JP2008260011A - Visible light-responsive photocatalyst and its producing method - Google Patents

Visible light-responsive photocatalyst and its producing method Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a titanium oxide-based photocatalyst which can exhibit high photocatalytic activity to visible light and can be mass-produced and to provide a photocatalyst-functional member. <P>SOLUTION: Titanium oxide is mixed with a bismuth compound and the obtained mixture is fired to obtain the visible light-responsive photocatalyst in which bismuth is deposited on titanium oxide and on the surface of which bismuth is thickened. When lower-valent bismuth is contained in bismuth oxide, the visible light-responsive photocatalyst having higher activity can be obtained. When at least one element selected from Si, Zr, Al, W, Mo, Mg, Hf and B is contained in titanium oxide, the activity of the visible light-responsive photocatalyst is promoted much more by the bismuth compound. It is preferable that the atomic ratio of Bi to Ti is 0.0001-10. The promotion of the activity of the visible light-responsive photocatalyst by deposition of the oxide of lower-valent bismuth can be applied even to the titanium oxide-based photocatalyst available commercially. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、紫外線のみならず、可視光の照射によっても光触媒作用を発揮しうる可視光応答型の光触媒とその製造方法に関する。   The present invention relates to a visible light responsive photocatalyst capable of exhibiting a photocatalytic action not only by ultraviolet rays but also by irradiation with visible light, and a method for producing the same.

酸化チタンが示す光触媒作用は、防臭、抗菌、防汚等さまざまな環境浄化技術に応用されている。光触媒として一般に用いられるアナターゼ型酸化チタンのバンドギャップは約3.2eVであり、波長約380nmより短波長の紫外線を受けて反応が進行するので、動作には紫外線が必要である。そのため、この光触媒を利用するには、設置環境、用途などが限定されるという問題点があった。   The photocatalytic action exhibited by titanium oxide has been applied to various environmental purification technologies such as deodorization, antibacterial and antifouling. The band gap of anatase-type titanium oxide generally used as a photocatalyst is about 3.2 eV, and the reaction proceeds upon receiving ultraviolet light having a wavelength shorter than about 380 nm. Therefore, ultraviolet light is required for operation. Therefore, in order to use this photocatalyst, there has been a problem that installation environment, usage, and the like are limited.

光触媒のエネルギー源として太陽光線や室内光に多く存在する可視光が利用可能になれば、さまざまな場所で光触媒の利用が可能となる。それを受けて、近年可視光の照射により光触媒活性を発現する可視光応答型光触媒の開発が精力的に進められている。   If visible light that is abundant in sunlight or indoor light can be used as an energy source for the photocatalyst, the photocatalyst can be used in various places. In response to this, development of a visible light responsive photocatalyst that exhibits photocatalytic activity by irradiation with visible light has been energetically advanced in recent years.

可視光触媒活性を有する光触媒には下記のものがある:
(1)酸化チタン中に窒素を含有させた窒素型(例えば、Chem. Phys. Lett 123 (1986) 126-128;日本化学会誌、1986(8), p.1084、及びWO 01/010552);
(2)酸化チタン中に酸素欠陥を導入した酸素欠陥型(例えば、特開2001−205103号公報);
(3)酸化チタン中に他の金属(イオン)を含有させるか、或いは金属酸化物を組み合わせた金属ドープ型。
Photocatalysts having visible photocatalytic activity include the following:
(1) Nitrogen type in which nitrogen is contained in titanium oxide (for example, Chem. Phys. Lett 123 (1986) 126-128; Journal of the Chemical Society of Japan, 1986 (8), p. 1084, and WO 01/010552);
(2) Oxygen defect type in which oxygen defects are introduced into titanium oxide (for example, JP-A-2001-205103);
(3) A metal dope type in which another metal (ion) is contained in titanium oxide or a metal oxide is combined.

(3)の金属ドープ型の例としては、次に述べるように多様なものが提案されている。
特開平9−262482号公報には、バナジウム又はクロムをイオン注入した酸化チタンが開示されている。
Various examples of the metal-doped type (3) have been proposed as described below.
JP-A-9-262482 discloses titanium oxide in which vanadium or chromium is ion-implanted.

Chem. Commun. 2001, 2718-2719には、V、Cr、Nb、Moなどの遷移金属を含有する、可視光活性を有する酸化チタンが報告されている。
特開2004−43282号公報には、さまざまな金属化合物とチタン化合物とを溶解状態で混合し、水酸化物として共沈させた後、沈殿を焼成することによる、可視光活性を有する酸化チタンの製造方法が開示されている。
Chem. Commun. 2001, 2718-2719 reports titanium oxides having visible light activity, containing transition metals such as V, Cr, Nb, and Mo.
In JP-A-2004-43282, various metal compounds and titanium compounds are mixed in a dissolved state, co-precipitated as hydroxides, and then the precipitates are fired, whereby titanium oxide having visible light activity is obtained. A manufacturing method is disclosed.

特開2004−275999号公報に記載された可視光活性を有する光触媒は、Si、Ti、V、Sn、Sb、W、Nb、Bi、P、Mo、Cs、Ge、As、Ceなどから選ばれた金属化合物を含有する酸化チタンからなる。この光触媒は、酸化チタン又はその前駆体に金属ハロゲン化物を含有するガスを接触させることを含む方法により製造される。   The photocatalyst having visible light activity described in JP-A-2004-275999 is selected from Si, Ti, V, Sn, Sb, W, Nb, Bi, P, Mo, Cs, Ge, As, Ce, and the like. Made of titanium oxide containing a metal compound. This photocatalyst is produced by a method comprising contacting titanium oxide or a precursor thereof with a gas containing a metal halide.

一方、J. Mat. Sci. Lett. 21, 2002, 1655-1656には、ビスマス含有による酸化チタン系光触媒の紫外線活性の増進効果と吸収スペクトルの長波長化についての報告がある。さらに最近、Mat. Lett., 60, 2006, 1296-1305に、酸化チタン、酸化ビスマスの各々前駆体としてそれぞれチタンアルコキシドと塩化ビスマスを液体中で混ぜることによって作製したビスマスを添加した酸化チタンの紫外線による分解活性、超親水性について報告がなされている。
特開2001−205103号公報 特開平9−262482号公報 特開2004−43282号公報 特開2004−275999号公報 WO 01/010552 Chem. Phys. Lett 123 (1986) 126-128 日本化学会誌、1986(8), p.1084 Chem. Commun. 2001, 2718-2719 J. Mat. Sci. Lett. 21, 2002, 1655-1656 Mat. Lett., 60, 2006, 1296-1305
On the other hand, J. Mat. Sci. Lett. 21, 2002, 1655-1656 reports on the effect of enhancing the ultraviolet activity of a titanium oxide photocatalyst containing bismuth and increasing the wavelength of the absorption spectrum. More recently, ultraviolet rays of titanium oxide with addition of bismuth prepared by mixing titanium alkoxide and bismuth chloride in a liquid as a precursor of titanium oxide and bismuth oxide in Mat. Lett., 60, 2006, 1296-1305, respectively. There have been reports on degradation activity and superhydrophilicity.
JP 2001-205103 A JP-A-9-262482 JP 2004-43282 A JP 2004-275999 A WO 01/010552 Chem. Phys. Lett 123 (1986) 126-128 The Chemical Society of Japan, 1986 (8), p.1084 Chem. Commun. 2001, 2718-2719 J. Mat. Sci. Lett. 21, 2002, 1655-1656 Mat. Lett., 60, 2006, 1296-1305

上記の可視光応答性を有する酸化チタン系光触媒は、窒素型、酸素欠陥型、金属ドープ型のいずれも、可視光照射下での活性は高いとはいえない。また、それらには、製造にイオン注入装置やスパッタリング装置が必要なものが多く、量産に向かないという別の問題点もある。   The titanium oxide photocatalyst having visible light responsiveness described above cannot be said to have high activity under visible light irradiation in any of nitrogen type, oxygen defect type and metal dope type. In addition, many of them require an ion implantation apparatus and a sputtering apparatus for manufacturing, and have another problem that they are not suitable for mass production.

本発明は、優れた可視光触媒活性を発現することができる光触媒と、簡便で量産に適したその製造方法とを提供する。   The present invention provides a photocatalyst capable of exhibiting excellent visible photocatalytic activity and a production method thereof that is simple and suitable for mass production.

本発明によれば、表面に特定のビスマス化合物を担持させた酸化チタンからなる可視光応答型光触媒により上記課題が解決される。
本発明に係る可視光応答型光触媒は、下記(1)〜(3)の知見に基づいて完成された。
According to the present invention, the above problem is solved by a visible light responsive photocatalyst made of titanium oxide having a specific bismuth compound supported on the surface.
The visible light responsive photocatalyst according to the present invention has been completed based on the following findings (1) to (3).

(1)好ましくはアナターゼ型結晶を含む酸化チタンの表面にビスマス酸化物を担持し、ビスマスの含有形態が酸化チタンの表面に濃化していること、好ましくはさらに酸化物として含まれるビスマスが混合原子価状態、すなわち一部のビスマスが2価(Bi2+)以下の低次原子価の状態にあり、全体としてBiO(x<1.5)で表される低次酸化物の状態で担持されると、高活性な可視光応答型光触媒となる。 (1) Preferably, bismuth oxide is supported on the surface of titanium oxide containing anatase-type crystals, and the bismuth content is concentrated on the surface of titanium oxide, preferably bismuth contained as an oxide is mixed atoms. The valence state, that is, a part of bismuth is in a low-order valence state of bivalence (Bi 2+ ) or less, and is supported in the state of a low-order oxide expressed as BiO x (x <1.5) as a whole. Then, it becomes a highly active visible light responsive photocatalyst.

(2)それに加えて、珪素、ジルコニウム、アルミニウムなどの他の元素を光触媒が含有、好ましくは母体の酸化チタン中に含有させると極めて高活性な可視光応答型光触媒となる。   (2) In addition, when a photocatalyst contains other elements such as silicon, zirconium, and aluminum, preferably in the base titanium oxide, a highly active visible light responsive photocatalyst is obtained.

(3)上記(1)の可視光応答型光触媒は、酸化チタン又はその固体状前駆体に,BiOX(X=ハロゲンイオン、硝酸イオン、有機酸イオン、水酸化物イオンなどのアニオン)あるいはハロゲン化ビスマスなどのビスマス化合物を混合した後、混合物を焼成することによって簡便に製造される。上記(2)の光触媒を製造するには、酸化チタンに予め珪素、アルミニウム、ジルコニウムなどの元素の化合物を含有させておくか、酸化チタンをビスマス化合物と混合する際に他の元素の化合物も共存させればよい。   (3) The visible light responsive photocatalyst of the above (1) is a titanium oxide or a solid precursor thereof, BiOX (X = anions such as halogen ion, nitrate ion, organic acid ion, hydroxide ion) or halogenated. It is simply manufactured by mixing a bismuth compound such as bismuth and then firing the mixture. In order to produce the photocatalyst of (2) above, the compound of elements such as silicon, aluminum and zirconium is added to titanium oxide in advance, or the compound of other elements coexists when the titanium oxide is mixed with the bismuth compound. You can do it.

既に述べたように、酸化チタンにビスマスを含め金属元素を追加・含有させることにより可視光活性を発現させる報告例は従来もあった。しかし、本発明者らの知る限りにおいて、本発明のように光触媒活性を有する酸化チタン、好ましくはアナターゼ型酸化チタンに対して、ビスマス酸化物を担持し、ビスマスが結果として酸化チタンの表面に濃化され、さらにビスマス酸化物中のビスマスが低次のビスマスを含んだ状態で担持させると優れた可視光応答活性を有する光触媒になるという知見は知られていなかった。   As described above, there has been a report example in which visible light activity is exhibited by adding and including a metal element including bismuth in titanium oxide. However, as far as the present inventors know, bismuth oxide is supported on titanium oxide having photocatalytic activity, preferably anatase type titanium oxide as in the present invention, and bismuth is concentrated on the surface of titanium oxide as a result. Further, there has been no known knowledge that if the bismuth in the bismuth oxide is supported in a state containing low-order bismuth, it becomes a photocatalyst having excellent visible light response activity.

1側面において、本発明は、ビスマス酸化物を表面に担持した酸化チタンからなる可視光応答型光触媒であって、ビスマスが表面に濃化していること、さらに好ましくはビスマス酸化物中のビスマスが混合原子価状態、すなわち低次のビスマスを含有し、全体としてBiO(x<1.5)で表されることを特徴とする酸化チタン系可視光応答型光触媒である。 In one aspect, the present invention is a visible light responsive photocatalyst comprising titanium oxide having a bismuth oxide supported on the surface, wherein bismuth is concentrated on the surface, more preferably bismuth in the bismuth oxide is mixed. It is a titanium oxide-based visible light responsive photocatalyst characterized by containing a valence state, that is, low-order bismuth and represented by BiO x (x <1.5) as a whole.

ここで、「酸化チタン」は、二酸化チタン、酸素欠陥型酸化チタン、並びにTi及びO以外の他の元素(例えば、窒素、炭素、硫黄、他の金属元素)を含有する酸化チタンのいずれであってもよい。他の元素の存在形態としては下記のいずれも可能である:
(1)チタン酸金属塩のように酸化チタンと一定比率で化合して複合酸化物を形成している(他の元素が金属である場合)、
(2)酸化チタン結晶格子のO又はTiの位置を占めるドープ元素として酸化チタン中に含有されている、
(3)酸化チタンと不定比率で微視的に均一に混合されている。
Here, the “titanium oxide” is any of titanium dioxide, oxygen-deficient titanium oxide, and titanium oxide containing elements other than Ti and O (for example, nitrogen, carbon, sulfur, and other metal elements). May be. As the existence form of other elements, any of the following is possible:
(1) Combined with titanium oxide at a certain ratio like metal titanate to form a composite oxide (when other elements are metals),
(2) contained in titanium oxide as a doping element occupying the position of O or Ti in the titanium oxide crystal lattice,
(3) It is microscopically and uniformly mixed with titanium oxide at an indefinite ratio.

ビスマス酸化物を「担持」とは、ビスマス酸化物が酸化チタンの表面に何らかの結合をもって付着していることを意味する。また、ビスマスが表面に濃化しているとは、ビスマスの濃度が酸化チタンの表面において、内部より高くなっていることを意味する。このビスマス酸化物の担持と表面のビスマス濃化は、例えば、酸化チタンのXPSによる表面分析により確認することができる。即ち、XPSにより求めた酸化チタン表面のBi濃度が、その酸化チタンの化学分析により求めた酸化チタン全体のBi濃度より高ければ、ビスマスが表面に濃化され、かつ表面に担持されていることを意味する。本発明では、表面のBi濃度が、Biの化学分析値(これは、酸化チタン全体における平均Bi濃度を示す)より少なくとも2.0倍高い場合に「濃化」という。   “Supporting” bismuth oxide means that the bismuth oxide is attached to the surface of titanium oxide with some bond. Further, the fact that bismuth is concentrated on the surface means that the concentration of bismuth is higher than the inside on the surface of titanium oxide. The supporting of bismuth oxide and the concentration of bismuth on the surface can be confirmed, for example, by surface analysis of titanium oxide by XPS. That is, if the Bi concentration of the titanium oxide surface obtained by XPS is higher than the Bi concentration of the entire titanium oxide obtained by chemical analysis of the titanium oxide, it is confirmed that bismuth is concentrated on the surface and supported on the surface. means. In the present invention, when the surface Bi concentration is at least 2.0 times higher than the chemical analysis value of Bi (which indicates the average Bi concentration in the entire titanium oxide), it is called “concentration”.

本発明では、ビスマスは酸化チタン表面に酸化物として担持され、好ましくはさらにそのビスマスが混合原子価状態、すなわち、全体としてBiO(x<1.5)で表される低次(2価以下)のビスマス酸化物を含む状態である。ビスマスがこの低次酸化物の状態で酸化チタンの表面に担持されていることも、例えば、XPSによる酸化チタンの表面分析により確認できる。 In the present invention, bismuth is supported as an oxide on the surface of titanium oxide, and preferably the bismuth is in a mixed valence state, that is, a low order (bivalent or less) represented by BiO x (x <1.5) as a whole. ) Containing bismuth oxide. The fact that bismuth is supported on the surface of titanium oxide in this low-order oxide state can also be confirmed by surface analysis of titanium oxide by XPS, for example.

「酸化チタン系可視光応答型光触媒」とは、酸化チタンが示す光触媒機能を利用した可視光応答型光触媒であることを意味する。酸化チタンは必ずしも光触媒の主成分でなくてもよい。   “Titanium oxide-based visible light responsive photocatalyst” means a visible light responsive photocatalyst utilizing the photocatalytic function of titanium oxide. Titanium oxide is not necessarily the main component of the photocatalyst.

本発明の可視光応答型光触媒は下記の態様を含む:
・前記ビスマス酸化物が酸化チタンの表面の少なくとも一部を被覆している;
・光触媒中に含まれるBiとTiの原子比(Bi/Ti)が0.001以上、1.0以下である;
・光触媒をXAFS解析した時のビスマス原子の周りの動径分布のピーク比R(第2ピーク/第1ピークの比)が0.4以下である;
・前記動径分布のピーク比Rが0.15以下である;
・光触媒が珪素、ジルコニウム、アルミニウム、タングステン、モリブデン、マグネシウム、ハフニウム、及びホウ素から選ばれる少なくとも1種の元素Mを含有する;
・光触媒中の前記元素Mの含有量(2種以上の元素を含有する場合は合計量)が、Tiに対する原子比(M/Ti)が0.0001以上、1.0未満となる量である;
・前記元素Mが酸化チタン中に含有される;
・酸化チタンが少なくとも部分的に結晶質であり、その結晶の主たる結晶型がアナターゼである。
The visible light responsive photocatalyst of the present invention includes the following embodiments:
The bismuth oxide covers at least part of the surface of the titanium oxide;
The atomic ratio (Bi / Ti) of Bi and Ti contained in the photocatalyst is 0.001 or more and 1.0 or less;
The peak ratio R (the ratio of the second peak / first peak) of the radial distribution around the bismuth atom when the photocatalyst is analyzed by XAFS is 0.4 or less;
The peak ratio R of the radial distribution is 0.15 or less;
The photocatalyst contains at least one element M selected from silicon, zirconium, aluminum, tungsten, molybdenum, magnesium, hafnium, and boron;
The content of the element M in the photocatalyst (the total amount when two or more elements are contained) is such that the atomic ratio (M / Ti) to Ti is 0.0001 or more and less than 1.0. ;
The element M is contained in titanium oxide;
-Titanium oxide is at least partly crystalline and the main crystal form of the crystals is anatase.

元素Mが「酸化チタン中に含有される」とは、元素Mが酸化チタンと分子レベルで混合している、例えば、酸化チタンの結晶構造内外に取り込まれている(例えば、格子点にあるTiにMが置換、結晶粒子界面にMが存在するなど)ことを意味する。一方、光触媒が元素Mを含有するとは、元素Mが上記のように酸化チタン中に含有される場合に加えて、元素Mが酸化チタンと物理的な混合状態である場合や、元素Mが酸化チタンの表面を被覆しているか、表面に担持されている場合も含む。   The element M is “contained in titanium oxide” means that the element M is mixed with titanium oxide at a molecular level, for example, incorporated into the crystal structure of titanium oxide (for example, Ti at a lattice point). M is substituted, M is present at the crystal grain interface, etc.). On the other hand, the photocatalyst contains the element M when the element M is contained in the titanium oxide as described above, or when the element M is in a physically mixed state with the titanium oxide, or when the element M is oxidized. This includes cases where the surface of titanium is coated or supported on the surface.

別の側面から、本発明は、酸化チタン又はその固体状前駆体をビスマス化合物と、好ましくはBi/Tiの原子比が0.001〜1.0以下となる割合で混合する工程と、得られた混合物を焼成して表面に前記ビスマス酸化物が担持された酸化チタンを得る焼成工程とを含むことを特徴する前記酸化チタン系可視光応答型光触媒の製造方法である。   From another aspect, the present invention provides a step of mixing titanium oxide or a solid precursor thereof with a bismuth compound, preferably at a ratio such that the Bi / Ti atomic ratio is 0.001 to 1.0 or less. And firing the mixture to obtain titanium oxide having the bismuth oxide supported on the surface thereof. The method for producing the titanium oxide-based visible light responsive photocatalyst is characterized by comprising:

この製造方法は下記の態様を含む:
・前記焼成工程を、焼成で得られた生成物のX線回折パターンにおいてアナターゼ型酸化チタンが主になっている段階で停止する;
・前記焼成工程における焼成温度が50〜800℃である;
・ビスマス化合物がBiOX(X=ハロゲンイオン、硝酸イオン、水酸化イオン、有機イオン)、ハロゲン化ビスマス、硝酸ビスマス、硫酸ビスマス、及び硫化ビスマスから選ばれる少なくとも1種である;
・酸化チタン又はその固体状前駆体が珪素、ジルコニウム、アルミニウム、タングステン、モリブデン、マグネシウム、ハフニウム及びホウ素から選ばれる少なくとも1種の元素Mを含有する;
・混合工程において、酸化チタン又はその固体状前駆体とビスマス化合物に加えて、珪素化合物、ジルコニウム化合物、アルミニウム化合物、タングステン化合物、モリブデン化合物、マグネシウム化合物、ハフニウム化合物及びホウ素化合物から選ばれる少なくとも1種の化合物を混合する;
・混合される化合物のうち少なくとも1つが分散液状態の酸化物である。
This manufacturing method includes the following embodiments:
The firing step is stopped at the stage where the anatase-type titanium oxide is predominant in the X-ray diffraction pattern of the product obtained by firing;
-The baking temperature in the said baking process is 50-800 degreeC;
The bismuth compound is at least one selected from BiOX (X = halogen ion, nitrate ion, hydroxide ion, organic ion), bismuth halide, bismuth nitrate, bismuth sulfate, and bismuth sulfide;
The titanium oxide or its solid precursor contains at least one element M selected from silicon, zirconium, aluminum, tungsten, molybdenum, magnesium, hafnium and boron;
In the mixing step, in addition to titanium oxide or its solid precursor and bismuth compound, at least one selected from silicon compounds, zirconium compounds, aluminum compounds, tungsten compounds, molybdenum compounds, magnesium compounds, hafnium compounds and boron compounds Mixing the compounds;
-At least one of the compounds to be mixed is an oxide in a dispersion state.

本発明はさらに下記の多様な形態を包含する:
・基材の表面に上記可視光応答型光触媒を有することを特徴とする、光触媒機能部材。
・液体媒質中に分散状態の酸化チタンと分散又は溶解状態のビスマス化合物とを含むことを特徴とする、可視光応答型光触媒形成用分散液。
The present invention further encompasses the following various forms:
A photocatalytic functional member having the visible light responsive photocatalyst on the surface of a substrate.
A dispersion for forming a visible light responsive photocatalyst, characterized by containing a dispersed titanium oxide and a dispersed or dissolved bismuth compound in a liquid medium.

・液体媒質中に分散した上記可視光応答型光触媒を含有することを特徴とする、光触媒分散液。
・液体媒質中に分散状態の酸化チタンとそれぞれ分散又は溶解状態のビスマス化合物及びバインダーとを含むことを特徴とする、可視光応答型光触媒コーティング液。
A photocatalyst dispersion liquid comprising the visible light responsive photocatalyst dispersed in a liquid medium.
A visible light responsive photocatalytic coating liquid characterized by containing a dispersed titanium oxide, a dispersed or dissolved bismuth compound and a binder in a liquid medium.

・液体媒質中に上記可視光応答型光触媒とバインダーとを含有し、光触媒の含有量が不揮発分の合計量に基づいて5〜95質量%であることを特徴とする、可視光応答型光触媒コーティング液。   A visible light responsive photocatalyst coating comprising the visible light responsive photocatalyst and a binder in a liquid medium, wherein the content of the photocatalyst is 5 to 95% by mass based on the total amount of nonvolatile components. liquid.

・前記分散液又は前記コーティング液を基材に塗布した後、熱処理を施すことを特徴とする、光触媒機能部材の製造方法。
・ビスマス化合物からなることを特徴とする、酸化チタン系光触媒の可視光応答活性増進剤。
-The manufacturing method of the photocatalyst functional member characterized by performing heat processing, after apply | coating the said dispersion liquid or the said coating liquid to a base material.
A visible light responsive activity enhancer for a titanium oxide photocatalyst, characterized by comprising a bismuth compound.

本発明によれば、好ましくはアナターゼ結晶を少なくとも部分的に含む酸化チタンの表面に、ビスマス酸化物を担持することにより、それを酸化チタンの表面に濃化させ、さらに好ましくは酸化物として含まれるビスマスが混合原子価状態にある、すなわち一部のビスマスが2価(Bi2+)以下の低次の状態にあり、全体としてBiO(x<1.5)で表される酸化物の状態で酸化チタンにビスマスを担持させることによって、優れた可視光応答性を有する可視光応答型光触媒を確実に提供することが可能となる。 According to the present invention, the bismuth oxide is supported on the surface of the titanium oxide, preferably at least partially containing anatase crystals, thereby concentrating it on the surface of the titanium oxide, and more preferably included as an oxide. Bismuth is in a mixed valence state, that is, a part of bismuth is in a low-order state less than divalent (Bi 2+ ) and is an oxide state represented by BiO x (x <1.5) as a whole By allowing bismuth to be supported on titanium oxide, a visible light responsive photocatalyst having excellent visible light response can be reliably provided.

原料の酸化チタンは、可視光応答性を有していない、例えば、アナターゼ型酸化チタンであってもよい。その場合でも、本発明により高い可視光活性を有する可視光応答型光触媒が得られる。原料がもともと可視光応答性を有する酸化チタンである場合には、本発明によってその可視光触媒活性を著しく高めることができる。   The raw material titanium oxide may not be visible light responsiveness, for example, anatase type titanium oxide. Even in that case, a visible light responsive photocatalyst having high visible light activity can be obtained by the present invention. When the raw material is originally titanium oxide having visible light responsiveness, the visible light catalytic activity can be remarkably enhanced by the present invention.

本発明に係る可視光応答型光触媒は、少なくとも紫外線に応答して光触媒活性を有する酸化チタンの表面に酸化物状態のビスマスを、表面に濃化するように担持させたものであり、それにより光触媒は可視光応答性を獲得する。光触媒中のビスマス酸化物の全てが酸化チタンに担持(すなわち、表面に付着)している必要はなく、一部のビスマス酸化物は担持されずに酸化チタンと単に混合状態で存在していてもよく、あるいは酸化チタン中に含有されていてもよい。しかし、ビスマスは酸化物として酸化チタンの表面に濃化している必要がある。好ましくは、ビスマスは酸化物として酸化チタンの表面の少なくとも一部を被覆している。   The visible light responsive photocatalyst according to the present invention is one in which bismuth in an oxide state is supported on a surface of titanium oxide having photocatalytic activity in response to at least ultraviolet rays so that the surface is concentrated. Gains visible light responsiveness. It is not necessary for all of the bismuth oxide in the photocatalyst to be supported on titanium oxide (that is, to adhere to the surface), and some bismuth oxide is not supported but may be present in a mixed state with titanium oxide. Alternatively, it may be contained in titanium oxide. However, bismuth needs to be concentrated on the surface of titanium oxide as an oxide. Preferably, bismuth coats at least a part of the surface of titanium oxide as an oxide.

本発明の可視光応答型光触媒が可視光活性(可視光応答性)を発現する機構は現時点では不明であるが、酸化チタンとその表面に濃化したビスマスの酸化物、好ましくは低次ビスマスを含む酸化物(BiO:x<1.5)との相互作用によって生まれた新たな遷移として可視光が吸収され、生成したキャリアが酸化チタン(好ましくはアナターゼ)と低次ビスマス酸化物の関与によって効果的に電荷分離され、可視光活性が発現あるいは強化されるものと考えられる。 Although the mechanism by which the visible light responsive photocatalyst of the present invention exhibits visible light activity (visible light responsiveness) is not known at present, titanium oxide and bismuth oxide concentrated on its surface, preferably low-order bismuth, are used. Visible light is absorbed as a new transition generated by the interaction with the oxide containing (BiO x : x <1.5), and the generated carrier is involved by the involvement of titanium oxide (preferably anatase) and low-order bismuth oxide. It is considered that the charge is effectively separated and the visible light activity is expressed or enhanced.

酸化チタンとしては様々な物質が利用可能である。しかし、アナターゼ構造を有する結晶質酸化チタンを少なくとも部分的に含む酸化チタンであることが、触媒活性の面から好ましい。好ましくはアナターゼ型の酸化チタンに、窒素、フッ素、水素、炭素、遷移金属、硫黄などをドープすることにより可視光応答性を付与したものも利用できる。中でも、窒素ドープ(窒素の含有)により可視光応答性を付与したアナターゼ型酸化チタンを用いると、高い可視光触媒性能が得られるので好ましい。可視光応答性を有しない通常の酸化チタンでも、あるいは可視光応答型光触媒特性を示す酸化チタンの場合でも、本発明の従って酸化チタン表面に、ビスマスが濃化するように、好ましくは低次ビスマスを含んだ酸化物の形で担持させることにより、高い可視光活性を有する光触媒が得られる。   Various substances can be used as titanium oxide. However, a titanium oxide that at least partially contains crystalline titanium oxide having an anatase structure is preferable from the viewpoint of catalytic activity. Preferably, anatase-type titanium oxide provided with visible light responsiveness by doping nitrogen, fluorine, hydrogen, carbon, transition metal, sulfur or the like can also be used. Among these, it is preferable to use anatase-type titanium oxide imparted with visible light responsiveness by nitrogen doping (containing nitrogen) because high visible light catalytic performance can be obtained. Even in the case of ordinary titanium oxide having no visible light responsiveness or titanium oxide exhibiting visible light responsive photocatalytic properties, it is preferable that low-order bismuth be added so that bismuth is concentrated on the surface of titanium oxide according to the present invention. A photocatalyst having high visible light activity can be obtained by supporting it in the form of an oxide containing.

酸化チタンに担持させたビスマス酸化物の詳細な構造はまだ不明である。XAFS(X線吸収微細構造)による構造解析から、ビスマスは酸化チタンと新たな化合物を部分的には作っている可能性もあると思われる。しかし、ビスマスが微細な酸化物微粒子として酸化チタンの表面に担持された状態が好ましいことが判明した。ビスマス酸化物は、XPSなどによる表面分析から、ビスマスイオンは通常の三価(Bi3+)だけでなく、低次の二価(Bi2+)、一価(Bi)、零価(Bi0)を含む混合原子価状態、すなわち全体として低次の酸化物(BiO:x<1.5)になっており、ビスマスの周りに酸素欠損が存在している可能性が示唆される結果を得ている。また、ビスマスはバルクの酸化チタンに対して影響をほとんど与えることがなく、酸化チタンは元の結晶構造(例、アナターゼ)を維持している。 The detailed structure of the bismuth oxide supported on titanium oxide is still unclear. From the structural analysis by XAFS (X-ray absorption fine structure), it seems that bismuth may partially make a new compound with titanium oxide. However, it has been found that a state in which bismuth is supported on the surface of titanium oxide as fine oxide particles is preferable. Bismuth oxide is not only trivalent (Bi 3+ ) but also low-order divalent (Bi 2+ ), monovalent (Bi 1 ), and zero valence (Bi) from surface analysis by XPS and the like. 0 )), that is, a low-order oxide (BiO x : x <1.5) as a whole, and the result suggesting the possibility that oxygen vacancies exist around bismuth Have gained. Bismuth hardly affects bulk titanium oxide, and the titanium oxide maintains the original crystal structure (eg, anatase).

各種元素分析から、本触媒では酸化物として担持されるビスマスの酸化チタン中のビスマス濃度はバルクより表面の方が圧倒的に高いことが分かっており、ビスマスは、酸化チタン骨格など内部に入ることなく、表面に酸化物状態で濃化している。これは酸化チタン表面のOH基がビスマス酸化物の存在により減少するというFT−IRの結果とも一致している。表面に多く存在する(高濃度の)ビスマスの酸化物とアナターゼ酸化チタンの相互作用は強くなり、新たな可視光吸収遷移が生まれる。可視光吸収後は、もともと電荷分離効率の高いアナターゼ結晶とビスマスの低次酸化物間で効率よくキャリアの移動が起こり、その結果高い可視光活性が得られる物と考えられる。   From various elemental analyzes, it is known that the bismuth concentration in titanium oxide of bismuth supported as an oxide in this catalyst is overwhelmingly higher on the surface than on the bulk. The surface is concentrated in an oxide state. This is consistent with the FT-IR result that OH groups on the surface of titanium oxide are reduced by the presence of bismuth oxide. The interaction between bismuth oxide (high concentration) present on the surface and anatase titanium oxide is strengthened, and a new visible light absorption transition occurs. After absorption of visible light, it is thought that carriers are efficiently transferred between an anatase crystal having high charge separation efficiency and a low-order oxide of bismuth, and as a result, high visible light activity can be obtained.

BiOX(Xは硝酸イオン、塩素イオン、水酸基イオンなどのアニオン)やハロゲン化ビスマス、硝酸ビスマスで表されるビスマス化合物を酸化チタン或いは固体状前駆体と接触させ、必要に応じて熱処理を加えることにより酸化チタンに担持されたビスマス酸化物が、最も効果が大きいことがわかっている。   By contacting BiOX (X is an anion such as nitrate ion, chlorine ion, hydroxyl ion, etc.), bismuth halide, bismuth nitrate with titanium oxide or a solid precursor, and applying heat treatment as necessary Bismuth oxide supported on titanium oxide has been found to be most effective.

本発明の可視光応答型光触媒では、もともと酸化チタン中に珪素、アルミニウム、ジルコニウムなどの少なくとも1種の元素Mを含有させると、理想の構造をとりやすくなるので、より優れた可視光活性と高い性能安定性がもたらされる。元素Mの役割は多数考えられ、一つは酸化チタンの焼成時における、結晶転移を抑制し、もともとの結晶構造、好ましくはアナターゼ構造を維持するとともに、酸化チタンの比表面積を高く維持することである。一方、酸化チタンに含有されることで、表面状態を変化させ、表面濡れ性を上げ、さらに固体酸点を増やす。これらによって製造時にビスマス化合物が酸化チタン(表面)と反応しやすくなって、ビスマス化合物から微細なビスマス酸化物、さらには部分的に酸化チタン表面と結合した低配位構造などの低次酸化状態のビスマス酸化物への変化が促進される。   In the visible light responsive photocatalyst of the present invention, when at least one element M such as silicon, aluminum, zirconium or the like is originally contained in titanium oxide, an ideal structure can be easily obtained, and therefore, more excellent visible light activity and higher Performance stability is provided. There are many possible roles for element M. One is to suppress the crystal transition during the firing of titanium oxide, maintain the original crystal structure, preferably the anatase structure, and maintain a high specific surface area of titanium oxide. is there. On the other hand, by being contained in titanium oxide, the surface state is changed, the surface wettability is increased, and the solid acid point is further increased. These make it easier for the bismuth compound to react with the titanium oxide (surface) during production, and the low-order oxidation state such as a low-coordinate structure in which the bismuth compound is finely bonded to the surface of the titanium oxide. The change to bismuth oxide is promoted.

さらに重要な知見として、酸化チタンにビスマス化合物を担持させた後の可視光吸収は、元素Mの含有が無いか、或いは適正範囲外の場合は、かなり長波長にまで強くなることが多い。これに対して、酸化チタンに予め適正範囲の量の元素Mを含有させておくと、ビスマス化合物担持後の可視光吸収は、比較的短波長側に位置し、強度もさほど強くない。これらのことから、酸化チタン中の元素Mの主な役割は、酸化チタンとビスマス化合物との間の固体反応(例えば酸化チタン格子中へのビスマスの取り込みなど)の抑制にも効いていると思われる。   Furthermore, as an important finding, visible light absorption after supporting a bismuth compound on titanium oxide often increases to a considerably long wavelength when the element M is not contained or is outside the proper range. On the other hand, if the titanium oxide contains an element M in an appropriate range in advance, the visible light absorption after supporting the bismuth compound is located on the relatively short wavelength side and the intensity is not so strong. From these facts, it seems that the main role of the element M in the titanium oxide is also effective in suppressing the solid reaction between the titanium oxide and the bismuth compound (for example, incorporation of bismuth into the titanium oxide lattice). It is.

ビスマス化合物による可視光応答型光触媒活性の増強について、本発明者らはさらに下記の知見を得た。
ビスマスを含有する酸化チタンからなる可視光応答型光触媒の活性は、酸化チタン中に含まれるビスマスの構造に関係し、XAFS(X線吸収微細構造)解析で明らかにされる酸化チタン中に含まれるビスマスの原子の並び方、即ち、原子相関に応じて活性が変化する。具体的には、光触媒をXAFS解析した時のビスマス原子の周りの動径分布のピーク比R(第2ピーク/第1ピーク)が0.4以下であると可視光活性が高くなる。動径分布のピーク比Rは好ましくは0.15以下である。ビスマス酸化物が酸化チタン表面に2層以上あれば存在すると考えられる第2ピークが小さいことは、ビスマス酸化物(BiO:x<1.5)が酸化チタン表面にモノレイヤーに近い状態で担持されていることを意味する。
Regarding the enhancement of the visible light responsive photocatalytic activity by the bismuth compound, the present inventors have further obtained the following findings.
The activity of a visible light responsive photocatalyst composed of titanium oxide containing bismuth is related to the structure of bismuth contained in titanium oxide, and is contained in titanium oxide revealed by XAFS (X-ray absorption fine structure) analysis. The activity changes according to the arrangement of atoms of bismuth, that is, the atomic correlation. Specifically, when the peak ratio R (second peak / first peak) of the radial distribution around the bismuth atom when the XAFS analysis of the photocatalyst is 0.4 or less, the visible light activity increases. The peak ratio R of the radial distribution is preferably 0.15 or less. The small second peak that is considered to exist if there are two or more layers of bismuth oxide on the titanium oxide surface is that bismuth oxide (BiO x : x <1.5) is supported on the titanium oxide surface in a state close to a monolayer. Means that

好適態様において、本発明の可視光応答型光触媒は、アナターゼ型結晶を含んだ酸化チタン(又はその固体状前駆体)を原料とし、これにビスマス酸化物を担持させたものである。酸化チタン中のビスマスが酸化チタンの表面に濃化していること、さらに好ましくは酸化物として含まれるビスマスが混合原子価状態にある、すなわち2価(Bi2+)以下の低次のビスマスを含有し、全体としてBiO(x<1.5)で表される低次酸化物の状態で担持させることが重要である。 In a preferred embodiment, the visible light responsive photocatalyst of the present invention is obtained by using titanium oxide (or a solid precursor thereof) containing anatase crystal as a raw material and supporting bismuth oxide thereon. Bismuth in titanium oxide is concentrated on the surface of titanium oxide, and more preferably, bismuth contained as an oxide is in a mixed valence state, that is, it contains low-order bismuth (Bi 2+ ) or less. However, it is important to support in a low-order oxide state represented by BiO x (x <1.5) as a whole.

担持状態は、低次ビスマス酸化物がアナターゼ型酸化チタン表面に微粒子状で付着もしくは表面に配位した状態、あるいは酸化チタン表面を被覆もしくはモノレイヤー状での被覆等が可能である。好ましい担持は、低次のビスマスを含んだビスマス酸化物が、酸化チタンの少なくとも一部を被覆した状態である。担持されたビスマス酸化物と酸化チタンとの界面付近には部分的には固溶や新たな化合物の生成などが生じていてもよい。酸化チタンの表面にビスマス酸化物が担持されていること、さらにビスマス酸化物で被覆されていることは、SEM(走査型電子顕微鏡)、FT−IR(フーリエ変換赤外分光光度法)、各種吸脱着熱分析(例えば、アンモニアTPD<昇温脱離ガス分析>法、BAT法<ベンズアルデヒドーアンモニア滴定法>)などによって確認することができる。   The supported state can be a state in which the low-order bismuth oxide is adhered to the surface of the anatase-type titanium oxide in the form of fine particles or is coordinated on the surface, or the surface of the titanium oxide is coated or monolayered. A preferable support is a state in which a bismuth oxide containing low-order bismuth coats at least a part of titanium oxide. In the vicinity of the interface between the supported bismuth oxide and titanium oxide, solid solution or generation of a new compound may partially occur. The fact that bismuth oxide is supported on the surface of titanium oxide and that it is coated with bismuth oxide means that SEM (scanning electron microscope), FT-IR (Fourier transform infrared spectrophotometry), various absorptions. It can be confirmed by desorption heat analysis (for example, ammonia TPD <temperature-programmed desorption gas analysis> method, BAT method <benzaldehyde-ammonia titration method>).

ビスマス酸化物として酸化チタン表面に担持するビスマスは、酸化チタン内部よりその表面に多く存在、すなわち、表面に濃化させる必要がある。ビスマスの濃化は、ビスマス化合物を酸化チタンとその表面に拡散するように混合し、表面と選択的に反応させる(バルクとの反応は避ける)ことによって最も簡単に達成することができる。   More bismuth supported on the surface of titanium oxide as bismuth oxide is present on the surface than inside titanium oxide, that is, it is necessary to concentrate on the surface. Concentration of bismuth can be most easily achieved by mixing a bismuth compound with titanium oxide so that it diffuses to the surface and selectively reacting with the surface (avoid reaction with the bulk).

このビスマスの表面濃化については、XPSによって求めた極表層(深さ数nm以下)のビスマス含有量を、触媒粒子全体のビスマス濃度を示す酸化チタンの化学分析により求めたビスマス含有量と比較することによって確認することができる。化学分析とは触媒をいったん溶解させ、その溶液に含まれるイオン量を測定する方法であり、分析にはICP−MASSや発光分析などを用いる。化学分析の代わりに、スパッタリング又はエッチングによって酸化チタンの表層を削った後(SiO2換算で10nm以上、好ましくは20nm以上)でXPSにより求めたビスマス含有量を比較の対象としてもよい。或いは、後述するように、場合によっては、Biの仕込み量で酸化チタン中のNi量を近似させることもできる。 Regarding the surface concentration of bismuth, the bismuth content of the extreme surface layer (depth of several nm or less) obtained by XPS is compared with the bismuth content obtained by chemical analysis of titanium oxide indicating the bismuth concentration of the entire catalyst particles. Can be confirmed. Chemical analysis is a method in which a catalyst is once dissolved and the amount of ions contained in the solution is measured. ICP-MASS, luminescence analysis, or the like is used for the analysis. Instead of chemical analysis, the bismuth content obtained by XPS after scraping the surface layer of titanium oxide by sputtering or etching (10 nm or more, preferably 20 nm or more in terms of SiO 2 ) may be used for comparison. Alternatively, as will be described later, in some cases, the amount of Ni in the titanium oxide can be approximated by the amount of Bi charged.

本発明の光触媒では、XPSで測定される酸化チタン表層のビスマス濃度が、スパッタリングなどにより表層を除去した後で測定される深部のビスマス濃度又は化学分析で測定したビスマス濃度より高い。具体的にはXPSで定量分析されるビスマス表層濃度(at%)が化学分析値の2倍以上である。スパッタリングなどで表層を削除した場合の濃度と較べる場合は、少なくとも20nm以上の厚みの表層を除去した後で測定した濃度を使うこととし、表層のビスマス濃度がスパッタリング後の濃度の1.5倍以上、好ましくは2倍以上であればよい。   In the photocatalyst of the present invention, the bismuth concentration of the titanium oxide surface layer measured by XPS is higher than the bismuth concentration of the deep portion measured after removing the surface layer by sputtering or the like or the bismuth concentration measured by chemical analysis. Specifically, the bismuth surface layer concentration (at%) quantitatively analyzed by XPS is twice or more the chemical analysis value. When compared with the concentration when the surface layer is removed by sputtering or the like, the concentration measured after removing the surface layer with a thickness of at least 20 nm is used, and the bismuth concentration of the surface layer is 1.5 times or more of the concentration after sputtering. Preferably, it may be twice or more.

ビスマス酸化物は、Bi−Oなる結合を有していればよいが、ビスマスが混合原子価状態にある、すなわち2価(Bi2+)以下の低次のビスマスを含有し、全体としてBiO(x<1.5)で表される低次酸化物を含む状態で担持させることが好ましい。具体的には超微粒子状、酸素欠損や不飽和結合を有するもの、あるいは酸化チタンの表面に配位した構造を持ったものなどが挙げられる。Bi3+からなるビスマス化合物、たとえば酸化ビスマス(Bi)、チタン酸ビスマス(BiTi12)やビスマスオキシ酸化物(BiOX、X=ハロゲンイオン、硝酸イオンなどの酸アニオン、水酸化物イオン、有機酸イオン)などが部分的に含まれていてもよく、酸化チタン表面に存在するビスマス酸化物の全体として、BiO:x<1.5で表されればよい。 The bismuth oxide only needs to have a bond of Bi—O, but bismuth is in a mixed valence state, that is, contains low-order bismuth less than divalent (Bi 2+ ), and BiO x as a whole. It is preferable to carry in a state containing a low-order oxide represented by (x <1.5). Specific examples include ultrafine particles, those having oxygen vacancies and unsaturated bonds, and those having a structure coordinated on the surface of titanium oxide. Bismuth compounds composed of Bi 3+ , for example, bismuth oxide (Bi 2 O 3 ), bismuth titanate (Bi 3 Ti 4 O 12 ), bismuth oxyoxide (BiOX, X = acid anions such as halogen ions and nitrate ions), water Oxide ions, organic acid ions) and the like may be partially included, and the bismuth oxide existing on the titanium oxide surface may be represented by BiO x : x <1.5.

最も簡単にBiO(x<1.5)を判断するには、本発明の酸化チタン系光触媒のXPS分析により得られたBi−4f内殻準位スペクトル図が、
(a)165〜162.5eV及び159.7〜157.2eV、
(b)163〜161eV及び157.7〜155.7eV、ならびに
(c)162.5〜160eV及び157.2〜154.7eV、
の各範囲に位置する3組の対ピークのうちの少なくとも2組の対ピークを有することが好ましい。
In order to determine BiO x (x <1.5) most simply, the Bi-4f core level spectrum obtained by XPS analysis of the titanium oxide photocatalyst of the present invention is
(A) 165 to 162.5 eV and 159.7 to 157.2 eV,
(B) 163-161 eV and 157.7-155.7 eV, and (c) 162.5-160 eV and 157.2-154.7 eV,
It is preferable to have at least two pairs of peak pairs out of the three pairs of peaks located in each range.

Journal of Electron Spectroscopy and Related Phenomena, 25 (1982) 181-189によると、酸化チタン系光触媒のBi−4f内殻準位に基づくXPSスペクトル図において、(a)165〜162.5eV及び159.7〜157.2eVの各範囲に位置するピークは、Bi3+(Bi)のそれぞれBi−4f 5/2状態及びBi−4f 7/2状態に帰属され、(c)162.5〜160eV及び157.2〜154.7eVの各範囲に位置するピークは、Bi(金属Bi)のそれぞれBi−4f 5/2状態及びBi−4f 7/2状態に帰属される。また、上記文献に加えて、Chemistry of Materials, 8 (1996), p.1287-1291によると、(b)163〜161eV及び157.7〜155.7eVの各範囲に位置するピークはBi2+(BiO)のそれぞれBi−4f 5/2状態及びBi−4f 7/2状態に帰属される。これからわかるように、各組におけるBi−4f 5/2状態とBi−4f 7/2状態の対ピークのエネルギー差は5.3(±0.1)eVである。 According to Journal of Electron Spectroscopy and Related Phenomena, 25 (1982) 181-189, in the XPS spectrum diagram based on the Bi-4f core level of the titanium oxide photocatalyst, (a) 165 to 162.5 eV and 159.7 to The peaks located in each range of 157.2 eV are attributed to the Bi-4f 5/2 state and Bi-4f 7/2 state of Bi 3+ (Bi 2 O 3 ), respectively (c) 162.5 to 160 eV and The peaks located in the respective ranges of 157.2 to 154.7 eV are attributed to the Bi-4f 5/2 state and the Bi-4f 7/2 state of Bi 0 (metal Bi), respectively. According to Chemistry of Materials, 8 (1996), p.1287-1291, in addition to the above documents, (b) peaks located in the ranges of 163 to 161 eV and 157.7 to 155.7 eV are represented by Bi 2+ ( Are attributed to the Bi-4f 5/2 and Bi-4f 7/2 states, respectively. As can be seen, the energy difference between the Bi-4f 5/2 state and the Bi-4f 7/2 state in each pair is 5.3 (± 0.1) eV.

したがって、上記XPSスペクトル図が上記(a)〜(c)の各範囲に位置する3組の対ピークのうち少なくとも2組の対ピークを有するということは、本発明の酸化チタン系光触媒において、酸化チタン中に含まれるビスマスが、通常の3価ビスマス(Bi3+)だけでなく、少なくとも部分的に2価(Bi2+)及び/又は0価(Bi)の状態、つまり、3価に比べて低次(低原子価)の状態で存在していることを意味する。この低次ビスマスの状態になると、優れた可視光触媒性能が発現されるものと推測される。 Accordingly, the fact that the XPS spectrum diagram has at least two pairs of peaks among the three pairs of peaks located in the ranges of (a) to (c) above indicates that oxidation in the titanium oxide photocatalyst of the present invention The bismuth contained in titanium is not only trivalent bismuth (Bi 3+ ) but also at least partially divalent (Bi 2+ ) and / or zero valent (Bi 0 ), that is, compared to trivalent. It means that it exists in a low order (low valence) state. In this low-order bismuth state, it is presumed that excellent visible light catalytic performance is exhibited.

さらに前記スペクトル図は、より好ましくは、次のいずれかである:
(1)前記(a)、(b)及び(c)の3組の対ピークを有する;
(2)前記(a)、(b)、(c)の各組の対ピークの合計面積をそれぞれa,b,cとして、(b+c)/aのピーク面積比の値が0.15以上である;
本発明の可視光応答型光触媒は、珪素、ゲルマニウム、ホウ素、アルミニウム、ガリウム、インジウム、亜鉛、リチウム、ナトリウムカリウム、セシウム、ルビジウム、マグネシウム、スカンジウム、ジルコニウム、ハフニウム、ニオブ、タンタル、バリウム、ストロンチウム、カルシウム、タングステンから選ばれる少なくとも1種の他の元素を含んでいると、可視光触媒活性が向上する。
Further, the spectral diagram is more preferably one of the following:
(1) having three pairs of peaks of (a), (b) and (c);
(2) The total area of the pairs of peaks in each of the groups (a), (b), and (c) is a, b, and c, respectively, and the value of the peak area ratio of (b + c) / a is 0.15 or more. is there;
The visible light responsive photocatalyst of the present invention includes silicon, germanium, boron, aluminum, gallium, indium, zinc, lithium, sodium potassium, cesium, rubidium, magnesium, scandium, zirconium, hafnium, niobium, tantalum, barium, strontium, calcium When at least one other element selected from tungsten is contained, the visible light catalytic activity is improved.

これらの元素は、酸化チタンのアナターゼ構造を維持し、その比表面積を非添加時に比べて高く維持する特徴を有する。また酸化チタン表面の濡れ性を高めたり、あるいは表面に固体酸点を提供するという作用を果たすこともできる。特にM添加によって強さ、量とも強化された固体酸点によって酸化チタン表面においてビスマス化合物が分解されやすくなり、微細な低次のビスマス酸化物(BiO:x<1.5)の状態になりやすくなると考えられる。また、光触媒の製造中の焼成工程において、低温でも微細化が進むため、酸化チタンの基本結晶構造内にBiが必要以上に取り込まれにくく、高い活性が維持でききる効果もある。 These elements have the characteristics of maintaining the anatase structure of titanium oxide and maintaining its specific surface area higher than when it is not added. In addition, the wettability of the titanium oxide surface can be increased, or the surface can be provided with a solid acid point. In particular, bismuth compounds are easily decomposed on the surface of titanium oxide due to solid acid sites strengthened both in strength and in quantity by adding M, resulting in a state of fine low-order bismuth oxide (BiO x : x <1.5). It will be easier. Further, in the firing step during the production of the photocatalyst, miniaturization proceeds even at a low temperature, so that Bi is not easily incorporated into the basic crystal structure of titanium oxide more than necessary, and there is an effect that high activity can be maintained.

中でも、珪素、ジルコニウム、アルミニウム、タングステン、モリブデン、マグネシウム、ハフニウム、及びホウ素が、より高い活性を生ずることから好ましい。従って、好ましい可視光応答型光触媒はこれらの少なくとも1種の元素を含有する。   Among these, silicon, zirconium, aluminum, tungsten, molybdenum, magnesium, hafnium, and boron are preferable because of higher activity. Accordingly, preferred visible light responsive photocatalysts contain at least one of these elements.

他の元素(M)の光触媒中の存在形態は、酸化チタンに酸化物として担持(表面への付着もしくは被覆)と、酸化チタン中への含有のいずれであってもよい。酸化チタン中への含有は、酸化チタンのTiネットワークの金属置換と、酸化チタンとの化合による複合酸化物の形成、のいずれであってもよい。また、担持後に上記金属元素がビスマス化合物中に移行し、含有されるようになってもよい。ただし、より高い活性を得るには、これらの元素が酸化チタン中に含有されることが好ましい。酸化チタン中に含有させる元素については、活性面、コスト面、取り扱いやすさなどから、珪素が最も好ましい。   The existence form of the other element (M) in the photocatalyst may be either supported on the titanium oxide as an oxide (attached to the surface or coated) or contained in the titanium oxide. The inclusion in titanium oxide may be either metal substitution of the Ti network of titanium oxide or formation of a composite oxide by combination with titanium oxide. Further, the metal element may be transferred into the bismuth compound after being supported. However, in order to obtain higher activity, these elements are preferably contained in titanium oxide. The element contained in the titanium oxide is most preferably silicon from the viewpoints of the active surface, cost, and ease of handling.

本発明の可視光応答型光触媒における酸化チタンとしては、アナターゼ構造をとる酸化チタンが少なくとも一部含まれていることが非常に好ましい。二酸化チタン(TiO)並びにチタン酸ストロンチウムなどのTiOユニットを持つ酸化チタンが利用できる。二酸化チタン(TiO)の場合、アナターゼ型に加え、ルチル型結晶、ブルッカイト型結晶や非晶質部分が含まれていても良い。酸化チタンの結晶形はX線回折パターンにより確認することができる。 It is very preferable that the titanium oxide in the visible light responsive photocatalyst of the present invention contains at least a part of titanium oxide having an anatase structure. Titanium dioxide having a TiO 3 unit such as titanium dioxide (TiO 2 ) and strontium titanate can be used. In the case of titanium dioxide (TiO 2 ), in addition to the anatase type, a rutile type crystal, a brookite type crystal or an amorphous part may be contained. The crystal form of titanium oxide can be confirmed by an X-ray diffraction pattern.

アナターゼ型酸化チタンのように、本来紫外線しか吸収できないものについては、窒素、フッ素、水素、硫黄、炭素、水素、ビスマス、及び鉄、バナジウム、クロムなどの遷移金属、さらに白金化合物や銀化合物などの貴金属から選ばれる少なくとも一つの元素をドープすることによって可視光応答性を付与した、可視光応答性の酸化チタンとしても良い。母体の酸化チタンに予め可視光応答性を付与しておくと、ビスマス酸化物担持によって、大幅に可視光活性が向上することがある。ドープ量はドープ元素の種類によって異なるが、可視光応答性を付与できる限り、ドープ量及びドープ方法は特に限定されない。   For those that can only absorb ultraviolet rays, such as anatase type titanium oxide, nitrogen, fluorine, hydrogen, sulfur, carbon, hydrogen, bismuth, transition metals such as iron, vanadium, chromium, platinum compounds, silver compounds, etc. Visible light-responsive titanium oxide imparted with visible light responsiveness by doping at least one element selected from noble metals may be used. If visible light responsiveness is previously imparted to the base titanium oxide, the visible light activity may be significantly improved by supporting the bismuth oxide. The doping amount varies depending on the kind of the doping element, but the doping amount and the doping method are not particularly limited as long as visible light responsiveness can be imparted.

可視光応答性酸化チタンの場合、窒素をドープした(含有する)アナターゼ型酸化チタンが、性能面、入手しやすさ、活性安定性などの面から好ましい。この場合の酸化チタン中の窒素のドープ量は0.0005質量%以上、1.0質量%以下とすることが好ましい。窒素のドープ形態は、NOドープ型、TiNドープ型、或いはこれらが混じったものなどのいずれでも良い。   In the case of visible light-responsive titanium oxide, anatase-type titanium oxide doped (containing) nitrogen is preferable from the viewpoints of performance, availability, and activity stability. In this case, the doping amount of nitrogen in the titanium oxide is preferably 0.0005% by mass or more and 1.0% by mass or less. The nitrogen doping form may be any of a NO doping type, a TiN doping type, or a mixture thereof.

本発明の可視光応答型光触媒に含有させるビスマス化合物の量は、光触媒中に含まれるビスマスとTiの原子比(Bi/Ti)が0.001以上、1.0以下となる量とすることが好ましい。ビスマス量がこの範囲外では可視光触媒活性の増進効果が低く、十分な可視光触媒活性が得られない。Bi/Ti原子比のより好ましい範囲は、対象の光触媒反応の種類、コストなどによって左右されるが、反応性(光分解特性、超親水化特性)の観点からは、概ね0.01以上、0.30以下が推奨される。Bi/Ti原子比は、本発明の触媒の製造時のBi化合物の仕込み量により調整できる。   The amount of the bismuth compound contained in the visible light responsive photocatalyst of the present invention should be such that the atomic ratio (Bi / Ti) of bismuth and Ti contained in the photocatalyst is 0.001 or more and 1.0 or less. preferable. If the amount of bismuth is outside this range, the effect of promoting visible light catalytic activity is low, and sufficient visible light catalytic activity cannot be obtained. The more preferable range of the Bi / Ti atomic ratio depends on the type and cost of the target photocatalytic reaction, but from the viewpoint of reactivity (photodecomposition characteristics, superhydrophilic characteristics), it is generally about 0.01 or more, 0 .30 or less is recommended. The Bi / Ti atomic ratio can be adjusted by the amount of Bi compound charged during the production of the catalyst of the present invention.

一方、可視光応答型光触媒が珪素、ジルコニウム、アルミニウム、タングステン、モリブデン、ホウ素などの他の元素Mを含有する場合、光触媒中の他の元素Mの含有量(2種以上の元素Mを含有する場合はその合計量)は、光触媒中のTiに対する原子比(M/Ti)が0.0001以上、1.0未満となる量であることが好ましく、この原子比はより好ましくは0.001以上、0.3未満である。他の元素Mの量がこの範囲であると、ビスマス化合物の担持による可視光触媒活性の増進効果は一層顕著となり、高活性な可視光応答型光触媒が得られる。   On the other hand, when the visible light responsive photocatalyst contains other elements M such as silicon, zirconium, aluminum, tungsten, molybdenum, and boron, the content of other elements M in the photocatalyst (contains two or more elements M). The total amount in this case) is preferably such that the atomic ratio (M / Ti) to Ti in the photocatalyst is 0.0001 or more and less than 1.0, and this atomic ratio is more preferably 0.001 or more. , Less than 0.3. When the amount of the other element M is within this range, the effect of enhancing the visible light catalytic activity by supporting the bismuth compound becomes more remarkable, and a highly active visible light responsive photocatalyst can be obtained.

本発明に係る可視光応答型光触媒では、酸化チタンに担持されるビスマスの構造が、活性発現に大きく関与し、これが特定の構造である場合に高可視光活性が得られることが判明した。すなわち、可視光触媒活性は、XAFS解析で明らかにされる酸化チタン中に含まれるビスマスの原子の並び、即ち、原子相関、により異なる。具体的には、XAFS法にて観測されたビスマス原子の周りの動径分布のピーク比R(第2ピーク/第1ピーク)が0.4以下となるような構造であると、高い可視光活性を示す光触媒となる。   In the visible light responsive photocatalyst according to the present invention, it has been found that the structure of bismuth supported on titanium oxide is greatly involved in the expression of activity, and when this is a specific structure, high visible light activity can be obtained. That is, the visible light catalytic activity differs depending on the arrangement of atoms of bismuth contained in titanium oxide, that is, the atomic correlation, which is clarified by XAFS analysis. Specifically, when the structure is such that the peak ratio R (second peak / first peak) of the radial distribution around the bismuth atom observed by the XAFS method is 0.4 or less, high visible light It becomes a photocatalyst showing activity.

XAFS法を簡単に説明すると、特定の原子にX線を照射して発生する光電子がその周辺の原子に散乱或いは干渉を受けて観測されるX線吸収スペクトルXAFS(X線吸収微細構造)スペクトルに対して、適当な領域でフーリエ変換すると、動径分布関数が得られる。この関数は、注目元素を中心とした電子密度の一次元分布であって、その極大値を示す距離には何らかの原子が存在しており、その強度は位置している原子の電子密度に比例している。この動径分布関数を数値的に解析すると、注目元素についての構造情報(配位数、原子間距離など)の構造情報が得られる。測定は大気中、常温で良く、また固体、液体、気体いずれの状態でも構わない。   The XAFS method will be briefly described. An X-ray absorption spectrum XAFS (X-ray absorption fine structure) spectrum is observed when photoelectrons generated by irradiating a specific atom with X-rays are scattered or interfered with the surrounding atoms. On the other hand, if a Fourier transform is performed in an appropriate region, a radial distribution function is obtained. This function is a one-dimensional distribution of electron density centered on the element of interest, and there is some atom at the distance showing the maximum value, and its intensity is proportional to the electron density of the atom that is located. ing. When this radial distribution function is numerically analyzed, structural information about the element of interest (coordination number, interatomic distance, etc.) can be obtained. The measurement may be performed in the atmosphere or at room temperature, and any of solid, liquid, and gas may be used.

上記の方法で得られる動径分布関数について、具体例で説明する。XAFSの測定は、Si(111)2結晶モノクロを用い、X線エネルギーの間を1〜6eVの範囲で走査しながら、透過法により行った。積算時間は2〜10秒/点とした。XAFSからの動径分布は以下の要領で求めた。測定されたEXAFSスペクトルから、定数項を加えたVictoreenの式を用いてバックグランドを差し引き,Cubic-Spline法により孤立原子の吸光度を見積もり、EXAFS信号を抽出した。抽出したEXAFS信号に、重ねkn(n=2)を掛けてフーリエ変換し、吸収原子からの距離の関数である動径構造関数を導いた。   A specific example of the radial distribution function obtained by the above method will be described. XAFS measurement was performed by a transmission method using a Si (111) 2 crystal monochrome and scanning between X-ray energies in a range of 1 to 6 eV. The integration time was 2 to 10 seconds / point. The radial distribution from XAFS was determined as follows. The background was subtracted from the measured EXAFS spectrum using the Victorian equation with a constant term, the absorbance of isolated atoms was estimated by the Cubic-Spline method, and the EXAFS signal was extracted. The extracted EXAFS signal was multiplied by overlap kn (n = 2) and Fourier transformed to derive a radial structure function which is a function of the distance from the absorbing atom.

図2は、以上のようで手順でXAFS法により、ビスマス原子周りの動径分布を求めた結果である。まず参照材料であるBi(和光純薬製−αタイプ(僅かにβを含む))は、その動径分布において、1.7A付近に最大強度を持つピーク、3−4Å間に次に高い強度のピークを持つ。これらのピークの位置はビスマスから近接する原子までの距離を示している。ビスマスと最近接の原子、即ち酸素原子間に相当するピークは図2における1.7Å付近の第一ピーク、ビスマスと第二近接の原子、即ち最近接のビスマス原子間に相当するピークは3−4A間のピークである。本発明ではこのBiの動径分布を基準に(同様に測定して)、Bi1.7Å付近のピークを第一ピーク、3−4Å間のピークを第二ピークとする。なお、測定精度などの影響を考えて±0.5Åの誤差を考慮に入れて所定のピークを定め、その各ピーク強度を規定する。規定の範囲に複数のピークが存在する時、あるいは重なり合う時は、必要に応じてピーク分離をしてから、所定のピークを抽出し、範囲の最大の強度を示すピークを所定ピークとする。 FIG. 2 shows the result of obtaining the radial distribution around the bismuth atom by the XAFS method in the procedure as described above. First, the reference material Bi 2 O 3 (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd. -α type (slightly containing β)) has a peak with a maximum intensity in the vicinity of 1.7 A in the radial distribution, and is between 3 and 4 km. It has a high intensity peak. The positions of these peaks indicate the distance from bismuth to adjacent atoms. The peak corresponding to bismuth and the nearest atom, that is, the oxygen atom is the first peak in the vicinity of 1.7Å in FIG. 2, and the peak corresponding to bismuth and the second adjacent atom, that is, the nearest bismuth atom is 3- It is a peak between 4A. In the present invention, based on the radial distribution of Bi 2 O 3 (measured in the same manner), the peak near Bi 2 O 3 1.7 Å is the first peak, and the peak between 3 and 4と す る is the second peak. . In consideration of the influence of measurement accuracy and the like, a predetermined peak is defined in consideration of an error of ± 0.5 mm, and the intensity of each peak is defined. When a plurality of peaks are present in the specified range or overlap, peak separation is performed as necessary, a predetermined peak is extracted, and a peak indicating the maximum intensity in the range is set as the predetermined peak.

ビスマスを担持させた酸化チタンの場合、上記方法でXAFS法にて観測されたビスマス原子の周りの動径分布のピーク比R(第2ピーク/第1ピーク)が0.4以下であると、可視光応答型酸光触媒の活性が大きくなる。Rは好ましくは0.15以下である。これは、第二近接の原子の存在確率が低いということ、すなわち、ビスマスが極めて微細分散及び/或いは低配位数の状態で存在しているということを意味している。   In the case of titanium oxide supporting bismuth, the peak ratio R (second peak / first peak) of the radial distribution around the bismuth atom observed by the XAFS method in the above method is 0.4 or less. The activity of the visible light responsive acid photocatalyst is increased. R is preferably 0.15 or less. This means that the existence probability of the second adjacent atom is low, that is, bismuth exists in a state of extremely fine dispersion and / or a low coordination number.

なお、光触媒のBi/Tiの原子比が1.0を超えると、BiTi12に近い構造となり、R値が大きくなって、可視光触媒活性が低下する。この意味で好ましいBi/Ti原子比は0.5以下である。 When the Bi / Ti atomic ratio of the photocatalyst exceeds 1.0, a structure close to Bi 4 Ti 3 O 12 is obtained, the R value increases, and the visible photocatalytic activity decreases. In this sense, the preferred Bi / Ti atomic ratio is 0.5 or less.

次に本発明の可視光応答型光触媒の製造方法について説明する。
本発明の可視光応答型光触媒は、酸化チタン又はその固体状前駆体をビスマス化合物と混合する工程と、得られた混合物を焼成する工程を含む。焼成によって、酸化チタンの表面にビスマス酸化物が担持され、ビスマスは酸化チタンの表面に濃化した存在形態をとる。さらに、通常は、酸化チタンの表面に酸化物として担持されるビスマスは、混合原子価状態、すなわち2価(Bi2+)以下の低次のビスマスを含有し、全体としてBiO(x<1.5)で表される酸化物の状態となる。
Next, the manufacturing method of the visible light responsive photocatalyst of this invention is demonstrated.
The visible light responsive photocatalyst of the present invention includes a step of mixing titanium oxide or a solid precursor thereof with a bismuth compound, and a step of firing the obtained mixture. By calcination, bismuth oxide is supported on the surface of titanium oxide, and bismuth takes a concentrated form on the surface of titanium oxide. Furthermore, normally, bismuth supported as an oxide on the surface of titanium oxide contains a mixed valence state, that is, low-order bismuth having a valence of 2 (Bi 2+ ) or less, and BiO x (x <1 as a whole). It becomes an oxide state represented by .5).

焼成は、好ましくは、焼成した粉末のX線回折パターンにおいてアナターゼが主になっている段階で停止する。ビスマス化合物は、上述した理由により、Bi/Tiの原子比が0.001〜1.0以下となる割合で酸化チタン又はその固体状前駆体に混合することが好ましい。Bi化合物が加水分解を経てビスマス酸化物として酸化チタンに担持される場合には、実質的に全てのBiが酸化チタンに担持されるので、生成触媒のBi/Ti原子比は、酸化チタン(又はその前駆体)とBi化合物の仕込み量とから算出される値で近似することもできる。   The firing is preferably stopped at the stage where anatase is predominant in the X-ray diffraction pattern of the fired powder. For the reasons described above, the bismuth compound is preferably mixed with titanium oxide or a solid precursor thereof in such a ratio that the Bi / Ti atomic ratio is 0.001 to 1.0 or less. When the Bi compound is supported on titanium oxide as a bismuth oxide via hydrolysis, substantially all Bi is supported on titanium oxide, so the Bi / Ti atomic ratio of the produced catalyst is titanium oxide (or It can also be approximated by a value calculated from the precursor) and the amount of Bi compound charged.

原料に用いる酸化チタン供給源として、加水分解などによって酸化チタンになる、液体状又は気体状の酸化チタン前駆体(たとえばチタンアルコキシド類や四塩化チタン)を用いるのではなく、すでに酸化チタン又はその前駆体の状態で固体として単離されている物を使用する。原料が固体状態になっていないと、酸化チタンがビスマス酸化物と均質に混合されてしまい、ビスマス酸化物が酸化チタンの表面に濃化するように担持された本発明の可視光応答型光触媒を得ることはできない。   Instead of using a liquid or gaseous titanium oxide precursor (such as titanium alkoxides or titanium tetrachloride) that becomes titanium oxide by hydrolysis or the like as a titanium oxide supply source used as a raw material, titanium oxide or its precursor is already used. Uses isolated in solid form as a solid. If the raw material is not in a solid state, the titanium oxide is homogeneously mixed with the bismuth oxide, and the visible light responsive photocatalyst of the present invention supported so that the bismuth oxide is concentrated on the surface of the titanium oxide. I can't get it.

用いられる酸化チタンの中でも、好ましいのはアナターゼ型の酸化チタンであり、さらに好ましくは、単独で光触媒として既に機能できる酸化チタンである。本触媒ではビスマス酸化物によって元の酸化チタンの電子状態をいくらか利用するためである。ただし、前駆体でも、固体状の物は本製法で用いることができる。固体状前駆体としては、例えば、水酸化チタン、チタニアゾル(チタンは完全に酸化物になっておらず、少なくとも部分的に水酸化チタンを含む)が挙げられる。   Among the titanium oxides used, anatase-type titanium oxide is preferable, and titanium oxide that can already function as a photocatalyst alone is more preferable. This is because the present catalyst uses some of the electronic state of the original titanium oxide by the bismuth oxide. However, even a precursor, a solid product can be used in this production method. Examples of the solid precursor include titanium hydroxide and titania sol (titanium is not completely an oxide, and at least partially contains titanium hydroxide).

原料の酸化チタン又はその固体状前駆体(以下、単に酸化チタンという)と混合されるビスマス化合物は、加水分解や熱処理を受けてビスマス酸化物を形成し、その形態で酸化チタンに担持されることが好ましい。混合時のビスマス化合物の状態は、固相(例、粉末)、液相(例、溶液もしくは分散液)、気相のいずれであっても良い。   Bismuth compound mixed with raw material titanium oxide or its solid precursor (hereinafter simply referred to as titanium oxide) undergoes hydrolysis or heat treatment to form bismuth oxide, and is supported on titanium oxide in that form. Is preferred. The state of the bismuth compound at the time of mixing may be any of a solid phase (eg, powder), a liquid phase (eg, a solution or dispersion), or a gas phase.

酸化チタンとビスマス化合物との混合手段としては、固体混合、液相状態のビスマス化合物を用いた含浸、イオン交換、水熱処理、気相状態のビスマス化合物の沈着などの種々の方法が挙げられる。混合は撹拌を伴っていても、伴っていなくてもよい。含浸法は、例えば、ビスマス化合物を含んだ溶液に酸化チタンを浸す、或いはビスマス化合物を含んだ溶液を酸化チタンに滴下する方法により実施できる。ビスマス化合物と酸化チタンがいずれも粉末原料の場合、これらをボールミルや混和機などで混合すればよい。   Examples of the means for mixing the titanium oxide and the bismuth compound include various methods such as solid mixing, impregnation using a bismuth compound in a liquid phase, ion exchange, hydrothermal treatment, and deposition of a bismuth compound in a gas phase. Mixing may or may not be accompanied by stirring. The impregnation method can be carried out, for example, by immersing titanium oxide in a solution containing a bismuth compound or dropping a solution containing a bismuth compound onto titanium oxide. When both the bismuth compound and titanium oxide are powder raw materials, they may be mixed with a ball mill or a blender.

酸化チタンが分散質として液相、すなわち分散液(ゾルを含む)を形成している場合、この分散液を液相状態のビスマス化合物と混合すると、混合が極めて小さな微粒子上で起こるため、混合が均一となって、高活性な可視光応答型光触媒が得られることが多い。従って、この混合方法が特に好ましい。ただし酸化チタン前駆体を用いるゾルゲル法などによって得られる有機溶媒ベースの超微粒子状酸化チタンゾル(いくらか水分は含む)は、ビスマス化合物を導入しても十分な活性は得られない。これは有機溶媒中では前駆体の加水分解が不十分での酸化チタン表面や内部にビスマス化合物との反応を阻害する物質が残っているからと推測される。この場合は、一旦ゾル液から酸化チタンを単離した後、十分な加水分解、あるいはさらに焼成を施してから原料として用いることが好ましい。   When titanium oxide forms a liquid phase as a dispersoid, that is, a dispersion (including a sol), mixing this dispersion with a bismuth compound in a liquid phase causes mixing on very small particles, so mixing In many cases, a uniform and highly active visible light responsive photocatalyst is obtained. Therefore, this mixing method is particularly preferred. However, an organic solvent-based ultrafine titanium oxide sol (including some water) obtained by a sol-gel method using a titanium oxide precursor does not provide sufficient activity even when a bismuth compound is introduced. This is presumably because a substance that inhibits the reaction with the bismuth compound remains on the surface or inside of the titanium oxide where the hydrolysis of the precursor is insufficient in the organic solvent. In this case, it is preferable to isolate titanium oxide from the sol solution and then use it as a raw material after sufficient hydrolysis or further baking.

ビスマス化合物を混合した酸化チタンの分散液、すなわち、分散状態の酸化チタンと分散又は溶解状態のビスマス化合物とを含む分散液は、本発明の可視光応答型光触媒形成用の分散液として扱うことができる。その分散液をそのまま基材に塗布して、熱処理をすると、基材表面に本発明の可視光応答型光触媒を形成することができるからである。また、必要に応じて適当なバインダーを加えることによって、本発明の光触媒機能部材基材を製造するためのコーティング液として用いることもできる。特に水系ベースの酸化チタンの分散液にビスマス化合物が含有されたものが光触媒性能、環境面、コストの面から好ましい。   A dispersion of titanium oxide mixed with a bismuth compound, that is, a dispersion containing a dispersed titanium oxide and a dispersed or dissolved bismuth compound can be treated as a dispersion for forming a visible light responsive photocatalyst of the present invention. it can. This is because the visible light responsive photocatalyst of the present invention can be formed on the surface of the substrate when the dispersion is directly applied to the substrate and subjected to heat treatment. Moreover, it can also use as a coating liquid for manufacturing the photocatalyst functional member base material of this invention by adding a suitable binder as needed. In particular, a water-based titanium oxide dispersion containing a bismuth compound is preferred from the viewpoint of photocatalytic performance, environmental aspects, and cost.

ビスマス化合物と酸化チタンとの混合物を、必要に応じて乾燥した後、焼成する。焼成は、焼成した粉末のX線回折パターンにおいてアナターゼ型酸化チタンが主になっている段階で停止することが好ましい。これは、原料の酸化チタンがアナターゼ型酸化チタンを含んでいる場合と、含んでいない場合のいずれにもあてはまる。原料がアナターゼ型酸化チタンを含んでいなくても、焼成中に酸化チタンがアナターゼになるが、焼成がさらに進むと(例えば、焼成温度が高かったり、焼成が長すぎると)、アナターゼ以外の酸化チタン(例、ルチル)やビスマスの酸化物の結晶生成が増えるため、可視光触媒活性が低下してしまう。   A mixture of the bismuth compound and titanium oxide is dried as necessary and then fired. The firing is preferably stopped at the stage where the anatase-type titanium oxide is predominant in the X-ray diffraction pattern of the fired powder. This applies to both cases where the raw material titanium oxide contains anatase-type titanium oxide and not. Even if the raw material does not contain anatase-type titanium oxide, titanium oxide becomes anatase during firing, but if firing proceeds further (for example, if the firing temperature is high or the firing is too long), oxidation other than anatase Visible photocatalytic activity is reduced due to increased crystal formation of titanium (eg, rutile) and bismuth oxides.

焼成における具体的な熱処理温度(焼成温度)は80℃から800℃であり、より好ましくは200℃から600℃である。この温度範囲で最も高活性な可視光応答型光触媒となる。原料がアナターゼ酸化チタンであり、ビスマス化合物もビスマス酸化物である場合には、比較的低い焼成温度を採用しうる。一方、原料が非アナターゼ型酸化チタン又は酸化チタンの固体前駆体である場合、及び/又はビスマス化合物が酸化物ではない場合には、アナターゼ型酸化チタンとビスマス酸化物の生成に必要な焼成温度を使用する。   The specific heat treatment temperature (firing temperature) in firing is from 80 ° C to 800 ° C, more preferably from 200 ° C to 600 ° C. This is the most active visible light responsive photocatalyst in this temperature range. When the raw material is anatase titanium oxide and the bismuth compound is also bismuth oxide, a relatively low firing temperature can be employed. On the other hand, when the raw material is non-anatase type titanium oxide or a solid precursor of titanium oxide and / or when the bismuth compound is not an oxide, the firing temperature necessary for the production of anatase type titanium oxide and bismuth oxide is set. use.

焼成時間(熱処理温度保持時間)は特に限定されないが、10分から6時間の範囲が適当である。昇温速度は、特に限定されないが、光触媒活性と生産性の面から1℃/分以上であるのが好ましい。   The firing time (heat treatment temperature holding time) is not particularly limited, but a range of 10 minutes to 6 hours is appropriate. The rate of temperature increase is not particularly limited, but is preferably 1 ° C./min or more from the viewpoint of photocatalytic activity and productivity.

熱処理の雰囲気は、空気、純空気、酸素などの酸化性雰囲気、窒素やアルゴンなどの不活性雰囲気、或いは水素、アンモニアなどの還元性ガスを含む還元性雰囲気のいずれでも良く、これらを組み合わせた雰囲気でも良い。酸化性雰囲気で焼成しても、酸化チタンとビスマス化合物との反応により、ビスマスは焼成中に低次酸化物(BiO:x<1.5)になる。雰囲気中の水分量については限定されないが、10体積%以下が好ましい。この濃度を超えると、熱処理後の光触媒の比表面積が小さくなる傾向が見られる。 The atmosphere of the heat treatment may be any of an oxidizing atmosphere such as air, pure air and oxygen, an inert atmosphere such as nitrogen and argon, or a reducing atmosphere containing a reducing gas such as hydrogen and ammonia, and a combination of these. But it ’s okay. Even when fired in an oxidizing atmosphere, bismuth becomes a low-order oxide (BiO x : x <1.5) during firing due to the reaction between titanium oxide and the bismuth compound. The amount of moisture in the atmosphere is not limited, but is preferably 10% by volume or less. When this concentration is exceeded, the specific surface area of the photocatalyst after heat treatment tends to be small.

原料のうち、酸化チタンは固体状であるが、これに混合されるビスマス化合物は、固相、液相、気相のいずれの状態であってもよい。従って、ビスマス化合物としてはビスマスを含む全ての化合物を使用できる。具体的にはBiOXで表されるオキシビスマス化合物、ハロゲン化ビスマス、硝酸ビスマス、硫酸ビスマス、クエン酸ビスマス、酸化ビスマス、ビスマスアルコキシド、硫化ビスマスなどが挙げられる。オキシビスマス化合物としては、オキシ安息香酸ビスマス、オキシ硝酸ビスマス(塩基性)、オキシ水酸化ビスマス、オキシ塩化ビスマス、オキシ弗化ビスマス、オキシヨウ化ビスマス、オキシ炭酸二ビスマス、オキシ硫酸二ビスマス、オキシ酢酸ビスマス、オキシ過塩素酸ビスマス、オキシ水酸化ビスマス、オキシシュウ酸ビスマスなどが挙げられる。ハロゲン化ビスマスは、(三)塩化ビスマス、(三)弗化ビスマス、(三)ヨウ化ビスマス、(三)臭化ビスマスを含む。これらのビスマス化合物から選んだ1種又は2種以上を酸化チタンとの混合に使用する。ビスマス塩、オキシビスマス塩のような、加水分解と縮合を受けて酸化ビスマスを生ずるビスマス化合物を使用することが好ましい。   Of the raw materials, titanium oxide is in a solid state, but the bismuth compound mixed therein may be in any state of a solid phase, a liquid phase, and a gas phase. Accordingly, any compound containing bismuth can be used as the bismuth compound. Specific examples include an oxybismuth compound represented by BiOX, bismuth halide, bismuth nitrate, bismuth sulfate, bismuth citrate, bismuth oxide, bismuth alkoxide, and bismuth sulfide. Examples of oxybismuth compounds include bismuth oxybenzoate, bismuth oxynitrate (basic), bismuth oxyhydroxide, bismuth oxychloride, bismuth oxyfluoride, bismuth oxyiodide, dibismuth oxycarbonate, dibismuth oxysulfate, bismuth oxyacetate Bismuth oxyperchlorate, bismuth oxyhydroxide, bismuth oxyoxalate and the like. Bismuth halides include (3) bismuth chloride, (3) bismuth fluoride, (3) bismuth iodide, and (3) bismuth bromide. One or more selected from these bismuth compounds are used for mixing with titanium oxide. It is preferable to use a bismuth compound such as a bismuth salt or an oxybismuth salt that undergoes hydrolysis and condensation to produce bismuth oxide.

原料の酸化チタンについては、酸化チタンやチタン酸ストロンチウム、さらにこれらに窒素や炭素、遷移金属、白金化合物、銀化合物などを含有或いはドープした可視光応答性の酸化チタンやチタン酸ストロンチウムなどが利用できる。その中でも窒素をドープした酸化チタンを原料に用いることが、コスト面、触媒性能面から好ましい。窒素ドープ量やドープ形態は上述した通りである。また、酸化チタンの分散液、特にチタニアゾルを原料として使用することができ、上述したようにこの分散液の使用が好ましい。   As the raw material titanium oxide, titanium oxide, strontium titanate, and visible light responsive titanium oxide or strontium titanate containing or doped with nitrogen, carbon, transition metal, platinum compound, silver compound or the like can be used. . Of these, titanium oxide doped with nitrogen is preferably used as a raw material in terms of cost and catalyst performance. The nitrogen doping amount and the doping form are as described above. Further, a titanium oxide dispersion, particularly titania sol, can be used as a raw material, and the use of this dispersion is preferred as described above.

前述したように、固体状であれば、水酸化物などの酸化チタン前駆体を酸化チタン原料として使用することもできる。使用可能な前駆体としては、水酸化物以外に、過酸化チタン、水和酸化チタンなども挙げられる。固体状の酸化チタン前駆体をビスマス化合物と接触させた後の熱処理工程及び/又は焼成工程において、酸化チタン前駆体は酸化チタンに変換されるので、ビスマス化合物が担持された酸化チタンからなる本発明の可視光応答型光触媒が得られる。この場合も、酸化チタン前駆体は分散液(ゾル)の形態で使用することができる。   As described above, a titanium oxide precursor such as a hydroxide can be used as a titanium oxide raw material as long as it is solid. Examples of usable precursors include titanium peroxide and hydrated titanium oxide in addition to hydroxide. In the heat treatment step and / or the firing step after the solid titanium oxide precursor is brought into contact with the bismuth compound, the titanium oxide precursor is converted into titanium oxide, so that the present invention comprises titanium oxide carrying a bismuth compound. The visible light responsive photocatalyst is obtained. Again, the titanium oxide precursor can be used in the form of a dispersion (sol).

原料の酸化チタンは、市販の酸化チタン系可視光応答型光触媒であってもよい。その場合、この光触媒を本発明に従ってビスマス化合物と接触させるとその可視光応答光触媒活性を高めることができる。従って、この場合はビスマス化合物が可視光応答型光触媒の活性増進剤として機能する。   The raw material titanium oxide may be a commercially available titanium oxide-based visible light responsive photocatalyst. In that case, when the photocatalyst is brought into contact with a bismuth compound according to the present invention, the visible light responsive photocatalytic activity can be enhanced. Therefore, in this case, the bismuth compound functions as an activity enhancer for the visible light responsive photocatalyst.

前記したように、原料として用いる酸化チタン(その固体状前駆体を含む)は、珪素、ジルコニウム、アルミニウム、タングステン、モリブデン、マグネシウム、ハフニウム、及びホウ素から選ばれる少なくとも1種の元素Mを含有することが好ましい。   As described above, titanium oxide (including its solid precursor) used as a raw material contains at least one element M selected from silicon, zirconium, aluminum, tungsten, molybdenum, magnesium, hafnium, and boron. Is preferred.

酸化チタンが元素Mを含有していると、ビスマス化合物との混合中、特に加熱下において、ビスマス化合物と酸化チタンとの接触が適正化され、結果的に高活性な可視光応答型光触媒が得られる。前述のように元素Mは酸化チタンの比表面積を上げたり、固体酸点の提供などを通して、ビスマス化合物の微細担持を促進していると推定される。   When the titanium oxide contains the element M, the contact between the bismuth compound and the titanium oxide is optimized during mixing with the bismuth compound, particularly under heating, and as a result, a highly active visible light responsive photocatalyst is obtained. It is done. As described above, it is presumed that the element M promotes the fine support of the bismuth compound by increasing the specific surface area of titanium oxide or providing a solid acid point.

元素Mの化合物、例えば、珪素化合物が酸化チタン中に含まれていると、ビスマス自体が酸化チタンの骨格内に取り込まれることが減少し、酸化チタンの電子状態が維持されやすくなる。その結果、酸化チタンとビスマス酸化物間の相互作用によって生成したキャリアは、酸化チタンで再結合されにくくなり、結果として高活性につながるのではないかと推測される。珪素化合物等は、可視光吸収物質もしくはビスマス化合物との複合酸化物や、分相した酸化物などの珪素酸化物の形で取り込まれることが最も好ましい。   When a compound of element M, for example, a silicon compound is contained in titanium oxide, the incorporation of bismuth itself into the skeleton of titanium oxide is reduced, and the electronic state of titanium oxide is easily maintained. As a result, it is assumed that carriers generated by the interaction between titanium oxide and bismuth oxide are less likely to be recombined with titanium oxide, resulting in high activity. Most preferably, the silicon compound or the like is incorporated in the form of a silicon oxide such as a composite oxide with a visible light absorbing substance or a bismuth compound or a phase separated oxide.

上記非特許文献5には、Biを含有させた酸化チタンからなる紫外線応答型光触媒に珪素化合物となるテトラエチルオルトシリケートを添加することが記載されている。ただし、テトラエチルオルトシリケートはすでにBiが取り込まれたTiO光触媒をガラス基板へ固定化するためのバインダーとして使用することが文献中に明記されており、本発明のような可視光応答性を有する酸化チタンとビスマス化合物の接触に影響するものではない。 Non-Patent Document 5 describes that tetraethylorthosilicate serving as a silicon compound is added to an ultraviolet-responsive photocatalyst composed of titanium oxide containing Bi. However, it is specified in the literature that tetraethylorthosilicate is used as a binder for fixing a TiO 2 photocatalyst that has already incorporated Bi to a glass substrate, and it is an oxidation having visible light response as in the present invention. It does not affect the contact between titanium and bismuth compounds.

酸化チタンへの前記元素Mの含有は、限定されないが、以下の3つの方法のいずれかによって行うことができる。
1.酸化チタンの合成の段階で、元素Mを含有する化合物を添加して含有させる;
2.酸化チタンを合成した後に、元素Mを含有する化合物を沈着法や含浸法等の方法等で担持させる(酸化チタンの事前処理);
3.ビスマス化合物と酸化チタンを混合する際に、系中に元素Mを含有する化合物を加える。
Although inclusion of the element M in titanium oxide is not limited, it can be performed by any of the following three methods.
1. At the stage of titanium oxide synthesis, a compound containing element M is added and contained;
2. After synthesizing titanium oxide, a compound containing element M is supported by a method such as a deposition method or an impregnation method (pretreatment of titanium oxide);
3. When mixing the bismuth compound and titanium oxide, a compound containing the element M is added to the system.

いずれの方法でもビスマス化合物を担持させることにより本発明の可視光応答型光触媒が得られる。性能的には1の方法が最も高活性な光触媒が得られる。一方、2、3の方法では、例えば市場で入手できる紫外線応答型又は可視光応答型の酸化チタン光触媒を原料として使用して、より高活性な光触媒を製造することができる。   In any method, the visible light responsive photocatalyst of the present invention can be obtained by supporting a bismuth compound. In terms of performance, the method 1 can provide the most active photocatalyst. On the other hand, in the methods of (2) and (3), a highly active photocatalyst can be produced using, for example, an ultraviolet-responsive or visible-light-responsive titanium oxide photocatalyst that is commercially available.

上記1の方法について、珪素、ジルコニウム、アルミニウム、タングステン、モリブデン、マグネシウム、ハフニウム、及びホウ素(Mと略する)の少なくとも一つを含有する酸化チタンの合成を例に挙げて説明する。   The above method 1 will be described by taking as an example the synthesis of titanium oxide containing at least one of silicon, zirconium, aluminum, tungsten, molybdenum, magnesium, hafnium, and boron (abbreviated as M).

四塩化チタン、三塩化チタン、チタンアルコキシド、硫酸チタンなどの加水分解性チタン化合物に元素Mを含む塩化物もしくはアルコキシド類などの化合物を加える。使用可能な珪素化合物の例としては、四塩化珪素、ヨウ化珪素、窒化珪素、硝酸珪素、硫化珪素などの無機珪素化合物、ならびにテトラエトキシシラン、メチルトリエトキシシランなどのアルコキシシラン類や、酢酸珪素、シリコーン樹脂類といった有機珪素化合物、或いはシリカ、シリカコロイドが挙げられる。アルミニウム化合物の例としては、アルミニウム、塩化アルミニウム、フッ化アルミニウム、水酸化アルミニウム、硝酸アルミニウム、硫酸アルミニウムなどの無機アルミニウム化合物、ならびにアルミニウムエトキシド、アルミニウムイソプロオキシドなどの有機アルミニウム化合物が挙げられる。ジルコニウム化合物の例としては、酸化ジルコニウム、酸化ジルコニウムコロイド、塩化ジルコニウム、三塩化ジルコニウム、硝酸ジルコニウム、硝酸ジルコニウムオキシド、硫酸ジルコニウム等の無機ジルコニウム化合物、ならびにジルコニウムイソプロキシド、アセチルアセトナトジルコニウム、ジルコニウムブトキシド、ジルコニウムエトキシドなどの有機ジルコニウム化合物が挙げられる。タングステン化合物では、塩化タングステンや硫酸タングステンなどが利用でき(モリブデン化合物も同様)、ホウ素の場合はホウ酸や塩化ホウ素、ホウ素エトキシドなどが使用できる。元素Mを含む化合物の添加量は、M/Ti比として0.0001〜0.5、好ましくは0.001〜0.30の範囲とする。   A compound such as a chloride containing the element M or an alkoxide is added to a hydrolyzable titanium compound such as titanium tetrachloride, titanium trichloride, titanium alkoxide, or titanium sulfate. Examples of usable silicon compounds include inorganic silicon compounds such as silicon tetrachloride, silicon iodide, silicon nitride, silicon nitrate, and silicon sulfide, as well as alkoxysilanes such as tetraethoxysilane and methyltriethoxysilane, and silicon acetate. And organosilicon compounds such as silicone resins, silica, and silica colloid. Examples of the aluminum compound include inorganic aluminum compounds such as aluminum, aluminum chloride, aluminum fluoride, aluminum hydroxide, aluminum nitrate, and aluminum sulfate, and organic aluminum compounds such as aluminum ethoxide and aluminum isoprooxide. Examples of zirconium compounds include zirconium oxide, zirconium oxide colloid, zirconium chloride, zirconium trichloride, zirconium nitrate, zirconium nitrate oxide, zirconium sulfate, and other inorganic zirconium compounds, as well as zirconium isoproxide, acetylacetonatozirconium, zirconium butoxide, zirconium Examples include organic zirconium compounds such as ethoxide. As the tungsten compound, tungsten chloride or tungsten sulfate can be used (the same applies to the molybdenum compound). In the case of boron, boric acid, boron chloride, boron ethoxide, or the like can be used. The addition amount of the compound containing the element M is 0.0001 to 0.5, preferably 0.001 to 0.30 as the M / Ti ratio.

その後、アンモニア水、アミン、尿素、チオ尿素などの含窒素化合物を加えて加水分解を進め、析出した沈殿を集め、得られた固形物を200〜700℃程度で焼成することによって、元素Mを含有する可視光応答性を有する酸化チタンを調製することができる。また加水分解による副生する塩が焼成で蒸発しにくい場合(例えば四塩化チタンを水酸化ナトリウムを用いて中和した時、副生したNaClなど)、加水分解終了後に十分水洗し、酸化チタン表面より塩を除くことによって、最終的に高い活性を持った可視光応答型光触媒となる。また、焼成を不完全に行うことにより、チタンが水酸化物状態にとどまった、固体状の酸化チタン前駆体を得ることもできる。   Thereafter, nitrogen-containing compounds such as ammonia water, amine, urea, thiourea and the like are added to proceed with hydrolysis, the deposited precipitate is collected, and the obtained solid is baked at about 200 to 700 ° C. A titanium oxide having visible light responsiveness can be prepared. In addition, when the salt by-produced by hydrolysis is difficult to evaporate by baking (for example, when titanium tetrachloride is neutralized with sodium hydroxide, by-produced NaCl, etc.), after the hydrolysis is completed, it is washed thoroughly with water and the surface of titanium oxide By removing more salt, a visible light responsive photocatalyst having high activity is finally obtained. In addition, by performing incomplete firing, a solid titanium oxide precursor in which titanium remains in a hydroxide state can be obtained.

本発明の光触媒の製造方法では、原料のビスマス化合物、可視光応答性酸化チタン、さらに場合に応じて(上記3の方法の場合)、珪素、アルミニウム、ジルコニウムなどの元素を含む化合物の内、少なくとも一つの化合物が結晶性を有するものであることが好ましい。少なくとも1つの原料が結晶性を有すると、ビスマス化合物と酸化チタンとの混合時の接触が適正化され、結果的に高活性な光触媒となるからである。   In the method for producing a photocatalyst of the present invention, at least one of a raw material bismuth compound, visible light-responsive titanium oxide, and, in some cases (in the case of the above-described method 3), a compound containing an element such as silicon, aluminum, or zirconium. It is preferable that one compound has crystallinity. This is because when at least one raw material has crystallinity, the contact during mixing of the bismuth compound and titanium oxide is optimized, resulting in a highly active photocatalyst.

本発明の可視光応答型光触媒の形状は、粒子状、繊維状、薄膜状などが挙げられ、用途に応じて使い分けるのが好ましい。粒子状の場合、粒子は数nm程度の微粉末から数十ミクロン程度の造粒体までに及び、その大きさ、形態は限定されない。薄膜の場合、基材の上に固定することが一般的である。   Examples of the shape of the visible light responsive photocatalyst of the present invention include a particulate shape, a fiber shape, and a thin film shape. In the case of particles, the particles range from a fine powder of about several nm to a granulated body of about several tens of microns, and the size and form are not limited. In the case of a thin film, it is common to fix on a base material.

薄膜や繊維状など任意の形に成形する場合は、光触媒の粒子に加えて、バインダーを添加することが望ましい。バインダーの添加によって、薄膜の厚みや繊維径を大きくしたり、薄膜や繊維の強度、加工性などを上げることが可能となる。   When forming into an arbitrary shape such as a thin film or a fiber, it is desirable to add a binder in addition to the photocatalyst particles. By adding a binder, the thickness of the thin film and the fiber diameter can be increased, and the strength and workability of the thin film and fiber can be increased.

上記方法で製造された本発明の可視光応答型光触媒は、そのまま粉末の状態で利用してもよい。しかし、取扱いの面からは、これを基材表面に付着させて固定化した光触媒機能部材として利用することが便利である。   The visible light responsive photocatalyst of the present invention produced by the above method may be used as it is in a powder state. However, from the viewpoint of handling, it is convenient to use this as a photocatalytic functional member that is fixed on the surface of the substrate.

固定化の形態は、基材の表面形状や用途などに応じて選択することができ、例えば、薄膜状、粒子状、繊維状などが例示される。基材の種類は限定されないが、炭素鋼、メッキ鋼、クロメート処理鋼、琺瑯、ステンレス鋼、チタン、アルミニウム等の金属材料、セラミック、ガラス、陶磁器、石英などの無機材料、プラスティック、樹脂、活性炭などの有機材料が例示される。また、これらが複合した材料、例えば、塗装鋼板などであってもよい。   The form of immobilization can be selected according to the surface shape or application of the substrate, and examples thereof include a thin film shape, a particle shape, and a fiber shape. The type of substrate is not limited, but carbon steel, plated steel, chromate-treated steel, metal materials such as steel, stainless steel, titanium and aluminum, inorganic materials such as ceramic, glass, ceramics and quartz, plastic, resin, activated carbon, etc. These organic materials are exemplified. Moreover, the material which these combined, for example, a coated steel plate, etc. may be sufficient.

好ましい基材は金属もしくはその表面が光触媒で分解しない材料で被覆されたものである。全体又は表面が有機材料である基材は、光触媒の酸化力により劣化ないし分解することがあるので、その場合には、基材表面を、光触媒で分解しない材料を用いて予め被覆しておく。有機材料でも、例えば、シリコーン樹脂は光触媒による劣化を受けにくいので、条件にもよるが、被覆しなくてもよいことがある。   A preferred substrate is one in which the metal or its surface is coated with a material that does not decompose with a photocatalyst. The base material whose whole or the surface is an organic material may be deteriorated or decomposed by the oxidizing power of the photocatalyst. In this case, the base material surface is previously coated with a material that is not decomposed by the photocatalyst. Even an organic material, for example, a silicone resin is not easily deteriorated by a photocatalyst, so that it may not be coated depending on conditions.

基材の形状も特に限定されず、薄板、厚板、繊維状(編織物、不織布を含む)、網状、筒状など、任意の形状でよい。そのまま製品として使用されるような複雑な形状の物体、さらには既設又は使用中の物体であってもよい。基材の表面は、多孔質でも、緻密質でもよい。   The shape of the substrate is not particularly limited, and may be any shape such as a thin plate, a thick plate, a fibrous shape (including a knitted fabric and a nonwoven fabric), a net shape, and a tubular shape. It may be an object having a complicated shape as it is used as a product as it is, or an existing or in-use object. The surface of the substrate may be porous or dense.

光触媒機能部材の最も一般的な製造は、本発明の可視光応答型光触媒の粒子を溶媒中に分散させた分散液を基材に塗布し、塗膜を乾燥させることにより行うことができる。またこの可視光応答性酸化チタンとビスマス化合物を溶媒中に分散させた可視光応答型光触媒形成用分散液を基材に塗布し、塗膜を乾燥させることにより行うことができる。上記分散液に適宜バインダーなどの添加剤を加え、コーティング液としてから塗布してもよい。さらに、可視光応答型の酸化チタンを基材に塗布した後で、ビスマス化合物を含浸やCVD等の気相処理で接触させた後、必要に応じて熱処理を加えて、本発明の光触媒機能部材にすることもできる。   The most general production of the photocatalytic functional member can be performed by applying a dispersion liquid in which the particles of the visible light responsive photocatalyst of the present invention are dispersed in a solvent to a substrate and drying the coating film. Alternatively, the visible light responsive photocatalyst-forming dispersion in which the visible light responsive titanium oxide and bismuth compound are dispersed in a solvent is applied to a substrate, and the coating film is dried. You may apply | coat, after adding additives, such as a binder, to the said dispersion liquid suitably as a coating liquid. Furthermore, after applying visible light responsive titanium oxide to the substrate, the bismuth compound is contacted by a gas phase treatment such as impregnation or CVD, and then heat treatment is applied as necessary, so that the photocatalytic functional member of the present invention It can also be.

このように、本発明の光触媒は、可視光応答性酸化チタンを使用した光触媒機能部材の製造段階において、ビスマス化合物をこの酸化チタンと接触させることにより形成することもできる。例えば、可視光応答性酸化チタンを分散させる分散媒にビスマス化合物を添加したり、あるいは可視光応答性酸化チタンの皮膜を形成してから、これにビスマス化合物を接触させるという方法である。   Thus, the photocatalyst of this invention can also be formed by making a bismuth compound contact with this titanium oxide in the manufacturing stage of the photocatalyst functional member using visible light responsive titanium oxide. For example, a bismuth compound is added to a dispersion medium in which visible light responsive titanium oxide is dispersed, or a film of visible light responsive titanium oxide is formed, and then a bismuth compound is brought into contact therewith.

コーティング液は、本発明の可視光応答型光触媒を単に媒質及びバインダーと十分に混合することにより調製することも可能である。しかし、上述した方法では製造された可視光応答型光触媒は、一般に平均一次粒子系が数nmから百nmと微細であるため、非常に凝集し易く、凝集体となると、その径は数十μmと大きくなり、媒質中に均質に分散させることが困難となる。   The coating solution can also be prepared by simply mixing the visible light responsive photocatalyst of the present invention thoroughly with a medium and a binder. However, the visible light responsive photocatalyst produced by the above-described method is generally very easy to aggregate because the average primary particle system is as fine as several nanometers to hundred nanometers. When the aggregate becomes an aggregate, its diameter is several tens of μm. It becomes difficult to disperse uniformly in the medium.

そのため、本発明の好適態様においては、可視光応答型光触媒の粒子を予め媒質中で十分に分散処理して、光触媒粒子の分散液を調製する。この分散液を利用して、これにバインダーを含有させることによりコーティング液を調製することが好ましい。このコーティング液を使用すると、より薄く、より均質な光触媒皮膜の形成が可能となり、皮膜特性や光触媒活性が向上する。   Therefore, in a preferred embodiment of the present invention, the visible light responsive photocatalyst particles are sufficiently dispersed in a medium in advance to prepare a photocatalyst particle dispersion. It is preferable to prepare a coating liquid by using this dispersion and incorporating a binder therein. When this coating solution is used, a thinner and more homogeneous photocatalytic film can be formed, and the film characteristics and photocatalytic activity are improved.

分散液中の光触媒の平均粒子径(凝集体の粒子径)は、500nm以下であることが好ましい。この粒子径より大きいと、皮膜特性が悪く、例えば剥離したり、密着性が悪くなり、また分散液自体の保存安定性が低下する。光触媒の平均粒子径は、より好ましくは300nm以下、さらに好ましくは200nmである。   The average particle size of the photocatalyst in the dispersion (particle size of the aggregate) is preferably 500 nm or less. When it is larger than this particle size, the film properties are poor, for example, peeling or adhesion is deteriorated, and the storage stability of the dispersion itself is lowered. The average particle size of the photocatalyst is more preferably 300 nm or less, still more preferably 200 nm.

光触媒粒子を分散させる液体媒質としては、蒸留水、イオン交換水、超純水などの水;メタノール、エタノール、2−プロパノールなどのアルコール類;メチルエチルケトンなどのケトン類;ベンゼン、トルエン、キシレンなどの芳香族炭化水素類などが挙げられる。これらは任意に混合して使用してもよいが、その場合には互いに相溶性の溶媒の組合わせを使用する。   Examples of the liquid medium in which the photocatalyst particles are dispersed include water such as distilled water, ion exchange water, and ultrapure water; alcohols such as methanol, ethanol, and 2-propanol; ketones such as methyl ethyl ketone; aroma such as benzene, toluene, and xylene. Group hydrocarbons and the like. These may be arbitrarily mixed and used, but in that case, a combination of solvents compatible with each other is used.

分散処理は、光触媒を固形分濃度が数質量%〜50質量%の範囲となるように媒質と混合して行うことが好ましい。固形分濃度がこの範囲外では、分散性が低下することがある。必要に応じて、分散剤や解膠剤を添加してもよい。分散剤としてはカルポニル系、スルホン系などが、解膠剤としては硝酸、塩酸、硫酸などが例示される。また、pH調整のため、塩基や酸を添加してもよい。   The dispersion treatment is preferably performed by mixing the photocatalyst with a medium so that the solid content concentration is in the range of several mass% to 50 mass%. When the solid content concentration is outside this range, the dispersibility may be lowered. A dispersant and a peptizer may be added as necessary. Examples of the dispersant include carbonyl and sulfone, and examples of the peptizer include nitric acid, hydrochloric acid, and sulfuric acid. Moreover, you may add a base and an acid for pH adjustment.

分散処理は、コーティング液の調製に慣用されているペイントシェーカーを用いて行うこともできるが、例えば、メディアミル、回転刃を用いた剪断、薄膜旋回、超音波といった、より強力な分散手段により実施することが好ましい。2種以上の分散手段を組合わせて利用してもよい。   The dispersion treatment can be performed using a paint shaker commonly used for the preparation of a coating solution, but is performed by a more powerful dispersion means such as media mill, shearing using a rotary blade, thin film swirl, and ultrasonic waves. It is preferable to do. Two or more types of dispersing means may be used in combination.

得られた分散液が凝集した粗大粒子を含んでいる場合、それらを濾過又は遠心分離によって除去することが好ましい。粗大粒子は、皮膜中で剥離や粉化の起点となり易いからである。分散処理後の分散液に溶媒を加えて、固形分濃度を調整することもできる。   When the obtained dispersion contains aggregated coarse particles, it is preferable to remove them by filtration or centrifugation. This is because coarse particles tend to be the starting point of peeling and powdering in the film. A solid content concentration can also be adjusted by adding a solvent to the dispersion after the dispersion treatment.

この分散液をそのままコーティング液として使用し、基材に塗布することもできる。光触媒が平均粒子径500nm以下の微粒子になると、バインダーがなくても皮膜形成が可能となり、実質的に光触媒粒子のみからなる皮膜を形成することができる。しかし、そのままでは皮膜強度と密着性が低いので、その上にバインダー溶液を塗布して、光触媒の粒子間にバインダーを含浸させてもよい。   This dispersion can be used as a coating solution as it is and applied to a substrate. When the photocatalyst is a fine particle having an average particle diameter of 500 nm or less, a film can be formed without a binder, and a film substantially consisting of only photocatalyst particles can be formed. However, since the film strength and adhesion are low as they are, a binder solution may be applied thereon to impregnate the binder between the photocatalyst particles.

好ましいコーティング液は、光触媒と媒質に加え、さらにバインダーを含有する。媒質は、上記の分散液に対して述べたものと同様でよいが、バインダーが溶解又は乳化するように選択する。上記の可視光応答型光触媒を含有する分散液にバインダーを混合することによってコーティング液を調製すると、光触媒粒子の分散性に優れ、保存安定性が良好で、光触媒活性の高い皮膜を形成できるコ−ティング液を得ることができる。   A preferred coating liquid contains a binder in addition to the photocatalyst and the medium. The medium may be similar to that described for the above dispersion but is selected so that the binder dissolves or emulsifies. When a coating liquid is prepared by mixing a binder with the above-described dispersion containing a visible light responsive photocatalyst, a coating film having excellent photocatalytic particle dispersibility, good storage stability, and high photocatalytic activity can be formed. Ting solution can be obtained.

バインダーの量は、生成する皮膜中の可視光応答型光触媒の含有量が5〜95質量%となるように調整する。光触媒の含有量が5質量%未満の皮膜は、可視光照射による光触媒活性をほとんど示さない。皮膜中の光触媒の含有量が95質量%を超えると、バインダー成分が少なすぎて皮膜が剥離し易くなる。皮膜中の光触媒の含有量は、好ましくは30〜90質量%であり、光触媒活性を十分に得るには50質量%以上であることがより好ましい。   The amount of the binder is adjusted so that the content of the visible light responsive photocatalyst in the formed film is 5 to 95% by mass. A film having a photocatalyst content of less than 5% by mass exhibits almost no photocatalytic activity by visible light irradiation. When the content of the photocatalyst in the film exceeds 95% by mass, the binder component is too small and the film is easily peeled off. The content of the photocatalyst in the film is preferably 30 to 90% by mass, and more preferably 50% by mass or more in order to sufficiently obtain the photocatalytic activity.

バインダー成分としては、シリカ、アルミナ、チタニア、マグネシア、ジルコニアなどの金属酸化物ゾル(皮膜中ではゲルになる)、有機シラン化合物、ならびにシリコーン樹脂、フッ素樹脂、ウレタン樹脂、アクリル樹脂などの有機樹脂が利用できる。光触媒の酸化力によりバインダー成分の分解が起こるときは、金属酸化物ゾルやシリコーン樹脂、アクリルシリコーン、アクリルウレタンなとの難分解性のものを用いることが望ましい。また、光触媒機能部材に強い加工性や高い強度が要求される場合には、フッ素樹脂、アクリル樹脂、ウレタン樹脂などの有機樹脂を前記難分解性のバインダー成分に適量添加することによって、要求される特性を確保することができる。   Binder components include metal oxide sols such as silica, alumina, titania, magnesia, and zirconia (becomes gels in the film), organic silane compounds, and organic resins such as silicone resins, fluororesins, urethane resins, and acrylic resins. Available. When the binder component is decomposed by the oxidizing power of the photocatalyst, it is desirable to use a hard-to-decompose material such as a metal oxide sol, silicone resin, acrylic silicone, or acrylic urethane. Further, when strong workability and high strength are required for the photocatalytic functional member, it is required by adding an appropriate amount of an organic resin such as a fluororesin, an acrylic resin, or a urethane resin to the hardly decomposable binder component. Characteristics can be secured.

好ましいバインダー成分は、シリカ(例、シリカゾル)、有機シラン化合物の加水分解/縮合物、シリコーン樹脂などといったケイ素化合物である。シリカは、ケイ酸エステル(例、エチルシリケート)の加水分解と縮合により生成させたシリカゾル(コロイダルシリカ)でもよい。有機シラン化合物としては、皮膜形成性のある加水分解性の有機シラン化合物、例えば、アルコキシシラン類やシランカップリング剤を使用することができる。バインダー成分は媒質に対して均一に溶解させた形でも良いし、媒質中で乳化させエマルジョンとしても良い。   A preferable binder component is a silicon compound such as silica (eg, silica sol), a hydrolyzate / condensate of an organic silane compound, a silicone resin, and the like. The silica may be a silica sol (colloidal silica) produced by hydrolysis and condensation of a silicate ester (eg, ethyl silicate). As the organic silane compound, a film-forming hydrolyzable organic silane compound such as an alkoxysilane or a silane coupling agent can be used. The binder component may be uniformly dissolved in the medium, or may be emulsified in the medium to form an emulsion.

コーティング液は、上記以外の他の成分を含有していてもよい。そのような他の成分としては、可視光応答型ではない光触媒(例、従来の酸化チタン系光触媒)、光触媒が担持粒子である場合の担体が挙げられる。また、着色材(好ましくは無機顔料)や体質顔料などの少量成分も皮膜中に含有させうる。   The coating liquid may contain components other than those described above. Examples of such other components include a photocatalyst that is not a visible light responsive type (eg, a conventional titanium oxide photocatalyst) and a carrier when the photocatalyst is a supported particle. In addition, minor components such as coloring materials (preferably inorganic pigments) and extender pigments can also be included in the film.

コーティング液の塗布は、コーティング液の性状や基材の形状に合わせて、周知の各種方法から選択することができる。塗布後、必要に応じて加熱しながら塗膜を乾燥(場合によりさらに硬化)させる。乾燥(硬化)温度は、コーティング液の組成(溶媒やバインダーの種類)、基材の耐熱温度などに合わせて決めればよい。コーティング液が酸化チタン光触媒の前駆体を含有している場合には、前駆体から酸化チタンに変化するように加熱を行う。   Application | coating of a coating liquid can be selected from well-known various methods according to the property of a coating liquid, and the shape of a base material. After application, the coating film is dried (further cured in some cases) while heating as necessary. The drying (curing) temperature may be determined in accordance with the composition of the coating liquid (type of solvent or binder), the heat resistant temperature of the substrate, and the like. When the coating liquid contains a precursor of a titanium oxide photocatalyst, heating is performed so as to change from the precursor to titanium oxide.

基材上に形成された光触媒を含有する皮膜の厚みは0.1μm以上とすることが好ましい。皮膜が0.1μmより薄いと、光触媒の量が少なすぎて、可視光照射による光触媒活性が非常に低くなる。皮膜の厚みは、必要とする触媒性能やコストによって適宜選択しうるが、触媒性能の安定性や触媒活性の点から、より好ましくは1μm以上であり、5μm以上とするのが一層好ましい。厚みの上限は特に規定されないが、コストや効果の飽和を考慮すると、50μm以下、好ましくは20μm以下である。   The thickness of the film containing the photocatalyst formed on the substrate is preferably 0.1 μm or more. When the film is thinner than 0.1 μm, the amount of the photocatalyst is too small, and the photocatalytic activity due to irradiation with visible light becomes very low. The thickness of the film can be appropriately selected depending on the required catalyst performance and cost, but is more preferably 1 μm or more and even more preferably 5 μm or more from the viewpoint of stability of catalyst performance and catalyst activity. The upper limit of the thickness is not particularly specified, but is 50 μm or less, preferably 20 μm or less in consideration of cost and saturation of effects.

本発明の可視光応答型光触媒やそれを表面に設けた光触媒機能部材は、紫外線にのみならず、波長400nm以上の可視光線を照射下に被処理物質を接触させることにより、光触媒作用を発現して、様々な有害物質、付着物質などを分解、除去、又は無害化することができる。光触媒は、分解対象となる物質をそれに接触可能で、かつ可視光線を照射できる環境下で使用すればよい。光源は、少なくとも可視光線の一部の波長域を含むものであればよく、たとえば、太陽光線、蛍光灯、ハロゲンランプ、ブラックライト、キセノンランプ、水銀ランプなどが利用できる。本発明の光触媒は紫外線でも活性を発揮するので、光源は可視光と紫外光を含んでいてもよく、その方が光触媒活性は高くなる。   The visible light responsive photocatalyst of the present invention and the photocatalytic functional member provided on the surface of the photocatalyst exhibit a photocatalytic action by contacting a substance to be treated under irradiation with visible light having a wavelength of 400 nm or more as well as ultraviolet light. Thus, various harmful substances and adhered substances can be decomposed, removed, or made harmless. The photocatalyst may be used in an environment in which a substance to be decomposed can be brought into contact therewith and can be irradiated with visible light. The light source only needs to include at least a part of the wavelength range of visible light. For example, sunlight, a fluorescent lamp, a halogen lamp, a black light, a xenon lamp, a mercury lamp, or the like can be used. Since the photocatalyst of the present invention exhibits activity even with ultraviolet rays, the light source may contain visible light and ultraviolet light, and the photocatalytic activity becomes higher.

本発明の可視光応答型光触媒が処理できる有害物質又は付着物としては、ホルムアルデヒド、アセトアルデヒド、トルエンなどのVOCガス類;No、SO、フロンなどの大気汚染ガス;アンモニア、硫化水素、メルカプタン類などの臭気ガス;アルコール類、BTX、フェノール類等の有機化合物;トリハロメタン、トリクロロエチレン、フロン等の有機ハロゲン化合物;除草剤、殺菌剤、殺虫剤等の種々の農薬;蛋白質やアミノ酸等の種々の生物学的酸素要求物質;界面活性剤;シアン化合物、硫黄化合物等の無機化合物;種々の重金属イオン;大腸菌、ブドウ球菌、緑濃菌などの菌類、カビ類、藻類等の微生物;油、タバコのヤニ、指紋、雨筋、泥などが例示される
また本発明の可視光応答型光触媒は、光の照射によって超親水性を呈する。本発明の光触媒を表面に有する機能部材では、超親水化作用によって防曇性、防汚性、防塵性などが得られる。
Examples of harmful substances or deposits that can be treated by the visible light responsive photocatalyst of the present invention include VOC gases such as formaldehyde, acetaldehyde, and toluene; air pollution gases such as No x , SO x , and chlorofluorocarbon; ammonia, hydrogen sulfide, and mercaptans. Odor gases such as: Organic compounds such as alcohols, BTX, phenols, etc .; Organic halogen compounds such as trihalomethanes, trichloroethylene, and chlorofluorocarbons; Various pesticides such as herbicides, fungicides, and insecticides; Oxygen-requiring substances; surfactants; inorganic compounds such as cyanide and sulfur compounds; various heavy metal ions; fungi such as Escherichia coli, staphylococci, and green bacteria; microorganisms such as molds and algae; In addition, the visible light responsive photocatalyst of the present invention is superparent by light irradiation. Exhibit sex. In the functional member having the photocatalyst of the present invention on the surface, antifogging property, antifouling property, dustproof property and the like are obtained by the superhydrophilizing action.

以下、実施例により本発明を例示する。但し、実施例は本発明を制限するものではない。実施例中のBi/Ti、Si/Tiといった比はいずれも金属原子比を意味する。
(実施例1)
〔酸化チタンの調製〕
試料No.1:
四塩化チタンをアンモニア水(7質量%)で加水分解することにより得られた水酸化チタンを大気中500℃で2時間焼成して、酸化チタンを得た。この酸化チタン中の窒素量は0.004質量%であった。X線回折の結果、酸化チタンの主たる結晶構造はアナターゼ型であった。
The following examples illustrate the invention. However, the examples do not limit the present invention. The ratios such as Bi / Ti and Si / Ti in the examples all mean metal atomic ratios.
Example 1
[Preparation of titanium oxide]
Sample No. 1:
Titanium hydroxide obtained by hydrolyzing titanium tetrachloride with aqueous ammonia (7% by mass) was calcined in the atmosphere at 500 ° C. for 2 hours to obtain titanium oxide. The amount of nitrogen in the titanium oxide was 0.004% by mass. As a result of X-ray diffraction, the main crystal structure of titanium oxide was anatase type.

試料No.2:
四塩化チタンに四塩化珪素を加える(Si/Ti=0.13)こと以外、試料No.1と同様の方法で、珪素を含有する酸化チタンを得た。この酸化チタン中の窒素量は0.007質量%であった。X線回折の結果、酸化チタンはアナターゼ型であった。
Sample No. 2:
Titanium oxide containing silicon was obtained by the same method as Sample No. 1 except that silicon tetrachloride was added to titanium tetrachloride (Si / Ti = 0.13). The amount of nitrogen in the titanium oxide was 0.007% by mass. As a result of X-ray diffraction, titanium oxide was anatase type.

〔ビスマス化合物の調製〕
試料No.3:
塩化ビスマスを3N−HClに溶解し、得られた溶液にアンモニア水(7質量%)を加えて塩化ビスマスを加水分解した。沈殿を濾別して得られた白い粉末を80℃で乾燥することにより、本発明に従って可視光応答型光触媒を調製するのに用いるビスマス化合物を得た。この化合物はX線回折の結果、オキシ塩化ビスマスと同定された。
(Preparation of bismuth compound)
Sample No. 3:
Bismuth chloride was dissolved in 3N-HCl, and aqueous ammonia (7% by mass) was added to the resulting solution to hydrolyze bismuth chloride. The white powder obtained by filtering the precipitate was dried at 80 ° C. to obtain a bismuth compound used for preparing a visible light responsive photocatalyst according to the present invention. As a result of X-ray diffraction, this compound was identified as bismuth oxychloride.

〔可視光応答型光触媒の調製〕
試料No.4:
試料No.1の粉末状酸化チタンに対して、試料No.3のビスマス化合物の粉末を、Bi/Ti=0.09になるように加え、乳鉢の中でよく混練した後、混合物を大気下500℃で2時間焼成して、ビスマス酸化物が担持された酸化チタンからなる可視光応答型光触媒を得た。本試料のX線回折パターンをとると、主たるピークは酸化チタンアナターゼ結晶のものであった。
(Preparation of visible light responsive photocatalyst)
Sample No. 4:
The powder of the bismuth compound of sample No. 3 was added to the powdered titanium oxide of sample No. 1 so that Bi / Ti = 0.09, and kneaded well in a mortar. By calcination at 500 ° C. for 2 hours, a visible light responsive photocatalyst made of titanium oxide carrying bismuth oxide was obtained. When the X-ray diffraction pattern of this sample was taken, the main peak was that of the titanium oxide anatase crystal.

試料No.5:
試料No.2の珪素含有可視光応答性酸化チタンを用いる以外、試料No.4と同様の方法で、ビスマス酸化物が担持された酸化チタンからなる可視光応答型光触媒を作製した。本試料のX線回折の結果、酸化チタンはアナターゼ結晶から構成されていた。
Sample No. 5:
A visible light responsive photocatalyst made of titanium oxide carrying bismuth oxide was prepared in the same manner as in sample No. 4 except that the silicon-containing visible light responsive titanium oxide of sample No. 2 was used. As a result of X-ray diffraction of this sample, titanium oxide was composed of anatase crystals.

試料No.6:
液状の四塩化チタン水溶液(9.3wt%)に塩化ビスマスをBi/Ti=0.09になるように加えて混合した後、アンモニア水(7質量%)で加水分解し、生じたBi含有水酸化チタンを大気中500℃で2時間焼成して、ビスマス酸化物を含有する酸化チタンを得た。X線回折の結果、酸化チタンはアナターゼ結晶であった。
Sample No. 6:
Bismuth chloride was added to a liquid titanium tetrachloride aqueous solution (9.3 wt%) so that Bi / Ti = 0.09 and mixed, and then hydrolyzed with aqueous ammonia (7% by mass), and the resulting Bi-containing hydroxide Titanium was baked for 2 hours at 500 ° C. in the atmosphere to obtain titanium oxide containing bismuth oxide. As a result of X-ray diffraction, titanium oxide was an anatase crystal.

試料No.7:
液状の四塩化チタン水溶液(9.3wt%)に液状の四塩化珪素と塩化ビスマスを、Bi/Ti=0.09、Si/Ti=0.13になるように加えて混合した後、アンモニア水(7質量%)で加水分解し、生じたBi含有水酸化チタンを大気中500℃で2時間焼成して、ビスマス酸化物と珪素とを含有する酸化チタンを得た。X線回折の結果、酸化チタンはアナターゼ結晶であった。
Sample No. 7:
After adding liquid silicon tetrachloride and bismuth chloride to a liquid titanium tetrachloride aqueous solution (9.3 wt%) so that Bi / Ti = 0.09 and Si / Ti = 0.13, aqueous ammonia ( 7% by mass), and the resulting Bi-containing titanium hydroxide was calcined in the atmosphere at 500 ° C. for 2 hours to obtain titanium oxide containing bismuth oxide and silicon. As a result of X-ray diffraction, titanium oxide was an anatase crystal.

なお、試料No.6及び7は、いずれも酸化チタン原料とビスマス原料が液状又は溶解状態であり、それらを共沈法により加水分解させて製造した、比較用の酸化チタン系光触媒である。   Samples Nos. 6 and 7 are comparative titanium oxide photocatalysts produced by hydrolyzing the titanium oxide raw material and the bismuth raw material in a liquid or dissolved state by a coprecipitation method.

[FT−IRの測定]
Biの担持状態については、表面構造を示すFT−IRスペクトルにおけるOH基の伸縮振動ピーク強度から推定される。図1に試料2,3、5、7の伸縮振動のピーク強度を示す。オキシ塩化ビスマス(試料No,3)や酸化ビスマスの表面にはほとんどOH基は存在しない。一方、ビスマス酸化物が酸化チタンの表面に担持されると、試料No.5に示すように、母体の試料No.2に対してOH基の伸縮振動ピーク強度が減少する。一方、液状の酸化チタン前駆体とビスマス化合物を用いて共沈法で合成した試料No.7の光触媒においては、ほとんどOH基が変化していない。このことから、試料No.7のビスマス酸化物は酸化チタン表面に担持されているのではなく、酸化チタン内部に主に取り込まれていると考えられる。酸化チタン前駆体から液中で酸化チタンが形成されるときに、ビスマス化合物を分子レベルで取り込むためと考えられる。本発明の可視光応答型光触媒では原料に酸化チタンを用いるのでビスマス化合物は、主に酸化チタン表面で反応するので、上記のような担持構造になる。
[Measurement of FT-IR]
About the support state of Bi, it is estimated from the stretching vibration peak intensity of the OH group in the FT-IR spectrum showing the surface structure. FIG. 1 shows the peak intensity of stretching vibration of Samples 2, 3, 5, and 7. There are almost no OH groups on the surface of bismuth oxychloride (sample No. 3) or bismuth oxide. On the other hand, when bismuth oxide is supported on the surface of titanium oxide, as shown in sample No. 5, the stretching vibration peak intensity of the OH group decreases with respect to base sample No. 2. On the other hand, in the photocatalyst of sample No. 7 synthesized by a coprecipitation method using a liquid titanium oxide precursor and a bismuth compound, the OH group hardly changes. From this, it is considered that the bismuth oxide of Sample No. 7 is not supported on the titanium oxide surface but is mainly taken into the titanium oxide. It is considered that the bismuth compound is taken in at the molecular level when titanium oxide is formed in the liquid from the titanium oxide precursor. In the visible light responsive photocatalyst of the present invention, since titanium oxide is used as a raw material, the bismuth compound reacts mainly on the surface of titanium oxide.

[XPSの測定]
以下の条件下でXPS分析を行った:
使用装置:走査型X線光電子分光分析器
アルバック・ファイ社製PHI Quantum 2000
使用X線源:mono-Al Kα線44.8W、17kV
取出し角:45°
X線ビーム径:約200μmφ
中和銃:1.0V,20mA(Ar+低速イオン銃を併用)
エネルギー分解能:純AgのAg3d 5/2ピーク(368.1eV)で半値幅約0.7 5eVの条件にて使用
真空度:約2.0×10−8torr。
[Measurement of XPS]
XPS analysis was performed under the following conditions:
Equipment used: Scanning X-ray photoelectron spectrometer PHI Quantum 2000 manufactured by ULVAC-PHI
X-ray source used: mono-Al Kα ray 44.8W, 17kV
Extraction angle: 45 °
X-ray beam diameter: about 200μmφ
Neutralizing gun: 1.0V, 20mA (Combined with Ar + low-speed ion gun)
Energy resolution: Pure Ag Ag3d 5/2 peak (368.1 eV) and half-width of about 0.7 5 eV Vacuum degree: about 2.0 × 10 −8 torr.

XPS分析により得られた試料No.3〜5のBi−4f内殻準位のスペクトル図を図2に示す。本スペクトルは、スパッタリング処理しないで測定したものであり、酸化チタンの最表面の表面状態を反映したものである。   The spectrum diagram of the Bi-4f core level of sample Nos. 3 to 5 obtained by XPS analysis is shown in FIG. This spectrum is measured without performing the sputtering treatment and reflects the surface state of the outermost surface of titanium oxide.

本発明に係るNo.4及び5の酸化チタン系光触媒のBi−4f内殻準位のXPSスペクトル図では、Bi3+に帰属できる(a)165〜162.5eV及び159.7〜157.2eVのピーク以外に、Bi0となる(b)163〜161eV及び157.7〜155.7eVを有していた。これらからビスマスは一部還元すなわち低次のビスマスを含有した酸化物状態(BiOx:x<1.5)にあることが分かる。 In the XPS spectrum diagram of the Bi-4f core level of the titanium oxide photocatalysts of No. 4 and No. 5 according to the present invention, (a) 165 to 162.5 eV and 159.7 to 157.2 eV that can be attributed to Bi 3+ In addition to the peak, it had (b) 163 to 161 eV and 157.7 to 155.7 eV to be Bi0. From these, it is understood that bismuth is partially reduced, that is, in an oxide state containing low-order bismuth (BiOx: x <1.5).

表1には、試料4,5、6,7のスパッタリング前後のXPS分析により得た定量分析値と、触媒の化学分析値をあわせて示す。Arスパッタリングは加速電圧3KV、スパッタリング速度3.8nm/分(SiO換算)の条件で10分間行い、表層より約38nmスパッタリングした。また化学分析は、一旦触媒を溶解し、得られた溶液をICP発光分析して測定した値である。 Table 1 shows the quantitative analysis values obtained by XPS analysis before and after sputtering of Samples 4, 5, 6, and 7 and the chemical analysis values of the catalyst. Ar sputtering was performed for 10 minutes under the conditions of an acceleration voltage of 3 KV and a sputtering rate of 3.8 nm / min (in terms of SiO 2 ), and about 38 nm was sputtered from the surface layer. The chemical analysis is a value obtained by dissolving the catalyst once and measuring the obtained solution by ICP emission analysis.

Figure 2008260011
Figure 2008260011

表1から、本発明の試料4及び5では、酸化チタン中に含まれるBiについて、XPS測定で示される最表面のBi/Ti値は、化学分析値より計算されるBi/Ti値より2.0倍以上高くなっている。従って、本発明の触媒では、酸化物として存在するBiが酸化チタンの表面に濃化していることは明らかである。比較例となる試料6、7では、最表面のBi/Ti値は化学分析から算出されるBi/Ti値より大きいものの、本発明で規定する範囲(2倍以上)を下回っており、濃化が十分でない。また光触媒として知られるチタン酸ビスマスでも、最表面のBi濃度(Bi/Ti)は、化学式から計算される濃度に近く、濃度に偏りは見られない。   From Table 1, in the samples 4 and 5 of the present invention, the Bi / Ti value of the outermost surface shown by XPS measurement for Bi contained in the titanium oxide is 2. from the Bi / Ti value calculated from the chemical analysis value. It is more than 0 times higher. Therefore, in the catalyst of the present invention, it is clear that Bi existing as an oxide is concentrated on the surface of titanium oxide. In the samples 6 and 7 as comparative examples, the Bi / Ti value on the outermost surface is larger than the Bi / Ti value calculated from the chemical analysis, but is below the range defined by the present invention (twice or more), and is concentrated. Is not enough. Even in bismuth titanate known as a photocatalyst, the Bi concentration (Bi / Ti) on the outermost surface is close to the concentration calculated from the chemical formula, and there is no bias in the concentration.

[光触媒活性の測定(アセトアルデヒド分解試験)]
試料を蒸留水に分散させた後、その分散液を40mm角のガラス板に塗布し、次いで80℃で乾燥して、光触媒活性測定用の試験片とした。皮膜付着量は40g/mとした。その試験片を石英製反応セルに入れ、閉鎖循環ラインに接続し(合計内体積約3.7L)、酸素を20vol%含む窒素ガスで希釈したアセトアルデヒド(約240ppm−40μmol)を系内に導入した。ガスを循環させながら250W高圧水銀灯から、紫外線カットフィルター(東芝製L42)を通して可視光の照射を行った。反応の追跡は、アセトアルデヒドが分解して生成する二酸化炭素(CO)の濃度を、ガスクロマトグラフで経時的に測定することにより行った。光触媒活性は二酸化炭素の生成速度により評価した。以下の実施例においても、光触媒活性は同じ方法で調べた。結果を表2にまとめて示す。
[Measurement of photocatalytic activity (acetaldehyde degradation test)]
After the sample was dispersed in distilled water, the dispersion was applied to a 40 mm square glass plate and then dried at 80 ° C. to obtain a test piece for photocatalytic activity measurement. The coating amount was 40 g / m 2 . The test piece was placed in a quartz reaction cell, connected to a closed circulation line (total internal volume: about 3.7 L), and acetaldehyde (about 240 ppm-40 μmol) diluted with nitrogen gas containing 20 vol% oxygen was introduced into the system. . Visible light was irradiated from a 250 W high pressure mercury lamp through an ultraviolet cut filter (L42 manufactured by Toshiba) while circulating the gas. The reaction was traced by measuring the concentration of carbon dioxide (CO 2 ) produced by decomposition of acetaldehyde over time with a gas chromatograph. The photocatalytic activity was evaluated by the production rate of carbon dioxide. Also in the following examples, the photocatalytic activity was examined by the same method. The results are summarized in Table 2.

Figure 2008260011
Figure 2008260011

表2から明らかなように、可視光応答性酸化チタンにビスマス化合物(BiOCl)を接触させて含有させた本発明の可視光応答型光触媒(No.4及び5)は、単独の可視光応答性を有する酸化チタン(それぞれNo.1、2)に比べて、活性が高く、ビスマス酸化物(BiOx:x<1.5)の担持によって活性が増進されていることが分かる。試料No.5は、試料No.4より活性は高く,Siによる添加の効果は明らかである。また、No.4は、酸化チタンの前駆体の四塩化チタンと塩化ビスマスを用いて混合して共沈法により作製した比較品試料No.6に較べて、2倍以上活性が高かった。Siを含有させたNo.5も、同じくSiを含有する共沈法で作製したNo.7に対して、2倍以上高い可視光活性を示した。従って、本発明による可視光触媒活性の増進は明らかである。   As is apparent from Table 2, the visible light responsive photocatalysts (Nos. 4 and 5) of the present invention containing a bismuth compound (BiOCl) in contact with visible light responsive titanium oxide are independent of visible light responsiveness. It can be seen that the activity is higher than that of titanium oxide having No. 1 and No. 2 (respectively No. 1 and 2), and the activity is enhanced by supporting bismuth oxide (BiOx: x <1.5). Sample No. 5 is more active than sample No. 4, and the effect of addition by Si is clear. In addition, No. 4 was more than twice as active as the comparative sample No. 6, which was prepared by coprecipitation using titanium tetrachloride and bismuth chloride as precursors for titanium oxide. No. 5 containing Si also showed visible light activity two times or more higher than No. 7 produced by the coprecipitation method containing Si. Thus, the enhancement of visible photocatalytic activity according to the present invention is evident.

ところでNo.6、No.7の試料は、XPSスペクトルには上記(a)〜(c)の内2組以上の対ピークを全て有しており、低次ビスマスの存在が認められた。しかし、表1に示すように、酸化物として存在する表面のBi濃度(Bi/Ti)が、バルク中のBi濃度や化学分析から算出されるBi/Tiに較べ、幾分大きいもの、それぞれ対応する本発明の触媒(No.4や5)に比べそれほど大きな差はなく、Biの表面濃化は見られなかった。また、FT−IRで明らかになったように、Bi酸化物が酸化チタン表面に担持されていなかったため、十分な活性が得られなかったと思われる。   By the way, the samples of No. 6 and No. 7 had all two pairs or more of the above-mentioned pairs (a) to (c) in the XPS spectrum, and the presence of low-order bismuth was recognized. However, as shown in Table 1, the Bi concentration (Bi / Ti) of the surface existing as an oxide is somewhat larger than the Bi concentration in the bulk and Bi / Ti calculated from chemical analysis. Thus, there was no significant difference compared to the catalysts of the present invention (No. 4 and 5), and no surface concentration of Bi was observed. Further, as revealed by FT-IR, it is considered that sufficient activity could not be obtained because Bi oxide was not supported on the titanium oxide surface.

(実施例2)
試料No.8〜12:
四塩化チタンに四塩化珪素、塩化ジルコニウム、塩化タングステン又は水酸化アルミニウムを加えた後(M/Ti=0.03)、アンモニア水(7質量%)で加水分解し、得られた固形物(M化合物含有水酸化チタン)を乾燥し、次いで大気中450℃で2時間焼成して、上記添加元素を含んだ酸化チタンを得た。この酸化チタンに対して実施例1の試料No.3で作製したオキシ塩化ビスマスの粉末をBi/Ti=0.09になるように加え、乳鉢の中でよく混練した後、大気下450℃で2時間焼成して、ビスマス酸化物が担持された酸化チタンからなる本発明の可視光応答型光触媒を得た。X線回折パターンの結果、酸化チタンはアナターゼ型であった。その活性を実施例1に記載した方法で測定した結果を表3にまとめて示す。
(Example 2)
Sample Nos. 8-12:
After adding silicon tetrachloride, zirconium chloride, tungsten chloride, or aluminum hydroxide to titanium tetrachloride (M / Ti = 0.03), hydrolysis with ammonia water (7% by mass) gave a solid (M The compound-containing titanium hydroxide) was dried and then calcined at 450 ° C. for 2 hours in the air to obtain titanium oxide containing the additive element. To this titanium oxide, the powder of bismuth oxychloride prepared in Sample No. 3 of Example 1 was added so that Bi / Ti = 0.09, and kneaded well in a mortar. By calcination for 2 hours, a visible light responsive photocatalyst of the present invention consisting of titanium oxide carrying bismuth oxide was obtained. As a result of the X-ray diffraction pattern, titanium oxide was anatase type. The results of measuring the activity by the method described in Example 1 are summarized in Table 3.

Figure 2008260011
Figure 2008260011

表3より、可視光応答性酸化チタンに、珪素、ジルコニウム、タングステン、アルミニウムなどの金属元素を添加した酸化チタンを用いることで、ビスマス酸化物との担持による本発明の可視光応答型光触媒の活性は、非添加の場合(試料No.12)より大きくなることが明らかである。中でも珪素が最も増進効果が大きい。なお、この表に載せた元素以外にも、ホウ素、マグネシウム、ハフニウム、モリブデンなども可視光応答性酸化チタンに加えることで、同様の増進効果が認められた。   From Table 3, the activity of the visible light responsive photocatalyst of the present invention supported by bismuth oxide by using titanium oxide obtained by adding metal elements such as silicon, zirconium, tungsten, and aluminum to visible light responsive titanium oxide. Is clearly larger than that in the case of no addition (sample No. 12). Of these, silicon has the greatest enhancement effect. In addition to the elements listed in this table, boron, magnesium, hafnium, molybdenum, and the like were added to visible light-responsive titanium oxide, and the same enhancement effect was recognized.

(実施例3)
試料No.13〜23:
実施例1の試料No.4(Si含有酸化チタン)において、混錬後の焼成温度を変えること以外、同様の方法にて本発明の可視光応答型光触媒を調製した。表4に、実施例1に記載した方法で求めたアルデヒドの分解活性を示す。
(Example 3)
Sample Nos. 13 to 23:
In sample No. 4 (Si-containing titanium oxide) of Example 1, the visible light responsive photocatalyst of the present invention was prepared in the same manner except that the calcination temperature after kneading was changed. Table 4 shows the aldehyde decomposition activity determined by the method described in Example 1.

Figure 2008260011
Figure 2008260011

ビスマス酸化物の担持による活性の増進作用は、ビスマス化合物を添加しない可視光応答性酸化チタン(実施例1の試料No.2)の活性(1.1μmol/h)と比べて、焼成温度が25℃では効果はないが、熱処理による活性増進効果は、80℃から明確に現れる。さらに300℃から700℃の範囲で顕著な増進効果を示し、800℃でも効果は持続した。   The activity enhancement effect by supporting bismuth oxide is such that the firing temperature is 25 compared with the activity (1.1 μmol / h) of visible light responsive titanium oxide (sample No. 2 in Example 1) to which no bismuth compound is added. Although there is no effect at 0 ° C., the activity enhancement effect by the heat treatment appears clearly from 80 ° C. Furthermore, a remarkable enhancement effect was exhibited in the range of 300 ° C. to 700 ° C., and the effect continued even at 800 ° C.

これら触媒のSEM図を図3に、FT−IRスペクトルにおける3400cm-1のピーク(OH基伸縮に由来)の強度を図4にそれぞれ示す。
図3のSEM図から、ビスマス酸化物が酸化チタンに担持されている、より具体的には酸化チタンの表面の少なくとも一部を被覆していることがわかる。SEM図についてより詳しく説明すると、混練後に乾燥しただけの80℃の段階では、母体粒子である含有酸化チタン(Si−TiO2)と比べると、僅かに母体粒子自体にビスマス化合物が付着していた。300℃になると、母体粒子表面には、ビスマスビスマス酸化物が微粒子状で担持された。焼成温度が500℃になると、ビスマス化合物の微粒子はほとんど消失し、600℃では粒子表面が平滑になり、ビスマス化合物は母体粒子の表面の大部分を被覆していた。
FIG. 3 shows SEM diagrams of these catalysts, and FIG. 4 shows the intensity of a peak at 3400 cm −1 (derived from OH group stretching) in the FT-IR spectrum.
It can be seen from the SEM diagram of FIG. 3 that bismuth oxide is supported on titanium oxide, more specifically, covers at least part of the surface of titanium oxide. The SEM diagram will be described in more detail. At the stage of 80 ° C., which was only dried after kneading, the bismuth compound was slightly adhered to the base particles themselves as compared with the containing titanium oxide (Si—TiO 2) as the base particles. When the temperature reached 300 ° C., bismuth bismuth oxide was supported in the form of fine particles on the surface of the base particles. When the firing temperature reached 500 ° C., the fine particles of the bismuth compound almost disappeared, and at 600 ° C., the particle surface became smooth, and the bismuth compound covered most of the surface of the base particles.

一方、図4に示すFT−IRスペクトルの結果では、母体のSi含有酸化チタン及び混練後に乾燥しただけの80℃の状態では、酸化チタン由来のOH基の伸縮に相当するブロードなピークが3400cm−1付近に見られる。焼成温度を上げていくと、このOH基のピークは徐々に弱くなった。これらの挙動は、焼成温度が上がるにつれて、ビスマス化合物がビスマス酸化物として母体の酸化チタン(Si/TiO2)の表面を被覆していくことを示している。 On the other hand, in the result of the FT-IR spectrum shown in FIG. 4, a broad peak corresponding to the expansion and contraction of the OH group derived from titanium oxide is 3400 cm − in the state of 80 ° C. in which the base Si-containing titanium oxide and the kneaded material are dried after kneading. It can be seen near 1 . As the firing temperature was raised, this OH group peak gradually weakened. These behaviors indicate that as the firing temperature increases, the bismuth compound coats the surface of the base titanium oxide (Si / TiO2) as a bismuth oxide.

この結果は前述したSEMによる粒子観察結果とも一致している。これらの測定結果から、本発明の可視光応答型光触媒では、ビスマス化合物が酸化チタンに担持されており、さらに酸化チタン表面の少なくとも一部を被覆することでより高活性になることが判明した。   This result agrees with the particle observation result by SEM described above. From these measurement results, it was found that in the visible light responsive photocatalyst of the present invention, the bismuth compound is supported on titanium oxide, and it becomes more active by coating at least part of the titanium oxide surface.

(実施例4)
試料No.24〜32:
水酸化チタンの焼成温度を100〜600℃の範囲に変化させた以外は、実施例1の試料No.2と同様の方法により、珪素を含有する酸化チタンを作製した。作製された酸化チタンを、実施例1の試料No.4と同様の方法でビスマス化合物との混錬及び焼成(大気中500℃で2時間)を行って、酸化チタンにビスマス酸化物が担持された本発明の可視光応答型光触媒を調製した。表5に、前述した方法で求めたアセトアルデヒドの分解活性をまとめた。
Example 4
Sample No. 24-32:
Titanium oxide containing silicon was produced by the same method as Sample No. 2 in Example 1 except that the firing temperature of titanium hydroxide was changed to a range of 100 to 600 ° C. The produced titanium oxide was kneaded with a bismuth compound and calcined (at 500 ° C. in air for 2 hours) in the same manner as in Sample No. 4 of Example 1, and the bismuth oxide was supported on the titanium oxide. In addition, a visible light responsive photocatalyst of the present invention was prepared. Table 5 summarizes the acetaldehyde decomposition activity determined by the method described above.

Figure 2008260011
Figure 2008260011

原料の珪素含有酸化チタンは、その作製時の焼成温度によって光触媒活性が変化し、600℃付近までは焼成温度が高いほど光触媒活性が高くなる。それを反映して、ビスマス化合物との混合と熱処理によりビスマス化合物を担持させた本発明の光触媒の可視光触媒活性についても同様の結果が得られた。   The raw material silicon-containing titanium oxide changes in photocatalytic activity depending on the firing temperature at the time of production, and the photocatalytic activity increases as the firing temperature increases up to about 600 ° C. Reflecting this, similar results were obtained for the visible photocatalytic activity of the photocatalyst of the present invention in which the bismuth compound was supported by mixing with a bismuth compound and heat treatment.

(実施例5)
試料No.33〜38:
実施例1の試料No.2の珪素を含有する酸化チタンに対して、ビスマス化合物として硝酸ビスマス、オキシ硝酸ビスマス、オキシ水酸化ビスマス、塩化ビスマス、酸化ビスマス(Bi)又はオキシ酢酸ビスマスをそれぞれ添加し(Bi/Ti=0.09〜0.11)、よく混錬した後、大気中450℃或いは500℃で2時間焼成して、ビスマス酸化物が担持された酸化チタンからなる本発明の可視光応答型光触媒を得た。X線回折パターンでの主要なピークはアナターゼ型酸化チタンに帰属されるものであった。その可視光活性を前述と同様の方法で求めた結果を表6にまとめた。
(Example 5)
Sample No. 33-38:
For the titanium oxide containing silicon of sample No. 2 in Example 1, bismuth nitrate, bismuth oxynitrate, bismuth oxyhydroxide, bismuth chloride, bismuth oxide (Bi 2 O 3 ) or bismuth oxyacetate are used as bismuth compounds. Each of the present invention (Bi / Ti = 0.09 to 0.11), kneaded well, and then baked at 450 ° C. or 500 ° C. for 2 hours in the atmosphere to form titanium oxide carrying bismuth oxide. The visible light responsive photocatalyst was obtained. The main peak in the X-ray diffraction pattern was attributed to anatase-type titanium oxide. The results obtained by determining the visible light activity in the same manner as described above are summarized in Table 6.

Figure 2008260011
Figure 2008260011

本発明の可視光応答型光触媒の製造においては、ビスマス化合物としては活性の優劣はあるが、ビスマスを含有する化合物であればいずれも利用できることがわかる。ただし、ビスマス化合物が安定な酸化物であると、活性増進効果が小さく、ビスマス化合物はオキシビスマス類BiOX(X=ハロゲンイオン、硝酸イオン、水酸化イオン、有機イオン)、ハロゲン化ビスマス又は硝酸ビスマスであると効果が高かった。他に、硫酸ビスマスや硫化ビスマスも高い効果を示すことが確認されている。   In the production of the visible light responsive photocatalyst of the present invention, the activity of the bismuth compound is superior or inferior, but any compound containing bismuth can be used. However, if the bismuth compound is a stable oxide, the activity enhancement effect is small, and the bismuth compound is oxybismuth BiOX (X = halogen ion, nitrate ion, hydroxide ion, organic ion), bismuth halide or bismuth nitrate. It was highly effective. In addition, bismuth sulfate and bismuth sulfide have been confirmed to show high effects.

一方、混合したビスマス化合物が酸化ビスマスである試料No.37は、酸化チタン原料である試料No.2に比べれば、可視光触媒活性がやや向上したが、その向上はごくわずかであった。   On the other hand, Sample No. 37, in which the mixed bismuth compound was bismuth oxide, had a slightly improved visible photocatalytic activity compared to Sample No. 2, which was a titanium oxide raw material, but the improvement was negligible.

(実施例6)
試料No.39:
市場で入手可能な粉末状可視光応答性酸化チタンに対して、実施例1の試料No.3で作製したビスマス化合物(オキシ塩化ビスマス)を活性増進剤として加えた(Bi/Ti=0.09)後、乳鉢でよく混練した後、大気中500℃で2時間焼成して、本発明の可視光応答型光触媒を作製した。X線回折パターンでの主要なピークはアナターゼ型酸化チタンに帰属されるものであった。この光触媒の活性を調べたところ、原料の酸化チタンの活性(2.6μmol/Hr)に対して、ビスマス化合物と接触混合し、焼成した後の活性は5.9μmol/Hrと、2倍以上に活性が増進され、ビスマス化合物が、既に製造された可視光応答性酸化チタン光触媒に対して活性増進剤として有効であることが分かった。
(Example 6)
Sample No. 39:
A bismuth compound (bismuth oxychloride) prepared in Sample No. 3 of Example 1 was added as an activity enhancer to powdery visible light responsive titanium oxide available on the market (Bi / Ti = 0.09). After that, the mixture was well kneaded in a mortar and then calcined at 500 ° C. for 2 hours in the atmosphere to produce the visible light responsive photocatalyst of the present invention. The main peak in the X-ray diffraction pattern was attributed to anatase-type titanium oxide. When the activity of this photocatalyst was examined, the activity after contact mixing with a bismuth compound and firing was 5.9 μmol / Hr, more than double the activity of the raw material titanium oxide (2.6 μmol / Hr). It was found that the activity was enhanced and the bismuth compound was effective as an activity enhancer for the already produced visible light responsive titanium oxide photocatalyst.

試料No.40:
試料No.39で用いた市販の可視光応答性酸化チタンを0.1N硝酸に加え、良く分散させた後、オルト珪酸エチルをSi/Ti=0.12になるように加え、3時間以上攪拌した。ろ過後に得られた粉末を乾燥し、大気中500℃で2時間焼成して、珪素を含有する可視光応答性酸化チタンを得た。この酸化チタンに、試料No.39と同様の方法でビスマス化合物を活性増進剤として加え、大気中500℃で2時間焼成して、本発明の可視光応答型光触媒を作製した。X線回折パターンでの主要なピークはアナターゼ型酸化チタンに帰属されるものであった。
Sample No. 40:
Commercially available visible light responsive titanium oxide used in sample No. 39 was added to 0.1N nitric acid and dispersed well, and then ethyl orthosilicate was added so that Si / Ti = 0.12 and stirred for 3 hours or more. did. The powder obtained after filtration was dried and baked at 500 ° C. for 2 hours in the air to obtain visible light-responsive titanium oxide containing silicon. A bismuth compound was added as an activity enhancer to this titanium oxide in the same manner as in Sample No. 39, and calcined in the atmosphere at 500 ° C. for 2 hours to produce the visible light responsive photocatalyst of the present invention. The main peak in the X-ray diffraction pattern was attributed to anatase-type titanium oxide.

この光触媒の可視光活性は8.6μmol/Hrであり、試料No.39に比べて珪素の含有量により活性はさらに増進された。すなわち、ビスマス化合物を活性増進剤に使うにあたり、事前に珪素などの金属元素の含有処理を施すことにより、より高い増進作用が得られることが明らかになった。   The visible light activity of this photocatalyst was 8.6 μmol / Hr, and the activity was further enhanced by the silicon content as compared with Sample No. 39. That is, it has been clarified that, when a bismuth compound is used as an activity enhancer, a higher enhancement effect can be obtained by applying a metal element such as silicon in advance.

試料No.41:
実施例1の試料No.2のSiを含有する酸化チタンを、有機系分散剤を用いて脱イオン水に分散させて、pH7、固形分20質量%の分散液を作製した。この分散液に、オキシ塩化ビスマスの水中分散液(pH7)を加え(Bi/Ti=0.09)、十分に攪拌して、本発明の可視光応答型光触媒形成用分散液を作製した。この分散液をガラス板に塗布後(皮膜付着量約40g/m)、大気中400℃で2時間焼成して、本発明の可視光応答型光触媒の層を有する光触媒機能部材を得た。X線回折パターンでの主要なピークは酸化チタンに帰属されるものであった。
Sample No. 41:
Titanium oxide containing Si of Sample No. 2 of Example 1 was dispersed in deionized water using an organic dispersant to prepare a dispersion having a pH of 7 and a solid content of 20% by mass. To this dispersion was added a dispersion of bismuth oxychloride in water (pH 7) (Bi / Ti = 0.09) and stirred sufficiently to prepare a dispersion for forming a visible light responsive photocatalyst according to the present invention. This dispersion was applied to a glass plate (coating amount of about 40 g / m 2 ) and then baked at 400 ° C. in the atmosphere for 2 hours to obtain a photocatalytic functional member having a visible light responsive photocatalyst layer of the present invention. The main peak in the X-ray diffraction pattern was attributed to titanium oxide.

この光触媒機能部材を実施例1に記載の方法でアセトアルデヒド分解試験に供した。原料として用いた試料No.2のSi含有酸化チタンのゾルを同様にガラス部材に塗布し、熱処理して作製した光触媒機能部材の活性は2μmol/Hであったのに対し、本発明の光触媒機能部材の活性は12μmol/Hであり、ビスマス化合物と接触させて得た本発明の可視光応答型光触媒を塗布した部材では、可視光触媒活性が向上する(活性増進効果が達成される)ことが確認された。   This photocatalytic functional member was subjected to an acetaldehyde decomposition test by the method described in Example 1. The activity of the photocatalytic functional member prepared by applying the Si-containing titanium oxide sol of sample No. 2 used as a raw material to a glass member and heat-treating the same was 2 μmol / H, whereas the photocatalytic function of the present invention was used. The activity of the member is 12 μmol / H, and it is confirmed that the member coated with the visible light responsive photocatalyst of the present invention obtained by contacting with a bismuth compound improves the visible light catalytic activity (achieves the activity enhancement effect). It was done.

試料No.42:
試料No.39で使用した市販の可視光応答性酸化チタンから、試料No.41で使用したのと同じ有機系分散剤及び脱イオン水を用いて調製した分散液(pH7、固形分10質量%)に、光触媒活性増進剤となるオキシ塩化ビスマスの水中分散液(pH7)を加え(Bi/Ti=0.10)、十分に攪拌して、本発明の可視光応答型光触媒形成用分散液を作製した。その分散液をガラス板に直接塗布し(約40g/m)、大気中80℃で2時間焼成して、本発明の可視光応答型光触媒の層を有する光触媒機能部材を作製した。
Sample No. 42:
Dispersion liquid (pH 7, solid content 10 mass%) prepared from commercially available visible light responsive titanium oxide used in sample No. 39 using the same organic dispersant and deionized water as used in sample No. 41 ) Is added with an aqueous dispersion (pH 7) of bismuth oxychloride serving as a photocatalytic activity enhancer (Bi / Ti = 0.10), and sufficiently stirred, the visible light responsive photocatalyst forming dispersion of the present invention is prepared. Produced. The dispersion was directly applied to a glass plate (about 40 g / m 2 ) and baked at 80 ° C. for 2 hours in the atmosphere to produce a photocatalytic functional member having a visible light responsive photocatalyst layer of the present invention.

試料No.43:
試料No.39で使用した市販の可視光応答性酸化チタンから、試料No.36で使用したのと同じ有機系分散剤及び脱イオン水を用いて調製した分散液(pH7、固形分10質量%)に、シリカゾル(スノーテックO)を加え(Si/Ti=0.12)、十分攪拌した後、さらに光触媒活性増進剤となるオキシ硝酸ビスマスの分散液(pH7)を加え(Bi/Ti=0.10)、十分に攪拌して、本発明の可視光応答型光触媒形成用分散液を作製した。その分散液をガラス板に直接塗布し(約40g/m)、大気中80℃で2時間焼成して、本発明の可視光応答型光触媒の層を有する光触媒機能部材を作製した。X線回折パターンでの主要なピークはアナターゼ型酸化チタンに帰属されるものであった。
Sample No. 43:
A dispersion (pH 7, solid content 10 mass%) prepared from the commercially available visible light responsive titanium oxide used in Sample No. 39 using the same organic dispersant and deionized water as used in Sample No. 36 ), Silica sol (Snowtech O) was added (Si / Ti = 0.12), and after sufficient stirring, a dispersion of bismuth oxynitrate (pH 7) serving as a photocatalytic activity promoter was added (Bi / Ti = 0). 10) and sufficiently stirred to produce a dispersion for forming a visible light responsive photocatalyst according to the present invention. The dispersion was directly applied to a glass plate (about 40 g / m 2 ) and baked at 80 ° C. for 2 hours in the atmosphere to produce a photocatalytic functional member having a visible light responsive photocatalyst layer of the present invention. The main peak in the X-ray diffraction pattern was attributed to anatase-type titanium oxide.

試料No.42及びNo.43で作製した光触媒機能部材を実施例1に記載の方法でアセトアルデヒド分解試験に供した。その結果、原料の可視光応答性酸化チタンゾルを塗布した試料の活性(1.6μmol/Hr)に対して、試料No.42では2.3μmol/Hr、試料No.43では4.0μmol/Hrの活性であった。このことから、本発明のビスマス化合物を含有した活性増進剤は、酸化チタン光触媒のゾルにも有効であること、さらに珪素(本例ではSiO)を添加することにより、その増進作用はより高くなることが明らかになった。 The photocatalytic functional members prepared in Samples No. 42 and No. 43 were subjected to the acetaldehyde decomposition test by the method described in Example 1. As a result, 2.3 μmol / Hr in the sample No. 42 and 4.0 μmol / Hr in the sample No. 43 with respect to the activity (1.6 μmol / Hr) of the sample coated with the raw material visible light responsive titanium oxide sol. It was active. Therefore, the activity enhancer containing the bismuth compound of the present invention is also effective for the sol of the titanium oxide photocatalyst, and further, the enhancement action is higher by adding silicon (in this example, SiO 2 ). It became clear that

(実施例7)
(XAFS測定)
上記試料No.4、No.5を含めて各種光触媒について、XAFS法によりビスマス原子の周りの動径分布のピーク比R(第2ピーク/第1ピーク)を求めた。測定はSPring8−BL19-B2で行った。測定結果を表7に、前述した方法で求めた光触媒活性(CO発生速度)とともに示す。
(Example 7)
(XAFS measurement)
For various photocatalysts including Sample No. 4 and No. 5, the peak ratio R (second peak / first peak) of the radial distribution around the bismuth atom was determined by the XAFS method. The measurement was performed with SPring8-BL19-B2. The measurement results are shown in Table 7 together with the photocatalytic activity (CO 2 generation rate) determined by the method described above.

表7には、R値の異なる試料として、上記試料No.4及び5ならびにチタン酸ビスマス(BiTi12)及びBi3、さらにはビスマス量をBi/Ti=0.30とすること以外試料No.4と同様の方法で作製した試料No.44についても、R値及び光触媒活性の測定結果を示す。 In Table 7, as samples having different R values, the above sample Nos. 4 and 5, bismuth titanate (Bi 3 Ti 4 O 12 ) and Bi 2 O 3, and the amount of bismuth as Bi / Ti = 0.30. For the sample No. 44 produced by the same method as the sample No. 4 except that, the R value and the photocatalytic activity measurement results are also shown.

Figure 2008260011
Figure 2008260011

表7の結果からわかるように、動径分布のピーク比Rが0.4以下になると、高い可視光触媒活性を示している。さらにピーク比が0.15以下となると、極めて高い活性を有していることが分かる。また、他元素Mを含まない単独の酸化チタンでも、酸化チタンをビスマス化合物と混合し、焼成することで、R値は0.4以下となり、母体の酸化チタンに比べ十分な可視光活性を示すようになる。   As can be seen from the results in Table 7, high visible light catalytic activity is exhibited when the peak ratio R of the radial distribution is 0.4 or less. Further, it can be seen that when the peak ratio is 0.15 or less, it has extremely high activity. Even in the case of a single titanium oxide that does not contain other elements M, the titanium oxide is mixed with a bismuth compound and baked, so that the R value becomes 0.4 or less, and the visible light activity is sufficiently higher than that of the parent titanium oxide. It becomes like this.

このように、ビスマスを含んだ酸化チタンにおいて、XAFS測定で得られるBi原子の周りの動径分布におけるピークの比(第2ピーク/第1ピーク)を0.4以下とすることで、極めて高い可視光活性を有する可視光応答型の光触媒を提供することができる。   Thus, in titanium oxide containing bismuth, the peak ratio (second peak / first peak) in the radial distribution around Bi atoms obtained by XAFS measurement is set to 0.4 or less, which is extremely high. A visible light responsive photocatalyst having visible light activity can be provided.

実施例1で作製したか各種試料のFT−IRスペクトルを示す。The FT-IR spectra of various samples prepared in Example 1 are shown. 実施例1で作製した試料No.3〜5のBi−4f内殻準位のスペクトル図を示す。The spectrum figure of the Bi-4f core level of sample No. 3-5 produced in Example 1 is shown. 実施例3で得られた可視光応答型光触媒の試料のSEM観察写真を示す。The SEM observation photograph of the sample of the visible light response type photocatalyst obtained in Example 3 is shown. 実施例3で得られた可視光応答型光触媒の試料のFT−IRスペクトルの3400cm-1の吸収値をまとめた図を示す。The figure which put together the absorption value of 3400 cm < -1 > of the FT-IR spectrum of the sample of the visible light response type photocatalyst obtained in Example 3 is shown. 実施例7で得られた可視光応答型光触媒の試料について、XAFS法にて試料のビスマス周りの動径分布を求めた結果を示す。The result of having calculated | required radial distribution around the bismuth of a sample by the XAFS method about the sample of the visible light response type photocatalyst obtained in Example 7 is shown.

Claims (24)

表面にビスマス酸化物が担持された酸化チタンからなる可視光応答型光触媒であって、ビスマスが表面に濃化していることを特徴とする酸化チタン系可視光応答型光触媒。   A titanium oxide-based visible light responsive photocatalyst characterized in that it is a visible light responsive photocatalyst comprising titanium oxide having a bismuth oxide supported on the surface, wherein bismuth is concentrated on the surface. 前記ビスマス酸化物がBiO(x<1.5)で表されることを特徴する請求項1に記載の光触媒 2. The photocatalyst according to claim 1, wherein the bismuth oxide is represented by BiO x (x <1.5). 前記ビスマス酸化物が酸化チタンの表面の少なくとも一部を被覆している、請求項1又は2に記載の可視光応答型光触媒。   The visible light responsive photocatalyst according to claim 1 or 2, wherein the bismuth oxide covers at least a part of the surface of titanium oxide. 光触媒中に含まれるBiとTiの原子比(Bi/Ti)が0.001以上、1.0以下である請求項1〜3のいずれかに記載の可視光応答型光触媒。   The visible light responsive photocatalyst according to any one of claims 1 to 3, wherein an atomic ratio (Bi / Ti) of Bi and Ti contained in the photocatalyst is 0.001 or more and 1.0 or less. 光触媒をXAFS解析した時のビスマス原子の周りの動径分布のピーク比R(第2ピーク/第1ピークの比)が0.4以下である、請求項1〜4のいずれかに記載の可視光応答型酸光触媒。   The visible light ray according to any one of claims 1 to 4, wherein a peak ratio R (second peak / first peak ratio) of a radial distribution around a bismuth atom when the photocatalyst is analyzed by XAFS is 0.4 or less. Photoresponsive acid photocatalyst. 前記動径分布のピーク比Rが0.15以下である請求項5に記載の可視光応答型酸光触媒。   6. The visible light responsive acid photocatalyst according to claim 5, wherein a peak ratio R of the radial distribution is 0.15 or less. 光触媒が珪素、ジルコニウム、アルミニウム、タングステン、モリブデン、マグネシウム、ハフニウム、及びホウ素から選ばれる少なくとも1種の元素Mを含有する、請求項1〜6のいずれかに記載の可視光応答型光触媒。   The visible light responsive photocatalyst according to any one of claims 1 to 6, wherein the photocatalyst contains at least one element M selected from silicon, zirconium, aluminum, tungsten, molybdenum, magnesium, hafnium, and boron. 光触媒中の前記元素Mの含有量(2種以上の元素を含有する場合は合計量)が、Tiに対する原子比(M/Ti)が0.0001以上、1.0未満となる量である、請求項7に記載の可視光応答型光触媒。   The content of the element M in the photocatalyst (the total amount when containing two or more elements) is such that the atomic ratio to Ti (M / Ti) is 0.0001 or more and less than 1.0. The visible light responsive photocatalyst according to claim 7. 前記元素Mが酸化チタン中に含有される請求項7又は8に記載の可視光応答型光触媒。   The visible light responsive photocatalyst according to claim 7 or 8, wherein the element M is contained in titanium oxide. 酸化チタンが少なくとも部分的に結晶質であり、その結晶の主たる結晶型がアナターゼである、請求項1〜9のいずれかに記載の可視光応答型光触媒。   The visible light responsive photocatalyst according to any one of claims 1 to 9, wherein the titanium oxide is at least partially crystalline and the main crystal form of the crystal is anatase. 酸化チタン又はその固体状前駆体をビスマス化合物と混合する混合工程と、得られた混合物を焼成して、表面に前記ビスマス酸化物が担持された酸化チタンを得る焼成工程とを含むことを特徴する請求項1〜10のいずれかに記載の酸化チタン系可視光応答型光触媒の製造方法。   It includes a mixing step of mixing titanium oxide or a solid precursor thereof with a bismuth compound, and a baking step of baking the resulting mixture to obtain titanium oxide having the bismuth oxide supported on the surface. The manufacturing method of the titanium oxide type visible light responsive photocatalyst in any one of Claims 1-10. 前記焼成工程を、焼成で得られた生成物のX線回折パターンにおいてアナターゼ型酸化チタンが主になっている段階で停止する、請求項11に記載の方法。   The method according to claim 11, wherein the firing step is stopped at a stage where anatase-type titanium oxide is predominant in an X-ray diffraction pattern of a product obtained by firing. 前記焼成工程における焼成温度が50〜800℃である、請求項11又は12に記載の方法。   The method according to claim 11 or 12, wherein a firing temperature in the firing step is 50 to 800 ° C. ビスマス化合物がBiOX(X=ハロゲンイオン、硝酸イオン、水酸化イオン、有機イオン)、ハロゲン化ビスマス、硝酸ビスマス、硫酸ビスマス、及び硫化ビスマスから選ばれる少なくとも1種である、請求項11〜13のいずれかに記載の方法。   The bismuth compound is at least one selected from BiOX (X = halogen ion, nitrate ion, hydroxide ion, organic ion), bismuth halide, bismuth nitrate, bismuth sulfate, and bismuth sulfide. The method of crab. 酸化チタン又はその固体状前駆体が珪素、ジルコニウム、アルミニウム、タングステン、モリブデン、マグネシウム、ハフニウム及びホウ素から選ばれる少なくとも1種の元素Mを含有する、請求項11〜14のいずれかに記載の方法。   The method according to any one of claims 11 to 14, wherein the titanium oxide or a solid precursor thereof contains at least one element M selected from silicon, zirconium, aluminum, tungsten, molybdenum, magnesium, hafnium and boron. 混合工程において、酸化チタン又はその固体状前駆体とビスマス化合物に加えて、珪素化合物、ジルコニウム化合物、アルミニウム化合物、タングステン化合物、モリブデン化合物、マグネシウム化合物、ハフニウム化合物及びホウ素化合物から選ばれる少なくとも1種の化合物を混合する、請求項11〜15のいずれかに記載の方法。   In the mixing step, in addition to titanium oxide or its solid precursor and bismuth compound, at least one compound selected from silicon compounds, zirconium compounds, aluminum compounds, tungsten compounds, molybdenum compounds, magnesium compounds, hafnium compounds and boron compounds The method according to any one of claims 11 to 15, which is mixed. 混合される化合物のうち少なくとも1つが分散液状態の酸化物である請求項11〜16のいずれかに記載の方法。   The method according to any one of claims 11 to 16, wherein at least one of the compounds to be mixed is an oxide in a dispersion state. 基材の表面に請求項1〜10のいずれかに記載の可視光応答型光触媒を有することを特徴とする、光触媒機能部材。   A photocatalytic functional member comprising the visible light responsive photocatalyst according to any one of claims 1 to 10 on the surface of a substrate. 液体媒質中に分散状態の酸化チタンと分散又は溶解状態のビスマス化合物とを含むことを特徴とする、可視光応答型光触媒形成用分散液。   A visible light responsive photocatalyst-forming dispersion, comprising a liquid medium containing dispersed titanium oxide and a dispersed or dissolved bismuth compound. 液体媒質中に分散した請求項1〜10のいずれかに記載の可視光応答型光触媒を含有することを特徴とする、光触媒分散液。   A photocatalyst dispersion liquid comprising the visible light responsive photocatalyst according to claim 1 dispersed in a liquid medium. 液体媒質中に分散状態の酸化チタンとそれぞれ分散又は溶解状態のビスマス化合物及びバインダーとを含むことを特徴とする、可視光応答型光触媒コーティング液。   A visible light responsive photocatalyst coating liquid characterized by containing a dispersed titanium oxide, a dispersed or dissolved bismuth compound and a binder in a liquid medium. 液体媒質中に請求項1〜10のいずれかに記載の可視光応答型光触媒とバインダーとを含有し、光触媒の含有量が不揮発分の合計量に基づいて5〜95質量%であることを特徴とする、可視光応答型光触媒コーティング液。   The visible light responsive photocatalyst according to any one of claims 1 to 10 and a binder are contained in a liquid medium, and the content of the photocatalyst is 5 to 95% by mass based on the total amount of nonvolatile components. A visible light responsive photocatalytic coating solution. 請求項19又は20に記載の分散液或いは請求項21又は22に記載のコーティング液を基材に塗布した後、熱処理を施すことを特徴とする、光触媒機能部材の製造方法。   A method for producing a photocatalytic functional member, wherein the dispersion liquid according to claim 19 or 20 or the coating liquid according to claim 21 or 22 is applied to a substrate, followed by heat treatment. ビスマス化合物からなる、酸化チタン系光触媒の可視光応答活性増進剤。   Visible light responsive activity enhancer for titanium oxide photocatalyst comprising bismuth compound.
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