JP2000302442A - Production of titanium oxide thin film photocatalyst - Google Patents

Production of titanium oxide thin film photocatalyst

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JP2000302442A
JP2000302442A JP11112561A JP11256199A JP2000302442A JP 2000302442 A JP2000302442 A JP 2000302442A JP 11112561 A JP11112561 A JP 11112561A JP 11256199 A JP11256199 A JP 11256199A JP 2000302442 A JP2000302442 A JP 2000302442A
Authority
JP
Japan
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acid
titanium
thin film
titanium oxide
hydroxycarboxylato
Prior art date
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Pending
Application number
JP11112561A
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Japanese (ja)
Inventor
Kenichi Nakamura
健一 中村
Kazuhiro Yamada
和寛 山田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsubishi Gas Chemical Co Inc
Original Assignee
Mitsubishi Gas Chemical Co Inc
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Publication date
Application filed by Mitsubishi Gas Chemical Co Inc filed Critical Mitsubishi Gas Chemical Co Inc
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Publication of JP2000302442A publication Critical patent/JP2000302442A/en
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To easily obtain the subject thin film photocatalyst without causing such problems as operational safety and corrosion by coating a substrate with an aqueous solution of hydroxy(hydroxycarboxylato)titanium followed by baking through heating from room temperature to a specific temperature range to conduct a baking. SOLUTION: This thin film photocatalyst is obtained by coating a substrate with an aqueous solution of hydroxy(hydroxycarboxylato)titanium followed by baking through gradually heating from room temperature to 600-700 deg.C to conduct a baking at 600-700 deg.C; wherein the hydroxy(hydroxycarboxylato)titanium is prepared by reaction, at room temperature to about 100 deg.C, of a solution made by mixing an alkoxytitanium with the corresponding hydroxycarboxylic acid in the weight ratio of about (1:0.1) to (1:10); in this case, the alkoxytitanium to be used is e.g. tetramethoxytitanium, tetraethoxytitanium, while the hydroxycarboxylic acid to be used is e.g. glycolic acid, lactic acid, α- hydroxybutyric acid or the like, gluconic acid, galactaric acid or the like.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は酸化チタン薄膜製造
の原料となるチタン前駆体と、それを用いた酸化チタン
薄膜光触媒の製造法に関する。酸化チタンは光触媒とし
て悪臭や空気中の有害物質除去あるいは排水処理や浄水
処理、抗菌などを行うことが出来る。また光触媒酸化チ
タンの超親水性を利用して防曇、易清掃、セルフクリー
ニング材としての用途がある。
The present invention relates to a titanium precursor used as a raw material for producing a titanium oxide thin film, and a method for producing a titanium oxide thin film photocatalyst using the same. Titanium oxide can be used as a photocatalyst to remove odors and harmful substances in the air, or to perform wastewater treatment, water purification treatment, antibacterial treatment, and the like. In addition, there is a use as an antifogging, easy cleaning, and self-cleaning material utilizing the superhydrophilicity of the photocatalytic titanium oxide.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、酸化チタン薄膜を基板上に成形す
る技術として、特公平8−2517874、特公平9−
2636158、特開平9−227161に示されるよ
うにチタニアゾルを基材表面にスプレーコーティング
法、デイップコーティング法、フローコーティング法、
スピンコーティング法、ロールコーティング法等の方法
で塗布し、焼成する方法がある。また、有機チタネート
法として、チタンアルコキシド(テトラエトキシチタ
ン、テトラメトキシチタン、テトラプロポキシチタン、
テトラブトキシチタン等)、チタンアセテート、チタン
キレート等の有機チタネートに加水分解抑制剤(塩酸、
エチルアミン等)を添加し、アルコール(エタノール、
プロパノール、ブタノール等)などの非水溶媒で希釈し
た後、部分的に加水分解を進行させながら又は完全に加
水分解を進行させた後、混合物を塗布し、乾燥させる。
乾燥により、有機チタネートの加水分解が完遂して水酸
化チタンが生成し、水酸化チタンの脱水縮重合により無
定型酸化チタンの層が基材表面に形成される。その後、
アナターゼの結晶化温度以上の温度で焼成して、無定型
酸化チタンをアナターゼ型酸化チタンに相転移させる方
法がある。無定型酸化チタンをアナターゼ型酸化チタン
に相転移させる方法としては、焼成という熱的処理以外
に特開平6−166501、特開平9−157855に
示されるように水銀灯やレーザーを用いて紫外領域の光
を照射し行う方法もある。しかし、これまで実施されて
きたチタニアゾルや有機チタネートを基板に塗布する方
法では、上述のようにチタニアゾルや有機チタネートの
安定性や透明性を保つため、有機溶媒を使用したり、塩
酸や硝酸のような腐食性の酸を添加する必要があった。
そのため、有機溶媒の有害性が作業安全性から問題とな
ったり、腐食性から製造装置が高価になってしまうなど
の欠点があった。またチタニアゾルや有機チタネートの
安定性や透明性を確保するため溶液に含有されるチタン
元素の重量%を多くすることができず、必要とする膜厚
を得るためには、数度にわたり塗布と焼成などの処理操
作を繰り返す必要があった。
2. Description of the Related Art Conventionally, as a technique for forming a titanium oxide thin film on a substrate, Japanese Patent Publication Nos.
No. 2,636,158 and JP-A-9-227161, a titania sol is spray-coated on a substrate surface, a dip coating method, a flow coating method,
There is a method of applying and baking by a method such as a spin coating method and a roll coating method. As an organic titanate method, titanium alkoxide (tetraethoxytitanium, tetramethoxytitanium, tetrapropoxytitanium,
Organic titanates such as tetrabutoxytitanium, titanium acetate, titanium chelate, etc.
Ethylamine) and alcohol (ethanol,
After dilution with a non-aqueous solvent such as propanol, butanol, etc., the mixture is applied and dried with partial or complete hydrolysis.
By drying, the hydrolysis of the organic titanate is completed to produce titanium hydroxide, and a layer of amorphous titanium oxide is formed on the surface of the base material by dehydration-condensation polymerization of the titanium hydroxide. afterwards,
There is a method in which baking is performed at a temperature equal to or higher than the crystallization temperature of anatase to cause a phase transition from amorphous titanium oxide to anatase titanium oxide. As a method of transforming amorphous titanium oxide into anatase type titanium oxide, besides the thermal treatment of calcination, as described in JP-A-6-166501 and JP-A-9-157855, light in the ultraviolet region is irradiated by using a mercury lamp or laser. Irradiation. However, in the method of applying a titania sol or an organic titanate to a substrate that has been carried out so far, in order to maintain the stability and transparency of the titania sol or the organic titanate as described above, an organic solvent is used, such as hydrochloric acid or nitric acid. It was necessary to add a highly corrosive acid.
Therefore, there are drawbacks such as the harmfulness of the organic solvent becomes a problem from the viewpoint of work safety, and the production equipment becomes expensive due to the corrosiveness. Also, it is not possible to increase the weight percent of the titanium element contained in the solution to ensure the stability and transparency of the titania sol and organic titanate. To obtain the required film thickness, apply and bake several times. It was necessary to repeat such processing operations.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記の点に鑑
み、作業安全性や腐食性の問題を生じない水溶性チタン
錯体を前駆体とする簡便な酸化チタン薄膜光触媒の製造
方法の提供を目的とするものである。
SUMMARY OF THE INVENTION In view of the above, the present invention provides a simple method for producing a titanium oxide thin film photocatalyst using a water-soluble titanium complex as a precursor which does not cause problems in work safety and corrosiveness. It is the purpose.

【0004】[0004]

【課題を解決するための手段】本発明者は上記の目的を
達成するため、鋭意研究を重ねた結果、ヒドロキシ(ヒ
ドロキシカルボキシラト)チタンの水溶液を基板にコー
ティングし、(1)室温から徐々に600℃から700
℃まで加熱昇温して焼成、または(2)350nm以下
の光を、エネルギー密度50〜100mJ/cm2 で照
射することにより、薄膜光触媒を製造出来ることを見い
だし、本研究を完成させた。本反応に用いられるヒドロ
キシ(ヒドロキシカルボキシラト)チタン水溶液は当該
チタン錯体を水に溶解することにより得られる。本錯体
は四塩化チタンなどのチタンのハロゲン化物とヒドロキ
シカルボン酸を非水溶媒系で反応させることによっても
合成できるが、アルコキシチタンとヒドロキシカルボン
酸から容易に収率よく合成される。合成例を反応式を用
いて次式に示す。
Means for Solving the Problems The present inventor has conducted intensive studies to achieve the above object, and as a result, coated an aqueous solution of hydroxy (hydroxycarboxylato) titanium on a substrate, and (1) gradually reduced the temperature from room temperature. 600 ° C to 700
The present inventors have found that a thin film photocatalyst can be produced by heating and raising the temperature to ℃ and firing (2) light of 350 nm or less at an energy density of 50 to 100 mJ / cm 2 , and completed this study. The aqueous solution of hydroxy (hydroxycarboxylato) titanium used in this reaction is obtained by dissolving the titanium complex in water. This complex can also be synthesized by reacting a titanium halide such as titanium tetrachloride with a hydroxycarboxylic acid in a non-aqueous solvent system, but is easily synthesized from alkoxytitanium and hydroxycarboxylic acid with good yield. The following formula shows a synthesis example using a reaction formula.

【0005】[0005]

【化1】 Embedded image

【0006】アルコキシチタンとしてはテトラメトキシ
チタン、テトラエトキシチタン、テトラn−プロポキシ
チタン、テトライソプロポキシチタン、テトラn−ブト
キシチタンなどが使用できる。また、アルコキシは単一
成分でなく2から4種類の成分の組み合わせでもよい。
ヒドロキシカルボン酸は同一分子内に水酸基とカルボキ
シル基をもつ化合物で有れば特に制限はなく、一つの分
子内に複数個の水酸基やカルボキシル基をもつ化合物で
も差し使えない。また、炭素数についても特に制限はな
いが、水に対する錯体の溶解度とチタン含量から適時決
められる。この様な化合物としてはグリコール酸、乳
酸、α−ヒドロキシ酪酸、α−ヒドロキシイソ酪酸、β
−ヒドロキシプロピオン酸、β−ヒドロキシ酪酸、β−
ヒドロキシイソ酪酸、γ−ヒドロキシ酪酸、グリセリッ
ク酸、タートロニック酸、リンゴ酸、酒石酸、メソ酒石
酸、クエン酸が好適に使用でき、これら単独でも2種以
上のヒドロキシカルボン酸の混合物でもよい。また、炭
素数6の糖類を酸化して得られるグルコン酸、ガラクタ
ル酸、マンナリック酸なども好適に使用できる。
As the alkoxytitanium, tetramethoxytitanium, tetraethoxytitanium, tetra-n-propoxytitanium, tetraisopropoxytitanium, tetra-n-butoxytitanium and the like can be used. The alkoxy may be a combination of 2 to 4 types of components instead of a single component.
The hydroxycarboxylic acid is not particularly limited as long as it is a compound having a hydroxyl group and a carboxyl group in the same molecule, and a compound having a plurality of hydroxyl groups and carboxyl groups in one molecule cannot be used. The number of carbon atoms is not particularly limited, but is determined as appropriate from the solubility of the complex in water and the titanium content. Such compounds include glycolic acid, lactic acid, α-hydroxybutyric acid, α-hydroxyisobutyric acid, β
-Hydroxypropionic acid, β-hydroxybutyric acid, β-
Hydroxyisobutyric acid, γ-hydroxybutyric acid, glyceric acid, tertronic acid, malic acid, tartaric acid, meso-tartaric acid, and citric acid can be suitably used, and they may be used alone or as a mixture of two or more hydroxycarboxylic acids. Further, gluconic acid, galactaric acid, mannaric acid, etc. obtained by oxidizing a saccharide having 6 carbon atoms can also be suitably used.

【0007】アルコキシチタンとヒドロキシカルボン酸
からヒドロキシ(ヒドロキシカルボキシラト)チタンを
合成する方法としては、それぞれの化合物を溶解する溶
媒を用い、具体的には用いるアルコキシチタンのアルコ
キシ基と同一のアルコキシ基を含むアルコールを使用す
るのが好ましい。例えば、テトライソプロポキシチタン
を用いる場合はイソプロパノールが好適である。これ以
外に各種アルコール、エーテル、エステル、炭化水素、
水などを使用することもできる。ヒドロキシ(ヒドロキ
シカルボキシラト)チタンを製造する条件としては室温
から100℃、好ましくは室温から50℃である。アル
コキシチタンとヒドロキシカルボン酸の混合比は1:
0.1から1:10、好ましくは1:0.2から1:4
である。分子内に水酸基とカルボキシル基をひとつづつ
持つヒドロキシカルボン酸、例えばグリコール酸、乳
酸、α−ヒドロキシ酪酸、α−ヒドロキシイソ酪酸から
はチタンとヒドロキシカルボン酸が1:2の組成比を持
つジヒドロキシビス(ヒドロキシカルボキシラト)チタ
ンが合成される。一つの分子内に複数個の水酸基やカル
ボキシル基をもつヒドロキシカルボン酸を用いた場合に
は、チタンとの混合比、水酸基やカルボキシル基の数に
より任意の錯体が合成されるが、水溶性を保つのであれ
ばその構造は限定されない。アルコキシチタンとヒドロ
キシカルボン酸の溶液を混合し、溶媒を留出することに
よりヒドロキシ(ヒドロキシカルボキシラト)チタンの
固体粉末を容易にえることができる。
As a method for synthesizing hydroxy (hydroxycarboxylato) titanium from alkoxytitanium and hydroxycarboxylic acid, a solvent capable of dissolving each compound is used. Specifically, the same alkoxy group as the alkoxy group of the alkoxytitanium used is used. It is preferred to use an alcohol containing alcohol. For example, when using tetraisopropoxytitanium, isopropanol is preferred. In addition to this, various alcohols, ethers, esters, hydrocarbons,
Water or the like can also be used. Conditions for producing hydroxy (hydroxycarboxylato) titanium are room temperature to 100 ° C, preferably room temperature to 50 ° C. The mixing ratio of alkoxytitanium and hydroxycarboxylic acid is 1:
0.1 to 1:10, preferably 1: 0.2 to 1: 4
It is. From hydroxycarboxylic acids having one hydroxyl group and one carboxyl group in the molecule, such as glycolic acid, lactic acid, α-hydroxybutyric acid, and α-hydroxyisobutyric acid, dihydroxybis (titanium and hydroxycarboxylic acid have a composition ratio of 1: 2) (Hydroxycarboxylato) titanium is synthesized. When a hydroxycarboxylic acid having a plurality of hydroxyl groups or carboxyl groups in one molecule is used, an arbitrary complex is synthesized depending on the mixing ratio with titanium and the number of hydroxyl groups and carboxyl groups, but water solubility is maintained. If so, the structure is not limited. By mixing a solution of alkoxytitanium and hydroxycarboxylic acid and distilling off the solvent, a solid powder of hydroxy (hydroxycarboxylato) titanium can be easily obtained.

【0008】得られた固形粉末を水に溶解することによ
り、ヒドロキシ(ヒドロキシカルボキシラト)チタン水
溶液が得られる。水に対する溶解度は合成に用いたヒド
ロキシカルボン酸の種類により決まるが、水溶液にアン
モニア、有機アミン、尿素を添加し溶液のpHをコント
ロールすることにより、溶解度を著しく向上させること
が出来る。また、ヒドロキシ(ヒドロキシカルボキシラ
ト)チタン水溶液は透明な溶液であるが、空気中に室温
で放置した場合、経時的に用いたヒドロキシカルボン酸
の種類や濃度により濁りや沈殿を生じる場合がある。水
溶液にアンモニア、有機アミン、尿素を添加し溶液のp
Hをコントロールすることによりこの濁りや沈殿は発生
しなくなり、水溶液の安定性が確保できる。通常ヒドロ
キシ(ヒドロキシカルボキシラト)チタン水溶液のpH
は2.0以下であるがアンモニア、有機アミン、尿素を
添加することにより、pHを2.0に以上にすることで
水溶液の安定性が向上してくる。しかし、アンモニア、
有機アミン、尿素を添加しすぎてpHを8.0より大き
くした場合、再び水溶液の安定性が低下して濁りや沈殿
を発生するようになる。水溶液のpHコントロールとし
ては2.0〜8.0が好ましい。アンモニア、尿素は水
溶性でありこのまま、または水溶液として添加可能であ
る。有機アミンは特に制限はないが水に可溶な化合物が
好ましい。そのような化合物としてはモノエタノールア
ミン、ジエタノールアミン、トリエタノールアミン、N
−メチルジエタノールアミン、N−エチルジエタノール
アミン、N,N−ジメチルジアミノエタノール、ジイソ
プロパノールアミンなどのアルコールアミン類やモノメ
チルアミン、ジメチルアミン、トリメチルアミン、エチ
ルアミンなとの炭素数の比較的少ないアルキルアミン
類、エチレンジアミン等のキレート性アミン類などがあ
る。また、これら以外にポリビニールアルコール、ポリ
エチレングリコール、ポリアクリルアミドやカルボキシ
メチルセルロースなどの水溶性有機高分子化合物を添加
し溶液の粘度を調整したり、生成する薄膜の表面積を調
整するなどの操作を実施することもなんら問題にならな
い。
By dissolving the obtained solid powder in water, an aqueous hydroxy (hydroxycarboxylato) titanium solution is obtained. The solubility in water is determined by the type of hydroxycarboxylic acid used in the synthesis, but the solubility can be significantly improved by adding ammonia, organic amine, and urea to the aqueous solution and controlling the pH of the solution. The hydroxy (hydroxycarboxylato) titanium aqueous solution is a transparent solution, but when left in the air at room temperature, turbidity or precipitation may occur depending on the type and concentration of the hydroxycarboxylic acid used over time. Add ammonia, organic amine, urea to the aqueous solution
By controlling H, this turbidity or precipitation does not occur, and the stability of the aqueous solution can be ensured. PH of aqueous solution of hydroxy (hydroxycarboxylato) titanium
Is 2.0 or less, but the stability of the aqueous solution is improved by adding ammonia, organic amine, and urea to adjust the pH to 2.0 or more. But ammonia,
When the pH is increased to more than 8.0 by adding too much organic amine or urea, the stability of the aqueous solution is again reduced, and turbidity or precipitation occurs. As the pH control of the aqueous solution, 2.0 to 8.0 is preferable. Ammonia and urea are water-soluble and can be added as such or as an aqueous solution. The organic amine is not particularly limited, but is preferably a water-soluble compound. Such compounds include monoethanolamine, diethanolamine, triethanolamine, N
Alcohol amines such as -methyldiethanolamine, N-ethyldiethanolamine, N, N-dimethyldiaminoethanol, diisopropanolamine, alkylamines having a relatively small number of carbon atoms such as monomethylamine, dimethylamine, trimethylamine, and ethylamine; ethylenediamine; Chelating amines. In addition, in addition to these, a water-soluble organic polymer compound such as polyvinyl alcohol, polyethylene glycol, polyacrylamide or carboxymethyl cellulose is added to adjust the viscosity of the solution or adjust the surface area of the resulting thin film. That doesn't matter at all.

【0009】本発明の酸化チタン薄膜光触媒はこうして
得られたヒドロキシ(ヒドロキシカルボキシラト)チタ
ンの水溶液をディップコーティング法やスピンコーティ
ング法、塗布法、スプレー法などにより基板にコーティ
ングした後、室温から徐々に加熱昇温することで部分的
に加水分解を進行させながら乾燥させる。乾燥により加
水分解が完遂して水酸化チタンが生成し、水酸化チタン
の脱水縮重合により無定型酸化チタン層が基材表面に成
形される。その際、残存している有機物であるヒドロキ
シカルボン酸を水洗して除去することもできる。水溶性
チタン錯体を用いる本発明では、アルコールや炭化水素
などの有機溶媒を用いないため、有機溶媒蒸気の発生が
なく作業環境性が著しく向上される。また、加水分解抑
制剤として塩酸や硝酸などの腐食性の高い鉱酸を用いな
いため、装置の腐食がなく、安価な設備投資ですむ利点
がある。その後、アナターゼの結晶化温度以上の温度で
焼成し、無定型酸化チタンをアナターゼ型酸化チタンに
相転移させる。この時の昇温の最終温度、焼成温度は6
00〜700℃が好ましい。直接600〜700℃の温
度で焼成したり、焼成温度が600℃より低かったり、
700℃より高かった場合、光触媒として低活性なルチ
ル型酸化チタンや非晶質の混じった酸化チタン薄膜しか
得られない。また、チタニアゾル法や有機チタネート法
では、ゾルの安定性や有機チタネートの溶解度などの関
係からチタン含量の割合の低いものしか調製できなかっ
たが、本発明のチタン錯体の水溶液ではチタン含量を多
くすることができる。そこで従来、丈夫で高性能の酸化
チタン薄膜を得るには、チタニアゾルや有機チタネート
を薄く塗布し加熱焼成し、この作業を繰り返し、厚くて
丈夫な酸化チタン膜を得ていた。これに対してチタン錯
体の水溶液ではこの繰り返し操作回数を低減できる利点
がある。本発明の酸化チタン薄膜光触媒を製造する際に
使用される基板はガラスやセラミックス、コンクリー
ト、金属など600〜700℃の温度での焼成に耐えら
れるものであれば、どの様な材質であっても良い。また
これら基板の表面にシリカやアルミナなどの層を塗布し
たり成形したものであってもなんら問題はない。その形
状も限定されない。
The titanium oxide thin film photocatalyst of the present invention is obtained by coating the thus obtained aqueous solution of hydroxy (hydroxycarboxylato) titanium on a substrate by dip coating, spin coating, coating, spraying, etc., and then gradually increasing the temperature from room temperature. By heating and raising the temperature, drying is performed while partially promoting hydrolysis. The hydrolysis is completed by drying to produce titanium hydroxide, and an amorphous titanium oxide layer is formed on the surface of the base material by dehydration-condensation polymerization of titanium hydroxide. At this time, the remaining organic hydroxycarboxylic acid can be removed by washing with water. In the present invention using a water-soluble titanium complex, an organic solvent such as an alcohol or a hydrocarbon is not used, so that no organic solvent vapor is generated and the work environment is remarkably improved. Further, since a highly corrosive mineral acid such as hydrochloric acid or nitric acid is not used as a hydrolysis inhibitor, there is an advantage that there is no corrosion of the apparatus and a low capital investment is required. Then, it is calcined at a temperature equal to or higher than the crystallization temperature of anatase, and the amorphous titanium oxide undergoes a phase transition to the anatase titanium oxide. The final temperature of the heating and the firing temperature are 6
00-700 degreeC is preferable. Firing directly at a temperature of 600 to 700 ° C, firing temperature lower than 600 ° C,
When the temperature is higher than 700 ° C., only a rutile-type titanium oxide or a titanium oxide thin film mixed with amorphous can be obtained as a photocatalyst. In addition, in the titania sol method and the organic titanate method, only those having a low ratio of titanium content can be prepared due to the stability of the sol and the solubility of the organic titanate, but the titanium content is increased in the aqueous solution of the titanium complex of the present invention. be able to. Therefore, conventionally, in order to obtain a durable and high-performance titanium oxide thin film, a titania sol or an organic titanate is applied thinly and fired, and this operation is repeated to obtain a thick and durable titanium oxide film. On the other hand, an aqueous solution of a titanium complex has the advantage that the number of repetitive operations can be reduced. The substrate used for producing the titanium oxide thin film photocatalyst of the present invention may be any material as long as it can withstand firing at a temperature of 600 to 700 ° C., such as glass, ceramics, concrete, and metal. good. There is no problem even if a layer such as silica or alumina is applied or molded on the surface of these substrates. The shape is not limited.

【0010】600〜700゜Cの温度での焼成に耐え
られない基板、例えばプラスティック表面に酸化チタン
薄膜光触媒を製造する場合や、焼成を行わずにガラスや
セラミックス表面に酸化チタン薄膜光触媒を成形したい
場合は350nm以下の光を、エネルギー密度50〜1
00mJ/cm2 で照射することにより可能となる。操
作方法としては焼成法と同様に、まず無定型酸化チタン
層を基材表面に成形する。この際、耐熱温度の低いプラ
スティックを基板として用いる場合は、使用するプラス
ティックのガラス転移温度以下で実施するのが好まし
い。ガラスやセラミックス、コンクリートなどの基板で
は特に問題はない。基板に水溶性チタン錯体水溶液を塗
布し、溶媒である水を乾燥させながら加水分解し、水に
不溶のゲル膜、無定型酸化チタン層を形成させる。その
際、残存している有機物であるヒドロキシカルボン酸を
水洗して除去することもできる。基板表面に無定型酸化
チタン層が形成されると、その薄膜に対して波長が35
0nm以下である紫外線を照射する。紫外線の光源とし
ては、波長が350nm以下である紫外光を照射可能で
あれば、その種類は問わない。例えば、高圧水銀ラン
プ、低圧水銀ランプ、エキシマランプ、ArFエキシマ
レーザー、KrFエキシマレーザー、YAGレーザー4
倍波、シンクロトロン放射光などが使用される。また、
これらの光源のうち2つもしくはそれ以上のものを組み
合わせて使用することも可能である。この薄膜への紫外
線照射の際に、基板を加熱したり、基板を減圧下に置い
たり、酸化雰囲気、還元雰囲気に置いたりすることも可
能である。紫外光の照射強度やショット数は金属酸化物
ゲルの薄膜の種類や組成などに応じて適時選択される
が、酸化チタン薄膜光触媒を製造する場合、照射強度は
光触媒に高活性なアナターゼ型酸化チタンを生成するエ
ネルギー密度50〜100mJ/cm2 が好ましい。5
0mJ/cm2 より低いエネルギー密度ではアナターゼ
相の生成は認められず、また100mJ/cm2 より高
いエネルギー密度では光活性の低いルチル相の生成が多
くなってしまう。なお本願発明においては、ヒドロキシ
(ヒドロキシカルボキシラト)チタンの水溶液を基板に
コーティングし、(1)室温から徐々に600℃から7
00℃まで加熱昇温して焼成する操作と、(2)350
nm以下の光を、エネルギー密度50〜100mJ/c
2 で照射する操作とを両方行うことも可能である。以
下にこの発明を具体的に適用した実施例について説明す
る。
When manufacturing a titanium oxide thin film photocatalyst on a substrate which cannot withstand firing at a temperature of 600 to 700 ° C., for example, a plastic surface, or forming a titanium oxide thin film photocatalyst on glass or ceramic surface without firing In this case, light having a wavelength of 350 nm or less and an energy density of 50 to 1
Irradiation at 00 mJ / cm 2 is possible. As an operation method, first, an amorphous titanium oxide layer is formed on the surface of the base material, similarly to the firing method. In this case, when a plastic having a low heat-resistant temperature is used as the substrate, it is preferable to carry out the process at a temperature lower than the glass transition temperature of the plastic used. There is no particular problem with substrates such as glass, ceramics, and concrete. An aqueous solution of a water-soluble titanium complex is applied to a substrate and hydrolyzed while drying water as a solvent to form a water-insoluble gel film and an amorphous titanium oxide layer. At this time, the remaining organic hydroxycarboxylic acid can be removed by washing with water. When the amorphous titanium oxide layer is formed on the surface of the substrate, the wavelength of the thin film becomes 35 nm.
Irradiation with ultraviolet light of 0 nm or less is performed. Any type of ultraviolet light source can be used as long as it can emit ultraviolet light having a wavelength of 350 nm or less. For example, high-pressure mercury lamp, low-pressure mercury lamp, excimer lamp, ArF excimer laser, KrF excimer laser, YAG laser 4
Harmonic waves, synchrotron radiation and the like are used. Also,
It is also possible to use two or more of these light sources in combination. When irradiating the thin film with ultraviolet light, the substrate may be heated, the substrate may be placed under reduced pressure, or may be placed in an oxidizing atmosphere or a reducing atmosphere. The irradiation intensity and the number of shots of ultraviolet light are selected as appropriate according to the type and composition of the thin film of the metal oxide gel.However, when manufacturing a titanium oxide thin film photocatalyst, the irradiation intensity is anatase-type titanium oxide which is highly active on the photocatalyst. Is preferably 50 to 100 mJ / cm 2 . 5
0 mJ / The lower energy density than cm 2 produced an anatase phase is not observed, also become increasingly produce photoactive low rutile phase at higher energy density than 100 mJ / cm 2. In the present invention, the substrate is coated with an aqueous solution of hydroxy (hydroxycarboxylato) titanium, and (1) the temperature is gradually increased from room temperature to 600 ° C. to 7 ° C.
An operation of heating to 00 ° C. and firing, and (2) 350
nm or less with an energy density of 50-100 mJ / c
It is also possible to perform both the operation of irradiating with m 2 . Hereinafter, embodiments to which the present invention is specifically applied will be described.

【0011】[0011]

【実施例】実施例1水溶性チタン錯体の合成 イソプロパノール100gにα−ヒドロキシイソ酪酸7
4gを溶解させ、そこにテトライソプロポキシチタン1
00gをゆっくりと滴下していった。加えたα−ヒドロ
キシイソ酪酸とテトライソプロポキシチタンとの比率は
モル比で2:1である。滴下終了後室温でそのまま攪拌
し、白色懸濁液になったところで攪拌をやめ、ロータリ
ーエバポレーターで溶媒を留去した。得られた白色粉末
は126gであった。ICPによりTiの重量存在量を
はかったところ17.3%であった。また、元素分析か
らC:33.0%,H:5.4%であった(理論値 T
i:16.6%,C:33.3%,H:5.6%)。こ
のことから得られた白色粉末はジヒドロキシビス(ヒド
ロキシイソブチラート)チタンと同定された。この化合
物を26.5g採取し、水100gを添加し攪拌したと
ころ無色透明な水溶性チタン水溶液が得られた。
EXAMPLE 1 Synthesis of Water-Soluble Titanium Complex α-Hydroxyisobutyric acid 7 was added to 100 g of isopropanol.
4 g is dissolved, and tetraisopropoxy titanium 1
00 g was slowly added dropwise. The ratio between the added α-hydroxyisobutyric acid and tetraisopropoxytitanium is 2: 1 in molar ratio. After completion of the dropwise addition, the mixture was stirred as it was at room temperature. When a white suspension was formed, the stirring was stopped, and the solvent was distilled off using a rotary evaporator. The amount of the obtained white powder was 126 g. The weight abundance of Ti measured by ICP was 17.3%. From elemental analysis, C was 33.0% and H was 5.4% (theoretical value T).
i: 16.6%, C: 33.3%, H: 5.6%). The white powder obtained from this was identified as dihydroxybis (hydroxyisobutyrate) titanium. 26.5 g of this compound was collected, 100 g of water was added thereto, and the mixture was stirred to obtain a colorless and transparent water-soluble titanium aqueous solution.

【0012】実施例2〜17および比較例1〜4 テトライソプロポキシチタンと種々のヒドロキシカルボ
ン酸とを用い、実施例1と同様にしてヒドロキシ(ヒド
ロキシカルボキシラト)チタンを合成し、水溶液を調製
後、溶液のpHを測定し、25℃における保存安定性を調
べた。また、アンモニア、有機アミン、尿素を添加した
場合についても溶液のpHを測定し、保存安定性を調べ
た。結果を表1にまとめた。ヒドロキシ(ヒドロキシカ
ルボキシラト)チタン単独水溶液で溶液のpHが2.0
より低い場合、完全に溶液にならないものや、経時的に
濁りや沈殿を生じたりするものがあった。また、アンモ
ニア、有機アミン、尿素を添加しすぎ溶液のpHが8.
0より大きくなった場合も経時的に濁りや沈殿を生じ
た。溶液のpHを2.0〜8.0に調製することにより
このような問題は起こらなくなり保存安定性が向上し
た。
Examples 2 to 17 and Comparative Examples 1 to 4 Using hydroxytetracarboxylic acid and various hydroxycarboxylic acids, hydroxy (hydroxycarboxylato) titanium was synthesized in the same manner as in Example 1, and an aqueous solution was prepared. The pH of the solution was measured, and the storage stability at 25 ° C. was examined. In addition, when ammonia, organic amine, and urea were added, the pH of the solution was measured to examine the storage stability. The results are summarized in Table 1. The aqueous solution of hydroxy (hydroxycarboxylato) titanium alone has a pH of 2.0
At lower levels, there were some that did not completely turn into a solution, and those that became turbid or precipitated over time. In addition, ammonia, organic amine, and urea are added too much, and the pH of the solution becomes 8.
When it was larger than 0, turbidity and precipitation occurred over time. By adjusting the pH of the solution to 2.0 to 8.0, such a problem did not occur and the storage stability was improved.

【0013】[0013]

【表1】 [Table 1]

【0014】実施例18 実施例1と同様にして、α−ヒドロキシイソ酪酸とテト
ライソプロポキシチタンから合成したジヒドロキシビス
(α−ヒドロキシイソブチラート)チタンの10wt%
水溶液にアンモニアを添加し溶液のpHが6.2の水溶
液を調製した(チタン濃度1.7%)。直径10mm,
長さ60mm,厚さ1mmの石英ガラス管をこの溶液に
浸し、引き上げ乾燥した後、室温から徐々に630℃ま
で加熱昇温し焼成した。この操作を2回繰り返し石英ガ
ラス管の表面に0.2μmの酸化チタン膜を製作した。
得られた酸化チタン膜の結晶構造をX線回折で調べた結
果、アナターゼ型結晶であった。この酸化チタン薄膜を
用いテトラクロロエチレンの光分解実験を行った。10
0ppm濃度のテトラクロロエチレン水溶液15mLを
パイレックス製試験管に入れ、上記の表面に酸化チタン
薄膜触媒が成形された石英ガラス管を浸し、酸素をバブ
リングしながら300Wのキセノンランプの光を3時間
照射した。反応後、生成液をガスクロマトグラフィーで
分析したがテトラクロロエチレンの量は検出限界以下で
あった。
Example 18 10 wt% of dihydroxybis (α-hydroxyisobutyrate) titanium synthesized from α-hydroxyisobutyric acid and tetraisopropoxytitanium in the same manner as in Example 1.
Ammonia was added to the aqueous solution to prepare an aqueous solution having a pH of 6.2 (titanium concentration: 1.7%). Diameter 10mm,
A quartz glass tube having a length of 60 mm and a thickness of 1 mm was immersed in this solution, pulled up and dried, and then gradually heated from room temperature to 630 ° C. and fired. This operation was repeated twice to produce a 0.2 μm titanium oxide film on the surface of the quartz glass tube.
As a result of examining the crystal structure of the obtained titanium oxide film by X-ray diffraction, it was found to be an anatase crystal. Photodecomposition experiment of tetrachloroethylene was performed using this titanium oxide thin film. 10
15 mL of an aqueous solution of tetrachloroethylene having a concentration of 0 ppm was placed in a test tube made of Pyrex, a quartz glass tube formed with a titanium oxide thin film catalyst was immersed in the above surface, and irradiated with light from a xenon lamp of 300 W for 3 hours while bubbling oxygen. After the reaction, the product liquid was analyzed by gas chromatography, and the amount of tetrachloroethylene was below the detection limit.

【0015】比較例5 テトライソプロポキシチタンをイソプロパノールで希釈
し、攪拌しながら塩酸とジイソプロパノールアミンを添
加しゾル液を調製した(チタン濃度0.5%)。このゾ
ル液に直径10mm,長さ60mm,厚さ1mmの石英
ガラス管を浸し、引き上げ乾燥した後、室温から徐々に
630℃まで加熱昇温し焼成した。この際、乾燥および
焼成工程中に、使用した有機溶媒であるイソプロパノー
ルと塩酸が蒸気として発生した。石英ガラス管の表面に
0.2μmの酸化チタン膜を製作するには、この操作を
7回繰り返す必要があった。得られた酸化チタン膜の結
晶構造をX線回折で調べた結果、アナターゼ型結晶であ
った。また、実施例1と同様の光触媒活性を有してい
た。
Comparative Example 5 Tetraisopropoxytitanium was diluted with isopropanol, and hydrochloric acid and diisopropanolamine were added with stirring to prepare a sol solution (titanium concentration: 0.5%). A quartz glass tube having a diameter of 10 mm, a length of 60 mm, and a thickness of 1 mm was immersed in the sol solution, pulled up and dried, and then heated and gradually heated from room temperature to 630 ° C. for firing. At this time, the used organic solvents isopropanol and hydrochloric acid were generated as steam during the drying and baking steps. This operation had to be repeated seven times to produce a 0.2 μm titanium oxide film on the surface of the quartz glass tube. As a result of examining the crystal structure of the obtained titanium oxide film by X-ray diffraction, it was found to be an anatase crystal. Further, it had the same photocatalytic activity as in Example 1.

【0016】実施例19 実施例1と同様にして、α−ヒドロキシイソ酪酸とテト
ライソプロポキシチタンから合成したジヒドロキシビス
(α−ヒドロキシイソブチラート)チタンの10wt%
水溶液にアンモニアを添加し溶液のpHが6.2の水溶
液を調製した(チタン濃度1.7%)。縦横40mm
角,厚さ1mmの石英ガラス板をこの溶液に浸し、引き
上げ120℃で乾燥した。石英ガラス板上に作製された
ゲル膜のUV/VISスペクトルを700〜185nm
の範囲で測定したところ、350nm以下に吸収が認め
られた。KrFエキシマレーザーを用い、波長248n
mのレーザー光をエネルギー密度90mJ/cm2 で3
00shots照射した。この膜のX線回折を測定した
ところ光触媒活性を示すアナターゼ型結晶によるピーク
が観測された。この酸化チタン薄膜を用いテトラクロロ
エチレンの光分解実験を行った。100ppm濃度のテ
トラクロロエチレン水溶液15mLをパイレックス製角
形試験セルに入れ、上記の表面に酸化チタン薄膜触媒を
成形した石英ガラス板を浸し、酸素をバブリングしなが
ら300Wのキセノンランプの光を3時間照射した。反
応後、生成液をガスクロマトグラフィーで分析したがテ
トラクロロエチレンの量は検出限界以下であった。
Example 19 In the same manner as in Example 1, 10 wt% of dihydroxybis (α-hydroxyisobutyrate) titanium synthesized from α-hydroxyisobutyric acid and tetraisopropoxytitanium
Ammonia was added to the aqueous solution to prepare an aqueous solution having a pH of 6.2 (titanium concentration: 1.7%). 40mm length and width
A 1 mm square quartz glass plate was immersed in this solution, pulled up and dried at 120 ° C. The UV / VIS spectrum of the gel film formed on the quartz glass plate was 700 to 185 nm.
As a result, absorption was observed at 350 nm or less. Using KrF excimer laser, wavelength 248n
m laser light at an energy density of 90 mJ / cm 2
Irradiated with 00 shots. When the X-ray diffraction of this film was measured, a peak due to an anatase crystal showing photocatalytic activity was observed. Photodecomposition experiment of tetrachloroethylene was performed using this titanium oxide thin film. 15 mL of a 100 ppm aqueous solution of tetrachloroethylene was placed in a square test cell made by Pyrex, a quartz glass plate formed with a titanium oxide thin film catalyst was immersed in the above surface, and irradiated with light from a xenon lamp of 300 W for 3 hours while bubbling oxygen. After the reaction, the product liquid was analyzed by gas chromatography, and the amount of tetrachloroethylene was below the detection limit.

【0017】[0017]

【発明の効果】本発明の水溶性チタンを酸化チタン薄膜
製造の前駆体として用いることにより、作業安全性や腐
食性などの問題が解決され、操作も簡便になった。
By using the water-soluble titanium of the present invention as a precursor for producing a titanium oxide thin film, problems such as work safety and corrosiveness have been solved, and the operation has been simplified.

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 ヒドロキシ(ヒドロキシカルボキシラ
ト)チタンの水溶液を基板にコーティングした後、室温
から徐々に600℃〜700℃まで加熱昇温し、次いで
600℃〜700℃にて焼成することを特徴とする酸化
チタン薄膜光触媒の製造方法。
1. After coating an aqueous solution of hydroxy (hydroxycarboxylato) titanium on a substrate, the substrate is gradually heated from room temperature to 600 ° C. to 700 ° C., and then fired at 600 ° C. to 700 ° C. Of producing a titanium oxide thin film photocatalyst.
【請求項2】 ヒドロキシ(ヒドロキシカルボキシラ
ト)チタンの水溶液を基板にコーティングした後、35
0nm以下の光を、エネルギー密度50〜100mJ/
cm2 で照射することを特徴とする酸化チタン薄膜光触
媒の製造方法。
2. After coating the substrate with an aqueous solution of hydroxy (hydroxycarboxylato) titanium,
0 nm or less light with an energy density of 50-100 mJ /
A method for producing a titanium oxide thin film photocatalyst, which comprises irradiating with a cm 2 .
【請求項3】 ヒドロキシ(ヒドロキシカルボキシラ
ト)チタンがテトラアルコキシチタンとヒドロキシカル
ボン酸から製造され、ヒドロキシカルボン酸がグリコー
ル酸、乳酸、α−ヒドロキシ酪酸、α−ヒドロキシイソ
酪酸、β−ヒドロキシプロピオン酸、β−ヒドロキシ酪
酸、β−ヒドロキシイソ酪酸、γ−ヒドロキシ酪酸、グ
リセリック酸、タートロニック酸、リンゴ酸、酒石酸、
メソ酒石酸、クエン酸から選ばれる少なくとも一種類で
ある請求項1または2記載の酸化チタン薄膜光触媒の製
造方法。
3. Hydroxy (hydroxycarboxylato) titanium is produced from tetraalkoxytitanium and hydroxycarboxylic acid, wherein the hydroxycarboxylic acid is glycolic acid, lactic acid, α-hydroxybutyric acid, α-hydroxyisobutyric acid, β-hydroxypropionic acid, β-hydroxybutyric acid, β-hydroxyisobutyric acid, γ-hydroxybutyric acid, glyceric acid, tartronic acid, malic acid, tartaric acid,
The method for producing a titanium oxide thin film photocatalyst according to claim 1 or 2, wherein the photocatalyst is at least one selected from mesotartaric acid and citric acid.
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