JP4571170B2 - Photocatalytic activity quantitative measurement apparatus and photocatalytic activity quantitative measurement method - Google Patents
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Description
本発明は、光触媒反応によって生成される中間体の電荷を直接測定することができる光触媒活性定量測定装置及び光触媒活性定量測定方法に関する。 The present invention relates to a photocatalytic activity quantitative measurement apparatus and a photocatalytic activity quantitative measurement method capable of directly measuring the charge of an intermediate produced by a photocatalytic reaction.
光触媒は日本で開発された技術であり、現在も日本の光触媒技術水準やその応用製品の品質の高さは世界的にみて最高水準にある。この光触媒技術を簡単に説明すると、TiO2のような光触媒物質に光を照射したときに、TiO2は光エネルギーにより電荷分離を起こし励起電子や正孔を生じる。この励起電子や正孔は光触媒物質を取り囲んでいる基質(O2、H2O)と反応し、活性酸素種(O−、O2 −、O3 −であり、以下反応中間体とも言う)やラジカル種(OH−)等を生じる。生成した活性酸素種とOHラジカル等は、すべてを含めて反応中間体または中間体(以下、中間体)と呼ばれる。 Photocatalyst is a technology developed in Japan, and the level of photocatalyst technology in Japan and the quality of its applied products are still the highest in the world. To explain this photocatalyst technology easily, when irradiating light to the photocatalyst substance such as TiO 2, TiO 2 produces excited electrons and holes to cause a charge separation by light energy. These excited electrons and holes react with the substrate (O 2 , H 2 O) surrounding the photocatalytic substance, and are reactive oxygen species (O − , O 2 − , O 3 − , hereinafter also referred to as reaction intermediates). And radical species (OH − ). The generated active oxygen species, OH radicals and the like are all called a reaction intermediate or an intermediate (hereinafter referred to as an intermediate).
活性酸素種やラジカル種等の中間体は強い酸化還元力をもつ。この酸化還元力によって、光触媒物質に接触している気相や液相では、有機物の光酸化、水の光解離、CO2やN2の光還元等が起こる。この光触媒の酸化還元作用は、防汚,セルフクリーニング、抗菌,抗黴、空気浄化、水質浄化等のための技術として、現在広く実用化されている。 Intermediates such as reactive oxygen species and radical species have strong redox power. Due to this redox power, in the gas phase or liquid phase in contact with the photocatalytic substance, photooxidation of organic substances, photodissociation of water, photoreduction of CO 2 and N 2 , etc. occur. The oxidation-reduction action of this photocatalyst is currently in wide use as a technique for antifouling, self-cleaning, antibacterial, antifungal, air purification, water purification and the like.
そして、今やこの技術は光触媒関連産業とも称すべき広い裾野をもつまでに成長し、空気清浄機、抗菌タイル、ガラスコーティング、塗料などをはじめ、多くの応用製品が上市されるに至っている。この光触媒関連商品の国内市場規模は約400億円と試算されており、将来は環境問題や省エネルギーの観点からその価値が高まり、さらに市場が拡大することが見込まれ、数年後の市場規模数兆円になるとも試算されている。図10は光触媒技術と関連産業分野の関係を示す関係図である。 Now, this technology has grown to have a broad base that can be called a photocatalyst-related industry, and many applied products such as air purifiers, antibacterial tiles, glass coatings, and paints have been put on the market. The domestic market size of this photocatalyst-related product is estimated to be about 40 billion yen. In the future, its value will increase from the viewpoint of environmental issues and energy conservation, and the market is expected to expand further. It is estimated that it will be trillion yen. FIG. 10 is a relationship diagram showing the relationship between the photocatalyst technology and related industrial fields.
ところで、光触媒活性の主体は上述した活性酸素種やラジカル種のような中間体であり、活性は中間体の量に依存する。しかし、中間体の生成量あるいは生成効率を直接測定する方法は現時点では存在しない。現在光触媒技術では、可視光対応型光触媒物質や高効率光触媒物質の研究や開発が進められているが、そのためには中間体の発生量を直接定量的に測定する等、新たな活性評価装置や方法の開発が不可欠である。2006年1月20日には経済産業省によって光触媒の試験方法の規格及び性能の規格に関するJISが制定されたが、今後新たな光触媒活性の定量測定・評価方法が確立しJISの制定がなされれば、光触媒関連の新技術の創生や信頼性の向上などの技術面は言うに及ばず、消費者保護、市場拡大においても大いに貢献が期待できる。(非特許文献1参照)。 By the way, the main component of the photocatalytic activity is an intermediate such as the above-described active oxygen species or radical species, and the activity depends on the amount of the intermediate. However, there is currently no method for directly measuring the production amount or production efficiency of the intermediate. Currently, in photocatalytic technology, research and development of visible light compatible photocatalytic materials and high-efficiency photocatalytic materials are underway. To that end, new activity evaluation devices such as direct quantitative measurement of the amount of intermediates generated, etc. Method development is essential. On January 20, 2006, the Ministry of Economy, Trade and Industry established JIS for photocatalyst test method standards and performance standards. In the future, a new method for quantitative measurement and evaluation of photocatalytic activity will be established and JIS will be established. For example, it can be expected to contribute greatly to consumer protection and market expansion, not to mention the technical aspects such as the creation of new technologies related to photocatalysts and the improvement of reliability. (Refer nonpatent literature 1).
現在、光触媒の活性を評価するためのいくつかの方法がある。例えば、この1つとして色素脱色法がある。これは光触媒製品にメチレンブルー溶液を塗布し、一定時間光照射後に褪色度を観察する方法である。しかし、この方法は、わずかな着色の差を観ることになるため、精度の良い測定をするためには、検査試料の数を増やす、光源の強度や光源の使用時間、温度や湿度などの環境,条件等々を厳密に設定する必要がある。 There are currently several methods for assessing the activity of photocatalysts. For example, there is a dye decolorization method as one of these. This is a method in which a methylene blue solution is applied to a photocatalyst product and the fading degree is observed after light irradiation for a certain time. However, since this method observes slight differences in coloration, in order to measure with high accuracy, the number of test samples should be increased, the light source intensity, light source usage time, environment such as temperature and humidity, etc. , Conditions, etc. need to be set strictly.
次に、ガス分解法がある。この方法は光触媒製品をアセトアルデヒドガスと共に密封し、20時間光照射後に残存ガスを測定する方法である。しかし、残存ガスの測定にはガスクロマトグラフィーやガス検知管を用いるため、試料をパックする材料や、試料そのものからのガスの放出や、逆にガスの吸着が起こる場合があり、こうした要因を取り除く前処理、後処理が必要である。 Next, there is a gas decomposition method. In this method, the photocatalyst product is sealed with acetaldehyde gas, and the residual gas is measured after 20 hours of light irradiation. However, since gas chromatography and gas detector tubes are used to measure the residual gas, there are cases where gas is released from the sample packing material, the sample itself, or conversely gas adsorption. Pre-processing and post-processing are necessary.
このほか、電子スピン共鳴装置(ESR)を用いたスピントラップ法がある。この方法は中間体であるOH等のラジカルガスを間接的に測定する方法である。ラジカルガスは寿命が短いので、水溶液中でスピントラップ剤(DMPO)を添加することにより安定化して、DMPOにトラップされたラジカル(DMPO−OH)の量を測定する。つまり、ESRでOHラジカルを直接検出するのではなく、有機物のスピントラップ剤を使って間接的に検出するのである。このとき、スピントラップ剤は酸素原子により酸化され、電荷分離により還元された酸素原子が有機物の水素と反応し、OHラジカルを生成する。従って、スピントラップ法ではスピントラップ剤の影響が避けられず、ラジカルガスの量を正確に測ることはできない。 In addition, there is a spin trap method using an electron spin resonance apparatus (ESR). This method is a method of indirectly measuring a radical gas such as OH as an intermediate. Since the radical gas has a short lifetime, it is stabilized by adding a spin trap agent (DMPO) in an aqueous solution, and the amount of radicals (DMPO-OH) trapped in DMPO is measured. That is, OH radicals are not directly detected by ESR, but are indirectly detected using an organic spin trap agent. At this time, the spin trapping agent is oxidized by oxygen atoms, and the oxygen atoms reduced by charge separation react with organic hydrogen to generate OH radicals. Therefore, in the spin trap method, the influence of the spin trap agent cannot be avoided, and the amount of radical gas cannot be measured accurately.
その他光触媒活性評価に関しては、セルフクリーニング、空気浄化、水質浄化、抗菌性、ハイスループット法、ニューラルネットワーク法など多くの方法がある(非特許文献2参照)。 As for other photocatalytic activity evaluation, there are many methods such as self-cleaning, air purification, water purification, antibacterial property, high-throughput method, and neural network method (see Non-Patent Document 2).
なお、光触媒反応により発生した中間体は光触媒物質表面に吸着していると言う報告もあるが(非特許文献4参照)、逆に空気中では表面から拡散する可能性がある、とも言われており、いずれの状態であっても中間体の生成量を直接測定する方法は現在のところない。 In addition, although there is a report that the intermediate produced by the photocatalytic reaction is adsorbed on the surface of the photocatalytic substance (see Non-Patent Document 4), it is also said that it may diffuse from the surface in the air. However, there is currently no method for directly measuring the amount of intermediate produced in any state.
ところで、本発明者らの一人は、以前に、ラドンのような放射性ガスの計測を高感度で行うための測定装置として、磁気浮上している電極とファラデーケージによる磁気浮上電極電離箱を提案した(特許文献1、非特許文献3参照)。磁気浮上電極電離箱は電離箱内部に電荷収集電極が磁気浮上していて、この浮上電極で放射線によって電離した空間電荷を収集して、電極上の電荷はファラデーケージを用いて非接触で読み取る構造である。ここで、磁気浮上電極電離箱を開発した理由と必要性を説明すると、環境放射線(バックグラウンド)が空気を電離する場合、電離気体は10−15A以下の電離電流となることが多いが、それを測定するエレクトロメータや増幅装置のような計測機器のドリフトはこの電離電流以上であるため、バックグラウンドレベルの弱い放射線計測においては、市販の電離箱では有意な計測数値が得られないためである。ただ、この技術は放射線線量の計測を行う技術であった。
By the way, one of the present inventors has previously proposed a magnetically levitated electrode ionization chamber using a magnetically levitated electrode and a Faraday cage as a measuring device for measuring a radioactive gas such as radon with high sensitivity. (See
以上説明したように、光触媒の試験方法の規格及び性能の規格に関するJISが制定されたが、光触媒反応における中間体の生成量あるいは生成効率を精度良く直接定量的に測定する装置及び方法は現在存在しない。活性酸素種やOHラジカル等の中間体は空気中では有機,無機化合物を分解し、あるいは有害物を無害化し、またこの他の作用によって消耗するため、さらにその寿命も短いため、生成量を知るには凍結測定など特別の装置方法が必要で、簡単に測定することは困難である。従って、光触媒反応による中間体の生成量や生成効率を精度良く直接定量的に測定するためには、新たな光触媒活性定量測定技術が提案される必要がある。 As explained above, JIS has been established concerning the standards for test methods and performance of photocatalysts, but there are currently devices and methods for accurately and quantitatively measuring the production amount or production efficiency of intermediates in photocatalytic reactions. do not do. Intermediates such as reactive oxygen species and OH radicals decompose organic and inorganic compounds in the air or detoxify harmful substances, and are consumed by other actions, so their lifetime is also short, so the amount of production is known. Requires a special device method such as freezing measurement, and it is difficult to measure easily. Therefore, a new photocatalytic activity quantitative measurement technique needs to be proposed in order to directly and quantitatively measure the production amount and production efficiency of the intermediate due to the photocatalytic reaction.
今後、図10で示すように、NOX、SOX等の除去や排水処理などを行う環境浄化分野、有害物分解を行う家電、建材分野、また抗菌等を行う医療関連分野、さらに光触媒の超親水性機能を利用するセルフクリーニング分野等での光触媒技術の開発が拡大していくと予想される。そして、当面の最大の課題は、可視光応答型光触媒の実用化であり、また光触媒物質への高選択性付与が重要な課題になると考えられる。 In the future, as shown in FIG. 10, the environmental purification field that removes NO X , SO X, etc. and wastewater treatment, household appliances that decompose toxic substances, the building materials field, the medical-related field that carries out antibacterials, etc. The development of photocatalytic technology in the field of self-cleaning that utilizes hydrophilic functions is expected to expand. The biggest problem for the time being is the practical application of a visible light responsive photocatalyst, and it is considered that imparting high selectivity to the photocatalyst substance is an important issue.
将来の光触媒関連産業の発展を推進する技術を車の両輪に例えれば、一方は触媒製造技術であり、他方は触媒評価技術であるといえる。つまり光触媒活性定量測定技術は、光触媒技術の今後の発展の一翼を担っているといえる。例えば上述した可視光応答型光触媒の研究や実用化においても、さらに光触媒物質への高選択性付与においても、光触媒活性の定量測定技術はきわめて有用である。また、光触媒反応の選択性を研究するためには、光の照射の有無、ガスの導入の有無が自在で、その他環境条件の調整が自在に行える測定装置、測定方法が望まれる。 If the technology that promotes the development of the future photocatalyst-related industry is compared to both wheels of the car, it can be said that one is catalyst manufacturing technology and the other is catalyst evaluation technology. In other words, it can be said that the photocatalytic activity quantitative measurement technology plays a part in the future development of the photocatalytic technology. For example, the quantitative measurement technique of photocatalytic activity is extremely useful in research and practical application of the above-mentioned visible light responsive photocatalyst and also in imparting high selectivity to a photocatalytic substance. In addition, in order to study the selectivity of the photocatalytic reaction, it is desired to have a measuring apparatus and a measuring method that can freely adjust the environmental conditions, with or without light irradiation, with or without gas introduction.
本発明は、光触媒反応で生成する活性酸素種やOHラジカル等の中間体の生成量を直接測定することができる光触媒活性定量測定装置及び光触媒活性定量測定方法を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a photocatalytic activity quantitative measurement apparatus and a photocatalytic activity quantitative measurement method capable of directly measuring the amount of intermediates such as active oxygen species and OH radicals generated by a photocatalytic reaction.
本発明の光触媒活性定量測定装置は、光触媒反応を起こす材料を内部に装着して該材料に対し光を照射できる第1電離箱と、第1電離箱内に収容され磁気浮上する第1電極と、第1電極を帯電させるための第1静電帯電器と、第1電極に帯電している電荷を測定するための第1非接触電荷読取部とを具備し、第1電極と第1電離箱の間に電圧を印加し材料を装着して光を照射し、光触媒反応によって生成される中間体の電荷とバックグラウンドの電荷を第1電極に収集する第1磁気浮上電極電離箱と、材料を装着する構成及び光を照射するための構成以外は第1電離箱と共通の構成を有する第2電離箱と、第1電極と共通の構成を有し第2電離箱内に収容されて磁気浮上する第2電極と、第2電極を帯電させるための第2静電帯電器と、第2電極に帯電している電荷を測定するための第2非接触電荷読取部とを具備し、第2電極と第2電離箱の間に電圧を印加してバックグラウンドの電荷を第2電極に収集する第2磁気浮上電極電離箱と、第1電極と第2電極で測定した電荷量の差に基づいて光触媒反応によって生成される中間体の電荷を測定する測定部と、を備えたことを主要な特徴とする。 The photocatalytic activity quantitative measurement apparatus of the present invention includes a first ionization chamber in which a material that causes a photocatalytic reaction is attached and can irradiate the material with light, and a first electrode that is housed in the first ionization chamber and magnetically floats. A first electrostatic charger for charging the first electrode, and a first non-contact charge reading unit for measuring the charge charged on the first electrode, wherein the first electrode and the first ionization are provided. A first magnetically levitated electrode ionization chamber for applying a voltage between the boxes, irradiating the material and irradiating light, and collecting an intermediate charge and a background charge generated by the photocatalytic reaction in the first electrode; A second ionization chamber having a configuration common to the first ionization chamber except for a configuration for mounting the light source and a configuration for irradiating light, and a magnetic configuration accommodated in the second ionization chamber having a configuration common to the first electrode A second electrode that floats, a second electrostatic charger for charging the second electrode, and a second A second non-contact charge reading unit for measuring the charge on the pole, and applying a voltage between the second electrode and the second ionization chamber to collect the background charge on the second electrode A second magnetically levitated electrode ionization chamber, and a measurement unit for measuring the charge of the intermediate produced by the photocatalytic reaction based on the difference in the charge amount measured between the first electrode and the second electrode. Features.
また、本発明の光触媒活性定量測定方法は、磁気浮上している電極がそれぞれ収容された一対の磁気浮上電極電離箱を設け、一方の磁気浮上電極電離箱には光触媒反応を起こす材料を装着しその電極で材料の光触媒反応で生成される中間体の電荷及びバックグラウンドの電荷を収集し、他方の磁気浮上電極電離箱の電極ではバックグラウンドの電荷を収集し、電極間の電荷量の差に基づいて光触媒反応により生じた中間体の電荷を測定することを主要な特徴とする。 Also, the photocatalytic activity quantitative measurement method of the present invention is provided with a pair of magnetic levitation electrode ionization chambers each containing a magnetically levitated electrode, and one magnetic levitation electrode ionization chamber is equipped with a material that causes a photocatalytic reaction. The electrode collects the intermediate charge and background charge generated by the photocatalytic reaction of the material, while the other magnetic levitation electrode ionization chamber collects the background charge, resulting in a difference in charge amount between the electrodes. Based on this, the main feature is to measure the charge of the intermediate produced by the photocatalytic reaction.
本発明の光触媒活性定量測定装置と光触媒活性定量測定方法によれば、従来の技術にはなかった、光触媒反応による活性酸素種やOHラジカル等の中間体の生成量を定量的に直接測定することができる。同様に、光触媒物質のバインダーによる担持や経年変化、ガス選択性等の機能特性を定量的に測定することが可能である。さらに、照射する紫外線や可視光の入射、あるいは波長や光強度の選択を容易に行え、今後の光触媒活性研究や光触媒製造技術の発展に寄与することができる。 According to the photocatalytic activity quantitative measurement apparatus and the photocatalytic activity quantitative measurement method of the present invention, it is possible to quantitatively directly measure the amount of intermediates such as active oxygen species and OH radicals produced by a photocatalytic reaction, which was not found in the prior art. Can do. Similarly, it is possible to quantitatively measure the functional characteristics such as loading of photocatalytic substance with a binder, aging, gas selectivity, and the like. Furthermore, it is possible to easily select the incident ultraviolet light or visible light, the wavelength or the light intensity, and contribute to the development of future photocatalytic activity research and photocatalyst production technology.
本発明の第1の形態は、光触媒反応を起こす材料を内部に装着して該材料に対し光を照射できる第1電離箱と、第1電離箱内に収容され磁気浮上する第1電極と、第1電極を帯電させるための第1静電帯電器と、第1電極に帯電している電荷を測定するための第1非接触電荷読取部とを具備し、第1電極と第1電離箱の間に電圧を印加し、材料を装着して光を照射し、光触媒反応によって生成される中間体の電荷とバックグラウンドの電荷を第1電極に収集する第1磁気浮上電極電離箱と、材料を装着する構成及び光を照射するための構成以外は第1電離箱と共通の構成を有する第2電離箱と、第1電極と共通の構成を有し第2電離箱内に収容されて磁気浮上する第2電極と、第2電極を帯電させるための第2静電帯電器と、第2電極に帯電している電荷を測定するための第2非接触電荷読取部とを具備し、第2電極と第2電離箱の間に電圧を印加してバックグラウンドの電荷を第2電極に収集する第2磁気浮上電極電離箱と、第1電極と第2電極で測定した電荷量の差に基づいて光触媒反応によって生成される中間体の電荷を測定する測定部と、を備えたことを特徴とする光触媒活性定量測定装置である。この構成によって、バックグラウンドの影響を排除して、光触媒反応で発生する活性酸素種やOHラジカル等の中間体の電荷を定量的に直接測定することができる。また、光触媒物質のバインダーによる担持や経年変化等の機能特性を定量的に測定することが可能である。さらに、材料に照射する紫外線や可視光線の選択、あるいは波長や光強度の選択を容易に行うことができる。これにより、今後の光触媒活性研究や光触媒製造技術の発展に寄与することができる。 The first aspect of the present invention is a first ionization chamber in which a material that causes a photocatalytic reaction is attached and can irradiate the material with light; a first electrode that is housed in the first ionization chamber and floats magnetically; A first electrostatic charger for charging the first electrode and a first non-contact charge reading unit for measuring the charge charged on the first electrode, the first electrode and the first ionization chamber A first magnetically levitated electrode ionization chamber for applying a voltage between the first electrode, irradiating light with a material attached, and collecting intermediate charges and background charges generated by the photocatalytic reaction on the first electrode; A second ionization chamber having a configuration common to the first ionization chamber except for a configuration for mounting the light source and a configuration for irradiating light, and a magnetic configuration accommodated in the second ionization chamber having a configuration common to the first electrode A second electrode that floats, a second electrostatic charger for charging the second electrode, and charging the second electrode And a second non-contact charge reading unit for measuring the charged electric charge, and applying a voltage between the second electrode and the second ionization chamber to collect background charges on the second electrode. A photocatalytic activity comprising: a floating electrode ionization chamber; and a measurement unit that measures the charge of an intermediate produced by a photocatalytic reaction based on a difference in charge amount measured between the first electrode and the second electrode. It is a quantitative measurement device. With this configuration, it is possible to directly measure the charge of intermediates such as active oxygen species and OH radicals generated in the photocatalytic reaction by eliminating the influence of the background. In addition, it is possible to quantitatively measure functional characteristics such as loading of photocatalytic substance with a binder and aging. Furthermore, it is possible to easily select ultraviolet rays and visible rays to irradiate the material, or select wavelengths and light intensities. This can contribute to future photocatalytic activity research and development of photocatalyst production technology.
本発明の第2の形態は、第1の形態に従属する形態であって、第1電離箱には、材料の装着するための構成としての装着部と、光を照射するための構成として外部から光を材料に照射するための窓が設けられたことを特徴とする光触媒活性定量測定装置である。この構成によって、材料は様々な方法で装着部に装着すればよく、窓が設けられているので装着した試料に外部からこの窓を通して紫外線や可視光線を照射することができ、波長や光強度の選択を容易に行うことができる。 The second form of the present invention is a form subordinate to the first form. The first ionization chamber has a mounting part as a structure for mounting a material and an external structure as a structure for irradiating light. The photocatalytic activity quantitative measurement apparatus is characterized in that a window for irradiating the material with light is provided. With this configuration, the material may be attached to the attachment part by various methods, and since the window is provided, the attached sample can be irradiated with ultraviolet rays and visible light from the outside through this window, and the wavelength and light intensity can be irradiated. Selection can be made easily.
本発明の第3の形態は、第1または第2の形態に従属する形態であって、第1電離箱及び第2電離箱には、それぞれガスの影響をみるためのガス流入路とガス排出路が設けられていることを特徴とする光触媒活性定量測定装置である。この構成によって、電離箱内に装着された光触媒物質を取り囲む雰囲気のガスの種類や濃度等を変化させて、光触媒物質及び光触媒反応のガス選択性を研究することができる。 A third form of the present invention is a form subordinate to the first or second form, and the first ionization chamber and the second ionization chamber each have a gas inflow path and a gas discharge for checking the influence of gas. A photocatalytic activity quantitative measurement apparatus characterized in that a path is provided. With this configuration, the gas selectivity of the photocatalytic substance and the photocatalytic reaction can be studied by changing the type and concentration of the gas surrounding the photocatalytic substance mounted in the ionization chamber.
本発明の第4の形態は、磁気浮上している電極がそれぞれ収容された一対の磁気浮上電極電離箱を設け、一方の磁気浮上電極電離箱には光触媒反応を起こす材料を装着しその電極で材料の光触媒反応で生成される中間体の電荷及びバックグラウンドの電荷を収集し、他方の磁気浮上電極電離箱の電極ではバックグラウンドの電荷を収集し、電極間の電荷量の差に基づいて光触媒反応により生じた中間体の電荷を測定することを特徴とする光触媒活性定量測定方法である。この構成によって、バックグラウンドの影響を排除して、光触媒反応による活性酸素種やOHラジカル等の中間体の生成量を定量的に直接測定することができる。また、光触媒物質のバインダーによる担持や経年変化等の機能特性を定量的に測定することが可能である。 According to a fourth embodiment of the present invention, a pair of magnetic levitation electrode ionization chambers each containing a magnetically levitated electrode are provided, and a material that causes a photocatalytic reaction is attached to one of the magnetic levitation electrode ionization chambers. The intermediate charge and background charge generated by the photocatalytic reaction of the material are collected, the background charge is collected at the electrode of the other magnetic levitation electrode ionization chamber, and the photocatalyst is based on the difference in charge amount between the electrodes. It is a photocatalytic activity quantitative measurement method characterized by measuring the charge of an intermediate produced by a reaction. With this configuration, the influence of background can be eliminated, and the amount of intermediates such as active oxygen species and OH radicals produced by the photocatalytic reaction can be measured directly and quantitatively. In addition, it is possible to quantitatively measure functional characteristics such as loading of photocatalytic substance with a binder and aging.
(実施の形態1)
以下、本発明の実施の形態1における光触媒活性定量測定装置と光触媒活性定量測定方法について説明する。図1は本発明の実施の形態1における光触媒活性定量測定装置の原理図、図2は本発明の実施の形態1における光触媒活性定量測定装置の全体構成図、図3は本発明の実施の形態1における光触媒活性定量測定装置の第1電離箱の説明図、図4は本発明の実施の形態1における光触媒活性定量測定装置の第2電離箱の説明図である。
(Embodiment 1)
Hereinafter, the photocatalytic activity quantitative measurement device and the photocatalytic activity quantitative measurement method according to
まず、図1に基づいて、実施の形態1の光触媒活性定量測定装置と光触媒活性定量測定方法の測定原理を説明する。従来存在しない測定装置、測定方法であるため測定原理を最初に説明する。光触媒反応による電荷分離、中間体の生成、中間体の基質(触媒物質を取り囲む物質)との反応、中間体の電極への掃引及び電極への電荷収集等の概要である。 First, the measurement principle of the photocatalytic activity quantitative measurement device and the photocatalytic activity quantitative measurement method of the first embodiment will be described with reference to FIG. Since it is a conventional measuring apparatus and measuring method, the measurement principle will be described first. It is an outline of charge separation by photocatalytic reaction, generation of an intermediate, reaction of the intermediate with a substrate (substance surrounding the catalytic substance), sweeping of the intermediate to the electrode, and collection of charge on the electrode.
図1に示すように常温、常圧の空気が密閉されている空間において、電荷収集電極(正極)とそれに対置したアース電極(後述する実施の形態1では電離箱の内壁に塗布された導電性の皮膜)の間に電圧を印加する。次にこの電界雰囲気の空間に光触媒物質(酸化チタンなど)を置き、光触媒物質が電界雰囲気に置かれた状態で、必要に応じて光触媒物質に光を照射する。光触媒物質は電界の作用あるいは光の励起によってエネルギーの高い状態になって、電荷分離し、電子(e−)と正孔(h+)を生じる。そして、この電子(e−)と正孔(h+)は基質(空気中のO2、H2O)と反応してこれを活性化し、物質の表面及び表面近傍に中間体(すなわち活性酸素種(O−、O2 −、O3 −)やOHラジカル(OH−)等)を生成する。この中間体は、負の電荷をもっているので、電界中に置かれた負電荷粒子に働くクーロン力の作用により光触媒物質表面近傍から引き離されて、アース電極と対置して置かれた電荷収集電極(正極)に掃引され、収集される。電荷収集電極(正極)の正電荷は、収集された負電荷によって減少する。従って、電荷集電極の収集前と収集後の電荷の差を測定することによって、光触媒反応で生じた中間体の電荷を測定することが可能になる。いうまでもないが、収集電荷量の多寡は中間体の生成量の多寡を表している。 As shown in FIG. 1, in a space where air at normal temperature and normal pressure is sealed, a charge collection electrode (positive electrode) and a ground electrode (the conductivity applied to the inner wall of the ionization chamber in the first embodiment to be described later) A voltage is applied between the two layers. Next, a photocatalytic material (such as titanium oxide) is placed in the space of the electric field atmosphere, and the photocatalytic material is irradiated with light as necessary in a state where the photocatalytic material is placed in the electric field atmosphere. The photocatalytic substance becomes in a high energy state by the action of an electric field or excitation of light, and charges are separated to generate electrons (e − ) and holes (h + ). The electrons (e − ) and holes (h + ) react with the substrate (O 2 in the air , H 2 O) to activate it, and an intermediate (that is, active oxygen) on the surface of the substance and in the vicinity of the surface. Species (O − , O 2 − , O 3 − ), OH radicals (OH −, etc.) are generated. Since this intermediate has a negative charge, it is separated from the vicinity of the surface of the photocatalytic substance by the action of Coulomb force acting on the negatively charged particles placed in the electric field, and the charge collecting electrode placed opposite to the ground electrode ( Swept to the positive electrode) and collected. The positive charge of the charge collection electrode (positive electrode) is reduced by the collected negative charge. Therefore, it is possible to measure the charge of the intermediate produced by the photocatalytic reaction by measuring the difference in charge before and after collection of the charge collecting electrode. Needless to say, the amount of collected charge represents the amount of intermediate generated.
ところで、この方法で収集した電荷を測定するに当たって、(1)電極をコンデンサとし、一定時間電荷を蓄積して測定する方法と、(2)電極の収集電荷を直流電流として測定する方法の2種類の方法がある。電荷収集電極(正極)に掃引される中間体の電荷は、空気中を移動するいわゆる空間電荷であり、10−15A以下の電流であってきわめて微弱である。ところが、地上に存在する環境放射線が、空気を電離する際に生じる電離電流は10−15Aのレベルであるため、10−15A以下の微弱な空間電荷を直接測定することは、いかに高感度のエレクトロメータや増幅回路を使ってもきわめて難しい。言い換えれば(2)の方法で中間体の電荷を測定することは事実上できない。 By the way, in measuring the charge collected by this method, there are two types: (1) a method in which the electrode is used as a capacitor and the charge is accumulated for a certain period of time, and (2) a method in which the collected charge at the electrode is measured as a direct current. There is a way. The charge of the intermediate that is swept by the charge collection electrode (positive electrode) is a so-called space charge that moves in the air, and is a very weak current of 10 −15 A or less. However, since the ionizing current generated when the environmental radiation existing on the ground ionizes air is at a level of 10 −15 A, it is highly sensitive to directly measure a weak space charge of 10 −15 A or less. It is extremely difficult to use an electrometer or amplifier circuit. In other words, it is practically impossible to measure the charge of the intermediate by the method (2).
このため本発明は上記(1)の方法に拠って測定を行う。しかし、空間電荷の10−15A以下の電流を環境放射線による電離電流10−15A程度の雑音レベルの中で測定する困難は変わらない。これは、電荷集電極(正極)に蓄えられた電荷を読み出すときに、エレクトロメータに繋がれた接点を電荷収集電極に接触しなくてはならないからである。そしてこの場合に限らず、通電状態での接点の接触では必ず不規則電荷が発生し、とりわけ微弱な電流の測定では不規則電荷の大きさは無視できない。また、電荷収集電極を保持する絶縁体からは常に微小のリーク電流が流れる。このように(1)では(2)とは別の問題があり、電荷収集電極の電荷の微弱な変化量を定量的に測定することは簡単ではない。 Therefore, the present invention performs the measurement according to the method (1). However, the difficulty of measuring a current of 10 −15 A or less of the space charge within a noise level of about 10 −15 A due to the environmental radiation remains unchanged. This is because, when reading out the charge stored in the charge collecting electrode (positive electrode), the contact point connected to the electrometer must come into contact with the charge collecting electrode. And not only in this case, irregular charge is always generated when the contact point is in an energized state, and the magnitude of the irregular charge cannot be ignored particularly in the measurement of a weak current. A minute leak current always flows from the insulator holding the charge collection electrode. As described above, (1) has a problem different from (2), and it is not easy to quantitatively measure the slight change in the charge of the charge collecting electrode.
ところで、時間をt、静電容量をCとすると、電荷Q、電圧v(アース電極との電位差)、電流iとの間には、Q=Cv、dQ/dt=iのよく知られた関係がある。従って、実施の形態1においては、以下、電荷集電極の電荷Q、電荷の減少(増加)量ΔQを測定すると説明する場合が多いが、これは電圧vを測定することとも言えるし、単位時間Δtあたりの電荷の減少(増加)量ΔQを使って平均電流I(=ΔQ/Δt、以下単に電流とも言う)を測定する、と言うこともできる。何れで表現しても実質的に変わりがない。このため、以下、電荷で表現したり、電圧、電流で表現したりもするが、内容的には等価である。そして、これを明示するため括弧により読み換えも行っている。 By the way, when time is t and electrostatic capacity is C, the well-known relationship between charge Q, voltage v (potential difference from the ground electrode), and current i is Q = Cv and dQ / dt = i. There is. Therefore, in the first embodiment, it is often described that the charge Q of the charge collecting electrode and the decrease (increase) amount ΔQ of the charge are measured in the following, but this can also be said to measure the voltage v, which is a unit time. It can also be said that the average current I (= ΔQ / Δt, hereinafter also simply referred to as current) is measured using the amount (Q) of decrease (increase) in charge per Δt. Even if expressed in any way, there is substantially no change. For this reason, hereinafter, it may be expressed by electric charge, voltage or current, but it is equivalent in terms of content. And in order to make this clear, it is also replaced with parentheses.
そこで、実施の形態1の光触媒活性定量測定装置では、光触媒反応により発生した中間体の電荷を磁気浮上した電荷収集電極(正極)に掃引、収集し、この磁気浮上している電荷収集電極の電荷を、静電誘導の原理で、非接触でファラデーケージを用いて読み出す。この方法によれば、電荷収集電極(正極)は磁気浮上しているため電荷収集電極を支える絶縁体が必要でなく、リーク電流は生じない。また非接触で電荷を読み出すために不規則電荷も発生しない。従って、電離電流による雑音の影響を無視できるようにすることができれば、電荷を10−17Aレベルで測定することが可能になる。これゆえに、中間体の電荷を従来測定し得なかった10−17Aレベルで定量的に直接測定することが実現できる。
Therefore, in the photocatalytic activity quantitative measurement device of
以下、従来測定し得なかった中間体の生成量を定量的に測定することを可能にする実施の形態1における光触媒活性定量測定装置の全体構成について説明する。本発明の光触媒活性定量測定装置は図2のように、磁気浮上電極電離箱A,B及び制御演算部とから構成されている。磁気浮上電極電離箱Aはバックグラウンド電流を検出して参照するためのもので、基本的に、磁気浮上する電荷収集電極をもつ電離箱とファラデーケージ(本発明の第2非接触電荷読取部)とで構成され、磁気浮上電極電離箱Bは光触媒反応検出用のもので、同じく磁気浮上する電荷収集電極をもつ電離箱とファラデーケージ(本発明の第1非接触電荷読取部)とで構成される。磁気浮上電極電離箱Bの電離箱には光を透過する石英ガラス窓が設けられると共に、光触媒物質の試料を装着するホルダが設けられている。
The overall configuration of the photocatalytic activity quantitative measurement apparatus according to
図2において、1は磁気浮上電極電離箱A、Bのそれぞれの外部容器、2は電離箱で、O2やN2など空気等価の組成をもつアクリル樹脂等で作られている。電離箱2は一端が塞がれた円筒状で内部に導電性の塗料が塗布されて皮膜となり、アースされている。3aは磁気浮上可能な電荷収集電極(本発明の第1電極)で、磁気浮上電極電離箱Aの電離箱2内で磁気浮上して、電離箱内の気体が放射線等により電離して生じたいわゆるバックグラウンド電流(電荷)を収集する。3bは磁気浮上可能な電荷収集電極(本発明の第2電極)で、磁気浮上電極電離箱Bの電離箱2内で磁気浮上して、試料を電界中に置きさらに光を照射した状態において、光触媒反応で発生する中間体の電荷とバックグラウンド電流(電荷)とを収集する。つまり3bで収集されるのは中間体電荷とバックラウンド電流(電荷)の和である。十分近接して置かれた一対の磁気浮上電極電離箱A、Bにおいては、バックグラウンド電流(電荷)にほとんど差がない、との事実に基づく。さらに、4は電磁石で、電荷収集電極3a、3bは電磁石4の作用で空間に浮上する。
In FIG. 2, 1 is an outer container of each of the magnetic levitation electrode ionization chambers A and B, and 2 is an ionization chamber, which is made of an acrylic resin having an air equivalent composition such as O 2 or N 2 . The
5はファラデーケージ(本発明の非接触電荷読取部)であり、10はファラデーケージ5に接続したエレクトロメータである。出力を電荷,電圧,平均電流の何れかにすることができる。ファラデーケージ5を上昇して、電離箱2内にある電荷収集電極3a、3bをファラデーケージの内電極に完全に挿入することによって、エレクトロメータ10は電荷収集電極上の電荷を非接触で読み取る。6はシャッターで、電離箱2の底面に設けられている。7はアクチュエータで、ファラデーケージ5を昇降する。アクチュエータ7の昇降とシャッター6の開閉は連動している。8はギャップセンサで、電離箱2内の電荷収集電極3a,3bの浮上位置を検出する。
ここで、ギャップセンサ8は、図3,4に示すように発光素子とこの発光素子の発光を受光する受光素子とからなり、光ビームの光量で電荷収集電極3a,3bの位置を検出する。図3,4に示す2aは透明ガラス窓で、電離箱2の上部に向かい合って設けられていて、電離箱内の気体と電離箱外の大気を遮断し、ギャップセンサ8の光ビームを透過させる。
Here, as shown in FIGS. 3 and 4, the
さらに図2に戻って、9は浮上装置であって、電荷収集電極3a,3bが遮るギャップセンサ8の光量の電気信号を受けて光量の変化を演算し、電磁石4の励磁力を調節して電荷収集電極3a,3bを目標位置に保持する。11は制御演算部(本発明の測定部)で、いわゆるコンピュータである。エレクトロメータ10は入力側がファラデーケージ5に接続され、出力側は制御演算部11に接続される。エレクトロメータ10の出力値として電荷を選ぶか、電圧若しくは平均電流を選ぶかを指定すれば、指定された出力値を制御演算部11に出力する。制御演算部11は図示しない記憶部からプログラムを読み込んで機能実現手段として制御手段と演算処理手段としてこれらの機能を実行する。図2では制御演算部11はアクチュエータ7の作動を制御し、またエレクトロメータ10からの電荷、電圧、平均電流の何れかの出力値を示す信号に基づいて演算処理してデータの表示、保存を行う。
Further, referring back to FIG. 2, 9 is a levitation device, which receives the electrical signal of the light amount of the
次に、図3,4に基づき磁気浮上電極電離箱A,Bの内部構成について説明する。図3,4において、5aはファラデーケージ5の内部電極であり、7a,7bは絶縁体であって、内部電極5aと外部電極(ファラデーケージ5の最外殻)との間を絶縁する。14は内部電極5aと外部電極との間に設けられたコンデンサで、エレクトロメータ10の読み取りレンジの調整のために適当な静電容量を選択する。15は流入路(本発明のガス流入路)で、電離箱2内に必要に応じ酸素、窒素あるいは他の気体を流入することによって、光触媒反応のガス選択性を測定することができる。16は排出路(本発明のガス排出路)で、電離箱2内から気体を排出する。
Next, the internal configuration of the magnetic levitation electrode ionization chambers A and B will be described with reference to FIGS. 3 and 4, 5a is an internal electrode of the
流入路15、排出路16は気体流入コネクターを介して電離箱2内と連通され、流入路15にはバルブ、フィルタ、水分トラップ、電荷トラップ、エアポンプが設けられると共に、排出路16にはバルブが設けられている。17は静電帯電器で、電荷収集電極3a,3b上に所定量の電荷を非接触で帯電する。この静電帯電器17で電荷収集電極3a,3bに正電荷を帯電させることにより、電荷収集電極3a,3bと電離箱2の内壁(アース電極)の間に所定の電界が形成される。この電界の作用で電離箱内の放射線による空間電荷や光触媒反応によって生成された中間体の電荷は電荷収集電極3a,3bに掃引,収集される。なお、測定開始前に、静電帯電器17で、電荷収集電極3a、3bへ6×10−9C(1500V)程度印加することにより、バックグラウンドレベル(8×10−15A)の電流であれば、約7日間連続で測定できる。
The
以上の基本構成は磁気浮上電極電離箱A,Bの双方で共通した構成であるが、磁気浮上電極電離箱Bには光触媒反応による中間体を生成するために次の構成が設けられている。1つは光を透過する窓であり、もう1つは試料を保持するためのホルダである。図4において、12は透明な石英ガラス窓で、電離箱2の外から光を試料に照射することができる。石英ガラス窓12を光の遮蔽体で覆うか否かで光照射の有無を選択し、また照射する光も種類、波長および強度の選択も自在である。13は測定すべき光触媒反応を起こす物質を備えた試料(本発明の材料)であり、試料13は酸化チタンなどの光触媒物質を基板上に直接貼り付けたり、コーティングしたり、あるいはバインダーに練り込んで塗布したりして作成したものを用いる。18は電離箱2の内壁上で試料13をセットする位置に設けられたホルダ(本発明の装着部)で、基板を保持する構成、あるいはコーティングや塗布が行える構成などを有している。何れかの方法で作成された試料13は電離箱2の外から自在に入出して所定位置にセットされる。試料13は検査表面を電荷収集電極3a,3bに対置して装着される。
The above basic configuration is common to both the magnetic levitation electrode ionization chambers A and B, but the magnetic levitation electrode ionization chamber B is provided with the following configuration to generate an intermediate by photocatalytic reaction. One is a window that transmits light, and the other is a holder for holding a sample. In FIG. 4,
実施の形態1の光触媒活性定量測定装置を使って行う光触媒活性定量測定方法について説明する。磁気浮上電極電離箱Aの電離箱2内の気体は、各種ガスの光触媒反応に与える影響を調べる場合の他は、特別には電離箱内に導入せず、通常は常温、常圧の空気であって、測定中電離箱2は密閉される。測定開始前に磁気浮上させた電荷収集電極3aに静電帯電器17によって所定量の正電荷Qを帯電し、電荷収集電極3aと電離箱2の内壁(アース電極)との間に電界が生じている状態で、一定時間Δtごとに電荷収集電極3aの電荷Qの減少量ΔQを測定して、バックグラウンド電流(電荷)を測定する。
A photocatalytic activity quantitative measurement method performed using the photocatalytic activity quantitative measurement apparatus of
すなわち、一定時間Δt経過した後シャッター6を開け、制御演算部11によってファラデーケージ5を上げて電荷収集電極3aをファラデーケージ5の内電極の空間に完全に挿入する。ここでファラデーケージ5の静電容量をC*とすると、収集電極3aの電荷Qはファラデーケージの内部電極、外電極間の電圧v(電荷)を使って、すなわちC*vとしてエレクトロメータ10で読み取られる。ここで、磁気浮上電極電離箱Aで測定したことを“A”、またバックグラウンドを示すために“b”を添え字として表現し直すと、一定時間Δt経過前後のファラデーケージ5の電圧vAbの差ΔvAb(電位差)を求めれば、この時間におけるバックグラウンドの電荷QA=QAbの減少量ΔQAb=C*ΔvAb、電流IAb=ΔQAb/Δtを求めることができる。
That is, after a certain time Δt has elapsed, the
次に、磁気浮上電極電離箱Bについて説明する。磁気浮上電極電離箱Bも、試料の装着や光の照射の部分を除いて、測定方法およびデータの処理方法は磁気浮上電極電離箱Aと同じである。電離箱2内の電離気体は磁気浮上電極電離箱Aと同じである。電荷収集電極3bに適当な所定の正電荷Qを帯電し、電荷収集電極3bと電離箱2の内壁(アース電極)との間に電界が生じている状態で、試料13をホルダ18に入れて密閉し、石英ガラス窓12の外から光(紫外線(以下、UV)や可視光線)を照射する。
Next, the magnetic levitation electrode ionization chamber B will be described. The magnetic levitation electrode ionization chamber B also has the same measurement method and data processing method as the magnetic levitation electrode ionization chamber A except for the mounting of the sample and light irradiation. The ionized gas in the
電界雰囲気と光照射下において、光触媒反応で生じた中間体は、正に帯電している電荷収集電極3bへ掃引されて電荷収集電極3bに収集される。磁気浮上電極電離箱Aと同様に、一定時間Δtごとに電荷収集電極3bの電荷Qを読み取り、電荷の減少量ΔQを測定する。ここで、磁気浮上電極電離箱Bで測定したことを“B”、またバックグラウンドを示すために“b”、中間体を示すために“m”を添え字として表現し直すと、磁気浮上電極電離箱Aの場合とは異なり、磁気浮上電極電離箱Bにおいては電荷QBとして、バックグラウンド電荷QBb(電流IBb)と光触媒反応による中間体の電荷QBm(電流IBm)との和QB=QBb+QBmが測定される。
Under the electric field atmosphere and light irradiation, the intermediate produced by the photocatalytic reaction is swept to the positively charged
磁気浮上電極電離箱A,Bで測定値を取得した後、制御演算部11で磁気浮上電極電離箱Bの測定値(電荷,電流,電圧)と磁気浮上電極電離箱Aの測定値の差ΔQ=QA−QBを計算する。この差ΔQ(クーロン)は、ほぼQAb=QBbと言ってよいから(QAb=QBbにきわめて近いQAb≒QBb)、電荷ΔQは一定の測定時間Δtに収集した中間体による、バックグラウンドの影響を除いた、正味の電荷に相当することになる。そしてこの電荷ΔQを測定時間Δt(秒)で除すれば、その測定時間での平均の電流値I=ΔQ/Δt(アンペア)が得られる。すなわち、この計算で得られた平均の電流値Iは光触媒反応によって生じた中間体の電荷量(=発生量)を示す。
After the measurement values are acquired by the magnetic levitation electrode ionization chambers A and B, the difference ΔQ between the measurement value (charge, current, voltage) of the magnetic levitation electrode ionization chamber B and the measurement value of the magnetic levitation electrode ionization chamber A by the
しかし、磁気浮上電極電離箱Bの電荷収集電極3bにおける減少電荷量がすべて中間体の電荷によるものかあるいは光触媒物質そのものから放出した電子の電荷が含まれているのかを確認する必要がある。その理由は、半導体やガドリニュームのような特殊な金属は光の照射による光電効果で電子が発生するからである。そこで本発明者らは光触媒物質からの電子の放出の有無を確認するため、酸化チタンを練り込んだ試料を、絶縁体基板上に塗布した場合と、金属導体基板上に塗布した場合とで図2の装置を用いて試料から発生する電荷の比較測定を行った。
However, it is necessary to confirm whether the amount of reduced charge at the
その結果、絶縁体基板上に塗布した場合と金属導体基板上に塗布した場合とで、測定された電荷量は同一であり、光触媒物質から電子が物質外に出ていないこと、つまり酸化チタンを用いた光触媒反応においては、光電効果の現象は起こっていないことを確認できた。なお、上述した非特許文献4においても、電荷分離によって生じた電子は物質内に留まるという報告がなされている。従って、この光触媒活性定量測定装置で測定される電流は光触媒反応により発生した中間体によるものであるといえる。
As a result, the amount of charge measured is the same when applied on an insulator substrate and when applied on a metal conductor substrate, and no electrons are emitted from the photocatalyst material, that is, titanium oxide is removed. In the photocatalytic reaction used, it was confirmed that the phenomenon of photoelectric effect did not occur. In
そして、光触媒物質を囲む雰囲気ガス、例えば酸素や窒素の濃度の違いにおける光触媒活性の違いや、NOX、SOX等のいわゆる有害ガスに対する光触媒物質の触媒作用の選択性を定量的に測定する場合には、流入路15と排出路16を使って濃度の異なるガスを電離箱2内に流入し、流入前と排出後の濃度差を測定すればよい。例えば、空気にNOx、SOX等の微弱な濃度のガスを混入して電離箱2に流入すれば、環境問題の1つとなっている有害ガスに対して、光触媒のガス分解性能を定量的に測定することが可能になる。
Then, the ambient gas surrounding the photocatalyst material, for example, differences and photocatalytic activity at a concentration of oxygen and nitrogen difference, NO X, if quantitatively measure the selectivity of the catalytic action of the photocatalytic material against the so-called harmful gases such as SO X For this purpose, gases having different concentrations may be flowed into the
続いて、実施の形態1の光触媒活性定量測定装置と光触媒活性定量測定方法を使って具体的に測定を行った実施例について説明する。図5は本発明の実施の形態1における光触媒活性定量測定装置によって時刻変化と共にアナタース型酸化チタンの濃度を変更した場合の光触媒反応による生成電流とバックグラウンド電流の関係図であり、図6は図5を基にした酸化チタン濃度(Wt%)と電流の関係図、図7は本発明の実施の形態1における光触媒活性定量測定装置によって時刻変化と共にアナタース40Wt%酸化チタンの有無、電界雰囲気でのUV照射の有無で測定した光触媒反応による生成電流とバックグラウンド電流の関係図、図8は本発明の実施の形態1における光触媒活性定量測定装置によって時刻変化と共にルチル型酸化チタンの有無、電界雰囲気でのUV照射の有無で測定した光触媒反応による生成電流とバックグラウンド電流の関係図、図9は本発明の実施の形態1における光触媒活性定量測定装置によって時刻変化と共に酸化チタン入り塗料の有無、電界雰囲気でのUV照射の有無で測定した光触媒反応による生成電流とバックグラウンド電流の関係図である。
Next, an example in which specific measurement is performed using the photocatalytic activity quantitative measurement apparatus and the photocatalytic activity quantitative measurement method of
(実施例1)
次の(ア)(イ)(ウ)(エ)(オ)(カ)の可能性を実証するため実施の形態1の光触媒活性定量測定装置を使って以下の実施例1,2,3,4の測定を行った。ここで、実施例1は(ア)中間体の生成量が定量的に直接測定可能であること、(イ)バインダーによる担持や経年変化等の機能特性が定量的に測定可能であること、また、(ウ)照射する光の種類や強度と光触媒活性の関係が容易に測定可能であることを実証するためのものである。なお、実施例1,2,3,4の光触媒活性定量測定装置の電離箱における電離体積は8Lである。
Example 1
In order to demonstrate the possibility of the following (a) (b) (c) (d) (e) (f), the photocatalytic activity quantitative measurement apparatus according to the first embodiment is used.
図5,図6に示す実施例1はアナタース型酸化チタンをバインダーに練り込んだ試料で測定を行ったものである。図5は酸化チタン含有濃度の異なる試料に対する光触媒反応による生成電荷量(電流)とバックグラウンド電流の関係を測定した結果であり、図6はこのときの酸化チタン濃度(Wt%)と電流の関係を示す。 Example 1 shown in FIG. 5 and FIG. 6 was measured with a sample in which anatase-type titanium oxide was kneaded into a binder. FIG. 5 shows the result of measuring the relationship between the amount of electric charge (current) generated by the photocatalytic reaction and the background current for samples having different titanium oxide-containing concentrations, and FIG. 6 shows the relationship between the titanium oxide concentration (Wt%) and the current at this time. Indicates.
測定試料は、市販のバインダー(スノーテックス(登録商標)、日産化学製)にアナタース型酸化チタン(関東化学製)を練り込み、それをアルミニューム基板に塗布した酸化チタン含有濃度(Wt%)の異なる試料を用いた。この試料を図2に示す光触媒活性定量測定装置のホルダに装着し、電界雰囲気及びUV照射下で光触媒反応による電荷(電流)を測定した。図5の縦軸は電流で単位はA(アンペア)、横軸は測定した月日時で、この月日時の後のカッコ内は、電荷収集電極と電離箱壁との間の電圧である。これは試料が置かれている雰囲気の電界であり、単位はV(ボルト)である。測定時間間隔は30分(=1800秒)である。なお、以下説明する実施例2,3,4の測定においても、測定時間間隔はすべて30分で行っている。 The measurement sample is a commercially available binder (Snowtex (registered trademark), manufactured by Nissan Chemical Co., Ltd.) kneaded with anatase-type titanium oxide (manufactured by Kanto Chemical), and applied to an aluminum substrate with a titanium oxide-containing concentration (Wt%). Different samples were used. This sample was mounted on the holder of the photocatalytic activity quantitative measurement apparatus shown in FIG. 2, and the charge (current) due to the photocatalytic reaction was measured under an electric field atmosphere and UV irradiation. The vertical axis in FIG. 5 is current, the unit is A (ampere), the horizontal axis is the measured month date and time, and the parenthesis after this month date and time is the voltage between the charge collection electrode and the ionization chamber wall. This is the electric field of the atmosphere in which the sample is placed, and its unit is V (volt). The measurement time interval is 30 minutes (= 1800 seconds). In the measurements of Examples 2, 3 and 4 described below, the measurement time intervals are all 30 minutes.
図5において、実線aは光触媒活性定量測定装置の磁気浮上電極電離箱Aで測定した電流で、バックグラウンド電流である。破線bは、磁気浮上電極電離箱Bで測定した電流で、表示の時刻で、濃度の異なる試料を装着して測定したものである。つまり破線bは、試料を装着しない場合はバックグラウンド電流で、試料を装着した場合は、光触媒反応で生じた中間体による電流とバックグラウンド電流との和を表す。 In FIG. 5, the solid line a is the current measured by the magnetic levitation electrode ionization chamber A of the photocatalytic activity quantitative measurement device, and is the background current. The broken line b is the current measured in the magnetic levitation electrode ionization chamber B, and is measured by mounting samples having different concentrations at the time of display. That is, the broken line b represents the background current when the sample is not attached, and the sum of the current and the background current caused by the intermediate produced by the photocatalytic reaction when the sample is attached.
次に、一点鎖線cは実線aと破線bとの差で、光触媒反応で生じた中間体の正味の電荷を示している。濃度40%(Wt%)の場合、矢印の区間での平均電流は1.9fA(ファムトアンペア;1fA=10−15A)である。○印の部分はUV(波長365nm、電力6W)を照射したときの測定値である。各濃度についてもこれに準じている。
Next, the alternate long and short dash line c is the difference between the solid line a and the broken line b, indicating the net charge of the intermediate produced by the photocatalytic reaction. When the concentration is 40% (Wt%), the average current in the interval indicated by the arrow is 1.9 fA (famtoampere; 1 fA = 10 −15 A). The circled portions are measured values when UV (wavelength 365 nm,
なお、図5中に示したσ=0.28fAは、この光触媒活性定量測定装置の最小検出限界を評価するために、バックグラウンド電流の測定値から求めた標準偏差σである。誤差論によれば、最小検出限界Lは、L=σならば信頼度68%、L=2σならば信頼度95%である。従って、実施の形態1の光触媒活性定量測定装置では、測定値が0.28fA以上であれば信頼度68%で有意な数値ということができる。図5によれば、この試料を用いた測定においては、UVの照射の有無に係わらず、電界雰囲気だけで、試料の濃度に応じた中間体が生じていると考えられる。このように光触媒物質の種類によっては、光というより電界支配になっており、光を照射しても光触媒活性にあまり影響しないことが定量的に分かる。 Note that σ = 0.28 fA shown in FIG. 5 is a standard deviation σ obtained from the measured value of the background current in order to evaluate the minimum detection limit of the photocatalytic activity quantitative measurement device. According to error theory, the minimum detection limit L is 68% reliability if L = σ, and 95% reliability if L = 2σ. Therefore, in the photocatalytic activity quantitative measurement device of the first embodiment, if the measured value is 0.28 fA or more, it can be said that the reliability is 68% and a significant numerical value. According to FIG. 5, in the measurement using this sample, it is considered that an intermediate according to the concentration of the sample is generated only in the electric field atmosphere regardless of the presence or absence of UV irradiation. As described above, depending on the type of photocatalytic substance, it is quantitatively understood that the electric field is controlled rather than the light, and the photocatalytic activity is not significantly affected even when the light is irradiated.
図6に基づいて試料に含まれる酸化チタンの含有濃度と電流の関係を説明する。図6において縦軸は電流(fA)で、横軸は濃度(Wt%)である。図6から明らかなように、濃度と電流値は比例している。このことは、酸化チタンの含有量が多いものほど中間体も多く発生し、その結果測定される電流も大きくなることを示している。これは実施の形態1の光触媒活性定量測定装置が光触媒活性を容易に且つ高精度に定量測定できることを示している。図6中の破線は最小検出限界L=σ(信頼度65%)のラインを示す。
The relationship between the concentration of titanium oxide contained in the sample and the current will be described with reference to FIG. In FIG. 6, the vertical axis represents current (fA) and the horizontal axis represents concentration (Wt%). As is apparent from FIG. 6, the concentration and the current value are proportional. This indicates that the higher the content of titanium oxide, the more intermediates are generated, and as a result, the measured current increases. This indicates that the photocatalytic activity quantitative measurement device of
(実施例2)
続いて、実施例2はアナタース40Wt%試料によって、電界雰囲気とUV照射下で長時間の測定を行ったものである。図7に示すように実施例2は、(エ)電界雰囲気のみ、(オ)電界雰囲気中でUVを照射、(カ)試料がない状態でのUV照射、と言う条件で測定した結果である。この条件が特性に寄与する程度を測定するものである。
(Example 2)
Subsequently, in Example 2, an
図7で縦軸は電流、横軸は測定月日時である。なお、照射に使ったUVは波長365nm、電力6Wである。図7の実線dはバックグラウンドで、破線eは試料をホルダに入れていない場合(バックグラウンドとほぼ同じレベルの測定個所)と、入れた場合の測定値である。一点差線fは実線dと破線eの測定値の差であり、正味の電流を表す。 In FIG. 7, the vertical axis represents current, and the horizontal axis represents measurement month date and time. The UV used for irradiation has a wavelength of 365 nm and a power of 6 W. The solid line d in FIG. 7 is the background, and the broken line e is the measurement value when the sample is not placed in the holder (measurement location at almost the same level as the background) and when the sample is placed. A one-point difference line f is a difference between measured values of the solid line d and the broken line e, and represents a net current.
ここで、一点差線fを検討すると、試料をホルダに入れて測定したのは4月25日20時から4月27日15時までの区間で、その区間での印加電圧(電界)は、およそ1200V(横軸の4月25日19時の括弧に示す)から800V(横軸の4月27日17時の括弧に示す)の範囲である。UVを照射したのは一点差線fの4月26日8時から4月26日17時、4月27日7時から4月27日18時の矢印の区間である。図7から解るようにUVを照射しても電流は増加していない。このことは、試料を電界雰囲気に置いた状態で、中間体の生成は既に飽和に達していて、光を照射してもそれ以上中間体は生成しない、ということを示唆している。また4月27日15時以降の測定値では、試料がおかれてない場合はUVの照射があっても電流値はゼロである。このことから、UV(波長365nm)は電離箱内の気体、電荷収集電極表面及び電離箱の内壁に対して、電離や励起等の影響を及ぼしていないことがわかる。 Here, considering the one-point difference line f, the sample was placed in the holder and measured in the section from 20:00 on April 25 to 15:00 on April 27, and the applied voltage (electric field) in that section was: The range is approximately 1200 V (shown in parentheses on April 25, 19:00 on the horizontal axis) to 800 V (shown in parentheses on April 27, 17:00 on the horizontal axis). UV was irradiated in the area of the arrow of the dashed line f from April 26, 8:00 to April 26, 17:00, April 27, 7:00 to April 27, 18:00. As can be seen from FIG. 7, the current does not increase even when UV is irradiated. This suggests that with the sample placed in an electric field atmosphere, the production of the intermediate has already reached saturation, and no further intermediate is produced even when irradiated with light. Moreover, in the measured value after 15:00 on April 27, when the sample is not placed, the current value is zero even if UV irradiation is applied. From this, it can be seen that UV (wavelength 365 nm) has no influence of ionization or excitation on the gas in the ionization chamber, the surface of the charge collection electrode, and the inner wall of the ionization chamber.
(実施例3)
次に、実施例3はルチル型酸化チタンをバインダーに練り込んだ試料で測定を行ったものである。市販のバインダーにルチル型酸化チタン(関東化学製)を50Wt%で練り込み、これをアルミニューム基板に塗布した試料によって、電界雰囲気及びUV照射下での試料からの発生電流を測定した。図8に示すように実施例3は、実施例2と同様の(エ)電界雰囲気のみ、(オ)電界雰囲気中でUVを照射、と言う条件で測定した結果である。この条件が特性に寄与する程度を測定するものである。
(Example 3)
Next, Example 3 was measured using a sample in which rutile titanium oxide was kneaded into a binder. Rutile type titanium oxide (manufactured by Kanto Chemical Co., Inc.) was kneaded at 50 Wt% into a commercially available binder, and the generated current from the sample under an electric field atmosphere and UV irradiation was measured with a sample coated on an aluminum substrate. As shown in FIG. 8, Example 3 is the result of measurement under the same conditions as in Example 2 (d) only in an electric field atmosphere and (v) UV irradiation in an electric field atmosphere. The degree to which this condition contributes to the characteristics is measured.
図8において縦軸は電流、横軸は測定した月日時である。照射に使ったUVは実施例2と同じ波長365nm、電力6Wである。図8で実線gはバックグラウンド、破線hは試料をホルダに入れないときと、以下説明するようにホルダに入れたとき、さらにUVを照射したときの電流である。一点差線iは実線gと破線hの差で、正味の電流である。一点差線iを検討すると、5月31日23時から6月1日18時までの矢印は試料をホルダに入れていた期間で、6月1日9時から6月1日14時までの矢印は電界雰囲気でUV(365nm、6W)を照射した区間である。 In FIG. 8, the vertical axis represents current, and the horizontal axis represents the measured month and date. The UV used for irradiation has the same wavelength of 365 nm as in Example 2 and a power of 6 W. In FIG. 8, the solid line g is the background, and the broken line h is the current when the sample is not put in the holder and when the sample is put in the holder as described below, and when UV is further irradiated. A one-point difference line i is a difference between a solid line g and a broken line h, and is a net current. Considering the one-point difference line i, the arrow from May 31 at 23 o'clock to June 1 at 18 o'clock is the period when the sample was put in the holder, from June 1 at 9 o'clock to June 1 at 14:00 An arrow is a section irradiated with UV (365 nm, 6 W) in an electric field atmosphere.
図8で明らかなように、試料を電界雰囲気に置くと電流は増える。電界雰囲気の試料にUVを照射するとさらに電流は増加する。このことから、ルチル型酸化チタンの試料の場合は中間体の生成量は、UV照射によってさらに増加することが分かる。このように光触媒物質の種類によっては、電界雰囲気に加えて光を照射することで中間体の生成量に違い生じることがわかる。 As is apparent from FIG. 8, the current increases when the sample is placed in an electric field atmosphere. When a sample in an electric field atmosphere is irradiated with UV, the current further increases. From this, in the case of the rutile-type titanium oxide sample, it can be seen that the amount of intermediate produced is further increased by UV irradiation. Thus, depending on the type of photocatalytic substance, it can be seen that the amount of intermediate produced differs by irradiating light in addition to the electric field atmosphere.
(実施例4)
続いて、実施例4は酸化チタン入り塗料を用いて、電界雰囲気およびUV照射下で長時間測定を行ったものである。ここでは、市販されている酸化チタン含有塗料(アサヒペン製)をアルミニューム基板の上に塗布した試料によって、実施例1,2,3と同様に電界雰囲気とさらにUV照射下の場合について光触媒反応における電流を測定した。実施例4は、図9に示すように実施例2,3と同様の(エ)電界雰囲気のみ、(オ)電界雰囲気中でUVを照射、と言う条件で測定した結果である。この条件が特性に寄与する程度を測定するものである。
Example 4
Subsequently, Example 4 was obtained by measuring for a long time under an electric field atmosphere and UV irradiation using a paint containing titanium oxide. Here, a sample in which a commercially available titanium oxide-containing paint (manufactured by Asahi Pen) was applied on an aluminum substrate was used in a photocatalytic reaction in the case of an electric field atmosphere and further under UV irradiation as in Examples 1, 2, and 3. The current was measured. As shown in FIG. 9, Example 4 is the result of measurement under the condition that (e) only the electric field atmosphere is the same as in Examples 2 and 3, and (v) UV irradiation is performed in the electric field atmosphere. The degree to which this condition contributes to the characteristics is measured.
図9において、縦軸は電流で、横軸は測定月日時である。照射に使ったUVは波長365nmで、電力は6ワットである。図9で実線jはバックグラウンド、破線kは試料をホルダに入れた場合と、以下説明するように入れていない場合、一点差線lは実線jと破線kの差で、正味の電流を示している。一点差線lを検討すると、5月15日9時から5月16日10時までの矢印は試料をホルダに入れていた期間で、5月15日9時から5月15日14時までの矢印は電界雰囲気のみの期間、5月15日14時30分から5月16日10時までの矢印は電界雰囲気の中でUVを照射した期間で、図9の右端の5月16日10時30分から5月16日11時30分は試料を取り除いた後でUVのみを電離箱内に照射した期間である。 In FIG. 9, the vertical axis represents current, and the horizontal axis represents measurement month date. The UV used for irradiation has a wavelength of 365 nm and the power is 6 watts. In FIG. 9, the solid line j is the background, the broken line k is the case where the sample is put in the holder, and the case where the sample is not placed as described below, the one-point difference line l is the difference between the solid line j and the broken line k and indicates the net current. ing. Considering the one-point difference line l, the arrow from 5:00 on May 15 to 10:00 on May 16 is the period during which the sample was put in the holder, from 9:00 on May 15 to 14:00 on May 15 The arrow indicates the period only for the electric field atmosphere, and the arrow from 14:30 on May 15 to 10:00 on May 16 indicates the period in which UV was irradiated in the electric field atmosphere. 11:30 on May 16 is a period in which only the UV was irradiated into the ionization chamber after the sample was removed.
測定結果から、電界雰囲気のみの電流は平均1.16×10−15Aで、電界雰囲気でUVを照射した期間の電流は平均1.41×10−15Aである。この差0.27×10−15AはUV照射の効果と考えられる。この光触媒活性定量測定装置の最小検出限界Lは図5、図6で示したようにL=0.28fA(信頼度68%)である。従って、この差0.27fAを有意な数値として判定するには多少問題は残るが、図9の全体的な傾向からみてこの差はUV照射の効果を示すものと考えられる。なお、上述したように実施例1,2,3,4で用いた電離箱の電離体積は8Lであったが、電離体積が小さければ最小検出限界はさらに小さくできる。例えば電離体積1Lの装置で、最小検出限界を10−17Aレベル(0.01fAレベル)にすることが可能である。 From the measurement results, the current only in the electric field atmosphere is 1.16 × 10 −15 A on average, and the current during the period of UV irradiation in the electric field atmosphere is 1.41 × 10 −15 A on average. This difference of 0.27 × 10 −15 A is considered to be the effect of UV irradiation. The minimum detection limit L of this photocatalytic activity quantitative measurement device is L = 0.28 fA (reliability 68%) as shown in FIGS. Accordingly, although there is a slight problem in determining this difference of 0.27 fA as a significant numerical value, this difference is considered to indicate the effect of UV irradiation in view of the overall tendency of FIG. As described above, the ionization volume of the ionization chamber used in Examples 1, 2, 3, and 4 was 8 L. However, if the ionization volume is small, the minimum detection limit can be further reduced. For example, with a device having an ionization volume of 1 L, the minimum detection limit can be set to the 10 −17 A level (0.01 fA level).
このように実施の形態1の光触媒活性定量測定装置と光触媒活性定量測定方法によれば、従来なしえなかった光触媒反応による中間体の生成量を定量的に直接測定することができる。同様に、光触媒物質のバインダーによる担持や経年変化等の機能特性を定量的に測定することが可能になる。さらに、照射する紫外線や可視光の波長や光強度の選択を容易に行え、今後の光触媒製造技術の発展、可視光対応型光触媒物質の開発、高機能光触媒物質の開発、新たな光触媒活性評価方法の制定、光触媒活関係商品の品質保障等に寄与することができる。
As described above, according to the photocatalytic activity quantitative measurement apparatus and the photocatalytic activity quantitative measurement method of
本発明は、光触媒が生成する中間体の生成量を直接測定することができる光触媒活性定量測定装置に適用できる。 The present invention can be applied to a photocatalytic activity quantitative measurement apparatus that can directly measure the amount of intermediate produced by a photocatalyst.
1 外部容器
2 電離箱
2a 透明ガラス窓
3a,3b 電荷収集電極
4 電磁石
5 ファラデーケージ
5a 内部電極
6 シャッター
7 アクチュエータ
7a,7b 絶縁体
8 ギャップセンサ
9 浮上装置
10 エレクトロメータ
11 制御演算部
12 石英ガラス窓
13 試料
14 コンデンサ
15 流入路
16 排出路
17 静電帯電器
18 ホルダ
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記材料を装着する構成及び光を照射するための構成以外は前記第1電離箱と共通の構成を有する第2電離箱と、前記第1電極と共通の構成を有し前記第2電離箱内に収容されて磁気浮上する第2電極と、前記第2電極を帯電させるための第2静電帯電器と、前記第2電極に帯電している電荷を測定するための第2非接触電荷読取部とを具備し、前記第2電極と前記第2電離箱の間に電圧を印加してバックグラウンドの電荷を前記第2電極に収集する第2磁気浮上電極電離箱と、
前記第1電極と前記第2電極で測定した電荷量の差に基づいて前記光触媒反応によって生成される中間体の電荷を測定する測定部と、を備えたことを特徴とする光触媒活性定量測定装置。 A first ionization chamber capable of irradiating the material with a photocatalytic reaction inside, a first electrode housed in the first ionization chamber and magnetically levitated, and for charging the first electrode A first electrostatic charger and a first non-contact charge reading unit for measuring the charge charged in the first electrode, and a voltage is applied between the first electrode and the first ionization chamber. A first magnetically levitated electrode ionization chamber that collects an intermediate charge and a background charge generated by a photocatalytic reaction on the first electrode,
A second ionization chamber having a configuration common to the first ionization chamber except for a configuration for mounting the material and a configuration for irradiating light, and a configuration common to the first electrode in the second ionization chamber And a second electrostatic charger for magnetically levitating the second electrode, and a second non-contact charge reading for measuring the charge charged on the second electrode. A second magnetic levitation electrode ionization chamber that collects background charges on the second electrode by applying a voltage between the second electrode and the second ionization chamber,
A photocatalytic activity quantitative measurement apparatus comprising: a measurement unit that measures the charge of the intermediate produced by the photocatalytic reaction based on a difference in charge amount measured between the first electrode and the second electrode .
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