JP2004131346A - Metal oxide sol and its production method - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a metal oxide sol of tungsten or molybdenum comprising microparticles and giving a sol solution stable for a long time. <P>SOLUTION: The metal oxide sol contains tungsten oxide or molybdenum oxide and ascorbic acid and has an average particle size of 300 nm or less. The sol is prepared by adding ascorbic acid to a solution of pertungstic acid or permolybdic acid to react them. Since the sol comprises uniform fine particles of tungsten oxide or molybdenum oxide and gives a stable solution, it is advantageously used e.g. for various electronic materials. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属酸化物ゾル及びその製造方法に関し、各種の触媒、セラミックス、エレクトロニクス等の材料として有用なタングステンまたはモリブデンの金属酸化物ゾルを提供することを目的とするものである。
【0002】
【従来の技術】
酸化タングステン、酸化モリブデンは、それぞれエレクトロクロミック材料、触媒などに用いられる有用な金属酸化物である。これらの材料は、基板や担体表面に固定化されて利用されることが多い。
その方法の一つとして、スパッタリング法や蒸着法などにより、これら金属酸化物材料を固定化するドライプロセス法がある。また別の方法として、金属アルコキシドや金属の酢酸塩、硝酸塩、錯体等の前駆体物質を基板や担体表面に塗布、含浸させ、固定化した後、これを熱処理して金属酸化物を得るウエットプロセス法がある。
前者のドライプロセス法では、平面状の基板に処理する場合には、均質で高性能な固定化物が得られる反面、処理コストが高くなり、安価な物品の処理には適さないという問題がある。また、触媒などのような担体粉末や異形の成型体に固定化する場合には利用できないという問題がある。
一方、後者のウエットプロセス法では、一般に前記前駆体物質は高温で熱処理を行わなければ金属酸化物とならないため、その利用範囲が制限されるという問題がある。
【0003】
上記の方法以外に、酸化タングステン、酸化モリブデンをウエットプロセス法で担体に固定化する方法として、金属酸化物微粒子の分散体を用いて担体に塗布または含浸する方法が挙げられるが、単に金属酸化物粉末を溶媒に分散しただけでは、その金属酸化物成分が直ぐに沈殿することにより、固定化が不均一となるのみならず、金属酸化物粒子が大きいことで固定化できなかったり、所望する材料性能が得られ難いという問題がある。
【0004】
このような問題を解決するために、本願出願人は、90℃で2時間の熱処理条件下に於て、三酸化モリブデンを生成することを特徴とする新規なモリブデン酸溶液を提案した。(特許文献1参照。)
この特許文献1の発明では、モリブデン酸塩からイオン交換樹脂を用いて陽イオンを除去し、モリブデン酸の溶液を製造している。しかしながら、この方法で得られたモリブデン酸溶液を前述のような目的に使用すると、溶液の使用寿命が短く、特に高濃度の場合、あるいは長期間での使用では、溶液に沈殿が発生するという問題があった。
【0005】
一方、ペルオキシタングステン酸塩溶液をイオン交換樹脂で処理した後、過酸化水素と反応させ、乾燥し、エタノールに再溶解させた溶液として、酸化タングステン前駆体溶液を得る方法が知られている。(特許文献2参照。)
この特許文献2の方法で得られた酸化タングステン前駆体溶液を基板に塗布し、300℃以下の温度で加熱することにより、均質な酸化タングステン膜を得ることができることを開示している。
しかしながら、この特許文献2の方法では、安定な前駆体を得るためには一旦乾燥させた後、エタノール等に再溶解させるため、必ずしも工業的に有利な方法とは言い難く、得られた酸化タングステン固定化物が高価なものになるという問題がある。また、前述のような再溶解工程では、得られる溶液は均質な溶液になり難く、未溶解成分が発生しやすいという欠点を有している。
この様に、酸化タングステン、酸化モリブデンの粒子を安定に分散させた溶液は、未だ開発されておらず、このような金属酸化物を微粒子で含有する安定な溶液の開発が望まれているのが現状である。
【0006】
【特許文献1】
特許第2766990号明細書
【特許文献2】
特表2000−510085号公報
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
この様な現状に鑑み、本発明者らは、タングステン、モリブデンの酸化物が特に微粒子状で溶液中に分散したゾル溶液で、しかも長期間にわたり沈殿や増粘などを生じない高性能な微粒子状ゾルを得ることにより、前述のような課題を解決できるものと考え、その方法について鋭意検討を重ねた。
その結果、過タングステン酸または過モリブデン酸溶液にアスコルビン酸を添加し、反応させて得られるこれらの金属酸化物ゾルが、その平均粒子径が300nm以下の酸化タングステンまたは酸化モリブデンの微粒子ゾルとして得られ、このゾルが前述のような課題を解決する材料となることを見出し、かかる知見に基づき本発明を完成させたものである。
【0008】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明はタングステンまたはモリブデンの金属酸化物とアスコルビン酸とを含有してなる平均粒子径300nm以下の金属酸化物ゾルに関する。
更に、本発明は過タングステン酸または過モリブデン酸溶液にアスコルビン酸を添加して反応させることを特徴とする金属酸化物ゾルの製造方法に関する。
本発明は、この様な方法によって、酸化タングステンまたは酸化モリブデンの金属酸化物ゾルを得、このゾルを各種工業用材料として使用するものである。
【0009】
【発明の実施の形態】
本発明の金属酸化物ゾルは、酸化タングステン(WO)または酸化モリブデン(MoO)とアスコルビン酸とを含有する金属酸化物ゾルである。またゾルの平均粒子径は300nm以下である。このような粒子径によって、本発明のゾルは溶液中で沈降せず、長期間にわたって均質なゾル状態を呈する。尚、ここで云う平均粒子径は、レーザーを用いた市販の粒度分布測定装置で簡便に測定することができるが、電子顕微鏡による観察等で粒子径を測定することも可能である。
【0010】
このような本発明のゾルを、その製造方法に基づき説明する。
本発明のゾルは、過タングステン酸または過モリブデン酸溶液にアスコルビン酸を添加して反応させることに特徴を有する。
この様な過タングステン酸または過モリブデン酸の溶液は、既知のいかなる方法で製造しても良く、例えば、酸化タングステン、タングステン酸または酸化モリブデン、モリブデン酸を直接過酸化水素水中に添加し溶解させることにより得ることができる。また別の方法として、タングステンまたはモリブデンの塩化物を中和分解し、これを洗浄して副生塩を取り除いた後、過酸化水素水と反応させることによっても得ることができる。
また、タングステン酸アンモニウム、タングステン酸ナトリウム、タングステン酸カリウム、タングステン酸カルシウム、モリブデン酸アンモニウム、モリブデン酸ナトリウム、モリブデン酸カリウム、モリブデン酸カルシウム、モリブデン酸リチウム、モリブデン酸バリウム等の塩を、イオン交換等の手段により陽イオンを除去した後、これに過酸化水素を接触させる方法、あるいは、過酸化水素と接触させた後、イオン交換等の手段により陽イオンを除去する方法等により得ることができる。
更には、上記の各種塩類を強酸を用いて分解した後、生成する副生塩を洗浄除去し、これに過酸化水素を反応させる方法によっても得ることができる。重要なことは、このようにして得られた過タングステン酸または過モリブデン酸の溶液が、透明性のある溶液状となっていることである。
【0011】
本発明ゾルの製造に使用する過タングステン酸または過モリブデン酸の溶液は、その製造上、溶液中に過酸化水素を含有している場合には、アスコルビン酸との反応を行う前に、共存する過酸化水素を除去しておく必要がある。
過酸化水素の除去方法は、最も簡便には加熱によって行うことができ、例えば95〜100℃で1〜2時間の加熱を行うことにより、共存する過酸化水素を分解によって除去することができる。
また、過酸化水素の分解除去には、接触分解触媒を使用することもでき、例えば、白金や二酸化マンガンを溶液と接触させることにより、共存する過酸化水素を分解除去することができる。
【0012】
この様な方法により得られる過タングステン酸または過モリブデン酸の溶液は、酸化タングステン(WO)または酸化モリブデン(MoO)として、35質量%以下の溶液となる。
この過タングステン酸または過モリブデン酸の溶液は、次いでこれにアスコルビン酸を添加反応させる。過タングステン酸または過モリブデン酸の濃度は、上述のように酸化タングステン(WO)または酸化モリブデン(MoO)として、35質量%以下であるが、この濃度が35質量%を越えると、アスコルビン酸との反応時に極端に溶液が増粘し、均一な反応が起こらなくなる可能性があり好ましくない。また、下限に関しては特段制限はないが、5質量%以下では、得られるゾルの濃度も低くなることで不経済となる。従って下限については5質量%以上であることが望ましい。また、更に好ましくは、WOまたはMoOとして15〜25質量%の範囲でアスコルビン酸との反応を行うことが望ましい。
【0013】
過タングステン酸または過モリブデン酸の溶液は、アスコルビン酸との反応を行わずにそのままでも一時的には安定状態を呈するが、保存時間の経過と共に凝集を生起し沈殿を生じるため、その安定化処理が必要になる。
ところで、タングステン酸、モリブデン酸は、一種のポリ酸であり、これらに過酸化水素を反応させた過タングステン酸、過モリブデン酸も酸素含有量が多いがこのポリ酸の一種であると考えられる。
ポリ酸であれば複数の金属元素核と酸素からなり、ある程度の分子量を有しているが、実際には粒度分布計で適切な散乱光を検出できないため、数ナノメーター以下の微細な単位で存在していると考えられる。過タングステン酸、過モリブデン酸の溶液が経時と共に沈殿を生じ安定でない原因として、溶液中に微細な単位即ち、低分子成分が多い為と考えられる。例えば、このような溶液を分画分子量10,000の限外濾過モジュールで循環濾過すると、酸化タングステンまたは酸化モリブデンの成分の30質量%程度またはそれ以上が濾液と共に排出される。実際にはこれらの成分が溶液の不安定性をもたらしていると考えられる。
しかし、本発明のアスコルビン酸を含有する溶液は、経時安定性に優れたゾル溶液である。本発明の金属酸化物ゾルが何故安定であるかの理由については定かでないが、例えばアスコルビン酸の添加、反応後は、レーザーを用いた測定装置で容易に粒子径が測定でき、前述の様な限外濾過モジュールで循環濾過しても濾液中に漏れ出る成分量は10重量%以下となる。
また、アスコルビン酸と反応させた後は、長期に保存しても沈殿や増粘を生じることはない。この様なことから、アスコルビン酸が過タングステン酸、過モリブデン酸に何らかの作用をし、ゾル粒子の形成および生成粒子の安定化に寄与しているものと推定される。
【0014】
アスコルビン酸の添加量は、過タングステン酸または過モリブデン酸の溶液との反応と、反応によって得られるゾルの安定化のために必要な量をもって決定するが、本発明では、過タングステン酸または過モリブデン酸溶液に対してアスコルビン酸の添加量が、過タングステン酸(WO)または過モリブデン酸(MoO)1モルに対してアスコルビン酸0.1〜1.5モルの範囲となるように添加する。
アスコルビン酸の添加量が多いほど、後述する安定化反応の時間は短く、加熱温度は低くても良い。しかし、ゾル粒子を生成させた後の安定性はアスコルビン酸の添加量が多いほど安定であることはなく、反応に要する時間、経済性等を考慮して決定する。また、添加するアスコルビン酸の添加量が0.1モルを下廻り少なくなると、反応に長時間を要するだけでなく、沈殿物が発生しやすくなるため好ましくない。
また反対に、アスコルビン酸が1.5モルよりも多くなると、ゾルの安定化の目的を越える量を添加することになり、不経済になるだけでなく、この領域では製造時または製造後経時に、前述の限外濾過による濾過漏れ量が多くなるため不安定化の原因となる。
【0015】
アスコルビン酸の添加方法は、過タングステン酸または過モリブデン酸の溶液に直接アスコルビン酸の粉末を添加、溶解する方法で行なっても、あるいはアスコルビン酸を水に溶解して水溶液として添加しても良い。また、アスコルビン酸添加時の温度も特段制限されることはないが、好ましくは過タングステン酸または過モリブデン酸の溶液を撹拌下、温度60〜100℃の加熱下で添加、反応させることにより、本発明金属酸化物ゾルは短時間に安定化される。アスコルビン酸添加時は、溶液は一時的に増粘し、発熱を伴う場合があるが、撹拌を続けることにより、やがて溶液粘度は低下し、タングステンまたはモリブデンの金属酸化物ゾルとなる。
【0016】
ところで、前述の様にアスコルビン酸は粒子の生成と生成粒子の分散安定化のために作用していると考えられるが、粒子が一旦形成されてしまうと、過剰のアスコルビン酸の残存はゾルの性能に悪影響を与える場合がある。従って、必要に応じ、反応後には過剰のアスコルビン酸は除去することが望ましい。勿論、ゾルの使用用途によってはアスコルビン酸の除去操作を行わずに使用することは一向に差し支えない。
過剰のアスコルビン酸の除去方法は、限外濾過洗浄がよく、例えばゾルの電気伝導度を監視しながら洗浄することでアスコルビン酸を効率よく除去できるが、アスコルビン酸は加熱によって分解するので、加熱分解などの方法を併用してもよい。
【0017】
過剰のアスコルビン酸の除去後には、本発明のゾルは、タングステンまたはモリブデンの金属酸化物に対するアスコルビン酸の含有量が、タングステンまたはモリブデンの金属酸化物(WOまたはMoO)1モルに対してアスコルビン酸が0.03〜0.6モルであることが必要である。即ち、このモル比が0.03を下廻ると、本発明の長期間に於いて沈殿を生じない安定なゾルとならない。また0.6を上廻ると、このゾル溶液のみでは安定であるが、ゾルの使用時に併用する他物質との相溶性が悪くなることがあるため、その用途が制限されるという問題を生じる。
尚、本発明のゾルに含まれるアスコルビン酸の含有量は、炭素量を分析して直接的に求めても、ゾルをアルカリ剤等でゲル化させてアスコルビン酸を遊離させた後に分析してもよく、より簡便には熱分析によって100〜600℃で熱分解、燃焼した後の質量減量をアスコルビン酸量とすることも出来る。
【0018】
この様にして得られる本発明の金属酸化物ゾルは、長期間、沈殿や増粘を起こすことなく安定である。また、本発明のゾルは、その使用用途に応じて、その他の微粒子分散体例えば、シリカゾル、アルミナゾル、チタニアゾル等と混合して使用することもできる。
更に、本発明ゾルの製造過程において、安定に添加できる化合物として、他の金属元素成分例えば、Y、Ti、Zr、V、Nb、Ta、Fe、Ru、Co、Al、Si、Sn、P、Sb、La、Ce、Nd、Sm等の元素の過酸化物や塩基性塩の少量を添加しておいてもよい。また、他のゾル成分の添加使用は、本発明の製造過程に於いて、アスコルビン酸の添加前または添加後に添加使用することにより、部分的に他の金属酸化物との混合物からなる安定な本発明ゾルを得ることができる。
【0019】
【実施例】
以下に、本発明の実施例を掲げ更に詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。尚、%は特に断らない限り全て質量%を示す。
【0020】
[実施例1]
タングステン酸(和光純薬工業(株)製試薬,WO 92.8%)100gに、35%過酸化水素水466.8gを加え、4時間撹拌した後、90℃の加熱下で更に1時間撹拌し、黄色透明溶液を得た。この溶液に、アスコルビン酸7.0g(アスコルヒ゛ン酸/WOモル比0.1)を加え、更に90℃の加熱下で1時間撹拌を行い、黄色のゾル溶液を得た。
このゾル溶液を分画分子量10,000の限外濾過モジュール(旭化成(株)マイクローサ゛UF)で循環洗浄した。
得られた本発明のゾル溶液を動的散乱理論を用いた粒度分布径で平均粒子径を測定した結果、70nmであった。また、このゾルの組成分析の結果、WO20%、アスコルヒ゛ン酸/WOモル比0.05であった。
更に、この本発明のゾル溶液を常温下で10日間放置したところ、僅かに容器の底に沈殿物が発生したが、分析の結果液上部の濃度に変化はなく、また粘度も製造直後と同一であった。
【0021】
[実施例2]
タングステン酸(和光純薬工業(株)製試薬,WO 92.8%)100gに、35%過酸化水素水466.8gを加え、2時間撹拌した後、加熱下90℃で更に1時間撹拌し、黄色透明溶液を得た。この溶液にアスコルビン酸(和光純薬工業(株)製試薬)21.1g(アスコルヒ゛ン酸/WOモル比0.3)を加え、更に温度90℃で1時間の撹拌を行い、青色のゾル溶液を得た。
このゾル溶液を分画分子量10,000の限外濾過モジュール(旭化成(株)マイクローザUF)で循環洗浄した。
得られた本発明のゾル溶液を動的散乱理論を用いた粒度分布径(ハ゜シフィックサイエンティフィック社製,ナイコンフ゜370)で平均粒子径を測定した結果、40nmであった。
また、このゾルの組成分析の結果、WO 20%、アスコルヒ゛ン酸/WOモル比0.06であった。
更に、このゾル溶液を常温下で10日間放置したが、ゾル溶液中には沈殿の発生は無く、増粘などの外観的な変化も認められなかった。
【0022】
[実施例3]
タングステン酸(和光純薬工業(株)製試薬,WO 92.8%)100gに、35%過酸化水素水233.4gとイオン交換水150gを加え、4時間撹拌した後、90℃の加熱下で更に1時間撹拌し、黄色透明溶液を得た。この溶液にアスコルビン酸(和光純薬工業(株)製試薬)35.2g(アスコルヒ゛ン酸/WOモル比0.5)を加え、更に温度90℃で1時間の撹拌を行い、タングステンゾル溶液を得た。得られた本発明のゾル溶液を動的散乱理論を用いた粒度分布径で平均粒子径を測定した結果、52nmであった。
また、このゾルの組成分析の結果、WO 25%、アスコルヒ゛ン酸/WOモル比0.4であった。
更に、このゾル溶液を常温下で10日間放置したが、ゾル溶液中には沈殿の発生は無く、増粘などの外観的な変化も認められなかった。
【0023】
[実施例4]
タングステン酸(和光純薬工業(株)製試薬,WO 92.8%))100gに、35%過酸化水素水466.8gを加え、4時間撹拌した後、90℃の加熱下で更に1時間撹拌し、黄色透明溶液を得た。この溶液に、アスコルビン酸70.5g(アスコルヒ゛ン酸/WOモル比1.0)を加え、更に90℃の加熱下で1時間撹拌を行い、青色のゾル溶液を得た。
このゾルを分画分子量10,000の限外濾過モジュール(旭化成(株)マイクローザUF)で循環洗浄した。
洗浄後のゾルの分析を行った結果、WO 19.5%であり、アスコルヒ゛ン酸/WOモル比0.1、収率は85%であった。
更に、このゾルを動的散乱理論を用いた粒度分布径で平均粒子径を測定した結果、43nmであった。
また、このゾル溶液を常温下で10日間放置したが、ゾル溶液中には沈殿の発生は無く、増粘などの外観的な変化も認められなかった。
【0024】
[実施例5]
タングステン酸アンモニウム(和光純薬工業(株)製試薬 ,WO 88.8%)50gに、イオン交換水200gを加え、撹拌溶解後、この溶液を陽イオン交換樹脂のカラムに通過させて淡黄色の酸性溶液を得た。この溶液に、35%過酸化水素水111.7gを加え、1時間撹拌した後、更に90℃の加熱下で1時間撹拌した。得られた黄色透明溶液に、アスコルビン酸20.2g(アスコルヒ゛ン酸/WOモル0.6比)を加え、更に90℃の加熱下で1時間撹拌を行い、青色のゾルを得た。得られた本発明のゾルを動的散乱理論を用いた粒度分布径で平均粒子径を測定した結果、48nmであった。
また、このゾルの組成分析の結果、WO 25%、アスコルヒ゛ン酸/WOモル比0.5であった。
更に、この本発明のゾルを常温下で10日間放置したが、ゾル溶液中には沈殿の発生は無く、増粘などの外観的な変化も認められなかった。
【0025】
[実施例6]
モリブデン酸(和光純薬工業(株)製試薬,MoO 80%)100gに、35%過酸化水素水162.1gとイオン交換水200gを加え、1時間撹拌した後、90℃の加熱下で更に1時間撹拌し、黄色透明溶液を得た。この溶液に、アスコルビン酸19.6g(アスコルヒ゛ン酸/MoOモル比0.2)を加え、更に90℃の加熱下で1時間撹拌を行い、青色のゾルを得た。
得られた本発明のゾルを動的散乱理論を用いた粒度分布径で平均粒子径を測定した結果、35nmであった。
また、このゾルの組成分析の結果、MoO 15%、アスコルヒ゛ン酸/MoOモル比0.2であった。
更に、この本発明のゾルを常温下で10日間放置したが、ゾル溶液中には沈殿の発生は無く、増粘などの外観的な変化も認められなかった。
【0026】
[実施例7]
酸化モリブデン(和光純薬工業(株)製試薬一級,MoO 99%)100gに、35%過酸化水素水202.6gとイオン交換水200gを加え、16時間撹拌した後、90℃の加熱下で更に1時間撹拌し、黄色透明溶液を得た。この溶液に、アスコルビン酸36.7g(アスコルヒ゛ン酸/MoOモル比0.3)を加え、更に90℃の加熱下で1時間撹拌を行い、青色のゾルを得た。
得られた本発明のゾルを動的散乱理論を用いた粒度分布径で平均粒子径を測定した結果、25nmであった。
また、このゾルの組成分析の結果、MoO 18%、アスコルヒ゛ン酸/MoOモル比0.3であった。
更に、この本発明のゾルを常温下で10日間放置したが、ゾル溶液中には沈殿の発生は無く、増粘などの外観的な変化も認められなかった。
【0027】
[比較例1]
タングステン酸(和光純薬工業(株)製試薬,WO 92.8%)100gに、35%過酸化水素水466.8gを加え、4時間撹拌した後、90℃の加熱下で更に1時間撹拌し、酸化タングステン(WO)を20%含む黄色透明溶液を得た。
この溶液を分画分子量10,000の限外濾過モジュールで循環洗浄した。洗浄後の溶液の分析を行った結果、酸化タングステンの収率は41%であった。
また、この溶液を常温下で5日間放置した結果、溶液の粘度は製造直後とほとんど変わらなかったが、液上部の濃度が低下し、容器の底に淡黄色の沈殿物が発生していた。
【0028】
[比較例2]
タングステン酸(和光純薬工業(株)製試薬,WO 92.8%)100gに、35%過酸化水素水466.8gを加え、2時間撹拌した後、90℃の加熱下で更に1時間撹拌し、黄色透明溶液を得た。
この溶液に、シュウ酸(和光純薬工業(株)製試薬)25.2g(シュウ酸/WOモル比0.5)を加え、更に90℃の加熱下で1時間撹拌し、酸化タングステン(WO)を20%含有する淡黄色のスラリー状溶液を得た。
また、この溶液を常温下で2日間放置した結果、溶液の粘度は製造直後とほとんど変わらなかったが、液上部の濃度が低下し、容器の底に淡黄色の沈殿物が発生していた。
【0029】
【発明の効果】
本発明のタングステンまたはモリブデンの金属酸化物ゾルは、均一な酸化タングステンまたは酸化モリブデンの微細粒子で構成され、長期間にわたって均質なゾル状態を示す。
従って、本発明のゾルは、各種エレクトロニクス材料用の酸化タングステンまたは酸化モリブデン原料として、基板に塗布、焼成することにより薄膜を形成することができる。また、酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化珪素、アルミノシリケート類などの担体上に、異種金属と共に含浸、共沈などの方法で担持、固定化されて触媒として使用することもできる。従って、本発明のゾルは、このような用途に於いて極めて取り扱いが容易なゾル材料である。
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
An object of the present invention is to provide a metal oxide sol of tungsten or molybdenum which is useful as a material for various catalysts, ceramics, electronics and the like, and relates to a metal oxide sol and a method for producing the same.
[0002]
[Prior art]
Tungsten oxide and molybdenum oxide are useful metal oxides used for electrochromic materials, catalysts, and the like, respectively. These materials are often used by being immobilized on a substrate or a carrier surface.
As one of the methods, there is a dry process method in which these metal oxide materials are fixed by a sputtering method, an evaporation method, or the like. Another method is a wet process in which a precursor substance such as a metal alkoxide or a metal acetate, a nitrate, or a complex is applied to a substrate or a carrier surface, impregnated, fixed, and then heat-treated to obtain a metal oxide. There is a law.
In the former dry process method, when a flat substrate is processed, a uniform and high-performance immobilized product can be obtained, but the processing cost is high and there is a problem that it is not suitable for processing inexpensive articles. Further, there is a problem that it cannot be used when immobilized on a carrier powder such as a catalyst or a molded article having a different shape.
On the other hand, in the latter wet process method, since the precursor substance generally does not become a metal oxide unless heat treatment is performed at a high temperature, there is a problem that its use range is limited.
[0003]
In addition to the above methods, as a method of immobilizing tungsten oxide and molybdenum oxide on a carrier by a wet process method, there is a method of coating or impregnating the carrier with a dispersion of metal oxide fine particles. Simply dispersing the powder in the solvent not only causes the metal oxide component to precipitate immediately, resulting in non-uniform immobilization, but also because the metal oxide particles are too large to be immobilized or have the desired material performance. Is difficult to obtain.
[0004]
In order to solve such a problem, the present applicant has proposed a novel molybdic acid solution characterized by forming molybdenum trioxide under a heat treatment condition of 90 ° C. for 2 hours. (See Patent Document 1)
In the invention of Patent Document 1, cations are removed from molybdate using an ion exchange resin to produce a molybdic acid solution. However, when the molybdic acid solution obtained by this method is used for the above-mentioned purpose, the service life of the solution is short, and particularly when the solution is used at a high concentration or for a long period of time, precipitation occurs in the solution. was there.
[0005]
On the other hand, a method is known in which a peroxytungstate solution is treated with an ion-exchange resin, reacted with hydrogen peroxide, dried, and then re-dissolved in ethanol to obtain a tungsten oxide precursor solution. (See Patent Document 2)
It discloses that a uniform tungsten oxide film can be obtained by applying a tungsten oxide precursor solution obtained by the method of Patent Document 2 to a substrate and heating it at a temperature of 300 ° C. or lower.
However, in the method of Patent Document 2, since the precursor is once dried and then redissolved in ethanol or the like in order to obtain a stable precursor, it is not necessarily an industrially advantageous method. There is a problem that the immobilized material becomes expensive. Further, in the re-dissolution step as described above, the obtained solution has a disadvantage that it is difficult to become a homogeneous solution and undissolved components are easily generated.
As described above, a solution in which particles of tungsten oxide and molybdenum oxide are stably dispersed has not yet been developed, and the development of a stable solution containing such metal oxides as fine particles has been desired. It is the current situation.
[0006]
[Patent Document 1]
Patent No. 2766990 [Patent Document 2]
JP 2000-510085 A
[Problems to be solved by the invention]
In view of such a current situation, the present inventors have proposed a sol solution in which oxides of tungsten and molybdenum are dispersed in a solution, particularly in the form of fine particles. It was thought that the above-mentioned problems could be solved by obtaining a sol, and the method was intensively studied.
As a result, these metal oxide sols obtained by adding and reacting ascorbic acid to a pertungstic acid or permolybdic acid solution are obtained as fine particle sols of tungsten oxide or molybdenum oxide having an average particle diameter of 300 nm or less. The present inventors have found that this sol is a material for solving the above-mentioned problems, and have completed the present invention based on such findings.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
That is, the present invention relates to a metal oxide sol containing a metal oxide of tungsten or molybdenum and ascorbic acid and having an average particle diameter of 300 nm or less.
Furthermore, the present invention relates to a method for producing a metal oxide sol, wherein ascorbic acid is added to and reacted with a pertungstic acid or permolybdic acid solution.
According to the present invention, a metal oxide sol of tungsten oxide or molybdenum oxide is obtained by such a method, and this sol is used as various industrial materials.
[0009]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
The metal oxide sol of the present invention is a metal oxide sol containing tungsten oxide (WO 3 ) or molybdenum oxide (MoO 3 ) and ascorbic acid. The average particle size of the sol is 300 nm or less. Due to such a particle size, the sol of the present invention does not settle in the solution and exhibits a homogeneous sol state for a long period of time. The average particle diameter mentioned here can be easily measured with a commercially available particle size distribution analyzer using a laser, but the particle diameter can also be measured by observation with an electron microscope or the like.
[0010]
Such a sol of the present invention will be described based on a method for producing the sol.
The sol of the present invention is characterized in that ascorbic acid is added to a pertungstic acid or permolybdic acid solution to cause a reaction.
Such a solution of pertungstic acid or permolybdic acid may be produced by any known method, for example, adding and dissolving tungsten oxide, tungstic acid or molybdenum oxide, molybdic acid directly in a hydrogen peroxide solution. Can be obtained by As another method, it can also be obtained by neutralizing and decomposing a chloride of tungsten or molybdenum, washing it to remove by-product salts, and then reacting with hydrogen peroxide.
In addition, salts such as ammonium tungstate, sodium tungstate, potassium tungstate, calcium tungstate, ammonium molybdate, sodium molybdate, potassium molybdate, calcium molybdate, lithium molybdate, barium molybdate, etc. It can be obtained by a method of removing cations by means and then contacting it with hydrogen peroxide, or a method of contacting with hydrogen peroxide and then removing cations by means such as ion exchange.
Further, it can also be obtained by a method in which after decomposing the above various salts using a strong acid, the by-product salts generated are washed away, and hydrogen peroxide is reacted with the salts. What is important is that the solution of pertungstic acid or permolybdic acid thus obtained is in the form of a transparent solution.
[0011]
The solution of pertungstic acid or permolybdic acid used in the production of the sol of the present invention coexists before the reaction with ascorbic acid if the solution contains hydrogen peroxide in the production. It is necessary to remove hydrogen peroxide.
The most convenient method for removing hydrogen peroxide is by heating. For example, by heating at 95 to 100 ° C. for 1 to 2 hours, coexisting hydrogen peroxide can be removed by decomposition.
For the decomposition and removal of hydrogen peroxide, a catalytic cracking catalyst can be used. For example, by bringing platinum or manganese dioxide into contact with a solution, coexisting hydrogen peroxide can be decomposed and removed.
[0012]
The solution of pertungstic acid or permolybdic acid obtained by such a method becomes a solution of 35% by mass or less as tungsten oxide (WO 3 ) or molybdenum oxide (MoO 3 ).
This solution of pertungstic acid or permolybdic acid is then added to and reacted with ascorbic acid. The concentration of pertungstic acid or permolybdic acid is 35% by mass or less as tungsten oxide (WO 3 ) or molybdenum oxide (MoO 3 ) as described above, but if this concentration exceeds 35% by mass, ascorbic acid The solution may be extremely thickened during the reaction with, and a uniform reaction may not be caused, which is not preferable. There is no particular lower limit, but if it is 5% by mass or less, the concentration of the obtained sol becomes low, which is uneconomical. Therefore, the lower limit is desirably 5% by mass or more. More preferably, it is desirable to carry out the reaction with ascorbic acid in the range of 15 to 25% by mass as WO 3 or MoO 3 .
[0013]
A solution of pertungstic acid or permolybdic acid temporarily shows a stable state even without reacting with ascorbic acid, but as the storage time elapses, aggregation occurs and precipitates. Is required.
By the way, tungstic acid and molybdic acid are a kind of polyacid, and pertungstic acid and permolybdic acid obtained by reacting them with hydrogen peroxide also have a large oxygen content, but are considered to be a kind of this polyacid.
Polyacids consist of multiple metal element nuclei and oxygen and have a certain degree of molecular weight.However, in practice, particle size distribution analyzers cannot detect appropriate scattered light. It is considered to be present. It is considered that the solution of pertungstic acid or permolybdic acid precipitates over time and is not stable because the solution contains many fine units, that is, low molecular components. For example, when such a solution is circulated through an ultrafiltration module having a molecular weight cutoff of 10,000, about 30% by mass or more of the tungsten oxide or molybdenum oxide component is discharged together with the filtrate. It is thought that these components actually cause the instability of the solution.
However, the solution containing ascorbic acid of the present invention is a sol solution having excellent stability over time. Although it is not clear why the metal oxide sol of the present invention is stable, for example, after addition of ascorbic acid, after the reaction, the particle diameter can be easily measured by a measuring device using a laser, and as described above. Even if the solution is circulated through the ultrafiltration module, the amount of components leaking into the filtrate is 10% by weight or less.
After the reaction with ascorbic acid, no precipitation or thickening occurs even when stored for a long time. From these facts, it is presumed that ascorbic acid has some effect on pertungstic acid and permolybdic acid and contributes to formation of sol particles and stabilization of generated particles.
[0014]
The amount of ascorbic acid to be added is determined based on the reaction with the solution of pertungstic acid or permolybdic acid and the amount necessary for stabilization of the sol obtained by the reaction. The amount of ascorbic acid to be added to the acid solution is in the range of 0.1 to 1.5 mol of ascorbic acid per mol of pertungstic acid (WO 3 ) or permolybdic acid (MoO 3 ). .
The larger the amount of ascorbic acid added, the shorter the stabilization reaction time described below and the lower the heating temperature. However, the stability after the formation of the sol particles is not stable as the amount of ascorbic acid added is large, and is determined in consideration of the time required for the reaction, economy, and the like. On the other hand, if the amount of ascorbic acid to be added is less than 0.1 mol, it is not preferable because not only a long time is required for the reaction but also a precipitate is easily generated.
Conversely, if the amount of ascorbic acid exceeds 1.5 moles, an amount exceeding the purpose of stabilizing the sol will be added, which not only becomes uneconomical, but also in this region, at the time of production or over time after production. However, the amount of leakage due to the ultrafiltration increases, which causes instability.
[0015]
Ascorbic acid may be added by directly adding and dissolving ascorbic acid powder to a solution of pertungstic acid or permolybdic acid, or by dissolving ascorbic acid in water and adding it as an aqueous solution. The temperature at which ascorbic acid is added is not particularly limited, but preferably, the solution is added and reacted under stirring at a temperature of 60 to 100 ° C. while stirring a solution of pertungstic acid or permolybdic acid. The inventive metal oxide sol is stabilized in a short time. When ascorbic acid is added, the solution temporarily thickens and may generate heat. However, if the stirring is continued, the viscosity of the solution gradually decreases, and a tungsten or molybdenum metal oxide sol is formed.
[0016]
By the way, as mentioned above, it is considered that ascorbic acid acts to generate particles and stabilize the dispersion of the generated particles. However, once the particles are formed, the excess ascorbic acid remains due to the performance of the sol. May be adversely affected. Therefore, if necessary, it is desirable to remove excess ascorbic acid after the reaction. Of course, depending on the intended use of the sol, it can be used without removing the ascorbic acid.
The method of removing excess ascorbic acid is good by ultrafiltration washing.For example, ascorbic acid can be efficiently removed by washing while monitoring the electrical conductivity of the sol, but ascorbic acid is decomposed by heating, so thermal decomposition These methods may be used in combination.
[0017]
After removal of excess ascorbic acid, the sol according to the invention has an ascorbic acid content relative to the tungsten or molybdenum metal oxide of ascorbic acid per mole of tungsten or molybdenum metal oxide (WO 3 or MoO 3 ). It is necessary that the acid be between 0.03 and 0.6 mol. That is, when the molar ratio is less than 0.03, a stable sol which does not cause precipitation for a long period of time in the present invention is not obtained. On the other hand, when the ratio exceeds 0.6, the sol solution alone is stable, but the compatibility with other substances used at the time of use of the sol may be deteriorated, so that the use of the sol is limited.
Incidentally, the content of ascorbic acid contained in the sol of the present invention may be directly obtained by analyzing the carbon content, or may be analyzed after the sol is gelled with an alkali agent or the like to release ascorbic acid. More conveniently, the weight loss after thermal decomposition and burning at 100 to 600 ° C. by thermal analysis can be regarded as the amount of ascorbic acid.
[0018]
The metal oxide sol of the present invention obtained in this way is stable for a long time without causing precipitation or thickening. Further, the sol of the present invention can be used by mixing with other fine particle dispersions such as silica sol, alumina sol, titania sol and the like, depending on the intended use.
Further, in the production process of the sol of the present invention, other metal element components such as Y, Ti, Zr, V, Nb, Ta, Fe, Ru, Co, Al, Si, Sn, P, A small amount of peroxides or basic salts of elements such as Sb, La, Ce, Nd and Sm may be added. In addition, in the production process of the present invention, the addition and use of other sol components may be carried out before or after the addition of ascorbic acid, so that a stable sol component partially comprising a mixture with another metal oxide is used. An inventive sol can be obtained.
[0019]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples, but the present invention is not limited to these Examples. All percentages are by mass unless otherwise specified.
[0020]
[Example 1]
Tungstic acid (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd. Reagent, WO 3 92.8%) to 100 g, of 35% aqueous hydrogen peroxide 466.8g was added and after stirring for 4 hours, further 1 hour under heating at 90 ° C. Stirring yielded a clear yellow solution. To this solution, 7.0 g of ascorbic acid (ascorbic acid / WO, 3 molar ratio: 0.1) was added, and the mixture was further stirred under heating at 90 ° C. for 1 hour to obtain a yellow sol solution.
This sol solution was circulated and washed with an ultrafiltration module having a molecular weight cut-off of 10,000 (Asahi Kasei Corp. Microosa @ UF).
As a result of measuring the average particle diameter of the obtained sol solution of the present invention by a particle size distribution diameter using dynamic scattering theory, it was 70 nm. As a result of a composition analysis of this sol, WO 3 was 20% and the ascorbic acid / WO 3 molar ratio was 0.05.
Further, when the sol solution of the present invention was allowed to stand at room temperature for 10 days, a precipitate was slightly generated at the bottom of the container, but as a result of analysis, the concentration at the upper portion of the solution did not change, and the viscosity was the same as that immediately after production. Met.
[0021]
[Example 2]
To 100 g of tungstic acid (a reagent manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., WO 3 92.8%), 466.8 g of 35% aqueous hydrogen peroxide was added, and the mixture was stirred for 2 hours, and further stirred at 90 ° C. for 1 hour under heating. This gave a clear yellow solution. 21.1 g of ascorbic acid (a reagent manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) (ascorbic acid / WO 3 molar ratio: 0.3) was added to the solution, and the mixture was further stirred at a temperature of 90 ° C. for 1 hour to give a blue sol solution. Got.
The sol solution was circulated and washed with an ultrafiltration module having a molecular weight cutoff of 10,000 (Asahi Kasei Corporation, Microza UF).
The average particle size of the obtained sol solution of the present invention was measured by a particle size distribution diameter (manufactured by Pacific Scientific Inc., Nikon 370) using dynamic scattering theory. As a result, it was 40 nm.
As a result of a composition analysis of this sol, WO 3 was 20% and the ascorbic acid / WO 3 molar ratio was 0.06.
Further, this sol solution was allowed to stand at room temperature for 10 days, but no precipitation occurred in the sol solution, and no change in appearance such as thickening was observed.
[0022]
[Example 3]
Tungstic acid (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd. Reagent, WO 3 92.8%) to 100 g, 35% aqueous hydrogen peroxide 233.4g of deionized water 150g was added and after stirring for 4 hours, heating of 90 ° C. Stirred underneath for an additional hour to give a clear yellow solution. To this solution, 35.2 g of ascorbic acid (a reagent manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) (ascorbic acid / WO 3 molar ratio: 0.5) was added, and the mixture was further stirred at a temperature of 90 ° C. for 1 hour. Obtained. As a result of measuring the average particle diameter of the obtained sol solution of the present invention by a particle size distribution diameter using dynamic scattering theory, it was 52 nm.
As a result of a composition analysis of this sol, WO 3 was 25% and the ascorbic acid / WO 3 molar ratio was 0.4.
Further, this sol solution was allowed to stand at room temperature for 10 days, but no precipitation occurred in the sol solution, and no change in appearance such as thickening was observed.
[0023]
[Example 4]
Tungstate in (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd. Reagent, WO 3 92.8%)) 100 g, 35% aqueous hydrogen peroxide 466.8g was added and after stirring for 4 hours, further under heating at 90 ° C. 1 After stirring for an hour, a clear yellow solution was obtained. To this solution, 70.5 g of ascorbic acid (ascorbic acid / WO 3 molar ratio: 1.0) was added, and the mixture was further stirred under heating at 90 ° C. for 1 hour to obtain a blue sol solution.
The sol was circulated and washed with an ultrafiltration module having a molecular weight cutoff of 10,000 (Asahi Kasei Corporation, Microza UF).
As a result of analyzing the sol after washing, WO 3 was 19.5%, the ascorbic acid / WO 3 molar ratio was 0.1, and the yield was 85%.
Furthermore, as a result of measuring the average particle diameter of this sol by a particle size distribution diameter using dynamic scattering theory, it was 43 nm.
The sol solution was allowed to stand at room temperature for 10 days, but no precipitation occurred in the sol solution, and no change in appearance such as thickening was observed.
[0024]
[Example 5]
To 50 g of ammonium tungstate (a reagent manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., WO 3 88.8%), 200 g of ion-exchanged water was added, and after stirring and dissolving, the solution was passed through a column of a cation exchange resin to give a pale yellow color. An acidic solution was obtained. 111.7 g of 35% aqueous hydrogen peroxide was added to this solution, and the mixture was stirred for 1 hour, and further stirred at 90 ° C. for 1 hour. 20.2 g of ascorbic acid (ascorbic acid / WO 3 mol / 0.6 ratio) was added to the obtained yellow transparent solution, and the mixture was further stirred under heating at 90 ° C. for 1 hour to obtain a blue sol. As a result of measuring the average particle diameter of the obtained sol of the present invention by a particle size distribution diameter using dynamic scattering theory, it was 48 nm.
As a result of a composition analysis of this sol, WO 3 was 25% and the ascorbic acid / WO 3 molar ratio was 0.5.
Further, when the sol of the present invention was allowed to stand at room temperature for 10 days, no precipitation occurred in the sol solution, and no change in appearance such as thickening was observed.
[0025]
[Example 6]
To 100 g of molybdic acid (reagent manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., 80% of MoO 3 ), 162.1 g of 35% hydrogen peroxide solution and 200 g of ion-exchanged water were added, and after stirring for 1 hour, the mixture was heated at 90 ° C. The mixture was further stirred for 1 hour to obtain a clear yellow solution. 19.6 g of ascorbic acid (ascorbic acid / MoO 3 molar ratio: 0.2) was added to this solution, and the mixture was further stirred under heating at 90 ° C. for 1 hour to obtain a blue sol.
As a result of measuring the average particle diameter of the obtained sol of the present invention by a particle size distribution diameter using dynamic scattering theory, it was 35 nm.
Further, as a result of composition analysis of this sol, MoO 3 was 15% and ascorbic acid / MoO 3 molar ratio was 0.2.
Further, when the sol of the present invention was allowed to stand at room temperature for 10 days, no precipitation occurred in the sol solution, and no change in appearance such as thickening was observed.
[0026]
[Example 7]
To 100 g of molybdenum oxide (first grade reagent, manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., 99% MoO 3 ), 202.6 g of 35% hydrogen peroxide solution and 200 g of ion-exchanged water were added, and the mixture was stirred for 16 hours and then heated at 90 ° C. And further stirred for 1 hour to obtain a yellow transparent solution. 36.7 g of ascorbic acid (ascorbic acid / MoO 3 molar ratio: 0.3) was added to this solution, and the mixture was further stirred under heating at 90 ° C. for 1 hour to obtain a blue sol.
As a result of measuring the average particle diameter of the obtained sol of the present invention by a particle size distribution diameter using dynamic scattering theory, it was 25 nm.
As a result of a composition analysis of this sol, MoO 3 was 18% and the ascorbic acid / MoO 3 molar ratio was 0.3.
Further, when the sol of the present invention was allowed to stand at room temperature for 10 days, no precipitation occurred in the sol solution, and no change in appearance such as thickening was observed.
[0027]
[Comparative Example 1]
To 100 g of tungstic acid (a reagent manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., WO 3 92.8%), 466.8 g of 35% hydrogen peroxide solution was added, and the mixture was stirred for 4 hours, and further heated at 90 ° C. for 1 hour. The mixture was stirred to obtain a yellow transparent solution containing 20% of tungsten oxide (WO 3 ).
This solution was circulated and washed with an ultrafiltration module having a molecular weight cutoff of 10,000. As a result of analyzing the solution after washing, the yield of tungsten oxide was 41%.
In addition, as a result of leaving this solution at room temperature for 5 days, the viscosity of the solution was almost the same as immediately after the production, but the concentration at the top of the solution was reduced, and a pale yellow precipitate was generated at the bottom of the container.
[0028]
[Comparative Example 2]
Tungstic acid (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd. Reagent, WO 3 92.8%) to 100 g, of 35% aqueous hydrogen peroxide 466.8g was added and after stirring for 2 hours, further 1 hour under heating at 90 ° C. Stirring yielded a clear yellow solution.
To this solution, 25.2 g of oxalic acid (a reagent manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) (oxalic acid / WO, 3 molar ratio: 0.5) was added, and the mixture was further stirred under heating at 90 ° C. for 1 hour to obtain tungsten oxide ( A pale yellow slurry solution containing 20% of WO 3 ) was obtained.
Further, as a result of leaving this solution at room temperature for 2 days, the viscosity of the solution was almost the same as that immediately after the production, but the concentration at the top of the solution was reduced and a pale yellow precipitate was generated at the bottom of the container.
[0029]
【The invention's effect】
The tungsten or molybdenum metal oxide sol of the present invention is composed of uniform fine particles of tungsten oxide or molybdenum oxide and shows a homogeneous sol state for a long period of time.
Therefore, the sol of the present invention can be used as a tungsten oxide or molybdenum oxide raw material for various electronic materials to form a thin film by coating and baking the substrate. Further, it can be used as a catalyst after being supported and immobilized on a carrier such as titanium oxide, aluminum oxide, silicon oxide, and aluminosilicate by a method such as impregnation and coprecipitation with a different metal, and used as a catalyst. Therefore, the sol of the present invention is a sol material which is extremely easy to handle in such applications.

Claims (4)

タングステンまたはモリブデンの金属酸化物とアスコルビン酸とを含有してなる平均粒子径300nm以下の金属酸化物ゾル。A metal oxide sol containing a metal oxide of tungsten or molybdenum and ascorbic acid and having an average particle diameter of 300 nm or less. タングステンまたはモリブデンの金属酸化物に対するアスコルビン酸の含有量が、タングステンまたはモリブデンの金属酸化物(WOまたはMoO)1モルに対してアスコルビン酸0.03〜0.6モルである請求項1記載の金属酸化物ゾル。The content of ascorbic acid to the metal oxide of tungsten or molybdenum, a metal oxide of tungsten or molybdenum (WO 3 or MoO 3) according to claim 1, wherein ascorbic acid 0.03 to 0.6 moles per mole of Metal oxide sol. 過タングステン酸または過モリブデン酸溶液にアスコルビン酸を添加して反応させることを特徴とする金属酸化物ゾルの製造方法。A method for producing a metal oxide sol, wherein ascorbic acid is added to a pertungstic acid or permolybdic acid solution to cause a reaction. 過タングステン酸または過モリブデン酸溶液に対するアスコルビン酸の添加量が、過タングステン酸(WO)または過モリブデン酸(MoO)1モルに対してアスコルビン酸0.1〜1.5モルである請求項3記載の金属酸化物ゾルの製造方法。The amount of ascorbic acid added to the pertungstic acid or permolybdic acid solution is 0.1 to 1.5 mol of ascorbic acid per 1 mol of pertungstic acid (WO 3 ) or permolybdic acid (MoO 3 ). 4. The method for producing a metal oxide sol according to 3.
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