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1972年７月、英国の科学雑誌「ネイチャー」にある研究と理論が掲載されました。
それは酸化チタンの単結晶と白金を電極として水溶液に入れ、酸化チタンに強い光を当てると白金側で水素が、酸化チタン側で酸素が発生するというもの。
水を太陽光で分解できるとする画期的な反応・・・。
現在「ホンダ・フジシマ効果」と呼ばれるものです。このホンダ・フジシマ効果が、酸化チタンの光触媒反応を使った抗菌、セルフクリーニング効果等をはじめとする環境浄化のさまざまな研究と応用の出発にあります。
光触媒とは、簡単に言うと・・・
太陽などの光エネルギーを利用して、それ自身は変化しないで、新しい物質を作ったり、または物質を分解したりする化学反応を速く進める効果のある物質のことです。
そんな光触媒には５つの優れた効果があります。空気中の有機物を分解し、抗菌効果・消臭効果が得られる。
では、どうして抗菌・消臭効果が得られるのか？？
理論を見ていきましょう。
まずは触媒とは何でしょう。学校で学んだこと覚えていますか？
国語辞典にはこう書いてあります。
「それ自身は変化しないが、他の物質の化学反応のなかだちとなって、反応の速度を速めたり遅くしたりする物質」つまり、化学反応とは、たとえば水素と酸素から水ができるように、ある二つの物質が反応して全く新しい物質に変わることです。触媒はこのような化学反応をうまくいくように助けてやるような物質で、それ自身は何も変化しないのです。
「触媒のイメージ図」
光触媒というのは、触媒の中でも、紫外線が当たることで触媒の働きをするものをいいます。その仕組みは皆様がよくご存知の光合成と大変良く似ています。光合成とは植物の葉の中で、太陽光によって炭酸ガスと水が反応してデンプンと酸素ができる反応です。このとき、植物の葉の中にある「葉緑素」が太陽エネルギーを吸収して、光合成反応を起こし、デンプンと酸素をつくります。しかも「葉緑素」は反応の前後で全く変化しません。よって、この「葉緑素」のようなものを光触媒と例えられるわけです。
「光合成の図」
前置きが長くなりましたが、つまり、光触媒とは太陽などの光エネルギーを利用して、それ自身は変化しないで、新しい物質を作ったり、または物質を分解したりする化学反応を速く進める効果のある物質のことです。植物の光合成も光触媒反応であり、葉緑素が光触媒となります。これまで多くの人たちが光触媒となる物質を探してきました。しかし、酸化チタン以上の光触媒は現時点では見つかっていません。酸化チタンをベースとして他の物質を組み合わせることで、光触媒反応を高める研究がされています。酸化チタンは白い色をつけるために使われており、白いペンキや白いクレヨン、白い紙、白い壁などに使われています。ホワイトチョコレートにも酸化チタンは使われていて人体には無害なものです。化粧品にも使われています!!これらは出来るだけ、光に反応しない酸化チタンを使用していますが、光触媒反応は全く逆に光に反応しやすい酸化チタンを使用しています。光に反応しやすい結晶構造をアナターゼ型といいます。
そんな光触媒(酸化チタン)は2つの性質をもっています。
(1)酸化分解力(2)超親水性
酸化分解力とは何でしょうか。
酸化分解とは、よごれやカビなどを分解してなくしてしまうことです。光触媒は、カビや汚れを炭酸ガスと水に分解します。
詳しく説明すると、
1光触媒に光が当たると、光触媒の中で電子が飛び出し、その電子が抜けた穴(正孔）が出来る。
2光触媒の内部では、電子が飛び出すことにより他のものとくっつきやすくなり、物質は電子が抜けた穴に電子が欲しいということが起こります。
3そこで空気中の酸素や水分と電子が反応してスーパーオキサイドアニオン、または正孔が反応してヒドロキシラジカルの活性酸素を作ります。
4活性酸素は酸化するする力が非常に強い物質であり、カビや汚れなどを酸化分解してしまい二酸化炭素と水に分解することになります。
(2)超親水性とはどのような性質でしょうか。
光触媒に太陽などの光が当ると、その表面が水と非常になじみやすくなり、油などを洗い流してしまいます。一般的な材料では水滴がつきますが、酸化チタンをコーティングすると、ほぼ完全に一様な膜になって広がります。よって水のコーティングをされているような状態となり油よごれも浮いてしまうというこです。
以下の図のように
1基材に油や汚れが付いている状態に光触媒塗布面に太陽光が当たることにより
2表面が水となじみやすくなり、油や汚れを浮かし、
3油や汚れを水と一緒に洗い流すという状態がミクロの世界で起こっているわけです。
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