20080424 bo sapporo - 北海道大学...2008/04/24 · 2008/04/24 光触媒化学特論・第2回 3...

2008/04/242008/04/24──光触媒化学特論・第光触媒化学特論・第22回回 11

光触媒化学特論光触媒化学特論

光触媒がわかれば化学がわかる光触媒がわかれば化学がわかる

化学がわかれば光触媒がわかる化学がわかれば光触媒がわかる

大学院環境科学院・環境物質科学専攻大学院環境科学院・環境物質科学専攻開講科目開講科目

20082008年度前期・毎週年度前期・毎週木木曜日第曜日第11校時（校時（08:4508:45──10:1510:15））

研究院講堂研究院講堂→→A803A803（（55月月11日から）日から）

大谷文章大谷文章（おおたにぶんしょう）（おおたにぶんしょう）・阿部竜・天野史章・阿部竜・天野史章001001--0021 0021 札幌市北区北札幌市北区北2121条西条西1010丁目丁目北海道大学・触媒化学研究センター北海道大学・触媒化学研究センター

011011--706706--91329132（ダイヤルイン）・（ダイヤルイン）・011011--706706--91339133（ファクシミリ）（ファクシミリ）

[email protected]@cat.hokudai.ac.jp・・http://www.hucc.hokudai.ac.jp/~k15391/http://www.hucc.hokudai.ac.jp/~k15391/

北大北大大谷研大谷研検索検索光触媒光触媒研究室研究室検索検索


講義の目標講義の目標

■■光触媒のトピックスを中心にして先端的な研究内容から説き光触媒のトピックスを中心にして先端的な研究内容から説き起こして起こして基礎的な化学基礎的な化学あるいはあるいは実験化学研究の技術実験化学研究の技術などになどに掘り下げていく掘り下げていく

■■光触媒光触媒反応の諸現象のほとんどを反応の諸現象のほとんどを化学的に解釈化学的に解釈できることをできることを理解し，化学の研究法を適用して説明する理解し，化学の研究法を適用して説明する

■■化学研究の基礎化学研究の基礎を学ぶことを通じて光触媒の研究を理解し，を学ぶことを通じて光触媒の研究を理解し，さらにさらに応用展開できる応用展開できることを知ることを知る


講義予定講義予定

(1)(1) 44月月1717日日光触媒とは光触媒とは ──光触媒入門光触媒入門──

(2)(2) 44月月2424日日光触媒の化学光触媒の化学 1. 1. 光触媒光触媒反応反応が進むしくみが進むしくみ

(3)(3) 55月月11日日光触媒の化学光触媒の化学 2. 2. 反応の速さ反応の速さ

(4)(4) 55月月88日日いろいろな光触媒いろいろな光触媒 1. 1. 酸化チタン酸化チタン（（11））

(5)(5) 55月月1515日日いろいろな光触媒いろいろな光触媒 2. 2. 酸化チタン酸化チタン（（22））

(6)(6) 55月月2222日日いろいろな光触媒いろいろな光触媒 3. 3. 酸化チタン酸化チタン以外の光触媒以外の光触媒

55月月2929日日（修士論文中間発表会のため休講）（修士論文中間発表会のため休講）

(7)(7) 66月月55日日光触媒反応の実際例光触媒反応の実際例（（11））

(8)(8) 66月月1212日日光触媒反応の実際例光触媒反応の実際例（（22））

(9)(9) 66月月1919日日光触媒反応の解析光触媒反応の解析

(10)(10) 66月月2626日日（阿部准教授）（阿部准教授）光触媒反応による水の分解光触媒反応による水の分解

(11)(11) 77月月33日日光触媒の物性と光触媒活性の制御光触媒の物性と光触媒活性の制御（（11））

77月月1010日日（教員全員が出張のため休講）（教員全員が出張のため休講）

(12)(12) 99月月44日日光触媒の物性と光触媒活性の制御光触媒の物性と光触媒活性の制御（（22））

(13)(13) 99月月1111日日光触媒による有機合成光触媒による有機合成

(14)(14) 99月月1818日日（天野助教）局所励起光触媒（天野助教）局所励起光触媒


講義のすすめ方講義のすすめ方

■■講義中のクイズに答え，感想・意見を書いて提出講義中のクイズに答え，感想・意見を書いて提出

感想は講義のウェブページに感想は講義のウェブページにニックネーム（ニックネームがないニックネーム（ニックネームがないと本名がでます）をつけてと本名がでます）をつけて掲載掲載

■欠席の場合■欠席の場合

ウェブページ上にある講義のウェブページ上にある講義のPowerPointPowerPointファイルを見て，クイファイルを見て，クイズに答えたメールをズに答えたメールを[email protected]@cat.hokudai.ac.jpへ送れば，出席へ送れば，出席と同じ扱いと同じ扱い

■■ウェブページのアドレス（ウェブページのアドレス（URLURL））

http://pcat.cat.hokudai.ac.jp/class/pcs_2007/http://pcat.cat.hokudai.ac.jp/class/pcs_2007/

http://www.hucc.hokudai.ac.jp/~k15391/http://www.hucc.hokudai.ac.jp/~k15391/

2008/04/242008/04/24──光触媒化学特論・第光触媒化学特論・第22回回 55光触媒光触媒001001

Ｑ：光触媒で起こる「化学」反応は何ですかＱ：光触媒で起こる「化学」反応は何ですか


表面に表面にコーティングコーティングしたした酸化チタン酸化チタンなどの光触媒になどの光触媒に有機化合物有機化合物がが接触接触し，そこに光が当たると有機化合物に含まれる全部のし，そこに光が当たると有機化合物に含まれる全部の炭素が炭素が二酸化炭素二酸化炭素になるまでになるまで酸化分解酸化分解（「完全酸化反応」）さ（「完全酸化反応」）される．また、光触媒反応により表面がれる．また、光触媒反応により表面が親水的親水的になる．になる．

■ポイント１■ポイント１空気中では分子状酸素（空気中では分子状酸素（0022）が存在─完全酸化反応）が存在─完全酸化反応■ポイント２■ポイント２酸化の対になる還元反応は酸素の還元酸化の対になる還元反応は酸素の還元■ポイント３■ポイント３酸素が還元されてできた活性種は酸化作用を示す酸素が還元されてできた活性種は酸化作用を示す■ポイント４■ポイント４酸素がない条件下では別の「還元反応」が起こる酸素がない条件下では別の「還元反応」が起こる

Ｑ：光触媒で起こる「化学」反応は何ですかＱ：光触媒で起こる「化学」反応は何ですか


触媒と光触媒の関係触媒と光触媒の関係

■■べつのものと考えた方がよいべつのものと考えた方がよい

■■材料や評価手法には共通点がある材料や評価手法には共通点がある

触媒触媒

光触媒光触媒

触媒触媒

光触媒光触媒

触媒触媒光触媒光触媒


光触媒酸化分解＋光誘起超親水化現象光触媒酸化分解＋光誘起超親水化現象

酸化チタン光触媒薄膜に光を照射すると，酸化チタン光触媒薄膜に光を照射すると，表面が表面が超親水性超親水性（水接触角が（水接触角がゼロゼロ）にな）になる現象：る現象：光触媒表面の水酸基が増加す光触媒表面の水酸基が増加することが原因ることが原因

酸化チタン光触媒薄膜に光酸化チタン光触媒薄膜に光を照射すると，表面のを照射すると，表面の有機有機化合物が完全酸化化合物が完全酸化されるされる

酸化チタン薄膜と通常のガラス酸化チタン薄膜と通常のガラス


(1) (1) 結晶性固体結晶性固体では原子・分子では原子・分子の離散的な電子の離散的な電子の軌道が帯状の軌道が帯状（バンド）になる。（バンド）になる。

(3) (3) 励起電子と励起電子と正孔はそれぞれ正孔はそれぞれすぐに伝導帯下すぐに伝導帯下端と価電子帯上端と価電子帯上端に「緩和」する端に「緩和」する

(4) (4) 励起電子が励起電子が化学物質に移動化学物質に移動すると還元が、すると還元が、正孔が移動する正孔が移動すると酸化がおこる．と酸化がおこる．あるいは再結合あるいは再結合して熱や光を発して熱や光を発生生

(2) (2) 禁制帯を超禁制帯を超えるエネルギーのえるエネルギーの光が吸収される光が吸収されると、価電子帯のと、価電子帯の電子が伝導帯に電子が伝導帯に励起され、価電励起され、価電子帯に正孔が残子帯に正孔が残るる

半導体光触媒反応の基本原理半導体光触媒反応の基本原理

.

伝導帯

価電子帯

禁制帯

バンドギャップ

+

-

+

-

光励起

緩和

緩和

酸化剤

還元剤

還元

酸化

内部(バルク)←表面

光子

電子の流れ

電子

のエ

ネル

ギー

再結合

励起電子

正孔


酸化と還元とは酸化と還元とは

酸化還元は電子を奪われることと結びつくこと酸化還元は電子を奪われることと結びつくこと

どちらか片方だけが起こることはない（電子が足りないどちらか片方だけが起こることはない（電子が足りない//余る）余る）


他の反応にない光触媒の特徴他の反応にない光触媒の特徴

■酸化還元剤を使■酸化還元剤を使わない酸化還元わない酸化還元反応：残りかすが反応：残りかすがないない

■電解反応と似てい■電解反応と似ているが電解質が不るが電解質が不要要

■副生物やよけいな■副生物やよけいな添加物を必要とし添加物を必要としないクリーンな反ないクリーンな反応応


光触媒反応の過程光触媒反応の過程

■■ 光が入射する光が入射する

■■ 光触媒が光を吸収する＝光励起光触媒が光を吸収する＝光励起

■■ 生じた励起電子と正孔が緩和する生じた励起電子と正孔が緩和する

■■ 励起電子と正孔が反応する励起電子と正孔が反応する

■■ 励起電子と正孔が再結合する励起電子と正孔が再結合する


励起状態励起状態

●光化学反応は，●光化学反応は，

励起状態励起状態

を経由して進行する．励起状態にもいろいろある．を経由して進行する．励起状態にもいろいろある．

(1) (1) 電子励起：電子励起：光合成や光触媒反応光合成や光触媒反応【【紫外光・可視光紫外光・可視光】】

(2) (2) 振動励起：振動励起：ひなたの水ひなたの水【【赤外光赤外光】】

(3) (3) 回転励起：回転励起：電子レンジ（電子レンジでは「電子」は飛んでま電子レンジ（電子レンジでは「電子」は飛んでません）せん）【【マイクロ波マイクロ波】】

励起状態をつくるのが励起状態をつくるのが．．．．．．光光


Ｑ：電磁波とは？Ｑ：電磁波とは？

■光は電磁波：■光は電磁波：つぎのうちで電磁波はどれ？つぎのうちで電磁波はどれ？

アルファ線・ベータ線・ガンマ線・エックス線・紫外線・可視線・赤外線・アルファ線・ベータ線・ガンマ線・エックス線・紫外線・可視線・赤外線・

マイクロ波・電波（ラジオ波）・電子線マイクロ波・電波（ラジオ波）・電子線

振動方向は互いに直交

波長

電場の振動

磁場の振動

光の進行方向


Ｑ：光の速度は？Ｑ：光の速度は？

■■波長が短いほどエネル波長が短いほどエネルギーが大きいギーが大きい

■■真空中での電磁波の進真空中での電磁波の進行速度は波長によらず行速度は波長によらず一定一定

■■一定時間あたりの振動一定時間あたりの振動数＝周波数・数＝周波数・11秒あたり秒あたりの振動数：ヘルツ（の振動数：ヘルツ（HzHz））

■■波長波長××振動数＝光速振動数＝光速

光速光速//波長＝周波数波長＝周波数


Ｑ：光の速度は？Ｑ：光の速度は？

■■波長が短いほどエネル波長が短いほどエネルギーが大きいギーが大きい

■■真空中での電磁波の進真空中での電磁波の進行速度は波長によらず行速度は波長によらず一定一定

（（毎秒約毎秒約3030万キロメートル万キロメートル））

■■一定時間あたりの振動一定時間あたりの振動数＝周波数・数＝周波数・11秒あたり秒あたりの振動数：ヘルツ（の振動数：ヘルツ（HzHz））

■■波長波長××振動数＝光速振動数＝光速

光速光速//波長＝周波数波長＝周波数


光の波と粒光の波と粒

光は波と同時に粒子である（光子：光は波と同時に粒子である（光子：photonphoton）：質量はない）：質量はない

電子は粒子であると同時に波である：質量がある電子は粒子であると同時に波である：質量がある


光のもつエネルギー光のもつエネルギー

小さな弾丸と大きな弾丸の破壊力とエネルギー小さな弾丸と大きな弾丸の破壊力とエネルギー

合計のエネルギーが同じでも破壊のしかたが異なる合計のエネルギーが同じでも破壊のしかたが異なる


Ｑ：紫外Ｑ：紫外光と光と可視可視光光の境界の境界

いろいろな電磁波いろいろな電磁波

境界の波長は厳密に決境界の波長は厳密に決まっているわけではなく，まっているわけではなく，重なっていることもある重なっていることもある

■■ 可視光と紫外光の可視光と紫外光の境目境目の波長は何ナノの波長は何ナノメートルかメートルか

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77

55

22

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mmmm

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nmnm

ÅÅ

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mm

cmcm

波長波長//10 m10 mnn

可視光可視光

紫外光紫外光

エックス線エックス線

赤外光赤外光

エネルギーエネルギー //10 J10 Jnn

周波数周波数//10 Hz10 Hznn

00

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kHzkHz

MHzMHz

GHzGHz

THzTHz

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JJ

kJkJ

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ガンマ線ガンマ線

マイクロ波マイクロ波

電波電波

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//10 eV10 eVnn

//10 J mol10 J molnn --11


Ｑ：紫外－可視の境界Ｑ：紫外－可視の境界

いろいろな電磁波いろいろな電磁波

境界の波長は厳密に決境界の波長は厳密に決まっているわけではなく，まっているわけではなく，重なっていることもある重なっていることもある

■■ 可視光と紫外光の可視光と紫外光の境目は境目は??

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可視光可視光

紫外光紫外光

エックス線エックス線

赤外光赤外光

エネルギーエネルギー //10 J10 Jnn

周波数周波数//10 Hz10 Hznn

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GHzGHz

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波長波長400 nm400 nm


可視光と紫外光の境目の波長可視光と紫外光の境目の波長

■可視光とは人間の目が光として感じること■可視光とは人間の目が光として感じること

■人によって感じる波長の範囲は少しずつ異なる■人によって感じる波長の範囲は少しずつ異なる

■通常，可視光と紫外光の境目は■通常，可視光と紫外光の境目は４００４００ nmnmとされているとされている

■もっと短波長の光を感じる人も存在：■もっと短波長の光を感じる人も存在：

その人はどんな色に見えるのかその人はどんな色に見えるのか??

他に人と比較のしようがないのでわからない他に人と比較のしようがないのでわからない!!


Ｑ：葉が緑に見えるのはなぜＱ：葉が緑に見えるのはなぜ??

光と物質のかかわり光と物質のかかわり

光の三原色：白から青をとりのぞくと黄色になる（補色）光の三原色：白から青をとりのぞくと黄色になる（補色）


Ｑ：葉が緑に見えるのはなぜＱ：葉が緑に見えるのはなぜ??

光と物質のかかわり光と物質のかかわり

光の三原色：白から青をとりのぞくと黄色になる（補色）光の三原色：白から青をとりのぞくと黄色になる（補色）

樹木の葉が緑に見えるのは：樹木の葉が緑に見えるのは：

太陽の光があらゆる波長の可視光を含んでいる（白色光）太陽の光があらゆる波長の可視光を含んでいる（白色光）

葉の中の物質である葉緑素（クロロフィル）が赤と青（紫）の光を吸収葉の中の物質である葉緑素（クロロフィル）が赤と青（紫）の光を吸収

残った青と黄の光が反射して緑色に見える残った青と黄の光が反射して緑色に見える


光と影光と影

紫と黄と黒の影紫と黄と黒の影

V+YV+Y=W=W

WW--VV=Y=YWW--YY

=V=V

WW--VV--YY=B=B

20062006年年22月層雲峡氷瀑まつりにて月層雲峡氷瀑まつりにて


Ｑ：クロロフィルの電子スペクトルはどんな形Ｑ：クロロフィルの電子スペクトルはどんな形??

■■ 電子（吸収）スペクトル（電子（吸収）スペクトル（electronic absorption spectrumelectronic absorption spectrum））

UVUV--VisVis（「（「ゆゆーーぶいびすぶいびす」と呼ぶ人が増えてきた）」と呼ぶ人が増えてきた）：横軸が波長：横軸が波長

■■ ヒント：ヒント：赤と青の光の波長はそれぞれ約赤と青の光の波長はそれぞれ約650 nm650 nmと約と約450 nm450 nm


Ｑ：今日の講義に関する感想と意見Ｑ：今日の講義に関する感想と意見

感想感想と意見：と意見：講義のウェブページに講義のウェブページにニックネームをつけてニックネームをつけて掲載掲載

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