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酸化チタン（TIO2)について |
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光触媒とは半導体の一種ですが半導体と異なるのは触媒は変化せず、接触した材料に電子等を
供給する材料を指しています。光触媒とは、同様の考え方で光が当たった（吸収波長の光）場合、
上記の反応を行う材料です。この材料としては、酸化鉄や硫化鉄、酸化亜鉛等確認されています
が現在、最も光触媒の材料として使用されているのは二酸化チタン（TiO2）です。
その理由としては、
１）化学的に安定
２）効果が大きい（バンドギャップが大きい；図参照）
３）比較的安価
等が挙げられています。
確かに、一般普及を考えるとTiO2以上の材料は現在見つからないと考えられます。
このペ−ジではTiO2の光触媒効果について考えてみます。
このTiO2は、その結晶状態から３つに分けることができ、具体的には、
１） ルチル型
２） アナタ−ゼ型
３） ブルッカイト型 です。
この中で光触媒に使用されているのは、一般的にアナタ−ゼ型です。低温で安定な結晶として
は１）と２）でありますが、なぜアナタ−ゼ型光触媒として使用されているかは、非常に不明確です。
他の文献を調べてみるとアナタ−ゼ型の方がルチル型に比べて活性が高い（分解速度が速い）
とか比表面積が大きいとか言われていますがその結晶の違いは僅かであることから現在のところ
定かでありません。
もう少し詳しく述べると、ＴｉＯ２を焼成（焼く）すると、その結晶の変化は、＞650℃〜700℃でアナタ−ゼ型、その温度以上でルチル型を形成します。光触媒として使用されているＴｉＯ２は、一般的にアナタ−ゼ型ですがこれは粒子が微細であることに起因しています。そのため、低温相であるアナタ−ゼ型をとると考えると説明がつきます。
結晶相の吸収波長は、アナタ−ゼ型が380〜390nm、ルチル型は412nm付近と言われています。この違いは、バンドギャップエネルギ−の大きさに起因しておりルチル型の方が、アナタ−ゼ型より大きいためと考えられます。
ここでバンドギャップエネルギ−と各種光触媒材料の関係を下図に示します。 |
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図中、二酸化チタンは、右から６番目です。水の分解を示す２本の点線は、触媒としての酸化及び
還元ができるエネルギーです。すこし詳しく述べると、水の分解を示す２本の点線より上（H2/H2O）
で伝導帯の下端があればその材料は、近くにある材料を酸化することができると考えて良く、逆に
O2/H2Oより下であれば近くにある材料を還元することができます。従って、この２本の点線にまたが
っていると酸化と還元両方とも働くと考えられます。二酸化チタンの場合、２本の点線にまたがってい
ることから両方の働きをします。この様な観点から水の分解を示す２本の点線にまたがっている材料
は、SrTiO3やCdS等があります。このSrTiO3は、ペロブスカイト構造と言われており、例えば燃料電池の電極や触媒として使用されています。しかし、この材料は、天然に存在しないため合成する必要があり非常に高価となります。一方、酸化物以外でもCdS等がありますが非常に不安定であり、酸に溶け出す等の欠点があることから実用には向きません。以上の事柄を考えるとTiO2は実用むきであるといえます。
ここで現象を考えてみましょう。
酸化は、室内の有害化学物質の分解に寄与しています。一方、還元は、超親水性の現象に起因し
ます。この現象は、ＴｉＯ２に光が当たると水から電子を奪うことからＯＨ基がたくさん生成しこれが粒子表面と親水基（ＯＨ基）が化学結合するため親水性が向上すると言われています。イメ−ジは以下の様です。ここで重要なことは、ＴｉＯ２は酸化により“汚れ”を分解し、還元により“親水性”になることから洗い流すことです。つまり、バンドギャップに伝導帯と価電子帯がまたがっていることが重要です。 |
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