JP7418477B2 - 光触媒デバイスおよび光触媒デバイスの製造方法 - Google Patents
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Description
(光触媒デバイス)
近年、光触媒に紫外線を照射することで、細菌やカビ、アレルギー物質を分解する空気清浄機が開発されている。ここで、光触媒を利用する際の課題として、(a)光触媒への光照射で励起した電子と正孔とが空間的に同じ場所に存在することから、速やかに再結合してしまう。そのため、光触媒の外側での水分解、酸素分解に使用される電子や正孔の割合が小さい。結局、有害化学物質を酸化、還元するヒドロキシラジカル、スーパーオキシドアニオンの生成効率が低いことになる。一方で、(b)光触媒の吸収係数を大きくすること、(c)表面積を大きくし、酸化、還元反応が起きやすくすることも重要である。
(a)励起電子と正孔の再結合を抑制するために、励起電子と正孔とを空間的に分離することが好ましい。例えば、光触媒に金属を担持させて励起電子を金属に流入させたり、光触媒をバンド構造の異なる複数層に接続した、いわゆるヘテロ構造として励起電子と正孔を分離させたりするとよい。
(b)光触媒による光吸収効率を上げるために、光触媒物質の吸収ピークに近い波長の光で励起するとよい。
(c)光触媒表面での化学反応を促進するために、光触媒物質をナノサイズにすることで光触媒の面積を大きくするとよい。
光触媒層14に含まれる光触媒材料について説明する。光触媒材料は、光触媒作用を奏する材料であれば特に限定されるものではない。例えば、酸化チタン、酸化タンタル、硫化カドミウム、酸化亜鉛等の化合物であってもよい。また、金属層12の上に形成される点を考慮すれば、金属層12に含まれる金属元素の酸化物であるとよい。これにより、半導体の製造に用いられる既存の酸化プロセスや陽極酸化といった方法で金属層12の一部を選択的に光触媒層14とすることが可能となる。特に、陽極酸化による方法では、ナノサイズの微小柱状体(ナノチューブ構造)といった表面積の大きな形態の光触媒層14が得られる。
前述の酸化チタンは、紫外線(UVA領域)で励起する光触媒として好適である。しかしながら、酸化還元動作を行う励起電子や正孔のポテンシャルエネルギーは、伝導帯と価電子帯のエネルギー準位、および伝導帯と価電子帯のエネルギー準位の差であるバンドギャップエネルギーで決定されるが、酸化チタン(TiO2)のバンドギャップエネルギーは3.2eVであり、波長換算では387nmとなるため、UVA領域のエネルギーが限界となる。そこで、電子と正孔により大きなポテンシャルエネルギーを与えることのできる酸化タンタル(Ta2O5:バンドギャップエネルギー4.0eV(波長換算310nm))に着眼し、その特性を十分生かす深紫外線LED(ピーク波長280nm:エネルギー換算で4.4eV)を利用することに想到した。
細菌やホルムアルデヒドなどの有害化学物質のサイズは1nm~数μmと非常に幅が広い。そのため、金属層12において、全てのサイズの化学物質に最適なスリット(開口部)を設定することは困難である。そこで、細菌やアレルゲンを対象とする光触媒デバイス10に好適なスリットのサイズを考察する。図4は、図2のA-A断面を模式的に示す断面図である。図4では、ミクロセル14aの一辺の大きさCと、スリット16の幅Sとの関係を示しており、細菌等の付着物18がどのように金属層12や光触媒層14に付着しているか説明するための図である。
図5は、第2の実施の形態に係る光触媒デバイスの斜視図である。図6は、第2の実施の形態に係る光触媒デバイスの要部を示す上面図である。光触媒デバイス30は、一つの連続した層に複数の開口34が形成されている光触媒層32が、金属層12の上に設けられている点が主な特徴である。なお、第1の実施の形態と同様の構成や作用効果は説明を適宜省略する。
図7は、第1の実施の形態の変形例に係る光触媒デバイスの要部を示す断面図である。図7に示す光触媒デバイス40は、光触媒層42のミクロセル42aが2層構造である。金属層12がタンタルの場合、ミクロセル42aは、酸化タンタルからなる第1の層44aと、第1の層44aを覆う酸化チタンからなる第2の層44bと、を有する。このように、エネルギーバンド構造が異なる複数の材料を積層することで、励起電子と正孔との再結合をさらに大きく抑制できる。
(光触媒デバイスの製造方法)
図8は、第3の実施の形態に係る光触媒デバイスの製造方法を説明するための模式図である。本実施の形態に係る製造方法は、有機金属分解(Metal Organic Decomposition : MOD)法によって行うものであるが、この方法に限らない。
Claims (11)
- 金属層と、
前記金属層の上に設けられた、酸化タンタルを含む光触媒層と、を備え、
前記光触媒層は、前記金属層の一部が露出するようにスリットまたは開口が形成されていることを特徴とする光触媒デバイス。 - 前記金属層は、タンタルを含むことを特徴とする請求項1に記載の光触媒デバイス。
- 前記光触媒層は、前記金属層の一部が陽極酸化されたものであることを特徴とする請求項2に記載の光触媒デバイス。
- 前記金属層は、SUS材料であることを特徴とする請求項1に記載の光触媒デバイス。
- 前記光触媒層は、結晶化した酸化タンタルを含む、請求項1に記載の光触媒デバイス。
- 前記スリットの幅または前記開口の内径は、1~30μmの範囲にあることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の光触媒デバイス。
- 前記光触媒層は、複数のセルが前記スリットを挟んで配列していることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の光触媒デバイス。
- 前記光触媒層は、ピーク波長が250~300nmの範囲にある紫外線によって光触媒反応が生じることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載の光触媒デバイス。
- 前記金属層は、前記光触媒層に紫外線が照射されている際に、正電圧が印加されるように構成されていることを特徴とする請求項8に記載の光触媒デバイス。
- フェライト系SUS材料で構成された金属層と、
前記金属層の上に設けられた、酸化タンタルを含む光触媒層と、
を備えることを特徴とする光触媒デバイス。 - タンタル含有剤が塗布されているフェライト系SUS基板を、前記フェライト系SUS基板が溶融しない700℃以上の酸素含有雰囲気で加熱焼成し、前記フェライト系SUS基板の上に酸化タンタルを含む光触媒層を形成する工程を含むことを特徴とする光触媒デバイスの製造方法。
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