光触媒とは

 酸化チタンに紫外線を照射すると水を安定的に水素と酸素に分解できることを示した本多・藤嶋効果の発見からほぼ40年が経ちます。この発見により光触媒は太陽光で水素を製造できるエネルギー技術として当時盛んに研究されましたが、現在までにこの分野での実用化には至っていません(自然エネルギー利用技術として近年見直されて研究が進められています)。しかし日本では光触媒としての酸化チタンの研究を通して他の分野への応用が進められてきました。それが「日本発」と呼ばれる光触媒による防汚機能や抗菌・消臭機能です。光触媒は光りが当たっていればこれら機能を持続的に発揮するため電気エネルギーを供給する必要がなく、環境や安全・安心といったキーワードを持つ技術として注目されています。ここ数年で光触媒は身の回りの様々なものに応用されるようになりました。以下では光触媒を解説した動画を紹介するとともに、光触媒の仕組みと機能について簡単に説明します。

【触媒とは】
 化学の辞典で「触媒」を調べてみると「みずからは結果的には全く変化せず、しかも反応速度を変え、あるいは反応を開始させ、あるいは可能ないくつかの反応のうち1つを選択的に進行させて生成物の種類を変える役目をする物質をいう。」と記載してある。すなわち「触媒」とは特定の化学反応を促進し、かつ自身は反応の前後で変化しないもののことであり、基本的には消費されないものである。化学製品の多くはこのような触媒を利用して生産されており、化学工業ではなくてはならないものである。身近なところでは自動車の排気ガス浄化に触媒が使われている。また生物の生命活動に不可欠な酵素も触媒の一種である。

【排気ガス浄化用触媒を例として】
 光触媒はよく光合成と比較して説明される。どちらも光によって反応が促進される触媒作用であるが、光合成は有機物を合成する反応であり、有機物を分解する光触媒とは逆の反応になっている。そこで酸化分解反応ということでは同じ排気ガス浄化用の触媒を例にとることにする。
 自動車の排気ガスにはガソリンの燃え残りの炭化水素や一酸化炭素などの有害な物質が混ざっている。これらの有害物質は燃焼することで酸化分解し、毒性のない水と二酸化炭素にして除去することができる。通常、炭化水素などの燃焼には700~800℃以上の高温が必要である。しかし、排気ガス浄化用触媒では、触媒中の活性物質である白金などの金属に炭化水素が吸着すると金属との間で相互作用が生じて炭化水素分子の化学結合が緩み、酸素との反応がし易くなる。それによって吸着した化合物の酸化分解を200~300℃ほどで進めることができるようになる。排気ガスの温度はエンジンを掛けてしばらくすれば数百℃以上になるので排気ガス自身の熱で反応が持続し、排気ガスが浄化されることになる。同じように、室温ではほとんど進まない酸化分解反応を光の力を利用して促進するのが「光触媒」である。

【光触媒の働き】
 光触媒である二酸化チタンに光(紫外線)が当たると電子が光のエネルギーを受け取ってエネルギーが高い状態に移り、電子が抜けたところに正孔と呼ばれる状態が発生する。この電子と正孔によって二酸化チタン表面に吸着している酸素や水が活性化することで酸化分解反応が促進されるようになる。しかしただ単に電子と正孔ができるだけでは反応は進まない。電子と正孔がそれぞれ瞬時に反応に使われないと再び電子と正孔が結合して元の状態に戻ってしまい、目的とする酸化分解反応が起きなくなってしまう。反応を起きやすくするには、酸化チタンの粒子形態や電子と正孔の持つエネルギー状態(化学ポテンシャル)が重要なポイントとなる。
 二酸化チタンを可視光応答型に改良する開発の初期には、二酸化チタンに窒素を加えて(ドーピング)可視光を吸収する方法がとられていた。しかしこの方法では正孔の化学ポテンシャルが小さくなるため酸化反応の力が弱くなってしまい、結果として高い酸化活性が得られないという問題があった。現在では他の金属を酸化チタン表面に付着させることで、反応活性を下げないようにしながら可視光応答型になるように開発が進められている。
 この光触媒の酸化分解活性は非常に強いものであり、この反応を利用することで様々な有害物質を室温で除去することができるのである。シックハウスの原因物質であるホルムアルデヒドを始めとして、百種類以上あるといわれる揮発性有機化合物(VOC)も酸化分解して除去することができる。また、各種の細菌、ウイルスに対してもその効果を発揮できる上、薬剤耐性菌を生み出す心配もない。通常の消臭剤や抗菌剤では、除去したい対象によって効果的な薬剤を選択する必要がある。そのためVOC対策ではそれぞれの化学物質に合わせて様々な薬剤を使用することになり、すべてのVOCに対応するのは非常に難しい。また効果の持続性に限りがあることや、薬剤を環境中に放散することで環境負荷を増す可能性もある。これに対して光触媒は効果の持続性が高く環境負荷も非常に小さいため、「環境」や「安心・安全」に寄与する環境改善技術となっている。
 光触媒に用いられる二酸化チタンはこのような酸化反応を促進する機能の他に、建物の外壁などの防汚に応用されている超親水性と呼ばれる機能もある。ただしこの機能は反応を促進する触媒とは異なる現象であるのでここでは解説を省略する。

 以上の働きにより、生活環境の中では次のような効果が得られます。
◇消臭効果⇒様々なニオイに対し、長期間効果を発揮します。
◇抗菌・抗ウイルス効果⇒菌やウイルスの種類に関係なく効果を発揮します。耐性菌ができる心配がありません。
◇シックハウス対策⇒シックハウス症候群の原因物質であるホルムアルデヒドやVOCを分解除去します。
◇花粉対策⇒花粉にも酸化分解力を発揮します。
◇汚れ軽減効果⇒タバコのヤニのような徐々に付着していく汚れを軽減する効果があります。

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光触媒の仕組みをもっと詳しく知りたい方は下記ホームページを御覧ください。
・神奈川科学技術アカデミー 光触媒ミュージアム
・光触媒工業会 光触媒入門

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