JP2003033663A - 可視光領域で触媒活性を有する光触媒 - Google Patents
可視光領域で触媒活性を有する光触媒Info
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Abstract
提供する。 【解決手段】 組成式(I)A2-XB2+XO8-2δで表さ
れ、複数の価数を取り得るAイオンとBイオンが規則配
列をした組成式(II)A2-X 3+B2+X 4+O7+(X/2)+Yのパ
イロクロア型酸化物の蛍石型構造から見た酸素欠損位置
または侵入型位置の少なくとも一方に酸素イオンが挿入
されたパイロクロア関連構造酸化物から成っており、挿
入された酸素イオンの高い活性度を利用して高い触媒活
性を発揮させることができ、更に、挿入する酸素イオン
量を変えてエネルギーバンドギャップと挿入した酸素イ
オンに起因する欠陥準位を変化させることにより可視光
領域においても有効に作用させられることを特徴として
いる。
Description
光触媒に係り、特に、可視光領域でも触媒活性を有する
光触媒に関するものである。
元力を積極的に利用して、汚染大気・汚染水の清浄化な
どグローバルな環境浄化から、消臭・防汚・抗菌などの
生活環境浄化に至るまで、さまざまな分野で光触媒の実
用化に向けた研究開発が進められている。
な酸化物として、例えば、アナターゼ型酸化チタンが知
られており、脱臭・抗菌・防汚材として既に実用化され
ている。但し、酸化チタンが光触媒としての性能を発揮
するのは、太陽光線のうち4%程度にすぎない紫外線に
対してのみである。このため、屋外における酸化チタン
の高機能化・可視光領域での応答性を目指してさまざま
な改良が試みられている。例えば、酸化チタン上に色素
を吸着させ可視光を吸収して生じた吸着色素の励起状態
から酸化チタンへ電子を注入する方法、Cr、V、M
n、Fe、Niなどの金属イオンを化学的に注入する方
法、プラズマ照射によって酸素欠陥を導入する方法、異
種イオンを導入する方法などさまざまな試みが国内外で
行われてきている。
難しい、電子と正孔の再結合による光触媒活性が低下す
る、調整コストが高いなどの問題があるため、未だ工業
化には至っていない。
活性を有するとして最近注目されている。例えば、特開
平7−24329号公報においては、一般式A3+B3+O
3で表されるLaFeO3および一般式A2+B3+Oxで表
されるSrMnOxなどが提案されているが、高い触媒
活性は得られていない。
も盛んに行われている。例えば、特開平10−2441
64号公報には層状ペロブスカイト型のABCO4が提
案され、特開平8ー196912号公報にはKLaCa
2Nb3O10系複合酸化物が提案され、また、特開平11
−139826号公報には、KCa2Nb3O10が提案さ
れている。但し、これらの原理および製法は複雑であ
り、また、得られた酸化物の化学的安定性にも問題があ
るため未だ工業化には至っていない。
題点に着目してなされたもので、その課題とするところ
は、可視光領域においてシンプルな新しい機構に基づい
て光触媒活性を発揮する安価な光触媒を提供することに
ある。
記課題を解決するために光触媒の性能について鋭意研究
を重ねたところ、組成式(I)A2-XB2+XO8-2δで表さ
れ、複数の価数を取り得るAイオンとBイオンがそれぞ
れ規則配列をした組成式(II)A2-X 3+B2+X 4+O
7+(X/2)+Yのパイロクロア型酸化物の蛍石型構造から見
た酸素欠損位置または侵入型位置の少なくとも一方に酸
素イオンが挿入されたパイロクロア関連構造酸化物にお
いては、挿入された酸素イオンの高い活性度を利用し、
さらに挿入する酸素イオン量を変えてエネルギーバンド
ギャップと挿入された酸素イオンに起因する欠陥準位を
変化させることにより、可視光領域においても触媒活性
を持たせられることを見出した。本発明は、このような
技術的発見に基づき完成されたものである。
領域で触媒活性を有する光触媒を前提とし、この光触媒
が組成式(I)A2-XB2+XO8-2δ(但し、−0.4<X
<+0.6、かつ、−0.5<2δ<+0.5)で表さ
れ、複数の価数を取り得るAイオンとBイオンがそれぞ
れ規則配列をした組成式(II)A2-X 3+B2+X 4+O
7+(X/2)+Y(但し、−0.4<X<+0.6、かつ、−
0.2<Y<+0.2)のパイロクロア型酸化物の蛍石
型構造から見た酸素欠損位置または侵入型位置の少なく
とも一方に酸素イオンが挿入されたパイロクロア関連構
造酸化物から成ることを特徴とするものである。
載の発明に係る可視光領域で触媒活性を有する光触媒を
前提とし、上記パイロクロア関連構造酸化物を表す組成
式(I)A2-XB2+XO8-2δ中、Aイオンは複数の価数を
取り得る1種以上のランタノイド元素、または、この元
素に2価のアルカリ土類元素、3価のランタノイド元
素、イットリウムから選択された1種以上が添加されて
おり、BイオンはIVa族およびIVb族の4価をとり得る
元素から選択された1種以上の元素、または、この元素
にイットリウム、IIIb族元素、Va族元素から選択され
た1種以上が添加されていることを特徴とし、請求項3
に係る発明は、請求項1または2記載の発明に係る可視
光領域で触媒活性を有する光触媒を前提とし、組成式
(I)A2-XB2+XO8-2δで表されるパイロクロア関連構
造酸化物が、組成式(II)A2-X 3+B2+X 4+O7+(X/2)+Y
で表されるパイロクロア型酸化物を酸素含有ガス中、3
00〜900℃の条件で酸化処理して得られていること
を特徴とし、請求項4に係る発明は、請求項1、2また
は3記載の発明に係る可視光領域で触媒活性を有する光
触媒を前提とし、上記パイロクロア関連構造酸化物を表
す組成式(I)A2-XB2+XO8-2δにおいて、AはCe、
Prから選択された1種以上の元素、BはZr、Hfか
ら選択された1種以上の元素であることを特徴とするも
のである。
て詳細に説明する。
(I)A2-XB2+XO8-2δ(但し、−0.4<X<+0.
6、かつ、−0.5<2δ<+0.5)で表され、複数
の価数を取り得る上記AイオンとBイオンがそれぞれ規
則配列をした組成式(II)A2-X 3 +B2+X 4+O7+(X/2)+Y
(但し、−0.4<X<+0.6、かつ、−0.2<Y
<+0.2)のパイロクロア型酸化物の蛍石型構造から
見た酸素欠損位置または侵入型位置の少なくとも一方に
酸素イオンが挿入されたパイロクロア関連構造酸化物か
ら成っており、挿入された上記酸素イオンの高い活性度
を利用して高い触媒活性を発揮させることができ、更
に、挿入する酸素イオン量を変えてエネルギーバンドギ
ャップと挿入された酸素イオンに起因する欠陥準位を変
化させることにより可視光領域においても有効に作用さ
せられることを特徴としている。
δにおいてδの値は−0.5<2δ<+0.5であるこ
とを要する。酸素の欠損量(2δ)が0.5よりも多く
なった場合、酸素の過剰量が0.5よりも多くなった場
合とも、パイロクロア関連構造を保てなくなり、異相の
析出量が増して触媒性能が低下してしまうからである。
る本発明に係る光触媒の形状は、光を有効に利用するた
めに表面積の大きい粒子であることが望ましく、一般に
は粒子の大きさは0.1〜10μm、より好ましくは
0.1〜1μmが適当である。このような粒径を得る慣
用的な手段として、最終的に焼結試料を得た後に、例え
ば、ボールミル、遊星回転ボールミル等を用いて粉砕あ
るいは乳鉢を用いて手粉砕する方法が挙げられる。
で表されるパイロクロア関連構造酸化物の前駆体となる
組成式(II)A2-X 3+B2+X 4+O7+(X/2)+Yで表されるパ
イロクロア型酸化物は、通常の固相法、すなわち原料と
なる各金属成分の酸化物または炭酸塩や硝酸塩等の塩類
を目的組成比で混合し焼成することで合成されるが、こ
れ以外の湿式法あるいは気相法で合成してもよい。
は不可避的に0.9〜2.0モル%程度のHfO2が含
まれておりHfO2を含んだ状態でZrO2の秤量が行わ
れているが、最終的に調製された光触媒においても特性
を悪化させてはいない。
8-2δで表されるパイロクロア関連構造酸化物を得る場
合、実際には、中間酸化物として歪んだ蛍石型構造酸化
物である組成式(III)t’−A0.5-(X/4)B0.5+(X/4)
O2相を一旦製造し、この組成式(III)t’−A
0.5-(X/4)B0.5+(X/4)O2相を還元して組成式(II)A
2-X 3+B2 +X 4+O7+(X/2)+Yのパイロクロア型酸化物を製
造し、次いで、パイロクロア型酸化物を酸化して酸素を
挿入することにより、組成式(I)A2-XB2+XO8-2δ
(但し、−0.4<X<+0.6、かつ、−0.5<2
δ<+0.5)で表されるパイロクロア関連構造酸化物
が得られる。尚、中間酸化物である上記組成式(III)
で示されるt’相に異相が混じっていても、その後の還
元で得られるパイロクロア型酸化物A2-X 3+B2+X 4+O
7+(X/2)+Y中の異相が少なければ問題はない。また、組
成式(III)t’−A0.5-(X/4)B0.5+(X/4)O2の中間酸
化物を作る過程を省略し、出発原料粉末を混合して、還
元雰囲気で反応させることにより、直接、組成式(II)
A2-X 3+B2+X 4+O7+(X/2)+Yのパイロクロア型酸化物を
製造し、その後の酸化処理により、同様の組成式(I)
A2-XB2+XO8-2δ(但し、−0.4<X<+0.6、
かつ、−0.5<2δ<+0.5)で表されるパイロク
ロア関連構造酸化物を得ることができる。
I)t’−A0.5-(X/4)B0.5+(X/4)O2で表される酸化物
を得るには、出発原料を秤量し、上記ボールミル等で混
合し、15〜20mmφ程度の円盤状に圧粉成形し、空
気などの酸素含有ガス中、1500〜1750℃で30
〜70時間焼成することにより得る。次に、製造された
組成式(III)t’−A0.5-(X/4)B0.5+(X/4)O2で表さ
れる酸化物を平均粒径1〜2mmに粉砕する。これをロ
ジウム/白金箔上に乗せ酸素気流中500〜700℃で
5時間程度熱処理し酸素量を調整する。
は5%H2/Ar気流中で700〜1350℃で10〜
20時間還元する。還元処理後取り出した試料の質量を
精秤し、還元処理前の組成式(III)t’−A0.5-(X/4)
B0.5+(X/4)O2相からの質量変化から、得られた組成式
(II)A2-X 3+B2+X 4+O7+(X/2)+Yのパイロクロア型酸
化物の酸素量を決定する。尚、この組成式(II)A2-X
3+B2+X 4+O7+(X/2)+Y中のYは、パイロクロア型酸化物
におけるAイオン、Bイオンの価数とそのイオンの量に
よって変化する部分を示す量である。Aイオンが3価よ
りも小さく、Bイオンが4価よりも小さい価数をとれ
ば、Yは負数となる。また、製造条件によっては、Aイ
オンの一部がBイオン位置に回り込んだり、Bイオンの
一部がAイオンの位置に回り込むことが起こるが、これ
によってもYの値は変化する。このとき、Yの値が−
0.2より小さい場合、+0.2より大きい場合には、
パイロクロア型構造を保てなくなってしまう。従って、
上記組成式(II)中、−0.2<Y<+0.2であるこ
とを要する。
ウム/白金箔上に乗せ酸素気流中300〜900℃で5
時間程度熱処理すれば、陽イオンの規則配置を保ったま
ま酸素イオンを挿入することができ、組成式(I)A2-X
B2+XO8-2δ(但し、−0.4<X<+0.6、かつ、
−0.5<2δ<+0.5)で表されるパイロクロア関
連構造酸化物が得られる。尚、上記熱処理が300℃よ
り低いと酸素が十分に結晶中に挿入されない。また、9
00℃を越えると陽イオンの規則配置が崩れてランダム
配置となり、−0.4>Xか、+0.6<Xであると異
相の析出量が増えるため触媒性能が低下してしまう。
(但し、−0.4<X<+0.6、かつ、−0.5<2
δ<+0.5)で表されるパイロクロア関連構造酸化物
を光触媒に用いると、酸素イオンの挿入からも推察でき
るように挿入された酸素イオンは動きやすく活性である
ため光触媒活性は非常に大きくなる。さらに、この酸化
物においては、蛍石型構造から見た侵入型位置にも酸素
イオンが侵入できるという特徴を有しており、酸素イオ
ンの溶解サイトが無数にあるという点からも触媒活性は
非常に高い。さらに、酸化の温度、時間を変えて挿入酸
素イオン量を変化させ、あるいはAイオンをより低価数
若しくは高価数の陽イオンで置換したり、Bイオンを低
価数あるいは高価数の陽イオンで置換して挿入酸素イオ
ン量を変化させることによりエネルギーバンドギャップ
と挿入された酸素イオンに起因する欠陥準位を変化させ
て光吸収特性を制御することが可能となる。これらの原
理を応用することにより、可視光領域で応答性を有し、
高い触媒活性を発揮する光触媒を得ることができる。
する。但し、本発明はこれ等の実施例に限定されるもの
ではない。
99.99%、ig.-loss3.75%):1.2100
g、 ZrO2粉末(三徳金属工業株式会社製、ZrO2+Hf
O2の純度度99.60%、ig.-loss0.45%):
0.8382g 尚、上記「ig.-loss」は、水分、吸収物等によるロスを
示している。
う製乳鉢を用い、乾式で15分間混合した。
ガラス瓶に入れ、ボールミルを用いて20時間粉砕混合
した。
mmφの円盤状に成形した。
るつぼに入れ、空気中、1650℃で50時間焼成して
t’−Ce0.5Zr0.5O2相を製造した。
7+(X/2)+Yの製造) (粉砕処理) 上記t’−Ce0.5Zr0.5O2相の焼結
体をめのう乳鉢を用いて平均粒径1〜2mmに粉砕し
た。
上に乗せ、酸素気流中で600℃で5時間熱処理し酸素
量を調整した。尚、t’−Ce0.5Zr0.5O2相の酸素
量調整処理により、t’−Ce0.5Zr0.5O2相におい
て一部含まれていた3価のCeのほとんどが4価に調整
される。
Zr0.5O2相を、5%H2/Ar気流中で1300℃で
10時間還元処理した。尚、この還元処理により、4価
に調整された上記t’−Ce0.5Zr0.5O2相における
Ceのほとんどが3価に調整されてパイロクロア相とな
る。
理後取り出した試料の質量を精秤し、還元処理前のt’
−Ce0.5Zr0.5O2からの質量変化からパイロクロア
型酸化物の酸素量を決定したところ、Ce2Zr2O7.02
となった。
イロクロア型酸化物)を、ロジウム/白金箔上に乗せ酸
素気流中で600℃で5時間熱処理して酸素量を調整し
Ce2Zr2O8.0のパイロクロア関連構造酸化物が得ら
れた。
99.99%、ig.-loss3.33%):1.0664
g、 ZrO2粉末(三徳金属工業株式会社製、ZrO2+Hf
O2の純度度99.60%、ig.-loss0.53%):
0.6678g、 Nb2O6粉末(株式会社高純度化学研究所社製、純度9
9.9%、ig.-loss0.20%):0.0798g (混合処理) 1:秤量後の各試料を、めのう製乳鉢を
用い、乾式で15分間混合した。
ガラス瓶に入れ、ボールミルを用いて20時間粉砕混合
した。
mmφの円盤状に成形した。
るつぼに入れ、空気中、1650℃で50時間焼成して
Ce0.5Zr0.45Nb0.05O2.025組成物焼結体を製造し
た。
7+(X/2)+Yの製造) (粉砕処理) 上記Ce0.5Zr0.45Nb0.05O2.025組
成物焼結体を、めのう乳鉢を用いて平均粒径1〜2mm
に粉砕した。
上に乗せ、酸素気流中で600℃で5時間熱処理し酸素
量を調整した。
0.45Nb0.05O2.025組成物を、5%H 2/Ar気流中で
1300℃で10時間還元処理した。
理後取り出した試料の質量を精秤し、還元処理前のCe
0.5Zr0.45Nb0.05O2.025からの質量変化からパイロ
クロア型酸化物の酸素量を決定したところ、Ce2Zr
1.8Nb0.2O7.11となった。
イロクロア型酸化物)を、ロジウム/白金箔上に乗せ酸
素気流中で600℃で5時間熱処理して酸素量を調整し
Ce2Zr1.8Nb0.2O8.1のパイロクロア関連構造酸化
物が得られた。
99.99%、ig.-loss3.75%):5.9552
g、 ZrO2粉末(三徳金属工業株式会社製、ZrO2+Hf
O2の純度度99.60%、ig.-loss0.45%):
4.6130g、 La2O3粉末(和光純薬工業株式会社製、純度99.9
9%、空気中、800℃で12時間脱水したものを使
用):0.6028g (混合処理) 1:秤量後の各試料を、めのう製乳鉢を
用い、乾式で15分間混合した。
ジルコニア製ポットに入れ、エタノールを加え、遊星回
転ボールミルを用いて40分間粉砕混合した。
30分以上乾燥した。
mmφの円盤状に成形した。
るつぼに入れ、空気中、1650℃で50時間焼成して
Ce0.45La0.05Zr0.5O1.975組成物焼結体を製造し
た。
7+(X/2)+Yの製造) (粉砕処理) 上記Ce0.45La0.05Zr0.5O1.975組
成物焼結体を、めのう乳鉢を用いて平均粒径1〜2mm
に粉砕した。
上に乗せ、酸素気流中で600℃で5時間熱処理し酸素
量を調整した。
0.05Zr0.5O1.975組成物を、5%H 2/Ar気流中で
1300℃で10時間還元処理した。
理後取り出した試料の質量を精秤し、還元処理前のCe
0.45La0.05Zr0.5O1.975からの質量変化からパイロ
クロア型酸化物の酸素量を決定したところ、Ce1.8L
a0.2Zr2O6.91となった。
イロクロア型酸化物)を、ロジウム/白金箔上に乗せ酸
素気流中で600℃で5時間熱処理して酸素量を調整し
Ce1.8La0.2Zr2O7.9のパイロクロア関連構造酸化
物が得られた。
モニアをアルカリ処理溶液として水酸化物の沈殿を生成
させ、かつ、この沈殿物を、大気中、650℃で1時間
の条件で焼成処理してアナターゼ型の酸化チタン(従来
例に係る光触媒)を得た。
組成式(I)A2-XB2+XO8-2δ(但し、−0.4<X<
+0.6、かつ、−0.5<2δ<+0.5)で表され
るパイロクロア関連構造酸化物における2δの条件が、
2δ>+0.5である2δ=0.98の試料、すなわ
ち、Ce2Zr2O7.02を作製し比較例2に係る光触媒を
得た。
例1〜2に係る光触媒の触媒活性評価は、メチレンブル
ー(MB)水溶液の光ブリーチング法を用いて行った。
(実施例1〜3と比較例1〜2に係る光触媒)を同一容
器に入れ、光を照射し、光触媒効果によるメチレンブル
ーの分解の程度を分光光度計で調べる方法である。
フラスコを用いて1リットルの超純水に溶解し、2.0
×10-5mol/リットル(mol・dm-3)の水溶液を作製
した。
λ>420nmの光(可視光)を照射。
光光度計 B 試料溶液 実施例1〜3と比較例1〜2に係る光触媒(試料)0.
20gを、メチレンブルー水溶液200cm3中にマグ
ネチックスターラーを用いてそれぞれ分散させた。
ー水溶液を石英セルに各々採取し、透過スペクトルを分
光光度計を用いそれぞれ測定した。
繰り返し、時間経過毎に、透過スペクトルを測定した。
メチレンブルー水溶液の検量線からメチレンブルーの濃
度を評価した。
分光光度計(日立製作所製、U4000分光光度計)を
用いて、拡散反射法により各試料粉末(実施例1〜3と
比較例1)の光吸収スペクトルを測定し、試料の可視光
領域での光吸収の状態を調べた。
係る光触媒(試料)を使用した場合、比較例1〜2に係
る光触媒(試料)と比較して照射時間に対するメチレン
ブルー濃度の低下率が高い(すなわち、メチレンブルー
の分解程度が高い)ことから、各比較例に比べて各実施
例に係る光触媒(試料)の可視光領域での触媒活性が優
れていることが確認される。
ように、波長λ>420nmの可視光に対する各実施例
に係る光触媒の拡散反射率が比較例1に係る光触媒の拡
散反射率より低い値を示していることから、各実施例に
係る光触媒の可視光域での光吸収は比較例1に係る光触
媒より優れていることが確認される。
よれば、組成式(I)A2-XB2+XO8-2δ(但し、−0.
4<X<+0.6、かつ、−0.5<2δ<+0.5)
で表され、複数の価数を取り得る上記AイオンとBイオ
ンがそれぞれ規則配列をした組成式(II)A2-X 3+B2+X
4+O7+(X/2)+Y(但し、−0.4<X<+0.6、か
つ、−0.2<Y<+0.2)のパイロクロア型酸化物
の蛍石型構造から見た酸素欠損位置または侵入型位置の
少なくとも一方に酸素イオンが挿入されたパイロクロア
関連構造酸化物から成り、可視光領域で高い触媒機能を
発揮させることが可能となるため、環境汚染物質の分解
・処理や脱臭、防汚、抗菌、防曇などへの用途に提供で
きる効果を有する。
媒活性評価を行うための光照射実験装置における構成説
明図。
時間変化を示すグラフ図。
スペクトルを示すグラフ図。
Claims (4)
- 【請求項1】組成式(I)A2-XB2+XO8-2δ(但し、−
0.4<X<+0.6、かつ、−0.5<2δ<+0.
5)で表され、複数の価数を取り得る上記AイオンとB
イオンがそれぞれ規則配列をした組成式(II)A2-X 3+
B2+X 4+O7+(X/2)+Y(但し、−0.4<X<+0.6、
かつ、−0.2<Y<+0.2)のパイロクロア型酸化
物の蛍石型構造から見た酸素欠損位置または侵入型位置
の少なくとも一方に酸素イオンが挿入されたパイロクロ
ア関連構造酸化物から成ることを特徴とする可視光領域
で触媒活性を有する光触媒。 - 【請求項2】上記パイロクロア関連構造酸化物を表す組
成式(I)A2-XB2+XO8-2δ中、Aイオンは複数の価数
を取り得る1種以上のランタノイド元素、または、この
元素に2価のアルカリ土類元素、3価のランタノイド元
素、イットリウムから選択された1種以上が添加されて
おり、BイオンはIVa族およびIVb族の4価をとり得る
元素から選択された1種以上の元素、または、この元素
にイットリウム、IIIb族元素、Va族元素から選択され
た1種以上が添加されていることを特徴とする請求項1
記載の可視光領域で触媒活性を有する光触媒。 - 【請求項3】組成式(I)A2-XB2+XO8-2δで表される
パイロクロア関連構造酸化物が、組成式(II)A2-X 3+
B2+X 4+O7+(X/2)+Yで表されるパイロクロア型酸化物を
酸素含有ガス中、300〜900℃の条件で酸化処理し
て得られていることを特徴とする請求項1または2記載
の可視光領域で触媒活性を有する光触媒。 - 【請求項4】上記パイロクロア関連構造酸化物を表す組
成式(I)A2-XB2+XO8-2δにおいて、AはCe、Pr
から選択された1種以上の元素、BはZr、Hfから選
択された1種以上の元素であることを特徴とする請求項
1、2または3記載の可視光領域で触媒活性を有する光
触媒。
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-
2001
- 2001-07-25 JP JP2001224278A patent/JP4696416B2/ja not_active Expired - Fee Related
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CN111918837A (zh) * | 2018-04-04 | 2020-11-10 | 国立研究开发法人产业技术综合研究所 | 复合氧化物、以及将其用于电解质材料的电化学器件 |
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