自然にある光触媒とは

光触媒とは光のエネルギーによって働く触媒です。 光触媒反応の例として、植物の葉に含まれ る葉緑素による光合成があります 。葉緑素 という触媒に光が当たると化学反応が起こ り、二酸化炭素と水から、酸素とデンプン を生成します。葉緑素自体は、反応の前後 で変化していません。 光触媒は光を吸収してエネルギーの高い状 態(励起状態)となり、そのエネルギーを 反応物質に与えて化学反応を起こします。 つまり通常エネルギーとして使う電気や熱 などの代わりに光のエネルギーを使う太陽 光発電のようなものです 。

化石燃料を使わない光触媒

従来の消臭・抗菌などは薬剤(塩素や次亜塩素酸 等)を使うか、特別な機械によりオゾンやOHラジカルを発生するものでした。 この方法では薬剤は常に消費し、機械では常に電 力が必要ですし、天然の物より効果が低いです。 しかし、光触媒のエネルギー源は光です。この光 とは自然に降り注ぐ太陽の光はもちろん、普段使用している室内の灯(白色電球やLEDなど)でも十分に働き、空気中の水や酸素からOHラジカルなどを発生し、室内の臭い・菌・ウイルス・有害物 質などを分解除去します。 化石燃料を使わず、有害物質を減らすため家庭にも地球にも優しい環境商材です。

光触媒の主原料酸化チタン 2大特徴 有機物分解

光触媒の酸化チタンに光が当たると電子(e-)の動きが活発になり半導体になります。 半導体になった酸化チタンの表面で、空気中の水(水酸化物イオン)から電子を奪いOH ラジカルを生成し、また酸素に電子を与えスーパーオキサイドアニオンを生成します。 生成したOHラジカルやスーパーオキサイドアニオンは、強力な酸化力を持っており、空 気中の有機物(臭い・細菌・ウイルス・VOCなど)のC-OやC-Hなどの結合を切断してし ま い、最終的には二酸化炭素や水などの無害な物質に変化させてしまします。 また酸化チタン表面に光が当たっている間は、常に有機物を分解しているので、汚れや悪 臭の元を除去することが可能となっています。

光触媒の主原料酸化チタン 2大特徴 超親水性

酸化チタンのもうひとつの特徴として超親水性があります。超親水性とは超撥水の逆で撥 水のように水滴がコロコロ転がるのではなく、水滴にならずに水の膜になることです。 この特徴を生かし、セルフクリーニング効果が期待できます。

外壁に付着した汚れなどは、なかなか取れません。

セルフクリーニングの場合、この両方の効果により、防汚が可
能となります。

ちなみにこの超親水性作用は酸化チタンの特徴であり、酸化タ
ングステンなど他の光触媒材料では作用しません。

酸化チタンにバンドギャップ以上のエネルギーを持つ光を当てると、電子と正孔が生成し ます。 これが水や酸素などと反応し、OHラジカルやスーパーオキサイドアニオン(O2- )などの活性酸素を生成します。

有機物はC原子+その他原子が結合したものの総称ですが、原子それぞれの結合の強さは 結合エネルギー(kcal/mol)で表され、数字が大きいほど結合は切れにくく、分解されに く くなります。 この結合エネルギーは構成する分子の種類や結合の仕方で変わり、表のような結合エネル ギーでそれぞれ結ばれています。 (C-C)(C-N)(C-H)(O-H)(N-H)と言ったような結びつきは100kcal/mol以下のものが多く 、それに 対してOHラジカルは120kcal/mol相当の非常に大きなエネルギーを持っているため、こ れ らの結合を簡単に切断し、分解することができます。 光触媒作用を利用することにより、有機化合物を完全に分解し、炭酸ガス(CO2など)や水 (H2O)などの無毒な物質に変えることができます。 そして、OHラジカルは酸化チタンに光と水・酸素が供給されると発生し続け、永久的に 光触媒反応を続けることができます。

上記の表はOHラジカルとその他殺菌や除菌に良く用いられるものの酸化力を表に示した ものです。また、相対ポテンシャルとは塩素を1とした時、その他の物質の相対的な酸化 力を表したものです。 この表からOHラジカルの酸化力は塩素の2.05倍で強力な酸化力で知られているオゾンなど よりはるかに高く、オゾンの1.35倍も高いと言えます。

•既存の殺菌・抗菌に用いられる物のほとんどは有害なものです。しかし抗菌性をしめす酸化チタンは化粧品や歯磨き粉にも使われ、食品添加物としても広く使用されている 安全なものです。また、発生するOHラジカルに関しても寿命が非常に短く安全です。 • 〇酸化チタンは光触媒として働くだけで、自身は変化しないため、原理的には半永久的に使用でき、光と空気と水さえあれば効果は半永久的に続くことになります。 • OHラジカルは、様々な有機物を分解し、無毒な物質に変えることができます。 そのため、抗菌・抗カビのみならず、菌やカビの餌となる有機物の分解、菌やカビの出 す毒素の分解を行うことができます。さらには水中に溶け込んでいる種々の有害化学物 質や悪臭物質のような空気中の化学物質の分解・無害化など、様々な分野の環境浄化を 行うことができます。

・酸化:酸化還元反応で電子e- を放出する事をいいます。酸素は電子を受け取りやすく、酸素と結 合すると酸素に電子を取られるので酸化というのですが、相手がなんであれ電子が取られれば酸化と いいます。実は、これも混乱のうちの一要因になるのですが、水素を放出する事も酸化と呼びます。 放出するのは水素で水素イオンではないことに注意してください。では 、何故水素を放出するのが酸化かというと 、水素と一緒に水素にある電子を放出してしまうためです。 ・還元:酸化還元反応において電子 e- を受け取ることをいいます。酸化とは反対の反応なので水素を 受け取ることも還元といいます。 たとえば、A+B→AB という化学反応があるとすれば、AからB に電子が移行する反応であれば、 A か ら見れば酸化、B から見れば還元ということになります。ひとつの反応を酸化と還元いわけることはできないことになります。 なので電子式から考えると理解できるかもしれません。

OHラジカルにしても、スーパーオキサイドにしても不安定な不対電子を持つため、有機物の分子 構造内にある、たとえばHと強制的にくっつき、その分子構造を分断(破壊)していく。

このとき有機物質側から見ればHと同時に電子が OHに移動しており、有機物は酸化していること になり、 OH 側から見れば、 OHは有機物質から電子を奪っているため、還元されていることに な ります。このように、酸化還元反応は必ず対になっています。酸化力とは、有害物質を構成する水素(H)が強制的に分離される力をいいます。

オゾンは3つの酸素原子(O)からなる酸素(O2)の同 素体です。O3の状態は極めて不安定な性質のため、 3つの酸素原子のうちの一つを他の物質に与えて通常 空気中にある酵素分子(安定状態のO2)になろうとす る性質(酸化作用)があります。 そのため、強い酸化力を持つのが特徴です。 空気中や物質表面の細菌や臭いの元になる物質を酸 化させ、同時に細胞膜を破壊することで殺菌する効 果を持ちます。

次亜塩素酸は、水分子(HOH)の一つの水素(H)が塩 素(Cl)に置換された物質です。 Cl+はほかの物質から2個の電子(2e)を奪い、自ら Cl-となる過程で殺菌、洗浄、漂白、脱臭などの作用 を示します。この電子を引き抜く反応が酸化であり、 その強さがいわゆる酸化力と呼ばれるものです。 HoClとOcl-の求電子性は、オゾン等の酸化剤の特性 と同じです

オゾンは3つの酸素原子(O)からなる酸素(O2)の同 素体です。O3の状態は極めて不安定な性質のため、 3つの酸素原子のうちの一つを他の物質に与えて通常 空気中にある酵素分子(安定状態のO2)になろうとす る性質(酸化作用)があります。 そのため、強い酸化力を持つのが特徴です。 空気中や物質表面の細菌や臭いの元になる物質を酸 化させ、同時に細胞膜を破壊することで殺菌する効 果を持ちます。

オゾンや次亜塩素酸は、光触媒(酸化チタン)が発生させるOHラジカ ルやスーパーオキサイドアニオンと同じように、酸化力によって除菌 を 行 い ま す 。 アルコールは、細胞膜やタンパク質の変性によって除菌 を行います。 新型コロナウイルスは、左図のようにエンベロープ(脂質で作られた膜)に冠状にタンパク質が刺さったような構造をしています。 エンベロープは脂質膜であるため界面活性剤に弱く、タンパク質はアルコール変性するので、比較的薬剤が効きやすい構造であると考えら れています。しかし、ノロウイルスの様にエンベロープを持たないウ イルスには効果がありません。 光触媒(酸化チタン)の出すOHラジカルは、酸化力の強さがオゾンや 次亜塩素酸との大きな違いとなり、またオゾンや次亜塩素酸やアル コールは、その物自身が菌などと相殺したり蒸発して無くなりますが、 光触媒(酸化チタン)は無くならずにOHラジカルやスーパーオキサイ ドアニオンを出し続け除菌・消臭し続けます。

チタン金属は強靱な金属であり 、軽量なため航空機や宇宙船に多く使用されいます 。 国内で耐腐食性が高いことから 、化学工場や発電所等の過酷な条件で使用されています 。 ステ レスより軽く強靭なため 、腕時計やゴルフクラブ等にも使われています 。金属のアレルギー反応が起こりにくく、耐侵蝕性が高く、また強靭で加工しやすいため、人工の骨や関節・インプラント等の医療分野 でも多く使用されています 。

酸化チタンとは上記で挙げた安全なチタンの酸化物です。 従来の抗菌剤・除菌剤は、次亜塩素酸などの地球や人体にとって有害な物質が使われています。 光触媒の主原料である酸化チタンは、白色の塗料、絵の具、磁器等の釉薬として、大量に消費されています 。また人体へ の影響が少なく 、紫外線の吸収率が高いため、保護剤等として 、医薬品 (錠剤のカプセルなど)、日焼け止め、化粧品などに使用されている他、食品添加物として チューイングガムやホワイトチョコレート等にも広く使われています。 埋蔵量は銅の4倍と多く、世界で年間に300万トンが生産され、日本人は年間一人あたり2kg消 費 してると言われ、文化が発展している国や地域で使用料が多くなることから、酸化チタンの 使用 料は文化のバロメーターとも言われています。 酸化チタンは空気中に浮遊している鉱物で9番目に多い物質です。 上記のように私たちの身の回りにごく普通に使われており 、物理的 ・化学的に極めて安定している人畜無害な非常に優れた素材です。

LIVEコートの酸化チタンに被覆されているアパタイトは、酸化チタンの酸化力から基材の保護を する役割とともに、菌や臭いをよく吸収・吸着する特徴を持っています。 アパタイトは歯のエナメル質や骨の主成分として知られています。 アパタイトは安全性が高いため、カルシウムの補給や口臭予防、歯石の除去を目的に、お菓子や チューイングガムなどの食品添加物としても使用されています。

酸化チタンの発がん性を示唆する書き込みを目にしますが、その根拠としてLARC(国際ガン研究 機関)が人への発がん性を疑う分類(B2)にしていることを挙げている事が多くあります。しか し 、 他の機関EU(欧州化学庁)・日本科学衛生学会・ACGIH(米国産業衛生専門家会議)・NTP (米国国家毒性プログラム)等、複数の評価機関で発がん性を挙げている機関はありません。 • LARCが人への発がん性を疑う根拠として、吸入暴露によるラットの肺に腫瘍が認められたこと を示していますが、マウス・ハムスターには腫瘍発生は認められなかった。 • 北米で行われた人に対する疫学集団研究で酸化チタンと発ガン性の因果関係は示されなかった。

酸化チタンが発生させる活性酸素OHラジカルは、最強の活性酸素と呼ばれ有害物質等を分解除去 します。このOHラジカルが体内で発生した場合はヒドロキシルラジカルと呼ばれ、体内に侵入してくる菌やウイルスを撃退するために白血球から放出され、体のためになくてはならないものです 。これが近年、化学物質やストレス等の原因で必要以上に作られ 、余ったヒドロキシルラジカルが体内を攻撃し、ガンなどの原因になることがわかっています。 • 酸化チタンは酸化力が非常に強いので、酸化チタンから発生するOHラジカルの寿命は1秒未満 です。すぐに有害物質と結合して無くなってしまうため安心です。 • OHラジカルの酸化力は高く完全酸化が可能なので、有害中間生成物の心配がなく安心です。

近年ナノテクノロジーが進む中で研究が進められ、危険性に対しても、問題視され始めています。 ナノ粒子を大量に吸引し続けると肺疾患等の病気のリスクが高まるとの懸念があります。 • ナノ粒子に関して、労働安全衛生法・粉塵防止法等の法規制があります。しかし、酸化チタン に限ってナノ酸化チタンだけを対象にした規制はありません。 • 酸化チタン製造工場で働いていた人を対象に行っ た検査では、呼吸器系疾患や死亡率等の増加 等の関係性は認められなかったとの報告もあります 。 大量の継続的な吸引はありませんので、ナノ粒子の吸引に対しては、健康に対する心配ないと考えられます。