ホンダ･フジシマ効果
|
|
1974年。朝日新聞元旦の一面に｢太陽で“夢の燃料”｣という記事が 掲載された。オイルショックのさなか、石油代替エネルギーとして また究極のクリーンエネルギーとして水素にもエネルギー利用の手 が伸びようとしていた時期だった。そんなところに現れた画期的な 水素ガス製造手段についての学術論文に世間の耳目が集まった。 その数年前、一人の大学院生が実験を繰り返していた。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 いうものだった。水を太陽光で分解できるとする画期的なこの反応 は、今では「ホンダ・フジシマ効果」と呼ばれて世界的に知られる ところとなっているが、研究成果を論文にまとめたころは、国内で はほとんど見向きもされなかった。やがて1972年７月、英国の科学 雑誌『ネイチャー』にこの研究と理論が掲載されて外国での認識が 高まるに及び、翌々年元旦の朝日新聞記事へと結実した。 このホンダ・フジシマ効果が、実は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る。以下は、その原理をごく簡単に記 したものだが、化学が苦手な方には少しとっつきにくいかもしれな い。直接この原理についての記述を読まなくても、酸化チタンの光 触媒反応の応用を見るのに困ることはない。苦手な方は明日からの 記事へ直接飛んでいただいて大丈夫である(^-^) ホンダ・フジシマ効果と呼ばれる酸化チタンによる水の光分解は植 物が行う光合成によく似ているという。光合成には ｢葉緑素におい て水が光分解されて酸素が発生する過程｣、｢エネルギーを貯える光 燐酸化過程｣、｢炭酸ガスを取りこんで還元するカルビンサイクル過 程｣と呼ばれる３つのプロセスがある。 これに対してホンダ・フジシマ効果が見出した酸化チタンの光反応 には､｢酸素の発生｣、｢外部負荷による光エネルギー変換｣、｢白金電 極上での水素発生｣がある。後ろふたつの光による反応には 光合成 ときわめて似通ったものがあると考えられている。ホンダ・フジシ マ効果については末尾の図を参照していただきたい。 では、ホンダ・フジシマ効果をその基礎に置く酸化チタンの光触媒 反応とはどのようなものなのだろうか。 酸化チタンによる光触媒反応では、ガラスやセラミック等に酸化チ タンを1μｍほどの厚さで 薄膜状に焼き付けたり塗布ししたものが 用いられている。この薄膜は10〜50ｎｍほどの大きさの酸化チタン 結晶からできているが大きさが小さいほど膜の透明感が高くなる。 この10〜50ｎｍの酸化チタン粒に蛍光灯程度の明るさを照射するだ けで、蛍光灯の紫外線によって結晶中で電子が活性化され、自由電 子となる。そして電子の抜けた跡はホール(正孔)と呼ばれるプラス 荷電のふるまいを持つものとなり、これも反応に関与する。 ごく大まかにいうと、酸化チタンが光を受けて触媒として働くとき このホールが持つ強力な酸化力が主に働いて有機物を分解し、最終 的に二酸化炭素と水にしてしまうのだ。ホンダ・フジシマ効果に現 れた酸素の発生もこの酸化力によるものである。 活性化された自由電子は結晶の表面を動きながら空気中の酸素から 電子を獲得して酸素を還元しスーバーオキサイドイオンというもの をつくる。またプラス荷電のふるまいをするホールは、結晶表面で 水を酸化し強酸化物である水酸ラジカルと呼ばれるものをつくる。 これらのイオンが結晶表面の有機物を強力に分解するのだ。 その一方ホールは、それ自体の強い酸化力で有機物を直接酸化する こともできる。ただ、酸化チタンの光触媒反応については、まだ厳 密にいえば分かっていないところもあり、さらなる研究が進められ ているという。 |
|
☆ |
水の光分解 酸化チタン電極と白金電極で閉回路 |
☆