(57)【要約】本発明は、光分解型過酸化水素発生装置（１０）を対象としている。光分解型過酸化水素発生装置は、電解質吸収のために水を活性酸素に変換し、ｐＨを調整し、水素および他のガスを除去する。光分解型過酸化水素発生装置は、化学反応が起こる光分解セル（１６）を含む。本発明は、本来の場所での使用またはリモートサイト、とりわけポータブルデバイスとしてのリモートサイトで過酸化物を発生させるためのＨ２Ｏ２生成に利用されうる。
2009508676.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光分解型過酸化水素発生装置であって、
水を過酸化水素に変換する光活性化触媒を有する光分解セルと、
前記光活性化触媒上に配置され、前記光活性化触媒を前記光分解セル中で循環する溶液から分離する任意の多孔性のシーラント層と、
前記光分解セルに光を提供し、前記光活性化触媒を活性化する光供給源と、
前記光分解セル中に溶液を循環させるポンプと、
前記溶液を前記光分解セルの中へ送り込む入口と、
前記溶液を前記光分解セルから送り出す出口と、
を含む、光分解型過酸化水素発生装置。
【請求項２】
光分解型過酸化水素発生装置であって、
光活性化触媒を有する光分解セルであって、前記光活性化触媒は水を過酸化水素に変換し、前記光活性化触媒は二つの層を含み、第１の層は光子捕捉および電荷分離のためのものであり、第２の層は過酸化水素生成のために前記第１の層と隣接する、光分解セルと、
前記第２の光活性化触媒層上に配置され、前記第２の光活性化触媒を前記光分解セル中で循環する溶液から分離する任意の多孔性のシーラント層と、
前記光分解セルに光を提供し、前記光活性化触媒を活性化する光供給源と、
前記光分解セル中に溶液を循環させるポンプと、
前記溶液を前記光分解セルの中へ送り込む入口と、
前記溶液を前記光分解セルから送り出す出口と、
を含む、光分解型過酸化水素発生装置。
【請求項３】
前記光分解型過酸化水素発生装置は前記光分解セルに接続されたガス分離デバイスをさらに含む、請求項２に記載の光分解型過酸化水素発生装置。
【請求項４】
前記光分解セルはガス吸着デバイスの中へガスを放出する、請求項３に記載の光分解型過酸化水素発生装置。
【請求項５】
前記光分解型過酸化水素発生装置は前記光分解セル中の化学反応を監視するセンサをさらに含む、請求項２に記載の光分解型過酸化水素発生装置。
【請求項６】
前記過酸化水素発生装置は前記センサに応答して前記光分解セルを制御する処理機をさらに含む請求項４に記載の光分解型過酸化水素発生装置。
【請求項７】
前記溶液は水性電解質である、請求項１に記載の光分解型過酸化水素発生装置。
【請求項８】
前記光分解セルは水を溶存活性酸素に変換する、請求項２に記載の光分解型過酸化水素発生装置。
【請求項９】
前記溶存された活性酸素は過酸化水素に変わる、請求項８に記載の光分解型過酸化水素発生装置。
【請求項１０】
光分解セルであって、
透明ウィンドウと、
前記透明ウィンドウと隣接するアノード導体層と、
前記アノード導体層上に配置され、過酸化水素を生成する光活性化触媒と、
前記触媒と隣接し、境界をなすアノード液と、
前記アノード液と境界をなし、第１の空間を形成する仕切りと、
前記仕切りと境界をなすカソード液と、
前記カソード液と境界をなし、第２の空間を形成するカソードと、
を含むセル。
【請求項１１】
前記光活性化触媒は金属酸化物触媒である、請求項１０に記載の光分解セル。
【請求項１２】
前記セルは前記光活性化触媒上に配置された第２の触媒をさらに含む、請求項１０に記載の光分解セル。
【請求項１３】
前記光分解セルは水を活性酸素に変換する、請求項１０に記載の光分解セル。
【請求項１４】
前記光活性化触媒は水を活性酸素に変換する、請求項１０に記載の光分解セル。
【請求項１５】
電子は前記アノードから前記カソードへ流れる、請求項１０に記載の光分解セル。
【請求項１６】
活性酸素を溶液に送る方法であって、
溶液を光分解セルの中へ移動させるステップと、
前記光分解セル中の光活性化触媒によって水を過酸化水素へ変換するステップと、
前記過酸化水素を前記溶液に結合させるステップと、
前記溶液を前記光分解セルから移動させるステップと、
を含む、方法。
【請求項１７】
前記溶液が電解質である、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記光分解セル中の前記溶液からガスを取り除くステップをさらに含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
過酸化水素を処理空間に与える方法であって、
電解質を光分解セルの中へ移動させるステップと、
前記光分解セル中で水を過酸化水素に変換するステップと、
前記光分解セルの中で水素を生成するステップと、
前記光分解セルと電解質の中で生成された水素を除去するステップと、
前記光分解セルから電解質を移動させるステップと、
を含む方法。
【請求項２０】
反応した過酸化水素生成物を処理空間から除去するステップをさらに含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
過酸化水素を含む電解質を処理空間へ戻すステップをさらに含む請求項１９に記載の方法。
【請求項２２】
表面または空間を殺菌する方法であって、
ａ．半導体物質を用い、光と緩衝液を含む水とから、光分解生成によって過酸化水素を生成するステップと、
ｂ．前記生成される過酸化水素を表面または空間に適用するステップと、
を含む、方法。
【請求項２３】
前記過酸化水素は安定剤の存在下で生成される、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記過酸化水素が緩衝液の存在下で生成される、請求項２２に記載の方法。
【請求項２５】
過酸化水素を生成する装置であって、
ａ．光を伝導する導波路層と、
ｂ．前記導波路と隣接する第１の導体層と、
ｃ．前記導体の反対側にあり、前記導体と隣接する活性層と、
ｄ．入口および出口を有し、前記活性層と少なくとも部分的に境界が接している第１の空間と、
ｅ．前記第１の空間の少なくとも一部分と境界が接している仕切りと、
ｆ．前記仕切りの前記第１の空間とは反対側にある第２の空間であって、入口および出口を有し、前記仕切りと少なくとも部分的に境界が接している第２の空間と、
ｇ．前記第２の空間の少なくとも一部分と境界が接している第２の導体層であって、前記第２の導体は前記仕切りと接触しない、第２の導体層と、
ｇ．前記第１の空間の前記出口と作動的に接続された入口を有する殺菌区域と、
を含む、装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、米国仮特許出願第６０／７１７，３１８号（２００５年９月１５日出願）の優先権を主張し、かつ米国特許出願第１０／９３９，６９９号（２００４年９月１３日出願）の一部継続出願である；この米国出願は、米国特許出願第０９／９２０，３８５号（現在の米国特許第６，８６６，７５５号）の分割出願である。仮特許出願第６０／７１７，３１８号および特許出願第１０／９３９，６９９号の開示は、本明細書中で参考として援用される。
【０００２】
（発明の分野）
本発明は、光エネルギーを利用して活性酸素生産（たとえば、過酸化水素）を蒸気または水溶液として実現する光分解セルを対象としている。本発明は、活性酸素製造の方法も含む。言うまでもなく、本発明は、過酸化を含む化学薬品製造、および殺菌、滅菌、または浄化のような医学分野および化学処理工業分野において用途が見い出されるはずである。
【背景技術】
【０００３】
（発明の背景）
本技術は、光分解駆動型電気化学技術、すなわち、ＰＤＥＣと呼ばれる上位技術プラットフォームの一部である。このプラットフォームによれば、いくつかの物理システムを互いに極めて近い距離に寄せ集めて相乗効果的相互作用を得ることができる。そのようなシステムには、以下の中の一つ以上が含まれる。
１．  通常一つ以上の任意の過酸化物安定剤、および好ましい実施形態においては任意のｐＨ緩衝剤（一般的に有用な緩衝剤および／または安定剤は、炭酸塩、カルボン酸塩、アミノ酸、ピロリン酸塩、ホウ酸塩、オルトリン酸塩、グッド緩衝剤、アミノリン酸塩、酸化スズなどのコロイド金属酸化物、その他同種類のものの中の一つ以上を含む）を含有する水溶相。
２．  「電荷分離」または「励起子」発生のエネルギーが、化学変換に好ましい特定の酸化／還元およびプロトン化の駆動に利用される、「電荷分離」または「励起子」発生を駆動するエネルギーを備えた光分解エネルギー。
３．  有効なカソード反応を任意に発生させるのに使用される電荷分離から得られる電気エネルギーであるが、少なくとも部分的に、半導体の電気伝導度帯４からの光分解エネルギーおよび励起子から得られる電気エネルギー。
４．  少なくとも部分的に、金属酸化物半導体光触媒からの光分解エネルギーおよび励起子の「正孔」から得られた「電荷分離」エネルギーを使用する光分解的に駆動されるアノード（酸化）化学反応。
【０００４】
光分解駆動型電気化学は、大きな熱力学的変化を安全に引き起こすための高度に制御可能な手段を提供し、それゆえに本明細書中に記載されるバイオテクノロジーの基盤の土台となっている。本発明は、Ｈ２Ｏ２の光分解生成を用いて、要求に基づく生成あるいは恒常的な生成、および各種の外科手術用器具、医療器具、ならびに注射針等の滅菌のための制御された滅菌化学環境を提供する。本発明は、表面、大量の肉、野菜、および病院、救急車、医療センター、ならびに食品加工施設内での創傷；宇宙旅行用の道具、ギアおよび住居；工業施設、外来、家庭用の消毒または滅菌に有用である。
【０００５】
本願に関連する技術として、特許文献１のＮｏｚｉｋ，  Ｐｈｏｔｏｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｄｉｏｄｅｓ、特許文献２のＫａｈｎ  ｅｔ  ａｌ．，  Ｐｒｏｃｅｓｓ  ｆｏｒ  ｔｈｅ  Ｐｈｏｔｏｃａｔａ  ｌｙｔｉｃ  Ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｗａｔｅｒ  ｉｎｔｏ  Ｈｙｄｒｏｇｅｎ  ａｎｄ  Ｏｘｙｇｅｎ、特許文献３のＧｏｎｚａｌｅｓ−Ｍａｒｔｉｎ  ｅｔ  ａｌ．，Ｐｈｏｔｏｃａｔａｌｙｔｉｃ  Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｏｒｇａｎｉｃｓ  ｕｓｉｎｇ  ａ  Ｐｏｒｏｕｓ  Ｔｉｔａｎｉｕｍ  Ｄｉｏｘｉｄｅ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ  ａｎｄ  ａｎ  Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ  Ｏｘｉｄａｎｔ、特許文献４のＰｅｉｌｌ  ｅｔ  ａｌ．，  ＴｉＯ２  Ｃｏａｔｅｄ  Ｆｉｂｅｒ  Ｏｐｔｉｃ  Ｃａｂｌｅ  Ｒｅａｃｔｏｒ、特許文献５のＧｏｄｅｃ  ｅｔ  ａｌ．，  Ｒｅａｇｅｎｔｌｅｓｓ  Ｏｘｙｄａｔｉｏｎ  Ｒｅａｃｔｏｒ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄｓ  ｕｓｉｎｇ  Ｓａｍｅ、特許文献６のＭｏｎｚｙｋ  ｅｔ  ａｌ．，  Ｐｈｏｔｏｌｙｔｉｃ  Ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ  Ｌｕｎｇ、特許文献７（Ａ２）のＳｐｅｅｒ，  Ｐｈｏｔｏｌｙｔｉｃ  ａｎｄ  Ｐｈｏｔｏｃａｔａｌｙｔｉｃ  Ｒｅａｃｔｉｏｎ  Ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ  Ｄｅｖｉｃｅが含まれる。
【特許文献１】米国特許第４，０９４，７５１号明細書
【特許文献２】米国特許第４，８８９，６０４号明細書
【特許文献３】米国特許第５，７９９，９１２号明細書
【特許文献４】米国特許第６，０５１，１９４号明細書
【特許文献５】米国特許第６，１８３，６９５号明細書
【特許文献６】米国特許第６，８６６，７５５号明細書
【特許文献７】国際公開第０１／７０３９６号パンフレット
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
（発明の概要）
一態様では、本発明は光分解セルを対象としている。本発明は、本来の場所での使用またはリモートサイト、とりわけポータブルデバイスとしてのリモートサイトで過酸化物を発生させるためのＨ２Ｏ２生成に利用されうる。
【０００７】
光分解セルは、レーザ、ランプまたは太陽光などの光を利用し、過酸化水素生成物を得るデバイスである。
【０００８】
別の態様では、光分解Ｈ２Ｏ２生成セルは、より広範囲の消毒、殺菌または滅菌を施すことと併せて、ＵＶランプ、オゾン発生装置、エチレンオキシド処理または蒸気発生器と用いることができる。これらの照明手段は、Ｈ２燃料セル（光分解セルから得られたＨ２）、太陽熱源および従来の電源を含む多くの燃料源から電力を得ることができる。
【０００９】
より具体的には、光分解セルは光電気化学セル（または「光分解セル」）を含む。光電気化学セルは、ある部分において、緑色植物の中で起こる光合成プロセスと同様に作用し、ペルオキソ金属イオン酸化物クラスターは過酸化物中間体を介して酸素ガスを生成する。光合成の場合、金属イオンクラスターはＭｎの四量体である。本明細書に記載された発明は、利用可能な金属イオンに限定されない。光分解型過酸化水素発生装置は、光分解セルおよび光エネルギーを利用し、水、有効な酸性および電力から過酸化水素を同時に発生させる。一つ以上の光分解セルが、生成された所望の過酸化物の量、生成率、濃度等に応じて、本発明の光分解セルアレイに含まれうる。このような複数の光分解セルを一つにまとめる方法が、本発明の別の態様である。
【００１０】
本発明で用いられる光エネルギーは、光分解をもたらすのに十分なエネルギーを提供できるあらゆる光である。通常、この光は紫外線（「ＵＶ」）または７５０ｎｍ以下の可視光線であるが、最も好ましいのはＵＶＡおよびＵＶＢの形である。しかしながら、光エネルギーは広帯域であることも可能であり、「光管路」の光ファイバーケーブル、または減衰全反射（ＡＴＲ）のデザインリンクを介して受容されうる。太陽エネルギーも、この波長領域におけるその高出力性により受容可能である。
【００１１】
光分解は、放射線の一つ以上の量子を吸収した結果としての化学反応の駆動である。ここでは、水、水酸化物または酸化物イオンは、活性酸素に変換される。活性酸素は、半導体金属酸化物またはこのような酸化物のブレンドなどの、特別に設計された光活性化触媒を用いて最終的に過酸化水素を形成する。金属酸化物は、光吸収材または光吸収性要素として用いられる。電磁放射線の一つ以上の量子を吸収することによって、水溶液中に存在する、または蒸気もしくは凝縮の形態をとる水が、光分解的に照射され、電磁放射線の一つ以上の量子を吸収することによって、水素イオン、過酸化水素あるいは他の形態の酸素ガスの前駆体（活性酸素、ＡＯ）、および電子を形成する。重要なことに、生成される自由電子はＡＯから同時に電気伝導的に引き離され、反応の逆転を回避し、水を再生成する。該電力は、ポンプなどの電気デバイスを駆動させるのに、および／または後続反応で水素イオンと結合させるのに任意に利用可能である。
【００１２】
例えば、本発明において、光吸収性光触媒物質としてＺｎＯを用いることで活性酸素が容易に生成されることが明らかになっている。金属酸化物の光触媒は、膜状、粒子状、懸濁顆粒状、微粉末状、多孔質セラミックス状などでありうる。紫外線レーザ光（約３５０〜４００ｎｍ）などの光の光エネルギーは、極小の物質の放射または伝導によって、ＺｎＯの半導体転移（約３５０〜３９０ｎｍの帯域、または約３．１ｅＶ）を選択的に励起する。紫外線エネルギーは、励起子とされた酸化亜鉛の中で電荷分離を起こす。その後、電荷分離によって活性酸素（ＡＯ）および自由電子が生成される。次に、自由電子は、選択された金属酸化物の光触媒の半導体特性によって電気伝導的に引き離される。例えば、酸化亜鉛、二酸化チタン、酸化セリウム、酸化錫、五酸化ニオブ、酸化タングステン等、感光性色素を有するまたは有しないこれらの酸化物の混合物、および／またはドーパント金属および他の要素から選択される。また本発明において、他の好適な光吸収材も同様に、エネルギーが活性酸素を生成するのに十分であれば、様々な波長で利用可能である。
【００１３】
不均化は、単一化合物が酸化剤、還元剤のどちらとしても働く化学反応であり、それによってより酸化された派生物、より還元された派生物の組み合わせに変換される。例えば、光分解中に生成された過酸化水素（活性酸素）は、ニ酸化マンガン（ＭｎＯ２）、または他のこのような酸化還元活性触媒剤および／またはプロセスによって、溶存酸素（ＤＯ）と水に変換される。この反応は溶存酸素（ＤＯ）を発生させるので、過酸化水素を効率良く生成するために、活性酸素の生成では避けられることになる。
光分解および電荷分離：
【００１４】
【化１】
2009508676.tif 000003
不均化：  （Ｈ２Ｏ２の生成では避けられる）
【００１５】
【化２】
2009508676.tif 000004
さらに、本発明の光分解セルによって生成された混合物は、過酸化水素などの使用時点の（ｐｏｉｎｔ−ｏｆ−ｕｓｅ）化学物質をもたらすのにも用いることができる。電力を生み出す能力は、ポータブルデバイスおよびリモートロケーションにおいても利用可能である。例えば電力供給する小さなポンプ、制御機器、センサ、ＬＥＤインディケータおよびスイッチにおいてである。
【００１６】
さらなる態様において、本発明は光分解セルも対象としている。光分解セルは、透明な光導管、光管路および／または光ウィンドウを含む。電気導体はその透明ウィンドウに隣接している。光活性化触媒は電気導体に接している。空間を通るセルフローは光活性触媒に隣接している。必要に応じて、陽イオン交換膜は、セルフロー区画に接する。カソード液区画は、もしあるとすれば、陽イオン交換膜に、そしてカソードに接する。カソードは、カソード液に隣接していて、直接またはインライン電気デバイスを介してアノードに電気的に接続されている。カソードは、電気導体を介して光アノードで電子を受け入れる。
【００１７】
本発明のこれらおよび他の目的と特徴は、以下に記載される詳細な説明から明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
（発明の詳細な説明および最良の形態）
全体として、本発明は、他の構成部品の中でも特に光分解セルを備える光分解型過酸化水素発生装置を対象としている。光分解セルは、本発明の基本的な機能ユニットである。光分解セルは、汎用の活性酸素発生炉の役割を果たす。光分解セルは、水（Ｈ２Ｏ）を活性酸素（通常過酸化イオン（Ｏ２２−）に変換する際に使用する光化学活性物質を含み、そのとき、該活性酸素は、水溶性過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）またはその共役塩基（ＨＯ２−）を形成する。光触媒、光分解セル表面、液状または気体状Ｈ２Ｏ、および電子除去の間の相対エネルギー帯域間隙調和を最適化することによって、Ｈ２Ｏ２発生の効率を最大化するように設計される。
【００１９】
より好ましい形態において、本発明は、汚染除去デバイスおよび工程、すなわち、光分解駆動型過酸化水素発生装置内での光分解セルの使用を対象にしている。光分解型過酸化水素発生装置は、過酸化水素発生および／または過酸化水素の塩類を含む過酸化水素のために活性酸素を発生させるための光化学活性物質および関連成分を有する１つまたは光分解セルを含む。必要に応じて、本発明は、光分解チャンバを含み、重ね合わされたまたは組み立てられた十分な数の光分解セルを収容または保持し、任意のガス交換速度を実行してもよい。積み重ね数は、用途に対して十分なアノード表面積を備えることができるようになっており、および微小核体の大きさにすることができる、または中程度もしくははるかに大きい面積に作ることが可能であると思われる。
【００２０】
好ましくは、本発明の光分解型過酸化水素発生装置は、水、電解質、または水蒸気入口と、重力流れ用ポンプ（単数または複数）またはゆとりと、いくつかの実施形態におけるフィルタと、少なくとも１つの光分解セルと、光分解セルを照射する光源（単数または複数）と、任意の水素ガス分離器とを含む。電源および／またはバッテリは、ポンプ（単数または複数）または光源（単数または複数）に電力を供給するために存在できる。一つ以上のインラインセンサ、たとえば、ＯＲＰ（酸化還元電位）赤外線、導電率、酸素および／またはセンサ類、ならびに電子制御器／処理装置は、システムを通る流れと、活性過酸素生成量と、化学物質、毒素、汚染物質、過酸化安定剤／不安定剤などの存在とを監視し最適化するために存在できる。デバイスの中を循環する水溶液は、光分解セルの中を重力流またはポンプでくみ上げられ、光分解セル内では、光活性化によって過酸化発生および水素ガス同時生成、または他の還元された共製品がもたらされることになる。メンブレンである仕切りの存在下で、カソード電解質流およびアノード電解質流を同一または別々になるように制御することを考察する。好ましい実施形態において、メンブレンは存在せず、およびＨ２ガスがアノード液から急速に分離される。最も好ましい実施形態においては、メンブレンは微細孔寸法のスクリーンと置き換えられる。
【００２１】
本発明の別の実施形態において、生成された過酸化水素の気化またはエーロゾル化を提供する。通常、必然的ではないが、水蒸気および／または空気などの不凝結キャリアガスによって協調混合された気化過酸化水素は、滅菌チャンバ内で使用できる、または別の方法では、蒸気、ガス、霧、または薄霧として表面または空間に施すことができる。気化は、真空および／または熱駆動フラッシュ蒸発または他の公知の方法によるとよい。一般に、フラッシュ蒸発には、発熱体または蒸気ジャケットを用いる。発熱体および／または排気接続機構は、過酸化水素発生装置の出口と本明細書でさらに述べる処理空間との間に置くとよい。
【００２２】
本発明のさらなる実施形態において、蒸気、霧、または薄霧を含有する過酸化水素によって選択された表面または空間を処理するために、ポータブル発生装置として使用できる手持ち式の過酸化水素発生装置を提供する。
【００２３】
なおいっそうさらなる実施形態においては、過酸化水素を適切なアルカリ性ｐＨ（ｐＨ＞７）の下で反応させて、より強力な消毒または滅菌に対しても有効である反応性ＨＯ２−を形成できる。過酸化水素を反応させて、有効な過酸および過酸塩を形成できる。したがって、カルボン酸は、消毒または滅菌に対しても有効である過カルボン酸から反応させることができる。ホウ酸塩、リン酸塩、硫酸塩（好ましくはエステルとして）、その他同種類のものは、同様に反応させることができる。
【００２４】
そのうえ、本発明のポータブル光分解型発生装置には、入念な温度制御または圧力制御が不要である。上記の概略説明のとおり、本発明の光分解型過酸化水素発生装置で使用する物質は、すべて実質的には、不溶解性固体として残留し、物質および溶液の汚染の損失を防止できる。活性酸素生成速度を劇的に低下できる、拡散層および／または電子／正孔の再結合反応は、ガス溶解、多数のメンブレン、大内部空間、または多数の処理ステップを取り入れないことによって最小化され、および、光合成中になされるとおり、活性酸素形成部位における高濃度Ｈ２Ｏ、および光分解部位からの電子およびカチオンの電気伝導移動を利用することにより、良好な光分解透明度および良好な電気伝導および急速な電気化学反応を有する薄膜を組み込むことによって、最小化される。
【００２５】
光源の波長、ビームサイズ、パルス持続時間、周波数、および光子束強度を調節して、最大および／または有効活性酸素、たとえば、過酸化水素発生を引き起こす。同様に、光分解セルの注入速度、流通容量、なども、他のすべての状態が固定されたとき、アノード液流速に反比例するアノード液中の活性酸素濃度によって調節される。この流量制御は、反応化学物質、毒素などの反応も監視するセンサおよび調節器によって実行される。センサおよび調節器は、センサによって監視された状態に応じてシステムのさまざまなパラメータを自動調節する能力を備えている。
【００２６】
本発明によって生成された活性酸素が過酸化水素であることが最も好ましい。一例において、医療デバイス消毒の場合、処理空間としてシステム中を流通する滅菌溶液５Ｌ／ｍｉｎに対して毎分少なくとも１５０ｍｌの溶解Ｈ２Ｏ２を供給するように、光分解型過酸化水素発生装置は設計されている。そのうえ、光活性化消毒デバイスの構成に利用される構成要素は、水溶性電解質溶液または活性酸素、通常は過酸化水素に対して本質的に無反応である。
【００２７】
光分解型過酸化水素発生装置は、恒久的設備またはポータブルデバイスであるように設計できる。
【００２８】
Ｈ２Ｏ２は、環境的に中性で有効な生命破壊剤であり、有害物質を形成しないので、優れた滅菌試薬である。しかし、Ｈ２Ｏ２は不均化により簡単に分解して酸素ガス、水、および熱になることは公知である。この不安定性によって、排出の際、残留酸化性物質の無いことが保証されるという点で、その使用後この不安定性は有用である一方、Ｈ２Ｏ２の時期尚早の分解が消毒というまさにその目的を損なうという点で、この不安定性は問題も含む。この問題に対処するためには、不均化が最小化されるおよび／またはＨ２Ｏ２の供給または生成あるいはその両方が維持される機構を採用するとよい。２、３の特別に作られた大型設備において熟練者によって適切に貯蔵および取り扱いされる場合、純粋Ｈ２Ｏ２は極めて安定しているとはいえ、この設備は、少量必要とする何千の最終使用場所に対して実際に実現することは困難である。使用時、Ｈ２Ｏ２が、分解速度を高めるさまざまな状態にさらされる可能性があるという事実からこのような困難な状況が生じ、この状況は、急速に、実際、通常数秒以内に発生する。そのうえ、製造中溶液中のＨ２Ｏ２強度を監視することは、定期的に実施することが困難である。一般に、Ｈ２Ｏ２に対して５つの分解経路があると考えられており、それら経路はすべて自己触媒的であるまたは自己触媒的工程に送り込むことは公知である。自己触媒化学反応は、いったん開始されると、連続反応の間にそれら化学反応自体の中間物を生成する。これらの経路には、熱分解、触媒分解、Ｈ２Ｏ２の不均一性触媒反応、金属の不均化、酸化、およびアルカリ不安定化が含まれる。これらはできる限り防止すべきである。
【００２９】
過酸化水素分解の問題を制限するために、過酸化複合物および溶液（たとえば、アルミニウム、ＰＶＤＦなどの純樹脂、テフロン（登録商標）、ポリエチレン、など）を生成し保持するデバイスの構成には不活性材料が望ましく、および生成工程は高純度工程流を目標にするのが望ましい。Ｈ２Ｏ２の使用を妨げない場合に、Ｈ２Ｏ２安定剤も役立っている。付加された安定剤は、通常、１つまたはいくつかの分解機構を阻止すること、特に過酸化物の自己触媒的分解に触媒作用を及ぼす能力がある溶存金属イオンの隔離を講じることを目標とする。本発明の場合、耐酸化性キレートホスホン酸塩、アミノリン酸塩、アミノカルボン酸塩、および特にピロリン酸塩などの特定キレート剤を使用して、金属イオンを固く結合させ、キレート複合体としてより高い酸化状態を熱力学的に安定化させることによって、それらの急速な酸化還元サイクリング反応性を防止し、こうして、これらを本質的に弱い触媒性の状態にする。スズ酸塩、ホウ酸塩、および無機リン酸塩膠質もこれらの金属イオン分解触媒を膠質および／または沈殿物の内部に封入するのに有用である。更なる例として、アセトアニリドなどの有機フリーラジカル捕獲剤は、フリーラジカル除去反応によって、連鎖反応を維持するための鍵であるフリーラジカル中間体の低個体数を維持することにより過酸化遅延分解を防止し、それによって、誘導の速度および確度、および自己触媒的反応の持続を減少させる。しかし、過酸化物溶液が微粒子、金属イオン、および他の分解触媒に対して純粋に維持されている限り、安定剤だけが過酸化物の分解を遅くすることに本発明者は留意する。いったん過酸化物溶液が外部物質によって汚染されると、たとえば、汚れた医療手術器具が滅菌槽内に入れられると、そのあと、定期的な過酸化補充を必要とする自己触媒的不均化および酸化低下によって過酸化物強度／濃度が急速に弱まる可能性がある。
【００３０】
概して、本発明の一態様によれば、過酸化水素は、適切な光触媒において液状か気状で、水から光分解生成によって、滅菌および他の用途に有用な量生成される。本明細書で開示される純粋金属酸化物光触媒および複合金属酸化物光触媒は、光エネルギーを変換する能力を備え、選択された表面においてＨ２Ｏ２を発生させるのに使用できる電荷分離、励起子を生成できる。この工程においては、Ｏ２の生成を最小限にし、触媒化合物の選択によって過酸化水素などの活性酸素の生成を最大限にし、薄膜構造内にそのような触媒の特有の成層を使用することにより強化するのが好ましい。
【００３１】
本発明の別の実施形態において、光分解的に生成されるＨ２Ｏ２は、たとえば、アルミニウムまたは純粋樹脂製の無触媒容器内で気化および／または蒸留によってさらに濃縮される。濃縮されるＨ２Ｏ２は、酸化および無影響刺激性を強化するために９より大きいｐＨ値まで上方にｐＨ調節もできる、またはより穏やかな、より安定した状態での使用のために酸性または中性ｐＨ値に調節もできる。過酸化生成物は、更なる酸化および滅菌または無影響性能を付与するための更なる手段として濃縮または気化することもできる。
【００３２】
本発明は、水および／または水蒸気に対してＨ２Ｏの少なくとも一部が、電子および水素イオンの随伴性遊離を伴って、液体、溶液、気体Ｈ２Ｏ２に変換される水および／または水蒸気にさらされる光吸収要素および該光吸収要素酸化半導体膜、または他の１つもしくは複数の酸化物薄膜の一つ以上のカバー薄膜を備えた混合物として、半導体金属酸化物質光分解膜を利用する（反応１）。反応１の場合、Ｍとの他の化学結合は、可読性のために示していないが、当業者には公知であり、酸化物粒子／薄膜内の他のイオンからなり、および／または固体／水物質内の水または他の液体への結合剤は、本発明の代表例である。
【００３３】
【化３】
2009508676.tif 000005
活性酸素発生用の候補金属酸化物種（地表電子状態中のＯ２以外の酸化型酸素の反応形状として定義される活性酸素）は、単一半導体金属酸化物（ＳＣＭＯ）光触媒、複数の金属酸化物半導体光触媒（ＳＣＭｘＯ）の混合物を含み、ここで「ｘ」は金属酸化物半導体金属イオン、好ましくは、Ｚｎ、Ｔｉ、Ｗ、ＳｎなどのさまざまなＭ成分のブレンドを表す。
【００３４】
活性酸素組成の光触媒作用に加えて、本発明の粒状および／または薄膜物質も反応１を介してＨ２Ｏ２組成ができる成分を必然的に含有する。この物質は、ＳＣＭＯまたはＳＣＭｘＯと同一物である、あるいは、ＳＣＭＯまたはＳＣＭｘＯと混合されるか、ＳＣＭＯまたはＳＣＭｘＯ物質（単数または複数）を覆って金属酸化物物質を形成するＨ２Ｏ２の全体または一部薄膜または被膜として形成されるかどちらかの物質または他のものである可能性がある。物質を形成するそのようなＨ２Ｏ２を表１に示し、対応する水生カチオン（Ｍ（ＨＯ２）ｙｎ＋）、金属イオン、反応２の５０％加水分解に対してそれらのｐＫｈ値によっておよび／またはそれらのｐＨ値によって関連づける。
【００３５】
Ｈ２Ｏ２を生成するために、半導体物質を一般に１９０〜７５０ｎｍのウィンドウ内で光によって照射するが、好ましくは、光触媒の性能に合致した波長幅、通常、３４０〜７５０ｎｍ帯域幅の全部または一部の範囲、および最も好ましくは３５０〜４００ｎｍを使うのが好ましくは、それによって、伝播または発熱によるエネルギーの浪費が防止され、および約３４０ｎｍより小さい波長におけるＨ２Ｏ２の光解離が防止される。
【００３６】
これらの原理に基づいて、光子吸着および電荷分離の点まわりにナノおよびマイクロ規模のアーキテクチャの設計を強化する手段は、結果的に光触媒の単位面積当たりのＨ２Ｏ２発生速度および量子効率を増加させることになる。本発明で有用な代表的な半導体物質には、単独か組み合わせかで使われ、上記および下記の説明および表１に示したものが含まれる。これらの物質は、照光薄膜としての使用が好ましく、該薄膜においては、照光は縁端部または両側面から達成できるが、柱または土台の中に詰められたまたは溶液中に浮遊する粒状および／または紛状でも効果的である。特定の事例において、水相のｐＨ制御は、ＺｎＯを使用した場合など、触媒溶解を防止するために、いくつかの実施形態において最も好ましい。ＺｎＯは、低ｐＨおよび高ｐＨ下で、または錯化剤が存在するとき、溶解する。しかし、ｐＨを約８．５〜１１．５の範囲内に制御すれば、ＺｎＯは、非常に低い可溶性を有し、直接使用できる。水溶性溶液中の金属イオンの可溶性を制限するためにｐＨ制御を利用することは、当業者には公知であり、この科学は、参照することにより本明細書に組み込まれる（たとえば、Ｊ．  Ｋｒａｇｔｅｎ  ｉｎ  ”Ａｔｌａｓ  ｏｆ  Ｍｅｔａｌ−Ｌｉｇａｎｄ  Ｅｑｕｉｌｉｂｒｉａ  ｉｎ  Ａｑｕｅｏｕｓ  Ｓｏｌｕｔｉｏｎ”，  Ｅｌｌｉｓ  Ｈｏｒｗｏｏｄ  ＬＩＭＩＴＥＤ，  １９７８  （Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋ，  ＮＹ））。
【００３７】
（表１）
Ｈ２Ｏ２生成物用触媒物質
【００３８】
【化４】
2009508676.tif 000006
【００３９】
【化５】
2009508676.tif 000007
１）  所定の初期総金属カチオン濃度に対して、１％の総金属イオン濃度が、Ｈ２Ｏ２の生成能力を予想するために有効な加水分解を開始することになるｐＨが与えられる。
２）  ｐＫｈ（Ｍ＋ｎ）は、５０％の総金属イオン濃度がＭ（ＯＨ）０ｎとして沈澱した場合のｐＨである。
３）  印の通り不安定酸化状態を形成する可能性のあるイオンを表す。他の濃度については、＋２イオンは、＋３イオンより水溶性溶液の状態で通常より溶けやすい、または不溶性（たとえば、亜鉛）のより狭いｐＨウィンドウを有する。
【００４０】
表１に示した遷移金属に加えて、本明細書内で略説する希土類金属は、本発明の一つ以上の実施形態に対して有用である。
【００４１】
したがって、光分解セルを成功させるためにはいくつかの要求事項が存在する。優先傾向としては、本発明にとって有効な代表的な金属の第１のセットは、ただ１つの本質的に安定な酸化状態だけを有することが好ましい。ただ１つの本質的に安定な酸化状態だけを有する金属は、生成される過酸化水素を実質的には分解しないはずである。これらの金属としての例には、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｕ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｉｎ、Ａｌなどがあり、これらの組み合わせも含まれる。一方、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｓｎ、およびＹｂなどの要素は、第２の酸化状態（表１）を有し、該第２の酸化状態は安定ではない、または非常に不安定である。たとえば、Ｅｕ＋２の＋２状態は、空気を含む弱酸化性物質が存在する状態で、Ｅｕ＋３に変換する。したがって、過酸化水素は、該過酸化水素の＋２酸化状態においてこの金属イオンの溶液中で生成され、金属イオンは、＋３（またはＳｎの場合は＋４）に酸化され、そこに残留することになり、したがって、酸化還元サイクリング連鎖反応機構によって過酸化水素を本質的には分解できない。しかし、酸化物として使用される代表的な金属の最も好ましいリストでは、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｙｂ、またはＮｉは使われていない。この理由は、それらの金属に利用できるただ１つの酸化状態だけを有するイオンが容易に利用でき、およびそれらのイオンが結果的に酸化還元サイクリング機構経路によって少量のＨ２Ｏ２低下すら招くことがなく、したがって、Ｈ２Ｏ２生成および維持の最高速度に対して最大限の能力を発揮するからである。
【００４２】
最も好ましいのは、ランプ、レーザ、または太陽エネルギーによる照射が可能であり、および過酸化水素生成デバイス（図２Ａ〜２Ｄ参照）があとに続く活性酸素を生成するように配向された光触媒金属酸化物層（表２成分、単独または組み合わせ）として通常準備されるＨ２Ｏ２発生金属酸化物薄膜、被膜、または層（表１成分、単独または表１の別の成分との組み合わせ）である。
【００４３】
本発明によって生成された任意のＨ２Ｏ２生成物溶液を維持するために水相に添加される安定剤には、通常、スズ酸化物膠質、耐酸化性ホスホン酸塩の酸形状などにＤｅｑｕｅｓｔ（登録商標）２０１０を含む耐酸化性ホスホン酸塩、アニリド、アセトアニリド、イソプロピルヒドロキシルアミン、ＢＨＴ、およびナトリウムピロリン酸塩などのピロリン酸塩が含まれる。電解質には、スズ酸化物膠質などのいくつかの金属酸化物が含まれてもよい。しかし、それらは、過酸化水素を発生しない。その代わり、それらは溶液中に金属イオンを封入するが、該金属イオンは、そのように封入されていない場合、過酸化水素に不均化を起こすことになる（たとえば、Ｆｅ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｍｎなど）。
【００４４】
表２は、電荷分離および／または活性酸素生成物、特にＨ２Ｏ２生成物に好適な、本発明の光触媒物質のリストを示す。これらの物質は、照光される薄被膜（薄膜）として使用するのが好ましいが、粒状および／または多孔質フリット、多孔質ポット、または他の多孔質であるが不溶解性形状での使用も可能であり、それらの上には、本明細書中でさらに述べるとおり光触媒に接触している十分に透明な溶液または水溶性薄膜を介することも含む、あらゆる動作可能な方向（単数または複数）から照明も当てられる。そのような溶液は容易に澄んだ無色に作れるので、溶液を通す照明は、使用する光の波長が約３２５ｎｍより大きく、生成物Ｈ２Ｏ２またはその陰イオンおよび金属イオン塩の光分離を最小にする限り本発明の好ましい一実施形態である。
【００４５】
（表２）
照射による電荷分離および／または活性酸素生成物の生成に好適な光触媒物質
【００４６】
【化６】
2009508676.tif 000008
いくつかの実施形態では、ｅ−／ｈ＋電荷分離ができ、およびそのため光触媒（図２Ｄの番号２１５Ａ）として有用であるが、過酸化水素生成物（図２Ｄの番号２１５Ｂ）のための第２の成分としては使用されない、すなわち、それらの水加水分解定数（ｐＫｈ、表１）が低すぎるので、過酸化水素生成物用の薄膜または被膜に対してＴｉＯ２、ＺｒＯ２、ＷＯ３、ＦｅＯ２、Ｆｅ２Ｏ、Ｂｉ２Ｏ３、ＳｎＯ２、ＰｂＯ２、ＳｒＴｉＯ３、ＢａＴｉＯ３、ＦｅＴｉＯ３、ＫＴｉＯ３、ＭｎＴｉＯ３、およびそれらの組み合わせの中の一つ以上を使用することによって、表２の物質、本明細書で開示した金属酸化物を使用する。そのような物質は、左に位置する反応１平衡を保有し、したがって、あまりに少ないＨ２Ｏ２しか放出しない傾向があり、そのかわりＯ２を形成しがちである。
【００４７】
本明細書で金属酸化物を形成するＨ２Ｏ２として通常有用な第２の特性は、金属酸化物が約ｐＨ４以上の第１の加水分解を有し、それによって、活性酸素種、概略Ｍ−Ｏ−Ｏ−Ｍは、十分弱い塩基となり、水によってＭ−Ｏ化学結合（反応１）を加水分解できることである。約４〜約１３のｐＨは、最も好ましい約４〜１０のｐＨを用いたＭ−Ｏ−Ｏ−Ｍの加水分解による生成物によってＨ２Ｏ２を実現するのが好ましい。このｐＨは、考慮中の金属イオンの水溶性溶液中に存在する総金属イオン濃度の１％加水分解においてｐＨとして測定する。このｐＨによって、金属過酸化物を過酸化水素に加水分解できることがわかる（反応１）。
【００４８】
光触媒金属酸化物として通常有効な第３の特性は、金属酸化物が約１９０ｎｍ〜約７５０ｎｍの波長範囲内で電荷移動電子遷移を有することである。１９０〜７５０ｎｍ範囲内で禁制帯幅またはより高いエネルギーも備えた光触媒によって、約７５０ｎｍにまで可視スペクトルおよび／またはＵＶの完全使用範囲を達成するために、有機染料感光剤および／または金属イオンおよび／または代表的な要素ドーパントを使うとよい。Ｎ−７４９黒染料またはＮ−７１９染料、ビピリジン錯体（Ｓ．Ａｌｔｏｂｅｌｌｏ，ｅｔ．ａｌ．ｏｆ  Ｊ．Ａｍ．Ｃｈｅｍ  Ｓｏｃ．２００５，１２７，１５３４２−１５３４３に記載）などのような有機染料感光剤の代表的な例は、リニアポリ（エチレンイミン）、ポリ（アクリル酸）、酸化ポリエチレンなどによって光触媒表面に境界が接している。そのような精製によって、量子歩留りは通常１〜１０％に達する。ドーパントの代表的な例は、低レベル、通常１０ｗｔ％の遷移金属イオン、ランタニドイオン、アルカリおよびアルカリ土類イオン、化学インデックス（Ｃ．Ｉ．）によって編集されたとおりの有機染料、およびただ１つの安定酸化状態しか有していない前述のリストの要素から引き出されたイオンを含む、代表的な金属イオンおよび／または代表的な単独または組み合わせ（Ｓｅ、Ａｓ、Ｐ、Ｓ、Ｎ）要素から引き出されたドーパントを含む。これらのドーパントの組み合わせは、本発明の範囲内である。
【００４９】
金属酸化物として通常有用な第４の特性は、液状水が液体または気体としてＨ２Ｏ２生成表面にＨ２Ｏを供給およびＨ２Ｏ２を収集するために使用される場合、電解質内の可溶性は、触媒薄膜が、現状のままでまたは保護被覆付きで水溶性溶液または電解質内で目に見えるほど溶解しないようになっていることである。したがって、電解質内の金属酸化物の可溶性は、好ましくは約１０−３モル（Ｍ）以下であり、より好ましくは約１０−４Ｍ、および最も好ましくは約１０−５Ｍ以下である。たとえば、ＺｎＯは、約１０−４モル以下の可溶性を有する。酸化亜鉛の可溶性より上の可溶性には、Ｈ２Ｏ２生成活性層の喪失を防止するように更なる密封層および／または好ましくは電解質組成制御が通常必要となるであろう。好適な密封物質は、シリカ、金、白金族金属、黒鉛状炭素、ニッケル、バリウム、鉛、スズ、アルミニウム地金、これら物質の混合物、粘土状物質、アルミナケイ酸塩、ガラス、ゲル、および同種のもの製の１ｎｍ〜１０ミクロン厚の多孔質薄膜である。そのような物質は、公知の真空無電解金属めっきまたはゾルゲルコーティング蒸着によって処理できる。シリカも、９０℃〜１０５℃溶液においてケイ酸ナトリウムに光触媒／  Ｈ２Ｏ２生成物構成体を浸漬することによって適用できる。水中に表面を形成するＨ２Ｏ２の低可溶性は、金属酸化物層がＨ２Ｏ２生成中にはがれないように求められる。
【００５０】
本発明のこの更なる好ましい代表的な実施形態は、過酸化水素を生成する金属酸化物層上に安定化薄膜または下地塗料を備える。この安定化薄膜または下地塗料を備えることは、所定の条件（たとえば、ｐＨ）において金属酸化物が電解溶液中であまりにも溶解しすぎる場合特に有効である。広い範囲のｐＨにわたって保護されるように、保護薄膜の可溶性生成物が金属酸化物薄膜の可溶性定数より小さくなるように（たとえば、ＺｎＯ）安定化薄膜を維持する（そのような物質の例として上記を参照）。
【００５１】
以下の実施例は、本発明の典型例とするためのものであり、本発明を制限するためのものではない。
【実施例】
【００５２】
（実施例１）
したがって、金属酸化物薄膜または特殊被膜は、電解溶液または水中において該薄膜または被膜の可溶性を小さい状態にするために処理された任意の表面である。たとえば、ＺｎＯまたは他の類似金属酸化物は、上に示したポリマーの１つまたは組み合わせなどの有機ポリマーまたは使用前オルトリ酸を用いて処理でき得る。
【００５３】
（実施例２）
実施例１の代わりに、使用中連続処理は、溶解に対抗して薄膜または被膜を保護するために有効な量の金属酸化物安定剤を電解溶液内に循環させることによって、達成可能である。炭酸塩、シュウ酸、フェロシアン化物、オキシネート、オルトリン酸、８−ヒドロキシキノリン（キノリネート）、モリブデン酸塩、硫化物、ヒ酸塩、モリブデン酸塩、窒化物、炭化物、およびピロリン酸塩を含む実施例２を典型として示す。保護薄膜を形成するためには少なくとも有効な量が必要であり、そのような構成において、バルク液体として、液体薄膜として、または気体または気体凝縮液状で供給される本発明の対応する電解質に該保護薄膜をさらした場合、該保護被膜が活性酸素の除去を減少させるまたは本質的には無くす。
【００５４】
以下の中の一つ以上からなる不溶性下地塗料（単数または複数）は、活性層の保護に有用である、すなわち、シリカ、ケイ酸塩、モリブデン酸塩、ヒ酸塩、クロム酸塩（ＩＩＩ）、アルミン酸塩、ホウ酸塩、ジルコン酸塩（ＩＶ）、チタン酸塩（ＩＶ）、ゲルマネート、ろう膏などである。
【００５５】
（実施例３）
Ｈ２Ｏ２発生物質に隣接する液状水溶性薄膜の実効的ｐＨは、通常約４以上のｐＨである。最も好ましいｐＨ範囲約４〜１３を本発明では使用する。いくつかの実施形態において、ｐＨ上限は、金属イオンの９９％がＭ（ＯＨ）０ｎとして析出、またはＭ（ＯＨ）０ｎ膠質形状である場合のｐＨであり、このような構成において、「ｎ」は金属の酸化状態によって決まり、２、３、または４のいずれかであり、および２−ＯＨは１つのＯ−２で置換できる。
【００５６】
（実施例４）
容器、配管、貯槽、ポンプ、バルブなど、過酸化水素に接触する表面は、通常、過酸化水素と容易に触媒作用を及ぼさないまたは不均化を起こさない、アルミニウム金属、またはポリエチレン型のポリオレフィン、ポリプロピレン、過フッ化炭化水素および同種のものなどの樹脂製である。精製された物質が最も好ましいが、不純物は容易に洗い流せるので任意である。
【００５７】
より詳細には、図１が、光分解工程によって活性酸素を生成する携帯型過酸化水素発生装置１０の実施形態を示す。携帯型発生装置１０は、処理槽１３から携帯型発生装置１０へ流れる液体用に設けられた水溶性溶液入口１２を含む。水溶性溶液入口１２は、水溶性溶液を処理槽または清浄な溶液源１３ｃから携帯型過酸化水素発生装置１０に吸い込む（ポンプはオプションである）オプションポンプ１４に連結されている。ポンプ１４は、水溶性溶液をオプションのフィルタ１５または管路を介して一つ以上の光分解セル１６に向け、該光分解セルにおいては、結果として光活性化（たとえば、３５０〜４００ｎｍのレーザまたはＵＶＡ）によって活性酸素の発生とガス収着デバイス２４または外部通気を介した最終水素ガスの除去とがもたらされる。供給電源１８またはオプションのバッテリ１９によって光源２０が起動される。光源２０は光子２１を放射し、光子は光管路２２を介して光分解セル１６を照射する。次に、光分解セル１６は、光化学的に活性酸素を生成する一連の化学反応を開始する。活性酸素を含有する水溶性溶液は、携帯発生装置１０から出口２６を経由して処理容器へ戻る。
【００５８】
図１Ｂは、図１Ａの一般的な実施形態の１つのセルの概略線図であり、セルｎ１００を示す。さらにセルｎ＋１、およびｎ−１が可能である。該セルは、通常、アノードである隣接する第１の導体１０３におよび該導体を通して光を伝えるための導波路１０１を含む。一つ以上の活性層１０３およびオプションの保護層（図示せず）からなるとよい活性層は、導体１０３に隣接している。活性層は、通常、アノード区画１１０（第１の空間またはチャンバ）によって境界が接しており、該アノード区画内で、活性層とアノード区画１１０内にある電解質１０７との境界面に過酸化水素が形成される。オプションのデバイダ１２０は、アノード区画をカソード区画１３０（第２の空間またはチャンバ）から分離する該アノード区画の一部を通常形成する。カソード区画１３０も、通常カソードである第２の導体１３１によって通常境界が接している。アノード区画は通常入口１１０Ａおよび出口１１０Ｂを有する。カソード区画も通常入口１３０Ａおよび出口１３０Ｂを有する。電解質１３３もカソード区画内に通常存在する。
【００５９】
図１Ｃは、光分解型過酸化水素発生装置１１０に取り付けられた処理空間１２０を有するシステムの概略図を示す。水、塩類、または他の供給源１３０は、入口１１１を介して過酸化水素発生装置１１０へ流れる。該発生装置内で生成された過酸化水素１５０は、消毒または滅菌チャンバ１２０へ流れる。水素または他の排ガスは通常、安全弁１４０を介して流出する。
【００６０】
図１Ｄは、水溶性溶液のカソード流用の再循環ループ１６０を有する光分解型過酸化水素発生装置に取り付けられた処理空間１２０を有するシステムの概略図である。水溶性入力３０は、入口１１１を介して過酸化水素発生装置１１０に流れる。該発生装置１１０内で生成された過酸化水素１５０は、消毒または滅菌チャンバ１２０へ流れる。再循環ループ１６０が、処理空間１７０へのカソード流用に設けられている。水素または他のガスは出口１９０で排出される。
【００６１】
図２Ａ〜２Ｄは、光分解型過酸化水素発生装置１１０のさまざまな実施形態の構成部品を示す拡大図である。過酸化水素を生成する装置２００Ａと被処理表面または被処理物質への該装置の管理とについての好ましい一実施形態を図２Ａに示す。一つ以上のセルをセルｎ、セルｎ−１、およびセルｎ＋１等々として図２Ａに示す。不図示の光源（たとえば、レーザ、ＵＶＡランプ、または太陽光線）が、光ｈｖ２０１をオプションの反射防止層２０３または直接、隣接ウィンドウ（表面照射）または導波路２０７（角度照射または端面照射）に当てる。導波路２０７は、第１の光学的に透明であるが電気的に導電性を帯びた層２１１を介して光２０１を伝え、該導体層は、通常、以下の手段の中の一つ以上によって正電圧側にバイアスがかけられている。すなわち、該手段とは、熱力学的に好適なカソード化学反応に接続された外部供給電位、Ｐ／Ｎ接合、ダイオードなどである。光は導波路２０７から、第１の導体層２１１の向こう側に位置しかつ第１の導体層に隣接する触媒活性層に光が到達できるように、溝が切られ、グリッドを有し、および／または光透過性である隣接する第１の導体層２１１を貫通する。導波路２０７は、触媒活性層２１５と電気的に密着している。触媒活性層２１５は、照射によって電荷分離ができるものでなければならない。触媒活性層２１５は、第１の空間すなわちチャンバ２１９（本明細書の下文では第１の空間）の少なくとも部分的に１つの境界を形成している。オプションのデバイダ２２７は、第１の空間２３１を第２の空間すなわちチャンバ２４１（本明細書の下文では第２の空間）から分離している。第２の空間２４１は、デバイダ２２７によって部分的に境界が接しており、および通常、カソードである第２導体層２６０によって少なくとも部分的に境界が接している。第２導体層２６０は、通常、負電圧側にバイアスがかけられている。動作中、水溶性流体２５１は、流入−１として空間２３１に流入し、および水溶性流体２５２は、流入−２として空間２４１に流入する。いくつかの実施形態において、流入−１２５１は、流入−２２５２と同じであってもよい。更なる実施形態において、流入−１２５１は、通常、水および水溶性ｐＨすなわち電解質緩衝剤（たとえば、ＴｉＯ２に対する約６〜１３、およびＺｎＯに対する約６．５〜７．５のｐＨのオルトリン酸塩）である。流出−１２５３も、通常、発生された過酸化水素を搬送し、および通常、消毒または滅菌現場へ誘導される。流入−２２５２は、通常、電解質、塩類、容易に電気化学的に還元される試薬および／または他のオプション添加剤からなる水溶性溶液である。塩類、硫酸カリウム、および硫酸ナトリウムに加えて、塩類および硫酸の混合物を使うことができる。他の好適な水溶性溶液には、鉄イオン、三ヨウ化物イオン、またはフェリシアン化物イオンの少なくとも一部を含有する溶液、ゲル、および固体物質、ニトロオーガニック、アルデヒド、可溶性オレフィン、水素イオン（強酸または弱酸を含む酸）、スズ酸化物、ニ酸化鉛、銀（Ｉ）および／または銀（ＩＩ）酸化薄膜、合成物、および塩などの容易に還元される酸化剤と、混合物を含みかつ白金族金属、ニッケル、および銅を含むあらゆる貴金属酸化物と、漂白剤（ＯＣＩ−）、ＯＢｒ−ヨウ素、臭素（たとえば、臭素水）を含むハロゲンと、臭素酸塩、ヨウ素酸塩、過ヨウ素酸塩と、キニーネおよび他のそのような可逆性および容易に酸化または還元されるキニーネ溶液および固体物質と、セシウム（ＩＶ）溶液および酸化物と、コバルト（ＩＩＩ）溶液、合成物および固体酸化物と、クロム酸塩（ＶＩ）溶液および物質と、溶液または固体状のフェリックトリス（オルトフェナントロリン）合成物とが含まれる。水溶性溶液およびゲルの場合、電解質成分は、ｐＨ緩衝剤を任意に含むことができる。有効なｐＨ緩衝剤電解質は、リン酸塩｛Ｍ＝Ｎａ、Ｋ、および／またはＬｉイオンのときＭｘＨｙ（ＰＯ４）ｚ｝、グッド緩衝剤、アミノ酸、カルボン酸緩衝剤などである。非ｐＨ緩衝剤電解質は、アルカリ、アルカリ土、アンモニア、亜鉛イオン、およびあらゆる可溶性組み合わせの混合物を含むその他同種のもの、硫酸イオン、塩素イオン、臭化物イオン、アルキルスルホン酸イオン、アリールスルホン酸イオン、硝酸イオン、フェノラートイオンなどの塩からなる塩水および／または塩溶液を含むことができる。
【００６２】
通常、流出−１２５３は水溶性溶液であり、流出−２５４は選択されたカソード液電解質によってセル内に発生された水素を含むことができる。水素は、排出されるか、または別の方法で廃棄される。デバイダ２２７は、有っても無くてもよい。有る場合は、デバイダ２２７は、通常、イオン交換メンブレンなどのメンブレンである、または好ましいいくつかの実施形態において、デバイダは、２つの空間２３１、２４１間の混合を流量制御によって防止する溝の付いたまたは開放孔デバイダであってもよい。メンブレンを簡単なデバイダで置き換える場合、デバイダは、単純なスクリーン、好ましくは、流量制御の助けとなる微細なスクリーンであるとよい。
【００６３】
空間２３１において、導波路２０７から第１導体層２１１を貫通してきた、触媒活性層２１５に入射した光２０１は、流れ２５１に入る水を酸化させることによって過酸化水素を生成し、流れ２３１によって受け入れられている過酸化物は、流れ２５３として引き出される。流れ２３１がセル中に長く残るほど、過酸化水素が該セル中でより多く蓄積されるので、より高いＨ２Ｏ２濃度が出口流２５３中に生み出される。この要領で、電解質２５１の流速制御によって、流れ２５３中のＨ２Ｏ２濃度が同様に制御される。流れ２５３を流れ２５１に戻してＨ２Ｏ２濃度をさらに強め、およびアノード液の良好な温度制御を確実にすることが最も好ましい。流出−２２５４の水溶性溶液は、通常、効率および操作性の向上のために、流入−２２５２へ再循環される。前述のとおり、バイアスのかかっている電圧を通常Ｖ＋およびＶ−の標示がある電極間に印加すなわち発生させる。別の実施形態において、２１５に面した活性層を有する半導体ＰＮ結合すなわちダイオードを使用すれば、そのように発生させたバイアス電圧によって、第１導体および活性層に極性を与えることができる。
【００６４】
ここで図２Ｂを参照すると、本発明の更なる実施形態は、光２０１が導波路２０７の終端部に配置された反射防止被覆２０３Ａに入射される装置２００Ｂを備えている。いくつかの実施形態においては、本明細書で説明したとおり、第２反射防止被覆２０８を、導波路２０７と第１導体層２１１との間、および導波路２０７に隣接して配置してもよい。
【００６５】
ここで図２Ｃを参照すると、本発明のさらなる実施形態は、触媒活性層２１５の外側表面２１６に隣接し、かつ触媒活性層２１５と空間２３１内の水溶性電解質２５１との間に配置された保護層２２０を備えている。保護層２２０は、水溶性電解質２５１による浸食から活性層２１５を保護する役割を果たしている。酸内で急速に溶解する金属酸化物触媒、たとえば、ＺｎＯの場合、通常、侵食は以下のように発生する。
【００６６】
ＺｎＯ（固体膜）＋Ｈ２Ｏ→Ｚｎ（ＯＨ）２（表面）
Ｚｎ（ＯＨ）２（表面）＋２Ｈ＋（アノード液から）→Ｚｎ２＋（水溶性）＋２Ｈ２Ｏ
ここでＺｎ２＋（水溶性）は、溶解した亜鉛イオンを示し、したがって光触媒の浸食を示す。
【００６７】
保護層２２０に好適な候補は、多孔質金属膜、亜鉛のリン酸塩にされた層またはリン酸アルミニウム、またはそれらの混合物、ＴＩ（ＩＶ）、Ｓｎ（ＩＶ）、Ｗ（ＶＩ）、Ｃｅ（ＩＶ）、Ａｌ（ＩＩＩ）、Ｃａ（ＩＩ）、Ｂａ（ＩＩ）、希土類イオンＹ（ＩＩＩ）、Ｇｅ（ＩＶ）、Ｂ（ＩＩＩ）などのドーパント金属イオンであってよい。含水重合体膜およびゲルもＺｎＯおよび他の容易に溶解される薄膜の可溶性を遅らせるために使用できる。アノード液中でＺｎＯ薄膜の溶解を防止する最も好ましい方法は、ｐＨを６から１０の範囲内に制御するｐＨ緩衝剤を含有する電解質を使用することである。
【００６８】
ここで図２Ｄを参照すると、この図は、活性層２１５が２つの活性層、第１活性層２１５Ａおよび第２活性層２１５Ｂによって置き換えられている図２Ａ〜２Ｃのセルの一部を示している。光子を捕捉する第１活性層２１５Ａは、電荷分離を可能にする一方、第２活性層は過酸化水素生成をもたらす。本明細書においてさらに説明する通り、第１活性層２１５Ａ内の物質が光子捕捉および電子の分離により有効である場合、この実施形態は有用である。この実施形態は、第２活性層２１５Ｂが、過酸化水素生成において第１層２１５Ａより有効である場合、やはり有効である。たとえば、ＴｉＯ２などのいくつかの物質は、活性酸素または過酸化水素よりむしろ酸素を生成しがちである。第１および第２活性層に有効な物質の例には、本明細書に記載したこれらの金属酸化物およびその他同種類のものが含まれる。オプションの多孔質保護層２１７は、本明細書においてさらに説明する通り、第２活性層２１５Ｂに対して腐食性があるという条件下で使用できる。
【００６９】
図２Ｅを参照すると、光分解型過酸化水素発生装置１１０は、水溶性溶液または電解質を処理空間から光分解型過酸化水素発生装置１０へ入口１２を介して注入している。水溶性溶液は、流量配分器によって一つ以上の光分解セル（単数または複数）の中に入れられる。光分解セル（単数または複数）は、階層状になった光分解セル２７を形成するようにオプションで配置することも可能である。光分解セル（単数または複数）１６に入りかつそれから出る水溶性溶液の量は、配分器２５への流速によって制御される。
【００７０】
光源２０は、光分解セル（単数または複数）１６を照射し、それによって、光分解セル（単数または複数）１６内で光化学反応が開始され、最後に活性酸素が形成される。光分解セル（単数または複数）１６内のカソード化学反応から形成される付加水素ガスは、一つ以上のガス分離デバイス２４に入り、最後には排気出口２８を通って排気される、またはガス拡散液搬送管を通って拡散できる。いったん水溶性溶液が活性酸素を含有すると、水溶性溶液は、出口２２を介して処理空間へもどされる、および／または更なる濃縮のために流れ１２に再循環される。光分解型過酸化水素発生装置の構成要素の中で、化学反応と、活性酸素、水素ガスなどの量と、発生された化学物質および／または潜在的毒性の存在を監視するためのセンサ技術、電子制御機器、供給電源、およびポンプは、この実施形態内に示されていない。なお、ポンプは、電解質再循環の場合必要である。
【００７１】
ここで図２Ｅを参照すると、本発明の個別セルは、通常並列形状に積み重ねていっしょに連結し、セルスタックを形成できる。この設計によれば、スタック内の各光分解セルの照射が可能になる。たった１つか２，３の電解質入出ポイントしか必要としない、あらゆるガスが電解質流とともに出て行き、公知の設計に属するガス／液体分離デバイスの使用は排除される。
【００７２】
光分解型過酸化水素発生装置の主要構成要素は、光分解セル１６である。たとえば、図２Ａ〜２Ｆを参照されたい。ここで図２Ｆを参照すると、光源２０からの光エネルギー２１は、透明ウィンドウ３０を通って光分解セル１６に入り、導体２６を貫通して、光活性化触媒３２の層を活性化させる。すべての光は、ウィンドウ３０上のＡＴＲ薄膜によってウィンドウ３０内に反射して戻される。より詳細に後述する通り、そのような光活性化触媒の例は、ＺｎＯなどの金属酸化物（単数または複数）である。使用する触媒３２によって、光活性化触媒３２は、水を活性酸素、水素イオン、および電子に変換する。活性酸素からＯ２（溶存またはガス）として酸素を生成する反応を促進する物質３４は、Ｈ２Ｏ２の生成においては避けるべきである。避けるべき物質の例は、ニ酸化マンガン（ＭｎＯ２）と、鉄（ＩＩＩ／ＩＩ）、コバルト（ＩＩＩ／ＩＩ）、銀（ＩＩ／Ｉ）、または銅（ＩＩ／Ｉ）など容易に酸化還元サイクルができる他の金属イオンとがある。なお、薄膜３４および保護層２２０は同一物である。
【００７３】
電子は、水が溶存酸素に変換される間に形成され、触媒３２から、インジウム−スズ酸化物（ＩＴＯ）、金、またはチタン金属薄膜またはスクリーンなどアノード導体層２６に伝導される。チャンバ３７において、過酸化水素は、水溶性溶液に入り、出口２２を介して処理空間へ流れる。
【００７４】
図３は、光分解セル３１６のフロースルーセルの貫通実施形態を示す。フロースルーセルの実施形態においては、光分解セル３１６の以下の主要構成要素、すなわち、真空蒸着電気導体の導電性被覆３３６、粘着性ＺｎＯの被覆３３２、オプション密封層３３４が組み立てられている。層３３４は、水溶性溶液内でＺｎＯが実質上溶解されるのを防止または低減させるために使用される。ＵＶレーザ光３２０は、反応を開始するように、透明ガラスまたはクオーツ基板上に当てられる。後述のとおり、このセルは、本発明の肝要な構成要素を実証するレーザＵＶ照射の機能としてｐＨおよび電流データを収集するために利用された。
【００７５】
この関連で、図３の光分解セル３１６は、紫外線レーザ光などの光源３２０から光子３２１の形状で光エネルギーを入れるための透明ウィンドウ３３０または導波路を含む。スライドガラスの一側面上にＡｕ、ＩＴＯ、Ｔｉ、Ｃｒ、または他の金属膜などのアノード導体層３３６がある。ＴｉＯ２、白金ＴｉＯ２、および好ましくはＺｎＯなどの光活性化触媒３３２の層が、アノード導体層３３６に付着されている。密封層３３４など、水溶性溶液内で金属酸化物溶解を制御するオプション物質は、多孔質金属膜、亜鉛のリン酸塩にされた層またはリン酸アルミニウム、またはそれらの混合物、Ｔｉ（ＩＶ）、Ｓｎ（ＩＶ）、Ｗ（ＶＩ）、Ｃｅ（ＩＶ）、Ａｌ（ＩＩＩ）、Ｃａ（ＩＩ）、Ｂａ（ＩＩ）、Ｙ（ＩＩＩ）、Ｇｅ（ＩＶ）、およびＢ（ＩＩＩ）などの希土類イオン、およびその他同種類のものなどのドーパント金属イオンである。多孔質薄膜、プレート、およびゲルも、ＺｎＯおよび他の容易に溶解される薄膜の可溶性を遅延させるために使用できる。アノード液中でＺｎＯ薄膜の溶解を防止する最も好ましい方法は、光活性化触媒層３３２に隣接する、ｐＨを約６〜約１０の範囲内に制御するｐＨ緩衝剤を含有する電解質を使用することである。図３の光分解セル３１６は、通常、シリコーンガスケットまたはスペーサ３４０およびアクリル製ハウジング３４２の中の一つ以上の層を含む。対になっているアノード液３４４（入／出）は、光活性化触媒層３３２またはオプションの触媒層３３４に接続され、および透明ウィンドウ３３０から遠くへ光分解セルを貫通して延在する。光分解セル３１６は、ＮＡＦＩＯＮ（商標）メンブレンなどのオプションのカチオン交換部材３４６をさらに含む。対になっているカソード液３４８（入／出）は、陽イオン交換部材３４６に接続され、通常透明ウィンドウ３３０から遠くへ光分解セル３１６を貫通して延在する。光分解セル３１６はさらに、シリコーンスペーサ３４０に隣接する、Ｐｔ、ステンレス鋼、またはニッケル箔などのカソード電極３３８を含む。本発明の本実施形態の動作および使用について、以下の実施例でさらに詳しく説明する。
【００７６】
図４は、光分解型過酸化水素発生装置の光分解セル４１６中で生じる電気変換および化学変換を示す概略図である。活性酸素に乏しく、処理空間、新鮮な溶液が不十分な水溶液は、入口４１２で光分解セルに入り、および／またはポンプ４１４を経由して入口４１２を介して流れ４１７から再循環される。光子（ｈｖ）４２１は光源４２０から発生し、透明ウィンドウ４３０または導波路４１８を通って入り、０．４〜２００μｍのＺｎＯ薄膜などの光活性化触媒４３２を活性化させる。用いる金属酸化物触媒の選択に応じて、光活性化触媒４３２は、アノード電解質の境界面４３４で水を活性酸素に変換するか、および／または水を過酸化水素に直接変換する。
【００７７】
水から活性酸素への変換により放出される電子は、透過性のコレクタ電子アノード４３６内に収集される。バッテリ４４９などの直流電気エネルギー供給部からか、または直流電力供給部から印加される電気的に正の電圧は、電子をアノード４３６から黒鉛またはニッケルなどのカソード４３８へ流れさせることにより、電子が活性酸素と反応して逆反応を起こすことがないようにする。
【００７８】
光分解で発生した電流および電子流は、流速計４５０および光学的な外部負荷４５２（この抵抗器は、有用な工程、たとえば液体用ポンプおよび／または蒸気／気体用ポンプの作動、または電子制御部への電力供給などを行うための負荷とすることができる）によって監視することができる。カソード液４４８は、アノード液と同じものとすることも、または異なるものとすることができ、あるいはカソード４３８で再生を要する使用済アノード液とすることも可能である。カソード液およびアノード液の組成に応じて選択されたイオンである陰イオンまたは陽イオンの交換膜、すなわち微孔性分離器４４６を挿入することにより、２つの半セルを離れた状態に維持してシステムを分割セルとすることができる。タンクおよびポンプ４２４は、カソード液およびアノード液を受け入れるサージタンクまたは製品タンクを表す。電解液面は、これらのタンク内の液面を電子的または目視的に検査することで監視が行われる。
【００７９】
本発明の一態様では、これらの電子から生じた電流は、本願で別途説明した、そのような機械デバイスを駆動するのに、および／または光アノードに電気的に接続されたカソードで望ましい電気化学反応を促進するのに十分な電圧に調整することができる。カソードで発生する電圧は、励起子の電圧の和から、カソードへの電気回路およびセルを介して光アノードへつながって完結する全回路にわたるあらゆるＩＲドロップを引いて決定することができる。カソードの電圧は、光触媒を照射している光子のエネルギーからも決定および制御することができ、ここで光子あたりのエネルギーが大きければ、回路内で発生する電圧も大きくなるが、必ずしも線形応答ではない。さらに、電圧は光分解セルを直列に接続することで上げることができ、電流フローは光電セルを並列に連結することで促進することができる。電流および電圧の両増幅は、光分解セルのグループを並列および直列の両配置からなる一定のパターンで構成することにより実行することができる。直流増幅器は、電圧を増幅するのにも使用することができる。追加の増幅は、さらなる照射によっても実現することができる。必要とされる電圧増幅量は、カソードで望まれる電気化学反応のために要する電圧および回路周辺の内部ＩＲドロップによって決定することができる。電圧が低く、十分な過電圧を有しない電気化学還元（カソード）反応には、追加の増幅がほとんどまたは全く必要なくなる。これは、良好な電気接触、高導電性の電解質、およびメンブレンが存在するならば内部メンブレンにわたる低いＩＲドロップによって、内部ＩＲドロップが最小化されるときに、セル回路内にみられる高電流に反映される。ますます要求される電気化学還元の化学反応を選択することによって電圧要求が増えると、光電セルの多層スタッキングは、速いカソード生成速度を実現するためにより望ましいものとなる。カソード電極物質の選択では、小さな過電圧およびＩＲドロップを促進するのに望ましい化学還元に適合するものを選択する必要があることに注意されたい。
【００８０】
十分な電圧および上述のものを考慮して適切に設計すると、光触媒から発した電子は、水、酸、またはｐＨ緩衝剤と反応するように誘導することができ、カソードで、水素ガス、Ｈ２、または他の電気化学的還元性化学種（ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌｌｙ  ｒｅｄｕｃｉｂｌｅ  ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｓｐｅｃｉｅｓ）を生成する。好ましい還元種は、先に示したものである（上記の流入−２２５２を参照）。水素ガスは、形成されるとガス分離または吸着デバイスに運ばれ、ここでは、水素ガスが収集および／または放出され、あるいは共同副産物として使用するのに収集される。陽イオン、好ましくはナトリウム（Ｎａ＋）イオンまたはＨ＋イオンは、水溶液（アノード液）から陽イオン交換膜４６を通って移動し、ヒドロキシルイオンと反応してカソード液４８中に水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）を形成する。光活性化触媒で水の変換によって生成された水素イオンはさらに、公知の急速「プロトンホッピング（ｐｒｏｔｏｎ  ｈｏｐｐｉｎｇ）」機構を介し、分離器（陽イオン交換膜、プロトン交換膜（ＰＥＭ）、微細なスクリーン、多孔質フリット、または多孔質セラミック、単独あるいは任意の組み合わせのいずれか）を介してカソードに拡散し、ここでＨ２に変換されるかまたは別のカソード反応に関与し、あるいはヒドロニウムイオン｛Ｈ＋（ａｑ）、Ｈ３Ｏ＋（ａｑ）、または単にＨ＋｝として、陰イオンを生成する他の化学種の電気化学還元によってそこに形成される酸の一部として、留まる。例として、水中にＢｒ２を含有する臭素水は、カソードで反応して臭化物イオンすなわちＢｒ−（ａｑ）を生成することができ、アノード液部分からのＨ＋イオンに結び付く場合は、臭化水素酸、ＨＢｒ、溶液、水蒸気、またはガスを生成する。他の例として、オキソンを生成する硫酸、トリオダイド（ｔｒｉｏｄｉｄｅ）イオンを生成するＨＩ、または電気化学還元および同時のもしくは後続のＨ＋イオンと結合またはプロトン化するための他の候補（上記の流入−２２５２のリストを参照）があげられる。ガスがカソード発生装置で生成されるなら、ガスは一つ以上のガス分離デバイス２４に運ばれ、排気されるか、または後続の反応もしくは用途に使用される。活性酸素を含む水溶液は、出口１７を介して光分解セル１６を出て、処理空間にもどる。
【００８１】
本発明の様々な特定の構成要素および／または工程を、以下にさらに詳細に記載する。
【００８２】
１．透明ウィンドウ３０
透明ウィンドウ３０は、プレート、薄膜、またはガラス被膜、石英スライド、石英、溶解シリカ、シリカゲル、透明プラスチックなどから形成することができる。ＵＶ透過性が、必要とされる波長において適当なものであれば、ガラスは透明ウィンドウの形成に有用である。石英スライド、膜、またはプレートも、ＵＶ透過性が高いため有用である。透明ウィンドウでは、背部、側面部、端部、または底部から、該ウィンドウに光を通入することができる。透明ウィンドウを介した端部からの照射は、レンズまたは導波路（単数または複数）を含むことができる。電解質吸収を少なくするかまたはなくすことによって、照射を、電解質を介して行うことができる。このように、より簡素なデバイスの設計は、熱制御部であるとき可能である。オペーク電流コレクタを使用することができ、カソードは光アノードに戻ることができることによってさらに容易に配置されるため、電解質を介する照射は本発明の最も好ましい構成である。
【００８３】
さらに、透明ウィンドウは導波路を含むことができる。導波路は光源からの光子（ｈｖ）を、光活性化触媒の表面上の少なくとも一部に、均一に供給および／または分配する。最も好ましくは、導波路が光子を経路に沿って移動させることによって、光子は光活性化触媒の全層に最大限に接触する。光は、透明ウィンドウに取り付けられた、光活性化触媒の表面に対して通常平行な透明ウィンドウの側面部の導波路に入る。導波路により、透明ウィンドウに取り付けられた全ての光活性化触媒の側面部に直接照射することなく、最大限の光量子が光活性化触媒に接触できるようになる。さらに導波路により、光を光活性化触媒に直接照射する必要はなく、むしろ透明ウィンドウにおいて側面部または端部から間接照射することができるため、最大限の光分解セルをスタッキングできるようになる。光は光活性化触媒の全表面にわたって拡散することができるため、導波路は、光分解セル内で使用される光の効率をさらに向上させる。
【００８４】
アノード導電流コレクタ層３６
アノード導電流層３６は、光子吸収により発生した電荷分離から光触媒の伝導帯内に放出される電子を伝導する。アノード電流コレクタの導体層および関連する内部バイアス電圧、外部バイアス電圧、および／またはカソード反応カソード分極は、水を再生するのに、電子が光触媒１８との水界面で生成されるＨ２Ｏ２を含む活性酸素と逆反応しないようにすることにより、活性酸素およびＨ２Ｏ２の最大限の生成（最大限の量子収率）を可能にする。アノード導体層は、適用され、形成され、または光触媒に別に密接に結合される、薄膜または被膜であることが好ましい。照射が電流コレクタ層を通して行われる場合は、１９０ｎｍ〜７５０ｎｍに相当する電磁スペクトルの少なくとも一部にわたって、少なくとも部分的に透過的である必要がある。この場合、電流コレクタは、透明ウィンドウの少なくとも片側面部、好ましくは両側面部に、物理的に密接に取り付けられる。最も好ましくは、透明ウィンドウは反射防止被膜も含み、量子収率効率をさらに増進させる。
【００８５】
アノード導体層は、数々の従来のやり方で形成することができる。以下に、２つの異なる方法を記載する。蒸着、無電解金属めっき、または真空スパッタコーティングなどの一つ以上の公知技術を用いて、およびグリッドを作るフォトレジストパターニングによってまたはよらずに、薄膜またはグリッド、あるいは一様な金属または半導体材料を透明ウィンドウに取り付けることで、アノード層を形成することができる。そのようなグリッドは、その中に収集されるあらゆる電子が外部または内部回路に流れるように電気的に連続させる必要があり、このため、膜は電流コレクタとしての機能を果たすことができるようになる。膜は、約０．２μｍ未満の厚さを有することが好ましい。好ましくは、膜は貴金属、黒鉛状炭素、銅、スズ、銀、金、白金族金属、インジウムスズ酸化物半導体、チタン、酸化第２スズ、窒化ガリウム、金属など単独またはいずれかの組み合わせから形成される。最も好ましいものは、酸化されると活性酸素および／またはＨ２Ｏ２の生成において光分解で活性する金属であり、たとえば、チタン、亜鉛、ガリウム、カドミウムなどである。金はどのような状況でも金属性のままであるが、ＵＶ光の遮断または反射に非常に有効であるので、光を孔に通させるスクリーンまたはグリッドとして、最も効果的に使用されることとなり得る。ここで有用である典型的な金属および半導体には、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、およびＩｎ−Ｓｎ  ｏｘｉｄｅ（ＩＴＯ）など、および金属酸化物膜形成物、Ｔｉ、Ｚｎ、Ｃｒ、Ｗ、Ａｌなどがあげられる。
【００８６】
以下は、金属を用いて導電流層３６および光触媒１８の両方を形成する実施例である。亜鉛は、空気にさらすことで、または最も好ましくは、亜鉛金属のスパッタリング中または化学気相蒸着中にＯ２を真空蒸着チャンバに添加することでＺｎＯに酸化させることができ、優れた接着性を持つ触媒層を得る。Ｔｉ／ＴｉＯ２およびＷ／ＷＯ３デュアル膜、ならびにこれらの金属のブレンド、単独あるいはドーパントおよび／または染料感光剤との組み合わせも、同じようにして調製することができる。
【００８７】
アノード電流を収集する導体層３６はさらに、フォトレジスト技術を用いて形成することができる。フォトレジスト技術では、グリッドは感光性のフォトレジスト有機材料およびマスクを使用して、蒸着によって作成される。これらのレジストは、適用後、ＵＶにさらしてパターンをレジストに硬化させ、次いで、マスクをＵＶ硬化放射線にさらし、試薬で溶解してあらゆる未硬化フォトレジスト素材を除去し、次いで硬化したパターンへの金属めっきまたはスパッタコーティングを施すことによって、マスク単独でのパターン、たとえば、線、グリッド、またはスクリーンになる。このような薄膜処理方法は、当技術分野では公知であり、集積回路製作（ＩＣ  ＦＡＢ）とも称される作業である。光減衰を最小化し、十分に近接した電界効果を光触媒膜に、良好な電気接続を光触媒半導体材料にもたらし、導電性領域に、隣接する光活性化触媒層１８から電子を一掃させるために、導体線の間隔、幅、および厚さの最適化および光の波長範囲に合わせることが最も好ましい。
【００８８】
３．触媒３２および３４
一つ以上の光活性化触媒３２の層は、アノード導体層上に被膜される。使用時、光活性化触媒は、上記および下記のとおり、あらゆる方向から光化学的に照射されると、水と反応して活性酸素中間体を形成し、活性酸素は最終的に過酸化水素Ｈ２Ｏ２に変換される。本出願における用語「活性酸素」は、あらゆる遊離原子、過酸化物、一価の酸素、オゾン、水酸基フリーラジカル、超酸化物、一重項酸素、または水と接触して光触媒が光分解的に活性化する反応によって形成されるラジカル酸素の中間体を定義し、最終的に過酸化物、過酸化陰イオン、ＨＯ２−、または過酸化水素に変換されるのが最も好ましい。生成される活性酸素は過酸化物の形態であり、一つ以上のＨ２Ｏ２、過酸化物イオン塩（ｐｅｒｏｘｉｄｅ  ｉｏｎ  ｓａｌｔ）、水酸基フリーラジカル、超酸化物イオン、一重項酸素など、またはこれらのブレンドもしくは混合物を含み、水または水蒸気の界面で自然に過酸化水素へ変換される。しかしながら、あらゆる全てのこれらの酸素の活性形態は、減菌またはエッチングの用途に有効である。活性酸素および生成された過酸化物の量および種類は、使用する光活性化触媒および使用する電解質（アノード液）組成物によって決まる。さらに、使用する光活性化触媒および電解質によって、水は、最も好ましくは、相当量の他の活性酸素中間体を最初に形成することなく、過酸化水素へ光分解的に直接変換されてもよい。
【００８９】
いくつかの異なる触媒は、過酸化水素を光化学的に生成するのに使用することができる。過酸化水素を光化学的に生成するのに使用できる一つの触媒は酸化亜鉛であり、添加物、ドーパント、染料感光剤、および／または密封被膜を伴うまたは伴わない。酸化亜鉛を使用することで、Ｈ２Ｏ２は直接水から約６〜約８のｐＨで生成される。Ｈ２Ｏ２は、減菌、エッチング、酸化、またはフェントン試薬もしくはＤＮＡ指紋分析（遺伝子検査）など、他の使途を提供する活性酸素の優れた形態である。酸化亜鉛膜は公知の膜形成技術を含む他の好ましい属性を有し、真空型または開放型のいずれかの生成環境（たとえば、亜鉛／硝酸塩／グリシン反応など、または真空スパッタ技術によって）で調製でき、Ｈ２Ｏ２の収率が高く、毒性影響が低く、低コストである。
【００９０】
光化学的に過酸化水素を生成するのに使用できる別の光触媒物質の例には、酸化タングステン（ＷＯ３）があり、可視光にさらされ、ｅ−ｓｃｂ除去法を用いるものである。ＷＯ３は、最初に活性酸素種の生成を要することなく、直接水から酸素（Ｏ２）を得る傾向があるので、酸化物、たとえばＺｎＯまたは表１の酸化物の１つ、またはこれらのブレンドを形成するＨ２Ｏ２の第２の膜で最初に被膜されなければ、低収率のＨ２Ｏ２だけを得る。上述のとおり、ＷＯ３は他の要素、ドーパント、染料感光剤と適切に混ぜることができ、酸性のアノード液／電解質および／または容易に還元される溶質を含む電解質などの条件を用いて、収率および量子効率を向上させることができる。ＷＯ３は、可視光のみがＷＯ３からＨ２Ｏ２を生成するのに必要であるため、特にドープした場合、約４９６ｎｍ以上の波長でこれらの多層は構築するのが好ましい。別の利点として、ＷＯ３膜は低い毒性影響を示す。好ましくは、ＷＯ３または他のあらゆる光触媒の使用には、水からのＨ２Ｏ２生成時に生成される余分なｅ−ｓｃｂを除去することがさらに含まれ、先に記載したような、酸化鉄イオン、フェロセン誘導体、フェロシアン化物／フェリシアン化物、三ヨウ化物／ヨウ化物、臭化物／臭素酸イオン、キノリン／８−ヒドロキシキノリン、フェロイン、トリス（オルトロフェナントロレン（ｏｒｔｈｒｏｐｈｅｎａｎｔｈｒｏｌｅｎｅ））鉄（ＩＩ）／鉄（ＩＩＩ）、ピリジン系錯体のルテニウム錯体などの、緩徐に還元する酸化還元剤が用いられる。
【００９１】
水と反応してＨ２Ｏ２を生成するのに好適な他の触媒を、ＵＶ／ＶＩＳ放射物に基づいて表１に示す。電流コレクタのアノードは、最終的に良好なＨ２Ｏ２生成速度および流束を得るため、およびあらゆる逆反応を最小限に抑えて反応物を再生するために、ｅ−ｓｃｂを効率良く生成領域から除去する。ｅ−ｓｃｂの除去は、電子伝導を介し、増強を伴うＩＴＯ電流コレクタ半導体の特性によって、小型直流バイアス電圧を適用し、以下の一つ以上を使用することで行われる。ＰＮ接合（たとえば、光触媒と電流コレクタとの間の界面にある）、ダイオード、印加された外部直流バイアス電圧、簡易のカソード反応など。
【００９２】
表１の物質の照射により、単独またはいずれかを組み合わせてＨ２Ｏ２が生成され、全部ではないが、ほとんどのものは低い毒性影響を示す。
【００９３】
最も好ましくは、たとえばｐＨ緩衝剤または濃酸あるいは塩基性化合物を使用するｐＨの制御および維持は、不溶性および動力学的不活性（ｋｉｎｅｔｉｃ  ｉｎｅｒｔｎｅｓｓ）を強化して、使用中および維持中の溶解および汚損を最小限に抑える。金属酸化物および金属水酸化物で示されるそのようなｐＨ領域の安定性は、好ましくは、ＵＶ光は、継続照射により、ｅ−ｓｃｂがＨ２Ｏ２との逆反応を蓄積および強化して水を形成してもよいため、化学反応が起こる時間を与えるように光触媒の照射中に遮断および脈動される。照射中の中断は時間をより遅くすることができるが、非常に速いままだと、約１秒〜約１ミリ秒の範囲の照射が起こる。
【００９４】
水と反応して最終的にＨ２Ｏ２を生成するさらなる触媒は、半導体微粒子（ＳＣＰ）充てんＵＶ／ＶＩＳ線透過性熱可塑性フィルムである。ＳＣＰ充てん熱可塑性フィルムは、製造および成型するのに比較的安価なものである。ＳＣＰフィルムは、容易に鋳造でき、押出でき、切断、および機械生産されるものである。ＳＣＰは、表面適用のみの形態において非常に有効に使用することができる。さらに、ＳＣＰは低い毒性影響を有し、広範囲のｐＨにわたって安定的である。市販用に最適化されたもの（導電性プラスチックフィルタ粉末）でも可能であり、これらは、分散、粒子間電気伝導率（ｅ−ｓｃｂ除去の）、低、中、および高ｐＨ抵抗、ならびに耐はがれについて良好な特性を保有し、本光分解型過酸化水素発生装置において使用することができる。
【００９５】
以下のさらに好ましい条件は、上記の触媒のそれぞれに使用してもよい。第１に、外部的または内部的な印加を小型のセルに施すこと（たとえば約１ボルト、ただし、１０分の１ボルトと同じ低さ、さらには１００分の１ボルトと同じ低さの、ほんの数ボルトＤＣまで上げてよい）。このバイアス電圧は、必要に応じて、ｅ−ｓｃｂを素早く生成拠点から確実に伝導させるように印加することができる。このバイアス電圧はアノードに電荷することで働き、次いで光触媒にわたる電界を形成することによって、負に帯電した電子を電流コレクタに誘導する。好ましくは、１ボルト未満で使用する。最も好ましくは、１ボルトよりはるかに少ない０．１ボルトが最も好ましく、０．０１ボルトが最も好ましい。さらに、カソード反応が光触媒アノードからの電圧で急速に可逆する場合、バイアス電圧にさらに印加すると過剰になってしまうこともある。光触媒が導電性を帯びるにつれて、および／またはカソードで還元反応が起こりやすくなるにつれて、電子収集に効果的なバイアス電圧は低くなる。
【００９６】
第２に、遮断された照射は、連続的に加えた照射の代わりに、必要に応じて、光触媒内に蓄積した電子濃度による不必要な二次的化学反応、特に、電子正孔の再結合、活性酸素の還元、またはＨ２Ｏ２生成物から水への還元が起こるのを防ぐのに使用されてもよい。二次的化学反応は光化学反応よりはるかに遅く、かつ励起子成分の除去によって、励起電子が系を抜け出し、活性酸素またはＨ２Ｏ２からの出発物質の再生の際に励起電子が存在して水を再生することはなく、光分回収率が上がるので、この強化は可能であると考えられている。さらに、非常に高い光子束強度、およびインタールードでは、十分な電子基底状態の触媒物質が、代わりにランプ寸法および関連する供給電源を減らす量子収率を代わりに増進することよりも、高い光子吸収因子に対して存在することを確実にする。
【００９７】
酸化亜鉛（ＺｎＯ）または表１のその他の物質などの光触媒系は、ＴｉＯ２またはＷＯ３あるいは表２にあるその他の触媒などの他の光触媒よりも、活性酸素が発生しやすいため、過酸化水素を放出するのに優先的に選択される。いかなる学説にとらわれるわけではないが、この選択的なＨ２Ｏ２発生能力は、以下のように理解される。表１の物質などルイスの酸／塩基理論の定義に基づく酸性の低い金属イオンは、水により光触媒の固相の表面でプロトン化する（Ｈ２Ｏ２のｐＫａ１は２５℃で１１．３８であり、Ｈ２ＯのｐＫａ１は２５℃で１４．０である）のと比較して、Ｏ２２−またはＨＯ２−のいずれかの高アルカリ性過酸化物陰イオンを十分に安定化できないため、過酸化水素すなわちＨ２Ｏ２は表１の物質、たとえばＺｎＯから急速に生成される。
【００９８】
【化７】
2009508676.tif 000009
ＺｎＯ膜および粒子は、制御されたもの以外の組成物、形態、厚さ、および有孔率を変更して、数々の方法で調製することができる。たとえば、亜鉛のミラー、ドープ亜鉛、および亜鉛合金は、光学的に透過性を持つ支持体にスパッタされ、その後Ｏ２（ｇ）で酸化され得る。この処理により金属／金属酸化物（Ｚｎ／ＺｎＯ）二重膜が製造される。半導体ＺｎＯ系膜を調製する別の極めて効果的なやり方は、空気中で光学ガラスを含む表面上にＺｎＯ膜を形成する工程を利用することである。（Ｌ．Ｒ．Ｐｅｄｅｒｓｏｎ，Ｌ．ａ．Ｃｈｉｃｋ，ａｎｄ  Ｇ．Ｊ．Ｅｘａｒｈｏｓ，米国特許第４，８８０，７７２号（１９８９））。光学ガラスの被膜技術は、硝酸亜鉛／グリシン水溶液を浸漬または噴霧として適用することに基づいており、続いて乾燥（１１０℃で１５分間）し、次いで加熱（４５０〜５５０℃で３分間）して、発熱型自主駆動の酸化反応を開始し、その間炭素および窒素はガスとして抜け、粘着性をそのまま下にある表面（たとえば、この例ではガラス）に接着している多孔性ＺｎＯ膜に残す。これは、グリシン窒素工程とも称される（Ｌ．Ｒ．Ｐｅｄｅｒｓｏｎ，Ｌ．ａ．Ｃｈｉｃｋ，ａｎｄ  Ｇ．１Ｅｘａｒｈｏｓ，米国特許第４，８８０，７７２号（１９８９））。通常、ＺｎＯ膜はアルミナでドープして、最初の浸漬用の水性調合物中の硝酸アルミニウムを含めることで製造される。多くの他の金属イオンブレンドも、参照した特許に記載されるように、この技術によって可能となり、これらの文献は参照によって本願に引用される。
【００９９】
酸化タングステンすなわちＷＯ３の利点は、Ｈ２Ｏ２を生成するのに可視光のみを要することである。しかしながら、ＷＯ３は、溶存酸素を生成するのに第２の触媒を要することなく、酸素を直接生成する傾向がある。ＷＯ３の光子エネルギー要求がより低いのは、バンドギャップ２．５ｅＶがＴｉＯ２（ａ）の少なくとも３．２ｅＶ対して小さいからである。ＴｉＯ２のアナターゼ系のように、ｅ−ｓｃｂ電子が除去されるならＷＯ３触媒での高収率が可能となる。これらの溶解しにくい金属酸化物光触媒（表２のような、たとえば、ＷＯ２、ＴｉＯ２など）を用いて、第２の層を使用せずに表１の一つ以上の酸化物からＨ２Ｏ２を生成することには、アノード液は酸性である必要があり、好ましくはｐＨ＜４、より好ましくはｐＨ＜２、最も好ましくはｐＨ＜１である。このように、ペルオキシ種は、Ｈ２Ｏ２を生成および放出後にＯ２へ不均化する触媒の表面上に形成されるときにプロトン化される。
【０１００】
これらの高融点金属酸化物光触媒（表２など）は、Ｈ２Ｏ２が生成する金属酸化物触媒の第２層（表１などから選択される）で被膜することができ、ｈ＋＿部分が触媒層２／水界面または触媒層２／孔シーラー／水界面に到達するとき、金属酸化物触媒の第２層は第１の光触媒フィルム層からｈ＋部分を受け取り、次いで第１の光触媒フィルム層は、第２層の触媒（表１などから選択される）と同じか多少アルカリ性のｐＨという位置において、Ｈ２Ｏ２生成ができるようになる。たとえば、ｐＨ６〜９の電解質または水は、ＴｉＯ２フィルム３２の第１の層の表面上に置かれたＺｎＯ３４の第２の被膜層に使用され、伝導体フィルム３６に適用されている（図４）。
【０１０１】
Ｈ２Ｏ２生成フィルムが充てんプラスチックである場合、利点を有する。そのような物質は、丈夫で、安価で、製造しやすいものが多い。半導体、微光吸収、プラスチックの無機充填剤には商業的供給源があり、それらは既成の条件で供給され、プラスチックに組み込まれ、プラスチックを導電性にする。たとえば、Ｅ．Ｉ．ｄｕＰｏｎｔ  Ｎｅｍｏｕｒｓ，Ｉｎｃ．は電気伝導性粉末（ＥＰＣ）をＺＥＬＥＣ（登録商標）ＥＣＰの商品名でそのような用途のために販売している。ＺＥＬＥＣ（登録商標）ＥＣＰの導電性材料は、アンチモン添加酸化スズ（ＳｎＯ２：Ｓｂ）である。これらの物質の大部分は、伝導体が被膜されており、雲母片、ＴｉＯ２などの無機物、および中空のシリカシェル、またはＥＣＰ−Ｍ、ＥＣＰ−ＴおよびＥＣＰ−Ｓがそれぞれよく知られている。純粋なＳｎＯ２：Ｓｂ系物質は、指定のＥＣＰ−ＸＣであり、その他の物質よりもずっと小さな粒子である。約２５〜４５重量％のＥＣＰ生成物を使用することで、粒子同士が十分に近接して、他の伝導していないプラスチック間中に内部電気接続を供給する。通常、ＥＣＰ−ＳおよびＥＣＰ−Ｍは、濃度がより低いものに対して最良の性能を発揮する。ＥＣＰ−ＸＣの薄膜は、非常に微粒であり、かつ強力に光吸収をするため、魅力的な被膜を供給することができる。プラスチックフィルムは可視光およびＵＶＡに対して透過的であるものが多いが、ＵＶＢまたはＵＶＣに対してはそこまで透過的ではないため、プラスチック系光触媒構成物に適用するのが最も好ましい。染料感光性光触媒系を含む場合に、これらの染料により全可視スペクトルを使用できるようになるからである。これらの場合、染料は可視またはＵＶＡ光子を吸収し、次いで電子を通常の光触媒伝導帯内へ排出し、その後伝導帯は電流コレクタに電子を奪われる。次に染料は自分の電子を電解質（水または酸化還元活性溶質）から補充する。
【０１０２】
上記のＴｉＯ２層は様々な方法で形成することができる。ＴｉＯ２層は、ゾルゲルを乾燥（その後室温または熱による硬化、あるいは焼結）して形成することができる。商品名がＬＩＱＵＩＣＯＡＴ（商標）であるＭｅｒｃｋ  ＆  Ｃｏ．，Ｉｎｃ．製の製品は、水中のチタンアルコキシド、Ｔｉ（ＯＲ）４、型の物質を加水分解してＴｉＯ２および４ＲＯＨを生成するものであり、ゾルゲル／乾燥／硬化の工程でＴｉＯ２を生成するのに使用することができる。ＴｉＯ２は、アナターゼ懸濁液を乾燥粉末から調製し、次いで浸漬し、乾燥し、該懸濁液を硬化させてＴｉＯ２層を形成することからも生成することができる。ＴｉＯ２層を形成できる別の方法は、デポジションチャンバ内で、電子ビームにより金属チタンを蒸着し、その後該チタンをＯ２にさらすことである。ＴｉＯ２層は、チタニウム塩を水に添加し、ｐＨ約２〜７に調整して懸濁液を形成し、ついで該懸濁液を浸漬し（構成（図２Ｄ、層））、この懸濁液を空気またはオーブンでフィルム状態に乾燥することによっても形成することができる。
【０１０３】
活性酸素は、ＴｉＯ２からＵＶ光の照射によって生み出せるが、活性酸素の化学形態は非常によく反応するので、活性酸素が生成されるＴｉＯ２粒子表面にごく近接して発生している副反応によって失われることがある。不必要な副反応による活性酸素の喪失を最小限に抑え、かつＨ２Ｏ２の生成を促進させるため、活性酸素を、活性酸素生成ポイントに近いＨ２Ｏ２変換ポイントへ移動させ、すなわちＨ２Ｏ２生成用金属イオン触媒フィルム（表１）をできるだけＴｉＯ２フィルムの近くに移動させ、すなわち、接触させる。
【０１０４】
副反応による活性酸素の喪失量は、活性酸素担体分子を媒体、または光合成系へのアナロジーにより”Ｄ”中へ導入することによって、最小限に抑えることができる。種Ｄで用いる試薬は、カルボン酸またはアルコールなどの有機過酸化物を容易に形成するものから選択することができる。有機過酸化物は、Ｈ２Ｏ２に容易に変換でき、酸素挿入により容易に形成することができるため、有用である。有機過酸化反応物は以下のとおりである。
【０１０５】
２（ＴｉＯ２）−Ｔｉ−Ｏ２＋ｎｈｖ  →  ２ｅ−＋（（ＴｉＯ２）−Ｔｉ−Ｏ−Ｏ−Ｔｉ（ＴｉＯ２）２＋      （２）  
ここで｛ＴｉＯ２｝はバルクＴｉＯ２フィルムを示し、−ＴｉＯ２はｈｖ吸収ポイントを示し、ここで励起電子の移動はリガンド−金属充填間の電荷移動に相当し（電荷分離の電子正孔（ｅ−ｈ＋）対または励起子）、続いて以下の反応が起こる。電子交換によって、ＴｉＩＶ−過酸化物の「正孔」は、金属酸化物触媒の表面（唯一の層または必要に応じて第２の層の表面）に移動し、Ｈ２Ｏ蒸気凝縮水に隣接し、ここでＨ２Ｏ２は、プロトン移動、電子移動および／またはＯ−原子挿入反応により生成することができる。ペルオキソ種は前述の「正孔」または「活性酸素」の例を表す。この種は、１つまたは２つの方法のいずれかでＨ２Ｏ２を直接的に、
（（ＴｉＯ２）−Ｔｉ−Ｏ−Ｏ−Ｔｉ（ＴｉＯ２））２＋＋Ｈ２Ｏ  →  ２（ＴｉＯ２）−ＴｉＯ２＋  Ｈ２Ｏ２＋２Ｈ＋    （３）
または間接的（カルボン酸の例を用いて）に、生み出すことができる。
【０１０６】
【化８】
2009508676.tif 000010
ここで関与しない他のＴｉのリガンドは示されない。過酸はその後、たとえば、殺菌または酸化のために用いることができ、濃縮されて使用され、および／または加水分解によりＨ２Ｏ２に変換することができる。
【０１０７】
【化９】
2009508676.tif 000011
ここでｅ−が半導体伝導帯へ伝導することおよび励起子の「正孔」成分の位置から離れていることは、多少の加熱および量子収率の低下以外の純変化にはつながらない、正孔のｅ−への再結合を防ぐ。上記の反応に示されるように、ＴｉＯ２アナターゼは反応３または４で再生成される。上記の反応は、水素イオンすなわちＨ＋を生成し、これは他の使途に有用であり、緩衝剤で中和され、順にカソードで再生成することができるか、またはＨ＋はカソードでＨ２に還元されて有用な生成物を形成することができるか、または廃棄物として放出することができる。
【０１０８】
活性酸素からＯ２ガスへの変換または酸素への溶解の原因となるため、本発明には望ましくない触媒の候補には、ＦｅＩＩ、ＦｅＩＩＩ、ＣｕＩ、ＣｕＩＩ、ＣｏＩＩ、ＣｏＩＩＩ、ＭｎＩＩ、ＭｎＩＩＩ、  ＭｎＩＶ、ＡｇＩ、  ＡｇＩＩなどの、酸化還元サイクリング可能な金属イオン、または二酸化マンガン、ＭｎＯ２、Ｆｅ２Ｏ３などの、酸化還元サイクリング可能な金属イオンから形成される金属酸化物があげられる。この反応により、溶存酸素は水から直接、気体状態を経ないで生成される。ＭｎＯ２触媒は、溶存酸素を効率的に形成し、活性酸素の形態に高選択的ではないため、最も好ましい。
【０１０９】
陽イオン交換膜３４６
任意の陽イオンまたは陰イオン交換膜４６により、陰イオンまたは陽イオンは光分解セル中に拡散することができるようになる。特に、陽イオン交換膜により、ナトリウムイオン（Ｎａ＋）、水素イオン（Ｈ＋）、ヒドロニウムイオン（Ｈ３Ｏ＋（ａｑ））、カリウムイオン、第２鉄イオン、第１鉄イオン、リチウムイオン、アルカリ金属イオン、アルカリ土類イオン、銀イオン、（Ａｇ＋）、プロトン化アンモニウムイオン（ＮＨ４＋）およびアンモニウム誘導体（Ｒ３ＮＨ＋、ここでＲ＝Ｈ、アルキル、アルキルアリール、またはアリールであり、Ｒ基は同じまたは異なるものである）、ホスホニウムイオン、第４アンモニウムイオン（Ｒ’４Ｎ＋、ここでＲ’はＨであることはできず、Ｒ’はアルキル、アルキルアリール、またはアリールである）などの陽イオンは、不活性成分またはメンブレンの透過性を上げる手段として、ＲおよびＲ’は、アルコキシ基、アルコール基、ヒドロキシル基、エーテル基、ケト基、ハロゲン化物基、シアノ基、ニトロ基、メルカプト基、チオール基、チオエーテル基、ホスホン酸基、アミノ基などの非炭化水素基を含むことができ、水和度を制御し、溶解度を制御し、酸化／還元電位などに作用することができるようになる。これらの陽イオンは、実質的にまたは完全に水溶液またはゲル電解質から生じてメンブレン中に拡散し、続いて水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）をカソード液中に形成する。陽イオン交換膜は、ＮＡＦＩＯＮ（商標）の商品名で市販されており、Ｅ．Ｉ．ｄｕ  Ｐｏｎｔ  Ｎｅｍｏｕｒｓ  Ｉｎｃ．から入手することができる。ＮＡＦＩＯＮ（商標）陽イオン交換膜は、酸性のペルフルオロスルホン酸／ＰＴＦＥコポリマーである。ＮＡＦＩＯＮ（商標）陽イオン交換膜は好ましいメンブレンであるが、当業者であれば、他の陽イオン交換膜も光分解セルにおいて好適であることがわかる。さらにＨ＋およびＫ＋イオンなどが移動する。
【０１１０】
アノード
特定の事例において、光分解的に得られた酸化物種または陽イオンは、陰イオンと錯体化またはキレートされることになる。例えば、鉄またはフェロシアン化物のイオンでは、必要とされる膜でさえ、陰イオン交換膜であることを必要としてもよい。このような膜は、多孔質、極性の含水膜内に保持される高密度の四級アンモニウムおよび／またはホスホニウム基を含有する。さらに、中性の多孔質の膜、ゲル、フリット、セラミックデバイスが十分に有効である。
【０１１１】
光分解セルのアノード区画は、前述した一連の反応を有する。
【０１１２】
【化１０】
2009508676.tif 000012
本発明の一実施形態において、アノード反応で形成された電子は、アノード導体層、グリッドまたはワイヤを介してカソードの方へ伝導される。帯電された陽イオンおよび／または酸化物種、例えばナトリウム陽イオンおよび／または水素イオンは、上記の陽イオン交換膜、ゲルまたは多孔質フリットを介してカソード液に移動される。
【０１１３】
カソード液４８
電解質がナトリウム塩のｐＨ緩衝液であり、カソード反応が水還元（Ｈ２Ｏ＋ｅ−  →  １／２Ｈ２＋ＯＨ）である場合、水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）が光電気化学セルにおける一連の反応の間に、カソード液中に作られる。有用な物質であるＮａＯＨは、カソード液から時折パージされるのが望ましい。塩化ナトリウム（ＮａＣＩ）がアノード液で用いられる場合、最終的には、ＯＨがカソード液中に生じ、周期的にパージされることとなる。
【０１１４】
Ｎａ２ＣＯ３水溶液がアノード液およびカソード液、または未分裂のセルである場合の電解質である時、光電解セルのカソードで生じる反応の一例は、以下の通りである。
【０１１５】
Ｎａ２ＣＯ３（カソード区画から受け取られた）
カソード液はＮａＨＣＯ３（アノード区画から受け取られた）
カソードの直接の生成物は、ＮａＯＨおよびＨ２である。つまり、
２Ｈ２Ｏ＋２Ｎａ＋＋２ｅ−  →  ２ＮａＯＨ＋Ｈ２（ｇ）
アノードの直接物質生成物は、Ｈ＋、つまり、
【０１１６】
【化１１】
2009508676.tif 000013
（真上に記載の反応は光触媒の存在下で起こる）
アノード液の反応は、
Ｎａ２ＣＯ３＋２Ｈ＋  →  ２ＮａＨＣＯ３であり、
カソード液の反応は、
ＮａＨＣＯ３＋ＮａＯＨ  →  Ｎａ２ＣＯ３＋Ｈ２Ｏであり、
セルの反応全体にわたって、
２Ｈ２Ｏ＋ｈｖ  →  Ｈ２Ｏ２＋Ｈ２（ｇ）である。
【０１１７】
したがって、アノードで消費されたＮａ２ＣＯ３はカソードで再生成される。それゆえ、動作中カソード液はカソード液区画を通ってポンプでくみ上げられ、再生成のためにカソード区画を出る（図６）。この方法では、電解質の置換で不純物の除去が必要とされることは滅多にない。水の補給、好ましくは純水を使用しての給水が、Ｈ２Ｏ２およびＨ２を作る際に（上記の数式を参照）消費された水を補給するために、必要に応じて追加される。なお、上記の反応は、アノード域からカソード域へ移動するために陽イオン（この例においてはＮａ＋）を必要とする。分割されたセルまたはフリットで区切られたセルが用いられる場合、この陽イオン（Ｎａ＋イオン）は、プロセス中にそれぞれ交換または拡散する。図６はＨ２Ｏ２生成セルの動作を図示する。単独のセルのみが示されているが、複数のセル（「セル」のスタック）もまた可能であり、好適である。
【０１１８】
図６を再び参照すると、別の過酸化水素生成用装置６００は、セル壁を含む。セルは過酸化水素が生成される光アノード６０２とカソード６０４を含有する。必要であれば、任意の液流分離器６０６（いくつかの実施形態では膜であってもよい）が使用されてもよい。膜はセルをアノード液区画０８とカソード液区画６１０に分割する。アノード液流６１２およびカソード液流６１４は、生じる気泡がセルの内部区画から容易に排出され、セルから洗い流されるように上向きであることが好ましい。アノード液は入口６１２Ａからアノード液区画６０８に流入し、出口６１２Ｂから流出する。そこから過酸化水素中で濃縮されたアノード液は、滅菌溶液の貯槽タンク６２０へ流れる。必要に応じて、過酸化水素が直ちに用いられるのであれば貯槽タンク６２０は省いてもよい。その後、アノード液は処理が行われる処理空間６２４（滅菌タンクなどの）へ流れる。汚れた、もしくは汚染されたデバイスまたは物質６２６は、処理のために処理空間（例えば医療用具、機器）に置かれる。汚染されたデバイスまたは物質は、除染過程を助けるために、前もって洗浄または浄化されるのが好ましい。滅菌もしくは浄化されたデバイスまたは物質６２８は除去され、残留処理物質は廃棄物除去として取り除かれる。必要であれば、処理空間６２４からの電解質は貯槽タンク６２０に戻されてもよい。貯槽タンク６２０からの電解質は、ポンプ６５０、または全体的に新たな補給の電解質が使用されてカソード液区画６１０の入口６１４Ａへ戻される。補給のおよび／または戻された電解質によって増やされて流入するカソード液（入口６１４Ａに）は、カソード液区画６１０を通って流れ、カソード６０４と接触する。その後、カソード液６０４は出口６１４Ｂに出て、ガス／液体分離器６３０へ流れる。セルで生成された水素および他の気体は、プロセスのこの時点において取り除くことができる。ガス／液体分離器の出口により、電解質が入口６１２Ａからアノード液区画６０８に流入することが可能となる。補給水または追加の電解質は、任意のバルブ６４２を通って入口６４０に入ってもよい。追加の電解質の化学物質は入口６２１を介してタンク６２０に添加される、または添加されてもよい。過酸化物センサのようなセンサも、入口６２０に挿入されうる。
【０１１９】
電解質にｐＨ緩衝剤を用いる別の利点は、酸性または塩基性が強すぎて有害とならないことである。上記の炭酸塩の例として、ｐＨは約６〜約１０の範囲にわたることが見込まれる。最大の性能を発揮するのは、約７〜約９までの範囲である。
【０１２０】
生成されるＮａ２ＣＯ３は、カソード液ではｐＨを上昇させ、アノード液では下降させる。セルが仕切りのメンブレンまたは多孔質フリットとともに作用する場合、バルク電解質のｐＨはより狭い範囲で留まることとなる。このような穏やかなｐＨの値および範囲により、強力なもの（ｐＨ値＞８）からより穏やかなもの（ｐＨ値＜８）にわたって調整できる消毒が可能となる。なお、このような穏やかなｐＨ条件は、ＮａＨＣＯ３、Ｎａ２ＣＯ３の溶液およびそれらの混合物の軽度の腐食性のために、好適である。なお、生成されたＨ２Ｏ２のために、他の浄化システムでは通常必要とされる他の防腐剤は、この場合においては必要とされない。
【０１２１】
バイアス電圧
図４に示される通り、光分解セルは任意にバイアス電圧４４９、またはモーターもしくは充電器４５２のような電気負荷を印加する電源を含むことができる。このモーターもしくは充電器は、カソードを光触媒につなげる導体に直列または並列に位置されうる。このバイアス電圧は外側または内側から、あるいはこれらの組み合わせによりセルに供給されることができる。並列に供給された場合は、電子回路の当業者に知られている通り、他の並列回路はただの金属導体であってはならない。例えば、その導体は抵抗器または他の負荷を含むことができる（図５）。外部の印加された電圧源以外の、バイアス電圧を付加する他の手段は、光触媒膜の境界面でのＮ／Ｐ半導体接合、および電流コレクタ膜の組み込みである（図５参照）。光触媒から形成された電流は、アノード３６からカソード３８へ流れる電子をもたらす。説明の通りに供給された最初のバイアス電圧は、水からＨ２Ｏ２への変換中に形成された電子の除去を開始することで、電流の向きを方向付け、水を再生成するために電子が励起子またはＨ２Ｏ２と反応するのを防ぐ。バイアス電圧はまた、電子の除去が水の再生成を最小限にするために、より多くのＨ２Ｏ２の生成を可能にする。更なる外部の電気接点は光分解セルを監視することも、特定の電圧を印加することもできる。
【０１２２】
一旦、電子の流れの方向付けが光触媒からカソードへ開始されると、図５の場合では、カソード反応がセルに極性を与えるのに十分好適であるため、印加バイアス電圧の印加は好ましくは最小化され、またはさらに好ましくは全く中止される。なお、Ｐ／Ｎ接合は継続的な受動バイアス電圧を提供し、同じ場所で一度に切り替えることを必要せず、最も好適なケースである。
【０１２３】
図５を再び参照すると、この図は光電子化学セル（図示された未分割セル。分割セルにも適用可能。）への任意のバイアス電圧を図示したものである。なお、構成要素５１２（Ｃの下）は常に任意なものであるが、構成要素５０２（Ａ）、５１４（Ｄ）および５１６（Ｅ）の要求事項は、境界面５０９（Ｂ）における電気化学反応、および境界面５０７（Ｆ）における光触媒反応がいかに容易であるかである。
【０１２４】
Ａ．バイアス電圧を同時に形成するＰ／Ｎ接合５１２（またはその等価物）。このバイアス電圧は光触媒５０６から電子を引き付け、それによってそれらの電子を電流コレクタ５０２に短絡する。
【０１２５】
Ｂ．カソード／電解質の境界面５０９における電気化学反応。この境界面（電圧）とカソード反応が熱力学的に生じるカソード液組成制御の間の電位差。カソード５１０の組成物の温度。電解質５０８の組成物は電気化学的還元反応速度を制御する。
【０１２６】
Ｃ．生成されたセル電位が十分である場合、光分解によって供給された電気エネルギーを得るのに利用可能な回路上の任意の負荷５１２を表す。なお、セル電圧は、直列構成によって単一のセルの電圧以上に増大させることができる。例えば、直流増幅器が当業者に公知である。
【０１２７】
Ｄ．アノード・カソード間の電気接続によるダイオード５１４の説明は、電流コレクタからカソードへ流れる電子が、Ｈ２Ｏ２生成物をＨ２Ｏに戻す還元が起こりうるアノード液区画へ戻らないことを保証する。
【０１２８】
Ｅ．必要に応じて、バッテリ、または交流電源のコンセント、光起電性のセル、バッテリ、燃料セルなどの別の電源による直流電力の供給から得られた、印加された外部のバイアス電圧５１６。
【０１２９】
Ｈ２Ｏ２の生成速度はランプまたは光子束によって制御され、次に光子束は供給電源によって制御される。図５の負荷５１２（Ｃ）は、生成されたセル電位が十分である場合、光分解によって供給された電気エネルギーを得るのに利用可能な回路上の任意の負荷を示す。なお、セル電圧は、直列構成によって単一のセルの電圧以上に増大させることができる。例えば、直流増幅器が当業者に公知である。特定の光子束およびセルの設計のために、Ｃの抵抗を増大させ、アノードからカソードへ流れる電子（電圧）の数を低減させる。それによって、溶解された過酸化水素の全体の生成を低減させる。Ｃの抵抗を大きくすることでアノードからカソードへの電子の流れを増大させ、それによって、生成される過酸化水素の量を増やす。このようにして、過酸化水素の生成速度は、電気プロセス制御の当業者に知られている従来の手段によって簡単に、自動的に制御することができる。
【０１３０】
最適なガス収着デバイス２４
十分に低い電圧で急速に電子を消費することで、アノード区画の中で迅速かつ効果的なＨ２Ｏ２の生成を促進するために、カソード電気化学が選択されるべきである。そのような候補の概要が、有機・無機両方とも、電源デバイスと酸素発生器に関する２００６年８月３１日に出願された国際出願ＰＣＴ／ＵＳ０６／３４００４号の表１に提示されている。このようにして、カソード区画に対するハーフセル反応を好適に特定することで、気体発生物は避けられうる。
【０１３１】
水素ガスの生成も、カソード反応に対するオプションであり、容易に収集され、またＨ２Ｏ２の生成に好適であり、安全に排出可能である。多くのＨ２Ｏ２の滅菌に必要なのは、ごく少量のＨ２であることが見込まれ、Ｈ２の軽さが排出を容易にするので、これが本発明の好適な実施形態である。
【０１３２】
カソードで発生した水素ガスは、排気しない限り蓄積することになる。Ｈ２は極めて小さい分子なので、多くの非金属物質、特にプラスチック、セラミックスなどを通って容易に拡散する。拡散可能な構成の多孔質物質を特定することで、Ｈ２の排気は制御できる。Ｈ２を拡散するのに、特定のメンブレン、ベッセル、ポンプ、フィルタ、一方向弁等は必要とされない。過酸化水素はそれほど揮発しないので、このプロセスにおいて失われることにはないであろう。他の電解質の化合物もまた、水や無機塩のような低い揮発性を有するように特定される。
【０１３３】
光供給装置３２０
光供給装置は、光分解セルにおいて、水を過酸化水素に変換する触媒を活性化するために必要な光子エネルギーを提供するのに用いられる。活性化された触媒が用いられた光の活性化要件によって、その光源として、太陽光、紫外線、レーザ光線、白色光等の既知の光源が含まれるが、これらに限定されない。ＵＶＡ光および短波長の可視光が、約３５０から約４００ｎｍの範囲で最も好適である。セルの設計がアノード液を通る照明を含むようになっている場合、Ｈ２Ｏ２を二つのＯＨ遊離基にする均一の解離が生じるので、３２５ｎｍより短い光の波長は最も好ましくない。
【０１３４】
広範囲のスペクトル照明はあらゆる場合において有効であるが、用いられる触媒により、特定の光の波長範囲はさらに有効となろう。タングステン（ＷＯ３）が光活性化触媒として使用される場合、可視光がＷＯ３を活性化させるのに最も有効である。ＴｉＯ２またはＺｎＯが光活性化触媒として使用される場合、用いられる光源はＵＶＡの範囲が最も適切である。
【０１３５】
好ましくは、光分解型過酸化水素発生装置で用いられる光源は、約３５０から約４００ｎｍの範囲の光である。染料感光性の金属酸化物を有するまたは有しないドープされた金属酸化物の光触媒は、この範囲を約４５０ｎｍまで拡げる。
【０１３６】
レーザ照明は、広帯域照明よりはるかに選択的である。レーザ光の波長は、光活性化触媒を励起してＨ２Ｏ２を形成する際、より高い効率を達成するために操作可能である。また、レーザ光によって、光分解型過酸化水素発生装置が全体の熱を放散するのをより少なくすることができる。光活性化触媒を活性化させ、光分解型過酸化水素発生装置の他の構成部品との接触または照射を避けるために、レーザ光は小さな波長範囲で向けられることができる。ＴｉＯ２を活性化するのに使用可能な特に好適なレーザ光は、３６４ｎｍ（４００ｍｗａｔｔｓ／ｃｍ２）のアルゴンレーザであり、これは２ワットの全電力を有しているが、３６５ｎｍの光線のＨｇアーク灯を含む他のＵＶ光源、および波長可変色素レーザも利用可能である。
【０１３７】
照明光学もまた重要である。光源からの光は、光触媒膜内で均等に広がるのが望ましい。光源からの光が均等に広げられると、より多くの水を活性酸素または過酸化水素に変換するために触媒を最大限に励起することが可能となる。これらの管路に沿って、光源からの光は透明ウィンドウを直接通り、触媒に接触する。また、光は側面部、縁端部、背部、底部、貫通部または隅部から透明な窓に入ることができ、光子エネルギーを提供し光活性化触媒を励起させるための導波路によってその透明な窓を通り抜けることができる。光分解セルの透明ウィンドウへの側面からの光の入射は、少なくとも約６８°で生じる。好ましくは、透明な窓への側面からの光の入射は、約７０°から約８０°までの入射角に置いて生じる。電解質が少なくともＵＶ−ＶＩＳスペクトル（１９０−７５０ｎｍ）の一部を通す場合、電解質を通る照明も有効である。
【０１３８】
ポンプ
ポンプは、光分解型過酸化水素発生装置によって、水溶液を駆動する。ポンプは処理空間から水溶液を引き出し、光分解型過酸化水素発生装置により溶液を移動させる。好ましくは、光分解型過酸化水素発生装置は、処理空間から溶液を引き出すポンプのみを必要とする。処理空間から溶液を引き出すポンプによって生み出された流れがまた、活性酸素の形成のための光分解セルを通って溶液を移動させ、その後処理空間に戻す。複数のポンプを用いることができるが、最も好ましいのは、単一のポンプがまた、カソード液区画を通る流体を移動させることである。
【０１３９】
化学反応を監視するセンサ
光分解型過酸化水素発生装置は、光分解セル内で生じる異なった化学反応を監視する一つ以上のセンサを含む。センサは酸化還元電位、スペクトル特性、ｐＨを測定し、生成物Ｈ２Ｏ２の滅菌強度Ｈ２Ｏ２の生成効率を測定することができる。酸化還元指示薬染料の色の変化の目視観測または気泡の形成、閉電流測定、ｐＨ測定および溶存酸素プローブ分析を含む、様々なセンサおよびセンサシステムが用いられうる。ガスクロマトグラフィーアッセイも実施されうる。カソード液も同様に監視されうる。溶存酸素プローブは、溶存酸素として、リアルタイムにＯ２の生成を分析、監視するのに用いることができる。また、光分解型過酸化水素発生装置は、溶存酸素プローブ、ＣＯ２プローブ、ｐＨモニタ、電流フローなどを挿入するために、必要であれば別の場所に一つ以上のポータルを組み込むことができる。光分解型過酸化水素発生装置はまた、分析のために気泡を捕獲する分離サンプリングチャンバを組み込むこともできる。これらのサンプリングチャンバは例えば、更なる分析のためのサンプルを得るために、皮下注射針用の隔壁などのデバイスを組み込むことも可能である。当業者であれば、光分解セル内で生じる化学反応を監視するために、数多くのセンサを使用できることを認識するであろう。
【０１４０】
光分解型過酸化水素発生装置および光分解セルは、センサによって与えられる読み出しに応じる一つ以上のプロセス調節器デバイスも含むことができる。プロセス調節器デバイスは、処理空間または光分解セルの要求に従い、溶存酸素またはＣＯ２の生成量を増加または減少させ、毒素量を低減させたりする。どのプロセス調節器デバイスが必要とされるのかを決定することは、光分解型過酸化水素発生装置を利用する者の裁量の内にある。さらに、アミノスルホン酸金属イオンのキレート剤、スズのコロイド、ピロリン酸キレート剤等とともに形成されるために、約０．０２〜１０ミクロンの電解質のろ過が、浴寿命を伸ばすのを助けるために見込まれる。
【０１４１】
光分解型過酸化水素発生装置の全ての遮断材は、通常、腐食耐性であり、光分解型過酸化水素発生装置を通って流れる過酸化水素水溶液を汚染から適切に遮断する不活性材料からなる。光分解型水素発生装置の遮断材はまた、活性酸素、電解質、または過酸化水素と相互に作用しない物質で形成されるべきである。好ましくは、密封材はテフロン（登録商標）、アルミニウム金属、ＰＶＣ、ＰＰ、Ｖｉｔｏｎ（登録商標）またはシリコーンベースの物質から形成される。
【０１４２】
必要に応じて、光分解型過酸化水素発生装置内には層流が存する。内部混合は、電気透析、電気的脱イオン、ナノろ過、精密ろ過、ＲＯなどのような、現在市場で流通しているセルと同じ設計を施しているフローを用いることで達成される。市販のセルは、電極、メンブレン、および流量配分器を有する薄い液体チャンバを収容でき、良質の密封材と腐食耐性を提供する。セルは、全ての市場で流通しているプロセス開発業務用の実験室規模のユニットで利用可能である。特に好適な市販のセルは、ＩＣＩ  Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ  ａｎｄ  Ｐｏｌｙｍｅｒｓ，  Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，  Ｃｈｅｓｈｉｒｅ，  ＵＫ，  ＥｌｅｃｔｒｏＳｙｎ，  Ｉｎｃ．のＦＭＯｌ−ＬＣデバイスなどである。
【０１４３】
複数の光分解セル
好ましくは、光分解型過酸化水素発生装置は、「積み重ねられた」形の複数の光分解セルを使用する。複数の光分解セルは並列または直列構成で処理空間から水溶液の流れを受け取り、上記の向きをつけられた光源を介して光活性化にさらされる。複数の光分解セルを積み重ねることで、水溶液の全体の表面積が最大濃度の過酸化水素の生成物を受け取り、および／またはより高い外部電圧、および／または外部負荷に電流を供給するための直流、および／またはカソード化学反応を生じさせる。また、複数の光分解セルを積み重ねることにより、光分解型過酸化水素発生装置全体が独立した個々のセルよりも小さなサイズにすることができ、そのため光分解型過酸化水素発生装置を小型化することが可能となる。
【０１４４】
光分解セルはより広い応用を有する
説明された光分解セルは、上述の好適な実施形態を超える電気化学プロセスとして用いてもよい。そのプロセスにはカソードでの生成物の生成、一般的な過酸化水素の生成物、金属表面処理、木材パルプの漂白、ＤＮＡ指紋法、浄水等のような使用時点での漂白用途が含まれるが、これらに限定されない。
【０１４５】
石英ガラスまたは石英スライド３３０上での光触媒調製の調製
ガラス表面は、トルエン、ＭＥＫまたは他の脱脂溶剤の中で旋回させることで脱脂された。スライドは空中で約１分未満フラッシュ乾燥された。その後、スライドはウォームマイクロ（登録商標）洗浄液の中で約２分間浸された。次に、スライドは１８ＭΩの脱イオン水で徹底的に洗浄された。その後すぐに、スライドは約２分間水槽で浸された。スライドは、絶え間なく流れる脱イオン水を用いることで徹底的に洗浄され、水抜きされるが、乾燥されるまではいかない。慎重に、スライドは濃縮された硫酸溶液に浸され、２分間そのままの状態にされた。ポリプロピレンプラスチックの止血鉗子は、ガラスプレートが硫酸から挿入／引き出された時、ガラスプレートを保持するのに用いられた。プレートは引き出され、水抜きされることができ、脱イオン水で徹底的に洗浄された。その後、プレートは約２分間水槽に浸された。次に、クリーンであることを評価し、クリーンなライン（ｃｌｅａｎ  ｌｉｎｅｓ）を確認するために、ウォーターブレイクテストがプレート上で実施された。プラスチック（Ｎａｌｇｅｎｅ（登録商標））製の蓋付きビーカを使用して、スライドは０．１％のＨＦと１ＮＨＣｌの混合溶液の中で２分間浸漬された。これで、ガラスの表面にはＳｉ−ＯＨ基が含まれた。これらのプレートは湿ったままで、５％のＨＮＯ３の中だけで保存された。
【０１４６】
ゾルゲル法による触媒レーザ３３２の調製
約１．０ｇのＴｉＯ２（アナターゼ）がカバーウォッチガラス（ｃｏｖｅｒ  ｗａｔｃｈ  ｇｌａｓｓ）および磁気攪拌子が付いたプラスチック（Ｎａｌｇｅｎ（登録商標））製のビーカに添加された。フードの中では、８０ｍｌの０．１％のＨＦと１ＮＨＣｌの混合溶液がＴｉＯ２に添加された。固体が十分に懸濁されるまで、磁気攪拌子はビーカの中身をかき混ぜた。ビーカは６０秒かき混ぜられ、その直後プロセスは、５０ｍＬの二つの蓋をされた遠心分離チューブの間でスラリを分割する次のステップに進んだ。遠心分離チューブは少なくとも５〜１０分間、遠心分離された。上澄みは廃棄された。各チューブは４０ｍＬの水で三回洗浄された。チューブは蓋をされ、徹底的にボルテックスされ、遠心分離され、デカントされ、そのステップが繰り返された。各チューブは４０ｍＬのイソプロパノール（ｉＰｒＯＨ）で三回洗浄された。好ましくは、一つ以上の無機シランおよび／またはチタン酸塩結合剤が、最後のアルコール洗浄に添加されることでき、最後の被膜における凝集および粘着を容易にする。使用中のＵＶ／ＴｉＯ２の強い酸化反応は、有機物ベースの結合剤を急激に分解する場合もあるが、無機物の結合剤が最も好適である。
【０１４７】
ガラスプレートへの光触媒の適用
ジャーの中の上記調製のチューブの一つから固体を再懸濁するために、前処理を施されたＴｉＯ２アナターゼ粒子が攪拌された。このジャーは、ガラスのマイクロスコープスライドを覆うのに十分に深いイソプロパノールを含む。磁気攪拌は粒子を懸濁状態にしておくために開始された。使用される粒子の量、出現時間および出現温度は、最終生成被膜の厚さを決定する際の調整可能なパラメータである。
【０１４８】
十分な量のＴｉ（ｉＯＰｒ）４（ＴＴＩＰ）を添加して、０．２空間％の溶液を得た（例えば、８０．０ｍＬのイソプロパノールにつき１６０ｕＬのＴＴＩＰを添加することによって）。スライドを保持するための止血鉗子を用いることで、処理されたガラスプレートは水で徹底的に洗浄され、ウォーターブレイクテストにかけて再び検査された。スライドの表面はイソプロパノールで徹底的に洗浄された。スライドは２分間イソプロパノールの中で浸され、再度イソプロパノールで洗浄された。その直後、スライドはＴＴＩＰ／イソプロパノール溶液の中で吊るされ、攪拌された。ベッセルが覆われて空気からの蒸気の収集を最小限にし、約１２０秒間反応させることができた。この間、ＴＴＩＰはガラススライドの表面上のＳｉ−ＯＨ基と反応し、Ｏ−Ｓｉ−Ｏ−Ｔｉ−ｉＯＰｒ結合を形成した。ただし、該結合は、以下の熱処理までは完全に形成されないこともありえた。スライドは手動の止血鉗子を用いて、または自動回収方法で非常に緩徐に取り除かれ（例えば１ｃｍ／ｍｉｎ）、数分間乾燥させるために、減圧デシケータの転置された小さな相対面積のポリエチレン支持体の上に平らに置かれた。加水分解反応（ゾルゲルの「ゾル」）等が生じて、水蒸気がスライドの表面に拡散するので、室内空気での存続時間（湿度水準および接触時間）は調整可能なパラメータであった。つまり、
Ｔｉ（ｉＯＰｒ）４＋２Ｈ２Ｏ  →  ＴｉＯ（ｉＯＰｒ）２＋２ｉＰｒＯＨ
ＴｉＯ（ｉＯＰｒ）２＋２Ｈ２Ｏ  →  ＴｉＯ２＋２ｉＰｒＯＨ
スライド表面のシラノール基がまた、存在しているＨ２Ｏと競合して反応するように、余分な水分は避けられなければならない。つまり、
ガラス表面−Ｓｉ−ＯＨ＋Ｔｉ（ｉＯＰｒ）４  →  Ｓｉ−Ｏ−Ｔｉ（ｉＯＰｒ）３＋ｉＰｒＯＨ
同様の反応がＴｉＯ２アナターゼ粒子をガラスまたは石英の表面、および互いに結び付け（ゾルゲルの「ゲル」）、
ＴｉＯ２（アナターゼ）−Ｔｉ−ＯＨ＋Ｔｉ（ｉＯＰｒ）４  →  ＴｉＯ２（アナターゼ）−Ｔｉ−Ｏ−Ｔｉ（ｉＯＰｒ）３＋ｉＰｒＯＨ
しかしながら、注意すべきことに、Ｓｉ−ＯＨおよびＴｉ−ＯＨ基からＳｉＯ２およびＴｉＯ２までの表面の脱水が生じ、低エネルギーでｉＰｒＯＨ生成物を生成するのに必要とされる水素イオンを取り除くかもしれないので、完全に乾燥させた（水分が除かれた）表面も、有用ではない。この室温条件での所要時間は、この時間中に被膜が緩徐に反応するため、調整可能である。したがって、室温特性は、膜形成制御要因である。
【０１４９】
依然として平らに置かれている間、スライドは保存を終了させるために、８０〜９０℃で２０分間、乾燥器により乾燥される。時間、温度および加熱速度（℃／分）のパラメータは調整可能である。速過ぎる熱処理は溶媒を吹き飛ばすおそれがあり、大きな破壊を起こし、気体の噴出により膜の多孔性を生じさせる。一方、高過ぎる温度での熱処理は、あまりに大きな凝縮を生じさせて収縮させてしまい、膜の分離、亀裂を引き起こしうる。水が浸透し、過酸化水素が反応帯を残すようにするためには、多孔性は重要であると思われる。このような時間と温度の関係は、ゾルゲル膜調製の技術分野の当業者にとっては良く理解されるものである。
【０１５０】
より厚いＴｉＯ２被膜を有するスライドを得るために、上記のステップは、一回以上および／または延長された時間、より高い温度で繰り返される。電解質を通る照射が予定されるようなこれらの場合では、アルミニウム、銅、銀、金、白金等を含む、導電性の不透明基板の金属が用いられうる。
【０１５１】
完全に硬化させて被膜を固定するために、スライドは２時間の間、２５０℃まで熱された。この温度はＴＴＩＰから形成されたアモルファスＴｉＯ２をアナターゼに変換するのに必要とされた（Ｉｎｄ．Ｅｎｑ．Ｃｈｅｍ．Ｒｅｓ．  １９９９  ３８（９），  ３３８１）。また、上記のように、被膜を３℃／ｍｉｎの速度で３５０℃まで加熱し、この温度のまま２時間維持すること以外でも、スライドは前処理を施されることができる（Ｍｉｌｌｅｒ，  ｅｔ  ａｌ．  Ｅｎｖｉｒｏｎ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．１９９９，３３，２０７０）。別の選択肢は、アナターゼ／ＴＴＩＰスラリの代わりにゾルゲル溶液を調製することである。（Ｃｏｌｌｏｉｄ  Ｃ  ｉｎ  Ａｇｕａｄｏ，Ｍ．Ａ．，ｅｔ  ａｌ．，Ｓｏｌａｒ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ．Ｓｏｌ．Ｃｅｌｌｓ，１９９３，２８，３４５）。スライドはその後取り除かれ、室温まで冷却することができた。
【０１５２】
ＴｉＯ２アナターゼのガラス表面への被膜接着は、ラバーポリスマンによる磨耗、テープテスト等で検査された。また、被膜接着は厚さ、崩れる／剥がれる傾向、外観等を含む他の特性で検査された。
【０１５３】
接着性と他の特性を向上させるために、実験は繰り返された。１時間４００℃で処理する更なるステップは、ＴｉＯ２（アナターゼ）粒子をケイ砂のスライドに固定するのに用いることができる（Ｈａａｒｓｔｒｉｃｋ，ｅｔ．ａｌ．１９９６）。真空スパッタリングＴｉＯ２膜形成技術も、このような光触媒膜、特にＩＴＯ、Ｔｉ、ＡｕまたはＳｎ等の導体膜内部の層に形成するにあたり、有効である。
【０１５４】
ＴｉＯ２被膜光化学検査
二つのＴｉＯ２被膜光化学検査の手順が実施された。第１の手順は電子が生じるかどうかを判定することで、第２の手順は活性酸素が生じるかどうかを判定するものであった。まず、ＴｉＯ２は、負電荷／電子生成検査によって検査された。メチルビオロゲン（ＭＶ２＋）ブルーカラー（ＭＶ＋）がアナターゼ被膜に適用され、ＵＶアルゴンレーザ光にさらされた。ダークブルーカラーの急速な出現が観察され、それによって電子の形成を質的に確認した。ＭＶ＋が、容易に負電子を放出して無色の基底状態に戻るフリーラジカル／電荷移動複合体であるため、ＭＶ＋ブルーカラーは恒常的ではなかった。乾燥された被膜は被膜性能を抑制した（乾燥されたミネラルは表面部位を阻止する）が、容易に浄化された。
【０１５５】
ＴｉＯ２被膜層上で実施された第２の検査は、活性酸素発生検査であった。活性酸素の存在を確認するために、ＴｉＯ２被膜上でメチレンブルーが用いられた。メチレンブルーカラーは、レーザ光の照射時点でアナターゼ被膜の存在下で急速に消し去られ、活性酸素の形成を有効にした。酸化酸素がメチレンブルーと反応し、メチレンブルーの芳香性を低減させることでその色を出すからである。
【０１５６】
光源
上記で用いられた光源として、３６４ｎｍライン（４００  ｍｗａｔｔｓ／ｃｍ２）のアルゴンレーザが利用可能である（より低い電力に調整可能）。用いられるアルゴンレーザは総電力で２ワットを有する。また、３６５ｎｍラインを用いるようにフィルタリングされたＨｇアーク灯を含む、多くのＵＶ光源が選別された。
【０１５７】
アノード導体層３３６
アノード導体層または電流コレクタ層は、約０．２ｕｍ未満の厚さを有し、透明ウィンドウに電子ビーム蒸着を用いて均一の金属導体の非常に薄い膜を置くことによって形成された。薄膜はＴｉ金属で形成された。アノード導体層の厚さ、化学組成および物理的構造を制御し、十分に近く、密接に接触している導電区域を提供して、Ｈ２Ｏ２と再結合するのを防ぐために、光分解的に生成された励起子をＴｉＯ２層から一掃する間、過剰な減衰を防ぐために導体のラインの間隔、幅および厚さの最適化が用いられてもよい。
【０１５８】
過酸化水素発生触媒層３４
過酸化水素発生触媒層は、ＴｉＯ２（アナターゼ）層の表面に被覆されたＺｎＯ粒子から形成される。ＺｎＯ粒子は、アナターゼ／Ｔｉ（ｉＰｒＯ）４の混合物を有してまたは有せずにＡｎ（ＯＨ）２スラリから適用される。ＴｉＯ２（アナターゼ）層の表面の相当の部分は、ＺｎＯで被膜されている（約１／３）。Ｚｎを滴状で添加して蒸発を効果的にする。ＺｎＯが添加され、ＺｎＯ粒子で覆われた表面積の割合が増加し、Ｔｉ（ｉＯＰｒ）４バインダの使用により、さらに粘着させる。その後は、グリシン／亜鉛硝酸法の慎重に制御されたやり方によるＺｎＯ膜の形成も有効である。
【０１５９】
フロースルーセル
一例として、フロースルーセルは、同じ側に流れの入口と出口があるように設計された。フロースルーセルセルを形成する際、シリコーンガスケットとスペーサ、アクリル製外部ハウジングとステンレス鋼チュービングコネクタが用いられた。フロースルーセルの中では、アノードはチタンの連続板であり、カソードは白金の薄片であった。
【０１６０】
フロースルーセルの電気接続
フロースルーセルの電気的接続は、直列の電流計と外部に印加されたバイアス電圧を有する短絡回路として配線されている。フロースルーセルの電気的接続はまた、上記のように加えられたバイアス電圧を印加することによって形成されることができる。フロースルーセルの電気的接続はさらに、抵抗器と抵抗器の電圧の読み出しをする直流の電流計を設置することで形成されることもできる。
【０１６１】
分割セル
分割セルは、同じ側の流入口と流出口の両方一式、貫通したアノード、ガラススライドの反対側の側面にある貫通したアクリル製のハウジング、シリコーンスペーサの内部流通路を有するものとして設計された。分割セルはさらに、シリコーンガスケットまたはスペーサ、アクリル製外部ハウジング、陽イオン交換膜のＮＡＦＩＯＮ（商標）、および３１６３Ｌのステンレス鋼チュービングコネクタを含むものとして設計された。
【０１６２】
活性化酸素の検査
ロック・リンガー（Ｌｏｃｋｅ’ｓ  Ｒｉｎｇｅｒ）食塩水のｐＨ緩衝剤検査液を１５０ｐｐｍの酸化還元染料（メチルビオロゲン、ＭＶ２＋）で調製した。さらに、１０ｕＭのメチレンブルー溶液をロック・リンガー液中で調製した。（Ｍａｔｔｈｅｗｓ，Ｒ．Ｗ．，Ｊ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ，Ｆａｒａｄａｙ  Ｔｒａｎｓ．１，１９８９  ８５（６），１２９１。）メチレンブルーの６６０ｎｍでのモル吸光係数は、６６，７００±３５０ｃｍ−１Ｍ１である。被膜した検査スライドは、付属のＵＶランプ／レーザと組み立てた。次いでロック・リンガー液を被膜した検査スライド中に添加し、循環ポンプを介してフロースルーセルにした。定常状態に達した後、この被膜物に直接的／間接的にＵＶ光を照射した。食塩水は青色（ＭＶ２＋（無色）＋ｅ−  →  ＭＶ＋（青））および溶解酸素の出現を監視した。ガスサンプルは、ＧＣアッセイ用にサンプルした（ＣＯ２およびＯ２については、システムが作動している場合は空気侵入に備えて密封した）。
【０１６３】
結果
過酸化水素発生装置は、化学調合が予測どおりに生じるのかを測定するために試験した。試験はロック・リンガー液を用いて行い、この溶液はｐＨ緩衝食塩水であった。この試験の定性的結果は、以下のとおりである。
【０１６４】
１．ＴｉＯ２（アナターゼ）の薄膜による高効率ＵＶ光吸収でエネルギーをアナターゼマトリックス（ａｎａｔａｓｅ  ｍａｔｒｉｘ）に与えることは、ＵＶ光がほぼ吸収されることから視覚的に明白である。存在するあらゆる金属導電膜による減衰量を測定し、別々に収集した。
【０１６５】
２．活性化酸素（ＡＯ）の発生が、アナターゼ表面でＵＶ光からのエネルギーを用いてなされることは、メチレンブルー色素がＵＶレーザを照射側と反対側のアナターゼ膜の表面で消失したことにより、証明された。
【０１６６】
３．自由電子（ｅ−）の発生がＵＶ光からのエネルギーを用いてアナターゼ表面でなされることは、電流コレクタがカソードに電解接続されず、バイアス電圧が印加されない場合、メチルビオロゲンの青色色素が、照射側と反対側、および照射場所のみで、ガラスまたは石英板の側面上に適用されたアナターゼ金属酸化物光触媒フィルムの表面で出現したことにより、証明された。    
【０１６７】
４．上記のように発生した自由電子（ｅ−）は導電性Ｔｉアノード表面へ移動し、その後奪われることで上記同様に発生した活性化酸素と再結合しないようにすることは、光触媒半導体フィルム中の電流により、金属電流コレクタ、ワイヤおよび電流計を用いて、証明された。電流は、レーザが入っている場合のみに流れ、レーザが切れている場合は消して流れないことがわかった。何度も切／入を繰り返すことで効果が観測され、測定された電流は、飽和点までレーザ強度に比例した。
【０１６８】
５．水素イオン（Ｈ＋）の放出およびｐＨドロップは、連続して循環および照射された密閉セルのアノード区画にみられた。反対に、ｐＨ変化はカソード区画にみられ、水が金属酸化物触媒の表面で活性化酸素と水素イオンとに分離されるときに、予測したｐＨ効果に一致した。図７は、光分解セルを用いて光分解中のアノード液およびカソード液のｐＨプロフィールのプロットを示す。プロット中の反対の傾向は、提案した化学反応、すなわちアノード液でのｐＨ下降およびカソード液でのｐＨ上昇に基づいて予測したとおりである。試験１／６のカソード液の最初のｐＨが低いことは、開始時の状態のｐＨが若干さらに低いことを反映している。試験１／７は前もって平衡化した光分解セルを用いて、開始時の状態におけるあらゆる不整合値を削除した。
【０１６９】
６．電解質からのＨＣＯ３−イオンの変換、すなわちロック・リンガー液からＣＯ２への変換は、さらにＨ２Ｏを生成することで観察できる。Ｈ２Ｏは、ＣＯ２とともに生成が見込まれる生成物であり、活性化酸素の生成時に放出されるＨ＋イオンを用いて、重炭酸イオンは炭酸へ変換され、最終的にＨ２ＯおよびＣＯ２に変換される。ＣＯ２の生成は、オフガスをガス・クロマトグラフィ（ＧＣ）分析して測定、またはｐＨ変化から算出した。ＧＣ分析で求められたＣＯ２レベルは、大気中レベルよりも極めて高く、さらにはＣＯ２の生成を示した。
【０１７０】
７．カソードにおけるアルカリ性の発生および関連するｐＨ変化は、水から活性化酸素への反応中に生成された自由電子が、アノードから奪われて、Ｏ２ではないものを還元する方法で、すなわち触媒で水から水素イオンおよびＨ２への還元することで、摂取されることを示した。
【０１７１】
本発明の広い実施形態は、水を過酸化水素に変換する光活性化触媒、光活性化触媒上に配置され、光活性化触媒を光分解セル中で循環する溶液から分離する任意の多孔性のシーラント層、光分解セルに光を提供し、光活性化触媒を活性化する光供給装置、光分解セル中に溶液を循環させるポンプ、溶液を光分解セルの中へ送り込む入口、溶液を光分解セルから送り出す出口を有する光分解セルを含む光分解型過酸化水素発生装置を提供する。
【０１７２】
別の広い実施形態は、二つの層からなり、第１の層は光子捕捉と電荷分離のためのものであり、第２の層は過酸化水素生成のために第１の層と隣接する、水を過酸化水素に変換する光活性化触媒、
第２の光活性化触媒層上に配置され、光分解セル中を循環する溶液から第２の光活性化触媒を分離する任意の多孔性のシーラント層、
光分解セルに光を提供して光活性化触媒を活性化させる光供給装置、
光分解セル中に溶液を循環させるポンプ、
光分解セルに溶液を送り込む入口、および
光分解セルから溶液を送り出す出口
を有する光分解セルを含む光分解型過酸化水素発生装置を提供する。
【０１７３】
更なる実施形態は、透明ウィンドウ、
透明ウィンドウに隣接するアノード導体層、
アノード導体層上に配置され、過酸化水素を発生させる光活性化触媒、
触媒に隣接しその境をなすアノード液、
アノード液と境をなして第１空間を形成する仕切り
仕切りと境をなすカソード液、および
カソード液と境をなして第２空間を形成するカソード
を含む光分解セルを提供する。
【０１７４】
更なる実施形態は、
光分解セルの中へ溶液を移動させるステップ、
光分解セルの中の光活性化触媒によって水を過酸化水素に変換させるステップ、
過酸化水素を溶液と結合させるステップ、および
光分解セルから溶液を移動させるステップ
からなる、活性酸素を溶液に送る方法を提供する。
【０１７５】
更なる実施形態は、
電解質を光分解セルに移動させるステップ、
水を光分解セルの過酸化水素に変換するステップ、
光分解セルの中で水素を形成するステップ、
光分解セルの中で形成された水素と電解質を除去するステップ、および
電解質を光分解セルから移動させるステップ
を含む、過酸化水素を処理空間に与える方法を提供する。
【０１７６】
更なる実施形態は、
ａ．  光を伝導するための導波路層、
ｂ．  導波路に隣接する第１の導体層、
ｃ．  導体の向こう側にあり、該導体と隣接する活性層
ｄ．  入口と出口を有し、活性層によって少なくとも部分的に境界が接している第１の空間、
ｅ．  第１の空間の少なくとも一部分に境界が接している仕切り、および
ｆ．  入口と出口を有し、仕切りによって少なくとも部分的に境界が接している第１の空間からの仕切りの反対側にある第２の空間
を含む、過酸化水素を生成する装置を提供する。
【０１７７】
本発明は好適な実施形態を参照して説明されてきた。明らかに、前述の詳細な説明を読み理解する他者は、変更および修正が思いつくであろう。特に、光分解セルが変更可能であり、数多くの他の反応や反応系で使用可能なのは、当業者にとっては明らかなことである。さらに、当業者であれば、前述の詳細な説明にもとづき、水溶液以外の溶液で化学反応を形成する際に、光分解型発生装置が使用可能であることをよく理解するであろう。なお、本発明は、変更および修正が添付されたクレームまたはその均等物の範囲内にある限り、それら全てを含むように解釈される。
【図面の簡単な説明】
【０１７８】
本発明は、以下に示される詳細な説明および添付図面から、より完全に理解されるであろう。本明細書と図面は説明のために用いられているだけであって、本発明を限定するものではない。
【図１Ａ】図１Ａは、ポータブル用途に設計された典型的なポータブル過酸化水素発生装置の実施形態の斜視図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、ある光電気化学セルを示す本発明の広い態様を表す概略図である。
【図１Ｃ】図１Ｃは、処理空間、タンク、またはチャンバの外側に接続された光分解型過酸化水素発生装置の一つのセルの一般的な例証を示す本発明の一実施形態を表す概略図である。
【図１Ｄ】図１Ｄは、再循環ループを有する光分解型過酸化水素発生装置の一つのセルの一般的な例証を示す本発明の一実施形態を表す概略図である。
【図２Ａ】図２Ａ〜２Ｆは、図１Ａおよび１Ｂに記載された光分解型過酸化水素発生装置の様々な実施形態を図示する。図２Ａは、光が導波路の平坦面に入る過酸化水素発生装置の一実施形態の一つのセルの内面図を示す。
【図２Ｂ】図２Ａ〜２Ｆは、図１Ａおよび１Ｂに記載された光分解型過酸化水素発生装置の様々な実施形態を図示する。図２Ｂは、光が導波路の終端部に入る光分解型過酸化水素発生装置の別の実施形態の一つのセルの構成要素の内面図を示す。
【図２Ｃ】図２Ａ〜２Ｆは、図１Ａおよび１Ｂに記載された光分解型過酸化水素発生装置の様々な実施形態を図示する。図２Ｃもまた、保護層２２０が活性層２１５上に表面加工されている光分解型過酸化水素発生装置の別の実施形態の内観図を示す。
【図２Ｄ】図２Ａ〜２Ｆは、図１Ａおよび１Ｂに記載された光分解型過酸化水素発生装置の様々な実施形態を図示する。図２Ｄは、活性層が第１の活性層と第２の活性層を含む二層活性層であるセルの構成を図示する。
【図２Ｅ】図２Ａ〜２Ｆは、図１Ａおよび１Ｂに記載された光分解型過酸化水素発生装置の様々な実施形態を図示する。図２Ｅは、セルのアレイの内面図を概略的に示す。
【図２Ｆ】図２Ａ〜２Ｆは、図１Ａおよび１Ｂに記載された光分解型過酸化水素発生装置の様々な実施形態を図示する。図２Ｆは、過酸化水素発生装置の別の実施形態の内面図を概略的に示す。
【図３】図３は、本明細書に記載された検査値を収集するのに用いられた光分解セルの概略図を示す。
【図４】図４は、本発明の光分解型過酸化水素発生装置の好適な一実施形態の全体概略図を示す。
【図５】図５は、過酸化水素を生成するセルを含む滅菌装置の別の実施形態の概略図を示す。
【図６】図６は、光化学セルに任意のバイアス電圧を印加することを説明している本発明による別の実施形態の概略図である。
【図７】図７は、光分解セルを用いる光分解中のアノード液とカソード液のｐＨ特性の関係を示すグラフである。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図２Ｅ】
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【図２Ｆ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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