論文内容の要旨

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論文内容の要旨

氏名：矢澤翔大

博士の専攻分野の名称：博士（工学）

論文題名：水素マイクロ波プラズマにより酸素欠損処理された酸化チタン光触媒に関する研究

近年，人間の生活や経済活動が地球の環境に大きな影響を与え，地球温暖化や大規模な森林伐採による熱帯雨林の減少，工場などから排出される工業排水や煙などに含まれる有害物質による土壌汚染や大気汚染物質など様々な地球環境問題が存在している。

有害物質の分解対応策の一つとして光のみを利用し半永久的に使用できる光触媒が注目を浴びている。

光触媒の研究は本多・藤嶋らによる酸化チタンを用いた人工光合成の発見を契機として盛んに行われるようになった。その後，酸化チタンは空気清浄器用フィルター，家屋・ビルの外壁，ガードレールなどに応用され，掃除を行わなくても常に綺麗に保つことのできる効果や建築材料などの接着剤に含まれているホルムアルデヒドによるシックハウス症候群の抑制など，生活に欠かせないものとなりつつある。しかし，

非常に有用な酸化チタンには，太陽光などに含まれる紫外線にしか反応しないという問題がある。酸化チタンの光活性に必要な紫外線は屋内で用いられる光源にはほとんど含まれていないので，太陽光が届く領域でしか使用することができない。酸化チタン光触媒の光活性領域を可視光まで拡張することができれば，

屋外ではより高活性に，屋内でもより効果的に使用することができるようになる。この様な観点から, 光触媒の高活性化・可視光応答化の研究が盛んに行われている。

酸化チタンの可視光応答化技術として一般的に用いられているのは，酸化チタンに銅，硫黄や窒素などの不純物をドープする方法である。中でも窒素をドープした窒素ドープ型酸化チタン光触媒は高い可視光応答性があり，現在，市場に多く出回っている。しかし，窒素ドープ型酸化チタン光触媒は可視光応答化処理をすると一般的に紫外線照射時の光触媒性能が未処理の酸化チタン光触媒よりも低くなると言われている。

筆者はこれまでの可視光応答化技術である窒素ドープとは異なる方法として，酸化チタンから酸素を引き抜く酸素欠損型光触媒に注目した。この酸素欠損型光触媒は可視光を吸収するが，低活性もしくは無活性であり，酸素欠損処理後，大気中の酸素と再結合して性能が劣化すると言われている。この現象を避けるため，筆者は光触媒の酸素欠損処理方法として水素マイクロ波プラズマ処理に着目した。

本研究では，紫外線がほとんど存在しない室内空間でも使用することができる光触媒の開発を目指し，

水素マイクロ波プラズマによる酸化チタンの酸素欠損処理の最適化を行った。光触媒の分解性能の基本的な評価方法は JIS R 1701-4 (2008)に基づいた実験方法を採用し，その評価方法を確立した。まず，実験の光源として屋内空間で使用されている蛍光灯を用いて評価し，その後紫外線を含まない LED を光源とした分解性能を評価した。加えて，水素マイクロ波プラズマ処理後からの酸素欠損型光触媒の性能の経時特性を評価した。

本論文は第 1 章から第 6 章によって構成されている。以下，各章の概略を述べる。

第 1 章では，本研究の背景ならびに，光触媒の仕組み，光触媒の種類，酸化チタンの課題，光触媒の可視光応答化技術の方法や種類，酸素欠損型光触媒について概説し，本研究の目的および本論文の構成を述べる。

第 2 章では，水素マイクロ波プラズマを用いて，実生活に使用することができる光触媒の開発にあたり，

プラズマ処理時間，プラズマ入力電力，アルゴンと水素の混合比を変化させた酸素欠損型光触媒を作製した。

まず，基礎となる酸化チタンの基板を作製した。この試料に水素マイクロ波プラズマ処理を行った結果，

可視光を吸収するようになった。この光吸収性能は，プラズマ処理時間が長く，プラズマの入力電力が高いほど，さらに，水素の割合を増加させるほど良好となることを示した。

XRD による結晶解析の結果，酸化チタンの結晶は完全に壊れることなく分解性能の高いアナターゼ型結晶であることを確認した。また，XPS による解析の結果，酸化チタン光触媒に水素マイクロ波プラズマ処理を施すことにより，酸素欠損が起きていることを確認したことを示した。

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第 3 章では，水素マイクロ波プラズマ処理を行った酸素欠損型酸化チタンの性能評価として，ホルムアルデヒド分解実験を行い，酸素欠損型光触媒の性能について明らかにした。ホルムアルデヒドは最も身近に存在する有害物質であり，例えば接着剤に含まれている。ホルムアルデヒドを含む接着剤が使用された建材からホルムアルデヒドが揮発し，これを吸引することで目まいや頭痛を引き起こすシックハウス症候群を発症すると言われている。このホルムアルデヒドを用いて JIS R 1701-4 で規定された方法に基づき，

光源に蛍光灯を用いた場合の分解性能評価を行った。水素マイクロ波プラズマ処理ではプラズマ処理時間と，入力電力の検討，ならびにプラズマを安定に発生させるために使用するアルゴンガスと水素ガスの混合比の検討を行った。さらに，酸素欠損型光触媒と比較を行うために可視光応答型光触媒のうち最も代表的な窒素ドープ型光触媒を作製し，比較検討を行った。

実験の結果，酸素欠損型酸化チタン光触媒は良好なホルムアルデヒドの分解性能を発揮した。本実験により，プラズマの処理時間を短くし，入力電力を低くするほど，また，プラズマ雰囲気である Ar と H₂ガスの混合比は H₂の割合が少ないほど分解性能が高いことがわかった。さらに，酸素欠損型酸化チタン光触媒と窒素ドープ型光触媒を比較した場合は，酸素欠損型酸化チタン光触媒は窒素ドープ型光触媒の光触媒性能に対して 5 倍以上の分解性能を発揮することがわかった。

第 4 章では，実生活で室内の光源として利用が拡大している，かつ紫外線を含まない LED を用いたホルムアルデヒド分解実験を行った。光触媒性能を向上させるための作製条件である水素マイクロ波プラズマ処理は，プラズマの入力電力および，プラズマ処理中のアルゴンガスと水素ガスの比率を変更した。

紫外線を含まない LED 光源を用いて JIS で規定された方法によりホルムアルデヒド分解特性評価を行った。未処理の酸化チタンは，ホルムアルデヒドを分解できないのに対して，水素マイクロ波プラズマ処理を行った酸素欠損型光触媒は，ホルムアルデヒドを分解することを確認した。これにより，作製した酸素欠損型光触媒は可視光応答型光触媒に変化していることがわかった。このときの最も分解性能が高かった作製条件は，プラズマの入力電力は 200 W，Ar と H₂の混合比は 3:1 であった。酸素欠損型酸化チタン光触媒と窒素ドープ型光触媒を比較した場合，酸素欠損型酸化チタン光触媒は窒素ドープ型光触媒の光触媒性能に対して最大 6.25 倍のホルムアルデヒド分解性能を発揮することがわかった。

第 5 章では，酸素欠損型光触媒の 2 つ目の懸念項目である処理後からの経時性能特性について明らかにした。酸素欠損型光触媒は酸化チタンから酸素が引き抜かれるため，酸素欠損型光触媒が空気に触れると酸化により酸素が酸素欠損部分に戻り，通常の酸化チタンになり，性能が劣化すると言われていた。本章では作製した酸素欠損型光触媒を用いて光源に蛍光灯および LED を用いた場合のホルムアルデヒド分解実験を行い，分解性能の経時変化の評価を行った。

蛍光灯を用いたホルムアルデヒド分解実験では，酸素欠損型酸化チタンは 4 週間までは性能が変化し，

その後 6 ヶ月間以上分解性能が安定することがわかった。また，過剰にプラズマ処理を行った酸素欠損型酸化チタンは性能が低いまま安定することがわかった。LED を用いたホルムアルデヒド分解実験では，蛍光灯を用いた実験と同様に処理を行った酸素欠損型光触媒は， 4 週間までは性能が低下するが，その後は性能が安定することがわかった。

第 6 章では、本研究の総括を述べた。