JP2002316057A - 光触媒体および機能体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】室温程度（０〜４０℃以下）の低温であっても
高い分解性を有する光触媒体およびこれを用いた機能体
を提供する。 【解決手段】酸化チタンを主成分とする光触媒膜の表面
にＭＯ_ＸＣ_Ｙ（Ｍは金属）からなる表面層を設けた光触
媒体を形成する。Ｍは、Ｙ、Ｌａ、Ｓｃ、Ｇｄ、Ｅｒ、
Ｙｂ、ＳｍおよびＰｒのグループから選択された一種ま
たはその混合物が好適でありまた、酸素および炭素の原
子数比（Ｙ／Ｘ）が０．０２〜０．２の範囲にあるとさ
らに好適である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は光触媒体、これを用
いたランプ、照明器具、室内建材、脱臭装置のフィルタ
ーなどの機能体に関する。

【０００２】

【従来の技術】消臭、防汚および抗菌を行うために光触
媒膜を用いることが、知られている。

【０００３】光触媒膜は、紫外線照射を受けて、その光
エネルギーを吸収すると、光触媒膜を構成して光触媒作
用を呈する半導体に電子とホールを生成する。電子とホ
ールは、膜表面にある酸素や水と反応して活性酸素や他
の活性なラジカルなどを生じ、有機物からなる汚れや臭
いの成分を酸化還元して分解するとされている。

【０００４】光触媒作用のある物質は、半導体特性を示
す金属酸化物に見られるように多数種の金属酸化物が知
られているが、そのうち現在最も有望視されているのは
酸化チタンである。酸化チタンは、光触媒作用が顕著で
あるとともに、安全で工業的に合理的な価格で、しかも
必要量を入手できる物質であるからである。

【０００５】近時、光触媒膜の有用性に注目して、用い
たランプ、照明器具、室内建材、脱臭装置のフィルター
などの幅広い物品に光触媒膜を形成しようとする動きが
活発である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところが、このような
光触媒体は、使用条件にもよるが雰囲気温度が低下する
と光触媒体の活性が大幅に低下する。特に室温程度（４
０℃以下）での分解速度の低下が認められている。

【０００７】本発明は、上記の課題に鑑みてなされたも
のであり、室温程度の低温領域で高い分解性を有する光
触媒体およびこれを用いた機能体を提供することを目的
とする。

【０００８】

【課題を達成するための手段】請求項１の発明の光触媒
体は酸化チタンを主成分とする光触媒膜と；光触媒膜の
表面の少なくとも一部にＭＯ_ＸＣ_Ｙ（Ｍは金属）からな
る表面層と；を具備している。

【０００９】本発明および以下の各発明において、特に
指定しない限り用語の定義および技術的意味は次によ
る。

【００１０】本発明の光触媒体は、光触媒膜を具備して
いるが、基体を備えていることを必要条件とするもので
ない。また、光触媒膜は、光触媒物質をその主要な構成
要素としているが、必要に応じてその他の物質を含んで
いることを許容する。

【００１１】光触媒膜は、酸化チタンＴｉＯ_２を主成分
として基体に膜状に形成される。光触媒作用を備えた金
属化合物には、酸化チタンＴｉＯ_２を始め、ＷＯ_３、Ｆ
ｅＴｉＯ_３、Ｆｅ_２Ｏ_３、ＣｄＦｅ_２Ｏ_４、ＳｒＴｉＯ
_３、ＺｎＯ、ＣｄＦｅＯ_３、Ｂｉ_２Ｏ_３、Ｉｎ_２Ｏ_３、
ＣｄＯ、ＳｎＯ_２などである。これらの物質を酸化チタ
ンＴｉＯ_２に１種または複数種を混合して用いることが
できる。

【００１２】以上の各種の光触媒物質の中でも、酸化チ
タンＴｉＯ_２は、特に光触媒作用が顕著であるととも
に、前述したように安全で工業的に合理的な価格でかつ
入手しやすいので、光触媒物質として最も有望視されて
いる。また、酸化チタンには、その結晶構造としてルチ
ル形とアナターゼ形とがある。光触媒作用は、アナター
ゼ形の方が優れているといわれている。したがって、ア
ナターゼ形の酸化チタンを用いるのが好適である。しか
し、実際的にはアナターゼ形にルチル形が混在して形成
される場合も多く、しかも酸化チタンの超微粒子を用い
る場合には、上記結晶構造が混在していても実用的な光
触媒作用を得ることができるから、両者が混在した態様
であってもよい。なお、それらの混合比の如何によって
分解性が変化する。

【００１３】また、これまで知られていなかったＴｉ、
Ｏ、Ｃを主成分としたアモルファス系酸化チタンを用い
ることもできる。このアモルファス系酸化チタンからな
る膜が非常に高い分解力を有し、かつ低温で形成するこ
ともできる。また、このアモルファス系酸化チタンから
なる光触媒膜を比較的高温状態の熱処理を行うことによ
り、結晶化することによって高い分解力を維持しつつ、
膜強度、基体への付着強度、耐久性の良好な酸化チタン
を主とする光触媒膜が開発されている。

【００１４】光触媒物質は、チタンなどの金属の化合物
をたとえばディップ法、スプレー法などにより塗布し、
加熱・焼成して成膜してもよいし、光触媒物質の超微粒
子分散液を調整してこれを塗布し、乾燥した微粒子を堆
積したものでもよい。すなわち、光触媒膜は、既知の各
種製膜法を用いて形成することが許容される。なお、超
微粒子分散液法の場合、超微粒子は、その平均粒径が３
０ｎｍ以下、なるべくは７〜１０ｎｍの極めて細かい微
粒子を用いるのがよい。しかも、好ましくは微粒子の形
状がなるべく球形に近く、粒径のばらつきが少ない結晶
性の良好な微粒子がよい。

【００１５】また、光触媒物質の超微粒子などの微粒子
を主成分とする光触媒膜を形成する際には、適当な結着
材を用いることにより、強固な膜を得ることができる。
そして、この場合の結着材としては、Ｓｉ化合物を用い
るのが好適であり、またＳｉ化合物であっても適当な温
度で焼成するものや、常温硬化性のものを用いることが
できる。常温硬化性の結着材としては、たとえばメチル
基およびメチル基を含むオルガノシランオリゴマーから
なるグループから選択された少なくとも一種に硬化触媒
を添加したものを用いることができる。なお、硬化触媒
としては、たとえば酸、アルカリ、亜鉛化合物、チタン
化合物およびジルコニウム化合物からなるグループから
選択された少なくとも一種を用いることができる。ま
た、酸化触媒とを配合した組成物からなる結着材溶液
に、酸化チタン超微粒子を分散した塗布液を調整して、
基体上または下地層上に塗布し、乾燥して、光触媒膜を
形成することもできる。また、常温硬化性結着材を用い
て光触媒膜を形成する場合、１５〜１００℃で硬化する
ように構成することができる。

【００１６】光触媒の少なくとも表面には、ＭＯ_ＸＣ_Ｙ
（Ｍは金属）からなる表面層が形成される。この表面層
は、光触媒膜の表面上に形成されるまたは光触媒膜の内
部も含めた、光触媒膜を形成している酸化チタンの粒の
表面上に形成されることを許容する。このような表面層
を形成するには、光触媒膜の表面をＭ（Ｍは金属）アセ
チルアセトナートのような金属錯体の有機溶剤溶液を塗
布し熱分解処理によって形成することができる。この熱
分解処理によって表面の酸化チタン粒と結合していたＯ
Ｈ基が排除されてＭＯ_ＸＣ_Ｙ（Ｍは金属）の表面層が形
成され、かつその表面層がほとんどＯＨ基を含まない。
また、表面層の厚さは１０ｎｍ以下となるように形成さ
れている。

【００１７】このとき、一般に保護膜として使用されて
いるような硝酸塩、金属アルコキシドのような加水分解
性の材料を使用し熱処理を施した場合には、表面層にも
一度ＯＨ基を形成してしまうためほとんど効果を生じな
かったことから、上記のような金属錯体を有機溶剤とし
て塗布することが望ましい。

【００１８】請求項１の発明によれば、室温程度（０〜
４０℃）の低温領域においても高い分解能力を有する光
触媒体を提供することができる。これは、詳細のメカニ
ズムについては解明されていないが、酸化チタンの表面
のＯＨ基を排除することによって表面の吸着水の影響が
なくなることによるためと考えられる。

【００１９】請求項２の発明の光触媒体は、請求項１記
載の光触媒体であって、Ｍは、Ｙ、Ｌａ、Ｓｃ、Ｇｄ、
Ｅｒ、Ｙｂ、ＳｍおよびＰｒのグループから選択された
一種またはその混合物であることを特徴としている。

【００２０】本発明は、表面層を構成するＭとして好適
な金属を規定している。特に、安定的に形成しやすく、
工業的に合理的な価格で入手しやすいものとしては、Ｙ
（イットリア）、Ｌａ（ランタン）が有力である。

【００２１】請求項３の発明は請求項１または２記載の
光触媒体であって、酸素および炭素の元素数比（Ｙ／
Ｘ）が０．０２〜０．２の範囲にあることを特徴とす
る。

【００２２】このように、酸素と炭素の原子数の比を規
定することによって良好なＭＯ_ＸＣ _Ｙ（Ｍは金属）の表
面層を形成することができる。

【００２３】請求項４の発明の機能体は機能体本体と；
機能体本体を基体としてその表面上に形成された請求
項１ないし３いずれか一記載の光触媒体と；を具備して
いる。

【００２４】本発明において、機能体とは、たとえばタ
イル、窓ガラス、天井パネルなどの建築材、壁紙、カー
テンなどの内装材や、厨房用および衛生用の器材、家電
機器、照明用器材、消臭用または集塵用フィルターなど
を示す。

【００２５】また、「機能体本体」とは、機能体のうち
光触媒膜を除く部分の一部または全体を意味する。たと
えば、機能体がタイルである場合に、通常のタイルの部
分を本発明においては、機能体本体といい、タイルの前
面に光触媒膜を形成するのであれば、機能体本体の一部
に光触媒膜を形成することになる。

【００２６】機能体がランプである場合、光触媒膜はラ
ンプのガラスバルブの外表面に光触媒膜を形成すること
ができる。ランプは、発光部をガラスバルブが包囲して
いて波長４００ｎｍ以下を含むのであれば、発光原理は
問わない。たとえば、白熱電球、放電ランプなどである
ことを許容する。白熱電球の場合、色温度が高いハロゲ
ン電球の方が一般照明用電球より、波長４００ｎｍ以下
の発光割合が高い。放電ランプの場合、低圧放電ランプ
および高圧放電ランプのいずれでもよい。低圧放電ラン
プとしては、たとえば蛍光ランプがある。蛍光ランプの
場合、要すれば用いる蛍光体を選択して４００ｎｍ以下
の発光を適当に増加させることができる。このような蛍
光ランプは、一般照明用の蛍光ランプに比較して、比較
的可視光の減少が少なくて、しかも光触媒体を照射する
紫外線量が多いので、分解力を大きくすることができ
る。このため、光触媒体活性化用のランプとして好適で
ある。しかし、一般照明用として従来から多用されてい
る３波長形発光の蛍光体やハロリン酸塩蛍光体を用いた
蛍光ランプであってもよい。また、主として４００ｎｍ
以下の発光を利用する目的の殺菌ランプやブラックライ
ト、ケミカルランプなどであってもよい。一方、高圧放
電ランプとしては、たとえば水銀ランプ、メタルハライ
ドランプおよび高圧ナトリウムランプなどであってもよ
い。なお、ガラスバルブは、放電媒体を包囲している発
光管であってもよいし、発光部を内包している発光管を
さらに包囲する外管であってもよい。以上のように、ラ
ンプの発光により室内の照明を行いながら、発光中の紫
外線により、光触媒膜を活性化して臭いガスを分解して
脱臭を行うことができる。特に、ランプの場合には、紫
外線強度が高い位置に光触媒膜が配設されるから、光触
媒膜のほぼ全体を良好に活性化して強い消臭を行うこと
ができる。

【００２７】次に、機能体が照明器具である場合にも、
照明器具は紫外線発生源であるランプに近接した位置で
使用されるから、光触媒膜を強い紫外線強度で良好に活
性化することができる。光触媒膜を形成する部位は、照
明器具のうち制光手段の部分が好適である。制光手段
は、反射体、グローブ、セード、透光性カバー、シャン
デリア用ようらくおよびルーバなどの一または任意の数
の組み合わせからなる複数であってもよい。制光手段
は、所望の配光や見え方を得るために、ランプの発光を
制御するものであるから、制光手段にはランプの紫外線
も照射されるので、この部分に光触媒膜を形成しておく
ことにより、光触媒膜を所要に活性化することができ、
したがって臭いガスを分解して脱臭するのに効果的であ
る。しかも、臭いガスは光触媒膜によって分解されるか
ら、室内の脱臭は効果的に行われる。さらに、照明器具
をたとえば冷蔵庫、エアコンディショナー、空気清浄装
置などに収納できる大きさおよび構造にして、これらの
機器に配設することにより、機器内において脱臭ができ
る。

【００２８】そうして、本発明においては、機能体を使
用中に光触媒膜を形成している部位に汚れ、細菌または
臭い物質が付着しても、光触媒膜が紫外線照射を受ける
ことにより、これらは分解されて除去される。また、光
触媒膜を、さらに要すれば下地層をも、常温硬化により
形成することができるので、カーテン、壁紙、木材など
の可燃性材質の機能体に光触媒膜を形成することができ
る。したがって、機能体の光触媒膜を形成する部位の材
質を選ばない。

【００２９】請求項４の発明によれば、低温域において
も光触媒の分解力を高い状態とする機能体を提供するこ
とができる。

【００３０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面を
参照して説明する。

【００３１】図１は、本発明の光触媒体の第１の実施形
態を示す概念的要部拡大断面図である。

【００３２】基体１は、ソーダライムガラスから構成さ
れおり、基体１の表面は光触媒膜が形成されている。光
触媒膜２は、平均粒径１０ｎｍのアナターゼ形酸化チタ
ンの超微粒子をイソプロピルアルコールに分散させ、さ
らにポリシロキサンを主体とするＳｉ化合物を２〜３０
重量％添加してなる塗布液を基体１に塗布し、２００〜
６００℃で焼成してなるアナターゼ形酸化チタンの超微
粒子４の堆積膜を主体とする構成である。

【００３３】表面層３は、イットリウムアセチルアセト
ナートをエタノールなどの有機溶剤に０．０５〜０．１
重量％溶解してなる塗布液を光触媒膜２を塗布し、１５
０℃の温度で熱分解処理することにより形成されてい
て、その平均膜厚は３ｎｍ以下で原子層程度である。表
面層３は、酸化チタンの超微粒子４の表面上に付着して
おり、光触媒膜２の内部にも存在していてもよい。

【００３４】表面層３の形成のプロセスを図２を参照し
て説明する。図２（ａ）は、基体上に形成された酸化チ
タンの超微粒子４を模式的にあらわしたものである。こ
の状態で酸化チタン粒子４上にはＯＨ基の結合が見られ
る。次に図２（ｂ）には、この酸化チタン膜状にイット
リウムアセチルアセトナートを塗布し、酸化チタン粒子
４上にイットリウムアセチルアセトナート３ａが塗布さ
れている状態を示す。酸チタン粒子４と結合していたＯ
Ｈ基状にもイットリウムアセチルアセトナート３ａが付
着されている。

【００３５】この状態で、約２５０℃で熱処理を行った
ものを図２（３）に示す。酸化チタン粒子４上に厚みが
数分子層以下（３ｎｍ以下）のＹＯ_ＸＣ_Ｙが表面層３と
して形成される。この時酸化チタン粒子４と結合されて
いたＯＨ基が排除されている。

【００３６】図３には、本実施形態の光触媒体の雰囲気
温度と分解性との関係の測定結果を示したグラフであ
る。図において、横軸は温度（℃）を、縦軸は分解性
（相対値）を、それぞれ示す。また、曲線Ａは本実施形
態の光触媒膜のの場合、曲線Ｂは比較例として本実施形
態と同様の酸化チタン膜を形成したのみ（表面層なし）
の場合を、それぞれ示す。

【００３７】なお、試験は、触媒体の表面にガス煤（す
す）膜を形成してテストピースを作成し、同一紫外線照
射量で、かつ触媒膜の温度をそれぞれ変えて分解性を測
定したものである。図から明かなように、いずれも場合
においても触媒膜の温度が高くなるほど分解性が向上す
るが、比較例の場合は、４０℃以下となったときに分解
性が低下している。比較例と比べて本実施形態の場合４
０℃での分解性が比較例の約２０％向上し、２０℃にお
ける分解性はおよそ３倍向上している。

【００３８】この結果から、本実施形態のような光触媒
体を形成することによって室温程度の低温領域における
光触媒体の分解性を高めることができる。

【００３９】図４は、本発明の機能体の第１の実施形態
としての環形蛍光ランプを示す一部断面正面図である。

【００４０】図において、１１はガラスバルブ、１２は
光触媒膜、１３は蛍光体層、１４はフィラメント電極、
１５は口金である。

【００４１】ガラスバルブ１１は、光触媒膜１２に対し
て基体として機能するとともに、内部に蛍光ランプとし
ての機能部分を気密に収納する。すなわち、両端が離間
対向して環状に曲成されたガラスバルブ１１の内部に放
電媒体としての水銀およびアルゴンを主体とする希ガス
を数１００Ｐａ封入し、内面に蛍光体層１３を担持し、
さらに両端に一対のフィラメント電極１４を封装してい
る。

【００４２】光触媒膜１２は、図１に示す光触媒体と同
じ構成である。なお、ガラスバルブ１１が基体として作
用している。

【００４３】蛍光体層１３は、３波長発光形蛍光体を用
いて構成されている。

【００４４】フィラメント電極１４は、ガラスバルブ１
１の両端にフレアステムを介して封装されている。

【００４５】口金１５は、合成樹脂製の口金本体１５ａ
および口金本体１５ａに絶縁して取り付けられた一対の
口金ピン１５ｂから構成されている。口金本体１５ａ
は、２つ割に成形されていて、ガラスバルブ１１の両端
間を挟み込により橋絡して図示しない嵌合機構により固
定されている。フィラメント電極１４の両端はそれぞれ
口金ピン１５ｂに接続されている。

【００４６】そうして、本実施形態の環形蛍光ランプを
用いて照明すると、光触媒膜１２の光触媒作用により、
蛍光ランプの表面に付着した有機の汚れ物質が分解さ
れ、接触した空気中の臭い物質が分解されて周囲の消臭
が行われる。

【００４７】図５は、本発明の機能体の第２の実施形態
としてのトンネル用照明器具を示す斜視図である。図に
おいて、２１は照明器具本体、２２は前面枠、２３は透
光性ガラスカバー、２４はランプソケット、２５は高圧
放電ランプ、２６は反射板である。

【００４８】照明器具本体２１は、ステンレス板を前面
に開口部を備えた箱状に成形してなり、背面に取付金具
２１ａを備えている。

【００４９】前面枠２２は、ステンレス板を成形してな
り、中央に投光開口２２ａ、一側にヒンジ２２ｂ、他側
にラッチ（図示しない。）を備えている。そして、ヒン
ジ２ａにより、照明器具本体２１の前面側の一側部に開
閉自在に枢着され、ラッチにより閉止位置に固定される
ように構成されている。

【００５０】透光性ガラスカバー２３は、前面枠２２に
シリコーンゴム製のパッキング２２ｃを介して防水的に
装着されている。この透光性ガラスカバー２３は、可視
光を透過するとともに、波長４００ｎｍ以下の紫外領域
の少なくとも一部に比較的高い透過率特性を有してい
る。また、透光性ガラスカバー２３の前面には図１と同
じ構成の光触媒膜２３ａが形成されている。なお、透光
性ガラスカバー２３が基体として作用している。

【００５１】ランプソケット２４は、照明器具本体２１
内に配設されている。

【００５２】高圧放電ランプ２５は、３４０〜４００ｎ
ｍの波長範囲内において、可視光の光束１０００ｌｍ当
たり０．０５Ｗ以上の強度の紫外線を放射する。

【００５３】反射板２６は、照明器具本体２１内に配設
されて、上記高圧放電ランプ２５から放射された光が反
射板２６で反射されて所要の配光特性を示すように構成
され、かつ配置されている。

【００５４】照明器具本体２１の反射板２６の背面側に
は、安定器、端子台などが配設されている。

【００５５】そうして、本実施形態の照明器具は、取付
金具２１ａを介してトンネル内に設置されて使用に供さ
れ、トンネル内を照明する。

【００５６】また、照明と同時に高圧放電ランプ２５か
ら放射される主として３４０〜４００ｎｍの波長範囲内
の紫外線も可視光と一緒に透光性ガラスカバー２３を通
過して光触媒膜２３ａに入射するから、光触媒膜２３ａ
は紫外線により活性化され、付着するばい煙などの有機
物の汚れを分解してセルフクリーニングを行う。

【００５７】

【発明の効果】請求項１の発明によれば、酸化チタンを
主成分とする光触媒膜とその光触媒膜に付着するＭＯ_Ｘ
Ｃ_Ｙ（Ｍは金属）からなる表面層とを具備しているた
め、室温程度（０〜４０℃）の低温領域での光触媒の分
解性を高めることのできる光触媒体を提供することがで
きる。

【００５８】請求項２の発明によれば、請求項１の光触
媒体であってＭは、Ｙ、Ｌａ、Ｓｃ、Ｇｄ、Ｅｒ、Ｙ
ｂ、ＳｍおよびＰｒのグループから選択された一種また
はその混合物であることにより、より一層光触媒作用が
高く、低温での作用を向上させることのできる光触媒体
を提供することができる。

【００５９】請求項３の発明によれば、請求項１または
２記載の光触媒体であって、酸素係数ｘおよび炭素係数
Ｙの比（Ｙ／Ｘ）が０．０２〜０．２の範囲に規定する
ことによって良好なＭＯ_ＸＣ_Ｙ（Ｍは金属）の表面層を
形成することができる。

【００６０】請求項４の発明によれば、請求項１ないし
３の効果を有する機能体を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光触媒体の実施形態を示す概念的要部
拡大断面図

【図２】同じく、表面層を形成するプロセス模式図

【図３】本発明の光触媒体の実施形態における温度と分
解性の測定結果を示すグラフ

【図４】本発明の機能体の第１の実施形態としての環形
蛍光ランプを示す一部断面正面図

【図５】本発明の機能体の第２の実施形態としてのトン
ネル用照明器具を示す斜視図

【符号の説明】 １…基体 ２…光触媒膜 ３…表面層（ＭＯ_ＸＣ_Ｙ（Ｍは金属）） ４…酸化チタン微粒子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 4D048 AA22 BA07X BA18X BA41X BA45X BC07 EA01 4G069 AA03 AA08 BA04A BA04B BA48A BB04A BB04B BB15A BB15B BC39A BC40A BC40B BC42A BC44A CA01 CA17 CD10 DA05 EA08 EB19 EC22Y EC26 EE01 FA01 FA03 FB23 FC08

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】酸化チタンを主成分とする光触媒膜と；光
   触媒膜の表面の少なくとも一部にＭＯ_ＸＣ_Ｙ（Ｍは金
   属）からなる表面層と；を具備していることを特徴とす
   る光触媒体。
2. 【請求項２】Ｍは、Ｙ、Ｌａ、Ｓｃ、Ｇｄ、Ｅｒ、Ｙ
   ｂ、ＳｍおよびＰｒのグループから選択された一種また
   はそれらの混合であることを特徴とする請求項１記載の
   光触媒体。
3. 【請求項３】酸素および炭素の原子数比（Ｙ／Ｘ）が
   ０．０２〜０．２の範囲にあることを特徴とする請求項
   １または２記載の光触媒体。
4. 【請求項４】機能体本体と；機能体本体を基体としてそ
   の表面上に形成された請求項１ないし３いずれか一記載
   の光触媒体と；を具備していることを特徴とする機能
   体。