JP2001002419A - バナジン酸ビスマスのソフト合成法および該方法によって得られたバナジン酸ビスマス - Google Patents
バナジン酸ビスマスのソフト合成法および該方法によって得られたバナジン酸ビスマスInfo
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Abstract
BiVO4結晶および前記結晶の常温製造方法の提供 【構成】 層状バナジン酸アルカリと硝酸ビスマス五水
和物とを、特に層状バナジン酸アルカリと硝酸ビスマス
五水和物とを硝酸ビスマスの量を化学量論量より少し小
さい条件で、水中で室温において懸濁撹拌して得られた
可視光下で硝酸銀水溶液の光化学的分解により酸素を生
成させる光触媒として有用な単斜晶系(Monoclinic)B
iVO4および前記単斜晶系結晶を水中で室温において
製造する方法。
Description
により酸素を生成させる反応を可視光照射により、特に
硝酸銀等の存在下で進行させる光触媒として有用な単斜
晶系(Mon.、Monoclinic)BiVO4、および前記単斜
晶系BiVO4を層状バナジン酸アルカリと硝酸ビスマ
ス五水和物とから室温で水を反応溶媒として合成する方
法(ソフト合成法という。)に関する。
として使用することは公知である(Catalysisi Letters
53(1998).229-230)。従来、BiVO4は、前記文献に
記載されているようにBi3O3(関東化学(株)、純度
98%)およびNH4VO3(関東化学(株)、純度99
%)からなる混合物をアルミナるつぼ中で、大気圧下に
おいて970または1170Kで5時間焼成することに
よって合成されていた(固相法)。この製造方法では得
られるBiVO4の結晶構造を単斜晶系または正方晶系
に自由に選択して合成することは難しい。固相法により
得られたBiVO4の特性を以下に示す。図4は、97
0Kの固相法で得られたBiVO4の拡散反射スペクト
ルを示す。吸収端の立上がりは、540nmであり、こ
れから得れれるバンドギャップ(B.G.)は約2.3
eVである。結晶の色はオレンジ−黄色であり、結晶構
造は単斜晶系であった。粒子サイズおよび表面積はそれ
ぞれ、1−10μmおよび0.7m2/gであった。図
5は、光触媒としてBiVO4を用い、異なった波長領
域の可視光照射条件における、AgNO3水溶液の光化
学的分解反応によるO2発生収量を示す。λ>560n
mのカットオフフィルターを採用したとき、活性は無視
できる程度である。これに対して、λ>520nmのカ
ットオフフィルターを使用した場合には、O2の発生が
観測された。この作用スペクトルは拡散反射スペクトル
と良く一致したことから、光触媒的に光化学的分解反応
が進行していることがわかる。このことから、BiVO
4の価電子帯(充満帯)は水を酸化してO2を形成する電
位を持っていることが理解される。この結果は、BiV
O4はCuドープZnS光触媒を用いた水の光化学的分
解反応による水素の発生反応とZ構成(scheme)の2光
子システムを構築するときにO2発生光触媒として利用
できることが期待できる。ここで、Z構成(scheme)と
は、水の光化学的分解反応を例に取れば、2つの光触媒
系を組合わせ、一方で水素を、他方で酸素を生成する2
光子過程の系である。この場合、酸素を効率的に発生さ
せる光化学的分解反応の光触媒の伝導帯のポテンシャル
が、水素を効率的に発生させる光化学的分解反応の光触
媒の価電子帯のポテンシャルより高い場合、前記伝導帯
に光エネルギーにより持ち上げられた電子は、前記価電
子帯に光エネルギー照射により生成するホールと反応し
て消失させることができる。しかし、まだ実際には可視
光で駆動するこのシステムは人工的には構築されていな
い。しかし、植物における光合成において行われてい
る。図6は、可視光(λ>420nm)照射の下で、A
gNO3溶液からBiVO4(a)およびWO3(b)上
で光触媒的にO2が生成することを示している。117
0Kで合成されたBiVO4の最大活性は31μmol
/hである。一方WO3の活性は65μmol/hであ
る。しかしながら、前記固相法によるBiVO4の製造
方法はエネルギー的にも、製造装置的にもコストパフォ
ーマンスがあまり良くないものである。また、得られた
BiVO4の活性も高くない。
BiVO4を、前記従来の高温焼成を必要としない効率
的で、簡易な方法で製造することができないかと検討し
た。その中で、Bi(NO3)3・5H2Oの硝酸溶液に
Na3VO4水溶液を加えることにより正方晶系(Tet
r.、Tetragonal)BiVO4を調製し、得られたBiV
O4の結晶を種々の温度で焼成して、結晶の異なるBi
VO4を得た。そして、700〜800Kの焼成によっ
て可視部に吸収を持つ単斜晶系の結晶が得られることが
分かった。拡散反射スペクトルからこの単斜晶系結晶の
バンドギャップは2.3eVと見積ることができた。そ
して、773Kで焼成したものでは、450nmの光に
おける酸素生成反応の結果から、量子収率2.6%が得
られた。ただこの方法では、常温の溶液反応でBiVO
4が得られる点で有用であが、光触媒活性の特性を有す
る単斜晶系の結晶を得るには更に焼成工程が必要であ
る。ちなみに、焼成前の結晶構造は正方晶系のBiVO
4であり、発光特性を有し、表面積は大きいが、光触媒
活性は低いものである。すなわち、エネルギー変換をす
るが、化学反応を伴わないものである。
結晶生成後の焼成を要しないで、高い光触媒活性を持つ
BiVO4結晶を生成する方法および従来の製造方法に
よって得られるBiVO4結晶よりも高い光触媒活性を
持つBiVO4結晶を提供することである。本発明者
は、前記焼成工程を必要とすることなく光触媒活性を持
つBiVO4結晶を製造する方法を検討する中で、Bi
VO4結晶を製造する原料のバナジン酸アルカリとして
層状バナジン酸アルカリ、特にK3V5O14、KV3O8の
層状バナジン酸アルカリを使用することにより、原料化
合物を常温において水中で撹拌するだけで、光触媒活性
を持つBiVO4結晶を製造できること、および該製造
方法によって得られたBiVO4結晶が従来のものより
高い光触媒活性を持つことを発見した。
ナジン酸アルカリと硝酸ビスマス五水和物とを水中で室
温において撹拌することにより得られた単斜晶系BiV
O4であり、好ましくは、層状バナジン酸アルカリとし
てバナジン酸カリウムKV3O8またはK3V5O14を用い
ることを特徴とする前記単斜晶系BiVO4であり、更
に好ましくは、層状バナジン酸アルカリと硝酸ビスマス
五水和物をV:Biが1:1となる量比で反応させて得
られたものであることを特徴とする前記単斜晶系BiV
O4である。また、第2は、層状バナジン酸アルカリと
硝酸ビスマス五水和物とを水中で室温において撹拌する
ことにより単斜晶系BiVO4を製造する方法である。
本発明者は、BiVO4を製造する原料として、層状バ
ナジン酸アルカリを用いることと、常温において反応原
料を水中で撹拌、懸濁させて反応させることにより、光
触媒活性がより高いBiVO4結晶を提供できることを
発見することにより、前記課題を解決したのである。ま
た、本発明のBiVO4結晶の製造方法では、層状バナ
ジン酸アルカリと硝酸ビスマス五水和物とをV:Biを
変えて反応させることによって正方晶系、単斜晶系の結
晶を自由選択的に合成できる。
は、K3V5O14とKV3O8を好ましいものとして挙げる
ことができる。 B.BiVO4結晶の合成:出発原料の層状バナジン酸
アルカリとして、バナジン酸カリウムK3V5O14または
KV3O8を用いる。 1,バナジン酸カリウムK3V5O14を用いた場合;これ
と硝酸ビスマス五水和物を水中に懸濁させ、室温下で長
時間撹拌することにより単斜晶系のBiVO4を合成で
きる。その際、反応に使用する層状バナジン酸アルカリ
と硝酸ビスマス五水和物の量比(V:Bi比で表す)を
色々変えて反応を行た。量比1:1においては単斜晶系
の結晶が得られ、3:4の条件では正方晶系の結晶が得
られた。硝酸ビスマスの量を化学量論量より少し小さく
することにより、単斜晶系の結晶が得られ易い。得られ
た結晶のそれぞれの拡散反射スペクトルを図1に示す。
これから、得られた単斜晶系の結晶のバンドギャップは
2.4eVであり、正方晶系の結晶のバンドギャップは
2.9eVであった。結晶特性は、XRD〔X線回折装
置(理学、型;RINT1400)〕、SEM〔走査電子顕微鏡
(日立、型;S-5000)〕で、また、拡散反射スペクトル
は、紫外可視近赤分光光度計(日本分光、型;UbestV-5
70)で観察した。 2,KV3O8を用いた場合においても、前記1,と同様
な操作により単斜晶系の結晶が得られた。
4結晶の光触媒特性の検討;閉鎖循環系に取り付けられ
たパイレックス反応管に、前記BiVO4結晶を1グラ
ムと0.05Mの硝酸銀水溶液300mlを入れ、30
0Wキセノンランプ(CERMAX社、型;LX300)にカッ
トフィルター(420nm以下の波長をカットする)を
取り付け、光を照射した。図2に、本発明で得られた単
斜晶系BiVO4(K3V5O14を原料としたもの)の可
視光照射における触媒活性の特性を示す。図2から、0
〜1時間の酸素生成速度は179μmol/hであり、
1〜2時間では421μmol/hであった。従って、
固相法700℃で焼成して得た単斜晶系のBiVO4の
活性(31μmol/h)の約6倍(0〜1時間におけ
る)よりもかなり高いことが理解できる。また、前記引
用文献に記載の図5の、AgNO3水溶液からBiVO
4およびWO3表面で光触媒的にO2生成させる特性と比
べても、本発明の方法によって得られたBiVO4結晶
が極めて高い光触媒活性を持つことが理解される。ま
た、層状KV3O8を原料として用いて得られた単斜晶系
BiVO4の触媒活性を、上記の場合と同様の条件で調
べたところ、1〜2時間での酸素生成速度は382μm
ol/hであった。
を原料)の量子収率;閉鎖循環系に取り付けられたパイ
レックス反応管に単斜晶系BiVO4からなる触媒1グ
ラムと0.05Mの硝酸銀水溶液300mlを入れ、3
00Wキセノンランプ(CERMAX社、型;LX300)を用
いて、450nmのスペクトルにおける酸素生成反応を
観察した。測定結果を図3に示す。これから求めた量子
収率は9.0%であった。この値は、前記水溶媒中で合
成したBiVO4結晶を700〜800Kで焼成するこ
とによって得られた単斜晶系のBiVO4結晶の450
nmにおける酸素生成反応により得られた量子収率2.
6%よりかなり大きい。このことから、光化学的触媒活
性が従来の製造方法で得らるものに比べて高く、かつ、
得られる単斜晶系の結晶そのものが従来のものとは異な
る結晶構造、換言すれば結晶構造的観点から異なる化合
物、であるものと推測させる。 量子収率;ここで量子収率とは、(O2が生成するのに
消費された正孔の数/吸収された光子数)×100であ
る。この反応においてH2Oの2分子からO2が1分子生
成する時4つの正孔が必要である(4電子酸化)。換言
すれば、光触媒化学的に優れた特性を有することが酸素
生成の実験結果から理解できる。
和物(V:Biの量比1:1)を約50mlの水中に懸
濁させ、室温でマグネティックスターラーにより三日間
撹拌することによって単斜晶系のBiVO4を合成し
た。また、V:Biの量比を3:4に変えるだけ正方晶
系のBiVO4を合成することができた。
が極めて大きく、フォトン・コストを著しく低減し得る
光触媒反応特性を有するBiVO4結晶を提供した点、
および前記光触媒特性の優れたBiVO4結晶を常温に
おいて、V:Biの量比を変えるだけで選択的に製造す
ることができる製造方法を提供した点で、顕著な効果を
もたらした。
としてK3V5O14を用いた)の拡散反射スペクトル
としてK3V5O14を用いた)の可視光照射による硝酸銀
水溶液からの酸素形成特性。
としてK3V5O14を用いた)の量子収率
拡散反射スペクトル
異なった波長領域の可視光照射に対するAgNO3水溶
液からのO2生成特性 (a)λ>560nm、(b)λ>520nm、(c)λ>480n
m、(d)λ>440nm、(e)λ>420nm
(a)とWO3(b)上での可視光(λ>420nm)
照射の下でAgNO3溶液からのO2生成特性
Claims (5)
- 【請求項1】 層状バナジン酸アルカリと硝酸ビスマス
五水和物とを水中で室温において撹拌して反応させるこ
とにより得られた単斜晶系BiVO4。 - 【請求項2】 層状バナジン酸アルカリとしてKV3O8
またはK3V5O14のバナジン酸カリウムを用いることを
特徴とする請求項1に記載の単斜晶系BiVO4。 - 【請求項3】 層状バナジン酸アルカリと硝酸ビスマス
五水和物をV:Biが1:1となる量比で反応させて得
られたものであることを特徴とする請求項1又は2に記
載の単斜晶系BiVO4。 - 【請求項4】 層状バナジン酸アルカリと硝酸ビスマス
五水和物とを水中で室温において撹拌して反応させBi
VO4結晶を製造する方法。 - 【請求項5】 BiVO4結晶が単斜晶系であることを
特徴とする請求項4に記載の製造方法。
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