を一切使わず、半導体セラミックボール用のみで赤水の発生を断ちます。

もちろんセラミックボールから溶出されるものは何もなく、常に衛生的かつ安全な水を生み出します。その効果も抜群で設置後５～２５日程度で
クリーンな水が蛇口から流れ始めます。また、鉄サビの溶出 がないので、下水に排出された水も無公害です。

アパタイトとは歯や骨格を形成している主成分物質で、有害物質を吸着する力を持っています。図のようにその突起が酸化チタンにくっついて金平糖のようになることで、酸化チタンと基材とは直接触れずに
済みます。さらにアパタイトの吸着力と酸化チタンの分解力（光触媒効果）とが組み合わさることで、例えば夜間の光がない状態で有害物質がアパタイトに吸着され、それが昼に光触媒効果で分解される、
といったメリットも出てきます。主にハイドロキシアパタイトを用います。

酸化チタンとアパタイトのハイブリッド光触媒は、「ジュピター」や「ブライトセラム」という商品名で実用化されています。

産業技術総合研究所は、このハイブリッド光触媒を、数分から数十分という短い時間で製造する技術を開発しました。さらに、ハイドロキシアパタイト／Ｃa10(ＰＯ4)6(ＯＨ)2より耐酸性の強いフッ化アパタイト／Ｃa10(ＰＯ4)6Ｆ2を用いたハイブリッド光触媒も実現しています。

一方富士通研究所は、カルシウムヒドロキシアパタイトを樹脂へ直接練り込み、樹脂の劣化を防ぎながら光触媒効果を確保することに成功しました。

光触媒を水の浄化に用いる際に何といっても重要なのは、酸化チタンと水とを最終的に簡単に分離できるようにすることです。実は初期においては、酸化チタンの粉末を直接水に混ぜることも行われていました。こうすると確かに酸化チタンの表面積は稼げるので光触媒効果は大きいのですが、その水を利用する段階で、粉末を除去するのに一苦労だったといいます。

それに対して最近では図のように、ガラスの容器の内部に酸化チタンを薄くコーティングしたり、ペレット（やや大きな粒）状にして水に浮かべたりする技術が実用化されています。

まず高温でコーティング～乾燥を行う場合ですが、例えばこれにより、チタンのアルコキシドやチタニアゾルなどを、高い透明性を保ったままきれいに付着させることができます。
ただしアナターゼ型やブルッカイト型の酸化チタンを使いたい場合、600℃を超えるとルチル型に不可逆的に変化してしまうので注意が必要です。

汎用樹脂など、耐熱性がそれほど高くない基板の場合、常温（最大で 120℃程度）でコーティング～乾燥を行うことになります。例えば過酸化チタン溶液にある程度の温度や圧力を加えたものは、その後時間をかけながらですが、常温でコーティングできます。ただし樹脂自体が光触媒作用を受けては意味がないので、通常は途中に接着層をはさみこむことが必要となります。アモルファス型過酸化チタンに適当な物質を加えて光触媒の力を適度に制御することで、接着層なしにコーティングできる技術もあります。

理化学研究所と東レは2005年12月、カーボンナノ材料としてよく知られるフラーレンの誘導体を光触媒コート剤へ分散混合させることにより、コート剤の劣化を抑制する手法を開発したと発表しました。

酸化チタンの基本形態

酸化チタンとアパタイトのハイブリッド型

光触媒というものがそもそも何か、そして基本的にどんなメカニズムによるものなのか。それを知るためには、触媒ということについてまず
「おさらい」すべきでしょう。

触媒とは、化学反応をある意味で制御する物質のことです。化学反応とは、分子間で原子のやりとりを行い最初とは異なった分子を作ること、くらいにとりあえず考えてください。「ある意味で制御」といいましたが、これは触媒が最終的に原子のやりとりの当事者になるのではなく、他の分子が原子をやりとりする速度や、最初に必要となるエネルギー量（活性化エネルギーといいます）を規定する、ということです。つまり触媒とは、自らは最終的に変化することなく、化学反応を促進（または停滞）させるものです。図では青丸で示しました。

そして光触媒というのは、光がないとそういった触媒効果がほとんどない（またはまったくない）のに、光（紫外線など可視光以外も含む）によってその触媒効果を得る物質のことです。あるいはそういった作用そのものを指すこともあります。光自体が触媒になるというより、光がある物質に作用して、触媒としての働きをさせる、ということです。

電流というのは、簡単にいうと電子の流れです（向きは逆ですが）。もちろん電子というのはすべての原子に含まれているのですが、だからといって無条件に電流が生じうるわけではありません。電子の状態には、エネルギーが最も低い価電子帯という状態と、もっと高いエネルギーを持つ（励起された）伝導帯という状態があります。金属のように電気が流れやすい物質には、この伝導帯の電子が数多く含まれています。

酸化チタンの場合、元々の状態ではほとんどの電子が価電子帯（図の緑色）にあり、電気は流れません。しかしそこにある波長の光を当てると、電子の一部が励起されて伝導帯（図のオレンジ色）に移行します。これで導電性を持つわけです。つまり酸化チタンは光により導電性を持つ半導体ということになります。

これにより、電子が伝導帯に移る一方で、そこに残った孔は電子とは逆に正の電荷を持つことになります。これを正孔といいます。光によって伝導帯電子と正孔ができることが、光触媒の第一ステップです。

なお、励起させるための光はどんな光でも良いわけではありません。励起させるべきエネルギーギャップは、ルチル型の場合3.0電子ボルト、アナターゼ型やブルッカイト型の場合3.2電子ボルトです。

　　光のエネルギー＝プランク定数×光速度÷波長

なので、これから励起のための光の波長が求まります。１電子ボルトは約1.6×10**(-19)ジュール、プランク定数は約6.6×10**(-34)ジュール秒、光速度は約３×10**8メートル（**はべき乗）ですから、ルチル型では約410ナノメートル（以下）、アナターゼやブルッカイト型では約390 ナノメートル（以下）であり、基本的に紫外線ということになります。

酸化チタン自体、常温常圧では固体（粉末）です。主な生成法としては、以下の２つがあげられます。

〈硫酸法〉
　　＝硫酸チタンを加水分解して生じる水酸化チタンの沈殿を焼成する
〈塩素法〉
　　＝ルチル鉱と塩素から生成した四塩化チタンガスを高温で酸化する

特に光触媒用酸化チタンの場合、その表面積を大きくするために顔料用に比べてはるかに微粒子の粉末になっており、それだけ扱いには細心の注意が必要です。

そのため、液体化された形で供給されることも普通です。最も単純には、水などに溶かしたスラリーと呼ばれる形ですが、これを塗るだけではすぐ取れてしまうことが多いので、あまり実用にはなりません。

実際にさまざまな加工性に優れているのは、チタンのアルコキシドに水を加え、水酸化チタンを重合させたチタニアゾルという形態です。これをコーティングして信頼性の高い酸化チタン膜を作るわけです。またゾルからさらにゲルにして薄膜化するという技術もあります。

可視光応答型光触媒への挑戦

第４項（『まず光によって電子が伝導帯に移行』）で説明したように、酸化チタンの電子を価電子帯から伝導帯に励起させるには、400nm（ナノメートル）程度以下の波長の光を与える必要があります。実はちょうどこの付近は紫外線と可視光の境界であり、波長がより短い部分が紫外線（さらに短くなるとＸ線）領域となります。

さて、上図の一番上に、紫外線領域、可視光領域、赤外線領域と重ね合せながら、地球に届く太陽光が持つエネルギーの強さの概略を波長別（周波数別といってもよい）に示しました。白く見えるところほど強いということです。これからわかるように、太陽光は紫外線領域では余り強くなく、どこを境目とするかにもよるのですが、大体３％程度と言われています。ではエネルギーが強いのはどこか。可視光領域です。

というわけで、光触媒をさらに意味のある技術にするためには、この可視光により光触媒を可能にすることが決定的に重要なのです。

実際いくつかの企業が実績をあげ始めています。例えばエコデバイス社は、還元性プラズマ内で酸化チタンを表面改質し、酸素欠陥を作ることで可視光応答型を実現しています。豊田中央研究所は、窒素を加えて酸素の代りに酸化チタンと結合させることにより、また住友化学工業は酸化チタンに様々な添加物を加えることにより、昭和電工は第12項（『昭和電工のブルッカイト型酸化チタン膜』）で述べたようにブルッカイト型を工夫することで、それぞれ実現しています。物質・材料研究機構は2004年10月、ゾル-ゲル法という手法で、有機溶媒で処理した酸化チタンに、350℃程度という比較的低温で窒素を添加し、効率の高い可視光光触媒を実現しています。

酸化チタンの原点の本多・藤嶋効果

実は光触媒の現在の代表選手である酸化チタンより早く、酸化亜鉛や硫化カドミウムに光触媒効果のあることが知られていました。これらを電極にして水溶液中で光を当てると、電流が生じたのです。

ところが電極として酸化チタンを用いると、さらに劇的な現象が起こりました。図のような装置を作り、キセノン燈の光を照射して実験してみたところ、電流が流れるだけでなく、酸化チタン電極からは酸素ガスが、その対電極の白金からは水素ガスがどんどん発生してきたのです。これを本多・藤嶋効果と呼びます。

では本多・藤嶋効果はどこが画期的なのでしょうか。水から酸素ガスや水素ガスを作ることは難しくはありません。いわゆる水の電気分解がそうです。ただし、その場合には電力が消費されます。逆に酸素ガスと水素ガスを消費して、水とともに電力を得るのが燃料電池ですね。

ところが本多・藤嶋効果では、水を分解するのと同時に電気まで得ているのです。もちろんエネルギーが無から生じることはありえません。その元になっているのは、光のエネルギーです。光によって電気エネルギーと共に酸素を、そして水素を得る。これはエネルギー問題からみても画期的なことです。そして植物が似たプロセスで有機合成を行なっていることから、有機物の活性化へと発展していくわけです。