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 トップページテクの雑学 > 第136回 最先端の機能を支える光化学反応 − クリーンエネルギーをもたらす光触媒作用 −
テクの雑学

第136回 最先端の機能を支える光化学反応
− クリーンエネルギーをもたらす光触媒作用 −

 日中の陽射しがすっかり春めいてきましたが、花粉の影響を受ける体質の方々には、たいへん悩ましい季節の到来だとお察しします。最近は各種の花粉対策グッズによって、ずいぶんと症状が軽減される例も少なくないようですね。毎年、かなり重い症状に苦しめられていた知人も、昨年から外出時に「光触媒」を利用したマスクとゴーグルを着用するようにして、ずいぶん楽になったと喜んでいました。

(注)イラスト出典元:佐藤しんり「光触媒」ナツメ社、2004年。
原子核と電子の間の引力=クーロン力(P.51)、電子のエネルギー準位を示す図(P.99)、固定のバンド構造と光触媒の励起(P.101)、触媒反応が起こる仕組み・超親水性(P.135)


光化学反応と酸化チタン
 光触媒(Photo catalyst) とは、その名の通り、光を照射すると触媒作用(化学反応の進行速度に影響を与える作用)を起こす物質です。光触媒作用を起こす物質は複数知られていますが、現時点で実用化されているのは「酸化チタン」を利用したものだけです。
 二酸化チタンとも呼ばれるこの物質は、正式名称を「酸化チタン(Ⅳ)」といい、化学式ではTiO2となる金属酸化物です。特に珍しいものではなく、化学製品などを白色に着色する顔料として一般的に用いられています。また、身近なところでは化粧品にも多用されます。光の屈折率が非常に高いことと、物体の表面の微細な凹凸をカバーして被覆する力が強いことから、ファンデーションには不可欠な材料となっていますし、紫外線吸収/散乱効果の高さを利用してUVケア製品にも用いられています。

 そんな酸化チタンは、「光伝導性物質」であり、それがゆえに「光化学反応」を起こす特徴を持っています。酸化チタンに光(紫外線)を当てると、その表面に強力な酸化力を生じて、接触してくる有機物や細菌などの有害物質を除去します。その機能としくみについて、順を追って説明してみましょう。

物質の中身とエネルギーの働き
 物質は、固体の状態で電気を通すか否かによって、3種類に分類することができます。電気を通す「導電体」、電気を通さない「絶縁体」、条件しだいで電気を通したり通さなかったりする「半導体」です。
 導電体は、個々の原子に束縛されず、自由に動き回れる「自由電子」を持つ物質です。導電体に電圧をかけると、電位差によって自由電子が一定の方向に動くことで電荷を運びます。これが「電気が流れる」状態です。絶縁体は自由電子を持たないため、電荷を運ぶものがいない物質ということになります。そして半導体は、温度などの条件によって自由電子の有無が変化する物質で、酸化チタンは半導体に属します。

原子核と電子殻の関係。電子殻とは、原子の構造に用いる概念で、いくつかの電子軌道をまとめたもの。原子核に近い方からK殻、L殻、M殻とされる。それぞれの電子殻の上にいる電子は、「クーロン力」によって原子核との間で引き合っている。原子核と電子の距離が近いほど、その間に働くクーロン力が大きくなり、逆に原子核と電子の距離が離れるほど、電子の持つポテンシャルエネルギーが大きくなる。

 ここは大事なところなので、少していねいに説明しましょう。物質の原子核のまわりには電子が存在しますが、安定していられる位置は特定の範囲に限られます。その範囲を示すのが「電子軌道」で、電子はその上に位置しています。
 原子核と電子は、互いに「クーロン力」によって引き合っています。この状態は、物質にはたらく「位置エネルギー」に相当する「ポテンシャルエネルギー」を電子が持っている状態で、原子核から遠い位置にある電子ほど、ポテンシャルエネルギーが大きくなります。

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