JP2002154823A - 無機系酸窒化物の製造方法および無機系酸窒化物 - Google Patents
無機系酸窒化物の製造方法および無機系酸窒化物Info
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Abstract
化物効率的に製造する。 【解決手段】 酸化チタンの粉末と尿素を攪拌混合した
後、加熱して酸窒化チタンを製造する(S11〜S1
3)。
Description
製造方法および無機系酸窒化物、特に光触媒活性を有す
る無機系酸窒化物に関する。
iO2)が広く利用されている。しかし、この酸化チタ
ンは、紫外光において触媒活性を示すが、可視光におい
てはほとんど触媒活性を示さない。
紫外線領域の光は、数%程度であり、蛍光灯の光などは
紫外線領域の光をほとんど含まない。従って、可視光に
おいても光触媒活性を示す物質が望まれている。
窒素と置換した酸窒化チタン(Ti−O−N)が、可視
光においても良好な光触媒活性を示すことを発見した。
この酸窒化チタンは、酸化チタンなどのチタン化合物を
ターゲットとして窒素雰囲気でスパッタリングすること
により薄膜として形成することができる。これについて
は、特願平11−223003号において提案した。ま
た、特願2000−19315号において、酸窒化物の
製造方法について各種の提案をした。
のなどが利用しやすい。すなわち、粉末形状であれば、
接着剤などと一緒に必要な場所に塗布するなどの方法
で、所望の場所に容易に光触媒の膜を形成することがで
きる。そこで、粉末状の酸窒化物を効率的に製造するこ
とが望まれている。
の無機系酸窒化物を効率的に製造する方法および製造さ
れた無機系酸窒化物に関する。
は、ホウ酸と尿素の混合物を加熱して窒化ホウ素を得る
方法が示されており、また特開2000−144394
号公報には、ホウ酸と酸化チタンと尿素の混合物から熱
処理で窒化チタンを得ることが示されているが、これら
は条件および結果生成物の両方が本発明と異なるもので
ある。
物の製造方法であって、比表面積が5m2/g以上の酸
化物と、常温で酸化物に吸着する窒素化合物の混合物を
加熱して光触媒活性を有する無機系酸窒化物を製造する
ことを特徴とする。
常温で吸着する窒素化合物を使用し、これらの混合物を
加熱することによって、原料酸化物内へ窒素を侵入させ
ることができる。これによって、酸化物の酸素の一部が
窒素に置換され酸窒化物が生成される。すなわち、酸窒
化物の形成が比較的低温(例えば、150℃〜600℃
程度)で、かつ短時間の加熱で達成できる。また、原料
酸化物結晶の表面に窒素化合物の吸着され、原料酸化物
結晶の表面が窒素化合物で覆われる。この結果、加熱処
理によって形成される酸窒化物の結晶の粗大化が抑制さ
れ、原料酸化物とほぼ同じ比表面積を有する酸窒化物が
得られる。これにより、生成された酸窒化物において、
原料酸化物と同様の紫外光触媒活性が得られるととも
に、可視光においても高い光触媒活性を得ることができ
る。
鉛、酸化スズ、酸化鉄、酸化タングステン、酸化ケイ素
から選ばれた1以上の物質であることが好適である。こ
れらの物質は、元々紫外線照射下において光触媒機能を
有しており、窒素を導入することで、可視光による光触
媒機能を発揮するようになる。
物、アミド等が使用できるが、尿素であることが好適で
ある。尿素は、酸化物の表面に吸着されやすく、また加
熱することによって窒素が酸化物中に効果的に侵入す
る。
他、チオ尿素、二酸化チオ尿素、1,1−ジメチル尿
素、シアヌル酸など還元力を有するもの(特に、尿素類
似化合物)が利用可能である。これは、炭酸アンモニウ
ムのように還元力のないものであると、酸化物と反応せ
ず、酸化物中に窒素が侵入しないからである。
において行われることが好適である。アンモニアガスか
らの窒素が酸化物中に侵入し、さらに窒素含有量の多い
酸窒化物を形成することができる。
が5m2/g以上の酸化物と、常温で液体もしくは固体
の窒素化合物の混合物を加熱して製造された光触媒活性
を有する粉末状の無機系酸窒化物であって、窒素原子に
よる酸素原子の置換割合が、0.1〜25%であること
を特徴とする。窒素含有量が多いため、可視光において
十分な光触媒活性を得ることができる。例えば、酸窒化
チタンであれば、TiO1.998N0.002〜Ti1.5N0.5の
範囲である。
て、図面に基づいて説明する。
説明する。まず、粉末状の酸化チタンと、尿素を用意す
る(S11)。酸化チタンは、比表面積が5m2/g以
上のものとし、好ましくは300m2/g以上のものと
する。このような粉末状の酸化チタンは市販されている
ので、それを利用すればよい。ただし、粉末粒子の大き
さが上述のようなものであれば問題はないため、市販さ
れているものでなくてもよい。なお、表面積の小さなも
のは、その分だけ触媒としての能力が劣ってしまうた
め、好ましくない。さらに、尿素からの窒素の侵入も十
分なものにできない。
末状のものを利用すればよい。
る(S12)。尿素は、常温で酸化チタンの表面に吸着
される。そこで、両者を攪拌混合することで、尿素が酸
化チタンの表面に付着する。量的には、両者をほぼ同重
量ずつ混合すればよく、これによって十分な尿素を酸化
チタンの表面全体に吸着させることができる。なお、尿
素などの窒素化合物の水溶液を作り、これを酸化チタン
粉末の表面に付着させてもよい。
混合され、酸化チタン粉末の表面に尿素が吸着された場
合には、その混合物を加熱する。温度は500℃程度、
時間は30分程度が好適であり、さらに加熱中も攪拌を
継続することが好ましい。このような加熱処理によっ
て、酸化チタンの内部に窒素が侵入し、酸窒化チタンが
生成される。
に吸着されており、窒素の侵入が非常に容易に行われ
る。そこで、600℃未満という低温でかつ短時間での
酸窒化チタンの生成が可能になる。
間の加熱により、酸窒化チタンの結晶の粗大化が抑制さ
れ、原料の酸化チタンと同じ比表面積を有する酸窒化チ
タンが得られる。特に、酸化チタンの表面に尿素が吸着
されており、酸化チタンの粉末粒子同士が直接接触して
いない。そこで、加熱されたときに、粉末粒子同士が合
体して結晶化が進むのが防止され、粒子の粗大化が抑制
される。
れた酸窒化チタンの粉末が生成される。この粉末の粒子
径は、基本的に原料の酸化チタンと同一であり、従って
酸化チタンと同様の紫外光における光触媒を維持するこ
とができる。そして、窒素が導入されて得られた酸窒化
チタンは、紫外光だけでなく可視光において触媒活性を
有する。そこで、屋外、屋内における防曇、防汚材とし
て広く利用できる。特に接着剤などのバインダを利用し
て所望の表面に塗布することができ、広範囲な利用が期
待できる。
換により、Ti原子とN原子との間の化学結合が存在す
る状態で導入されている。
m2/g以上を有する酸化物であればいかなるものでの
よいが、光触媒などに使用できる、酸化チタン、酸化亜
鉛、酸化錫、酸化鉄、酸化タングステン、酸化ケイ素の
中から選ばれた1種または2種以上が好適である。酸化
物の表面積が上記値を下回る場合、窒素化合物の吸着量
が不足して酸窒化物の形成に支障をきたし、結晶粒子の
粗大化を抑制できる温度範囲の加熱では酸窒化物が形成
できなくなる。
式法で製造される粉末や膜、あるいは内部に微細孔を有
するメソポア多孔質材料などいかなるものでもよい。さ
らに、本発明でいう酸化物とは、非酸化性雰囲気中での
加熱によって酸化物になるものを含み、含水酸化物、水
酸化物であってもよい。
上であることが好適である。これは、この程度の比表面
積がないと、窒素の侵入を十分なものとできず、また生
成された酸窒化物が触媒活性を十分発揮することができ
ないからである。
素化合物の吸着量が不足して、酸窒化物の形成に支障を
きたし、また結晶粒子の粗大化を抑制できる温度範囲で
の加熱では酸窒化物の形成が困難になるからである。
ばチオ尿素、二酸化尿素、1,1−ジメチル尿素、シア
ヌル酸など各種のアミノ化合物やアミド等の還元力のあ
る窒素化合物を利用することもできる。なお、限定され
るわけではないが、窒素化合物は常温で液体もしくは固
体のものが好ましい。これは、アンモニアやヒドラジン
等常温で気体のものは酸化物の表面への吸着が効果的に
行えないからである。
意の混合方法が選択できる。例えば、粉末同士であれ
ば、上述のように、そのまま両者を混合すればよい。ま
た、窒素化合物を適当な溶媒に溶解してから酸化物粉末
と混合してもよい。さらに、酸化物が基体上の膜である
場合には、窒素化合物溶液をスプレーなどで塗布しても
よい。
もよが、酸窒化物の再酸化を防止するために、窒素ガ
ス、アルゴンガスなどの不活性ガス雰囲気あるいは、水
素ガス、アンモニアガス、ヒドラジンガスなど従来公知
の還元性ガス雰囲気が好ましい。特に、アンモニアガス
雰囲気では、酸窒化物の酸化防止されるとともに、雰囲
気ガスからも窒素が供給され、酸窒化物の生成効率が高
まるため、特に好ましい。 ここで、加熱中は原料の酸
化物が還元力のある窒素化合物に均一に曝されるのが好
ましく、原料酸化物が粉末の場合は、加熱炉は流動層炉
やロータリーキルンなどの連続攪拌機構を持つものが好
ましい。しかし、連続攪拌機構を持たない炉であって
も、原料の酸化物と窒素化合物の混合物を、一度大気中
で150℃程度まで加熱し、攪拌具を使って原料をよく
混ぜ合わせ、その後所望の温度および雰囲気ガス中で加
熱すれば、最初から流動層炉などを用いた場合と同様の
酸窒化反応を行わせることができる。
窒素化合物との混合物を加熱するのが簡便であるが、原
料の酸化物の製造段階における加熱工程を利用してもよ
い。例えば、酸化チタンの粉末を得る一般的な製造方法
では、四塩化チタンや硫化チタニルなどのチタン塩水溶
液を加熱あるいはアルカリを添加して加水分解させて酸
化チタンの微結晶を沈殿させた後、ろ過、洗浄を経て加
熱乾燥される。さらに、場合によっては、この微結晶を
オートクレーブ中で100℃以上の温度で水熱処理して
所望の結晶体にまで成長させる。
明の加熱工程と兼ねてもよい。すなわち、酸化物粉末の
乾燥やオートクレーブ処理などの加熱工程に入る前に尿
素やチオ尿素などの還元力のある窒素化合物を混合し、
しかるのちに加熱を行う。この方法によれば、加熱温度
やガス雰囲気は従来条件から適宜変更する必要はある
が、省エネルギー、低コストの酸窒化物製造方法となり
好ましい。
に利用する場合には、酸窒化物粉末を水や有機溶媒に分
散させてゾルあるいはスラリーとし、これをコーティン
グ液として基体に塗布した後、加熱して酸窒化物粉末を
膜状に基体に密着させるのが一般的である。そこで、こ
の密着加熱工程を本発明の酸窒化物製造の加熱工程と兼
ねてもよい。すなわち、原料の酸化物粉末と尿素などの
還元力のある窒素化合物との混合物をゾルあるいはスラ
リーとして基体に塗布した後に加熱を行い、酸窒化物の
製造とコーティング膜化を同時に行ってもよい。この方
法では、酸窒化物の種類および基体の種類によって加熱
温度やガス雰囲気を従来条件から適宜変更する必要はあ
るが、低コストの酸窒化物コーティング液が得られると
いう利点がある。また、処理が全体として簡略化される
ため、コーティングが低コストで行える。
常温で吸着する尿素などの窒素化合物を使用し、これら
の混合物を加熱することによって、原料酸化物内へ窒素
を侵入させ酸素原子を窒素原子に置換させることができ
る。すなわち、酸窒化物の形成が600℃未満の低温
で、かつ短時間の加熱で達成できる。また、原料酸化物
結晶の表面に窒素化合物が吸着され、原料酸化物結晶の
表面が窒素化合物で覆われる。この結果、加熱処理によ
って形成される酸窒化物の結晶の粗大化が抑制され、原
料酸化物とほぼ同じ比表面積を有する酸窒化物が得られ
る。これにより、生成された酸窒化物において、原料酸
化物と同様の紫外光触媒活性が得られるとともに、可視
光においても高い光触媒活性を得ることができる。
320m2/gのアナターゼ型酸化チタン粉末を5種類
用意した。酸化チタン粉末を50gずつガラスビーカに
入れ、さらに試薬の二酸化チオ尿素粉末を25g添加し
た。そして、両者をへらで、十分攪拌混合した。このと
き、混合物は、純白色を呈していた。
ンプル1が320m2/g、サンプル2が90m2/gサ
ンプル3が7m2/g、サンプル4が4m2/g、サンプ
ル5が1m2/gである。
トルヒータにより加熱し、混合物の温度が200℃に達
するまでへらでかき混ぜながら混合物の色調変化を目視
観察した。その結果を表1に示す。
サンプル4および5では、昇温途中において二酸化チオ
尿素の分解ガスであるイオウ臭は強く感じられたもの
の、混合物の温度が200℃に到達しても、何ら色調変
化は観察されなかった。
2/g以上であるサンプル1,2および3では、150
℃以上において、混合物の色調が黄色に変化し、酸化チ
タンに窒素が導入されて酸窒化チタンが生成されること
が確認された。
よる酸素原子の置換割合をX線光電子分光分析で調べた
ところ、実施例では、0.2%以上という値を示した。
また、比較例では0.1%以下であった。
して、実施例1のサンプル1で使用したものと同じ比表
面積が320m2/gのアナターゼ型酸化チタン粉末を
用意した。比較例であるサンプル10〜12ではこれを
そのまま使用した。また、実施例であるサンプル6〜9
では、尿素試薬を等量混合した。
は、大気中で150℃まで加熱してよく攪拌し、ついで
炉中に静置して、サンプル6は窒素ガス中で250℃:
30分、サンプル7は窒素ガス中で350℃:30分、
サンプル8はアンモニアガス中350℃:30分、サン
プル9はアンモニアガス中450℃:30分加熱した。
プル10〜12については、サンプル10は加熱なし、
サンプル11はアンモニアガス中で450℃:30分、
サンプル12は、アンモニアガス中600℃:3時間加
熱した。
表2に示す条件で加熱処理した。その結果、粉末の色調
は、白色から、薄い黄色〜橙色に変化した。サンプル1
0は、酸化チタンの原料粉末のまま加熱しないものであ
り、色調は白色のままであった。
ンプル6〜9については、脱イオン水で洗浄し、酸窒化
物以外の残留物を除去して乾燥した。
晶形の調査を行った結果、いずれの加熱サンプルもサン
プル10の原料酸化物と同じアナターゼ型酸化チタンの
結晶形を維持していた。その平均結晶粒径は、実施例で
あるサンプル6〜9では、原料酸化物(サンプル10)
と同じ7nmであった。これに対し、比較例であるサン
プル11では、12nm、サンプル12では20nmと
結晶成長を起こしていた。
の酸素原子の窒素原子による置換割合を測定した結果、
表2に示すように、サンプル6〜9における窒素原子に
よる酸素原子の置換割合は、それぞれ、サンプル6:
0.3%、サンプル7:7.8%、サンプル8:8.7
%、サンプル9:10.5%であった。一方、比較例で
あるサンプル11,12では、それぞれ0.06%、
0.09%であった。このように、実施例の酸窒化物で
は、比較例より低温の加熱条件でも高い置換割合を示し
た。
び可視光線の照射下での光触媒能の測定を行った。この
測定は、定法に従い、アセトアルデヒドガスの光分解能
を測定した。すなわち、アセトアルデヒドの初期濃度を
50ppmとし、10Wのブラックライトを1時間照射
後のアセトアルデヒドの残留濃度を測定することで紫外
光線による光触媒活性を測定した。また、紫外線カット
フィルタ付10W白色蛍光灯を7時間照射後のアセトア
ルデヒドの残留濃度により、可視光線による光触媒活性
を測定した。
よび比較例であるサンプル10では、紫外光線照射によ
り残留アルデヒド濃度は2ppmとなった。これより、
600℃以下の加熱により、結晶粒子が粗大化すること
なく、酸窒化物が形成された結果、紫外光線照射下での
光触媒作用が原料粉末であるサンプル10(比較例)と
同等に維持されることが確認された。一方、サンプル1
1および12では、残留アルデヒド濃度がそれぞれ5p
pm、8ppmであり、紫外光線活性が損なわれている
ことがわかる。これは、酸化チタンが粗大化したためで
ある。
ヒド濃度は、サンプル6で20ppm、サンプル7で1
5ppm、サンプル8で12ppm、サンプル9で8p
pmとなった。これより、粗大化が起こらない範囲で
は、加熱温度は高い方がよく、また窒素中よりはアンモ
ニア中が好ましいことがわかった。
むが、窒素ガス雰囲気中ではこれが防止されること、お
よびアンモニア雰囲気においてはアンモニアからの窒素
が酸化チタン中に侵入するためと考えられる。
は、黄色で酸窒化物が形成されているものの、結集粒子
の粗大化が起こっており、可視光活性が認められる反
面、紫外光活性が損なわれていた。
の酸窒化炭素について分析したところ、表2に示すよう
に、窒素原子による酸素原子の置換割合で0.3%以上
の窒素が含まれていた。一方、比較例であるサンプル1
1,12では、窒素含有率は0.1%以下である。この
ように、本発明により、従来に比べ、酸化チタンへの窒
素の導入を効率的なものとして、窒素含有率の大きな酸
窒化物を得ることができる。
窒素供給源として、酸化物に常温で吸着する窒素化合物
を使用し、これらの混合物を加熱することによって、原
料酸化物内へ窒素を侵入させることができる。すなわ
ち、酸窒化物の形成が比較的低温で、かつ短時間の加熱
で達成できる。また、原料酸化物結晶の表面に窒素化合
物が吸着され、原料酸化物結晶の表面が窒素化合物で覆
われる。この結果、加熱処理によって形成される酸窒化
物の結晶の粗大化が抑制され、原料酸化物とほぼ同じ比
表面積を有する酸窒化物が得られる。これにより、生成
された酸窒化物において、原料酸化物と同様の紫外光触
媒活性が得られるとともに、可視光においても高い光触
媒活性を得ることができる。
る。
Claims (5)
- 【請求項1】 無機系酸窒化物の製造方法であって、 比表面積が5m2/g以上の酸化物と、常温で前記酸化
物に吸着する窒素化合物の混合物を加熱して光触媒活性
を有する無機系酸窒化物を製造することを特徴とする無
機系酸窒化物の製造方法。 - 【請求項2】 請求項1に記載の方法において、 前記酸化物は、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化スズ、酸化
鉄、酸化タングステン、酸化ケイ素から選ばれた1以上
の物質であることを特徴とする無機系酸窒化物の製造方
法。 - 【請求項3】 請求項1または2に記載の方法におい
て、 前記窒素化合物は、尿素であることを特徴とする無機系
酸窒化物の製造方法。 - 【請求項4】 請求項1〜3のいずれか1つに記載の方
法において、 前記加熱は、アンモニアガス雰囲気において行われるこ
とを特徴とする無機系酸窒化物の製造方法。 - 【請求項5】 比表面積が5m2/g以上の酸化物と、
常温で液体もしくは固体の窒素化合物の混合物を加熱し
て製造された光触媒活性を有する粉末状の無機系酸窒化
物であって、窒素原子による酸素原子の置換割合が0.
1〜25%であることを特徴とする無機系酸窒化物。
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