大阪大學產業科學研究所的菅原徹副教授等人組成的研究團隊與日本觸媒公司合作，共同開發出了只需塗覆混合的原料，無需進行烘烤，就可以在塑膠基底層上直接形成多孔陶瓷（氧化鈦）層的技術。
衆所周知，氧化鈦的光催化活性比較高，具有微生物除菌和殺菌效果。因有望殺死新型冠狀病毒（SARS-CoV-2），氧化鈦塗層再次受到關注。
不過，氧化鈦陶瓷的燒結溫度一般比較高，因此以前在塑膠基底層等耐熱性較低的基底層上塗覆時，必須利用超高真空技術或者粘合劑等粘合輔助功能。
此次，菅原副教授等人的研究團隊透過將混合了有機金屬鹽和穩定劑（有助於形成奈米結構的抗衡陽離子）的原料塗覆到基底層上，並單純進行加熱，成功地在基底層上直接形成了奈米結構（多孔體）的薄膜（圖1）。另外，還利用該技術，成功地在塑膠基底層上塗覆了氧化鈦奈米結構多孔膜。這表明，可以在所有基材表面形成氧化鈦奈米結構多孔膜，有望在很多場所使用微生物殺菌或除菌塗層。另外，衆所周知，氧化鈦是對人體無害的白色顏料，還有望應用於利用奈米多孔材料的光散射性增白塗料。
圖1：在塑膠基底層上成膜的奈米結構多孔氧化鈦薄膜（TiOx）
研究背景
透過使用氧化鈦光觸媒（本多-藤島效應）的強氧化還原作用（超親水性），可以分解有機物質的污垢和臭味，殺死電腦病毒和細菌等微生物並將其分解。基於這些功能，氧化鈦是唯一被應用於工業中的光觸媒，在我們的生活中，很多場景都使用氧化鈦光觸媒。不過，氧化鈦是陶瓷材料，燒結溫度一般比較高（例如300~400度以上），因此很難與塑膠等耐熱性較差的基底層或基材牢固粘合，難以形成優質薄膜。另外，要想充分利用氧化鈦的光催化特性，需要具備多孔結構，但利用真空工藝等形成奈米結構多孔膜存在製造工藝複雜而且成本高等課題。
菅原副教授等人的研究團隊利用混合有機金屬鹽等原料並塗覆後單純進行燒結的方法（有機金屬分解法），成功地在基底層上直接形成了不同奈米結構（多孔）的氧化鈦薄膜（圖2）。另外，還開發出了透過將該原料（前驅體溶液）塗覆到塑膠基底層上並照射高強度的白色光，可以在不對基底層造成熱傷害的情況下，燒結氧化鈦薄膜的技術（圖3）。
圖2：成膜的奈米結構多孔氧化鈦薄膜（TiOx）的外觀照片和表面電子顯微鏡影像。
（a）奈米結構多孔體1，（b）奈米結構多孔體2
圖3：高強度光燒結裝置的概念圖。（左）照射光之前（右）照射光的程序中
照射高強度光可以在塑膠等耐熱性較差的基底層或基材上直接形成氧化鈦奈米結構多孔膜（圖1）（圖4）。另外，開發的前驅體溶液是一種粘性非常低的原料，利用噴墨列印機轉列的基材和形狀複雜的基材可以直接浸入前驅體溶液中，能在任何形狀和材質的基材（基底層）上塗覆奈米結構多孔氧化鈦薄膜。此外，形成的奈米結構多孔膜的厚度在1μm以下，可以在不堵塞mm級直徑中孔的情況下進行表面塗覆。
圖4：形成的奈米結構多孔氧化鈦薄膜（TiOx）的表面和截面電子顯微鏡影像。
（左）加熱燒製後，（右）光燒製後，（上）表面影像，（下）截面影像
利用這項研究成果，可以在塑膠材質的複雜形狀（網眼狀）濾網上等形成氧化鈦奈米多孔膜，有望在擷取病原體電腦病毒的同時，透過照射UV（和可見光）的光催化效應，進行電腦病毒殺菌和去除等。
燒結前的前驅體溶液（原料）由於是粘性非常低的溶液，可以在細線狀物體、毛細管内側或波紋狀表面等任何複雜形狀的基材（基底層）上，靈活地以低溫形成奈米結構多孔膜。另外，奈米結構多孔膜的厚度約爲1μm以下，可以在不堵塞mm級直徑中孔的情況下進行表面處理，因此有望應用於毛細管内側的防油處理塗層和流通式觸媒等。
除此之外，氧化鈦還作爲白色顏料使用，奈米多孔膜即使厚度低於1μm，也能有效地漫射光，因此有望應用於白色薄膜塗層（增白）等。
論文資訊
題目：Formation of Metal-Organic Decomposition Derived Nanocrystalline Structure Titanium Dioxide by Heat Sintering and Photosintering Methods for Advanced Coating Process, and Its Volatile Organic Compounds’ Gas-Sensing Properties
期刊：《ACS Applied Electronic Materials》
DOI：10.1021/acsaelm.0c00237
文：JST客觀日本編輯部
