JP6701549B2 - 光触媒性部材 - Google Patents
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Description
本発明は、外壁、窓、鏡、レンズ、ディスプレイ等の表面に付着した汚れを自己浄化可能な光触媒性部材に関する。
光触媒の光励起作用により光触媒性部材の表面に付着した汚れを自己浄化する技術が知られている（例えば特許文献１）。特許文献1に記載の光触媒性部材の表面は、アナターゼ型酸化チタン等の半導体光触媒（以下、単に「光触媒」と記載する。）によって被覆されている。そして、光触媒性部材は、この光触媒に紫外線を照射することにより自己浄化される。
上記の現象は、半導体の光励起によって誘起される現象であるため、上記の現象を発現させるためには、光触媒のバンドギャップ以上のエネルギーをもった光子（フォトン）が必要である。酸化チタンを光触媒として使用した場合、自己浄化作用を発現するのに必要なフォトンのエネルギーは、酸化チタンのバンドギャップに相当する３．０ｅＶ以上必要である。すなわち、光の波長に換算すると４００ｎｍ以下の紫外線が必要となる。蛍光灯や白熱電灯等の照明装置から照射される紫外線の強度は非常に小さい。そのため、酸化チタンを光触媒として用いた場合、自己浄化作用は十分に発現しない。
その対策として、光触媒として、フォトンのエネルギーが低い、すなわち光の波長に換算すると４００ｎｍ以上の可視光により自己浄化作用が発現させることが可能な酸化タングステンを用いることが挙げられる。
しかし、酸化タングステンは、耐久性が低く、外気に曝されることにより溶出したり基材から剥離する等の問題がある。
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、紫外線量の少ない照明装置による光照射でも自己浄化作用を発現し、かつ耐久性の高い光触媒性部材を提供することである。
すなわち、本発明の光触媒性部材は、基材と、前記基材上に設けられてなる酸化タングステン層と、前記酸化タングステン層上に設けられてなる酸化チタン層とを有することを特徴とする。
本発明者らは、上記の問題を解決するために鋭意検討を重ねた結果、光触媒として酸化タングステンと酸化チタンを用い、酸化チタン層を酸化タングステン層上に形成することにより、紫外線量の少ない照明装置による光照射においても自己浄化作用が発現することを見出した。さらに、この構成であると、酸化タングステン層が直接外気に曝されないため、耐久性が高くなる。
また、本発明の光触媒性部材は、更に、前記酸化チタン層上の一部分に設けられてなる白金層を有することが好ましい。
また、本発明者らは、酸化チタン層上の一部分に白金層を設けることにより、自己浄化作用が更に向上することを見出した。
また、本発明の光触媒性部材は、更に、前記酸化タングステン層と、前記酸化チタン層との間に設けられてなる白金層を有し、前記白金層は、前記酸化タングステン層上の一部分に設けられてなることが好ましい。
酸化タングステン層と酸化チタン層との間に、白金層を設けることにより、自己浄化作用が更に向上する。また、本構成の場合、白金層が直接外気に曝されないため、白金層が剥離しにくい。
また、本発明の光触媒性部材は、前記白金層が、白金微粒子が分散した白金微粒子分散層であることが好ましい。
白金層が、白金微粒子が分散した白金微粒子分散層であれば、酸化チタン層またはタングステン層上において、白金層が設けられた部分と白金層が設けられていない部分を均等に配置できるため、自己浄化作用が更に向上する。
以上に示した本発明により、紫外線量の少ない照明装置による光照射においても自己浄化作用が発現し、かつ耐久性の高い光触媒性部材を提供することが可能となった。
以下、本発明を実施するための形態について説明するが、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、当業者の通常の知識に基づいて、以下の実施の形態に対し適宜変更、改良等が加えられたものも本発明の範囲に入ることが理解されるべきである。
（第一実施形態）
先ず、本発明の第一実施形態について説明する。図１に示すように、本発明の光触媒性部材１は、基材２と、酸化タングステン層３と、酸化チタン層４を備えている。
先ず、本発明の第一実施形態について説明する。図１に示すように、本発明の光触媒性部材１は、基材２と、酸化タングステン層３と、酸化チタン層４を備えている。
基材２としては、ガラス、透明プラスチック等の透明材料や、金属、セラミック、プラスチック、木、石、コンクリート等の材料が使用できる。基材２の形状は、用途に応じて板状、球状、レンズ状等にすることができる。
酸化タングステン層３は、基材２の上に形成される。酸化タングステンは、酸化チタンと比較してバンドギャップが小さいため、酸化タングステン層３は、光の波長に換算すると、４００ｎｍ以上の可視光により自己浄化作用が発現する。なお、酸化タングステン層３は、その他の金属酸化物等を含んでいてもよい。
酸化チタン層４は、酸化タングステン層３の上に形成される。酸化チタン層４は、酸化タングステン層３よりも耐久性が高い。酸化チタンは、上述の通り、自己浄化作用を発現するためには、光の波長に換算すると４００ｎｍ以下の紫外線が必要となる。しかし、理由は不明だが、酸化タングステン層３の上に形成されることにより、酸化チタン層４は、光の波長に換算すると、４００ｎｍ以上の可視光により自己浄化作用を発現することが分かった。
酸化タングステン層３の厚みは、２００〜１５００ｎｍであることが好ましい。酸化タングステン層３の厚みが２００ｎｍ未満であると、紫外線量の少ない照明装置による光照射において自己浄化作用を発現しないことがあり、１５００ｎｍより大きいと、成膜時間及びコストを要する。酸化タングステン層３の厚みは、４５０〜１１００ｎｍであることがより好ましい。
酸化チタン層４の厚みは、５０〜２００ｎｍであることが好ましい。酸化チタン層４の厚みが５０ｎｍ未満であると、耐久性が低下することがあり、２００ｎｍより大きいと、紫外線量の少ない照明装置による光照射において自己浄化作用を発現しないことがある。酸化チタン層４の厚みは、９０〜１６０ｎｍであることがより好ましい。
酸化タングステン層３と酸化チタン層４との厚みの比（酸化チタン層／酸化タングステン層）は、０．０３〜０．２であることが好ましい。酸化タングステン層３と酸化チタン層４との厚みの比が０．０３未満であると、耐久性が低下することがあり、０．２より大きいと、紫外線量の少ない照明装置による光照射において自己浄化作用を発現しないことがある。酸化タングステン層３と酸化チタン層４との厚みの比（酸化チタン層／酸化タングステン層）は、０．０５〜０．１５であることがより好ましい。
光触媒性部材１は、基材２に酸化タングステン層３を形成した後に、酸化チタン層４を形成することにより作製される。酸化タングステン層３及び酸化チタン層４は、スパッタリング法、真空蒸着法、ＣＶＤ法等により形成することができる。
（第二実施形態）
次に、本発明の第二実施形態について説明する。なお、第一実施形態と共通する部分の説明は省略する。図２に示すように、本発明の光触媒性部材１は、基材２と、酸化タングステン層３と、酸化チタン層４と、白金層５を備えている。
次に、本発明の第二実施形態について説明する。なお、第一実施形態と共通する部分の説明は省略する。図２に示すように、本発明の光触媒性部材１は、基材２と、酸化タングステン層３と、酸化チタン層４と、白金層５を備えている。
白金層５は、酸化チタン層４の上に形成されている。白金層５は電子を貯蔵するため、酸素の多電子還元反応が促進され、同時に酸化反応が促進される。そのため、自己浄化作用が強く発現される。白金層５は、酸化チタン層４の全体を覆うように形成されているのではなく、一部分に設けられている。すなわち、図３の光触媒性部材１の平面図に示すように、白金層５は、酸化チタン層４が露出するように形成される。白金層５の形成面積割合は、酸化チタン層４の形成面積に対して３０〜８０％であることが好ましい。白金層５の形成面積割合が３０％未満であると上記効果がほとんど得られず、８０％より大きいと、酸化チタン層４が白金層５によりほとんど覆われてしまうため分解活性が低下する。白金層５の形成面積割合は、３５〜７０％であることがより好ましい。
白金層５は、白金微粒子が分散した層、いわゆる白金微粒子分散層であることが好ましい。白金微粒子は、酸化チタン層４上に均一に分散しやすく、白金層５が設けられた部分と白金層５が設けられていない部分を均等に配置できるため、自己浄化作用が更に向上する。
白金層５は、酸化チタン層４を形成した後に、スパッタリング法、真空蒸着法、ＣＶＤ法等により形成することができる。なお、白金層５の形成面積割合の調整は、白金層５の成膜時間を調整することにより行うことができる。例えば、白金層５の成膜時間は、５〜１５秒であることが好ましい。
（第三実施形態）
次に、本発明の第三実施形態について説明する。なお、第一実施形態及び第二実施形態と共通する部分の説明は省略する。図４に示すように、本発明の光触媒性部材１は、基材２と、酸化タングステン層３と、酸化チタン層４と、白金層５を備えている。
次に、本発明の第三実施形態について説明する。なお、第一実施形態及び第二実施形態と共通する部分の説明は省略する。図４に示すように、本発明の光触媒性部材１は、基材２と、酸化タングステン層３と、酸化チタン層４と、白金層５を備えている。
白金層５は、酸化タングステン層３と酸化チタン層４との間に形成されている。白金層５は、酸化タングステン層３上の全体に形成されるのではなく、一部分に形成されている。
酸化タングステン層３上の白金層５の形成面積割合は、４０〜７５％であることが好ましい。白金層５の形成面積割合が４０％未満であると自己浄化作用の効果がほとんど得られず、７５％より大きいと、酸化タングステンの可視光応答性の効果が低下する。白金層５の形成面積割合は、４５〜６５％であることがより好ましい。
白金層５は、白金微粒子が分散した層、いわゆる白金微粒子分散層であることが好ましい。白金微粒子は、酸化タングステン層３上に均一に分散しやすく、白金層５が設けられた部分と白金層５が設けられていない部分を均等に配置できるため、自己浄化作用が更に向上する。
光触媒性部材１は、基材２に酸化タングステン層３を形成した後に、白金層５を形成し、最後に酸化チタン層４を形成することにより作製される。酸化タングステン層３、白金層５及び酸化チタン層４は、スパッタリング法、真空蒸着法、ＣＶＤ法等により形成することができる。例えば、白金層５の成膜時間は、５〜１５秒であることが好ましい。
本実施形態では、白金層５が外気に曝されないように構成されているため、白金層５が光触媒性部材１から剥離しにくい。なお、白金層５の形成面積割合の調整は、成膜時間を調整することにより行うことができる。
以下に、本発明を実施例に基づいて具体的に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
以下に、測定試料について説明する。
基材として、寸法５０ｍｍ×５０ｍｍ×１ｍｍのガラスを準備し、基材の一方の面にスパッタリング法により酸化タングステン、酸化チタン及び白金を形成した。
試料Ｎｏ．１は、基材上に酸化タングステン層を形成し、その上に酸化チタン層を形成することで得た。酸化タングステン層と酸化チタン層との厚みの比（酸化チタン厚／酸化タングステン厚）が、０．１（酸化チタン層＝１００ｎｍ、酸化タングステン層＝１０００ｎｍ）である。なお、酸化タングステン層は、酸化チタン層により完全に覆われている。
試料Ｎｏ．２は、基材上に酸化タングステン層を形成し、その上に酸化チタン層を形成することで得た。酸化タングステン層と酸化チタン層との厚みの比（酸化チタン厚／酸化タングステン厚）が、０．１５（酸化チタン層＝１５０ｎｍ、酸化タングステン層＝１０００ｎｍ）である。なお、酸化タングステン層は、酸化チタン層により完全に覆われている。
試料Ｎｏ．３は、基材上に酸化タングステン層を形成することで得た。酸化タングステン層と酸化チタン層との厚みの比（酸化チタン厚／酸化タングステン厚）が、０（酸化チタン層＝０ｎｍ、酸化タングステン層＝５００ｎｍ）である。なお、基材は、酸化タングステン層により完全に覆われている。
試料Ｎｏ．４は、基材上に酸化タングステン層を形成することで得た。酸化タングステン層と酸化チタン層との厚みの比（酸化チタン厚／酸化タングステン厚）が、０（酸化チタン層＝０ｎｍ、酸化タングステン層＝１０００ｎｍ）である。なお、基材は、酸化タングステン層により完全に覆われている。
試料Ｎｏ．１は、基材上に酸化タングステン層を形成し、その上に酸化チタン層を形成することで得た。酸化タングステン層と酸化チタン層との厚みの比（酸化チタン厚／酸化タングステン厚）が、０．１（酸化チタン層＝１００ｎｍ、酸化タングステン層＝１０００ｎｍ）である。なお、酸化タングステン層は、酸化チタン層により完全に覆われている。
試料Ｎｏ．２は、基材上に酸化タングステン層を形成し、その上に酸化チタン層を形成することで得た。酸化タングステン層と酸化チタン層との厚みの比（酸化チタン厚／酸化タングステン厚）が、０．１５（酸化チタン層＝１５０ｎｍ、酸化タングステン層＝１０００ｎｍ）である。なお、酸化タングステン層は、酸化チタン層により完全に覆われている。
試料Ｎｏ．３は、基材上に酸化タングステン層を形成することで得た。酸化タングステン層と酸化チタン層との厚みの比（酸化チタン厚／酸化タングステン厚）が、０（酸化チタン層＝０ｎｍ、酸化タングステン層＝５００ｎｍ）である。なお、基材は、酸化タングステン層により完全に覆われている。
試料Ｎｏ．４は、基材上に酸化タングステン層を形成することで得た。酸化タングステン層と酸化チタン層との厚みの比（酸化チタン厚／酸化タングステン厚）が、０（酸化チタン層＝０ｎｍ、酸化タングステン層＝１０００ｎｍ）である。なお、基材は、酸化タングステン層により完全に覆われている。
試料Ｎｏ．５は、基材上に酸化タングステン層を形成し、その上に酸化チタン層を形成することで得た。酸化タングステン層と酸化チタン層との厚みの比（酸化チタン厚／酸化タングステン厚）が、１（酸化チタン層＝１００ｎｍ、酸化タングステン層＝１００ｎｍ）である。なお、酸化タングステン層は、酸化チタン層により完全に覆われている。
試料Ｎｏ．６は、基材上に酸化タングステン層を形成し、その上の一部に白金層を形成し、そして、酸化タングステン層及び白金層の上に酸化チタン層を形成することで得た。酸化タングステン層と酸化チタン層との厚みの比（酸化チタン厚／酸化タングステン厚）が、１（酸化チタン層＝１００ｎｍ、酸化タングステン層＝１００ｎｍ）である。なお、白金層のスパッタリング時間は７秒である。酸化タングステン層上における白金の形成面積割合は７０％である。
試料Ｎｏ．７は、基材上に酸化タングステン層を形成し、その上の一部に白金層を形成し、そして、酸化タングステン層及び白金層の上に酸化チタン層を形成することで得た。酸化タングステン層と酸化チタン層との厚みの比（酸化チタン厚／酸化タングステン厚）が、１（酸化チタン層＝１００ｎｍ、酸化タングステン層＝１００ｎｍ）であり、酸化チタン層と酸化タングステン層の間に白金層を形成した。なお、白金層のスパッタリング時間は１０秒である。酸化タングステン層上における白金の形成面積割合は７０％である。
試料Ｎｏ．８は、基材上に酸化タングステン層を形成し、その上に酸化チタン層を形成し、そして酸化チタン上の一部に白金層を形成することで得た。
酸化タングステン層と酸化チタン層との厚みの比（酸化チタン厚／酸化タングステン厚）が、１（酸化チタン層＝１００ｎｍ、酸化タングステン層＝１００ｎｍ）であり、酸化チタン層上に白金層を形成した。なお、白金層のスパッタリング時間は７秒である。酸化チタン層の形成面積割合は７５％である。
試料Ｎｏ．６は、基材上に酸化タングステン層を形成し、その上の一部に白金層を形成し、そして、酸化タングステン層及び白金層の上に酸化チタン層を形成することで得た。酸化タングステン層と酸化チタン層との厚みの比（酸化チタン厚／酸化タングステン厚）が、１（酸化チタン層＝１００ｎｍ、酸化タングステン層＝１００ｎｍ）である。なお、白金層のスパッタリング時間は７秒である。酸化タングステン層上における白金の形成面積割合は７０％である。
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試料Ｎｏ．８は、基材上に酸化タングステン層を形成し、その上に酸化チタン層を形成し、そして酸化チタン上の一部に白金層を形成することで得た。
酸化タングステン層と酸化チタン層との厚みの比（酸化チタン厚／酸化タングステン厚）が、１（酸化チタン層＝１００ｎｍ、酸化タングステン層＝１００ｎｍ）であり、酸化チタン層上に白金層を形成した。なお、白金層のスパッタリング時間は７秒である。酸化チタン層の形成面積割合は７５％である。
上記の測定試料を、それぞれ透明な密閉容器内に載置し、容器内をアセトアルデヒド含有気体で充満させた。なお、気体中のアセトアルデヒドの濃度は６０ｐｐｍである。密閉容器への気体の充満後、外気が容器内に流入しないように密閉した後、密閉容器内にフィルタ（ＡＧＣテクノグラス株式会社 紫外線吸収フィルタ Ｖ−４０）を取り付けたキセノンランプ（中心波長：４５０ｎｍ、ワット密度：１．０ｍＷ／ｃｍ２）の光を照射した。光の照射中、１分毎に外気が容器内に流入しないように容器内の気体を１ｍｌ取り出し、アセトアルデヒドの濃度をガスクロマトグラフィーにより測定した。アセトアルデヒドの濃度が低いほど、自己浄化作用が十分に発現していることを示す。
図５及び図６に、上記の測定試料の可視光照射下におけるアセトアルデヒドの濃度の時間経過を示す。試料Ｎｏ．１及び試料Ｎｏ．２は、最表面が酸化チタン層であるにも関わらず、酸化タングステン層に光が直接照射される試料Ｎｏ．３及び試料Ｎｏ．４と同程度のアセトアルデヒド分解能を示した。
また、酸化チタン層上の一部分、または、酸化タングステン層と、酸化チタン層との間に白金層を部分的に設けることにより、自己浄化作用が向上した。
また、酸化チタン層上の一部分、または、酸化タングステン層と、酸化チタン層との間に白金層を部分的に設けることにより、自己浄化作用が向上した。
１ 光触媒性部材、２ 基材、３ 酸化タングステン層、４ 酸化チタン層、５ 白金層
Claims (3)
- 基材と、
前記基材上に設けられてなる酸化タングステン層と、
前記酸化タングステン層上に設けられてなる酸化チタン層と、
前記酸化タングステン層と、前記酸化チタン層との間に設けられてなる白金層と、
を有し、
前記白金層は、前記酸化タングステン層上の一部分に設けられてなり、
前記酸化タングステン層上の前記白金層の形成面積割合は、４０〜７５％であり、
前記酸化タングステン層は、酸化チタン層により完全に覆われていることを特徴とする光触媒性部材。 - 前記白金層は、白金微粒子が分散した白金微粒子分散層であることを特徴とする請求項１に記載の光触媒性部材。
- 前記酸化タングステン層と前記酸化チタン層との厚みの比（酸化チタン層／酸化タングステン層）は、０．０３〜０．２であることを特徴とする請求項１または２に記載の光触媒性部材。
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