JP2007216197A - 光触媒皮膜及び光触媒材料並びにこれらの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】光触媒能を有する二酸化チタン皮膜を過マンガン酸塩水溶液中で光照射することにより、二酸化チタン皮膜に二酸化マンガンをカップリングして得られる二酸化チタン‐二酸化マンガン(TiO2/MnO2)複合材からなる光触媒皮膜、及び該光触媒皮膜が基材表面に形成されてなる光触媒材料、並びにこれらの製造方法とする。
【選択図】図18
Description
本発明の他の課題は、白金やパラジウム等の貴金属を使用せずに、安価で且つ容易に、高い光触媒能を有する光触媒皮膜及び光触媒材料を提供することにある。
本発明のもう一つの課題は、高い触媒活性を備える光触媒皮膜、及び光触媒材料を、安価に製造する方法を提供することにある。
請求項2に係る発明は、請求項1に記載の光触媒皮膜が、金属、ガラス及びセラミックから選択されるいずれか一種以上の基材表面に形成されてなることを特徴とする光触媒材料に関する。
請求項3に係る発明は、前記基材が板状、粒子状又は繊維状であることを特徴とする請求項2に記載の光触媒材料に関する。
請求項5に係る発明は、前記過マンガン酸塩水溶液中の過マンガン酸塩の濃度が1×10-3〜2mol/Lであることを特徴とする請求項4に記載の二酸化チタン‐二酸化マンガン複合材からなる光触媒皮膜の製造方法に関する。
請求項6に係る発明は、前記過マンガン酸塩水溶液の温度が0〜95℃であることを特徴とする請求項4又は5に記載の二酸化チタン‐二酸化マンガン複合材からなる光触媒皮膜の製造方法に関する。
請求項7に係る発明は、前記光照射が、220〜400nmの紫外線の1〜7200分の照射であることを特徴とする請求項4乃至6いずれかに記載の二酸化チタン‐二酸化マンガン複合材からなる光触媒皮膜の製造方法に関する。
(1)金属、ガラス及びセラミックから選択される一種以上の基材表面に光触媒能を有する二酸化チタン皮膜を形成する工程
(2)前記二酸化チタン皮膜を、過マンガン酸塩水溶液中で光照射することにより、二酸化チタン皮膜に二酸化マンガンをカップリングする工程
請求項9に係る発明は、前記工程(1)が、以下の工程(a)及び(b)を含むことを特徴とする請求項8に記載の光触媒皮膜が表面に形成されてなる光触媒材料の製造方法に関する。
(a)マグネシウム基材を、チタン酸塩と過酸化水素の混合溶液に浸漬することにより化成処理を施す工程
(b)工程(a)で得られたマグネシウム基材を熱処理する工程
請求項10に係る発明は、前記工程(a)におけるマグネシウム基材が、純マグネシウム、又はAZ91、AZ61、AZ31、AZ80及びAM60系合金から選択されるいずれか一種のマグネシウム合金であることを特徴とする請求項9に記載の光触媒皮膜が表面に形成されてなる光触媒材料の製造方法に関する。
請求項11に係る発明は、前記チタン酸塩がシュウ酸チタン酸アンモニウムであることを特徴とする請求項9又は10に記載の光触媒皮膜が表面に形成されてなる光触媒材料の製造方法に関する。
請求項13に係る発明は、前記混合溶液中の過酸化水素の濃度が0.001〜1mol/Lであることを特徴とする請求項9乃至12いずれかに記載の光触媒皮膜が表面に形成されてなる光触媒材料の製造方法に関する。
請求項14に係る発明は、前記混合溶液の温度が−5〜100℃であることを特徴とする請求項9乃至13いずれかに記載の光触媒皮膜が表面に形成されてなる光触媒材料の製造方法に関する。
請求項15に係る発明は、前記工程(a)のマグネシウム基材が予め前処理が施されたマグネシウム基材であって、該前処理は硫酸を含む溶液中でエッチングすることを含むことを特徴とする請求項9乃至14いずれかに記載の光触媒皮膜が表面に形成されてなる光触媒材料の製造方法に関する。
請求項16に係る発明は、前記熱処理が100〜500℃の焼成であることを特徴とする請求項9乃至15いずれかに記載の光触媒皮膜が表面に形成されてなる光触媒材料の製造方法に関する。
本発明の光触媒皮膜及び光触媒材料の製造方法によると、白金やパラジウム等の貴金属を使用せずに、安価で且つ容易に、高い触媒活性、即ち優れた機能性を有する光触媒皮膜及び光触媒材料を製造することができる。
従って、触媒機能を高めるために用いられる白金やパラジウムを二酸化チタン粒子等に担持させたものと比較し、二酸化マンガンが担持される本発明の光触媒皮膜及び光触媒材料は、より高い光触媒能を有する。
本発明の光触媒皮膜は、光触媒能を有する二酸化チタン皮膜を過マンガン酸塩水溶液中で光照射することにより、二酸化チタン皮膜に二酸化マンガンを担持して得られる二酸化チタン‐二酸化マンガン(TiO2/MnO2)複合材からなる。
基材の形状は粒子状、板状及び繊維状のいずれでもよく、用途に応じて適宜定められる。作業性、製造容易性等の点では、板状および繊維状であることが望ましく、商業的利用性の点では、板状であることが望ましい。即ち、本発明によると、如何なる形状の基材であっても、二酸化チタン皮膜を有する基材であれば、二酸化チタン‐二酸化マンガンの複合材を形成して光触媒材料とすることが可能である。
光触媒皮膜の製造方法は、光触媒能を有する二酸化チタン皮膜を過マンガン酸塩水溶液中で光照射することにより、二酸化チタン皮膜に二酸化マンガンを担持して二酸化チタン‐二酸化マンガン(TiO2/MnO2)複合材とする工程を含む。詳細には、二酸化チタン皮膜に光照射して、光還元をすることにより、二酸化チタン‐二酸化マンガン複合材を得る。
前記過マンガン酸塩水溶液中の過マンガン酸塩の濃度は、1×10-3〜2mol/L、好ましくは0.01〜0.1mol/Lである。この理由は、1×10-3mol/L未満の場合は、マンガン(VII)の還元速度が遅いためであり、2mol/Lを超えると反応速度が速すぎて二酸化マンガンの担持量の制御が困難であるためいずれの場合も好ましくないからである。
前記過マンガン酸塩水溶液の温度は、好ましくは0〜95℃、より望ましくは20〜55℃である。0℃未満の場合は、反応速度が遅く、また95℃を超えると反応速度が速すぎて二酸化マンガンの担持量の制御が困難になるためいずれの場合も好ましくない。
前記紫外線の照射時間は1〜7200分が好ましく、より望ましくは、30〜120分である。この理由は、1分未満の場合、二酸化マンガンの担持量が少なく、7200分を超えると二酸化マンガンが二酸化チタン全面を覆ってしまうために光を吸収し、いずれも高い触媒活性が期待できないからである。
前記光照射に使用する光源とサンプルの距離は、好ましくは200cm以下、より望ましくは、10〜100cmである。この理由は、光源とサンプルの距離が200cmを超えると、空気中の酸素が光エネルギーを吸収し、光還元反応性が低下するため望ましくないからである。
本発明の光触媒材料は、基材表面に本発明の光触媒皮膜が形成されてなり、詳細には、以下の工程(1)及び(2)を含む。
(1)基材表面に光触媒能を有する二酸化チタン皮膜を形成する工程
(2)前記二酸化チタン皮膜を、過マンガン酸塩水溶液中で光照射することにより、二酸化チタン皮膜に二酸化マンガンを担持する工程
(a)マグネシウム基材を、チタン酸塩と過酸化水素の混合溶液に浸漬することにより化成処理を施す工程
(b)工程(a)で得られたマグネシウム基材を熱処理する工程
工程(a)において、マグネシウム基材を、チタン酸塩と過酸化水素の混合溶液に浸漬することにより化成処理を施す。
前記チタン酸塩としては、フッ化チタンアンモニウム、シュウ酸チタン酸アンモニウム、硫酸チタン酸アンモニウム、臭化チタン酸アンモニウム、ヨウ化チタン酸アンモニウムが挙げられるが、好ましくは、シュウ酸チタン酸アンモニウムである。
工程(b)において、工程(a)で得られたマグネシウム基材を熱処理する。前記熱処理は、特に限定されないが、例えば脱水処理、低温プラズマ処理、焼成処理等の処理方法が挙げられる。
前記焼成は、大気中、又は酸素雰囲気中いずれで行ってもよいが、好ましくは大気中で行われる。大気中の焼成は、好ましくは1〜600分間、より望ましくは10〜180分間である。
尚、工程(a)及び(b)により得られたマグネシウム基材表面の二酸化チタン化成皮膜の膜厚は、1〜30μm、好ましくは5〜30μmである。
まず、本発明の光触媒材料の製造方法における工程(1)について説明する。本実施例においては、マグネシウムを基材として用いた。
〈1〉前処理
合金系マグネシウム基材(AZ91)(3cm×3cm×1mm)を10%硫酸溶液中で1分間エッチングした。
〈2〉工程(a)
前処理したマグネシウム基材をシュウ酸チタン酸アンモニウム0.02mol/Lと過酸化水素0.04mol/Lを含む混合溶液に30分間浸漬した。尚、混合溶液の温度は、80℃とした。
〈3〉工程(b)
工程(a)で得られたマグネシウム基材を、大気中で400℃、1時間焼成した。
図1(A)が示すように、マグネシウム基材が、前処理としてエッチングされる。次に、得られたマグネシウム基材は、工程(a)において、シュウ酸チタン酸アンモニウムと過酸化水素を含む混合溶液に浸漬することにより化成処理が施される。化成処理されたマグネシウム基材の表面には水酸化マグネシウム(Mg(OH)2)が形成され、さらにその表面にペルオキソチタンが形成される。得られたマグネシウム基材を、工程(b)において、焼成することにより、その表面に二酸化チタン(TiO2)が形成される。
図3は、薄膜XRDによる皮膜の解析結果を示す。尚、図3中(b)は、工程(b)を施していないものであり、この二酸化チタン化成皮膜は非晶質であった。一方、図3中(a)が示すように二酸化チタン化成皮膜基材において、アナターゼ型二酸化チタンが生成されたことが確認できた。
図5は、XPSによる皮膜の状態分析結果を示す。Ti2pのスペクトルから、二酸化チタン化成皮膜基材(図5中(a))において、アナターゼ型二酸化チタンが生成したことがわかる。尚、図5中(b)は、工程(b)を施さなかったマグネシウム基材である。O1sのスペクトルによると、この基材においては水酸化マグネシウムが生成し、一方、図5中(a)が示すように、二酸化チタン化成皮膜基材からは炭酸マグネシウムおよび酸化マグネシウムが生成していることが確認された。
図7は、皮膜のUV−Visスペクトル結果を示す。図7中(a)は二酸化チタン化成皮膜基材のスペクトル結果であり、図7中(b)は、工程(b)を施さなかったマグネシウム基材に関する。二酸化チタン化成皮膜基材において、アナターゼ型二酸化チタンの存在を示す400nm付近の吸収が確認された。
工程(a)における化成処理において、以下の表1の如く条件を変化させ、この変化により二酸化チタン化成皮膜の膜厚がどのように変化するかについて試験した。以下の条件の変更以外は、前述の(マグネシウム基材上への二酸化チタン化成皮膜の製造)に基づいた。
図8より、シュウ酸チタン酸アンモニウムの濃度に比例し膜厚が増加することがわかる。また、図9から、過酸化水素濃度が0.05Mまでは、比例して膜厚も増加するが、それ以上は、略一定であることがわかる。さらに、図10からは、浴温度が50℃以上になると、反応速度は高くなり、膜厚は著しく上昇するが、60℃を超えると、膜厚は略一定であることがわかる。即ち、本発明に係る工程(a)及び(b)により、基材上に二酸化チタン化成皮膜を形成すると、容易二酸化チタンをマグネシウム基材へ固定化できるだけでなく、工程(a)における各条件(シュウ酸チタン酸アンモニウムの濃度、過酸化水素の濃度、混合溶液の温度)を調節することにより、二酸化チタンの膜厚を調節することが可能である。
二酸化チタン化成皮膜基材を、0.02mol/L過マンガン酸カリウム水溶液中に超音波分散させ、水銀ランプ(極大波長350nm)の紫外光を3時間照射し、二酸化マンガンを光還元させて、本発明の光触媒材料(実施例1)を得た。図11は、本発明に係る工程(2)の概念図を示す。
アナターゼ型二酸化チタン粒子(20〜150nm)を0,02mol/L過マンガン酸カリウム水溶液中に超音波分散させ、350nmの紫外光を3時間照射し、二酸化マンガンを光還元させて、本発明の光触媒材料(実施例2)を得た。
このTEM写真を図18に示す。二酸化チタン上に二酸化マンガン(約15nm)の層が覆っていることが確認できる。
Claims (16)
- 光触媒能を有する二酸化チタン皮膜に過マンガン酸塩水溶液中で光照射することにより、二酸化チタン上に二酸化マンガンを担持して得られる二酸化チタン‐二酸化マンガン(TiO2/MnO2)複合材からなることを特徴とする光触媒皮膜。
- 請求項1に記載の光触媒皮膜が、金属、ガラス及びセラミックから選択されるいずれか一種以上の基材表面に形成されてなることを特徴とする光触媒材料。
- 前記基材が板状、粒子状又は繊維状であることを特徴とする請求項2に記載の光触媒材料。
- 光触媒能を有する二酸化チタン皮膜に過マンガン酸塩水溶液中で光照射することにより、二酸化チタン皮膜に二酸化マンガンを担持する工程を含むことを特徴とする二酸化チタン‐二酸化マンガン(TiO2/MnO2)複合材からなる光触媒皮膜の製造方法。
- 前記過マンガン酸塩水溶液中の過マンガン酸塩の濃度が1×10-3〜2mol/Lであることを特徴とする請求項4に記載の二酸化チタン‐二酸化マンガン複合材からなる光触媒皮膜の製造方法。
- 前記過マンガン酸塩水溶液の温度が0〜100℃であることを特徴とする請求項4又は5に記載の二酸化チタン‐二酸化マンガン複合材からなる光触媒皮膜の製造方法。
- 前記光照射が、220〜400nmの紫外線の1〜7200分の照射であることを特徴とする請求項4乃至6いずれかに記載の二酸化チタン‐二酸化マンガン複合材からなる光触媒皮膜の製造方法。
- 以下の工程(1)及び(2)を含むことを特徴とする二酸化チタン‐二酸化マンガン複合材からなる光触媒皮膜が表面に形成されてなる光触媒材料の製造方法。
(1)金属、ガラス及びセラミックから選択される一種以上の基材表面に光触媒能を有する二酸化チタン皮膜を形成する工程
(2)前記二酸化チタン皮膜を、過マンガン酸塩水溶液中で光照射することにより、二酸化チタン皮膜に二酸化マンガンを担持する工程 - 前記工程(1)が、以下の工程(a)及び(b)を含むことを特徴とする請求項8に記載の光触媒皮膜が表面に形成されてなる光触媒材料の製造方法。
(a)マグネシウム基材を、チタン酸塩と過酸化水素の混合溶液に浸漬することにより化成処理を施す工程
(b)工程(a)で得られたマグネシウム基材を熱処理する工程 - 前記工程(a)におけるマグネシウム基材が、純マグネシウム、又はAZ91、AZ61、AZ31、AZ80及びAM60系合金から選択されるいずれか一種のマグネシウム合金であることを特徴とする請求項9に記載の光触媒皮膜が表面に形成されてなる光触媒材料の製造方法。
- 前記チタン酸塩がシュウ酸チタン酸アンモニウムおよびフッ化チタン酸アンモニウムであることを特徴とする請求項9又は10に記載の光触媒皮膜が表面に形成されてなる光触媒材料の製造方法。
- 前記混合溶液中のチタン酸塩の濃度が0.0001〜1mol/Lであることを特徴とする請求項9乃至11いずれかに記載の光触媒皮膜が表面に形成されてなる光触媒材料の製造方法。
- 前記混合溶液中の過酸化水素の濃度が0.001〜1mol/Lであることを特徴とする請求項9乃至12いずれかに記載の光触媒皮膜が表面に形成されてなる光触媒材料の製造方法。
- 前記混合溶液の温度が−5〜99℃であることを特徴とする請求項9乃至13いずれかに記載の光触媒皮膜が表面に形成されてなる光触媒材料の製造方法。
- 前記工程(a)のマグネシウム基材が予め前処理が施されたマグネシウム基材であって、該前処理は硫酸を含む溶液中でエッチングすることを含むことを特徴とする請求項9乃至14いずれかに記載の光触媒皮膜が表面に形成されてなる光触媒材料の製造方法。
- 前記熱処理が100〜500℃の焼成であることを特徴とする請求項9乃至15いずれかに記載の光触媒皮膜が表面に形成されてなる光触媒材料の製造方法。
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