JPH05309267A - 光触媒体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 十分な光触媒活性と強度とを有する光触媒体
を提供する。 【構成】 光触媒粉末を基体に担持固定化してなる光触
媒体であって、光触媒粉末の担持固定化材として金属酸
化物ゾルより生成する金属酸化物を用いてなることを特
徴とする光触媒体とすることにより、一定の機械的強度
を持っていて、なおかつ、粉末のままの高い光触媒活性
が維持される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、浄水，脱臭，殺菌，排
水処理，水分解，藻の成育抑止，各種有機化学反応等に
用いられる光触媒体に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体にそのバンドギャップ以上のエネ
ルギーを有するしかるべき波長の光を照射すると、光励
起により、価電子帯から伝導体に電子が遷移すると同時
に、価電子帯に正孔が生成し、いわゆる電荷分離が起こ
る。また半導体に光を照射しつつ水あるいは溶液を接触
させると、ショットキーバリヤに類似した接合が形成さ
れ、半導体がｎ型の場合には正孔が、ｐ型の場合には電
子が、それぞれ半導体の固−液界面側の表面に集まって
くることはよく知られている。そして、ｎ型半導体の場
合には、正孔が水あるいは溶液種から電子を引き抜き、
その結果、水が分解したり、溶液中の溶質が酸化され
る。また、ｐ型半導体の場合には、電子が隣接する水あ
るいは溶液種に付与され、その水あるいは溶液種の還元
反応が起こる。このように、光酸化還元反応を促進する
半導体を特に半導体光触媒あるいは、単に光触媒とい
う。

【０００３】従来、光触媒を用いた酸化還元反応もしく
は酸化還元反応操作としては、水の分解反応、微生物を
殺す反応、脱臭反応、殺菌反応、水の浄化排水処理その
他各種有機化学反応などが提案されている。光触媒とし
ては、具体的には、ｎ型半導体としての酸化チタンが、
その化学的安定性の故に最も広く使用されている。酸化
チタンは、粉末状で溶液に懸濁された形で用いられる場
合と、何らかの基体上に担持した形で使用される場合と
がある。光触媒の活性という見地からみると、その表面
積の大きさから、一般に前者の方がより活性であるが、
実用的見地からすると、その取扱い易さからいって前者
より後者の方を採用せざるを得ない場合が多い。

【０００４】光触媒を基体に担持する方法としては、種
々提案されている。例えば、（Ａ）ニトロセルロース、
ガラス、ポリ塩化ビニル、ナイロン、メタクリル樹脂，
ポリプロピレン等の光透過性物質材料からなるフィルム
状、ビーズ状、ボード状、繊維状等の形状の基体に酸化
チタン微粉末を付着させる方法（特開昭６２−６６８６
１）、（Ｂ）多孔性ガラス支持体にチタン（IV）テトラ
ブトキシオキサイドのアルコール溶液を含浸し、加熱し
て、アナターゼ型の酸化チタンにすることによって多孔
性ガラス支持体に保持・固定する方法（特開平２−５０
１５４）、（Ｃ）色素または金属錯体などの光増感剤を
側鎖としてもつ多孔性高分子膜（例えば、ポリフッ化エ
チレン樹脂）中に圧入、含浸、沈着等の方法により、半
導体触媒粉末を保持・固定する方法（特開昭５８−１２
５６０２）、（Ｄ）ポリプロピレン繊維あるいはセラミ
ックからなる濾過フィルターに酸化チタンを担持する方
法（特開平２−６８１９０）、（Ｅ）石英、ガラス、プ
ラスチックの繊維のからみの中に酸化チタン粉末を保持
・固定しその両面を光透過性のガラスでおさえつける方
法（アメリカ特許、４，８８８，１０１）、（Ｆ）アル
ミナ基板に白金をスパッタリング法により固着させ、そ
の上にアナターゼ型の酸化チタン粉末とメチルメタクリ
レートの有機溶媒溶液との混合分散液をスピンコーティ
ング法により塗着し、しかるのちに結着剤としてのメチ
ルメタクリレートを加熱分解するとともにアナターゼ型
の酸化チタンをルチル型の酸化チタンにする方法《ロバ
ート，イー，ヘトリック−Robert E. Hetrick, Applied
Physics Communications, 5,(3), 177-187(1985)》,
（Ｇ）ポリエステル布の表面に酸化チタンを低温溶射方
法で溶射担持する方法（桜田司、表面技術４１巻，１０
号，Ｐ６０（１９９０）、などが提案されている。

【０００５】

【発明が解決すべき課題】上述のような従来の光触媒の
基体への保持・固定方法を検討すると、まず（Ｂ）ある
いは（Ｇ）の方法では、光触媒としての酸化チタンその
ものが微粉末というよりは大きなかたまりであるバルク
半導体であるため、その光触媒としての活性は、粉末半
導体光触媒を固定化した光触媒体に比べて相対的に低
い。

【０００６】また、（Ａ），（Ｄ），（Ｅ）あるいは
（Ｆ）の方法においては、結着剤を含まないため、ある
いは最終的に結着剤がのこらないため、光触媒粉末が基
体に保持固定される強度は実用上不十分である。さら
に、これらの系に例えばポリテトラフルオロエチレンの
乳化重合懸濁液のような有機高分子エマルジョンなどを
結着剤として添加すると、触媒表面の活性点をこれらの
結着剤が被覆したり、光触媒の強力な酸化力によりこれ
らの結着剤そのものが分解されたり、あるいはその分解
生成物により光触媒粉末が被毒を受けて触媒活性が著し
く低下するといった問題点があった。

【０００７】また、上述のいずれの方法を実施した場合
にも光触媒を粉末のまま用いた場合に比して、光触媒粉
末の結着強度が弱いといった問題点以外に、光触媒を粉
末状のまま用いる場合に比べるとその触媒活性が相対的
に低下するという問題点があった。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、光触媒粉末を
基体に担持固定化してなる光触媒体において、光触媒粉
末の担持固定化剤として金属酸化物のゾルより生成する
金属酸化物を用いることによって上述の如き問題を解決
しようとするものである。

【０００９】

【作用】本発明にかかる光触媒体の特徴は光触媒粉末を
基体上に担持固定化し、一定の機械的強度を持ってい
て、なおかつ、粉末のままの高い光触媒活性を維持して
いる点にある。以下、本発明にかかる光触媒体の製造過
程、構成およびその意義について詳述する。

【００１０】本発明にかかる光触媒体を製造する過程に
はさまざまな方法がある。まず、基体として用いられる
材料は、光触媒粉末を塗着、含浸などの方法で担持した
りあるいは、ディップコーティング、スピンコーティン
グ、などの方法で皮膜を形成できるものであれば何でも
適用できる。例えば、ガラスやセラミックの繊維を水中
に分散し、紙すきの要領で抄造して得られるセラミック
マット、多孔性ガラス、または、ナイロン，アクリル，
ポリエステルなどの繊維製品、などのような三次元的な
空孔をもつものあるいは、ガラス、ＰＭＭＡなどの透光
性の板状、線状、管状、のもの、セラミック、金属、プ
ラスチックの成形品などである。

【００１１】次に、半導体光触媒粉末としては、ＴｉＯ
₂ ，ＺｎＯ，ＳｒＴｉＯ₃ ，ＣｄＳ，ＧａＰ，ＩｎＰ，
ＧａＡｓ，ＢａＴｉＯ₃ ，Ｋ₂ ＮｂＯ₃ ，Ｆｅ₂ Ｏ₃ ，
Ｔａ₂ Ｏ₅ ，ＷＯ₃ ，ＳｎＯ₂ ，Ｂｉ₂ Ｏ₃ ，ＮｉＯ，
Ｃｕ₂ Ｏ，ＳｉＣ，ＳｉＯ₂，ＭｏＳ₂ ，ＩｎＰｂ，Ｒ
ｕＯ₂ ，ＣｅＯ₂ ，などおよび、これらの光触媒粉末に
Ｐｔ，Ｒｈ，ＲｕＯ₂ ，Ｎｂ，Ｃｕ，Ｓｎ，ＮｉＯなど
の金属及び金属酸化物を担持した従来公知のものがすべ
て適応できる。

【００１２】さて、一つの典型的な製造方法はこのよう
な基体にまず、半導体光触媒粉末を担持し、しかるのち
に金属酸化物ゾルを含浸などの方法で作用させる方法で
ある。つまり、まず、セラミックマットや繊維製品のよ
うな三次元的な空孔をもつものであれば、あらかじめこ
の基体の空孔に半導体光触媒粉末を塗着、含浸などの方
法で担持しておく。また、ガラス、ＰＭＭＡ、セラミッ
ク、金属、プラスチックの成形品、などの比較的滑らか
な表面を持つものであれば、あらかじめその表面に、ス
プレー吹き付け法、ディップコーティング法、スピンコ
ーティング法などの方法で、光触媒粉末層を形成してお
く。この光触媒粉末を付着せしめただけの光触媒粉末担
持体に、ゾルゲル法で採用されるような金属のアルコキ
シド、アセチルアセトネート、カルボキシレートなどの
金属有機化合物や、四塩化チタンといった塩化物のアル
コール溶液を酸あるいはアルカリ触媒存在下加水分解す
ることにより得られた金属酸化物のゾルを含浸し、溶媒
成分を飛ばしてゲル化し金属酸化物ゲルとし、目的の光
触媒体を得る。

【００１３】しかし、他の方法として、光触媒粉末と金
属酸化物のゾルの混合液を調製し、基体に半導体光触媒
粉末のみを担持するかわりにこの混合液を含浸、塗布あ
るいは、さまざまなコーティング法などにて担持し、ゲ
ル化する方法においても同様の効果を持つ光触媒体を得
る。

【００１４】あるいは、金属酸化物ゾルを得る前に、前
述の金属有機化合物や、塩化物のアルコール溶液に光触
媒粉末をまず混合し、酸あるいはアルカリ触媒存在下加
水分解することにより得られる光触媒粉末−金属酸化物
混合ゾルを基体に含浸、塗布あるいはさまざまなコーテ
ィング法にて担持し、ゲル化する方法においても同様の
効果が得られることがある。

【００１５】さらには、前述のいずれの製造過程により
得られた光触媒体においても、その光触媒層の結着強度
を大きくするために、２００〜８００℃の温度で加熱す
ることも有効である。また、これらのいずれの方法にお
いて用いられる金属酸化物ゾルも、２種以上の金属酸化
物のゾルを混合して、金属複合酸化物のゾルとして用い
ると有効なことがある。

【００１６】以上詳述してきたように、本発明にかかる
光触媒体の製造過程においては、光触媒粉末と金属酸化
物ゾルより生成する金属酸化物を良好な構成とすること
が最も重要な点であって、この両者の原料、取扱い方法
などをなんら限定するものではない。

【００１７】ここで、この光触媒粉末と、担持固定化剤
の良好な構成とは、次のようなものであるとも考えられ
る。すなわち、塗着，含浸などの方法で基体に担持され
た光触媒粉末は、その基体への付着力こそ非常に弱いも
のの、大きな多孔度と表面積をもっており比較的粉末状
態に近い触媒活性が維持されている。次に、粉末光触媒
担持体に金属酸化物ゾルを含浸しゲル化すると、多数の
孔をもつあるいは、光触媒粉末粒子と基体とのあいだに
入り込んだ金属酸化物ゲルのネットワークとなり、基体
に担持された粉末光触媒をいわば網目の中に取り込むよ
うに保持し、強固な結着剤となる。ここで危惧される点
は、金属酸化物ゾル由来の金属酸化物ゲルあるいはこれ
を熱処理して得られる金属酸化物そのものが光触媒とし
て作用したりあるいは、光触媒粉末表面を被覆して光触
媒粉末を光励起するために照射された紫外光を散乱ある
いは吸収し、光触媒粉末の光励起を妨げたりする可能性
があることである。しかしながら、本発明にかかる光触
媒体においては実施例においても示すように、たとえば
金属酸化物のゾルに酸化チタンを用いる場合には、酸化
チタンゾル由来のチタン酸ポリマーあるいは酸化チタン
は、光触媒粉末の固定化剤としての役割を果たしつつ、
このようないわば妨害作用を発現することは全くなかっ
た。つまりその結果、光触媒粉末の表面は充分に溶液界
面に接しており、この金属酸化物ゲルは光触媒反応の活
性点を被覆してしまわないような構成となっている。

【００１８】残念ながら、上述の構成は一つの推測にす
ぎず、本発明者らは本発明品の作用機構について解明で
きていない点もある。しかしながら、従来公知の光触媒
粉末のみ、および金属酸化物ゲルのみでは得られなかっ
た、触媒活性に優れかつ一定の機械的強度をもつ光触媒
体が、光触媒粉末と金属酸化物ゾルを組み合わせること
によってはじめて得ることが可能となったのである。

【００１９】

【実施例】

＜実施例１＞繊維径１９μm のガラス繊維１．５ｇを１
リットルの水中に分散し、これを抄造して面積１００ｃ
ｍ２（１００ｍｍ×１００ｍｍ）、厚さ１．１ｍｍのガ
ラスマットを基体として得た。、光触媒粉末としてアナ
ターゼ型酸化チタン（比表面積５０ｍ３／ｇ、粒子径
０．０３μｍ）１０ｇを１００ミリリットルの水に懸濁
し、水スラリーとし、これをあらかじめ準備した基体に
含浸し、乾燥して光触媒粉末を担持した。酸化チタンの
担持量は２．０ｇであった。次に、チタンイソプロポキ
シド１０ｇを１００ミリリットルのエタノールに溶解し
ここに、５０ミリリットルのエタノール、５ミリリット
ルの水及び、０．７ミリリットルの濃塩酸の混合溶液を
加え加水分解し酸化チタンゾルを得た。この酸化チタン
ゾルに、あらかじめ酸化チタン粉末を含浸したガラスマ
ットを浸積し、すばやく引き上げて５０℃、１時間乾燥
処理し溶媒のアルコールを飛ばした後、３５０℃、２時
間熱処理して光触媒体とした。酸化チタンの担持量は
２．０６ｇであった。

【００２０】＜実施例２＞シリコンテトラエトキシド５
ｇを１００ミリリットルのエタノールに溶解しここに、
５０ミリリットルのエタノール、５ミリリットルの水及
び、０．７ミリリットルの濃塩酸の混合溶液を加え加水
分解しシリカゾルを得た。このシリカゾルに、実施例１
と同様にあらかじめ酸化チタンの水スラリーを含浸し酸
化チタンを担持したガラスマットを浸積し、すばやく引
き上げて５０℃、１時間乾燥処理し溶媒のアルコールを
飛ばした後、４００℃、２時間熱処理して光触媒体とし
た。酸化チタンの担持量は２．０ｇであった。

【００２１】＜実施例３＞チタンイソプロポキシド３ｇ
を５０ミリリットルのエタノールに溶解しここに、２０
ミリリットルのエタノール、２ミリリットルの水及び、
０．３ミリリットルの濃塩酸の混合溶液を加え酸化チタ
ンゾルを得た。これに、あらかじめ３５０℃で２時間熱
処理したアナターゼ型酸化チタン（粒子径０．２μm ）
５ｇを分散してこれを、３０ｍｍ×３０ｍｍのガラス板
にディップコーティング法にて光触媒層を形成した。こ
のときの酸化チタンの担持量は１．１ｍｇであった。

【００２２】［触媒体の効力に関する試験例］ ＜試験例１＞実施例１及び実施例２において得られた光
触媒体を３０ｍｍ×３０ｍｍに切り出しそれぞれ
（ａ）、（ｂ）とし（酸化チタン量（ａ）：０．１８
ｇ，（ｂ）：０．１７ｇ）、２００ｍｌビーカーの底面
に配置した。ここに、濃度０．１ｍｍｏｌ／ｌのフェノ
ール水溶液１００ミリリットルをいれ、ビーカー底面よ
り１ｋＷ高圧水銀ランプの４００ｎｍ−３００ｎｍの紫
外光を照射し、この水溶液の光照射時間に対するフェノ
ール濃度の経時変化を検討した。このときの紫外線強度
は８．７９μアインシュタイン／分であった。

【００２３】その結果（ａ），（ｂ）ともに光照射開始
後約２０分でフェノールの濃度は半減し、約３時間で検
出限界以下に分解された。比較のために、光触媒体に担
持した酸化チタン粉末０．１８ｇを粉末のまま懸濁した
もの（ｃ）、チタンイソプロポキシドの加水分解により
得られた酸化チタンをガラスマットに担持したもの
（ｄ）、および光触媒粉末０．１８ｇをＰＴＦＥディス
パージョンと混合し固形物とし２００℃で熱処理したも
の（ｅ）、について同様の検討を行ったところ粉末懸濁
系では同程度の分解特性を示し、図１にこれらの光触媒
体のフェノール分解特性を示す。その他の光触媒体につ
いては４時間の光照射後も分解されなかった。

【００２４】＜試験例２＞実施例３において得られた光
触媒体を直径５０ｍｍのガラス管内部に配置し密閉系と
し、アセトアルデヒド２０ｐｐｍ．を含む空気を還流さ
せながら光触媒体に３００Ｗのキセノンランプの４００
−３００ｎｍの紫外光を３０μアインシュタイン／分で
照射したところ、光照射開始後約１５分でアセトアルデ
ヒドはほぼ分解された。比較のために、ゾルゲル法にて
調製した酸化チタン１．１ｍｇについて同様の検討を行
ったところ４時間の光照射後も分解されなかった。

【００２５】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明にかかる光
触媒体は、光触媒粉末を基体上に担持固定化し、一定の
機械的強度を持っていて、なおかつ、粉末のままの高い
光触媒活性を維持している新規な光触媒体であり、その
工業的価値は極めて大きい。

【図面の詳細な説明】

【図１】本発明の実施例にかかる光触媒体の、試験例１
の光触媒分解特性の図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光触媒粉末を基体に担持固定化してなる
   光触媒体であって、光触媒粉末の担持固定化材として金
   属酸化物ゾルより生成する金属酸化物を用いてなること
   を特徴とする光触媒体。