(57)【要約】本発明は、光学活性のための最適な波長の実現が制御されており、従って、最大効率を発生するための波長で動作するＬＥＤとともに作動させるために設計されている、光触媒ナノコンポジット材料に関する。【特許請求の範囲】
【請求項１】
アナターゼ型結晶構造の分子、及びルチル型結晶構造の分子から構成される二酸化チタン（ＴｉＯ２）、ならびに無機ホストによって特徴付けられる、光触媒ナノコンポジット材料。
【請求項２】
およそ５ｗｔ％〜３０ｗｔ％のルチル型結晶の分子、及び、およそ９５ｗｔ％〜７０ｗｔ％のアナターゼ型結晶の分子を含む二酸化チタンによって特徴付けられる、請求項１に記載の光触媒ナノコンポジット材料。
【請求項３】
５ｗｔ％〜２５ｗｔ％の二酸化チタンを基本的に含むことによって特徴付けられる、請求項２に記載の光触媒ナノコンポジット材料。
【請求項４】
アナターゼ型が８０ｗｔ％、ルチル型が２０ｗｔ％である二酸化チタンであって、コンパウンド中におけるその割合が１５ｗｔ％である二酸化チタンによって特徴付けられる、請求項２に記載の光触媒ナノコンポジット材料。
【請求項５】
４ｎｍ〜１０ｎｍのサイズの粒子から構成される二酸化チタンによって特徴付けられる、請求項１〜４のいずれか１項に記載の、光触媒ナノコンポジット材料。
【請求項６】
アナターゼ型結晶構造の二酸化チタンの粒子サイズが、ルチル型結晶構造の二酸化チタンの粒子サイズよりも小さい二酸化チタンによって特徴づけられる、請求項５に記載の光触媒ナノコンポジット材料。
【請求項７】
アナターゼ型結晶構造の二酸化チタンの粒子サイズが、ルチル型結晶構造の二酸化チタンの粒子サイズと等しい二酸化チタンによって特徴付けられる、請求項５に記載の光触媒ナノコンポジット材料。
【請求項８】
６ｎｍのサイズの粒子から構成される二酸化チタンによって特徴付けられる、請求項７に記載の光触媒ナノコンポジット材料。
【請求項９】
無機ホストとしてのシリカ（ＳｉＯ２）によって特徴付けられる、請求項１〜８のいずれか１項に記載の光触媒ナノコンポジット材料。
【請求項１０】
ゾルゲル法により、二酸化チタンと無機ホストとをともに結合させることにより特徴付けられる、請求項１〜９のいずれか１項に記載の光触媒ナノコンポジット材料。
【請求項１１】
二酸化チタン結晶を無機ホストと共有結合させることによって形成したコロイド懸濁液を、ディップコーティング法により室温で目的の表面上に被覆し、そして生成されたコーティングを摂氏１３０〜１５０度で３０〜６０分間硬化させることによって特徴付けられる、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の光触媒ナノコンポジット材料。
【請求項１２】
二酸化チタン結晶を無機ホストと共有結合させることによって形成したコロイド懸濁液を、スピンコーティング法により室温で目的の表面上に被覆し、そして生成されたコーティングを摂氏１３０〜１５０度で３０〜６０分間硬化させることによって特徴付けられる、請求項１〜９のいずれか１項に記載の光触媒ナノコンポジット材料。
【請求項１３】
光供給源としてＬＥＤを用いて活性化すること、及び前記ＬＥＤのパッケージ上にコーティングすることによって特徴付けられる、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の光触媒ナノコンポジット材料。
【請求項１４】
光供給源としてＬＥＤを用いて活性化すること、及び前記ＬＥＤのチップ上にコーティングすることによって特徴付けられる、請求項１〜９のいずれか１項に記載の光触媒ナノコンポジット材料。
【請求項１５】
３２０〜３３０ｎｍの波長の光で活性化されることにより特徴付けられる、請求項１３又は１４に記載の光触媒ナノコンポジット材料。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［０００１］本発明は、光吸収効率の改善した光触媒ナノコンポジット材料に関する。
【背景技術】
【０００２】
［０００２］光触媒材料を形成する分子の最外殻軌道における「原子価」電子が光にさらされると、電子は、吸収されたエネルギーの量に応じて「伝導」帯にジャンプし、フリーになる。フリーヒドロキシルラジカルＯＨ−は、これらの電子が光触媒材料の周囲のＨ２Ｏ分子と結合する結果として生み出される。ＣＯ２及びＨ２Ｏは、これらのラジカルが有害な有機物質と結合する結果として生み出される。光触媒材料は、水の汚染除去、空気中の有害ガスの汚染除去、及びバクテリアの除去による表面浄化において用いられる。
【０００３】
［０００３］二酸化チタン（ＴｉＯ２）は、比較的高価でなく、化学的に安定であり、現在最も幅広く用いられる光触媒材料である。好ましくは、ルチル又はアナターゼ型の結晶構造を有する二酸化チタン（ＴｉＯ２）を、光触媒材料として用いる。これらの結晶型は、両方とも、紫外波長における光のみを吸収する。ルチル型二酸化チタン（ＴｉＯ２）の活性化エネルギーは３．０ｅＶであり、アナターゼ型二酸化チタン（ＴｉＯ２）の活性化エネルギーは３．２ｅＶである。言い換えると、ルチル結晶構造の二酸化チタン（ＴｉＯ２）は４１３ｎｍ又はより短い波長の光を吸収し、アナターゼ結晶構造の二酸化チタン（ＴｉＯ２）は３８８ｎｍ又はより短い波長の光を吸収する。アナターゼ結晶構造の二酸化チタン（ＴｉＯ２）は、光触媒材料として用いるためにより適している。この理由の１つは、アナターゼ結晶構造の二酸化チタン（ＴｉＯ２）の「伝導」帯の位置である。
【０００４】
［０００４］二酸化チタン（ＴｉＯ２）の光触媒効率は、その結晶型、サイズ、及びその上に作用する光の波長に応じて比例的に変化する。当技術分野の記載において、二酸化チタン（ＴｉＯ２）の光触媒効率を増加させるために、様々な混合物が開発されている。
【０００５】
［０００５］当技術分野の、「Photodegradation of dye pollutants on silica gel supported TiO2 particles under visible light irradiation」（Yingxu Chen, Kan Wang and Liping Lou, “Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry”, Issue 163, No 1-2, 15 April 2004, pages 281-287)と名付けられた文献の記載において、二酸化チタン（ＴｉＯ２）をシリカゲルに混合した場合に、どのように光触媒効率を増加させるのかが説明されている。
【０００６】
［０００６］当技術分野の、「Titanium-Oxide Photocatalyst」（www.threebond.co.jp/en/technical/technicalnews/pdf/tech62.pdf, ウェブページ ThreeBond Technical News, Issue 62, 1 January 2004）と名付けられた文献の記載においては、二酸化チタン（ＴｉＯ２）を銀に混合した場合の光触媒効率の増加に関して、説明が与えられている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Photodegradation of dye pollutants on silica gel supported TiO2particles under visible light irradiation,（Yingxu Chen, Kan Wang and Liping Lou, “Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry”, Issue 163, No 1-2, 15 April 2004, pages 281-287）
【非特許文献２】Titanium-Oxide Photocatalyst,インターネット＜URL:www.threebond.co.jp/en/technical/technicalnews/pdf/tech62.pdf＞ （ThreeBond Technical News, Issue 62, 1 January 2004）
【発明の概要】
【０００８】
［０００７］本発明の目的は、改善した光吸収効率を有する光触媒ナノコンポジット材料の実現である。
［０００８］本発明の目的を達成するために実現される光触媒ナノコンポジット材料は、添付の特許請求の範囲に詳説されている。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
［０００９］本発明の光触媒ナノコンポジット材料は、二酸化チタン（ＴｉＯ２）と無機ホストとのコンパウンドとして形成される。二酸化チタンは、アナターゼ型とルチル型の結晶構造の分子の混合物から構成される。
【００１０】
［００１０］本発明のある実施態様においては、無機ホストはシリカである。
［００１１］二酸化チタンの結晶構造及びサイズ、ならびにホスト材料の光学吸収特性を制御することにより、光触媒ナノコンポジット材料の光学活性が実現される最適な波長を制御する。
【００１１】
［００１２］二酸化チタンは、重量でおよそ５〜３０％のルチル型結晶、及び、重量でおよそ９７〜７０％のアナターゼ型結晶である。粒子サイズは、４ｎｍ〜１０ｎｍの間で変化しても良い。
【００１２】
［００１３］光触媒ナノコンポジット材料は、重量で５〜２５％のＴｉＯ２を含む。
［００１４］本発明のある実施態様において、アナターゼ型の二酸化チタン粒子のサイズは、ルチル型の二酸化チタン粒子のサイズより小さい。
【００１３】
［００１５］本発明の別の実施態様において、アナターゼ型の二酸化チタン粒子のサイズは、ルチル型の二酸化チタン粒子のサイズと等しい。
［００１６］二酸化チタン及び無機ホストは、ゾルゲル法によって結合させる。
【００１４】
［００１７］光触媒ナノコンポジット材料は、ＬＥＤを用いることにより活性化される。光触媒ナノコンポジット材料は、ＬＥＤパッケージ若しくはＬＥＤチップ上、又は浄化すべき表面上に適用される。
【００１５】
［００１８］本発明の目的を達成するために実現される光触媒ナノコンポジット材料は、以下の文章において詳説する。
［００１９］光触媒ナノコンポジット材料は、二酸化チタン（ＴｉＯ２）と無機ホストとの共有結合コンパウンドとして形成される。二酸化チタン及び金属アルコキシドは、ゾルゲル法によって結合させて、３次元ナノ金属を含有するナノ構造有機膜を形成する。
【００１６】
［００２０］二酸化チタンは、アナターゼ結晶構造型の分子と、ルチル結晶構造型の分子の混合物から構成される。ルチル型二酸化チタン結晶は、紫外波長における光の吸収率を増加させる。吸収されたフォトンは、光触媒性能の増加を維持するアナターゼ型二酸化チタン結晶と相互作用する。ルチル型結晶構造の二酸化チタンは、光触媒反応に必要なＵＶ光を吸収し、アナターゼ型二酸化チタンの表面上の光触媒反応の効率及び数を増加させる。二酸化チタンは、好ましくは、重量で５％〜３０％のルチル型結晶、及び重量で９５〜７０％のアナターゼ型結晶を含む。
【００１７】
［００２１］光触媒ナノコンポジット材料は、基本的に、重量で５％〜２５％の二酸化チタン、及び重量で９５％〜７５％の無機ホストを含む。
［００２２］無機ホストは、二酸化チタン結晶の周りに薄い外殻を形成することにより、二酸化チタン結晶を取り囲む。無機ホストは、二酸化チタン結晶を単分散かつ均一な構成を取るように維持する。従って、光触媒ナノコンポジット材料を表面に適用する間に高温にさらされた場合に、二酸化チタン結晶は、相互配向の分解及びクラスター化が妨げられることにより、単分散の状態に維持される。
【００１８】
［００２３］無機ホストは、好ましくはシリカ（ＳｉＯ２）である。シラン、すなわちＳｉ（ＯＨ）４の部分的な加水分解に由来する分子、及びナノサイズの二酸化チタン粒子は、コンパウンド中で用いられる。シリカは、紫外波長において比較的少ない量の光を吸収するので、光触媒ナノコンポジット材料のエネルギー効率は増加する。
【００１９】
［００２４］粗い表面形態は、ルチル及びアナターゼ型結晶構造の二酸化チタン分子をともに用いることによって達成される。ＵＶ光と半導体金属の接触表面は、表面のマイクロサイズの粗さ、及びナノコンポジット膜のナノ構造の多孔度を原因として増加する。サイズを変化させることのできるルチル型及びアナターゼ型二酸化チタン結晶によって維持される不均一な表面構造は、効率を増加させる。アナターゼ型結晶のサイズは、ルチル型結晶の３倍大きい。
【００２０】
［００２５］無機ホストとして用いられるシリカは、光触媒ナノコンポジット材料の外表面上に疎水性層が形成されることを助ける。結果として、光が光触媒ナノコンポジット材料上に作用していないときでも、関係のない粒子は容易に外表面に付着することが出来ない。光が光触媒ナノコンポジット材料に作用するときには、表面は親水性を示し、フリーのヒドロキシルラジカルによって除去されるであろう有機不純物が保持されるように保ち、それ故に光触媒ナノコンポジット材料の浄化性能を増加させる。
【００２１】
［００２６］二酸化チタンはナノサイズの粒子から構成され、好ましくは、４ｎｍ〜１０ｎｍのサイズが用いられる。量子サイズ（１０ｎｍより小さい）の粒子は、ＵＶ光の下で、他のサイズの粒子よりも高いエネルギーギャップを形成する。光触媒の浄化効率は、これらのサイズにおいて、その高いエネルギーギャップと大きい表面積のために、最も高い値を有する。例えば、６ｎｍサイズの粒子の表面積は、２０ｎｍサイズの粒子の６倍大きい。粒子サイズが減少すると、光触媒ナノコンポジット材料の表面積が増加し、従って光触媒効果が増加する。この理由のために、アナターゼ型結晶構造の二酸化チタンの粒子サイズは、ルチル型結晶構造の二酸化チタンの粒子サイズよりも、光触媒性能により影響がある。
【００２２】
［００２７］ゾルゲルは、ルチル型結晶構造及びアナターゼ型結晶構造の二酸化チタンを部分的に加水分解されたコンパウンドに加えること、及び縮合プロセスによって生成される。縮合（重合）の間に均一な膜を形成するために、アクリル、エポキシ、またはアクリレート修飾をすることが出来る。縮合は、酸環境において、６５〜８５℃の温度で起こる。無機ベースのナノコンポジット膜は、このプロセスの結果として得られるゾルゲルで被覆することによって形成される。生成された無機網における、二酸化チタンを形成するルチル型及びアナターゼ型の結晶の均一な分散は、ゾルゲルプロセスによって維持される。生産プロセスから出る二酸化チタン構造中の硫酸塩の量は、好ましくは０．２％よりも少ない。金属結晶上の硫酸塩の量が増加すると、光触媒効率は減少する。
【００２３】
［００２８］二酸化チタン結晶を無機ホストと共有結合させることによって形成されるコロイド懸濁液（光触媒ナノコンポジット材料）は、ディップコーティング、又はスピンコーティング法によって、室温でガラス等の目的の表面上に被覆する。従って、アナターゼ及びルチル結晶の構造、型、及び割合を保つことが出来る。生成されたコーティングは、摂氏１３０〜１５０度で３０〜６０分間硬化させる。
【００２４】
［００２９］本発明のある実施態様において、アナターゼ型結晶構造の二酸化チタンの粒子サイズは、ルチル型結晶構造の二酸化チタンの粒子サイズよりも小さい。混合物中におけるアナターゼ型結晶構造の二酸化チタンの粒子サイズは、ルチル型結晶構造の二酸化チタンの粒子サイズよりも光触媒性能により影響があるので、この実施態様は好ましい。
【００２５】
［００３０］本発明の別の実施態様において、アナターゼ型結晶構造の二酸化チタンの粒子サイズは、ルチル型結晶構造の二酸化チタンの粒子サイズと等しい。例えば、両方の型の粒子サイズは、６ｎｍである。
【００２６】
［００３１］光触媒ナノコンポジット材料は、光供給源としてＬＥＤ（発光ダイオード）を用いることにより活性化される。光触媒ナノコンポジット材料は、浄化すべき表面上、ＬＥＤパッケージ上、又はＬＥＤチップ上に被覆する。
【００２７】
［００３２］使用するＬＥＤの波長は、光触媒ナノコンポジット材料における二酸化チタンの粒子サイズ及び結晶構造に関して決定される最適値に従って定められる。本発明のＬＥＤは、窒化ガリウム（ＧａＮ）又は窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）から生産される。
【００２８】
［００３３］本発明のある実施態様において、光触媒ナノコンポジット材料中の、６ｎｍの粒子サイズを有するナノサイズの二酸化チタンの割合は、重量で１５％である。二酸化チタンは、アナターゼ型結晶構造が重量で８０％であり、ルチル型結晶構造が重量で２０％である。光触媒ナノコンポジット材料は、３１０〜３３０ｎｍの波長の光（例えばＬＥＤ）によって活性化される。前記混合物の活性化は３８０ｎｍで開始するが、最大収率は、３１０〜３３０ｎｍの波長の光で生み出される。
【００２９】
［００３４］本発明の別の実施態様において、二酸化チタン、及び無機ホストを、エアロゲル法によって組み合わせる。それにより生成される透明膜の多孔度は増加し、従って表面積が増加する。
【００３０】
［００３５］本発明の光触媒ナノコンポジット材料を用いることによって、光学活性を実現する最適な波長を制御する。従って、光触媒ナノコンポジット材料を設計して、最大効率を発生するための波長で動作するＬＥＤとともに作動させる。光触媒ナノコンポジット材料の表面形態は、二酸化チタンの結晶構造及びサイズ、ならびにホスト材料の光学吸収特性を制御することによって決定される。
【国際調査報告】
2011519720.tif 000002
2011519720.tif 000003
2011519720.tif 000004
2011519720.tif 000005
2011519720.tif 000006