JP2006223919A - Functional powder and structure - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電気炉スラグ、転炉スラグおよび熱間圧延スケール中に不可避に含有される鉄酸化物がp型半導体特性を有する金属欠乏型不定比酸化物である事の発見とその有効活用に関する。 The present invention relates to the discovery that iron oxide inevitably contained in electric furnace slag, converter slag, and hot rolling scale is a metal-deficient non-stoichiometric oxide having p-type semiconductor characteristics, and its effective utilization. .
光のエネルギーによって生成する反応は(表1)の様に分類される。 Reactions generated by light energy are classified as shown in (Table 1).
今からおおよそ30年前、セラミックス半導体(ルチル型二酸化チタン)を光電極として用い水の光分解ができる光触媒反応がわが国で発見され、これを契機に、光触媒反応に関する開発研究が活発に開始された。 About 30 years ago, a photocatalytic reaction capable of photodegrading water using a ceramic semiconductor (rutile-type titanium dioxide) as a photoelectrode was discovered in Japan, and as a result, development research on the photocatalytic reaction was actively started. .
その後、広範に渡る研究開発が進められ、量産市販さている二酸化チタンの白色の微細粉末(アナターゼ型・比表面積大)を構造体に主としてコーティグして使用する光触媒反応の実用化が進められている。 Since then, extensive research and development has been promoted, and the practical application of photocatalytic reactions using white fine powder of titanium dioxide (anatase type, large specific surface area), which is mass-produced and marketed, is mainly applied to the structure. .
対象となる光触媒には、紫外線の照射が必須であり、光触媒機能を有するアナターゼ型の二酸化チタン、TiO2の実用化に関する開発研究が積極的に進められた。 The target photocatalyst is required to be irradiated with ultraviolet rays, and development research on practical application of anatase-type titanium dioxide and TiO 2 having a photocatalytic function has been actively promoted.
すでに実用化されているアナターゼ型の二酸化チタン、TiO2の機能を活用しての用途開発の例を(表2)に示した。 Examples of application development utilizing the functions of anatase-type titanium dioxide and TiO 2 already in practical use are shown in (Table 2).
光触媒、TiO2は、そのバンドギャップエネルギー3.2eVに相当するエネルギーを、波長380nmの紫外線から受けて励起して、はじめて半導体としての機能を発揮すると言われている。 The photocatalyst, TiO 2, is said to exhibit its function as a semiconductor only when it receives and excites energy corresponding to its band gap energy of 3.2 eV from ultraviolet light having a wavelength of 380 nm.
紫外線からのエネルギーを受けると価電子帯の電子が励起して、電導帯に移動する。電子が抜けた跡には正孔が形成される。この正孔に接触したH2Oが電子を奪われて生成するヒドロキシルラジカル(・OH)の強力な酸化機能が光触媒の機能そのものであると説明されている。 When energy from ultraviolet rays is received, electrons in the valence band are excited and move to the conduction band. Holes are formed in the traces where electrons have escaped. It is explained that the strong oxidation function of hydroxyl radical (.OH) generated by depriving electrons of H 2 O in contact with holes is the function of the photocatalyst itself.
ヒドロキシルラジカルの有する酸化力は、環境汚染の原因となる化学物質等の無機、有機物を構成する分子中のC-C、C-H、C-N、C-O、O-H、N-H等の結合エネルギーよりはるかに大きいため、これらの結合を切断し分解することができる。 The oxidizing power of hydroxyl radicals is determined by the C—C, C—H, C—N, C—O, O—H, and N—H in the molecules that make up inorganic and organic substances such as chemical substances that cause environmental pollution. These bonds can be broken and broken because they are much larger than the bond energy.
したがって、強い酸化力により環境汚染の原因となる化学物質等の分解を紫外線の照射でクリーンに行うことが可能であり、環境浄化の有力な手段となりうる。最大の特徴は酸化チタン自身が消耗したり、その性質を変化させたりすることなく、永続的に反応が進むという点である。なお、生活空間に存在する程度の紫外線量の下では、生成されるヒドロキシルラジカルの濃度は非常に小さく、人体には全く無害な程度とされている。 Therefore, it is possible to clean the chemical substances and the like that cause environmental pollution with a strong oxidizing power cleanly by irradiation with ultraviolet rays, which can be an effective means for environmental purification. The biggest feature is that the reaction proceeds permanently without being consumed or changing its properties. It should be noted that the concentration of hydroxyl radicals produced is extremely small under the amount of ultraviolet rays present in the living space, which is completely harmless to the human body.
しかし、紫外線を受けて初めてヒドロキシルラジカルが生成する事に本技術の限界が存在すると思われる。この技術的限界を打破する為の研究開発が開始されている。 However, it seems that the limitation of this technology exists in that hydroxyl radicals are generated only after receiving ultraviolet rays. Research and development has been started to break this technical limit.
本発明は、紫外線の照射なしで、ヒドロキシルラジカルが生成できる光触媒は本発明者等が既に提案しているが、高価であり世の中に広く汎用され難い難点がある事に鑑み、極めて低廉でかつ同一機能を有する新規な発見に基づく新機能体の新たな提案である。
光触媒が機能を発揮する過程は以下である。
(1) 光触媒に紫外線の照射
(2) 価電子帯の電子が導電帯に移動する。
(3) 荷電帯の電子の抜けた箇所に正孔が生成される。
(4) 正孔に水分子が吸着する。
(5) 水分子が電子を奪われて水素イオンとヒドロキシルラジカルに分解する。
(6) 生成したヒドロキシルラジカルが有機物等を分解する。
The process in which the photocatalyst performs its function is as follows.
(1) Irradiation of the photocatalyst with ultraviolet rays (2) Electrons in the valence band move to the conduction band.
(3) Holes are generated where the electrons in the charged band are missing.
(4) Water molecules adsorb to the holes.
(5) Water molecules are deprived of electrons and decomposed into hydrogen ions and hydroxyl radicals.
(6) The generated hydroxyl radical decomposes organic matter and the like.
「紫外線の照射により初めて正孔が生成」が光触媒の特徴である。言いかえると、『紫外線の照射がなくても正孔が生成する光触媒の提供』いいかえると『予め正孔が存在する半導体の提供』を先願した。 The feature of the photocatalyst is that “holes are generated only by UV irradiation”. In other words, he filed an application for "providing a photocatalyst that generates holes even without UV irradiation" or "providing a semiconductor in which holes exist in advance".
しかしその合成は高価なため、同一機能を有する『予め正孔が存在する半導体』が本特許の課題である。 However, since the synthesis is expensive, a “semiconductor in which holes exist in advance” having the same function is the subject of this patent.
1)本発明の基本的な概念
『紫外線の照射⇒正孔の生成』が従来の光触媒が機能を発揮するメカニズムである。本発明は『予め正孔を保有するp型の半導体』を提供する。『予め正孔を保有するp型の半導体』では、紫外線の照射なしで、従来の光触媒と同等な機能が期待される。
1) The basic concept of the present invention “ultraviolet irradiation → hole generation” is a mechanism by which a conventional photocatalyst exerts its function. The present invention provides “a p-type semiconductor having holes in advance”. “A p-type semiconductor having holes in advance” is expected to have a function equivalent to that of a conventional photocatalyst without irradiation with ultraviolet rays.
すなわち、『予め正孔を保有するp型の半導体』に、水またはその種別を問わないガス体の露点で表示される程度に気体として含有される水分子が接触・吸着すると、正孔は水分子から電子を奪いヒドロキシルラジカル(・OH)を生成する。このヒドロキシルラジカルの機能は前出の通りである。この機構により発現する触媒機能は紫外線の照射を全く必要としない。本発明は水分との反応でヒドロキシルラジカル(・OH)を生成する『正孔』予め保有する事を特徴とする新規の触媒を提供する。 That is, when water molecules contained as a gas are contacted and adsorbed to the extent that they are indicated by the dew point of water or a gas body of any kind, on the “p-type semiconductor that holds holes in advance”, the holes become water. Takes electrons from the molecule and generates hydroxyl radicals (.OH). The function of this hydroxyl radical is as described above. The catalytic function expressed by this mechanism does not require any ultraviolet irradiation. The present invention provides a novel catalyst characterized in that “holes” that generate hydroxyl radicals (.OH) by reaction with moisture are retained in advance.
2)本発明の具体的な手段
遷移金属の定比酸化物および定比窒化物の結晶は電気的に中性である。この原理が本発明の提案の根本的思想である。
2) Specific means of the present invention The crystals of transition metal stoichiometric oxide and stoichiometric nitride are electrically neutral. This principle is the fundamental idea of the proposal of the present invention.
遷移金属はそれぞれの原子が複数の荷電子状態を構成するので、不定比化合物を構成する事はよく知られている。その代表が不定比酸化物および不定比窒化物である。 It is well known that transition metals constitute non-stoichiometric compounds because each atom constitutes multiple valence states. Typical examples are nonstoichiometric oxides and nonstoichiometric nitrides.
不定比酸化物および不定比窒化物は、さらに金属過剰型と金属欠乏型とに分類される。 Nonstoichiometric oxides and nonstoichiometric nitrides are further classified into metal-rich and metal-deficient types.
このうち、金属欠乏型不定比酸化物および窒化物では、その生成と同時に、電気的中性を保持する為に、欠乏している金属原子(+電荷)に相当する正孔が価結晶内に形成される。 Among these, in the metal-deficient non-stoichiometric oxides and nitrides, the holes corresponding to the deficient metal atoms (+ charges) are contained in the valence crystal in order to maintain electrical neutrality at the same time as the generation. It is formed.
言いかえると、金属欠乏型不定比酸化物および金属欠乏型不定比窒化物は、いずれも予め正孔を保有するp型の半導体である。 In other words, both the metal-deficient non-stoichiometric oxide and the metal-deficient non-stoichiometric nitride are p-type semiconductors that hold holes in advance.
本発明は、予め正孔が形成されている金属欠乏型の遷移金属不定比酸化物または金属欠乏型の遷移金属不定比窒化物を『紫外線の照射を行わずに光触媒機能を発揮する触媒』として提案する事にある。 In the present invention, a metal-deficient transition metal non-stoichiometric oxide or a metal-deficient transition metal non-stoichiometric nitride in which holes are formed in advance is used as a “catalyst that exhibits a photocatalytic function without ultraviolet irradiation”. It is to propose.
遷移金属の酸化物の結晶学的解明に関する細部に渡る技術検討は種々行われている。しかしその技術的努力にもはかかわらずその細部は完璧に解明されたとは言い難い現状にある。 Various technical studies on crystallographic elucidation of transition metal oxides have been conducted. However, despite the technical efforts, it is difficult to say that the details have been completely elucidated.
しかし、本発明においては、結晶学的議論は不要である。電気的に中性である遷移金属の定比酸化物および定比窒化物を論理的に設定特定化するとともに、特定化した定比化合物に対して、金属欠乏型の不定比酸化物および不定比窒化物を設定提案する事が、本発明の主旨である。 However, crystallographic discussion is not necessary in the present invention. The stoichiometric oxide and stoichiometric nitride of transition metals that are electrically neutral are logically set and specified, and the metal-deficient non-stoichiometric oxide and non-stoichiometric ratio for the specified stoichiometric compound are specified. It is the gist of the present invention to propose the setting of nitride.
多数の研究者の研究結果に基づく遷移金属―酸素の2元系の状態図の調査の結果を、本発明の主旨に沿って纏めた結果を(表3)に示した。 The results of the investigation of the transition metal-oxygen binary system based on the research results of many researchers are summarized in Table 3 according to the gist of the present invention.
電気的中性を示す化合物がTiOの場合、X=1は定比酸化物を意味する。X<1で、金属過剰型の不定比酸化物となり、過剰な金属の+電子にバランスするe−が生成し、n型(−)半導体を構成する。 When the compound showing electrical neutrality is TiO, X = 1 means a stoichiometric oxide. When X <1, it becomes a metal-rich non-stoichiometric oxide, and e − is generated that balances + electrons of excess metal to form an n-type (−) semiconductor.
X>1では、金属欠乏型言い換えると酸素過剰型の不定比酸化物が形成される。過剰な酸素のマイナス電子にバランスする「正孔」生成し、p型(+)半導体が構成される。 When X> 1, a metal-deficient type, that is, an oxygen-excess type non-stoichiometric oxide is formed. A “hole” is generated that balances the negative electrons of excess oxygen, thereby forming a p-type (+) semiconductor.
(表3)の半導体の型の欄に於いてp(+)型半導体の欄に○記しを記載した半導体、すなわち金属欠乏型半導体はすべて、本発明で提案する『予め正孔が存在するp型半導体』の範疇に属している。すなわち、これらの半導体はすべて、本発明に包含されている。 In the semiconductor type column of (Table 3), all the semiconductors marked with a circle in the p (+) type semiconductor column, that is, metal-deficient semiconductors, are proposed in the present invention as “p in which holes are present in advance”. Belongs to the category of "type semiconductors". That is, all of these semiconductors are included in the present invention.
しかし、世に中に広く活用される為には、p型半導体特性を有する金属欠乏型不定比酸化物を安価に入手する必要がある。 However, in order to be widely used in the world, it is necessary to obtain a metal-deficient non-stoichiometric oxide having p-type semiconductor characteristics at a low cost.
p型半導体特性を有する金属欠乏型不定比酸化物で、かつ低廉系化合物を種々探索したところ、製鋼スラグ中に大量に含有される鉄酸化物が(表3)に示すFeXO(X<1)の組成を有する金属過剰型酸化物であり、かつ、p型半導体特性を有し、さらに、紫外線の照射なしで光触媒効果を発揮する事を発見した。極めて有意義な発見と言える。その効果を以下に詳細に説明したい。 As a result of searching various low-priced compounds that are metal-deficient non-stoichiometric oxides having p-type semiconductor characteristics, iron oxides contained in large amounts in steelmaking slag are Fe X O (X < It has been discovered that the metal-excess type oxide having the composition 1) has p-type semiconductor characteristics and exhibits a photocatalytic effect without irradiation with ultraviolet rays. This is a very significant discovery. I would like to explain the effect in detail below.
本発明で提案する金属欠乏型不定比酸化物、FeXO(X<1)製鋼スラグ中に大量に存在する。従来の光触媒は、チタン酸化物が主体で、光触媒用途用の価格はキログラム当り2000円以上であるので、普及の為その効果は大きい。 The metal-deficient non-stoichiometric oxide proposed in the present invention, Fe X O (X <1), is present in a large amount in steelmaking slag. Conventional photocatalysts are mainly composed of titanium oxide, and the price for photocatalyst use is 2000 yen or more per kilogram.
本発明の提案で、より低廉用途等、用途に応じた材料選択の幅が広がり、生活環境のいたる箇所で、光触媒効果が享受できる。 With the proposal of the present invention, the range of material selection according to applications such as cheaper applications is widened, and the photocatalytic effect can be enjoyed in various places in the living environment.
本発明の提案するFeXO(X<1)は予め過剰な『正孔』が生成しているので、これらに温度勾配が付与されると、ゼーベック効果による微量な発電機能が発揮される。この発電機能は身体の血液循環改善効果を発揮するので、本発明の金属欠乏型不定比酸化物または金属欠乏型不定比窒化物は、身体機能保全製品としての用途にも価値が大きい。 In Fe X O (X <1) proposed by the present invention, excessive “holes” are generated in advance. Therefore, when a temperature gradient is applied to these, a small amount of power generation function due to the Seebeck effect is exhibited. Since this power generation function exhibits an effect of improving blood circulation in the body, the metal-deficient non-stoichiometric oxide or the metal-deficient non-stoichiometric nitride of the present invention is also valuable for use as a body function preservation product.
製鋼スラグから粉体形態で得られたFeXO(X<1)を可能な限り微細化して以下の様に供する。
(1)粉体そのままでの使用。
(2)粉体を溶媒に混入しての使用。
(3)セラミックス等の構造体の表層に被覆して使用。
(4)粉体をその他のセラミックス等に混入した焼成品としての使用。
(5)粉体のみを燒結して使用。
Fe X O (X <1) obtained in a powder form from steelmaking slag is made as fine as possible and used as follows.
(1) Use as powder.
(2) Use by mixing powder in a solvent.
(3) Used by coating the surface layer of a structure such as ceramics.
(4) Use as a fired product in which powder is mixed with other ceramics.
(5) Used by sintering only powder.
粉体そのままでの使用には、繊維全般へ混入して使用する。光触媒効果を有する各種の繊維製品が、低廉に製造できる。病院、老人看護施設、ホテル、新幹線等のシーツ等に有効活用できる。 When using the powder as it is, it is used by mixing it with all fibers. Various fiber products having a photocatalytic effect can be manufactured at low cost. It can be effectively used for hospitals, nursing facilities for the elderly, hotels, sheets for the Shinkansen, etc.
粉体を溶媒に混入させて使用する際の代表的な使い方は、スプレイとしての用途である。
内外壁、カーテン、床、台所等、各種の防臭、防汚、抗菌に必要な箇所に有効に使用できる。
A typical usage when the powder is mixed with a solvent is a use as a spray.
It can be used effectively for various deodorizing, antifouling and antibacterial areas such as inner and outer walls, curtains, floors and kitchens.
セラミックス、プラスチック、ガラス、木材および各種金属等に皮膜して使用する。用途は広範にわたるが、例えば、皮膜したプラスチック球体は、吸水塔の除菌、供給水の清浄化に有効活用できる。 Used on ceramics, plastic, glass, wood and various metals. Applications range widely, for example, coated plastic spheres can be effectively used for sterilization of water absorption towers and purification of feed water.
陶磁器等に混練して焼成、または表面に被覆して焼成して使用する事ができる。 It can be used after being kneaded in a ceramic or the like and fired, or coated on the surface and fired.
そのままを燒結して、p型半導体として使用する事ができる。 As it is, it can be used as a p-type semiconductor.
(表5)に本発明の実施例サンプルの機能評価の結果を纏めて示した。 Table 5 summarizes the results of functional evaluation of the example samples of the present invention.
実施例1〜2は、特殊鋼製鋼スラグから抽出した金属欠乏型不定比鉄酸化物Fe0.94Oである。比較材1〜2は、従来の光触媒TiO2である。 Examples 1 and 2 are metal-deficient non-stoichiometric iron oxide Fe 0.94 O extracted from special steel-made steel slag. Comparative Material 1-2 is a conventional photocatalyst TiO 2.
これらの実施例および比較用サンプルによる、経過時間に伴うアセトアルデヒドの分解機能を、ブラックライト有無の条件で測定した。 The decomposition function of acetaldehyde with the elapsed time by these examples and comparative samples was measured under the condition of presence or absence of black light.
本発明の実施例における、光触媒機能の評価の方法およびアセトアルデヒド量の測定の方法の概要を(表6)に示した。 The outline of the method for evaluating the photocatalytic function and the method for measuring the amount of acetaldehyde in the examples of the present invention is shown in Table 6.
比較材1〜2は、従来の光触媒である。ブラックランプ照射の環境で、アセトアルデドを良好に分解するが、ブラックランプ照射無しの環境ではアセトアルデヒドの分解はほとんど行われていない。 Comparative materials 1 and 2 are conventional photocatalysts. Although the acetaldehyde is satisfactorily decomposed in the environment of the black lamp irradiation, the acetaldehyde is hardly decomposed in the environment without the black lamp irradiation.
実施例1〜6の本発明の提供する金属欠乏型の不定比酸化物および不定比窒化物ではブラックランプの有無にかかわらず、アセトアルデヒドの分解が効率的に進行している。 In the metal-deficient non-stoichiometric oxides and non-stoichiometric nitrides provided by the present invention in Examples 1 to 6, the decomposition of acetaldehyde proceeds efficiently regardless of the presence or absence of a black lamp.
FeXO(X<1)不定比酸化物生成の際に、結晶内に予め生成していた正孔が、結晶に吸着した水成分を酸化分解して生じたヒドロキシルラジカル(・OH)がアセトアルデヒドを分解したためである。 At the time of FeXO (X <1) non-stoichiometric oxide formation, the hydroxyl radical (• OH) generated by the oxidative decomposition of the water component adsorbed on the crystal by the pre-generated holes in the crystal decomposes acetaldehyde. This is because.
本発明の提供する、不定比酸化物、予め、正孔が生成されているので、ブラックランプの照射無しで、ヒドロキシルラジカル(・OH)による無機および有機物の分解が可能となる。 Since the non-stoichiometric oxide provided by the present invention, holes are generated in advance, inorganic and organic substances can be decomposed by hydroxyl radical (.OH) without irradiation of a black lamp.
その機能を活用した様々な用途(表1)に実用化が進められているが、紫外線の照射が、機能発揮の為の必須条件であるので、実用化が遅滞している。 Practical use is being promoted for various applications utilizing the function (Table 1), but since the irradiation with ultraviolet rays is an essential condition for the function, practical use is delayed.
本発明の提案により、紫外線の照射は不要となるので、(表1)に示した用途への実用化が積極化される事は言を待たない。特に、環境改善、環境保全用の為の材料として用途開発が益々活発化する。 Since the proposal of the present invention eliminates the need for ultraviolet irradiation, it is not necessary to say that the practical application for the applications shown in (Table 1) will be actively promoted. In particular, application development will become increasingly active as a material for environmental improvement and environmental conservation.
しかし、光触媒機能を有する機能材料は高価な為に、広く活用できない欠点があった。 However, since functional materials having a photocatalytic function are expensive, there is a drawback that they cannot be widely used.
製鋼スラグ中に紫外線照射なしで、光触媒機能を有するFeXO(X<1)が存在する事を見出し、光触媒効果を広く汎用化できるので、本発明の効果は大きい。 It has been found that FeXO (X <1) having a photocatalytic function is present in steelmaking slag without ultraviolet irradiation, and the photocatalytic effect can be widely used. Therefore, the effect of the present invention is great.
本発明は、電気炉スラグ、転炉スラグおよび熱間圧延スケール中に不可避に含有される鉄酸化物がp型半導体特性を有する金属欠乏型不定比酸化物である事の発見とその有効活用に関する。 The present invention relates to the discovery that iron oxide inevitably contained in electric furnace slag, converter slag, and hot rolling scale is a metal-deficient non-stoichiometric oxide having p-type semiconductor characteristics, and its effective utilization. .
今からおおよそ30年前、セラミックス半導体(ルチル型二酸化チタン)を光電極として用い水の光分解ができる光触媒反応がわが国で発見され、これを契機に、光触媒反応に関する開発研究が活発に開始された。 About 30 years ago, a photocatalytic reaction capable of photodegrading water using a ceramic semiconductor (rutile-type titanium dioxide) as a photoelectrode was discovered in Japan, and as a result, development research on the photocatalytic reaction was actively started. .
その後、広範に渡る研究開発が進められ、量産市販さている二酸化チタンの白色の微細粉末(アナターゼ型・比表面積大)を構造体に主としてコーティグして使用する光触媒反応の実用化が進められている。 Since then, extensive research and development has been promoted, and the practical application of photocatalytic reactions using white fine powder of titanium dioxide (anatase type, large specific surface area), which is mass-produced and marketed, is mainly applied to the structure. .
対象となる光触媒には、紫外線の照射が必須であり、光触媒機能を有するアナターゼ型の二酸化チタン、TiO2の実用化に関する開発研究が積極的に進められた。 The target photocatalyst is required to be irradiated with ultraviolet rays, and development research on practical application of anatase-type titanium dioxide and TiO 2 having a photocatalytic function has been actively promoted.
すでに実用化されているアナターゼ型の二酸化チタン、TiO2の機能を活用しての用途開発の例を(表1)に示した。 Examples of application development utilizing the functions of anatase-type titanium dioxide and TiO 2 that have already been put into practical use are shown in Table 1.
光触媒、TiO2は、そのバンドギャップエネルギー3.2eVに相当するエネルギーを、波長380nmの紫外線から受けて励起して、はじめて半導体としての機能を発揮すると言われている。 The photocatalyst, TiO 2, is said to exhibit its function as a semiconductor only when it receives and excites energy corresponding to its band gap energy of 3.2 eV from ultraviolet light having a wavelength of 380 nm.
紫外線からのエネルギーを受けると価電子帯の電子が励起して、電導帯に移動する。電子が抜けた跡には正孔が形成される。この正孔に接触したH2Oが電子を奪われて生成するヒドロキシルラジカル(・OH)の強力な酸化機能が光触媒の機能そのものであると説明されている。 When energy from ultraviolet rays is received, electrons in the valence band are excited and move to the conduction band. Holes are formed in the traces where electrons have escaped. It is explained that the strong oxidation function of hydroxyl radical (.OH) generated by depriving electrons of H 2 O in contact with holes is the function of the photocatalyst itself.
ヒドロキシルラジカルの有する酸化力は、環境汚染の原因となる化学物質等の無機、有機物を構成する分子中のC-C、C-H、C-N、C-O、O-H、N-H等の結合エネルギーよりはるかに大きいため、これらの結合を切断し分解することができる。 The oxidizing power of hydroxyl radicals is determined by the C—C, C—H, C—N, C—O, O—H, and N—H in the molecules that make up inorganic and organic substances such as chemical substances that cause environmental pollution. These bonds can be broken and broken because they are much larger than the bond energy.
したがって、強い酸化力により環境汚染の原因となる化学物質等の分解を紫外線の照射でクリーンに行うことが可能であり、環境浄化の有力な手段となりうる。最大の特徴は酸化チタン自身が消耗したり、その性質を変化させたりすることなく、永続的に反応が進むという点である。なお、生活空間に存在する程度の紫外線量の下では、生成されるヒドロキシルラジカルの濃度は非常に小さく、人体には全く無害な程度とされている。 Therefore, it is possible to clean the chemical substances and the like that cause environmental pollution with a strong oxidizing power cleanly by irradiation with ultraviolet rays, which can be an effective means for environmental purification. The biggest feature is that the reaction proceeds permanently without being consumed or changing its properties. It should be noted that the concentration of hydroxyl radicals produced is extremely small under the amount of ultraviolet rays present in the living space, which is completely harmless to the human body.
しかし、紫外線を受けて初めてヒドロキシルラジカルが生成する事に本技術の限界が存在すると思われる。この技術的限界を打破する為の研究開発が開始されている。 However, it seems that the limitation of this technology exists in that hydroxyl radicals are generated only after receiving ultraviolet rays. Research and development has been started to break this technical limit.
本発明は、紫外線の照射なしで、ヒドロキシルラジカルが生成できる光触媒は本発明者等が既に提案しているが、高価であり世の中に広く汎用され難い難点がある事に鑑み、極めて低廉でかつ同一機能を有する新規な発見に基づく新機能体の新たな提案である。
光触媒が機能を発揮する過程は以下である。
(1)光触媒に紫外線の照射
(2)価電子帯の電子が導電帯に移動する。
(3)荷電帯の電子の抜けた箇所に正孔が生成される。
(4)正孔に水分子が吸着する。
(5)水分子が電子を奪われて水素イオンとヒドロキシルラジカルに分解する。
(6)生成したヒドロキシルラジカルが有機物等を分解する。
「紫外線の照射により初めて正孔が生成」が光触媒の特徴である。
The process in which the photocatalyst performs its function is as follows.
(1) Irradiation of the photocatalyst with ultraviolet rays (2) Electrons in the valence band move to the conduction band.
(3) Holes are generated where the electrons in the charged band are missing.
(4) Water molecules are adsorbed on the holes.
(5) Water molecules are deprived of electrons and decomposed into hydrogen ions and hydroxyl radicals.
(6) The generated hydroxyl radical decomposes organic matter and the like.
The feature of the photocatalyst is that “holes are generated only by UV irradiation”.
従来の光触媒の課題を改善した『紫外線の照射がなくても予め正孔が存在するp型半導体の提供』いいかえると『予め正孔が存在する半導体の提供』を先願した。 The application for "providing a p-type semiconductor in which holes exist in advance without irradiation with ultraviolet rays", which improved the problems of conventional photocatalysts, was made in advance.
しかしその合成は高価なため、同一機能を有する『予め正孔が存在する半導体』の提案が本特許の課題である。 However, since the synthesis is expensive, the subject of this patent is to propose a “semiconductor in which holes exist in advance” having the same function.
1)本発明の基本的な概念
『紫外線の照射⇒正孔の生成』が従来の光触媒が機能を発揮するメカニズムである。本発明者等は『予め正孔を保有するp型の半導体』を既に提案している。併せて『予め正孔を保有するp型の半導体』では、紫外線の照射なしで、従来の光触媒と同等な機能を有する事は先願特許で立証した。
1) The basic concept of the present invention “ultraviolet irradiation → hole generation” is a mechanism by which a conventional photocatalyst exerts its function. The present inventors have already proposed a “p-type semiconductor having holes in advance”. At the same time, it was proved in the prior application patent that “a p-type semiconductor having holes in advance” has the same function as a conventional photocatalyst without irradiation with ultraviolet rays.
すなわち、『予め正孔を保有するp型の半導体』に、水またはその種別を問わないガス体の露点で表示される程度に気体として含有される水分子が接触・吸着すると、正孔は水分子から電子を奪いヒドロキシルラジカル(・OH)を生成する。このヒドロキシルラジカルの機能は前出の通りである。この機構により発現する触媒機能は紫外線の照射を全く必要としない。 That is, when water molecules contained as a gas are contacted and adsorbed to the extent that they are indicated by the dew point of water or a gas body of any kind, on the “p-type semiconductor that holds holes in advance”, the holes become water. Takes electrons from the molecule and generates hydroxyl radicals (.OH). The function of this hydroxyl radical is as described above. The catalytic function expressed by this mechanism does not require any ultraviolet irradiation.
2)本発明の具体的な手段
遷移金属の定比酸化物および定比窒化物の結晶は電気的に中性である。この原理が本発明の提案の根本的思想である。
2) Specific means of the present invention The crystals of transition metal stoichiometric oxide and stoichiometric nitride are electrically neutral. This principle is the fundamental idea of the proposal of the present invention.
遷移金属はそれぞれの原子が複数の荷電子状態を構成するので、不定比化合物を構成する事はよく知られている。その代表が不定比酸化物および不定比窒化物である。 It is well known that transition metals constitute non-stoichiometric compounds because each atom constitutes multiple valence states. Typical examples are nonstoichiometric oxides and nonstoichiometric nitrides.
不定比酸化物および不定比窒化物は、さらに金属過剰型と金属欠乏型とに分類される。 Nonstoichiometric oxides and nonstoichiometric nitrides are further classified into metal-rich and metal-deficient types.
このうち、金属欠乏型不定比酸化物および窒化物では、その生成と同時に、電気的中性を保持する為に、欠乏している金属原子(+電荷)に相当する正孔が価結晶内に形成される。 Among these, in the metal-deficient non-stoichiometric oxides and nitrides, the holes corresponding to the deficient metal atoms (+ charges) are contained in the valence crystal in order to maintain electrical neutrality at the same time as the generation. It is formed.
言いかえると、金属欠乏型不定比酸化物および金属欠乏型不定比窒化物は、いずれも予め正孔を保有するp型の半導体である。 In other words, both the metal-deficient non-stoichiometric oxide and the metal-deficient non-stoichiometric nitride are p-type semiconductors that hold holes in advance.
遷移金属の酸化物の結晶学的解明に関する細部に渡る技術検討は種々行われている。しかしその技術的努力にもかかわらずその細部は完璧に解明されたとは言い難い現状にある。 Various technical studies on crystallographic elucidation of transition metal oxides have been conducted. However, despite the technical efforts, it is difficult to say that the details have been completely elucidated.
しかし、本発明においては、結晶学的議論は不要である。電気的に中性である遷移金属の定比酸化物および定比窒化物を論理的に設定特定化するとともに、特定化した定比化合物に対して、金属欠乏型の不定比酸化物および不定比窒化物を設定提案する事が、本発明の主旨である。 However, crystallographic discussion is not necessary in the present invention. The stoichiometric oxide and stoichiometric nitride of transition metals that are electrically neutral are logically set and specified, and the metal-deficient non-stoichiometric oxide and non-stoichiometric ratio for the specified stoichiometric compound are specified. It is the gist of the present invention to propose the setting of nitride.
多数の研究者の研究結果に基づく遷移金属―酸素の2元系の状態図の調査の結果を、本発明の主旨に沿って纏めた結果を(表2)に示した。 (Table 2) shows the results of the investigation of the transition metal-oxygen binary phase diagram based on the research results of many researchers, and the results summarized in the gist of the present invention.
電気的中性を示す化合物がTiOの場合、X=1は定比酸化物を意味する。X<1で、金属過剰型の不定比酸化物となり、過剰な金属の+電子にバランスするe−が生成し、n型(−)半導体を構成する。 When the compound showing electrical neutrality is TiO, X = 1 means a stoichiometric oxide. When X <1, it becomes a metal-rich non-stoichiometric oxide, and e − is generated that balances + electrons of excess metal to form an n-type (−) semiconductor.
X>1では、金属欠乏型言い換えると酸素過剰型の不定比酸化物が形成される。過剰な酸素のマイナス電子にバランスする「正孔」生成し、p型(+)半導体が構成される。 When X> 1, a metal-deficient type, that is, an oxygen-excess type non-stoichiometric oxide is formed. A “hole” is generated that balances the negative electrons of excess oxygen, thereby forming a p-type (+) semiconductor.
(表3)の半導体の型の欄に於いてp(+)型半導体の欄に○記しを記載した半導体、すなわち金属欠乏型半導体はすべて、本発明で提案する『予め正孔が存在するp型半導体』の範疇に属している。すなわち、これらの半導体はすべて、本発明に包含されている。 In the semiconductor type column of (Table 3), all the semiconductors marked with a circle in the p (+) type semiconductor column, that is, metal-deficient semiconductors, are proposed in the present invention as “p in which holes are present in advance”. Belongs to the category of "type semiconductors". That is, all of these semiconductors are included in the present invention.
しかし、世に中に広く活用される為には、p型半導体特性を有する金属欠乏型不定比酸化物を安価に入手する必要がある。 However, in order to be widely used in the world, it is necessary to obtain a metal-deficient non-stoichiometric oxide having p-type semiconductor characteristics at a low cost.
p型半導体特性を有する金属欠乏型不定比酸化物で、かつ低廉系化合物を種々探索したところ、製鋼スラグ中に大量に含有される鉄酸化物が(表2)に示すFeXO(X<1)の組成を有する金属過剰型酸化物であり、かつ、p型半導体特性を有し、さらに、紫外線の照射なしで光触媒効果を発揮する事を発見した。極めて有意義な発見と言える。 As a result of searching various low-priced compounds that are metal-deficient non-stoichiometric oxides having p-type semiconductor properties, iron oxides contained in large amounts in steelmaking slag are Fe X O (X < It has been discovered that the metal-excess type oxide having the composition 1) has p-type semiconductor characteristics and exhibits a photocatalytic effect without irradiation with ultraviolet rays. This is a very significant discovery.
製鋼スラグは製鋼・製鉄の精錬工程で、不可避に副生成される所謂産業廃棄物で、その生成量は生産される鉄鋼の10%に相当すると言われている。 Steelmaking slag is a so-called industrial waste that is inevitably by-produced in the refining process of steelmaking and ironmaking, and its production amount is said to correspond to 10% of the produced steel.
本発明で提案する金属欠乏型不定比酸化物、FeXO(X<1)は製鋼スラグ中に大量に存在する。従来の光触媒は、チタン酸化物が主体で、光触媒用途用の価格はキログラム当り2000円以上である。本提案によるFeXO(X<1)は、製鋼スラグから抽出により製造できるので、従来の光触媒対比で、相当に低価格製造できる効果は大きい。 The metal-deficient non-stoichiometric oxide Fe X O (X <1) proposed in the present invention is present in a large amount in steelmaking slag. Conventional photocatalysts are mainly composed of titanium oxide, and the price for photocatalyst use is 2000 yen or more per kilogram. Since Fe X O (X <1) according to the present proposal can be manufactured by extraction from steelmaking slag, the effect of being able to be manufactured at a considerably low cost compared with the conventional photocatalyst is great.
本発明の提案するFeXO(X<1)は予め過剰な『正孔』が生成しているので、これらに温度勾配が付与されると、ゼーベック効果による微量な発電機能が発揮される。この発電機能は身体の血液循環改善効果を発揮するので、本発明の金属欠乏型不定比酸化物または金属欠乏型不定比窒化物は、身体機能保全製品としての用途にも価値が大きい。 In Fe X O (X <1) proposed by the present invention, excessive “holes” are generated in advance. Therefore, when a temperature gradient is applied to these, a small amount of power generation function due to the Seebeck effect is exhibited. Since this power generation function exhibits an effect of improving blood circulation in the body, the metal-deficient non-stoichiometric oxide or the metal-deficient non-stoichiometric nitride of the present invention is also valuable for use as a body function preservation product.
さらに、所廃、産業廃棄物である、製鋼スラグの機能用途への応用の道が開ける事の意義も底知れぬ価値を有する。 In addition, the significance of opening the way to application of steelmaking slag, which is abandonment and industrial waste, has valuable value.
製鋼スラグから粉体形態で得られたFeXO(X<1)を主体とする鉄酸化物は可能な限り微細化して以下の様に供する。
(1)粉体そのままでの使用。
(2)粉体を溶媒に混入しての使用。
(3)セラミックス等の構造体の表層に被覆して使用。
(4)粉体をその他のセラミックス等に混入した焼成品としての使用。
(5)粉体のみを燒結して使用。
An iron oxide mainly composed of Fe X O (X <1) obtained in a powder form from steelmaking slag is made as fine as possible and used as follows.
(1) Use as powder.
(2) Use by mixing powder in a solvent.
(3) Used by coating the surface layer of a structure such as ceramics.
(4) Use as a fired product in which powder is mixed with other ceramics.
(5) Used by sintering only powder.
粉体そのままでの使用には、繊維全般へ混入して使用する。光触媒効果を有する各種の繊維製品が、低廉に製造できる。病院、老人看護施設、ホテル、新幹線等のシーツ等に有効活用できる。 When using the powder as it is, it is used by mixing it with all fibers. Various fiber products having a photocatalytic effect can be manufactured at low cost. It can be effectively used for hospitals, nursing facilities for the elderly, hotels, sheets for the Shinkansen, etc.
粉体を溶媒に混入させて使用する際の代表的な使い方は、スプレイとしての用途である。内外壁、カーテン、床、台所等、各種の防臭、防汚、抗菌に必要な箇所に有効に使用できる。 A typical usage when the powder is mixed with a solvent is a use as a spray. It can be used effectively for various deodorizing, antifouling and antibacterial areas such as inner and outer walls, curtains, floors and kitchens.
セラミックス、プラスチック、ガラス、木材および各種金属等に皮膜して使用する。用途は広範にわたるが、例えば、皮膜したプラスチック球体は、吸水塔の除菌、供給水の清浄化に有効活用できる。 Used on ceramics, plastic, glass, wood and various metals. Applications range widely, for example, coated plastic spheres can be effectively used for sterilization of water absorption towers and purification of feed water.
陶磁器等に混練して焼成、または表面に被覆して焼成して使用する事ができる。 It can be used after being kneaded in a ceramic or the like and fired, or coated on the surface and fired.
多孔質状フィルター形態に燒結して、酸化触媒用途のp型半導体として使用する事ができる。 It can be used as a p-type semiconductor for oxidation catalyst applications by sintering into a porous filter form.
本発明のFeXO(X<1)の紫外線照射環境でのアセトアルデヒド分解効果と従来の光触媒の分解効果は(表3)に示す様にほぼ同一である。本発明の材は紫外線照射環境下でも、光触媒と同様の機能を発揮する。 As shown in Table 3, the acetaldehyde decomposition effect of the Fe X O (X <1) of the present invention in the ultraviolet irradiation environment and the decomposition effect of the conventional photocatalyst are almost the same. The material of the present invention exhibits the same function as a photocatalyst even under an ultraviolet irradiation environment.
ブラックランプ無照射の場合の本発明材の経過時間に伴うアセトアルデヒドの分解機能を(表3)の実施例2に示した。ブラックランプの照射なしで、アセトアルデヒドを分解している。一方、通常の光触媒では、ブラックランプ無照射の環境では、アセトアルデドの分解機能は認められない。 The decomposition function of acetaldehyde with the elapsed time of the material of the present invention when no black lamp was irradiated is shown in Example 2 of (Table 3). Acetaldehyde is decomposed without irradiation of a black lamp. On the other hand, in the case of a normal photocatalyst, the decomposition function of acetoaldode is not recognized in an environment without black lamp irradiation.
なお、実施例1〜2は、特殊鋼製鋼スラグから抽出した金属欠乏型不定比鉄酸化物Fe0.94Oである。比較材1〜2は、従来の光触媒TiO2である。 Examples 1 and 2 are metal-deficient non-stoichiometric iron oxide Fe 0.94 O extracted from special steel-made steel slag. Comparative Material 1-2 is a conventional photocatalyst TiO 2.
本発明の実施例における、光触媒機能の評価の方法およびアセトアルデヒド量の測定の方法の概要を(表4)に示した。 The outline of the method for evaluating the photocatalytic function and the method for measuring the amount of acetaldehyde in the examples of the present invention is shown in Table 4.
比較材1〜2は、従来の光触媒である。ブラックランプ照射の環境で、アセトアルデドを良好に分解するが、ブラックランプ照射無しの環境ではアセトアルデヒドの分解はほとんど行われていない。 Comparative materials 1 and 2 are conventional photocatalysts. Although the acetaldehyde is satisfactorily decomposed in the environment of the black lamp irradiation, the acetaldehyde is hardly decomposed in the environment without the black lamp irradiation.
実施例1〜2の本発明の提供する金属欠乏型の不定比酸化物で、p型半導体であり、ブラックランプの有無にかかわらず、アセトアルデヒドの分解が効率的に進行している。 Examples 1 and 2 are metal-deficient non-stoichiometric oxides provided by the present invention, which are p-type semiconductors, and acetaldehyde is efficiently decomposed regardless of the presence or absence of a black lamp.
FeXO(X<1)不定比酸化物生成の際に結晶内に予め生成していた正孔が、結晶に吸着した水成分を酸化分解して生じたヒドロキシルラジカル(・OH)がアセトアルデヒドを分解したと本現象は説明できる。 Fe X O (X <1) When the non-stoichiometric oxide is generated, the holes generated in advance in the crystal oxidize and decompose the water component adsorbed on the crystal, and the hydroxyl radical (.OH) generates acetaldehyde. This phenomenon can be explained by disassembly.
紫外線が照射されない環境下における、本発明による材料の効果について実施例で説明する。以下の実施例に用いた供試材は、すべて、直径5mmのセラミックス球に、本発明で提案する製鋼スラッグから抽出したp型半導体特性を示すFeXO(X<1)を主体とした鉄酸化物粉末を被覆した球状構造体である。 An example demonstrates the effect of the material by this invention in the environment where an ultraviolet-ray is not irradiated. All of the test materials used in the following examples are iron balls mainly composed of Fe X O (X <1) showing p-type semiconductor characteristics extracted from the steelmaking slug proposed in the present invention on a ceramic sphere having a diameter of 5 mm. A spherical structure coated with oxide powder.
水道水に含有される、塩素の除去効果に対する本発明材の効果を(表5)に示した。なお、表中の数値は塩素メータで測定した含有量(ppm)である。 The effect of the material of the present invention on the effect of removing chlorine contained in tap water is shown in (Table 5). In addition, the numerical value in a table | surface is content (ppm) measured with the chlorine meter.
球状構造体を100CCの水道水中に、0,1,2および6個を挿入して、所定時間、無光環境で保持して、塩素メータにより、塩素量を測定した。 0, 1, 2, and 6 spherical structures were inserted into 100 CC tap water, held in a non-light environment for a predetermined time, and the amount of chlorine was measured with a chlorine meter.
本発明材が水道水中の塩素を効果的に分解放出する事が(表5)から明確に認められる。 It is clearly recognized from (Table 5) that the material of the present invention effectively decomposes and releases chlorine in tap water.
実施例3と同様の供試材である、球状構造体をフィルター内に、10cm2当り、100個を装着した空気清浄機を用いて、光の照射は行わない環境下で、一般家屋内の臭気の変化を測定した。測定はCIAQ(Composite Index of Air Quality)計器により行い、CIAQ値で表示した。結果を(表6)に示した。 Using an air purifier equipped with 100 spherical structure bodies per 10 cm 2 , which is a test material similar to that in Example 3, in an environment where light irradiation is not performed, The change in odor was measured. The measurement was performed with a CIAQ (Composite Index of Air Quality) instrument and displayed as a CIAQ value. The results are shown in (Table 6).
A室は強烈な悪臭のする部屋で、CIAQ値は60を示していた。本発明の球 状構造体を装着したフィルターを用いた空気清浄機を30分稼動さっせた結果、嗅覚で感じる臭気は皆無となり、CIAQ値は15となった。 Room A was a room with a strong odor and had a CIAQ value of 60. As a result of operating the air cleaner using the filter equipped with the spherical structure of the present invention for 30 minutes, there was no odor sensed by the sense of smell, and the CIAQ value was 15.
他の部屋においても、同様の効果が認められ、本発明材の効力が立証されている。 Similar effects are recognized in other rooms, and the effectiveness of the material of the present invention is proved.
本発明材の抗菌効果について、(表7)に示した。本発明材を3個投入した100CCの精製水に菌液入れ、それぞれの時間、暗室で保持した後の菌の数の変化を測定した。(開始時の菌数―保持後の菌数)/開始時の菌数を%表示している。 The antibacterial effect of the material of the present invention is shown in (Table 7). Bacterial liquid was put into 100 CC purified water charged with three inventive materials, and the change in the number of bacteria after being kept in the dark room for each time was measured. (The number of bacteria at the start-the number of bacteria after holding) / The number of bacteria at the start is displayed in%.
効果に差は認められるものの、これらのバクテリア全てに、無照明下で、殺菌効果が認められる。投入する数を増す事によって、その効果は加速度的に向上する事を確認している。 Although there is a difference in effect, all these bacteria have a bactericidal effect under no lighting. By increasing the number of inputs, it has been confirmed that the effect is accelerated.
無照明下で認められ本発明材の効果は、今までに認められた事のない極めて大きな価値を有する事は疑う余地もない。実施例に挙げた、バクテリア以外の各種菌類、ウイルス等に対しても本発明材の効果は容易に立証され、本発明の権利請求範囲に包含され事は言うまでもない。 There is no doubt that the effect of the material of the present invention, which is recognized under no illumination, has an extremely great value that has never been recognized. It goes without saying that the effects of the material of the present invention can be easily proved against various fungi other than bacteria, viruses and the like mentioned in the Examples and are included in the scope of claims of the present invention.
本発明の材料は既に詳細記載した様に、p型半導体の特性を有する。p型半導体の結晶表面に有機物または無機物が接触した際に、p型半導体と接触物との間にマイナス電子が授受される事は、物理現象として認められている。水分がp型半導体に接触して、・OHラジカルが生成するのは、水の電子がp型半導体に奪われて結果であると言える。 The material of the present invention has the characteristics of a p-type semiconductor as already described in detail. It is recognized as a physical phenomenon that negative electrons are exchanged between a p-type semiconductor and a contact object when an organic or inorganic substance comes into contact with the crystal surface of the p-type semiconductor. It can be said that the water is brought into contact with the p-type semiconductor and the .OH radical is generated as a result of the electrons of water being taken away by the p-type semiconductor.
吸着後に電子の授受を行うp型半導体的特性は、自動車排気ガスの酸化活性触媒として活用されている。そこで、本発明の材料の酸化活性触媒効果について測定した。 The p-type semiconducting property of transferring electrons after adsorption is used as an oxidation active catalyst for automobile exhaust gas. Therefore, the oxidation activity catalytic effect of the material of the present invention was measured.
その結果を(表8)に示した。比較に示した汎用触媒は白金―パラジュム系触媒である。本発明の材料は、汎用触媒に近似した酸化活性触媒機能を発揮している。 The results are shown in (Table 8). The general-purpose catalyst shown in the comparison is a platinum-palladium catalyst. The material of the present invention exhibits an oxidation active catalyst function similar to a general-purpose catalyst.
光触媒はその機能を活用した様々な用途(表1)に実用化が進められているが、紫外線の照射が、機能発揮の為の必須条件であるので、実用化が遅滞している。 Photocatalysts have been put into practical use for various applications utilizing their functions (Table 1). However, since the irradiation with ultraviolet rays is an indispensable condition for exhibiting the functions, the practical use has been delayed.
本発明の提案により、紫外線の照射は不要となり(表1)に示した用途、さらなる多方面への実用化が積極化される事は言を待たない。特に、環境改善、環境保全用の為の材料として用途開発が益々活発化する。 The proposal of the present invention makes it unnecessary to irradiate ultraviolet rays, and it is not necessary to say that the applications shown in Table 1 and the practical application to various fields will be actively promoted. In particular, application development will become increasingly active as a material for environmental improvement and environmental conservation.
しかし、光触媒機能を有する機能材料は高価な為に、広く活用できない欠点があった。 However, since functional materials having a photocatalytic function are expensive, there is a drawback that they cannot be widely used.
製鋼スラグ中に紫外線照射なしで、光触媒機能を有するFeXO(X<1)が存在する事を見出し、光触媒効果を広く汎用化できるので、本発明の効果は大きい。
It has been found that FeXO (X <1) having a photocatalytic function is present in steelmaking slag without ultraviolet irradiation, and the photocatalytic effect can be widely used. Therefore, the effect of the present invention is great.
本発明は、電気炉スラグ、転炉スラグ、熱間圧延スケールおよび銅精錬スラグ中に不可避に含有される鉄酸化物がp型半導体特性を有する金属欠乏型不定比酸化物である事の発見とその有効活用に関する。 The present invention relates to the discovery that the iron oxide inevitably contained in electric furnace slag, converter slag, hot rolling scale and copper smelting slag is a metal-deficient non-stoichiometric oxide having p-type semiconductor characteristics. It relates to its effective use.
今からおおよそ30年前、セラミックス半導体(ルチル型二酸化チタン)を光電極として用い水の光分解ができる光触媒反応がわが国で発見され、これを契機に、光触媒反応に関する開発研究が活発に開始された。 About 30 years ago, a photocatalytic reaction capable of photodegrading water using a ceramic semiconductor (rutile-type titanium dioxide) as a photoelectrode was discovered in Japan, and as a result, development research on the photocatalytic reaction was actively started. .
その後、広範に渡る研究開発が進められ、量産市販さている二酸化チタンの白色の微細粉末(アナターゼ型・比表面積大)を構造体に主としてコーティンングして使用する光触媒反応の実用化が進められている。 Since then, extensive research and development has been promoted, and the practical application of photocatalytic reactions using white fine powder of titanium dioxide (anatase type, large specific surface area), which is mass-produced and marketed, is mainly applied to the structure. Yes.
対象となる光触媒には、紫外線の照射が必須であり、光触媒機能を有するアナターゼ型の二酸化チタン、TiO2の実用化に関する開発研究が積極的に進められた。 The target photocatalyst is required to be irradiated with ultraviolet rays, and development research on practical application of anatase-type titanium dioxide and TiO 2 having a photocatalytic function has been actively promoted.
すでに実用化されているアナターゼ型の二酸化チタン、TiO2の機能を活用しての用途開発の例を(表1)に示した。 Examples of application development utilizing the functions of anatase-type titanium dioxide and TiO 2 that have already been put into practical use are shown in Table 1.
光触媒、TiO2は、そのバンドギャップエネルギー3.2eVに相当するエネルギーを、波長380nmの紫外線から受けて励起して、はじめて半導体としての機能を発揮する。 The photocatalyst, TiO 2 exhibits its function as a semiconductor only after receiving energy corresponding to its band gap energy of 3.2 eV from ultraviolet light having a wavelength of 380 nm and exciting it.
紫外線からのエネルギーを受けると価電子帯の電子が励起して、電導帯に移動する。電子が抜けた跡には正孔が形成される。この正孔に接触したH2Oが電子を奪われて生成するヒドロキシルラジカル(・OH)の強力な酸化機能が光触媒の機能そのものであると説明されている。 When energy from ultraviolet rays is received, electrons in the valence band are excited and move to the conduction band. Holes are formed in the traces where electrons have escaped. It is explained that the strong oxidation function of hydroxyl radical (.OH) generated by depriving electrons of H 2 O in contact with holes is the function of the photocatalyst itself.
ヒドロキシルラジカルの有する酸化力は、環境汚染の原因となる化学物質等の無機、有機物を構成する分子中のC-C、C-H、C-N、C-O、O-H、N-H等の結合エネルギーよりはるかに大きいため、これらの結合を切断し分解することができる。 The oxidizing power of hydroxyl radicals is determined by the C—C, C—H, C—N, C—O, O—H, and N—H in the molecules that make up inorganic and organic substances such as chemical substances that cause environmental pollution. These bonds can be broken and broken because they are much larger than the bond energy.
したがって、強い酸化力により環境汚染の原因となる化学物質等の分解を紫外線の照射でクリーンに行うことが可能であり、環境浄化の有力な手段となりうる。最大の特徴は酸化チタン自身が消耗したり、その性質を変化させたりすることなく、永続的に反応が進むという点である。なお、生活空間に存在する程度の紫外線量の下では、生成されるヒドロキシルラジカルの濃度は非常に小さく、人体には全く無害な程度とされている。 Therefore, it is possible to clean the chemical substances and the like that cause environmental pollution with a strong oxidizing power cleanly by irradiation with ultraviolet rays, which can be an effective means for environmental purification. The biggest feature is that the reaction proceeds permanently without being consumed or changing its properties. It should be noted that the concentration of hydroxyl radicals produced is extremely small under the amount of ultraviolet rays present in the living space, which is completely harmless to the human body.
しかし、紫外線を受けて初めて半導体化する事に本技術の限界が存在すると思われる。その目的で、可視光線および赤外線の波長域にも反応する新しい光触媒の開発が進んでいる。 However, it seems that there is a limit of this technology in becoming a semiconductor only after receiving ultraviolet rays. For this purpose, new photocatalysts that react also in the visible and infrared wavelength regions are being developed.
発明者等は光触媒の機能が、p型半導体の有する電子授受機能に起因して発現する事に着目した。燃焼合成法により新規に合成したp型半導体特性を有する金属欠乏型の不定比遷移金属酸化物が、光照射をしない環境下で、光触媒と同等な機能を発揮する事を見出し、特許出願している。 The inventors noticed that the function of the photocatalyst is expressed due to the electron transfer function of the p-type semiconductor. We have found that a metal-deficient non-stoichiometric transition metal oxide having p-type semiconductor properties newly synthesized by a combustion synthesis method exhibits the same function as a photocatalyst in an environment where light irradiation is not performed. Yes.
この技術的観点に基づき、幅広く、p型半導体特性を有する金属欠乏型の不定比金属酸化物について、さらに研究調査を進めた。その結果、鉄鋼精錬の副産物である鉄鋼スラグの構成要素である鉄酸化物、熱間圧延スケールを構成する鉄酸化物および銅精錬の副産物である銅スラグに含有される鉄酸化物の中に、p型半導体である鉄酸化物、FeXO(X<1)が存在する事を発見した。 Based on this technical point of view, further research was conducted on a wide range of metal-deficient non-stoichiometric metal oxides having p-type semiconductor characteristics. As a result, among the iron oxides that are components of steel slag that is a byproduct of steel refining, iron oxides that make up the hot rolling scale, and iron oxides that are contained in copper slag that is a byproduct of copper refining, It was discovered that iron oxide, Fe X O (X <1), which is a p-type semiconductor, exists.
路盤材、セメントクリンカー用原料等に年間で約7,000千トンが使用されているこれらの副産物中に、数%のp型半導体が存在すると総括的には表現できる。これらの副産物で、電気炉スラグ中の酸化スラグに約30%、銅スラグに約50%さらに圧延スケールに95%以上含有されている複数の鉄酸化物中に50%を越えるp型半導体特性が有する鉄酸化物FeXO(X<1)が含有されている事も発見した。 In general, it can be expressed that several percent of p-type semiconductors are present in these by-products, in which approximately 7,000,000 tons are used annually for roadbed materials, raw materials for cement clinker, and the like. These by-products have a p-type semiconductor characteristic of more than 50% in a plurality of iron oxides contained about 30% in oxide slag, about 50% in copper slag and 95% or more in the rolling scale. It was also discovered that the iron oxide Fe X O (X <1) was contained.
言い換えると、p型半導体特性を有する鉄酸化物FeXO(X<1)が、その特性を活用されずに、他の成分と混合されて、無為に、路盤材等の構造部材として放置されている事になる。 In other words, the iron oxide Fe X O (X <1) having p-type semiconductor characteristics is mixed with other components without being utilized, and is left unnecessarily as a structural member such as a roadbed material. It will be that.
その中から、p型半導体特性を有する鉄酸化物FeXO(X<1)をとり出して、機能材料として活用すれば、その社会的貢献度は計り知れない膨大なものになり得ると言えよう。 Among them, if iron oxide Fe X O (X <1) having p-type semiconductor characteristics is extracted and used as a functional material, its social contribution can be immense. Like.
本発明は、p型半導体特性を有する鉄酸化物FeXO(X<1)の有する特性を種々測定して、その価値ある用途について提案する。
光触媒が機能を発揮する過程は以下である。
(1)光触媒に紫外線の照射。
(2)価電子帯の電子が導電帯に移動する。
(3)荷電帯の電子の抜けた箇所に正孔が生成される。
(4)光触媒結晶の表面に水分子が吸着される。
(5)結晶表面と水分子との間で、正孔を介して電子の授受が行われる。
(6) 水分子は電子を奪われて水素イオンとヒドロキシルラジカルに分解する。
(7)生成したヒドロキシルラジカルが有機物等を分解する。
「紫外線の照射により初めて正孔が生成」が光触媒の特徴である。
The process in which the photocatalyst performs its function is as follows.
(1) The photocatalyst is irradiated with ultraviolet rays.
(2) Electrons in the valence band move to the conduction band.
(3) Holes are generated where the electrons in the charged band are missing.
(4) Water molecules are adsorbed on the surface of the photocatalytic crystal.
(5) Electrons are exchanged between the crystal surface and water molecules via holes.
(6) Water molecules are deprived of electrons and decomposed into hydrogen ions and hydroxyl radicals.
(7) The generated hydroxyl radical decomposes organic matter and the like.
The feature of the photocatalyst is that “holes are generated only by UV irradiation”.
従来の光触媒の課題を改善した『紫外線の照射がなくても予め正孔が存在するp型半導体の提供』いいかえると『予め正孔が存在する半導体の提供』を先願した。 The application for "providing a p-type semiconductor in which holes exist in advance without irradiation with ultraviolet rays", which improved the problems of conventional photocatalysts, was made in advance.
しかしその合成は高価なため、同一機能を有する『予め正孔が存在する半導体』の提案が本特許の課題である。 However, since the synthesis is expensive, the subject of this patent is to propose a “semiconductor in which holes exist in advance” having the same function.
1)本発明の基本的な概念
『紫外線の照射⇒正孔の生成』が従来の光触媒が機能を発揮するメカニズムである。本発明者等は『予め正孔を保有するp型の半導体』を既に提案している。併せて『予め正孔を保有するp型の半導体』では、紫外線の照射なしで、従来の光触媒と同等な機能を有する事は先願特許で立証した。
1) The basic concept of the present invention “ultraviolet irradiation → hole generation” is a mechanism by which a conventional photocatalyst exerts its function. The present inventors have already proposed a “p-type semiconductor having holes in advance”. At the same time, it was proved in the prior application patent that “a p-type semiconductor having holes in advance” has the same function as a conventional photocatalyst without irradiation with ultraviolet rays.
すなわち、『予め正孔を保有するp型の半導体』に、水またはその種別を問わないガス体の露点で表示される程度に気体として含有される水分子が接触・吸着されると、正孔は水分子から電子を奪いヒドロキシルラジカル(・OH)を生成する。このヒドロキシルラジカルの機能は前出の通りである。この機構により発現する触媒機能は紫外線の照射を全く必要としない。また、『予め正孔を保有するp型の半導体』には、該半導体結晶表面に接触・吸着する成分が、無機物または有機体のいずれの場合でも、結晶表面での正孔を介する電子の授受による触媒反応が発現する事が予測される。 That is, when water molecules contained as a gas are contacted and adsorbed to the extent that they are indicated by the dew point of water or a gas body of any kind, on the “p-type semiconductor that holds holes in advance” Takes electrons from water molecules and generates hydroxyl radicals (.OH). The function of this hydroxyl radical is as described above. The catalytic function expressed by this mechanism does not require any ultraviolet irradiation. In addition, in the “p-type semiconductor that has holes in advance”, regardless of whether the component that contacts or adsorbs on the surface of the semiconductor crystal is an inorganic substance or an organic substance, electrons are exchanged via holes on the crystal surface. It is predicted that a catalytic reaction will occur.
2)本発明の具体的な手段
遷移金属の定比酸化物および定比窒化物の結晶は電気的に中性である。この原理が本発明の提案の根本的思想である。
2) Specific means of the present invention The crystals of transition metal stoichiometric oxide and stoichiometric nitride are electrically neutral. This principle is the fundamental idea of the proposal of the present invention.
遷移金属はそれぞれの原子が複数の荷電子状態を構成するので、不定比化合物を構成する事はよく知られている。その代表が不定比酸化物および不定比窒化物である。 It is well known that transition metals constitute non-stoichiometric compounds because each atom constitutes multiple valence states. Typical examples are nonstoichiometric oxides and nonstoichiometric nitrides.
不定比酸化物および不定比窒化物は、さらに金属過剰型と金属欠乏型とに分類される。 Nonstoichiometric oxides and nonstoichiometric nitrides are further classified into metal-rich and metal-deficient types.
このうち、金属欠乏型不定比酸化物および窒化物では、その生成と同時に、電気的中性を保持する為に、欠乏している金属原子(+電荷)に相当する正孔が価結晶内に形成される。 Among these, in the metal-deficient non-stoichiometric oxides and nitrides, the holes corresponding to the deficient metal atoms (+ charges) are contained in the valence crystal in order to maintain electrical neutrality at the same time as the generation. It is formed.
言いかえると、金属欠乏型不定比酸化物および金属欠乏型不定比窒化物は、いずれも予め正孔を保有するp型の半導体である。 In other words, both the metal-deficient non-stoichiometric oxide and the metal-deficient non-stoichiometric nitride are p-type semiconductors that hold holes in advance.
遷移金属の酸化物の結晶学的解明に関する細部に渡る技術検討は種々行われている。しかしその技術的努力にもかかわらずその細部は完璧に解明されたとは言い難い現状にある。 Various technical studies on crystallographic elucidation of transition metal oxides have been conducted. However, despite the technical efforts, it is difficult to say that the details have been completely elucidated.
しかし、本発明においては、結晶学的議論は不要である。電気的に中性である遷移金属の定比酸化物および定比窒化物を論理的に設定特定化するとともに、特定化した定比化合物に対して、金属欠乏型の不定比酸化物および不定比窒化物を設定提案する事が、本発明の主旨である。 However, crystallographic discussion is not necessary in the present invention. The stoichiometric oxide and stoichiometric nitride of transition metals that are electrically neutral are logically set and specified, and the metal-deficient non-stoichiometric oxide and non-stoichiometric ratio for the specified stoichiometric compound are specified. It is the gist of the present invention to propose the setting of nitride.
多数の研究者の研究結果に基づく遷移金属―酸素の2元系の状態図の調査の結果を、本発明の主旨に沿って纏めた結果を(表2)に示した。 (Table 2) shows the results of the investigation of the transition metal-oxygen binary phase diagram based on the research results of many researchers, and the results summarized in the gist of the present invention.
電気的中性を示す化合物がTiOの場合、X=1は定比酸化物を意味する。X<1で、金属過剰型の不定比酸化物となり、過剰な金属の+電子にバランスするe−が生成し、n型(−)半導体を構成する。 When the compound showing electrical neutrality is TiO, X = 1 means a stoichiometric oxide. When X <1, it becomes a metal-rich non-stoichiometric oxide, and e − is generated that balances + electrons of excess metal to form an n-type (−) semiconductor.
X>1では、金属欠乏型言い換えると酸素過剰型の不定比酸化物が形成される。過剰な酸素のマイナス電子にバランスする「正孔」生成し、p型(+)半導体が構成される。 When X> 1, a metal-deficient type, that is, an oxygen-excess type non-stoichiometric oxide is formed. A “hole” is generated that balances the negative electrons of excess oxygen, thereby forming a p-type (+) semiconductor.
(表2)の半導体の型の欄に於いてp(+)型半導体の欄に○記しを記載した半導体、すなわち金属欠乏型半導体はすべて、本発明で提案する『予め正孔が存在するp型半導体』の範疇に属している。すなわち、これらの半導体はすべて、本発明に包含されている。 In the semiconductor type column of (Table 2), all the semiconductors marked with a circle in the p (+) type semiconductor column, that is, metal-deficient semiconductors, are proposed in the present invention as “p in which holes are present in advance”. Belongs to the category of "type semiconductors". That is, all of these semiconductors are included in the present invention.
しかし、世に中に広く活用される為には、p型半導体特性を有する金属欠乏型不定比酸化物を安価に入手する必要がある。 However, in order to be widely used in the world, it is necessary to obtain a metal-deficient non-stoichiometric oxide having p-type semiconductor characteristics at a low cost.
p型半導体特性を有する金属欠乏型不定比酸化物で、かつ低廉系化合物を種々探索したところ、製鋼スラグ、熱間圧延スケールおよび銅スラグに大量に含有される鉄酸化物が(表2)に示すFeXO(X<1)の組成を有する金属過剰型酸化物であり、かつ、p型半導体特性を有し、さらに、紫外線の照射なしで光触媒効果を発揮する事を発見した。極めて有意義な発見と言える。 As a result of searching various low-priced compounds that are metal-deficient non-stoichiometric oxides having p-type semiconductor properties, iron oxides contained in large amounts in steelmaking slag, hot rolling scale and copper slag are listed in (Table 2). The present inventors have found that it is a metal-excess type oxide having a composition of Fe X O (X <1), has p-type semiconductor characteristics, and exhibits a photocatalytic effect without irradiation with ultraviolet rays. This is a very significant discovery.
この様にして得られたp型半導体特性を有する鉄酸化物FeXO(X<1)は鉄鋼生産および銅生産の副産物であり、他の成分と共に、路盤材等の構造材として使用されている。これらの副産物中、電気炉スラグ中の酸化スラグに約30%、銅スラグに約50%さらに圧延スケールに95%以上含有されている複数の鉄酸化物中に50%を越えるp型半導体特性が有する鉄酸化物FeXO(X<1)が含有されている事も発見した。 The iron oxide Fe X O (X <1) having p-type semiconductor properties obtained in this way is a by-product of steel production and copper production, and is used as a structural material such as roadbed material together with other components. Yes. Among these by-products, p-type semiconductor characteristics of more than 50% in a plurality of iron oxides contained about 30% in oxidized slag in electric furnace slag, about 50% in copper slag and 95% or more in the rolling scale. It was also discovered that the iron oxide Fe X O (X <1) was contained.
p型半導体特性を有する鉄酸化物FeXO(X<1)は非磁性特性を有し、その他の鉄酸化物は強磁性体であるので、磁選により容易にp型半導体特性を有する鉄酸化物FeXO(X<1)をその他の鉄酸化物と分離する事が出来る。実用的には、p型半導体特性が有する鉄酸化物FeXO(X<1)にある程度のこれ以外の酸化鉄および鉄以外の酸化物の含有は許容される。 The iron oxide Fe X O (p <1) having p-type semiconductor characteristics has non-magnetic characteristics, and the other iron oxides are ferromagnets. Therefore, iron oxide having p-type semiconductor characteristics can be easily obtained by magnetic separation. The product Fe X O (X <1) can be separated from other iron oxides. Practically, the iron oxide Fe X O (X <1) having p-type semiconductor characteristics is allowed to contain a certain amount of other iron oxides and oxides other than iron.
簡単な粉砕工程と選別工程とによりp型半導体特性を有する鉄酸化物FeXO(X<1)は分離できるので、その製造コストは極めて低廉である。 Since the iron oxide Fe X O (X <1) having p-type semiconductor characteristics can be separated by a simple pulverization process and a selection process, its manufacturing cost is extremely low.
従来の光触媒は、チタン酸化物が主体で、光触媒用途用の価格はキログラム当り2000円以上である。本提案によるFeXO(X<1)は、製鋼スラグ等から抽出により製造できるので、従来の光触媒対比で、相当に低価格製造できるのでその社会的効果は大きい。 Conventional photocatalysts are mainly composed of titanium oxide, and the price for photocatalyst use is 2000 yen or more per kilogram. Since Fe X O (X <1) according to the present proposal can be manufactured by extraction from steelmaking slag or the like, it can be manufactured at a considerably lower cost than conventional photocatalysts, so its social effect is great.
本発明材は紫外線の照射なしで、従来の光触媒の保有する機能を発揮する。さらにp型半導体としての価値ある機能を発揮する事を見出した。 The material of the present invention exhibits the function possessed by a conventional photocatalyst without irradiation with ultraviolet rays. Furthermore, it discovered that a valuable function as a p-type semiconductor was exhibited.
吸着後に電子の授受を行うp型半導体的特性は、自動車排気ガスの酸化活性触媒としても活用できる事も明らかとなった。 It has also been clarified that the p-type semiconducting property of transferring electrons after adsorption can be used as an oxidation active catalyst for automobile exhaust gas.
さらに、FeXO(X<1)は予め過剰な『正孔』が生成しているので、これらに温度勾配が付与されると、ゼーベック効果による微量な発電機能が発揮される。この発電機能は身体の血液循環改善効果を発揮するので、本発明の金属欠乏型不定比酸化物または金属欠乏型不定比窒化物は、身体機能保全製品としての用途にも価値が大きい。 Furthermore, since Fe X O (X <1) generates excessive “holes” in advance, if a temperature gradient is applied to these, a very small amount of power generation function due to the Seebeck effect is exhibited. Since this power generation function exhibits an effect of improving blood circulation in the body, the metal-deficient non-stoichiometric oxide or the metal-deficient non-stoichiometric nitride of the present invention is also valuable for use as a body function preservation product.
これらの機能的効果を纏めて(表3)に示した。 These functional effects are summarized in Table 3.
製鋼スラグ等から粉体形態で得られたFeXO(X<1)を主体とする鉄酸化物は可能な限り微細化して以下の様に供する。
(1)粉体そのままでの使用。
(2)粉体を溶媒に混入しての使用。
(3)セラミックス等の構造体の表層に被覆して使用。
(4)粉体をその他のセラミックス等に混入した焼成品としての使用。
(5)粉体のみを燒結して使用。
An iron oxide mainly composed of Fe X O (X <1) obtained in a powder form from steelmaking slag or the like is miniaturized as much as possible and provided as follows.
(1) Use as powder.
(2) Use by mixing powder in a solvent.
(3) Used by coating the surface layer of a structure such as ceramics.
(4) Use as a fired product in which powder is mixed with other ceramics.
(5) Used by sintering only powder.
粉体そのままでの使用には、繊維全般へ混入して使用する。光触媒効果を有する各種の繊維製品が、低廉に製造できる。病院、老人看護施設、ホテル、新幹線等のシーツ等に有効活用できる。また医薬品としての将来の可能性をも包含していると言える。 When using the powder as it is, it is used by mixing it with all fibers. Various fiber products having a photocatalytic effect can be manufactured at low cost. It can be effectively used for hospitals, nursing facilities for the elderly, hotels, sheets for the Shinkansen, etc. It can also be said that it includes future possibilities as pharmaceuticals.
粉体を溶媒に混入させて使用する際の代表的な使い方は、スプレイとしての用途である。内外壁、カーテン、床、台所等、各種の防臭、防汚、抗菌に必要な箇所に有効に使用できる。 A typical usage when the powder is mixed with a solvent is a use as a spray. It can be used effectively for various deodorizing, antifouling and antibacterial areas such as inner and outer walls, curtains, floors and kitchens.
セラミックス、プラスチック、ガラス、木材および各種金属等に皮膜して使用する。用途は広範にわたるが、例えば、皮膜したプラスチックおよびセラミックス球体は、吸水塔の除菌、供給水の清浄化に有効活用できる。 Used on ceramics, plastic, glass, wood and various metals. Applications range widely. For example, coated plastic and ceramic spheres can be effectively used for sterilization of water absorption towers and purification of feed water.
陶磁器等に混練して焼成、または表面に被覆して焼成して使用する事ができる。これらは、容器として、インテリア製品として活用できる。 It can be used after being kneaded in a ceramic or the like and fired, or coated on the surface and fired. These can be used as containers and interior products.
多孔質状フィルター形態に燒結して、酸化触媒用途のp型半導体として使用する事ができる。 It can be used as a p-type semiconductor for oxidation catalyst applications by sintering into a porous filter form.
本発明のFeXO(X<1)の紫外線照射環境でのアセトアルデヒド分解効果と従来の光触媒の分解効果は(表4)に示す様にほぼ同一である。本発明材は紫外線照射環境下でも、光触媒と同様の機能を発揮する。なお、試験装置はJISR1701−1(2004)準拠している。 As shown in Table 4, the acetaldehyde decomposition effect of the Fe X O (X <1) of the present invention in an ultraviolet irradiation environment and the conventional photocatalyst decomposition effect are almost the same. The material of the present invention exhibits the same function as a photocatalyst even under an ultraviolet irradiation environment. Note that the test apparatus conforms to JIS R1701-1 (2004).
ブラックランプ無照射の場合の本発明材の経過時間に伴うアセトアルデヒドの分解機能を(表4)の実施例2に示した。ブラックランプの照射なしで、アセトアルデヒドを分解している。一方、通常の光触媒では、ブラックランプ無照射の環境では、アセトアルデドの分解機能は認められない。 The decomposition function of acetaldehyde with the elapsed time of the material of the present invention when no black lamp was irradiated is shown in Example 2 of (Table 4). Acetaldehyde is decomposed without irradiation of a black lamp. On the other hand, in the case of a normal photocatalyst, the decomposition function of acetoaldode is not recognized in an environment without black lamp irradiation.
なお、実施例1〜2は、特殊鋼製鋼スラグ等から抽出した金属欠乏型不定比鉄酸化物FeXOである。比較材1〜2は、従来の光触媒TiO2である。 Examples 1 and 2 are metal-deficient non-stoichiometric iron oxides Fe X O extracted from special steel-made steel slag and the like. Comparative Material 1-2 is a conventional photocatalyst TiO 2.
比較材1〜2は、従来の光触媒である。ブラックランプ照射の環境で、アセトアルデドを良好に分解するが、ブラックランプ照射無しの環境ではアセトアルデヒドの分解はほとんど行われていない。 Comparative materials 1 and 2 are conventional photocatalysts. Although the acetaldehyde is satisfactorily decomposed in the environment of the black lamp irradiation, the acetaldehyde is hardly decomposed in the environment without the black lamp irradiation.
実施例1〜2の本発明の提供する金属欠乏型の不定比酸化物で、p型半導体であり、ブラックランプの有無にかかわらず、アセトアルデヒドの分解が効率的に進行している。 Examples 1 and 2 are metal-deficient non-stoichiometric oxides provided by the present invention, which are p-type semiconductors, and acetaldehyde is efficiently decomposed regardless of the presence or absence of a black lamp.
FeXO(X<1)結晶内に予め生成していた正孔が、該結晶に吸着したアセトアルデヒド成分を酸化分解したと本現象は説明できる。 This phenomenon can be explained by the fact that holes generated in advance in the Fe X O (X <1) crystal oxidatively decompose the acetaldehyde component adsorbed on the crystal.
紫外線が照射されない環境下における、本発明による材料の効果について実施例で説明する。以下の実施例に用いた供試材は、すべて、直径5mmのセラミックス球に、本発明で提案する製鋼スラッグ等から抽出したp型半導体特性を示すFeXO(X<1)を主体とした鉄酸化物粉末を被覆した球状構造体である。 An example demonstrates the effect of the material by this invention in the environment where an ultraviolet-ray is not irradiated. All of the test materials used in the following examples mainly consisted of Fe X O (X <1) showing p-type semiconductor characteristics extracted from a steelmaking slug proposed in the present invention on a ceramic sphere having a diameter of 5 mm. A spherical structure coated with iron oxide powder.
なお、セラミックス球体とFeXO(X<1)とを同一容器内に挿入し、然る後に内装材に遠心力を与える回転数で容器を回転させてセラミックス球体の表層にFeXO(X<1)粉体の被覆層を形成した。 The ceramic sphere and Fe X O (X <1) are inserted into the same container, and then the container is rotated at a rotational speed that applies a centrifugal force to the interior material, so that Fe X O (X <1) A powder coating layer was formed.
水道水に含有される、塩素の除去効果に対する本発明材の効果を(表5)に示した。なお、表中の数値は塩素メータで測定した含有量(ppm)である。 The effect of the material of the present invention on the effect of removing chlorine contained in tap water is shown in (Table 5). In addition, the numerical value in a table | surface is content (ppm) measured with the chlorine meter.
球状構造体を100CCの水道水中に、0,1,2および6個を挿入して、所定時間、無光環境で保持して、塩素メータにより、塩素量を測定した。 0, 1, 2, and 6 spherical structures were inserted into 100 CC tap water, held in a non-light environment for a predetermined time, and the amount of chlorine was measured with a chlorine meter.
本発明材が水道水中の塩素を効果的に分解放出する事が(表5)から明確に認められる。 It is clearly recognized from (Table 5) that the material of the present invention effectively decomposes and releases chlorine in tap water.
実施例3と同様の供試材である、球状構造体を、10cm2当り、100個を装填したフィルターを装着した空気清浄機を用いて、光の照射は行わない環境下で、一般家屋内の臭気の変化を測定した。測定はCIAQ(Composite Index of Air Quality)計器により行い、CIAQ値で表示した。結果を(表6)に示した。なお、CIAQ値は炭化水素系化合物の臭いを総合的に示す尺度である。 A spherical structure, which is the same test material as in Example 3, was used in an ordinary house indoors in an environment where no light was irradiated using an air cleaner equipped with a filter loaded with 100 per 10 cm 2 . The change in odor was measured. The measurement was performed with a CIAQ (Composite Index of Air Quality) instrument and displayed as a CIAQ value. The results are shown in (Table 6). The CIAQ value is a scale that comprehensively shows the odor of hydrocarbon compounds.
A室は強烈な悪臭のする部屋で、CIAQ値は60を示していた。本発明の球状構造体を装着したフィルターを用いた空気清浄機を30分稼動させた結果、嗅覚で感じる臭気は皆無となり、CIAQ値は15となった。 Room A was a room with a strong odor and had a CIAQ value of 60. As a result of operating an air cleaner using a filter equipped with the spherical structure of the present invention for 30 minutes, there was no odor sensed by the sense of smell, and the CIAQ value was 15.
他の部屋においても、同様の効果が認められ、本発明材の脱臭効力が立証されている。 The same effect is recognized also in other rooms, and the deodorizing effect of the material of the present invention is proved.
本発明材の抗菌効果について、(表7)に示した。本発明材を3個投入した100CCの精製水に菌液入れ、それぞれの時間、暗室で保持した後の菌の数の変化を測定した。その結果を(開始時の菌数―保持後の菌数)/開始時の菌数の式により求め殺菌率(%)として表示している。 The antibacterial effect of the material of the present invention is shown in (Table 7). Bacterial liquid was put into 100 CC purified water charged with three inventive materials, and the change in the number of bacteria after being kept in the dark room for each time was measured. The result is obtained by the formula of (the number of bacteria at the start-the number of bacteria after the holding) / the number of bacteria at the start, and is displayed as the sterilization rate (%).
効果に差は認められるものの、これらのバクテリア全てに、無照明下で、殺菌効果が認められる。投入する数を増す事によって、その効果は加速度的に向上する事を確認している。 Although there is a difference in effect, all these bacteria have a bactericidal effect under no lighting. By increasing the number of inputs, it has been confirmed that the effect is accelerated.
無照明下で認められ本発明材の効果は、今までに認められた事のない極めて大きな価値を有する事は疑う余地もない。実施例に挙げた、バクテリア以外の各種菌類、ウイルス等に対しても本発明材の効果は容易に立証され、本発明の権利請求範囲に包含される事は言うまでもない。将来、医薬品として活用できる可能性を示唆している。 There is no doubt that the effect of the material of the present invention, which is recognized under no illumination, has an extremely great value that has never been recognized. It goes without saying that the effects of the material of the present invention can be easily proved against various fungi other than bacteria, viruses and the like mentioned in the Examples, and are included in the claims of the present invention. This suggests the possibility of being used as a medicine in the future.
本発明の材料は既に詳細記載した様に、p型半導体の特性を有する。p型半導体の結晶表面に有機物または無機物が接触した際に、p型半導体と接触物との間にマイナス電子が授受される事は、物理現象として認められている。 As already described in detail, the material of the present invention has the characteristics of a p-type semiconductor. It is recognized as a physical phenomenon that negative electrons are exchanged between a p-type semiconductor and a contact object when an organic substance or an inorganic substance contacts the crystal surface of the p-type semiconductor.
本発明の提案するp型半導体特性を有する鉄酸化物FeXO(X<1)には、さらに酸化活性触媒効果が期待できる。 The iron oxide Fe X O (X <1) having the p-type semiconductor characteristics proposed by the present invention can be expected to further have an oxidation active catalytic effect.
酸化触媒効果を測定した結果を(表8)に示した。CO:4.8%,O2:4.8%の標準ガス雰囲気で、COの酸化分解の状況を分解率(%)で表示した。
比較に示した汎用触媒は白金―パラジュム系触媒である。本発明の材料は、汎用触媒に近似した酸化活性触媒機能を発揮している。併せて、微細カーボン粒(すす)についても同様酸化分解効果を確認している。
The results of measuring the oxidation catalyst effect are shown in (Table 8). In a standard gas atmosphere of CO: 4.8% and O 2 : 4.8%, the state of oxidative decomposition of CO was indicated by the decomposition rate (%).
The general-purpose catalyst shown in the comparison is a platinum-palladium catalyst. The material of the present invention exhibits an oxidation active catalyst function similar to a general-purpose catalyst. In addition, the same oxidative decomposition effect has been confirmed for fine carbon particles (soot).
光触媒はその機能を活用した様々な用途(表1)に実用化が進められているが、紫外線の照射が、機能発揮の為の必須条件であるとともに、価格的にも高価なため実用化が遅滞している。 Photocatalysts are being put into practical use for various applications that utilize their functions (Table 1), but UV irradiation is an indispensable condition for demonstrating the function and is also practical because it is expensive in price. It is late.
製鋼スラグ等にp型半導体特性を有する鉄酸化物FeXO(X<1)が存在する事を見出し、あわせて、FeXO(X<1)は紫外線の照射なしで、光触媒効果以上の機能を発揮する事を測定データとして把握できた。 We found that iron oxide Fe X O (X <1) having p-type semiconductor characteristics exists in steelmaking slag, etc., and Fe X O (X <1) is more than the photocatalytic effect without ultraviolet irradiation. It was possible to grasp that the function was performed as measurement data.
FeXO(X<1)は高炉スラグ、電気炉スラグ、転炉スラグ、熱間圧延スケールおよび銅スラグ等に含有される。これらは、全て鉄鋼・銅生産の副産物であり、安価に入手できる事は言うまでもなく、その結果、FeXO(X<1)の製造コストは、従来の光触媒対比、極めて低廉である。併せて、従来から、産業廃棄物的扱いを受けていた上記副産物が機能製品として活用できる効果も極めて大きいと言える。 Fe X O (X <1) is contained in blast furnace slag, electric furnace slag, converter slag, hot rolling scale, copper slag, and the like. These are all byproducts of steel and copper production, and can be obtained at low cost. As a result, the production cost of Fe X O (X <1) is extremely low compared with conventional photocatalysts. In addition, it can be said that the above-mentioned by-product, which has been treated as industrial waste, can be used as a functional product.
また、得られたFeXO(X<1)の機能は従来の光触媒以上に高機能であり、p型半導体としての特性を兼備しているので、低価格p型半導体として幅広く新しい機能用途へ活用できる。 In addition, the function of Fe X O (X <1) is higher than that of conventional photocatalysts and has the characteristics of a p-type semiconductor. Can be used.
たとえば、各種ガスセンサー、サーミスター、バリスター、発光ダイオード、および電導性酸化物等としての用途が期待できる。 For example, it can be expected to be used as various gas sensors, thermistors, varistors, light emitting diodes, and conductive oxides.
本発明のポイントを一言で言えば「産業廃棄物の中に半導体を発見した」となる。
In short, the point of the present invention is “A semiconductor was found in industrial waste”.
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