(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光触媒作用を有する物質が存在する薄膜表面に絶縁シートを被せ、該薄膜及び該絶縁シートを１対の透明電極で挟み、該薄膜表面にパルス光を照射して、放電電圧波形を測定することにより表面に励起された正孔量を求めてその物質の触媒性能を評価することを特徴とするパルス光励起表面正孔量測定による光触媒性能評価法。
【請求項２】
前記入射パルス光の入射光波長を変化させ、自然光下や屋内照明下等あらゆる環境での触媒性能を見積もることが可能であることを特徴とする請求項１記載のパルス光励起表面正孔量測定による光触媒性能評価法。
【請求項３】
光触媒作用を有する物質が存在する薄膜表面に被せるための絶縁シート；
絶縁シートを被せた薄膜を挟むための１対の透明電極；
薄膜表面に励起光を入射するためのパルスレーザー源；
薄膜からの放電電圧を測定するためのオシロスコープ；及び
前記パルスレーザー源と前記オシロスコープとを同期させるための同期手段；
を具備する、光触媒性能評価装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光触媒性能評価法に関するものであり、入射光として波長可変パルス光を用いることにより、瞬時に使用予定環境下での触媒性能を見積もることができ、さらに複雑な機構を持つ光触媒反応の劣化原因の解明にも役立つものである。
【０００２】
【従来の技術】
物質の光触媒性能を評価する場合、光触媒物質の持つバンドギャップ以上の光を照射しながら表面に塗布した油や、色素または反応ガスの分解量を時系列で観測する手法が取られるが、いずれも光触媒反応が微弱であるため、その触媒性能を観測するには長い時間（数十分以上）を必要とした。
【０００３】
また、光触媒性能の優劣を決定する原因は非常に複雑であり、物質表面に関して言えば反応表面積、表面酸化電位、結晶構造等であるが、これらを評価する手法はすでに確立しているのに対して、光触媒反応を起こすのに最も重要な役割を果たす正孔の表面への挙動を観測する手法は確立されていない。そのため、その物質のどの特性が触媒性能の優劣を決定しているのか不明瞭であった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、光触媒物質にパルス光を入射し、表面に励起された正孔数をカウントすることで、その光触媒性能を瞬時に測定する手法を提供するものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明のパルス光励起表面正孔量測定による光触媒性能評価法は、光触媒薄膜の表面に透明な絶縁シートをかぶせ、それらを２枚の透明電極ではさみ、パルスレーザーを入射することで表面に励起された正孔数をデジタルオシロスコープで瞬時に観測することを特徴とする。入射パルスレーザーの波長を可変させることにより、その物質の光触媒性能の入射波長依存性も見積もることができる。
【０００６】
又、本発明のパルス光励起表面正孔量測定による光触媒性能評価法を行う装置は、光触媒薄膜、その片側に設けられた絶縁シート、絶縁シートを介して設けられた一方の透明電極、及び絶縁シートの反対側に設けられた他方の透明電極から構成される積層体を設置し、その積層体の絶縁シート側の透明電極に外部抵抗及びディジタルオシロスコープを結合し、他側の透明電極を接地することにより電気回路を構成し、同期信号発信器から同期信号をパルスレーザ及びディジタルオシロスコープに付与し、発生したパルスレーザーにより薄膜表面に励起された電荷を外部抵抗を通して放電すると同時にその抵抗値を電圧としてディジタルオシロスコープ上に表示し、得られた表示値を下記式１に付与してその際の量子効率を算出することにより、光触媒性能を評価する装置である。
【０００７】
【発明の実施の形態】
図１は本発明のパルス光励起表面正孔量測定回路のブロック図を示す説明図である。光触媒薄膜試料の表面にマイラーシート（絶縁シート）をかぶせ、透明導電膜が蒸着されたネサガラス（透明電極）で薄膜試料及びマイラーシートをはさむ。透明電極の光照射側端子は外部抵抗Ｒを通して接地し、透明電極の反対側はそのまま接地する。
【０００８】
励起光としてパルスレーザーを透明電極を通して薄膜試料に入射し、薄膜試料中に電子−正孔対分離が生じ薄膜試料表面に電荷が励起されると、密着しているマイラーシート（絶縁シート）に電荷が蓄えられる。貯えられた電荷は外部抵抗Ｒ［Ω］を通じて放電される。このＲでの放電電圧ｖを、入射光パルスと同期されたディジタルオシロスコープで時間軸（ｔ）測定を行う。マイラーシート（絶縁シート）、及び薄膜試料の合成容量をＣ［Ｆ］、表面に励起された総電荷量をΔｑ［Ｃ］とｓると、ｖは次式で表される。
【０００９】
【式１】
0004630995.tif 000002
【００１０】
即ち、回路の合成容量Ｃ及び抵抗値Ｒが既知であれば光触媒薄膜表面に励起される総電荷量を求めることができ、同時にレーザーパルスのパワーを観測しておけば、入射フォトンに対して何個の正孔が光触媒反応に寄与でき得るか（量子効率）を求めることが可能となる。また、入射パルスの波長を変化させそれぞれの量子効率を求めておけば、実際に使用される環境下での光触媒性能を短時間で見積もることができる。以下本発明を実施例に基づいて説明する。
【００１１】
【実施例】
（実施例１）
光触媒薄膜試料としてレーザーアブレーション法で単結晶サファイア基板（１０ｍｍ×１０ｍｍ×０．５ｍｍｔ）上に製膜した二酸化チタン（ＴｉＯ2）薄膜を2枚用意した。製膜法はパルスレーザーデポジション法を用いた。製膜条件はいずれも、１パルス当たりのエネルギーを１００ｍＪ、繰り返し周波数１０ＨｚのＹＡＧレーザー（波長５３２ｎｍ）、基板温度４６０℃で３時間堆積させもので、酸素分圧のみ、試料Ａ：３０ｍＴｏｒｒと試料Ｂ：３５ｍＴｏｒｒとわずかに変化させた。両者をＸ線回折法により評価を行った結果、両サンプルともＴｉＯ2ルチル構造が優先的に成長していることが確認された他は違いは発見されなかった。
【００１２】
このようにして得られた２つのサンプル（試料Ａ及び試料Ｂ）に対して、パルス光励起表面正孔量測定を行った。入射光パルスとして、窒素レーザー（波長３３７ｎｍ、１パルス当たりのエネルギー５０μＪ、パルス幅５×１０-9ｓｅｃ）を用い、外部抵抗Ｒは１Ｍ［Ω］を使用した。測定結果を図２に示す。
【００１３】
図２は、本発明のパルス光励起表面正孔量測定法を用いて、酸化チタン薄膜に入射光として窒素レーザー（波長３３７ｎｍ、１パルス当たりのエネルギー５０μＪ、パルス幅５×１０-9ｓｅｃ）を照射した際の図１における抵抗Ｒ（＝１ＭΩ）での放電電圧波形である。本発明の測定波形より（１）式を用いて、表面に励起された総電荷量をΔｑ［Ｃ］を算出する。
【００１４】
この測定波形を式（１）を用いてフィッティング（（１）式の関数と測定波形が一致するようにパラメータΔｑを導き出す）を行い表面に移動した総電荷量Δｑ［Ｃ］を比較すると、試料Ａは試料Ｂより（この波長において）表面へ約１．３倍の正孔輸送能力を持っており、より高い光触媒性能を保持していることが推測される。
【００１５】
（実施例２）
実施例１で使用した２つの試料の実際の光触媒性能を評価するために、薄膜表面に有機色素（メチレンブルー溶液、濃度１ｍｍｏ１／ｌ）を塗布し、ＵＶ光（波長<４００ｎｍ）を照射しながら表面の色素の分解を吸光度変化として一定時間おきに観測した（真空理工株式会社製  光触媒評価チェッカーＰＣＣ−１を使用）。約２０分間のＵＶ照射後両者の分解量に違いが現れ始め、試料Ａが試料Ｂより光触媒性能が高いことが確認され、実施例１の結果を支持するものとなった。
【００１６】
なお今回は、実施例１において入射波長として３３７ｎｍを使用したが、波長を変化させ各々の波長における電荷輸送能力を測定しておけば、実際の利用環境下（自然光、室内蛍光灯など）での触媒性能を短時間で見積もることが可能である。
【００１７】
【発明の効果】
本発明は、これまで評価が困難であった“表面への正孔の移動し易さ”という光触媒性能の優劣を決定する新指標を導入することが可能となり、高活性光触媒の設計に役立つ。また、瞬時に光触媒性能を評価することができる、という本発明に特有の顕著な効果を生ずるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明のパルス光励起表面正孔量測定回路のブロック図を示す説明図である。
【図２】図２は、本発明のパルス光励起表面正孔量測定結果を示す図である。
【図１】
0004630995.tif 000003
【図２】
0004630995.tif 000004