(57)【要約】      （修正有）【課題】高い光触媒活性を有する酸化チタン光触媒装置の提供。【解決手段】酸化チタンを主成分とする複数の結晶粒２０が互いに少なくとも一部を接合させることで３次元的に互いに空隙をあけつつ配置されてなる触媒部１０を備えるものである。露出する結晶粒の面積が大きく、かつ面方向のみならならず、厚み方向にも結晶粒がその表面を露出させた状態で配置されているため、高い光触媒活性を得ることができる光触媒装置１。結晶粒２０がルチル型であり、触媒部１０の気孔率が５〜３５％であり、触媒部２０に向けて波長４００〜４２０ｎｍの光を含む光を出射する発光部を備えた光触媒装置１。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化チタンを主成分とする複数の結晶粒が互いに少なくとも一部を接合剤なしに接合させることで３次元的に互いに空隙をあけつつ配置されてなる触媒部を備える光触媒装置。
【請求項２】
前記結晶粒はルチル型である請求項１に記載の光触媒装置。
【請求項３】
前記触媒部の気孔率は５％以上３５％以下である、請求項１または２に記載の光触媒装置。
【請求項４】
前記結晶粒は一軸における長さが他の２軸における長さよりも長く、角部がない形状である、請求項１乃至３のいずれかに記載の光触媒装置。
【請求項５】
前記触媒部に向けて光を出射する発光部を備え、
前記発光部は、前記触媒部と間隔をあけて対向配置され、出射する光は、波長４００ｎｍ以上４２０ｎｍ以下の範囲内の光を含む、請求項２に記載の光触媒装置。
【請求項６】
前記触媒部と前記発光部とは流路内に配置されている、請求項５に記載の光触媒装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光触媒装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、光触媒である酸化チタンの微粒子をバインダーに分散させて基体に塗布することで形成された光触媒膜を用いた光触媒装置が知られている（例えば、下記の特許文献１を参照）。
【０００３】
このような光触媒装置において、光触媒膜に光が照射されると、そのエネルギーを吸収し、電子とホールが生成される。この電子とホールが膜表面にある酸素や水と反応して活性酸素等のラジカルを生じ、有機物からなる汚れ物質や臭い成分を酸化還元して分解することで、脱臭装置や清浄装置として機能するものとなる。特に酸化チタンは強い酸化力を有する。すなわち、光励起によって酸化チタン表面に生じる正孔は、＋３.０Ｖという非
常に高い酸化電位を持ち、いろいろな化合物を酸化できる。この酸化電位がいかに強い力を有するかは、水処理などに用いられる塩素（１.３６Ｖ）や、オゾン（２.０７Ｖ）などの有する酸化電位と比較すると明らかである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−２９０６６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このような光触媒装置は、強い酸化力を有することや、半永久的な寿命を有することから、脱臭装置や清浄装置として注目されており、さらなる高効率化が求められている。
【０００６】
本発明は上述した状況に鑑みてなされたものであり、その目的の１つは高い光触媒能力を有する光触媒装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一形態に係る光触媒装置は、酸化チタンを主成分とする複数の結晶粒が互いに少なくとも一部を接合させることで３次元的に互いに空隙をあけつつ配置されてなる触媒部を備えるものである。
【発明の効果】
【０００８】
上記の光触媒装置によれば、高い光触媒能力を備えるものとなる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係る光触媒装置を示す模式図であり、図１（ａ）は、光触媒装置の斜視図である、図１（ｂ）はその一部を拡大した要部上面図である。
【図２】図２は、本発明の一実施形態に係る光触媒装置を示す模式的な断面図である。
【図３】図３は、実施例に係る触媒部の表面状態を観察したＳＥＭ像である。
【図４】図４は、参考例に係る触媒部の表面状態を観察したＳＥＭ像である。
【図５】図５は、実施例に係る触媒部のＸ線回折結果である。
【図６】図６は、実施例および比較例の照射する光源の波長に対する分解活性指数の関係を示す線図である。
【図７】図７は、実施例に係る光触媒装置における媒体雰囲気の流れをシュミレーションするためのモデルを説明する図である。
【図８】図８は、実施例に係る光触媒装置における媒体雰囲気の流れを示すシミュレーション結果である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明に係る光触媒装置の実施形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、図面は模式的に示されたものであり、各図における各種構造のサイズおよび位置関係等は適宜変更し得る。
【００１１】
＜＜第１実施形態＞＞
図１（ａ），（ｂ）に示すように、本発明の一実施形態に係る光触媒装置１は、触媒部１０を備える。触媒部２０の外形および寸法は、浄化・消臭・除菌等を希望する対象に合わせ適宜自由に設定することができる。例えば、直方体状、ウェハ状、円柱状等とすればよい。厚みは、１つの構造体として取扱い可能な厚みを要し、少なくとも０．５ｍｍ以上とする。この厚みは従来用いられていた、酸化チタンの微粒子を分散塗布した酸化チタン含有膜に求められる、「照射される光を吸収できる厚み」に比べて、オーダーが異なる程厚くなっている。
【００１２】
このような触媒部１０は、複数の結晶粒２０で構成されている。結晶粒２０は、酸化チタンからなる。酸化チタンの結晶系としては、アナターゼ型、ルチル型、ブルッカイト型等を例示することができる。いずれの結晶系であっても半導体特性を有し、個々の結晶系のバンドギャップに応じた波長の光を吸収して励起することができるので、照射する光の波長に応じた結晶系を選択すればよい。
【００１３】
ただし、アナターゼ型のバンドギャップは３．２ｅＶであり、３８７ｎｍ以下の波長の光により効率よく励起されるのに対して、ルチル型のバンドギャップは３．０ｅＶであり、４１０ｎｍ以下の波長の光により効率よく励起される。紫外光を出射するＬＥＤ等の発光素子は、その発光効率が４００〜４２０ｎｍで最大となるため、ＬＥＤとの組み合わせを考えたときには、結晶粒２０の結晶系をルチル型とすればよい。
【００１４】
結晶粒２０の形状は、多角柱状、板状、立方体等自由に選択できる。なお、比表面積を大きくするために、これらの形状の角部を丸くしてもよい。同様に結晶粒２０を構成する３軸のうち、一軸における長さが他の二軸によりも長い形状としてもよい。
【００１５】
結晶粒２０の大きさは、比表面積を大きくするためには小さいことが好ましいが、結晶粒２０のみで面方向（ＸＹ方向）および厚み方向（Ｚ方向）に広がる構造体を構成するためには、一定以上の大きさとすることが必要となる。例えば、粒径を０．１μｍ〜０．３μｍとすればよい。なお、長軸における長さを０．５μｍ〜１．５μｍ程度としてもよい。
【００１６】
このような結晶粒２０は、少なくとも一部が他の結晶粒２０と接合する接合部２１を有する。この複数の結晶粒２０の接合部２１には接着剤等の異なる材料は介在しない。このように、結晶粒２０の少なくとも１部を他の結晶粒２０に接合させて、３次元的にいわば架橋構造体を形成することで、面方向および厚み方向に広がる構造体である触媒部１０を構成することができる。
【００１７】
そして、複数の結晶粒２０の間には間隙２２が存在する。このように、複数の結晶粒２０の表面の一部は間隙２２によりその表面を露出させていることとなる。このため、触媒
部２０の内部においても、結晶粒２０の表面の少なくとも一部は露出しているものとなり、媒体雰囲気と接触可能な状態となっている。言い換えると、間隙２２は、触媒部１０の外側から内部に繋がる内部流路を形成していることとなる。このような間隙２２に依存する触媒部２０の気孔率は、例えば５％以上３５％以下とすればよい。
【００１８】
ここで、触媒部１０は、従来までの光触媒装置のように、酸化チタン微粒子を保持するためのバインダーや基体等を必要としない。このため、従来の光触媒装置がその表面のみ（面方向のみ）で媒体雰囲気と接触するのに対して、触媒部１０によれば厚み方向においても接触可能となり、微粒子化しなくても比表面積を確保することができる。さらに、他の従来例の１つである多孔質セラミック等の表面に酸化チタン微粒子を被着した構成の場合には、半導体特性を有さない別部材である多孔質体セラミックが大部分を占めるものとなり、単位体積当たりの酸化チタンの比表面積は小さくなる。また、表面に後から酸化チタン微粒子を付着可能な多孔質セラミックの気孔率は上述の触媒部２０の気孔率に比べて大きいため、この点でも単位体積当たりの比表面積は小さくなる。以上より、触媒部１０は、多孔質体の表面に酸化チタン微粒子を付着させた構造に比べ、比表面積を大きいものとなる。以上より、触媒部１０を用いた光触媒装置１は光触媒活性度の高いものとなる。
【００１９】
なお、このような光触媒装置１は、単に清浄・防臭作用を要する環境下に載置してもよいし、接着剤、治具、取り付け金具等により所望の位置に取り付けてもよい。例えば、室内や車内の空気清浄および防臭作用を目的とし、透光性を有する窓部材等の内側に光触媒装置１を取り付け、外部からの太陽光等により光触媒装置１として機能させてもよい。
【００２０】
このような触媒部２０は、例えば以下のように製造することができる。まず、原料となる酸化チタン粉末とバインダー等を混合し、成型した後に加熱する。ここで加熱により、酸化チタン粉末を結晶成長させて、結晶粒２０が形成され、さらにこの加熱により、結晶粒２０同士を一部接合させ、接合部２１が形成される。これと同時に、バインダーを揮発させることで、面方向および厚み方向において間隙２２を形成する。間隙２２の割合や、結晶粒２０の大きさ・結晶系、接合部２１の割合等は、加熱温度及び加熱時間により制御することができる。例えば、８００℃〜１０００℃で０．５〜３時間焼成することで、上述の触媒部２０を得ることができる。なお、この場合の結晶粒２０の結晶型はルチル型である。
【００２１】
＜＜第２実施形態＞＞
上述の例では、触媒部１０への光照射は太陽光等を含むものとし、光照射体に規定はなかったが、図２に示す光触媒装置１Ａのように、光照射体として発光部３０を用いてもよい。光触媒装置１Ａは、光触媒装置１に対して、発光部３０を有する点で異なる。
【００２２】
発光部３０は、触媒部１０と間隔を空けて対向配置されている。具体的には、清浄・防臭作用を要する雰囲気ガスが導入される処理室４０内に触媒部１０を載置する。触媒部１０は不図示の固定具を用いて処理室４０に固定してもよい。そして処理室４０の触媒部１０の配置位置と対向する壁面に出射する光が触媒部１０に向けられるように発光部３０を配置する。
【００２３】
＜発光部＞
発光部３０は、結晶粒２０のバンドギャップに応じた波長の光を照射するものを選択する。たとえば、アナターゼ型の場合には３８７ｎｍ以下の発光波長を有する光を照射可能なものとし、ルチル型の場合には、４１０ｎｍ以下の発光波長を有する光を照射可能なものとする。このような発光部３０として、例えば、高圧水銀ランプ，低圧蒸気水銀ランプ等のＵＶランプや、発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いることができる。
【００２４】
本例では、触媒部１０の結晶粒２０としてルチル型のものを用い、発光部３０として、ＩｎＧａＮ系ＬＥＤを用いる場合について説明する。
【００２５】
ＧａＮのＬＥＤはＩｎの添加によりバッドギャップを広げることができる。発光層としてＩｎＧａＮを用いることで、そのＬＥＤの発光効率を安定して４００ｎｍ〜４２０ｎｍで最大とすることができる。このＬＥＤを発光部３０として用いることで、ルチル型の結晶粒２０にて高い効率で光を吸収し、励起させることができる。
【００２６】
なお、ＬＥＤにおいて発光波長を３８０ｎｍ以下とする場合には、均一な組成を有する発光層の形成が難しくなり、安定して十分な発光効率を得ることが難しくなる。この点からも、結晶粒２０としてルチル型を用い、ＩｎＧａＮ系のＬＥＤを発光部３０とする組み合わせが好ましい。
【００２７】
また、発光部３０としてＬＥＤを用いることにより、低電圧駆動が可能となり消費電力を抑制することができる。さらに、小型、低背化が可能となる。また、他の紫外ランプのように、光触媒装置１Ａの設置環境により発光効率が変化することがない。具体的には、ＬＥＤは冷蔵庫内等の低温環境化でも安定して出力することができるので、信頼性の高い光触媒装置１Ａとすることができる。また、ＬＥＤを用いることにより、発光部３０が長寿命なものとなり、メンテナンス間隔を長くすることができ、取扱の容易な光触媒装置１Ａを提供することができる。
【００２８】
このような発光部３０は、基板にＬＥＤを多数配置したアレイ型でもよいし、砲弾型のものでもよい。また、ＬＥＤの直上にレンズを設けてもよい。１つの触媒部１０に対して１つの発光部３０でもよいし、複数の発光部３０設けてもよい。触媒部１０との距離は、発光部３０の発光強度、出射光の光の広がり等を考慮して適宜設定することができる。
【００２９】
＜処理室＞
処理室４０は、触媒部１０，発光部３０を保持することができ、かつ、処理対象の雰囲気ガスを内部にとどめることができれば、特にその材質、形状等に制限はない。ただし、触媒部１０は、従来の光触媒装置における酸化チタン粒子のようにバインダー等で固着・保護されていないため処理室４０により触媒部１０を保護することができる材質および形状とすることが好ましい。
【００３０】
具体的には、外部から触媒部１０への接触を抑制するためにも処理室４０のうち、触媒部１０を保持する面およびその上面等は一定以上の強度を有する形状および材質を用いればよい。例えば、プラスチック等の樹脂材料や、金属、セラミック材料等、種々の材料を選択することができる。例えば、ステンレス板やアルミ板等を用いることができる。また、発光部３０の動作を制御する電子回路が組み込まれる基板等が処理室４０の壁面の一部を形成していてもよい。
【００３１】
そして、形状は、閉空間を形成するものであってもよいし、入口および出口を有する流路となっていてもよい。この例では筒状の流路とした場合を例示している。このような流路とする場合には、通気手段として不図示の送風ファンを入口側に設けたり、減圧ポンプを出口側に設けたりしてもよい。この例では、ＬＥＤからなる発光部３０が、処理室４０の内部に配置されている。このため、発光部３０の発光による発熱を利用して、処理室４０内に温度勾配を設けることで、処理室４０内の雰囲気ガスに対流を引き起こしてもよい。
【００３２】
また、発光部３０を処理室４０の内部に配置する場合には、発光部３０からの光を効率的に触媒部１０に導くために、処理室４０の内壁は光反射率の高いものとしてもよい。同
様の理由により、内壁面を曲面としたり、ドーム型としたりしてもよい。
【００３３】
なお、処理室４０が発光部３０の光に対して透光性を有する場合には、発光部３０は、処理室４０の外側に設けてもよい。その場合には、触媒部１０に対向する壁面の外側に設けてもよいし、触媒部１０を載置した面の外側に設けてもよい。この場合には、発光部３０を駆動するための制御部の設計・配置・および接続が容易となる。
【００３４】
さらに、発光部３０の発光面が処理室４０内に位置し、その他が外部環境に露出していてもよい。この場合も、発光部３０を駆動するための制御部の設計・配置・および接続が容易となる。
【００３５】
このような光触媒装置１，１Ａは、例えば、室内・車内のエアコン、冷蔵庫、自動車や電車等の移動手段の内部に設けられ、空気清浄や脱臭、汚れの分解除去等を行なう。
【００３６】
以上、本発明の実施形態を例示したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、発明の目的を逸脱しない限り任意のものとすることができることはいうまでもない。
【実施例】
【００３７】
＜触媒部１０評価＞
触媒部１０を製造し、その評価を行なった。具体的には、実施例として酸化チタン粉末をボールミルにて粉砕し、スラリー状にした後にバインダーを添加して加熱することで造粒し、ペレットに成形した。このペレットを温度勾配をつけつつ加熱し、７００℃以上１１００℃以下で２〜３時間焼成を行なった。参考例として同様に形成したペレットを１２００℃まで昇温して焼成した。
【００３８】
このようにして製造した実施例と参考例との表面状態を走査型顕微鏡で観察した。図３，図４は実施例および比較例の表面状態を示す二次電子像である。観察条件は、加速電圧１５ｋＶ、観察倍率は５０００倍と１５０００倍とした。図４の参考例の酸化チタン結晶粒は大きく成長し、かつ隙間のない状態となっていた。これに対して実施例の酸化チタン結晶粒（結晶粒２０）は、図３から明らかなように、一部が互いに接合しかつ間隙をあけて配置されていることが確認できた。また、結晶粒２０の粒径も図４の参考例に比べて小さく、比表面積も確保できていることが確認できた。
【００３９】
また、実施例の触媒部１０について、Ｘ線回折パターンを確認した。その結果、図５に示すようにルチル型となっていることが確認できた。
【００４０】
さらに、実施例の触媒部１０と参考例の酸化チタン結晶とのそれぞれ複数個について見かけ密度、嵩密度をアルキメデス法により測定し、気孔率を算出した。その結果、実施例の気孔率は３０〜３１％であり、参考例の気孔率は、０．５％以下であった。なお、結晶粒２０の一部が互いに接合しかつ互いに間隙をあけて配置される状態を実現できる範囲で焼成温度および時間を変えて、同様に気孔率を測定した結果、２５〜３５％であることを確認した。
【００４１】
このような触媒部１０に対して、ＪＩＳ  Ｒ  １７０３−２に準拠して光触媒活性について測定した。測定時の環境は、気温２３．５℃、湿度６５％であった。触媒部１０として直径１８ｍｍのペレットを用いた。使用光源としては、ＪＩＳ標準光（ブラックライト）、近紫外ＬＥＤランプ（波長３８５ｎｍ）、紫ＬＥＤランプ（波長４０５ｎｍ）を用いた。また、比較例として、市販品である酸化チタン微粒子を用いた光触媒についても同様の測定を行なった。その結果を、図６に示す。図６において、横軸は光源の波長を示し、
縦軸は分解活性指数（単位：ｎｍｏｌ／ｌ／ｍｉｎ）を示している。図６からも明らかなように、実施例に係る触媒部１０は、比較例の光触媒に比べて、全波長領域において大きな分解活性指数を呈していることが確認された。特に、光源として安定した発光効率を実現できる波長４００ｎｍ付近のＬＥＤを用いた場合であっても比較例の光触媒が実際に使用される条件における分解活性指数よりも大きな分解活性指数を実現できたことを確認した。
【００４２】
＜光触媒装置＞
次に、上述の触媒部１０を用いて、図２に示す光触媒装置１Ａについて、以下の条件で雰囲気ガスの流れをシミュレーションした。シミュレーションのモデルを図７に示した。
【００４３】
処理室４０：材質  アルミ板（厚み１．５ｍｍ）
断面形状が矩形状（内径の長辺：２１ｍｍ，短辺：１０ｍｍ）の長さ５０ｍｍの筒型
触媒部１０：直径１８ｍｍ厚み１２ｍｍの酸化チタンペレット
気孔率，結晶粒２０の粒径等は上述の実施例で評価したものと同等
処理室４０の長辺側の面に中心間隔を２０ｍｍとして２つ配置
発光部３０：プリント基板（厚さ１．６ｍｍ）に配置されたＬＥＤ
処理室４０の長辺側の面であって、触媒部１０が配置された面と対向する面に、触媒部１０と中心を合わせるようにして２つ配置
モデル１：発光波長が３８５ｎｍのＬＥＤを２つ配置
モデル２：発光波長が４０５ｎｍのＬＥＤを２つ配置
モデル１のＬＥＤ照射条件：０．１８Ｗ~１．８Ｗ
モデル１のＬＥＤ照射によるＬＥＤ温度Ｔｊ：最高１３０℃
モデル１のＬＥＤ照射条件：０．１４Ｗ〜１．４１Ｗ
モデル１のＬＥＤ照射によるＬＥＤ温度Ｔｊ：最高１４５℃
上述のモデルにおいて、シミュレーションを行なった結果、図８に示すように、モデル１，モデル２ともに、周囲温度Ｔ∞とＬＥＤ温度Ｔjの差に応じて０．０３〜０．１４ｍ
／ｓの対流速度変化が生じる事が確認できた。例えば、光触媒装置１を冷蔵庫内に配置し周囲温度Ｔ∞が０℃等の低温の場合には、０．１ｍ／ｓの対流速度変化を得ることができる。
【００４４】
以上より、発光部３０の点灯により生じる熱勾配を利用して、雰囲気ガスを循環させることが可能であることを確認した。
【符号の説明】
【００４５】
１：光触媒装置
１０：触媒部
２０：結晶粒
２１：接合部
２２：間隙
３０：発光部
４０：処理室
【図２】
2016168540.tif 000003
【図７】
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【図１】
2016168540.tif 000005
【図３】
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【図４】
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【図５】
2016168540.tif 000008
【図６】
2016168540.tif 000009
【図８】
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