光触媒評価 | 光機能分野

光触媒(Photocatalyst)とは?

 酸化チタン光触媒関連技術は、我が国のオリジナルであり、「ホンダ・フジシマ効果」と呼ばれる水分解反応の発見以来、実に50年以上も研究開発が続けられています。そもそも触媒とは「自身は変化することなく化学反応を促進する物質」ですが、これに「光照射下で」という条件が加わったものが、光触媒の定義とされています。したがって、植物の光合成における葉緑素なども広義には光触媒の一種です。とくに酸化チタンは、安価で安定であり、最もひろく応用されている光触媒です。図1に、酸化チタン光触媒反応の概念図と応用分野をまとめました。反応メカニズムは、いまだ完全には解明されていませんが、以下のように考えられています。紫外線照射によって励起電子と正孔が生じ、それぞれ表面の酸素や水、有機物を還元および酸化します。一方、紫外線照射によって生じた欠陥に水酸基が結合して超親水性表面となります。いずれにしても、光触媒反応は、酸化チタン表面およびごく近傍でしか進行しません。これらのメカニズムを、建材や浄化機器などに応用する試みが続けられています。

 光触媒を応用した製品の事業規模の推移とその内訳を図2に示しました。今世紀初頭までは、外装材分野が主な応用先でした。この分野は、主に図1に示したセルフクリーニング効果を応用したもので、1980年代から、タイルや窓ガラスなどとして実用化が進められてきました。晴れた日には、太陽光に含まれる紫外線によって、前述した酸化分解力と超親水化効果が発揮され、雨が降ると、超親水化した表面に水膜が拡がることで、付着した汚れを洗い流すと同時に、窓や鏡は曇らず視認性のよい状態になります。近年よくみかける製品としては、光触媒テント材があげられます。採光性・防汚性に富む屋根材として、駅のホームなどに用いられています。東京駅八重洲口のシンボル「グランルーフ」にも、光触媒テント材が使われています。また、2014年にブラジルで開催されたFIFAワールドカップのスタジアムの屋根にも、光触媒テント材が使用されていました。このように、外装材をはじめとしたセルフクリーニング分野は、国内外に普及しており、ほぼ実用化済みで成熟した市場があるといえます。今後は、車体や、可視光応答光触媒を用いた内装材への応用展開が課題になります。

 

図1 酸化チタン光触媒反応の概念図と応用分野
図2 国内の光触媒市場動向(2018年光触媒工業会調査結果をもとに作成)

 

 

 図2をもう一度よく見ると、近年は浄化機器分野の市場規模が急伸していることが分かります。

 これは、図中に示した通り、大気汚染をはじめとする環境問題の深刻化、ノロウイルスによる感染性胃腸炎、新型インフルエンザなど、環境リスクの増加・多様化に伴い、浄化機器の需要が高まっていることが背景にあります。しかし、酸化チタン光触媒の浄化機器分野への応用は、超親水化による洗浄効果が大きい外装材分野と違い、技術的にハードルが高いです。酸化チタン光触媒による物質分解は、紫外線照射による励起電子と正孔の生成、それに続く活性酸素種の生成がトリガーとなります。その点において、活性点で熱的に反応を促進する通常の触媒反応とは大きく異なります。したがって、光触媒反応は、比較的低温で反応が進むものの、充分な紫外線強度が得られない場合は反応速度が著しく遅くなるという特徴があります。太陽光を光源とした場合、地表1cm2あたりに降り注ぐ紫外線の光子数は、せいぜい毎秒1015個のオーダーです。この光子1個が、それぞれ最終的に表面の分子1個を分解可能と仮定しても、1cm2の酸化チタン表面に付着したほんの数滴の水(0.1mL、 分子数3×1021個)を完全に分解するのに10日近くかかる計算になります。つまり、光触媒反応は、大量の汚染物質を短時間に分解することが原理的に困難であるといえます。しかも、空気や水を浄化する場合、汚染物質の濃度をかなり低下させないと、悪臭問題の解決や環境基準のクリアには至りません。さらに、汚染物質を分解する過程で、より有害な副生成物が発生してしまうことも多いです。

 我々は、こうした状況をふまえ、以下の二点を設計指針として提案しながら、酸化チタン光触媒を応用した製品の評価や共同研究を展開しています。

  (1) 反応表面積と物質輸送効率を最大化できるよう、酸化チタン光触媒フィルタおよび反応器をデザインする

  (2) 電解やプラズマ処理など、他の処理技術と酸化チタン光触媒反応とを併用し、相乗効果を活用する

 

 

光触媒機能評価

JIS規格で規定されている試験以外の評価にも対応しております

● 光触媒JIS試験

光触媒材料の空気浄化性能試験:JIS R 1701-1~4
 窒素酸化物やホルムアルデヒドの除去性能を測定します。

光触媒材料のセルフクリーニング性能試験:JIS R 1703-1~2
 光触媒材料の特徴である「親水性」を評価します。

光触媒材料の水浄化性能試験:JIS R 1704
 光触媒により水中の有害物質を除去する性能を評価します。

●JIS規格以外の光触媒機能評価

空気清浄機によるたばこ煙成分の脱臭試験(JEM1467に準じた試験法)

三次喫煙対策のための内装材等への吸着成分分析・分解試験

特定悪臭物質22種をはじめ各種臭気成分の分解試験やGC/MS等による分解生成物の確認

模擬空気清浄機による実証型光触媒フィルタ性能評価等、想定使用条件に合わせた性能試験

光触媒材料の空気浄化性能試験(ガスバッグ法)