(57)【要約】【課題】二酸化チタンに対して高い可視光応答性を付与し、実用的な可視光活性光触媒を提供する。【解決手段】二酸化チタンからなる部材の、少なくとも表層部分に３価のカチオン元素を添加する。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも表層部分に３価のカチオン元素を添加した、二酸化チタンからなる部材を具えることを特徴とする、可視光活性光触媒。
【請求項２】
前記カチオン元素はボロンであることを特徴とする、請求項１に記載の可視光活性光触媒。
【請求項３】
前記カチオン元素の添加は、前記カチオン元素のイオンを前記二酸化チタンからなる部材中にイオン注入することによって実施することを特徴とする、請求項１又は２に記載の可視光活性光触媒。
【請求項４】
前記イオン注入による加速エネルギーが３０ｋｅＶ以下であることを特徴とする、請求項３に記載の可視光活性光触媒。
【請求項５】
前記イオン注入による前記イオンの注入量が１×１０１６個／ｃｍ２以上であることを特徴とする、請求項３又は４に記載の可視光活性光触媒。
【請求項６】
前記可視光活性光触媒の、前記カチオン元素を添加した前記表層部分に塗布したメチレンブルーの吸光度が１．８２以下であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一に記載の可視光活性光触媒。
【請求項７】
前記部材の、前記カチオン元素を添加した前記表層部分の接触角が３度以下であることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一に記載の可視光活性光触媒。
【請求項８】
二酸化チタンからなる部材を準備する工程と、
前記部材の少なくとも表層部分に３価のカチオン元素を添加する工程と、
を具えることを特徴とする、可視光活性光触媒の製造方法。
【請求項９】
前記カチオン元素の前記カチオン元素のイオンを前記二酸化チタンからなる部材中にイオン注入することによって実施することを特徴とする、請求項８に記載の可視光活性光触媒の製造方法。
【請求項１０】
前記イオン注入による加速エネルギーが３０ｋｅＶ以下であることを特徴とする、請求項９に記載の可視光活性光触媒の製造方法。
【請求項１１】
前記イオン注入による前記イオンの注入量が１×１０１６個／ｃｍ２以上であることを特徴とする、請求項９又は１０に記載の可視光活性光触媒の製造方法。
【請求項１２】
前記カチオン元素はボロンであることを特徴とする、請求項８〜１１のいずれか一に記載の可視光活性光触媒の製造方法。
【請求項１３】
前記可視光活性光触媒の、前記カチオン元素を添加した前記表層部分に塗布したメチレンブルーの吸光度が１．８２以下であることを特徴とする、請求項８〜１２のいずれか一に記載の可視光活性光触媒の製造方法。
【請求項１４】
前記部材の、前記カチオン元素を添加した前記表層部分の接触角が３度以下であることを特徴とする、請求項８〜１３のいずれか一に記載の可視光活性光触媒の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可視光活性光触媒、及び可視光活性光触媒の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
二酸化チタンは、バンドギャップが３．２ｅＶであるため、波長３８０ｎｍ以下の紫外光が照射されることにより電子正孔対が生成され、それらが表面に拡散して格子酸素にトラップされ、電子は吸着酸素に、正孔は吸着水に移行することで、活性酸素であるスーパーオキシドアニオン（・Ｏ２−）及びヒドロキシラジカアル（・ＯＨ）を生成する。特に、ヒドロキシラジカルは著しく強い酸化力を有するため、あらゆる有機物を酸化分解することが可能で、その構成元素（炭素、水素、硫黄、窒素）は最終的に二酸化炭素、水、硫酸イオン、硝酸イオンにまで酸化される。したがって、前記二酸化チタンは、光触媒として有望視されている。
【０００３】
しかしながら、前記二酸化チタンの光の吸収と太陽光や蛍光灯のスペクトルとの重なりは小さく、通常の生活空間においては反応に利用できる光量は非常に少ない。したがって、前記二酸化チタンを可視光域の光で活性化させて上述した酸化分解反応を発現させ、可視光活性光触媒として使用する試みがなされている。
【０００４】
二酸化チタンに対して可視光応答性を付与するためには、主として前記二酸化チタンに対して窒素、硫黄、及び炭素などのアニオン元素を添加する（例えば特願平１１−２２３００３号参照）、あるいはプラズマ処理などによって前記二酸化チタンに対して酸素欠陥を生ぜしめ、バンドギャップを狭窄化するなどの試みがなされている（例えば特願平８−３１３５９８号参照）。
【０００５】
しかしながら、後者の方法ではプラズマ処理を用いているため高コストプロセスになるという問題があるとともに、いずれの方法においても前記二酸化チタンの可視光応答性の改善は不十分であり、可視光活性光触媒として使用するには不十分であった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、二酸化チタンに対して高い可視光応答性を付与し、実用的な可視光活性光触媒を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成すべく、本発明は、
少なくとも表層部分に３価のカチオン元素を添加した、二酸化チタンからなる部材を具えることを特徴とする、可視光活性光触媒に関する。
【０００８】
また、本発明は、
二酸化チタンからなる部材を準備する工程と、
前記部材の少なくとも表層部分に３価のカチオン元素を添加する工程と、
を具えることを特徴とする、可視光活性光触媒の製造方法に関する。
【０００９】
本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討を実施した。その結果、二酸化チタンに対して、価電子制御理論を用いて合金化を施すことにより、前記二酸化チタンに対して酸素空孔を導入し、伝導体準位を低下させることでバンドギャップを低減できると考えた。この考えに基づき、前記二酸化チタンの少なくとも表層部分に、従来の、及び現在研究段階にある窒素、硫黄、及び炭素などのアニオン元素に代えてボロンなどの３価のカチオン元素を添加することにより、前記二酸化チタンの前記伝導体準位の低下に伴うバンドギャップの低減によって、前記二酸化チタンの可視光応答性が著しく向上することを見出した。したがって、前記カチオン元素を有する前記二酸化チタンは、実用的な可視光活性光触媒として十分に使用できることを見出した。
【発明の効果】
【００１０】
以上説明したように、本発明によれば、二酸化チタンに対して高い可視光応答性を付与し、実用的な可視光活性光触媒を提供することができるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明のその他の特徴及び利点について、発明を実施するための最良の形態に基づいて詳細に説明する。
【００１２】
本発明においては、少なくとも表層部分に３価のカチオン元素を添加した、二酸化チタンからなる部材を用いて可視光活性光触媒を構成する。前記カチオン元素としては、特に限定されるものではないが、ボロン、アルミニウム、ガリウム及びインジウムを例示することができる。これらカチオン元素の中でも特にボロンを用いることが好ましい。
【００１３】
また、前記部材は、用途に応じて如何なる形状にも加工することができ、バルク状あるいは薄膜状とすることもできる。
【００１４】
さらに、前記カチオン元素の添加は、如何なる方法によっても行うことができるが、一例として前記カチオン元素のイオンをイオン注入することによって実施する。イオン注入によれば、その加速電圧などを制御することによって、前記部材の前記表層部分の任意の深さに前記カチオン元素を注入できるようになる。
【００１５】
なお、前記カチオン元素をイオン注入によって前記部材内に添加する際、その加速エネルギーは３０ｋｅＶ以上であることが好ましい。このような範囲の加速エネルギーで前記カチオン元素を前記部材内に注入することにより、前記二酸化チタンの可視光応答性をさらに向上させることができるようになる。なお、前記加速エネルギーの下限は、例えば０．５ＫｅＶとすることができる。
【００１６】
また、前記イオン注入による注入量は１×１０１６個／ｃｍ２以上であることが好ましい。この場合においても、上述したように、前記二酸化チタンの可視光応答性をさらに向上させることができる。また、前記二酸化チタンの、前記カチオン元素が注入された前記表層部分の接触角を低減させ、親水性を向上させることができるので、前記二酸化チタンの前記表層部分に吸着できる物質量を増大させることができる。したがって、前記二酸化チタンの、光触媒としての酸化分解反応に供することのできる物質量を増大させることができ、前記二酸化チタンの、光触媒としての機能を向上させることができるようになる。なお、前記流入量の上限は、例えば５×１０１７個／ｃｍ２とすることができる。
【００１７】
なお、前記表層部分の前記接触角は、前記イオン注入による注入量を上述した範囲に設定することにより、例えば３度以下にまで低減することができる。
【実施例】
【００１８】
厚さ２００μｍの二酸化チタン薄膜を準備し、この二酸化チタン薄膜の表層部分にボロンイオンを、それぞれ０．５ｋｅＶ、１０ｋｅＶ及び３０ｋｅＶの加速エネルギーで注入し、前記二酸化チタン薄膜中にボロンの添加を試みた。
【００１９】
図１は、上述のようにしてボロン添加を実施した二酸化チタン薄膜の可視光域での吸収スペクトルを示すグラフである。図１から明らかなように、ボロンを１０ｋｅＶの加速エネルギーで注入した二酸化チタン薄膜において吸収が優れていることが分かる。
【００２０】
図２は、上述のようにしてボロン添加を実施した二酸化チタン薄膜のメチレンブルー吸光度の経時変化を示すグラフである。なお、前記吸光度は、前記二酸化チタン薄膜をψ６０ｍｍのシャーレに入れ、次いで、前記シャーレ内にメチレンブルー１０ｐｐｍ水溶液を２０ｇ注入し、３０分間載置して前記二酸化チタン薄膜に前記メチレンブルーを吸着させ、次いで、所定の光源を点灯させて、経過時間毎の６６５ｐｐｍにおける吸光度を分光光度計で測定した。なお、前記光源と前記二酸化チタン薄膜との間には紫外線カットフィルタを配置し、３２５−３９０ｎｍの紫外線強度を５μＷ／ｃｍ２以下とした。また、前記光源としては、蛍光灯（１５Ｗ×５本）を用い、前記二酸化チタン薄膜と前記光源との距離を１００ｍｍに保持し、照度は約１３．５−１４ｋｌｕｘとした。
【００２１】
図２から明らかなように、ボロン無添加の二酸化チタン薄膜に比較して、ボロン添加の二酸化チタン薄膜は吸光度が減少し、前記二酸化チタン薄膜の光触媒効果によって、前記メチレンブルーの色素が分解されていることが分かる。すなわち、二酸化チタン薄膜にボロン添加を行うことにより、前記二酸化チタン薄膜中に可視光応答性が発現し、可視光活性光触媒としての機能が発現することが分かる。なお、本実施例では、前記二酸化チタン薄膜に対してボロンを０．５ＫｅＶ以上の加速エネルギーで注入することにより、前記メチレンブルーの吸光度が約１．８２以下となっていることが分かる。
【００２２】
図３は、上述のようにしてボロン添加を実施した二酸化チタン薄膜における接触角の、前記ボロンイオンの注入量に対する依存性を示すグラフである。図３から明らかなように、イオン注入量が１×１０１５個／ｃｍ２〜１×１０１７個／ｃｍ２の範囲では、接触角が約２５度以下にまで減少していることが分かる。一方、グラフ中には明示していないが、ボロン添加を実施していない二酸化チタン薄膜の接触角は５０．９度であった。
【００２３】
すなわち、前記二酸化チタン薄膜にボロン添加を行うことによって、親水性を向上させることができるので、前記二酸化チタンの前記表層部分に吸着できる物質量を増大させることができる。したがって、前記二酸化チタンの、光触媒としての酸化分解反応に供することのできる物質量を増大させることができ、前記二酸化チタンの、光触媒としての機能が向上できることが分かる。
【００２４】
なお、前記接触角は、以下のようにして測定した。前記二酸化チタン薄膜を水平ステージ上に載置し、前記二酸化チタン薄膜直上から蒸留水を数ｃｃ滴下し、前記二酸化チタン薄膜上の液滴を側面から光学顕微鏡で観察し、前記液滴頂点と端点との間を通過する角度（θ／２、θは接触角）を読み取ることによって、前記接触角を導出した。また、前記接触角の測定は、上述した操作を同一の二酸化チタン薄膜と異なる５箇所で行い、その平均値をもって前記接触角とした。
【００２５】
以上、具体例を挙げながら発明の実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明してきたが、本発明は上記内容に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいてあらゆる変形や変更が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
本発明は、大気浄化（大気中の有害物質の無害化）、無菌・除菌化（安全空間創出）、汚染物質の分解除去などに利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】ボロン添加を実施した二酸化チタン薄膜の可視光域での吸収スペクトルを示すグラフである。
【図２】ボロン添加を実施した二酸化チタン薄膜のメチレンブルー吸光度の経時変化を示すグラフである。
【図３】ボロン添加を実施した二酸化チタン薄膜における接触角の、前記ボロンイオンの注入量に対する依存性を示すグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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