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可視光応答型光触媒の実用化技術

(2005年『可視光応答型光触媒―材料設計から実用化までのすべて―』普及版)

商品コード: B0939

  • 監修: 多賀康訓
  • 発行日: 2010年10月
  • 価格(税込): 4,752 円
  • 体裁: A5判,290ページ
  • ISBNコード: 978-4-7813-0272-0

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刊行にあたって

 光触媒現象は日本で発見された。事実,1964年加藤,増尾らは紫外光照射された酸化チタン(TiO2)表面におけるテトラリンの光触媒分解を見出し工業工学雑誌に論文を発表している。しかし,この光触媒現象を世界的に認知させたのは1972年,藤嶋,本多により発表されたNature誌の論文であった。彼らは紫外光照射されたTiO2電極上で水が光化学分解できることを発見したのである。これら一連の紫外光照射下のTiO2表面で起こる種々の光化学反応を総称した光触媒作用はHonda-Fujishima効果として広く知られており現在日本が世界を先導する科学技術の一つである。特に,無限の太陽光を利用し地上に無限に存在する水からエネルギー源であるH2とO2が生成出来る夢の光化学反応として期待された。そして90年代に入り「環境」や「エネルギー」が大きな社会問題となり加えて1997年R.Wangらにより光照射によるTiO2表面の光触媒超親水現象が発見され再び注目を集めた。
 その後の技術開発により紫外光照射下での光触媒作用は基材表面に防汚性,防臭性,抗菌性,親水性,等の新機能を付与する形で応用展開され,自動車用アウターミラー(親水,防汚利用),空気清浄機(防臭利用),テント,タイル,防音壁(防汚利用),等へ次々と実用化されている。
 こうした紫外光型TiO2光触媒の用途開発・実用化が軌道にのり,研究開発の中心が実用レベルの可視光下で使用可能な光触媒材料の開発に移った。この可視光応答型光触媒はTiO2系光触媒の発見当初から切望され実験室レベルでの可能性報告はいくつか存在したが,実用レベルの報告は無かった。この永遠の課題にひとつの解を与える報告が2001年Science誌に掲載され国内・外の注目を集めた。その後研究報告が数多く発表され可視光応答型光触媒研究・開発の流れを創出している。またごく最近可視光応答型光触媒を利用した部材,製品が徐々に市場に出始めている。
 紫外光は太陽光中にわずか3~4%しか含まれない事から,より多くの光子が存在する可視光を利用した光触媒の開発には非常に大きな期待が寄せられている。事実,国内外の研究機関,企業による可視光応答型光触媒材料の開発が活発に行われているが,報告されている可視光応答型光触媒材料の性能は紫外光応答型に比べなお不十分であり今後更なる研究開発が必要である。
 本書は可視光応答型光触媒に絞り材料設計,プロセス技術,物性・特性解析,安全性評価,および市場に出始めた応用製品の紹介,等を統一的に盛り込んだ。さらに,現在の課題とその解決策について議論し新しい市場創出への期待と展望を加えた。また,可視光応答型光触媒の研究開発および製品開発の第一線でご活躍の多くの方々にご出稿いただいた。ここに感謝の意を表したい。本書が可視光応答型光触媒の正しい理解,今後の研究開発および製品開発の一助となり,しいては新しい産業振興に寄与できれば幸いである。

2005年9月  多賀康訓

<普及版の刊行にあたって>
 本書は2005年に『可視光応答型光触媒―材料設計から実用化までのすべて―』として刊行されました。普及版の刊行にあたり,内容は当時のままであり加筆・訂正などの手は加えておりませんので,ご了承ください。

2010年10月  シーエムシー出版 編集部

著者一覧

多賀康訓   (現)中部大学 光機能薄膜研究センター センター長・教授
村上能規   (現)長岡工業高等専門学校 物質工学科 准教授
野坂芳雄   (現)長岡技術科学大学 教授
旭 良司   (現)(株)豊田中央研究所 材料基盤研究部 材料設計研究室 室長
西川貴志   石原産業(株) 開発企画研究本部 機能材料研究開発室 四日市研究グループ 研究主管
佐藤次雄   (現)東北大学 多元物質科学研究所 教授
Shu Yin   (現)東北大学 多元物質科学研究所 准教授
森川健志   (株)豊田中央研究所 材料分野 無機材料研究室 推進責任者;主任研究員
村上裕彦   (株)アルバック 筑波超材料研究所 ナノスケール材料研究部 部長
作花済夫   京都大学 名誉教授
大脇健史   (現)(株)豊田中央研究所 材料基盤研究部 無機材料研究室 室長
横野照尚   (現)九州工業大学 大学院工学研究院 教授
古谷正裕   (現)(財)電力中央研究所 原子力技術研究所 上席研究員
田中伸幸   (現)(財)電力中央研究所 環境科学研究所 環境リスク評価領域 上席研究員
常磐井守泰  (現)(財)電力中央研究所 特別名誉顧問
村松淳司   (現)東北大学 多元物質科学研究所 プロセスシステム工学研究部門 ハイブリッドナノ粒子研究分野 教授
高橋英志   東北大学 多元物質科学研究所 多元ナノ材料研究センター ハイブリッドナノ粒子研究部 助手
         (現)東北大学 大学院環境科学研究科 准教授
加藤英樹   東京理科大学 理学部 応用化学科 助手
         (現)東北大学 多元物質科学研究所 講師
辻 一誠   東京理科大学 大学院理学研究科
         (現)日揮ユニバーサル(株) プロセス触媒研究室 研究員
工藤昭彦   東京理科大学 理学部 応用化学科 教授
堂免一成   (現)東京大学 大学院工学系研究科 化学システム工学専攻 教授
前田和彦   (現)東京大学 大学院工学系研究科 化学システム工学専攻 助教
駒木秀明   (現)(社)日本ファインセラミックス協会 標準部長
青木恒勇   (株)豊田中央研究所 材料分野 無機材料研究室 副研究員
小池宏信   住友化学(株) 基礎化学品研究所 主席研究員
小田原恭子  住友化学(株) 生物環境科学研究所 主席研究員
河合里美   住友化学(株) 生物環境科学研究所 主任研究員
中村洋介   住友化学(株) 生物環境科学研究所 主任研究員
北本幸子   住友化学(株) 生物環境科学研究所 主任研究員
森本隆史   住友化学(株) 生物環境科学研究所
須安祐子   住友化学(株) 基礎化学品研究所
正木康浩   (現)住友金属工業(株) 総合技術研究所 物性分析研究開発部 参事
福田 匡   住友金属工業(株) 総合技術研究所 商品基盤技術研究部 部長研究員
         (現)国立和歌山工業高等専門学校 知能機械工学科 教授・学科主任
田坂誠均   (現)住友金属工業(株) 総合技術研究所 主任研究員
溝口郁夫   アキレス(株) 研究開発本部 主任研究員
山田真義   (現)アキレス(株) 研究開発本部 第2グループ 副参事 研究員
加藤真示   (株)ノリタケカンパニーリミテド 研究開発センター チームリーダー
金法順正   (現)小松精練(株) 研究開発室 室長
何合泰源   (現)(株)KAKOU 代表取締役
浅野英昭   (現)(株)ニコン 映像カンパニー デザイン部 プロダクトデザイン課 主任研究員
山口 晋   (現)(株)ジーシー 研究所 研究員
入内嶋一憲  平山設備(株) 抗菌システム部 課長代理
原田正裕   (株)きもと 企画開発部
石井芳一   (現)アルバック理工(株) 代表取締役社長
大谷文章   (現)北海道大学 触媒化学研究センター 教授
中野由崇   (現)中部大学 総合工学研究所 准教授

 執筆者の所属表記は、注記以外は2005年当時のものを使用しております。

目次

第1章 光触媒の現状と本書の構成

第2章 光触媒の動作機構と期待される特性
1. はじめに
2. 光触媒の電子エネルギー構造
3. 光触媒の光吸収過程とその測定法
4. エネルギー準位と電位図
5. 電子,正孔の表面移動と表面吸着分子との反応

第3章 可視光応答型光触媒の設計
1. バンドギャップ狭窄法による可視光応答化
1.1 はじめに
1.2 可視光応答化の指針
1.3 金属元素のドーピング
1.4 アニオンドーピング
1.5 まとめと今後の展望

2. 増感化合物表面修飾法による可視光応答化
2.1 はじめに
2.2 可視光応答型酸化チタンの設計
2.3 可視光応答型酸化チタン光触媒の物性及び反応特性
2.4 おわりに

第4章 可視光応答型光触媒作製プロセス技術
1. 湿式プロセス
1.1 はじめに
1.2 チタン化合物水溶液のアンモニア中和一仮焼による窒素固溶酸化チタンの合成
1.3 ソルボサーマル反応による窒素固溶酸化チタンの合成
1.4 おわりに

2. 乾式プロセス
2.1 はじめに
2.2 酸素欠損型TiO2-x
2.3 カチオン(陽イオン)ドープTiO2
2.4 アニオン(陰イオン)ドープTiO2
2.4.1 NドープTiO2
2.4.2 SドープTiO2
2.4.3 CドープTiO2
2.5 共ドープTiO2
2.6 おわりに

3. 薄膜プロセス
3.1 はじめに
3.2 酸化チタン薄膜の作製方法
3.3 可視光応答型酸化チタンの作製
3.3.1 可視光応答型酸化チタンとバンド構造
3.3.2 アンモニアによる酸化チタンの窒化反応
3.3.3 光吸収スペクトルとエネルギーバンドギャップ測定
3.4 可視光応答型酸化チタンの性能評価
3.4.1 UV光下での触媒性能評価
3.4.2 可視光下での触媒性能評価
3.5 おわりに

第5章 ゾル-ゲル溶液の化学:コーティングの基礎
1. はじめに
2. 溶液中のシリコンアルコキシドの反応
2.1 均質溶液の調製
2.2 シリコンアルコキシドのゾル-ゲル反応の物質収支
2.3 シリコンアルコキシドの加水分解と縮合
2.4 加水分解の機構:触媒の影響
2.4.1 シリコンアルコキシドの加水分解
2.4.2 酸性触媒による加水分解のメカニズム
2.4.3 塩基性触媒による加水分解のメカニズム
2.4.4 酸性,塩基性以外の触媒効果
2.4.5 ゲル化反応の起こり方:酸触媒と塩基触媒の比較
2.5 ケイ素アルコキシドの加水分解・縮合に影響する各種ファクター
2.5.1 テトラアルコキシシランの加水分解にたいするアルキル基の種類の影響
2.5.2 アルキルアルコキシシランの加水分解
2.6 ケイ素アルコキシドの反応に関連のあるその他の知見
2.6.1 水の割合と加水分解
2.6.2 溶媒と加水分解
2.6.3 リエステリフィケーション
2.6.4 トランスエステリフィケーション
2.7 縮合反応およびゲル化に影響するファクター
3. 非シリカ酸化物のゾル-ゲル反応
3.1 遷移金属アルコキシドの加水分解・重合
3.2 遷移金属アルコキシドの化学修飾による反応性の制御
3.3 ヘテロ金属アルコキシドによる多成分機能性酸化物の合成
4. おわりに

第6章 可視光応答型光触媒の特性と物性
1. Ti-O-N系
1.1 はじめに
1.2 TiO2-xNxの光触媒特性
1.2.1 ガス分解特性
1.2.2 色素分解特性
1.2.3 抗菌性
1.2.4 親水性
1.3 TiO2-xNxの物性
1.3.1 TiO2-xNxの結晶構造
1.3.2 XPSによる状態および組成の解析
1.4 NOxドープ酸化チタンの特性と物性
1.5 おわりに

2. 硫黄ドープ可視光応答型二酸化チタン光触媒
2.1 はじめに
2.2 硫黄カチオンをドープした可視光応答型二酸化チタン粒子の調製
2.3 硫黄カチオンをドープした可視光応答型二酸化チタン粒子の物性
2.4 硫黄カチオンドープ可視光応答型二酸化チタンの触媒活性
2.4.1 硫黄カチオンドープ可視光応答型二酸化チタンを用いたメチレンブルーの光触媒的分解反応の波長依存性
2.4.2 硫黄カチオンドープ可視光応答型二酸化チタンを用いた2-プロパノールの光触媒的分解反応の波長依存性
2.4.3 硫黄カチオンドープ可視光応答型二酸化チタンを用いたアダマンタンの光触媒的部分酸化反応の波長依存性
2.4.4 硫黄ドープ可視光応答型二酸化チタン光触媒の高感度化
2.5 可視光応答型二酸化チタン光触媒の展望と問題点

3. Ti-O-C系
3.1 はじめに
3.2 構造特性
3.3 被膜耐久性
3.4 光触媒特性
3.5 おわりに

4. 層間化合物光触媒
4.1 はじめに
4.2 層間化合物光触媒の設計指針
4.3 層間化合物光触媒の調製
4.4 層間化合物光触媒の特性
4.5 ゲスト-ホスト電子移動
4.6 おわりに

5. Ba,Sr(Ti,Zr)O3
5.1 はじめに
5.2 新規合成法=ゲル-ゾル法
5.3 ゲル-ゾル法によるペロブスカイト酸化物合成法
5.4 光触媒への応用
5.5 硫化挙動
5.6 部分硫化ペロブスカイトの光触媒特性
5.7 光触媒活性
5.8 結論

6. 水素および酸素生成のための可視光応答性酸化物および硫化物系光触媒
6.1 はじめに
6.2 可視光応答性光触媒の設計
6.3 ワイドバンドギャップ光触媒のドーピングによる可視光応答化
6.4 浅い価電子帯形成による可視光応答化
6.5 固溶体形成による可視光応答化
6.6 二段階励起型光触媒系による可視光照射下での水の完全分解
6.7 おわりに

7. (オキシ)ナイトライド型光触媒
7.1 緒言
7.2 金属酸化物と(オキシ)ナイトライド
7.3 窒化ゲルマニウム(Ge3N4)による水の完全分解
7.4 (Ga1-xZnx)(N1-xOx)固溶体による水の可視光完全分解

第7章 可視光応答型光触媒の性能・安全性
1. 特性評価法
1.1 はじめに
1.2 光源
1.3 ガス測定方法
1.4 ガス分解性能の計測
1.4.1 CO2計測の例
1.4.2 ガスの間欠注入測定
1.4.3 ワンススルー測定
1.5 部材の消臭官能試験
1.6 その他の光触媒効果の評価
1.7 おわりに

2. 性能評価法の標準化
2.1 はじめに
2.2 これまで日本で提案された光触媒性能評価方法
2.3 紫外光下での光触媒性能評価試験方法
2.4 国際標準化の状況
2.4.1 光触媒の国際標準化がなぜ必要か
2.4.2 海外の標準化の状況
2.5 可視光応答型光触媒の性能評価試験方法
2.6 おわりに

3. 光触媒分解速度と中間生成物
3.1 はじめに
3.2 測定方法
3.3 分解速度の測定結果(ホルムアルデヒド)
3.4 分解速度の測定結果(アセトアルデヒド,トルエン)
3.5 中間生成物(アセトアルデヒドの光触媒分解時)
3.6 中間生成物(トルエンの光触媒分解時)
3.7 おわりに

4. 生体安全性
4.1 はじめに
4.2 現在確立されている光毒性評価法
4.2.1 日本の評価基準および試験法
4.2.2 海外の評価基準および試験法
4.2.3 まとめ
4.3 光触媒に求められる生体安全性評価法
4.3.1 光触媒そのものの生体安全性―酸化チタンの例
4.3.2 光触媒反応中間体の生体安全性
4.4 可視光応答型光触媒の生体安全性評価法
4.4.1 可視光応答型光触媒そのものの安全性評価法
4.4.2 可視光応答型光触媒反応中間体の生体安全性
4.4.3 可視光応答型光触媒を用いたトルエンの光触媒分解(高濃度系)
4.4.4 可視光応答型光触媒を用いたトルエンの光触媒分解(20Lチャンバー法)
4.4.5 可視光応答型光触媒を用いたトルエンの光触媒分解のリスクアセスメント
4.5 まとめと今後の課題

5. 室内設計と効果
5.1 はじめに
5.2 VOC拡散・分解挙動のモデル化
5.3 反応速度に対する環境因子の影響
5.3.1 ラボ試験装置の仕様概要
5.3.2 ラボ試験条件
5.3.3 可視光型光触媒によるアセトアルデヒドの分解挙動
5.3.4 各環境因子の影響度
5.4 室内VOCシミュレーション
5.4.1 VOC拡散・分解シミュレーションの基礎式
5.4.2 解析条件
5.4.3 物質伝達係数の影響
5.4.4 住宅における実測値とシミュレーションの比較
5.4.5 室内濃度分布
5.5 おわりに

第8章 可視光応答型光触媒の開発,実用化技術
1. 合成皮革応用
1.1 製品概要・特徴
1.2 特性
1.2.1 メチレンブルー褪色
1.2.2 ガス分解
1.2.3 抗菌試験
1.2.4 物性
1.3 技術PR

2. 壁紙応用
2.1 製品概要・特徴
2.2 評価
2.2.1 OHラジカル生成量測定
2.2.2 メチレンブルー褪色
2.2.3 ガス分解
2.2.4 抗菌試験
2.2.5 物性
2.3 施工事例

3. フィルター応用
3.1 可視光応答型光触媒のフィルター化
3.2 光触媒フィルターの実用化開発
3.2.1 プロジェクトにおける開発背景
3.2.2 光触媒蛍光灯具
3.2.3 光触媒ユニット

4. 繊維,ファブリック応用
4.1 はじめに
4.2 「V-CAT(R)」開発
4.2.1 可視光応答型光触媒
4.2.2 繊維への固着
4.3 「V-CAT(R)」特長
4.3.1 技術的特長
4.3.2 機能的特長
4.4 「V-CAT(R)」性能
4.4.1 可視光照射下での分解性能
4.4.2 蛍光灯下での消臭性能
4.4.3 蛍光灯下での抗菌性能
4.5 「V-CAT(R)」商品展開

5. 可視光応答型光触媒の人工観葉樹応用
5.1 はじめに
5.2 光触媒をコーティングしたクリーン・フローラのアルデヒド分解性能試験
5.3 メチレンブルー退色効果試験
5.4 防汚活性用光触媒評価チェッカー(胡蝶蘭)(1)
5.5 防汚活性用光触媒評価チェッカー(胡蝶蘭)(2)
5.6 防汚活性用光触媒評価チェッカー(ガラス板)
5.7 防汚活性用光触媒評価チェッカー(シンゴニウム)(1)
5.8 防汚活性用光触媒評価チェッカー(シンゴニウム)(2)
5.9 おわりに

6. 眼鏡応用
6.1 はじめに
6.2 開発の経緯
6.3 問題点
6.4 今後の展開

7. 歯科応用
7.1 はじめに
7.2 歯を白くするためにはどうしたらよいか?
7.3 歯の着色原因物質と治療法
7.4 ホワイトニング材の設計
7.4.1 どんなオフィスホワイトニング材が求められているか?
7.4.2 可視光応答型酸化チタンの漂白能力
7.4.3 可視光応答型酸化チタンと過酸化水素の組み合わせ
7.4.4 臨床的な製品設計
7.5 GC TiON IN OFFICEの特徴
7.6 おわりに

8. 可視光応答型光触媒を用いた消菌クリーンシステム
8.1 緒言
8.2 機能的特長
8.3 技術的特長
8.4 消菌分解性能
8.5 用途
8.6 使用に当たっての留意点
8.7 消菌クリーンシステムの施工例
8.8 消菌クリーンシステムを実際使用している病院の実データ
8.8.1 実施例1
8.8.2 実施例2
8.8.3 実施例3
8.8.4 実施例4
8.8.5 実施例5

9. 光触媒フィルム
9.1 はじめに
9.2 光触媒フィルムの用途と機能
9.3 光触媒フィルムの構造と各層の役割
9.4 光触媒能以外で求められる性能
9.5 他手法との比較
9.6 おわりに

10. 光触媒機能膜の防汚評価チェッカー
10.1 はじめに
10.2 光触媒機能の防汚の各種評価法
10.3 光触媒機能チェッカー
10.4 光触媒機能のチェッカーの測定原理
10.5 有機色素の吸光度測定による評価例
10.6 可視光応答型光触媒の評価例
10.7 従来法との比較
10.8 おわりに

第9章 光触媒の物性解析
1. 作用スペクトル解析による光触媒活性評価
1.1 はじめに
1.2 作用スペクトルと量子収率
1.3 均一系光化学反応の量子収率
1.4 光触媒反応の量子収率
1.5 電子-正孔の利用効率
1.6 みかけの量子収率と作用スペクトル
1.7 作用スペクトルと光触媒活性
1.8 可視光応答型光触媒の作用スペクトル解析
1.9 おわりに

2. 光触媒活性種の解析
2.1 酸化チタン光触媒の反応と活性種
2.1.1 OHラジカルは反応活性種か?
2.1.2 一般的な反応機構と時間依存性
2.2 光触媒に生じた捕捉正孔・捕捉電子の解析
2.2.1 電子スピン共鳴(ESR)法による解析
2.2.2 吸収スペクトルによる解析
2.3 活性酸素種の形成と解析
2.3.1 スーパーオキサイドの解析
2.3.2 過酸化水素の解析
2.3.3 殺菌反応の解析
2.4 その他の光触媒反応の解析
2.4.1 水の分解反応の解析
2.4.2 増感型光触媒反応における反応活性種
2.4.3 超親水性化反応とその活性種

3. 半導体物性計測技術によるバンドギャップ内準位評価
3.1 はじめに
3.2 DLOS測定原理
3.3 サンプル作製
3.4 電気的測定条件
3.5 物理的評価
3.6 電気的評価
3.7 おわりに

第10章 可視光応答型光触媒の課題
1. 高性能化へのアプローチ
2. 応用製品開発へのアプローチ
2.1 プロセス技術開発
2.2 安全性確認
2.3 特性評価と官能評価との対比
2.4 商品コンセプト
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