この記事で分かること

レアアースの代替技術：ガラス添加剤でのセリウム代替

2026年上半期（1〜6月）における日本のレアアース（希土類）輸入量は、中国による対日輸出規制導入前（2024年同期）の約2割にまで大きく落ち込んでいることが判明しました。

　EV（電気自動車）の駆動用モーターや半導体製造装置・材料に不可欠なレアアースの調達急減に対し、ベトナムや米国など中国以外からの代替調達や内製化が進んでおらず、サプライチェーンへの強い懸念が広まっています。

　第三国ルートの本格化など調達先の多角化を進めてるとともに、代替技術の実用化が強く望まれています。

　前回はガラス添加剤でのセリウムの働きに関する記事でしたが、今回はガラス添加剤でのセリウムの代替技術に関する記事となります。

ガラス添加剤でのセリウムフリーや削減技術にはどんなものがあるのか

　ガラス添加剤としてのセリウム（酸化セリウム: CeO2）のセリウムフリー化や削減技術は、セリウムが担っていた「UV吸収」「脱色」「清澄（気泡除去）」「耐変色（ソーラリゼーション防止）」のどの機能を代替するかによって、材料的アプローチとプロセス（工程）的アプローチの大きく4つに分けられます。

1. 紫外線（UV）吸収機能の代替・削減技術

　ガラス全体（バルク）に高価なセリウムを練り込む方式から、代替材料や表面処理技術への切り替えが進められています。

• 無機酸化物（TiO2, ZnO）への代替: 酸化チタン（Titanium Dioxide: TiO2）や酸化亜鉛（Zinc Oxide: ZnO）は、酸化セリウムと同様に適切なバンドギャップを持ち、紫外線（UV）を強力に吸収します。これらを組み合わせて添加することでセリウムの使用量を大幅に減らします。
• 表面薄膜コーティング技術（バルクフリー化）: ガラスのバッチ（原材料）全体にセリウムを混ぜるのではなく、ガラス表面にのみスパッタリング法やスプレー熱分解法で TiO2 や ZnO、あるいは有機系 UV 遮蔽膜を数マイクロメートル〜ナノメートル単位でコーティングします。これにより、製品全体としてのセリウム使用量をゼロ（完全セリウムフリー）または大幅削減できます。

2. 脱色機能（鉄分着色消去）の代替・削減技術

　2価の鉄イオンを無色の3価に酸化させる役割の代替手法です。

• 原料の高純度化（低鉄珪砂の採用）: 物理的選別（磁力選別など）や化学洗浄によって、ガラス原料（珪砂等）に含まれる鉄分（Fe）そのものを極限まで除去します。根本的に Fe²⁺ による青緑色の着色が起きにくくなるため、化学的脱色剤としてのセリウムが不要になります。
• 熔融窯の酸素雰囲気制御: 添加剤に頼らず、ガラスを溶かす窯（熔融窯）内部の酸素分圧を高精度にコントロールして強い酸化雰囲気に保ち、Fe²⁺ を物理・化学平衡的に Fe³⁺ へ移行させます。
• 代替酸化剤・補色剤（KNO3, MnO2, CoO）: 硝酸カリウム（Potassium Nitrate: KNO3）などの一般的な酸化剤や、微量の酸化マンガン（MnO2）、酸化コバルト（CoO）などの補色（反対色を加えて無色に見せる）技術を組み合わせて脱色します。

3. 清澄（泡切り・脱泡）機能の代替・削減技術

　高温で分解して酸素ガス（O2）を放出し、微小な気泡を取り込んで浮上させる役割の代替です。

• 代替清澄剤（Na2SO4, SnO2）の活用: 硫酸ナトリウム（Sodium Sulfate: Na2SO4）と炭素粉末の組み合わせや、酸化スズ（Tin Dioxide: SnO2）など、非レアアース系の清澄剤へ変更します。これらが高温下でガス（SO2, O2 など）を生成して気泡を除去します。
• 減圧脱泡（物理的清澄）プロセス: 溶融ガラスを減圧容器（真空に近い状態）に通すことで、添加剤を使わずに物理的に気泡を急膨張・浮上させて除去する「減圧清澄技術」が実用化されています。

4. 耐放射線・耐ソーラリゼーション機能の代替

　放射線や強力な紫外線で生じる電子やホールをトラップし、カラーセンター（変色）の形成を防ぐ役割の代替です。

• 酸化チタン（TiO2）や多価遷移金属のドープ: 酸化チタン（TiO2）などの多価金属イオンを微量添加することで、セリウム（Ce³⁺/Ce⁴⁺）と同様に電子やホールのトラップサイトとして機能させます。
• 高純度シリカ・骨格欠陥の低減: 合成石英ガラスのように、ガラス網目構造自体の欠陥（酸素欠損など）を最初から極限まで減らした構造設計により、電子やホールが捉えられて変色するサイトそのものをなくします。

なぜ、酸化チタンでの代用が可能なのか

　ガラス添加剤において酸化チタン（Titanium Dioxide: TiO2）が酸化セリウム（CeO2）の代用として機能する理由は、主に「電子状態（バンドギャップ）」と「多価イオンとしての化学的特性」が極めて似ているためです。

1. 紫外線（UV）を吸収するエネルギー領域（バンドギャップ）がほぼ一致する

　酸化チタン（TiO2）は半導体特性を持ち、電子が励起するために必要なエネルギーの壁（バンドギャップ: Eg）を持っています。

• TiO2のバンドギャップ: 約 3.0 〜 3.2 eV（アナターゼ型で約 3.2 eV、ルチル型で約 3.0 eV）
• CeO2のバンドギャップ: 約 3.0 〜 3.2 eV

　このエネルギー値は、波長に換算すると約 380 〜 410 nm（近紫外線領域）の光エネルギーとぴったり一致します。そのため、CeO2 と同様に「可視光（透明感）はそのまま通し、有害な紫外線だけを強力に吸収する」という光学特性をそのまま再現できます。

2. 電子やホールを捕獲できる多価イオン（Ti4+ / Ti3+）である

　放射線や強力な紫外線によってガラス内部で発生する「不純な電子」や「ホール（正孔）」を捉えて無害化し、黒変（ソーラリゼーション）を防ぐメカニズムも代用できます。

• チタンもセリウムと同様に、4価と3価の2つの酸化状態を移行することができます。
• 電子の捕獲: Ti⁴⁺ + e^– → Ti³⁺
• ホールの捕獲: Ti³⁺ + h⁺ →Ti⁴⁺

　酸化チタンも電荷のバランスを調整してカラーセンター（変色原因）の形成を抑える役割を果たせます。

3. ガラス網目構造への高い親和性と耐候性

　チタンはガラスの主成分であるケイ素と類似した網目形成・修飾能力を持っています。

　ガラス融液中に均一に溶け込みやすく、高温処理を経てもガラス本来の透明度や化学的耐久性、機械的強度を損ないません。

補足: ガラス内部に加えることで「光触媒問題」が解決する

　日焼け止めや外壁塗料などで用いられる TiO2 は、強烈な光触媒作用によって周りの有機物を分解してしまう欠点があります。

　しかし、ガラスの網目構造内部に添加・固定された TiO2 は、周囲の酸素や水蒸気と直接接触できないため光触媒活性が著しく抑制されます。

　その結果、周辺素材を痛めることなく「純粋な UV 吸収材・耐変色剤」として安全に利用することが可能になります。

4つの機能全てを一度に代替することはできるのか

　単一の代替材料（1種類の添加剤）だけでセリウムの持つ4つの機能すべてを「一度に・完全」に代替することは非常に困難です。

　現実のガラス製造では、「複数の代替添加剤の組み合わせ」と「製造プロセスの改善」を併用するハイブリッド手法によって、4つの機能を同時にクリア（完全セリウムフリー化）しています。

なぜ単一の材料では一度に代替できないのか？

　セリウム（CeO2）は、以下の3つの条件をたった1つの元素で同時に満たす極めて稀有な存在だからです。

1. 光の特性: 吸収帯が紫外線のみにあり、可視光領域では「完全に無色透明」である。
2. 化学的特性: Fe²⁺ を Fe³⁺ に変える適切な酸化力を持ち、電子もホールも捕獲できる。
3. 熱力学的特性: ガラスの溶融温度（1400〜1500℃）でちょうど良く酸素を放出して気泡を消し、冷却時に再吸収する。

　ほかの代替候補材料は、どれか1〜2つの機能には長けていても、すべての条件を1素材で満たすことができません。

• 酸化チタン: UV吸収や耐変色には優れるが、高温で酸素ガスを放出して気泡を消す「清澄作用」が弱い。
• 酸化スズ: 清澄作用や電子トラップ作用を持つが、単体でのUV吸収能力や脱色力がセリウムより劣る。
• 硫酸塩: 強力な清澄剤になるが、UV吸収や耐変色機能はない。

4つの機能を同時に代替するの構成例

　工場や製品で完全にセリウムを排除（セリウムフリー化）する場合は、以下のように役割を分担させて同時に達成します。

役割・機能	代替する手段（材料 ＋ 工程）
① UV吸収	酸化チタンの添加、または表面UVコーティング
② 脱色	原料の高純度化（低鉄原料） ＋ 溶融窯の酸素雰囲気制御
③ 清澄（泡切り）	酸化スズや硫酸塩＋ 減圧脱泡プロセス
④ 耐変色	酸化チタンなどの多価遷移金属の複合添加

　「万能選手」だったセリウム1種のかわりに、酸化チタン ＋ 酸化スズ＋ 高純度原料 ＋ 設備改善」というシステム全体で対応するのが、現在のセリウムフリー・削減技術の主流です。