TECHNOLOGY

光触媒反応

「光によって励起状態になり、そのエネルギーを他に与えることができる物質は光触媒になり得る。典型的な光触媒は半導体であり、TiO2のような金属酸化物半導体が多く用いられている。半導体はそのバンドギャップエネルギー以上の光を吸収すると、価電子帯の電子が伝導帯に励起され、価電子帯には正孔ができる。これらの電子と正孔が反応を起こす。半導体上の光触媒反応のような固体上の光触媒反応は光触媒と反応物質との相(phase)が異なるので、熱触媒反応の例にならい、不均一系光触媒反応と呼ばれる。」(この文は北海道大学大学院地球環境科学研究科物質科学専攻 佐藤真理教授の「表面分子動態特論Ⅱ」よりの抜粋です。)

光触媒は光が当たることにより、紫外線の波長エネルギーが与えられれば、二酸化チタン内部で電子は自由に動き回れるため、二酸化チタンの表面では電子が抜けてしまった孔の状態と、抜けて表面にいる電子の状態とができます。

ここで電子はマイナスに荷電しているため、電子が抜けた孔はプラスに荷電されるため、孔は正孔と呼ばれ、電子が抜け出た孔を埋めるかのように二酸化チタン表面に吸着している水分からOH基のもつ電子を引き抜いてしまいます。電子が引き抜かれたOH基は、不安定にとなるため、さらに自身の外で接触してくる空気中の臭い成分や、水中に溶けた化合物など、鎖状有機化合物から電子を奪い活性化されたOH基となり、このOH基そのものが安定になろうとします。このOH基を水酸ラジカルと呼び、塩素やオゾンよりも高い酸化力を持つものとして理解されています。

半導体二酸化チタンは、光のエネルギーをもらうことで自分自身が高エネルギーの状態となり、光が当たった表面の電子を放出します。このとき貰ったエネルギーが充分に高ければ、価電子帯というところにあった電子は一気に伝導帯というところまで遷移します。

このようにして電子が遷移できるエネルギーは光から貰いますが、この光のエネルギーは光の波長のエネルギーと考えられ、電子が飛び上がらねばならないハードルの高さから、このエネルギーは紫外線の波長をもつ光であることが必要とされる訳です。

したがって      = hc /λ

このとおりアインシュタインの光波動式で説明できます。

ここでEは二酸化チタン3.2eV(3.2eV=3.2×1.6×10-19J)であり、既知数(c:3.0×108m/s、h:6.63×10-34J・s)を代入して解くと、必要な波長は約380nmとなり、光触媒がはたらくのに必要な光とは、紫外線であることが判ります。

          

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