低温プラズマを用いた表面ナノ構造制御技術による高効率光触媒酸化チタンの創製

2003 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 15360394
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 研究機関: 北九州工業高等専門学校
• 研究代表者: 山田 憲二 北九州工業高等専門学校, 物質化学工学科, 教授 (80101179)
• 研究分担者: 山根 大和 北九州工業高等専門学校, 物質化学工学科, 助教授 (70332096) ; 松嶋 茂憲 北九州工業高等専門学校, 物質化学工学科, 助教授 (80229476) ; 中村 裕之 北九州工業高等専門学校, 総合科学科, 教授 (70172434)
• キーワード: プラズマ加工 / 表面・界面物性 / 構造・機能材料 / 触媒・化学プロセス

研究概要

高密度プラズマを生成して、電子温度・電子密度制御が可能なマグネトロン型低温プラズマ装置を試作した。負にバイアスしたカソードと、接地したアノードからなる平行電極間に各電極面に平行な磁界を印加することにより、カソード近傍で高密度プラズマが発生することを確認した。プラズマ装置本体に、トリプルプローブ、発光分析、プラズマガス分析の各システムを装備させ、各データを取得して動作を確認した。
TiO_2微粒子(平均粒径20nm)を1M酢酸溶液に懸濁させ、ポリエチレングリコールを混合してTiO_2ペーストを調製した。スピンコート法・スクリーン印刷法によりガラス板上にペーストを塗布し、空気中で400℃、30min焼結を行い、TiO_2微粒子薄膜を調製した。カソード側にTiO_2薄膜をセットし、アルゴンプラズマ処理(圧力0.1Torr、放電出力30〜100W、放電時間5〜20min)の後、引き続き同条件にて窒素プラズマ処理を行った。プラズマ処理酸化チタンは可視光吸収を示し、XPS測定によりN_<ls>ピークを確認した。放電出力30〜50WではN-O、N-H、N-N結合に起因するN_<ls>ピークからなるブロードなピークが認められ、TiO_2微粒子表面の吸着水がアルゴンプラズマにより十分除去されずに、窒素プラズマ処理されたと考えられる。吸着水の存在は、アルゴンプラズマ発光スペクトルにおいて、616nm、486nm付近にそれぞれO及びHに起因するピークが認められたことより支持される。放電出力が70〜100Wでは、Ti-N結合に起因するN_<ls>ピークが認められた。窒素プラズマ発光スペクトルにおいて453nm付近にTiによるピークが認められたことより、Ti-N結合形成が支持される。プラズマ処理TiO_2微粒子の光触媒特性はメチレンブルー水溶液とキセノンランプを用いて評価した。光触媒特性は未処理よりも100Wプラズマ処理で増大したことより、マグネトロン型低温プラズマ装置によるTiO_2の高密度プラズマ処理の有効性が明らかとなった。

研究成果

• [文献書誌] K.Yamada, H.Yamane, K.Kumada, S.Tanabe, T.Kajiyama: "Plasma-Graft Polymerization of a Monomer with Double Bonds onto the Surface of Carbon Fiber and Its Adhesion to a Vinyl Ester Resin"Journal of Applied Polymer Science. Vol.90. 2415-2419 (2003)
• [文献書誌] K.Yamada, H.Nakamura, S.Matsushima, H.Yamane, T.Kajiyama: "Surface Modification of Titanium Dioxide Particles in RF Plasmas"Book of Abstracts of 21^<st> International Conference on Photochemistry. 582 (2003)
• [文献書誌] K.Yamada, H.Nakamura, S.Matsushima, H.Yamane, K.Kumada, T.Kajiyama: "Plasma Surface Modification of Titanium Dioxide Particles for Improved Light Cleaning"Abstracts of The 8^<th> IUMRS International Conference on Advanced Materials. 95 (2003)
• [文献書誌] S.Matsushima, H.Nakamura, M.Arai, K.Kobayashi: "Electronic Structure of InTaO_4 with Monoclinic Structure"Chemistry Letters. 2003・1. 64-65 (2003)
• [文献書誌] S.Matsushima, K.Obata, H.Nakamura, M.Arai, K.Kobayashi: "First-principles Energy Band Calculation for Undoped and N-doped InTaO_4 with Layered Wolframite-type Structure"Journal of Physics and Chemistry of Solids. Vol.64. 2417-2421 (2003)
• [文献書誌] M.Machida, K.Miyazaki, S.Matsushima, M.Arai: "Photocatalytic Property and Electronic Structure of Lanthanide Tantalates, MLnTa_2O_7 (M=Cs,Rb,Na, and H ; Ln=La,Pr,Nd, and Sm)"Journal of Materials Chemistry. Vol.13. 1433-1437 (2003)