慮して適宜とされてよい。
たとえば、この形態としては、応力発光体と光触媒とが共に粒状物である場合、次のようなものが考慮される。
１．応力発光体粒子と光触媒粒子とが分散媒体の液中に分散混合されている。
２．応力発光体粒子と光触媒粒子とが光透過性もしくは透明性の樹脂固化体中に分散固化されている。
３．応力発光体粒子に光触媒粒子が固着もしくは接着性物質等のバインダーを介して接着固定化されている。
４．応力発光体粒子に光触媒粒子が被覆固定化されている。
５．応力発光体粒子と光触媒粒子が基板（基体）に固着もしくはバインダーを介して接着固定されている。
１．応力発光体粒子と光触媒粒子とが分散媒体の液中に分散混合されている。
２．応力発光体粒子と光触媒粒子とが光透過性もしくは透明性の樹脂固化体中に分散固化されている。
３．応力発光体粒子に光触媒粒子が固着もしくは接着性物質等のバインダーを介して接着固定化されている。
４．応力発光体粒子に光触媒粒子が被覆固定化されている。
５．応力発光体粒子と光触媒粒子が基板（基体）に固着もしくはバインダーを介して接着固定されている。
これらいずれの形態においても、応力発光体には、振動、揺れ、圧縮、引張り、曲げ、衝撃、圧力等の外力が作用、あるいは伝達される構造とされていればよい。
たとえば本発明の応力駆動型光触媒については、道路面への適用によるＮＯｘ浄化、衝撃波が発生するトンネル内壁面への適用による汚れ浄化、光照射が全く行われない工場等の配管、処理構内への適用による流動物の流れエネルギーによる浄化等の目的での使用形態が考慮される。
また、光触媒として可視光型酸化チタン触媒を用いることにより、自然太陽光や室内灯の照射が乏しい場合でも、建物への適用により、わずかな振動、揺れでも感知して光浄化を行うようにすることも可能である。
そこで以下に実施例を説明する。もちろん以下の例によって発明が限定されることはない。
次の組成のサンプル（試料）を用意した。
＜サンプル１＞
酸化チタン：１００ｍｇ
（ＭＰＴ６２３：石原産業（株））
（粒径：縦２０−３０ｎｍ、横１０−２０ｎｍのロッド状粒子：ＳＥＭ観察）
メチレンブルー：２０μＭ
エタノール：５ｍｌ
ストロンチウムアルミネート
：Ｅｕ（応力発光体）：５０ｍｇ
（粒径：約２−５μｍ：ＳＥＭ観察）
＜サンプル２＞
酸化チタン：１００ｍｇ
（ＭＰＴ６２３）
（粒径：縦２０−３０ｎｍ、横１０−２０ｎｍのロッド状粒子：ＳＥＭ観察）
メチレンブルー：２０μＭ
エタノール：５ｍｌ
以上のサンプル１およびサンプル２を用い、メチレンブルーの退色によって判定される光触媒作用の有無を検証した。
＜サンプル１＞
酸化チタン：１００ｍｇ
（ＭＰＴ６２３：石原産業（株））
（粒径：縦２０−３０ｎｍ、横１０−２０ｎｍのロッド状粒子：ＳＥＭ観察）
メチレンブルー：２０μＭ
エタノール：５ｍｌ
ストロンチウムアルミネート
：Ｅｕ（応力発光体）：５０ｍｇ
（粒径：約２−５μｍ：ＳＥＭ観察）
＜サンプル２＞
酸化チタン：１００ｍｇ
（ＭＰＴ６２３）
（粒径：縦２０−３０ｎｍ、横１０−２０ｎｍのロッド状粒子：ＳＥＭ観察）
メチレンブルー：２０μＭ
エタノール：５ｍｌ
以上のサンプル１およびサンプル２を用い、メチレンブルーの退色によって判定される光触媒作用の有無を検証した。
図１は、サンプル１および２の分散液について、超音波を照射する前での吸収スペクトルを示したものである。
この図１において吸収スペクトルには実質的に相異がないことがわかる。
一方、図２は分散液に対して超音波洗浄機（型番：ＵＳ−２Ａ（アズワン）、高周波出力（Ｗ）：１２０、発振周波数（ｋＨｚ）：３８）を用いて４時間超音波を照射した後の吸収スペクトルを示したものである。この図２における左上がりのバックグランドは、酸化チタンの吸収スペクトルと一致している。
図１および図２中の数値はピーク面積（積分比）を示しているが、このピーク面積の変化は、図３に示したように、超音波の照射によるメチレンブルーの退色、すなわち酸化チタン光触媒の作用の結果を示している。
なお、メチレンブルーそのものは超音波の照射によっては退色しない。
以上のことから応力駆動型光触媒の顕著な光触媒作用が確認される。
Claims (3)
- 負荷される力学的な外部エネルギーを光に変換して発光する応力発光体と光触媒とを具備し、応力発光体をオンサイト（その場）の光源として光触媒を発光させることを特徴とする応力駆動型光触媒システム。
- 応力発光体は以下の群より選択される少くとも１種からなるものであることを特徴とする請求項１の応力駆動型光触媒システム。
（１）多面体構造の複数の分子によって形成される母体構造の空間に、アルカリ金属イオンおよび／またはアルカリ土類金属イオンが、挿入された基本構造を有し、上記空間に挿入された、アルカリ金属イオンおよび／またはアルカリ土類金属イオンの一部が、希土類金属イオン、遷移金属イオン、III族の金属イオン、およびIV族の金属イオンからなる群より選択される、少なくとも１種の金属イオンによって置換されている応力発光材料。
（２）少なくともＡｌＯ4様構造およびＳＩＯ4様構造の四面体構造を有する複数の分子が、その四面体構造の頂点の原子を共有して結合することにより形成された母体構造の空間に、アルカリ金属イオンおよびアルカリ土類金属イオンの少なくとも一方が挿入された基本構造を有し、
上記母体構造は、さらに、非対称性のフレームワーク構造を有しており、
上記空間に挿入されたアルカリ金属イオンおよびアルカリ土類金属イオンの少なくとも一方の一部が、希土類金属イオンおよび遷移金属イオンの少なくとも１種の金属イオンに置換されている応力発光材料。
（３）歪エネルギーにより発光する条件を満たしている応力発光材料。
（４）複数の結晶構造が混在してなる混相を含んでいる応力発光材料。
（５）摩擦力により発光する条件を満たしている応力発光材料。 - 応力発光体に光触媒が固定化されていることを特徴とする請求項１または２の応力駆動型光触媒システム。
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