JPH038448A - 光触媒機能体及びこれを用いた多機能材料 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明はチタニア等の光触媒材を用いた光触媒機能体及
びこれを用いた多機能材料に関する。

（背景技術） 半導体材料に光を照射すると、さまざまな化学作用（光
触媒作用）をおこすことが従来知られている。たとえば
、チタニア電極と白金電極を組み合わせた光電気化学セ
ルでは、電仔質水溶液中でチタニア電極に光照射すると
、チタニア電極側から酸素が発生し、白金電極側から水
素が発生する。

これは、光電気化学セルによる水の分解である。

このように、チタニアは非常に強い光触媒作用を表すも
のであるが、この他、チタニアよりは作用効果が劣るも
のの、　ＣｄＳ　、　ＣｄＳｃ、　ＷＯｉ　、Ｆａｔｔ
ｙなどの半導体材料も光触媒作用を有している。（以下
、これら光触媒作用を有する材料を、光触媒材という、
） チタニア等の材料はそれ自体でもある程度の作用は有す
るが、単体では活性が小さいため、効率的に光触媒作用
をおこさせる目的で、チタニアの微粒子（粒径０．５μ
ｍ程度）に白金あるいはパラジウム等の金属を担持させ
たものが、従来１作製されている。微粒子を用いること
で接触表面積を増大させることができ、また、金属を担
持することによって、電極を用いずに光触媒作用を起こ
させることができる。この金属を担持させたチタニアの
微粒子は光触媒能が著しく増加することが知られており
、従来、実際の応用面では、この金属を担持させたチタ
ニアの微粒子について検討されている。

この光触媒作用を有する光触媒材微粒子は広範囲の応用
可能性を備えているものであって、これら材料の反応性
を利用して、たとえば、光エネルギーから化学エネルギ
ーや電気エネルギーへの変換、有機合成への利用、殺菌
能を利用した排水処理、臭い消しへの利用等が研究され
ている。

しかしながら、上記の白金、パラジウム、あるいは酸化
ルテニウム等の金属をチタニアの微粒子上に担持した材
料は、その形態が粒子状であるため、実際の使用に際し
てはなんらかの支持体を必要とする。たとえば、容器等
の構造材に光触媒材を用いようとすると、光触媒材微粒
子をバインダ中に練り込んで基材上に塗布することによ
って支持したり、殺菌用フィルタとしてはフィルタに先
触媒材粒子を付着させて支持しなければならない。

このように、従来の微粒子状の光触媒材は、実際の使用
面で使いにくいという問題点があった。また、バインダ
などにチタニアの微粒子を練り込んでしまったりすると
、バインダが介在することによって、光触媒材が作用を
及ぼすものに対してじかに接触することが妨げられ、そ
の機能が十分に発揮できないという問題点もある。

また、光触媒材の微粒子に白金等の金属を担持させるた
めのコスト面での問題点がある。とくに。

担持材料としてよく用いられる白金などはきわめて高価
であるため、これを用いて一般利用材料として大量に提
供することは不可能である。

そこで、本発明は上記問題点を解消すべくなされたもの
であり、その目的とするところは、チタニア等の光触媒
材による光触媒作用を好適に利用することができ、かつ
、構造材料等の種々の用途に利用することのできる機能
を備えた光触媒機能体及びこれを用いた多機能材料を提
供しようとするものである。

（課題を解決するための手段） 本発明は上記目的を達成するため、次の構成をそなえる
。

すなわち、光触媒機能体としては、導体金属の基体にチ
タニア等の光触媒作用を有する光触媒材を被着して成る
ことを特徴とし、前記導体金属の基体に光触媒材を溶射
によって被着したもの、前記導体金属の基体に光触媒材
を塗着してなるものが効果的に用いられる。

また、光触媒機能体を用いた多機能材料としては、容器
等の構造体材料を兼ねる導体金属にチタニア等の光触媒
材を被着して成るもの、あるいは、非導体物である基体
上に前記光触媒機能体を被着して成るものが効果的に用
いられる。

（発明の概要） 本発明の光触媒機能体は導体金属とチタニア等の光触媒
材を接触させて被着させ、これによって、導体金属と光
触媒材間で光電気化学的効果が生じるよう形成したもの
である。

ここで用いられる導体金属としては、その種類がとくに
限定されるものではなく、ステンレス、銅、鉄等各種金
属が利用可能である。

また、光触媒材もチタニアの他に、ＣｄＳ　、　ＣｄＳ
ｅ等の各種光触媒材が利用できる。ただし、これら光触
媒材のうち、チタニアはもっとも光触媒作用を強力に発
揮するもので、実際の使用においてはもっとも有効であ
る。これは、チタニアの価電子帯のエネルギーレベルが
他の光触媒材とくらべて深く、光励起によって生じた正
孔による酸化作用がもっとも強くあられれるためである
。もちろん、場合によってチタニアと他の物質を混合し
て用いることもあり得る。

さらに、チタニアはまったく無害であり、化粧品等の組
成材として使用認可されているという利点がある。これ
によって、各種食品容器類等に安心して利用することが
できる。また、チタニア材料はきわめて安く手にはいる
もので、従来、担持材料としてｌＬ金などを用いていた
場合とくらべてはるかに安価に提供できるという利点が
ある。

導体金属に上記光触媒材を被着する方法としては、種々
の方法が利用できる。簡単な方法としては、バインダと
チタニア等の光触媒材を混合して塗料化し、導体金属面
に塗布する方法がある。この方法は、バインダを介在さ
せる点で光触媒作用が減じられるという不利はあるが、
既存の施設であっても簡単に利用できるという利点があ
る。たとえば、ステンレスなどの金属内壁面を有する容
器の内壁面に光触媒材の塗料を塗布することによって一
定の殺菌効果を発揮させることができる。

また、他の方法として、光触媒材を低温溶射によって導
体金属上に溶射する方法も効果的である。

チタニア等の上記光触媒材はセラミックであって、その
溶融温度は数千塵にもなる。したがって、耐熱性の低い
素材に対しては、通常の溶射方法では溶射できないもの
である。しかしながら、溶射材料としてチタニア等の微
粉体（粒径５μｍ〜２５μｍ程度）を用いれば、被溶射
材料の温度を低温にしたままで溶射が可能となり、被溶
射材料を偏めることなく容易に溶射することができる。

したがって、熱容量の小さな全屈薄膜にもチタニア等を
簡単に溶射することができ、これによって、きわめて多
種類の一般用多機能材料を提供することが可能となる。

また、後述するように、チタニアを溶射した金属片は殺
菌等にきわめて有効に作用するが、これは、チタニアが
純粋な形で金属表面上に露出するためで、じかに水等に
接触して光触媒作用をなすためである。また、溶射材料
としてチタニアの微粉体を用いているので、導体金属上
に被着されたチタニアの接触面積も大きくなるという効
果もある。また、溶射によってチタニア等を被着した場
合は、溶射面は完全にチタニアによって無気孔の状態で
被覆されるのではなく、被覆された状態でも下地の導体
金属が水等にじかに接触できるように開放された気孔が
ぶつぶつあいた状態で被着されるから、これによって下
地導体金属との間で光電気化学効果が効果的に発揮され
るものと考えられる。

なお、他の被着方法としては、スパッタリングによる方
法、　ＣＶＤ方法等がある。もちろん、光触媒材の被着
方法はとくに限定されない。

なお、構造用材料として用いる基体は必ずしも導体金属
である必要はなく、合成樹脂などの基体にたいして光触
媒作用を付与する場合には、上記の導体金属と光触媒材
からなる光触媒機能体を基体上に被着すれば同様に機能
する。たとえば、合成樹脂の基体に導体金属を被着し、
さらにこの上層に光触媒材を被着するか、あるいは、基
体上に光触媒材を被着して、この上層に導体金属を被着
するようにする。光触媒材を被着するには、上記のよう
に基体上に塗布する方法や溶射による方法が利用できる
。上記方法によれば低温溶射が容易にできるから、耐熱
性の低い合成樹脂等に対してもきわめて容易に溶射によ
って被着させることができる。

（実験例） 上記光触媒機能体の効果を調べるために、以下のような
実験を行った。

〔実験例１〕 容器内に水と藻をいれ、所定期間にわたって藻の生長す
る様子を観察した。サンプルとしては、水と藻の量を共
通にして、■水と藻以外はなにも入れないもの、■セラ
ミックボールを浸漬したもの、■ポリエステルフィルム
にチタニアを溶射したもの、■ステンレスの薄板の一方
の面にチタニアを溶射した光触媒機能体を浸漬させたも
の。

上記各サンプルについて、光をあてながら、３か月程度
藻の生長の様子を観察したところ、■、■、■の容器内
の藻は投入初期時にくらべて生長したが、■の容器内の
藻は生長がみられず、藻の量が減少することがみられた
。また、■、■、■の容器内の水は３か月経過後は濁り
がみられたが、■の容器内の水は３か月経過後でも澄ん
でいた。

■、■、■の容器では■の容器内の藻の生長量がもっと
も少なかった。これは、セラミックフィルムから放射さ
れる遠赤外線による効果と思われるが、■にくらべても
■の容器内の藻の生長抑制度はきわめて顕著であった。

この実験結果は、導体金属上にチタニアを溶射してなる
光触媒作用による殺菌効果がきわめて有効であることを
示す。

〔実験例２〕 容器内に水と豆腐を入れ、３０℃に保って放置し、経過
をＩＩ！察した。サンプルとして、■水と豆腐のみのも
の、■ステンレス箔上に豆腐をのせ、水中に浸漬させた
もの、■ステンレス箔の一方の面にチタニアを溶射し、
この上に豆腐をのせて水中に浸漬させたものを用いた。

この状態で９日間経過させた所、■および■の容器では
完全に豆腐が腐敗して形くずれをおこし、豆腐にはかび
が発生し、水は完全に濁った。一方、■の容器では豆腐
はまだ腐敗しておらずもとの形を保持しており、水には
透明度がみられた。

さらに、１４日経過後でも■の容器では、豆腐は形くず
れせず腐敗もさほど進まなかった。

この結果は、■の容器では光触媒作用による殺菌作用が
作用し、腐敗防止に有効に機能したことを示す。

〔実験例３〕 、容器内に食塩水と白菜を入れ、温度３０℃に保ち、経
過をｆｉｌｍした。サンプルとしては、■食塩水と白菜
のみ、■ステンレス箔を浸漬させたもの、■ステンレス
箔の一方の面にチタニアを溶射させたものを浸漬させた
ものを用いた。

９日経過後の状態で、■および■では、白菜が腐敗して
、水面上にかびの薄い膜が張った。これに対し、■の容
器では白菜の腐敗はみられず、かびの薄膜が水面上に張
ることもなかった。１／Ｉ日経過後は、■の容器でも食
塩水の濁りがいくぶん見られた。この実験結果も、光触
媒作用による殺菌効果の有効性を示している。

〔実験例４〕 籾を用いて発芽試験を行った。サンプルとしては、■ス
テンレス箔上に籾をおいて水中に浸漬させたもの、■遠
赤外線放射用のセラミックを溶射したステンレス箔上に
籾をおいて水中に浸漬させたもの、■ステンレス網にチ
タニアを溶射したものの上に籾をおき水中に浸漬させた
もの、■ステンレス箔にチタニアを溶射したものの上に
籾をおいて水中に浸漬させたもの。

１８日経過した後の状態では、■の容器内の籾の発芽が
もっとも盛んで、■および■ではやや発芽し、■ではほ
とんど発芽しなかった。２３日経過後では、■では芽が
容器外まで大きく伸長し、■および■でも容器外まで芽
が伸長した。一方、■の容器では芽の伸長はまったく見
られず、ステンレス箔にチタニアを溶射した板を容器内
から取り去っても籾からの発芽はみられなかった。■の
容器では籾の発芽を完全に抑制する結果となった。

上記の各実験例から、ステンレス箔にチタニアを溶射し
て成る光触媒機能体は、きわめて反応性が高く、有効な
殺菌作用を有することがわかる。

この、反応性は各種用途材料としてきわめて広範囲に利
用できるものである。

以下には、比較として、従来の微粒子状に形成した光触
媒材をサンプルとして用いた場合の試験例を示す。

試験で用いたサンプル以下の２種である。

サンプルａ：粒径が数μｍのチタニアの微粒子上に白金
を担持させた光触媒微粒子を有機ガラスをバインダとし
て不織布に固定した。サンプルのサイズは幅８ｃｍ、長
さ５．５ｃｍである。

サンプルｂ：サンプルａと同様に、チタニアの微粒子上
に白金を担持させて形成した光触媒微粒子を樹脂中に練
り込んでシート状に形成した。

サンプルサイズは幅８ｃｍ、長さ５．５ｃｍである。

殺菌効果を調べるために使用した菌種は以下のとおりで
ある。

Δ：黄色ブドウ球菌（ＳｔａｐｈｙＬｏｃｏｃ、ｃｕｓ
）Ｂ：大腸菌（Ｅｓｅｃｈｅｒｉｃｈｉａ　　ｃｏｌｉ
）Ｃ：枯草菌（納豆）　　（Ｂａｃｉｌｌｕｓ　５ｕｂ
ｔｉｌｉｓ）Ｄ：酵母菌（Ｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ
　ｃａｒｅｖｉｓｉｒａｅ）Ｅ：かび（Ｐｃｎｉｃｉｌ
ｌｉｕｍ　ｃｈｒｙｓｏｇｅｎｕｍ）〔試験例１〕 外径３ｃｍ、長さ２０ｃｍの試験管５本に生理食塩水を
入れ、それぞれに、上記のサンプルａを浸漬し。

オートクレーブにて１２０℃、２０分間滅菌し、光を遮
断して放冷した。次に、上記Ａ−Ｈの５種類の菌をそれ
ぞれの試験管に植菌し、光照射条件下で。

植菌後０１（ｒ、２．５Ｈｒ、５．ＯＨｒ、７．５Ｈｒ
、　２４．０１ｌｒ、４８、０１ｌｒ経過時の試験管内
の菌濃度を測定した。照射光としては昼光色を使用した
。菌濃度はスパイラルシステム法により生菌数を測定す
る方法によった。得られた結果は以下のとおりである。

表中で、ｎ／ｍ　Ｑとあるのは菌濃度、％とあるのは菌
濃度の初期値に対する相対比である。

上表の結果は、とくに黄色ブドウ球菌に対して顕著な滅
菌効果があることを示す。

〔試験例２〕 試験例１と同様に、生理食塩水を入れた試験管に、サン
プルｂを浸漬させ、滅菌した後、上記Ａ〜Ｅの菌を植菌
して、光照射条件下で、所定時間経過後の菌濃度を測定
した。測定結果は以下のとおりである。

〔試験例３〕 比較例として、試験管に生理食塩水を入れ、上記サンプ
ルを加えないで、試験例１．２と同様な方法で植苗後の
菌濃度を測定した。以下に測定結果を示す。

以上の結果から、チタニアの微粒子に白金を担持させた
光触媒材を用いたサンプルａ、ｂの効果を以下のように
整理することができる。

■　菌種によって殺菌効果が顕著に表れるものと、滅菌
効果がそれほど顕著にあられれないものがあるが、サン
プルａ、ｂを浸漬させることによってかなりの殺菌効果
を奏することができ、菌の増殖を抑制する点については
十分な効果を有する。

■　黄色ブドウ球菌の場合は殺菌効果がきわめて顕著に
あられれ、４８時間経過後ではサンプルａでは菌数がＯ
となり、サンプルｂでも初期菌数の０．１％まで減少し
た。

■　犬１揚菌の場合は顕著ではないが抑制傾向がみられ
た。

■　枯草菌の場合はサンプルａでは抑制傾向がみられた
が、サンプルｂでは抑制傾向はみられなかった。

■　酵母菌の場合はサンプルａおよびサンプルｂでとも
にかなり顕著な抑制傾向がみられた。

以上のように、チタニアの微粒子に白金を担持した光触
媒体をバインダあるいは樹脂中に練り込んだものも一定
の殺菌効果を有することが認められた。なお、この白金
を担持したチタニアの微粒子と、前述した導体金属」二
にチタニアを被着したものとの殺菌効果を比較した結果
は、導体金属上にチタニアを被着したものの方が作用効
果が顕著であった。これは、導体金属上にチタニアを被
着した場合は、チタニアがじかに水等に接するからとお
もわれる。

また、本発明に係る光触媒機能体は導体金属上にチタニ
ア等の光触媒材を被着してなるから、上記従来の微粒子
状に形成したものと比べて、取り扱いが非常にたやすく
なるという利点もある。

また、チタニア等を導体金属に被着することにより、構
造材の耐久性、耐薬品性、耐摩耗性等のセラミックに特
有な効果があわせて得られるので。

構造材料として一層使いやすくなる。さらに、剥離した
りすることがないから、殺菌効果等の有効作用が減衰す
ることがないという特徴もある。

また、製造コスト面からみても、チタニア等の光触媒材
は、従来、担持材料として用いた白金などとくらべては
るかに安価であり、製造工程も簡単であって、一般用途
としてきわめて安価に提供することができる。

また、さらに、チタニア等の光触媒材はセラミック材で
あるので、それ自体遠赤外線を放射する作用を兼ね備え
ており、これを容器などに利用することによって、上記
の光触媒作用とあわせて、遠赤外線の効果による加熱時
の昇温効果、放熱時の放熱効果を同時に改善するという
効果もあわせ有するものとなる。

上記の光触媒材による殺菌効果等の活性効果は、構造材
料にもすぐに利用がきく等のきわめて広範囲の応用可能
性を有するものである。以下に、光触媒機能体の用途例
を揚げる。

１８食品工業 食品の鮮度保持（豆腐・その他）、食品の減塩及び発酵
抑制（漬物・味噌等）、各種水槽の浄化・維持（硫黄・
塩素・窒素・有機物含有水の浄化）、食品貯蔵容器（流
通容器・貯水槽）、ドライフーズ関連、各種食品プラン
トへの利用。

発酵工業、食用油の腐敗防止、お茶製造プラント等。

２、植物 無菌状態での植物の育苗（花・稲等）、バイオ関連一般
、発芽制御（抑制）、茸栽培における無菌環境、生花の
寿命、水耕栽培。

３、工業一般 切削油の腐敗防止、無菌水（超純水）、取水および排水
口の藻の発生防止（原子力発電・火力発電・その他）、
水関連公害防止、化粧品関連。

クリーンエネルギー、浄化槽、バイオセンサー無菌環境
。

４、海洋開発 貝殻付着防止、養魚場の殺菌繁殖抑制、各種プールの浄
化、淡水湖の浄化、漁具、鮮魚用水槽、稚魚のふ化種。

５、一般家庭 風呂の雑菌繁殖抑制、加湿器一般の殺菌、飲料水の殺菌
槽、厨房設備、雑ぽい処理槽関連。

６゜医療・医薬関連 高温殺菌の不可能なもの（常温殺菌・耐経時変化・耐摩
耗・遠赤外線放射・無毒・加工容易性）以上、本発明に
ついて好適な実施例をあげて種々説明したが、本発明は
この実施例に限定されるものではなく、発明の精神を逸
脱しない範囲内で多くの改変を施しつるのはもちろんの
ことである。

（発明の効果） 本発明に係る光触媒機能体はチタニア等の光触媒材を導
体金属に被着して成り、これによって効果的な光触媒作
用をなすことができる。この光触媒作用は、殺菌等の各
種の有効な作用を有するものであって、きわめて広範囲
の分野に応用利用することが可能である。とくに、チタ
ニア等の光触媒材を導体金属上に溶射して成るものは、
光触媒材の被着が容易にでき、効果的な光触媒作用を生
じさせることができるという特徴がある。

また、チタニア等の光触媒材は安価であるので、各種用
途材料として大いに一般利用ができ、工業用から家庭用
等きわめて広範囲の利用が可能になる等の著効を奏する
。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、導体金属の基体にチタニア等の光触媒作用を有する
   光触媒材を被着して成ることを特徴とする光触媒機能体
   。 ２、導体金属の基体に光触媒材を溶射によって被着して
   成る請求項１記載の光触媒機能体。 ３、導体金属の基体に光触媒材を塗着してなる請求項１
   記載の光触媒機能体。 ４、容器等の構造体材料を兼ねる導体金属にチタニア等
   の光触媒材を被着して成ることを特徴とする多機能材料
   。 ５、非導体物である基体上に請求項１、２または３記載
   の光触媒機能体を被着して成ることを特徴とする多機能
   材料。