2006年04月30日

引き出した光の力

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<化学で輝く 21世紀の錬金術:1> 引き出した光の力
ガラスピカピカ、トイレ脱臭も (1/10)

http://www.asahi.com/science/special/kagayaku/020110.html
より抜粋記事


 がらくたを煮たり焼いたりして黄金を作りだせないか――。

古代、中世の錬金術は化学と名前を変え、新物質の創造に威力を発揮している。

日本の化学の存在感を改めて示したのが、白川英樹筑波大学名誉教授に続く、野依良治名古屋大学教授のノーベル化学賞の連続受賞だ。


世界の最前線を走る化学者たちを追う。(平子義紀)

 北米で今春にも「汚れにくく曇らない窓ガラス」が発売される。

「窓ガラスの清掃」は、米国ではやりたくない家事のトップといい、まさに夢のガラスだ。
 
これを可能にしたのが日本の化学。

ガラス表面の酸化チタン薄膜が、「光触媒反応」と呼ばれる機能を発揮する。

光を当てるだけで、汚れを落ちやすくしたり、ついた汚れを分解したり。

ただ、この魔法のような光触媒は、すんなりと認められたわけではない。
 
話は67年春にさかのぼる。当時大学院生だった東京大学大学院の藤嶋昭教授が、後に「ホンダ・フジシマ効果」と呼ばれる現象を発見した。

○光合成に匹敵

藤嶋さんは、光電気化学と呼ばれる分野を専攻していた。

大きな流れでみると電池の研究だ。酸化物半導体を新しい電極に使おうという研究が欧米で広がり始め、本多健一助教授(当時)の指導で、電極に光を当て、反応を探っていた。

酸化亜鉛などを電極に使って回路を作った。

水溶液中に電極を入れ、そこに光を当てると電流が流れる。

ただ、電極そのものがどんどん溶けてぼろぼろになるため、役に立たなくなってしまう。

隣の研究室でたまたま酸化チタンに関する話を聞き、純度の高い単結晶を苦労して入手した。

実験開始。

「夜の9時ごろだった」と藤嶋さん。

強い光を当てると水溶液中の電極からぶくぶくと泡が出る。

なのに、電極が溶けている様子はない。

測定を繰り返し、藤嶋さんは全く別の現象だと確信した。

気体を集めると、酸素だった。

水に電圧を加えると、水が分解されて酸素と水素が発生する。

いわゆる電気分解だ。

が、電圧をかけていないのに、水が分解され、酸素と水素になった。

光のエネルギーだけで反応が進む「光触媒」の誕生だった。

植物の光合成に匹敵する人工の化学反応を手にしたことになる。

メカニズムは次のように考えられている。

光が当たると、酸化チタン内部に、電子と、電子が抜けた穴に当たる正孔ができる。できた電子が還元作用をし、正孔が反応力の強いラジカルを作って大きな酸化分解作用を持つという仕組みだ。


◇分解力 光が当たると、電子が飛び出し、抜け殻である正孔が同時にできる。

電子は空気中の酸素と反応して還元力を持ち、正孔は水と反応して酸化分解力の強い水酸化ラジカルを作る。

◇超親水性 光が当たると、表面から酸化チタンを構成する酸素が一つ飛び出し、空気中の水と反応、表面に水と相性のよい親水基を作る。

水ははじかれずに、薄い膜になって広がる。

○ぬめりを分解

「おもしろい」という励ましの一方で、多くは「電気化学の常識では説明がつかない。
酸素が発生するわけがない」。
藤嶋さんは「もっと勉強が必要」「学問的におかしい」といわれ続けた。

流れが変わったのは72年、英科学誌ネイチャーに論文が載ってからだ。

その後、石油危機で、酸素とともに発生する水素に注目が集まった。

藤嶋さんも、水素の発生効率を上げる研究にいそしんだが、工業化のめどは立たなかった。

「大量に作ろうとするからだめ。

少量でも光触媒の効果を生かせる分野があるはず」と考えを変えた。

大きな転機は89年に訪れた。

後に研究室の助教授となる橋本和仁さん(東京大学先端科学技術研究センター教授)が参加、光触媒の酸化還元作用をトイレの脱臭に使えないかと提案した。

オゾンや吸着で脱臭の研究をしていた東陶機器(TOTO)研究所の渡部俊也さん(同教授)もチームに加わった。

トイレがにおうのは、尿のアンモニアで細菌が増殖、ぬめりとともに悪臭が出るためだ。光触媒でぬめりを分解できるのではないか。

屋内の光は弱すぎるとの懸念もあった。

反応が進むためには、光が当たる面積を増やす必要がある。

そこで薄膜にした。

それまでは水溶液中での研究が中心。

薄膜の登場が、光触媒の用途を一挙に広げることになった。

○2000社が研究

TOTOは極限まで薄い膜にし、透明にして物質の表面に付着させた。

やっとのことで酸化チタン膜をつけたタイルが開発された。

銅を混ぜて暗いところでも殺菌作用を高めたり、薄膜にする技術を高めたりと技術開発が続いた。

95年には、分解力に加えて、光触媒の超親水性が発見され、冒頭の汚れにくく曇らないガラスに発展した。

防臭から防汚、抗菌まで、光触媒は日本だけで約2000社が手がけ、他国の追随を許さない。

藤嶋さんは「欧米は水溶液中の光触媒の研究から抜け出していない。

薄膜に焦点を定め、付加価値をつけることを念頭に置いてきたことで、日本が独走する研究分野になった。

応用範囲はまだまだ広がる」と語る。



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posted by aikankyo at 09:50| Comment(0) | TrackBack(0) | 酸化チタン | このブログの読者になる | 更新情報をチェックする
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