窒素と炭素窒化物の共ドープによるTiO₂触媒活性と抗菌効果の向上

概要

共沈法により、窒素（N）と炭素窒化物（C₃N₄）を共ドープしたTiO₂ナノ構造を調製しました。固定量のNと様々な濃度（0.1、0.2、0.3 wt%）のC₃N₄をTiO₂格子にドープしました。XRD、HR-TEM、EDS、UV-vis、FTIR、PL分光法など多角的手法で構造、化学、光学、形態学的特性を詳細に評価しました。XRD結果はアナターゼ型TiO₂の存在とNの置換ドーピングを確認し、ドーピング後は結晶度と結晶子サイズが増大しました。HR-TEMでは、2次元C₃N₄ナノシート表面へのナノ構造形成が明らかになりました。EDSでドーパントの存在を確認。UV-vis分光では吸収スペクトルのレッドシフトとバンドギャップエネルギーの低下が観察されました。FTIRでTi-O-Ti結合と分子振動を確認。PL分光でトラップサイトと電荷キャリア移動を評価しました。メチレンブルーとシプロフロキサシンに対する光触媒、ソノ触媒、光-ソノ触媒の複数触媒活性を評価し、さらにEscherichia coliとStaphylococcus aureusに対する抗菌活性を分析しました。

はじめに

近年、エネルギー危機と環境・水質汚染への関心が高まっています。化石燃料の消費はこれらの問題を悪化させており、持続可能で環境に優しい技術への転換が進んでいます。一方、繊維産業は未処理有機染料を含む廃水を排出し、光合成に関わる酸素・窒素循環を攪乱し、深刻な景観悪化を招いています。世界で約10⁵種類の染料が使用され、年間7×10⁵トンの染料が生産されています。これらの環境問題の解決は持続可能な社会に不可欠です。

バルク材料の特性はサイズと構造に大きく依存します。ナノスケール半導体は多様な特性を持ち、光触媒や染料分解に利用されています。チタン酸化物（TiO₂）はバンドギャップ調整可能、合成ルートが簡便、環境に優しいなどの特徴を持つ半導体です。しかし、ルチル相で3.0 eV、アナターゼ相で3.2 eVとバンドギャップが大きく、可視光領域での活性が限られ、比表面積が小さく、電子-正孔再結合が高いという課題があります。1972年にTiO₂を用いたUV光による水分解が報告されて以来、半導体光触媒は水素製造や環境浄化への応用で注目されてきました。現在の主眼は、無機半導体のバンドギャップ調整による可視光応答の実現です。

TiO₂の光触媒活性向上のため、窒素（N）ドーピングによるバンドギャップ調整が試みられてきました。NはCH₄N₂O（尿素、N濃度46%）から供給され、置換ドーピングでバンドギャップを3.2→3.06 eVに、間隙ドーピングで2.46 eVまで低減可能です。一方、C₃N₄は2次元材料で、TiO₂の低比表面積問題を解決し、可視光領域へのスペクトル応答を拡大します。C₃N₄自体も適切なバンドギャップ（2.7 eV）を持ち、TiO₂の光触媒活性向上に寄与します。

TiO₂ナノ構造は抗菌剤としても利用可能です。抗菌メカニズムは、光照射下で生成されるヒドロキシルラジカルや過酸化水素などのROSが細菌に酸化ストレスを与え、DNAと細胞膜を損傷し細胞周期を停止させることにあります。抗菌活性は比表面積、形態、結晶度、濃度、pH、キャッピング剤、微生物の性質などに依存します。C₃N₄、TiO₂、Nの長所を組み合わせた複合材料は、有機水質汚染物質と病原性微生物汚染という世界的環境危機の解決に重要です。染料分解と抗菌活性に関する報告はありますが、共沈法で合成したC₃N₄ドープN/TiO₂ナノコンポジットの効率を報告した研究は、筆者らの知る限り本研究が初めてです。

本論文では、共沈法で無ドープおよびドープTiO₂ナノ構造を合成し、ドーパント（NとC₃N₄）とTiO₂の強い接触形成が、メチレンブルーとシプロフロキサシンに対する光触媒活性およびE. coliとS. aureusに対する抗菌特性を効率的に向上させることを明らかにしました。

実験詳細

材料

尿素（CH₄N₂O、99%）、チタン(IV)ブトキシド（Ti(C₄H₉O)₄、98%）はSigma-Aldrich（ドイツ）から、エタノール（95%）はPanreacから購入しました。炭素窒化物（C₃N₄）は実験室で尿素の熱分解により調製しました（図1a）。全試薬を精製せず使用しました。

TiO₂ナノ構造の調製

エタノール55 mL、チタン(IV)ブトキシド13 mL、脱イオン水5 mLを混合し30分激しく撹拌。さらにエタノール約100 mLと脱イオン水約100 mLを加え、50 ℃で2時間撹拌。NaOH（0.5 M）でpH約10に維持。遠心分離後、90 ℃で10時間乾燥、450 ℃で4時間焼成し、安定なアナターゼナノ構造を得ました（図1b）。

C₃N₄ドープN-TiO₂の調製

N-TiO₂混合物にC₃N₄を様々な濃度（0.1、0.2、0.3 wt%）でドープしました。チタン(IV)ブトキシド17.45 mL、尿素3 g、エタノール、脱イオン水を激しく撹拌下で添加。超音波処理で均質化。4000 rpmで遠心分離、90 ℃で10時間乾燥、450 ℃で4時間焼成し安定ナノ構造を得ました。6試料を調製し、TiO₂、NドープTiO₂（N-TiO₂、0:1）、純粋C₃N₄（1:0）、C₃N₄濃度違いのN-TiO₂（0.1:1、0.2:1、0.3:1）と命名しました。

光触媒活性評価

調製触媒の光触媒活性（PCA）を、メチレンブルー（MB）とシプロフロキサシン（CF）の混合染料水溶液の分解速度で評価しました。染料ストック溶液（10 mg/1000 mL）を調製し、触媒10 mgを50 mL溶液に添加。均質撹拌後、水銀灯（波長400-700 nm、出力400 W）下、約15 cm距離で密閉箱内に配置。20分ごとに3 mL採取し、UV-vis分光で染料濃度を測定。分解効率は (C_o - C_t)/C_o × 100% で算出しました。

DPPHラジカル消去アッセイ

KibitiとAfolayanの法に準拠し修正を加えた方法で、全試料のフリーラジカル消去活性を評価しました。各試料（0-500 µg/mL）を同量の0.1 mM DPPH溶液と混合、ボルテックス後、暗所常温で30分インキュベーション。アスコルビン酸を標準抗酸化剤とし、517 nmで吸光度測定。消去率 = (A₀ - A₁)/A₀ × 100% で計算しました。

細菌分離と同定

羊乳房炎乳検体からS. aureusとE. coliを分離。羊血液寒天培地（5%）で一次スクリーニング後、マンニトール食塩寒天（MSA）とマッコンキー寒天（MCA）で最終分離。コアグラーゼ、カタラーゼ、グラム染色で生化学的・形態学的に分類しました。

抗菌活性評価

ウェル拡散法を採用。1.5×10⁸ CFU/mLの純粋菌株をMCAとMSAに塗布し、6 mm深さのウェルを穿孔。ドープナノ材料の各種希釈液（500と1000 µg/50 µL）を最小・最大用量としてウェルに添加。陽性対照としてシプロフロキサシン（5 µg/50 µL）、陰性対照として脱イオン水（50 µL）を用いました。一晩培養（37 ℃）後、バーニアキャリパーで感受性円を測定。一元配置分散分析で統計評価しました。

材料キャラクタリゼーション

XRD（Bruker、Cu K-α、λ=0.154 nm、2θ=10°-80°、スキャン速度0.05°/分）で相転移と結晶構造を検討。FTIR（PerkinElmer 3100、4000-400 cm^-1、32スキャン、分解能0.2 cm^-1）で官能基と化学分析。UV-vis分光（Genesys 10S、200-800 nm）で光学特性。HR-TEMとEDS（JSM-6460LV、HRTEM Philips CM30、JEOL JEM 2100F）で層間隔と表面形態を観察。PL分光（JASCO FP-8300）で光励起電子-正孔対の移動と再結合を調べました。

結果と考察

XRD（2θ=10°-80°、図2a）で結晶構造、相純度、結晶子サイズを解析。25.4°、37.8°、48.1°、53.9°、55.1°、62.7°、68.6°、70.3°、75.1°にピークが見られ、テトラゴナルアナターゼの(101)、(004)、(200)、(105)、(211)、(204)、(116)、(220)、(215)面に帰属（JCPDS No. 21-1272）。N-TiO₂ではXRDスペクトルに有意な変化なし（N濃度が低いため）。C₃N₄の六方構造は13.2°（100）と27.4°（002）のピークで確認（JCPDS No. 87-1526）。ドーピング濃度（0.1:1、0.2:1、0.3:1）でピークシフトはないが、ピークのシャープ化によりC₃N₄:N/TiO₂の成功的カップリング、結晶度と構造品質の向上を示唆。デバイ・シェレル式で最強ピーク(101)から層間隔を算出：無ドープTiO₂約0.352 nm、N-TiO₂約0.35 nm。HR-TEMで検証済み。

SAEDパターン（図2b-d）で(004)、(101)、(105)、(116)、(200)、(204)、(211)面が確認され、TiO₂のテトラゴナル結晶構造を支持。

FTIR（図2e）で官能基と化学組成を同定。400-700 cm^-1の吸収帯はTi-OとTi-O-Ti伸縮振動でTiO₂生成を示す。1635 cm^-1と3200-3500 cm^-1は水酸基と吸着水。C₃N₄では1624 cm^-1（C-Nヘテロ環伸縮）、1232、1304、1411、1556 cm^-1（芳香族C-N伸縮）が観察。TiO₂とC₃N₄の特徴ピークが全て観察され、C₃N₄:N/TiO₂ナノ構造形成を検証。

TEM観察（図3）で形態と結晶構造を調査。無ドープTiO₂（図3a）、N-TiO₂は高表面エネルギーで凝集傾向（図3b）、C₃N₄はメソポーラスナノシート（図3c）。C₃N₄添加でN-TiO₂がナノシート上に埋め込まれ良好に分散（図3d）。この密接な界面接触が光触媒活性に必須。ドーピング量増加で結晶度向上、高濃度ではナノシートがN-TiO₂を包み込み効率的な界面接触形成（図3e）。HR-TEMで0.1:1試料の層間隔を0.35 nm（N-TiO₂の(101)面）と0.33 nm（C₃N₄の(002)面）と測定、XRDと整合。

EDXマッピング（図4）でC、N、Ti、O、Naの5元素が高濃度ドープ試料（0.3:1）で均一分散。NaはpH調整用NaOH由来。HR-TEMとXRD結果と合わせ、0.3:1試料ではNとTiO₂ナノ粒子が包み込まれたC₃N₄ナノシート内に確実に分散し、密接な接触があることを示唆。EDXスペクトルで元素組成を確認（図4b-c）。

UV-vis分光（300-550 nm）で光学性能を評価。無ドープTiO₂は約350 nmに特徴吸収。NドープでOとNの2p軌道オーバーラップによるわずかなレッドシフト（図5a）。C₃N₄ドープで吸光度増大、C₃N₄の完全平面化（隣接軌道非オーバーラップ）に起因。N-TiO₂とC₃N₄のπ-π*とn-π*遷移、内部散乱、調和効果によるUV領域吸収増強（図5b）。分子工学的効果でピークがレッドシフトし、電荷キャリアの吸収と遷移能力が向上（図5b）。タウプロットでバンドギャップ算出：TiO₂ 3.2 eV、NとC₃N₄添加でフェルミ準位付近まで徐々に低下し約2.9 eV（図5c-h）。

PL発光スペクトル（励起350 nm、410-520 nm、室温、図6a）で電荷移動と再結合効率を評価。無ドープTiO₂の455 nmピークが最も高く、電子-正孔再結合が最も盛んでPCAを制限。共ドープで再結合率低下。ショックリー・リード・ホール（SRH）プロセスで説明されるサブバンド形成が光励起電子のトラップサイトとなり、電子移動効率を高め、ナノ触媒の分解性能向上に寄与。高濃度ドープ（0.3:1）で最も再結合率が低く、光生成電荷輸送が最も効率的。

反応機構と反応速度論

光触媒分解機構（図7）：

1. 光励起：バンドギャップエネルギー（E_g)以上の光子が価電子帯（VB）電子を伝導帯（CB）へ励起し、電子-正孔対生成。
2. 水の電離：正孔が水と反応しヒドロキシルラジカル（OH·）生成。OH·は酸化剤として吸着分子を標的とし鉱化に参加。
3. 酸素イオン吸着：光生成電子が水と反応しヒドロキシル基（OH⁻）生成、電子はO₂分子に捕獲されスーパーオキシドラジカル（O₂·⁻）生成。スーパーオキシドラジカルは酸化サイクルに参加し、電子-正孔再結合を抑制しTiO₂を中性に保つ。
4. スーパーオキシドプロトン化：O₂·⁻がプロトン化しH₂O₂生成、さらにOH·ラジカル生成。染料（MB、CF）がOH·、正孔、電子と反応しCO₂、H₂O、酸化/還元生成物へ分解。

光触媒表面で酸化還元反応が進行。

PCA評価（図6b）：ブランク試験で触媒なしではMBとCFは分解されず安定。C₃N₄単体で45%分解。C₃N₄濃度増加で光触媒活性向上。N-TiO₂で58%（無ドープTiO₂ 32%より高い）、最高ドープ（0.3:1）で80分以内に最大85%分解。見かけ反応速度定数（k）はln(C_o/C_t)対時間プロットの傾きから算出。0.3:1のk値が最も高く、無ドープTiO₂の約2.5倍（図6d）。

PCA向上の要因：①C₃N₄シートの大きな表面積が広範な吸着と追加活性サイトを提供。②NとC₃N₄導入で禁制帯内に新エネルギー準位形成、光励起電子のトラップサイトとなり電子移動効率向上。③バンドエッジの良好な整合でN-TiO₂がC₃N₄のCBから光生成電子を回収し電荷分離効率向上。一般にC₃N₄は可視光で電子-正孔対生成するが速やかに再結合し、わずかな電子のみPCAに参加。ナノコンポジット化でC₃N₄のCB電子が直接N-TiO₂のCBへ移動可能（C₃N₄のCBエッジがN-TiO₂より負）。これらが総合的にPCA向上に寄与。

ソノ触媒活性（SCA）も超音波照射下でMBとCF分解で評価（図8）。C₃N₄、TiO₂、N-TiO₂はそれぞれ36%、20%、27%分解。低濃度ドープ（0.1:1）で60%まで向上するが、更なる高濃度で低下。低濃度ではマイクロバブル形成と核生成活性サイト増加で反応性ラジカル増加、高濃度では活性サイト不足や過剰C₃N₄が超音波エネルギーを制限するためと推察。

光-ソノ触媒併用効果（図9）：無ドープC₃N₄、TiO₂、N-TiO₂でそれぞれ60%、40%、55%分解。低濃度（0.1:1）で併用効果により86%分解達成。しかし高濃度ではSCAの優位効果で活性サイト不足となり性能低下。過剰C₃N₄と不均一混合による凝集が超音波と可視光エネルギー取得を制限する可能性。

DPPHラジカル消去アッセイ（図10）：全試料で濃度依存的に消去活性上昇。無ドープTiO₂が500 µg/mLで50.22%（C₃N₄より高い）。TiO₂はOH·、O₂·⁻、¹O₂等のROS生成能を持ちDPPHと反応。N-TiO₂で57.34%（7%向上）、ドーピングで粒子サイズ縮小と反応性向上による。0.1:1で84.45%まで上昇（C₃N₄由来窒素の十分な供給）。更なる濃度上昇で濁度増大と拮抗相互作用により消去活性低下（70.75%まで）。

抗菌活性（ウェル拡散法、図11、表1）：E. coliに対して、最小・最大濃度で統計的有意な阻害円（1.05-2.00 mm、1.35-2.25 mm）獲得。S. aureusに対しては無ドープTiO₂とN-TiO₂で活性なし、共ドープ試料で顕著な活性。C₃N₄単体は最大濃度でE. coliにのみ1.60 mm阻害円。

抗菌メカニズム：ナノ粒子サイズ依存的な酸化ストレス、細菌とナノ構造の静電的接触によるROS生成、細胞膜損傷、陽イオン（Ti⁴⁺）の細菌負成分との強力結合によるリボソーム/酵素機能不全、光励起による価電子帯表面電子励起とO₂反応によるO^2-ラジカル生成とH₂O₂生成、脂質/タンパク質分解などが関与。

結論

共沈法でバイナリードープTiO₂を合成し、光触媒、ソノ触媒、光-ソノ触媒によるMBとCF染料分解および殺菌活性を評価しました。ドーパントとTiO₂の強い接触形成が光誘起電子-正孔対分離効率を効率的に向上。C₃N₄:N/TiO₂コンポジットの狭いバンドギャップはNとC₃N₄の導入によるもの。調製試料は可視光下および超音波下で効率的な分解性能を示し、併用効果も評価。さらに、S. aureusとE. coliに対する顕著な殺菌効果も確認。本研究は、効果的な染料分解と殺菌応用のための新規バイナリードープヘテロ接合体作製への新たな知見を提供するものです。