Transcript 表面分子動態特論II/20040419 - 触媒反応化学分野

表面分子動態特論II
光触媒がわかれば化学がわかる
化学がわかれば光触媒がわかる
大学院地球環境科学研究科物質環境科学専攻 開講科目
2004年度前期 毎週月曜日第2校時（10:30─12:00）
研究科C-104号室
大谷文章（おおたにぶんしょう）
001-0021 札幌市北区北21条西10丁目 北海道大学・触媒化学研究センター
011-706-9132（ダイヤルイン）・011-706-9133（ファクシミリ）
[email protected]・http://www.hucc.hokudai.ac.jp/~k15391/
2004/04/19─表面分子動態特論II・第1回/1
北海道大学・触媒化学研究センター
■ 日本で唯一の『触媒』を専門分野
とする研究機関
■ 2003年11月に創成科学研究棟
（北キャンパス/24時間研究可能
な施設）に移転
■ 共同研究スペースの確保
（上）北22条通りから見た玄関
（右）北キャンパスから南東方向を見る
2004/04/19─表面分子動態特論II・第1回/2
講義の目標
■ 光触媒のトピックスを中心にして先端的な研究内容から説き
起こして基礎的な化学あるいは実験化学研究の技術などに
掘り下げていく
■ 光触媒の諸現象のほとんどが化学的に解釈できること理解
し，化学の研究法を適用して説明する
■ 化学研究の基礎を学ぶことを通じて光触媒の研究を理解し，
さらに応用展開できることを知る
2004/04/19─表面分子動態特論II・第1回/3
講義予定（7月以降は未確定）
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4月19日
4月26日
5月10日
5月17日
5月24日
5月31日
6月7日
6月14日
6月21日
6月28日
光触媒とは ─光触媒入門─
光触媒が働くしくみ
光触媒の化学 1. 光触媒が進むしくみ
光触媒の化学 2. 反応の速さ
いろいろな光触媒 1. 酸化チタン (1)
いろいろな光触媒 1. 酸化チタン (2)
いろいろな光触媒 2. 酸化チタン以外の光触媒
光触媒反応の実際例 (1)
光触媒反応の実際例 (2)
光触媒反応の解析
光触媒の物性と光触媒活性の制御 (1)
光触媒の物性と光触媒活性の制御 (2)
光触媒による有機合成
次世代の光触媒反応 (1)
次世代の光触媒反応 (2)
2004/04/19─表面分子動態特論II・第1回/4
光触媒のしくみがわかる本
・ 光触媒がわかれば化学が
わかる，化学がわかれば
光触媒がわかる
・ 光触媒の教科書
大谷文章著
技術評論社
2003年10月25日発行
本体価格1,480円
著者割引（20%）
で購入可能
2004/04/19─表面分子動態特論II・第1回/5
光触媒を知っていますか
■クイズ１
「光触媒」ということばを聞いたり見たりしたことがありますか
■クイズ２
光触媒が実用化されている例を知っていればそれをあげ，そのしくみを説
明してください．
■クイズ３
「光触媒」ということばのうちで「触媒」が意味することは何ですか．簡単に
説明してください
2004/04/19─表面分子動態特論II・第1回/6
酸化チタンコーティングフィルム
酸化チタン光触媒作用により表面が親水化するため曇りが生じない
酸化チタン
コーティング
フィルム
通常ガラス
部分
東陶機器
光触媒実例002
2004/04/19─表面分子動態特論II・第1回/7
酸化チタン光触媒を塗布したテント素材
屋外暴露5か月後の状態
一般用膜材
フッ素コート膜材
酸化チタン膜材
色差の変
化：
値が大きい
ほどよごれ
ていることを
示す
太陽工業ウェブページより
http://www.taiyokogyo.co.jp/
光触媒実例003
2004/04/19─表面分子動態特論II・第1回/8
酸化チタン光触媒を塗布した道路防音壁
透明板：ポリカーボネート樹脂・両面：光触媒超親水性処理
枠材：アルミニウム合金
積水樹脂ウェブページより
http://www.sekisuijushi.co.jp/
光触媒実例004
2004/04/19─表面分子動態特論II・第1回/9
酸化チタン光触媒を含む道路舗装材
商標名：「フォトロード」
■ 排気ガス中の窒素酸化物（NOx）が光触媒によって酸化
■ 生じた硝酸イオンは舗装材中のカルシウムイオンにより捕捉される。
■ 雨水によって硝酸カルシウムは洗い流される
フジタ ウェブページより
http://www.fujita.co.jp
光触媒実例005
2004/04/19─表面分子動態特論II・第1回/10
酸化チタン光触媒をつけた照明器具
森トンネル
・所在地： 長野県更埴市森
・施主： 日本道路公団東京第二建設局
公園・街路灯
直管蛍光灯
東芝ライテックウェブページより
http://www.tlt.co.jp/tlt/new/crean/crean.htm
光触媒実例006
2004/04/19─表面分子動態特論II・第1回/11
酸化チタン光触媒塗装
商標名：「ビストレーター」
アクリル塗装の板に光触媒塗
料を塗装と未塗装の比較
高速道路料金所のアイランドへの
塗装と未塗装の比較
日本曹達ウェブページより
http://www.nippon-soda.co.jp/photo/report.html
光触媒実例007
2004/04/19─表面分子動態特論II・第1回/12
酸化チタンコーティングガラス
酸化チタン光触媒作用により表面が親水化するため曇りが生じない
外側では汚れがつきにくく，ついても雨水で流れる
酸化チタン
コートガラス
通常の
ガラス
ジャパン・ハイドロテクト・コーティングス
光触媒実例001
2004/04/19─表面分子動態特論II・第1回/13
酸化チタン光触媒パーティション
2001年から受注を開始した光触媒パーティションは、その表面材に光触媒機能を有する酸
化チタンを塗布しているため、付着したニコチン・油等の汚れを分解する防汚効果やタバコ
などの悪臭を分解する防臭効果、菌の増殖を防ぐ抗菌効果、シックハウス症候群の原因物
質とされているホルムアルデヒドの分解効果があり、オフィスの室内環境を快適にすること
ができます。
三菱樹脂ウェブページより
http://www.mpi.co.jp/press/pr030501.htm
光触媒実例013
2004/04/19─表面分子動態特論II・第1回/14
酸化チタン光触媒を組み込んだエアコン
商標名：「ベンティエール」（天井取付型）
光触媒による脱臭効果が期待できる
エアコンは必ず室内空気を吸入して排気しているのでアクティブな装置ができる
ダイキン ウェブページより
http://www.daikin.co.jp/press/2002/021127/
光触媒実例008
2004/04/19─表面分子動態特論II・第1回/15
光触媒を組み込んだ空気清浄機
日立H&L、光触媒と酵素除菌フィルターを採用した空気
清浄機
・日立ホーム＆ライフソリューション（日立H&L、本社：東京都港区）は2003年9
月9日、光触媒フィルターと酵素除菌HEPAフィルターを併用する「ダブルパワー
除菌」を採用した空気清浄機「EP-X30」を発表した。価格は5万7000円。9月20
日に発売する。
・EP-X30は、パネル全周から吸引する独自の「マルチワイド吸引」を採用し、ダ
ブルパワー除菌で雑菌やカビ菌を除去する。また、マイナスとプラスのイオン発
生素子を本体内部左右に配置してバランスよく放出する「バトルイオンシステ
ム」で空気中のホコリや浮遊菌を減少させるという。
・このほかの特徴として、ファンの性能向上などによって適用床面積を30畳に
大風量化した。8畳の床面積なら10分で室内の空気を清浄できるという。本体
寸法は幅430×高さ570×奥行き200mm、重さは8kg。
・同時に日立H&Lは、酵素除菌フィルター採用した「EP-X20」（適用床面積20
畳）、柿カテキン抗ウィルス除菌システムを採用した「EP-X10」（適用床面積15
畳）の2機種を発売する。価格はそれぞれ3万円、2万3000円。
日立ホーム＆ライフソリューション ウェブページより
http://www.hitachi-hl.com/
光触媒実例012
2004/04/19─表面分子動態特論II・第1回/16
酸化チタン光触媒を組み込んだ分煙機
放電・オゾン・光触媒の同時作用による脱臭効果が期待できる
エチレンの分解による鮮度保持
左：分煙機・右：「光プラズマ鮮蔵冷蔵庫」（商標名）
東芝ウェブページより
http://www.toshiba.co.jp/about/press/2001_09/pr_j0302.htm
光触媒実例010
2004/04/19─表面分子動態特論II・第1回/17
光触媒繊維を使った水処理装置
光触媒をつけた繊維カートリッジを装着した流通式水処理装置
・ダイオキシンの分解無害化
・レジオネラ菌の殺菌
チタニアが有機物を酸化分解する光
触媒機能に着目して、接触面積が大
きく、丈夫な繊維状にしたのが『光触
媒繊維』。既存の光触媒製品と差別
化した製品の特色を活かして市場開
発を進めています。この新素材はダ
イオキシンの分解にも期待されてい
ます。
宇部興産ウェブページより
http://www.ube-ind.co.jp/japanese/japanese/annai/01_05_03.htm
光触媒実例014
2004/04/19─表面分子動態特論II・第1回/18
酸化チタン光触媒による地下水処理装置
汚染地下水を汲み上げ、空気を吹き込んで気化した有機物を気相で光触媒分
解・無害化
処理フロー図
排ガス
中和槽
排気
光触媒気相処理装置
無害化
セパレータ
除湿器
光触媒気相
処理装置
空気
汚染ガス
汚染水
土壌
汚染
地下水
放水
曝気装置
ポンプ
ブラックライト
汚染ガス
装置内にブラックライト（紫外線蛍光灯）
と酸化チタン担持体（固着体）を配置
住友金属工業ウェブページより
http://www.sumitomometals.co.jp/news/monthly/2001/140.html
光触媒実例009
2004/04/19─表面分子動態特論II・第1回/19
酸化チタン光触媒を利用するTOC測定装置
■ TOC（Total Organic Carbon）：全有機炭素量．有機物を酸化剤を用いてすべて二
酸化炭素にまで酸化し、この量を測定することによって、有機炭素量を定量する。
■ 従来は過マンガン酸カリウムなどの酸化剤を用いていたが、光触媒を用いること
により、試薬と廃液処理が不要
平沼産業ウェブページより
http://www.hiranuma.com/products/envr/toc/
光触媒実例011
2004/04/19─表面分子動態特論II・第1回/20
実用化されている光触媒
■クイズ４
ここまでに示した実用化例のうちでもっとも印象に残ったのはどれですか．
また，その理由は何ですか
■クイズ５
実用化されている光触媒で起こることを一般的に表現するとどうなります
か．
2004/04/19─表面分子動態特論II・第1回/21
光触媒で起こる「化学」反応
表面にコーティングした酸化チタンなどの光触媒に有機化合
物が接触し，そこに光が当たると有機化合物に含まれる全部
の炭素が二酸化炭素になるまで酸化分解（「完全酸化反応」）
される．また、光触媒反応により表面が親水的になる．
■ポイント１
■ポイント２
■ポイント３
■ポイント４
光触媒001
空気中では分子状酸素（02）が存在─完全酸化反応
酸化の対になる還元反応は酸素の還元
酸素が還元されてできた活性種は酸化作用を示す
酸素がない条件下では別の「還元反応」が起こる
2004/04/19─表面分子動態特論II・第1回/22
半導体光触媒反応の基本原理
(1) 結晶性固体
では原子・分子
の離散的な電子
の軌道が帯状
（バンド）になる。
(2) 禁制帯を 超
えるエネルギー
の光が吸収され
ると、価電子帯
の電子が伝導帯
に励起され、価
電子帯に正孔が
残る
光触媒003
励起電子
正孔
(3) 励 起 電 子 と
正孔はそれぞれ
すぐに伝導帯下
端と価電子帯上
端に「緩和」する
(4) 励起電子が
化学物質に移動
すると還元が、
正孔が移動する
と酸化がおこる．
あるいは再結合
して熱や光を発
生
2004/04/19─表面分子動態特論II・第1回/23
光触媒の代表選手「酸化チタン」
光によって自己
分解せず「触
媒」として機能
する
photostability
光安定性
not poisonous
& natural
無毒性
光がなければ
ほとんど反応し
ない．食品添加
物．環境を汚さ
ない
titanium(IV) oxide
さまざまな物質
を酸化・還元で
きる．とくに酸
化力が強い
TiO2
酸化チタン(IV)
superior
redox ability
酸化還元力
チタンのクラー
ク数は0.46%
で10位．顔料と
して大量に利
用されている
availability
入手容易
白色（無色）であるので材料の色が変化しない
紫外光しか利用できないというデメリットでもある
光触媒002
2004/04/19─表面分子動態特論II・第1回/24
感想と意見・教科書の購入希望
■クイズ６
今日の講義に関する感想と意見を書いてください
感想は講義のウェブページに名前をふせて掲載します・希望しない人は
その旨を明記してください
■クイズ７
「光触媒のしくみがわかる本」の著者割引での購入を希望者
連絡先として電子メールアドレス
忘れた人・まだもってない人は後で（[email protected]）へ
電子メールで連絡
2004/04/19─表面分子動態特論II・第1回/25