光触媒性材料
【課題】 大気中や水中の汚染物質を高度に除去するための光触媒材料を提供する。
【解決手段】 酸化チタン、チタン水酸化物、チタン酸塩、非晶質の酸化チタンから選ばれる少なくとも一種の中空ファイバからなる光触媒性材料であって、前記中空ファイバの内壁と外壁の表面の双方、ないし、内壁の表面に修飾分子が結合してあって、前記修飾分子はリンカー部と主鎖部からなり、前記リンカー部と前記中空ファイバの表面が結合していることを特徴とする光触媒性材料を提供する。
【解決手段】 酸化チタン、チタン水酸化物、チタン酸塩、非晶質の酸化チタンから選ばれる少なくとも一種の中空ファイバからなる光触媒性材料であって、前記中空ファイバの内壁と外壁の表面の双方、ないし、内壁の表面に修飾分子が結合してあって、前記修飾分子はリンカー部と主鎖部からなり、前記リンカー部と前記中空ファイバの表面が結合していることを特徴とする光触媒性材料を提供する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、環境浄化や生体内の有害物質の分解が可能な光触媒に係り、分散性が高く、汚染物質や有害物質を効率よく吸着、分解することのできる光触媒に関する発明である。
【背景技術】
【０００２】
近年、高度な工業発展、大都市化に伴った環境汚染問題が地球規模で顕在化し、人類の生存を脅かす深刻な問題となっている。例えば、芳香族アミン等のがん原生物質の摂取による発癌の問題や、環境ホルモン等の内分泌撹乱物質の摂取による生殖異常などが報告されている。こういった問題は飲料水に帰属されるのみならず、食物連鎖に関連しているため、上水処理以外にも、下水処理、工業用排水処理、農業用水など様々な処理設備において対策しなければいけない大きな問題となっている。また、室内空間に於いて、建築材料からのVOC（揮発性有害物質）の飛散が、人体の健康を著しく阻害することから、これらの汚染物質の飛散を防止するための規制や、飛散してしまったVOCを無害化するための検討が望まれている。
【０００３】
近年、光触媒による大気や水質浄化方法が提案されている。光触媒反応の特徴は反応が量子化されていることにある。つまり、光エネルギーは量子化されており、光が強くても弱くても波長が同じであれば個々の光子が持つエネルギーは同じである。代表的な光触媒である酸化チタンのバンドギャップのエネルギーに相当する400nmの光子のエネルギーは、約36,000Kの熱子に相当する。すなわち、どんなに弱い紫外線下でも酸化チタンの表面では36,000Kで進行する化学反応を起こすことができる。酸化チタンの正孔のエネルギーは対標準水素電極電位に換算して＋３Vの位置にある。酸化チタンの酸化力は極めて高いため、ほとんど全ての有機物を酸化分解し、無害化させることが可能である。
【０００４】
一方、環境ホルモン等の有害汚染物質は水中や空気中にごく微量存在するだけで、人体に悪影響を及ぼす。希薄な汚染物質を効率的に分解するためには、光触媒の分解活性のみならず、有害汚染物質に対する吸着特性も大変重要となる。例えば、キシレンやアルデヒド類等のVOCの多くは疎水性分子で構成されており、ダイオキシン類等の環境ホルモンは微量ではあるが水に溶ける。前記環境ホルモン等の有害汚染物質への吸着特性を高める手段の一つとして、光触媒の表面に疎水性の分子を修飾させる手法が報告されている（例えば、非特許文献１参照）。
また、希薄な汚染物質を効率的に分解するためには、汚染物質と光触媒との接触効率を高めるため、光触媒材料が溶媒中で高度に分散していることが好ましい。分散性を高める方法として、光触媒にSiO2などの物質を表面修飾する方法が報告されているが、表面修飾をしてしまうと光触媒活性点が減少するため、活性が低下してしまう（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
また、有害汚染物質を効率的に浄化するためには、前記表面の物性の制御以外にも、有害汚染物質に対する有効表面積の増加、つまり、比表面積の増大も効果的である。比表面積の大きい光触媒材料として、メソポーラス構造をもつ酸化チタンが知られている。メソポーラス酸化チタンは、その出発原料の不安定性から製造が困難であると言われているが、例えば、チタンアルコキシドと水を混合したスラリーを水熱処理することで製造する方法が報告されている（例えば、特許文献２参照）。これらのメソポーラス材料の均一な径の細孔は等方的な粒子が凝集することによって作られる。これらの細孔は、粒子間の空隙に作られるため、液相界面から離れている内部の細孔への汚染物質の拡散は制限される。
【０００６】
また、比表面積の大きい光触媒として、中空ファイバ状の光触媒が注目を集めている。これまで、中空ファイバ状のチタン系酸化物の作製や、結晶構造の解析が既に報告されている（例えば、特許文献３、非特許文献２参照）。しかしながら、前記先行例の中空ファイバの表面は多くの無機物質と同様に親水性のため、同じ親水性の物質の吸着は容易であるが、疎水性分子を効率的に吸着しにくい。
【特許文献１】特開平10-130527
【特許文献２】特開2001−31422
【特許文献３】特開平10-152323号公報
【非特許文献１】B. Ohtani et al., Appl. Catal. A. Gen., 265, 69-74 (2004)
【非特許文献２】L. M. Peng et al., Adv. Mater. 14, 1208 (2002)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
分散性が高く、汚染物質や生体内の有害物質を高度に除去することができる光触媒材料を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
酸化チタン、チタン水酸化物、チタン酸塩、非晶質の酸化チタンから選ばれる少なくとも一種の中空ファイバからなる光触媒性材料であって、前記中空ファイバの内壁と外壁の表面の双方、ないし、内壁の表面に修飾分子が結合してあって、前記修飾分子はリンカー部と主鎖部からなり、前記リンカー部と前記中空ファイバの表面が結合していることを特徴とする光触媒性材料を提供する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、水や溶媒中、生体内での分散性が高く、かつ、環境汚染物質や生体内の有害物質を効率的に吸着、分解する光触媒材料を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明に係る中空ファイバ状の光触媒材料は酸化チタン、チタン水酸化物、チタン酸塩、非晶質の酸化チタンから選ばれる少なくとも一種である。これらの材料はいずれも、光触媒活性（酸化−還元反応、光誘起親水化反応）を有している。また、これらの物質は分散性が高く、生体に対して無毒の材料である。本発明に係る中空ファイバ状の光触媒が酸化チタンの場合、ルチル型、アナターゼ型、ブルッカイト型、TiO2(B)が好適に使用できる。本発明に係る中空ファイバ状の光触媒がチタン酸塩の場合、三チタン酸、四チタン酸、五チタン酸、六チタン酸、七チタン酸、八チタン酸等のプロトンを含む多価チタン酸や、チタン酸カリウム、チタン酸カルシウム、チタン酸セシウム、チタン酸ナトリウム、チタン酸マグネシウム、チタン酸アルミニウム、チタン酸ストロンチウム、チタン酸バリウム等の多価チタン酸塩であっても構わない。
【００１１】
本発明の光触媒材料は紫外線を照射することにより、酸化、還元反応が生じる。これらの反応によって、内部に入っている汚染物質や外側表面に吸着している汚染物質を分解することが可能である。本発明の光触媒材料はナノ構造であるため、内部まで紫外線が進入する。また、本発明の光触媒材料は透明であるため、汚染物質が着色している場合に、その汚染物質が中空ファイバの内部に入っているかどうか、あるいは、分解除去されたかどうかを、外部から分光光度計等で簡易的に観察することが可能である。中空ファイバの内部に入っている汚染物質を可視化できれば、必要なときに必要なだけの光照射をおこなえば良いため、省エネ効果へとつながる。
【００１２】
本発明の光触媒性材料の態様を模式的に図1に示す。Aは未処理の中空ファイバであって、Bは修飾分子が前記中空ファイバの内壁と外壁の表面の双方に結合してある。また、Cは修飾分子が前記中空ファイバの内壁に結合している。前記修飾分子にはリンカー部と主鎖部が存在し、前記リンカー部が前記中空ファイバと結合している。この場合、中空ファイバの内部において、修飾分子のリンカー部が中空ファイバ側へ固定化され、主鎖部が中空ファイバの中心に向かって配向する構造をとり、図１Dに示すような、いわゆる「ロッドライクミセル」を形成する。ロッドライクミセルの内側においては、前記修飾分子の主鎖部が集合するためにこの内側では主鎖部の特性が強調される。主鎖部として、汚染物質や汚染物質と親和性の高い物質を選択することによって、前記汚染物質を効率的に捕獲することができるようになる。修飾分子の結合は中空ファイバの一部であっても全て覆ってもかまわない。
【００１３】
本発明に係る修飾分子の分子長（R）の2倍（２R）は前記中空ファイバの内径（ｒ）よりも小さく設計する。前述したように、修飾分子にはリンカー部と主鎖部が存在するため、多くの界面活性剤と同様、中空ファイバの中ではミセルを形成し得る。すなわち、中空ファイバの内部において、修飾分子のリンカー部が中空ファイバ側へ固定化され、主鎖部が中空ファイバの中心に向かって配向する構造をとり、いわゆる「ロッドライクミセル」を形成する。このロッドライクミセルの径は修飾分子の長さ（R）の2倍（2R）に相当するため、内壁にミセルを形成させるためには、２Rの値が中空ファイバの内径よりも小さいことが望ましい。このように内径を設定することで、修飾分子を中空ファイバの内部まで結合させることが可能となる。例えば、中空ファイバの内径が3.5nmである場合、前記修飾分子の2Rは3.5nmよりも小さく設計することで内壁に結合することが可能となる。
【００１４】
本発明の光触媒性材料において、好ましくは前記修飾分子のリンカー部と中空ファイバの表面との間の結合が、共有結合、水素結合、イオン結合、配位結合からなる郡より選択される少なくとも一つで結合されている。単純な物理吸着で固定化されるよりも熱的、化学的な安定性が高い。
【００１５】
本発明に係る修飾分子のリンカー部として、好ましくは、カルボンキシル基、リン酸基、スルホン基、水酸基、アミノ基、ピリジン、アセチルアセトン等のジケトン類、ポリエチレングリコール等のエチレンオキサイド類、シロキサン類からなる郡より選択される少なくとも一つの官能基が使用できる。これらの官能基はいずれも中空ファイバの表面と強固に結合する。
【００１６】
前記修飾分子の主鎖部は、分解対象物質と親和性の高い材料を選択することができる。分解対象物質が親水性やイオン性であれば、前記主鎖部として、ポリエチレンイミン、ポリエチレングリコール、ポリアリルアミン、ポリアリルアルキルアンモニウム、ポリアクリル酸、ポリエチレングリコール、キチン、キトサンからなる郡より選択される少なくとも一つを含む物質、ないし、これらの物質の共重合体を含む物質を好適に使用することができる。
一方、分解対象物質が環境ホルモン等の疎水性物質である場合、前記修飾分子の主鎖部として疎水性のアルキル、フッ素樹脂、芳香族系分子なる郡より選択される少なくとも一つを含む物質、ないし、これらの物質の共重合体を含む物質を好適に使用することができる。
【００１７】
本発明の光触媒性材料に係る中空ファイバの外壁には、使用環境での分散性を高めるため、修飾分子を固定化しても構わない。この際、外壁に結合させる修飾分子は内壁に修飾したものと同じであっても異なっていても構わない。外壁に修飾するかどうかは、使用環境に応じて適宜選択すればよい。例えば、水中に存在する微量な有害汚染物質を分解させるためには、本発明の光触媒性材料を水に分散したほうが効率的である。この場合、前記中空ファイバの外壁はもともと親水性なので、修飾分子を結合しなくても良いし、より分散性を上げるために親水性のポリマーが主鎖部からなる修飾分子を固定化しても構わない。親水性のポリマーとしては、ポリエチレンイミン、ポリエチレングリコール、ポリアリルアミン、ポリアリルアルキルアンモニウム、ポリアクリル酸、ポリエチレングリコールからなる郡より選択される少なくとも一つを含む物質、ないし、これらの物質の共重合体を含む物質を好適に使用することができる。
【００１８】
一方、有機溶媒中に分散させて使用する場合、前記中空ファイバの外壁には疎水性の主鎖部からなる修飾分子を固定するのが好ましい。また、疎水性の主鎖部からなる修飾分子を固定化した場合、水面に浮かべることが可能となる。水面に存在する原油などの汚染物質を効率的に捕獲、分解するには好適である。前記疎水性の主鎖部としては、アルキル、フッ素樹脂、芳香族系分子からなる郡より選択される少なくとも一つを含む物質が好適に使用できる。
【００１９】
本発明の光触媒性材料を生体内にてがん細胞等の治療に使用する場合、細胞への浸透性を高めるため、前記中空ファイバの外壁に細胞との親和性の高いポリエチレングリコール、キチン、キトサン等の物質が主鎖部となる修飾分子を結合させても構わない。なお、生体内に本発明の光触媒材料を導入した場合、外皮からの光照射やファイバーの導光によって光励起することができる。
【００２０】
前記修飾分子を中空ファイバに結合する方法として、例えば、CVD、PVD、真空蒸着、レーザーアブレーション、イオンプレーティング、スパッタ等から選択される少なくとも一つの乾式コーティング法を用いても構わない。
また、前記修飾分子を中空ファイバに結合する別の方法として、例えば、修飾分子を含む溶媒に中空ファイバを浸漬することで中空ファイバ状に修飾分子を固定化することができる。結合を促進するため、加熱処理や酸、アルカリなどの化学処理をしてもかまわない。本発明に係る修飾分子の分子長（R）の2倍（２R）を前記中空ファイバの内径（ｒ）よりも小さく設定した場合には、修飾分子は中空ファイバの内壁と外壁の双方に結合する。その後、酸、アルカリ処理等の化学的処理や、アルゴンスパッタリング等のプラズマエッチングによって、外壁に結合した修飾分子のみを除去することができる。
【００２１】
本発明の光触媒性材料を、環境ホルモン等の疎水性の分子の分解に用いる場合や疎水性の溶媒に分散したり水中に浮かべて使用する場合、前記修飾分子として長鎖状のシランカップリング剤を用いる。シランカップリング剤の主鎖部はアルキルからなり、疎水性が高く、疎水性の分子を効率的に吸着することが可能である。また、前記シランカップリング剤は中空ファイバの表面に容易に、かつ、強固に結合することができる。シランカップリング剤を用いた場合、主鎖部である疎水性のアルキル鎖の末端にある親水性の官能基（リンカー部）と中空ファイバの間で脱水中縮合が起き、共有結合で強く結合される。また、シランカップリング剤は光触媒活性によって分解されにくく、安定である。シランカップリング剤としては、例えば、メチルトリクロルシラン、メチルトリブロムシラン、メチルトリメトキシシラン、メチルトリエトキシシラン、メチルトリイソプロポキシシラン、メチルトリｔ−ブトキシシラン；エチルトリクロルシラン、エチルトリブロムシラン、エチルトリメトキシシラン、エチルトリエトキシシラン、エチルトリイソプロポキシシラン、エチルトリｔ−ブトキシシラン；ｎ−プロピルトリクロルシラン、ｎ−プロピルトリブロムシラン、ｎ−プロピルトリメトキシシラン、ｎ−プロピルトリエトキシシラン、ｎ−プロピルトリイソプロポキシシラン、ｎ−プロピルトリｔ−ブトキシシラン；ｎ−ヘキシルトリクロルシラン、ｎ−ヘキシルトリブロムシラン、ｎ−ヘキシルトリメトキシシラン、ｎ−ヘキシルトリエトキシシラン、ｎ−ヘキシルトリイソプロポキシシラン、ｎ−ヘキシルトリｔ−ブトキシシラン；ｎ−デシルトリクロルシラン、ｎ−デシルトリブロムシラン、ｎ−デシルトリメトキシシラン、ｎ−デシルトリエトキシシラン、ｎ−デシルトリイソプロポキシシラン、ｎ−デシルトリｔ−ブトキシシラン；ｎ−オクタデシルトリクロルシラン、ｎ−オクタデシルトリブロムシラン、ｎ−オクタデシルトリメトキシシラン、ｎ−オクタデシルトリエトキシシラン、ｎ−オクタデシルトリイソプロポキシシラン、ｎ−オクタデシルトリｔ−ブトキシシラン；フェニルトリクロルシラン、フェニルトリブロムシラン、フェニルトリメトキシシラン、フェニルトリエトキシシラン、フェニルトリイソプロポキシシラン、フェニルトリｔ−ブトキシシラン；テトラクロルシラン、テトラブロムシラン、テトラメトキシシラン、テトラエトキシシラン、テトラブトキシシラン、ジメトキシジエトキシシラン；ジメチルジクロルシラン、ジメチルジブロムシラン、ジメチルジメトキシシラン、ジメチルジエトキシシラン；ジフェニルジクロルシラン、ジフェニルジブロムシラン、ジフェニルジメトキシシラン、ジフェニルジエトキシシラン；フェニルメチルジクロルシラン、フェニルメチルジブロムシラン、フェニルメチルジメトキシシラン、フェニルメチルジエトキシシラン；トリクロルヒドロシラン、トリブロムヒドロシラン、トリメトキシヒドロシラン、トリエトキシヒドロシラン、トリイソプロポキシヒドロシラン、トリｔ−ブトキシヒドロシラン；ビニルトリクロルシラン、ビニルトリブロムシラン、ビニルトリメトキシシラン、ビニルトリエトキシシラン、ビニルトリイソプロポキシシラン、ビニルトリｔ−ブトキシシラン；トリフルオロプロピルトリクロルシラン、トリフルオロプロピルトリブロムシラン、トリフルオロプロピルトリメトキシシラン、トリフルオロプロピルトリエトキシシラン、トリフルオロプロピルトリイソプロポキシシラン、トリフルオロプロピルトリｔ−ブトキシシラン；γ−グリシドキシプロピルメチルジメトキシシラン、γ−グリシドキシプロピルメチルジエトキシシラン、γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、γ−グリシドキシプロピルトリエトキシシラン、γ−グリシドキシプロピルトリイソプロポキシシラン、γ−グリシドキシプロピルトリｔ−ブトキシシラン；γ−メタアクリロキシプロピルメチルジメトキシシラン、γ−メタアクリロキシプロピルメチルジエトキシシラン、γ−メタアクリロキシプロピルトリメトキシシラン、γ−メタアクリロキシプロピルトリエトキシシラン、γ−メタアクリロキシプロピルトリイソプロポキシシラン、γ−メタアクリロキシプロピルトリｔ−ブトキシシラン；γ−アミノプロピルメチルジメトキシシラン、γ−アミノプロピルメチルジエトキシシラン、γ−アミノプロピルトリメトキシシラン、γ−アミノプロピルトリエトキシシラン、γ−アミノプロピルトリイソプロポキシシラン、γ−アミノプロピルトリｔ−ブトキシシラン；γ−メルカプトプロピルメチルジメトキシシラン、γ−メルカプトプロピルメチルジエトキシシラン、γ−メルカプトプロピルトリメトキシシラン、γ−メルカプトプロピルトリエトキシシラン、γ−メルカプトプロピルトリイソプロポキシシラン、γ−メルカプトプロピルトリｔ−ブトキシシラン；β−(３、４−エポキシシクロヘキシル)エチルトリメトキシシラン、β−(３、４−エポキシシクロヘキシル)エチルトリエトキシシランの群から選択される少なくとも一つが使用できる。
【００２２】
また、本発明の光触媒性材料を、環境ホルモン等の疎水性の分子の分解に用いる場合や、疎水性の溶媒に分散する場合、前記修飾分子としてアルキルアミンを使用することができる。この際、アルキルアミンのアミノ基がリンカー部となり、中空ファイバとの間に水素結合を生じ結合される。
【００２３】
前記主鎖部が疎水性の物質で構成される場合、本発明の光触媒材料の被膜を、後述するような方法で基材に形成させた際、前記被膜の表面の水との接触角が60°以上である。水との接触角は疎水性の指標となり、この値が60°以上である場合、疎水間相互作用により疎水性の有害汚染物質を効率的に捕獲できる。水との接触角を測定する方法として、例えば、本発明の光触媒性材料を基材にコーティングし、市販の接触角計によって測定することが可能である。
【００２４】
本発明に係る中空ファイバと修飾分子が結合しているかを検証するためには、FT-IRやNMR等の機器分析が好適に使用できる。例えば、前記修飾分子がアルキルアミンの場合、フリーのアミンイオンと中空ファイバに吸着させたアミンイオンのNH伸縮振動をFT-IRで測定すれば、化学結合したか否かが判定できる。フリーのアミンイオンにて3300cm-1付近に観察されるNH伸縮振動が、中空ファイバに化学結合すると低波数側にシフトする。また、化学結合の指標として中空ファイバのOH基の伸縮振動を観察しても構わない。中空ファイバのOH基に修飾分子が化学結合した場合、中空ファイバにもともと存在する化学吸着したOH基からの信号が消失する。
【００２５】
特に好ましい態様においては、本発明の中空ファイバ状の光触媒材料は巻物状の層状のチタン酸で構成されている。前記巻物状の層状のチタン酸は、均一な細孔径を有しており、比表面積も大きい。また、前記巻物状の層状のチタン酸は低コストで大量合成することが出来る。結晶性を高めて光触媒活性を向上させるため、熱処理をしても構わない。熱処理温度としては、50℃〜600℃が好適である。
【００２６】
前記中空ファイバの内径は3nm〜8nmの範囲である。内壁を汚染物質の吸着サイトとして使用する場合、内径よりも小さい汚染物質を効率的に捕獲することができる。中空ファイバの内径はBET吸着法による細孔径分布の測定や、TEMによる直接観察で測定することができる。
【００２７】
本発明の光触媒を可視光化させたり、表面の固体酸性度をあげて修飾分子との結合を高めるため、前記中空ファイバの酸素位置に酸素以外のアニオンが置換、または格子間に酸素以外のアニオンが割り込み、または粒界部に酸素以外のアニオンが配してあっても構わない。アニオンを導入することによる可視化の発現機構は定かではないが、次のように予想される。ただし、以下の理論はあくまで予想であって、本発明はこの理論に限定されるものではない。中空ファイバに酸素よりも共有結合性の高い酸素以外のアニオンを導入した場合、価電子帯を形成する酸素の2p軌道よりも卑なポテンシャルに酸素以外のアニオンで形成される準位が出現する。この準位は中空ファイバの禁制帯（バンドギャップ）の中にあっても良いし、中空ファイバの酸素の2p軌道と混成しても構わない。このように酸素以外のアニオンを導入することによって新たに出現する準位によって、可視光の吸収が可能となる。酸素以外のアニオンを導入するサイトは、中空ファイバの酸素位置に置換、格子間に割り込み、粒界部のうちいずれかで構わない。
【００２８】
前記中空ファイバに導入するアニオンとして、特に好ましくは窒素を用いる。窒素を用いた場合、窒素の2p軌道が他のアニオンと比べて貴なポテンシャルを有し、正孔の酸化力が高いため、可視光での光触媒活性が高い。また、窒素を導入することによって、材料表面の固体酸性を高めることができ、修飾分子とより強い結合をつくることができる。
【００２９】
酸素以外のアニオンが導入された本発明の光触媒は波長400nm以上の可視光の照射によって高度な光触媒活性を示す。したがって、太陽光や室内照明の照射下において、高度な光触媒活性を有する。可視光の波長よりも短い光の照射によっても光触媒機能を発揮することは言うまでもない。
【００３０】
本発明の光触媒性部材の電荷分離を促進させるため、前記中空ファイバにPt, Pd, Ag, Cu, Au, Ni等の金属を担持させてもよい。前記金属を担持することによって光励起した電子正孔対が効率的に分離し、親水化活性、酸化分解活性が増大する。また、特にAgやCuを担持した場合、抗菌性や防藻性も発揮する。
【００３１】
本発明の光触媒性材料を光励起するための光源として、例えば、蛍光灯、ブラックライト、殺菌ランプ、白熱電球、低圧水銀ランプ、高圧水銀ランプ、キセノンランプ、水銀−キセノンランプ、ハロゲンランプ、メタルハライドランプ、ＬＥＤ（白色、青、緑、赤）、レーザー光、太陽光等が好適に使用できる。
【００３２】
本発明の光触媒性材料は、水に分散させたり水に浮かべて使用しても良いし、基材に担持して使用しても構わない。本発明の光触媒を懸濁させたり、分散させて使用する場合、水質を浄化した後に、遠心分離やろ過によって光触媒を回収しても構わない。また、磁石で回収するために本発明の光触媒に磁性材料を固定化しても構わない。また、汚染物質との接触効率を上げるため、多孔質やハニカム等のフィルター状物質に本発明の光触媒性材料を固定化し、汚染水や空気をこのフィルターに流通させて処理しても構わない。光触媒に対し光照射をおこないながら流通させても構わないし、流通させた後に光触媒に対し光照射をしても構わない。
【００３３】
本発明によって、効率的な汚染物質の浄化が可能となり、水質浄化、大気浄化等の様々な分野に応用することが可能となる。例えば、本発明の光触媒が適用できる事例として、例えば、船舶事故によって海上に流出した原油の浄化等に好適に使用できる。本発明の中空ファイバ状の光触媒において、内壁と外壁に疎水性の主鎖部からなる修飾分子を結合した場合、水面に浮かべることが可能となる。内壁は高い疎水性を発現するため、水面に浮かんだ原油を効率的に捕獲することができる。
【００３４】
本発明の光触媒材料を生体内の病原菌やウイルスの分解、あるいは、がん等の悪性組織の分解に使用することもできる。経口で内臓に導入したり、点滴や注射によって直接体内に導入しても構わない。光照射は皮膚からおこなったり、ファイバー光を直接生体内に挿入して照射しても構わない。
【００３５】
以下は、本発明の光触媒性材料の具体的な製造方法について述べる。以下に述べる製造方法は一例であって、本発明に構成になんら制約をもたらさない。
【００３６】
（中空ファイバの製造）
前記巻物状の層状のチタン酸の作製方法としては、例えば、酸化チタン粒子を水酸化ナトリウム水溶液中において、水熱処理する方法が好ましく用いられる。
また、中空ファイバを水中に分散させて使用する場合、好ましくは、前記水熱処理にて作製した中空ファイバを酸水溶液に接触させる工程の後、アミン水溶液に分散させることができる。酸水溶液に接触させることによって中空ファイバの内部ないし表面にプロトンが付加されて安定化し、その後四級アンモニウム水酸化物の水溶液を溶媒にすることによって高度に分散する。
一方、本発明の光触媒を基材へ担持する場合、例えば、前記中空ファイバが分散した溶液と、カチオン性ポリマーを含む溶液に対し、基材を交互に浸漬することによって製造できる。前記中空ファイバの表面はアニオン性なので、カチオン性のポリマーと交互に積層することによって、単粒子膜が容易に製造でき、浸漬回数によって精密な膜厚の制御が可能となる。
【００３７】
（修飾分子の固定化）
修飾分子としてシランカップリング剤を用いる場合について述べる。溶媒中にシランカップリング剤を溶解し、中空ファイバの粉末や分散体、ないし、基材に担持した中空ファイバを前記シランカップリング剤が溶解した溶媒中に浸漬する。溶媒は水系、アルコール系、有機溶媒のいずれかで構わない。溶媒中で20℃〜100℃で加熱し、シランカップリング剤の親水部と中空ファイバの表面の間で脱水中縮合を誘起する。結合を早めるため、水、酸、アルカリ、ないし、重合開始剤を前記溶媒中に添加しても構わない。
一方、修飾分子としてアルキルアミンを用いた場合、アルキルアミン水溶液に中空ファイバの粉末や分散体、ないし、基材に担持した中空ファイバを浸漬しても構わない。結合を早めるため加熱処理をおこなっても良いが、アルキルアミンのアミノ基と中空ファイバは水素結合で結合されるので、加熱処理をしなくても構わない。
【００３８】
請求項８に、本発明に係る中空ファイバを可視光化させるため、酸素以外のアニオンを中空ファイバに導入しても構わないと述べた。以下に、酸素以外のアニオンを中空ファイバに導入する方法について述べる。例えば、中空ファイバを酸水溶液に接触させてプロトン化処理する工程と、酸素以外のアニオンを含む化合物を含有する水溶液に接触させる工程と、大気中で熱処理する工程を備えたことを特徴とする方法によって製造可能である。
【００３９】
酸素以外のアニオンを含む化合物を含有する水溶液に接触させる工程の前に、酸水溶液に接触させてプロトン化する工程をおこなうことで、中空ファイバを形成する結晶層の層間を拡大することができ、酸素以外のアニオンを導入しやすくなる。ここで用いる酸の種類としては、硝酸、塩酸、硫酸、過塩素酸、フッ酸、臭素酸、沃素酸、亜硝酸、酢酸、蓚酸などが挙げられる。また、導入したアニオンの安定化や、結晶性の向上のため、前記水溶液に接触後、大気中80℃以上で熱処理しても構わない。
【００４０】
前記酸素以外のアニオンを含む化合物として、好ましくは含窒素化合物を使用することを請求項９に記述した。この場合、含窒素化合物中の窒素が中空ファイバへのドーパントとして働く。含窒素化合物としては、アンモニア、メチルアミン、エチルアミン、ｎ−プロピルアミン、イソプロピルアミン、ｎ−ブチルアミン、ｔｅｒｔ−ブチルアミン、ｎ−ペンチルアミン、ｎ−ヘキシルアミン等のアルキルアミンやそのハロゲン酸塩、またはエチレンジアミン、プロパンジアミンなどのジアミン類、更に、水酸化テトラメチルアンモニウム、水酸化テトラエチルアンモニウム、水酸化テトラプロピルアンモニウム、水酸化テトラブチルアンモニウムなどの四級アンモニウム水酸化物、また、尿素やグアニジン等の化合物からなる群から選択される少なくとも一種を好適に使用することができる。
窒素を導入した中空ファイバ状の光触媒の更に好ましい製造方法として、前記含窒素化合物がアンモニアであって、前記大気中で熱処理する際の温度が300℃〜500℃である。アンモニアは分子径が小さく、中空ファイバ内に容易に浸透することができる。また、300℃〜500℃の熱処理によって窒素を安定化することができる。熱処理温度を300℃以上にすることで、格子振動により中空ファイバ内での窒素の拡散が促進されて容易にドープできる。また、前記加熱温度を500℃以下にすることで、ドープされた窒素が再酸化されて消失してしまうのを防いだり、中空ファイバの結晶相転移を防ぐことができる。
【００４１】
本発明に係る光触媒の酸素以外のアニオンを導入する方法として、前記中空ファイバを、アンモニア、炭化水素、りん酸、硫化水素、ホウ酸、フッ酸からなる群より選択される各種反応性ガスのうち少なくとも一つを含む気流中で熱処理する方法が挙げられる。各種反応性ガスで熱処理する際の温度は、300℃〜500℃であることが好ましい。300℃以上にすることで、中空ファイバ内におけるアニオンの拡散が促進され、容易にアニオンをドープすることが可能である。また、500℃以下にすることで、光触媒活性の低い金属の生成を防ぐことができる。また、結晶性を上げるため、前記各種反応性ガスで熱処理した後に、大気中で熱処理してもかまわない。大気中で熱処理する際の好ましい温度は200℃〜500℃である。200℃以上にすることで、中空ファイバの結晶性を上げることができ、また、500℃以下にすることで、中空ファイバの結晶相転移を防いだり、ドープされたアニオンが酸化されて消失しまうのを防ぐことができる。
【実施例】
【００４２】
次に、本発明を実施例により具体的に説明するが、これらの実施例は一例であって、本発明になんら制限を与えるものではない。
１．光触媒性材料の作製
１−１．中空ファイバの作製
酸化チタン粉末（商品名F6、昭和電工（株））０．６４ｇを１０Ｍ水酸化ナトリウム水溶液８０ｍｌに投入し、ガラス棒にて１分間攪拌することにより、白色懸濁液を得た。この白色懸濁液を１００ｍｌフッ素樹脂製容器に入れ、さらにステンレス製容器にこのフッ素樹脂製の容器を入れた。乾燥器の中にこのステンレス容器を入れて、１１０℃で２０時間保持した。反応終了後、室温までステンレス容器を自然放冷させ、白色沈殿物を含む溶液を回収した。洗浄工程として、この白色沈殿物を含む溶液から、上澄み液をまずスポイトにて除去した。残った白色沈殿物に０．１Ｍ塩酸水溶液１００ｍｌを少量ずつ添加した。塩酸水溶液を全量添加後、室温（２０℃）で３時間静置した。静置後、上澄み液を除去した。この洗浄工程を合計３回行い、上澄み液がｐＨ７以下であることを確認した。これらの中和操作の後、残った白色沈殿物を蒸留水で２回洗浄することにより、白色粉末を得た。この白色粉末を走査型透過電子顕微鏡（日立製作所（株）、ＳＴＥＭ Ｓ−５２００）で観察したところ、１５万倍の倍率において、この方法で得られる白色粉末が中空ファイバの集合体であり、各ファイバの中心部は直径3.5nmの中空構造になっていることを確認した。また、XRD（マック・サイエンス製、MXP-18）で結晶構造を解析したところ、チタン酸構造であることがわかった。更に、比表面積／細孔分布測定装置（アサップ２０００,マイクロメリティックス社製）を用いて解析したところ、細孔径分布については中空ファイバの内径3.5nmに相当する急峻なピークが観察され、比表面積は78m2/gであった。ここで得られた粉末を＃１試料とする。
【００４３】
１−２．窒素ドープした中空ファイバの作製
＃１試料を２Ｍ硝酸水溶液６４ｍｌ中に添加し、室温で１５時間マグネティックスターラーによって攪拌した。攪拌後、得られた半透明溶液を遠心分離機（佐久間製作所（株） Ｍ２００−ＩＶＤ）により５０００ｒｐｍで３０分遠心分離することで、プロトンを付加した白色ゲルを得た。さらに、この白色ゲルを1Mのアンモニア水溶液に加え、室温で24時間経過後、前記と同様の遠心分離によって中空ファイバを回収して乾燥させた。乾燥した中空ファイバを大気中で400℃、30分間の熱処理をおこなった。この粉末を走査型透過電子顕微鏡（日立製作所（株）、ＳＴＥＭ Ｓ−５２００）で観察した結果、前記工程を経た粉末が中空ファイバの集合体であり、各ファイバの中心部は内径3.5ｎｍの中空構造になっていることを確認した。また、この粉末を前述した３．細孔径分布の測定と同様に評価したところ、内径に相当する3.5nmにおいて、細孔径のピークが存在していた。得られた中空ファイバは、淡黄色を有しており、可視光を吸収することが明らかとなった。この淡黄色の粉末状サンプルを＃２試料とした。
【００４４】
１−３．中空ファイバが担持された薄膜の作製
１−１記載の方法で作製した＃１試料の粉末を２Ｍ硝酸水溶液６４ｍｌ中に添加し、室温で１５時間マグネティックスターラーによって攪拌した。攪拌後、得られた半透明溶液を遠心分離機（佐久間製作所（株） Ｍ２００−ＩＶＤ）により５０００ｒｐｍで３０分遠心分離することで、プロトンを付加した白色ゲルを得た。さらに、この白色ゲルを0.1Mの水酸化テトラブチルアンモニウムの水溶液に加え、室温で24時間マグネティックスターラーによって攪拌し、半透明な溶液を得た。更にこの溶液に100mmolの塩酸を加えpHが9.5になるように調整し、中空ファイバが分散した水溶液を作製した。基材として石英ガラス（東芝ガラス、T-4040）を用い、熱濃硫酸中で表面に付着した有機物を除去した後、純水で洗浄した。この基材をポリエチレンイミン（和光純薬工業、平均分子量：10000）の0.25wt%の水溶液に10分間浸漬した後、純水で洗浄した。更に、前記中空ファイバを含む溶液中に10分間浸漬し、純水で洗浄した。また、更に、この基材を、ポリ塩化ジアリルジメチルアンモニウム（PDDA：Aldrich社製、平均分子量：100000- 200000）の2wt%水溶液に10分間浸漬し、純水で洗浄した。以後、中空ファイバを含む溶液とPDDA水溶液への浸漬と洗浄を繰り返し、中空ファイバの層が5層となるような薄膜を作製した。いずれも、最表面は中空ファイバが露出している。得られた薄膜に対し、紫外線照射によって層間のカチオン性ポリマーを除去した。紫外線照射は200Wの水銀-キセノンランプ（林時計工業製、LA-210UV）を用い、24時間照射した。得られた薄膜の断面を走査型電子顕微鏡（日立、S-4100）で観察したところ、膜厚は50nmであった。
【００４５】
１−４．修飾分子の固定化
（アルキルアミンの固定）
各種分子長のアルキルアミンイオン水溶液に前記粉末状の＃１試料を添加した。アルキルアミンは、エチルアミン（炭素鎖C=2）、ヘキシルアミン（C=6）、オクチルアミン（C=8）、デシルアミン（C=10）、ドデシルアミン（C=12）の５種類とした。前記各種アルキルアミンの濃度はいずれも0.2mM、50mLの水溶液中に＃１試料0.1gを添加し、室温、暗所にてスターラーで攪拌した。表面へ固定化量を測定するため、水溶液中に残存している各種アルキルアミンイオンの濃度をキャピラリー電気泳動システム(HP 3DCE、HEWLETT PACKARD)を用いて測定した。暗所にて結合させる時間は2時間とした。得られた粉末状のサンプルはそれぞれ、＃３：エチルアミン、＃４：ヘキシルアミン、＃５：オクチルアミン、＃６：デシルアミン、＃７：ドデシルアミンとした。
【００４６】
（シランカップリング剤の固定）
粉末状の＃１試料を、トルエンに溶解したオクタデシルトリエトキシシラン（アヅマックス、SIO6642.0）溶液中に投入した。オクタデシルトリエトキシシランの濃度は1w％、反応温度、反応時間は、60℃×一晩とした。得られた粉末状の試料を＃８試料とした。また、１−３で作製した薄膜状の中空ファイバに２種類の分子長のシランカップリング剤（炭素鎖：C=6とC=18）を固定化した。用いたシランカップリング剤はヘキシルトリエトキシシラン（アヅマックス、SIH6167.5）とオクタデシルトリエトキシシラン（アヅマックス、SIO6642.0）とした。前記シランカップリング剤はエタノール中に濃度2wt％で溶解した。60℃に加熱したシランカップリング剤が溶解した溶媒中に、前記中空ファイバの薄膜を浸漬し、4日間維持した。4日後、薄膜をエタノールで洗浄した。得られた薄膜状の試料のうち、未処理の薄膜を＃９試料、炭素鎖C=6を修飾したものを＃１０試料、C=18を修飾したものを＃１１試料とした。
【００４７】
２．結果
２−１．窒素ドープした中空ファイバの可視光活性
イソプロパノールが酸化分解によってアセトンに変化する反応を利用して、窒素ドープした中空ファイバ（＃２試料）の光触媒活性を評価した。0.3gの＃２試料をガラス製（内径80mm）のシャーレに均一に敷き、このシャーレを800mLのガラス製の反応用セル内に設置した。セル内を相対湿度50％の合成空気で置換した後、セル内にイソプロパノールを注入して暗所で2時間放置した。次いで、試料に光照射を行いながら、イソプロパノールと分解生成物であるアセトンおよび二酸化炭素の濃度変化を測定した。光源として250Wのキセノンランプ（林時計工業、LA-250Xe）を用い、紫外線カットフィルター（旭テクノグラス、Y-43）および長波長カットフィルター（旭テクノグラス、V-50）を介して、400〜500nmの波長域の可視光を試料に照射した。イソプロパノール、アセトン、二酸化炭素の濃度はマルチガスモニタ（Innova社、1312）で測定した。イソプロパノールの初期濃度は、中空ファイバを設置しない条件で500ppmとなるように設定した。結果を図２に示した。可視光の照射によって、イソプロパノールが分解し、アセトンと二酸化炭素が発生していることが明らかとなった。
【００４８】
２−２．アルキルアミンの固定化量
＃３〜＃７試料について、アミンイオンの分子長の2倍値（２R）と固定化量の関係を図３に示した。アルキルアミンの分子の長さはdensity functional theory (DFT)を用いて計算した（Accelyl社、Dmol3）。この結果、２Rが3nmよりも小さい領域ではアルキルアミンの長さに応じて固定化量が増加した。アルキルアミンの分子長が長くなると分子の双極子が大きくなり、吸着力が増大する。一方、アルキルアミンの長さが3.0nmよりも長くなると、固定化量が減少することがわかった。２Rの値が中空ファイバの内径と同等になると、アルキルアミンの中空ファイバの内部への拡散が抑制される。２Rの値が中空ファイバの内径よりも大きいと、アルキルアミンは外壁のみに固定化すると予想される。つまり、＃３〜＃６が本発明の光触媒性材料と言える。
【００４９】
２−３．修飾分子と中空ファイバの間の化学結合の検証
＃１試料（未処理の中空ファイバ）と＃６試料（修飾分子：デシルアミン）のFT-IRを装置（Nicholet、710）を用い測定した。比較のため、中空ファイバに吸着していない分子状のフリーのデシルアミンについても測定した。物理吸着水を除去するための前処理として、真空中で150℃の熱処理をおこなった。この結果、フリーのデシルアミンで観察されたNH伸縮振動（3219 cm-1, 1649 cm-1）が中空ファイバに吸着すると低波数側（3219 cm-1, 1607 cm-1）にシフトし、ピークがブロード化した。このシフトは修飾分子末端のアミノ基と中空ファイバの間で水素結合がおこった結果、誘起される。更に、未処理の中空ファイバ（＃１試料）に存在した化学吸着水のピーク（3660 cm-1）が修飾分子を結合させることによって消失した。これらの結果から、修飾分子の末端にあるアミノ基が中空ファイバの水酸基に水素結合で結合していることを示唆している。
【００５０】
２−４．薄膜試料の水との接触角
＃９試料（未処理）、＃10試料（炭素鎖C=6を固定化）、＃１１試料（炭素鎖C=18を固定化）の表面の水との接触角を、接触角測定機(協和界面科学社製、CA-X150)を用いて測定した。この結果、＃９試料が８°、＃10、＃11試料とも65°の結果になった。この結果、修飾分子を結合した本発明の光触媒性材料は未処理の中空ファイバと比較して疎水性であることがあきらかになった。
【００５１】
２−５．シランカップリング剤を固定化したサンプルの水中での形態
＃８試料を水中に投入した場合の写真を図５に示す。未処理の中空ファイバ（＃１）についても示した。＃８試料において、修飾分子であるシランカップリング剤の分子長（R）の2倍（２R）は中空ファイバの内径（r）よりもは長いため、＃８試料のシランカップリング剤は中空ファイバの外壁に固定化される。外壁が疎水的になるため、水との親和性が損なわれ、粒子が水面に浮くようになる。当然、修飾分子であるシランカップリング剤の分子長（R）の2倍（２R）は中空ファイバの内径（r）よりも短い場合、中空ファイバの内壁と外壁の双方に修飾分子が固定化されるため、＃８試料と同様に水に浮かべることが可能となる。
【００５２】
２−６．シランカップリング剤を固定化したサンプルのメチレンブルーの吸着
＃９試料（未処理）、＃10試料（炭素鎖C=6を固定化）、＃１１試料（炭素鎖C=18を固定化）のそれぞれの薄膜のメチレンブルー吸着能を測定した。それぞれの薄膜を１ｍMの濃度のメチレンブルーに浸漬し、5分後に取り出し、ブロアーで水滴状のメチレンブルーを吹き飛ばした後に、薄膜に吸着したメチレンブルーの吸光度（波長615nm）を分光光度計（島津製作所、UV-3150）で測定した。メチレンブルーの吸着量を図６に示す。この結果、未処理の＃９試料が最も吸着量が多く、次いで＃１１試料、最も吸着しなかったのは＃１０試料であった。＃１０試料で用いた炭素鎖C=6のシランカップリング剤の２Rは中空ファイバの内径よりも小さいため、内壁と外壁に固定化される。メチレンブルーはカチオン性のイオンなので、元々チタン酸からなる中空ファイバとの親和性が高い。シランカップリング剤が固定化された部分はメチレンブルーの吸着サイトのブロック層として働くため、メチレンブルーの吸着量が低下する。親水性のイオンであるメチレンブルーの吸着量が少ないということは、疎水性分子に対する吸着能が高いことを意味している。＃１１試料で用いた炭素鎖C=18のシランカップリング剤は中空ファイバの外壁にしか固定化されず、未処理の中空ファイバよりもメチレンブルーの吸着量が劣るが、内壁部分がメチレンブルーの吸着サイトとして作用しうるため、＃１０試料よりも吸着量が多い。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
本発明によれば、生体に悪影響を及ぼす環境ホルモン、発ガン性物質、農薬、重金属、VOC等の物質を無害化することができる。大気浄化、水質浄化の用途へと適用することが可能な光触媒材料を提供できる。また、生体内の病原菌やウイルスの分解、がん等の悪性組織の分解といった医療用途へ適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の光触媒材料の形態を模式的に表す図である。
【図２】本発明に係る窒素ドープした中空ファイバの可視光活性を示す図である。
【図３】本発明の光触媒材料における、アミンイオンの固定化量を示す図である。
【図４】本発明の光触媒材料のFT-IRスペクトルを示す図である。
【図５】本発明の光触媒材料の水中での写真である。
【図６】本発明の光触媒材料のメチレンブルー吸着能を示す図である。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、環境浄化や生体内の有害物質の分解が可能な光触媒に係り、分散性が高く、汚染物質や有害物質を効率よく吸着、分解することのできる光触媒に関する発明である。
【背景技術】
【０００２】
近年、高度な工業発展、大都市化に伴った環境汚染問題が地球規模で顕在化し、人類の生存を脅かす深刻な問題となっている。例えば、芳香族アミン等のがん原生物質の摂取による発癌の問題や、環境ホルモン等の内分泌撹乱物質の摂取による生殖異常などが報告されている。こういった問題は飲料水に帰属されるのみならず、食物連鎖に関連しているため、上水処理以外にも、下水処理、工業用排水処理、農業用水など様々な処理設備において対策しなければいけない大きな問題となっている。また、室内空間に於いて、建築材料からのVOC（揮発性有害物質）の飛散が、人体の健康を著しく阻害することから、これらの汚染物質の飛散を防止するための規制や、飛散してしまったVOCを無害化するための検討が望まれている。
【０００３】
近年、光触媒による大気や水質浄化方法が提案されている。光触媒反応の特徴は反応が量子化されていることにある。つまり、光エネルギーは量子化されており、光が強くても弱くても波長が同じであれば個々の光子が持つエネルギーは同じである。代表的な光触媒である酸化チタンのバンドギャップのエネルギーに相当する400nmの光子のエネルギーは、約36,000Kの熱子に相当する。すなわち、どんなに弱い紫外線下でも酸化チタンの表面では36,000Kで進行する化学反応を起こすことができる。酸化チタンの正孔のエネルギーは対標準水素電極電位に換算して＋３Vの位置にある。酸化チタンの酸化力は極めて高いため、ほとんど全ての有機物を酸化分解し、無害化させることが可能である。
【０００４】
一方、環境ホルモン等の有害汚染物質は水中や空気中にごく微量存在するだけで、人体に悪影響を及ぼす。希薄な汚染物質を効率的に分解するためには、光触媒の分解活性のみならず、有害汚染物質に対する吸着特性も大変重要となる。例えば、キシレンやアルデヒド類等のVOCの多くは疎水性分子で構成されており、ダイオキシン類等の環境ホルモンは微量ではあるが水に溶ける。前記環境ホルモン等の有害汚染物質への吸着特性を高める手段の一つとして、光触媒の表面に疎水性の分子を修飾させる手法が報告されている（例えば、非特許文献１参照）。
また、希薄な汚染物質を効率的に分解するためには、汚染物質と光触媒との接触効率を高めるため、光触媒材料が溶媒中で高度に分散していることが好ましい。分散性を高める方法として、光触媒にSiO2などの物質を表面修飾する方法が報告されているが、表面修飾をしてしまうと光触媒活性点が減少するため、活性が低下してしまう（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
また、有害汚染物質を効率的に浄化するためには、前記表面の物性の制御以外にも、有害汚染物質に対する有効表面積の増加、つまり、比表面積の増大も効果的である。比表面積の大きい光触媒材料として、メソポーラス構造をもつ酸化チタンが知られている。メソポーラス酸化チタンは、その出発原料の不安定性から製造が困難であると言われているが、例えば、チタンアルコキシドと水を混合したスラリーを水熱処理することで製造する方法が報告されている（例えば、特許文献２参照）。これらのメソポーラス材料の均一な径の細孔は等方的な粒子が凝集することによって作られる。これらの細孔は、粒子間の空隙に作られるため、液相界面から離れている内部の細孔への汚染物質の拡散は制限される。
【０００６】
また、比表面積の大きい光触媒として、中空ファイバ状の光触媒が注目を集めている。これまで、中空ファイバ状のチタン系酸化物の作製や、結晶構造の解析が既に報告されている（例えば、特許文献３、非特許文献２参照）。しかしながら、前記先行例の中空ファイバの表面は多くの無機物質と同様に親水性のため、同じ親水性の物質の吸着は容易であるが、疎水性分子を効率的に吸着しにくい。
【特許文献１】特開平10-130527
【特許文献２】特開2001−31422
【特許文献３】特開平10-152323号公報
【非特許文献１】B. Ohtani et al., Appl. Catal. A. Gen., 265, 69-74 (2004)
【非特許文献２】L. M. Peng et al., Adv. Mater. 14, 1208 (2002)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
分散性が高く、汚染物質や生体内の有害物質を高度に除去することができる光触媒材料を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
酸化チタン、チタン水酸化物、チタン酸塩、非晶質の酸化チタンから選ばれる少なくとも一種の中空ファイバからなる光触媒性材料であって、前記中空ファイバの内壁と外壁の表面の双方、ないし、内壁の表面に修飾分子が結合してあって、前記修飾分子はリンカー部と主鎖部からなり、前記リンカー部と前記中空ファイバの表面が結合していることを特徴とする光触媒性材料を提供する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、水や溶媒中、生体内での分散性が高く、かつ、環境汚染物質や生体内の有害物質を効率的に吸着、分解する光触媒材料を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明に係る中空ファイバ状の光触媒材料は酸化チタン、チタン水酸化物、チタン酸塩、非晶質の酸化チタンから選ばれる少なくとも一種である。これらの材料はいずれも、光触媒活性（酸化−還元反応、光誘起親水化反応）を有している。また、これらの物質は分散性が高く、生体に対して無毒の材料である。本発明に係る中空ファイバ状の光触媒が酸化チタンの場合、ルチル型、アナターゼ型、ブルッカイト型、TiO2(B)が好適に使用できる。本発明に係る中空ファイバ状の光触媒がチタン酸塩の場合、三チタン酸、四チタン酸、五チタン酸、六チタン酸、七チタン酸、八チタン酸等のプロトンを含む多価チタン酸や、チタン酸カリウム、チタン酸カルシウム、チタン酸セシウム、チタン酸ナトリウム、チタン酸マグネシウム、チタン酸アルミニウム、チタン酸ストロンチウム、チタン酸バリウム等の多価チタン酸塩であっても構わない。
【００１１】
本発明の光触媒材料は紫外線を照射することにより、酸化、還元反応が生じる。これらの反応によって、内部に入っている汚染物質や外側表面に吸着している汚染物質を分解することが可能である。本発明の光触媒材料はナノ構造であるため、内部まで紫外線が進入する。また、本発明の光触媒材料は透明であるため、汚染物質が着色している場合に、その汚染物質が中空ファイバの内部に入っているかどうか、あるいは、分解除去されたかどうかを、外部から分光光度計等で簡易的に観察することが可能である。中空ファイバの内部に入っている汚染物質を可視化できれば、必要なときに必要なだけの光照射をおこなえば良いため、省エネ効果へとつながる。
【００１２】
本発明の光触媒性材料の態様を模式的に図1に示す。Aは未処理の中空ファイバであって、Bは修飾分子が前記中空ファイバの内壁と外壁の表面の双方に結合してある。また、Cは修飾分子が前記中空ファイバの内壁に結合している。前記修飾分子にはリンカー部と主鎖部が存在し、前記リンカー部が前記中空ファイバと結合している。この場合、中空ファイバの内部において、修飾分子のリンカー部が中空ファイバ側へ固定化され、主鎖部が中空ファイバの中心に向かって配向する構造をとり、図１Dに示すような、いわゆる「ロッドライクミセル」を形成する。ロッドライクミセルの内側においては、前記修飾分子の主鎖部が集合するためにこの内側では主鎖部の特性が強調される。主鎖部として、汚染物質や汚染物質と親和性の高い物質を選択することによって、前記汚染物質を効率的に捕獲することができるようになる。修飾分子の結合は中空ファイバの一部であっても全て覆ってもかまわない。
【００１３】
本発明に係る修飾分子の分子長（R）の2倍（２R）は前記中空ファイバの内径（ｒ）よりも小さく設計する。前述したように、修飾分子にはリンカー部と主鎖部が存在するため、多くの界面活性剤と同様、中空ファイバの中ではミセルを形成し得る。すなわち、中空ファイバの内部において、修飾分子のリンカー部が中空ファイバ側へ固定化され、主鎖部が中空ファイバの中心に向かって配向する構造をとり、いわゆる「ロッドライクミセル」を形成する。このロッドライクミセルの径は修飾分子の長さ（R）の2倍（2R）に相当するため、内壁にミセルを形成させるためには、２Rの値が中空ファイバの内径よりも小さいことが望ましい。このように内径を設定することで、修飾分子を中空ファイバの内部まで結合させることが可能となる。例えば、中空ファイバの内径が3.5nmである場合、前記修飾分子の2Rは3.5nmよりも小さく設計することで内壁に結合することが可能となる。
【００１４】
本発明の光触媒性材料において、好ましくは前記修飾分子のリンカー部と中空ファイバの表面との間の結合が、共有結合、水素結合、イオン結合、配位結合からなる郡より選択される少なくとも一つで結合されている。単純な物理吸着で固定化されるよりも熱的、化学的な安定性が高い。
【００１５】
本発明に係る修飾分子のリンカー部として、好ましくは、カルボンキシル基、リン酸基、スルホン基、水酸基、アミノ基、ピリジン、アセチルアセトン等のジケトン類、ポリエチレングリコール等のエチレンオキサイド類、シロキサン類からなる郡より選択される少なくとも一つの官能基が使用できる。これらの官能基はいずれも中空ファイバの表面と強固に結合する。
【００１６】
前記修飾分子の主鎖部は、分解対象物質と親和性の高い材料を選択することができる。分解対象物質が親水性やイオン性であれば、前記主鎖部として、ポリエチレンイミン、ポリエチレングリコール、ポリアリルアミン、ポリアリルアルキルアンモニウム、ポリアクリル酸、ポリエチレングリコール、キチン、キトサンからなる郡より選択される少なくとも一つを含む物質、ないし、これらの物質の共重合体を含む物質を好適に使用することができる。
一方、分解対象物質が環境ホルモン等の疎水性物質である場合、前記修飾分子の主鎖部として疎水性のアルキル、フッ素樹脂、芳香族系分子なる郡より選択される少なくとも一つを含む物質、ないし、これらの物質の共重合体を含む物質を好適に使用することができる。
【００１７】
本発明の光触媒性材料に係る中空ファイバの外壁には、使用環境での分散性を高めるため、修飾分子を固定化しても構わない。この際、外壁に結合させる修飾分子は内壁に修飾したものと同じであっても異なっていても構わない。外壁に修飾するかどうかは、使用環境に応じて適宜選択すればよい。例えば、水中に存在する微量な有害汚染物質を分解させるためには、本発明の光触媒性材料を水に分散したほうが効率的である。この場合、前記中空ファイバの外壁はもともと親水性なので、修飾分子を結合しなくても良いし、より分散性を上げるために親水性のポリマーが主鎖部からなる修飾分子を固定化しても構わない。親水性のポリマーとしては、ポリエチレンイミン、ポリエチレングリコール、ポリアリルアミン、ポリアリルアルキルアンモニウム、ポリアクリル酸、ポリエチレングリコールからなる郡より選択される少なくとも一つを含む物質、ないし、これらの物質の共重合体を含む物質を好適に使用することができる。
【００１８】
一方、有機溶媒中に分散させて使用する場合、前記中空ファイバの外壁には疎水性の主鎖部からなる修飾分子を固定するのが好ましい。また、疎水性の主鎖部からなる修飾分子を固定化した場合、水面に浮かべることが可能となる。水面に存在する原油などの汚染物質を効率的に捕獲、分解するには好適である。前記疎水性の主鎖部としては、アルキル、フッ素樹脂、芳香族系分子からなる郡より選択される少なくとも一つを含む物質が好適に使用できる。
【００１９】
本発明の光触媒性材料を生体内にてがん細胞等の治療に使用する場合、細胞への浸透性を高めるため、前記中空ファイバの外壁に細胞との親和性の高いポリエチレングリコール、キチン、キトサン等の物質が主鎖部となる修飾分子を結合させても構わない。なお、生体内に本発明の光触媒材料を導入した場合、外皮からの光照射やファイバーの導光によって光励起することができる。
【００２０】
前記修飾分子を中空ファイバに結合する方法として、例えば、CVD、PVD、真空蒸着、レーザーアブレーション、イオンプレーティング、スパッタ等から選択される少なくとも一つの乾式コーティング法を用いても構わない。
また、前記修飾分子を中空ファイバに結合する別の方法として、例えば、修飾分子を含む溶媒に中空ファイバを浸漬することで中空ファイバ状に修飾分子を固定化することができる。結合を促進するため、加熱処理や酸、アルカリなどの化学処理をしてもかまわない。本発明に係る修飾分子の分子長（R）の2倍（２R）を前記中空ファイバの内径（ｒ）よりも小さく設定した場合には、修飾分子は中空ファイバの内壁と外壁の双方に結合する。その後、酸、アルカリ処理等の化学的処理や、アルゴンスパッタリング等のプラズマエッチングによって、外壁に結合した修飾分子のみを除去することができる。
【００２１】
本発明の光触媒性材料を、環境ホルモン等の疎水性の分子の分解に用いる場合や疎水性の溶媒に分散したり水中に浮かべて使用する場合、前記修飾分子として長鎖状のシランカップリング剤を用いる。シランカップリング剤の主鎖部はアルキルからなり、疎水性が高く、疎水性の分子を効率的に吸着することが可能である。また、前記シランカップリング剤は中空ファイバの表面に容易に、かつ、強固に結合することができる。シランカップリング剤を用いた場合、主鎖部である疎水性のアルキル鎖の末端にある親水性の官能基（リンカー部）と中空ファイバの間で脱水中縮合が起き、共有結合で強く結合される。また、シランカップリング剤は光触媒活性によって分解されにくく、安定である。シランカップリング剤としては、例えば、メチルトリクロルシラン、メチルトリブロムシラン、メチルトリメトキシシラン、メチルトリエトキシシラン、メチルトリイソプロポキシシラン、メチルトリｔ−ブトキシシラン；エチルトリクロルシラン、エチルトリブロムシラン、エチルトリメトキシシラン、エチルトリエトキシシラン、エチルトリイソプロポキシシラン、エチルトリｔ−ブトキシシラン；ｎ−プロピルトリクロルシラン、ｎ−プロピルトリブロムシラン、ｎ−プロピルトリメトキシシラン、ｎ−プロピルトリエトキシシラン、ｎ−プロピルトリイソプロポキシシラン、ｎ−プロピルトリｔ−ブトキシシラン；ｎ−ヘキシルトリクロルシラン、ｎ−ヘキシルトリブロムシラン、ｎ−ヘキシルトリメトキシシラン、ｎ−ヘキシルトリエトキシシラン、ｎ−ヘキシルトリイソプロポキシシラン、ｎ−ヘキシルトリｔ−ブトキシシラン；ｎ−デシルトリクロルシラン、ｎ−デシルトリブロムシラン、ｎ−デシルトリメトキシシラン、ｎ−デシルトリエトキシシラン、ｎ−デシルトリイソプロポキシシラン、ｎ−デシルトリｔ−ブトキシシラン；ｎ−オクタデシルトリクロルシラン、ｎ−オクタデシルトリブロムシラン、ｎ−オクタデシルトリメトキシシラン、ｎ−オクタデシルトリエトキシシラン、ｎ−オクタデシルトリイソプロポキシシラン、ｎ−オクタデシルトリｔ−ブトキシシラン；フェニルトリクロルシラン、フェニルトリブロムシラン、フェニルトリメトキシシラン、フェニルトリエトキシシラン、フェニルトリイソプロポキシシラン、フェニルトリｔ−ブトキシシラン；テトラクロルシラン、テトラブロムシラン、テトラメトキシシラン、テトラエトキシシラン、テトラブトキシシラン、ジメトキシジエトキシシラン；ジメチルジクロルシラン、ジメチルジブロムシラン、ジメチルジメトキシシラン、ジメチルジエトキシシラン；ジフェニルジクロルシラン、ジフェニルジブロムシラン、ジフェニルジメトキシシラン、ジフェニルジエトキシシラン；フェニルメチルジクロルシラン、フェニルメチルジブロムシラン、フェニルメチルジメトキシシラン、フェニルメチルジエトキシシラン；トリクロルヒドロシラン、トリブロムヒドロシラン、トリメトキシヒドロシラン、トリエトキシヒドロシラン、トリイソプロポキシヒドロシラン、トリｔ−ブトキシヒドロシラン；ビニルトリクロルシラン、ビニルトリブロムシラン、ビニルトリメトキシシラン、ビニルトリエトキシシラン、ビニルトリイソプロポキシシラン、ビニルトリｔ−ブトキシシラン；トリフルオロプロピルトリクロルシラン、トリフルオロプロピルトリブロムシラン、トリフルオロプロピルトリメトキシシラン、トリフルオロプロピルトリエトキシシラン、トリフルオロプロピルトリイソプロポキシシラン、トリフルオロプロピルトリｔ−ブトキシシラン；γ−グリシドキシプロピルメチルジメトキシシラン、γ−グリシドキシプロピルメチルジエトキシシラン、γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、γ−グリシドキシプロピルトリエトキシシラン、γ−グリシドキシプロピルトリイソプロポキシシラン、γ−グリシドキシプロピルトリｔ−ブトキシシラン；γ−メタアクリロキシプロピルメチルジメトキシシラン、γ−メタアクリロキシプロピルメチルジエトキシシラン、γ−メタアクリロキシプロピルトリメトキシシラン、γ−メタアクリロキシプロピルトリエトキシシラン、γ−メタアクリロキシプロピルトリイソプロポキシシラン、γ−メタアクリロキシプロピルトリｔ−ブトキシシラン；γ−アミノプロピルメチルジメトキシシラン、γ−アミノプロピルメチルジエトキシシラン、γ−アミノプロピルトリメトキシシラン、γ−アミノプロピルトリエトキシシラン、γ−アミノプロピルトリイソプロポキシシラン、γ−アミノプロピルトリｔ−ブトキシシラン；γ−メルカプトプロピルメチルジメトキシシラン、γ−メルカプトプロピルメチルジエトキシシラン、γ−メルカプトプロピルトリメトキシシラン、γ−メルカプトプロピルトリエトキシシラン、γ−メルカプトプロピルトリイソプロポキシシラン、γ−メルカプトプロピルトリｔ−ブトキシシラン；β−(３、４−エポキシシクロヘキシル)エチルトリメトキシシラン、β−(３、４−エポキシシクロヘキシル)エチルトリエトキシシランの群から選択される少なくとも一つが使用できる。
【００２２】
また、本発明の光触媒性材料を、環境ホルモン等の疎水性の分子の分解に用いる場合や、疎水性の溶媒に分散する場合、前記修飾分子としてアルキルアミンを使用することができる。この際、アルキルアミンのアミノ基がリンカー部となり、中空ファイバとの間に水素結合を生じ結合される。
【００２３】
前記主鎖部が疎水性の物質で構成される場合、本発明の光触媒材料の被膜を、後述するような方法で基材に形成させた際、前記被膜の表面の水との接触角が60°以上である。水との接触角は疎水性の指標となり、この値が60°以上である場合、疎水間相互作用により疎水性の有害汚染物質を効率的に捕獲できる。水との接触角を測定する方法として、例えば、本発明の光触媒性材料を基材にコーティングし、市販の接触角計によって測定することが可能である。
【００２４】
本発明に係る中空ファイバと修飾分子が結合しているかを検証するためには、FT-IRやNMR等の機器分析が好適に使用できる。例えば、前記修飾分子がアルキルアミンの場合、フリーのアミンイオンと中空ファイバに吸着させたアミンイオンのNH伸縮振動をFT-IRで測定すれば、化学結合したか否かが判定できる。フリーのアミンイオンにて3300cm-1付近に観察されるNH伸縮振動が、中空ファイバに化学結合すると低波数側にシフトする。また、化学結合の指標として中空ファイバのOH基の伸縮振動を観察しても構わない。中空ファイバのOH基に修飾分子が化学結合した場合、中空ファイバにもともと存在する化学吸着したOH基からの信号が消失する。
【００２５】
特に好ましい態様においては、本発明の中空ファイバ状の光触媒材料は巻物状の層状のチタン酸で構成されている。前記巻物状の層状のチタン酸は、均一な細孔径を有しており、比表面積も大きい。また、前記巻物状の層状のチタン酸は低コストで大量合成することが出来る。結晶性を高めて光触媒活性を向上させるため、熱処理をしても構わない。熱処理温度としては、50℃〜600℃が好適である。
【００２６】
前記中空ファイバの内径は3nm〜8nmの範囲である。内壁を汚染物質の吸着サイトとして使用する場合、内径よりも小さい汚染物質を効率的に捕獲することができる。中空ファイバの内径はBET吸着法による細孔径分布の測定や、TEMによる直接観察で測定することができる。
【００２７】
本発明の光触媒を可視光化させたり、表面の固体酸性度をあげて修飾分子との結合を高めるため、前記中空ファイバの酸素位置に酸素以外のアニオンが置換、または格子間に酸素以外のアニオンが割り込み、または粒界部に酸素以外のアニオンが配してあっても構わない。アニオンを導入することによる可視化の発現機構は定かではないが、次のように予想される。ただし、以下の理論はあくまで予想であって、本発明はこの理論に限定されるものではない。中空ファイバに酸素よりも共有結合性の高い酸素以外のアニオンを導入した場合、価電子帯を形成する酸素の2p軌道よりも卑なポテンシャルに酸素以外のアニオンで形成される準位が出現する。この準位は中空ファイバの禁制帯（バンドギャップ）の中にあっても良いし、中空ファイバの酸素の2p軌道と混成しても構わない。このように酸素以外のアニオンを導入することによって新たに出現する準位によって、可視光の吸収が可能となる。酸素以外のアニオンを導入するサイトは、中空ファイバの酸素位置に置換、格子間に割り込み、粒界部のうちいずれかで構わない。
【００２８】
前記中空ファイバに導入するアニオンとして、特に好ましくは窒素を用いる。窒素を用いた場合、窒素の2p軌道が他のアニオンと比べて貴なポテンシャルを有し、正孔の酸化力が高いため、可視光での光触媒活性が高い。また、窒素を導入することによって、材料表面の固体酸性を高めることができ、修飾分子とより強い結合をつくることができる。
【００２９】
酸素以外のアニオンが導入された本発明の光触媒は波長400nm以上の可視光の照射によって高度な光触媒活性を示す。したがって、太陽光や室内照明の照射下において、高度な光触媒活性を有する。可視光の波長よりも短い光の照射によっても光触媒機能を発揮することは言うまでもない。
【００３０】
本発明の光触媒性部材の電荷分離を促進させるため、前記中空ファイバにPt, Pd, Ag, Cu, Au, Ni等の金属を担持させてもよい。前記金属を担持することによって光励起した電子正孔対が効率的に分離し、親水化活性、酸化分解活性が増大する。また、特にAgやCuを担持した場合、抗菌性や防藻性も発揮する。
【００３１】
本発明の光触媒性材料を光励起するための光源として、例えば、蛍光灯、ブラックライト、殺菌ランプ、白熱電球、低圧水銀ランプ、高圧水銀ランプ、キセノンランプ、水銀−キセノンランプ、ハロゲンランプ、メタルハライドランプ、ＬＥＤ（白色、青、緑、赤）、レーザー光、太陽光等が好適に使用できる。
【００３２】
本発明の光触媒性材料は、水に分散させたり水に浮かべて使用しても良いし、基材に担持して使用しても構わない。本発明の光触媒を懸濁させたり、分散させて使用する場合、水質を浄化した後に、遠心分離やろ過によって光触媒を回収しても構わない。また、磁石で回収するために本発明の光触媒に磁性材料を固定化しても構わない。また、汚染物質との接触効率を上げるため、多孔質やハニカム等のフィルター状物質に本発明の光触媒性材料を固定化し、汚染水や空気をこのフィルターに流通させて処理しても構わない。光触媒に対し光照射をおこないながら流通させても構わないし、流通させた後に光触媒に対し光照射をしても構わない。
【００３３】
本発明によって、効率的な汚染物質の浄化が可能となり、水質浄化、大気浄化等の様々な分野に応用することが可能となる。例えば、本発明の光触媒が適用できる事例として、例えば、船舶事故によって海上に流出した原油の浄化等に好適に使用できる。本発明の中空ファイバ状の光触媒において、内壁と外壁に疎水性の主鎖部からなる修飾分子を結合した場合、水面に浮かべることが可能となる。内壁は高い疎水性を発現するため、水面に浮かんだ原油を効率的に捕獲することができる。
【００３４】
本発明の光触媒材料を生体内の病原菌やウイルスの分解、あるいは、がん等の悪性組織の分解に使用することもできる。経口で内臓に導入したり、点滴や注射によって直接体内に導入しても構わない。光照射は皮膚からおこなったり、ファイバー光を直接生体内に挿入して照射しても構わない。
【００３５】
以下は、本発明の光触媒性材料の具体的な製造方法について述べる。以下に述べる製造方法は一例であって、本発明に構成になんら制約をもたらさない。
【００３６】
（中空ファイバの製造）
前記巻物状の層状のチタン酸の作製方法としては、例えば、酸化チタン粒子を水酸化ナトリウム水溶液中において、水熱処理する方法が好ましく用いられる。
また、中空ファイバを水中に分散させて使用する場合、好ましくは、前記水熱処理にて作製した中空ファイバを酸水溶液に接触させる工程の後、アミン水溶液に分散させることができる。酸水溶液に接触させることによって中空ファイバの内部ないし表面にプロトンが付加されて安定化し、その後四級アンモニウム水酸化物の水溶液を溶媒にすることによって高度に分散する。
一方、本発明の光触媒を基材へ担持する場合、例えば、前記中空ファイバが分散した溶液と、カチオン性ポリマーを含む溶液に対し、基材を交互に浸漬することによって製造できる。前記中空ファイバの表面はアニオン性なので、カチオン性のポリマーと交互に積層することによって、単粒子膜が容易に製造でき、浸漬回数によって精密な膜厚の制御が可能となる。
【００３７】
（修飾分子の固定化）
修飾分子としてシランカップリング剤を用いる場合について述べる。溶媒中にシランカップリング剤を溶解し、中空ファイバの粉末や分散体、ないし、基材に担持した中空ファイバを前記シランカップリング剤が溶解した溶媒中に浸漬する。溶媒は水系、アルコール系、有機溶媒のいずれかで構わない。溶媒中で20℃〜100℃で加熱し、シランカップリング剤の親水部と中空ファイバの表面の間で脱水中縮合を誘起する。結合を早めるため、水、酸、アルカリ、ないし、重合開始剤を前記溶媒中に添加しても構わない。
一方、修飾分子としてアルキルアミンを用いた場合、アルキルアミン水溶液に中空ファイバの粉末や分散体、ないし、基材に担持した中空ファイバを浸漬しても構わない。結合を早めるため加熱処理をおこなっても良いが、アルキルアミンのアミノ基と中空ファイバは水素結合で結合されるので、加熱処理をしなくても構わない。
【００３８】
請求項８に、本発明に係る中空ファイバを可視光化させるため、酸素以外のアニオンを中空ファイバに導入しても構わないと述べた。以下に、酸素以外のアニオンを中空ファイバに導入する方法について述べる。例えば、中空ファイバを酸水溶液に接触させてプロトン化処理する工程と、酸素以外のアニオンを含む化合物を含有する水溶液に接触させる工程と、大気中で熱処理する工程を備えたことを特徴とする方法によって製造可能である。
【００３９】
酸素以外のアニオンを含む化合物を含有する水溶液に接触させる工程の前に、酸水溶液に接触させてプロトン化する工程をおこなうことで、中空ファイバを形成する結晶層の層間を拡大することができ、酸素以外のアニオンを導入しやすくなる。ここで用いる酸の種類としては、硝酸、塩酸、硫酸、過塩素酸、フッ酸、臭素酸、沃素酸、亜硝酸、酢酸、蓚酸などが挙げられる。また、導入したアニオンの安定化や、結晶性の向上のため、前記水溶液に接触後、大気中80℃以上で熱処理しても構わない。
【００４０】
前記酸素以外のアニオンを含む化合物として、好ましくは含窒素化合物を使用することを請求項９に記述した。この場合、含窒素化合物中の窒素が中空ファイバへのドーパントとして働く。含窒素化合物としては、アンモニア、メチルアミン、エチルアミン、ｎ−プロピルアミン、イソプロピルアミン、ｎ−ブチルアミン、ｔｅｒｔ−ブチルアミン、ｎ−ペンチルアミン、ｎ−ヘキシルアミン等のアルキルアミンやそのハロゲン酸塩、またはエチレンジアミン、プロパンジアミンなどのジアミン類、更に、水酸化テトラメチルアンモニウム、水酸化テトラエチルアンモニウム、水酸化テトラプロピルアンモニウム、水酸化テトラブチルアンモニウムなどの四級アンモニウム水酸化物、また、尿素やグアニジン等の化合物からなる群から選択される少なくとも一種を好適に使用することができる。
窒素を導入した中空ファイバ状の光触媒の更に好ましい製造方法として、前記含窒素化合物がアンモニアであって、前記大気中で熱処理する際の温度が300℃〜500℃である。アンモニアは分子径が小さく、中空ファイバ内に容易に浸透することができる。また、300℃〜500℃の熱処理によって窒素を安定化することができる。熱処理温度を300℃以上にすることで、格子振動により中空ファイバ内での窒素の拡散が促進されて容易にドープできる。また、前記加熱温度を500℃以下にすることで、ドープされた窒素が再酸化されて消失してしまうのを防いだり、中空ファイバの結晶相転移を防ぐことができる。
【００４１】
本発明に係る光触媒の酸素以外のアニオンを導入する方法として、前記中空ファイバを、アンモニア、炭化水素、りん酸、硫化水素、ホウ酸、フッ酸からなる群より選択される各種反応性ガスのうち少なくとも一つを含む気流中で熱処理する方法が挙げられる。各種反応性ガスで熱処理する際の温度は、300℃〜500℃であることが好ましい。300℃以上にすることで、中空ファイバ内におけるアニオンの拡散が促進され、容易にアニオンをドープすることが可能である。また、500℃以下にすることで、光触媒活性の低い金属の生成を防ぐことができる。また、結晶性を上げるため、前記各種反応性ガスで熱処理した後に、大気中で熱処理してもかまわない。大気中で熱処理する際の好ましい温度は200℃〜500℃である。200℃以上にすることで、中空ファイバの結晶性を上げることができ、また、500℃以下にすることで、中空ファイバの結晶相転移を防いだり、ドープされたアニオンが酸化されて消失しまうのを防ぐことができる。
【実施例】
【００４２】
次に、本発明を実施例により具体的に説明するが、これらの実施例は一例であって、本発明になんら制限を与えるものではない。
１．光触媒性材料の作製
１−１．中空ファイバの作製
酸化チタン粉末（商品名F6、昭和電工（株））０．６４ｇを１０Ｍ水酸化ナトリウム水溶液８０ｍｌに投入し、ガラス棒にて１分間攪拌することにより、白色懸濁液を得た。この白色懸濁液を１００ｍｌフッ素樹脂製容器に入れ、さらにステンレス製容器にこのフッ素樹脂製の容器を入れた。乾燥器の中にこのステンレス容器を入れて、１１０℃で２０時間保持した。反応終了後、室温までステンレス容器を自然放冷させ、白色沈殿物を含む溶液を回収した。洗浄工程として、この白色沈殿物を含む溶液から、上澄み液をまずスポイトにて除去した。残った白色沈殿物に０．１Ｍ塩酸水溶液１００ｍｌを少量ずつ添加した。塩酸水溶液を全量添加後、室温（２０℃）で３時間静置した。静置後、上澄み液を除去した。この洗浄工程を合計３回行い、上澄み液がｐＨ７以下であることを確認した。これらの中和操作の後、残った白色沈殿物を蒸留水で２回洗浄することにより、白色粉末を得た。この白色粉末を走査型透過電子顕微鏡（日立製作所（株）、ＳＴＥＭ Ｓ−５２００）で観察したところ、１５万倍の倍率において、この方法で得られる白色粉末が中空ファイバの集合体であり、各ファイバの中心部は直径3.5nmの中空構造になっていることを確認した。また、XRD（マック・サイエンス製、MXP-18）で結晶構造を解析したところ、チタン酸構造であることがわかった。更に、比表面積／細孔分布測定装置（アサップ２０００,マイクロメリティックス社製）を用いて解析したところ、細孔径分布については中空ファイバの内径3.5nmに相当する急峻なピークが観察され、比表面積は78m2/gであった。ここで得られた粉末を＃１試料とする。
【００４３】
１−２．窒素ドープした中空ファイバの作製
＃１試料を２Ｍ硝酸水溶液６４ｍｌ中に添加し、室温で１５時間マグネティックスターラーによって攪拌した。攪拌後、得られた半透明溶液を遠心分離機（佐久間製作所（株） Ｍ２００−ＩＶＤ）により５０００ｒｐｍで３０分遠心分離することで、プロトンを付加した白色ゲルを得た。さらに、この白色ゲルを1Mのアンモニア水溶液に加え、室温で24時間経過後、前記と同様の遠心分離によって中空ファイバを回収して乾燥させた。乾燥した中空ファイバを大気中で400℃、30分間の熱処理をおこなった。この粉末を走査型透過電子顕微鏡（日立製作所（株）、ＳＴＥＭ Ｓ−５２００）で観察した結果、前記工程を経た粉末が中空ファイバの集合体であり、各ファイバの中心部は内径3.5ｎｍの中空構造になっていることを確認した。また、この粉末を前述した３．細孔径分布の測定と同様に評価したところ、内径に相当する3.5nmにおいて、細孔径のピークが存在していた。得られた中空ファイバは、淡黄色を有しており、可視光を吸収することが明らかとなった。この淡黄色の粉末状サンプルを＃２試料とした。
【００４４】
１−３．中空ファイバが担持された薄膜の作製
１−１記載の方法で作製した＃１試料の粉末を２Ｍ硝酸水溶液６４ｍｌ中に添加し、室温で１５時間マグネティックスターラーによって攪拌した。攪拌後、得られた半透明溶液を遠心分離機（佐久間製作所（株） Ｍ２００−ＩＶＤ）により５０００ｒｐｍで３０分遠心分離することで、プロトンを付加した白色ゲルを得た。さらに、この白色ゲルを0.1Mの水酸化テトラブチルアンモニウムの水溶液に加え、室温で24時間マグネティックスターラーによって攪拌し、半透明な溶液を得た。更にこの溶液に100mmolの塩酸を加えpHが9.5になるように調整し、中空ファイバが分散した水溶液を作製した。基材として石英ガラス（東芝ガラス、T-4040）を用い、熱濃硫酸中で表面に付着した有機物を除去した後、純水で洗浄した。この基材をポリエチレンイミン（和光純薬工業、平均分子量：10000）の0.25wt%の水溶液に10分間浸漬した後、純水で洗浄した。更に、前記中空ファイバを含む溶液中に10分間浸漬し、純水で洗浄した。また、更に、この基材を、ポリ塩化ジアリルジメチルアンモニウム（PDDA：Aldrich社製、平均分子量：100000- 200000）の2wt%水溶液に10分間浸漬し、純水で洗浄した。以後、中空ファイバを含む溶液とPDDA水溶液への浸漬と洗浄を繰り返し、中空ファイバの層が5層となるような薄膜を作製した。いずれも、最表面は中空ファイバが露出している。得られた薄膜に対し、紫外線照射によって層間のカチオン性ポリマーを除去した。紫外線照射は200Wの水銀-キセノンランプ（林時計工業製、LA-210UV）を用い、24時間照射した。得られた薄膜の断面を走査型電子顕微鏡（日立、S-4100）で観察したところ、膜厚は50nmであった。
【００４５】
１−４．修飾分子の固定化
（アルキルアミンの固定）
各種分子長のアルキルアミンイオン水溶液に前記粉末状の＃１試料を添加した。アルキルアミンは、エチルアミン（炭素鎖C=2）、ヘキシルアミン（C=6）、オクチルアミン（C=8）、デシルアミン（C=10）、ドデシルアミン（C=12）の５種類とした。前記各種アルキルアミンの濃度はいずれも0.2mM、50mLの水溶液中に＃１試料0.1gを添加し、室温、暗所にてスターラーで攪拌した。表面へ固定化量を測定するため、水溶液中に残存している各種アルキルアミンイオンの濃度をキャピラリー電気泳動システム(HP 3DCE、HEWLETT PACKARD)を用いて測定した。暗所にて結合させる時間は2時間とした。得られた粉末状のサンプルはそれぞれ、＃３：エチルアミン、＃４：ヘキシルアミン、＃５：オクチルアミン、＃６：デシルアミン、＃７：ドデシルアミンとした。
【００４６】
（シランカップリング剤の固定）
粉末状の＃１試料を、トルエンに溶解したオクタデシルトリエトキシシラン（アヅマックス、SIO6642.0）溶液中に投入した。オクタデシルトリエトキシシランの濃度は1w％、反応温度、反応時間は、60℃×一晩とした。得られた粉末状の試料を＃８試料とした。また、１−３で作製した薄膜状の中空ファイバに２種類の分子長のシランカップリング剤（炭素鎖：C=6とC=18）を固定化した。用いたシランカップリング剤はヘキシルトリエトキシシラン（アヅマックス、SIH6167.5）とオクタデシルトリエトキシシラン（アヅマックス、SIO6642.0）とした。前記シランカップリング剤はエタノール中に濃度2wt％で溶解した。60℃に加熱したシランカップリング剤が溶解した溶媒中に、前記中空ファイバの薄膜を浸漬し、4日間維持した。4日後、薄膜をエタノールで洗浄した。得られた薄膜状の試料のうち、未処理の薄膜を＃９試料、炭素鎖C=6を修飾したものを＃１０試料、C=18を修飾したものを＃１１試料とした。
【００４７】
２．結果
２−１．窒素ドープした中空ファイバの可視光活性
イソプロパノールが酸化分解によってアセトンに変化する反応を利用して、窒素ドープした中空ファイバ（＃２試料）の光触媒活性を評価した。0.3gの＃２試料をガラス製（内径80mm）のシャーレに均一に敷き、このシャーレを800mLのガラス製の反応用セル内に設置した。セル内を相対湿度50％の合成空気で置換した後、セル内にイソプロパノールを注入して暗所で2時間放置した。次いで、試料に光照射を行いながら、イソプロパノールと分解生成物であるアセトンおよび二酸化炭素の濃度変化を測定した。光源として250Wのキセノンランプ（林時計工業、LA-250Xe）を用い、紫外線カットフィルター（旭テクノグラス、Y-43）および長波長カットフィルター（旭テクノグラス、V-50）を介して、400〜500nmの波長域の可視光を試料に照射した。イソプロパノール、アセトン、二酸化炭素の濃度はマルチガスモニタ（Innova社、1312）で測定した。イソプロパノールの初期濃度は、中空ファイバを設置しない条件で500ppmとなるように設定した。結果を図２に示した。可視光の照射によって、イソプロパノールが分解し、アセトンと二酸化炭素が発生していることが明らかとなった。
【００４８】
２−２．アルキルアミンの固定化量
＃３〜＃７試料について、アミンイオンの分子長の2倍値（２R）と固定化量の関係を図３に示した。アルキルアミンの分子の長さはdensity functional theory (DFT)を用いて計算した（Accelyl社、Dmol3）。この結果、２Rが3nmよりも小さい領域ではアルキルアミンの長さに応じて固定化量が増加した。アルキルアミンの分子長が長くなると分子の双極子が大きくなり、吸着力が増大する。一方、アルキルアミンの長さが3.0nmよりも長くなると、固定化量が減少することがわかった。２Rの値が中空ファイバの内径と同等になると、アルキルアミンの中空ファイバの内部への拡散が抑制される。２Rの値が中空ファイバの内径よりも大きいと、アルキルアミンは外壁のみに固定化すると予想される。つまり、＃３〜＃６が本発明の光触媒性材料と言える。
【００４９】
２−３．修飾分子と中空ファイバの間の化学結合の検証
＃１試料（未処理の中空ファイバ）と＃６試料（修飾分子：デシルアミン）のFT-IRを装置（Nicholet、710）を用い測定した。比較のため、中空ファイバに吸着していない分子状のフリーのデシルアミンについても測定した。物理吸着水を除去するための前処理として、真空中で150℃の熱処理をおこなった。この結果、フリーのデシルアミンで観察されたNH伸縮振動（3219 cm-1, 1649 cm-1）が中空ファイバに吸着すると低波数側（3219 cm-1, 1607 cm-1）にシフトし、ピークがブロード化した。このシフトは修飾分子末端のアミノ基と中空ファイバの間で水素結合がおこった結果、誘起される。更に、未処理の中空ファイバ（＃１試料）に存在した化学吸着水のピーク（3660 cm-1）が修飾分子を結合させることによって消失した。これらの結果から、修飾分子の末端にあるアミノ基が中空ファイバの水酸基に水素結合で結合していることを示唆している。
【００５０】
２−４．薄膜試料の水との接触角
＃９試料（未処理）、＃10試料（炭素鎖C=6を固定化）、＃１１試料（炭素鎖C=18を固定化）の表面の水との接触角を、接触角測定機(協和界面科学社製、CA-X150)を用いて測定した。この結果、＃９試料が８°、＃10、＃11試料とも65°の結果になった。この結果、修飾分子を結合した本発明の光触媒性材料は未処理の中空ファイバと比較して疎水性であることがあきらかになった。
【００５１】
２−５．シランカップリング剤を固定化したサンプルの水中での形態
＃８試料を水中に投入した場合の写真を図５に示す。未処理の中空ファイバ（＃１）についても示した。＃８試料において、修飾分子であるシランカップリング剤の分子長（R）の2倍（２R）は中空ファイバの内径（r）よりもは長いため、＃８試料のシランカップリング剤は中空ファイバの外壁に固定化される。外壁が疎水的になるため、水との親和性が損なわれ、粒子が水面に浮くようになる。当然、修飾分子であるシランカップリング剤の分子長（R）の2倍（２R）は中空ファイバの内径（r）よりも短い場合、中空ファイバの内壁と外壁の双方に修飾分子が固定化されるため、＃８試料と同様に水に浮かべることが可能となる。
【００５２】
２−６．シランカップリング剤を固定化したサンプルのメチレンブルーの吸着
＃９試料（未処理）、＃10試料（炭素鎖C=6を固定化）、＃１１試料（炭素鎖C=18を固定化）のそれぞれの薄膜のメチレンブルー吸着能を測定した。それぞれの薄膜を１ｍMの濃度のメチレンブルーに浸漬し、5分後に取り出し、ブロアーで水滴状のメチレンブルーを吹き飛ばした後に、薄膜に吸着したメチレンブルーの吸光度（波長615nm）を分光光度計（島津製作所、UV-3150）で測定した。メチレンブルーの吸着量を図６に示す。この結果、未処理の＃９試料が最も吸着量が多く、次いで＃１１試料、最も吸着しなかったのは＃１０試料であった。＃１０試料で用いた炭素鎖C=6のシランカップリング剤の２Rは中空ファイバの内径よりも小さいため、内壁と外壁に固定化される。メチレンブルーはカチオン性のイオンなので、元々チタン酸からなる中空ファイバとの親和性が高い。シランカップリング剤が固定化された部分はメチレンブルーの吸着サイトのブロック層として働くため、メチレンブルーの吸着量が低下する。親水性のイオンであるメチレンブルーの吸着量が少ないということは、疎水性分子に対する吸着能が高いことを意味している。＃１１試料で用いた炭素鎖C=18のシランカップリング剤は中空ファイバの外壁にしか固定化されず、未処理の中空ファイバよりもメチレンブルーの吸着量が劣るが、内壁部分がメチレンブルーの吸着サイトとして作用しうるため、＃１０試料よりも吸着量が多い。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
本発明によれば、生体に悪影響を及ぼす環境ホルモン、発ガン性物質、農薬、重金属、VOC等の物質を無害化することができる。大気浄化、水質浄化の用途へと適用することが可能な光触媒材料を提供できる。また、生体内の病原菌やウイルスの分解、がん等の悪性組織の分解といった医療用途へ適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の光触媒材料の形態を模式的に表す図である。
【図２】本発明に係る窒素ドープした中空ファイバの可視光活性を示す図である。
【図３】本発明の光触媒材料における、アミンイオンの固定化量を示す図である。
【図４】本発明の光触媒材料のFT-IRスペクトルを示す図である。
【図５】本発明の光触媒材料の水中での写真である。
【図６】本発明の光触媒材料のメチレンブルー吸着能を示す図である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化チタン、チタン水酸化物、チタン酸塩、非晶質の酸化チタンから選ばれる少なくとも一種の中空ファイバからなる光触媒性材料であって、前記中空ファイバの内壁と外壁の表面の双方、ないし、内壁の表面に修飾分子が結合してあって、前記修飾分子はリンカー部と主鎖部からなり、前記リンカー部と前記中空ファイバの表面が結合していることを特徴とする光触媒性材料。
【請求項２】
前記修飾分子の分子長（R）の2倍（2R）が前記中空ファイバの内径（ｒ）よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の光触媒性材料。
【請求項３】
前記修飾分子のリンカー部と中空ファイバの表面との間の結合が、共有結合、水素結合、イオン結合、配位結合からなる郡より選択される少なくとも一つであることを特徴とする請求項１ないし２に記載の光触媒性材料
【請求項４】
前記修飾分子のリンカー部が、カルボンキシル基、リン酸基、スルホン基、水酸基、アミノ基、ピリジン、ジケトン類、エチレンオキサイド類、シロキサン類からなる郡より選択される少なくとも一つの官能基を含むことを特徴とする請求項１〜３に記載の光触媒性材料。
【請求項５】
前記修飾分子の主鎖部が、ポリエチレンイミン、ポリエチレングリコール、ポリアリルアミン、ポリアリルアルキルアンモニウム、ポリアクリル酸、ポリエチレングリコール、アルキル、フッ素樹脂、芳香族系分子、キチン、キトサンからなる郡より選択される少なくとも一つを含む物質、ないし、これらの物質の共重合体を含むことを特徴とする請求項１〜４に記載の光触媒性材料。
【請求項６】
前記修飾分子が長鎖状のシランカップリング剤ないしアルキルアミンであることを特徴とする請求項1〜５に記載の光触媒性材料。
【請求項７】
請求項１〜６に記載の光触媒材料であって、前記光触媒材料の被膜を基材に形成した場合、前記被膜の表面の水との接触角が60°以上であることを特徴とする請求項１〜６に記載の光触媒性材料。
【請求項８】
前記中空ファイバが、巻物状の層状のチタン酸であることを特徴とする請求項１〜７に記載の光触媒性材料。
【請求項９】
前記中空ファイバの内径（ｒ）が3nm〜8nmの範囲であることを特徴とする請求項１〜８に記載の光触媒材料。
【請求項１０】
前記中空ファイバの酸素位置に酸素以外のアニオンが置換、または格子間に酸素以外のアニオンが割り込み、または粒界部に酸素以外のアニオンが配してあることを特徴とする請求項１〜９に記載の光触媒材料。
【請求項１１】
前記酸素以外のアニオンが窒素であることを特徴とする請求項１０に記載の光触媒材料。
【請求項１】
酸化チタン、チタン水酸化物、チタン酸塩、非晶質の酸化チタンから選ばれる少なくとも一種の中空ファイバからなる光触媒性材料であって、前記中空ファイバの内壁と外壁の表面の双方、ないし、内壁の表面に修飾分子が結合してあって、前記修飾分子はリンカー部と主鎖部からなり、前記リンカー部と前記中空ファイバの表面が結合していることを特徴とする光触媒性材料。
【請求項２】
前記修飾分子の分子長（R）の2倍（2R）が前記中空ファイバの内径（ｒ）よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の光触媒性材料。
【請求項３】
前記修飾分子のリンカー部と中空ファイバの表面との間の結合が、共有結合、水素結合、イオン結合、配位結合からなる郡より選択される少なくとも一つであることを特徴とする請求項１ないし２に記載の光触媒性材料
【請求項４】
前記修飾分子のリンカー部が、カルボンキシル基、リン酸基、スルホン基、水酸基、アミノ基、ピリジン、ジケトン類、エチレンオキサイド類、シロキサン類からなる郡より選択される少なくとも一つの官能基を含むことを特徴とする請求項１〜３に記載の光触媒性材料。
【請求項５】
前記修飾分子の主鎖部が、ポリエチレンイミン、ポリエチレングリコール、ポリアリルアミン、ポリアリルアルキルアンモニウム、ポリアクリル酸、ポリエチレングリコール、アルキル、フッ素樹脂、芳香族系分子、キチン、キトサンからなる郡より選択される少なくとも一つを含む物質、ないし、これらの物質の共重合体を含むことを特徴とする請求項１〜４に記載の光触媒性材料。
【請求項６】
前記修飾分子が長鎖状のシランカップリング剤ないしアルキルアミンであることを特徴とする請求項1〜５に記載の光触媒性材料。
【請求項７】
請求項１〜６に記載の光触媒材料であって、前記光触媒材料の被膜を基材に形成した場合、前記被膜の表面の水との接触角が60°以上であることを特徴とする請求項１〜６に記載の光触媒性材料。
【請求項８】
前記中空ファイバが、巻物状の層状のチタン酸であることを特徴とする請求項１〜７に記載の光触媒性材料。
【請求項９】
前記中空ファイバの内径（ｒ）が3nm〜8nmの範囲であることを特徴とする請求項１〜８に記載の光触媒材料。
【請求項１０】
前記中空ファイバの酸素位置に酸素以外のアニオンが置換、または格子間に酸素以外のアニオンが割り込み、または粒界部に酸素以外のアニオンが配してあることを特徴とする請求項１〜９に記載の光触媒材料。
【請求項１１】
前記酸素以外のアニオンが窒素であることを特徴とする請求項１０に記載の光触媒材料。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００６−１０２５８６（Ｐ２００６−１０２５８６Ａ）
【公開日】平成１８年４月２０日（２００６．４．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２９００２２（Ｐ２００４−２９００２２）
【出願日】平成１６年１０月１日（２００４．１０．１）
【出願人】（００００１００８７）東陶機器株式会社 (3,889)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年４月２０日（２００６．４．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年１０月１日（２００４．１０．１）
【出願人】（００００１００８７）東陶機器株式会社 (3,889)
【Ｆターム（参考）】
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