光触媒とは何か?効果や原理をわかりやすく説明してみた

「光触媒」という言葉、よく耳にしますよね。

でも、光触媒とは一体どんなもので、どんな効果があるのか、ピンとこない人も多いと思います。 

そこで、光触媒とは何か? どんな機能や効果があるのか、簡単に説明してみます。

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光触媒とは何か?

まずは、光触媒とは何なのかという説明から始めます。

Wikipediaでの定義

とりあえずWikipediaを見てみましょう。

光触媒(ひかりしょくばい、英: photocatalyst)は、光を照射することにより触媒作用を示す物質の総称である。また、光触媒作用は光化学反応の一種と定義される。

Wikipedia

難しい言葉を使っていますが、要約すると、

「光触媒とは光を当てることで化学反応を促進させるもの」

ということになります。

光化学反応

Wikipediaの中に「光化学反応の一種」とも書かれています。光化学反応としてよく知られているものに、植物の光合成があります。広い意味でいえば、光合成をする葉緑素も光触媒の一種ということです。

酸化チタンという物質

「光触媒」といえるものは色々ありますが、現在実用化されているものは、ほぼ「酸化チタン」という物質だけです。

通常「光触媒」といえば「酸化チタン」の指すと思って問題ありません。

チタンは軽くて丈夫な金属で、ゴルフクラブや眼鏡フレームなどによく使われて入るものです。

そのチタンと酸素が結合した物質、それが酸化チタンです。

酸化チタンの光触媒作用

酸化チタンに光(紫外線)を当てると、酸化還元反応と呼ばれる反応を促進するという作用を示します。

これが光触媒作用です。

酸化反応というのは、酸素と結合させる反応で「燃焼」が酸化に当たります。

光を当てると、酸化チタンの表面についた物質が燃えると考えてもいいでしょう。

燃えて熱くなるわけではありませんが、室温のままで燃えたときと同じ反応が起きるのです。

ですから、燃えるものなら、ほとんど何でも光触媒で酸化分解できます。

酸化チタンの用途

外壁タイル

酸化チタンは真っ白な物質で、毒性はほとんどありません。

そのため、昔から着色料、顔料、絵の具などに使われていました。

でも純粋な酸化チタンには大きな欠点がありました。

「光が当たると、周囲のものを分解してしまう」

という欠点です。

塗料を白くするために酸化チタンを混ぜると、塗料を分解してボロボロにしてしまうのです。

そのため、着色用の酸化チタンは表面をコーティングして分解を抑えるように工夫されています。

光触媒としての利用

これを逆手にとったのが、光触媒としての用途です。

燃えるものなら何でも分解してくれます。

油などの汚れ、細菌やウィルス、空気中の有害有機物質、においの元、何でもOKです。

大量に処理することはできませんが、微量のものを少しずつ分解していくことができるので、用途が大きく広がっています。

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光触媒の用途

光触媒の用途の中で、一番多いのは外装材でしょう。

酸化チタンをコーティングしたタイルやガラスなどは、自然に汚れを分解してくれるので、公共施設にも広く利用されています。

記事最初の画像は、光触媒ガラスを使っている中部国際空港(セントレア)の写真です。

また、光触媒塗料で塗装することで、タイルなどには及ばないものの、浄化機能を持たせることができます。

光触媒塗料について

光触媒塗料は単に塗ればいいというものではありません。
表面に酸化チタンの層が形成されることが必要です(塗料の中に入っている酸化チタンは塗料を分解するだけの厄介者になります)。
下地の塗装を分解しないように、耐性の高い層(フッ素樹脂など)をはさみ、表面に酸化チタンがあるという構造です。
そのため、施工は難しく専門家でなければきちんと塗装することはできません。
光触媒塗料を使った詐欺まがいの業者も多くいるようなので気を付けてください。

酸化チタンの変わった性質

酸化チタンは、光を当てると水に濡れやすくなる「超親水性」という変わった性質があります。

水をほとんどはじくことがなく、均一に濡れた状態になるのです。

そのため、表面に付着した分解物が、雨などの水で簡単に剥がれ落ちるという効果があります。

またガラスや鏡に使うと曇らないので、自動車のドアミラーなどにも採用されています。

なぜこんな性質があるのか?

酸化チタンは、なぜ「光触媒効果」という特殊な性質を持っているのでしょうか?

酸化チタンが半導体であること、半導体としての特性(バンドギャップ)が、光触媒に適していることが大きな要因です。

しかし、似たような物質の中で、なぜ酸化チタンだけがこのような性質を持っているのか、まだまだ謎も多いのも事実なのです。

今後の研究で、その要因が明らかになっていけば、より高い光触媒機能を持った材料の開発にもつながっていくでしょう。

藤嶋昭(著):光触媒の第一人者によるわかりやすい解説本

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