JP2009292680A - Photocatalyst nanosheet, photocatalyst material, and their manufacturing methods - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a photocatalyst nanosheet substitutable for titanium oxide nanosheet, and a photocatalyst material and their manufacturing methods. <P>SOLUTION: The photocatalyst nanosheet comprised of NbO<SB>6</SB>and/or TiO<SB>6</SB>octahedral units, and is characterised by being formed of nanosheet selected from the group consisting of Nb<SB>3</SB>O<SB>8</SB>, Nb<SB>6</SB>O<SB>17</SB>, TiNbO<SB>5</SB>, Ti<SB>2</SB>NbO<SB>7</SB>, Ti<SB>5</SB>NbO<SB>14</SB>, Ca<SB>2</SB>Nb<SB>3</SB>O<SB>10</SB>and LaNb<SB>2</SB>O<SB>7</SB>. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、光触媒ナノシート、それを用いた光触媒材料、および、それらの製造方法に関し、より詳しくは結晶がNbOおよび/またはTiO八面体ユニットからなる光触媒ナノシート、それを用いた光触媒材料、および、それらの製造方法に関する。 The present invention relates to a photocatalyst nanosheet, a photocatalyst material using the same, and a production method thereof, and more specifically, a photocatalyst nanosheet whose crystal is composed of NbO 6 and / or TiO 6 octahedral units, a photocatalyst material using the same, and , And a manufacturing method thereof.

アナターゼ、ルチル等の二酸化チタンは、光触媒性および光誘起親水化特性を示すことが知られている。これらの二酸化チタンを窓材、建材など様々な部材に薄膜としてコーティングすることにより、その光触媒性および光誘起親水化特性によって部材の表面を清浄に保つ効果があることが高い注目を集めており、ビルディングの窓、壁、テント外面などのセルフクリーニング・コーティング技術として応用が始まっている。   Titanium dioxide such as anatase and rutile is known to exhibit photocatalytic and photoinduced hydrophilization properties. By coating these titanium dioxide as a thin film on various materials such as window materials and building materials, it has attracted a lot of attention that it has the effect of keeping the surface of the member clean by its photocatalytic property and photo-induced hydrophilic property, Application has begun as a self-cleaning coating technology for building windows, walls, and tent exteriors.

これら二酸化チタンは、通常、ゾル・ゲル法に代表される液相プロセス、スパッタリング法に代表される気相プロセス等によりコーティングされる。しかしながら、コーティングされた二酸化チタン薄膜は、球状の二酸化チタン粒子が互いに結合し、2次元方向に広がった構造を有する。そのため、二酸化チタン粒子による表面の凹凸が激しく、初期防汚性に乏しいという問題がある。   These titanium dioxides are usually coated by a liquid phase process typified by a sol-gel method, a gas phase process typified by a sputtering method, or the like. However, the coated titanium dioxide thin film has a structure in which spherical titanium dioxide particles are bonded to each other and spread in a two-dimensional direction. Therefore, the surface unevenness | corrugation by a titanium dioxide particle is intense, and there exists a problem that initial antifouling property is scarce.

このような問題に対して、二酸化チタンに替えて酸化チタンナノシートをコーティングする技術が知られている(例えば、特許文献1を参照)。特許文献1によれば、層状チタン酸化物を単層剥離することによって分子レベルの薄さとミクロン以上の横サイズを持つ酸化チタンナノシートが合成される。   For such a problem, a technique of coating a titanium oxide nanosheet instead of titanium dioxide is known (see, for example, Patent Document 1). According to Patent Document 1, a titanium oxide nanosheet having a molecular level thinness and a lateral size of micron or more is synthesized by peeling a layered titanium oxide into a single layer.

この酸化チタンナノシートは、アナターゼなどの二酸化チタンと同様に光触媒性および光誘起親水化特性を示すことに加えて、二酸化チタン薄膜にはない極めて高い2次元異方性を有している。また、液媒体中に分散したコロイドとして酸化チタンナノシートが得られるため、ナノレベルで厚さを精密に制御できるので、製膜性に優れており、大面積コーティングを簡便かつ安価に行うことができるという利点がある。また、このようにして得られた酸化チタンナノシートの表面は、ナノレベルで平滑であるといった特徴を有する。   This titanium oxide nanosheet has extremely high two-dimensional anisotropy not found in a titanium dioxide thin film, in addition to exhibiting photocatalytic properties and photoinduced hydrophilization properties like titanium dioxide such as anatase. In addition, since titanium oxide nanosheets are obtained as colloids dispersed in a liquid medium, the thickness can be precisely controlled at the nano level, so that the film-forming property is excellent and large-area coating can be performed easily and inexpensively. There is an advantage. Moreover, the surface of the titanium oxide nanosheet obtained in this way has a feature that it is smooth at the nano level.

このような酸化チタンナノシートにより、初期防汚性に優れた光触媒薄膜が期待される。しかしながら、酸化チタンナノシートをコーティングして形成される薄膜は、二酸化チタン粒子をゾル・ゲル法により形成される光触媒薄膜と比較して、光触媒性が必ずしも十分ではないという問題がある。   With such a titanium oxide nanosheet, a photocatalytic thin film excellent in initial antifouling property is expected. However, the thin film formed by coating the titanium oxide nanosheet has a problem that the photocatalytic property is not necessarily sufficient as compared with the photocatalytic thin film formed by sol-gel method using titanium dioxide particles.

特開平9−227123号公報JP-A-9-227123

以上のような実情に鑑み、本願発明は、酸化チタンナノシート同様に優れた平滑性を有しつつ、二酸化チタンと同様、または、それより優れた光触媒性および光誘起親水化特性を発現する光触媒ナノシートを提供することを課題とする。   In view of the above circumstances, the present invention is a photocatalyst nanosheet that exhibits photocatalytic properties and photoinduced hydrophilization characteristics that are similar to or better than titanium dioxide while having excellent smoothness similar to titanium oxide nanosheets. It is an issue to provide.

さらに、このような機能を持ちながら、部材との密着性に優れたナノシートからなる光触媒ナノシートを提供することを課題とする。   It is another object of the present invention to provide a photocatalyst nanosheet made of a nanosheet having such a function and excellent adhesion to a member.

また、このような機能をもった光触媒ナノシートを用いた光触媒材料とそれを高収率で製造できる方法とを提供することを課題とする。   It is another object of the present invention to provide a photocatalyst material using a photocatalyst nanosheet having such a function and a method capable of producing it in a high yield.

(1)本発明による光触媒ナノシートは、NbOおよび/またはTiO八面体ユニットからなり、Nb、Nb17、TiNbO、TiNbO、TiNbO14、CaNb10およびLaNbからなる群から選択されたナノシートからなることを特徴とする。
(2)前記(1)に記載の光触媒ナノシートであって、前記選択されたナノシートは、アルカリ金属を含有する層状化合物から剥離されてなることを特徴とする。
(3)本発明による光触媒ナノシートの製造方法は、MNb、MNb17、MTiNbO、MTiNbO、MTiNbO14、MCaNb10およびMLaNbからなる群から選択されたアルカリ金属を含有する層状化合物(ここで、Mはアルカリ金属)を、酸水溶液を用いて酸処理し、前記層状化合物中の前記アルカリ金属が交換された水素イオン交換体を生成するステップと、前記水素イオン交換体と塩基性物質とを反応させ、前記水素イオン交換体が剥離されたナノシートからなるコロイド溶液を得るステップとからなることを特徴とする。
(4)本発明による基材上に付与された光触媒薄膜からなる光触媒材料であって、前記光触媒薄膜は、前記(1)または(2)のいずれかに記載の光触媒ナノシートからなることを特徴とする。
(5)前記(4)に記載の光触媒材料であって、前記光触媒薄膜の表面粗さは最大2nmであることを特徴とする。
(6)本発明による光触媒材料の製造方法は、Nb、Nb17、TiNbO、TiNbO、TiNbO14、CaNb10およびLaNbからなる群から選択されたナノシートを含有するコロイド溶液を基材上に付与するステップからなることを特徴とする。
(7)前記(6)に記載の方法であって、前記付与するステップに続いて100℃以上900℃未満の温度範囲で熱処理するステップをさらに包含することを特徴とする。
(8)前記(6)に記載の方法において、前記付与するステップは、交互吸着法、LB法、ドロップ法、スピンコート法およびディップコート法からなる群から選択されることを特徴とする。
(1) The photocatalyst nanosheet according to the present invention is composed of NbO 6 and / or TiO 6 octahedral units, and includes Nb 3 O 8 , Nb 6 O 17 , TiNbO 5 , Ti 2 NbO 7 , Ti 5 NbO 14 , and Ca 2 Nb 3. characterized by comprising the O 10 and LaNb nanosheet selected from the group consisting of 2 O 7.
(2) The photocatalyst nanosheet according to (1), wherein the selected nanosheet is peeled from a layered compound containing an alkali metal.
(3) The method of producing a photocatalyst nanosheets according to the present invention, MNb 3 O 8, M 4 Nb 6 O 17, MTiNbO 5, MTi 2 NbO 7, M 3 Ti 5 NbO 14, MCa 2 Nb 3 O 10 and MLaNb 2 O Hydrogen ion exchange in which a layered compound containing an alkali metal selected from the group consisting of 7 (where M is an alkali metal) is acid-treated using an acid aqueous solution, and the alkali metal in the layered compound is exchanged And a step of reacting the hydrogen ion exchanger with a basic substance to obtain a colloidal solution composed of nanosheets from which the hydrogen ion exchanger has been peeled off.
(4) A photocatalytic material comprising a photocatalytic thin film provided on a substrate according to the present invention, wherein the photocatalytic thin film comprises the photocatalytic nanosheet according to either (1) or (2). To do.
(5) The photocatalytic material according to (4), wherein the photocatalytic thin film has a maximum surface roughness of 2 nm.
(6) The method for producing a photocatalytic material according to the present invention comprises Nb 3 O 8 , Nb 6 O 17 , TiNbO 5 , Ti 2 NbO 7 , Ti 5 NbO 14 , Ca 2 Nb 3 O 10 and LaNb 2 O 7. A step of applying a colloidal solution containing a nanosheet selected from
(7) The method according to (6), further including a step of performing a heat treatment in a temperature range of 100 ° C. or higher and lower than 900 ° C. following the applying step.
(8) In the method according to (6), the applying step is selected from the group consisting of an alternating adsorption method, an LB method, a drop method, a spin coating method, and a dip coating method.

本発明による光触媒ナノシートは、光触媒性を示すので光触媒薄膜用の光触媒ナノシートとして機能する。中でも、Nb、TiNbO、CaNb10およびLaNbは、既存のアナターゼよりも高い光誘起親水化特性を示すので、セルフクリーニング機能、防塵機能および冷却機能に優れている。また、本発明による光触媒ナノシートは、800℃の高温熱処理後でもナノシート構造を維持するとともに、既存のアナターゼよりも高い光誘起親水化特性を示すので、部材への適用に当たり加熱処理することでもその機能を損なうことがない。また、本発明による光触媒ナノシートは、層状化合物を剥離して得られるため、分子レベルのシート厚を有する。このような光触媒ナノシートを薄膜化すれば、凹凸のない初期防汚性に優れた光触媒薄膜が得られる。また、本発明による光触媒ナノシートは、高温熱処理によっても光触媒性および光誘起親水化特性を損なわないので、実用プロセスにおいて有利である。 Since the photocatalyst nanosheet by this invention shows photocatalytic property, it functions as a photocatalyst nanosheet for photocatalyst thin films. Among them, Nb 3 O 8 , TiNbO 5 , Ca 2 Nb 3 O 10, and LaNb 2 O 7 exhibit higher photo-induced hydrophilization characteristics than existing anatase, and thus have excellent self-cleaning function, dust-proof function, and cooling function. Yes. In addition, the photocatalyst nanosheet according to the present invention maintains the nanosheet structure even after high-temperature heat treatment at 800 ° C., and exhibits higher photo-induced hydrophilization characteristics than existing anatase, so that it can function even by heat treatment when applied to a member. Will not be damaged. Moreover, since the photocatalyst nanosheet by this invention is obtained by peeling a layered compound, it has a sheet | seat thickness of a molecular level. If such a photocatalyst nanosheet is made into a thin film, a photocatalytic thin film excellent in initial antifouling property without unevenness can be obtained. In addition, the photocatalytic nanosheet according to the present invention is advantageous in a practical process because the photocatalytic property and the photoinduced hydrophilization property are not impaired even by high-temperature heat treatment.

本発明の光触媒材料によれば、基材と、その上に付与された上述の光触媒ナノシートからなる光触媒薄膜とからなる。光触媒薄膜は、光触媒ナノシートが有する面内方向の高い柔軟性を利用し、任意の形状および任意の表面状態の基材にも密着できる。このため、基材の材料・形状に制限がないため好適である。また、光触媒薄膜もまた、光触媒ナノシートの光触媒性および光誘起親水化特性を示すとともに、光触媒ナノシートのシート厚を反映した凹凸(最大でも2nm)を有するので、初期防汚性に優れる。   According to the photocatalyst material of the present invention, the photocatalyst material comprises a base material and a photocatalyst thin film comprising the above-described photocatalyst nanosheet provided thereon. The photocatalyst thin film can adhere to a substrate having an arbitrary shape and an arbitrary surface state by utilizing the high flexibility in the in-plane direction of the photocatalyst nanosheet. For this reason, there is no restriction | limiting in the material and shape of a base material, and it is suitable. In addition, the photocatalytic thin film also exhibits the photocatalytic properties and photoinduced hydrophilization characteristics of the photocatalyst nanosheet, and has unevenness (2 nm at the maximum) reflecting the sheet thickness of the photocatalyst nanosheet, and thus has excellent initial antifouling properties.

本発明の光触媒ナノシートの製造方法によれば、アルカリ金属を含有する層状化合物を出発原料として用いて、単層剥離することによって光触媒ナノシートを得る。酸処理し、塩基性物質と反応させるだけでよいので、複雑な装置を不要とし、簡便かつ安価に光触媒ナノシートを提供できる。   According to the method for producing a photocatalyst nanosheet of the present invention, a photocatalyst nanosheet is obtained by peeling a single layer using a layered compound containing an alkali metal as a starting material. Since only an acid treatment and a reaction with a basic substance are required, a complicated apparatus is unnecessary, and a photocatalyst nanosheet can be provided simply and inexpensively.

本発明の光触媒材料の製造方法によれば、光触媒ナノシートからなるコロイド溶液を基材に付与することによって、光触媒材料を得る。光触媒ナノシートの構造柔軟性により、任意の形状および任意の表面状態の基材が適用できるので、用途の制限がなく有利である。基材への付与は種々のウェットプロセスにより簡便に行われ、用途に応じて光触媒薄膜の膜厚、大きさ等を制御することが可能である。   According to the method for producing a photocatalyst material of the present invention, a photocatalyst material is obtained by applying a colloidal solution comprising photocatalyst nanosheets to a substrate. The structural flexibility of the photocatalyst nanosheet allows the application of a substrate having an arbitrary shape and an arbitrary surface state, which is advantageous without limitation of use. The application to the substrate is easily performed by various wet processes, and the film thickness, size, etc. of the photocatalytic thin film can be controlled according to the application.

本発明者らは、酸化チタンナノシートに代替する材料として、アルカリ金属を含有するチタンおよび/またはニオブ系の層状酸化物に着目した。アルカリ金属を含有するチタンおよび/またはニオブ系の層状酸化物には、例えば、KNb、KNb17、KTiNbO、CsTiNbO、KTiNbO14、KCaNb10およびKLaNbがある。 The present inventors have paid attention to titanium and / or niobium-based layered oxides containing alkali metals as materials that can be substituted for titanium oxide nanosheets. Examples of the titanium and / or niobium-based layered oxide containing an alkali metal include, for example, KNb 3 O 8 , K 4 Nb 6 O 17 , KTiNbO 5 , CsTi 2 NbO 7 , K 3 Ti 5 NbO 14 , and KCa 2 Nb. There are 3 O 10 and KLaNb 2 O 7 .

アルカリ金属を含有する層状化合物(以降では単にアルカリ金属含有層状化合物と称する)のナノシートは、Ti3d軌道またはNd4d軌道とO2p軌道とに由来する半導体的なバンド電子構造を有する。本発明者らは、このようなバンド電子構造に基づいて、これらのナノシートが光触媒性を示し、光触媒薄膜および光触媒材料として有効であることを明らかにした。   A nanosheet of a layered compound containing an alkali metal (hereinafter simply referred to as an alkali metal-containing layered compound) has a semiconducting band electronic structure derived from a Ti3d orbital or an Nd4d orbital and an O2p orbital. Based on such a band electronic structure, the present inventors have revealed that these nanosheets exhibit photocatalytic properties and are effective as a photocatalytic thin film and a photocatalytic material.

また、上述のアルカリ金属含有層状化合物のうちいくつか(KTiNbO14をのぞく化合物)はナノシート化が報告されているものの、良質なナノシートが得られていない。したがって、本発明者らは、これらのナノシートを良質かつ高収率で得るために、原料となるアルカリ金属含有層状化合物の合成、製造プロセスを確立した。 In addition, some of the alkali metal-containing layered compounds described above (compounds excluding K 3 Ti 5 NbO 14 ) have been reported to be nanosheets, but good quality nanosheets have not been obtained. Therefore, the present inventors established a synthesis and production process of an alkali metal-containing layered compound as a raw material in order to obtain these nanosheets with good quality and high yield.

さらに、本発明者らは、これらアルカリ金属含有層状化合物から得られるナノシートを薄膜化し、その膜厚、表面構造、ラフネス、および、膜内構造をナノレベルで制御することに成功した。   Furthermore, the present inventors succeeded in making nanosheets obtained from these alkali metal-containing layered compounds into thin films and controlling the film thickness, surface structure, roughness, and in-film structure at the nano level.

以降では、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

(実施の形態1)
図1は、本発明による光触媒ナノシートの模式図である。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a schematic view of a photocatalyst nanosheet according to the present invention.

本発明による光触媒ナノシート100は、Nb、Nb17、TiNbO、TiNbO、TiNbO14、CaNb10およびLaNbからなる群から選択されたナノシートからなる。 Photocatalyst nanosheet 100 according to the invention, selected from the group consisting of Nb 3 O 8, Nb 6 O 17, TiNbO 5, Ti 2 NbO 7, Ti 5 NbO 14, Ca 2 Nb 3 O 10 and lanB 2 O 7 nanosheet Consists of.

本発明による光触媒ナノシートは、MNb、MNb17、MTiNbO、MTiNbO、MTiNbO14、MCaNb10およびMLaNbからなる群から選択されるアルカリ金属含有層状化合物110を単層剥離することによって得られる。ここでMは、アルカリ金属、Li、Na、K、RbおよびCsのいずれかであるが、合成の容易性の観点からKおよびCsが好ましい。 The photocatalytic nanosheet according to the present invention is selected from the group consisting of MNb 3 O 8 , M 4 Nb 6 O 17 , MTiNbO 5 , MTi 2 NbO 7 , M 3 Ti 5 NbO 14 , MCa 2 Nb 3 O 10 and MLaNb 2 O 7. It is obtained by exfoliating a single layer of the alkali metal-containing layered compound 110 to be formed. Here, M is any one of alkali metal, Li, Na, K, Rb and Cs, and K and Cs are preferable from the viewpoint of ease of synthesis.

図2は、本発明による各種光触媒ナノシートの模式図を示す。   FIG. 2 is a schematic diagram of various photocatalyst nanosheets according to the present invention.

図2に示される本発明による各光触媒ナノシートは、Nb(図2(A))、Nb17(図2(B))、TiNbO(図2(C))、TiNbO(図2(D))、TiNbO14(図2(E))、CaNb10(図2(F))およびLaNb(図2(G))である。いずれの光触媒ナノシートも、NbOおよび/またはTiOの八面体のユニット200に基づいており、ユニット200が所定の配列をした二次元結晶である。このようなユニット200に基づく本発明による光触媒ナノシートは、元素が規則正しく配列しており、なおかつ、バラエティに富んだ種々の構造を有している。 Each photocatalytic nanosheet according to the present invention shown in FIG. 2 includes Nb 3 O 8 (FIG. 2A), Nb 6 O 17 (FIG. 2B), TiNbO 5 (FIG. 2C), Ti 2 NbO. 7 (FIG. 2D), Ti 5 NbO 14 (FIG. 2E), Ca 2 Nb 3 O 10 (FIG. 2F) and LaNb 2 O 7 (FIG. 2G). All of the photocatalytic nanosheets are based on octahedral units 200 of NbO 6 and / or TiO 6 , and the units 200 are two-dimensional crystals in a predetermined arrangement. The photocatalyst nanosheet according to the present invention based on such a unit 200 has various structures in which elements are regularly arranged and rich in variety.

このような豊富な構造により、選択するナノシートによって種々の効果が得られる。例えば、図2(F)に示されるCaNb10は、リジッドな結晶構造を有しており、アルカリ金属層状化合物110を形成しやすい。そのため、大きなナノシート100が得られ易いという効果がある。また、図2(D)および(E)TiNbOおよびTiNbO14は、比較的結晶構造がシンプルであるため、構造柔軟性の高いナノシートが得られ易いという効果がある。さらに、ナノシートの種類によって、光触媒性および光誘起親水化特性の強弱があるので、要求に応じたナノシートを選択することができるため有利である。 With such a rich structure, various effects can be obtained depending on the nanosheet to be selected. For example, Ca 2 Nb 3 O 10 shown in FIG. 2F has a rigid crystal structure and can easily form the alkali metal layered compound 110. Therefore, there exists an effect that the big nanosheet 100 is easy to be obtained. 2D and 2E, Ti 2 NbO 7 and Ti 5 NbO 14 have a relatively simple crystal structure, and thus have an effect that a nanosheet with high structural flexibility can be easily obtained. Furthermore, since there are strengths of photocatalytic properties and photoinduced hydrophilization properties depending on the type of nanosheets, it is advantageous because nanosheets can be selected according to requirements.

これらのナノシートは、いずれも、既存のアナターゼ等の酸化チタンと同様に、光触媒性および光誘起親水化特性を示す。中でも、TiNbO、LaNb、NbおよびCaNb10は、酸化チタンよりも高い光誘起親水化特性を示すことが確認され、セルフクリニーニング機能、防塵機能および冷却機能に有効である。これらの特性については後述の実施例において詳述する。 All of these nanosheets exhibit photocatalytic properties and photoinduced hydrophilization properties as well as existing titanium oxides such as anatase. Among these, TiNbO 5 , LaNb 2 O 7 , Nb 3 O 8 and Ca 2 Nb 3 O 10 are confirmed to exhibit higher photo-induced hydrophilization characteristics than titanium oxide, and are self-cleaning function, dust-proof function and cooling. Effective for function. These characteristics will be described in detail in Examples described later.

上述したように、アルカリ金属含有層状化合物を剥離して得られるナノシートの厚さ(シート厚)は、分子レベルであるのに対して、横方向の大きさはミクロンオーダである。結晶構造から得られる理論的なシート厚は、1〜2nm程度であり、このような光触媒ナノシートを薄膜化すれば、シート厚を反映した凹凸のない光触媒薄膜が得られるので、初期防汚性の向上に有利である。詳細には、後述するように、光触媒薄膜は、光触媒ナノシートの単層構造または多層構造からなる。光触媒薄膜の凹凸(表面粗さ)は、その表面となる光触媒ナノシートの部分的な重なり、または、光触媒ナノシート間に生じ得る隙間によって決まるが、一部光触媒ナノシートの重なりがあっても凹凸は最大で2nmとなる。なお、このような光触媒薄膜の製造方法については実施の形態2で詳述する。   As described above, the thickness (sheet thickness) of the nanosheet obtained by peeling off the alkali metal-containing layered compound is at the molecular level, whereas the lateral size is on the order of microns. The theoretical sheet thickness obtained from the crystal structure is about 1 to 2 nm. By making such a photocatalyst nanosheet into a thin film, a photocatalyst thin film having no irregularities reflecting the sheet thickness can be obtained. It is advantageous for improvement. Specifically, as will be described later, the photocatalytic thin film has a single-layer structure or a multilayer structure of photocatalyst nanosheets. The unevenness (surface roughness) of the photocatalyst thin film is determined by the partial overlap of the photocatalyst nanosheets on the surface or the gaps that can occur between the photocatalyst nanosheets. 2 nm. A method for producing such a photocatalytic thin film will be described in detail in Embodiment 2.

また、面方向の大きさがミクロンオーダであるため、大面積の光触媒薄膜を得るに有利である。さらに、本発明による光触媒ナノシートは、上述したように、厚さ方向には分子レベルであるが、面方向にはミクロンオーダの広がりを持っており、ナノシートに特有の構造柔軟性を有する。これにより、本発明による光触媒ナノシートを薄膜化すれば、柔軟性を有した光触媒薄膜が得られるので、用途の形状等に制限がなく、汎用性が高い。 Further, since the size in the surface direction is on the order of microns, it is advantageous for obtaining a photocatalytic thin film having a large area. Furthermore, as described above, the photocatalyst nanosheet according to the present invention is at the molecular level in the thickness direction, but has a micron order spread in the plane direction, and has structural flexibility unique to the nanosheet. Thereby, if the photocatalyst nanosheet according to the present invention is made into a thin film, a flexible photocatalyst thin film can be obtained. Therefore, there is no limitation on the shape of use and the versatility is high.

さらに、これらの光触媒ナノシート100は、例えば、800℃の高温熱処理を行っても、その結晶構造を維持することが分かった。これは、NbOまたはTiOの八面体のユニット200が結合した二次元シート構造が安定であるためと考えられる。このような特徴により、高温熱処理後も、光触媒性および光誘起親水特性が損なわれることはない。このような特性は、本発明の光触媒ナノシート100を実用化する際にプロセス上の熱処理を行うことができるため、極めて有利である。 Furthermore, it was found that these photocatalytic nanosheets 100 maintain their crystal structure even when subjected to a high-temperature heat treatment at 800 ° C., for example. This is considered because the two-dimensional sheet structure in which the octahedral units 200 of NbO 6 or TiO 6 are bonded is stable. Due to such characteristics, the photocatalytic property and the photo-induced hydrophilic property are not impaired even after the high-temperature heat treatment. Such characteristics are extremely advantageous because the heat treatment in the process can be performed when the photocatalyst nanosheet 100 of the present invention is put into practical use.

このような光触媒ナノシート100は、通常、溶媒に分散させてコロイド溶液として保持される。このような保持により長時間保存可能であるとともに、持ち運び・搬送も簡便である。さらに、光触媒ナノシート100を薄膜化するための場所が特定されないので、プロセス上有利である。   Such a photocatalyst nanosheet 100 is usually dispersed in a solvent and held as a colloidal solution. Such holding makes it possible to store for a long time, and is easy to carry and transport. Furthermore, the location for thinning the photocatalytic nanosheet 100 is not specified, which is advantageous in terms of process.

図3は、本発明による光触媒材料の模式図を示す。   FIG. 3 shows a schematic diagram of a photocatalytic material according to the present invention.

光触媒材料300は、基材310と、その上に位置する光触媒薄膜320とからなる。光触媒薄膜320は、図1および図2を参照して説明した光触媒ナノシート100からなる。   The photocatalytic material 300 includes a base material 310 and a photocatalytic thin film 320 positioned thereon. The photocatalyst thin film 320 is composed of the photocatalyst nanosheet 100 described with reference to FIGS. 1 and 2.

基材310は、光触媒薄膜320が付与される任意の材料であるが、例えば、建物、乗物等の窓材、外壁材、陶磁器材料等がある。上述したように、光触媒ナノシート100は、構造柔軟性を有しているので、光触媒ナノシート100から形成された光触媒薄膜320もまた構造柔軟性を有している。したがって、光触媒薄膜320は、基材310の表面が曲率または凹凸を有していても、そのような形状を反映して、基材310上に位置することができる。本発明による光触媒材料300は、基材310の材料・表面形状に制限がないので、光触媒性およびセルフクリーニング機能等の光誘起親水化特性が求められるあらゆる材料として有効である。   The base material 310 is an arbitrary material to which the photocatalytic thin film 320 is applied, and examples thereof include window materials such as buildings and vehicles, outer wall materials, and ceramic materials. As described above, since the photocatalyst nanosheet 100 has structural flexibility, the photocatalytic thin film 320 formed from the photocatalyst nanosheet 100 also has structural flexibility. Therefore, the photocatalytic thin film 320 can be positioned on the base material 310 reflecting such a shape even if the surface of the base material 310 has curvature or unevenness. The photocatalytic material 300 according to the present invention is effective as any material that requires photoinduced hydrophilization characteristics such as photocatalytic property and self-cleaning function because the material and surface shape of the substrate 310 are not limited.

光触媒薄膜320は、光触媒ナノシート100の単層構造であってもよいし、多層構造であってもよい。光触媒薄膜320が光触媒ナノシート100の単層構造である場合、光触媒薄膜320は、光触媒ナノシート100が面方向に集積し、配列した状態を意図する。光触媒薄膜320が光触媒ナノシート100の多層構造である場合、光触媒薄膜320は、光触媒ナノシート100がカウンターイオンを挟んで積層された状態を意図する。なお、カウンターイオンは、光触媒ナノシート100間の結合を維持するように機能する。   The photocatalytic thin film 320 may have a single layer structure or a multilayer structure of the photocatalyst nanosheet 100. When the photocatalyst thin film 320 has a single-layer structure of the photocatalyst nanosheet 100, the photocatalyst thin film 320 intends a state in which the photocatalyst nanosheets 100 are integrated and arranged in the plane direction. When the photocatalyst thin film 320 is a multilayer structure of the photocatalyst nanosheet 100, the photocatalyst thin film 320 intends the state where the photocatalyst nanosheet 100 was laminated | stacked on both sides of counter ion. The counter ions function to maintain the bonds between the photocatalyst nanosheets 100.

このように、光触媒薄膜320は、光触媒ナノシート100の単層構造または多層構造により、その膜厚をナノオーダ(分子レベル)で制御することができる。なお、単層構造であっても多層構造であっても、光触媒薄膜320の表面粗さ(凹凸)は、光触媒ナノシート100の部分的な重なりの程度または光触媒ナノシート100間に生じ得る隙間の程度によるものの、最大2nmに抑えることができることが分かった。初期防汚性を向上させるためには、表面粗さが小さいほどよいとされており、本発明による光触媒薄膜320は、極めて初期防汚性に優れていることが示唆される。   Thus, the film thickness of the photocatalyst thin film 320 can be controlled on the nano order (molecular level) by the single layer structure or the multilayer structure of the photocatalyst nanosheet 100. Note that the surface roughness (unevenness) of the photocatalyst thin film 320 is dependent on the degree of partial overlap of the photocatalyst nanosheets 100 or the degree of gaps that can occur between the photocatalyst nanosheets 100, regardless of whether it is a single layer structure or a multilayer structure. However, it has been found that the maximum can be suppressed to 2 nm. In order to improve the initial antifouling property, it is said that the smaller the surface roughness is, the better. It is suggested that the photocatalytic thin film 320 according to the present invention is extremely excellent in the initial antifouling property.

本発明による光触媒材料300は、光触媒薄膜320による光触媒性(例えば、抗菌機能)が要求される任意の用途に適用可能である。例えば、基材310がタイルである場合には、光触媒材料300は、紫外光照射によって汚れ物質および雑菌を分解する抗菌タイルとして機能する。また、光触媒材料300は、光触媒薄膜320による光誘起親水化特性(セルフクリーニング機能、防塵機能、冷却機能)が要求される任意の用途に適用可能である。例えば、基材310が外部用窓材である場合には、光触媒材料300は、雨水によって洗浄されるセルフクリーニング機能を備えた窓材として機能し、基材310がミラーである場合には、光触媒材料300は、表面に水滴が形成されない(すなわち、薄い水膜となる)ので防曇機能を備えたミラーとして機能し、基材310が建築材である場合には、光触媒材料300は、建築材を少量の水で覆うことができるので大気冷却・壁面冷却を可能にする省エネ建築材として機能する。なお、当然のことながら、光触媒材料300は、光触媒ナノシート100の機能を組み合わせた用途に用いることも想定の範囲内である。   The photocatalytic material 300 according to the present invention is applicable to any application that requires photocatalytic properties (for example, an antibacterial function) by the photocatalytic thin film 320. For example, in the case where the substrate 310 is a tile, the photocatalytic material 300 functions as an antibacterial tile that decomposes dirt and germs by ultraviolet light irradiation. In addition, the photocatalytic material 300 can be applied to any application that requires photoinduced hydrophilization characteristics (self-cleaning function, dustproof function, cooling function) by the photocatalytic thin film 320. For example, when the substrate 310 is an external window material, the photocatalyst material 300 functions as a window material having a self-cleaning function that is washed with rainwater, and when the substrate 310 is a mirror, the photocatalyst material 300 is a photocatalyst material. The material 300 functions as a mirror having an anti-fogging function because water droplets are not formed on the surface (that is, a thin water film). When the substrate 310 is a building material, the photocatalytic material 300 is a building material. Since it can be covered with a small amount of water, it functions as an energy-saving building material that enables air cooling and wall cooling. As a matter of course, the photocatalyst material 300 is also within the scope of the assumption that the photocatalyst material 300 is used for a combination of functions of the photocatalyst nanosheet 100.

(実施の形態2)
次に、実施の形態1で説明した光触媒ナノシート100および光触媒材料300の製造方法を説明する。
(Embodiment 2)
Next, a method for producing the photocatalyst nanosheet 100 and the photocatalyst material 300 described in Embodiment 1 will be described.

図4は、本発明による光触媒ナノシートの製造工程を示すフローチャートである。   FIG. 4 is a flowchart showing a manufacturing process of the photocatalyst nanosheet according to the present invention.

ステップごとに説明する。   Each step will be described.

ステップS410:アルカリ金属含有層状化合物110(図1)を、酸水溶液を用いて酸処理し、水素イオン交換体を生成する。アルカリ金属含有層状化合物110は、MNb、MNb17、MTiNbO、MTiNbO、MTiNbO14、MCaNb10およびMLaNbからなる群から選択される。ここで、Mは、周期律表の第1族元素であるアルカリ金属である。上述したように、Mは、合成の観点からKおよびCsが好ましい。アルカリ金属含有層状化合物110は、アルカリ金属Mとチタン・ニオブ系のナノシートとの層状構造からなる。例えば、アルカリ金属含有層状化合物110がMTiNbOである場合、MTiNbOは、アルカリ金属MとTiNbOとの層状構造からなる。酸水溶液としては無機酸、有機酸を使用することができるが、通常は、塩酸、硫酸、硝酸、酢酸および炭酸からなる群から選択される。 Step S410: The alkali metal-containing layered compound 110 (FIG. 1) is acid-treated using an acid aqueous solution to generate a hydrogen ion exchanger. The alkali metal-containing layered compound 110 is composed of MNb 3 O 8 , M 4 Nb 6 O 17 , MTiNbO 5 , MTi 2 NbO 7 , M 3 Ti 5 NbO 14 , MCa 2 Nb 3 O 10 and MLaNb 2 O 7. Selected. Here, M is an alkali metal that is a group 1 element in the periodic table. As described above, M is preferably K or Cs from the viewpoint of synthesis. The alkali metal-containing layered compound 110 has a layered structure of an alkali metal M and a titanium / niobium-based nanosheet. For example, when the alkali metal-containing layered compound 110 is MTiNbO 5 , the MTiNbO 5 has a layered structure of an alkali metal M and TiNbO 5 . As the acid aqueous solution, an inorganic acid or an organic acid can be used, but it is usually selected from the group consisting of hydrochloric acid, sulfuric acid, nitric acid, acetic acid and carbonic acid.

アルカリ金属含有層状化合物110を酸水溶液により酸処理すると、アルカリ金属含有層状化合物110中のアルカリ金属Mイオンは、水素イオンまたはオキソニウムイオンと置換し、水素イオン交換体(図示せず)を生成する。   When the alkali metal-containing layered compound 110 is acid-treated with an acid aqueous solution, the alkali metal M ions in the alkali metal-containing layered compound 110 are replaced with hydrogen ions or oxonium ions to generate a hydrogen ion exchanger (not shown). .

酸処理条件は、酸水溶液の規定が0.1規定以上であり、室温(10℃〜30℃)にて少なくとも24時間反応させる。酸水溶液の規定が0.1規定よりも小さい場合、イオン交換が十分に進行せず、後述する剥離反応が生じにくくなる場合がある。   As for the acid treatment conditions, the regulation of the acid aqueous solution is 0.1 or more, and the reaction is performed at room temperature (10 ° C. to 30 ° C.) for at least 24 hours. When the regulation of the acid aqueous solution is smaller than 0.1 regulation, ion exchange does not proceed sufficiently, and the peeling reaction described later may be difficult to occur.

ステップS420:水素イオン交換体と塩基性物質とを反応させ、ナノシートを含有するコロイド溶液を得る。塩基性物質は、ステップS420で得られた水素イオン交換体の層状構造を剥離するように機能する物質であり、具体的には、テトラブチルアンモニウムイオン(TBA)、テトラプロピルアンモニウムイオン、テトラエチルアンモニウムイオン、テトラメチルアンモニウムイオン、n−プロピルアミン、n−エチルアミンおよびエタノールアミンを含む水溶液である。中でも、収率の観点からTBAの水溶液が望ましい。 Step S420: A hydrogen ion exchanger and a basic substance are reacted to obtain a colloidal solution containing nanosheets. The basic substance is a substance that functions to exfoliate the layered structure of the hydrogen ion exchanger obtained in step S420, and specifically includes tetrabutylammonium ion (TBA + ), tetrapropylammonium ion, tetraethylammonium. An aqueous solution containing ions, tetramethylammonium ions, n-propylamine, n-ethylamine and ethanolamine. Among these, an aqueous solution of TBA + is desirable from the viewpoint of yield.

水素イオン交換体中のプロトンと、塩基性物質とのモル比は、好ましくは、1〜10の範囲である。モル比が1未満または10を超えると、剥離が十分に進行しない場合がある。なお、最適なモル比は、用いるアルカリ金属含有層状化合物によって異なることに留意されたい。   The molar ratio of protons in the hydrogen ion exchanger to the basic substance is preferably in the range of 1-10. If the molar ratio is less than 1 or exceeds 10, peeling may not proceed sufficiently. It should be noted that the optimum molar ratio varies depending on the alkali metal-containing layered compound used.

剥離反応は、単に、水素イオン交換体と塩基性物質とを室温にて混合するだけでよいが、混合に加えて振盪させてもよい。これにより、剥離が促進するので、収率が向上する。剥離反応は、数日(例えば、4日)以上振盪させることによって、100%の収率を得ることができる。剥離が進行すると、乳白色の溶液となるので、目視にて確認し、反応をやめてもよい。   In the peeling reaction, the hydrogen ion exchanger and the basic substance may be simply mixed at room temperature, but may be shaken in addition to the mixing. Thereby, since peeling accelerates | stimulates, a yield improves. The peeling reaction can be obtained at a yield of 100% by shaking for several days (for example, 4 days) or more. As peeling progresses, it becomes a milky white solution, so the reaction may be stopped by visual inspection.

このようにして、アルカリ金属含有層状化合物110が剥離した、本発明による光触媒ナノシート100が分散したコロイド溶液を得ることができる。本発明の方法によれば、アルカリ金属層状化合物110を単に酸処理し、剥離するだけでよいので、専用の装置は不要である。したがって製造が簡便であり、大量生産に好適である。   In this way, a colloidal solution in which the photocatalyst nanosheet 100 according to the present invention is dispersed, from which the alkali metal-containing layered compound 110 has been peeled, can be obtained. According to the method of the present invention, the alkali metal layered compound 110 may be simply acid-treated and peeled off, so that a dedicated apparatus is unnecessary. Therefore, manufacturing is simple and suitable for mass production.

次に、光触媒材料300(図3)の製造方法を説明する。   Next, the manufacturing method of the photocatalyst material 300 (FIG. 3) is demonstrated.

光触媒材料300は、基材310(図3)に光触媒ナノシート100(図1)を含有するコロイド溶液を付与することによって得られる。例えば、図4を参照して説明したステップS420に続いて、コロイド溶液を基材に付与してもよい。コロイド溶液は、ステップS410およびステップS420を用いて調製される。   The photocatalytic material 300 is obtained by applying a colloidal solution containing the photocatalytic nanosheet 100 (FIG. 1) to the substrate 310 (FIG. 3). For example, the colloidal solution may be applied to the substrate following Step S420 described with reference to FIG. A colloidal solution is prepared using step S410 and step S420.

コロイド溶液が付与される基材310は、実施の形態1で説明したように、光触媒性を発現させるべき任意の材料、形状が適用可能である。基材310は、親水化処理をしておくことが望ましい。これにより、基材310の濡れ性が向上するので、コロイド溶液の基材310への付与が容易になる。   As described in Embodiment 1, the base material 310 to which the colloidal solution is applied can be applied with any material and shape that should exhibit photocatalytic properties. The base material 310 is preferably subjected to a hydrophilic treatment. Thereby, since the wettability of the base material 310 is improved, the application of the colloidal solution to the base material 310 is facilitated.

基材310への付与は、液相プロセスを介した任意の方法を採用できるが、好ましくは、交互吸着法、ラングミュア・ブロジェット(LB)法、スピンコート法、ドロップ法およびディップコート法からなる群から選択される方法が採用される。各方法についてさらに詳述する。   Application to the substrate 310 can be performed by any method through a liquid phase process, but preferably includes an alternate adsorption method, a Langmuir-Blodget (LB) method, a spin coating method, a drop method, and a dip coating method. A method selected from the group is adopted. Each method will be described in further detail.

(1)交互吸着法
図5は、交互吸着法を用いた光触媒材料の製造プロセスを示す図である。
(1) Alternate Adsorption Method FIG. 5 is a diagram showing a process for producing a photocatalytic material using an alternate adsorption method.

ステップS510:基材310にカウンターイオンとしてカチオン性ポリマー540を付与する。カチオン性ポリマー540は、基材310の表面をカチオン性にする任意のポリマーを適用できるが、例示的には、ポリ(ジアリルジメチルアンモニウムクロリド)(PDDA)、ポリエチレンイミン(PEI)、塩酸ポリアリルアミン(PAH)である。中でもPDDAおよびPEIは汎用性があるため、好ましい。   Step S510: A cationic polymer 540 is applied as a counter ion to the substrate 310. As the cationic polymer 540, any polymer that makes the surface of the substrate 310 cationic can be applied. Illustratively, poly (diallyldimethylammonium chloride) (PDDA), polyethyleneimine (PEI), polyallylamine hydrochloride ( PAH). Among these, PDDA and PEI are preferable because of their versatility.

カチオン性ポリマー540を基材310に付与することにより、基材310の表面がカチオン性になり、アニオン性の光触媒ナノシート100とより強固に結合する。   By applying the cationic polymer 540 to the base material 310, the surface of the base material 310 becomes cationic and bonds more strongly with the anionic photocatalytic nanosheet 100.

ステップS520:カチオン性ポリマー540が付与された基材310に、光触媒ナノシート100を含有するコロイド溶液(例えば、ステップS420で得られたコロイド溶液)を付与する。コロイド溶液は必要に応じて濃度調整される。静電相互作用により、カチオン性ポリマー540上に光触媒ナノシート100が結合、自己整合することによって、光触媒薄膜320が形成される。   Step S520: A colloidal solution containing the photocatalytic nanosheet 100 (for example, the colloidal solution obtained in Step S420) is applied to the substrate 310 to which the cationic polymer 540 has been applied. The concentration of the colloidal solution is adjusted as necessary. The photocatalyst nanosheet 100 is bonded and self-aligned on the cationic polymer 540 by electrostatic interaction, whereby the photocatalytic thin film 320 is formed.

ステップS530:必要に応じて、ステップS510およびステップS520を繰返し、光触媒薄膜320が所望の厚さを有するまで繰り返す。光触媒薄膜320が光触媒ナノシート100の単層構造を有する場合には、ステップS530を省略してよい。   Step S530: Steps S510 and S520 are repeated as necessary until the photocatalytic thin film 320 has a desired thickness. When the photocatalyst thin film 320 has the single layer structure of the photocatalyst nanosheet 100, step S530 may be omitted.

このようにして、単層構造または多層構造からなる光触媒薄膜320を備えた光触媒材料300が得られる。交互吸着法であれば、光触媒薄膜320の膜厚をナノオーダ(分子レベル)で制御できるため、好ましい。交互吸着法であれば、高価な装置を必要としないので、光触媒材料300を安価に提供できる。また、基材310の大きさ、および、コロイド溶液の容量によっては、光触媒材料300の大面積化も可能である。   In this way, the photocatalytic material 300 including the photocatalytic thin film 320 having a single layer structure or a multilayer structure is obtained. The alternating adsorption method is preferable because the film thickness of the photocatalytic thin film 320 can be controlled on the nano-order (molecular level). Since the alternate adsorption method does not require an expensive apparatus, the photocatalytic material 300 can be provided at a low cost. Further, the area of the photocatalytic material 300 can be increased depending on the size of the substrate 310 and the volume of the colloidal solution.

なお、ステップS530に続いて、紫外線等の光を照射してカチオン性ポリマー540を除去してもよい。   Note that following step S530, the cationic polymer 540 may be removed by irradiation with light such as ultraviolet rays.

(2)LB法
図6は、LB法を用いた光触媒材料の製造プロセスを示す図である。
(2) LB Method FIG. 6 is a diagram showing a process for producing a photocatalytic material using the LB method.

ステップS610:展開液に基材310を浸漬させる。展開液として、光触媒ナノシート100を含有するコロイド溶液(例えば、ステップS420で得られたコロイド溶液)を希釈、調製する。展開液(調製されたコロイド溶液)はトラフ(水槽)に展開され、光触媒ナノシート100の一部は、気液界面に浮遊する。   Step S610: The base material 310 is immersed in the developing solution. As a developing solution, a colloid solution containing the photocatalyst nanosheet 100 (for example, the colloid solution obtained in step S420) is diluted and prepared. The developing solution (prepared colloidal solution) is developed in a trough (water tank), and a part of the photocatalyst nanosheet 100 floats at the gas-liquid interface.

ステップS620:基材310を引き上げ、基材310上に光触媒ナノシート100からなる光触媒薄膜320を形成する。LB法では、トラフに基材310を浸漬させた後、展開液表面を一定の表面圧まで圧縮して、光触媒薄膜320を気液界面に形成し、垂直引き上げ法で基材310をコロイド溶液から引上げることによって、基材310上に光触媒薄膜320を転写(形成)する。   Step S620: Pull up the substrate 310 to form a photocatalytic thin film 320 made of the photocatalyst nanosheet 100 on the substrate 310. In the LB method, after the substrate 310 is immersed in the trough, the surface of the developing solution is compressed to a certain surface pressure to form the photocatalytic thin film 320 at the gas-liquid interface, and the substrate 310 is removed from the colloidal solution by the vertical pulling method. By pulling up, the photocatalyst thin film 320 is transferred (formed) onto the substrate 310.

このようにして、光触媒ナノシート100の単層構造からなる光触媒薄膜320を基材310上に備えた光触媒材料300が得られる。LB法であれば、展開液表面に光触媒ナノシート100が互いに重なることなく、面方向に集積した単層構造(このような単層構造を単層膜と呼ぶ)からなる光触媒薄膜320が気液界面に形成されるので、極めて均質かつ良質な単層膜の光触媒薄膜320を基材310上に形成することができる。高品質な光触媒薄膜320が要求される用途に適している。   In this way, the photocatalytic material 300 including the photocatalytic thin film 320 having a single layer structure of the photocatalytic nanosheet 100 on the substrate 310 is obtained. In the case of the LB method, the photocatalyst thin film 320 having a single layer structure (such a single layer structure is referred to as a single layer film) that is accumulated in the plane direction without the photocatalyst nanosheets 100 overlapping each other on the surface of the developing solution is a gas-liquid interface. Therefore, it is possible to form the photocatalytic thin film 320 of a single layer film that is extremely homogeneous and of good quality on the substrate 310. It is suitable for applications where a high-quality photocatalytic thin film 320 is required.

(3)スピンコート法
既知のスピンコート法と同様に、スピンコート材として光触媒ナノシート100を含有するコロイド溶液(例えば、ステップS420で得られたコロイド溶液)を用いる。高速で回転する基材310上にコロイド溶液を滴下し、遠心力によって均一な光触媒薄膜320を得る。この場合、LB法とは異なり、必ずしも光触媒ナノシート100の単層構造の光触媒薄膜320とはならないが、比較的簡便に、均一な光触媒薄膜320が得られる。
(3) Spin coating method As in the known spin coating method, a colloid solution containing the photocatalyst nanosheet 100 is used as the spin coating material (for example, the colloid solution obtained in step S420). A colloidal solution is dropped on the substrate 310 rotating at high speed, and a uniform photocatalytic thin film 320 is obtained by centrifugal force. In this case, unlike the LB method, the photocatalyst thin film 320 having a single layer structure of the photocatalyst nanosheet 100 is not necessarily obtained, but a uniform photocatalytic thin film 320 can be obtained relatively easily.

(4)ドロップ法(滴下法)
既知のドロップ法と同様に、基材310上に光触媒ナノシート100を含有するコロイド溶液(例えば、ステップS420で得られたコロイド溶液)をピペット等により滴下し、乾燥させて、光触媒薄膜320を得る。この場合、光触媒ナノシート100が互いに重なった多層構造からなる光触媒薄膜320が得られる。均一な光触媒薄膜320を備えた光触媒材料300を得るのは困難であるが、品質が要求されない用途には有効である。
(4) Drop method (Drip method)
Similar to the known drop method, a colloidal solution containing the photocatalyst nanosheet 100 (for example, the colloidal solution obtained in step S420) is dropped on the substrate 310 with a pipette or the like and dried to obtain the photocatalytic thin film 320. In this case, a photocatalytic thin film 320 having a multilayer structure in which the photocatalytic nanosheets 100 overlap each other is obtained. Although it is difficult to obtain the photocatalyst material 300 having the uniform photocatalytic thin film 320, it is effective for applications where quality is not required.

(5)ディップコート法(浸漬法)
既知のディップコート法と同様に、基材310を、光触媒ナノシート100を含有するコロイド溶液(例えば、ステップS420で得られたコロイド溶液)に浸漬させ、引き上げ、乾燥させて、光触媒薄膜320を得る。この場合も、ドロップ法同様、光触媒ナノシート100が互いに重なった多層構造からなる光触媒薄膜320が得られる。均一な光触媒薄膜320を備えた光触媒材料300を得るのは困難であるが、品質が要求されない用途には有効である。
(5) Dip coating method (dipping method)
Similar to the known dip coating method, the substrate 310 is immersed in a colloid solution containing the photocatalyst nanosheet 100 (for example, the colloid solution obtained in step S420), pulled up, and dried to obtain the photocatalyst thin film 320. Also in this case, a photocatalytic thin film 320 having a multilayer structure in which the photocatalyst nanosheets 100 overlap each other is obtained as in the drop method. Although it is difficult to obtain the photocatalyst material 300 having the uniform photocatalytic thin film 320, it is effective for applications where quality is not required.

このようにして得られた光触媒材料300において、基材310と光触媒薄膜320との密着性をより高めるために、コロイド溶液の基材310への付与に続いて、光触媒材料300を熱処理してもよい。熱処理によって、基材310と光触媒薄膜320との間で反応が生じ、それによって生じる結合により密着性が向上する。ここで熱処理の温度条件は、少なくとも100℃以上で900℃未満の温度範囲で行われる。100℃以上であれば、基材310と光触媒薄膜320との間での反応を生じさせることができるので、密着性の向上が期待できる。900℃を超えると、光触媒薄膜320の化学変化および膜質の劣化が生じるので好ましくない。より好ましい熱処理の温度条件は、300℃以上で800℃以下の温度範囲である。300℃以上800℃以下であれば、膜質、光触媒性および光誘起親水化特性を損なうことなく、短時間で確実に密着性を改善できる。   In the photocatalyst material 300 obtained in this way, in order to further improve the adhesion between the base material 310 and the photocatalyst thin film 320, the photocatalyst material 300 may be heat-treated following application of the colloid solution to the base material 310. Good. By the heat treatment, a reaction occurs between the substrate 310 and the photocatalytic thin film 320, and the adhesiveness is improved by the resulting bond. Here, the temperature condition for the heat treatment is at least 100 ° C. and less than 900 ° C. If it is 100 degreeC or more, since the reaction between the base material 310 and the photocatalyst thin film 320 can be produced, the improvement of adhesiveness can be anticipated. If it exceeds 900 ° C., the chemical change of the photocatalytic thin film 320 and the deterioration of the film quality occur, which is not preferable. A more preferable temperature condition for the heat treatment is a temperature range from 300 ° C. to 800 ° C. If it is 300 degreeC or more and 800 degrees C or less, adhesiveness can be reliably improved in a short time, without impairing film quality, photocatalytic property, and a photo-induced hydrophilic property.

(実施の形態3)
次に、本発明に好適なアルカリ金属含有層状化合物110(図1)の製造方法について説明する。本発明による光触媒ナノシート100を高収率かつ高品質で得るためには、実施の形態2のステップS410(図4)において用いるアルカリ金属含有層状化合物は、不純物を含まないことが望ましい。本発明者らは、鋭意工夫によりアルカリ金属含有層状化合物の製造方法を確立し、その結果、高収率かつ高品質な光触媒ナノシート100、および、光触媒材料300を得ることに成功した。
(Embodiment 3)
Next, the manufacturing method of the alkali metal containing layered compound 110 (FIG. 1) suitable for this invention is demonstrated. In order to obtain the photocatalyst nanosheet 100 according to the present invention with high yield and high quality, it is desirable that the alkali metal-containing layered compound used in Step S410 (FIG. 4) of Embodiment 2 does not contain impurities. The inventors of the present invention have established a method for producing an alkali metal-containing layered compound by diligent efforts, and as a result, have succeeded in obtaining the photocatalyst nanosheet 100 and the photocatalyst material 300 with high yield and high quality.

図7は、アルカリ金属含有層状化合物の製造工程を示すフローチャートである。   FIG. 7 is a flowchart showing the production process of the alkali metal-containing layered compound.

ステップごとに詳述する。   This will be described in detail for each step.

ステップS710:原料混合物を調整する。原料混合物は、アルカリ金属含有層状化合物を構成する各元素(但し、酸素を除く)の化合物の混合物である。具体的には、アルカリ金属層状化合物としてMNbまたはMNb17を製造する場合には、原料混合物は、加熱して酸化アルカリとなるアルカリ金属源と、加熱して酸化ニオブとなるニオブ源とを含む。アルカリ金属層状化合物としてMTiNbO、MTiNbOまたはMTiNbO14を製造する場合には、原料混合物は、加熱して酸化アルカリとなるアルカリ金属源と、加熱して酸化ニオブとなるニオブ源と、加熱して酸化チタンとなるチタン源とを含む。アルカリ金属含有層状化合物としてMCaNb10を製造する場合には、原料混合物は、加熱して酸化アルカリとなるアルカリ金属源と、加熱して酸化ニオブとなるニオブ源と、加熱して酸化カルシウムとなるカルシウム源とを含む。アルカリ金属含有層状化合物としてMLaNbを製造する場合には、原料混合物は、加熱して酸化アルカリとなるアルカリ金属源と、加熱して酸化ニオブとなるニオブ源と、加熱して酸化ランタンとなるランタン源とを含む。 Step S710: Adjusting the raw material mixture. The raw material mixture is a mixture of compounds of elements (excluding oxygen) constituting the alkali metal-containing layered compound. Specifically, when producing MNb 3 O 5 or M 4 Nb 6 O 17 as the alkali metal layered compound, the raw material mixture is heated with an alkali metal source that becomes an alkali oxide, heated with niobium oxide, Including niobium sources. In the case of producing MTiNbO 5 , MTi 2 NbO 7 or M 3 Ti 5 NbO 14 as the alkali metal layered compound, the raw material mixture is heated with an alkali metal source that becomes an alkali oxide, and niobium oxide that is heated to become niobium oxide. And a titanium source that is heated to titanium oxide. In the case of producing MCa 2 Nb 3 O 10 as an alkali metal-containing layered compound, the raw material mixture is heated with an alkali metal source that becomes an alkali oxide, a niobium source that becomes niobium oxide by heating, and an oxidation by heating. And a calcium source that becomes calcium. In the case of producing MLaNb 2 O 7 as an alkali metal-containing layered compound, the raw material mixture is prepared by heating an alkali metal source that becomes an alkali oxide by heating, a niobium source that becomes niobium oxide by heating, a lanthanum oxide that is heated. A lanthanum source.

より具体的には、加熱して酸化アルカリとなるアルカリ金属源とは、例えば、硝酸塩、炭酸塩、カルボン酸塩、硫酸塩等のアルカリ金属塩、アルカリ金属水酸化物、アルカリ金属アルコキシド等である。加熱して酸化ニオブとなるニオブ源とは、例えば、ニオブアルコキシド、ニオブ水酸化物、ニオブ塩等である。加熱して酸化チタンとなるチタン源とは、例えば、チタンアルコキシド、チタン水酸化物、チタン塩等である。加熱して酸化カルシウムとなるカルシウム源とは、カルシウムアルコキシド、カルシウム水酸化物、炭酸カルシウム等のカルシウム塩等である。加熱して酸化ランタンとなるランタン源とは、ランタンアルコキシド、ランタン水酸化物、ランタン塩等である。   More specifically, the alkali metal source that becomes an alkali oxide by heating is, for example, an alkali metal salt such as nitrate, carbonate, carboxylate, sulfate, alkali metal hydroxide, alkali metal alkoxide, or the like. . Examples of the niobium source that is heated to become niobium oxide include niobium alkoxide, niobium hydroxide, niobium salt, and the like. Examples of the titanium source that is heated to be titanium oxide include titanium alkoxide, titanium hydroxide, and titanium salt. The calcium source that is heated to become calcium oxide is a calcium salt such as calcium alkoxide, calcium hydroxide, or calcium carbonate. The lanthanum source that becomes lanthanum oxide by heating is lanthanum alkoxide, lanthanum hydroxide, lanthanum salt, or the like.

取扱の簡便性、入手・合成の容易性から、アルカリ金属源はアルカリ金属塩が好ましく、中でも、常温常圧にて安定なアルカリ金属の硝酸塩または炭酸塩が好ましい。同様に、取扱の簡便性、入手・合成の容易性から、カルシウム源はカルシウム塩が好ましく、常温常圧にて安定な炭酸カルシウムが好ましい。また、常温常圧にて安定な、ニオブ源として酸化ニオブ、チタン源として酸化チタン、ランタン源として酸化ランタンを用いてもよい。   The alkali metal source is preferably an alkali metal salt from the viewpoint of ease of handling and availability and synthesis, and among them, an alkali metal nitrate or carbonate that is stable at normal temperature and pressure is preferred. Similarly, the calcium source is preferably a calcium salt, and calcium carbonate that is stable at room temperature and normal pressure is preferable from the viewpoint of ease of handling and availability and synthesis. Further, niobium oxide which is stable at normal temperature and normal pressure, niobium oxide as a titanium source, titanium oxide as a titanium source, and lanthanum oxide as a lanthanum source may be used.

このように、原料混合物としてアルカリ金属含有層状化合物を構成する各元素(但し、酸素を除く)の化合物を用いることにより、それぞれの元素の化合物として高純度の化合物を用いることができるので、不純物の混入を抑制することができる。その結果、得られるアルカリ金属含有層状化合物の純度を向上させることができる。   Thus, by using a compound of each element (excluding oxygen) constituting the alkali metal-containing layered compound as a raw material mixture, a high-purity compound can be used as the compound of each element. Mixing can be suppressed. As a result, the purity of the obtained alkali metal-containing layered compound can be improved.

各化合物の混合は、例えば、アルミナ乳鉢を用いて60分間粉砕・混合される。十分な粉砕・混合により、各化合物間の反応が促進するので好ましい。   For example, each compound is mixed and ground for 60 minutes using an alumina mortar. Sufficient pulverization and mixing is preferable because the reaction between the compounds is accelerated.

ステップS720:原料混合物を焼成する。なお、焼成は、仮焼成と本焼成と2段階で行ってもよい。仮焼成後に再度粉砕・混合し、本焼成での反応を促進させてもよい。焼成条件は、目的とするアルカリ金属含有層状化合物に応じて異なる。   Step S720: Firing the raw material mixture. Note that the firing may be performed in two stages, that is, preliminary firing and main firing. The preliminary firing may be pulverized and mixed again to promote the reaction in the main firing. Firing conditions vary depending on the desired alkali metal-containing layered compound.

次に、各アルカリ金属含有層状化合物について、好適な製造方法を説明する。   Next, a suitable manufacturing method is demonstrated about each alkali metal containing layered compound.

(1)MNb
アルカリ金属源としてアルカリ金属の硝酸塩と、ニオブ源として酸化ニオブとを混合し、原料混合物を得る(ステップS710)。ここで、アルカリ金属の硝酸塩と酸化ニオブとは、MNbを満たす化学量論比で混合される。
次に、原料混合物を所定の温度プログラムにより仮焼成する(ステップS720)。所定の温度プログラムは、550℃以上650℃以下の温度範囲まで1.5時間以上2.5時間以下の間で昇温し、550℃以上650℃以下の温度範囲で1.5時間以上2.5時間以下の間保持し、次いで、550℃以上650℃以下の温度範囲から850℃以上950℃以下の温度範囲まで1.5時間以上2.5時間以下の間で昇温し、その後、室温まで急冷する。このように、比較的小さな昇温速度で昇温させるので、アルカリ金属源としてアルカリ金属の硝酸塩中に含まれる水分子の突沸が抑制される。このように、アルカリ金属の硝酸塩を用い、所定の温度プログラムを用いることにより、純度をさらに向上させることができることが分かった。
(1) MNb 3 O 8
An alkali metal nitrate as an alkali metal source and niobium oxide as a niobium source are mixed to obtain a raw material mixture (step S710). Here, the alkali metal nitrate and niobium oxide are mixed in a stoichiometric ratio satisfying MNb 3 O 8 .
Next, the raw material mixture is temporarily fired by a predetermined temperature program (step S720). The predetermined temperature program increases the temperature from 550 ° C. to 650 ° C. over a period of 1.5 hours to 2.5 hours, and increases the temperature within a range of 550 ° C. to 650 ° C. for 1.5 hours to 2. Held for 5 hours or less, and then heated from a temperature range of 550 ° C. to 650 ° C. to a temperature range of 850 ° C. to 950 ° C. for 1.5 hours to 2.5 hours, Cool down quickly. Thus, since it heats up with a comparatively small temperature increase rate, bumping of the water molecule contained in the alkali metal nitrate as an alkali metal source is suppressed. Thus, it has been found that the purity can be further improved by using an alkali metal nitrate and using a predetermined temperature program.

仮焼成後、原料混合物を本焼成する(ステップS720)。850℃以上950℃以下の温度範囲で少なくとも20時間焼成する。20時間より少ないとMNb11の不純物が生成する場合がある。 After the preliminary firing, the raw material mixture is finally fired (step S720). Baking at a temperature range of 850 ° C. to 950 ° C. for at least 20 hours. If it is less than 20 hours, impurities of M 2 Nb 6 O 11 may be generated.

(2)MNb17
アルカリ金属源としてアルカリ金属の炭酸塩と、ニオブ源として酸化ニオブとからなる原料混合物を混合する(ステップS710)。ここで、アルカリ金属の炭酸塩と酸化ニオブとは、MNb17を満たす化学量論比よりもアルカリ金属の炭酸塩がリッチ、例えば、モル比で10%リッチ、となるように混合される。これは、焼成時にアルカリ金属が蒸発する場合があるためである。
(2) M 4 Nb 6 O 17
A raw material mixture composed of an alkali metal carbonate as an alkali metal source and niobium oxide as a niobium source is mixed (step S710). Here, the alkali metal carbonate and niobium oxide are mixed so that the alkali metal carbonate is richer than the stoichiometric ratio satisfying M 4 Nb 6 O 17 , for example, 10% rich in molar ratio. Is done. This is because the alkali metal may evaporate during firing.

次に、原料混合物を仮焼成する(ステップS720)。仮焼成は、原料混合物を、850℃以上950℃以下の温度範囲に0.5時間以上1.5時間以下の間焼成し、急冷する。混合粉砕後、原料混合物を本焼成する(ステップS720)。具体的には、原料混合物を1000℃以上1100℃未満の温度範囲で少なくとも20時間焼成する。20時間より少ないとMNbOの不純物が生成する場合がある。 Next, the raw material mixture is temporarily fired (step S720). In the preliminary firing, the raw material mixture is fired in a temperature range of 850 ° C. to 950 ° C. for 0.5 hours to 1.5 hours and rapidly cooled. After mixing and grinding, the raw material mixture is subjected to main firing (step S720). Specifically, the raw material mixture is fired at a temperature range of 1000 ° C. or higher and lower than 1100 ° C. for at least 20 hours. If less than 20 hours, impurities of MNbO 3 may be generated.

(3)MTiNbO
アルカリ金属源としてアルカリ金属の炭酸塩と、ニオブ源として酸化ニオブと、チタン源として酸化チタンとからなる原料混合物を混合する(ステップS710)。ここで、アルカリ金属の炭酸塩と、酸化ニオブと、酸化チタンとは、MTiNbOを満たす化学量論比よりもアルカリ金属の炭酸塩がリッチ、例えば、モル比で5%リッチ、となるように混合される。これは、焼成時にアルカリ金属が蒸発する場合があるためである。
(3) MTiNbO 5
A raw material mixture composed of an alkali metal carbonate as an alkali metal source, niobium oxide as a niobium source, and titanium oxide as a titanium source is mixed (step S710). Here, the alkali metal carbonate, niobium oxide, and titanium oxide are richer in alkali metal carbonate than the stoichiometric ratio satisfying MTiNbO 5 , for example, 5% rich in molar ratio. Mixed. This is because the alkali metal may evaporate during firing.

次に、原料混合物を仮焼成する(ステップS720)。仮焼成は、原料混合物を、850℃以上950℃以下の温度範囲に0.5時間以上1.5時間以下の間焼成し、急冷する。混合粉砕後、原料混合物を本焼成する(ステップS720)。具体的には、原料混合物を1050℃より高温かつ1150℃未満の温度範囲で少なくとも20時間焼成する。1050℃以下1150℃以上で焼成すると、MTi13の不純物が生成する場合がある。 Next, the raw material mixture is temporarily fired (step S720). In the preliminary firing, the raw material mixture is fired in a temperature range of 850 ° C. to 950 ° C. for 0.5 hours to 1.5 hours and rapidly cooled. After mixing and grinding, the raw material mixture is subjected to main firing (step S720). Specifically, the raw material mixture is fired for at least 20 hours in a temperature range higher than 1050 ° C. and lower than 1150 ° C. When it is fired at 1050 ° C. or lower and 1150 ° C. or higher, M 2 Ti 6 O 13 impurities may be generated.

(4)MTiNbO
アルカリ金属源としてアルカリ金属の硝酸塩と、ニオブ源として酸化ニオブと、チタン源として酸化チタンとからなる原料混合物を混合する(ステップS710)。ここで、アルカリ金属の硝酸塩と、酸化ニオブと、酸化チタンとは、MTiNbOを満たす化学量論比よりもアルカリ金属の硝酸塩がリッチ、例えば、モル比で10%リッチ、となるように混合される。原料混合物が化学量論比通りである場合、アルカリ金属の蒸発により不純物が生成する場合がある。
(4) MTi 2 NbO 7
A raw material mixture composed of an alkali metal nitrate as an alkali metal source, niobium oxide as a niobium source, and titanium oxide as a titanium source is mixed (step S710). Here, the alkali metal nitrate, niobium oxide, and titanium oxide are richer in alkali metal nitrate than the stoichiometric ratio satisfying MTi 2 NbO 7 , for example, 10% rich in molar ratio. Mixed. When the raw material mixture is in the stoichiometric ratio, impurities may be generated by evaporation of the alkali metal.

次に、原料混合物を所定の温度プログラムにより仮焼成する(ステップS720)。所定の温度プログラムは、350℃以上450℃以下の温度範囲まで0.5時間以上1.5時間以下の間で昇温し、700℃以上800℃以下の温度範囲まで3.5時間以上4.5時間以下の間でさらに昇温し、700℃以上800℃以下の温度範囲で少なくとも30分間保持し、次いで、900℃以上1000℃以下の温度範囲まで0.5時間以上1.5時間以下の間で昇温し、900℃以上1000℃以下の温度範囲で少なくとも30分保持し、その後、室温まで急冷する。このように、比較的小さな昇温速度で昇温させ、段階的に焼成するので、アルカリ金属の硝酸塩中に含まれる水分子の突沸が抑制される。このように、アルカリ金属の硝酸塩を用い、所定の温度プログラムを用いることにより、純度をさらに向上させることができることが分かった。   Next, the raw material mixture is temporarily fired by a predetermined temperature program (step S720). The predetermined temperature program raises the temperature to a temperature range of 350 ° C. or more and 450 ° C. or less for 0.5 hour or more and 1.5 hours or less, and to a temperature range of 700 ° C. or more and 800 ° C. or less for 3.5 hours or more The temperature is further raised for 5 hours or less, and held at a temperature range of 700 ° C. or higher and 800 ° C. or lower for at least 30 minutes. The temperature is raised in between, kept at a temperature range of 900 ° C. to 1000 ° C. for at least 30 minutes, and then rapidly cooled to room temperature. In this manner, since the temperature is raised at a relatively low temperature increase rate and baked stepwise, bumping of water molecules contained in the alkali metal nitrate is suppressed. Thus, it has been found that the purity can be further improved by using an alkali metal nitrate and using a predetermined temperature program.

仮焼成後、原料混合物を本焼成する(ステップS720)。具体的には、原料混合物を1050℃以上1150℃以下の温度範囲で少なくとも20時間焼成する。   After the preliminary firing, the raw material mixture is finally fired (step S720). Specifically, the raw material mixture is fired at a temperature range of 1050 ° C. to 1150 ° C. for at least 20 hours.

(5)MTiNbO14
アルカリ金属源としてアルカリ金属の炭酸塩と、ニオブ源として酸化ニオブと、チタン源として酸化チタンとからなる原料混合物を混合する(ステップS710)。ここで、アルカリ金属の炭酸塩と、酸化ニオブと、酸化チタンとは、MTiNbOを満たす化学量論比で混合される。
(5) M 3 Ti 5 NbO 14
A raw material mixture composed of an alkali metal carbonate as an alkali metal source, niobium oxide as a niobium source, and titanium oxide as a titanium source is mixed (step S710). Here, the alkali metal carbonate, niobium oxide, and titanium oxide are mixed in a stoichiometric ratio satisfying MTiNbO 5 .

次に、原料混合物を仮焼成する(ステップS720)。仮焼成は、原料混合物を、850℃以上950℃以下の温度範囲に0.5時間以上1.5時間以下の間焼成し、急冷する。仮焼成後、原料混合物を本焼成する(ステップS720)。具体的には、原料混合物を950℃以上1050℃以下の温度範囲で少なくとも10時間焼成する。950℃未満の温度で焼成すると、KTiの不純物が生成する場合がある。 Next, the raw material mixture is temporarily fired (step S720). In the preliminary firing, the raw material mixture is fired in a temperature range of 850 ° C. to 950 ° C. for 0.5 hours to 1.5 hours and rapidly cooled. After the preliminary firing, the raw material mixture is finally fired (step S720). Specifically, the raw material mixture is fired at a temperature range of 950 ° C. or higher and 1050 ° C. or lower for at least 10 hours. When firing at a temperature lower than 950 ° C., impurities of K 2 Ti 2 O 5 may be generated.

(6)MCaNb10
アルカリ金属源としてアルカリ金属の炭酸塩と、ニオブ源として酸化ニオブと、カルシウム源として炭酸カルシウムとからなる原料混合物を混合する(ステップS710)。ここで、アルカリ金属の炭酸塩と、酸化ニオブと、炭酸カルシウムとは、MCaNb10を満たす化学量論比よりもアルカリ金属の炭酸塩がリッチ、例えば、モル比で10%リッチ、となるように混合される。これは、焼成時にアルカリ金属が蒸発する場合があるためである。
(6) MCa 2 Nb 3 O 10
A raw material mixture composed of an alkali metal carbonate as an alkali metal source, niobium oxide as a niobium source, and calcium carbonate as a calcium source is mixed (step S710). Here, the alkali metal carbonate, niobium oxide, and calcium carbonate are richer in alkali metal carbonate than the stoichiometric ratio satisfying MCa 2 Nb 3 O 10 , for example, 10% rich in molar ratio, To be mixed. This is because the alkali metal may evaporate during firing.

次に、原料混合物を焼成する(ステップS720)。焼成は、所定の温度プログラムにより本焼成のみで足りる。所定の温度プログラムは、850℃以上950℃以下の温度範囲に2.5時間以上3.5時間以下の間で昇温し、850℃以上950℃以下の温度範囲に0.5時間以上1.5時間以下の間保持し、次いで、1150℃以上1250℃以下の温度範囲に2.5時間以上3.5時間以下の間で昇温し、1150℃以上1250℃以下の温度範囲で少なくとも12時間焼成し、その後、750℃以上850℃以下の温度範囲に2.5時間以上3.5時間以下の間で降温し、急冷する。   Next, the raw material mixture is fired (step S720). Firing only needs to be performed by a predetermined temperature program. The predetermined temperature program is to raise the temperature in the temperature range of 850 ° C. to 950 ° C. for 2.5 hours to 3.5 hours, and in the temperature range of 850 ° C. to 950 ° C. for 0.5 hours to 1. Hold for 5 hours or less, then raise the temperature in the temperature range from 1150 ° C. to 1250 ° C. for 2.5 hours to 3.5 hours, and at least 12 hours in the temperature range from 1150 ° C. to 1250 ° C. After firing, the temperature is lowered to a temperature range of 750 ° C. to 850 ° C. for 2.5 hours to 3.5 hours and then rapidly cooled.

(7)MLaNb
アルカリ金属源としてアルカリ金属の炭酸塩と、ニオブ源として酸化ニオブと、ランタン源として酸化ランタンとからなる原料混合物を混合する(ステップS710)。ここで、アルカリ金属の炭酸塩と、酸化ニオブと、酸化ランタンとは、MLaNbを満たす化学量論比よりもアルカリ金属の炭酸塩がリッチ、例えば、モル比で15%リッチ、となるように混合される。これは、焼成時にアルカリ金属が蒸発する場合があるためである。
(7) MLaNb 2 O 7
A raw material mixture composed of an alkali metal carbonate as an alkali metal source, niobium oxide as a niobium source, and lanthanum oxide as a lanthanum source is mixed (step S710). Here, the alkali metal carbonate, niobium oxide, and lanthanum oxide are richer in alkali metal carbonate than the stoichiometric ratio satisfying MLaNb 2 O 7 , for example, 15% rich in molar ratio. So that they are mixed. This is because the alkali metal may evaporate during firing.

次に、原料混合物を焼成する(ステップS720)。焼成は、所定の温度プログラムにより本焼成のみで足りる。所定の温度プログラムは、1100℃〜1200℃の温度範囲に2.5時間〜3.5時間の間で昇温し、1100℃〜1200℃の温度範囲で0.5時間〜1.5時間保持し、室温まで除冷する。   Next, the raw material mixture is fired (step S720). Firing only needs to be performed by a predetermined temperature program. Predetermined temperature program is a temperature range of 1100 ° C to 1200 ° C for 2.5 hours to 3.5 hours, and a temperature range of 1100 ° C to 1200 ° C for 0.5 hours to 1.5 hours And cool to room temperature.

実施の形態3で説明したアルカリ金属含有層状化合物の製造プロセスを実施の形態2で説明した図4のステップS410に先立って行ってもよい。これにより、高純度・高収率で光触媒ナノシート、さらには光触媒材料が得られる。   The manufacturing process of the alkali metal-containing layered compound described in the third embodiment may be performed prior to step S410 in FIG. 4 described in the second embodiment. Thereby, a photocatalyst nanosheet and also a photocatalyst material are obtained with high purity and high yield.

以降では実施例を述べる。実施例では、アルカリ金属含有層状化合物の製造における最適化条件(化合物の組み合わせ、焼成条件)、水素イオン交換体を得るための最適化条件(酸処理回数、濃度)を示すが、本発明は実施例に限定されるものではないことに留意されたい。実施例および比較例の合成条件等を表1にまとめて示す。   Hereinafter, examples will be described. In the examples, optimization conditions (combination of compounds, firing conditions) in the production of an alkali metal-containing layered compound, and optimization conditions (number of acid treatments, concentration) for obtaining a hydrogen ion exchanger are shown. Note that the examples are not limiting. The synthesis conditions and the like of the examples and comparative examples are summarized in Table 1.

基材310(図3)として石英ガラス基板およびシリコン(Si)基板上に、交互吸着法を用いて、Nbナノシートからなる光触媒薄膜320(図3)が付与された光触媒材料300(図3)を製造した。光触媒材料の製造に先立って、アルカリ金属がKであるKNbのアルカリ金属含有層状化合物を合成した。 A photocatalyst material 300 (FIG. 3) provided with a photocatalytic thin film 320 (FIG. 3) made of Nb 3 O 8 nanosheets on a quartz glass substrate and a silicon (Si) substrate as a base material 310 (FIG. 3) using an alternate adsorption method. 3) was produced. Prior to the production of the photocatalytic material, an alkali metal-containing layered compound of KNb 3 O 8 whose alkali metal is K was synthesized.

KNO(4.5357g、和光純薬工業製、特級)と、Nb(17.8871g、レアメタリック製、純度99.99%)とを混合し、原料混合物を得た(図7のステップS710)。KNbの化学量論比を満たすよう、KNOとNbとのモル比は2:3であった。原料混合物は、アルミナ乳鉢を用いて60分間、粉砕・混合された。 KNO 3 (4.5357 g, manufactured by Wako Pure Chemical Industries, special grade) and Nb 2 O 5 (17.8871 g, manufactured by Rare Metallic, purity 99.99%) were mixed to obtain a raw material mixture (FIG. 7). Step S710). The molar ratio of KNO 3 to Nb 2 O 5 was 2: 3 so as to satisfy the stoichiometric ratio of KNb 3 O 8 . The raw material mixture was pulverized and mixed for 60 minutes using an alumina mortar.

次いで、原料混合物を所定の温度プログラムを用いて仮焼成した(図7のステップS720)。原料混合物を白金るつぼに移し、電気炉に入れた。所定の温度プログラムは、室温から600℃まで2時間で昇温し、600℃で2時間保持し、次いで、600℃から900℃まで2時間で昇温し、保持することなく白金るつぼを電気炉から取り出し、室温で急冷した。   Next, the raw material mixture was temporarily fired using a predetermined temperature program (step S720 in FIG. 7). The raw material mixture was transferred to a platinum crucible and placed in an electric furnace. The predetermined temperature program is to raise the temperature from room temperature to 600 ° C. in 2 hours, hold at 600 ° C. for 2 hours, and then raise the temperature from 600 ° C. to 900 ° C. in 2 hours. And quenched at room temperature.

室温にて約10分間除熱し、白金るつぼ中の試料をアルミナ乳鉢で粉砕・混合を行った。粉砕・混合された試料を再度白金るつぼに移し、900℃に加熱した電気炉に入れ、20時間本焼成した(図7のステップS720)。その後、白金るつぼを電気炉から取り出し、室温で急冷し、アルカリ金属含有層状化合物110(図1)を得た。このようにして得られたアルカリ金属含有層状化合物110について粉末X線回折を行い、KNb単相であることを確認した。なお、本焼成において、同様の温度条件にて焼成時間を5時間および10時間と変化させた場合には、KNb11の不純物が生成した。このことからも、制御された温度プログラム、および、20時間以上の本焼成が好ましいことが分かった。 Heat was removed for about 10 minutes at room temperature, and the sample in the platinum crucible was pulverized and mixed in an alumina mortar. The crushed and mixed sample was transferred again to the platinum crucible, placed in an electric furnace heated to 900 ° C., and finally baked for 20 hours (step S720 in FIG. 7). Thereafter, the platinum crucible was taken out of the electric furnace and rapidly cooled at room temperature to obtain an alkali metal-containing layered compound 110 (FIG. 1). The alkali metal-containing layered compound 110 thus obtained was subjected to powder X-ray diffraction and confirmed to be a KNb 3 O 8 single phase. In the main baking, when the baking time was changed to 5 hours and 10 hours under the same temperature condition, an impurity of K 2 Nb 6 O 11 was generated. From this, it was found that a controlled temperature program and main baking for 20 hours or more are preferable.

次に、このようにして得られたアルカリ金属含有層状化合物KNbを用いて、光触媒ナノシートNbを合成した。 Next, a photocatalyst nanosheet Nb 3 O 8 was synthesized using the alkali metal-containing layered compound KNb 3 O 8 thus obtained.

アルカリ金属含有層状化合物KNbを、酸水溶液として硝酸水溶液(13.5規定、和光純薬工業製、特級)を用いて酸処理し、水素イオン交換体を生成した(図4のステップS410)。なお、硝酸水溶液を、超純水(>18MΩcm)を用いて2規定となるように調製した。 The alkali metal-containing layered compound KNb 3 O 8 was acid-treated using an aqueous nitric acid solution (13.5 N, manufactured by Wako Pure Chemical Industries, special grade) as an aqueous acid solution to produce a hydrogen ion exchanger (step S410 in FIG. 4). ). An aqueous nitric acid solution was prepared using ultrapure water (> 18 MΩcm) so as to be 2N.

具体的な反応は、KNb(1g)と硝酸水溶液(100mL)とを200mL三角フラスコ中で作用させ、12時間毎に1回攪拌し、反応を促進させた。24時間毎に硝酸水溶液を交換し、72時間反応させた。反応終了後、生成物を超純水でろ過し、空気中で風乾させ、水素イオン交換体を得た。 Specifically, KNb 3 O 8 (1 g) and an aqueous nitric acid solution (100 mL) were allowed to act in a 200 mL Erlenmeyer flask and stirred once every 12 hours to promote the reaction. The aqueous nitric acid solution was changed every 24 hours, and the reaction was performed for 72 hours. After completion of the reaction, the product was filtered with ultrapure water and air-dried in air to obtain a hydrogen ion exchanger.

次いで、水素イオン交換体0.4gと塩基性物質として水酸化テトラブチルアンモニウム水溶液(TBAOHaq.)100mL(和光純薬工業製、特級;濃度10%)とを反応させ、水素イオン交換体を剥離し、Nbナノシートからなるコロイド溶液を得た(図4のステップS420)。 Next, 0.4 g of hydrogen ion exchanger was reacted with 100 mL of tetrabutylammonium hydroxide aqueous solution (TBAOHaq.) As a basic substance (made by Wako Pure Chemical Industries, special grade; concentration 10%) to peel off the hydrogen ion exchanger. to obtain a colloidal solution comprising Nb 3 O 8 nanosheets (step S420 in FIG. 4).

具体的な反応は、TBAOHaq.中のTBAと水素イオン交換体中のHとのモル比が10:1となるように調整した。200mL三角フラスコに超純水77.1mLを入れ、次いで、TBAOHaq.22.9mLを加え、合計100mLの溶液を得た。この溶液に水素イオン交換体0.4gを加え、シェイカーで180rpm、10日間振盪させた。三角フラスコ中の溶液が乳白色の溶液となり、水素イオン交換体の剥離が完全に行われたことを確認した。このようにして、Nbナノシートからなるコロイド溶液(以降ではNbコロイド溶液と呼ぶ)を得た。 The specific reaction is TBAOHaq. The molar ratio of TBA + in the H + to H + in the hydrogen ion exchanger was adjusted to 10: 1. Place 77.1 mL of ultrapure water in a 200 mL Erlenmeyer flask, and then add TBAOHaq. 22.9 mL was added to give a total of 100 mL of solution. To this solution, 0.4 g of a hydrogen ion exchanger was added and shaken with a shaker at 180 rpm for 10 days. It was confirmed that the solution in the Erlenmeyer flask became a milky white solution and the hydrogen ion exchanger was completely peeled off. In this way, a colloid solution composed of Nb 3 O 8 nanosheets (hereinafter referred to as Nb 3 O 8 colloid solution) was obtained.

交互吸着法を用いてNbコロイド溶液を、石英ガラス基板およびSi基板それぞれに付与した。付与に先立って、石英ガラス基板およびSi基板を親水化処理した。具体的には、石英ガラス基板およびSi基板の表面を、アセトンを含ませたベムコットンで拭き、メタノールと塩酸とを1:1で混合させた混合溶液に30分間浸漬させた。これにより、石英ガラス基板およびSi基板の表面の有機物等の汚れを除去した。その後、石英ガラス基板およびSi基板を超純水で洗浄し、エタノール/塩酸(1:1)混合溶液と濃硫酸溶液とにそれぞれ30分間浸漬させた。これにより、石英ガラス基板およびSi基板の表面は親水化された。 The Nb 3 O 8 colloidal solution was applied to each of the quartz glass substrate and the Si substrate using an alternate adsorption method. Prior to the application, the quartz glass substrate and the Si substrate were hydrophilized. Specifically, the surfaces of the quartz glass substrate and the Si substrate were wiped with bem cotton containing acetone, and immersed in a mixed solution in which methanol and hydrochloric acid were mixed at a ratio of 1: 1 for 30 minutes. As a result, contamination such as organic substances on the surfaces of the quartz glass substrate and the Si substrate was removed. Thereafter, the quartz glass substrate and the Si substrate were washed with ultrapure water and immersed in an ethanol / hydrochloric acid (1: 1) mixed solution and a concentrated sulfuric acid solution for 30 minutes, respectively. Thereby, the surfaces of the quartz glass substrate and the Si substrate were hydrophilized.

親水化処理した石英ガラス基板およびSi基板にカチオン性ポリマーとしてポリ塩化ジアリルジメチルアンモニウム(PDDA)を付与した(図5のステップS510)。具体的には、23gL−1の濃度に調整されたPDDA水溶液に、塩化ナトリウム(NaCl)を添加し、0.01Mに調整した。NaClは、PDDAの表面電荷を向上させるので、交互吸着法による多層構造の光触媒薄膜の形成を促進させることができる。なお、0.01Mを超えると、NaClが多層構造形成の障害となり、好ましくない。一方、NaClを添加しないと、PDDAの表面電荷が向上せず、多層構造の形成が困難になる。NaClを添加したPDDA水溶液にTBAOHaq.を滴下し、PDDA水溶液のpHを9に調整した。このように調製されたPDDA水溶液に、親水化処理された石英ガラス基板およびSi基板をそれぞれ20分間浸漬させた。その後、石英ガラス基板およびSi基板を超純水で洗浄し、窒素ガスフローし、表面を乾燥させた。 Poly (diallyldimethylammonium chloride) (PDDA) was applied as a cationic polymer to the hydrophilized quartz glass substrate and Si substrate (step S510 in FIG. 5). Specifically, sodium chloride (NaCl) was added to a PDDA aqueous solution adjusted to a concentration of 23 gL −1 to adjust to 0.01M. Since NaCl improves the surface charge of PDDA, formation of a multi-layered photocatalytic thin film by an alternate adsorption method can be promoted. In addition, when it exceeds 0.01M, NaCl becomes an obstacle to the formation of the multilayer structure, which is not preferable. On the other hand, if NaCl is not added, the surface charge of PDDA is not improved, and it becomes difficult to form a multilayer structure. To a PDDA aqueous solution to which NaCl was added, TBAOH aq. Was added dropwise to adjust the pH of the PDDA aqueous solution to 9. In the PDDA aqueous solution thus prepared, the quartz glass substrate and the Si substrate subjected to the hydrophilic treatment were each immersed for 20 minutes. Thereafter, the quartz glass substrate and the Si substrate were washed with ultrapure water, and a nitrogen gas flow was performed to dry the surface.

次いで、PDDAが付与された石英ガラス基板およびSi基板にNbコロイド溶液を付与した(図5のステップS520)。Nbコロイド溶液は超純水を用いて濃度0.4gL−1、および、塩酸溶液を用いてpH9に調整された。付与は、Nbコロイド溶液に、PDDAが付与された石英ガラス基板およびSi基板を20分間浸漬させた。その後、石英ガラス基板およびSi基板を超純水で洗浄し、窒素ガスフローし、表面を乾燥させた。 Next, the Nb 3 O 8 colloidal solution was applied to the quartz glass substrate and the Si substrate to which PDDA was applied (Step S520 in FIG. 5). The Nb 3 O 8 colloidal solution was adjusted to a concentration of 0.4 gL −1 using ultrapure water and pH 9 using a hydrochloric acid solution. The application was performed by immersing the quartz glass substrate to which PDDA was applied and the Si substrate in an Nb 3 O 8 colloidal solution for 20 minutes. Thereafter, the quartz glass substrate and the Si substrate were washed with ultrapure water, and a nitrogen gas flow was performed to dry the surface.

ステップS510およびステップS520を10回繰り返した(図5のステップS530)。このようにして得られる光触媒材料を、(Nb/PDDA)/ガラス、および、(Nb/PDDA)/Siと称する。なお、ここで、nは図5のステップ530の繰返し回数を示す。 Step S510 and step S520 were repeated 10 times (step S530 in FIG. 5). The photocatalytic materials thus obtained are referred to as (Nb 3 O 8 / PDDA) n / glass and (Nb 3 O 8 / PDDA) n / Si. Here, n indicates the number of repetitions of step 530 in FIG.

試料として(Nb/PDDA)/ガラスを用いて、Nbナノシートの光触媒性を評価した。評価法は、表面に有機色素としてメチレンブルーを吸着させた(Nb/PDDA)/ガラスの光分解に伴う吸着色素量の変化を測定した。測定には、UV−vis吸収スペクトル測定を用い、色素の光分解速度から(Nb/PDDA)/ガラスの光触媒活性を求めた。 The photocatalytic properties of the Nb 3 O 8 nanosheets were evaluated using (Nb 3 O 8 / PDDA) 1 / glass as a sample. In the evaluation method, methylene blue was adsorbed as an organic dye on the surface (Nb 3 O 8 / PDDA) 1 / change in the amount of adsorbed dye accompanying photolysis of glass was measured. For the measurement, UV-vis absorption spectrum measurement was used, and the photocatalytic activity of (Nb 3 O 8 / PDDA) 1 / glass was determined from the photodegradation rate of the dye.

具体的には、(Nb/PDDA)/ガラスの前処理として紫外光(1mWcm−2、λ<300nm)を72時間照射し、TBA等の表面の汚れを除去した。その後、(Nb/PDDA)/ガラスの表面に0.1Mのメチレンブルー溶液を滴下し、空気中で24時間乾燥させ、定着させた。光源としてキセノンランプを用いて紫外光(10mWcm−2、λ<300nm)を照射し、メチレンブルーの吸光度変化を測定した。結果を図8、表2および表3に示し詳述する。 Specifically, as a pretreatment of (Nb 3 O 8 / PDDA) 1 / glass, ultraviolet light (1 mWcm −2 , λ <300 nm) was irradiated for 72 hours to remove surface stains such as TBA + . Thereafter, a 0.1 M methylene blue solution was dropped on the surface of (Nb 3 O 8 / PDDA) 1 / glass, and dried and fixed in air for 24 hours. Ultraviolet light (10 mWcm −2 , λ <300 nm) was irradiated using a xenon lamp as a light source, and the change in absorbance of methylene blue was measured. The results are shown in FIG. 8, Table 2 and Table 3 and will be described in detail.

次に、試料として(Nb/PDDA)/ガラスを用いて、Nbナノシートの光誘起親水化特性を評価した。光触媒性の評価と同様に、紫外光を照射し、(Nb/PDDA)/ガラスを前処理した後、(Nb/PDDA)/ガラスを暗所で1ヶ月保管した。その後、(Nb/PDDA)/ガラスに水滴を滴下し、再度、同条件で紫外光を照射した。水滴の水接触角と、紫外光照射時間との関係を調べた。測定には水接触角測定装置を用い、親水化反応速度を求めた。結果を図9、表4および表5に示し詳述する。 Next, the light-induced hydrophilization property of the Nb 3 O 8 nanosheet was evaluated using (Nb 3 O 8 / PDDA) 1 / glass as a sample. As in the photocatalytic evaluation, after irradiating with ultraviolet light and pretreating (Nb 3 O 8 / PDDA) 1 / glass, (Nb 3 O 8 / PDDA) 1 / glass was stored for 1 month in the dark. . Thereafter, water droplets were dropped on (Nb 3 O 8 / PDDA) 1 / glass, and ultraviolet light was irradiated again under the same conditions. The relationship between the water contact angle of the water droplet and the ultraviolet light irradiation time was investigated. The water contact angle measuring device was used for the measurement, and the hydrophilization reaction rate was determined. The results are shown in FIG. 9, Table 4 and Table 5 and will be described in detail.

交互吸着法による多層構造について調べるために、図5のステップS530を繰り返すごとに(すなわち、(Nb/PDDA)/ガラスのn=1〜10それぞれについて)、UV−vis吸収スペクトルを測定した。結果を図10に示し後述する。 Each time step S530 of FIG. 5 is repeated in order to investigate the multilayer structure by the alternate adsorption method (that is, (Nb 3 O 8 / PDDA) n / n = 1 to 10 of glass), the UV-vis absorption spectrum is obtained. It was measured. The results are shown in FIG.

多層構造の光触媒薄膜を有する光触媒材料として、(Nb/PDDA)10/Siの構造評価をX線回折(XRD)によって行った。結果を図14に示し後述する。 As a photocatalytic material having a multilayer photocatalytic thin film, the structure of (Nb 3 O 8 / PDDA) 10 / Si was evaluated by X-ray diffraction (XRD). The results are shown in FIG.

多層構造の光触媒薄膜を有する光触媒材料として、(Nb/PDDA)10/ガラスの光触媒性を調べた。具体的には、紫外光(1mWcm−2、λ<300nm)の照射前後のXRD測定を行い、層間距離を測定した。結果を図15に示し後述する。 The photocatalytic property of (Nb 3 O 8 / PDDA) 10 / glass was examined as a photocatalytic material having a multilayer photocatalytic thin film. Specifically, XRD measurement was performed before and after irradiation with ultraviolet light (1 mWcm −2 , λ <300 nm), and the interlayer distance was measured. The results are shown in FIG.

多層構造の光触媒薄膜を有する光触媒材料として、(Nb/PDDA)10/Siの表面状態を原子間力顕微鏡(AFM)によって観察した。結果を図19および表6に示し後述する。 As a photocatalytic material having a multilayered photocatalytic thin film, the surface state of (Nb 3 O 8 / PDDA) 10 / Si was observed with an atomic force microscope (AFM). The results are shown in FIG. 19 and Table 6 and will be described later.

基材310(図3)として石英ガラス基板およびSi基板上に、交互吸着法を用いて、Nb17ナノシートからなる光触媒薄膜320(図3)が付与された光触媒材料300(図3)を製造した。光触媒材料の製造に先立って、アルカリ金属がKであるKNb17のアルカリ金属含有層状化合物を合成した。 A photocatalytic material 300 (FIG. 3) provided with a photocatalytic thin film 320 (FIG. 3) made of Nb 6 O 17 nanosheets on a quartz glass substrate and a Si substrate as a base material 310 (FIG. 3) using an alternate adsorption method. Manufactured. Prior to the production of the photocatalytic material, an alkali metal-containing layered compound of K 4 Nb 6 O 17 in which the alkali metal is K was synthesized.

CO(5.5824g、レアメタリック製、純度99.99%)と、Nb(15.3379g、レアメタリック製、純度99.99%)とを混合し、原料混合物を得た(図7のステップS710)。ここで、KNb17の化学量論比よりもKCOをモル比で10%過剰に添加し、KCOとNbとのモル比は2.2:3であった。原料混合物は、アルミナ乳鉢を用いて60分間、粉砕・混合された。 K 2 CO 3 (5.5824 g, manufactured by Rare Metallic, purity 99.99%) and Nb 2 O 5 (15.3379 g, manufactured by Rare Metallic, purity 99.99%) were mixed to obtain a raw material mixture. (Step S710 in FIG. 7). Here, K 2 CO 3 was added in a molar ratio of 10% more than the stoichiometric ratio of K 4 Nb 6 O 17 , and the molar ratio of K 2 CO 3 and Nb 2 O 5 was 2.2: 3. Met. The raw material mixture was pulverized and mixed for 60 minutes using an alumina mortar.

次いで、原料混合物を仮焼成した(図7のステップS720)。原料混合物を白金るつぼに移し、900℃に加熱した電気炉に入れ、1時間保持した。その後、白金るつぼを電気炉から取り出し、室温で急冷した。   Next, the raw material mixture was temporarily fired (step S720 in FIG. 7). The raw material mixture was transferred to a platinum crucible and placed in an electric furnace heated to 900 ° C. and held for 1 hour. Thereafter, the platinum crucible was removed from the electric furnace and rapidly cooled at room temperature.

室温にて約10分間除熱し、白金るつぼ中の試料をアルミナ乳鉢で粉砕・混合を行った。粉砕・混合された試料を再度白金るつぼに移し、1050℃に加熱した電気炉に入れ、20時間本焼成した(図7のステップS720)。その後、白金るつぼを電気炉から取り出し、室温で急冷し、アルカリ金属含有層状化合物110(図1)を得た。このようにして得られたアルカリ金属含有層状化合物110について粉末XRD測定を行い、KNb17単相であることを確認した。なお、本焼成において、1100℃にて10時間焼成した場合には、KNbOの不純物が生成した。このことからも、少なくとも20時間の本焼成が好ましいことが分かった。 Heat was removed for about 10 minutes at room temperature, and the sample in the platinum crucible was pulverized and mixed in an alumina mortar. The crushed and mixed sample was transferred again to the platinum crucible, placed in an electric furnace heated to 1050 ° C., and finally baked for 20 hours (step S720 in FIG. 7). Thereafter, the platinum crucible was taken out of the electric furnace and rapidly cooled at room temperature to obtain an alkali metal-containing layered compound 110 (FIG. 1). The alkali metal-containing layered compound 110 thus obtained was subjected to powder XRD measurement and confirmed to be a K 4 Nb 6 O 17 single phase. In the main baking, when baking was performed at 1100 ° C. for 10 hours, an impurity of KNbO 3 was generated. From this, it was found that the main firing for at least 20 hours is preferable.

次に、このようにして得られたアルカリ金属含有層状化合物KNb17を用いて、光触媒ナノシートNb17を合成した。 Next, a photocatalyst nanosheet Nb 6 O 17 was synthesized using the alkali metal-containing layered compound K 4 Nb 6 O 17 thus obtained.

アルカリ金属含有層状化合物KNb17を、酸水溶液として塩酸水溶液(12規定、和光純薬工業製、特級)を用いて酸処理し、水素イオン交換体を生成した(図4のステップS410)。なお、塩酸水溶液を、超純水(>18MΩcm)を用いて1規定となるように調整した。なお、塩酸水溶液を用いた以外は、実施例1と同様の条件で酸処理し、水素イオン交換体を得た。 The alkali metal-containing layered compound K 4 Nb 6 O 17 was acid-treated using a hydrochloric acid aqueous solution (12 N, manufactured by Wako Pure Chemical Industries, special grade) as an acid aqueous solution to produce a hydrogen ion exchanger (step S410 in FIG. 4). ). The aqueous hydrochloric acid solution was adjusted to 1 N using ultrapure water (> 18 MΩcm). In addition, it acid-treated on the conditions similar to Example 1 except having used hydrochloric acid aqueous solution, and obtained the hydrogen ion exchanger.

次いで、水素イオン交換体0.4gと塩基性物質として水酸化テトラブチルアンモニウム水溶液(TBAOHaq.)100mL(和光純薬工業製、特級;濃度10%)とを反応させ、水素イオン交換体を剥離し、Nb17ナノシートからなるコロイド溶液を得た(図4のステップS420)。 Next, 0.4 g of hydrogen ion exchanger was reacted with 100 mL of tetrabutylammonium hydroxide aqueous solution (TBAOHaq.) As a basic substance (made by Wako Pure Chemical Industries, special grade; concentration 10%) to peel off the hydrogen ion exchanger. to obtain a colloidal solution comprising Nb 6 O 17 nanosheet (step S420 in FIG. 4).

具体的な反応は、TBAOHaq.中のTBAと水素イオン交換体中のHとのモル比が10:1となるように調整した。200mL三角フラスコに超純水50.5mLを入れ、次いで、TBAOHaq.49.5mLを加え、合計100mLの溶液を得た。この溶液に水素イオン交換体0.4gを加え、シェイカーで180rpm、10日間振盪させた。三角フラスコ中の溶液が乳白色の溶液となり、水素イオン交換体の剥離が完全に行われたことを確認した。このようにして、Nb17ナノシートからなるコロイド溶液(以降ではNb17コロイド溶液と呼ぶ)を得た。 The specific reaction is TBAOHaq. The molar ratio of TBA + in the H + to H + in the hydrogen ion exchanger was adjusted to 10: 1. In a 200 mL Erlenmeyer flask, 50.5 mL of ultrapure water was added, and then TBAOHaq. 49.5 mL was added to give a total of 100 mL of solution. To this solution, 0.4 g of a hydrogen ion exchanger was added and shaken with a shaker at 180 rpm for 10 days. It was confirmed that the solution in the Erlenmeyer flask became a milky white solution and the hydrogen ion exchanger was completely peeled off. There was thus obtained colloidal consisting Nb 6 O 17 nanosheet solution (referred to as Nb 6 O 17 colloidal solution later).

交互吸着法を用いてNb17コロイド溶液を石英ガラス基板およびSi基板に付与した。Nb17コロイド溶液の石英ガラス基板およびSi基板への付与は、実施例1と同じ濃度に調整したNb17コロイド溶液を用い、同様の手順によって行ったため、説明を省略する。実施例1と同様に、得られた光触媒材料を、(Nb17/PDDA)/ガラス、および、(Nb17/PDDA)/Siと称する。なお、ここで、nは図5のステップ530の繰返し回数を示す。 The Nb 6 O 17 colloidal solution was applied to the quartz glass substrate and the Si substrate using an alternate adsorption method. The application of the Nb 6 O 17 colloid solution to the quartz glass substrate and the Si substrate was performed in the same procedure using the Nb 6 O 17 colloid solution adjusted to the same concentration as in Example 1, and thus the description thereof is omitted. As in Example 1, the obtained photocatalytic materials are referred to as (Nb 6 O 17 / PDDA) n / glass and (Nb 6 O 17 / PDDA) n / Si. Here, n indicates the number of repetitions of step 530 in FIG.

実施例1と同様に、試料として(Nb17/PDDA)/ガラスを用いて、Nb17ナノシートの光触媒性および光誘起親水化特性を評価した。光誘起親水化特性の結果を図9、表4および表5に示し詳述する。 As in Example 1, (Nb 6 O 17 / PDDA) 1 / glass was used as a sample, and the photocatalytic property and photoinduced hydrophilization property of the Nb 6 O 17 nanosheet were evaluated. The results of the photo-induced hydrophilization characteristics are shown in FIG. 9, Table 4 and Table 5 and will be described in detail.

最終的に得られた多層構造の光触媒薄膜を有する光触媒材料として、(Nb17/PDDA)10/Siの表面状態を原子間力顕微鏡(AFM)によって観察した。結果を図20および表6に示し後述する。 As a photocatalytic material having a multilayered photocatalytic thin film finally obtained, the surface state of (Nb 6 O 17 / PDDA) 10 / Si was observed with an atomic force microscope (AFM). The results are shown in FIG. 20 and Table 6 and will be described later.

基材310(図3)として石英ガラス基板およびSi基板上に、交互吸着法を用いて、TiNbOナノシートからなる光触媒薄膜320(図3)が付与された光触媒材料300(図3)を製造した。光触媒材料の製造に先立って、アルカリ金属がKであるKTiNbOのアルカリ金属含有層状化合物を合成した。 A photocatalytic material 300 (FIG. 3) provided with a photocatalytic thin film 320 (FIG. 3) made of TiNbO 5 nanosheets was manufactured on a quartz glass substrate and a Si substrate as a base material 310 (FIG. 3) by using an alternate adsorption method. . Prior to the production of the photocatalytic material, an alkali metal-containing layered compound of KTiNbO 5 whose alkali metal is K was synthesized.

CO(5.5839g、レアメタリック製、純度99.99%)と、TiO(6.1473g、レアメタリック製、純度99.99%)と、Nb(10.2281g、レアメタリック製、純度99.99%)とを混合し、原料混合物を得た(図7のステップS710)。KTiNbOの化学量論比よりもKCOをモル比で5%過剰に添加し、KCOとTiOとNbとのモル比は1.05:2:1であった。原料混合物は、アルミナ乳鉢を用いて60分間、粉砕・混合された。 K 2 CO 3 (5.5839 g, Rare Metallic, purity 99.99%), TiO 2 (6.1473 g, Rare Metallic, purity 99.99%), Nb 2 O 5 (10.2821 g, Rare) Metallic product, purity 99.99%) was mixed to obtain a raw material mixture (step S710 in FIG. 7). Than the stoichiometric ratio of KTiNbO 5 was added K 2 CO 3 5% excess at a molar ratio, the molar ratio of K 2 CO 3 and TiO 2 and Nb 2 O 5 is 1.05: 2: 1 met It was. The raw material mixture was pulverized and mixed for 60 minutes using an alumina mortar.

次いで、原料混合物を仮焼成した(図7のステップS720)。原料混合物を白金るつぼに移し、900℃に加熱した電気炉に入れ、1時間保持した。その後、白金るつぼを電気炉から取り出し、室温で急冷した。   Next, the raw material mixture was temporarily fired (step S720 in FIG. 7). The raw material mixture was transferred to a platinum crucible and placed in an electric furnace heated to 900 ° C. and held for 1 hour. Thereafter, the platinum crucible was removed from the electric furnace and rapidly cooled at room temperature.

室温にて約10分間除熱し、白金るつぼ中の試料をアルミナ乳鉢で粉砕・混合を行った。粉砕・混合された試料を再度白金るつぼに移し、1100℃に加熱した電気炉に入れ、20時間本焼成した(図7のステップS720)。その後、白金るつぼを電気炉から取り出し、室温で急冷し、アルカリ金属含有層状化合物110(図1)を得た。このようにして得られたアルカリ金属含有層状化合物110について粉末XRD測定を行い、KTiNbO単相であることを確認した。なお、本焼成において、1000℃および1150℃と変化させた場合、および、KTiNbOの化学量論比の原料混合物を用いた場合には、KTi13の不純物が生成した。このことからも、KTiNbO単相で得るためには、原料混合物中のKCOの蒸発を抑制すること、および、1050℃以上1150℃未満の温度範囲の本焼成が好ましいことが分かった。 Heat was removed for about 10 minutes at room temperature, and the sample in the platinum crucible was pulverized and mixed in an alumina mortar. The crushed and mixed sample was transferred again to the platinum crucible, placed in an electric furnace heated to 1100 ° C., and finally baked for 20 hours (step S720 in FIG. 7). Thereafter, the platinum crucible was taken out of the electric furnace and rapidly cooled at room temperature to obtain an alkali metal-containing layered compound 110 (FIG. 1). The alkali metal-containing layered compound 110 thus obtained was subjected to powder XRD measurement, and confirmed to be a KTiNbO 5 single phase. In the main firing, impurities of K 2 Ti 6 O 13 were generated when the temperature was changed to 1000 ° C. and 1150 ° C. and when a raw material mixture having a stoichiometric ratio of KTiNbO 5 was used. From this, it was found that in order to obtain a single phase of KTiNbO 5, it is preferable to suppress evaporation of K 2 CO 3 in the raw material mixture and to perform main firing in a temperature range of 1050 ° C. or higher and lower than 1150 ° C. .

次に、このようにして得られたアルカリ金属含有層状化合物KTiNbOを用いて、光触媒ナノシートTiNbOを合成した。 Next, using the alkali metal-containing layered compound KTiNbO 5 thus obtained, a photocatalyst nanosheet TiNbO 5 was synthesized.

アルカリ金属含有層状化合物KTiNbOを、実施例2と同様に酸水溶液として塩酸水溶液(12規定、和光純薬工業製、特級)を用いて酸処理し、水素イオン交換体を生成した(図4のステップS410)。 The alkali metal-containing layered compound KTiNbO 5 was acid-treated using an aqueous hydrochloric acid solution (12 N, manufactured by Wako Pure Chemical Industries, special grade) as an acid aqueous solution in the same manner as in Example 2 to produce a hydrogen ion exchanger (FIG. 4). Step S410).

次いで、水素イオン交換体0.4gと塩基性物質として水酸化テトラブチルアンモニウム水溶液(TBAOHaq.)100mL(和光純薬工業製、特級;濃度10%)とを反応させ、水素イオン交換体を剥離し、TiNbOナノシートからなるコロイド溶液を得た(図4のステップS420)。 Next, 0.4 g of hydrogen ion exchanger was reacted with 100 mL of tetrabutylammonium hydroxide aqueous solution (TBAOHaq.) As a basic substance (made by Wako Pure Chemical Industries, special grade; concentration 10%) to peel off the hydrogen ion exchanger. to obtain a colloidal solution comprising TiNbO 5 nanosheet (step S420 in FIG. 4).

具体的な反応は、TBAOHaq.中のTBAと水素イオン交換体中のHとのモル比が5:1となるように調整した。200mL三角フラスコに超純水77.3mLを入れ、次いで、TBAOHaq.22.7mLを加え、合計100mLの溶液を得た。この溶液に水素イオン交換体0.4gを加え、シェイカーで180rpm、10日間振盪させた。三角フラスコ中の溶液が乳白色の溶液となり、水素イオン交換体の剥離が完全に行われたことを確認した。このようにして、TiNbOナノシートからなるコロイド溶液(以降ではTiNbOコロイド溶液と呼ぶ)を得た。 The specific reaction is TBAOHaq. The molar ratio of TBA + in the hydrogen ion exchanger to H + in the hydrogen ion exchanger was adjusted to 5: 1. Into a 200 mL Erlenmeyer flask was placed 77.3 mL of ultrapure water, and then TBAOHaq. 22.7 mL was added to give a total of 100 mL of solution. To this solution, 0.4 g of a hydrogen ion exchanger was added and shaken with a shaker at 180 rpm for 10 days. It was confirmed that the solution in the Erlenmeyer flask became a milky white solution and the hydrogen ion exchanger was completely peeled off. In this way, (and later referred to as TiNbO 5 colloidal solution) colloidal solution consisting TiNbO 5 nanosheets was obtained.

交互吸着法を用いてTiNbOコロイド溶液を石英ガラス基板およびSi基板に付与した。TiNbOコロイド溶液の石英ガラス基板およびSi基板への付与は、実施例1と同じ濃度に調整したTiNbOコロイド溶液を用い、同様の手順によって行ったため、説明を省略する。実施例1と同様に、得られた光触媒材料を、(TiNbO/PDDA)/ガラス、および、(TiNbO/PDDA)/Siと称する。なお、ここで、nは図5のステップ530の繰返し回数を示す。 The TiNbO 5 colloidal solution was applied to the quartz glass substrate and the Si substrate using the alternate adsorption method. The application of the TiNbO 5 colloid solution to the quartz glass substrate and the Si substrate was carried out in the same procedure using the TiNbO 5 colloid solution adjusted to the same concentration as in Example 1, and thus the description thereof is omitted. As in Example 1, the obtained photocatalytic materials are referred to as (TiNbO 5 / PDDA) n / glass and (TiNbO 5 / PDDA) n / Si. Here, n indicates the number of repetitions of step 530 in FIG.

実施例1と同様に、試料として(TiNbO/PDDA)/ガラスを用いて、TiNbOナノシートの光触媒性および光誘起親水化特性を評価した。それぞれの結果を図8、図9および表2〜表5に示し詳述する。 In the same manner as in Example 1, (TiNbO 5 / PDDA) 1 / glass was used as a sample, and the photocatalytic property and photoinduced hydrophilization property of the TiNbO 5 nanosheet were evaluated. Each result is shown in FIG. 8, FIG. 9, and Table 2-Table 5, and is explained in full detail.

実施例1と同様に、交互吸着法による多層構造のUV−vis吸収スペクトル測定、(TiNbO/PDDA)10/SiのXRD測定、(TiNbO/PDDA)10/ガラスの光触媒性、および、(TiNbO/PDDA)10/SiのAFM測定により評価した。これらの結果を、図11、図14、図16、図21および表6に示し後述する。 As in Example 1, UV-vis absorption spectrum measurement of multilayer structure by alternating adsorption method, XRD measurement of (TiNbO 5 / PDDA) 10 / Si, (TiNbO 5 / PDDA) 10 / photocatalytic property of glass, and ( It was evaluated by AFM measurement of TiNbO 5 / PDDA) 10 / Si. These results are shown in FIG. 11, FIG. 14, FIG. 16, FIG.

基材310(図3)として石英ガラス基板およびSi基板上に、交互吸着法を用いて、TiNbOナノシートからなる光触媒薄膜320(図3)が付与された光触媒材料300(図3)を製造した。光触媒材料の製造に先立って、アルカリ金属がCsであるCsTiNbOのアルカリ金属含有層状化合物を合成した。 A photocatalytic material 300 (FIG. 3) provided with a photocatalytic thin film 320 (FIG. 3) made of a Ti 2 NbO 7 nanosheet on a quartz glass substrate and a Si substrate as a base material 310 (FIG. 3) using an alternate adsorption method. Manufactured. Prior to the production of the photocatalytic material, an alkali metal-containing layered compound of CsTi 2 NbO 7 in which the alkali metal is Cs was synthesized.

CsNO(9.8901g、レアメタリック製、純度99.99%)と、TiO(7.3694g、レアメタリック製、純度99.99%)と、Nb(6.1308g、レアメタリック製、純度99.99%)とを混合し、原料混合物を得た(図7のステップS710)。CsTiNbOの化学量論比よりもCsNOをモル比で10%過剰に添加し、CsNOとTiOとNbとのモル比は、2.2:4:1であった。原料混合物は、アルミナ乳鉢を用いて60分間、粉砕・混合された。 CsNO 3 (9.8901 g, manufactured by Rare Metallic, purity 99.99%), TiO 2 (7.3694 g, manufactured by Rare Metallic, purity 99.99%), and Nb 2 O 5 (6.1308 g, manufactured by Rare Metallic) , Purity 99.99%) to obtain a raw material mixture (step S710 in FIG. 7). CsNO 3 was added at a molar ratio of 10% in excess of the stoichiometric ratio of CsTi 2 NbO 7 , and the molar ratio of CsNO 3 , TiO 2 and Nb 2 O 5 was 2.2: 4: 1. . The raw material mixture was pulverized and mixed for 60 minutes using an alumina mortar.

次いで、原料混合物を所定の温度プログラムを用いて仮焼成した(図7のステップS720)。原料混合物を白金るつぼに移し、電気炉に入れた。所定の温度プログラムは、室温から400℃まで1時間で昇温し、400℃から750℃まで4時間で昇温し、750℃で30分間保持し、次いで、750℃から950℃まで1時間で昇温し、950℃で30分間焼成した。その後、白金るつぼを電気炉から取り出し、室温で急冷した。   Next, the raw material mixture was temporarily fired using a predetermined temperature program (step S720 in FIG. 7). The raw material mixture was transferred to a platinum crucible and placed in an electric furnace. The predetermined temperature program is to raise the temperature from room temperature to 400 ° C. in 1 hour, from 400 ° C. to 750 ° C. in 4 hours, hold at 750 ° C. for 30 minutes, and then from 750 ° C. to 950 ° C. in 1 hour. The temperature was raised and firing was performed at 950 ° C. for 30 minutes. Thereafter, the platinum crucible was removed from the electric furnace and rapidly cooled at room temperature.

室温にて約10分間除熱し、白金るつぼ中の試料をアルミナ乳鉢で粉砕・混合を行った。粉砕・混合された試料を再度白金るつぼに移し、1100℃に加熱した電気炉に入れ、20時間本焼成した(図7のステップS720)。その後、白金るつぼを電気炉から取り出し、室温で急冷し、アルカリ金属含有層状化合物110(図1)を得た。このようにして得られたアルカリ金属含有層状化合物110について粉末XRD測定を行い、CsTiNbO単相であることを確認した。なお、原料混合物を化学量論比で調整し、同様の温度条件にて焼成した場合には、不明な不純物が生成した。このことからも、CsTiNbO単相で得るためには、原料混合物中のCsNOの蒸発を抑制することが重要であることが分かった。 Heat was removed for about 10 minutes at room temperature, and the sample in the platinum crucible was pulverized and mixed in an alumina mortar. The crushed and mixed sample was transferred again to the platinum crucible, placed in an electric furnace heated to 1100 ° C., and finally baked for 20 hours (step S720 in FIG. 7). Thereafter, the platinum crucible was taken out of the electric furnace and rapidly cooled at room temperature to obtain an alkali metal-containing layered compound 110 (FIG. 1). The alkali metal-containing layered compound 110 thus obtained was subjected to powder XRD measurement and confirmed to be a CsTi 2 NbO 7 single phase. In addition, when the raw material mixture was adjusted by the stoichiometric ratio and fired under the same temperature condition, an unknown impurity was generated. This also indicates that it is important to suppress evaporation of CsNO 3 in the raw material mixture in order to obtain a single phase of CsTi 2 NbO 7 .

次に、このようにして得られたアルカリ金属含有層状化合物CsTiNbOを用いて、光触媒ナノシートTiNbOを合成した。 Next, a photocatalyst nanosheet Ti 2 NbO 7 was synthesized using the alkali metal-containing layered compound CsTi 2 NbO 7 thus obtained.

アルカリ金属含有層状化合物CsTiNbOを、実施例2と同様に酸水溶液として塩酸水溶液(12規定、和光純薬工業製、特級)を用いて酸処理し、水素イオン交換体を生成した(図4のステップS410)。 The alkali metal-containing layered compound CsTi 2 NbO 7 was acid-treated using an aqueous hydrochloric acid solution (12 N, Wako Pure Chemical Industries, Special Grade) as an aqueous acid solution in the same manner as in Example 2 to produce a hydrogen ion exchanger (FIG. 4 step S410).

次いで、水素イオン交換体0.4gと塩基性物質として水酸化テトラブチルアンモニウム水溶液(TBAOHaq.)100mL(和光純薬工業製、特級)とを反応させ、水素イオン交換体を剥離し、TiNbOナノシートからなるコロイド溶液を得た(図4のステップS420)。 Next, 0.4 g of hydrogen ion exchanger and 100 mL of tetrabutylammonium hydroxide aqueous solution (TBAOHaq.) As a basic substance (made by Wako Pure Chemical Industries, special grade) are reacted to peel off the hydrogen ion exchanger, and Ti 2 NbO A colloidal solution consisting of 7 nanosheets was obtained (step S420 in FIG. 4).

具体的な反応は、TBAOHaq.中のTBAと水素イオン交換体中のHとのモル比が5:1となるように調整した。200mL三角フラスコに超純水84.6mLを入れ、次いで、TBAOHaq.15.4mLを加え、合計100mLの溶液を得た。この溶液に水素イオン交換体0.4gを加え、シェイカーで180rpm、10日間振盪させた。三角フラスコ中の溶液が乳白色の溶液となり、水素イオン交換体の剥離が完全に行われたことを確認した。このようにして、TiNbOナノシートからなるコロイド溶液(以降ではTiNbOコロイド溶液と呼ぶ)を得た。 The specific reaction is TBAOHaq. The molar ratio of TBA + in the hydrogen ion exchanger to H + in the hydrogen ion exchanger was adjusted to 5: 1. Into a 200 mL Erlenmeyer flask was placed 84.6 mL of ultrapure water, and then TBAOHaq. 15.4 mL was added to give a total of 100 mL of solution. To this solution, 0.4 g of a hydrogen ion exchanger was added and shaken with a shaker at 180 rpm for 10 days. It was confirmed that the solution in the Erlenmeyer flask became a milky white solution and the hydrogen ion exchanger was completely peeled off. In this way, a colloidal solution composed of Ti 2 NbO 7 nanosheets (hereinafter referred to as Ti 2 NbO 7 colloidal solution) was obtained.

交互吸着法を用いてTiNbOコロイド溶液を石英ガラス基板およびSi基板に付与した。TiNbOコロイド溶液の石英ガラス基板への付与は、実施例1と同じ濃度に調整したTiNbOコロイド溶液を用い、同様の手順によって行ったため、説明を省略する。実施例1と同様に、得られた光触媒材料を、(TiNbO/PDDA)/ガラス、および、(TiNbO/PDDA)/Siと称する。なお、ここで、nは図5のステップ530の繰返し回数を示す。 A Ti 2 NbO 7 colloidal solution was applied to the quartz glass substrate and the Si substrate using an alternating adsorption method. The application of the Ti 2 NbO 7 colloidal solution to the quartz glass substrate was performed in the same procedure using the Ti 2 NbO 7 colloidal solution adjusted to the same concentration as in Example 1, and thus the description thereof is omitted. As in Example 1, the resulting photocatalytic materials are referred to as (Ti 2 NbO 7 / PDDA) n / glass and (Ti 2 NbO 7 / PDDA) n / Si. Here, n indicates the number of repetitions of step 530 in FIG.

実施例1と同様に、試料として(TiNbO/PDDA)/ガラスを用いて、TiNbOナノシートの光触媒性および光誘起親水化特性を評価した。それぞれの結果を図8、図9および表2〜表5に示し詳述する。 As in Example 1, (Ti 2 NbO 7 / PDDA) 1 / glass was used as a sample, and the photocatalytic property and photoinduced hydrophilization property of the Ti 2 NbO 7 nanosheet were evaluated. Each result is shown in FIG. 8, FIG. 9, and Table 2-Table 5, and is explained in full detail.

実施例1と同様に、交互吸着法による多層構造のUV−vis吸収スペクトル測定、(TiNbO/PDDA)10/SiのXRD測定、(TiNbO/PDDA)10/ガラスの光触媒性、および、(TiNbO/PDDA)10/SiのAFM測定を行った。これらの結果を、図12、図14、図17、図22および表6に示し後述する。 Similar to Example 1, UV-vis absorption spectrum measurement of multilayer structure by alternating adsorption method, XRD measurement of (Ti 2 NbO 7 / PDDA) 10 / Si, (Ti 2 NbO 7 / PDDA) 10 / photocatalytic property of glass AFM measurement of (Ti 2 NbO 7 / PDDA) 10 / Si was performed. These results are shown in FIGS. 12, 14, 17, 22 and Table 6 and will be described later.

基材310(図3)として石英ガラス基板およびSi基板上に、TiNbO14ナノシートからなる光触媒薄膜320(図3)が付与された光触媒材料300(図3)を製造した。光触媒材料の製造に先立って、アルカリ金属がKであるKTiNbO14のアルカリ金属含有層状化合物を合成した。 A photocatalytic material 300 (FIG. 3) provided with a photocatalytic thin film 320 (FIG. 3) made of a Ti 5 NbO 14 nanosheet on a quartz glass substrate and a Si substrate as a base material 310 (FIG. 3) was produced. Prior to the production of the photocatalytic material, an alkali metal-containing layered compound of K 3 Ti 5 NbO 14 in which the alkali metal is K was synthesized.

CO(6.1553g、レアメタリック製、純度99.99%)と、TiO(11.8586g、レアメタリック製、純度99.99%)と、Nb(3.9461g、レアメタリック製、純度99.99%)とを混合し、原料混合物を得た(図7のステップS710)。KTiNbO14の化学量論比を満たすよう、KCOとTiOとNbとのモル比は3:10:1であった。原料混合物は、アルミナ乳鉢を用いて60分間、粉砕・混合された。 K 2 CO 3 (6.1553 g, Rare Metallic, purity 99.99%), TiO 2 (11.586 g, Rare Metallic, purity 99.99%), Nb 2 O 5 (3.9461 g, Rare) Metallic product, purity 99.99%) was mixed to obtain a raw material mixture (step S710 in FIG. 7). The molar ratio of K 2 CO 3 , TiO 2 and Nb 2 O 5 was 3: 10: 1 so as to satisfy the stoichiometric ratio of K 3 Ti 5 NbO 14 . The raw material mixture was pulverized and mixed for 60 minutes using an alumina mortar.

次いで、原料混合物を仮焼成した(図7のステップS720)。原料混合物を白金るつぼに移し、900℃に加熱した電気炉に入れ、1時間保持した。その後、白金るつぼを電気炉から取り出し、室温で急冷した。   Next, the raw material mixture was temporarily fired (step S720 in FIG. 7). The raw material mixture was transferred to a platinum crucible and placed in an electric furnace heated to 900 ° C. and held for 1 hour. Thereafter, the platinum crucible was removed from the electric furnace and rapidly cooled at room temperature.

室温にて約10分間除熱し、白金るつぼ中の試料をアルミナ乳鉢で粉砕・混合を行った。粉砕・混合された試料を再度白金るつぼに移し、1000℃に加熱した電気炉に入れ、12時間本焼成した(図7のステップS720)。その後、白金るつぼを電気炉から取り出し、室温で急冷し、アルカリ金属含有層状化合物110(図1)を得た。このようにして得られたアルカリ金属含有層状化合物110について粉末XRD測定を行い、KTiNbO14単相であることを確認した。なお、本焼成において、800℃および900℃で焼成した場合、KTiの不純物が生成した。このことからも、KTiNbO14単相で得るためには、少なくとも950℃での本焼成が好ましいことが分かった。 Heat was removed for about 10 minutes at room temperature, and the sample in the platinum crucible was pulverized and mixed in an alumina mortar. The crushed and mixed sample was transferred again to the platinum crucible, placed in an electric furnace heated to 1000 ° C., and baked for 12 hours (step S720 in FIG. 7). Thereafter, the platinum crucible was taken out of the electric furnace and rapidly cooled at room temperature to obtain an alkali metal-containing layered compound 110 (FIG. 1). The alkali metal-containing layered compound 110 thus obtained was subjected to powder XRD measurement, and confirmed to be a K 3 Ti 5 NbO 14 single phase. In the main baking, when baking was performed at 800 ° C. and 900 ° C., an impurity of K 2 Ti 2 O 5 was generated. Also from this fact, it was found that in order to obtain a single phase of K 3 Ti 5 NbO 14 , firing at least at 950 ° C. is preferable.

次に、このようにして得られたアルカリ金属含有層状化合物KTiNbO14を用いて、光触媒ナノシートTiNbO14を合成した。 Next, using the alkali metal-containing layered compound K 3 Ti 5 NbO 14 thus obtained, a photocatalyst nanosheet Ti 5 NbO 14 was synthesized.

アルカリ金属含有層状化合物KTiNbO14を、実施例2と同様に酸水溶液として塩酸水溶液(12規定、和光純薬工業製、特級)を用いて酸処理し、水素イオン交換体を生成した(図4のステップS410)。 The alkali metal-containing layered compound K 3 Ti 5 NbO 14 was acid-treated using an aqueous hydrochloric acid solution (12 N, manufactured by Wako Pure Chemical Industries, special grade) as an aqueous acid solution in the same manner as in Example 2 to produce a hydrogen ion exchanger. (Step S410 in FIG. 4).

次いで、水素イオン交換体0.4gと塩基性物質として水酸化テトラブチルアンモニウム水溶液(TBAOHaq.)100mL(和光純薬工業製、特級)とを反応させ、水素イオン交換体を剥離し、TiNbO14ナノシートからなるコロイド溶液を得た(図4のステップS420)。 Next, 0.4 g of hydrogen ion exchanger and 100 mL of tetrabutylammonium hydroxide aqueous solution (TBAOHaq.) As a basic substance (made by Wako Pure Chemical Industries, special grade) are reacted to peel off the hydrogen ion exchanger, and Ti 5 NbO A colloidal solution consisting of 14 nanosheets was obtained (step S420 in FIG. 4).

具体的な反応は、TBAOHaq.中のTBAと水素イオン交換体中のHとのモル比が1:1となるように調整した。200mL三角フラスコに超純水94.6mLを入れ、次いで、TBAOHaq.5.4mLを加え、合計100mLの溶液を得た。この溶液に水素イオン交換体0.4gを加え、シェイカーで180rpm、10日間振盪させた。三角フラスコ中の溶液が乳白色の溶液となり、水素イオン交換体の剥離が完全に行われたことを確認した。このようにして、TiNbO14ナノシートからなるコロイド溶液(以降ではTiNbO14コロイド溶液と呼ぶ)を得た。 The specific reaction is TBAOHaq. The molar ratio of TBA + in the hydrogen ion exchanger to H + in the hydrogen ion exchanger was adjusted to 1: 1. Place 94.6 mL of ultrapure water in a 200 mL Erlenmeyer flask and then add TBAOHaq. 5.4 mL was added to give a total of 100 mL of solution. To this solution, 0.4 g of a hydrogen ion exchanger was added and shaken with a shaker at 180 rpm for 10 days. It was confirmed that the solution in the Erlenmeyer flask became a milky white solution and the hydrogen ion exchanger was completely peeled off. In this way, a colloidal solution composed of Ti 5 NbO 14 nanosheets (hereinafter referred to as Ti 5 NbO 14 colloidal solution) was obtained.

交互吸着法を用いてTiNbO14コロイド溶液を石英ガラス基板およびSi基板に付与した。TiNbO14コロイド溶液の石英ガラス基板およびSi基板への付与は、実施例1と同じ濃度に調整したTiNbO14コロイド溶液を用い、同様の手順によって行ったため、説明を省略する。実施例1と同様に、得られた光触媒材料を、(TiNbO14/PDDA)/ガラス、および、(TiNbO14/PDDA)/Siと称する。なお、ここで、nは図5のステップ530の繰返し回数を示す。 The Ti 5 NbO 14 colloidal solution was applied to the quartz glass substrate and the Si substrate using an alternating adsorption method. The application of the Ti 5 NbO 14 colloid solution to the quartz glass substrate and the Si substrate was carried out by the same procedure using the Ti 5 NbO 14 colloid solution adjusted to the same concentration as in Example 1, and thus the description thereof is omitted. As in Example 1, the obtained photocatalytic materials are referred to as (Ti 5 NbO 14 / PDDA) n / glass and (Ti 5 NbO 14 / PDDA) n / Si. Here, n indicates the number of repetitions of step 530 in FIG.

実施例1と同様に、試料として(TiNbO14/PDDA)/ガラスを用いて、TiNbO14ナノシートの光触媒性および光誘起親水化特性を評価した。それぞれの結果を図8、図9および表2〜表5に示し詳述する。 As in Example 1, (Ti 5 NbO 14 / PDDA) 1 / glass was used as a sample, and the photocatalytic property and photoinduced hydrophilization property of the Ti 5 NbO 14 nanosheet were evaluated. Each result is shown in FIG. 8, FIG. 9, and Table 2-Table 5, and is explained in full detail.

実施例1と同様に、交互吸着法による多層構造のUV−vis吸収スペクトル測定、(TiNbO14/PDDA)10/SiのXRD測定、(TiNbO14/PDDA)10/ガラスの光触媒性評価、および、(TiNbO14/PDDA)10/SiのAFM測定を行った。これらの結果を、図13、図14、図18、図23および表6に示し後述する。 Similar to Example 1, UV-vis absorption spectrum measurement of multilayer structure by alternating adsorption method, XRD measurement of (Ti 5 NbO 14 / PDDA) 10 / Si, (Ti 5 NbO 14 / PDDA) 10 / photocatalytic property of glass Evaluation and AFM measurement of (Ti 5 NbO 14 / PDDA) 10 / Si were performed. These results are shown in FIG. 13, FIG. 14, FIG. 18, FIG. 23 and Table 6 and will be described later.

基材310(図3)として石英ガラス基板上に、交互吸着法を用いて、CaNb10ナノシートからなる光触媒薄膜320(図3)が付与された光触媒材料300(図3)を製造した。光触媒材料の製造に先立って、アルカリ金属がKであるKCaNb10のアルカリ金属含有層状化合物を合成した。 A photocatalytic material 300 (FIG. 3) provided with a photocatalytic thin film 320 (FIG. 3) made of a Ca 2 Nb 3 O 10 nanosheet is manufactured on a quartz glass substrate as a base material 310 (FIG. 3) by using an alternate adsorption method. did. Prior to the production of the photocatalytic material, an alkali metal-containing layered compound of KCa 2 Nb 3 O 10 in which the alkali metal is K was synthesized.

CO(2.7246g、レアメタリック製、純度99.99%)と、CaCO(7.1751g、レアメタリック製、純度99.99%)と、Nb(14.2917g、レアメタリック製、純度99.99%)とを混合し、原料混合物を得た(図7のステップS710)。KCaNb10の化学量論比よりもKCOをモル比で10%過剰に添加し、KCOとCaCOとNbとのモル比は1.1:4:3であった。原料混合物は、アルミナ乳鉢を用いて60分間、粉砕・混合された。 K 2 CO 3 (2.7246 g, manufactured by Rare Metallic, purity 99.99%), CaCO 3 (7.1751 g, manufactured by Rare Metallic, purity 99.99%), Nb 2 O 5 (14.2919 g, Rare) Metallic product, purity 99.99%) was mixed to obtain a raw material mixture (step S710 in FIG. 7). KCa 2 Nb 3 O 10 and K 2 CO 3 than the stoichiometric ratio is added 10% excess at a molar ratio of, K 2 CO 3 and CaCO 3 and Nb 2 O 5 molar ratio of 1.1: 4 : 3. The raw material mixture was pulverized and mixed for 60 minutes using an alumina mortar.

次いで、原料混合物を焼成した(図7のステップS720)。原料混合物を白金るつぼに移し、電気炉に入れた。室温から900℃まで3時間で昇温し、900℃で1時間保持した。次いで、900℃から1200℃まで3時間で昇温し、1200℃で12時間焼成した。その後、1200℃から800℃まで3時間で降温し、白金るつぼを電気炉から取り出し、アルカリ金属含有層状化合物110(図1)を得た。このようにして得られたアルカリ金属含有層状化合物110について粉末XRD測定を行い、KCaNb10単相であることを確認した。なお、原料混合物をKCaNb10のモル比で調整した場合、KCOの蒸発により不純物が生成した。このことからも、KCaNb10単相で得るためには、原料混合物中のKCOの蒸発を抑制することが重要であることが分かった。 Next, the raw material mixture was baked (step S720 in FIG. 7). The raw material mixture was transferred to a platinum crucible and placed in an electric furnace. The temperature was raised from room temperature to 900 ° C. over 3 hours and held at 900 ° C. for 1 hour. Next, the temperature was raised from 900 ° C. to 1200 ° C. over 3 hours, and calcined at 1200 ° C. for 12 hours. Thereafter, the temperature was lowered from 1200 ° C. to 800 ° C. in 3 hours, and the platinum crucible was taken out of the electric furnace to obtain an alkali metal-containing layered compound 110 (FIG. 1). Powder XRD measurement was performed on the alkali metal-containing layered compound 110 thus obtained, and it was confirmed that it was a KCa 2 Nb 3 O 10 single phase. In addition, when the raw material mixture was adjusted with the molar ratio of KCa 2 Nb 3 O 10 , impurities were generated by evaporation of K 2 CO 3 . This also indicates that it is important to suppress evaporation of K 2 CO 3 in the raw material mixture in order to obtain KCa 2 Nb 3 O 10 single phase.

次に、このようにして得られたアルカリ金属含有層状化合物KCaNb10を用いて、光触媒ナノシートCaNb10を合成した。 Next, a photocatalyst nanosheet Ca 2 Nb 3 O 10 was synthesized using the alkali metal-containing layered compound KCa 2 Nb 3 O 10 thus obtained.

アルカリ金属含有層状化合物KCaNb10を、酸水溶液として硝酸水溶液(13.5規定、和光純薬工業製、特級)を用いて酸処理し、水素イオン交換体を生成した(図4のステップS410)。なお、硝酸水溶液を、超純水(>18MΩcm)を用いて5規定となるように調製した。 The alkali metal-containing layered compound KCa 2 Nb 3 O 10 was acid-treated using an aqueous nitric acid solution (13.5 N, manufactured by Wako Pure Chemical Industries, special grade) as an aqueous acid solution to produce a hydrogen ion exchanger (FIG. 4). Step S410). An aqueous nitric acid solution was prepared using ultrapure water (> 18 MΩcm) so as to be 5N.

具体的な反応は、KCaNb10(5g)と硝酸水溶液(200mL)とを500mLビーカ中でスターラを用いて攪拌し、72時間反応させた。反応終了後、生成物を超純水でろ過し、空気中で風乾させ、水素イオン交換体を得た。 Specifically, KCa 2 Nb 3 O 10 (5 g) and nitric acid aqueous solution (200 mL) were stirred using a stirrer in a 500 mL beaker and reacted for 72 hours. After completion of the reaction, the product was filtered with ultrapure water and air-dried in air to obtain a hydrogen ion exchanger.

次いで、水素イオン交換体0.4gと塩基性物質として水酸化テトラブチルアンモニウム水溶液(TBAOHaq.)100mL(和光純薬工業製、特級)とを反応させ、水素イオン交換体を剥離し、CaNb10ナノシートからなるコロイド溶液を得た(図4のステップS420)。 Next, 0.4 g of a hydrogen ion exchanger and 100 mL of a tetrabutylammonium hydroxide aqueous solution (TBAOHaq.) As a basic substance (made by Wako Pure Chemical Industries, special grade) are reacted to peel off the hydrogen ion exchanger, and Ca 2 Nb. A colloidal solution consisting of 3 O 10 nanosheets was obtained (step S420 in FIG. 4).

具体的な反応は、TBAOHaq.中のTBAと水素イオン交換体中のHとのモル比が2:1となるように調整した。200mL三角フラスコに超純水96.2mLを入れ、次いで、TBAOHaq.3.8mLを加え、合計100mLの溶液を得た。この溶液に水素イオン交換体0.4gを加え、シェイカーで180rpm、4日間振盪させた。三角フラスコ中の溶液が乳白色の溶液となり、水素イオン交換体の剥離が完全に行われたことを確認した。このようにしてCaNb10ナノシートからなるコロイド溶液(以降ではCaNb10コロイド溶液と呼ぶ)を得た。 The specific reaction is TBAOHaq. The molar ratio of TBA + in the hydrogen ion exchanger to H + in the hydrogen ion exchanger was adjusted to 2: 1. Place 96.2 mL of ultrapure water in a 200 mL Erlenmeyer flask and then add TBAOHaq. 3.8 mL was added to give a total of 100 mL of solution. To this solution, 0.4 g of a hydrogen ion exchanger was added and shaken with a shaker at 180 rpm for 4 days. It was confirmed that the solution in the Erlenmeyer flask became a milky white solution and the hydrogen ion exchanger was completely peeled off. In this way, a colloidal solution composed of Ca 2 Nb 3 O 10 nanosheets (hereinafter referred to as Ca 2 Nb 3 O 10 colloidal solution) was obtained.

交互吸着法を用いてCaNb10コロイド溶液を石英ガラス基板に付与した。実施例1と同様に、石英ガラス基板を親水化処理した。 A Ca 2 Nb 3 O 10 colloidal solution was applied to a quartz glass substrate using an alternating adsorption method. As in Example 1, the quartz glass substrate was hydrophilized.

親水化処理した石英ガラス基板にカチオン性ポリマーとしてポリエチレンイミン(PEI)を付与した(図5のステップS510)。具体的には、PEI水溶液の濃度およびpHを、それぞれ、2.5gL−1、および、9に調整した。pHの調整には、塩酸溶液を用いた。 Polyethyleneimine (PEI) was applied as a cationic polymer to the hydrophilized quartz glass substrate (step S510 in FIG. 5). Specifically, the concentration and pH of the PEI aqueous solution were adjusted to 2.5 gL −1 and 9, respectively. A hydrochloric acid solution was used to adjust the pH.

このように調製されたPEI水溶液に、親水化処理された石英ガラス基板を20分間浸漬させた。その後、石英ガラス基板を超純水で洗浄し、窒素ガスフローし、表面を乾燥させた。   The hydrophobized quartz glass substrate was immersed in the PEI aqueous solution thus prepared for 20 minutes. Thereafter, the quartz glass substrate was washed with ultrapure water, nitrogen gas flow was performed, and the surface was dried.

次いで、PEIが付与された石英ガラス基板にCaNb10コロイド溶液を付与した(図5のステップS520)。CaNb10コロイド溶液は、1500rpmで10分間遠心分離し、未剥離物質を除去した後、濃度0.4gL−1およびpH9に調整された。ここでもpHの調整には塩酸溶液を用いた。付与は、CaNb10コロイド溶液に、PEIが付与された石英ガラス基板を20分間浸漬させた。その後、石英ガラス基板を超純水で洗浄し、窒素ガスフローし、表面を乾燥させた。実施例6では、実施例1とは異なり、図5のステップS530を行わず、単層構造の光触媒薄膜を形成し、終了した。 Next, a Ca 2 Nb 3 O 10 colloid solution was applied to the quartz glass substrate to which PEI was applied (Step S520 in FIG. 5). The Ca 2 Nb 3 O 10 colloid solution was centrifuged at 1500 rpm for 10 minutes to remove unexfoliated material, and then adjusted to a concentration of 0.4 gL −1 and pH 9. Again, a hydrochloric acid solution was used to adjust the pH. For application, a quartz glass substrate provided with PEI was immersed in a colloidal solution of Ca 2 Nb 3 O 10 for 20 minutes. Thereafter, the quartz glass substrate was washed with ultrapure water, nitrogen gas flow was performed, and the surface was dried. In Example 6, unlike Example 1, Step S530 in FIG. 5 was not performed, and a photocatalytic thin film having a single-layer structure was formed, and the process was completed.

実施例1と同様に、試料として(CaNb10/PDDA)/ガラスを用いてCaNb10ナノシートの光触媒性および光誘起親水化特性の評価、ならびに、AFM観察をした。光誘起親水化特性およびAFM観察の結果を図9および表4〜表6に示し詳述する。 As in Example 1, (Ca 2 Nb 3 O 10 / PDDA) 1 / glass was used as a sample to evaluate the photocatalytic properties and photo-induced hydrophilization properties of Ca 2 Nb 3 O 10 nanosheets and to perform AFM observation. . The photoinduced hydrophilization characteristics and the results of AFM observation are shown in FIG. 9 and Tables 4 to 6 and will be described in detail.

基材310(図3)として石英ガラス基板上に、交互吸着法を用いて、LaNbナノシートからなる光触媒薄膜320(図3)が付与された光触媒材料300(図3)を製造した。光触媒材料の製造に先立って、アルカリ金属がKであるKLaNbのアルカリ金属含有層状化合物を合成した。 A photocatalyst material 300 (FIG. 3) provided with a photocatalytic thin film 320 (FIG. 3) made of a LaNb 2 O 7 nanosheet was manufactured on a quartz glass substrate as a base material 310 (FIG. 3) using an alternate adsorption method. Prior to the production of the photocatalytic material, an alkali metal-containing layered compound of KLaNb 2 O 7 in which the alkali metal is K was synthesized.

CO(3.3403g、レアメタリック製、純度99.99%)と、La(6.8474g、レアメタリック製、純度99.99%)と、Nb(11.1728g、レアメタリック製、純度99.99%)とを混合し、原料混合物を得た(図7のステップS710)。KLaNbの化学量論比よりもKCOをモル比で15%過剰に添加し、KCOとLaとNbとのモル比は1.15:2:1であった。原料混合物は、アルミナ乳鉢を用いて60分間、粉砕・混合された。 K 2 CO 3 (3.3403 g, manufactured by Rare Metallic, purity 99.99%), La 2 O 3 (6.8474 g, manufactured by Rare Metallic, purity 99.99%), and Nb 2 O 5 (1.1728 g) , Manufactured by Rare Metallic, purity 99.99%) to obtain a raw material mixture (step S710 in FIG. 7). K 2 CO 3 was added in a molar ratio of 15% in excess of the stoichiometric ratio of KLaNb 2 O 7 , and the molar ratio of K 2 CO 3 , La 2 O 3 and Nb 2 O 5 was 1.15: 2 : 1. The raw material mixture was pulverized and mixed for 60 minutes using an alumina mortar.

次いで、原料混合物を焼成した(図7のステップS720)。原料混合物を白金るつぼに移し、電気炉に入れた。室温から1150℃まで3時間で昇温し、1150℃で1時間保持した。その後、1150℃から室温まで降温し、白金るつぼを電気炉から取り出し、アルカリ金属含有層状化合物110(図1)を得た。このようにして得られたアルカリ金属含有層状化合物110について粉末XRD測定を行い、KLaNb単相であることを確認した。なお、原料混合物をKLaNbの化学量論比で調整した場合、KCOの蒸発により不純物が生成した。このことからも、KLaNb単相で得るためには、原料混合物中のKCOの蒸発を抑制することが重要であることが分かった。 Next, the raw material mixture was baked (step S720 in FIG. 7). The raw material mixture was transferred to a platinum crucible and placed in an electric furnace. The temperature was raised from room temperature to 1150 ° C. over 3 hours and held at 1150 ° C. for 1 hour. Thereafter, the temperature was lowered from 1150 ° C. to room temperature, and the platinum crucible was taken out of the electric furnace to obtain an alkali metal-containing layered compound 110 (FIG. 1). The alkali metal-containing layered compound 110 thus obtained was subjected to powder XRD measurement, and confirmed to be a KLaNb 2 O 7 single phase. In addition, when the raw material mixture was adjusted by the stoichiometric ratio of KLaNb 2 O 7 , impurities were generated by evaporation of K 2 CO 3 . This also indicates that it is important to suppress evaporation of K 2 CO 3 in the raw material mixture in order to obtain a single phase of KLaNb 2 O 7 .

次に、このようにして得られたアルカリ金属含有層状化合物KLaNbを用いて、光触媒ナノシートLaNbを合成した。 Next, a photocatalyst nanosheet LaNb 2 O 7 was synthesized using the alkali metal-containing layered compound KLaNb 2 O 7 thus obtained.

アルカリ金属含有層状化合物KLaNbを、実施例2と同様に酸水溶液として塩酸水溶液(12規定、和光純薬工業製、特級)を用いて酸処理し、水素イオン交換体を生成した(図4のステップS410)。 The alkali metal-containing layered compound KLaNb 2 O 7 was acid-treated using an aqueous hydrochloric acid solution (12 N, manufactured by Wako Pure Chemical Industries, special grade) as an acid aqueous solution in the same manner as in Example 2 to produce a hydrogen ion exchanger (FIG. 4 step S410).

次いで、水素イオン交換体0.4gと塩基性物質として水酸化テトラブチルアンモニウム水溶液(TBAOHaq.)100mL(和光純薬工業製、特級)とを反応させ、水素イオン交換体を剥離し、LaNbナノシートからなるコロイド溶液を得た(図4のステップS420)。 Next, 0.4 g of a hydrogen ion exchanger and 100 mL of a tetrabutylammonium hydroxide aqueous solution (TBAOHaq.) (Basic grade, manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) as a basic substance are reacted to release the hydrogen ion exchanger, and LaNb 2 O A colloidal solution consisting of 7 nanosheets was obtained (step S420 in FIG. 4).

具体的な反応は、TBAOHaq.中のTBAと水素イオン交換体中のHとのモル比が5:1となるように調整した。200mL三角フラスコに超純水88.5mLを入れ、次いで、10%TBAOHaq.11.5mLを加え、合計100mLの溶液を得た。この溶液に水素イオン交換体0.4gを加え、シェイカーで180rpm、10日間振盪させた。三角フラスコ中の溶液が乳白色の溶液となり、水素イオン交換体の剥離が完全に行われたことを確認した。このようにして、LaNbナノシートからなるコロイド溶液(以降ではLaNbコロイド溶液と呼ぶ)を得た。 The specific reaction is TBAOHaq. The molar ratio of TBA + in the hydrogen ion exchanger to H + in the hydrogen ion exchanger was adjusted to 5: 1. Into a 200 mL Erlenmeyer flask was placed 88.5 mL of ultrapure water, then 10% TBAOH aq. 11.5 mL was added to give a total of 100 mL of solution. To this solution, 0.4 g of a hydrogen ion exchanger was added and shaken with a shaker at 180 rpm for 10 days. It was confirmed that the solution in the Erlenmeyer flask became a milky white solution and the hydrogen ion exchanger was completely peeled off. In this way, a colloid solution composed of LaNb 2 O 7 nanosheets (hereinafter referred to as LaNb 2 O 7 colloid solution) was obtained.

交互吸着法を用いてLaNbコロイド溶液を石英ガラス基板に付与した。LaNbコロイド溶液の石英ガラス基板への付与は、実施例1と同じ濃度に調整したLaNbコロイド溶液を用い、図5のステップS530を繰返し行わない以外は同様であるため、説明を省略する。 A LaNb 2 O 7 colloidal solution was applied to a quartz glass substrate using an alternating adsorption method. The application of the LaNb 2 O 7 colloid solution to the quartz glass substrate is the same except that the LaNb 2 O 7 colloid solution adjusted to the same concentration as in Example 1 is used and step S530 in FIG. 5 is not repeated. Is omitted.

実施例1と同様に、試料として(LaNb/PDDA)/ガラスを用いてLaNbナノシートの光触媒性および光誘起親水化特性の評価、ならびに、AFM観察をした。光誘起親水化特性およびAFM観察の結果を図9および表4〜表6に示し詳述する。 As in Example 1, (LaNb 2 O 7 / PDDA) 1 / glass was used as a sample to evaluate the photocatalytic properties and photoinduced hydrophilization properties of the LaNb 2 O 7 nanosheets and to perform AFM observation. The photoinduced hydrophilization characteristics and the results of AFM observation are shown in FIG. 9 and Tables 4 to 6 and will be described in detail.

基材310(図3)としてシリコン(Si)基板上に、LB法を用いて、Nbナノシートからなる単層構造の光触媒薄膜320(図3)が付与された光触媒材料300(図3)を製造した。 A photocatalytic material 300 (FIG. 3) provided with a single-layer photocatalytic thin film 320 (FIG. 3) made of Nb 3 O 8 nanosheets on a silicon (Si) substrate as a base material 310 (FIG. 3) using the LB method. ) Was manufactured.

実施例1で作製したNbコロイド溶液を濃度16mgL−1になるように調製し、トラフに展開した。実施例1と同様に親水化処理したSi基板をトラフに浸漬させ、30分間静置し、気−水界面を安定化し、下層液の温度を一定(25℃)にした(図6のステップS610)。 The Nb 3 O 8 colloidal solution prepared in Example 1 was prepared so as to have a concentration of 16 mg L −1 and developed on a trough. The Si substrate hydrophilized as in Example 1 was immersed in a trough and allowed to stand for 30 minutes to stabilize the air-water interface, and the temperature of the lower layer liquid was kept constant (25 ° C.) (step S610 in FIG. 6). ).

気−水界面上に吸着したNbナノシートを、圧縮速度0.5mmsec−1で圧縮し、気−水界面上にNbナノシートからなる単層構造の光触媒薄膜320を形成した。次いで、表面圧力を12mNm−1に維持し、30分間静置し、光触媒薄膜320を安定化させた。その後、Si基板を、表面圧力を維持しつつ、速度1mmsec−1で垂直に引き上げた(図6のステップS620)。 The Nb 3 O 8 nanosheet adsorbed on the air-water interface was compressed at a compression rate of 0.5 mmsec −1 to form a single-layer photocatalytic thin film 320 composed of the Nb 3 O 8 nanosheet on the air-water interface. Next, the surface pressure was maintained at 12 mNm −1 and left to stand for 30 minutes to stabilize the photocatalytic thin film 320. Thereafter, the Si substrate was pulled vertically at a speed of 1 mmsec −1 while maintaining the surface pressure (step S620 in FIG. 6).

このようにして得られた光触媒材料Nb/Siの表面状態をAFMによって観察した。結果を図24に示し、後述する。 The surface state of the photocatalyst material Nb 3 O 8 / Si thus obtained was observed by AFM. The results are shown in FIG. 24 and will be described later.

基材310(図3)としてシリコン(Si)基板上に、LB法を用いて、TiNbOナノシートからなる単層構造の光触媒薄膜320(図3)が付与された光触媒材料300(図3)を製造した。 A photocatalytic material 300 (FIG. 3) provided with a single layer photocatalytic thin film 320 (FIG. 3) made of TiNbO 5 nanosheets on a silicon (Si) substrate as a base material 310 (FIG. 3) using the LB method. Manufactured.

実施例3で作製したTiNbOコロイド溶液を濃度16mgL−1になるように調製し、トラフに展開した。表面圧力を15mNm−1とした以外は、実施例8と同様の手順により光触媒材料を得た。 The TiNbO 5 colloidal solution prepared in Example 3 was prepared to a concentration of 16 mg L −1 and developed on a trough. A photocatalytic material was obtained by the same procedure as in Example 8 except that the surface pressure was 15 mNm- 1 .

このようにして得られた光触媒材料TiNbO/Siの表面状態をAFMによって観察した。結果を図25に示し、後述する。 The surface state of the photocatalytic material TiNbO 5 / Si thus obtained was observed by AFM. The results are shown in FIG. 25 and will be described later.

基材310(図3)としてシリコン(Si)基板上に、LB法を用いて、TiNbOナノシートからなる単層構造の光触媒薄膜320(図3)が付与された光触媒材料300(図3)を製造した。 A photocatalytic material 300 (FIG. 3) provided with a single-layered photocatalytic thin film 320 (FIG. 3) made of a Ti 2 NbO 7 nanosheet on a silicon (Si) substrate as a base material 310 (FIG. 3) using the LB method. ) Was manufactured.

実施例4で作製したTiNbOコロイド溶液を濃度16mgL−1になるように調製し、トラフに展開した。表面圧力を15mNm−1とした以外は、実施例8と同様の手順により光触媒材料を得た。 The Ti 2 NbO 7 colloidal solution prepared in Example 4 was prepared to a concentration of 16 mg L −1 and developed on a trough. A photocatalytic material was obtained by the same procedure as in Example 8 except that the surface pressure was 15 mNm- 1 .

このようにして得られた光触媒材料TiNbO/Siの表面状態をAFMによって観察した。結果を図26に示し、後述する。 The surface state of the photocatalyst material Ti 2 NbO 7 / Si thus obtained was observed by AFM. The results are shown in FIG. 26 and will be described later.

基材310(図3)としてシリコン(Si)基板上に、LB法を用いて、TiNbO14ナノシートからなる単層構造の光触媒薄膜320(図3)が付与された光触媒材料300(図3)を製造した。 A photocatalyst material 300 (FIG. 3) provided with a single layer structure photocatalytic thin film 320 (FIG. 3) made of Ti 5 NbO 14 nanosheets on a silicon (Si) substrate as a base material 310 (FIG. 3) using the LB method. ) Was manufactured.

実施例5で作製したTiNbO14コロイド溶液を濃度16mgL−1になるように調製し、トラフに展開した。表面圧力を17mNm−1とした以外は、実施例8と同様の手順により光触媒材料を得た。 The Ti 5 NbO 14 colloidal solution prepared in Example 5 was prepared so as to have a concentration of 16 mg L −1 and developed on a trough. A photocatalytic material was obtained by the same procedure as in Example 8 except that the surface pressure was 17 mNm- 1 .

このようにして得られた光触媒材料TiNbO14/Siの表面状態をAFMによって観察した。結果を図27に示し、後述する。 The surface state of the photocatalytic material Ti 5 NbO 14 / Si thus obtained was observed by AFM. The results are shown in FIG. 27 and will be described later.

基材310(図3)としてシリコン(Si)基板上に、LB法を用いて、CaNb10ナノシートからなる単層構造の光触媒薄膜320(図3)が付与された光触媒材料300(図3)を製造した。 A photocatalytic material 300 (FIG. 3) provided with a single-layer photocatalytic thin film 320 (FIG. 3) made of Ca 2 Nb 3 O 10 nanosheets on a silicon (Si) substrate as a base material 310 (FIG. 3) using an LB method. FIG. 3) was produced.

実施例6で作製したCaNb10コロイド溶液を濃度32mgL−1になるように調製し、トラフに展開した。表面圧力を8.5mNm−1とした以外は、実施例8と同様の手順により光触媒材料を得た。 The Ca 2 Nb 3 O 10 colloidal solution prepared in Example 6 was prepared to a concentration of 32 mg L −1 and developed on a trough. A photocatalytic material was obtained by the same procedure as in Example 8, except that the surface pressure was 8.5 mNm- 1 .

このようにして得られた光触媒材料CaNb10/Siの表面状態をAFMによって観察した。結果を図28に示し、後述する。 The surface state of the photocatalyst material Ca 2 Nb 3 O 10 / Si thus obtained was observed by AFM. The results are shown in FIG. 28 and will be described later.

基材310(図3)としてシリコン(Si)基板上に、滴下法を用いて、Nbナノシートからなる光触媒薄膜320(図3)が付与された光触媒材料300(図3)を製造した。 A photocatalyst material 300 (FIG. 3) provided with a photocatalytic thin film 320 (FIG. 3) made of Nb 3 O 8 nanosheets was manufactured on a silicon (Si) substrate as a base material 310 (FIG. 3) using a dropping method. .

実施例1で作製したNbコロイド溶液を濃度0.2gL−1になるように調製した。Si基板表面を、アセトンを含ませたベムコットンで洗浄した。Si基板表面に、パスツールピペットにより濃度調整されたNbコロイド溶液を1滴滴下した後、5〜7時間風乾し、水分を蒸発させた。 The Nb 3 O 8 colloidal solution prepared in Example 1 was prepared to a concentration of 0.2 gL −1 . The surface of the Si substrate was washed with bem cotton containing acetone. One drop of Nb 3 O 8 colloidal solution whose concentration was adjusted by a Pasteur pipette was dropped on the Si substrate surface, and then air-dried for 5 to 7 hours to evaporate water.

このようにして得られた光触媒材料Nb/Siの表面状態をAFMによって観察した。結果を図29に示し、後述する。 The surface state of the photocatalyst material Nb 3 O 8 / Si thus obtained was observed by AFM. The results are shown in FIG. 29 and will be described later.

基材310(図3)としてシリコン(Si)基板上に、滴下法を用いて、TiNbOナノシートからなる光触媒薄膜320(図3)が付与された光触媒材料300(図3)を製造した。 A photocatalytic material 300 (FIG. 3) provided with a photocatalytic thin film 320 (FIG. 3) made of a TiNbO 5 nanosheet was produced on a silicon (Si) substrate as a base material 310 (FIG. 3) by a dropping method.

実施例3で作製したTiNbOコロイド溶液を濃度16mgL−1になるように調製した。実施例1と同様に親水化処理したSi基板表面に、実施例13と同様に、パスツールピペットにより濃度調整されたTiNbOコロイド溶液を1滴滴下した後、5〜7時間風乾し、水分を蒸発させた。 The TiNbO 5 colloidal solution prepared in Example 3 was prepared to a concentration of 16 mgL- 1 . As in Example 13, a drop of TiNbO 5 colloidal solution adjusted in concentration by a Pasteur pipette was dropped on the Si substrate surface that had been hydrophilized in the same manner as in Example 1, and then air-dried for 5 to 7 hours to remove moisture. Evaporated.

このようにして得られた光触媒材料TiNbO/Siの表面状態をAFMによって観察した。結果を図30に示し、後述する。 The surface state of the photocatalytic material TiNbO 5 / Si thus obtained was observed by AFM. The results are shown in FIG. 30 and will be described later.

基材310(図3)としてシリコン(Si)基板上に、滴下法を用いて、TiNbOナノシートからなる光触媒薄膜320(図3)が付与された光触媒材料300(図3)を製造した。 A photocatalyst material 300 (FIG. 3) provided with a photocatalytic thin film 320 (FIG. 3) made of a Ti 2 NbO 7 nanosheet was produced on a silicon (Si) substrate as a base material 310 (FIG. 3) using a dropping method. .

実施例4で作製したTiNbOコロイド溶液を濃度50mgL−1になるように調製した。実施例1と同様に親水化処理したSi基板表面に、実施例13と同様に、パスツールピペットにより濃度調整されたTiNbOコロイド溶液を1滴滴下した後、5〜7時間風乾し、水分を蒸発させた。 The Ti 2 NbO 7 colloidal solution prepared in Example 4 was prepared to a concentration of 50 mgL −1 . A drop of Ti 2 NbO 7 colloidal solution whose concentration was adjusted with a Pasteur pipette was dropped on the Si substrate surface that had been hydrophilized in the same manner as in Example 1 and then air-dried for 5 to 7 hours. Water was evaporated.

このようにして得られた光触媒材料TiNbO/Siの表面状態をAFMによって観察した。結果を図31に示し、後述する。 The surface state of the photocatalyst material Ti 2 NbO 7 / Si thus obtained was observed by AFM. The results are shown in FIG. 31 and will be described later.

基材310(図3)としてシリコン(Si)基板上に、滴下法を用いて、TiNbO14ナノシートからなる光触媒薄膜320(図3)が付与された光触媒材料300(図3)を製造した。 A photocatalytic material 300 (FIG. 3) provided with a photocatalytic thin film 320 (FIG. 3) made of a Ti 5 NbO 14 nanosheet was manufactured on a silicon (Si) substrate as a base material 310 (FIG. 3) using a dropping method. .

実施例5で作製したTiNbO14コロイド溶液を濃度16mgL−1になるように調製した。実施例1と同様に親水化処理したSi基板表面に、実施例13と同様に、パスツールピペットにより濃度調整されたTiNbO14コロイド溶液を1滴滴下した後、5〜7時間風乾し、水分を蒸発させた。 The Ti 5 NbO 14 colloidal solution prepared in Example 5 was prepared to a concentration of 16 mg L −1 . A drop of Ti 5 NbO 14 colloidal solution whose concentration was adjusted by a Pasteur pipette was dropped on the Si substrate surface that had been hydrophilized in the same manner as in Example 1, and then air-dried for 5 to 7 hours. Water was evaporated.

このようにして得られた光触媒材料TiNbO14/Siの表面状態をAFMによって観察した。結果を図32に示し、後述する。 The surface state of the photocatalytic material Ti 5 NbO 14 / Si thus obtained was observed by AFM. The results are shown in FIG. 32 and will be described later.

実施例1で得られた光触媒材料(Nb/PDDA)/ガラス、および、実施例8で得られた光触媒材料Nb/Siを、それぞれ、電気炉中で設定温度(100℃、200℃、300℃、400℃、500℃、600℃、700℃、800℃および900℃)で1時間、加熱した。加熱条件は、電気炉に光触媒材料を配置し、室温(30℃)から各設定温度まで5℃/分で昇温し、各設定温度にて1時間保持した後、室温まで降温した。 The photocatalyst material (Nb 3 O 8 / PDDA) 1 / glass obtained in Example 1 and the photocatalyst material Nb 3 O 8 / Si obtained in Example 8 were each set at a set temperature (100 And 200 ° C, 300 ° C, 400 ° C, 500 ° C, 600 ° C, 700 ° C, 800 ° C and 900 ° C) for 1 hour. As heating conditions, a photocatalytic material was placed in an electric furnace, the temperature was raised from room temperature (30 ° C.) to each set temperature at 5 ° C./min, held at each set temperature for 1 hour, and then cooled to room temperature.

各設定温度で加熱後のNb/Siについて、表面状態をAFMによって観察した。観察結果を図33に示し、後述する。また、各設定温度で加熱後のNb/Siについて、Photon Factory BL−6(高エネルギー加速器研究機構)を用いて面内X線回折測定(in−plane XRD)を行い、構造変化を調べた。結果を図34に示し、後述する。 The surface state of Nb 3 O 8 / Si after heating at each set temperature was observed by AFM. The observation results are shown in FIG. 33 and will be described later. In addition, Nb 3 O 8 / Si after heating at each set temperature was subjected to in-plane X-ray diffraction measurement (in-plane XRD) using Photon Factory BL-6 (High Energy Accelerator Research Organization), and structural changes were made. Examined. The results are shown in FIG. 34 and will be described later.

各設定温度で加熱後の(Nb/PDDA)/ガラスについて、実施例1と同様に光誘起親水化特性を評価した。結果を図35および表8に示し、後述する。 About (Nb 3 O 8 / PDDA) 1 / glass after heating at each set temperature, the light-induced hydrophilization characteristics were evaluated in the same manner as in Example 1. The results are shown in FIG. 35 and Table 8, and will be described later.

比較例1Comparative Example 1

レピドクロサイト型層状チタン酸カリウムKTi2−x/3Lix/3(x=0.7)を、実施例1と同様の手順により、酸処理し、水素イオン交換体として層状チタン酸粉末(H4x/3Ti2−x/3・nHO)を得た。層状チタン酸粉末0.5gをTBAOHaq.100mLと反応さ、乳白色の溶液を得た。反応は、室温にてシェイカーで150rpm、7日間振盪させた。このようにして、Ti0.87ナノシートからなるコロイド溶液(以降ではTi0.87コロイド溶液と呼ぶ)を得た。 Lepidocrocite potassium site type layered titanate K x Ti 2-x / 3 Li x / 3 O 4 and (x = 0.7), by the same procedure as in Example 1, and the acid treatment, the layered as a hydrogen ion exchanger titanate powder (H 4x / 3 Ti 2- x / 3 O 4 · nH 2 O) was obtained. 0.5 g of layered titanic acid powder was added to TBAOHaq. Reaction with 100 mL gave a milky white solution. The reaction was shaken at 150 rpm with a shaker at room temperature for 7 days. In this way, a colloidal solution composed of Ti 0.87 O 2 nanosheets (hereinafter referred to as Ti 0.87 O 2 colloidal solution) was obtained.

交互吸着法を用いて、50倍に希釈したTi0.87コロイド溶液を、石英ガラス基板に付与した。実施例1と同様に石英ガラス基板を親水化処理した。以降の手順は、図5のステップS530を繰返し行わない以外は実施例1と同様であるため、説明を省略する。このようにして得た光触媒材料(Ti0.87/PDDA)/ガラスを用いて、実施例1と同様に、Ti0.87ナノシートの光誘起親水化特性を評価した。結果を図9、表4および表5に示し詳述する。 Ti 0.87 O 2 colloidal solution diluted 50 times was applied to a quartz glass substrate using an alternate adsorption method. The quartz glass substrate was hydrophilized in the same manner as in Example 1. The subsequent procedure is the same as that of the first embodiment except that step S530 of FIG. Using the photocatalyst material (Ti 0.87 O 2 / PDDA) 1 / glass thus obtained, the light-induced hydrophilization characteristics of Ti 0.87 O 2 nanosheets were evaluated in the same manner as in Example 1. The results are shown in FIG. 9, Table 4 and Table 5 and will be described in detail.

以降では、実施例1〜17および比較例1による結果を示し、詳述する。   Hereinafter, the results of Examples 1 to 17 and Comparative Example 1 will be shown and described in detail.

図8は、実施例1および3〜5の光触媒性を示す図である。   FIG. 8 is a diagram showing the photocatalytic properties of Examples 1 and 3-5.

いずれも紫外光を照射することによって、吸光度の低下を示した。このことは、紫外光の照射によって、メチレンブルーが分解されていることを示し、いずれも光触媒性を有することが分かった。中でもTiNbO光触媒ナノシート(実施例4)は、他のNb光触媒ナノシート(実施例1)、TiNbO光触媒ナノシート(実施例3)、TiNbO14光触媒ナノシート(実施例5)に比べて、短時間の紫外光の照射によって吸光度の劇的な低下が見られ、光触媒性が高いことが分かった。以降では簡単のため、材料名のみ記載する。なお、図示しないが、他のNb17、CaNb10およびLaNbについても同様に吸光度の低下が見られ、光触媒性があることを確認した。参考のため表2に吸光度の変化量を示す。 All showed a decrease in absorbance by irradiation with ultraviolet light. This indicates that methylene blue was decomposed by irradiation with ultraviolet light, and it was found that both have photocatalytic properties. Among them, Ti 2 NbO 7 photocatalyst nanosheet (Example 4) is replaced with other Nb 3 O 8 photocatalyst nanosheet (Example 1), TiNbO 5 photocatalyst nanosheet (Example 3), Ti 5 NbO 14 photocatalyst nanosheet (Example 5). In comparison, a dramatic decrease in absorbance was observed by short-time ultraviolet irradiation, indicating that the photocatalytic property was high. In the following, for simplicity, only the material name is described. Although not shown, other Nb 6 O 17 , Ca 2 Nb 3 O 10 and LaNb 2 O 7 also showed a decrease in absorbance in the same manner, confirming that they had photocatalytic properties. For reference, Table 2 shows the amount of change in absorbance.

図8および表2の吸光度の変化量と紫外光照射時間との関係から各光触媒ナノシートについて、メチレンブルーの吸光度の変化率を求めた。結果を表3に示す。   The change rate of the absorbance of methylene blue was determined for each photocatalyst nanosheet from the relationship between the change in absorbance in FIG. 8 and Table 2 and the ultraviolet light irradiation time. The results are shown in Table 3.


表3より、TiNbOの光触媒性が極めて高いことが分かった。

From Table 3, it was found that the photocatalytic property of Ti 2 NbO 7 was extremely high.

図9は、実施例1〜7および比較例1の光誘起親水化特性を示す図である。   FIG. 9 is a diagram showing the light-induced hydrophilization characteristics of Examples 1 to 7 and Comparative Example 1.

いずれも紫外光を照射することによって、(親水化速度と定義されている)接触角の逆数が増大、すなわち、接触角が低減した。詳細には、紫外光を照射することによって、接触角の逆数が0.2〜0.4まで増大し、すなわち接触角が2.5°〜5°まで低下し、光触媒ナノシートの表面は、高度の親水性状態となることが分かった。参考のため表4に水接触角の逆数の値を示す。   In either case, irradiation with ultraviolet light increased the reciprocal of the contact angle (defined as the hydrophilization rate), that is, decreased the contact angle. Specifically, by irradiating with ultraviolet light, the reciprocal of the contact angle increases from 0.2 to 0.4, that is, the contact angle decreases from 2.5 ° to 5 °. It became clear that it became a hydrophilic state. For reference, Table 4 shows the reciprocal value of the water contact angle.

図9および表4の水接触角の逆数と紫外光照射時間との関係から各光触媒ナノシートについて、親水化反応速度を求めた。結果を表5に示す。   The hydrophilization reaction rate was calculated | required about each photocatalyst nanosheet from the relationship between the reciprocal number of the water contact angle of FIG. 9 and Table 4, and ultraviolet light irradiation time. The results are shown in Table 5.

表5によれば、本発明の光触媒ナノシートの中でもNb(実施例1)、TiNbO(実施例3)、CaNb10(実施例6)、LaNb(実施例7)は、既存の酸化チタンTi0.87(比較例1)と比較して、大きな親水化反応速度を有することが分かった。これらの光触媒ナノシートは、とりわけ、光誘起親水化特性を利用する、セルフクリーニング用途、防塵用途および冷却用途に有効であることが示唆される。このように、本発明によれば、用途・要求に応じた光触媒性および光誘起親水化特性を有する光触媒ナノシートを適宜選択し、設計できる。 According to Table 5, among the photocatalyst nanosheets of the present invention, Nb 3 O 8 (Example 1), TiNbO 5 (Example 3), Ca 2 Nb 3 O 10 (Example 6), LaNb 2 O 7 (Example) 7) was found to have a large hydrophilization reaction rate as compared with the existing titanium oxide Ti 0.87 O 2 (Comparative Example 1). These photocatalytic nanosheets are suggested to be particularly effective for self-cleaning, dustproofing and cooling applications that utilize photoinduced hydrophilization properties. Thus, according to the present invention, it is possible to appropriately select and design a photocatalyst nanosheet having photocatalytic properties and photoinduced hydrophilization properties according to the use and demand.

図10は、実施例1のUV−vis吸収スペクトルを示す図である。
図11は、実施例3のUV−vis吸収スペクトルを示す図である。
図12は、実施例4のUV−vis吸収スペクトルを示す図である。
図13は、実施例5のUV−vis吸収スペクトルを示す図である。
10 is a view showing a UV-vis absorption spectrum of Example 1. FIG.
FIG. 11 is a diagram showing the UV-vis absorption spectrum of Example 3.
12 is a graph showing a UV-vis absorption spectrum of Example 4. FIG.
FIG. 13 is a diagram showing the UV-vis absorption spectrum of Example 5.

図10〜図13によれば、いずれも、図5のステップS530の繰り返しごとに、一定量の吸光度の増加が観察された。このことから、光触媒ナノシートとPDDAとが規則的に累積した多層構造からなる光触媒薄膜が石英ガラス基板上に形成されことが示される。   10 to 13, in each case, a certain amount of increase in absorbance was observed with each repetition of step S530 in FIG. This indicates that a photocatalytic thin film having a multilayer structure in which photocatalytic nanosheets and PDDA are regularly accumulated is formed on a quartz glass substrate.

図14は、実施例1および3〜5のXRDパターンを示す図である。   FIG. 14 is a diagram showing XRD patterns of Examples 1 and 3-5.

いずれのXRDパターンも2θ=5°付近に大きな回折ピークを示した。このことからも、光触媒ナノシートとPDDAとが規則的に累積した多層構造からなる光触媒薄膜がSi基板上に形成されたことが示される。   All XRD patterns showed a large diffraction peak around 2θ = 5 °. This also indicates that a photocatalytic thin film having a multilayer structure in which photocatalyst nanosheets and PDDA are regularly accumulated is formed on the Si substrate.

図15は、実施例1の紫外光照射前後のXRDパターンを示す図である。
図16は、実施例3の紫外光照射前後のXRDパターンを示す図である。
図17は、実施例4の紫外光照射前後のXRDパターンを示す図である。
図18は、実施例5の紫外光照射前後のXRDパターンを示す図である。
FIG. 15 is a diagram showing XRD patterns before and after ultraviolet light irradiation in Example 1.
FIG. 16 is a diagram showing XRD patterns before and after ultraviolet light irradiation in Example 3.
FIG. 17 is a diagram showing XRD patterns before and after ultraviolet light irradiation in Example 4.
18 is a diagram showing XRD patterns before and after ultraviolet light irradiation in Example 5. FIG.

図15〜図18によれば、いずれも紫外光を照射することにより、2θ=5°近傍のピークが、高角側にシフトすることが分かった。このことは、面間隔、すなわち層間距離が減少することを意味する。具体的な層間距離の変化を図15〜図18それぞれに示す。   According to FIGS. 15-18, it turned out that the peak of 2 (theta) = 5 degree shifts to the high angle side by irradiating ultraviolet light in any case. This means that the surface separation, that is, the interlayer distance is reduced. Specific changes in the interlayer distance are shown in FIGS.

このような層間距離の変化は、紫外光照射により、これらナノシートの光触媒作用によって層間に存在するPDDAが分解されたためである。層間距離の変化量(約0.3nm〜0.6nm)は、PDDAの1層分におおよそ一致する。このことからも、これらナノシートが、光触媒ナノシートとして機能することが確認された。   Such a change in the interlayer distance is due to the decomposition of PDDA present between the layers by the photocatalytic action of these nanosheets by ultraviolet light irradiation. The amount of change in the interlayer distance (about 0.3 nm to 0.6 nm) approximately corresponds to one layer of PDDA. This also confirmed that these nanosheets function as photocatalytic nanosheets.

図19は、実施例1の表面のAFM像を示す図である。
図20は、実施例2の表面のAFM像を示す図である。
図21は、実施例3の表面のAFM像を示す図である。
図22は、実施例4の表面のAFM像を示す図である。
図23は、実施例5の表面のAFM像を示す図である。
19 is a diagram showing an AFM image of the surface of Example 1. FIG.
20 is a diagram showing an AFM image of the surface of Example 2. FIG.
FIG. 21 is a diagram showing an AFM image of the surface of Example 3.
FIG. 22 is a diagram showing an AFM image of the surface of Example 4.
FIG. 23 is a diagram showing an AFM image of the surface of Example 5.

図19および図21〜23は、一部重なっているものの、面方向に集積したナノシートが、基材表面を密に覆っている様子を示した。これにより、交互吸着法によって形成された光触媒ナノシートからなる光触媒薄膜は、比較的均一であることが分かった。図19および図21〜23のいずれも0.8nm〜1.1nmの間の表面粗さを有し、平滑であった。Nb17(図20)は、他のナノシートと比べて、シートが丸まった形状が見られた。このことは、Nb17光触媒ナノシートからなる光触媒薄膜の製造においては、基材との密着性を高めるためにさらなる精査が必要であることを示す。 FIG. 19 and FIGS. 21 to 23 show that the nanosheets accumulated in the plane direction densely cover the surface of the base material although they partially overlap. Thereby, it turned out that the photocatalyst thin film which consists of a photocatalyst nanosheet formed by the alternate adsorption method is comparatively uniform. Both FIG. 19 and FIGS. 21 to 23 were smooth with a surface roughness between 0.8 nm and 1.1 nm. Nb 6 O 17 (FIG. 20) showed a rounded sheet shape as compared with other nanosheets. This indicates that in the production of a photocatalytic thin film composed of a Nb 6 O 17 photocatalytic nanosheet, further scrutiny is required in order to improve the adhesion to the substrate.

また、表6に示されるように、ナノシートの厚さは、1nm〜2nmであった。この厚さは、結晶構造(例えば、図2)から算出される厚さとほぼ一致しており、出発原料であるアルカリ金属含有層状化合物が単層剥離されたことを示唆する。   Moreover, as Table 6 showed, the thickness of the nanosheet was 1 nm-2 nm. This thickness is almost the same as the thickness calculated from the crystal structure (for example, FIG. 2), suggesting that the alkali metal-containing layered compound as the starting material has been peeled off as a single layer.

図24は、実施例8の表面のAFM像を示す図である。
図25は、実施例9の表面のAFM像を示す図である。
図26は、実施例10の表面のAFM像を示す図である。
図27は、実施例11の表面のAFM像を示す図である。
図28は、実施例12の表面のAFM像を示す図である。
FIG. 24 is a diagram showing an AFM image of the surface of Example 8.
FIG. 25 is a diagram showing an AFM image of the surface of Example 9.
FIG. 26 is a view showing an AFM image of the surface of Example 10. FIG.
FIG. 27 is a diagram showing an AFM image of the surface of Example 11.
FIG. 28 is a diagram showing an AFM image of the surface of Example 12.

図24〜図28によれば、いずれも極めて平滑な表面を示し、その表面粗さは0.15nm〜0.26nmの間であった。また、図24〜図28より、LB法によれば、光触媒ナノシートが面方向に集積した単層構造、詳細には、ナノシートが重なることなく集積した単層膜からなる光触媒薄膜を得ることができることがわかった。   According to FIGS. 24-28, all showed a very smooth surface, and the surface roughness was between 0.15 nm and 0.26 nm. Further, from FIG. 24 to FIG. 28, according to the LB method, it is possible to obtain a photocatalytic thin film composed of a monolayer structure in which photocatalyst nanosheets are accumulated in the plane direction, specifically, a monolayer film in which nanosheets are accumulated without overlapping. I understood.

図29は、実施例13の表面のAFM像を示す図である。
図30は、実施例14の表面のAFM像を示す図である。
図31は、実施例15の表面のAFM像を示す図である。
図32は、実施例16の表面のAFM像を示す図である。
FIG. 29 is a view showing an AFM image of the surface of Example 13. FIG.
30 is a diagram showing an AFM image of the surface of Example 14. FIG.
FIG. 31 is a diagram showing an AFM image of the surface of Example 15.
32 is a view showing an AFM image of the surface of Example 16. FIG.

図29〜図32に示されるように、いずれも、0.72nm〜1.6nmの間の表面粗さを有し、ナノシートが重なり合った構造を示した。このことから、滴下法によれば、平滑性は劣るものの簡便に光触媒ナノシートからなる光触媒薄膜が形成されるので好ましい。   As shown in FIG. 29 to FIG. 32, all had a surface roughness between 0.72 nm and 1.6 nm, and showed a structure in which nanosheets overlapped. From this, the dropping method is preferable because the photocatalytic thin film composed of the photocatalyst nanosheet is easily formed although the smoothness is inferior.

図19〜図32により得られる光触媒薄膜の平滑性について表7にまとめる。   Table 7 summarizes the smoothness of the photocatalytic thin film obtained from FIGS. 19 to 32.

表7より、平滑性が高く、極めて均質な光触媒薄膜を得る場合にはLB法が最適であることが分かる。また、膜厚が制御された光触媒薄膜を得る場合には交互吸着法が最適である。このように、光触媒薄膜が適用される用途に求められる膜質(平滑性、膜厚等)に応じて、製造法を選択することが望ましい。   From Table 7, it can be seen that the LB method is optimal for obtaining a highly smooth photocatalytic thin film having high smoothness. In addition, the alternate adsorption method is optimal for obtaining a photocatalytic thin film with a controlled film thickness. Thus, it is desirable to select a production method according to the film quality (smoothness, film thickness, etc.) required for the application to which the photocatalytic thin film is applied.

図33は、実施例17による熱処理後の表面のAFM像を示す図である。   FIG. 33 is a view showing an AFM image of the surface after the heat treatment according to Example 17.

図33には、熱処理前の表面の状態として実施例8のAFM像を合わせて示す。図33によれば、Nb光触媒ナノシートの表面状態は、800℃の熱処理後であっても、変化はなかった。900℃の熱処理を行うと、ナノシートが針状に変化した。これは、NbからNbに変化したためと考えられる。このことから、ナノシートの加熱は、好ましくは900℃未満であることが示唆される。これにより、ナノシートと基材との間の密着性を向上させるための熱処理を行っても、さらには、プロセス上の熱処理を行っても、ナノシートの表面の平滑性を維持できるため、極めて有利である。 FIG. 33 also shows the AFM image of Example 8 as the state of the surface before the heat treatment. According to FIG. 33, the surface state of the Nb 3 O 8 photocatalyst nanosheet was not changed even after the heat treatment at 800 ° C. When heat treatment at 900 ° C. was performed, the nanosheets changed to needles. This is considered to be due to the change from Nb 3 O 8 to Nb 2 O 5 . This suggests that the heating of the nanosheet is preferably below 900 ° C. As a result, even if heat treatment for improving the adhesion between the nanosheet and the base material is performed, and even if heat treatment is performed on the process, the smoothness of the surface of the nanosheet can be maintained, which is extremely advantageous. is there.

図34は、実施例17による熱処理後のin−plane XRDパターンを示す図である。   FIG. 34 is a diagram showing an in-plane XRD pattern after the heat treatment according to Example 17.

図34には、熱処理前のXRDパターンも合わせて示す。図34のXRDパターンによれば、熱処理前のXRDパターンと、100℃〜800℃の各温度で熱処理した後のそれとはほぼ同一であった。900℃で熱処理した後のXRDパターンには低角側にピークが見られた。これらのピークは、Nbの回折ピークに一致することを確認した。このことからも、900℃以上の熱処理により、Nbは、Nbに変化するため、熱処理は、900℃未満が好ましいことが分かった。このように、Nbに高温熱処理を行っても、その結晶構造が維持されるのは、NbOの八面体のユニットが結合した二次元シート構造が極めて安定であるためと考えられる。 FIG. 34 also shows the XRD pattern before the heat treatment. According to the XRD pattern of FIG. 34, the XRD pattern before the heat treatment was almost the same as that after the heat treatment at each temperature of 100 ° C. to 800 ° C. In the XRD pattern after heat treatment at 900 ° C., a peak was observed on the low angle side. These peaks were confirmed to coincide with the diffraction peak of Nb 2 O 5 . From this, it was found that Nb 3 O 8 is changed to Nb 2 O 5 by heat treatment at 900 ° C. or higher, so that the heat treatment is preferably less than 900 ° C. As described above, the crystal structure is maintained even when Nb 3 O 8 is subjected to high-temperature heat treatment because the two-dimensional sheet structure in which octahedral units of NbO 6 are bonded is extremely stable.

図35は、実施例17による熱処理後の光誘起親水化特性を示す図である。   FIG. 35 is a diagram showing the light-induced hydrophilization characteristics after the heat treatment according to Example 17.

図35には参考のため、熱処理前の光誘起親水化特性を合わせて示す。熱処理温度が高温になるにしたがって、光誘起親水化特性の低下が見られた。しかしながら、注目すべきことに、800℃の熱処理後であっても、Nb光触媒ナノシートは、Ti0.87を上回る光誘起親水化特性を有した(例えば、図9を参照)。このことは、Nb光触媒ナノシートは、光誘起親水化特性だけでなく光触媒性についても同様の効果が期待される。また、Nb以外にも、図9においてTi0.87を上回る光誘起親水化特性を有したTiNbO、CaNb10およびLaNbについても同様の効果が予想される。 For reference, FIG. 35 also shows the light-induced hydrophilization characteristics before heat treatment. As the heat treatment temperature increased, the light-induced hydrophilization characteristics decreased. However, it should be noted that even after heat treatment at 800 ° C., the Nb 3 O 8 photocatalytic nanosheets had photo-induced hydrophilization properties that exceeded Ti 0.87 O 2 (see, eg, FIG. 9). . This indicates that the Nb 3 O 8 photocatalyst nanosheet is expected to have the same effect not only on the photoinduced hydrophilization property but also on the photocatalytic property. In addition to Nb 3 O 8 , similar effects are expected for TiNbO 5 , Ca 2 Nb 3 O 10, and LaNb 2 O 7 having photo-induced hydrophilization characteristics exceeding Ti 0.87 O 2 in FIG. 9. Is done.

図35の水接触角の逆数と紫外光照射時間との関係から熱処理温度について、親水化反応速度を求めた。結果を表8に示す。   From the relationship between the reciprocal of the water contact angle in FIG. 35 and the ultraviolet light irradiation time, the hydrophilization reaction rate was determined for the heat treatment temperature. The results are shown in Table 8.

表8によれば、800℃で熱処理した後のNbの親水化反応速度(0.018°/min)は、表5に示される比較例(Ti0.87)のそれ(0.011°/min)よりも大きいことが分かった。 According to Table 8, the hydrophilization reaction rate (0.018 ° / min) of Nb 3 O 8 after heat treatment at 800 ° C. is that of the comparative example (Ti 0.87 O 2 ) shown in Table 5 ( It was found to be larger than 0.011 ° / min.

以上、図33〜図35より、本発明による光触媒ナノシートの中でも、Nb、TiNbO、CaNb10およびLaNbは、熱処理後も膜の表面状態および光誘起親水化特性を維持するので、基材との密着性の向上のための熱処理、さらにはプロセス上の熱処理が可能であるため、実用上極めて有利である。 As described above, from FIG. 33 to FIG. 35, among the photocatalytic nanosheets according to the present invention, Nb 3 O 8 , TiNbO 5 , Ca 2 Nb 3 O 10, and LaNb 2 O 7 are film surface states and photoinduced hydrophilization even after heat treatment. Since the characteristics are maintained, a heat treatment for improving adhesion to the substrate and a heat treatment in the process are possible, which is extremely advantageous in practice.

本発明によれば、酸化チタンナノシートおよび既存のアナターゼとは異なる材料からなり、用途に応じて適宜選択し、種々の設計が可能な光触媒ナノシートが提供される。このような光触媒ナノシートを基材上に薄膜化した光触媒材料によれば、光触媒ナノシートの特有の柔軟性により、任意の形状・表面形態を反映した光触媒材料が提供されるので、従来適用が困難とされる用途にも光触媒性および光誘起親水化特性を発現させることができる。当然のことながら、本発明の光触媒ナノシートおよび光触媒材料は、光触媒性および光誘起親水化特性が要求される任意の用途に適用可能である。   According to the present invention, there are provided photocatalyst nanosheets made of a material different from titanium oxide nanosheets and existing anatase, which can be appropriately selected according to use and can be variously designed. According to the photocatalyst material obtained by thinning the photocatalyst nanosheet on the base material, the photocatalyst material reflecting an arbitrary shape and surface form is provided by the unique flexibility of the photocatalyst nanosheet. The photocatalytic property and the photo-induced hydrophilization property can be developed for the intended use. As a matter of course, the photocatalyst nanosheet and the photocatalyst material of the present invention can be applied to any application that requires photocatalytic properties and photoinduced hydrophilization properties.

本発明による光触媒ナノシートの模式図Schematic diagram of photocatalyst nanosheet according to the present invention 本発明による各種光触媒ナノシートの模式図Schematic diagram of various photocatalytic nanosheets according to the present invention 本発明による光触媒材料の模式図Schematic diagram of photocatalytic material according to the present invention 本発明による光触媒ナノシートの製造工程を示すフローチャートThe flowchart which shows the manufacturing process of the photocatalyst nanosheet by this invention 交互吸着法を用いた光触媒材料の製造プロセスを示す図Diagram showing manufacturing process of photocatalytic material using alternating adsorption method LB法を用いた光触媒材料の製造プロセスを示す図The figure which shows the manufacturing process of the photocatalyst material using LB method アルカリ金属含有層状化合物の製造工程を示すフローチャートFlow chart showing production process of alkali metal-containing layered compound 実施例1および3〜5の光触媒性を示す図The figure which shows the photocatalytic property of Example 1 and 3-5 実施例1〜7および比較例1の光誘起親水化特性を示す図The figure which shows the light-induced hydrophilization characteristic of Examples 1-7 and Comparative Example 1 実施例1のUV−vis吸収スペクトルを示す図The figure which shows the UV-vis absorption spectrum of Example 1 実施例3のUV−vis吸収スペクトルを示す図The figure which shows the UV-vis absorption spectrum of Example 3 実施例4のUV−vis吸収スペクトルを示す図The figure which shows the UV-vis absorption spectrum of Example 4 実施例5のUV−vis吸収スペクトルを示す図The figure which shows the UV-vis absorption spectrum of Example 5 実施例1および3〜5のXRDパターンを示す図The figure which shows the XRD pattern of Example 1 and 3-5 実施例1の紫外光照射前後のXRDパターンを示す図The figure which shows the XRD pattern before and behind ultraviolet light irradiation of Example 1. 実施例3の紫外光照射前後のXRDパターンを示す図The figure which shows the XRD pattern before and behind ultraviolet light irradiation of Example 3. 実施例4の紫外光照射前後のXRDパターンを示す図The figure which shows the XRD pattern before and behind ultraviolet light irradiation of Example 4. 実施例5の紫外光照射前後のXRDパターンを示す図The figure which shows the XRD pattern before and behind ultraviolet light irradiation of Example 5. 実施例1の表面のAFM像を示す図The figure which shows the AFM image of the surface of Example 1 実施例2の表面のAFM像を示す図The figure which shows the AFM image of the surface of Example 2 実施例3の表面のAFM像を示す図The figure which shows the AFM image of the surface of Example 3 実施例4の表面のAFM像を示す図The figure which shows the AFM image of the surface of Example 4 実施例5の表面のAFM像を示す図The figure which shows the AFM image of the surface of Example 5 実施例8の表面のAFM像を示す図The figure which shows the AFM image of the surface of Example 8 実施例9の表面のAFM像を示す図The figure which shows the AFM image of the surface of Example 9 実施例10の表面のAFM像を示す図The figure which shows the AFM image of the surface of Example 10 実施例11の表面のAFM像を示す図The figure which shows the AFM image of the surface of Example 11 実施例12の表面のAFM像を示す図The figure which shows the AFM image of the surface of Example 12 実施例13の表面のAFM像を示す図The figure which shows the AFM image of the surface of Example 13 実施例14の表面のAFM像を示す図The figure which shows the AFM image of the surface of Example 14 実施例15の表面のAFM像を示す図The figure which shows the AFM image of the surface of Example 15 実施例16の表面のAFM像を示す図The figure which shows the AFM image of the surface of Example 16 実施例17による熱処理後の表面のAFM像を示す図The figure which shows the AFM image of the surface after the heat processing by Example 17 実施例17による熱処理後のin−plane XRDパターンを示す図The figure which shows the in-plane XRD pattern after the heat processing by Example 17 実施例17による熱処理後の光誘起親水化特性を示す図The figure which shows the light-induced hydrophilization characteristic after the heat processing by Example 17

符号の説明Explanation of symbols

100 光触媒ナノシート
110 アルカリ金属含有層状化合物
200 NbOまたはTiOの八面体ユニット
300 光触媒材料
310 基材
320 光触媒薄膜
100 photocatalyst nanosheet 110 alkali metal-containing layered compound 200 NbO 6 or octahedron unit 300 photocatalytic material 310 substrate 320 photocatalytic film of TiO 6

Claims (8)

NbOおよび/またはTiO八面体ユニットからなる光触媒ナノシートであって、Nb、Nb17、TiNbO、TiNbO、TiNbO14、CaNb10およびLaNbからなる群から選択されたナノシートからなることを特徴とする、光触媒ナノシート。 A photocatalytic nanosheet consisting of NbO 6 and / or TiO 6 octahedral units, Nb 3 O 8 , Nb 6 O 17 , TiNbO 5 , Ti 2 NbO 7 , Ti 5 NbO 14 , Ca 2 Nb 3 O 10 and LaNb 2 A photocatalytic nanosheet comprising a nanosheet selected from the group consisting of O 7 . 請求項1に記載の光触媒ナノシートであって、前記選択されたナノシートは、アルカリ金属を含有する層状化合物から剥離されてなることを特徴とする、光触媒ナノシート。   2. The photocatalyst nanosheet according to claim 1, wherein the selected nanosheet is peeled from a layered compound containing an alkali metal. 3. 光触媒ナノシートの製造方法であって、
MNb、MNb17、MTiNbO、MTiNbO、MTiNbO14、MCaNb10およびMLaNbからなる群から選択されたアルカリ金属を含有する層状化合物(ここで、Mはアルカリ金属)を、酸水溶液を用いて酸処理し、前記層状化合物中の前記アルカリ金属が交換された水素イオン交換体を生成するステップと、
前記水素イオン交換体と塩基性物質とを反応させ、前記水素イオン交換体が剥離されたナノシートからなるコロイド溶液を得るステップと
からなることを特徴とする、方法。
A method for producing a photocatalyst nanosheet,
Containing an alkali metal selected from the group consisting of MNb 3 O 8 , M 4 Nb 6 O 17 , MTiNbO 5 , MTi 2 NbO 7 , M 3 Ti 5 NbO 14 , MCa 2 Nb 3 O 10 and MLaNb 2 O 7 A step of acid-treating a layered compound (where M is an alkali metal) with an aqueous acid solution to produce a hydrogen ion exchanger in which the alkali metal in the layered compound is exchanged;
Reacting the hydrogen ion exchanger with a basic substance to obtain a colloidal solution consisting of nanosheets from which the hydrogen ion exchanger has been peeled off.
基材上に付与された光触媒薄膜からなる光触媒材料であって、
前記光触媒薄膜は、請求項1または2に記載の光触媒ナノシートからなることを特徴とする、光触媒材料。
A photocatalytic material comprising a photocatalytic thin film applied on a substrate,
The photocatalyst material, wherein the photocatalyst thin film comprises the photocatalyst nanosheet according to claim 1 or 2.
請求項4に記載の光触媒材料であって、前記光触媒薄膜の表面粗さは最大2nmであることを特徴とする、光触媒材料。   5. The photocatalytic material according to claim 4, wherein the photocatalytic thin film has a maximum surface roughness of 2 nm. 光触媒材料の製造方法であって、
Nb、Nb17、TiNbO、TiNbO、TiNbO14、CaNb10およびLaNbからなる群から選択されたナノシートを含有するコロイド溶液を基材上に付与するステップからなることを特徴とする、製造方法。
A method for producing a photocatalytic material, comprising:
Nb 3 O 8, Nb 6 O 17, TiNbO 5, Ti 2 NbO 7, Ti 5 NbO 14, Ca 2 Nb 3 O 10 and LaNb substrate a colloidal solution containing the selected nanosheet from the group consisting of 2 O 7 A manufacturing method comprising the steps of:
請求項6に記載の方法であって、前記付与するステップに続いて100℃以上900℃未満の温度範囲で熱処理するステップをさらに包含することを特徴とする、製造方法。   The method according to claim 6, further comprising a step of performing a heat treatment in a temperature range of 100 ° C. or higher and lower than 900 ° C. following the applying step. 請求項6に記載の方法において、前記付与するステップは、交互吸着法、LB法、ドロップ法、スピンコート法およびディップコート法からなる群から選択されることを特徴とする、製造方法。   The method according to claim 6, wherein the applying step is selected from the group consisting of an alternating adsorption method, an LB method, a drop method, a spin coating method, and a dip coating method.
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