酸化チタンについて知っておくべきすべてのこと

はじめに

酸化チタンは、チタンと酸素からなる化合物であり、その顕著な特性と幅広い用途で知られている。これらの酸化物は、主に二酸化チタン（TiO₂）と一酸化チタン（TiO）の2つの形態で表されます。この記事では、酸化チタンの特徴、合成方法、用途、環境への影響について掘り下げます。

酸化チタンの種類

1.酸化チタン(TiO₂)

TiO₂は白色で無臭の粉末で、屈折率が高く、紫外線を強く吸収する。光触媒活性と化学的安定性を示し、無毒である。

TiO₂は主にアナターゼ、ルチル、ブルッカイトの3つの多形で存在する。アナターゼとルチルが最も一般的で、ルチルは熱力学的に安定で、アナターゼは加熱によりルチルに変化する。

2.一酸化チタン（TiO）

TiOはあまり一般的ではなく、金属光沢と電気伝導性を持つ。岩塩構造を持ち、薄膜やコーティングなどの特殊な用途によく使われる。

酸化チタンの合成

1.酸化チタン(TiO₂)

• TiO₂を製造する硫酸法では、イルメナイト（FeTiO₃）を硫酸と反応させ、硫酸チタニルを生成する。その後、この化合物を加水分解し、焼成して酸化チタンを得る。
• 塩化法として知られる別の方法は、イルメナイトまたはルチルを高温で塩素化して四塩化チタン（TiCl₄）を生成し、その後酸化してTiO₂を生成する。
• より近代的なアプローチは、チタンアルコキシドが加水分解と重合を受け、次いで乾燥と焼成を受けるゾル-ゲル法である。このプロセスにより、サイズと形態が制御されたTiO₂ナノ粒子が得られる。

[1]

2.一酸化チタン（TiO）

一酸化チタン（TiO）の合成には、一般的に還元法が用いられる。TiOは一般的に、TiO₂を水素で還元するか、注意深く制御された条件下でチタンと酸素を直接結合させることによって製造される。

酸化チタンの用途

1.二酸化チタン (TiO₂)

• 顔料： TiO₂は、その明るさと不透明性により、最も広く使用されている白色顔料である。塗料、コーティング、プラスチック、紙、インクに使用される。
• 日焼け止めと化粧品： その強い紫外線吸収作用により、TiO₂は日焼け止めやその他の化粧品の主要成分であり、有害な紫外線からの保護を提供する。
• 光触媒： TiO₂の光触媒特性により、空気や水の浄化、表面のセルフクリーニング、抗菌コーティングなどの環境用途に有用。
• エレクトロニクス： TiO₂は、その誘電特性により、バリスタやコンデンサなどの電子部品の製造に使用されている[2]。

[2]

2.一酸化チタン（TiO）

薄膜およびコーティング： TiOは、光学コーティング、半導体、センサーなどの用途の薄膜製造に使用される。その電気伝導性と熱安定性により、これらの用途に適している。

環境への影響と安全性

環境への影響： TiO₂は一般的に人間の健康と環境にとって安全であると考えられているが、その広範な使用はナノ粒子汚染に関する懸念を引き起こす。TiO₂ナノ粒子は水域に入り込み、水生生物に影響を与える可能性がある。そのため、その製造と廃棄を管理するための規制とガイドラインが設けられている。

人間の健康： TiO₂は無毒とされ、食品、化粧品、医薬品への使用は安全性を確保するために規制されている。しかし、TiO₂の粉塵を吸入すると呼吸器系のリスクが生じる可能性があり、産業環境における適切な取り扱いと保護措置の重要性が強調されている。

光触媒活性： TiO₂の光触媒特性は、活性酸素種（ROS）の発生につながり、有益な効果と有害な効果の両方をもたらす可能性がある。環境用途では、活性酸素は汚染物質を分解する可能性があるが、活性酸素への過剰な暴露は生体に酸化ストレスを引き起こす可能性がある。

将来の展望と研究

エネルギー貯蔵、光起電力、光触媒への応用のため、特性を向上させた先進的なTiO₂ベース材料を開発する研究が進行中である。イノベーションには、効率を向上させるためにTiO₂に他の元素をドープすることや、粒子サイズと形態をよりよく制御するための新しい合成法を探求することが含まれる。

酸化チタンを製造し利用するため、より持続可能で環境に優しい方法を開発する努力がなされている。これには、グリーンケミストリーの原則の利用、酸化チタン廃棄物のリサイクル、光触媒プロセスの効率向上などが含まれる。

結論

酸化チタン、特にTiOとTiO₂は、様々な産業において重要な役割を果たしている。金属光沢と電気伝導性を持つTiOは、主に薄膜やコーティングなどの特殊用途で使用されている。一方、高い屈折率、強い紫外線吸収、光触媒活性、化学的安定性で知られるTiO₂は、顔料、日焼け止め、化粧品、光触媒、エレクトロニクスなどで幅広く使用されています。

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参考文献

[1] Pawar, Vani & Kumar, Manish & Dubey, Pawan & Singh, Manish Kumar & Sinha, Ask & Singh, Prabhakar.(2019).Inluence of synthesis route on structural, optical, and electrical properties of TiO2.Applied Physics A. 125.10.1007/s00339-019-2948-3.

[2] Leong, Kah & Ching, Sim & Pichiah, Saravanan & Ibrahim, S. (2016).Light Driven Nanomaterials for Removal of Agricultural Toxins.