光触媒活性指示薬インク

光触媒活性指示薬インク( PAII ) は、基となる異種光触媒の存在を識別し、その活性を測定するために使用される物質です。このようなインクは、さまざまな「セルフクリーニング」製品に塗布された光触媒コーティングの活性を可視化します。インクには、コーティング内の光触媒剤の存在下で紫外線に反応する染料が含まれています。インクはコーティングされた製品に塗布され (通常はペン、ブラシ、またはドローダウンバーを使用)、紫外線にさらされると色が変化したり消えたりします。染料レザズリンに基づくPAIIの使用は、光触媒活性のISO標準テストの基礎を形成します。^[1]

光触媒活性指示薬インクは、基礎にある不均一光触媒の存在を迅速かつ容易に識別し、その活性の尺度を提供します。不均一光触媒は、吸収した光エネルギー（通常は紫外線）を使用して、周囲条件下では進行しない所望の反応を促進する材料です。建築用ガラス、^{[2] [3] [4]}セラミックタイル、^{[5] [6]}屋根瓦、^[7]セメント、^{[8] [9]}塗料、^{[10] [11]}織物^{[12] [13] [14] など}の市販の光触媒製品は、それ自体の表面（つまりセルフクリーニング）と周囲の空気をクリーニングする能力を売りにしています。Paiisは、セルフクリーニング製品に存在する、通常は薄く目に見えない光触媒コーティングの活性を実証および評価するための迅速でシンプル、安価な方法に対する業界のニーズに応えます。試験対象の光触媒材料の表面にコーティングされたパイは、光還元メカニズムを介して機能し、光触媒によって吸収された光がパイ内の染料の還元を促進し、それによって印象的な色の変化を生み出します。^{[15] [16]これは、高度な分析機器の}代わりに、シンプルな携帯電話のカメラとアプリを使用して測定できます。^{[17] [18]}パイの用途には、(i) 研究室、工場、現場での商用光触媒製品の品質管理、(ii) マーケティング、通常は目に見えず、そうでなければゆっくりと作用する光触媒コーティングの有効性を迅速かつ印象的に実証すること、(iii) 偽造品の検出、(iv) 新しい光触媒材料の評価などがあります。このようなパイの開発とアプリケーションは詳細にレビューされています。^[19]

不均一光触媒は、ガラス、^{[2] [3] [4]}セラミックタイル、^{[5] [6]}屋根瓦、^[7]コンクリート、^{[8] [9]}塗料、^{[10] [11]織物[12] [13] [14]}など、「セルフクリーニング」（または「空気清浄」）機能があると宣伝されているほとんどの建築材料の活性の基盤となるプロセスです。これらの光触媒材料は、表面の有機種と無機種の周囲の酸素による酸化ミネラル化を促進し、表面を清潔で、通常は親水性にします。ほとんどの市販の光触媒製品では、活性層は半導体のアナターゼ型チタン 酸の薄くて透明で無色のコーティングであり、光触媒プロセスを促進するために必要な電子（e ⁻）と正孔（h ⁺）をそれぞれ伝導帯と価電子帯に光生成するために紫外線が必要です。^[20]チタン酸光触媒フィルムの表面における有機汚染物質の光​​触媒ミネラル化の背後にある主要なプロセスの概略図が図1に示されており、全体的な反応は次のように要約されます。

（１）

光触媒に吸着された水分子も表面にヒドロキシル基を生成するために必要である。^[21]

光触媒コーティングは通常、必然的に目に見えないため、光触媒製品のマーケティングや偽造防止は困難です。^[20] 光触媒作用を視覚的に実証する1つの方法は、水に溶かしたメチレンブルーなどの染料を、無機化する有機種として使用することです。光触媒プロセスが進むにつれて、染料は酸化されて色が消えるからです。^[22] このアプローチは、フィルムの光触媒活性に対する確立されたISOテストの基礎となっています。^[23] しかし、ほとんどの光触媒市販製品は薄いチタン層（たとえば、セルフクリーニングガラスでは約15 nmの厚さ）のみを使用しており、 ^[24]周囲の紫外線レベルは低いことがよくあります（たとえば、英国の晴れた日のUVA放射照度は約4 mW/cm ²にすぎません）。その結果、メチレンブルーの光触媒酸化漂白は通常非常に遅く、多くの時間を要し^[23]、少なくともマーケティングには不適切です。

光触媒活性指示薬インクは、光触媒作用の視覚的実証および光触媒材料の活性の評価における最近の進歩である。^{[15] [25]}これらは安価で使いやすく、低レベルの紫外線下でも光触媒フィルムの存在を実証する非常に迅速な方法を提供する。メチレンブルーの光酸化漂白とは異なり、^[22]これらは下地の半導体光触媒フィルムを使用して、インクコーティング内の染料（図2のD _ox）を別の（通常は無色の）形態（図2のD _red）に光還元し、同時にインク中に存在するグリセロールなどの酸化されやすい有機種、犠牲電子供与体（SED）を酸化する。^{[15] [25] [26]}染料の還元の速度論は詳細に研究されている。^{[27] [28]}図2は、薄い光触媒フィルムコーティングを施した製品にパイを適用した場合の基本動作原理を示しています。

インクは、通常、フェルトペン、エアブラシ、ゴム印、ペイントブラシ、またはドローダウンバーを使用して光触媒コーティングに塗布され、その後、日光または適切な代替光源にさらします。インクは、光触媒コーティングの存在を、フィルムの活性の尺度となる一定速度（通常10分未満^[15]）で照射されると色を変えることによって識別します。

例えば、市販のセルフクリーニングガラス上の染料の色の変化率は、反応（1）を介してワックス状の天然脂肪酸であるステアリン酸（指紋に含まれる）の光酸化ミネラル化率に直接関係していることが立証されている。[ ^{15] [29] [30] [ 31 ] [32]}光触媒活性指示薬インクに伴う急速な色の変化率も、メチレンブルー^{[33] [34]}およびNO _xの光触媒酸化と直接相関している。^{[35] [36]} また、染料の色の変化をモニタリングする写真のデジタル色分析を使用して、高価な分光光度計を必要とせずに、同じサンプルのUV-vis吸収データとよく相関する見かけの吸光度データを抽出できることも示されている。^[18]

インク中の染料を化学的に還元しにくくすることで、例えば、それぞれベーシックブルー66 ^[37] 、レザズリン^[15]、アシッドバイオレット7 ^[35]を使用することで、それぞれ低い活性（ほとんどのセルフクリーニングタイル）、中程度（セルフクリーニングガラス）、高い活性（セルフクリーニングペイント）を示す光触媒コーティングに効果的な染料を作ることができます。2,6-ジクロロインドフェノール（DCIP）^[38]とメチレンブルー^[28]の染料をベースにした染料も報告されています。

外部ビデオ
新しいSunCatalyst Laboratories Paiiラベルの適用

パイは、商業的には品質管理やマーケティングのツールとして、また研究では新しい光触媒材料の活性を評価および/またはマッピングするための迅速かつ簡単な方法として使用できます。^{[15] [25] [39] [26] [16]}さらに、このようなインクは、酸化還元染料の酸化および/または還元型が発光することを条件として、高度に着色された表面や黒色の表面にも使用できること、^[40]可視光光触媒の活性を実証するために効果的に使用できることも実証されています。^{[41] [42]市販の光触媒材料の}現場試験 の必要性を考慮して、再利用不可の形式と再利用可能な形式の両方で、現場で試験対象の任意の表面に簡単に貼り付けることができるパイラベルが開発されました。^{[43 ]}パイスの注目すべき応用例の 1 つは、均一なフィルムを光触媒表面に塗布し、表面全体の色の変化率の変化を監視して光活性の表面マップを作成する場合です。^{[26] [45]}この方法により、表面活性の均一性を調査し、光活性の「ホットスポット」を特定できます。^[45]半導体光触媒表面の組成を表面全体で変化させることにより、パイス光活性表面マップを使用して、最大の光触媒応答を生み出す最適な組成を決定できます。^{[26] [46]}

パイスは色が急速に変化するため、次のような用途に適しています。

• 品質管理（研究室、工場、現場で）
• マーケティング;
• 偽造身分証明書
• 研究材料の評価。

• 光触媒
• セルフクリーニングガラス