JPH09299456A - 光触媒装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】コンパクトで設置場所の自由度が高く、かつ効
率的に紫外線を光触媒に照射できる光触媒装置を提供す
る。 【解決手段】繊維からなるバルク状担体１と、バルク状
担体１に担持された光触媒２と、バルク状担体１に波長
３６０〜４００ｎｍの紫外線を照射する発光ダイオ−ド
３と、を具備することを特徴とする。繊維からなるバル
ク状担体１は形状の自由度が高いため、狭く複雑な部位
であっても配置することができ、かつ繊維中の反射・拡
散により紫外線を効率よく光触媒に照射できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は光触媒による光触媒
反応を利用した光触媒装置に関するもので、具体的に
は、脱臭、殺菌（抗菌）、防汚などの目的に用いられる
光触媒装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、二酸化チタン（ＴｉＯ₂ ）に代表
される光半導体の微粒子による光触媒作用、特にその強
い酸化触媒作用が注目されている。即ち、二酸化チタン
等の光半導性を有する粒子状物質にそのバンドキャップ
エネルギ以上の光（二酸化チタンの場合は４００ｎｍ以
下の光、即ち、紫外線）を照射すると、価電子帯の電子
が光励起されて伝導帯に移り、伝導帯には自由電子が生
成すると共に、価電子帯には正の電荷を帯びた粒子（正
孔）が生成する。これらの正孔と電子とは半導体粒子内
部を運動し、時間の経過と共に再結合して消滅する。し
かしその粒子表面に空気または水、或いはそれらの正孔
や電子よりもエネルギの低い空順位を有する化合物やイ
オンが存在すると、その粒子表面を通してそれらの正孔
と電子が化合物やイオンに移動し、その結果、正孔は粒
子表面に接触する化合物やイオンを直接酸化し、或いは
活性酸素の１つである水酸基ラジカルを生成する。

【０００３】また、電子による還元反応は主に酸素の還
元であり、ＨＯ₂ ラジカルなどの電子が付加された酸化
性のある酸素種が生成される。こうして、光半導体微粒
子は光が照射されることによって酸化性の活性表面を形
成し、有機化合物の分解等に触媒として作用する（「季
刊 化学総説 『光が関わる触媒化学』Ｎｏ．２３，１
９９４）。

【０００４】このような光半導体微粒子による酸化触媒
作用は、光半導体の中でも二酸化チタンが特に高い。ま
た、二酸化チタンは安定性や安全性にも優れている。そ
して、この二酸化チタンの微粉末を薄膜として基体表面
に担持して光触媒を形成し、紫外線照射時のその高い酸
化力を有機化合物等の分解に利用した種々の応用が既に
知られている。

【０００５】例えば、二酸化チタンの薄膜からなる光触
媒をコーティングした中空のガラスビーズは、海上に流
出した原油の分解剤として知られている。すなわち、ガ
ラスビーズ表面に付着した原油は太陽光中の紫外線によ
って活性化された二酸化チタンの強い酸化触媒作用によ
って分解される。また最近では、室内空気の脱臭または
消臭、殺菌（抗菌）、タバコのヤニや油膜等の汚れの分
解にもその応用が試みられ、自然光または蛍光灯の光に
含まれる紫外線を利用してその光触媒を活性化させ、そ
れの触媒反応によって接触するメルカブタン等の臭気化
合物、或いはタバコのヤニ等の有機物を分解し、また
は、細菌等の微生物を死滅させ、またはその繁殖を抑え
るものである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従来は、光触媒を活性
化させる紫外線源として、太陽光や蛍光灯に頼ってい
た。このため、太陽光が届かない場所では利用できず、
蛍光灯を用いる場合でも少なくとも蛍光灯の分のスペー
スが必要となる。本発明はかかる不都合を解消するもの
で、コンパクトで設置場所の自由度が高く、かつ効率的
に紫外線を光触媒に照射できる光触媒装置を提供するこ
とを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決する請求
項１に記載の光触媒装置の特徴は、繊維からなるバルク
状担体と、バルク状担体に担持された光触媒と、バルク
状担体に近接して設けられバルク状担体に波長３６０〜
４００ｎｍの紫外線を照射する発光ダイオ−ドと、を具
備することにある。

【０００８】また請求項２に記載の光触媒装置の特徴
は、請求項１に記載の光触媒装置において、繊維からな
るバルク状担体は透明ガラスまたは透明樹脂で形成され
ていることにある。さらに請求項３に記載の光触媒装置
の特徴は、透明材料からなる多孔質担体と、多孔質担体
に担持された光触媒と、多孔質担体に近接して設けられ
多孔質担体に波長３６０〜４００ｎｍの紫外線を照射す
る発光ダイオ−ドと、を具備することにある。

【０００９】そして請求項４に記載の光触媒装置の特徴
は、請求項１、請求項２又は請求項３に記載の光触媒装
置において、発光ダイオ−ドは、ｐｎ接合された窒化ガ
リウム（ＧａＮ）系光半導体の結晶体からなることにあ
る。

【００１０】

【発明の実施の形態】請求項１に記載の光触媒装置で
は、図１に示すように繊維からなるバルク状担体１に光
触媒２が担持され、それに発光ダイオード３から紫外線
が照射される。すると光触媒２が活性化され、分解反応
によりバルク状担体１の存在する雰囲気中の悪臭成分、
細菌、カビなどが除去される。

【００１１】この繊維からなるバルク状担体１は表面積
がきわめて大きい。そしてバルク状担体１の一繊維表面
で反射・拡散した紫外線は、隣接する他の繊維に照射さ
れる。したがって照射された紫外線を有効に活用でき、
光触媒の反応効率が向上する。また繊維からなるバルク
状担体１は、軽量であるとともにその形状の自由度が高
い。したがって狭く複雑な部位であっても、バルク状担
体１の形状をその部位の形状に容易に合わせることがで
き、利用範囲がきわめて大きい。

【００１２】バルク状担体１に用いられる繊維として
は、合成樹脂繊維などの有機繊維、ガラス繊維、金属繊
維などの無機繊維、あるいは炭素繊維など、種々の材料
から適宜選択して用いることができる。結晶質でもよい
し、ウィスカを用いることも可能である。バルク状担体
１に用いられる繊維は、紫外線の透過可能な透明のもの
が望ましい。このような繊維としてはガラス繊維、合成
樹脂繊維などが例示される。このような透明繊維を用い
れば、図１に示すように繊維中へも紫外線が入射され、
繊維内での反射や拡散が多く生じる。したがって担持さ
れている光触媒２に紫外線が照射される割合が一層向上
し、触媒活性が一層向上する。

【００１３】なお、光触媒の担持工程などに熱が作用す
る場合があり、また光触媒装置が高温で使用される場合
がある。このような場合には合成樹脂繊維では耐熱性に
不足するため、ガラス繊維を用いることが望ましい。ガ
ラス繊維としては、アルカリガラスでは光触媒を担持さ
せる際の制約があるため、無アルカリガラスを用いるこ
とが好ましい。またガラス繊維の形状としては、クロ
ス、ロービング、ヤーンなど種々の形状が知られている
が、光触媒が担持し易いことが望ましく、表面積は大き
い方が望ましく、バルク状とし易く設計が容易であるこ
とが望ましい。表１に各種ガラス繊維とその特性を示
す。

【００１４】

【表１】 表１より、撚糸のヤーンを用いるのが望ましいことがわ
かる。なお、撚糸のヤーンの中でも、表面を毛羽立たせ
たスライバヤーンやバルキーヤーンは、きわめて表面積
が大きいので、このようなヤーンを用いることが特に望
ましい。また表面を毛羽立たせるには、機械的な方法
や、酸・アルカリ処理する方法などがある。ヤーンの単
繊維の径は特に制限されないが、ガスの透過性を確保す
るとともに光触媒を担持し易くするという観点からは４
５ｔｅｘ以上が好ましく、表面積の観点から撚回数は少
なくとも１回以上であることが好ましい。

【００１５】光触媒２としては、ＴｉＯ₂ 、ＷＯ₃ 、Ｃ
ｄＳ、ＳｒＴｉＯ₃ 、ＭｏＳ₂ などが知られているが、
安全性や活性の程度を考慮すると、ＴｉＯ₂ を用いるこ
とが特に望ましい。ＴｉＯ₂ の結晶構造としては、ルチ
ル型及びアナターゼ型のいずれも用いることができる
が、触媒活性の大きいアナターゼ型の方が好ましい。光
触媒２の担持形態としては、粒子を散点状に担持しても
よいし、皮膜状に担持することもできる。皮膜状に担持
する場合には、できるだけ透明な状態で担持させること
が望ましい。このようにすれば、図１に示すように紫外
線の透過によりバルク状担体１の繊維中での反射・拡散
が生じ、それが繊維から出て隣接する繊維上の光触媒２
に照射されるので、紫外線の利用効率が一層向上し、触
媒活性が一層向上する。

【００１６】また光触媒２の担持量としては、僅かでも
担持されていればそれなりの触媒性能が得られるが、実
用域としてはバルク状担体１００重量部に対して１０〜
４０重量部程度が必要である。４０重量部を超えて担持
しても、触媒効果が飽和し、担体への付着性が低下する
とともに温度ショックによる強度低下が起こり易くな
る。

【００１７】光触媒をバルク状担体１に担持するには、
光触媒のスラリーを担体に付着させて焼成する方法、ス
パッタリングなどのＰＶＤ法、あるいは化学的蒸着法
（ＣＶＤ法）などを利用できる。ただ、担持されている
光触媒粒子の粒径が微細であるほど触媒活性が向上す
る。したがってスラリーを付着・焼成する方法を利用す
る場合には、光触媒のゾルを用いることが望ましい。

【００１８】光触媒には、銀、銅、白金、パラジウム、
ロジウムなどの金属助触媒を複合化させることも好まし
い。このような金属助触媒には電子を引き付ける作用が
あり、光触媒の触媒活性が一層向上する。また紫外線を
照射しなくても抗菌・防かび効果を奏する。この金属助
触媒を光触媒に複合化するには、スパッタリングやめっ
きなどで付着させる方法、光触媒の薄膜表面にコートす
る方法、光触媒とともに担体表面に付着させる方法、光
触媒を担持した繊維と金属助触媒を付着した繊維を混合
する方法などがあり、その複合化量は光触媒に対して
０．１重量％程度で十分である。

【００１９】波長３６０〜４００ｎｍの紫外線を照射す
る発光ダイオ−ドとしては、ｐｎ接合された窒化ガリウ
ム（ＧａＮ）系光半導体の結晶体が最適である。この発
光ダイオ−ドを用いることにより、紫外線を有効に利用
できるとともに、コンパクト化でき、手軽な利用が可能
となる。また、発光ダイオ−ド３は非常に小さな発光素
子であると共に、作動電圧が小さいため、乾電池等によ
っても発光させることができる。そのため、発光ダイオ
−ド３は設置のための空間を多く必要としないので、狭
い場所を含むあらゆる場所に容易に適用することがで
き、また、光触媒２を担持したバルク状担体１と合わせ
た光触媒装置全体を、コンパクトな構造に形成すること
ができる。

【００２０】なお発光ダイオ−ド３は、人体に有害な紫
外線、即ち、３２０ｎｍ以下の波長の遠紫外線（ＵＶ−
Ｂ、ＵＶ−Ｃ）を放射しないもので、波長３６０〜４０
０ｎｍのスペクトル範囲の光のみ放射するものであるこ
とが、発光効率及び電力消費の点で好ましい。しかし実
際には、発光ダイオ−ドの放射する光は、半導体レーザ
の場合とは異なり、一般に少なくとも５０ｎｍのスペク
トル範囲を有する。したがって波長３６０〜４００ｎｍ
のみの光を放射する発光ダイオ−ドを得ることは困難で
あり、一般には可視光も放射される。しかし、可視光を
放射することによって、発光ダイオ−ドが作動している
ことを容易に確認することができ、更に、その可視光が
明彩色である場合には照明や表示としての効果も得るこ
とができる。ただし、４００ｎｍ以下の波長の光（紫外
線）であっても、３８０ｎｍ程度までの光はぼんやりと
した背景（暗い紫色）を呈するため、発光ダイオ−ドが
４００ｎｍ以下の波長の光のみ放射する場合でも、その
光は完全なブラック光ではなく、一般に視認可能なもの
である。

【００２１】光触媒を担持する担体としては、上記のバ
ルク状担体１の他に、透明材料からなる多孔質担体を用
いることもできる。このような多孔質担体としては、ガ
ラスフィルタ、発泡ガラスなどが例示される。この多孔
質担体は、バルク状担体と同様に表面積が大きく、透明
であるため入射した紫外線の反射・拡散もバルク状担体
と同様に生じる。したがって担持された光触媒の触媒活
性が高まり、バルク状担体と同様の作用・効果が奏され
る。

【００２２】なお、多孔質担体を用いた場合も、光触媒
の種類や担持量、及び発光ダイオードの種類など他の構
成は、バルク状担体の場合と同様である。

【００２３】

【実施例】以下、試験例及び実施例により本発明を具体
的に説明する。 （試験例）繊維径７５ｔｅｘ、撚糸回数３回（７５ｔｅ
ｘ×３＝２４５）のガラスヤーン（「Ｅガラス」日東紡
績（株）製無アルカリガラス、フィラメント直径９μ
ｍ）を用意し、ＴｉＯ₂ 濃度 重量％のアナターゼ型
チタニアゾル（「ＳＴＳ−２」石原産業（株）製）中に
浸漬後引き上げて余分なゾルを吹き払い、１５０℃で２
時間乾燥後５００℃で２時間焼成した。この工程を２〜
３サイクル繰り返し、ガラスヤーン表面にガラスヤーン
１００重量部に対して２５重量部のＴｉＯ₂ コート層２
を形成した。

【００２４】得られたＴｉＯ₂ 担持バルク状担体１０を
４ｇ用い、図２に示すように、所定の網製容器４内に１
０個の発光ダイオード３とともに充填して光触媒装置と
した。この発光ダイオード３は、ｐｎ接合された窒化ガ
リウム（ＧａＮ）系光半導体の結晶体からなる光を放射
するチップと、このチップを封止すると共に放射された
光に指向性を与えるモ−ルドレンズとを主要部として備
える小さな発光素子である。この発光ダイオ−ド３は、
図３に示すように波長３６０〜４００ｎｍの紫外線とと
もに４５０ｎｍ近傍の可視光を放射し、強い青色に発色
する。

【００２５】図２に示すように、この光触媒装置を３Ｌ
の密閉型反応容器４０内に入れ、内部の空気を１００ｐ
ｐｍのアセトアルデヒドを含むガスで置換して密閉し
た。そしてファン４１で光触媒装置に風を送りながら発
光ダイオード３に通電して発光させ、アセトアルデヒド
濃度の経時変化を測定した。結果を図４に示す。なお、
発光ダイオード３を発光させない状態でも同じ測定を行
い同様に結果を図４に示す。

【００２６】図４より、発光ダイオード３を発光させる
ことによりアセトアルデヒド濃度が次第に減少し、光触
媒によるアセトアルデヒドの分解が生じていることが明
らかである。なお、発光ダイオード３を発光させなくて
も、初期にアセトアルデヒド濃度の減少が生じている
が、これはアセトアルデヒドのＴｉＯ₂ 担持バルク状担
体１０への吸着によるものであると推定される。そのた
め発光ダイオード３を発光させない場合には、吸着量が
飽和した後はアセトアルデヒド濃度が一定となり、分解
は生じていないことがわかる。

【００２７】（実施例１）本実施例では、本発明の光触
媒装置をカラオケマイクなどの可動コイル型のダイナミ
ックマイクロホンに内蔵している。このマイクロホン１
００は、図５に示すように金属網体からなる球状の外枠
１０１と、外枠１０１に連結された樹脂製の持ち手１０
２とからなり、光触媒装置は外枠１０１内に内蔵されて
いる。

【００２８】試験例と同様のＴｉＯ₂ 担持バルク状担体
１０を、図５に示すように外枠１０１内に充填し、その
中心に試験例と同様の発光ダイオード３を背中合わせに
２個配置した。外枠１０１内には図示しないジュラルミ
ン製の振動板とコイルとからなる音声−電流変換装置が
内蔵され、ＴｉＯ₂ 担持バルク状担体１０及び発光ダイ
オード３はその音声−電流変換装置と干渉しないように
配置されている。

【００２９】マイクロホン１００の持ち手１０２には、
マイクロホン１００自体の電源となる電池（図示せず）
が内蔵され、発光ダイオード３はその電池を電源とし
て、持ち手１０２に設けられた音声−電流変換装置用の
スイッチ１０３により音声−電流変換装置と連動してＯ
Ｎ−ＯＦＦされるように構成されている。本実施例で
は、スイッチ１０３がＯＮとされると、発光ダイオード
３から波長３６０〜４００ｎｍの紫外線が放射され、Ｔ
ｉＯ₂ 担持バルク状担体１０にその紫外線が照射され
る。するとＴｉＯ₂ の光触媒作用により、外枠１０１内
の悪臭やかびが分解除去され、マイクロホン１００は抗
菌・脱臭マイクとして快適に使用することができる。

【００３０】また発光ダイオード３から放射される青色
の可視光が、ＴｉＯ₂ 担持バルク状担体１０の隙間及び
外枠１０１を通して外部から見えるために、マイクロホ
ン１００及び光触媒装置のＯＮ−ＯＦＦ状態が一目瞭然
であり、さらに青色の光によりムードが向上するという
効果もある。なお、持ち手１０２内にファンを配置し、
ＴｉＯ₂ 担持バルク状担体１０に強制的に空気を出入さ
せるように構成することも好ましい。このようにすれば
酸素が絶えず供給されるため、悪臭やかびの分解除去作
用が一層向上する。

【００３１】また外枠１０１に銀めっきなどを施せば、
銀による抗菌作用も加わって一層快適に使用することが
できる。さらに外枠１０１にＴｉＯ₂ を担持してもよ
い。 （実施例２）本実施例では、本発明の光触媒装置を図６
に示すシューズボックスに利用している。

【００３２】図６に示すように、シューズボックス２０
０の蓋２０１には金属網体からなる略球状の頭部２０２
と、頭部２０２に連結され曲折自在な脚部２０３とから
なる光触媒装置が配置されている。光触媒装置の頭部２
０２内には、構成は実施例１と同様であるので省略する
が、実施例１と同様のＴｉＯ₂ 担持バルク状担体１０が
充填され、その中心には発光ダイオード３が配置されて
いる。そして蓋２０１には図示しない電池が内蔵され、
蓋２０１に設けられた図示しないスイッチをＯＮとする
ことにより、発光ダイオード３に電力が供給される。

【００３３】本実施例では、シューズボックス２００に
靴２０４を入れ、その靴２０４内に光触媒装置の頭部２
０２を挿入した状態で蓋２０１を閉じる。そしてスイッ
チをＯＮとすることにより、発光ダイオード３が発光
し、紫外線がＴｉＯ₂ 担持バルク状担体１０に照射され
ることで、靴２０４の悪臭が分解除去される。なお、こ
の例では電源として電池を使用したが、自動車用として
用いる場合には自動車のバッテリーを電源としてもよ
い。

【００３４】（実施例３）本実施例では、本発明の光触
媒装置を図７に示す洋服ハンガーに利用している。図７
及び図８に示すように、ハンガー３００の両端部にはそ
れぞれ樹脂製網体からなる容器３０１が下方に表出して
保持され、容器３０１内には実施例１と同様のＴｉＯ₂
担持バルク状担体１０が充填され、その両端には一対の
発光ダイオード３が配置されている。そしてハンガー３
００の中央部には電池３０２が内蔵され、ハンガー３０
０に設けられたスイッチ３０３をＯＮとすることによ
り、電池３０２から発光ダイオード３に電力が供給され
る。

【００３５】本実施例では、ハンガー３００に洋服を掛
け、スイッチ３０３をＯＮとすることにより、発光ダイ
オード３が発光し、紫外線がＴｉＯ₂ 担持バルク状担体
１０に照射されることで、洋服の脇部分の悪臭が分解除
去される。 （実施例の他の態様）なお、上記実施例の光触媒装置
は、上記した例以外にも、空気清浄器やエアコンディシ
ョナの内部やフィルタ近傍に配置したり、ごみ箱の蓋に
設けたり、スリッパ立ての先端に設けたり、自動車室内
の足下やコンソールボックス内に配置するなど、コンパ
クトであるが故にその配置場所はほぼ無限大に拡がり、
多方面で利用することができる。

【００３６】また上記実施例の光触媒装置では無定型の
ガラスヤーンを担体としたが、ガラスクロスなどのシー
ト形状のものを担体としそれにＴｉＯ₂ を担持したもの
をＴｉＯ₂ 担持バルク状担体とすれば、さらに別の用途
がある。例えばそのＴｉＯ₂ 担持バルク状担体をロール
状に巻取り可能な自動車の日除けスクリーンに用い、ロ
ール状に巻取った状態の両端に発光ダイオード３を設置
すれば、昼間は日除けスクリーンとして使用しながら太
陽光によりＴｉＯ₂ を活性化させて自動車室内を脱臭す
ることができる。また夜間には、ＴｉＯ₂ 担持バルク状
担体をロール状に巻取った状態で発光ダイオード３に通
電することにより、発光ダイオード３からの紫外線は効
率よくＴｉＯ₂ 担持バルク状担体に照射され、自動車室
内を脱臭することができる。

【００３７】またシート状のＴｉＯ₂ 担持バルク状担体
を用い、その裏面側に発光ダイオード３を配置すれば、
トランクルーム内の脱臭シート、脱臭カーペット、脱臭
天井材、脱臭サンバイザーなどとして多方面で利用する
ことができる。

【００３８】

【発明の効果】すなわち本発明の光触媒装置によれば、
電池などにより効率的に紫外線を光触媒に照射すること
ができるため、コンパクトで設置場所の自由度が高く、
脱臭、殺菌（抗菌）、防汚などの目的で多くの分野に利
用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光触媒装置の作用を示す説明図であ
る。

【図２】試験例に用いた試験方法の説明図である。

【図３】試験例及び実施例に用いた発光ダイオードの波
長分布を示すグラフである。

【図４】試験例におけるアセトアルデヒドの経時変化を
示すグラフである。

【図５】実施例１の光触媒装置を内蔵したマイクロホン
の要部断面図である。

【図６】実施例２の光触媒装置を備えたシューズボック
スの斜視図である。

【図７】実施例３の光触媒装置を内蔵した洋服ハンガー
の正面図である。

【図８】実施例３の光触媒装置を内蔵した洋服ハンガー
の要部拡大断面図である。

【符号の説明】

１：バルク状担体 ２：光触媒 ３：発光ダ
イオード １０：ＴｉＯ₂ 担持バルク状担体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｌ 33/00 Ｈ０１Ｌ 33/00 Ｌ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】繊維からなるバルク状担体と、 該バルク状担体に担持された光触媒と、 該バルク状担体に近接して設けられ該バルク状担体に波
   長３６０〜４００ｎｍの紫外線を照射する発光ダイオ−
   ドと、 を具備することを特徴とする光触媒装置。
2. 【請求項２】前記繊維からなるバルク状担体は透明ガラ
   スまたは透明樹脂で形成されていることを特徴とする請
   求項１に記載の光触媒装置。
3. 【請求項３】透明材料からなる多孔質担体と、 該多孔質担体に担持された光触媒と、 該多孔質担体に近接して設けられ該多孔質担体に波長３
   ６０〜４００ｎｍの紫外線を照射する発光ダイオ−ド
   と、 を具備することを特徴とする光触媒装置。
4. 【請求項４】前記発光ダイオ−ドは、ｐｎ接合された窒
   化ガリウム（ＧａＮ）系光半導体の結晶体からなること
   を特徴とする請求項１、請求項２または請求項３に記載
   の光触媒装置。