JP2004507421A - チタン含有材料 - Google Patents
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Abstract
本発明は、チタンイオンを含む粒子を含有する溶液を作製する方法に関するものであり、1種類以上の種類の加水分解可能なチタン含有化合物が、反応媒体中において、シュウ酸により安定化されることを特徴とする。更に、この方法は、アナターゼ相チタニアからなり、もしくは、アナターゼ相チタニアを含み、それ故、光触媒として使用するのに適したチタニア材料(粒子状材料、コーティング溶液、およびフィルムを含む)の作製にも関する。また、本発明は、B−相チタニアを作製する方法も取り扱う。
Description
(発明の分野)
本発明は、チタン含有材料を作製するためのプロセスに関するものである。より詳細には、本発明は、チタンイオンを含むコロイド粒子を含有する溶液を作製するプロセス、および、そのような溶液から二酸化チタン含有材料を作製するためのプロセスに関するものである。また、本発明は、これらのチタン含有材料の適用分野にも関する。
(発明の背景)
チタン含有複合材料は、一連の適用分野を有している。これらの適用分野には、これらの材料が、光触媒、フィルム型電極の構成成分、および親水性表面として機能する能力を有していることによる適用分野、並びに、微生物の増殖を防止する能力を有していることによる適用分野を含まれる。
光触媒
チタニアおよびチタニアをベースとした材料を用いる光触媒反応は、近年、水処理および空気の浄化で広く報告されている(Hoffmann、Martin、Choi、およびBahnemann、Chem.Rev.、1995年、95、69)。アナターゼは、3.2eV(387nm)のバンドギャップを有する最も活性なTiO2相であると報じられている。微量有機汚染物質は、UV光下において、アナターゼ粒子の表面で光分解され、二酸化炭素、水、および、恐らくはミネラルイオンになり得る。
種々の異なるファクターがアナターゼの光活性に影響を及ぼすことが報告されている。汚染物質の吸着を増大させ、その材料との光相互作用を高めるためには、大きな表面積と大きな細孔径が極めて重要である。
また、クリスタライトの大きさも、TiO2の光活性の程度を決定し得る。光発生電子と正孔との電荷再結合を抑制し、それらを光触媒粒子の表面における還元反応でより多く利用できるようにするためには、より小さなクリスタライトサイズが必須であると考えられている。
アナターゼの光活性を高める別の方法は、金属または金属酸化物をドーピングすることによるものである。そのような金属のうちでも、白金ドーピングが、光触媒プロセスを改善するのに非常に有効であることが分かっている。その際、ドーピングの程度とドーパントの粒径は重要なファクターである。光触媒を重量で5%より多くの白金でドーピングすると、白金の粒径が大きくなり、光が光触媒の表面に達するのを妨げる可能性があるため、そのようなドーピングは避けるべきである。チタニア上に白金金属を析出させるため、数多くの異なる方法が報告されている。そのうちの一つの方法は、KraeutlerおよびBard(J.Am.Chem.Soc.1978年、100、4317)が最初に説明した方法で、アナターゼ粉末に吸着されるヘキサクロロ白金酸を窒素雰囲気下において照射することにより、白金を光電着させるものである。白金の光電着は、犠牲電子ドナーとしてエタノールを用い、ヘキサクロロ白金酸とTiO2の脱気した懸濁液を照射することによっても達成されている(YamaguchiおよびSato、J.Chem.Soc.Faraday Trans.1、1985年、81、1237)。TiO2に吸着されたヘキサクロロ白金酸の水素ガス中における高温還元(480℃)も報告されている(Pichatら、Nouv.J.Chim 1981年、5、627636)。また、AndersonおよびXianzhi(特許番号WO9640430号、1996年)は、TiO2ペレットに吸着されたヘキサクロロ白金酸を希NaOH中におけるNaBH4を用いて還元する方法を開示している。
光電着によりTiO2に銀をドーピングする方法も既知(Schwarzら、Chem.Rev.1995年、95、477)であり、そこでは、TiO2が、硝酸銀と犠牲剤の希釈溶液中に分散されていた。次いで、この懸濁液が、水銀ランプで照射された。しかし、Cu2+は、TiO2の照射下において、還元されてCu2Oになることが報告されている(Sakataら、Chem.Letters、1998年、1253)。
光触媒薄膜の形成は、清浄な表面を維持するのに有用であると報告されている。窓やタイルのような建物の表面、自動車のスクリーン、および鏡等は、油性沈着物、煙および埃等のあらゆる種類の汚染物質を引き付け得る。表面が光触媒フィルムで被膜されていると、この被膜は、天然または人工のUV光の助けをかりて、それらの沈着した汚染物質を分解することができる。この現像のプロセスは、通常、「自己洗浄表面」と呼ばれている。
親水性表面
窓、鏡、および他の表面は、寒いときには、水滴が凝縮することにより曇る。この現像を回避する一つの方法は、TiO2等の透明な親水性被膜を施すことにより、その表面を親水性にすることである。親水性は、その表面上での水滴の接触角を測定することにより表すことができる。そのような表面の親水性を維持するためには、定期的にUV光に暴露することが必要である。日光または蛍光灯からの低強度のUV放射線であっても、暴露するとその親水性を維持することができる。この方法で、接触角を、表面が曇るのを防ぐのに充分な2から5°に低減することができる。東陶機器株式会社による最近の特許出願(EP 0816466 A1、1998年)は、0.004mW/cm2のUV強度を有する白色蛍光灯を用いる照射を受けたときに3°の接触角を維持することができるTiO2含有薄膜を施す方法について記載している。
洗浄技術
光触媒の一つの望ましい用途は、UV照射下における揮発性有機化合物(VOCs)の分解にそれらを使用することである。ホルムアルデヒド、トルエン、トリクロロエチレン(TCE)、エチレン等の多くのVOCsは、程度は違うものの、毒性、発ガン性、刺激性、または有害性であると考えられている。これらのうち、ホルムアルデヒド等の幾つかの化合物は、容易に光分解できると考えられており、その一方で、トルエンおよびエチレン等の他の化合物は、分解するのが難しいと考えられている。また、光触媒は、水をUVで照射された光触媒と接触させることにより、有機化合物、染料等のあらゆる微量の汚染物質、更には微生物さえをも分解して水を浄化するのにも使用することができる。
特に興味が持たれるのは、保管されている果実、野菜、および切り花に及ぼすエチレンガスの影響である。これらの産物は、まだ新鮮なうちに消費され、輸出され、あるいは、スーパーマーケットや食料品店へ配送される必要がある。産物の鮮度劣化は、エチレンガスに暴露することにより起こり得る。エチレンガスは、リンゴやバナナ等の産物により放出されることが知られており、同じ場所に保管される他の物に影響を及ぼす。エチレンは、低濃度であっても、果実、野菜、および花の熟成並びに加齢をもたらす植物ホルモンである。熟成速度は、エチレンの濃度に依存して、産物のタイプ毎に異なり得る。例えば、トマトは、100ppmより高い濃度のエチレンに暴露されると、数時間以内で熟成する。キウイフルーツは、数ppmのより低い濃度のエチレンでも熟成し得る。これは、同一の冷蔵庫低温保管庫または低温容器内で種類の異なる産物を保管または輸送する際に問題を引き起こしかねない。
Nelsonら(米国特許第6240767号、2001年)は、大気中および果実容器中におけるppmレベルのエチレンガスを正確にモニタリングするためのシステムを開示している。保管中または輸送中のエチレン濃度をモニタリングするのと同様に、高レベルのエチレンを抑制および分解するのに有効な方法を手に入れることが重要である。
パターン化されたフィルム
表面にパターン化されたセラミックフィルムを析出させるための新たな方法の開発は、サブマイクロメートルの厚みへ小型化することが必要な電界効果トランジスタ等の超小型回路の製作にとって特に重要である。二酸化チタンは、マイクロパターン化されるフィルムの一部として利用するのに好ましい誘電特性と耐熱特性を有している。Koumoto、Sugiyama、およびSeo(Chem.Mater.1999年、11、2305)は、酸性の(NH4)2TiF6溶液からTiO2を析出させる前にフォトマスクを通じてHgランプで照射されるパターン化テンプレートとしてフェニルトリクロロシランを利用するTiO2析出用の低温パターン化プロセスについて記載している。これらのパターンは、この著者らによれば、28%の変動に相当する〜7.3マイクロメートルという大きなライン端粗さを呈し、この粗さは、現在のエレクトロニクス設計規則で許容される通常の5%の変動を越えている。Kikuta、Tkagi、およびHirano(J.Am.Ceram.Soc.1999年、82、1569)は、TiO2のより精巧なパターンが、写真製版により、アルカノールアミンで変性されたチタンアルコキシドの溶液から作成できることを示した。それらの前駆体は、基材上に被膜され、超高圧水銀ランプで分解された。その後、それらのフィルムを熱処理し、それをアナターゼ相に変換した。
本発明の一つの目的は、チタン含有材料を作製するための代替的なプロセスを提供すること、および/または、チタン含有化合物を使用する代替的な方法を提供すること、および/または、少なくとも、有用な代替的手段を一般の人々に提供することである。
(発明の供述)
本発明の第1の態様では、以下の工程:
A:1種類以上の種類の加水分解可能なチタン含有化合物を、コロイド溶液が得られるような条件下で、反応媒体中においてシュウ酸と反応させる、あるいは、別な仕方で安定化させる工程;
からなる、もしくは、そのような工程を含む、チタンイオンを含むコロイド粒子を含有する溶液を作製する方法が提供される。
好適には、上述の工程Aは、そのコロイド溶液のペプチゼーションが実質的に得られ、且つ、実質的に維持されるような条件下で行われる。
好適には、そのような条件は、1種類以上の種類の加水分解可能なチタン含有化合物を反応媒体中においてシュウ酸とかき混ぜまたは撹拌することを含み、より好適には、温度が、環境温度からその反応混合物の沸点に近い温度までの間であることを含み、更に一層好適には、温度が約40℃から約80℃までの間であることを含む。好適には、上述のかき混ぜまたは撹拌は、実質的に15分から実質的に3時間までの範囲の反応時間にわたって行われる。
好適には、上述の反応媒体は、水または水/アルコール混合物からなり、ここで、上述のチタン含有化合物は、水中および/または塩基中において加水分解可能である。
好適には、上述のチタン含有化合物は、水−加水分解型であり、このチタン含有化合物は、化学式Ti(OR)4(式中、Rは、C2〜C6の線状または分枝鎖のアルキル基である)の化合物であり;より好適には、そのチタン含有化合物は、チタンテトライソプロポキシドおよび/またはチタンテトラブトキシドである。
好適には、上述の水−加水分解型チタン含有化合物は:
・初めに、シュウ酸のアルコール溶液と化合され、続いて、水が加えられる;または
・水または、水とアルコールの混合物に直接的に加えてスラリーを形成し、続いて、シュウ酸が加えられる;または
・シュウ酸水溶液中または、水とアルコールとシュウ酸の溶液に加えられる。
好適には、上述の水−加水分解型チタン含有化合物は、シュウ酸と反応させる前に、もしくは、シュウ酸で安定化させる前に、加水分解産物を与えるべく、水を用いて加水分解される。
代替的に、もしくは、添加的に、上述のチタン含有化合物は、塩基−加水分解型であり、そして、このチタン含有化合物は、それらに限定するものではないが、TiCl4および/またはTiOSO4から選択される。
好適には、この塩基−加水分解型チタン含有化合物は、シュウ酸と反応させる前に、もしくは、シュウ酸で安定化させる前に、塩基を用いて加水分解されて加水分解産物となり、そして、この加水分解産物は、シュウ酸と反応させる前に、もしくは、シュウ酸で安定化させる前に、スラリーを形成すべく、濾過および/または洗浄される。
好適には、そのシュウ酸は、無水シュウ酸もしくは水和されたシュウ酸のいずれかであり、そして、好適には、そのシュウ酸の量は、シュウ酸:チタンのモル比が約0.2:1から約1:1までの範囲になるような量である。
好適には、上述の反応媒体の含水量は、水:チタンのモル比が約200:1から約800:1までの範囲になるような量であり;より好適には、約400:1から約600:1までの範囲になるような量である。
アルコールが上述の反応媒体中に存在するときには、好適には、そのアルコールは、エタノールまたはt−ブタノール等の、化学式ROH(式中、Rは、C1からC4までの線状または分枝状のアルキル基である)を有するモノヒドロキシル脂肪族アルコールであり、そして、存在するアルコールの好適な量は、アルコール:チタンのモル比が、ゼロから100:1まで、より好適には10:1から50:1までになるような量である。
好適には、その溶液は、次に使用するまで、0℃から20℃までの間の温度で、どんな濃度レベルで保管してもよく、より好適には、重量で約32%までのTiO2濃度レベルで保管することができる。
好適には、その溶液のシュウ酸塩濃度は、いずれかの段階で、その溶液にUV光を照射することにより低減される。
本発明の第2の態様によれば、実質的に先行の方法に従って作製される、チタンイオンを含むコロイド粒子を含有する溶液が提供される。
本発明の第3の態様によれば、それらの粒子がシュウ酸により安定化されるか、あるいは、シュウ酸との反応で安定化される、チタンイオンを含むコロイド粒子を含有する溶液が提供される。
本発明の第4の態様によれば、実質的に付随する実施例のうちのいずれか1つもしくはそれ以上に関連して本明細書で説明されているように作製される、チタンイオンを含むコロイド粒子を含有する溶液が提供される。
本発明の第5の態様によれば、以下の工程:
I:それらの粒子がシュウ酸により安定化されるか、あるいは、シュウ酸との反応で安定化される、チタンイオンを含むコロイド粒子を含有する溶液を作製する工程;および
II:製品を得べく、その溶液を更に処理する工程;
からなる、もしくは、そのような工程を含む、TiO2含有製品を作製する方法が提供される。
好適には、上述の工程Iは、そのコロイド溶液のペプチゼーションが実質的に得られ、且つ、実質的に維持されるような条件下で行われる。
好適には、そのような条件は、1種類以上の種類の加水分解可能なチタン含有化合物を水または水/アルコール反応媒体中においてシュウ酸とかき混ぜまたは撹拌することを含み、より好適には、温度が、環境温度からその反応混合物の沸点に近い温度までの間であることを含み、更に一層好適には、温度が約40℃から約80℃までの間であることを含む。好適には、上述のかき混ぜまたは撹拌は、実質的に15分から実質的に3時間までの範囲の反応時間にわたって行われる。
好適には、その製品のTiO2相は、少なくとも初めには、アナターゼを含んでいるか、大部分がアナターゼであるか、または、実質的にアナターゼである。
好適には、その方法は、以下の工程:
(1)それらの粒子がシュウ酸により安定化されるか、あるいは、シュウ酸と反応させることにより安定化される、チタンイオンを含むコロイド粒子を含有する溶液を作製する工程;および
(2)その溶液に、1種類以上の種類の添加物を加えることにより、あるいは、それらの添加物と共に混合することにより、コロイド混合物を作製する工程;および
(3)製品を得るべく、その溶液を更に処理する工程;
からなるか、もしくは、そのような工程を含んでいる。
好適には、上述の工程(1)は、本発明の第1の態様から第4の態様のうちの1つもしくはそれ以上の先に説明されているような方法からなるか、もしくはそのような方法を含んでいる。
好適には、上述の工程(2)の添加物は:
(a)シリカまたはシリカ前駆体(加えられるときには、それは、好適には、コロイダルシリカとして加えられ、そして、好適には、製品中のチタンに対する比が、実質的に1wt%から99wt%までの比をもたらすような量、より好適には30から60wt%の比をもたらすような量で加えられ、そして、好適には、そのコロイダルシリカの濃度は、製品中において、重量で約1%から50%までの間になるような濃度である);
(b)水溶性、またはアルコールに可溶性の、1種類もしくは複数のケトン;
(c)1種類もしくは複数の有機酸;
(d)1種類または複数の、水溶性脂肪族または芳香族アルコール、ジオール、もしくはポリオール;
(e)1種類もしくは複数のエルハノールアミン;
(f)1種類または複数の金属前駆体;
(g)1種類もしくは複数の界面活性剤(加えられるときには、その界面活性剤は、好適には、Brijシリーズ、Tritonシリーズ、Tergitolシリーズ、Pluronicシリーズ、ドデシル硫酸カリウム、または、ゲル化を引き起こさないあらゆる他の界面活性剤のうちの1つもしくは複数の界面活性剤であるか、あるいは、1つもしくは複数のそのような界面活性剤を含む);
(h)1種類または複数のシラン(加えられるときには、それは、好適には、そのまま加えられるか、あるいは、水性溶媒としてまたは水と混和性の有機溶媒との溶液として加えられ、好適には、化学式RSiX3、R2SiX2、およびSiX4(式中、Rは、単純な有機基、または官能基を有する有機基であり、Xは、ハロゲン化物またはアルコキシド基であり得る)で表される加水分解可能な、もしくは部分的に加水分解可能なシラン化合物である);
のうちの1つもしくはそれ以上を含んでいる。
加えられる場合、好適には、上述の金属前駆体は、好適にはPd、Pt、Ag、およびCuの金属塩または金属錯体、より好適には可溶性の金属塩または金属錯体である。
その金属がPdまたはPtであるときには、好適には、その前駆体は、Pd−またはPt−のヘキサクロロ錯体のうちの一つ(但し、これに限定するものではない)であり、そして、好適には、そのPd−またはPt−ヘキサクロロ錯体は、犠牲化合物としての低炭素数有機化合物(ホルムアルデヒド、ギ酸、メタノール、またはエタノール等)と混合され、その犠牲化合物は、好適には、その前駆体金属に対して過剰な量で加えられ、より好適には、約1:5のエタル:犠牲化合物のモル比で加えられる。
代替的に、もしくは、添加的に、その金属はAgであり、そして、その前駆体は、酢酸銀または硝酸銀(但し、これらに限定するものではない)のうちの一つもしくはそれ以上である。
代替的に、もしくは、添加的に、その金属はCuであり、そして、その前駆体は、酢酸銅、硫酸銅、および硝酸銅(但し、これらに限定するものではない)のうちの一つもしくはそれ以上である。
好適には、上述の工程(3)は、溶媒の除去を含み、より好適には、以下の工程:
(i)その溶液をゲルにする工程(ゲル化工程);
(ii)シュウ酸および/またはどれか一つもしくはそれ以上の添加物を除去するため、もしくは、それらの量を減らすため、そのゲルを硬化する工程(硬化工程);
のうちの一方または両方による溶媒の除去を含む。
好適には、上述のゲル化工程は:
・室温以上の温度で、溶媒を蒸発させること;および/または
・加熱を伴って、もしくは、加熱を伴わずに、真空下で溶媒を蒸発させること;および/または
・HCl、HNO3、またはH2SO4等の鉱酸の希釈溶液、あるいは、KOH、アンモニア、炭酸ナトリウム、または水酸化テトラアルキルアンモニウム等のアルカリ溶液(但し、これらに限定するものではない)を含む、ゲル化剤の添加;
のうちの一つもしくはそれ以上により果たされる。
好適には、上述のゲル化工程からキセロゲルが生成されてよい。
好適には、そのゲルの硬化は、UV放射線に暴露することにより、および/または、加熱することにより果たされる。
好適には、そのUV放射線の波長は、アナターゼ相におけるTiO2のバンドギャップと実質的に一致または部分的に一致する。
好適には、上述の硬化時間は、分解すべきシュウ酸の量、および/または放射線の波長、および/または放射線の強度によって決定される。
好適には、追加の工程(4)があり、この工程(4)は、以下の工程:
(i)チタン含有製品に金属前駆体を含浸させる工程(含浸工程);および/または
(ii)工程(2)および/または工程(4)において加えられた何らかの金属前駆体を金属または金属酸化物に変換する工程(変換工程);
のうちの一方または両方を含む。
好適には、上述の工程(i)の前駆体の金属は、Pd、Pt、Cu、またはAgのうちの一つもしくはそれ以上であってよい。
金属前駆体がPdまたはPtを含んでいるときには、好適には、その金属前駆体は、金属前駆体に対して過剰量の、ホルムアルデヒド、ギ酸、メタノール、またはエタノール等の犠牲化合物と混合されてよい。
好適には、上述の変換工程は:
(i)金属前駆体を金属または金属酸化物に変換するのに適した温度で加熱すること;および/または
(ii)金属前駆体、または、金属前駆体を含むTiO2含有製品を、その金属をゼロ原子価にまで完全に還元するのに充分な時間、希ヒドラジン一水和物溶液に暴露すること;および/または
(iii)その二酸化チタン内に金属粒子および/または金属酸化物を形成するため、UVを照射すること;
のうちの一つもしくはそれ以上により行われる。
好適には:
・その金属前駆体の金属がAgであるときには、UV照射が用いられ、そして、UV照射は、実質的にそのTiO2製品の色が薄い灰色ないし黒へ変わるときに停止される;および/または
・その金属前駆体の金属がCuであるときには、UV照射が用いられ、そして、UV照射は、実質的にそのTiO2含有製品の色が薄い緑色から青銅色へ変わるときに停止される;および/または
・その金属前駆体の金属がPdであるときには、UV照射が用いられ、そして、UV照射は、実質的にそのTiO2含有製品の色が灰色から黒へ変わるときに停止される;および/または
・その金属前駆体の金属がPtであるときには、UV照射が用いられ、そして、UV照射は、実質的にそのTiO2含有製品の色が灰色から黒へ変わるときに停止される。
上述の変換工程で、ヒドラジン一水和物溶液への暴露が用いられるときには、好適には、そのTiO2製品は、その後、過剰なヒドラジンを取り除くため、水で洗浄される。
そのTiO2製品のTiO2中の最終的な金属含量は、好適には、重量で2%未満であり、より好適には、重量で0.2%から0.5%までの間である。
好適には、上述の工程(3)の前のある時に、その溶液をUV光で照射することにより、その溶液のシュウ酸塩濃度が低減される。
本発明の第6の態様によれば、TiO2の粒状材料またはTiO2を含む粒状材料を作製する方法が提供され、その方法は、以下の工程:
I:それらの粒子がシュウ酸により安定化されるか、あるいは、シュウ酸との反応で安定化される、チタンイオンを含むコロイド粒子を含有する溶液の作製工程;
II:粒状材料を得るべく、その溶液を更に処理する工程;
からなるか、もしくはそのような工程を含む。
好適には、上述の工程Iは、そのコロイド溶液のペプチゼーションが実質的に得られ、且つ、実質的に維持されるような条件下で行われる。
好適には、そのような条件は、1種類以上の種類の加水分解可能なチタン含有化合物を水または水/アルコール反応媒体中においてシュウ酸とかき混ぜまたは撹拌することを含み、より好適には、温度が、環境温度からその反応混合物の沸点に近い温度までの間であることを含み、更に一層好適には、温度が約40℃から約80℃までの間であることを含む。好適には、上述のかき混ぜまたは撹拌は、実質的に15分から実質的に3時間までの範囲の反応時間にわたって行われる。
好適には、その粒状材料は、部分的にまたは実質的に完全にTiO2である。
好適には、その粒状材料におけるTiO2相は、少なくとも初めは、アナターゼおよび/またはTiO2B相を含んでいるか、主にアナターゼおよび/またはTiO2B相であるか、もしくは、実質的にアナターゼおよび/またはTiO2B相である。
好適には、その方法は、以下の工程:
(1)それらの粒子がシュウ酸により安定化されるか、あるいは、シュウ酸と反応させたことにより安定化される、チタンイオンを含むコロイド粒子を含有する溶液の作製工程;
(2)その溶液に1種類以上の添加物を加えることにより、コロイド混合物を作製する工程;
(3)粒状の材料を得るべく、そのコロイド混合物を更に処理する工程;
からなるか、または、そのような工程を含む。
好適には、上述の工程(1)は、本発明の第1の態様から第4の態様のうちの1つもしくはそれ以上で先に説明されている方法からなるか、またはそのような方法を含む。
好適には、上述の工程(2)の添加物は:
・コロイダルシリカ、またはシリカ前駆体;
・金属前駆体;
のうちの1つもしくはそれ以上を含む。
コロイダルシリカまたはシリカ前駆体が加えられるときには、それは、好適には、チタンに対する比が、実質的に1重量パーセントから99重量パーセントまでの間の比をもたらすような量、より好適にはチタンに対する比が30wt%から60wt%までの比をもたらすような量であり、そして、好適には、そのコロイダルシリカの濃度は、重量で約1%から50%までの間である。
金属前駆体が加えられるときには、好適には、それは、好適にはPd、Pt、Ag、およびCuのうちの1つもしくはそれ以上の可溶性の金属塩または金属錯体である。
好適には、その金属前駆体の金属は:
・Agであり、そして、その前駆体は、酢酸銀または硝酸銀(但し、これらに限定するものではない)のうちの1つもしくはそれ以上である;および/または
・Cuであり、そして、その前駆体は、酢酸銅、硫酸銅、および硝酸銅(但し、これらに限定するものではない)のうちの1つもしくはそれ以上である;および/または
・PdまたはPtであり、そして、それらの前駆体は、Pd−またはPt−のヘキサクロロ錯体のうちの一つ(但し、これに限定するものではない)である;のうちの一つである。
金属がPdまたはPtであるときには、そのPdまたはPtヘキサクロロ錯体は、ホルムアルデヒド、ギ酸、メタノール、またはエタノール等の犠牲化合物としての低炭素数有機化合物と混合され、そして、その犠牲化合物は、その金属前駆体に対して過剰な量で加えられ、好適には、約1:5のモル比で加えられる。
好適には、上述の工程(3)は、以下の工程:
(i)ゲル化工程;および
(ii)シュウ酸および/または一つもしくはそれ以上の他の添加物を除去するための、もしくは、それらの量を減らすための、硬化工程;
を含む。
好適には、上述のゲル化工程は:
・室温以上の温度で、溶媒を蒸発させること;
・加熱を伴って、もしくは、加熱を伴わずに、真空下で溶媒を蒸発させること;
・HCl、HNO3、またはH2SO4等の鉱酸の希釈溶液、あるいは、KOH、アンモニア、炭酸ナトリウム、または水酸化テトラアルキルアンモニウム等のアルカリ溶液(但し、これらに限定するものではない)を含む、ゲル化剤の添加;
のうちの一つもしくはそれ以上により果たされる。
好適には、そのゲルの硬化は、UV放射線に暴露することにより、および/または、加熱することにより果たされ、そして、好適には、上述のゲル化工程からキセロゲルが生成される。
好適には、そのUV放射線の波長は、アナターゼ相におけるTiO2のバンドギャップと実質的に一致または部分的に一致し、そして、好適には、上述の硬化時間は、分解すべきシュウ酸の量、および/または放射線の波長、および/または放射線の強度によって決定される。
好適には、追加の工程(4)があり、この工程(4)は、以下の工程:
(i)その粒状材料に金属前駆体を含浸させる工程(含浸工程);および
(ii)工程(2)および/または工程(4)において加えられた何らかの金属前駆体を金属または金属酸化物に変換する工程(変換工程);
のうちの一方または両方を含む。
好適には、上述の工程(i)の前駆体の金属は、Pd、Pt、Cu、またはAgのうちの一つもしくはそれ以上である。
金属前駆体がPdまたはPtを含んでいるときには、好適には、その金属前駆体は、金属前駆体に対して過剰量の、ホルムアルデヒド、ギ酸、メタノール、またはエタノール等の犠牲化合物と混合される。
好適には、上述の変換工程は:
(i)金属前駆体を金属または金属酸化物に変換するのに適した温度で加熱すること;および/または
(ii)金属前駆体、または、金属前駆体を含む粒状材料を、その金属をゼロ原子価にまで完全に還元するのに充分な時間、希ヒドラジン一水和物溶液に暴露すること;および/または
(iii)その二酸化チタン内に金属粒子および/または金属酸化物を形成するため、UVを照射すること;
のうちの一つもしくはそれ以上により行われる。
好適には:
・その金属前駆体の金属がAgであるときには、UV照射が用いられ、そして、UV照射は、実質的にその粒状材料の色が薄い灰色ないし黒へ変わるときに停止される;および/または
・その金属前駆体の金属がCuであるときには、UV照射が用いられ、そして、UV照射は、実質的にその粒状材料の色が薄い緑色から青銅色へ変わるときに停止される;および/または
・その金属前駆体の金属がPdであるときには、UV照射が用いられ、そして、UV照射は、実質的にその粒状材料の色が灰色から黒へ変わるときに停止される;および/または
・その金属前駆体の金属がPtであるときには、UV照射が用いられ、そして、UV照射は、実質的にその粒状材料の色が灰色から黒へ変わるときに停止される。
上述の変換工程でヒドラジン一水和物溶液への暴露が用いられるときには、好適には、その粉末は、その後、過剰なヒドラジンを取り除くため、水で洗浄される。
そのTiO2製品のTiO2中の最終的な金属含量は、好適には、重量で2%未満であり、より好適には、重量で0.2%から0.5%までの間である。
好適には、上述の工程(3)の前に、その溶液をUV光で照射することにより、その溶液のシュウ酸塩濃度が低減される。
本方法で作成される粒状材料は、好適には、粉末であり;代替的には、顆粒である。
本発明の第7の態様によれば、TiO2コーティング溶液を作製する方法が提供され、その方法は、以下の工程:
I:それらの粒子がシュウ酸により安定化されるか、あるいは、シュウ酸と反応させることにより安定化される、チタンイオンを含むコロイド粒子を含有する溶液の作製工程;および
II:上述のコーティング溶液を得るべく、その溶液を更に処理する工程;
からなるか、もしくはそのような工程を含む。
好適には、上述の工程Iは、そのコロイド溶液のペプチゼーションが実質的に得られ、且つ、実質的に維持されるような条件下で行われる。
好適には、そのような条件は、1種類以上の種類の加水分解可能なチタン含有化合物を水または水/アルコール反応媒体中においてシュウ酸とかき混ぜまたは撹拌することを含み、より好適には、温度が、環境温度からその反応混合物の沸点に近い温度までの間であることを含み、更に一層好適には、温度が約40℃から約80℃までの間であることを含む。好適には、上述のかき混ぜまたは撹拌は、実質的に15分から実質的に3時間までの範囲の反応時間にわたって行われる。
好適には、その方法は、以下の工程:
(1)それらの粒子がシュウ酸により安定化されるか、あるいは、シュウ酸と反応させることにより安定化される、チタンイオンを含むコロイド粒子を含有する溶液の作製工程;
(2)その溶液に1種類以上の添加物を加えることにより、コロイド混合物を作製する工程;
からなるか、または、そのような工程を含む。
好適には、上述の工程(1)は、本発明の第1の態様から第4の態様のうちのいずれか1つで提唱されている方法を含むか、または、そのような方法からなる。
好適には、上述の工程(2)は:
(i)シリカまたはシリカ前駆体の添加、あるいは、シリカまたはシリカ前駆体との混合(添加または混合される場合、それは、好適には、コロイダルシリカであり、チタンに対する比が、実質的に1重量パーセントら99重量パーセントまでの比をもたらすような量、より好適にはチタンに対する比が30wt%から60wt%の比をもたらすような量で加えられ;そして、好適には、そのコロイダルシリカの濃度は、重量で約1%から50%までの間である);
(ii)水溶性またはアルコールに可溶性の1種類もしくは複数のケトンを何らかの割合で添加すること、あるいは、何らかの割合でそのようなケトンと混合すること(添加または混合される場合、それは、好適には、アセトンおよび/またはアセチルアセトンである);
(iii)1種類または複数の有機酸を何らかの割合で添加すること、あるいは、何らかの割合でそのような有機酸と混合すること(添加または混合される場合、それは、好適には、ヒドロキシル基を持つか、もしくは、ヒドロキシル基を持たない、一官能性、二官能性、または多官能性の有機酸であり、より好適には、それは/それらは、酢酸、乳酸、酒石酸、クエン酸、マレイン酸、リンゴ酸、マロン酸、ジグリコール酸、安息香酸、1,2,4,5−C6H2(COOH)4、EDTA、および/またはそれらの混合物のうちの1つもしくはそれ以上であってよい);
(iv)1種類もしくは複数の水溶性の脂肪族または芳香族アルコール、ジオール、またはポリオールを何らかの割合で添加すること、あるいは、何らかの割合でそれらと混合すること(加えられる場合、それは/それらは、エタノール、プロパノール、エチレングリコール、グリセロール、ポリエチレングリコール、ポリビニルアルコール、フェノール、カテコール、多糖類のうちの1つもしくはそれ以上であってよい);
(v)1種類もしくは複数の種類のエタノールアミン(モノエタノールアミン、ジエタノールアミン、およびトリエタノールアミン、またはそれらの混合物等)を何らかの割合で添加すること、あるいは、何らかの割合でそのようなエタノールアミンと混合すること;
(vi)1種類もしくは複数の界面活性剤を何らかの割合で添加すること、あるいは、何らかの割合でそのような界面活性剤と混合すること(添加または混合される場合、それは/それらは、好適には、Brijシリーズ、Tritonシリーズ、Tergitolシリーズ、Pluronicシリーズ、ドデシル硫酸カリウム、または、ゲル化を引き起こさないあらゆる他の界面活性剤のうちの1つもしくはそれ以上から選択されてよく、そして、好適には、TiO2に対する濃度が、重量で0.01%から5%までの間になるような濃度で加えられる);
(vii)1種類以上の金属前駆体を添加すること、あるいは、そのような金属前駆体と混合すること;
1種類以上のシランを添加すること、あるいは、そのようなシランと混合すること(添加または混合される場合、それは、好適には、化学式RSiX3、R2SiX2、およびSiX4(式中、Rは、単純な有機基、または官能基を有する有機基であり、Xは、ハロゲン化物またはアルコキシド基であり得る)で表される加水分解可能な、もしくは部分的に加水分解可能な1種類もしくは複数のシラン化合物であり、そして、好適にはシラン濃度が合計重量で1から50%の間、より好適には10から35%の間になるように、好適には、そのまま加えられるか、あるいは、水と混和性の溶液として加えられる);
のうちのいずれか一つもしくはそれ以上を含む。
1種類以上の金属前駆体が添加または混合される場合、それは、好適には、Pd、Pt、Ag、およびCuのうちの1つもしくはそれ以上の可溶性の金属塩または金属錯体である。
好適には、その金属は:
・Agであり、そして、その前駆体は、酢酸銀または硝酸銀(但し、これらに限定するものではない)のうちの1つもしくはそれ以上である;および/または
・Cuであり、そして、その前駆体は、酢酸銅、硫酸銅、および硝酸銅(但し、これらに限定するものではない)のうちの1つもしくはそれ以上である;および/または
・PdまたはPtであり、そして、それらの前駆体は、Pd−またはPt−のヘキサクロロ錯体のうちの一つ(但し、これに限定するものではない)である;
のうちの一つもしくはそれ以上である。
金属がPdまたはPtであるときには、そのPdまたはPtヘキサクロロ錯体は、ホルムアルデヒド、ギ酸、メタノール、またはエタノール等の犠牲化合物としての低炭素数有機化合物と混合され、そして、その犠牲化合物は、その金属前駆体に対して過剰な量で加えられる。
好適には、ここに、何らかの濃度におけるそのコーティング溶液を、好適には0から20℃の間、より好適には4から15℃の間で保存する更なる工程(3)が存在する。
本発明の第8の態様によれば、TiO2で被覆された基材を作製する方法が提供され、その方法は、以下の工程:
I:実質的に先に説明されているようなコーティング溶液を作製する工程;および
II:上述の被覆された基材を得るべく、その溶液を更に処理する工程;
からなり、あるいは、そのような工程を含む。
好適には、その被覆された基材におけるTiO2相は、少なくとも初めは、アナターゼを含んでいるか、主にアナターゼであるか、もしくは、実質的にアナターゼである。
好適には、この基材は、ガラス、石英、ガラス繊維、織りガラス繊維、セラミック、シリコンウェーハ、金属、ポリマー(ポリエチレンまたはポリエステル等)の表面、木材、または、モルタル、れんが、タイル、もしくはコンクリート等の建築材料(但し、これらに限定するものではない)のうちの1つもしくはそれ以上である。
好適には、上述の工程IIは:
(i)基材にそのコーティング溶液を塗布する工程;および
(ii)ゲル化工程;および
(iii)硬化工程;
を含む。
好適には、上述のコーティング溶液の塗布は、スピンコート法、ディップコーティング法、または噴霧法(但し、これらに限定するものではない)等の技術により果たされる。
好適には、コーティング溶液を塗布する前に、その基材に、非晶質シリカおよび/または非晶質アルミナ(および/またはそれらの前駆体)の保護層が適用される。
好適には、非晶質シリカの1つもしくは複数の前駆体は、一連のテトラアルコキシシラン、アルコキシクロロシラン(但し、これらに限定するものではない)から選択されてよく、また、非晶質アルミナの前駆体は、一連のアルミニウムトリアルコキシド(但し、これらに限定するものではない)から選択されてよく、そして、それらの前駆体は、酸性溶液中において、1つもしくは複数のシリカおよび/またはアルミナ前駆体を加水分解することにより作製される。
好適には、上述のゲルの硬化は、UV放射線に暴露することにより、および/または、加熱することにより果たされる。
好適には、そのUV放射線の波長は、アナターゼTiO2のバンドギャップと実質的に一致もしくは部分的に一致する。
好適には、その硬化時間は、分解すべきシュウ酸の量、および/またはシラン(存在する場合)の量、および/または界面活性剤(存在する場合)の量、および/または放射線の波長、および/または放射線の強度によって決定される。
好適には、上述のゲル化工程は:
・室温以上の温度で、溶媒を蒸発させること;
・加熱を伴って、もしくは、加熱を伴わずに、真空下で溶媒を蒸発させること;
・HCl、HNO3、またはH2SO4等の鉱酸の希釈溶液、あるいは、KOH、アンモニア、炭酸ナトリウム、または水酸化テトラアルキルアンモニウム等のアルカリ溶液(但し、これらに限定するものではない)を含む、ゲル化剤の添加工程;
のうちの一つもしくはそれ以上により果たされる。
好適には、更なる工程IIIが存在し、この工程IIIは、以下の工程:
(i)そのチタン含有製品に金属前駆体を含浸させる工程(含浸工程);および
(ii)工程(I)および/または工程(III)において加えられた何らかの金属前駆体を変換する工程(変換工程);
のうちの一方または両方を含む。
好適には、上述の工程(i)の前駆体の金属は、Pd、Pt、Cu、またはAgのうちの一つもしくはそれ以上であり、その金属前駆体がPdまたはPtであるときには、好適には、その金属前駆体は、金属前駆体に対して過剰量の、ホルムアルデヒド、ギ酸、メタノール、またはエタノール等の犠牲化合物と混合される。
好適には、上述のゲルの硬化は、UV放射線に暴露することにより、および/または加熱することにより、および/または溶媒を蒸発させることにより果たされ、そして、好適にはキセロゲルが、中間体または製品のいずれかとして生成される。UV放射線が使用されるときには、好適には、そのUV放射線の波長は、そのアナターゼ相であるTiO2の光触媒的に活性なバンドギャップと実質的に一致または部分的に一致する。
好適には、上述の硬化時間は、分解すべきシュウ酸の量、および/または放射線の波長、および/または放射線の強度によって決定される。
本発明の第9の態様によれば、焼き入れされたTiO2被覆基材を作製する方法が提供され、その方法は、以下の工程:
(i)実質的に上述の如くコーティング溶液を作製する工程であって、少なくともある量の酸とアルコールの両方がその溶液に加えられる工程;
(ii)基材にそのコーティング溶液を塗布する工程;
(iii)150℃付近に加熱する工程;
(iv)その有機材料を分解するため、および/またはその被膜を焼き付けるため、450℃付近に更に加熱する工程;
からなり、あるいは、そのような工程を含む。
本発明の第10の態様によれば、パターン化されたTiO2被覆基材を作製する方法が提供され、その方法は、以下の工程:
(i)何らかのゲル化工程または硬化工程(存在する場合)の前に、実質的に上述のようにして、被覆された基材を作製する工程;
(ii)その被膜の1つもしくはそれ以上の領域をマスクする工程;
(iii)1つもしくは複数のマスクされていない領域の酸化チタンに存在するシュウ酸および他の有機材料を光触媒的に破壊するため、そのような1つもしくは複数のマスクされていない領域を紫外光に暴露することにより、被膜の1つもしくは複数のマスクされていない領域を硬化させる工程;
(iv)そのフィルムの現像工程;
からなり、あるいは、そのような工程を含む。
好適には、そのコーティング溶液は、硬化後、重量で50%から100%までのチタニアを含むフィルムを生成する。
好適には、よりシャープでより鮮明なパターンを得るため、コーティング溶液は一層のみが塗布される。
好適には、上述のフィルムの現像は:
(i)酸性溶液の塗布であって、ここで、その酸性溶液は、硫酸等の何らかの希鉱酸、および/またはシュウ酸、乳酸、クエン酸、酒石酸、または硫酸等の有機酸溶液、および/または酸性塩溶液であり、ここで、その塩は、硫酸アンモニウムまたは硫酸アルミニウムである;および/または
(ii)過酸化水素等の他の材料の塗布;および/または
(iii)超音波処理を含む放射線的または機械的な方法;および/または
(iv)UVに暴露されていないゲルを再溶解するための何らかの他の方法;
のうちの1つもしくはそれ以上により果たされる。
好適には、その現像は、室温で、もしくは、加熱条件下で行われ、そして、好適には、その後、その被膜を焼き付ける最終工程が行われる。
好適には、以下の一方または両方の工程を含め、焼き付け前に1つもしくはそれ以上の追加の工程があってよい:
・室温以上の温度で、溶媒を蒸発させること、および/または
・加熱を伴って、もしくは、加熱を伴わずに、真空下で溶媒を蒸発させること。
好適には、上述のゲルの硬化は、UV放射線に暴露することにより、および/または加熱することにより果たされ、そして、好適には、キセロゲルが中間体として生成されてよい。
UV放射線が使用されるときには、好適には、そのUV放射線の波長は、そのアナターゼ相であるTiO2の光触媒的に活性なバンドギャップと実質的に一致または部分的に一致する。
本発明の第11の態様によれば、TiO2製品におけるルチルおよび/またはTiO2−B相の含量を増大させる方法が提供され、その方法は:
・実質的に上述のようにしてTiO2含有製品を作製する工程であって、そのTiO2相は、主にまたは少なくとも部分的にアナターゼであるか、もしくは、主にまたは少なくとも部分的にTiO2−B相である;および
・そのTiO2−Bおよび/またはルチルの含量を増大させるため、加熱する工程;
を含むか、あるいは、そのような工程からなる。
好適には、実質的に200℃から400℃までの間に加熱することは、その製品の二酸化チタン−Bおよび/またはルチル相に対し、TiO2−Bのアナターゼ相への相転移を引き起こすか、または開始させる。実質的に400℃を超える温度への添加的な更なる加熱は、その製品におけるルチル相の含量を増大させるであろう。
好適にTiO2は、実質的に500℃より高い温度において、実質的に全体がルチルへ変化する相転移を受ける。
代替的に、重量で実質的に50%までのシリカの添加は、アナターゼおよび/またはTiO2−B相の安定化をもたらし、これにより、ルチル相への変換を開始および/または完了させるため、600℃以上の温度への加熱が必要になる。
本発明の第12の態様によれば、実質的に先に説明されている方法に従って作製されるTiO2含有製品が提供される。
本発明の第13の態様によれば、実質的に付随する実施例のうちのいずれか一つもしくはそれ以上に関連して本明細書で説明されているように作製されるTiO2含有製品が提供される。
本発明の第14の態様によれば、実質的に先に説明されている方法に従って作製されるTiO2粒状材料が提供される。
本発明の第15の態様によれば、実質的に付随する実施例のうちのいずれか一つもしくはそれ以上に関連して本明細書で説明されているように作製されるTiO2粒状材料が提供される。
本発明の第16の態様によれば、実質的に先に説明されているような方法に従って作製されるTiO2含有コーティング溶液が提供される。
本発明の第17の態様によれば、実質的に付随する実施例のうちのいずれか一つもしくはそれ以上に関連して本明細書で説明されているように作製されるTiO2含有コーティング溶液が提供される。
本発明の第18の態様によれば、実質的に先に説明されているような方法に従って作製されるTiO2含有被覆基材が提供される。
本発明の第19の態様によれば、実質的に付随する実施例のうちのいずれか一つもしくはそれ以上に関連して本明細書で説明されているように作製されるTiO2含有被覆基材が提供される。
本発明の第20の態様によれば、実質的に先に説明されているような方法に従って作製されるTiO2含有焼き入れフィルムが提供される。
本発明の第19の態様によれば、実質的に付随する実施例のうちのいずれか一つもしくはそれ以上に関連して本明細書で説明されているように作製されるTiO2含有焼き入れフィルムが提供される。
本発明の第20の態様によれば、実質的に先に説明されているような方法に従って作製されるTiO2含有パターン化フィルムが提供される。
本発明の第21の態様によれば、実質的に付随する実施例のうちのいずれか一つもしくはそれ以上に関連して本明細書で説明されているように作製されるTiO2含有パターン化フィルムが提供される。
本発明の第22の態様によれば、TiO2をベースとした光触媒を作製する方法が提供され、その方法は、以下の工程:
(1)それらの粒子がシュウ酸により安定化されるか、あるいは、シュウ酸との反応により安定化される、チタンイオンを含むコロイド粒子を含有する溶液を作製する工程;
(2)上述の光触媒を得るべく、その溶液を更に処理する工程;
を含むか、または、そのような工程からなる。
好適には、TiO2をベースとしたその光触媒はTiO2粒状材料であり、上述の更なる処理は、ゲル化工程および硬化工程を含む。
好適には、TiO2をベースとしたその光触媒は、基材上のTiO2被膜またはフィルムであり、上述の更なる処理は、コーティング溶液を作製する工程と、そのコーティング溶液を基材上に適用する工程、更には、ゲル化工程および硬化工程を含む。
好適には、その粒状材料、被膜、またはフィルムにおけるTiO2相は、少なくとも初めは、アナターゼを含んでいるか、あるいは、主にアナターゼであるか、もしくは実質的にアナターゼである。
好適には、TiO2をベースとしたその光触媒は、UV光の照射により、または、UV光への暴露により、光触媒として作用する。
好適には、TiO2をベースとしたその光触媒は、金属または金属酸化物がドーピングされ、そして、その金属は、好適には、Pt、Pd、Cu、またはAgから選択される。
好適には、TiO2をベースとしたその光触媒は、有機化合物を光触媒的に分解するために使用することができ、ここで、その分解は、UV放射線の適用、または、UV放射線への暴露により起こるものであり、および/または、TiO2をベースとしたその光触媒は、基材上に被覆されたときに親水性表面として作用することができる。
本発明の第23の態様によれば、実質的に先に説明されているような方法に従って作製されるTiO2をベースとした光触媒が提供される。
本発明の第24の態様によれば、実質的に実施例のうちのいずれか一つもしくはそれ以上に関連して本明細書で説明されているように作製されるTiO2をベースとした光触媒が提供される。
本発明の第25の態様によれば、B相TiO2を作製する方法が提供され、その方法は、以下の工程:
(1)それらの粒子がシュウ酸により安定化されるか、あるいは、シュウ酸との反応により安定化される、チタンイオンを含むコロイド粒子を含有する溶液を作製する工程;および
(2)主にまたは実質的にTiO2−B相であるTiO2を得るべく、その溶液を更に処理する工程;および
(3)実質的に200から300℃の間にそのTiO2を加熱する工程;
を含むか、あるいはそのような工程からなる。
好適には、上述の更なる処理工程(2)は、溶媒の除去、および/またはゲル化工程、および/または硬化工程を含む。
好適には、上述の工程(1)は、実質的に、本発明の第1の態様から第4の態様において先に説明されているうちの一つもしくはそれ以上の方法に従って行われる。
好適には、更なる工程(4)があり、この工程(4)では、450℃を超える温度での加熱が行われ、ルチル相であるTiO2がもたらされる。
本発明の第26の態様によれば、実質的に先に説明されている方法に従って作製されるB相TiO2が提供される。
本発明の第27の態様によれば、実質的に実施例のうちのいずれか一つもしくはそれ以上に関連して本明細書で説明されているように作製されるB相TiO2が提供される。
本発明が上で広範囲にわたり定義されているが、本発明は、それらに限定されるものではなく、以下の説明が提供する実施例の実施形態も含む。
特に、添付の図面および図を参照することにより、本発明の更なる一層の理解が得られるであろう。
(発明の説明)
上で定義されているように、本発明は、チタンイオンを含むコロイド粒子を含有する溶液(即ち、チタン含有ゾル)を作製するプロセス、および、二酸化チタン含有材料を作製するためのプロセスに関するものである。特に、それらの溶液から、キセロゲル(環境温度において蒸発により溶媒が取り除かれたゲル)、粉末、および被覆されたフィルムを作製することができる。更に、本発明は、それらの二酸化チタン含有材料の応用にも関係する。
A.チタン含有材料の作製
A1−全般的事項
本出願人らは、シュウ酸により安定化されるチタン含有コロイド溶液を、安定化またはペプチゼーションにより作製できることを見出した。ペプチゼーションとは、通常は電解質を添加することによりコロイド状のゾルが安定化されるプロセスである。TiO2の場合には、約4より小さいpHが必要であり、従って、一般的には酸性条件が使用される。これらのコロイド溶液は、特定の有利な特性を有しているため、二酸化チタン含有材料の作製に使用するのに非常に適している。
特に、本出願人らは、そのようなコロイド溶液から作製された二酸化チタン含有材料が、光触媒等の用途に使用するのに適した特性をそれらに持たせるために、高温で焼成する必要がないことを見出した。これは、そのようなコロイド溶液から溶媒を除去することにより作製される二酸化チタンが、直接、アナターゼ結晶型の二酸化チタンを含むか、または、そのような結晶型の二酸化チタンからなるためである。この形態は、二酸化チタンがUV域で光触媒特性を有するためには本質的に必要であり、あるいは、少なくとも、二酸化チタンにとって最も都合のよい光触媒形態である。
典型的には、他のプロセスにおいては最初に生成される典型的な相である二酸化チタンの非晶質形態からアナターゼ結晶型への変換には、一般的に、少なくとも300℃から400℃までの温度に加熱することが必要である。それとは対照的に、本発明のコロイド溶液から作製される二酸化チタン材料は、単に太陽光または紫外光源に暴露するだけで硬化させることができる。重要なことに、その材料の照射は、既にアナターゼ型にあるその二酸化チタンがシュウ酸の分解に対する光触媒作用を及ぼすため、存在しているシュウ酸を除去するのに有効である。
高温を必要とせずに硬化することができるというその二酸化チタン材料の能力は、二酸化チタンフィルムで被覆された基材を含む複合材料の作製を可能とし、そこで使用される基材は、もはや、耐熱性であることを必要としない。従って、基材が例えば熱可塑性材料または木材であるような複合材料を作製することができる。
代替的に、本発明の二酸化チタン含有材料は、適切な温度に加熱することによっても硬化させることができる。一般的に、その材料に存在するシュウ酸を分解し、且つ、二酸化チタンがアナターゼ型にある製品をもたらすには、約200℃程度の低い温度で充分であろう。更に、作製で使用したシュウ酸の量、および、焼成温度に応じて、アナターゼ、TiO2−B、ルチル相、またはそれらの混合物を得ることもできる。従って、アナターゼ相またはアナターゼと二酸化チタンBとの混合物としての結晶性TiO2が所望される場合には、その二酸化チタン材料は、一般的に、約200℃から400℃までの間の温度で硬化されるであろう。400℃を超えるとなると、一般的には、アナターゼとルチルの混合物が得られ、これは、当技術分野において既知の如く、高温で完全にルチルに変換されるであろう。
このような二酸化チタン材料の作成は、以下の2段階で実施される:初めに、チタン含有コロイド溶液またはゾルを作製し、その後、前述のチタン含有材料を作製する。
A2.チタンゾルの作成
本発明のチタンイオンを含むコロイド粒子を含有する溶液(チタンゾル)は、水または水とアルコールの混合物のいずれかからなる反応媒体中において、加水分解可能なチタン含有化合物を含む混合物とシュウ酸を反応させることにより作製することができる。
使用されるチタン含有化合物は、水または塩基中において加水分解可能なチタン含有化合物であってよい。また、2種類もしくはそれ以上の加水分解可能なチタン含有化合物の混合物を使用することも、本発明の範囲内である。
上述の水加水分解型チタン含有化合物は、化学式Ti(OR)4(式中、RはC2〜C6の線状または分枝鎖のアルキル基である)の化合物であることが特に好適である。2つの好適なチタン含有化合物は、水中において加水分解可能なチタンテトライソプロポキシドとチタンテトラブトキシドである。
使用され得る代替的なチタン含有化合物は、シュウ酸との反応の前に塩基を用いて加水分解することができるTiCl4およびTiOSO4を含む。この場合、その加水分解産物(水和チタニアまたはチタン酸)は、シュウ酸との反応の前に、好適には濾過され、そして、好適には脱イオン水で洗浄されるであろう。その加水分解産物は、より好適には、乾燥させることなく、スラリーとして使用される。
上述の加水分解可能なチタン含有化合物は、例えばその化合物が化学式Ti(OR)4の化合物である場合、初めにシュウ酸のアルコール溶液と化合させ、その後に水を添加してよい。代替的に、上述のチタン含有化合物を単に水(または、水とアルコールの混合物)に直接加え、その後、そのようにして形成されたスラリーにシュウ酸を加えてもよい。それ以外に、シュウ酸水溶液中、または、水/アルコール溶液とシュウ酸からなる溶液に、上述のチタン含有化合物を加えることもできる。
シュウ酸は、無水シュウ酸か、H2C2O4・2H2O等の水和シュウ酸のどちらであってもよい。シュウ酸の量は、上述のゾルを得るため、シュウ酸:チタンのモル比が約0.2:1から約1:1までの範囲になるような量が好適である。比が0.2以下になると、非常に白いコロイドが得られるか、あるいは、不安定なコロイドが得られる。
上で指摘されているように、反応媒体は、水か、水とアルコールの混合物のどちらからなっていてもよい。含水量は、水:チタンのモル比が約200:1から約800:1までの範囲になるような量であることが好適であり、より好適には、約400:1から約600:1までの範囲になるような量である。比が200:1以下になると、ペプチゼーションが難しくなり、不安定なコロイドをもたらしかねない。存在するアルコールの好適な量は、アルコール:チタンのモル比がゼロから100:1になるような量であり、より好適には、10:1から50:1までになるような量である。
存在する場合、そのアルコールは、エタノールまたはt−ブタノール等の化学式ROH(式中、Rは、C1からC4までの線状または分枝状のアルキル基である)を有するモノヒドロキシル脂肪族アルコールであることが好適である。
ゾル、即ち、チタンイオンを含むコロイド粒子を含有する溶液を形成するため、好適には、その反応混合物は、環境温度からその混合物の沸点に近くでの間のある温度、より好適には、約40℃から約80℃までの間において、かき混ぜまたは撹拌される。
そのゾルは、あらゆる所望の濃度レベルで貯蔵することができ、好適には重量で約32%TiO2までの濃度レベルで貯蔵することができる。しかし、濃縮ゾルを作製したときには、その後、これを、薄膜作製用として、TiO2重量で約2から20%の濃度になるまで水で希釈するのが好適である。
コロイド溶液を形成するのに必要な反応時間は、その反応混合物の組成と濃度に依存するであろう。しかし、一般的に、必要な反応時間は、約15分から約3時間までの範囲であろう。
このようにして作製されたゾルは、それらの粒子がシュウ酸で安定化されている状態で、チタンイオンを含む、粒径がサブマイクロメートルから数ナノメートルかそれ以下のコロイド粒子を含有するであろう。
いかなる理論にも拘束されることを願うものではないが、それらのコロイド粒子の構造は、nTiO2・H2C2O4(式中、nは1かそれ以上の数である)または同様なもの、即ち、シュウ酸で安定化されたTiO2粒子またはそれの何らかの解離形態であるらしく、そして、二酸化チタンが溶液から沈降するのをシュウ酸が防いでいるものと考えられる。
A3−二酸化チタン固体材料の作製
一旦ゾルを作製した後、特にそのシュウ酸塩濃度が、Tiに対して約0.5かそれ以上に高いモル比である場合には、そのゾル中のシュウ酸の濃度を減らすため、そのゾルにUV光を照射してもよい。そのUV光は、便宜的には、水銀ランプまたはキセノンランプ、もしくは400nm未満の波長を有する他の何らかの強力UV源により得ることができる。
そのチタン含有コロイド溶液は、溶媒を除去することにより、二酸化チタン粉末、および、二酸化チタンのフィルムで被覆された基材からなる複合材料を含む、二酸化チタンまたは二酸化チタン含有材料の作製に使用することができる。
本発明の一つの実施形態では、比較的大きな表面積の二酸化チタン粉末またはフィルムが作製される必要がある場合、通常、そのゾルを、チタンに対して約1重量パーセントから99重量パーセントまでの間の量、好適には、チタンに対して30wt%から60wt%までの範囲の量において、初めにコロイダルシリカと混合するのが好適である。使用されるコロイダルシリカの濃度は、あらゆる所望の濃度を有していてよいが、好適には、重量で約1%から50%までの間である。
本発明の範囲内における一つの更なる選択肢は、上で説明されているように作製されたチタニアゾルを用い、そのゾルをゲルにする前に、更にそれを、化学式RSiX3およびSiX4(式中、Rは、単純な有機基、または官能基を有する有機基であり、Xは、ハロゲン化物またはアルコキシド基であり得、それらが一緒に存在していてもよい)の加水分解可能な、もしくは部分的に加水分解可能なシラン化合物と混合することである。そのようなシランは、そのまま加えることもできるし、あるいは、水溶液中、または、エタノール、アセトン等の水と混和性の有機溶媒との溶液として加えることもできる。そのようなシラン材料は、−Ti−O−Si−O−Ti−結合を通じてチタニア粒子間の連結を形成することができる。これは、その光触媒に一層良好な摩耗特性を付与するだけでなく、それらのチタニア粒子の結晶成長を抑制することができる。
キセロゲルまたは粉末を作製するためには、次いで、そのゾルをゲルにするのが好適である。これは、室温以上の温度で溶媒を蒸発させることにより、または、加熱を伴って、もしくは、加熱を伴わずに、真空下で溶媒を蒸発させることにより果たすことができる。代替的に、HCl、HNO3、またはH2SO4等の鉱酸の希釈溶液を加えることにより、もしくは、KOH、アンモニア、炭酸ナトリウム、または水酸化テトラアルキルアンモニウム等のアルカリ溶液を加えることにより、そのようなゾルをゲルにすることもできる。これらのゲルは、望ましい場合、硫酸、硝酸、シュウ酸、クエン酸、乳酸、および酒石酸等の酸性溶液中に、その酸のタイプおよび濃度に応じて、室温で、または加熱することにより、再溶解することができる。ゲル化された材料を再溶解するこのプロセスは、以降で説明されるように、フィルムのパターン化では特に重要である。
シュウ酸を除去し、二酸化チタン含有材料またはフィルムを形成するため、太陽光またはUV光源に暴露することにより、もしくは適切な温度で加熱することにより、それらのゲルを硬化させることができる。UV源を使用する場合、これは、水銀ランプ、キセノンランプ、ブラックライトランプ、または他のUV源であってよい。その光の波長は、チタニア光触媒のバンドギャップと一致させるため、400nm以下であってよい。必要な硬化時間は、膜厚、分解すべきシュウ酸の量、放射線の波長、および放射線の強度に依存するであろう。UVで硬化されたその材料は、アナターゼ形態のTiO2を含んでいよう。以下の実施例10のように作製されたフィルムの硬化プロセスを、赤外分光法によりモニターした(図3)。
代替的に、アナターゼ、TiO2−B、またはルチルを形成するため、当技術分野において既知の如く、適切な温度で加熱することにより、そのようなゲルを硬化させることもできる。200℃から400℃程度の低い温度では、アナターゼ相またはアナターゼと二酸化チタン−Bの混合物としての結晶性TiO2が得られる。400℃を超えると、アナターゼとルチルの混合物が得られ、それらは、高温で完全にルチルに変換されるであろう。この様子は、熱分析(TGA、DTA)(図1)および粉末X線回折(XRD)(図2)を用いてモニターした。この場合、クリスタライトの大きさは、300℃で1時間の加熱後、キセロゲル中で37Åから58Åまで徐々に増大した後、ルチルの形成を伴って100Å以上へ急速に増大した。二酸化チタンと共にシリカ(Nalcogelコロイダルシリカ)が存在していたときには、アナターゼクリスタライトサイズの変化が小さな状態で、そのアナターゼ形態をより高い温度で安定化させることができた。以下に与えられている実施例から分かるように、材料が重量で50%のシリカを含んでいる場合には、そのアナターゼ相は、600℃まで安定化させることができ、そして、そのアナターゼクリスタライトサイズは、600℃で1時間の加熱後、キセロゲル中で37Åから僅か56Åへ変化するにすぎない。従って、この光触媒にシリカを含めることは、アナターゼ相を安定化させ、且つ、その材料の表面積を増大させることができ、それ故、その光触媒活性を向上させることができる(図4)。SiO2重量が50%で最高の表面積と光活性が得られ、そこでの比表面積は、窒素吸着に対するBET法によれば、246.3m2/gであった。窒素脱着等温線のBJH分析による細孔径分布は、35Åの細孔径で最大値を示し、17Åから100Åまでの間の細孔の累積細孔体積は0.1125cm3/gであり、平均細孔径は28.2Åであった。しかし、純粋なチタニア粉末の場合には、BET法によるその表面積は153m2/gであった。また、BJH分析によるその細孔径分布は、34.3Åの細孔径で上述の場合より小さな最大値を示し、17Åから100Åまでの間の細孔の累積細孔体積は0.02254cm3/gであり、平均細孔径は24.5Åであった。非晶質シリカを混ぜることにより、本発明で述べられている材料の表面特性を変え、その表面積を増大させ得ることは明らかであり、これは、汚染物質の吸着にとって重要なことである。
フィルムの作成
二酸化チタンフィルムを作製するため、上述のチタン含有コロイド溶液は、厚めで耐摩耗性に優れたフィルムを得るべく、最初に、フィルム成形プロセスを促進する1種類以上の化合物と混合されてよい。50%もの多量の水溶性アルコールが、そのフィルム形成プロセスを促進することが見出された。特に、メタノールおよびエタノールは、スプレー被覆で一層良好な結果をもたらした。また、上述のゾルを、アセトンおよびアセチルアセトン等の、何らかの割合の水溶性またはアルコール可溶性のケトンと混合してもよい。
更に、上述のゾルを、何らかの割合の有機酸と混合することもできる。その有機酸は、一官能性、二官能性、または多官能性であってよく、そして、ヒドロキシル基も含んでいてよい。そのような酸は、例えば、酢酸、乳酸、酒石酸、クエン酸、マレイン酸、リンゴ酸、マロン酸、ジグリコール酸、安息香酸、1,2,4,5−C6H2(COOH)4、EDTA、およびそれらの混合物を含む。
また、上述のゾルを、何らかの割合の水溶性脂肪族または芳香族アルコール、ジオール、またはポリオールと混合することもできる。そのような化合物の例は、エタノール、プロパノール、エチレングリコール、グリセロール、ポリエチレングリコール、ポリビニルアルコール、フェノール、カテコール、多糖類、および、当業者に知られている如き他のポリオール、またはそれらの混合物を含む。
また、上述のゾルは、モノエタノールアミン、ジエタノールアミン、およびトリエタノールアミン、またはそれらの混合物等の、何らかの割合のエタノールアミンと混合されてもよい。
そのような酸およびアルコールが特定の量で上述のゾルに一緒に加えられた場合には、そのゾルを基材上に被膜し、150℃近辺に加熱することにより、その被覆された基材の容易な取り扱いを可能にする高分子硬化フィルムを得ることができる。この特性は、特には例えばロボット産業において、多くの用途を有している。また、これを更に加熱してその有機材料を分解し、アナターゼ被膜を生成することができる。
また、本出願人らは、シリカコロイドおよび/または上述の如きシラン化合物を添加することにより、本発明において作製された二酸化チタンコロイドに非晶質シリカを混ぜる方法も提唱する。そのようなシラン化合物は、粒子結合剤として作用して、膜厚の改善や、一層優れた耐摩耗性フィルムを得る上での助けとなり、次いで、それらのフィルムは、あらゆる有機残分を分解するため、UV照射下または加熱下のいずれかにおいて硬化される。
更に、特にそのフィルムをある種のポリマー表面等の疎水性表面上に形成する場合には、上述のゾルは、何らかの割合の界面活性剤と混合されてよい。その界面活性剤は、これらに限定するものではないが、Brijシリーズ、Tritonシリーズ、Tergitolシリーズ、Pluronicシリーズ、ドデシル硫酸カリウム、または、ゲル化を引き起こさない他のあらゆる界面活性剤から選択することができる。好適には、その界面活性剤の濃度は、TiO2に対して重量で0.01%から5%までの間である。
被覆基材
このようにして作製されたゾルを様々な基材上に被膜することができる。そのような基材の例は、ガラス、石英、ガラス繊維、織りガラス繊維、セラミック、シリコンウェーハ、金属、ポリマー(ポリエチレンまたはポリエステル等)の表面、木材、または、モルタル、れんが、タイル、またはコンクリート等の建築材料を含む。使用する被膜方法は、スピンコート法、ディップコーティング法、または噴霧法等の、当技術分野において既知のどんな適切な方法であってもよい。
また、特に、基材が、光触媒コーティングを施すと劣化するようなポリマー等の有機材料からなっている場合には、光触媒でコーティングする前に、その基材上に非晶質シリカまたは非晶質アルミナの保護層を施すことも好適である。ガラスおよび加熱により作製される他の被担持フィルムを用いて同じ方法を実施することができる。非晶質シリカおよび非晶質アルミナの前駆体は、当業者にとって既知の如く、酸性溶液中においてシリコンアルコキシドまたはアルミニウムアルコキシドを加水分解することにより作製することができる。例えば、非晶質シリカおよび非晶質アルミナの前駆体は、これらに限定するものではないが、一連のテトラアルコキシシラン、アルコキシクロロシラン、およびアルミニウムトリアルコキシドから選択することができる。それらのアルコキシ基がC1からC5の低炭素数骨格を有していることがより好適である。
光触媒でコーティングされたフィルムを、上で説明されているように、即ち、太陽光またはUV光源に暴露することにより、あるいは、適切な温度で加熱することにより、硬化させることができる。
精巧なパターン化フィルム
本発明において、本出願人らは、低強度のブラックライトランプを用いて、非常にシャープなエッジを有する、幅4マイクロメートル未満の精巧なラインパターンを形成することができた。これは、高分子基材上におけるTiO2パターンの形成を可能にするであろう。
本発明の一つの形態では、本方法により作製されるが如き二酸化チタン含有材料の光触媒特性を利用することにより、種類の異なるパターンを有するフィルムで被覆された基材を作成することができる。
そのコーティング溶液は、上述のチタニアコロイドと、シリカコロイド、加水分解可能または部分的に加水分解可能なシラン、および界面活性剤との何らかの組み合わせから選択されてよい。しかし、そのコーティング溶液は、硬化後に、重量で50%から100%までのチタニアを含むフィルムをもたらすような溶液であることが好適である。このコーティング溶液のチタニア含量は、要求通りの厚みのパターン化フィルムをもたらすように選択されるであろう。また、よりシャープでより鮮明なパターンを得るため、一層のみを塗布することも好適である。そのパターン化プロセスは2つの工程を含む。第1の工程では、フィルムの一部がマスクされ、マスクされていない部分が紫外光に暴露される。これにより、そのマスクされていない部分の酸化チタン中に存在するシュウ酸および他の有機材料が光触媒的に破壊されるであろう。
次の工程は、酸処理により、そのフィルムを現像することである。マスクされていない部分に存在するシュウ酸の分解は、フィルムのそれらの部分を不溶性にし、一方、そのフィルムのうちUV光に暴露されなかった部分は、フィルムのそのような部分が硬化されていないため、適当な酸性溶液、または、シュウ酸および/または二酸化チタン含有ゲルと反応する何らかの材料、もしくは、シュウ酸および/または二酸化チタン含有ゲルを溶解する何らかの材料を用いて溶解することができる。この酸性溶液は、いかなる希鉱酸溶液、有機酸溶液、または酸性塩溶液であってもよい。好適には、その酸は、シュウ酸、乳酸、クエン酸、酒石酸、または硫酸である。また、上述の酸性塩は、例えば、硫酸アンモニウムまたは硫酸アルミニウムであってよい。更に、過酸化水素等の他の材料も、それらのパターンを現像工程するために使用することができる。添加的に、または、代替的に、超音波処理等の放射線的または機械的な方法を用いて、硬化されていない部分を取り除くことにより、そのパターン化フィルムを現像することもできる。
この方法では、それが室温且つ低レベルのUV光で為されるため、プラスチックおよび高分子表面を含む様々な基材上に、幅が数マイクロメートルかそれ以下で、厚みがサブマイクロメートルから数ナノメートルの非常に精巧なパターンを有する二酸化チタンフィルムを作成することができる(図9、10)。このプロセスは、電界効果トランジスタおよび他のマイクロデバイス等のエレクトロニクス産業における特殊な工業的用途を見出し得る。
ドーピング
ここでは、光還元および化学的還元により白金および他の金属粒子を本発明で作製されるTiO2フィルムおよび粉末に分散する、少なくとも2つの方法について説明する。
二酸化チタン含有粉末およびフィルムの特性、例えば光触媒特性は、金属塩または金属錯体をドーピングすることにより増強することができる。適切なドーパントは、当業者にとって既知であろう。
その複合体は、金属酸化物を形成すべく適切な温度で加熱されてもよいし、あるいは、二酸化チタンの内部に金属粒子を形成すべくUV照射されてもよく、あるケースでは、UV照射により金属酸化物が形成される場合もある。可溶性の金属塩または金属錯体の添加は、上述のゾルに直接的に行ってもよいし、もしくは、吸着するのに充分な時間、それらの粉末およびフィルム自体に金属塩の水溶液またはアルコール溶液を含浸させることにより行ってもよい。金属がPd、Pt、Ag、およびCuからなる群から選択される場合、その吸着された金属塩または金属錯体は、熱的に分解できるか、あるいは、UV光下で光触媒的に分解することができる。この光触媒的ドーピングプロセスは、数分から数時間かかり得る。また、この光触媒プロセスは、金属前駆体の有機基の光酸化と、その金属イオンをゼロ酸化状態にする光還元とを含み、これにより、それらの金属粒子は、その触媒粒子の表面に一様に分散されることとなる。その光触媒における最終的な金属含量は、好適には重量で2%未満であり、より好適には重量で0.2%から0.5%までの間である。重量で0.5%以上にドーピングすると、この光触媒の活性は本質的に増大しない。
この方法では、PdおよびPtに対する好適な前駆体はヘキサクロロ錯体である。これらの前駆体を犠牲化合物と混合するのが好適であり、より好適には、その犠牲化合物は、ドーピング金属に対して過剰量で添加されるホルムアルデヒド、ギ酸、メタノール、またはエタノール等の低炭素数有機化合物である。例えば、白金とホルムアルデヒドとを使用する場合、Pt:ホルムアルデヒドのより好適なモル比は、約1:5である。
銀を析出させる場合、他の可溶性の銀化合物を使用することもできるが、本出願人らは、酢酸銀か硝酸銀のいずれかを使用することを選ぶ。その前駆体溶液は、上述のコロイドに加えてもよいし、あるいは、硬化後の触媒粒子またはフィルムに含浸させることもできる。この場合、犠牲剤は必要とならない。銀化された触媒の色は、薄い灰色から黒までの間の範囲である。
本発明では、硫酸塩等の他の塩も使用することができるが、好適な銅前駆体は、酢酸銅および硝酸銅である。その銅前駆体は、ゲル化させる前の上述のコロイドに加えてもよいし、あるいは、ゲル化および硬化後の光触媒粒子またはフィルムに含浸させることもできる。その触媒の色は、UV光への暴露後にCu(II)がCu(0)へ還元されるため、薄緑色から青銅色に変化する。
別の実施形態では、チタン含有触媒に吸着されている金属前駆体の還元は、その金属をゼロ原子価にまで完全に還元するのに充分な時間、そのような触媒を希ヒドラジン一水和物溶液に暴露することにより実施することができる。この場合、過剰なヒドラジンを除去するため、その触媒を水で洗浄するのが好適である。この方法では、ヒドラジンは、それらの粒子が純粋なチタニアであるか、チタン含有材料でるか、あるいは、シリカ粒子であるかに関わらず、その触媒粒子または結晶粒内に浸透し、その結晶粒の内部に吸着されている金属前駆体を還元することができる。
B.二酸化チタン材料の応用
二酸化チタン粉末、粒、および、二酸化チタン材料を含む複合材料は、数多くの用途を有している。
例えば、それらの材料は、光触媒としての機能を果たすであろう。その材料は、太陽の放射線またはUV光下で、有機化合物または空気中および水中における汚染物質を分解することができる。特に、それらの望ましくない炭素構造物は、比較的無害なCO2およびH2Oに分解される。また、太陽光または人工的なUV光で照射されたとき、染料を、本発明において作製される材料を用いて光触媒的に脱色または漂白することができる。本発明において、我々は、例えば、エチレン濃度を急速且つ効果的に低減することができる光触媒を作製および担持するための方法を提供する。
特定の例は、園芸作物の貯蔵施設からエチレン(エテン)ガスを取り除くことを含む。エチレンガスは、ある種の果物が熟したときに、それらの果物により生成される無色のガスである。しかし、このガスは、同じ施設に保管されている他の果物の早期熟成も引き起こす。一つの例は、リンゴとキウイフルーツとの保管であり、この場合、リンゴは、キウイフルーツを早期に熟成させるエテンを生成する。これは、市場に届く前にそれらの産物に損傷をきたしかねないため、園芸作物の輸出業者にとっては重大な問題である。
更に、二酸化チタンフィルムは、それらが最初に作製されたときには、極度の親水性を有しているであろう。この親水性は、太陽光またはUV光に暴露することにより維持され、接触角はゼロに近い。この親水性は、鏡やガラス窓の曇り止めとしての用途等に特に有用であり、そこでは、その親水性表面が、曇りの原因となる小さな水滴の形成を防止する。
更に、二酸化チタン含有材料は、バクテリア、ウイルス、および真菌に対する活性を含む抗菌活性を有している。これらの特性は、微生物の増殖を低減または排除するため、例えば、二酸化チタンフィルムで被覆されたベンチの上面やタイル等の表面を形成するのに利用することができる。
本出願人らの発明の利点は、以下の点を含む:
・プラスチックおよび他の熱的に不安定な基材を含む広範囲の表面を被膜することができる;
・太陽光およびUV光源下で30分以内に硬化することができる;
・機器関連コスト、エネルギーの節約に関するコスト、およびプラントの運転に関するコストを低減することができる;
・より高い温度で耐摩耗仕上げを施すことができる;
・大きなサンプルサイズを容易に作成することができる;
・高い光触媒活性を保証する高い多孔度と大きな表面積を有する被膜を得ることができる;
・作成される材料または被膜が耐摩耗性であることを保証するためには高い温度が必要とされるが、耐摩耗性が問題とならない場合(例えば、その材料が、空気またはガス以外の何物とも物理的に接触しないエアーフィルターの場合)には、比較的低い温度を使用することができる;
・広範囲にわたる試験は、このTiO2材料が、エチレンおよび他の作業場所化合物を非常に効果的に分解することを示した。これらの材料の分解は、1時間当たり30%から95%へ改善され、スクラバーとして本発明が有効であることが実証された。
次に、以下の非制限的な実施例を参照しながら、本発明をより詳細に説明する。
C−実施例
実施例1
チタンテトライソプロポキシド(TTIP)とUV光を用いるチタニアゾルの作製
14.2gのTTIPを、20mlの無水エタノールと3.15gのシュウ酸二水和物の溶液に加えた。その混合物を10分間撹拌した後、真空下で溶媒を蒸発させた。得られた白色の固体に水を加え、その混合物を75℃で撹拌することにより、それを透明なゾルへ解膠した。その後、水銀ランプを用いて、その溶液にUV光を3時間照射した。その間に、過マンガン酸塩滴定で測定したところ、シュウ酸の量は元の濃度の半分に低下した。
実施例2
インシトゥのα−チタン酸とモル比0.5のシュウ酸を用いるチタニアゾルの作製
100mlの水中で14.2gのTTIPを加水分解することにより、α−チタン酸を得た。3.15gのシュウ酸二水和物を加え、その混合物を70℃で撹拌することにより、無色のゾルが形成された。
実施例3
TTIPから作製されるα−チタン酸とモル比0.5のシュウ酸を用いるチタニアゾルの作製
シュウ酸の水(150ml)溶液に14.2gのTTIPを加えた。その混合物を70℃で撹拌することにより、実施例2に記載されたようなゾルが形成された。
実施例4
硫酸チタニルからのα−チタン酸を用いるチタニアゾルの作製
硫酸チタニル溶液を希アンモニア溶液で加水分解することにより白色の沈殿物が得られ、この沈殿物を濾過し、硫酸塩がなくなるまで蒸留水で洗浄した。得られたスラリーを密閉容器に保持し、炉内で試料を500℃に加熱することによりTiO2の含量を分析した。3.15gのシュウ酸二水和物を含む200mlの水に、21gのα−チタン酸スラリー(重量で19%のTiO2)を加えた。その混合物を70℃で撹拌することにより、1時間後に、青みがかった白色のコロイドが形成された。ゲル化し、200℃に加熱した後の粉末XRD測定は、アナターゼ相の存在を示した。300℃に30分間加熱すると、アナターゼ回折線は、一層シャープになった。
実施例5
α−チタン酸とモル比0.3のシュウ酸を用いるチタニアゾルの作製
1.42gのTTIPを40mlの水中で加水分解することにより、α−チタン酸が形成された。シュウ酸0.19gの水溶液を加え、その混合物を65から70℃で撹拌することにより、コロイド溶液が得られた。粉末XRDは、アナターゼ相の存在を示した。
実施例6
α−チタン酸とモル比0.25のシュウ酸を用いるチタニアゾルの作製
14.2gのTTIPを、シュウ酸(1.57g)水(400ml)溶液に加えた。その混合物を65℃で撹拌することにより、青みがかった白色のコロイドが得られた。溶媒の除去後、作製されたキセロゲルにアナターゼ相が検出された。
実施例7
チタンテトライソプロポキシド(TTIP)とモル比0.5のシュウ酸を用いるチタニアゾルの作製
50mlの無水エタノール中と3.15gのシュウ酸二水和物の溶液に、14.2gのTTIPを加えた。そのようにして形成された錯体を200mlの水で加水分解し、透明なゾルが得られるまで、その混合物を58℃で撹拌した。
ゲル化し、その粉末を200℃に加熱した後の粉末XRDは、相対的に74%のTiO2−B相と26%のアナターゼ相の存在を示した。その粉末を250℃に加熱すると、幾分かのTiO2−B相がアナターゼに転移し、比はTiO2−Bが57%、アナターゼが43%であった。300℃から410℃までの間では、充分に結晶性のアナターゼのみが得られた。ルチル相への転移は、450℃で加熱した後に起こり始めた(図8)。
実施例8
チタンテトラブトキシド(TTB)とモル比0.25のシュウ酸を用いるチタニアゾルの作製
40mlのt−ブタノールと1.57gのシュウ酸の溶液に、17gのTTBを加えた。得られた錯体を500mlの水で加水分解し、透明なゾルが得られるまで、その混合物を65℃で撹拌した。そのゾルをゲル化した後、350℃に加熱することにより、灰色がかった白色のアナターゼ粉末が得られた。
実施例9
30%のシリカを含有するチタニアゾルの作製
実施例6の場合と同様にして混合物を作製した。そのスラリーに、5.7gのNalcogelブランドの30%シリカコロイドを加え、生じた混合物を、透明なコロイドが得られるまで、60℃に加熱した。
実施例10
TTIPからのチタニアゾル
40mlの無水エタノール中で1.57gの水和シュウ酸に14.2gのTTIPを加え、50℃で5分間撹拌した。その溶液を400mlの温水で加水分解し、得られた混合物を65℃で2時間激しく撹拌した。生じた透明なゾルの体積を、8wt%のコロイドを得るべく真空下で50mlにまで、または、16wt%のコロイドを形成すべく25mlにまで減らした。そのコロイドを、0.4マイクロメートルのSartorius Minisartフィルターを用いて濾過した。
実施例11
50%のシリカを含有するチタンゾルの作製
実施例10の場合と同様にしてゾルを作製した後、必要量のNalcogelブランドの30%シリカコロイドを加えた。
実施例12
光触媒粒子および粉末の低温作製
上述の実施例に従って、16から20%の純粋なチタニアコロイドまたはチタニア−シリカコロイドを作製した後、それらのコロイドをゲルにした。粒子が所望された場合には、そのコロイドを70から80℃でゲル化するのが好適であり、粉末が所望される場合には、その溶媒を真空下において50℃で蒸発させるのが好適であった。そのような粒子または粉末を200℃で1時間加熱することにより、アナターゼ光触媒が得られた。そのクリスタライトサイズを増大させるには、加熱時間を1時間より長くすることができる。
実施例13
光触媒粒子および粉末の高温形成
実施例11の場合と同様にして、16%のチタニア/シリカコロイドを作製した。粒子が所望される場合には、そのコロイドを80℃でゲル化するのが好適で、粉末が所望される場合には、先ずその溶媒を真空下で蒸発させた。そのキセロゲルを500℃で1時間加熱することにより、クリスタライトのサイズが8.1nmのナノ結晶性アナターゼ含有材料が得られた。
実施例14
薄膜の作製および室温でのUV硬化
実施例10のゾルを2×1cmのシリコンプレートに被膜した。得られたフィルムを、5cm離れた、水銀UV光に30分間暴露した。そのシュウ酸塩の分解の様子を、赤外線分光法によりモニターした(図3)。
実施例15
TiO2フィルム上における界面活性剤の分解
2wt%の各界面活性剤溶液(Brij 98、Brij 97、Brij 78、Brij 58、Brij 35、Triton X−100、Tergitol 15−S−12)を各々1滴、一度ずつ、実施例14のフィルム上に拡げ、室温で乾燥させた。それらのフィルムに、5cm離れた、水銀UVランプからの放射線を照射した。それらの界面活性剤の濃度を赤外分光法を用いてモニターした。2900cm−1近辺におけるC−H伸縮に対する吸収ピークと、1100cm−1近辺におけるC−O−C変角に対する吸収ピークが、Brijシリーズの場合には、照射の30分後に消失し、そして、TritonおよびTergitol界面活性剤の場合には、50分後に消失することが判明した(図7aおよび7b)。これは、室温で硬化されたこのTiO2フィルムが、UV照射下において、これらの界面活性剤を光分解することができることを示している。
実施例16
ポリマーシート上のTiO2フィルム
0.2%のBrij 97界面活性剤を含有する実施例10の4%ゾルを用いて、50×50×3mmのポリアクリルシートをTiO2でスピンコートした。そのフィルムを、ブラックライトランプの下で2時間照射した。同じ方法で被膜を繰り返すことにより親水性被膜が得られた。
実施例17
薄膜の作製およびUVパターン化
0.1%のBrij 97を含有する実施例10の4%ゾルを、5×5×0.1cmのガラスプレートにスピンコートした。透明な薄い酢酸セルロースシートにプリントされた白黒像をそのフィルム表面に載せた。そのプレートを、ブラックライトランプに6時間暴露した。そのフィルムのうち、UV放射線に暴露されなかった領域を溶解し、そして、暴露された部分を残すため、そのフィルムを、温かな希乳酸溶液に浸した。
実施例18
TiO2/25%SiO2の精巧なパターン化フィルム
実施例10の8%チタニアゾル10mlを、0.1gの2%Brij 97界面活性剤および1gのグリシドキシプロピルトリメトキシシランと充分に混合した。その混合物を、予め清浄化された50×50×1mmのガラスプレート上にスピンコートした。微細にパターン化されたマスクをそのフィルム上に確実に載せて、その上面から10cm離れたブラックライトランプの下で15時間照射した。そのマスクを取り除いた後、そのフィルムを温かい希乳酸中に15分間浸した。そのようにして形成されたパターンを、DETAK表面プロファイラー(Sloan Technology Corporation)(図9)およびSEM(図10)で調べた。
実施例19
室温における親水性光触媒薄膜
重量で55%のTiO2と45wt%のSiO2を含有するスピンコート用混合物を、実施例10から得られる8%チタニアゾルを12ml、1.164gの30%Nacogelシリカコロイド、1.716gのグリシドキシプロピル−トリメトキシシラン、および0.1gの2%Brij 78溶液とを混合することにより作製した。清浄なガラスプレートを、この混合物で、600rpmにおいて2分間スピンコートした。そのようにして被覆されたプレートを、ブラックライトランプの下で15時間照射したところ、このフィルムは親水性になった。膜厚は0.5マイクロメートルであり、このフィルムは、H9鉛筆で試験したときに掻き取られなかった。
実施例20
熱硬化薄膜の作製および親水性試験
実施例5のゾルを、50×50×1mmのガラスプレート上にスピンコートした。そのプレートを200℃に加熱した。冷却後、このプレートを再度被膜し、加熱した。このようにして5回の被膜を施した。そのフィルムを、オレイン酸の0.1%アセトン溶液で汚し、太陽光の下に放置した。このオレイン酸の分解を、その表面における水の接触角の低下により評価したところ、その接触角は、6時間後に、元の角度<2に低下した。
実施例21
織りガラス布上における熱硬化フィルムの作製
1片の織りガラス布(6×6cm)を、実施例11のように作製されたゾルでディップコートした。暖かい空気中において乾燥させた後、その布を210℃に15分間加熱した。このコーティングを繰り返し行って、アナターゼ触媒の多重層を作成した。
実施例22
被覆されたガラス布の光活性試験(アセトアルデヒドの分解)
実施例21で作製された1片の織りガラス布を、上面に石英窓を備えた1リットルの気密反応器内に入れた。この反応器は、小さなファンと温湿度計を備えている。20℃で湿度を25±1%に調節した。その反応器にアセトアルデヒドガスを注入し、40から60ppmの間の濃度を得た。暗所において30分間平衡化させたのち、その被覆されたガラス布を4cm離れたブラックライトランプで照射した。ガス検出器を用いて、このアセトアルデヒドの濃度をモニターした。
加えたシリカのこの活性に及ぼす効果が図4に示されている。アセトアルデヒドの分解速度対コーティング回数(膜厚)が図5に示されている。
実施例23
アセトアルデヒドの光分解に及ぼす湿度の影響
アセトアルデヒドの光分解に及ぼす湿度の影響についても試験した。試験で使用した湿度範囲は、20℃における相対湿度が約10%から約90%までの間であった。アセトアルデヒドを注入する前に、乾燥剤に通した空気を循環させるか、あるいは水蒸気を加えるかのいずれかにより、反応器内部の湿度を変化させた。光活性に及ぼす湿度の影響が図6に示されている。
実施例24
白金化された光触媒ガラス布の光
6×6cmの織りガラス布を実施例21のように作製した後、それを500℃に1時間加熱した。重量で0.1%の白金酸と重量で0.5%のホルムアルデヒドとを含有する3ミリリットルのドーピング溶液を、この触媒の表面に噴霧し、5分間平衡化させた。その湿ったガラス布に、20ワットのブラックライトランプから放射されるUV光を5分間照射したところ、その間に、触媒の色が灰色ないし黒へ変化した。このガラス布を蒸留水で洗い、80℃で乾燥させることにより、白金化光触媒が得られた。
実施例25
光触媒ガラス布の光−銀化
25mlの16wt%のチタニアコロイドを、実施例10のように作製し、それを、1.26mlの1%硝酸銀溶液と充分に混合することにより、TiO2に対して0.2wt%の銀を含むコロイドを生成した。6×6cmのガラス布をこの溶液で被膜し、70℃で乾燥させた後、210℃で15分間加熱した。その光触媒布をブラックライトランプの下で30分間照射したところ、その間に、色が灰色に変化した。
実施例26
ヒドラジンを用いる光触媒ガラス布の銀化
光触媒ガラス布を、実施例25のように作製した。210℃に加熱した後、その布を室温にまで冷却し、次いで、1%のヒドラジン一水和物溶液を噴霧した。5分後、その布を蒸留水で洗って過剰なヒドラジンを除去した後、オーブン内で乾燥させた。この布を光触媒反応実験で使用する前に、吸着されているあらゆる微量のヒドラジンを光分解するため、それをUV光下で照射するのが好適である。
実施例27
銅がドーピングされたチタニア薄膜
TiO2に対して0.2wt%のCuを得るべく、実施例10の4%チタニア含有コロイド20mlを、0.5mlの1%酢酸銅溶液と混合した。0.1%のBrij界面活性剤を加えた後、その溶液を、清浄なガラスプレート上にスピンコートした。この被覆されたプレートを、ブラックライトランプ下において5時間照射し、その後、同じようにしてもう1層を施した。このフィルムは、抗菌被膜として使用することができる。
実施例28
染料の光分解
実施例20のように作製されたフィルムを、200℃に加熱することによりローダミンBベースの0.5%アルコール溶液で染色した。この染色したフィルムを、窓から射し込む日光に面した実験台上に置いた。その染料の退色を、Hewlett Packard社のダイオードアレイ型UV−可視分光光度計を用いて540nmでモニターした。このフィルム上の染料が完全に消失し、再び親水性になるのに15分を要した(図11)。
実施例29
エチレンガスの光分解
実施例24のようにして、0.09gの光触媒が搭載された6×6cmの白金化光触媒布を作製した。この光触媒布を、150ml用の気密反応器に入れた。その反応器内部の湿度を、20℃で40%に調節した。1%のエチレンガスを含む空気1mlをこの反応器内へ注入し、反応器内部のエチレンを70ppmvにした。30分間平衡化した後、ブラックライトランプを点灯し、InnowaxカラムとFID検出器とを備えたHewlett Packard 6890ガスクロマトグラフ装置を用いて、そのエチレン濃度をモニターした。30分後には、反応器内部の温度が40℃になり、97.1%のエチレンが分解された(図12)。
実施例30
エチレンガスの光熱分解
実施例24のようにして、0.6gの光触媒が負荷された11×17cmの白金化光触媒布を作製した。光反応器内部の湿度を、20℃で41%に調節した。その反応器に0.6mlの純粋なエチレンガス(26.78マイクロモル)を注入した。30分間平衡化した後、UVランプ(ブラックライトランプ)を点灯し加熱を始め、光反応器内部の温度を85℃に上昇させた。実施例29の場合と同様に、エチレンの濃度をGCでモニターしたところ、30分後には、その濃度が98.9%減少していることが見出された(図13)。
実施例31
トルエンの光熱分解
実施例30と同じ白金化光触媒布を用い、反応器内部の湿度は、20℃で47%とした。その反応器の内部に2.5マイクロリットルの純粋な液体トルエン(20マイクロモル)を注入し、40分間蒸発させて、光触媒への吸着を放置した。ブラックライトランプを点灯し加熱を始め、反応器内部の温度を85℃に上昇させた。実施例29と同じ方法を用いて、トルエンガスの濃度をモニターした。30分後には、トルエンの濃度が93.8%減少し、1時間で99.4%減少した(図14)。
本発明を特定の実施形態および実施例に関して説明してきたが、当業者であれば、本発明の範囲から逸脱することなく、種々の変形および変更を為し得ることが理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【図1】
図1は、実施例5のゾルをゲル化することにより作製された粉末の熱分析(TGAおよびDTA)を示している。
【図2】
図2は、シリカを加えない状態での実施例9におけるゾルをゲル化することにより作製された粉末のX線回折(XRD)図形を示している。
【図3】
図3は、実施例10のようにして作製され、そして、UV光で硬化されたフィルムの赤外線スペクトルを示している。
【図4】
図4は、本発明の2Mゾルを用いての、光活性と表面積に及ぼすSiO2添加の影響を示している。
【図5】
図5は、本発明の2Mゾルと50%SiO2を織りガラス繊維にコーティングしたものを用いての、触媒搭載量に伴う光活性の変化を示している。
【図6】
図6は、本発明の2Mゾルと50%SiO2を2回コーティングした織りガラス繊維を用いての光活性に及ぼす湿度の影響を示している。
【図7】
図7は、TiO2フィルム上における幾つかの界面活性剤のUV分解をI.R.分光法で測定した結果を示している。
【図8】
図8は、TiO2−B含有材料のX線回折スペクトルを示している。
【図9】
図9は、TiO2パターン化フィルムの表面プロファイルを示している。
【図10】
図10は、TiO2パターン化フィルムの走査電子顕微鏡写真(SEM)を示している。
【図11】
図11は、TiO2フィルム上におけるローダミンB染料の光分解を示している。
【図12】
図12は、白金化TiO2光触媒布上におけるエチレンガスの光分解を示している。
【図13】
図13は、白金化TiO2光触媒布上におけるエチレンガスの光熱分解を示している。
【図14】
図14は、白金化TiO2光触媒布上におけるトルエンガスの光熱分解を示している。
本発明は、チタン含有材料を作製するためのプロセスに関するものである。より詳細には、本発明は、チタンイオンを含むコロイド粒子を含有する溶液を作製するプロセス、および、そのような溶液から二酸化チタン含有材料を作製するためのプロセスに関するものである。また、本発明は、これらのチタン含有材料の適用分野にも関する。
(発明の背景)
チタン含有複合材料は、一連の適用分野を有している。これらの適用分野には、これらの材料が、光触媒、フィルム型電極の構成成分、および親水性表面として機能する能力を有していることによる適用分野、並びに、微生物の増殖を防止する能力を有していることによる適用分野を含まれる。
光触媒
チタニアおよびチタニアをベースとした材料を用いる光触媒反応は、近年、水処理および空気の浄化で広く報告されている(Hoffmann、Martin、Choi、およびBahnemann、Chem.Rev.、1995年、95、69)。アナターゼは、3.2eV(387nm)のバンドギャップを有する最も活性なTiO2相であると報じられている。微量有機汚染物質は、UV光下において、アナターゼ粒子の表面で光分解され、二酸化炭素、水、および、恐らくはミネラルイオンになり得る。
種々の異なるファクターがアナターゼの光活性に影響を及ぼすことが報告されている。汚染物質の吸着を増大させ、その材料との光相互作用を高めるためには、大きな表面積と大きな細孔径が極めて重要である。
また、クリスタライトの大きさも、TiO2の光活性の程度を決定し得る。光発生電子と正孔との電荷再結合を抑制し、それらを光触媒粒子の表面における還元反応でより多く利用できるようにするためには、より小さなクリスタライトサイズが必須であると考えられている。
アナターゼの光活性を高める別の方法は、金属または金属酸化物をドーピングすることによるものである。そのような金属のうちでも、白金ドーピングが、光触媒プロセスを改善するのに非常に有効であることが分かっている。その際、ドーピングの程度とドーパントの粒径は重要なファクターである。光触媒を重量で5%より多くの白金でドーピングすると、白金の粒径が大きくなり、光が光触媒の表面に達するのを妨げる可能性があるため、そのようなドーピングは避けるべきである。チタニア上に白金金属を析出させるため、数多くの異なる方法が報告されている。そのうちの一つの方法は、KraeutlerおよびBard(J.Am.Chem.Soc.1978年、100、4317)が最初に説明した方法で、アナターゼ粉末に吸着されるヘキサクロロ白金酸を窒素雰囲気下において照射することにより、白金を光電着させるものである。白金の光電着は、犠牲電子ドナーとしてエタノールを用い、ヘキサクロロ白金酸とTiO2の脱気した懸濁液を照射することによっても達成されている(YamaguchiおよびSato、J.Chem.Soc.Faraday Trans.1、1985年、81、1237)。TiO2に吸着されたヘキサクロロ白金酸の水素ガス中における高温還元(480℃)も報告されている(Pichatら、Nouv.J.Chim 1981年、5、627636)。また、AndersonおよびXianzhi(特許番号WO9640430号、1996年)は、TiO2ペレットに吸着されたヘキサクロロ白金酸を希NaOH中におけるNaBH4を用いて還元する方法を開示している。
光電着によりTiO2に銀をドーピングする方法も既知(Schwarzら、Chem.Rev.1995年、95、477)であり、そこでは、TiO2が、硝酸銀と犠牲剤の希釈溶液中に分散されていた。次いで、この懸濁液が、水銀ランプで照射された。しかし、Cu2+は、TiO2の照射下において、還元されてCu2Oになることが報告されている(Sakataら、Chem.Letters、1998年、1253)。
光触媒薄膜の形成は、清浄な表面を維持するのに有用であると報告されている。窓やタイルのような建物の表面、自動車のスクリーン、および鏡等は、油性沈着物、煙および埃等のあらゆる種類の汚染物質を引き付け得る。表面が光触媒フィルムで被膜されていると、この被膜は、天然または人工のUV光の助けをかりて、それらの沈着した汚染物質を分解することができる。この現像のプロセスは、通常、「自己洗浄表面」と呼ばれている。
親水性表面
窓、鏡、および他の表面は、寒いときには、水滴が凝縮することにより曇る。この現像を回避する一つの方法は、TiO2等の透明な親水性被膜を施すことにより、その表面を親水性にすることである。親水性は、その表面上での水滴の接触角を測定することにより表すことができる。そのような表面の親水性を維持するためには、定期的にUV光に暴露することが必要である。日光または蛍光灯からの低強度のUV放射線であっても、暴露するとその親水性を維持することができる。この方法で、接触角を、表面が曇るのを防ぐのに充分な2から5°に低減することができる。東陶機器株式会社による最近の特許出願(EP 0816466 A1、1998年)は、0.004mW/cm2のUV強度を有する白色蛍光灯を用いる照射を受けたときに3°の接触角を維持することができるTiO2含有薄膜を施す方法について記載している。
洗浄技術
光触媒の一つの望ましい用途は、UV照射下における揮発性有機化合物(VOCs)の分解にそれらを使用することである。ホルムアルデヒド、トルエン、トリクロロエチレン(TCE)、エチレン等の多くのVOCsは、程度は違うものの、毒性、発ガン性、刺激性、または有害性であると考えられている。これらのうち、ホルムアルデヒド等の幾つかの化合物は、容易に光分解できると考えられており、その一方で、トルエンおよびエチレン等の他の化合物は、分解するのが難しいと考えられている。また、光触媒は、水をUVで照射された光触媒と接触させることにより、有機化合物、染料等のあらゆる微量の汚染物質、更には微生物さえをも分解して水を浄化するのにも使用することができる。
特に興味が持たれるのは、保管されている果実、野菜、および切り花に及ぼすエチレンガスの影響である。これらの産物は、まだ新鮮なうちに消費され、輸出され、あるいは、スーパーマーケットや食料品店へ配送される必要がある。産物の鮮度劣化は、エチレンガスに暴露することにより起こり得る。エチレンガスは、リンゴやバナナ等の産物により放出されることが知られており、同じ場所に保管される他の物に影響を及ぼす。エチレンは、低濃度であっても、果実、野菜、および花の熟成並びに加齢をもたらす植物ホルモンである。熟成速度は、エチレンの濃度に依存して、産物のタイプ毎に異なり得る。例えば、トマトは、100ppmより高い濃度のエチレンに暴露されると、数時間以内で熟成する。キウイフルーツは、数ppmのより低い濃度のエチレンでも熟成し得る。これは、同一の冷蔵庫低温保管庫または低温容器内で種類の異なる産物を保管または輸送する際に問題を引き起こしかねない。
Nelsonら(米国特許第6240767号、2001年)は、大気中および果実容器中におけるppmレベルのエチレンガスを正確にモニタリングするためのシステムを開示している。保管中または輸送中のエチレン濃度をモニタリングするのと同様に、高レベルのエチレンを抑制および分解するのに有効な方法を手に入れることが重要である。
パターン化されたフィルム
表面にパターン化されたセラミックフィルムを析出させるための新たな方法の開発は、サブマイクロメートルの厚みへ小型化することが必要な電界効果トランジスタ等の超小型回路の製作にとって特に重要である。二酸化チタンは、マイクロパターン化されるフィルムの一部として利用するのに好ましい誘電特性と耐熱特性を有している。Koumoto、Sugiyama、およびSeo(Chem.Mater.1999年、11、2305)は、酸性の(NH4)2TiF6溶液からTiO2を析出させる前にフォトマスクを通じてHgランプで照射されるパターン化テンプレートとしてフェニルトリクロロシランを利用するTiO2析出用の低温パターン化プロセスについて記載している。これらのパターンは、この著者らによれば、28%の変動に相当する〜7.3マイクロメートルという大きなライン端粗さを呈し、この粗さは、現在のエレクトロニクス設計規則で許容される通常の5%の変動を越えている。Kikuta、Tkagi、およびHirano(J.Am.Ceram.Soc.1999年、82、1569)は、TiO2のより精巧なパターンが、写真製版により、アルカノールアミンで変性されたチタンアルコキシドの溶液から作成できることを示した。それらの前駆体は、基材上に被膜され、超高圧水銀ランプで分解された。その後、それらのフィルムを熱処理し、それをアナターゼ相に変換した。
本発明の一つの目的は、チタン含有材料を作製するための代替的なプロセスを提供すること、および/または、チタン含有化合物を使用する代替的な方法を提供すること、および/または、少なくとも、有用な代替的手段を一般の人々に提供することである。
(発明の供述)
本発明の第1の態様では、以下の工程:
A:1種類以上の種類の加水分解可能なチタン含有化合物を、コロイド溶液が得られるような条件下で、反応媒体中においてシュウ酸と反応させる、あるいは、別な仕方で安定化させる工程;
からなる、もしくは、そのような工程を含む、チタンイオンを含むコロイド粒子を含有する溶液を作製する方法が提供される。
好適には、上述の工程Aは、そのコロイド溶液のペプチゼーションが実質的に得られ、且つ、実質的に維持されるような条件下で行われる。
好適には、そのような条件は、1種類以上の種類の加水分解可能なチタン含有化合物を反応媒体中においてシュウ酸とかき混ぜまたは撹拌することを含み、より好適には、温度が、環境温度からその反応混合物の沸点に近い温度までの間であることを含み、更に一層好適には、温度が約40℃から約80℃までの間であることを含む。好適には、上述のかき混ぜまたは撹拌は、実質的に15分から実質的に3時間までの範囲の反応時間にわたって行われる。
好適には、上述の反応媒体は、水または水/アルコール混合物からなり、ここで、上述のチタン含有化合物は、水中および/または塩基中において加水分解可能である。
好適には、上述のチタン含有化合物は、水−加水分解型であり、このチタン含有化合物は、化学式Ti(OR)4(式中、Rは、C2〜C6の線状または分枝鎖のアルキル基である)の化合物であり;より好適には、そのチタン含有化合物は、チタンテトライソプロポキシドおよび/またはチタンテトラブトキシドである。
好適には、上述の水−加水分解型チタン含有化合物は:
・初めに、シュウ酸のアルコール溶液と化合され、続いて、水が加えられる;または
・水または、水とアルコールの混合物に直接的に加えてスラリーを形成し、続いて、シュウ酸が加えられる;または
・シュウ酸水溶液中または、水とアルコールとシュウ酸の溶液に加えられる。
好適には、上述の水−加水分解型チタン含有化合物は、シュウ酸と反応させる前に、もしくは、シュウ酸で安定化させる前に、加水分解産物を与えるべく、水を用いて加水分解される。
代替的に、もしくは、添加的に、上述のチタン含有化合物は、塩基−加水分解型であり、そして、このチタン含有化合物は、それらに限定するものではないが、TiCl4および/またはTiOSO4から選択される。
好適には、この塩基−加水分解型チタン含有化合物は、シュウ酸と反応させる前に、もしくは、シュウ酸で安定化させる前に、塩基を用いて加水分解されて加水分解産物となり、そして、この加水分解産物は、シュウ酸と反応させる前に、もしくは、シュウ酸で安定化させる前に、スラリーを形成すべく、濾過および/または洗浄される。
好適には、そのシュウ酸は、無水シュウ酸もしくは水和されたシュウ酸のいずれかであり、そして、好適には、そのシュウ酸の量は、シュウ酸:チタンのモル比が約0.2:1から約1:1までの範囲になるような量である。
好適には、上述の反応媒体の含水量は、水:チタンのモル比が約200:1から約800:1までの範囲になるような量であり;より好適には、約400:1から約600:1までの範囲になるような量である。
アルコールが上述の反応媒体中に存在するときには、好適には、そのアルコールは、エタノールまたはt−ブタノール等の、化学式ROH(式中、Rは、C1からC4までの線状または分枝状のアルキル基である)を有するモノヒドロキシル脂肪族アルコールであり、そして、存在するアルコールの好適な量は、アルコール:チタンのモル比が、ゼロから100:1まで、より好適には10:1から50:1までになるような量である。
好適には、その溶液は、次に使用するまで、0℃から20℃までの間の温度で、どんな濃度レベルで保管してもよく、より好適には、重量で約32%までのTiO2濃度レベルで保管することができる。
好適には、その溶液のシュウ酸塩濃度は、いずれかの段階で、その溶液にUV光を照射することにより低減される。
本発明の第2の態様によれば、実質的に先行の方法に従って作製される、チタンイオンを含むコロイド粒子を含有する溶液が提供される。
本発明の第3の態様によれば、それらの粒子がシュウ酸により安定化されるか、あるいは、シュウ酸との反応で安定化される、チタンイオンを含むコロイド粒子を含有する溶液が提供される。
本発明の第4の態様によれば、実質的に付随する実施例のうちのいずれか1つもしくはそれ以上に関連して本明細書で説明されているように作製される、チタンイオンを含むコロイド粒子を含有する溶液が提供される。
本発明の第5の態様によれば、以下の工程:
I:それらの粒子がシュウ酸により安定化されるか、あるいは、シュウ酸との反応で安定化される、チタンイオンを含むコロイド粒子を含有する溶液を作製する工程;および
II:製品を得べく、その溶液を更に処理する工程;
からなる、もしくは、そのような工程を含む、TiO2含有製品を作製する方法が提供される。
好適には、上述の工程Iは、そのコロイド溶液のペプチゼーションが実質的に得られ、且つ、実質的に維持されるような条件下で行われる。
好適には、そのような条件は、1種類以上の種類の加水分解可能なチタン含有化合物を水または水/アルコール反応媒体中においてシュウ酸とかき混ぜまたは撹拌することを含み、より好適には、温度が、環境温度からその反応混合物の沸点に近い温度までの間であることを含み、更に一層好適には、温度が約40℃から約80℃までの間であることを含む。好適には、上述のかき混ぜまたは撹拌は、実質的に15分から実質的に3時間までの範囲の反応時間にわたって行われる。
好適には、その製品のTiO2相は、少なくとも初めには、アナターゼを含んでいるか、大部分がアナターゼであるか、または、実質的にアナターゼである。
好適には、その方法は、以下の工程:
(1)それらの粒子がシュウ酸により安定化されるか、あるいは、シュウ酸と反応させることにより安定化される、チタンイオンを含むコロイド粒子を含有する溶液を作製する工程;および
(2)その溶液に、1種類以上の種類の添加物を加えることにより、あるいは、それらの添加物と共に混合することにより、コロイド混合物を作製する工程;および
(3)製品を得るべく、その溶液を更に処理する工程;
からなるか、もしくは、そのような工程を含んでいる。
好適には、上述の工程(1)は、本発明の第1の態様から第4の態様のうちの1つもしくはそれ以上の先に説明されているような方法からなるか、もしくはそのような方法を含んでいる。
好適には、上述の工程(2)の添加物は:
(a)シリカまたはシリカ前駆体(加えられるときには、それは、好適には、コロイダルシリカとして加えられ、そして、好適には、製品中のチタンに対する比が、実質的に1wt%から99wt%までの比をもたらすような量、より好適には30から60wt%の比をもたらすような量で加えられ、そして、好適には、そのコロイダルシリカの濃度は、製品中において、重量で約1%から50%までの間になるような濃度である);
(b)水溶性、またはアルコールに可溶性の、1種類もしくは複数のケトン;
(c)1種類もしくは複数の有機酸;
(d)1種類または複数の、水溶性脂肪族または芳香族アルコール、ジオール、もしくはポリオール;
(e)1種類もしくは複数のエルハノールアミン;
(f)1種類または複数の金属前駆体;
(g)1種類もしくは複数の界面活性剤(加えられるときには、その界面活性剤は、好適には、Brijシリーズ、Tritonシリーズ、Tergitolシリーズ、Pluronicシリーズ、ドデシル硫酸カリウム、または、ゲル化を引き起こさないあらゆる他の界面活性剤のうちの1つもしくは複数の界面活性剤であるか、あるいは、1つもしくは複数のそのような界面活性剤を含む);
(h)1種類または複数のシラン(加えられるときには、それは、好適には、そのまま加えられるか、あるいは、水性溶媒としてまたは水と混和性の有機溶媒との溶液として加えられ、好適には、化学式RSiX3、R2SiX2、およびSiX4(式中、Rは、単純な有機基、または官能基を有する有機基であり、Xは、ハロゲン化物またはアルコキシド基であり得る)で表される加水分解可能な、もしくは部分的に加水分解可能なシラン化合物である);
のうちの1つもしくはそれ以上を含んでいる。
加えられる場合、好適には、上述の金属前駆体は、好適にはPd、Pt、Ag、およびCuの金属塩または金属錯体、より好適には可溶性の金属塩または金属錯体である。
その金属がPdまたはPtであるときには、好適には、その前駆体は、Pd−またはPt−のヘキサクロロ錯体のうちの一つ(但し、これに限定するものではない)であり、そして、好適には、そのPd−またはPt−ヘキサクロロ錯体は、犠牲化合物としての低炭素数有機化合物(ホルムアルデヒド、ギ酸、メタノール、またはエタノール等)と混合され、その犠牲化合物は、好適には、その前駆体金属に対して過剰な量で加えられ、より好適には、約1:5のエタル:犠牲化合物のモル比で加えられる。
代替的に、もしくは、添加的に、その金属はAgであり、そして、その前駆体は、酢酸銀または硝酸銀(但し、これらに限定するものではない)のうちの一つもしくはそれ以上である。
代替的に、もしくは、添加的に、その金属はCuであり、そして、その前駆体は、酢酸銅、硫酸銅、および硝酸銅(但し、これらに限定するものではない)のうちの一つもしくはそれ以上である。
好適には、上述の工程(3)は、溶媒の除去を含み、より好適には、以下の工程:
(i)その溶液をゲルにする工程(ゲル化工程);
(ii)シュウ酸および/またはどれか一つもしくはそれ以上の添加物を除去するため、もしくは、それらの量を減らすため、そのゲルを硬化する工程(硬化工程);
のうちの一方または両方による溶媒の除去を含む。
好適には、上述のゲル化工程は:
・室温以上の温度で、溶媒を蒸発させること;および/または
・加熱を伴って、もしくは、加熱を伴わずに、真空下で溶媒を蒸発させること;および/または
・HCl、HNO3、またはH2SO4等の鉱酸の希釈溶液、あるいは、KOH、アンモニア、炭酸ナトリウム、または水酸化テトラアルキルアンモニウム等のアルカリ溶液(但し、これらに限定するものではない)を含む、ゲル化剤の添加;
のうちの一つもしくはそれ以上により果たされる。
好適には、上述のゲル化工程からキセロゲルが生成されてよい。
好適には、そのゲルの硬化は、UV放射線に暴露することにより、および/または、加熱することにより果たされる。
好適には、そのUV放射線の波長は、アナターゼ相におけるTiO2のバンドギャップと実質的に一致または部分的に一致する。
好適には、上述の硬化時間は、分解すべきシュウ酸の量、および/または放射線の波長、および/または放射線の強度によって決定される。
好適には、追加の工程(4)があり、この工程(4)は、以下の工程:
(i)チタン含有製品に金属前駆体を含浸させる工程(含浸工程);および/または
(ii)工程(2)および/または工程(4)において加えられた何らかの金属前駆体を金属または金属酸化物に変換する工程(変換工程);
のうちの一方または両方を含む。
好適には、上述の工程(i)の前駆体の金属は、Pd、Pt、Cu、またはAgのうちの一つもしくはそれ以上であってよい。
金属前駆体がPdまたはPtを含んでいるときには、好適には、その金属前駆体は、金属前駆体に対して過剰量の、ホルムアルデヒド、ギ酸、メタノール、またはエタノール等の犠牲化合物と混合されてよい。
好適には、上述の変換工程は:
(i)金属前駆体を金属または金属酸化物に変換するのに適した温度で加熱すること;および/または
(ii)金属前駆体、または、金属前駆体を含むTiO2含有製品を、その金属をゼロ原子価にまで完全に還元するのに充分な時間、希ヒドラジン一水和物溶液に暴露すること;および/または
(iii)その二酸化チタン内に金属粒子および/または金属酸化物を形成するため、UVを照射すること;
のうちの一つもしくはそれ以上により行われる。
好適には:
・その金属前駆体の金属がAgであるときには、UV照射が用いられ、そして、UV照射は、実質的にそのTiO2製品の色が薄い灰色ないし黒へ変わるときに停止される;および/または
・その金属前駆体の金属がCuであるときには、UV照射が用いられ、そして、UV照射は、実質的にそのTiO2含有製品の色が薄い緑色から青銅色へ変わるときに停止される;および/または
・その金属前駆体の金属がPdであるときには、UV照射が用いられ、そして、UV照射は、実質的にそのTiO2含有製品の色が灰色から黒へ変わるときに停止される;および/または
・その金属前駆体の金属がPtであるときには、UV照射が用いられ、そして、UV照射は、実質的にそのTiO2含有製品の色が灰色から黒へ変わるときに停止される。
上述の変換工程で、ヒドラジン一水和物溶液への暴露が用いられるときには、好適には、そのTiO2製品は、その後、過剰なヒドラジンを取り除くため、水で洗浄される。
そのTiO2製品のTiO2中の最終的な金属含量は、好適には、重量で2%未満であり、より好適には、重量で0.2%から0.5%までの間である。
好適には、上述の工程(3)の前のある時に、その溶液をUV光で照射することにより、その溶液のシュウ酸塩濃度が低減される。
本発明の第6の態様によれば、TiO2の粒状材料またはTiO2を含む粒状材料を作製する方法が提供され、その方法は、以下の工程:
I:それらの粒子がシュウ酸により安定化されるか、あるいは、シュウ酸との反応で安定化される、チタンイオンを含むコロイド粒子を含有する溶液の作製工程;
II:粒状材料を得るべく、その溶液を更に処理する工程;
からなるか、もしくはそのような工程を含む。
好適には、上述の工程Iは、そのコロイド溶液のペプチゼーションが実質的に得られ、且つ、実質的に維持されるような条件下で行われる。
好適には、そのような条件は、1種類以上の種類の加水分解可能なチタン含有化合物を水または水/アルコール反応媒体中においてシュウ酸とかき混ぜまたは撹拌することを含み、より好適には、温度が、環境温度からその反応混合物の沸点に近い温度までの間であることを含み、更に一層好適には、温度が約40℃から約80℃までの間であることを含む。好適には、上述のかき混ぜまたは撹拌は、実質的に15分から実質的に3時間までの範囲の反応時間にわたって行われる。
好適には、その粒状材料は、部分的にまたは実質的に完全にTiO2である。
好適には、その粒状材料におけるTiO2相は、少なくとも初めは、アナターゼおよび/またはTiO2B相を含んでいるか、主にアナターゼおよび/またはTiO2B相であるか、もしくは、実質的にアナターゼおよび/またはTiO2B相である。
好適には、その方法は、以下の工程:
(1)それらの粒子がシュウ酸により安定化されるか、あるいは、シュウ酸と反応させたことにより安定化される、チタンイオンを含むコロイド粒子を含有する溶液の作製工程;
(2)その溶液に1種類以上の添加物を加えることにより、コロイド混合物を作製する工程;
(3)粒状の材料を得るべく、そのコロイド混合物を更に処理する工程;
からなるか、または、そのような工程を含む。
好適には、上述の工程(1)は、本発明の第1の態様から第4の態様のうちの1つもしくはそれ以上で先に説明されている方法からなるか、またはそのような方法を含む。
好適には、上述の工程(2)の添加物は:
・コロイダルシリカ、またはシリカ前駆体;
・金属前駆体;
のうちの1つもしくはそれ以上を含む。
コロイダルシリカまたはシリカ前駆体が加えられるときには、それは、好適には、チタンに対する比が、実質的に1重量パーセントから99重量パーセントまでの間の比をもたらすような量、より好適にはチタンに対する比が30wt%から60wt%までの比をもたらすような量であり、そして、好適には、そのコロイダルシリカの濃度は、重量で約1%から50%までの間である。
金属前駆体が加えられるときには、好適には、それは、好適にはPd、Pt、Ag、およびCuのうちの1つもしくはそれ以上の可溶性の金属塩または金属錯体である。
好適には、その金属前駆体の金属は:
・Agであり、そして、その前駆体は、酢酸銀または硝酸銀(但し、これらに限定するものではない)のうちの1つもしくはそれ以上である;および/または
・Cuであり、そして、その前駆体は、酢酸銅、硫酸銅、および硝酸銅(但し、これらに限定するものではない)のうちの1つもしくはそれ以上である;および/または
・PdまたはPtであり、そして、それらの前駆体は、Pd−またはPt−のヘキサクロロ錯体のうちの一つ(但し、これに限定するものではない)である;のうちの一つである。
金属がPdまたはPtであるときには、そのPdまたはPtヘキサクロロ錯体は、ホルムアルデヒド、ギ酸、メタノール、またはエタノール等の犠牲化合物としての低炭素数有機化合物と混合され、そして、その犠牲化合物は、その金属前駆体に対して過剰な量で加えられ、好適には、約1:5のモル比で加えられる。
好適には、上述の工程(3)は、以下の工程:
(i)ゲル化工程;および
(ii)シュウ酸および/または一つもしくはそれ以上の他の添加物を除去するための、もしくは、それらの量を減らすための、硬化工程;
を含む。
好適には、上述のゲル化工程は:
・室温以上の温度で、溶媒を蒸発させること;
・加熱を伴って、もしくは、加熱を伴わずに、真空下で溶媒を蒸発させること;
・HCl、HNO3、またはH2SO4等の鉱酸の希釈溶液、あるいは、KOH、アンモニア、炭酸ナトリウム、または水酸化テトラアルキルアンモニウム等のアルカリ溶液(但し、これらに限定するものではない)を含む、ゲル化剤の添加;
のうちの一つもしくはそれ以上により果たされる。
好適には、そのゲルの硬化は、UV放射線に暴露することにより、および/または、加熱することにより果たされ、そして、好適には、上述のゲル化工程からキセロゲルが生成される。
好適には、そのUV放射線の波長は、アナターゼ相におけるTiO2のバンドギャップと実質的に一致または部分的に一致し、そして、好適には、上述の硬化時間は、分解すべきシュウ酸の量、および/または放射線の波長、および/または放射線の強度によって決定される。
好適には、追加の工程(4)があり、この工程(4)は、以下の工程:
(i)その粒状材料に金属前駆体を含浸させる工程(含浸工程);および
(ii)工程(2)および/または工程(4)において加えられた何らかの金属前駆体を金属または金属酸化物に変換する工程(変換工程);
のうちの一方または両方を含む。
好適には、上述の工程(i)の前駆体の金属は、Pd、Pt、Cu、またはAgのうちの一つもしくはそれ以上である。
金属前駆体がPdまたはPtを含んでいるときには、好適には、その金属前駆体は、金属前駆体に対して過剰量の、ホルムアルデヒド、ギ酸、メタノール、またはエタノール等の犠牲化合物と混合される。
好適には、上述の変換工程は:
(i)金属前駆体を金属または金属酸化物に変換するのに適した温度で加熱すること;および/または
(ii)金属前駆体、または、金属前駆体を含む粒状材料を、その金属をゼロ原子価にまで完全に還元するのに充分な時間、希ヒドラジン一水和物溶液に暴露すること;および/または
(iii)その二酸化チタン内に金属粒子および/または金属酸化物を形成するため、UVを照射すること;
のうちの一つもしくはそれ以上により行われる。
好適には:
・その金属前駆体の金属がAgであるときには、UV照射が用いられ、そして、UV照射は、実質的にその粒状材料の色が薄い灰色ないし黒へ変わるときに停止される;および/または
・その金属前駆体の金属がCuであるときには、UV照射が用いられ、そして、UV照射は、実質的にその粒状材料の色が薄い緑色から青銅色へ変わるときに停止される;および/または
・その金属前駆体の金属がPdであるときには、UV照射が用いられ、そして、UV照射は、実質的にその粒状材料の色が灰色から黒へ変わるときに停止される;および/または
・その金属前駆体の金属がPtであるときには、UV照射が用いられ、そして、UV照射は、実質的にその粒状材料の色が灰色から黒へ変わるときに停止される。
上述の変換工程でヒドラジン一水和物溶液への暴露が用いられるときには、好適には、その粉末は、その後、過剰なヒドラジンを取り除くため、水で洗浄される。
そのTiO2製品のTiO2中の最終的な金属含量は、好適には、重量で2%未満であり、より好適には、重量で0.2%から0.5%までの間である。
好適には、上述の工程(3)の前に、その溶液をUV光で照射することにより、その溶液のシュウ酸塩濃度が低減される。
本方法で作成される粒状材料は、好適には、粉末であり;代替的には、顆粒である。
本発明の第7の態様によれば、TiO2コーティング溶液を作製する方法が提供され、その方法は、以下の工程:
I:それらの粒子がシュウ酸により安定化されるか、あるいは、シュウ酸と反応させることにより安定化される、チタンイオンを含むコロイド粒子を含有する溶液の作製工程;および
II:上述のコーティング溶液を得るべく、その溶液を更に処理する工程;
からなるか、もしくはそのような工程を含む。
好適には、上述の工程Iは、そのコロイド溶液のペプチゼーションが実質的に得られ、且つ、実質的に維持されるような条件下で行われる。
好適には、そのような条件は、1種類以上の種類の加水分解可能なチタン含有化合物を水または水/アルコール反応媒体中においてシュウ酸とかき混ぜまたは撹拌することを含み、より好適には、温度が、環境温度からその反応混合物の沸点に近い温度までの間であることを含み、更に一層好適には、温度が約40℃から約80℃までの間であることを含む。好適には、上述のかき混ぜまたは撹拌は、実質的に15分から実質的に3時間までの範囲の反応時間にわたって行われる。
好適には、その方法は、以下の工程:
(1)それらの粒子がシュウ酸により安定化されるか、あるいは、シュウ酸と反応させることにより安定化される、チタンイオンを含むコロイド粒子を含有する溶液の作製工程;
(2)その溶液に1種類以上の添加物を加えることにより、コロイド混合物を作製する工程;
からなるか、または、そのような工程を含む。
好適には、上述の工程(1)は、本発明の第1の態様から第4の態様のうちのいずれか1つで提唱されている方法を含むか、または、そのような方法からなる。
好適には、上述の工程(2)は:
(i)シリカまたはシリカ前駆体の添加、あるいは、シリカまたはシリカ前駆体との混合(添加または混合される場合、それは、好適には、コロイダルシリカであり、チタンに対する比が、実質的に1重量パーセントら99重量パーセントまでの比をもたらすような量、より好適にはチタンに対する比が30wt%から60wt%の比をもたらすような量で加えられ;そして、好適には、そのコロイダルシリカの濃度は、重量で約1%から50%までの間である);
(ii)水溶性またはアルコールに可溶性の1種類もしくは複数のケトンを何らかの割合で添加すること、あるいは、何らかの割合でそのようなケトンと混合すること(添加または混合される場合、それは、好適には、アセトンおよび/またはアセチルアセトンである);
(iii)1種類または複数の有機酸を何らかの割合で添加すること、あるいは、何らかの割合でそのような有機酸と混合すること(添加または混合される場合、それは、好適には、ヒドロキシル基を持つか、もしくは、ヒドロキシル基を持たない、一官能性、二官能性、または多官能性の有機酸であり、より好適には、それは/それらは、酢酸、乳酸、酒石酸、クエン酸、マレイン酸、リンゴ酸、マロン酸、ジグリコール酸、安息香酸、1,2,4,5−C6H2(COOH)4、EDTA、および/またはそれらの混合物のうちの1つもしくはそれ以上であってよい);
(iv)1種類もしくは複数の水溶性の脂肪族または芳香族アルコール、ジオール、またはポリオールを何らかの割合で添加すること、あるいは、何らかの割合でそれらと混合すること(加えられる場合、それは/それらは、エタノール、プロパノール、エチレングリコール、グリセロール、ポリエチレングリコール、ポリビニルアルコール、フェノール、カテコール、多糖類のうちの1つもしくはそれ以上であってよい);
(v)1種類もしくは複数の種類のエタノールアミン(モノエタノールアミン、ジエタノールアミン、およびトリエタノールアミン、またはそれらの混合物等)を何らかの割合で添加すること、あるいは、何らかの割合でそのようなエタノールアミンと混合すること;
(vi)1種類もしくは複数の界面活性剤を何らかの割合で添加すること、あるいは、何らかの割合でそのような界面活性剤と混合すること(添加または混合される場合、それは/それらは、好適には、Brijシリーズ、Tritonシリーズ、Tergitolシリーズ、Pluronicシリーズ、ドデシル硫酸カリウム、または、ゲル化を引き起こさないあらゆる他の界面活性剤のうちの1つもしくはそれ以上から選択されてよく、そして、好適には、TiO2に対する濃度が、重量で0.01%から5%までの間になるような濃度で加えられる);
(vii)1種類以上の金属前駆体を添加すること、あるいは、そのような金属前駆体と混合すること;
1種類以上のシランを添加すること、あるいは、そのようなシランと混合すること(添加または混合される場合、それは、好適には、化学式RSiX3、R2SiX2、およびSiX4(式中、Rは、単純な有機基、または官能基を有する有機基であり、Xは、ハロゲン化物またはアルコキシド基であり得る)で表される加水分解可能な、もしくは部分的に加水分解可能な1種類もしくは複数のシラン化合物であり、そして、好適にはシラン濃度が合計重量で1から50%の間、より好適には10から35%の間になるように、好適には、そのまま加えられるか、あるいは、水と混和性の溶液として加えられる);
のうちのいずれか一つもしくはそれ以上を含む。
1種類以上の金属前駆体が添加または混合される場合、それは、好適には、Pd、Pt、Ag、およびCuのうちの1つもしくはそれ以上の可溶性の金属塩または金属錯体である。
好適には、その金属は:
・Agであり、そして、その前駆体は、酢酸銀または硝酸銀(但し、これらに限定するものではない)のうちの1つもしくはそれ以上である;および/または
・Cuであり、そして、その前駆体は、酢酸銅、硫酸銅、および硝酸銅(但し、これらに限定するものではない)のうちの1つもしくはそれ以上である;および/または
・PdまたはPtであり、そして、それらの前駆体は、Pd−またはPt−のヘキサクロロ錯体のうちの一つ(但し、これに限定するものではない)である;
のうちの一つもしくはそれ以上である。
金属がPdまたはPtであるときには、そのPdまたはPtヘキサクロロ錯体は、ホルムアルデヒド、ギ酸、メタノール、またはエタノール等の犠牲化合物としての低炭素数有機化合物と混合され、そして、その犠牲化合物は、その金属前駆体に対して過剰な量で加えられる。
好適には、ここに、何らかの濃度におけるそのコーティング溶液を、好適には0から20℃の間、より好適には4から15℃の間で保存する更なる工程(3)が存在する。
本発明の第8の態様によれば、TiO2で被覆された基材を作製する方法が提供され、その方法は、以下の工程:
I:実質的に先に説明されているようなコーティング溶液を作製する工程;および
II:上述の被覆された基材を得るべく、その溶液を更に処理する工程;
からなり、あるいは、そのような工程を含む。
好適には、その被覆された基材におけるTiO2相は、少なくとも初めは、アナターゼを含んでいるか、主にアナターゼであるか、もしくは、実質的にアナターゼである。
好適には、この基材は、ガラス、石英、ガラス繊維、織りガラス繊維、セラミック、シリコンウェーハ、金属、ポリマー(ポリエチレンまたはポリエステル等)の表面、木材、または、モルタル、れんが、タイル、もしくはコンクリート等の建築材料(但し、これらに限定するものではない)のうちの1つもしくはそれ以上である。
好適には、上述の工程IIは:
(i)基材にそのコーティング溶液を塗布する工程;および
(ii)ゲル化工程;および
(iii)硬化工程;
を含む。
好適には、上述のコーティング溶液の塗布は、スピンコート法、ディップコーティング法、または噴霧法(但し、これらに限定するものではない)等の技術により果たされる。
好適には、コーティング溶液を塗布する前に、その基材に、非晶質シリカおよび/または非晶質アルミナ(および/またはそれらの前駆体)の保護層が適用される。
好適には、非晶質シリカの1つもしくは複数の前駆体は、一連のテトラアルコキシシラン、アルコキシクロロシラン(但し、これらに限定するものではない)から選択されてよく、また、非晶質アルミナの前駆体は、一連のアルミニウムトリアルコキシド(但し、これらに限定するものではない)から選択されてよく、そして、それらの前駆体は、酸性溶液中において、1つもしくは複数のシリカおよび/またはアルミナ前駆体を加水分解することにより作製される。
好適には、上述のゲルの硬化は、UV放射線に暴露することにより、および/または、加熱することにより果たされる。
好適には、そのUV放射線の波長は、アナターゼTiO2のバンドギャップと実質的に一致もしくは部分的に一致する。
好適には、その硬化時間は、分解すべきシュウ酸の量、および/またはシラン(存在する場合)の量、および/または界面活性剤(存在する場合)の量、および/または放射線の波長、および/または放射線の強度によって決定される。
好適には、上述のゲル化工程は:
・室温以上の温度で、溶媒を蒸発させること;
・加熱を伴って、もしくは、加熱を伴わずに、真空下で溶媒を蒸発させること;
・HCl、HNO3、またはH2SO4等の鉱酸の希釈溶液、あるいは、KOH、アンモニア、炭酸ナトリウム、または水酸化テトラアルキルアンモニウム等のアルカリ溶液(但し、これらに限定するものではない)を含む、ゲル化剤の添加工程;
のうちの一つもしくはそれ以上により果たされる。
好適には、更なる工程IIIが存在し、この工程IIIは、以下の工程:
(i)そのチタン含有製品に金属前駆体を含浸させる工程(含浸工程);および
(ii)工程(I)および/または工程(III)において加えられた何らかの金属前駆体を変換する工程(変換工程);
のうちの一方または両方を含む。
好適には、上述の工程(i)の前駆体の金属は、Pd、Pt、Cu、またはAgのうちの一つもしくはそれ以上であり、その金属前駆体がPdまたはPtであるときには、好適には、その金属前駆体は、金属前駆体に対して過剰量の、ホルムアルデヒド、ギ酸、メタノール、またはエタノール等の犠牲化合物と混合される。
好適には、上述のゲルの硬化は、UV放射線に暴露することにより、および/または加熱することにより、および/または溶媒を蒸発させることにより果たされ、そして、好適にはキセロゲルが、中間体または製品のいずれかとして生成される。UV放射線が使用されるときには、好適には、そのUV放射線の波長は、そのアナターゼ相であるTiO2の光触媒的に活性なバンドギャップと実質的に一致または部分的に一致する。
好適には、上述の硬化時間は、分解すべきシュウ酸の量、および/または放射線の波長、および/または放射線の強度によって決定される。
本発明の第9の態様によれば、焼き入れされたTiO2被覆基材を作製する方法が提供され、その方法は、以下の工程:
(i)実質的に上述の如くコーティング溶液を作製する工程であって、少なくともある量の酸とアルコールの両方がその溶液に加えられる工程;
(ii)基材にそのコーティング溶液を塗布する工程;
(iii)150℃付近に加熱する工程;
(iv)その有機材料を分解するため、および/またはその被膜を焼き付けるため、450℃付近に更に加熱する工程;
からなり、あるいは、そのような工程を含む。
本発明の第10の態様によれば、パターン化されたTiO2被覆基材を作製する方法が提供され、その方法は、以下の工程:
(i)何らかのゲル化工程または硬化工程(存在する場合)の前に、実質的に上述のようにして、被覆された基材を作製する工程;
(ii)その被膜の1つもしくはそれ以上の領域をマスクする工程;
(iii)1つもしくは複数のマスクされていない領域の酸化チタンに存在するシュウ酸および他の有機材料を光触媒的に破壊するため、そのような1つもしくは複数のマスクされていない領域を紫外光に暴露することにより、被膜の1つもしくは複数のマスクされていない領域を硬化させる工程;
(iv)そのフィルムの現像工程;
からなり、あるいは、そのような工程を含む。
好適には、そのコーティング溶液は、硬化後、重量で50%から100%までのチタニアを含むフィルムを生成する。
好適には、よりシャープでより鮮明なパターンを得るため、コーティング溶液は一層のみが塗布される。
好適には、上述のフィルムの現像は:
(i)酸性溶液の塗布であって、ここで、その酸性溶液は、硫酸等の何らかの希鉱酸、および/またはシュウ酸、乳酸、クエン酸、酒石酸、または硫酸等の有機酸溶液、および/または酸性塩溶液であり、ここで、その塩は、硫酸アンモニウムまたは硫酸アルミニウムである;および/または
(ii)過酸化水素等の他の材料の塗布;および/または
(iii)超音波処理を含む放射線的または機械的な方法;および/または
(iv)UVに暴露されていないゲルを再溶解するための何らかの他の方法;
のうちの1つもしくはそれ以上により果たされる。
好適には、その現像は、室温で、もしくは、加熱条件下で行われ、そして、好適には、その後、その被膜を焼き付ける最終工程が行われる。
好適には、以下の一方または両方の工程を含め、焼き付け前に1つもしくはそれ以上の追加の工程があってよい:
・室温以上の温度で、溶媒を蒸発させること、および/または
・加熱を伴って、もしくは、加熱を伴わずに、真空下で溶媒を蒸発させること。
好適には、上述のゲルの硬化は、UV放射線に暴露することにより、および/または加熱することにより果たされ、そして、好適には、キセロゲルが中間体として生成されてよい。
UV放射線が使用されるときには、好適には、そのUV放射線の波長は、そのアナターゼ相であるTiO2の光触媒的に活性なバンドギャップと実質的に一致または部分的に一致する。
本発明の第11の態様によれば、TiO2製品におけるルチルおよび/またはTiO2−B相の含量を増大させる方法が提供され、その方法は:
・実質的に上述のようにしてTiO2含有製品を作製する工程であって、そのTiO2相は、主にまたは少なくとも部分的にアナターゼであるか、もしくは、主にまたは少なくとも部分的にTiO2−B相である;および
・そのTiO2−Bおよび/またはルチルの含量を増大させるため、加熱する工程;
を含むか、あるいは、そのような工程からなる。
好適には、実質的に200℃から400℃までの間に加熱することは、その製品の二酸化チタン−Bおよび/またはルチル相に対し、TiO2−Bのアナターゼ相への相転移を引き起こすか、または開始させる。実質的に400℃を超える温度への添加的な更なる加熱は、その製品におけるルチル相の含量を増大させるであろう。
好適にTiO2は、実質的に500℃より高い温度において、実質的に全体がルチルへ変化する相転移を受ける。
代替的に、重量で実質的に50%までのシリカの添加は、アナターゼおよび/またはTiO2−B相の安定化をもたらし、これにより、ルチル相への変換を開始および/または完了させるため、600℃以上の温度への加熱が必要になる。
本発明の第12の態様によれば、実質的に先に説明されている方法に従って作製されるTiO2含有製品が提供される。
本発明の第13の態様によれば、実質的に付随する実施例のうちのいずれか一つもしくはそれ以上に関連して本明細書で説明されているように作製されるTiO2含有製品が提供される。
本発明の第14の態様によれば、実質的に先に説明されている方法に従って作製されるTiO2粒状材料が提供される。
本発明の第15の態様によれば、実質的に付随する実施例のうちのいずれか一つもしくはそれ以上に関連して本明細書で説明されているように作製されるTiO2粒状材料が提供される。
本発明の第16の態様によれば、実質的に先に説明されているような方法に従って作製されるTiO2含有コーティング溶液が提供される。
本発明の第17の態様によれば、実質的に付随する実施例のうちのいずれか一つもしくはそれ以上に関連して本明細書で説明されているように作製されるTiO2含有コーティング溶液が提供される。
本発明の第18の態様によれば、実質的に先に説明されているような方法に従って作製されるTiO2含有被覆基材が提供される。
本発明の第19の態様によれば、実質的に付随する実施例のうちのいずれか一つもしくはそれ以上に関連して本明細書で説明されているように作製されるTiO2含有被覆基材が提供される。
本発明の第20の態様によれば、実質的に先に説明されているような方法に従って作製されるTiO2含有焼き入れフィルムが提供される。
本発明の第19の態様によれば、実質的に付随する実施例のうちのいずれか一つもしくはそれ以上に関連して本明細書で説明されているように作製されるTiO2含有焼き入れフィルムが提供される。
本発明の第20の態様によれば、実質的に先に説明されているような方法に従って作製されるTiO2含有パターン化フィルムが提供される。
本発明の第21の態様によれば、実質的に付随する実施例のうちのいずれか一つもしくはそれ以上に関連して本明細書で説明されているように作製されるTiO2含有パターン化フィルムが提供される。
本発明の第22の態様によれば、TiO2をベースとした光触媒を作製する方法が提供され、その方法は、以下の工程:
(1)それらの粒子がシュウ酸により安定化されるか、あるいは、シュウ酸との反応により安定化される、チタンイオンを含むコロイド粒子を含有する溶液を作製する工程;
(2)上述の光触媒を得るべく、その溶液を更に処理する工程;
を含むか、または、そのような工程からなる。
好適には、TiO2をベースとしたその光触媒はTiO2粒状材料であり、上述の更なる処理は、ゲル化工程および硬化工程を含む。
好適には、TiO2をベースとしたその光触媒は、基材上のTiO2被膜またはフィルムであり、上述の更なる処理は、コーティング溶液を作製する工程と、そのコーティング溶液を基材上に適用する工程、更には、ゲル化工程および硬化工程を含む。
好適には、その粒状材料、被膜、またはフィルムにおけるTiO2相は、少なくとも初めは、アナターゼを含んでいるか、あるいは、主にアナターゼであるか、もしくは実質的にアナターゼである。
好適には、TiO2をベースとしたその光触媒は、UV光の照射により、または、UV光への暴露により、光触媒として作用する。
好適には、TiO2をベースとしたその光触媒は、金属または金属酸化物がドーピングされ、そして、その金属は、好適には、Pt、Pd、Cu、またはAgから選択される。
好適には、TiO2をベースとしたその光触媒は、有機化合物を光触媒的に分解するために使用することができ、ここで、その分解は、UV放射線の適用、または、UV放射線への暴露により起こるものであり、および/または、TiO2をベースとしたその光触媒は、基材上に被覆されたときに親水性表面として作用することができる。
本発明の第23の態様によれば、実質的に先に説明されているような方法に従って作製されるTiO2をベースとした光触媒が提供される。
本発明の第24の態様によれば、実質的に実施例のうちのいずれか一つもしくはそれ以上に関連して本明細書で説明されているように作製されるTiO2をベースとした光触媒が提供される。
本発明の第25の態様によれば、B相TiO2を作製する方法が提供され、その方法は、以下の工程:
(1)それらの粒子がシュウ酸により安定化されるか、あるいは、シュウ酸との反応により安定化される、チタンイオンを含むコロイド粒子を含有する溶液を作製する工程;および
(2)主にまたは実質的にTiO2−B相であるTiO2を得るべく、その溶液を更に処理する工程;および
(3)実質的に200から300℃の間にそのTiO2を加熱する工程;
を含むか、あるいはそのような工程からなる。
好適には、上述の更なる処理工程(2)は、溶媒の除去、および/またはゲル化工程、および/または硬化工程を含む。
好適には、上述の工程(1)は、実質的に、本発明の第1の態様から第4の態様において先に説明されているうちの一つもしくはそれ以上の方法に従って行われる。
好適には、更なる工程(4)があり、この工程(4)では、450℃を超える温度での加熱が行われ、ルチル相であるTiO2がもたらされる。
本発明の第26の態様によれば、実質的に先に説明されている方法に従って作製されるB相TiO2が提供される。
本発明の第27の態様によれば、実質的に実施例のうちのいずれか一つもしくはそれ以上に関連して本明細書で説明されているように作製されるB相TiO2が提供される。
本発明が上で広範囲にわたり定義されているが、本発明は、それらに限定されるものではなく、以下の説明が提供する実施例の実施形態も含む。
特に、添付の図面および図を参照することにより、本発明の更なる一層の理解が得られるであろう。
(発明の説明)
上で定義されているように、本発明は、チタンイオンを含むコロイド粒子を含有する溶液(即ち、チタン含有ゾル)を作製するプロセス、および、二酸化チタン含有材料を作製するためのプロセスに関するものである。特に、それらの溶液から、キセロゲル(環境温度において蒸発により溶媒が取り除かれたゲル)、粉末、および被覆されたフィルムを作製することができる。更に、本発明は、それらの二酸化チタン含有材料の応用にも関係する。
A.チタン含有材料の作製
A1−全般的事項
本出願人らは、シュウ酸により安定化されるチタン含有コロイド溶液を、安定化またはペプチゼーションにより作製できることを見出した。ペプチゼーションとは、通常は電解質を添加することによりコロイド状のゾルが安定化されるプロセスである。TiO2の場合には、約4より小さいpHが必要であり、従って、一般的には酸性条件が使用される。これらのコロイド溶液は、特定の有利な特性を有しているため、二酸化チタン含有材料の作製に使用するのに非常に適している。
特に、本出願人らは、そのようなコロイド溶液から作製された二酸化チタン含有材料が、光触媒等の用途に使用するのに適した特性をそれらに持たせるために、高温で焼成する必要がないことを見出した。これは、そのようなコロイド溶液から溶媒を除去することにより作製される二酸化チタンが、直接、アナターゼ結晶型の二酸化チタンを含むか、または、そのような結晶型の二酸化チタンからなるためである。この形態は、二酸化チタンがUV域で光触媒特性を有するためには本質的に必要であり、あるいは、少なくとも、二酸化チタンにとって最も都合のよい光触媒形態である。
典型的には、他のプロセスにおいては最初に生成される典型的な相である二酸化チタンの非晶質形態からアナターゼ結晶型への変換には、一般的に、少なくとも300℃から400℃までの温度に加熱することが必要である。それとは対照的に、本発明のコロイド溶液から作製される二酸化チタン材料は、単に太陽光または紫外光源に暴露するだけで硬化させることができる。重要なことに、その材料の照射は、既にアナターゼ型にあるその二酸化チタンがシュウ酸の分解に対する光触媒作用を及ぼすため、存在しているシュウ酸を除去するのに有効である。
高温を必要とせずに硬化することができるというその二酸化チタン材料の能力は、二酸化チタンフィルムで被覆された基材を含む複合材料の作製を可能とし、そこで使用される基材は、もはや、耐熱性であることを必要としない。従って、基材が例えば熱可塑性材料または木材であるような複合材料を作製することができる。
代替的に、本発明の二酸化チタン含有材料は、適切な温度に加熱することによっても硬化させることができる。一般的に、その材料に存在するシュウ酸を分解し、且つ、二酸化チタンがアナターゼ型にある製品をもたらすには、約200℃程度の低い温度で充分であろう。更に、作製で使用したシュウ酸の量、および、焼成温度に応じて、アナターゼ、TiO2−B、ルチル相、またはそれらの混合物を得ることもできる。従って、アナターゼ相またはアナターゼと二酸化チタンBとの混合物としての結晶性TiO2が所望される場合には、その二酸化チタン材料は、一般的に、約200℃から400℃までの間の温度で硬化されるであろう。400℃を超えるとなると、一般的には、アナターゼとルチルの混合物が得られ、これは、当技術分野において既知の如く、高温で完全にルチルに変換されるであろう。
このような二酸化チタン材料の作成は、以下の2段階で実施される:初めに、チタン含有コロイド溶液またはゾルを作製し、その後、前述のチタン含有材料を作製する。
A2.チタンゾルの作成
本発明のチタンイオンを含むコロイド粒子を含有する溶液(チタンゾル)は、水または水とアルコールの混合物のいずれかからなる反応媒体中において、加水分解可能なチタン含有化合物を含む混合物とシュウ酸を反応させることにより作製することができる。
使用されるチタン含有化合物は、水または塩基中において加水分解可能なチタン含有化合物であってよい。また、2種類もしくはそれ以上の加水分解可能なチタン含有化合物の混合物を使用することも、本発明の範囲内である。
上述の水加水分解型チタン含有化合物は、化学式Ti(OR)4(式中、RはC2〜C6の線状または分枝鎖のアルキル基である)の化合物であることが特に好適である。2つの好適なチタン含有化合物は、水中において加水分解可能なチタンテトライソプロポキシドとチタンテトラブトキシドである。
使用され得る代替的なチタン含有化合物は、シュウ酸との反応の前に塩基を用いて加水分解することができるTiCl4およびTiOSO4を含む。この場合、その加水分解産物(水和チタニアまたはチタン酸)は、シュウ酸との反応の前に、好適には濾過され、そして、好適には脱イオン水で洗浄されるであろう。その加水分解産物は、より好適には、乾燥させることなく、スラリーとして使用される。
上述の加水分解可能なチタン含有化合物は、例えばその化合物が化学式Ti(OR)4の化合物である場合、初めにシュウ酸のアルコール溶液と化合させ、その後に水を添加してよい。代替的に、上述のチタン含有化合物を単に水(または、水とアルコールの混合物)に直接加え、その後、そのようにして形成されたスラリーにシュウ酸を加えてもよい。それ以外に、シュウ酸水溶液中、または、水/アルコール溶液とシュウ酸からなる溶液に、上述のチタン含有化合物を加えることもできる。
シュウ酸は、無水シュウ酸か、H2C2O4・2H2O等の水和シュウ酸のどちらであってもよい。シュウ酸の量は、上述のゾルを得るため、シュウ酸:チタンのモル比が約0.2:1から約1:1までの範囲になるような量が好適である。比が0.2以下になると、非常に白いコロイドが得られるか、あるいは、不安定なコロイドが得られる。
上で指摘されているように、反応媒体は、水か、水とアルコールの混合物のどちらからなっていてもよい。含水量は、水:チタンのモル比が約200:1から約800:1までの範囲になるような量であることが好適であり、より好適には、約400:1から約600:1までの範囲になるような量である。比が200:1以下になると、ペプチゼーションが難しくなり、不安定なコロイドをもたらしかねない。存在するアルコールの好適な量は、アルコール:チタンのモル比がゼロから100:1になるような量であり、より好適には、10:1から50:1までになるような量である。
存在する場合、そのアルコールは、エタノールまたはt−ブタノール等の化学式ROH(式中、Rは、C1からC4までの線状または分枝状のアルキル基である)を有するモノヒドロキシル脂肪族アルコールであることが好適である。
ゾル、即ち、チタンイオンを含むコロイド粒子を含有する溶液を形成するため、好適には、その反応混合物は、環境温度からその混合物の沸点に近くでの間のある温度、より好適には、約40℃から約80℃までの間において、かき混ぜまたは撹拌される。
そのゾルは、あらゆる所望の濃度レベルで貯蔵することができ、好適には重量で約32%TiO2までの濃度レベルで貯蔵することができる。しかし、濃縮ゾルを作製したときには、その後、これを、薄膜作製用として、TiO2重量で約2から20%の濃度になるまで水で希釈するのが好適である。
コロイド溶液を形成するのに必要な反応時間は、その反応混合物の組成と濃度に依存するであろう。しかし、一般的に、必要な反応時間は、約15分から約3時間までの範囲であろう。
このようにして作製されたゾルは、それらの粒子がシュウ酸で安定化されている状態で、チタンイオンを含む、粒径がサブマイクロメートルから数ナノメートルかそれ以下のコロイド粒子を含有するであろう。
いかなる理論にも拘束されることを願うものではないが、それらのコロイド粒子の構造は、nTiO2・H2C2O4(式中、nは1かそれ以上の数である)または同様なもの、即ち、シュウ酸で安定化されたTiO2粒子またはそれの何らかの解離形態であるらしく、そして、二酸化チタンが溶液から沈降するのをシュウ酸が防いでいるものと考えられる。
A3−二酸化チタン固体材料の作製
一旦ゾルを作製した後、特にそのシュウ酸塩濃度が、Tiに対して約0.5かそれ以上に高いモル比である場合には、そのゾル中のシュウ酸の濃度を減らすため、そのゾルにUV光を照射してもよい。そのUV光は、便宜的には、水銀ランプまたはキセノンランプ、もしくは400nm未満の波長を有する他の何らかの強力UV源により得ることができる。
そのチタン含有コロイド溶液は、溶媒を除去することにより、二酸化チタン粉末、および、二酸化チタンのフィルムで被覆された基材からなる複合材料を含む、二酸化チタンまたは二酸化チタン含有材料の作製に使用することができる。
本発明の一つの実施形態では、比較的大きな表面積の二酸化チタン粉末またはフィルムが作製される必要がある場合、通常、そのゾルを、チタンに対して約1重量パーセントから99重量パーセントまでの間の量、好適には、チタンに対して30wt%から60wt%までの範囲の量において、初めにコロイダルシリカと混合するのが好適である。使用されるコロイダルシリカの濃度は、あらゆる所望の濃度を有していてよいが、好適には、重量で約1%から50%までの間である。
本発明の範囲内における一つの更なる選択肢は、上で説明されているように作製されたチタニアゾルを用い、そのゾルをゲルにする前に、更にそれを、化学式RSiX3およびSiX4(式中、Rは、単純な有機基、または官能基を有する有機基であり、Xは、ハロゲン化物またはアルコキシド基であり得、それらが一緒に存在していてもよい)の加水分解可能な、もしくは部分的に加水分解可能なシラン化合物と混合することである。そのようなシランは、そのまま加えることもできるし、あるいは、水溶液中、または、エタノール、アセトン等の水と混和性の有機溶媒との溶液として加えることもできる。そのようなシラン材料は、−Ti−O−Si−O−Ti−結合を通じてチタニア粒子間の連結を形成することができる。これは、その光触媒に一層良好な摩耗特性を付与するだけでなく、それらのチタニア粒子の結晶成長を抑制することができる。
キセロゲルまたは粉末を作製するためには、次いで、そのゾルをゲルにするのが好適である。これは、室温以上の温度で溶媒を蒸発させることにより、または、加熱を伴って、もしくは、加熱を伴わずに、真空下で溶媒を蒸発させることにより果たすことができる。代替的に、HCl、HNO3、またはH2SO4等の鉱酸の希釈溶液を加えることにより、もしくは、KOH、アンモニア、炭酸ナトリウム、または水酸化テトラアルキルアンモニウム等のアルカリ溶液を加えることにより、そのようなゾルをゲルにすることもできる。これらのゲルは、望ましい場合、硫酸、硝酸、シュウ酸、クエン酸、乳酸、および酒石酸等の酸性溶液中に、その酸のタイプおよび濃度に応じて、室温で、または加熱することにより、再溶解することができる。ゲル化された材料を再溶解するこのプロセスは、以降で説明されるように、フィルムのパターン化では特に重要である。
シュウ酸を除去し、二酸化チタン含有材料またはフィルムを形成するため、太陽光またはUV光源に暴露することにより、もしくは適切な温度で加熱することにより、それらのゲルを硬化させることができる。UV源を使用する場合、これは、水銀ランプ、キセノンランプ、ブラックライトランプ、または他のUV源であってよい。その光の波長は、チタニア光触媒のバンドギャップと一致させるため、400nm以下であってよい。必要な硬化時間は、膜厚、分解すべきシュウ酸の量、放射線の波長、および放射線の強度に依存するであろう。UVで硬化されたその材料は、アナターゼ形態のTiO2を含んでいよう。以下の実施例10のように作製されたフィルムの硬化プロセスを、赤外分光法によりモニターした(図3)。
代替的に、アナターゼ、TiO2−B、またはルチルを形成するため、当技術分野において既知の如く、適切な温度で加熱することにより、そのようなゲルを硬化させることもできる。200℃から400℃程度の低い温度では、アナターゼ相またはアナターゼと二酸化チタン−Bの混合物としての結晶性TiO2が得られる。400℃を超えると、アナターゼとルチルの混合物が得られ、それらは、高温で完全にルチルに変換されるであろう。この様子は、熱分析(TGA、DTA)(図1)および粉末X線回折(XRD)(図2)を用いてモニターした。この場合、クリスタライトの大きさは、300℃で1時間の加熱後、キセロゲル中で37Åから58Åまで徐々に増大した後、ルチルの形成を伴って100Å以上へ急速に増大した。二酸化チタンと共にシリカ(Nalcogelコロイダルシリカ)が存在していたときには、アナターゼクリスタライトサイズの変化が小さな状態で、そのアナターゼ形態をより高い温度で安定化させることができた。以下に与えられている実施例から分かるように、材料が重量で50%のシリカを含んでいる場合には、そのアナターゼ相は、600℃まで安定化させることができ、そして、そのアナターゼクリスタライトサイズは、600℃で1時間の加熱後、キセロゲル中で37Åから僅か56Åへ変化するにすぎない。従って、この光触媒にシリカを含めることは、アナターゼ相を安定化させ、且つ、その材料の表面積を増大させることができ、それ故、その光触媒活性を向上させることができる(図4)。SiO2重量が50%で最高の表面積と光活性が得られ、そこでの比表面積は、窒素吸着に対するBET法によれば、246.3m2/gであった。窒素脱着等温線のBJH分析による細孔径分布は、35Åの細孔径で最大値を示し、17Åから100Åまでの間の細孔の累積細孔体積は0.1125cm3/gであり、平均細孔径は28.2Åであった。しかし、純粋なチタニア粉末の場合には、BET法によるその表面積は153m2/gであった。また、BJH分析によるその細孔径分布は、34.3Åの細孔径で上述の場合より小さな最大値を示し、17Åから100Åまでの間の細孔の累積細孔体積は0.02254cm3/gであり、平均細孔径は24.5Åであった。非晶質シリカを混ぜることにより、本発明で述べられている材料の表面特性を変え、その表面積を増大させ得ることは明らかであり、これは、汚染物質の吸着にとって重要なことである。
フィルムの作成
二酸化チタンフィルムを作製するため、上述のチタン含有コロイド溶液は、厚めで耐摩耗性に優れたフィルムを得るべく、最初に、フィルム成形プロセスを促進する1種類以上の化合物と混合されてよい。50%もの多量の水溶性アルコールが、そのフィルム形成プロセスを促進することが見出された。特に、メタノールおよびエタノールは、スプレー被覆で一層良好な結果をもたらした。また、上述のゾルを、アセトンおよびアセチルアセトン等の、何らかの割合の水溶性またはアルコール可溶性のケトンと混合してもよい。
更に、上述のゾルを、何らかの割合の有機酸と混合することもできる。その有機酸は、一官能性、二官能性、または多官能性であってよく、そして、ヒドロキシル基も含んでいてよい。そのような酸は、例えば、酢酸、乳酸、酒石酸、クエン酸、マレイン酸、リンゴ酸、マロン酸、ジグリコール酸、安息香酸、1,2,4,5−C6H2(COOH)4、EDTA、およびそれらの混合物を含む。
また、上述のゾルを、何らかの割合の水溶性脂肪族または芳香族アルコール、ジオール、またはポリオールと混合することもできる。そのような化合物の例は、エタノール、プロパノール、エチレングリコール、グリセロール、ポリエチレングリコール、ポリビニルアルコール、フェノール、カテコール、多糖類、および、当業者に知られている如き他のポリオール、またはそれらの混合物を含む。
また、上述のゾルは、モノエタノールアミン、ジエタノールアミン、およびトリエタノールアミン、またはそれらの混合物等の、何らかの割合のエタノールアミンと混合されてもよい。
そのような酸およびアルコールが特定の量で上述のゾルに一緒に加えられた場合には、そのゾルを基材上に被膜し、150℃近辺に加熱することにより、その被覆された基材の容易な取り扱いを可能にする高分子硬化フィルムを得ることができる。この特性は、特には例えばロボット産業において、多くの用途を有している。また、これを更に加熱してその有機材料を分解し、アナターゼ被膜を生成することができる。
また、本出願人らは、シリカコロイドおよび/または上述の如きシラン化合物を添加することにより、本発明において作製された二酸化チタンコロイドに非晶質シリカを混ぜる方法も提唱する。そのようなシラン化合物は、粒子結合剤として作用して、膜厚の改善や、一層優れた耐摩耗性フィルムを得る上での助けとなり、次いで、それらのフィルムは、あらゆる有機残分を分解するため、UV照射下または加熱下のいずれかにおいて硬化される。
更に、特にそのフィルムをある種のポリマー表面等の疎水性表面上に形成する場合には、上述のゾルは、何らかの割合の界面活性剤と混合されてよい。その界面活性剤は、これらに限定するものではないが、Brijシリーズ、Tritonシリーズ、Tergitolシリーズ、Pluronicシリーズ、ドデシル硫酸カリウム、または、ゲル化を引き起こさない他のあらゆる界面活性剤から選択することができる。好適には、その界面活性剤の濃度は、TiO2に対して重量で0.01%から5%までの間である。
被覆基材
このようにして作製されたゾルを様々な基材上に被膜することができる。そのような基材の例は、ガラス、石英、ガラス繊維、織りガラス繊維、セラミック、シリコンウェーハ、金属、ポリマー(ポリエチレンまたはポリエステル等)の表面、木材、または、モルタル、れんが、タイル、またはコンクリート等の建築材料を含む。使用する被膜方法は、スピンコート法、ディップコーティング法、または噴霧法等の、当技術分野において既知のどんな適切な方法であってもよい。
また、特に、基材が、光触媒コーティングを施すと劣化するようなポリマー等の有機材料からなっている場合には、光触媒でコーティングする前に、その基材上に非晶質シリカまたは非晶質アルミナの保護層を施すことも好適である。ガラスおよび加熱により作製される他の被担持フィルムを用いて同じ方法を実施することができる。非晶質シリカおよび非晶質アルミナの前駆体は、当業者にとって既知の如く、酸性溶液中においてシリコンアルコキシドまたはアルミニウムアルコキシドを加水分解することにより作製することができる。例えば、非晶質シリカおよび非晶質アルミナの前駆体は、これらに限定するものではないが、一連のテトラアルコキシシラン、アルコキシクロロシラン、およびアルミニウムトリアルコキシドから選択することができる。それらのアルコキシ基がC1からC5の低炭素数骨格を有していることがより好適である。
光触媒でコーティングされたフィルムを、上で説明されているように、即ち、太陽光またはUV光源に暴露することにより、あるいは、適切な温度で加熱することにより、硬化させることができる。
精巧なパターン化フィルム
本発明において、本出願人らは、低強度のブラックライトランプを用いて、非常にシャープなエッジを有する、幅4マイクロメートル未満の精巧なラインパターンを形成することができた。これは、高分子基材上におけるTiO2パターンの形成を可能にするであろう。
本発明の一つの形態では、本方法により作製されるが如き二酸化チタン含有材料の光触媒特性を利用することにより、種類の異なるパターンを有するフィルムで被覆された基材を作成することができる。
そのコーティング溶液は、上述のチタニアコロイドと、シリカコロイド、加水分解可能または部分的に加水分解可能なシラン、および界面活性剤との何らかの組み合わせから選択されてよい。しかし、そのコーティング溶液は、硬化後に、重量で50%から100%までのチタニアを含むフィルムをもたらすような溶液であることが好適である。このコーティング溶液のチタニア含量は、要求通りの厚みのパターン化フィルムをもたらすように選択されるであろう。また、よりシャープでより鮮明なパターンを得るため、一層のみを塗布することも好適である。そのパターン化プロセスは2つの工程を含む。第1の工程では、フィルムの一部がマスクされ、マスクされていない部分が紫外光に暴露される。これにより、そのマスクされていない部分の酸化チタン中に存在するシュウ酸および他の有機材料が光触媒的に破壊されるであろう。
次の工程は、酸処理により、そのフィルムを現像することである。マスクされていない部分に存在するシュウ酸の分解は、フィルムのそれらの部分を不溶性にし、一方、そのフィルムのうちUV光に暴露されなかった部分は、フィルムのそのような部分が硬化されていないため、適当な酸性溶液、または、シュウ酸および/または二酸化チタン含有ゲルと反応する何らかの材料、もしくは、シュウ酸および/または二酸化チタン含有ゲルを溶解する何らかの材料を用いて溶解することができる。この酸性溶液は、いかなる希鉱酸溶液、有機酸溶液、または酸性塩溶液であってもよい。好適には、その酸は、シュウ酸、乳酸、クエン酸、酒石酸、または硫酸である。また、上述の酸性塩は、例えば、硫酸アンモニウムまたは硫酸アルミニウムであってよい。更に、過酸化水素等の他の材料も、それらのパターンを現像工程するために使用することができる。添加的に、または、代替的に、超音波処理等の放射線的または機械的な方法を用いて、硬化されていない部分を取り除くことにより、そのパターン化フィルムを現像することもできる。
この方法では、それが室温且つ低レベルのUV光で為されるため、プラスチックおよび高分子表面を含む様々な基材上に、幅が数マイクロメートルかそれ以下で、厚みがサブマイクロメートルから数ナノメートルの非常に精巧なパターンを有する二酸化チタンフィルムを作成することができる(図9、10)。このプロセスは、電界効果トランジスタおよび他のマイクロデバイス等のエレクトロニクス産業における特殊な工業的用途を見出し得る。
ドーピング
ここでは、光還元および化学的還元により白金および他の金属粒子を本発明で作製されるTiO2フィルムおよび粉末に分散する、少なくとも2つの方法について説明する。
二酸化チタン含有粉末およびフィルムの特性、例えば光触媒特性は、金属塩または金属錯体をドーピングすることにより増強することができる。適切なドーパントは、当業者にとって既知であろう。
その複合体は、金属酸化物を形成すべく適切な温度で加熱されてもよいし、あるいは、二酸化チタンの内部に金属粒子を形成すべくUV照射されてもよく、あるケースでは、UV照射により金属酸化物が形成される場合もある。可溶性の金属塩または金属錯体の添加は、上述のゾルに直接的に行ってもよいし、もしくは、吸着するのに充分な時間、それらの粉末およびフィルム自体に金属塩の水溶液またはアルコール溶液を含浸させることにより行ってもよい。金属がPd、Pt、Ag、およびCuからなる群から選択される場合、その吸着された金属塩または金属錯体は、熱的に分解できるか、あるいは、UV光下で光触媒的に分解することができる。この光触媒的ドーピングプロセスは、数分から数時間かかり得る。また、この光触媒プロセスは、金属前駆体の有機基の光酸化と、その金属イオンをゼロ酸化状態にする光還元とを含み、これにより、それらの金属粒子は、その触媒粒子の表面に一様に分散されることとなる。その光触媒における最終的な金属含量は、好適には重量で2%未満であり、より好適には重量で0.2%から0.5%までの間である。重量で0.5%以上にドーピングすると、この光触媒の活性は本質的に増大しない。
この方法では、PdおよびPtに対する好適な前駆体はヘキサクロロ錯体である。これらの前駆体を犠牲化合物と混合するのが好適であり、より好適には、その犠牲化合物は、ドーピング金属に対して過剰量で添加されるホルムアルデヒド、ギ酸、メタノール、またはエタノール等の低炭素数有機化合物である。例えば、白金とホルムアルデヒドとを使用する場合、Pt:ホルムアルデヒドのより好適なモル比は、約1:5である。
銀を析出させる場合、他の可溶性の銀化合物を使用することもできるが、本出願人らは、酢酸銀か硝酸銀のいずれかを使用することを選ぶ。その前駆体溶液は、上述のコロイドに加えてもよいし、あるいは、硬化後の触媒粒子またはフィルムに含浸させることもできる。この場合、犠牲剤は必要とならない。銀化された触媒の色は、薄い灰色から黒までの間の範囲である。
本発明では、硫酸塩等の他の塩も使用することができるが、好適な銅前駆体は、酢酸銅および硝酸銅である。その銅前駆体は、ゲル化させる前の上述のコロイドに加えてもよいし、あるいは、ゲル化および硬化後の光触媒粒子またはフィルムに含浸させることもできる。その触媒の色は、UV光への暴露後にCu(II)がCu(0)へ還元されるため、薄緑色から青銅色に変化する。
別の実施形態では、チタン含有触媒に吸着されている金属前駆体の還元は、その金属をゼロ原子価にまで完全に還元するのに充分な時間、そのような触媒を希ヒドラジン一水和物溶液に暴露することにより実施することができる。この場合、過剰なヒドラジンを除去するため、その触媒を水で洗浄するのが好適である。この方法では、ヒドラジンは、それらの粒子が純粋なチタニアであるか、チタン含有材料でるか、あるいは、シリカ粒子であるかに関わらず、その触媒粒子または結晶粒内に浸透し、その結晶粒の内部に吸着されている金属前駆体を還元することができる。
B.二酸化チタン材料の応用
二酸化チタン粉末、粒、および、二酸化チタン材料を含む複合材料は、数多くの用途を有している。
例えば、それらの材料は、光触媒としての機能を果たすであろう。その材料は、太陽の放射線またはUV光下で、有機化合物または空気中および水中における汚染物質を分解することができる。特に、それらの望ましくない炭素構造物は、比較的無害なCO2およびH2Oに分解される。また、太陽光または人工的なUV光で照射されたとき、染料を、本発明において作製される材料を用いて光触媒的に脱色または漂白することができる。本発明において、我々は、例えば、エチレン濃度を急速且つ効果的に低減することができる光触媒を作製および担持するための方法を提供する。
特定の例は、園芸作物の貯蔵施設からエチレン(エテン)ガスを取り除くことを含む。エチレンガスは、ある種の果物が熟したときに、それらの果物により生成される無色のガスである。しかし、このガスは、同じ施設に保管されている他の果物の早期熟成も引き起こす。一つの例は、リンゴとキウイフルーツとの保管であり、この場合、リンゴは、キウイフルーツを早期に熟成させるエテンを生成する。これは、市場に届く前にそれらの産物に損傷をきたしかねないため、園芸作物の輸出業者にとっては重大な問題である。
更に、二酸化チタンフィルムは、それらが最初に作製されたときには、極度の親水性を有しているであろう。この親水性は、太陽光またはUV光に暴露することにより維持され、接触角はゼロに近い。この親水性は、鏡やガラス窓の曇り止めとしての用途等に特に有用であり、そこでは、その親水性表面が、曇りの原因となる小さな水滴の形成を防止する。
更に、二酸化チタン含有材料は、バクテリア、ウイルス、および真菌に対する活性を含む抗菌活性を有している。これらの特性は、微生物の増殖を低減または排除するため、例えば、二酸化チタンフィルムで被覆されたベンチの上面やタイル等の表面を形成するのに利用することができる。
本出願人らの発明の利点は、以下の点を含む:
・プラスチックおよび他の熱的に不安定な基材を含む広範囲の表面を被膜することができる;
・太陽光およびUV光源下で30分以内に硬化することができる;
・機器関連コスト、エネルギーの節約に関するコスト、およびプラントの運転に関するコストを低減することができる;
・より高い温度で耐摩耗仕上げを施すことができる;
・大きなサンプルサイズを容易に作成することができる;
・高い光触媒活性を保証する高い多孔度と大きな表面積を有する被膜を得ることができる;
・作成される材料または被膜が耐摩耗性であることを保証するためには高い温度が必要とされるが、耐摩耗性が問題とならない場合(例えば、その材料が、空気またはガス以外の何物とも物理的に接触しないエアーフィルターの場合)には、比較的低い温度を使用することができる;
・広範囲にわたる試験は、このTiO2材料が、エチレンおよび他の作業場所化合物を非常に効果的に分解することを示した。これらの材料の分解は、1時間当たり30%から95%へ改善され、スクラバーとして本発明が有効であることが実証された。
次に、以下の非制限的な実施例を参照しながら、本発明をより詳細に説明する。
C−実施例
実施例1
チタンテトライソプロポキシド(TTIP)とUV光を用いるチタニアゾルの作製
14.2gのTTIPを、20mlの無水エタノールと3.15gのシュウ酸二水和物の溶液に加えた。その混合物を10分間撹拌した後、真空下で溶媒を蒸発させた。得られた白色の固体に水を加え、その混合物を75℃で撹拌することにより、それを透明なゾルへ解膠した。その後、水銀ランプを用いて、その溶液にUV光を3時間照射した。その間に、過マンガン酸塩滴定で測定したところ、シュウ酸の量は元の濃度の半分に低下した。
実施例2
インシトゥのα−チタン酸とモル比0.5のシュウ酸を用いるチタニアゾルの作製
100mlの水中で14.2gのTTIPを加水分解することにより、α−チタン酸を得た。3.15gのシュウ酸二水和物を加え、その混合物を70℃で撹拌することにより、無色のゾルが形成された。
実施例3
TTIPから作製されるα−チタン酸とモル比0.5のシュウ酸を用いるチタニアゾルの作製
シュウ酸の水(150ml)溶液に14.2gのTTIPを加えた。その混合物を70℃で撹拌することにより、実施例2に記載されたようなゾルが形成された。
実施例4
硫酸チタニルからのα−チタン酸を用いるチタニアゾルの作製
硫酸チタニル溶液を希アンモニア溶液で加水分解することにより白色の沈殿物が得られ、この沈殿物を濾過し、硫酸塩がなくなるまで蒸留水で洗浄した。得られたスラリーを密閉容器に保持し、炉内で試料を500℃に加熱することによりTiO2の含量を分析した。3.15gのシュウ酸二水和物を含む200mlの水に、21gのα−チタン酸スラリー(重量で19%のTiO2)を加えた。その混合物を70℃で撹拌することにより、1時間後に、青みがかった白色のコロイドが形成された。ゲル化し、200℃に加熱した後の粉末XRD測定は、アナターゼ相の存在を示した。300℃に30分間加熱すると、アナターゼ回折線は、一層シャープになった。
実施例5
α−チタン酸とモル比0.3のシュウ酸を用いるチタニアゾルの作製
1.42gのTTIPを40mlの水中で加水分解することにより、α−チタン酸が形成された。シュウ酸0.19gの水溶液を加え、その混合物を65から70℃で撹拌することにより、コロイド溶液が得られた。粉末XRDは、アナターゼ相の存在を示した。
実施例6
α−チタン酸とモル比0.25のシュウ酸を用いるチタニアゾルの作製
14.2gのTTIPを、シュウ酸(1.57g)水(400ml)溶液に加えた。その混合物を65℃で撹拌することにより、青みがかった白色のコロイドが得られた。溶媒の除去後、作製されたキセロゲルにアナターゼ相が検出された。
実施例7
チタンテトライソプロポキシド(TTIP)とモル比0.5のシュウ酸を用いるチタニアゾルの作製
50mlの無水エタノール中と3.15gのシュウ酸二水和物の溶液に、14.2gのTTIPを加えた。そのようにして形成された錯体を200mlの水で加水分解し、透明なゾルが得られるまで、その混合物を58℃で撹拌した。
ゲル化し、その粉末を200℃に加熱した後の粉末XRDは、相対的に74%のTiO2−B相と26%のアナターゼ相の存在を示した。その粉末を250℃に加熱すると、幾分かのTiO2−B相がアナターゼに転移し、比はTiO2−Bが57%、アナターゼが43%であった。300℃から410℃までの間では、充分に結晶性のアナターゼのみが得られた。ルチル相への転移は、450℃で加熱した後に起こり始めた(図8)。
実施例8
チタンテトラブトキシド(TTB)とモル比0.25のシュウ酸を用いるチタニアゾルの作製
40mlのt−ブタノールと1.57gのシュウ酸の溶液に、17gのTTBを加えた。得られた錯体を500mlの水で加水分解し、透明なゾルが得られるまで、その混合物を65℃で撹拌した。そのゾルをゲル化した後、350℃に加熱することにより、灰色がかった白色のアナターゼ粉末が得られた。
実施例9
30%のシリカを含有するチタニアゾルの作製
実施例6の場合と同様にして混合物を作製した。そのスラリーに、5.7gのNalcogelブランドの30%シリカコロイドを加え、生じた混合物を、透明なコロイドが得られるまで、60℃に加熱した。
実施例10
TTIPからのチタニアゾル
40mlの無水エタノール中で1.57gの水和シュウ酸に14.2gのTTIPを加え、50℃で5分間撹拌した。その溶液を400mlの温水で加水分解し、得られた混合物を65℃で2時間激しく撹拌した。生じた透明なゾルの体積を、8wt%のコロイドを得るべく真空下で50mlにまで、または、16wt%のコロイドを形成すべく25mlにまで減らした。そのコロイドを、0.4マイクロメートルのSartorius Minisartフィルターを用いて濾過した。
実施例11
50%のシリカを含有するチタンゾルの作製
実施例10の場合と同様にしてゾルを作製した後、必要量のNalcogelブランドの30%シリカコロイドを加えた。
実施例12
光触媒粒子および粉末の低温作製
上述の実施例に従って、16から20%の純粋なチタニアコロイドまたはチタニア−シリカコロイドを作製した後、それらのコロイドをゲルにした。粒子が所望された場合には、そのコロイドを70から80℃でゲル化するのが好適であり、粉末が所望される場合には、その溶媒を真空下において50℃で蒸発させるのが好適であった。そのような粒子または粉末を200℃で1時間加熱することにより、アナターゼ光触媒が得られた。そのクリスタライトサイズを増大させるには、加熱時間を1時間より長くすることができる。
実施例13
光触媒粒子および粉末の高温形成
実施例11の場合と同様にして、16%のチタニア/シリカコロイドを作製した。粒子が所望される場合には、そのコロイドを80℃でゲル化するのが好適で、粉末が所望される場合には、先ずその溶媒を真空下で蒸発させた。そのキセロゲルを500℃で1時間加熱することにより、クリスタライトのサイズが8.1nmのナノ結晶性アナターゼ含有材料が得られた。
実施例14
薄膜の作製および室温でのUV硬化
実施例10のゾルを2×1cmのシリコンプレートに被膜した。得られたフィルムを、5cm離れた、水銀UV光に30分間暴露した。そのシュウ酸塩の分解の様子を、赤外線分光法によりモニターした(図3)。
実施例15
TiO2フィルム上における界面活性剤の分解
2wt%の各界面活性剤溶液(Brij 98、Brij 97、Brij 78、Brij 58、Brij 35、Triton X−100、Tergitol 15−S−12)を各々1滴、一度ずつ、実施例14のフィルム上に拡げ、室温で乾燥させた。それらのフィルムに、5cm離れた、水銀UVランプからの放射線を照射した。それらの界面活性剤の濃度を赤外分光法を用いてモニターした。2900cm−1近辺におけるC−H伸縮に対する吸収ピークと、1100cm−1近辺におけるC−O−C変角に対する吸収ピークが、Brijシリーズの場合には、照射の30分後に消失し、そして、TritonおよびTergitol界面活性剤の場合には、50分後に消失することが判明した(図7aおよび7b)。これは、室温で硬化されたこのTiO2フィルムが、UV照射下において、これらの界面活性剤を光分解することができることを示している。
実施例16
ポリマーシート上のTiO2フィルム
0.2%のBrij 97界面活性剤を含有する実施例10の4%ゾルを用いて、50×50×3mmのポリアクリルシートをTiO2でスピンコートした。そのフィルムを、ブラックライトランプの下で2時間照射した。同じ方法で被膜を繰り返すことにより親水性被膜が得られた。
実施例17
薄膜の作製およびUVパターン化
0.1%のBrij 97を含有する実施例10の4%ゾルを、5×5×0.1cmのガラスプレートにスピンコートした。透明な薄い酢酸セルロースシートにプリントされた白黒像をそのフィルム表面に載せた。そのプレートを、ブラックライトランプに6時間暴露した。そのフィルムのうち、UV放射線に暴露されなかった領域を溶解し、そして、暴露された部分を残すため、そのフィルムを、温かな希乳酸溶液に浸した。
実施例18
TiO2/25%SiO2の精巧なパターン化フィルム
実施例10の8%チタニアゾル10mlを、0.1gの2%Brij 97界面活性剤および1gのグリシドキシプロピルトリメトキシシランと充分に混合した。その混合物を、予め清浄化された50×50×1mmのガラスプレート上にスピンコートした。微細にパターン化されたマスクをそのフィルム上に確実に載せて、その上面から10cm離れたブラックライトランプの下で15時間照射した。そのマスクを取り除いた後、そのフィルムを温かい希乳酸中に15分間浸した。そのようにして形成されたパターンを、DETAK表面プロファイラー(Sloan Technology Corporation)(図9)およびSEM(図10)で調べた。
実施例19
室温における親水性光触媒薄膜
重量で55%のTiO2と45wt%のSiO2を含有するスピンコート用混合物を、実施例10から得られる8%チタニアゾルを12ml、1.164gの30%Nacogelシリカコロイド、1.716gのグリシドキシプロピル−トリメトキシシラン、および0.1gの2%Brij 78溶液とを混合することにより作製した。清浄なガラスプレートを、この混合物で、600rpmにおいて2分間スピンコートした。そのようにして被覆されたプレートを、ブラックライトランプの下で15時間照射したところ、このフィルムは親水性になった。膜厚は0.5マイクロメートルであり、このフィルムは、H9鉛筆で試験したときに掻き取られなかった。
実施例20
熱硬化薄膜の作製および親水性試験
実施例5のゾルを、50×50×1mmのガラスプレート上にスピンコートした。そのプレートを200℃に加熱した。冷却後、このプレートを再度被膜し、加熱した。このようにして5回の被膜を施した。そのフィルムを、オレイン酸の0.1%アセトン溶液で汚し、太陽光の下に放置した。このオレイン酸の分解を、その表面における水の接触角の低下により評価したところ、その接触角は、6時間後に、元の角度<2に低下した。
実施例21
織りガラス布上における熱硬化フィルムの作製
1片の織りガラス布(6×6cm)を、実施例11のように作製されたゾルでディップコートした。暖かい空気中において乾燥させた後、その布を210℃に15分間加熱した。このコーティングを繰り返し行って、アナターゼ触媒の多重層を作成した。
実施例22
被覆されたガラス布の光活性試験(アセトアルデヒドの分解)
実施例21で作製された1片の織りガラス布を、上面に石英窓を備えた1リットルの気密反応器内に入れた。この反応器は、小さなファンと温湿度計を備えている。20℃で湿度を25±1%に調節した。その反応器にアセトアルデヒドガスを注入し、40から60ppmの間の濃度を得た。暗所において30分間平衡化させたのち、その被覆されたガラス布を4cm離れたブラックライトランプで照射した。ガス検出器を用いて、このアセトアルデヒドの濃度をモニターした。
加えたシリカのこの活性に及ぼす効果が図4に示されている。アセトアルデヒドの分解速度対コーティング回数(膜厚)が図5に示されている。
実施例23
アセトアルデヒドの光分解に及ぼす湿度の影響
アセトアルデヒドの光分解に及ぼす湿度の影響についても試験した。試験で使用した湿度範囲は、20℃における相対湿度が約10%から約90%までの間であった。アセトアルデヒドを注入する前に、乾燥剤に通した空気を循環させるか、あるいは水蒸気を加えるかのいずれかにより、反応器内部の湿度を変化させた。光活性に及ぼす湿度の影響が図6に示されている。
実施例24
白金化された光触媒ガラス布の光
6×6cmの織りガラス布を実施例21のように作製した後、それを500℃に1時間加熱した。重量で0.1%の白金酸と重量で0.5%のホルムアルデヒドとを含有する3ミリリットルのドーピング溶液を、この触媒の表面に噴霧し、5分間平衡化させた。その湿ったガラス布に、20ワットのブラックライトランプから放射されるUV光を5分間照射したところ、その間に、触媒の色が灰色ないし黒へ変化した。このガラス布を蒸留水で洗い、80℃で乾燥させることにより、白金化光触媒が得られた。
実施例25
光触媒ガラス布の光−銀化
25mlの16wt%のチタニアコロイドを、実施例10のように作製し、それを、1.26mlの1%硝酸銀溶液と充分に混合することにより、TiO2に対して0.2wt%の銀を含むコロイドを生成した。6×6cmのガラス布をこの溶液で被膜し、70℃で乾燥させた後、210℃で15分間加熱した。その光触媒布をブラックライトランプの下で30分間照射したところ、その間に、色が灰色に変化した。
実施例26
ヒドラジンを用いる光触媒ガラス布の銀化
光触媒ガラス布を、実施例25のように作製した。210℃に加熱した後、その布を室温にまで冷却し、次いで、1%のヒドラジン一水和物溶液を噴霧した。5分後、その布を蒸留水で洗って過剰なヒドラジンを除去した後、オーブン内で乾燥させた。この布を光触媒反応実験で使用する前に、吸着されているあらゆる微量のヒドラジンを光分解するため、それをUV光下で照射するのが好適である。
実施例27
銅がドーピングされたチタニア薄膜
TiO2に対して0.2wt%のCuを得るべく、実施例10の4%チタニア含有コロイド20mlを、0.5mlの1%酢酸銅溶液と混合した。0.1%のBrij界面活性剤を加えた後、その溶液を、清浄なガラスプレート上にスピンコートした。この被覆されたプレートを、ブラックライトランプ下において5時間照射し、その後、同じようにしてもう1層を施した。このフィルムは、抗菌被膜として使用することができる。
実施例28
染料の光分解
実施例20のように作製されたフィルムを、200℃に加熱することによりローダミンBベースの0.5%アルコール溶液で染色した。この染色したフィルムを、窓から射し込む日光に面した実験台上に置いた。その染料の退色を、Hewlett Packard社のダイオードアレイ型UV−可視分光光度計を用いて540nmでモニターした。このフィルム上の染料が完全に消失し、再び親水性になるのに15分を要した(図11)。
実施例29
エチレンガスの光分解
実施例24のようにして、0.09gの光触媒が搭載された6×6cmの白金化光触媒布を作製した。この光触媒布を、150ml用の気密反応器に入れた。その反応器内部の湿度を、20℃で40%に調節した。1%のエチレンガスを含む空気1mlをこの反応器内へ注入し、反応器内部のエチレンを70ppmvにした。30分間平衡化した後、ブラックライトランプを点灯し、InnowaxカラムとFID検出器とを備えたHewlett Packard 6890ガスクロマトグラフ装置を用いて、そのエチレン濃度をモニターした。30分後には、反応器内部の温度が40℃になり、97.1%のエチレンが分解された(図12)。
実施例30
エチレンガスの光熱分解
実施例24のようにして、0.6gの光触媒が負荷された11×17cmの白金化光触媒布を作製した。光反応器内部の湿度を、20℃で41%に調節した。その反応器に0.6mlの純粋なエチレンガス(26.78マイクロモル)を注入した。30分間平衡化した後、UVランプ(ブラックライトランプ)を点灯し加熱を始め、光反応器内部の温度を85℃に上昇させた。実施例29の場合と同様に、エチレンの濃度をGCでモニターしたところ、30分後には、その濃度が98.9%減少していることが見出された(図13)。
実施例31
トルエンの光熱分解
実施例30と同じ白金化光触媒布を用い、反応器内部の湿度は、20℃で47%とした。その反応器の内部に2.5マイクロリットルの純粋な液体トルエン(20マイクロモル)を注入し、40分間蒸発させて、光触媒への吸着を放置した。ブラックライトランプを点灯し加熱を始め、反応器内部の温度を85℃に上昇させた。実施例29と同じ方法を用いて、トルエンガスの濃度をモニターした。30分後には、トルエンの濃度が93.8%減少し、1時間で99.4%減少した(図14)。
本発明を特定の実施形態および実施例に関して説明してきたが、当業者であれば、本発明の範囲から逸脱することなく、種々の変形および変更を為し得ることが理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【図1】
図1は、実施例5のゾルをゲル化することにより作製された粉末の熱分析(TGAおよびDTA)を示している。
【図2】
図2は、シリカを加えない状態での実施例9におけるゾルをゲル化することにより作製された粉末のX線回折(XRD)図形を示している。
【図3】
図3は、実施例10のようにして作製され、そして、UV光で硬化されたフィルムの赤外線スペクトルを示している。
【図4】
図4は、本発明の2Mゾルを用いての、光活性と表面積に及ぼすSiO2添加の影響を示している。
【図5】
図5は、本発明の2Mゾルと50%SiO2を織りガラス繊維にコーティングしたものを用いての、触媒搭載量に伴う光活性の変化を示している。
【図6】
図6は、本発明の2Mゾルと50%SiO2を2回コーティングした織りガラス繊維を用いての光活性に及ぼす湿度の影響を示している。
【図7】
図7は、TiO2フィルム上における幾つかの界面活性剤のUV分解をI.R.分光法で測定した結果を示している。
【図8】
図8は、TiO2−B含有材料のX線回折スペクトルを示している。
【図9】
図9は、TiO2パターン化フィルムの表面プロファイルを示している。
【図10】
図10は、TiO2パターン化フィルムの走査電子顕微鏡写真(SEM)を示している。
【図11】
図11は、TiO2フィルム上におけるローダミンB染料の光分解を示している。
【図12】
図12は、白金化TiO2光触媒布上におけるエチレンガスの光分解を示している。
【図13】
図13は、白金化TiO2光触媒布上におけるエチレンガスの光熱分解を示している。
【図14】
図14は、白金化TiO2光触媒布上におけるトルエンガスの光熱分解を示している。
Claims (164)
- チタンイオンを含むコロイド粒子を含有する溶液を作製する方法であって、当該方法が、次の工程:
A:反応媒体中において、1種類以上のチタン含有加水分解型化合物をシュウ酸と反応させるか、さもなければ、反応媒体中において、1種類以上のチタン含有加水分解型化合物をシュウ酸で安定化させる工程;
からなることを特徴とする、または、上記工程を含むことを特徴とする、溶液の作製方法。 - 上記工程Aが、該コロイド溶液のペプチゼーションが実質的に得られ、且つ、実質的に維持されるような条件下で行われることを特徴とする、請求項1記載の溶液作製方法。
- 上記条件が、環境温度からその反応混合物の沸点近くまでの温度で、前記1種類以上のチタン含有加水分解型化合物を該反応媒体中においてシュウ酸とかき混ぜまたは撹拌することを含んでいることを特徴とする、請求項2記載の溶液作製方法。
- 上記温度が、約40℃から約80℃までの間の温度であることを特徴とする、請求項3記載の溶液作製方法。
- 上記かき混ぜまたは撹拌が、実質的に15分から実質的に3時間までの範囲の反応時間にわたって行われることを特徴とする、請求項4記載の溶液作製方法。
- 前記反応媒体が水または水/アルコール混合物からなり、そして、前記チタン含有化合物が水中および/または塩基中において加水分解可能であることを特徴とする、請求項5記載の溶液作製方法。
- 前記チタン含有化合物が、水−加水分解型であり、そして、化学式Ti(OR)4(式中のRは、C2〜C6の線状または分枝鎖のアルキル基である)の化合物であることを特徴とする、請求項1から6までのいずれか一項に記載の溶液作製方法。
- 前記チタン含有化合物が、チタンテトライソプロポキシドおよび/またはチタンテトラブトキシドであることを特徴とする、請求項7記載の溶液作製方法。
- 前記チタン含有化合物が:
・初めに、シュウ酸のアルコール溶液と化合され、続いて、水が加えられる;または
・スラリーを形成すべく、水または水とアルコールの混合物に直接的に加えられ、続いて、シュウ酸が加えられる;または
・シュウ酸の水溶液または水とアルコールの混合物とシュウ酸の溶液に加えられる;
ことを特徴とする、請求項8記載の溶液作製方法。 - 前記水−加水分解型チタン含有化合物が、加水分解産物を与えるべく、シュウ酸との反応またはシュウ酸による安定化の前に、水を用いて加水分解されることを特徴とする、請求項9記載の溶液作製方法。
- 前記チタン含有化合物が塩基−加水分解型であり、そして、該チタン含有化合物が、これらに限定するものではないが、TiCl4および/またはTiOSO4から選択されることを特徴とする、請求項1から6までのいずれか一項に記載の溶液作製方法。
- 前記塩基−加水分解型チタン含有化合物が、シュウ酸との反応またはシュウ酸による安定化の前に、ある塩基を用いて加水分解されて加水分解産物になり、そして、この加水分解産物が、該シュウ酸との反応または該シュウ酸による安定化の前に、スラリーを形成すべく、濾過および/または洗浄されることを特徴とする、請求項11記載の溶液作製方法。
- 前記シュウ酸が、無水シュウ酸か水和シュウ酸のいずれかであることを特徴とする、先行する請求項のいずれか一項に記載の溶液作製方法。
- 前記シュウ酸の量が、約0.2:1から約1:1までの範囲のシュウ酸:チタンのモル比をもたらすような量であることを特徴とする、請求項13記載の溶液作製方法。
- 前記反応媒体の含水量が、約200:1から約800:1までの範囲の水:チタンのモル比をもたらすような量であることを特徴とする、請求項14記載の溶液作製方法。
- 前記反応媒体の含水量が、約400:1から約600:1までの範囲の水:チタンのモル比をもたらすような量であることを特徴とする、請求項11記載の溶液作製方法。
- 前記反応媒体にアルコールが存在するとき、該アルコールが、エタノールまたはt−ブタノール等の、化学式ROH(式中のRは、C1からC4までの線状または分枝状のアルキル基である)を有するモノヒドロキシル脂肪族アルコールであることを特徴とする、先行する請求項のいずれか一項に記載の溶液作製方法。
- 存在するアルコールの好適な量が、当該溶液中においてゼロから100:1までのより好適には10:1から50:1までのアルコール:チタンのモル比をもたらすような量であることを特徴とする、請求項17記載の溶液作製方法。
- 当該溶液が、更なる使用の前に、あらゆる濃度レベルで保管できることを特徴とする、請求項18記載の溶液作製方法。
- 当該溶液が、0℃から20℃までの間において、TiO2重量で約32%までで保管されることを特徴とする、請求項19記載の溶液作製方法。
- 当該溶液の前記シュウ酸塩濃度が、いずれかの段階で、該溶液をUV光で照射することにより低減されることを特徴とする、先行する請求項のいずれか一項に記載の溶液作製方法。
- 実質的に、請求項1から21までのいずれか一項に記載の方法に従って作製される、チタンイオンを含むコロイド粒子を含有する溶液。
- その粒子が、シュウ酸により安定化されるか、もしくは、シュウ酸との反応により安定化されることを特徴とする、チタンイオンを含むコロイド粒子を含有する水溶液。
- 実質的に、付随する実施例のうちのいずれか1つもしくはそれ以上に関連して本明細書で説明されているように作製される、チタンイオンを含むコロイド粒子を含有する溶液。
- TiO2含有製品を作製する方法であって、当該方法が、以下の工程:
I:チタンイオンを含むコロイド粒子を含有する溶液を作製する工程であって、前記粒子が、シュウ酸により安定化されるか、あるいは、シュウ酸との反応により安定化される工程;および
II:当該製品を得るべく、該溶液を更に処理する工程;
からなることを特徴とする、または上記工程を含むことを特徴とする作製方法。 - 上記工程Iが、該コロイド溶液のペプチゼーションが実質的に得られ、且つ、実質的に維持されるような条件下で行われることを特徴とする、請求項25記載のTiO2含有製品の作製方法。
- 上記条件が、環境温度からその反応混合物の沸点近くまでの温度で、1種類以上のチタン含有加水分解型化合物を反応媒体中においてシュウ酸とかき混ぜまたは撹拌することを含んでいることを特徴とする、請求項26記載のTiO2含有製品の作製方法。
- 上記温度が、約40℃から約80℃までの間の温度であることを特徴とする、請求項27記載のTiO2含有製品の作製方法。
- 上記かき混ぜまたは撹拌が、実質的に15分から実質的に3時間までの範囲の反応時間にわたって行われることを特徴とする、請求項28記載のTiO2含有製品の作製方法。
- 当該製品におけるTiO2相が、少なくとも最初は、アナターゼを含んでいる、または、主にアナターゼである、もしくは、実質的にアナターゼであることを特徴とする、請求項25から29までのいずれか一項に記載のTiO2含有製品の作製方法。
- 当該方法が、以下の工程:
(1)チタンイオンを含むコロイド粒子を含有する溶液を作製する工程であって、そこでは、前記粒子が、シュウ酸により安定化されるか、あるいは、シュウ酸と反応させたことにより安定化される工程;および
(2)該溶液に1種類以上の添加物を加えることにより、もしくは、該溶液と1種類以上の添加物とを混合することにより、コロイド混合物を作製する工程;および
(3)当該製品を得るべく、該溶液を更に処理する工程;
からなることを特徴とする、または上記工程を含んでいることを特徴とする、請求項30記載のTiO2含有製品の作製方法。 - 上記工程(1)が、請求項1から21までのいずれか一項で先に説明されているような方法からなることを特徴とする、または、請求項1から21までのいずれか一項で先に説明されているような方法を含むことを特徴とする、請求項31記載のTiO2含有製品の作製方法。
- 前記工程(2)の添加物が:
(a)シリカまたはシリカ前駆体;
(b)水溶性、またはアルコールに可溶性の、1種類もしくは複数のケトン;
(c)1種類もしくは複数の有機酸;
(d)1種類または複数の、水溶性脂肪族または芳香族アルコール、ジオール、もしくはポリオール;
(e)1種類もしくは複数のエルハノールアミン;
(f)1種類または複数の金属前駆体;
(g)1種類もしくは複数の界面活性剤;
(h)1種類または複数のシラン;
のうちの1つもしくはそれ以上を含んでいることを特徴とする、請求項31または32に記載のTiO2含有製品の作製方法。 - シリカが加えられる場合、そのシリカはコロイダルシリカであり、そして、該シリカが、当該製品中のチタンに対して、実質的に30から60wt%の比をもたらすような量で加えられることを特徴とする、請求項30記載のTiO2含有製品の作製方法。
- 前記コロイダルシリカの濃度が、当該製品において、重量で約1%から50%の間になるような濃度であることを特徴とする、請求項34記載のTiO2含有製品の作製方法。
- 界面活性剤が加えられる場合、その界面活性剤が、Brijシリーズ、Tritonシリーズ、Tergitolシリーズ、Pluronicシリーズ、ドデシル硫酸カリウム、もしくは、ゲル化を引き起こさないあらゆる他の界面活性剤のうちの1種類またはそれ以上を含んでいることを特徴とする、請求項33記載のTiO2含有製品の作製方法。
- 金属前駆体が加えられる場合、その金属前駆体が金属塩または金属錯体であることを特徴とする、請求項33記載のTiO2含有製品の作製方法。
- 前記金属前駆体が、Pd、Pt、Ag、およびCuのうちの1つまたはそれ以上の可溶性金属塩もしくは可溶性金属錯体であることを特徴とする、請求項37記載のTiO2含有製品の作製方法。
- 前記金属がPdまたはPtであり、そして、前記前駆体が、Pd−またはPt−のヘキサクロロ錯体のうちの一つ(但し、これに限定するものではない)であることを特徴とする、請求項38記載のTiO2含有製品の作製方法。
- 前記Pd−またはPt−ヘキサクロロ錯体が、ホルムアルデヒド、ギ酸、メタノール、またはエタノール等の犠牲化合物としての低炭素数有機化合物と混合され、その犠牲化合物は、該前駆体金属に対して過剰量で加えられることを特徴とする、請求項39記載のTiO2含有製品の作製方法。
- 前記金属がAgであり、そして、前記前駆体が、酢酸銀または硝酸銀(但し、これらに限定するものではない)のうちの一つもしくはそれ以上であることを特徴とする、請求項38記載のTiO2含有製品の作製方法。
- 前記金属がCuであり、そして、前記前駆体が、酢酸銅、硫酸銅、または硝酸銅(但し、これらに限定するものではない)のうちの一つもしくはそれ以上であることを特徴とする、請求項38記載のTiO2含有製品の作製方法。
- 前記シランが、そのまま加えられるか、あるいは、水性溶媒中における溶液として、または、水と混和する有機溶媒の溶液として加えられ、そして、該シランが、化学式RSiX3、R2SiX2、およびSiX4(式中、Rは単純な有機基、または官能基を有する有機基であり、Xは、ハロゲン化物またはアルコキシド基であり得る)の加水分解可能なまたは部分的に加水分解可能なシラン化合物であることを特徴とする、請求項33記載のTiO2含有製品の作製方法。
- 前記工程(3)が、以下の工程:
(i)該溶液をゲルにする工程(ゲル化工程);
(ii)該シュウ酸および/あらゆる1種類以上の添加物を除去するため、もしくは、該シュウ酸および/またはどれか1種類以上の添加物の量を低減するため、該ゲルを硬化する工程(硬化工程);
のうちの一方または両方を含むことを特徴とする、請求項31記載のTiO2含有製品の作製方法。 - 前記ゲル化工程が:
・室温以上の温度での、溶媒の蒸発;および/または
・加熱を伴う、もしくは、加熱を伴わない、真空下での溶媒の蒸発;および/または
・HCl、HNO3、またはH2SO4等の鉱酸の希釈溶液、あるいは、KOH、アンモニア、炭酸ナトリウム、または水酸化テトラアルキルアンモニウム等のアルカリ溶液(但し、これらに限定するものではない)を含む、ゲル化剤の添加工程;
のうちの一つもしくはそれ以上により果たされることを特徴とする、請求項44記載のTiO2含有製品の作製方法。 - 前記ゲル化工程からキセロゲルが生成されることを特徴とする、請求項45記載のTiO2含有製品の作製方法。
- 該ゲルの硬化がUV放射線への暴露および/または加熱によって果たされ、そして、その硬化時間が、分解すべきシュウ酸の量、および/または前記放射線の波長、および/または該放射線の強度によって決定されることを特徴とする、請求項44記載のTiO2含有製品の作製方法。
- UVへの暴露が利用される場合、そのUV放射線の波長が、該アナターゼ相におけるTiO2の光触媒的に活性なバンドギャップと実質的に一致または部分的に一致していることを特徴とする、請求項47記載のTiO2含有製品の作製方法。
- 追加の工程(4)があり、該工程(4)が、以下の工程:
(i)当該チタン含有製品に金属前駆体を含浸させる工程(含浸工程);および/または
(ii)前記工程(2)および/または工程(4)において加えられた何らかの金属前駆体を金属または金属酸化物に変換する工程(変換工程);
のうちの一方または両方を含むことを特徴とする、請求項31または32に記載のTiO2含有製品の作製方法。 - 上記工程(i)の該前駆体の金属が、Pd、Pt、Cu、またはAgのうちの1つもしくはそれ以上であることを特徴とする、請求項49記載のTiO2含有製品の作製方法。
- 前記金属前駆体がPdまたはPtである場合、その金属前駆体が、該金属前駆体に対して過剰な量のホルムアルデヒド、ギ酸、メタノール、またはエタノールからなる犠牲化合物と混合されることを特徴とする、請求項50記載のTiO2含有製品の作製方法。
- 前記変換工程が、利用され、これが:
(i)該金属前駆体を該金属または金属酸化物に変換するのに適した温度で加熱すること;および/または
(ii)該金属前駆体、または、該金属前駆体を含む当該TiO2含有製品を、該金属をゼロ原子価にまで完全に還元するのに充分な時間、ヒドラジン一水和物希釈溶液に暴露すること;および/または
(iii)該二酸化チタン内に金属粒子および/または金属酸化物を形成するためにUVを照射すること;
のうちの1つもしくはそれ以上により行われることを特徴とする、請求項49記載のTiO2含有製品の作製方法。 - 当該方法において:
・該金属前駆体の金属がAgであり、UV照射が用いられ、そして、実質的に当該TiO2製品の色が薄い灰色ないし黒へ変わるときに、UV照射が停止される;および/または
・該金属前駆体の金属がCuであり、UV照射が用いられ、そして、実質的に当該TiO2含有製品の色が薄い緑色から青銅色へ変わるときに、UV照射が停止される;および/または
・該金属前駆体の金属がPdであり、UV照射が用いられ、そして、実質的に当該TiO2含有製品の色が灰色ないし黒へ変わるときに、UV照射が停止される;および/または
・該金属前駆体の金属がPtであり、UV照射が用いられ、そして、実質的に当該TiO2含有製品の色が灰色ないし黒へ変わるときに、UV照射が停止される;
ことを特徴とする、請求項52記載のTiO2含有製品の作製方法。 - ヒドラジン一水和物溶液への暴露が用いられ、その後、過剰なヒドラジンを除去すべく、当該TiO2製品が水で洗浄されることを特徴とする、請求項52記載のTiO2含有製品の作製方法。
- 当該TiO2製品のTiO2中の最終的な該金属の含量が、重量で2%未満であることを特徴とする、請求項31または32に記載のTiO2含有製品の作製方法。
- 当該TiO2製品のTiO2中の最終的な該金属の含量が、重量で0.2%から0.5%の間であることを特徴とする、請求項55記載のTiO2含有製品の作製方法。
- 前記工程(3)の前のある時に、該溶液にUV光を照射することにより、該溶液のシュウ酸塩濃度が低減されることを特徴とする、請求項31または32に記載のTiO2含有製品の作製方法。
- TiO2の粒状材料またはTiO2を含有する粒状材料を作製する方法であって、当該方法が、以下の工程:
I:チタンイオンを含むコロイド粒子を含有する溶液を作製する工程であって、前記粒子が、シュウ酸により安定化されるか、あるいは、シュウ酸との反応により安定化される工程;
II:当該粒状材料を得るべく、該溶液を更に処理する工程;
からなることを特徴とする、または上記工程を含むことを特徴とする作製方法。 - 上記工程Iが、該コロイド溶液のペプチゼーションが実質的に得られ、且つ、実質的に維持されるような条件下で行われることを特徴とする、TiO2の粒状材料またはTiO2を含有する粒状材料の作製方法。
- 上記条件が、環境温度からその反応混合物の沸点近くまでの温度で、1種類以上のチタン含有加水分解型化合物を反応媒体中においてシュウ酸とかき混ぜまたは撹拌することを含んでいることを特徴とする、請求項59記載のTiO2の粒状材料またはTiO2を含有する粒状材料の作製方法。
- 上記温度が、約40℃から約80℃までの間の温度であることを特徴とする、請求項60記載のTiO2の粒状材料またはTiO2を含有する粒状材料の作製方法。
- 上記かき混ぜまたは撹拌が、実質的に15分から実質的に3時間までの範囲の反応時間にわたって行われることを特徴とする、請求項61記載のTiO2の粒状材料またはTiO2を含有する粒状材料の作製方法。
- 当該粒状材料が、部分的にTiO2であるか、または、実質的にすべてがTiO2であることを特徴とする、請求項58記載の粒状材料の作製方法。
- 当該粒状材料におけるTiO2相が、少なくとも最初は、アナターゼを含んでいる、または、主にアナターゼである、もしくは、実質的にアナターゼであることを特徴とする、請求項63記載の粒状材料の作製方法。
- 当該方法が、以下の工程:
(1)チタンイオンを含むコロイド粒子を含有する溶液を作製する工程であって、前記粒子が、シュウ酸により安定化されるか、あるいは、シュウ酸と反応させたことにより安定化される工程;
(2)該溶液に1種類以上の添加物を加えることによりコロイド混合物を作製する工程;
(3)当該粒状材料を得るべく、該コロイド混合物を更に処理する工程;
からなることを特徴とする、または上記工程を含んでいることを特徴とする、請求項58または64に記載の粒状材料の作製方法。 - 上記工程(1)が、請求項1から21までのいずれか一項で先に説明されているような方法からなることを特徴とする、または、請求項1から21までのいずれか一項で先に説明されているような方法を含むことを特徴とする、請求項65記載の粒状材料の作製方法。
- 前記工程(2)の添加剤が:
・コロイダルシリカまたはシリカ前駆体;
・金属前駆体;
のうちの1つもしくはそれ以上を含んでいることを特徴とする、請求項65記載の粒状材料の作製方法。 - 前記添加物がコロイダルシリカを含み、そのコロイダルシリカが、実質的に、チタンに対して30重量パーセントから60重量パーセントまでの間の比を与えるような量で加えられ、そして、該コロイダルシリカの濃度が、重量で約1%から50%までの間であることを特徴とする、請求項67記載の粒状材料の作製方法。
- 前記添加物が1種類以上の金属前駆体を含み、その金属前駆体が、Pd、Pt、Ag、およびCuの可溶性金属塩または可溶性金属錯体であることを特徴とする、請求項67記載の粒状材料の作製方法。
- 前記金属前駆体の金属が:
・Agであり、そして、該前駆体が、酢酸銀または硝酸銀(但し、これらに限定するものではない)のうちの1つもしくはそれ以上である;および/または
・Cuであり、そして、該前駆体が、酢酸銅、硫酸銅、および硝酸銅(但し、これらに限定するものではない)のうちの1つもしくはそれ以上である;および/または
・PdまたはPtであり、そして、該前駆体が、Pd−またはPt−のヘキサクロロ錯体のうちの一つ(但し、これに限定するものではない)である;
のうちの一つであることを特徴とする、請求項69記載の粒状材料の作製方法。 - 前記金属がPdまたはPtであって、該PdまたはPtヘキサクロロ錯体が、ホルムアルデヒド、ギ酸、メタノール、またはエタノールからなる犠牲化合物としての低炭素数有機化合物と混合され、そして、その犠牲化合物が、該金属前駆体に対して過剰量で加えられることを特徴とする、請求項70記載の粒状材料の作製方法。
- 前記金属:犠牲化合物のモル比が約1:5であることを特徴とする、請求項71記載の粒状材料の作製方法。
- 前記工程(3)が、以下の工程:
(i)ゲル化工程;および
(ii)該シュウ酸および/または1種類以上の他の添加物を除去するための、または、該シュウ酸および/または1種類以上の他の添加物の量を低減するための硬化工程;
を含むことを特徴とする、請求項65記載の粒状材料の作製方法。 - 前記ゲル化工程が:
・室温以上の温度での、溶媒の蒸発;
・加熱を伴う、もしくは、加熱を伴わない、真空下での溶媒の蒸発;
・HCl、HNO3、またはH2SO4等の鉱酸の希釈溶液、あるいは、KOH、アンモニア、炭酸ナトリウム、または水酸化テトラアルキルアンモニウム等のアルカリ溶液(但し、これらに限定するものではない)を含む、ゲル化剤の添加;
のうちの一つもしくはそれ以上により果たされることを特徴とする、請求項73記載の粒状材料の作製方法。 - 前記ゲル化工程から、もしくは、前記ゲル化工程の一部として、キセロゲルが生成されることを特徴とする、請求項74記載の粒状材料の作製方法。
- 該ゲルの硬化がUV放射線への暴露および/または加熱によって果たされ、その硬化時間が、分解すべきシュウ酸の量、および/または前記放射線の波長、および/または該放射線の強度によって決定されることを特徴とする、請求項74記載の粒状材料の作製方法。
- UVへの暴露が利用される場合、そのUV放射線の波長が、該アナターゼ相におけるTiO2の光触媒的に活性なバンドギャップと実質的に一致または部分的に一致していることを特徴とする、請求項76記載の粒状材料の作製方法。
- 追加の工程(4)があり、該工程(4)が、以下の工程:
(i)当該粒状材料に金属前駆体を含浸させる工程(含浸工程);および
(ii)前記工程(2)および/または工程(4)において加えられた何らかの金属前駆体を金属または金属酸化物に変換する工程(変換工程);
のうちの一方または両方を含むことを特徴とする、請求項65記載の粒状材料の作製方法。 - 上記工程(i)の該前駆体の金属が、Pd、Pt、Cu、またはAgのうちの1つもしくはそれ以上であることを特徴とする、請求項78記載の粒状材料の作製方法。
- 前記金属前駆体がPdまたはPtである場合、その金属前駆体が、該金属前駆体に対して過剰な量のホルムアルデヒド、ギ酸、メタノール、またはエタノールからなる犠牲化合物と混合されることを特徴とする、請求項79記載の粒状材料の作製方法。
- 前記変換工程が、以下の工程:
(i)該金属前駆体を該金属または金属酸化物に変換するのに適した温度で加熱すること;および/または
(ii)該金属前駆体、または、該金属前駆体を含む当該粒状材料を、該金属をゼロ原子価にまで完全に還元するのに充分な時間、ヒドラジン一水和物希釈溶液に暴露すること;および/または
(iii)該二酸化チタン内に金属粒子および/または金属酸化物を形成するためにUVを照射すること;
のうちの1つもしくはそれ以上により行われることを特徴とする、請求項78記載の粒状材料の作製方法。 - 当該方法において:
・該金属前駆体の金属がAgであり、UV照射が用いられ、そして、実質的に当該粒状材料の色が薄い灰色ないし黒へ変わるときに、UV照射が停止される;および/または
・該金属前駆体の金属がCuであり、UV照射が用いられ、そして、実質的に当該粒状材料の色が薄い緑色から青銅色へ変わるときに、UV照射が停止される;および/または
・該金属前駆体の金属がPdであり、UV照射が用いられ、そして、実質的に当該粒状材料の色が灰色から黒へ変わるときに、UV照射が停止される;および/または
・該金属前駆体の金属がPtであり、UV照射が用いられ、そして、実質的に当該粒状材料の色が灰色から黒へ変わるときに、UV照射が停止される;
ことを特徴とする、請求項81記載の粒状材料の作製方法。 - ヒドラジン一水和物溶液への暴露が用いられ、その後、過剰なヒドラジンを除去すべく、当該粉末が水で洗浄されることを特徴とする、請求項81記載の粒状材料の作製方法。
- 当該TiO2製品のTiO2中の最終的な該金属の含量が、重量で2%未満、より好適には、重量で0.2%から0.5%までの間であることを特徴とする、請求項65記載の粒状材料の作製方法。
- 前記工程(3)の前に、該溶液にUV光を照射することにより、該溶液のシュウ酸塩濃度が低減されることを特徴とする、請求項65記載の粒状材料の作製方法。
- 当該粒状材料が粉末であることを特徴とする、請求項58から85までのいずれか一項に記載の粒状材料の作製方法。
- 当該粒状材料が顆粒状であることを特徴とする、請求項58から85までのいずれか一項に記載の粒状材料の作製方法。
- TiO2コーティング溶液を作製する方法であって、当該方法が、以下の工程:
I:チタンイオンを含むコロイド粒子を含有する溶液を作製する工程であって、前記粒子が、シュウ酸により安定化されるか、あるいは、シュウ酸と反応させたことにより安定化される工程;および
II:当該コーティング溶液を得るべく、該溶液を更に処理する工程;
からなることを特徴とする、または上記工程を含むことを特徴とする作製方法。 - 上記工程Iが、該コロイド溶液のペプチゼーションが実質的に得られ、且つ、実質的に維持されるような条件下で行われることを特徴とする、請求項88記載のTiO2コーティング溶液の作製方法。
- 上記条件が、環境温度からその反応混合物の沸点近くまでの温度で、1種類以上のチタン含有加水分解型化合物を反応媒体中においてシュウ酸とかき混ぜまたは撹拌することを含んでいることを特徴とする、請求項89記載のTiO2コーティング溶液の作製方法。
- 上記温度が、約40℃から約80℃までの間の温度であることを特徴とする、請求項90記載のTiO2コーティング溶液の作製方法。
- 上記かき混ぜまたは撹拌が、実質的に15分から実質的に3時間までの範囲の反応時間にわたって行われることを特徴とする、請求項91記載のTiO2コーティング溶液の作製方法。
- 当該方法が、以下の工程:
(1)チタンイオンを含むコロイド粒子を含有する溶液を作製する工程であって、前記粒子が、シュウ酸により安定化されるか、あるいは、シュウ酸と反応させたことにより安定化される工程;
(2)該溶液に1種類以上の添加物を加えることによりコロイド混合物を作製する工程;
からなることを特徴とする、または上記工程を含んでいることを特徴とする、請求項88または92に記載のコーティング溶液の作製方法。 - 上記工程(1)が、請求項1から24までのいずれか一項に記載の方法を含むことを特徴とする、または、請求項1から24までのいずれか一項に記載の方法からなることを特徴とする、請求項93記載のコーティング溶液の作製方法。
- 上記工程(2)が、次の:
(i)シリカまたはシリカ前駆体を添加すること、あるいは、シリカまたはシリカ前駆体と混合すること;
(ii)水溶性またはアルコールに可溶性の1種類もしくは複数のケトンを何らかの割合で添加すること、あるいは、何らかの割合でそのようなケトンと混合すること;
(iii)1種類または複数の有機酸を何らかの割合で添加すること、あるいは、何らかの割合でそのような有機酸と混合すること;
(iv)1種類もしくは複数の水溶性の脂肪族または芳香族アルコール、ジオール、またはポリオールを何らかの割合で添加すること、あるいは、何らかの割合でそれらと混合すること;
(v)モノエタノールアミン、ジエタノールアミン、またはトリエタノールアミン、あるいはそれらの混合物等の1種類もしくは複数のエタノールアミンを何らかの割合で添加すること、もしくは、何らかの割合でそのようなエタノールアミンと混合すること;
(vi)1種類もしくは複数の界面活性剤を何らかの割合で添加すること、あるいは、何らかの割合でそのような界面活性剤と混合すること;
(vii)1種類以上の金属前駆体を添加すること、あるいは、そのような金属前駆体と混合すること;
(viii)1種類以上のシランを添加すること、あるいは、そのようなシランと混合すること;
のうちのいずれか一つもしくはそれ以上を含むことを特徴とする、請求項93記載のコーティング溶液の作製方法。 - シリカが添加または混合され、そのシリカがコロイダルシリカであり、該コロイダルシリカが、実質的に、チタンに対して30重量パーセントから60重量パーセントまでの間の比を与えるような量で加えられ、そして、該コロイダルシリカの濃度が、重量で約1%から50%までの間であることを特徴とする、請求項95記載のコーティング溶液の作製方法。
- 水溶性および/またはアルコールに可溶性のケトンが添加または混合され、そして、そのケトンがアセトンおよび/またはアセチルアセトンであることを特徴とする、請求項95記載のコーティング溶液の作製方法。
- 有機酸が添加または混合され、そして、その有機酸が、酢酸、乳酸、酒石酸、クエン酸、マレイン酸、リンゴ酸、マロン酸、ジグリコール酸、安息香酸、1,2,4,5−C6H2(COOH)4、EDTA、および/またはそれらの混合物のうちの1つもしくはそれ以上であることを特徴とする、請求項95記載のコーティング溶液の作製方法。
- 水溶性の脂肪族または芳香族アルコール、ジオール、またはポリオールが添加または混合され、それが/それらが、エタノール、プロパノール、エチレングリコール、グリセロール、ポリエチレングリコール、ポリビニルアルコール、フェノール、カテコール、多糖類のうちの1つもしくはそれ以上であることを特徴とする、請求項95記載のコーティング溶液の作製方法。
- 界面活性剤が添加または混合され、その界面活性剤が、Brijシリーズ、Tritonシリーズ、Tergitolシリーズ、Pluronicシリーズ、ドデシル硫酸カリウム、または、ゲル化を引き起こさないあらゆる他の界面活性剤のうちの1つもしくはそれ以上から選択されることを特徴とする、請求項95記載のコーティング溶液の作製方法。
- 前記界面活性剤の濃度が、TiO2に対して相対的に重量で0.01%から5%までの間であることを特徴とする、請求項100記載のコーティング溶液の作製方法。
- 金属前駆体が添加または混合され、その金属前駆体が、Pd、Pt、Ag、およびCuからなる群の可溶性金属塩または可溶性金属錯体であることを特徴とする、請求項95記載のコーティング溶液の作製方法。
- 該金属が:
・Agであり、そして、該前駆体が、酢酸銀または硝酸銀(但し、これらに限定するものではない)のうちの1つもしくはそれ以上である;および/または
・Cuであり、そして、該前駆体が、酢酸銅、硫酸銅、および硝酸銅(但し、これらに限定するものではない)のうちの1つもしくはそれ以上である;および/または
・PdまたはPtであり、そして、該前駆体が、Pd−またはPt−のヘキサクロロ錯体のうちの一つ(但し、これに限定するものではない)である;
のうちの一つもしくはそれ以上であることを特徴とする、請求項102記載のコーティング溶液の作製方法。 - 該金属がPd−またはPt−であり、該PdまたはPtヘキサクロロ錯体がホルムアルデヒド、ギ酸、メタノール、またはエタノール等の犠牲化合物としての低炭素数有機化合物と混合され、そして、その犠牲化合物が該金属前駆体に対して過剰量で加えられることを特徴とする、請求項103記載のコーティング溶液の作製方法。
- シランが添加または混合され、そのシランが、化学式RSiX3、R2SiX2、およびSiX4(式中、Rは、単純な有機基、または官能基を有する有機基であり、Xは、ハロゲン化物またはアルコキシド基であり得る)の加水分解可能なまたは部分的に加水分解可能なシラン化合物であり、それらのシラン化合物が、合計重量で1から50%の間で、そのまま加えられるかまたは水に混和性の溶液として加えられることを特徴とする、請求項95記載のコーティング溶液の作製方法。
- 0から20℃で、当該コーティング溶液を何らかの濃度で保管する更なる工程(3)があることを特徴とする、請求項93記載のコーティング溶液の作製方法。
- 当該コーティング溶液が4から15℃の間で保管されることを特徴とする、請求項106記載のコーティング溶液の作製方法。
- TiO2被覆基材を作製する方法であって、当該方法が、以下の工程:
I:請求項98から107までのいずれか一項に記載のコーティング溶液を作製する工程;および
II:当該被覆基材を得るべく、該溶液を更に処理する工程;
からなることを特徴とする、または、上記工程を含むことを特徴とする作製方法。 - 当該被覆基材におけるTiO2相が、少なくとも最初は、アナターゼを含むか、主にアナターゼであるか、または、実質的にアナターゼであることを特徴とする、請求項108記載の被覆基材の作成方法。
- 該基材が、ガラス、石英、ガラス繊維、織りガラス繊維、セラミック、シリコンウェーハ、金属、ポリマー(ポリエチレンまたはポリエステル等)の表面、木材、あるいは、モルタル、れんが、タイル、またはコンクリート等の建築材料(但し、これらに限定するものではない)のうちの1つもしくはそれ以上であることを特徴とする、請求項109記載の被覆基材の作成方法。
- 前記工程IIが、以下の工程:
(i)上記コーティング溶液を基材に塗布する工程;および
(ii)ゲル化工程;および
(iii)硬化工程;
を含むことを特徴とする、請求項108記載の被覆基材の作成方法。 - 前記コーティング溶液の塗布が、スピンコート法、ディップコーティング法、または噴霧法からなる技術のうちの一つにより果たされることを特徴とする、請求項111記載の被覆基材の作成方法。
- 前記コーティング溶液の塗布に先立って、該基材に、非晶質シリカおよび/または非晶質アルミナ(あるいは、一連のテトラアルコキシシラン、アルコキシクロロシラン(但し、これらに限定するものではない)から選択される非晶質シリカの前駆体;または、一連のアルミニウムトリアルコキシド(但し、これらに限定するものではない)から選択される非晶質アルミナの前駆体であって、ここで、それらの前駆体は、酸性溶液中における加水分解により、該シリカまたは前駆体になり得る前駆体である)の保護層が施されることを特徴とする、請求項112記載の被覆基材の作成方法。
- 前記ゲルの硬化が、UV放射線への暴露および/または加熱によって果たされ、そして、その硬化時間が、分解すべきシュウ酸の量、および/またはシラン(存在する場合)の量、および/または界面活性剤(存在する場合)の量、および/または該放射線の波長、および/または該放射線の強度によって決定されることを特徴とする、請求項111記載の被覆基材の作成方法。
- UV放射線が使用される場合、その放射線の波長が、アナターゼTiO2の光触媒的なバンドギャップと実質的にまたは部分的に一致していることを特徴とする、請求項114記載の被覆基材の作成方法。
- 前記ゲル化工程が:
・室温以上の温度での、溶媒の蒸発;
・加熱を伴う、もしくは、加熱を伴わない、真空下での溶媒の蒸発;
・HCl、HNO3、またはH2SO4等の鉱酸の希釈溶液、あるいは、KOH、アンモニア、炭酸ナトリウム、または水酸化テトラアルキルアンモニウム等のアルカリ溶液(但し、これらに限定するものではない)を含む、ゲル化剤の添加;
のうちの一つもしくはそれ以上により果たされることを特徴とする、請求項111記載の被覆基材の作成方法。 - 更なる工程IIIがあり、該工程IIIが、以下の工程:
(i)当該チタン含有製品に金属前駆体を含浸させる工程(含浸工程);および/または
(ii)前記工程(I)および/または工程(III)において加えられた何らかの金属前駆体を金属または金属酸化物に変換する工程(変換工程);
のうちの一方または両方を含むことを特徴とする、請求項108記載の被覆基材の作成方法。 - 上記工程(i)の該前駆体の金属がPd、Pt、Cu、またはAgのうちの1つもしくはそれ以上であることを特徴とする、請求項119記載の被覆基材の作成方法。
- 前記金属前駆体がPdまたはPtである場合、その金属前駆体が、該金属前駆体に対して過剰な量のホルムアルデヒド、ギ酸、メタノール、またはエタノールからなる犠牲化合物と混合されることを特徴とする、請求項118記載の被覆基材の作成方法。
- 焼き入れTiO2被覆基材を作製する方法であって、当該方法が、以下の工程:
(i)請求項88から107までのいずれか一項に記載のコーティング溶液を作製する工程であって、少なくとも酸とアルコールの両方が該溶液に加えられる工程;
(ii)該コーティング溶液を基材に塗布する工程;
(iii)150℃近辺に加熱する工程;
(iv)その有機材料を分解させるためおよび/またはその被膜を焼き付けるため、450℃近辺に更に加熱する工程;
(v)金属前駆体を含浸させ、続いて、UV照射および/または加熱する工程;
からなることを特徴とする、または、上記工程を含むことを特徴とする、焼き入れTiO2被覆基材の作成方法。 - パターン化されたTiO2被覆基材を作製する方法であって、当該方法が、以下の工程:
(i)あらゆるゲル化工程または硬化工程(存在する場合)の前に、請求項108から119までのいずれか一項に記載の被覆基材を作製する工程;
(ii)その被膜の1つもしくはそれ以上の領域をマスクする工程;
(iii)1つまたは複数の非マスク領域の酸化チタンに存在するシュウ酸および他の有機材料を光触媒的に破壊するため、その非マスク領域を紫外光に暴露することにより、被膜の非マスク領域を硬化させる工程;
(iv)そのフィルムを現像する工程;
からなることを特徴とする、または、上記工程を含むことを特徴とする、パターン化されたTiO2被覆基材の作成方法。 - 前記コーティング溶液が、硬化後、重量で50%から100%までのチタニアを含むフィルムをもたらすことを特徴とする、請求項121記載のパターン化されたTiO2被覆基材の作成方法。
- よりシャープでより鮮明なパターンを得るため、コーティング溶液が一層だけ塗布されることを特徴とする、請求項122記載のパターン化されたTiO2被覆基材の作成方法。
- 前記フィルムの現像が、以下の工程:
(i)酸性溶液を塗布することであって、ここで、該酸性溶液は、硫酸等の何らかの鉱酸希釈物、および/またはシュウ酸、乳酸、クエン酸、酒石酸等の有機酸溶液、および/または、その塩が硫酸アンモニウムまたは硫酸アルミニウムである酸性塩溶液である;および/または
(ii)過酸化水素等の他の材料を塗布すること;および/または
(iii)超音波処理を含む放射線的な方法または機械的な方法;および/または
(iv)UVに暴露されなかったゲルを再溶解するための何らかの他の方法;
のうちの1つもしくはそれ以上により果たされることを特徴とする、請求項121記載のパターン化されたTiO2被覆基材の作成方法。 - 前記現像工程が、室温で行われるか、または、加熱条件下で行われることを特徴とする、請求項124記載のパターン化されたTiO2被覆基材の作成方法。
- 該被膜を焼き付ける最終工程があることを特徴とする、請求項125記載のパターン化されたTiO2被覆基材の作成方法。
- 焼結の前に、1つもしくはそれ以上の追加の工程があり、それが、以下の工程:
・室温以上の温度での、溶媒の蒸発;
・加熱を伴う、もしくは、加熱を伴わない、真空下での溶媒の蒸発;
のうちの一方または両方を含むことを特徴とする、請求項126記載のパターン化されたTiO2被覆基材の作成方法。 - 該被膜の硬化が、UV放射線への暴露および/または加熱により果たされることを特徴とする、請求項124記載のパターン化されたTiO2被覆基材の作成方法。
- 前記ゲル化工程の中間体または産物としてキセロゲルが生成されることを特徴とする、請求項128記載のパターン化されたTiO2被覆基材の作成方法。
- USへの暴露が使用され、そして、そのUV放射線の波長が、該アナターゼ相におけるTiO2の光触媒的に活性なバンドギャップと実質的にまたは部分的に一致していることを特徴とする、請求項128記載のTiO2含有製品の作製方法。
- TiO2製品におけるルチルおよび/またはTiO2−B相の含量を増大させる方法であって、当該方法が、以下の工程:
・そのTiO2相が、主にもしくは少なくとも部分的にアナターゼであるか、または、主にもしくは少なくとも部分的にTiO2−B相である請求項25から57のいずれか一項に記載のTiO2含有製品を作製する工程;および
・ そのアナターゼおよび/またはルチルの含量を増大させるべく加熱する工程;
を含むことを特徴とする、または、上記工程からなることを特徴とする方法。 - 実質的に200℃から400℃までへの加熱が、当該製品におけるTiO2−Bのアナターゼ相ないし二酸化チタン−Bおよび/またはルチル相への相転移を引き起こすことを特徴とする、または、上記加熱が該相転移を開始させることを特徴とする、請求項131記載の方法。
- 実質的に400℃より高い温度への更なる加熱が、当該製品におけるルチル相の含量を増大させることを特徴とする、請求項132記載の方法。
- 実質的に500℃より高い温度で、該TiO2の実質的にすべてがルチルへの相転移を受けることを特徴とする、請求項133記載の方法。
- 重量で実質的に50%までのシリカの添加が、該アナターゼ相および/またはTiO2−B相の安定化をもたらし、これにより、該ルチル相への変換を開始および/または完了するためには600℃以上の温度への加熱が必要となることを特徴とする、請求項134記載の方法。
- 請求項25から57のいずれか一項に記載の方法に従って実質的に作製されるTiO2含有製品。
- 実質的に、付随する実施例のうちのいずれか1つもしくはそれ以上に関連して本明細書で説明されているように作製されるTiO2含有製品。
- 請求項58から87のいずれか一項に記載の方法に従って実質的に作製されるTiO2粒状材料。
- 実質的に、付随する実施例のうちのいずれか1つもしくはそれ以上に関連して本明細書で説明されているように作製されるTiO2粒状材料。
- 請求項88から107のいずれか一項に記載の方法に従って実質的に作製されるTiO2含有コーティング溶液。
- 実質的に、付随する実施例のうちのいずれか1つもしくはそれ以上に関連して本明細書で説明されているように作製されるTiO2含有コーティング溶液。
- 請求項108から119のいずれか一項に記載の方法に従って実質的に作製されるTiO2含有被覆基材。
- 実質的に、付随する実施例のうちのいずれか1つもしくはそれ以上に関連して本明細書で説明されているように作製されるTiO2含有被覆基材。
- 請求項135記載の方法に従って実質的に作製される焼き入れTiO2被覆基材。
- 実質的に、付随する実施例のうちのいずれか1つもしくはそれ以上に関連して本明細書で説明されているように作製される焼き入れTiO2被覆基材。
- 請求項122から130のいずれか一項に記載の方法に従って実質的に作製される焼き入れTiO2被覆基材。
- 実質的に、付随する実施例のうちのいずれか1つもしくはそれ以上に関連して本明細書で説明されているように作製される焼き入れTiO2被覆基材。
- TiO2をベースとした光触媒を作製する方法であって、当該方法が、以下の工程:
(1)チタンイオンを含むコロイド粒子を含有する溶液を作製する工程であって、ここで、それらの粒子が、シュウ酸で安定化されるか、または、シュウ酸との反応で安定化される工程;
(2)当該光触媒を得るべく、該溶液を更に処理する工程;
を含むことを特徴とする、または、上記工程からなることを特徴とする、TiO2をベースとした光触媒の作製方法。 - 当該TiO2をベースとした光触媒がTiO2粒状材料であって、そして、前記更なる処理が、ゲル化工程および硬化工程を含むことを特徴とする、請求項148記載のTiO2をベースとした光触媒の作製方法。
- 当該TiO2をベースとした光触媒が、基材上のTiO2被膜またはフィルムであって、そして、前記更なる処理が、コーティング溶液を作製する工程、そのコーティング溶液を上記基材に適用する工程、および、ゲル化工程並びに硬化工程を含むことを特徴とする、請求項149記載のTiO2をベースとした光触媒の作製方法。
- 前記粒状材料、被膜、またはフィルム中のTiO2相が、少なくとも最初は、アナターゼおよび/またはTiO2−Bを含んでいるか、主にアナターゼおよび/またはTiO2−Bであるか、または、実質的にアナターゼおよび/またはTiO2−Bであることを特徴とする、請求項150記載のTiO2をベースとした光触媒の作製方法。
- 好適には、当該TiO2をベースとした光触媒が、UV光の照射時に、またはUV光への暴露時に光触媒として作用することを特徴とする、請求項151記載のTiO2をベースとした光触媒の作製方法。
- 当該TiO2をベースとした光触媒に金属または金属酸化物がドーピングされることを特徴とする、請求項152記載のTiO2をベースとした光触媒の作製方法。
- 前記金属がPt、Pd、Cu、またはAgから選択されることを特徴とする、請求項153記載のTiO2をベースとした光触媒の作製方法。
- 当該TiO2をベースとした光触媒を用いて有機化合物を光触媒的に分解することができ、そして、その分解が、UV放射線の適用により、または、UV放射線への暴露により起こることを特徴とする、請求項154記載のTiO2をベースとした光触媒の作製方法。
- 当該TiO2をベースとした光触媒が、基材上に被覆されたときに親水性表面として作用し得ることを特徴とする、請求項155記載のTiO2をベースとした光触媒の作製方法。
- 実質的に請求項148から156までのいずれか一項に記載の方法に従って作製されるTiO2をベースとした光触媒。
- 実質的に実施例のうちのいずれか1つもしくはそれ以上に関連して本明細書で説明されているように作製されるTiO2をベースとした光触媒。
- B相TiO2を作製する方法であって、当該方法が、以下の工程:
(1)チタンイオンを含むコロイド粒子を含有する溶液を作製する工程であって、それらの粒子がシュウ酸で安定化されるか、または、シュウ酸との反応で安定化される工程;
(2)主にまたは実質的にTiO2−B相であるTiO2を得るべく、該溶液を更に処理する工程;
(3)実質的に200から300℃の間にTiO2を加熱する工程;
を含むことを特徴とする、または、上記工程からなることを特徴とする、B相TiO2の作製方法。 - 前記更なる処理工程(2)が、溶媒の除去、および/またはゲル化工程、および/または硬化工程を含むことを特徴とする、請求項159記載のB相TiO2の作製方法。
- 前記工程(1)が、先に説明されている方法によることを特徴とする、請求項160記載のB相TiO2の作製方法。
- 450℃を超える温度に加熱してルチル相であるTiO2をもたらす更なる工程(4)があることを特徴とする、請求項161記載のB相TiO2の作製方法。
- 実質的に請求項159から162までの方法に従って作製されるB相TiO2。
- 実質的に実施例のうちのいずれか1つもしくはそれ以上に関連して本明細書で説明されているように作製されるB相TiO2。
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