JP2011084442A - Fine wire-shaped titanium compound, titania electrode for dye-sensitized solar cell, and dye-sensitized solar cell - Google Patents

Fine wire-shaped titanium compound, titania electrode for dye-sensitized solar cell, and dye-sensitized solar cell Download PDF

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健 廣田
Masaki Kato
将樹 加藤
Yasutsuna Mori
康維 森
Motonari Adachi
基齊 足立
Satoru Narai
哲 奈良井
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    • Y02E10/50Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/542Dye sensitized solar cells

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fine wire-shaped titanium compound whose conversions into a fine wire as well as a long fiber are further accelerated and which exerts a favorable characteristic in the power generation efficiency when used as a material for a titania electrode after heat treatment, and further to provide a titania electrode for dye-sensitized solar cells utilizing the fine wire-shaped titanium compound, and also the dye-sensitized solar cell having such titania electrode. <P>SOLUTION: There is provided a TiO<SB>2</SB>(B) type fine wire-shaped titanium compound produced by the pressurizing-heating treatment of the mixture of titanate and an alkaline aqueous solution. The anatase type fine wire-shaped titanium compound is obtained by heat-treating at 900°C or higher, the TiO<SB>2</SB>(B) type compound in which the amount of impurity elements having a cation radius smaller than that of an alkali metal element in the TiO<SB>2</SB>(B) type titanate synthesized by the pressurizing-heating treatment is controlled to be 1/1,000 or less based on the mol number of the titanium element contained in the material. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、色素増感型太陽電池に用いられるチタニア電極、光触媒材料、自己清浄性塗料、ファイバー状半導体材料等の素材として有用な細線状チタン化合物、およびこのような細線状チタン化合物を利用した色素増感型太陽電池用チタニア電極、並びにこうしたチタニア電極を有する色素増感型太陽電池等に関するものである。   The present invention utilizes a thin-line titanium compound useful as a material for a titania electrode, a photocatalyst material, a self-cleaning paint, a fiber-like semiconductor material, etc. used in a dye-sensitized solar cell, and such a thin-line titanium compound. The present invention relates to a titania electrode for a dye-sensitized solar cell, a dye-sensitized solar cell having such a titania electrode, and the like.

細線状チタン化合物(酸化チタン、チタン酸、チタン酸塩等:結晶を含む)は、色素増感型太陽電池に用いられるチタニア電極、光触媒材料、自己清浄性塗料、ファイバー状半導体材料等の素材として広く利用されている。   Fine-line titanium compounds (titanium oxide, titanic acid, titanate, etc .: including crystals) are used as materials for titania electrodes, photocatalytic materials, self-cleaning paints, fiber-like semiconductor materials, etc. used in dye-sensitized solar cells. Widely used.

特に、細線状チタン化合物を色素増感型太陽電池用のチタニア電極に利用した場合、光発電効率の増大が期待できるとされている。この色素増感型太陽電池では、色素によって励起された電子が酸化チタンに移動し、しかも電流を収集している透明電極に移動しており、酸化チタンの細線化および長繊維化を促進させておけばこの電子の移動中、電子の死活点となる再結合核や再反応サイトに電子が接するのを防止でき、発電効率が増大するとされている。   In particular, when a thin-line titanium compound is used for a titania electrode for a dye-sensitized solar cell, an increase in photovoltaic power generation efficiency can be expected. In this dye-sensitized solar cell, electrons excited by the dye move to the titanium oxide and also move to the transparent electrode collecting current, which promotes thinning and long fiber formation of the titanium oxide. If this is the case, the electrons can be prevented from coming into contact with recombination nuclei and rereaction sites, which are the dead and active points of electrons, and the power generation efficiency is increased.

例えば、非特許文献1には、色素増感型太陽電池用のチタニア電極の素材として従来から用いられているチタニア粉末に細線状チタン化合物を混合することによって、チタニア粉末単独の場合に比べて発電効率が向上することが示されている。   For example, Non-Patent Document 1 discloses that electric power generation is achieved by mixing a fine-line titanium compound with titania powder that has been conventionally used as a material for a titania electrode for a dye-sensitized solar cell, as compared with the case of titania powder alone. It has been shown that efficiency is improved.

また上記非特許文献1によれば、ナノサイズ酸化チタン粉末と20mol/LのKOH水溶液を、「テフロン(登録商標)製遠沈管」に入れ、耐圧ガラス容器中で110℃、20時間の条件で加圧加熱処理(水熱合成処理)することで、比表面積が400m2/gを超える長繊維状の酸化チタン(酸化チタンナノワイヤー)が得られることが記載されている。 Further, according to Non-Patent Document 1, nano-sized titanium oxide powder and 20 mol / L KOH aqueous solution are put into a “Teflon (registered trademark) centrifuge tube”, and are placed in a pressure-resistant glass container at 110 ° C. for 20 hours. It is described that long-fiber-like titanium oxide (titanium oxide nanowires) having a specific surface area exceeding 400 m 2 / g can be obtained by pressure heating treatment (hydrothermal synthesis treatment).

しかしながら、水酸化カリウム(KOH)は反応性が高く取り扱いが難しいという問題がある。またカリウムの反応性が高く、水酸化カリウム中には炭酸カリウム等を多く含み、一般的に高純度の試薬を入手しにくい。こうしたことから、高純度な生成物を得るための反応を行なうには、Naの水酸化物で合成することが望ましい。   However, potassium hydroxide (KOH) has a problem that it is highly reactive and difficult to handle. In addition, the reactivity of potassium is high, and potassium hydroxide contains a large amount of potassium carbonate and the like, and it is generally difficult to obtain a high-purity reagent. For these reasons, it is desirable to synthesize with a hydroxide of Na in order to carry out a reaction for obtaining a highly pure product.

また、上記のような方法(水熱合成法)で得られた細線状チタン化合物は、化合物中のアルカリ金属などの不純物を除去し、結晶格子を整えるために高温で加熱処理するのが一般的であるが、こうした熱処理を行なうと、細線状チタン化合物での結晶格子の再配列が起こり、比表面積が極端に減少するという問題がある。即ち、上記方法で得られた細線状チタン化合物は、熱処理温度に限界があり、希望する特性が発揮できないのが実情である。上記非特許文献1によれば、熱処理温度が500℃で比表面積が148.4m2/g、熱処理温度が600℃で比表面積が64.2m2/gまで夫々減少していることが示されている。 In addition, the fine-line titanium compound obtained by the above method (hydrothermal synthesis method) is generally heat-treated at a high temperature in order to remove impurities such as alkali metals in the compound and arrange the crystal lattice. However, when such heat treatment is performed, rearrangement of the crystal lattice occurs in the fine-line titanium compound, and there is a problem that the specific surface area is extremely reduced. That is, the thin linear titanium compound obtained by the above method has a limit in heat treatment temperature, and it is a fact that the desired properties cannot be exhibited. According to Non-Patent Document 1, it is shown that the heat treatment temperature is 500 ° C. and the specific surface area is 148.4 m 2 / g, the heat treatment temperature is 600 ° C. and the specific surface area is 64.2 m 2 / g. ing.

一方、非特許文献2には、天然のルチルサンド(チタン含有量96%)を原料として、10mol/LのNaOH水溶液中で、150℃、72時間の条件で水熱合成を行なうことによって、TiO2(B)型の酸化チタン系細線状生成物が得られることが開示されている。また、この技術では、合成された酸化チタン系細線状生成物を塩酸で洗浄(イオン交換)した後に、試料を大気中で各々120〜1000℃に加熱(加熱時間:4時間)したときの結晶系や比表面積についても測定されている。 On the other hand, Non-Patent Document 2 discloses that TiO 2 is obtained by hydrothermal synthesis using natural rutile sand (titanium content 96%) as a raw material in a 10 mol / L NaOH aqueous solution at 150 ° C. for 72 hours. the 2 (B) type titanium oxide fine line product is obtained is disclosed. In this technique, the synthesized titanium oxide thin wire product is washed with hydrochloric acid (ion exchange), and then the sample is heated to 120 to 1000 ° C. in the atmosphere (heating time: 4 hours). System and specific surface area are also measured.

この技術によれば、300〜500℃の加熱において、TiO2(B)型の酸化チタン系細線状生成物が観察されているが、500〜900℃の加熱によってアナターゼが観察されるようになり、更に900℃以上の加熱によってアナターゼの一部がルチルに相転移していることが観察されている。また、比表面積については、水熱合成後(熱処理前)においては、比表面積が45m2/gのものが得られているが、加熱に伴って比表面積が次第に低下することも示されている。 According to this technique, a TiO 2 (B) type titanium oxide thin wire product is observed in heating at 300 to 500 ° C., but anatase is observed by heating at 500 to 900 ° C. Further, it has been observed that a part of anatase is phase-transformed into rutile by heating at 900 ° C. or higher. As for the specific surface area, after hydrothermal synthesis (before heat treatment), a specific surface area of 45 m 2 / g is obtained, but it is also shown that the specific surface area gradually decreases with heating. .

特に、この技術では、天然のルチルサンド(チタン含有量96%)を原料としているため、ナノファイバーに不純物が多く含まれており、このようなものを色素増感型太陽電池用のチタニア電極の素材として用いた場合には、電気的特性を悪化させる可能性がある。また、上記不純物が原因して、細径化した酸化チタンが得られにくいという問題がある。   In particular, since this technology uses natural rutile sand (titanium content of 96%) as a raw material, the nanofiber contains a large amount of impurities. Such a material is used as a titania electrode for a dye-sensitized solar cell. When used as a material, there is a possibility of deteriorating electrical characteristics. Further, there is a problem that it is difficult to obtain a titanium oxide having a reduced diameter due to the impurities.

また、この技術で得られた酸化チタン化合物では、合成後の熱処理を施すに際して、加熱温度に限界があることが予想される。即ち、細線状のチタン化合物を色素増感型太陽電池用のチタニア電極の素材等として用いる場合には、その結晶系はアナターゼ型であることが好ましいとされているが、このような結晶系は900℃以上の熱処理によって消失し、またファイバー径も著しく太くなることが報告されている。   In addition, with the titanium oxide compound obtained by this technique, it is expected that the heating temperature has a limit when the post-synthesis heat treatment is performed. That is, when a thin-line titanium compound is used as a material for a titania electrode for a dye-sensitized solar cell, the crystal system is preferably an anatase type. It has been reported that it disappears by heat treatment at 900 ° C. or higher, and the fiber diameter is remarkably increased.

上記非特許文献2には、市販のチタニア粉末を原料として、10mol/LのNaOH水溶液中で、150℃、72時間の条件で水熱合成を行なうことによって、TiO2(B)型の酸化チタン系細線状生成物が得られることも開示されている。また、この技術では、水熱合成された酸化チタン系細線状生成物を塩酸で洗浄(イオン交換)した後に、試料を大気中で各々100〜1000℃に加熱(加熱時間:2時間)したときの結晶系についても測定されている。しかしながら、市販のチタニア粉末を原料として用いた場合では、天然のルチルサンドを原料として用いた場合とでは、特性上において顕著な違いは認められず、比較的低い温度での熱処理によって結晶系が変化(相転移)することや、ファイバーの径が著しく太くなる現象も現れることになる。 Non-Patent Document 2 discloses that TiO 2 (B) type titanium oxide is obtained by hydrothermal synthesis using commercially available titania powder as a raw material in a 10 mol / L NaOH aqueous solution at 150 ° C. for 72 hours. It is also disclosed that a system-like thin line product can be obtained. Further, in this technique, after the hydrothermally synthesized titanium oxide thin wire product is washed with hydrochloric acid (ion exchange), each sample is heated to 100 to 1000 ° C. in the atmosphere (heating time: 2 hours). It has also been measured for the crystal system. However, when commercially available titania powder is used as a raw material, there is no significant difference in characteristics from when natural rutile sand is used as a raw material, and the crystal system changes due to heat treatment at a relatively low temperature. (Phase transition) and a phenomenon that the diameter of the fiber becomes remarkably thick also appear.

非特許文献3には、アルコキシド法によって細線状チタン化合物を合成することについて開示されている。また、この技術では、市販のチタン粉末をチタニア電極に用いた場合には、その膜厚を厚くしても短絡電流Jscが飽和してしまうが、細線状チタン化合物をチタニア電極に用いた場合には、短絡電流Jsc(「短絡電流Jsc」については、後述する)が飽和する現象が見られないことも示されている。   Non-Patent Document 3 discloses synthesizing a fine-line titanium compound by an alkoxide method. In addition, in this technique, when a commercially available titanium powder is used for a titania electrode, the short-circuit current Jsc is saturated even if the film thickness is increased, but when a thin-line titanium compound is used for a titania electrode. It is also shown that the phenomenon that the short-circuit current Jsc (“short-circuit current Jsc” will be described later) saturates is not observed.

実平、外2名、「酸化チタンナノワイヤーの合成と色素増感太陽電池」、化学工業、第60巻、第796−800頁(2004年10月)Shinpei and two others, “Synthesis of Titanium Oxide Nanowire and Dye-sensitized Solar Cell”, Chemical Industry, Vol. 60, pp. 796-800 (October 2004) Systhesis of titanate,TiO2(B),and anatase TiO2 nano−fibers from natural rutile sand,Sorapong Pavasupree,Yosikazu Susuki,Susumu Yosikawa,Ryoji Kawahara,Journal of solid Stete Chemistry,178(2005),3110−3116、2179−2185Systhesis of titanate, TiO2 (B), and anatase TiO2 nano-fibers from natural rutile sand, Sorapong Pavasupree, Yosikazu Susuki, Susumu Yosikawa, Ryoji Kawahara, Journal of solid Stete Chemistry, 178 (2005), 3110-3116,2179-2185 Formation of Titania Nanotubes and Application for Dye−Sensitized solar Cells,Motonari Adachi,Yusuke Murata,Issei Okada and Susumu Yoshikawa,Journal of Electrochemical Society,150(8)G488−G493(2003)Formation of Titania Nanotubes and Application for Dye-Sensitized solar Cells, Motonari Adachi, Yusuke Mata, Issei Okada and Susumu Yaku.

これまで提案されてきた技術では、得られる細線状チタン化合物の特性(細線化や長繊維化、熱処理後にチタニア電極の素材として用いたときの発電効率)に関して若干の問題があり、その特性において更なる改善の余地がある。よって本発明の目的は、細線化や長繊維化を更に促進すると共に、熱処理後にチタニア電極の素材として用いたときの発電効率において良好な特性を発揮する細線状チタン化合物、およびこのような細線状チタン化合物を利用した色素増感型太陽電池用チタニア電極、並びにこうしたチタニア電極を有する色素増感型太陽電池を提供することにある。   The technologies that have been proposed so far have some problems with respect to the properties of the resulting thin-line titanium compound (power generation efficiency when used as a material for titania electrodes after thinning, long fiber, and heat treatment). There is room for improvement. Accordingly, an object of the present invention is to further promote the thinning and long fiber, and to produce a thin-line titanium compound that exhibits good characteristics in power generation efficiency when used as a material for a titania electrode after heat treatment, and such a thin-line shape It is an object of the present invention to provide a titania electrode for a dye-sensitized solar cell using a titanium compound and a dye-sensitized solar cell having such a titania electrode.

上記目的を達成することのできた本発明の細線状チタン化合物とは、チタン酸塩とアルカリ水溶液の混合物を加圧加熱処理することによって製造されるTiO2(B)型細線状チタン化合物であって、前記加圧加熱処理で合成されるTiO2(B)型チタン酸塩中のアルカリ金属元素より陽イオン半径が小さい不純物元素量が、原料中に含まれるチタン元素のモル数に対して1/1000以下に制御されているTiO2(B)型細線状チタン化合物を、その後900℃以上の温度で加熱処理が施されたものであり、アナターゼ型である点に要旨を有するものである。 The fine-line titanium compound of the present invention capable of achieving the above object is a TiO 2 (B) type fine-line titanium compound produced by subjecting a mixture of titanate and an aqueous alkali solution to pressure and heat treatment. The amount of the impurity element having a smaller cation radius than the alkali metal element in the TiO 2 (B) type titanate synthesized by the pressure heat treatment is 1 / the number of moles of the titanium element contained in the raw material. A TiO 2 (B) type fine wire titanium compound controlled to 1000 or less is then heat-treated at a temperature of 900 ° C. or higher, and has a gist in that it is anatase type.

本発明の細線状チタン化合物は、色素増感型太陽電池に用いられるチタニア電極、光触媒材料(例えば、空気清浄機や車両用脱臭材料)、自己清浄性塗料(例えば、屋外塗料、建築外壁材料)、ファイバー状半導体材料(例えば、有機型太陽電池のバルクヘテロ構造の構成材料)等の素材として有用なものであるが、特に色素増感型太陽電池に用いられるチタニア電極の素材として用いた場合には、良好な発電効率を発揮するものとなる。その具体的な構成としては、上記のような細線状チタン化合物と、粉末状のチタニアを混合することによって構成されたチタニア電極が挙げられる。また、このときの細線状チタン化合物の混合割合は、0.1〜20質量%(細線状チタン化合物と粉末状のチタニアの合計量に対する割合)であることが好ましい。   The thin-line titanium compound of the present invention includes a titania electrode used for a dye-sensitized solar cell, a photocatalyst material (for example, an air purifier or a vehicle deodorizing material), and a self-cleaning paint (for example, an outdoor paint or a building exterior wall material). It is useful as a material such as a fiber-like semiconductor material (for example, a constituent material of a bulk hetero structure of an organic solar cell), but particularly when used as a material for a titania electrode used in a dye-sensitized solar cell. , Will exhibit good power generation efficiency. As a specific configuration thereof, a titania electrode configured by mixing the fine wire titanium compound as described above and powdered titania can be cited. Moreover, it is preferable that the mixing rate of the fine wire titanium compound at this time is 0.1-20 mass% (ratio with respect to the total amount of a fine wire titanium compound and a powdery titania).

上記のようなチタニア電極を用いることによって、良好な発電効率を発揮する色素増感型太陽電池が実現できる。   By using the titania electrode as described above, a dye-sensitized solar cell that exhibits good power generation efficiency can be realized.

尚、本明細書において、「チタン酸」とは、チタン酸塩(xM2O・yTiO2;Mはアルカリ金属。x、yは自然数)の金属Mが水素原子Hに置き換わった化合物((xH2O・yTiO2);特にH2Ti37・3H2OなどのH2Ti37・nH2O(nは0〜3の自然数))のことをいい、含水型酸化チタン(H2Ti37(x=1、y=3))を含むものである。 In this specification, “titanic acid” means a compound in which a metal M of titanate (xM 2 O · yTiO 2 ; M is an alkali metal, x and y are natural numbers) is replaced with a hydrogen atom H ((xH 2 O.yTiO 2 ); especially H 2 Ti 3 O 7 .nH 2 O (n is a natural number of 0 to 3) such as H 2 Ti 3 O 7 .3H 2 O), and water-containing titanium oxide ( H 2 Ti 3 O 7 (x = 1, y = 3)).

また本明細書において「酸化チタン系化合物」とは、酸化チタン(TiO2)、含水型酸化チタン(H2Ti37)、およびその水和物(H2Ti37・mH2O(mは1〜3の自然数))を指す。更に、本明細書において「チタン化合物」は、前記チタン酸塩、チタン酸、酸化チタン系化合物の全てを含む意味で使用する。 Further, in this specification, the “titanium oxide compound” means titanium oxide (TiO 2 ), hydrous titanium oxide (H 2 Ti 3 O 7 ), and hydrates thereof (H 2 Ti 3 O 7 .mH 2 O). (M is a natural number of 1 to 3)). Further, in the present specification, the “titanium compound” is used to include all of the titanate, titanic acid, and titanium oxide compounds.

本発明によれば、チタン化合物の細線化および長繊維化を更に促進させることができると共に、高温の熱処理によっても相転移が生じないような細線状チタン化合物が実現でき、このような細線状チタン化合物を色素増感型太陽電池用のチタニア電極の素材として用いた場合には、発電効率(光発電効率)の増大が期待できる。   According to the present invention, it is possible to further promote the thinning and lengthening of the titanium compound, and it is possible to realize a thin-line titanium compound that does not cause phase transition even by high-temperature heat treatment. When the compound is used as a material for a titania electrode for a dye-sensitized solar cell, an increase in power generation efficiency (photoelectric power generation efficiency) can be expected.

チタン酸塩が巻回構造を構成することを説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating that a titanate comprises a winding structure. 微視的なTiO6結晶八面体の歪みの違いを概念的に示す説明図である。It is an explanatory view conceptually showing the difference in the distortion of microscopic TiO 6 crystal octahedron. 二次元に広がった不純物の分布状態を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the distribution state of the impurity spread in two dimensions. 本発明で使用する製造装置の一例を説明するための概略断面図である。It is a schematic sectional drawing for demonstrating an example of the manufacturing apparatus used by this invention. 実施例で得られた乾燥針状化合物の図面代用走査型電子顕微鏡写真である。It is a scanning-type scanning electron micrograph substituted for drawing of the dry acicular compound obtained in the Example. 比較例で得られた乾燥針状化合物の図面代用走査型電子顕微鏡写真である。It is a scanning substitute electron micrograph of the drawing of the dry acicular compound obtained by the comparative example. 実施例で得られた乾燥針状化合物のラマンスペクトルを示すグラフである。It is a graph which shows the Raman spectrum of the dry acicular compound obtained in the Example. 比較例で得られた乾燥針状化合物のラマンスペクトルを示すグラフである。It is a graph which shows the Raman spectrum of the dry acicular compound obtained by the comparative example. 乾燥針状化合物を様々な温度で熱処理したときの試料のXRDスペクトルを示すグラフである。It is a graph which shows the XRD spectrum of a sample when heat-treating a dry acicular compound at various temperature. 乾燥針状化合物を400℃で5時間熱処理したときの図面代用走査型電子顕微鏡写真である。It is a scanning-type scanning electron micrograph in place of a drawing when the dried acicular compound was heat-treated at 400 ° C. for 5 hours. 乾燥針状化合物を900℃で24時間熱処理したときの図面代用走査型電子顕微鏡写真である。It is a scanning substitute electron micrograph of a drawing when a dry acicular compound is heat-treated at 900 ° C. for 24 hours. 乾燥針状化合物を1050℃で24時間熱処理したときの図面代用走査型電子顕微鏡写真である。FIG. 2 is a drawing-substitute scanning electron micrograph when a dry acicular compound is heat-treated at 1050 ° C. for 24 hours. 実施例3において、各チタニア電極において加熱時間と各特性の値(いずれも絶対値で評価)との関係を示す棒グラフである。In Example 3, it is a bar graph which shows the relationship between the heating time and the value of each characteristic (all are evaluated by an absolute value) in each titania electrode. 実施例4において、各チタニア電極の構成と各特性の値(いずれも絶対値で評価)との関係を示す棒グラフである。In Example 4, it is a bar graph which shows the relationship between the structure of each titania electrode, and the value of each characteristic (all are evaluated by an absolute value).

本発明者らは、チタン化合物の細線化および長繊維化を更に促進させるという観点から、かねてより研究を進めてきた。その研究の一環として、製造の際に用いる原料中に含まれる特定の不純物が、チタン化合物の細線化や長繊維化を阻害していることを突き止めた。そして、このような不純物の量を極力低減した状態で水熱合成すると、チタン化合物の細線化および長繊維化が有効に促進されることを見出し、その技術的意義が認められたので同一出願人によって出願している(特願2008−269003号)。   The present inventors have been further researching from the viewpoint of further promoting the thinning and long fiber formation of the titanium compound. As part of that research, we have determined that certain impurities contained in the raw materials used in the production hinder the thinning and long fibers of titanium compounds. And when hydrothermal synthesis was performed with the amount of such impurities reduced as much as possible, it was found that thinning and long fibers of the titanium compound were effectively promoted, and its technical significance was recognized. (Japanese Patent Application No. 2008-269003).

上記技術は、チタン酸塩とアルカリ水溶液の混合物を加圧加熱処理し、チタン酸塩を細線状に成長させる工程を含む細線状チタン化合物の製造方法において、前記加圧加熱処理で合成されるチタン酸塩中のアルカリ金属元素より陽イオン半径が小さい不純物の原子の個数を、原料中に含まれるチタン元素の原子の個数の1/50以下に制御しつつ操業することによって、チタン化合物の細線化および長繊維化を実現したものである。   In the method for producing a fine-line titanium compound including a step of subjecting a mixture of titanate and an aqueous alkali solution to pressure-heat treatment and growing the titanate into a fine-line shape, the technique described above is titanium synthesized by the pressure-heat treatment. By controlling the number of impurity atoms with a smaller cation radius than the alkali metal element in the acid salt to 1/50 or less of the number of titanium element atoms contained in the raw material, the titanium compound is thinned. And a long fiber.

本発明者らは、上記発明が完成された後も細線状チタン化合物の特性を改善するべく、更に検討を重ねた。その結果、原料中に含まれる不純物元素を更に低減して水熱合成し、その後900℃以上の温度で熱処理を施したものでは、その特性においても従来の細線状チタン化合物の特性を凌駕するものとなることを見出し、本発明を完成した。即ち、本発明の細線状チタン化合物では、900℃程度の熱処理においても相転移が生じることなく、結晶系がアナターゼを主体とするものとなるのである。そして、このような細線状チタン化合物は、チタニア電極の素材として用いたときに色素増感型太陽電池の発電効率が更に向上したものとなる。   The present inventors have made further studies to improve the properties of the fine-line titanium compound even after the above invention has been completed. As a result, the hydrothermal synthesis by further reducing the impurity elements contained in the raw material, followed by heat treatment at a temperature of 900 ° C. or higher surpasses that of the conventional fine-line titanium compound. As a result, the present invention was completed. That is, in the thin-line titanium compound of the present invention, the crystal system is mainly composed of anatase without causing phase transition even in heat treatment at about 900 ° C. And when such a thin-line titanium compound is used as a material for a titania electrode, the power generation efficiency of the dye-sensitized solar cell is further improved.

不純物元素の低減によってチタン化合物の細線化および長繊維化が有効に促進される原理は次のように考えることができる。一般的にイオン半径は、元素、イオンの価数、配位数により異なることが知られている。本発明では、価数はチタン酸塩中で安定なイオンの価数を用いる。即ち、K,Naは1価の陽イオン、Ca,Znは2価の陽イオン、Alは3価の陽イオン、Siは4価の陽イオンとなる。またイオン半径は、本来ならばチタン酸塩中のイオンの半径を以て議論すべき(例えば、「バトラー/ハロッド 無機化学(上)」(R.D.Sharnnon Acta Crytallographica,A32,751(1976):参考文献))であるが、同配位数のイオン半径を基準として、イオン半径を相対比較してイオン半径を議論しても構わない。また、後述する機構からして、チタン化合物の細線化に影響を及ぼす元素は、原料としてのアルカリ水溶液を構成するアルカリ金属元素よりも、前記した様に陽イオン半径を比較したときに陽イオン半径が小さい元素であることが必要となる。   The principle that thinning and lengthening of the titanium compound are effectively promoted by reducing the impurity elements can be considered as follows. In general, it is known that the ionic radius varies depending on the element, the valence of the ion, and the coordination number. In the present invention, the valence is the valence of ions that are stable in titanate. That is, K and Na are monovalent cations, Ca and Zn are divalent cations, Al is a trivalent cation, and Si is a tetravalent cation. The ionic radius should be discussed with the radii of ions in titanate (for example, “Butler / Harrod Inorganic Chemistry (above)” (RD Sharnnon Acta Crystallographica, A32, 751 (1976): Reference: However, you may discuss the ionic radius by comparing the ionic radii relative to the ionic radius of the same coordination number. In addition, from the mechanism described later, the element that affects the thinning of the titanium compound is a cation radius when comparing the cation radius as described above rather than the alkali metal element constituting the alkaline aqueous solution as a raw material. Is required to be a small element.

Na2Ti37等のチタン酸金属塩は、チタン酸と金属元素とが層状構造を構成し、それらの元素比が一定の整数比に従う化合物を構成するため、チタン酸の層と金属原子層との間に一定の元素の比率に従った段差構造が構成され、更にそれらの段差構造が水熱合成法による加圧加熱処理中で自己整合的にロール状の針状結晶を成長させるものと考えられている(例えば、The Soft Chemical Systhesis of TiO2(B) from layered Titanatees,THOMAS P.FEIST AND PETER K.DAVIEST)。こうした巻回構造について、図面を用いて説明する。 In the titanic acid metal salt such as Na 2 Ti 3 O 7 , titanic acid and the metal element constitute a layered structure, and the element ratio thereof constitutes a compound according to a constant integer ratio. A step structure according to the ratio of a certain element is formed between the layers, and the step structure grows a roll-like needle crystal in a self-aligned manner during pressure heating treatment by a hydrothermal synthesis method. It is believed that (for example, the Soft Chemical Systhesis of TiO 2 (B) from layered Titanatees, THOMAS P.FEIST aND PETER K.DAVIEST). Such a winding structure will be described with reference to the drawings.

図1は、チタン酸塩(例えば、チタン酸ナトリウム:Na2Ti37)が巻回構造を構成することを説明するための模式図であり、図中1はTiO6結晶八面体を示している。TiO6結晶八面体1は、3連続した箇所で段差を生じており、水熱合成により最終的に針状化合物の形状を得るためには、上記のTiO6結晶八面体1の角部が結晶の歪みに対して最も弱い構造をしているので、TiO6結晶八面体1同士が一定の割合で歪みを生じて、長期的に歪みを蓄積することにより、最終的に巻回構造を示し、一次元構造である針状化合物を構成すると考えられる。 FIG. 1 is a schematic diagram for explaining that a titanate (for example, sodium titanate: Na 2 Ti 3 O 7 ) constitutes a wound structure. In the figure, 1 indicates a TiO 6 crystal octahedron. ing. The TiO 6 crystal octahedron 1 has steps at three consecutive locations, and in order to finally obtain the shape of the needle-like compound by hydrothermal synthesis, the corners of the TiO 6 crystal octahedron 1 are crystallized. Since the TiO 6 crystal octahedrons 1 are distorted at a constant rate and accumulated over a long period of time, the winding structure is finally shown. It is considered to constitute an acicular compound having a one-dimensional structure.

図2は、例えばNa陽イオンとK陽イオン等のように金属元素イオンの半径(陽イオン半径)が異なる場合の、微視的なTiO6結晶八面体1の歪みの違いを概念的に示す説明図である。図2(a)は、Na陽イオン(図中、2で示す)を含む場合(即ち、アルカリ水溶液としてNaOHを使用した場合)を示し、図2(b)は、K陽イオン(図中、3で示す)を含む場合(即ち、アルカリ水溶液としてKOHを使用した場合)を示している。 FIG. 2 conceptually shows the difference in strain of the microscopic TiO 6 crystal octahedron 1 when the radii of metal element ions (cation radii) are different, such as Na cation and K cation. It is explanatory drawing. FIG. 2 (a) shows the case containing Na cation (indicated by 2 in the figure) (that is, when NaOH is used as the alkaline aqueous solution), and FIG. 2 (b) shows K cation (in the figure, 3) (that is, when KOH is used as an alkaline aqueous solution).

例えば、アルカリ金属イオンとしてK陽イオンが存在する場合[図2(b)]には、TiO6結晶八面体1により構成される平面間隔が広がり、TiO6結晶八面体1により構成される平面同士の幾何学的な干渉が少なくなる。そして、平面同士の幾何学的な干渉が少なくなるために、TiO6結晶八面体1の平面上の段差における歪みが容易に大きくなると考えられる。また、陽イオンであるKやNaは、電子を供給してTiO6結晶八面体1の角部の酸素の分子の軌道にも影響を与えていると考えられる。 For example, when a K cation is present as an alkali metal ion [FIG. 2 (b)], the plane interval constituted by the TiO 6 crystal octahedron 1 is widened, and the planes constituted by the TiO 6 crystal octahedron 1 are Less geometric interference. Then, since the geometrical interference between the planes is reduced, it is considered that the distortion at the step on the plane of the TiO 6 crystal octahedron 1 is easily increased. In addition, it is considered that K and Na, which are cations, supply electrons and affect the orbital of oxygen molecules at the corners of the TiO 6 crystal octahedron 1.

こうした原理からして、チタン酸塩の平面上段差は、用いるアルカリ金属元素のイオン半径(陽イオン半径)に影響されると考えることができる。Na陽イオンの半径は0.116nmであるのに対して、K陽イオンの半径は0.152nmである「例えば、「バトラー/ハロッド 無機化学(上)」(R.D.Sharnnon Acta Crytallographica,A32,751(1976):参考文献)」。   From this principle, it can be considered that the step on the plane of titanate is influenced by the ionic radius (cation radius) of the alkali metal element used. The radius of the Na cation is 0.116 nm, whereas the radius of the K cation is 0.152 nm. For example, “Butler / Harod Inorganic Chemistry (above)” (RD Sharnon Acta Crystallographica, A32 751 (1976): Reference).

従って、アルカリ水溶液として、KOHを用いた場合(即ち、アルカリ金属原子としてKが存在する場合)は、NaOHを用いた場合(即ち、アルカリ金属原子としてNaが存在する場合)に比べて、巻回構造の曲率半径が小さくなることが予想され、得られるチタニア化合物は結晶がより細線化して大きな比表面積を示すものとなると考えられる。   Accordingly, when KOH is used as the alkaline aqueous solution (that is, when K is present as the alkali metal atom), the winding is more difficult than when NaOH is used (that is, when Na is present as the alkali metal atom). It is expected that the radius of curvature of the structure will be reduced, and the resulting titania compound is considered to exhibit a large specific surface area due to finer crystals.

上記のような機構に対して、合成雰囲気中に一定量以上の不純物元素が存在する場合には、不純物元素の歪みが蓄積されて形成される長期的な巻回構造を乱して局所的に曲率半径を変化させて巻回構造の構成を阻害してしまうため、曲率半径が大きくなる方向に作用するものと考えられる。即ち、不純物元素は、長期的なTiO6結晶八面体により構成される平面の歪みを一定間隔で乱すことによって、巨視的な巻回構造の整合性を乱すものと考えられる。水熱合成の環境下で混入する不純物は、上記のようにCa,Al,Zn,Si,Mg等が考えられるが、これらの不純物は、概ねK陽イオンやNa陽イオンに比べて、イオン半径(陽イオン半径)が小さく且つ電子の価数が多いものである。例えば、上記参考文献によれば、これらの元素の陽イオン半径は、Ca2+:0.114nm、Al3+:0.068nm、Zn2+:0.088nm、Si4+:0.054nm、Mg2+:0.086nmとなる。尚、同一元素であっても、イオンの価数と配位数によってイオン半径が異なるが、ここでは、当該元素がチタン酸塩として化合するときの陽イオンの価数におけるイオン半径とする。 In contrast to the above mechanism, when a certain amount or more of impurity elements are present in the synthesis atmosphere, the long-term winding structure formed by accumulation of distortion of the impurity elements is disturbed locally. Since the radius of curvature is changed to hinder the configuration of the winding structure, it is considered that the radius of curvature increases. That is, it is considered that the impurity element disturbs the consistency of the macroscopic winding structure by disturbing the strain of the plane constituted by the long-term TiO 6 crystal octahedron at regular intervals. As described above, Ca, Al, Zn, Si, Mg, and the like can be considered as impurities mixed in the hydrothermal synthesis environment. These impurities are generally ionic radii as compared with K cations and Na cations. The (cation radius) is small and the valence of electrons is large. For example, according to the above references, the cation radii of these elements are Ca 2+ : 0.114 nm, Al 3+ : 0.068 nm, Zn 2+ : 0.088 nm, Si 4+ : 0.054 nm, Mg 2+ : 0.086 nm In addition, even if it is the same element, although an ion radius changes with the valence and coordination number of an ion, it is set as the ion radius in the valence of a cation when the said element combines as a titanate here.

従って、TiO6結晶八面体により構成される平面の間に不純物元素のイオンが置換された場合には、電子の価数の等しいKイオンやNaイオンを排斥してしまうので、原子の個数が少なくても、不純物元素によって結晶の巻回構造が崩され易くなるものと考えられる。ここで、TiO6結晶八面体によって構成される平面の間に入るアルカリ金属元素(KまたはNa)は二次元の分布をもつので、不純物の原子がアルカリ金属原子の1/100であった場合には、図3(二次元に広がった不純物の分布状態を示す概念図)に示すように(図中、4はアルカリ金属元素、5は不純物元素を示す)、一次元的(直線的)には10個に1個の割合で不純物元素が存在することになるので、巻回構造への影響は無視できないことになる。 Therefore, when the impurity element ions are substituted between the planes formed by the TiO 6 crystal octahedron, K ions and Na ions having the same valence of electrons are eliminated, so that the number of atoms is small. However, it is considered that the winding structure of the crystal is easily broken by the impurity element. Here, since the alkali metal element (K or Na) entering between the planes constituted by the TiO 6 crystal octahedron has a two-dimensional distribution, the impurity atom is 1/100 of the alkali metal atom. As shown in FIG. 3 (conceptual diagram showing the distribution state of impurities spread in two dimensions) (in the figure, 4 indicates an alkali metal element, 5 indicates an impurity element), one-dimensional (linear) Since the impurity element is present at a ratio of 1 to 10, the influence on the winding structure cannot be ignored.

尚、上記した巻回構造について、シート状のH2Ti37分子がアルカリ溶液中で、周囲に存在するイオンの電子状態に関連して、分子の電子軌道を変性させるため、一定の曲率を持ってシート状のH2Ti37分子が安定するとの説明もなされている(例えば、“Formation Mechanism of H2Ti37 Nanotubes”S.Zhang,L-M.Peng,Q.Chen,G.H.Du,G.Dawson and W.Z.Zhou,The American Physical Society Vol.91,No.25(2003)256103−1)。 In the above-described winding structure, the sheet-like H 2 Ti 3 O 7 molecule is denatured in the alkaline solution in relation to the electronic state of the ions present in the periphery, and therefore has a constant curvature. It is also explained that the sheet-like H 2 Ti 3 O 7 molecule is stabilized (for example, “Formation Mechanism of H 2 Ti 3 O 7 Nanotubes” S. Zhang, LM Peng, Q. Chen). , GH Du, G. Dawson and W. Z. Zhou, The American Physical Society Vol. 91, No. 25 (2003) 256103-1.

従来技術で示したように(前記非特許文献1参照)、KOH系での水熱合成で得られたチタニア化合物は、その後の熱処理によって、比表面積が極端に低下するものとなっている。こうした現象は、NaOH系の水熱合成によっても見られ、1000℃ではチタニア化合物の形状自体が崩れ、原子の位置交換によって、ファイバーが太くなる事例も報告されている。これらの現象は、上記した巻回構造を構成する微小なTiO6結晶八面体の曲率の変化が原因であると説明できる。 As shown in the prior art (see Non-Patent Document 1), the titania compound obtained by hydrothermal synthesis in the KOH system has an extremely low specific surface area due to subsequent heat treatment. Such a phenomenon is also observed by NaOH-based hydrothermal synthesis, and it has been reported that the shape of the titania compound itself collapses at 1000 ° C., and the fiber becomes thicker due to atomic position exchange. It can be explained that these phenomena are caused by a change in the curvature of the small TiO 6 crystal octahedron constituting the above-described winding structure.

本発明のチタニア化合物は、不純物元素を低減した原料を用いて水熱合成したものを素材とするものであるが、こうしたチタニア化合物では、理想的な巻回構造を構成するため、その結果として化合物結晶の細径化が図られ、且つ結晶構造が理想的であるため、その後の熱処理により格子歪みの緩和が少なく、結晶の相転移の温度が従来技術で示されたものに比べて200℃程度高温側に移動すると考えられる。   The titania compound of the present invention is a material that is hydrothermally synthesized using raw materials with reduced impurity elements. However, such a titania compound constitutes an ideal winding structure, and as a result, the compound Since the crystal diameter is reduced and the crystal structure is ideal, the lattice distortion is less relaxed by the subsequent heat treatment, and the temperature of the phase transition of the crystal is about 200 ° C. compared with that shown in the prior art. It is thought that it moves to the high temperature side.

一般的に、結晶を高温で加熱処理した場合には、熱エネルギーにより原子が振動する。結晶中の欠陥などの不完全な結晶部分がある場合は、熱による振動のために原子位置が移動して一時的に多くの原子と結合を行なうことになる(電子の共有状態が異なる)。そして、最終的に最も安定な結合を取ることで最も安定な状態となる。こうした現象は、結晶の不完全な部分を解消する熱処理(アニール処理)の作用として良く知られているものである。また、上記のように結晶格子中の歪みの解消だけでなく、例えば結晶中に不純物が存在する場合も、熱振動によって不純物元素の位置が変化して、不純物を捕らえることのできる界面や粒界に不純物が移動させ、または不純物を不活性にし、更には結晶の外に排出する可能性もある。   In general, when a crystal is heat-treated at a high temperature, atoms vibrate due to thermal energy. When there is an incomplete crystal portion such as a defect in the crystal, the atomic position moves due to vibration caused by heat and bonds with a large number of atoms are temporarily performed (electron sharing states are different). Finally, the most stable state is obtained by taking the most stable bond. Such a phenomenon is well known as an effect of heat treatment (annealing treatment) for eliminating imperfect portions of the crystal. In addition to eliminating strain in the crystal lattice as described above, for example, when impurities exist in the crystal, the position of the impurity element changes due to thermal vibration, and the interface or grain boundary can capture the impurities. There is also a possibility that the impurities move to the surface, or the impurities are inactivated and further discharged out of the crystal.

このように、結晶中の原子の位置の変換が行なわれるとされる高温(例えば400℃以上)で加熱する処理は、結晶中の歪みを修復し、且つ結晶中の不純物元素を移動させて不活化させる可能性があり、一般的に材料の電気的特性を向上させる方向に作用するが、結晶が相転移する場合には、最適な結晶系を維持するために相転移が生じる温度よりも低い温度で加熱処理する必要がある。こうした観点からして、従来の技術で得られたチタニア化合物では、材料特性の向上に限界があった。   As described above, the heating at a high temperature (for example, 400 ° C. or more) at which the position of atoms in the crystal is converted is repaired, and the impurity element in the crystal is moved and is not transferred. May be activated and generally works in the direction of improving the electrical properties of the material, but if the crystal undergoes a phase transition, it is below the temperature at which the phase transition occurs in order to maintain an optimal crystal system Heat treatment at temperature is necessary. From such a viewpoint, the titania compound obtained by the conventional technique has a limit in improving material properties.

本発明で用いるチタニア化合物は、不純物元素を極力低減した原料を用いて水熱合成したものである。このときの不純物元素量は、原料中に含まれるチタン元素のモル数に対して1/1000以下に制御する必要がある。また、水熱合成した段階でチタニア化合物(細線状チタニア化合物)は、その結晶系がTiO2(B)型のものであるが、その後の熱処理によってアナターゼ型のものとなる。このときの熱処理温度は、900℃以上(好ましくは1000℃以上、より好ましくは1050℃以上)とする必要がある。但し、熱処理温度があまり高くなり過ぎると、その結晶系がルチル型に転移するので、1100℃未満(但し、24時間保持の場合)とすることが好ましい。 The titania compound used in the present invention is hydrothermally synthesized using a raw material in which impurity elements are reduced as much as possible. The amount of the impurity element at this time needs to be controlled to 1/1000 or less with respect to the number of moles of titanium element contained in the raw material. In addition, the titania compound (thin linear titania compound) at the stage of hydrothermal synthesis has a crystal system of TiO 2 (B) type, but becomes anatase type by subsequent heat treatment. The heat treatment temperature at this time needs to be 900 ° C. or higher (preferably 1000 ° C. or higher, more preferably 1050 ° C. or higher). However, if the heat treatment temperature becomes too high, the crystal system transitions to the rutile type, and therefore, it is preferable to set the temperature below 1100 ° C. (however, when kept for 24 hours).

また熱処理を行なうときの時間(処理時間)については、何ら限定するものではないが、細線状チタニア結晶全体にわたり格子歪みを解消するという観点からして、格子緩和に必要な0.5時間以上とすることが好ましい。しかしながら、処理時間があまり長くなっても、一定温度で熱処理を継続することは、熱履歴を蓄えることとなり、より高温まで加熱したときと同等の現象が現れるので、好ましくない転移が発生する可能性があり、工業的にコストが上がるだけであるので48時間以内とするのが良い。   Further, the time for performing the heat treatment (treatment time) is not limited at all, but from the viewpoint of eliminating lattice distortion over the entire thin-line titania crystal, it is 0.5 hours or more necessary for lattice relaxation. It is preferable to do. However, if the heat treatment is continued at a constant temperature even if the treatment time is too long, a heat history is accumulated, and a phenomenon equivalent to that when heated to a higher temperature appears, so that an undesirable transition may occur. Because it only increases the cost industrially, it should be within 48 hours.

尚、上記加熱するときの雰囲気については、特別な設備を必要とせず、大気中で実施することができるが、チタニア中の酸素欠損を補う観点から、酸素雰囲気で加熱しても良い。また、大気中の窒素や酸素の混入が問題となる場合には、不活性ガス雰囲気或は真空雰囲気で加熱しても良い。また、意図的に酸素欠陥を生じさせて半導体の特性を制御したい場合には、水素などの還元性ガス雰囲気で加熱しても良い。上記加熱の際の加熱速度は速いほど良く、例えば20℃/分以上としても良い。このように加熱速度を制御することにより、脱水時に、巻回構造特有の構造が崩れて、従来の結晶の性質を帯びる可能性を低くするため、巻回構造の結晶の有する特殊な物性を顕在化させるという作用が発揮される。   In addition, about the atmosphere at the time of the said heating, although a special installation is not required and it can implement in air | atmosphere, you may heat in an oxygen atmosphere from a viewpoint of supplementing the oxygen deficiency in titania. Further, in the case where mixing of nitrogen or oxygen in the atmosphere becomes a problem, heating may be performed in an inert gas atmosphere or a vacuum atmosphere. In addition, when it is desired to control the characteristics of a semiconductor by intentionally generating oxygen defects, heating may be performed in a reducing gas atmosphere such as hydrogen. The higher the heating rate during the heating, the better, for example, 20 ° C./min or more. By controlling the heating rate in this way, the special properties of the wound structure crystal are revealed in order to reduce the possibility that the structure unique to the wound structure collapses during dehydration and assumes the properties of conventional crystals. The effect of making it appear.

上記のようなチタニア化合物を得るためには、原料中に混入する不純物の濃度を抑制することが重要であるが、不純物の濃度を低減する手段としては、強アルカリ溶液を調製する器具にガラス製等のアルカリと反応する器具を使わないことが基本となる。水酸化ナトリウムの溶解は、溶解熱が大きく発熱を伴い、且つ溶液の粘性が高い。また、溶液を希釈した場合は、その体積が減少するので、メスフラスコで評線を合わせる場合は、数度純水を満たして攪拌を繰り返す必要がある。従って、メスフラスコで調製した場合は評線を合わせるために高温の溶液を冷却し、溶液中の気泡を除去するために一定時間溶液を放置する必要があり、且つ評線を正確にあわせるために、数回希釈を行なう必要がある。   In order to obtain the titania compound as described above, it is important to suppress the concentration of impurities mixed in the raw material. However, as a means for reducing the concentration of impurities, as a means for reducing the concentration of impurities, an instrument for preparing a strong alkali solution is made of glass. It is fundamental not to use equipment that reacts with alkali such as. In the dissolution of sodium hydroxide, the heat of dissolution is large and accompanied by heat generation, and the viscosity of the solution is high. Further, when the solution is diluted, the volume thereof is reduced. Therefore, when the evaluation is made with a volumetric flask, it is necessary to fill the pure water several times and repeat the stirring. Therefore, when prepared in a volumetric flask, it is necessary to cool the hot solution to adjust the rating, and to leave the solution for a certain period of time to remove bubbles in the solution, and to accurately adjust the rating. It is necessary to dilute several times.

またNaOH標準溶液を使用する前に、ICP(Inductively Coupled Plasma)発光分光分析によって不純物濃度を測定し、それが原料中に含まれるチタン元素のモル数に対して1/1000以下となっていることを確認してから水熱合成を行なうようにすることも有用である。   In addition, before using the NaOH standard solution, the impurity concentration is measured by ICP (Inductively Coupled Plasma) emission spectroscopic analysis, and it is 1/1000 or less with respect to the number of moles of titanium element contained in the raw material. It is also useful to perform hydrothermal synthesis after confirming the above.

上記工程で用いる器具をテフロンコーティング等の反応性が低いコーティング材料や樹脂を用いることが望ましい。また工業的には予め混合する原料の比率を定めておき、予め体積減少を考慮して混合する等の手法が考えられる。尚、水熱合成に用いるアルカリ水溶液としては、KOHやNaOHが代表的なものとして挙げられるが、より不純物の少ない試薬を入手できるとの観点からすればNaOHを用いることが好ましい。   It is desirable to use a coating material or resin with low reactivity such as Teflon coating as the instrument used in the above process. Further, industrially, a method of preliminarily determining the ratio of raw materials to be mixed and mixing in consideration of volume reduction can be considered. In addition, as alkaline aqueous solution used for hydrothermal synthesis, although KOH and NaOH are mentioned as a typical thing, it is preferable to use NaOH from a viewpoint that a reagent with few impurities can be obtained.

本発明で用いる細線状チタン化合物は水熱合成によって製造されるものである。水熱合成は、チタン酸塩を含む液を加圧加熱処理し、チタン酸塩化合物(結晶を含む)やチタン酸化合物(結晶を含む)を成長させる反応をいう。チタン酸塩を含む液の調製手法は、従来公知の種々の手法を採用でき、例えば、チタン酸塩を直接水に溶解ないし分散させてもよいが、好ましくは酸化チタン系化合物(特に酸化チタン)とアルカリ水溶液を混合する。酸化チタン系化合物とアルカリ水溶液の混合物では、水熱合成が速く進行する。   The fine-line titanium compound used in the present invention is produced by hydrothermal synthesis. Hydrothermal synthesis refers to a reaction in which a liquid containing titanate is subjected to pressure and heat treatment to grow a titanate compound (including crystals) or a titanate compound (including crystals). As a method for preparing a liquid containing a titanate, various conventionally known methods can be employed. For example, the titanate may be directly dissolved or dispersed in water, but preferably a titanium oxide compound (particularly titanium oxide). And alkaline aqueous solution. In a mixture of a titanium oxide compound and an aqueous alkali solution, hydrothermal synthesis proceeds rapidly.

酸化チタンとしては、高純度なものであればどの結晶系のものでも良く、アナターゼ型、ルチル型、ブルッカイト型、その他報告されているスリランカイト型、高圧型、II型であっても良い。合成酸化チタンを用いると、生成物(細線状チタン化合物)に混入する不純物をより低減でき、生成物の電気的特性を高めることができる。実施例では、アナターゼ型を用いた。   Titanium oxide may be of any crystal system as long as it is of high purity, and may be anatase type, rutile type, brookite type, and other reported sri-lankite type, high pressure type, and type II. When synthetic titanium oxide is used, impurities mixed in the product (thin wire titanium compound) can be further reduced, and the electrical characteristics of the product can be enhanced. In the examples, the anatase type was used.

水熱合成後の細線状チタン化合物は、その比表面積(BET比表面積)が47〜81m2/g程度のものとなる。また、この細線状チタン化合物は、結晶晶系がTiO2(B)構造を主体とするものとなる。 The fine linear titanium compound after hydrothermal synthesis has a specific surface area (BET specific surface area) of about 47 to 81 m 2 / g. In addition, this fine-line titanium compound has a crystal system mainly composed of a TiO 2 (B) structure.

水熱合成する際に用いるアルカリ水溶液としては、水酸化ナトリウム水溶液、水酸化カリウム水溶液などのアルカリ金属水酸化物の水溶液が使用できる。このアルカリ水溶液は、一般的に高濃度アルカリであり、アルカリ金属の濃度は、例えば、1〜20mol/L程度、好ましくは2〜17mol/L程度、さらに好ましくは5〜15mol/L程度である。   As an aqueous alkali solution used for hydrothermal synthesis, an aqueous solution of an alkali metal hydroxide such as an aqueous sodium hydroxide solution or an aqueous potassium hydroxide solution can be used. This alkaline aqueous solution is generally a high concentration alkali, and the concentration of the alkali metal is, for example, about 1 to 20 mol / L, preferably about 2 to 17 mol / L, and more preferably about 5 to 15 mol / L.

酸化チタン系化合物の量は、アルカリ水溶液100mLに対して、例えば、1〜30g程度、好ましくは3〜20g程度、さらに好ましくは5〜15g程度である。   The amount of the titanium oxide-based compound is, for example, about 1 to 30 g, preferably about 3 to 20 g, and more preferably about 5 to 15 g with respect to 100 mL of the alkaline aqueous solution.

水熱合成の加圧、加熱条件は、例えば、以下の通りである。
ゲージ圧力:0.2〜2MPa、好ましくは0.3〜1.5MPa、さらに好ましくは0.4〜1.2MPa(特に0.5〜1.0MPa)
反応温度:110℃以上、好ましくは120℃以上、さらに好ましくは130〜200℃(特に160〜190℃)
The pressurization and heating conditions for hydrothermal synthesis are, for example, as follows.
Gauge pressure: 0.2-2 MPa, preferably 0.3-1.5 MPa, more preferably 0.4-1.2 MPa (particularly 0.5-1.0 MPa)
Reaction temperature: 110 ° C. or higher, preferably 120 ° C. or higher, more preferably 130 to 200 ° C. (especially 160 to 190 ° C.)

上記水熱合成によって得られるチタニア化合物は、層状に積層されたチタン酸塩と酸化チタンが巻回した細線状化合物になっている。この巻回細線状化合物は、必要によって洗浄(特に水洗)した後、プロトン酸と接触させることによってイオン交換もしくはイオンを脱離し、次いで脱水処理することが望ましい。プロトン酸と接触させることにより、チタン酸塩(xM2O・yTiO2)部分が、チタン酸(例えばH2Ti37・nH2O。特にH2Ti37・3H2O)になる。また乾燥処理により、チタン酸が含水型酸化チタン(H2Ti37)になり、更に乾燥が進むと酸化チタン(TiO2)になる。尚、これら後処理を実施しても、巻回細線状構造は維持され、後処理の段階に応じて各種の巻回細線状チタン化合物を製造できる。ただし乾燥が進んで当初のチタン酸塩部分が酸化チタンになると、全体が酸化チタンとなり、化合物レベルでは巻回構造は消失してTiO2(B)構造となる。 The titania compound obtained by the hydrothermal synthesis is a fine line compound in which a titanate and titanium oxide laminated in a layer form are wound. The wound thin linear compound is desirably washed (especially washed with water) if necessary, and then contacted with a protonic acid to deionize or desorb ions, and then dehydrated. By contacting with a protonic acid, the titanate (xM 2 O · yTiO 2 ) moiety is converted into titanic acid (eg, H 2 Ti 3 O 7 .nH 2 O. Particularly H 2 Ti 3 O 7 .3H 2 O). Become. Further, the titanic acid becomes hydrous titanium oxide (H 2 Ti 3 O 7 ) by the drying treatment and becomes titanium oxide (TiO 2 ) as the drying proceeds further. Even if these post-treatments are carried out, the wound thin linear structure is maintained, and various wound thin linear titanium compounds can be produced depending on the stage of the post-treatment. However, when drying progresses and the initial titanate portion becomes titanium oxide, the whole becomes titanium oxide, and at the compound level, the winding structure disappears and becomes a TiO 2 (B) structure.

尚、巻回細線状化合物の凝集力は比較的弱いため、反応液の除去、プロトン酸液の除去、および水洗液の除去のいずれの場合においても弱い凝集力で結合している凝集体を維持するためには、外力を強く作用させないようにして液体部分を分離除去することが推奨される。液体部分の分離除去手段としては、遠心分離を採用してもよいが、自然沈降(デカンテーション)や濾過等を採用する方が望ましい。本発明では巻回細線状化合物のハンドリング性が高く、沈降性も高まっており、自然沈降(デカンテーション)や濾過などを採用しても、液体からの分離回収を極めて容易に行うことができる。   In addition, since the cohesive force of the wound thin linear compound is relatively weak, the aggregates bonded with a weak cohesive force are maintained in any of the removal of the reaction solution, the removal of the protonic acid solution, and the removal of the washing solution. In order to achieve this, it is recommended that the liquid portion be separated and removed without applying an external force strongly. As a means for separating and removing the liquid portion, centrifugal separation may be employed, but it is preferable to employ natural sedimentation (decantation), filtration, or the like. In the present invention, the wound thin linear compound has high handling properties and high sedimentation properties, and separation and recovery from a liquid can be performed very easily even when natural sedimentation (decantation) or filtration is employed.

プロトン酸としては、例えば、塩酸、硫酸などの強酸(鉱酸)が一般的である。プロトン酸と接触させる場合のプロトン濃度は、例えば、0.1mol/L以上、好ましくは0.3mol/L以上、さらに好ましくは0.5mol/L以上である。プロトン酸濃度が低すぎると、チタン酸塩とのプロトン交換効率が低下する。プロトン酸濃度の上限は特に限定されないが、製造コストの観点から上限を設定してもよい。またプロトン酸濃度が高いと、チタン酸塩が一部溶解することもある。プロトン濃度は、例えば、6mol/L以下、好ましくは5mol/L以下、さらに好ましくは3mol/L以下にしてもよい。   As the protonic acid, for example, a strong acid (mineral acid) such as hydrochloric acid or sulfuric acid is generally used. The proton concentration when contacting with a protonic acid is, for example, 0.1 mol / L or more, preferably 0.3 mol / L or more, and more preferably 0.5 mol / L or more. When the proton acid concentration is too low, the efficiency of proton exchange with titanate decreases. The upper limit of the proton acid concentration is not particularly limited, but an upper limit may be set from the viewpoint of manufacturing cost. If the proton acid concentration is high, the titanate may be partially dissolved. The proton concentration may be, for example, 6 mol / L or less, preferably 5 mol / L or less, and more preferably 3 mol / L or less.

水熱合成されたチタニア化合物は、まず乾燥処理されるが、そのときの乾燥処理の方法は特に限定されず、凍結乾燥、加熱乾燥、減圧乾燥(真空乾燥)、風乾燥、およびこれらを適宜組み合わせた乾燥手法(真空凍結乾燥、加熱減圧乾燥等)等を適宜採用できるが、ナノ状物質を外部環境へ拡散させないためには、密閉性のよい真空乾燥器を用いることが望ましい。チタン酸を含水型酸化チタンにするのは、比較的マイルドな乾燥条件(例えば、常圧で加熱乾燥する場合には、70〜150℃程度の加熱条件)でよいが、含水型酸化チタンを酸化チタンにするには、比較的強い乾燥条件(例えば、常圧で加熱乾燥する場合には、300〜600℃程度の加熱条件)が求められる。   The hydrothermally synthesized titania compound is first subjected to a drying treatment, but the method of the drying treatment at that time is not particularly limited, and freeze drying, heat drying, vacuum drying (vacuum drying), air drying, and a combination of these as appropriate. However, it is desirable to use a vacuum dryer with good airtightness in order to prevent the nano-like substance from diffusing into the external environment. The titanic acid can be made into hydrous titanium oxide under relatively mild drying conditions (for example, heating conditions of about 70 to 150 ° C. when heating and drying at normal pressure), but hydrous titanium oxide is oxidized. To make titanium, relatively strong drying conditions (for example, heating conditions of about 300 to 600 ° C. in the case of heat drying at normal pressure) are required.

上記のようにして得られる細線状チタン化合物は、その細線化および長繊維化が更に促進された構造を有している。このようなチタン化合物は、チタン化合物の細線化が促進されたため、溶液中で凝集が促進されるので、そのBET比表面積にもその特徴がある。単位体積当りの表面積を単純円筒モデルで計算すると、針状結晶の様にアスペクト比が1より大きな領域では、BET比表面積はその値が大きくなるとアスペクト比が高くなることが計算でき、結晶の細線化(針状結晶)が促進されればその値が大きくなる。従って、針状結晶では大きなBET比表面積を有することは細線化を示す指標となり望ましい。   The thin-line titanium compound obtained as described above has a structure in which thinning and long fiber formation are further promoted. Since such a titanium compound has promoted thinning of the titanium compound and thus promotes aggregation in the solution, the BET specific surface area is also characterized. When the surface area per unit volume is calculated with a simple cylinder model, it can be calculated that in a region where the aspect ratio is larger than 1, such as a needle-shaped crystal, the aspect ratio increases as the value of the BET specific surface area increases. If crystallization (acicular crystals) is promoted, the value increases. Therefore, it is desirable that needle crystals have a large BET specific surface area as an indicator of thinning.

色素増感型太陽電池向けチタニア電極を構成する場合は、BET比表面積が大きければ色素の吸着能が高くなり望ましいとされている。上記で得られるチタニア化合物では、BET比表面積は、例えば48m2/g以上、好ましくは81m2/g程度のものとなる。色素増感型太陽電池では、色素によって励起された光電子が酸化チタンに移動し、しかも電流を収集している透明電極に移動しており、酸化チタンの細線化および長繊維化を促進させておけばこの光電子の移動中、電子の死活点となる再結合核や再反応サイトに光電子が接するのを防止でき、発電効率が増大することが予想される。 In the case of constituting a titania electrode for a dye-sensitized solar cell, if the BET specific surface area is large, the adsorbing ability of the dye is increased, which is desirable. In the titania compound obtained above, the BET specific surface area is, for example, 48 m 2 / g or more, preferably about 81 m 2 / g. In a dye-sensitized solar cell, photoelectrons excited by the dye move to titanium oxide and also to a transparent electrode collecting current, which can promote thinning and long fiber formation of titanium oxide. For example, during the movement of the photoelectrons, it is possible to prevent the photoelectrons from coming into contact with the recombination nuclei and rereaction sites that are the dead and active points of the electrons.

色素増感型太陽電池向けチタニア電極は、これまでチタニア粉末(主にアナターゼ型結晶)によって構成されているのが一般的である。こうしたチタニア電極では、チタニア電極中を電子が伝播するときに、多孔質のチタニア電極の結晶方位が揃っておらず、結晶方位の交差する場所や粒界等に格子欠陥等の電子をトラップする電子捕獲サイトが多く存在すると考えられる。また、電子が結晶中を伝播する場合、結晶方位が揃っていないために、電子の運動方向が頻繁に変えられ、一定の確率でチタニア電極表面に達してれレドックス溶液(Redox溶液)と再反応を起こす確率があり、発電効率が低下する原因となる。   A titania electrode for a dye-sensitized solar cell has generally been composed of a titania powder (mainly anatase crystal). In such a titania electrode, when the electrons propagate in the titania electrode, the crystal orientation of the porous titania electrode is not uniform, and electrons that trap lattice defects and the like at places where the crystal orientation intersects, grain boundaries, etc. It seems that there are many capture sites. In addition, when electrons propagate through the crystal, the crystal orientation is not uniform, so the direction of electron movement is frequently changed and reaches the titania electrode surface with a certain probability and re-reacts with the redox solution (Redox solution). This can cause power generation efficiency to decrease.

こうした問題を解決するために、チタニア粉末に細線状チタニア化合物を配合することによって、細線状チタニア化合物の結晶方位に沿って電子を運搬できる、所謂バイパスを設けることによって、電子の損出を少なくすることができる。チタニア粉末に細線状チタニア化合物を配合することによって、チタニア電極の発電効率が向上すること自体は既に知られている現象であるが(例えば、前記非特許文献1)、これまで提案開発されている細線状チタニア化合物では、チタニア粉末に混合しても、電極の焼成過程で収縮が大きく、基板から剥がれ落ちる問題があった。   In order to solve these problems, the loss of electrons is reduced by providing a so-called bypass capable of transporting electrons along the crystal orientation of the fine-line titania compound by blending the fine-line titania compound with the titania powder. be able to. Increasing the power generation efficiency of a titania electrode by blending a titania powder with a fine-line titania compound is already a known phenomenon (for example, Non-Patent Document 1), but has been proposed and developed so far. In the fine-line titania compound, even when mixed with the titania powder, there is a problem that the shrinkage is large during the firing process of the electrode and it is peeled off from the substrate.

これに対し、上記のようにして得られた細線状チタン化合物(不純物を低減し、更に高温で処理したもの)と、チタニア粉末を混合したものと、チタニア電極の素材として用い場合には、チタニア電極の発電効率が大きく向上できるのである。こうした効果を発揮させるためには、細線状チタン化合物の配合量(細線状チタン化合物と粉末状チタニアの合計量に対する割合)は、0.1質量%以上とすることが好ましい。しかしながら、この配合量が過剰になると、チタニアナノファイバー自身の色素の吸着量が少ないため、相対的な色素の吸着量が低下することとなるので、20質量%以下とすることが好ましい。細線状チタン化合物の配合量のより好ましい下限は1質量%(更に好ましくは2質量%)であり、より好ましい上限は10質量%(更に好ましくは6質量%)である。   On the other hand, in the case of using the thin-line titanium compound (impurities reduced and processed at a higher temperature) obtained as described above and a titania powder as a material for a titania electrode, titania The power generation efficiency of the electrode can be greatly improved. In order to exert such an effect, the blending amount of the fine wire titanium compound (ratio to the total amount of the fine wire titanium compound and the powdered titania) is preferably 0.1% by mass or more. However, if this amount is excessive, the amount of dye adsorbed by the titania nanofiber itself is small, and the amount of relative dye adsorbed decreases. Therefore, the amount is preferably 20% by mass or less. The more preferable lower limit of the compounding amount of the thin linear titanium compound is 1% by mass (more preferably 2% by mass), and the more preferable upper limit is 10% by mass (more preferably 6% by mass).

本発明で用いる細線状チタン化合物は、水熱合成によって得られるものであり、こうした水熱合成を実施するための装置は従来公知の水熱反応装置を用いることができるが、好ましくは、以下に説明する反応装置を用いて実施する。図4は、本発明で用いる反応装置の一例を示す概略断面図である。   The fine linear titanium compound used in the present invention is obtained by hydrothermal synthesis, and a conventionally known hydrothermal reaction apparatus can be used as an apparatus for carrying out such hydrothermal synthesis. Carry out using the reactor described. FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing an example of a reaction apparatus used in the present invention.

図4に示した製造装置では、円筒状の電磁石(図示例では、超伝導マグネット)41の中央筒型空間(室温ボア)42(図示例では直径100mm)のボアに密閉式加圧用容器44がセットされている。この加圧用容器44は、ヒーター46によって加熱可能になっており、また加圧用容器44にはチタン酸塩を含む液を入れた密閉式反応容器45と水43が収容されている。前記密閉式加圧用容器44は耐圧性のある剛性容器である一方、反応容器45は、外圧によって内容物を加圧可能な柔軟性の容器である。このような装置を用いれば、ヒーター46によって加圧用容器44内の水43が加熱され、この容器44の内圧が上昇するため、反応容器45内のチタン酸塩を含む液が加圧される。   In the manufacturing apparatus shown in FIG. 4, a sealed pressurizing container 44 is disposed in a bore of a central cylindrical space (room temperature bore) 42 (diameter 100 mm in the illustrated example) of a cylindrical electromagnet (superconducting magnet in the illustrated example) 41. It is set. The pressurization container 44 can be heated by a heater 46, and the pressurization container 44 contains a sealed reaction container 45 containing a liquid containing titanate and water 43. The sealed pressurizing container 44 is a pressure-resistant rigid container, while the reaction container 45 is a flexible container capable of pressurizing the contents by external pressure. If such an apparatus is used, the water 43 in the pressurizing container 44 is heated by the heater 46 and the internal pressure of the container 44 rises, so that the liquid containing titanate in the reaction container 45 is pressurized.

尚、図4に示した装置構成では、電磁石(超伝導マグネット)41から磁場を印加できるものを示したが、本発明の細線状チタン化合物は基本的に磁場を印加せずとも製造できるものである。但し、必要によって、磁場を印加しつつ水熱合成を行なっても良い。   In the apparatus configuration shown in FIG. 4, a magnetic field can be applied from an electromagnet (superconducting magnet) 41. However, the thin-line titanium compound of the present invention can basically be manufactured without applying a magnetic field. is there. However, if necessary, hydrothermal synthesis may be performed while applying a magnetic field.

また図示例では、密閉式加圧用容器44が蓋体部44bと本体部44aとから構成されており、これらをネジ込み式で開閉することで、耐圧性を維持しつつ内容部を取り出し可能になっているが、容器44の開閉方式はネジ込み式に限定されず、公知の種々の方式を採用できる。   Also, in the illustrated example, the sealed pressurizing container 44 is composed of a lid body portion 44b and a main body portion 44a, and by opening and closing these with a screw-in type, the contents can be taken out while maintaining pressure resistance. However, the opening / closing method of the container 44 is not limited to the screw-in type, and various known methods can be adopted.

また図示例では、反応容器45はマグネットセンター(磁場が最大となるところ)に位置しているが、マグネットセンターから外れてもよい。更に加圧用容器44内に反応容器45を複数収容してもよく、複数収容する場合には、横に並べて収容してもよく、縦に積み重ねて収容してもよい。尚、加圧用容器44に水43と反応容器45とを入れるのは、水43を圧力媒体とすることによって水熱合成に必要な圧力を比較的低温で達成できるようにするためであり、また強アルカリと装置との直接接触を避けて装置寿命を長くするためであるが、反応容器45は必須ではなく、加圧用容器44内に、直接、チタン酸塩を含む液を入れて水熱合成を行ってもよい。   In the illustrated example, the reaction vessel 45 is located at the magnet center (where the magnetic field is maximum), but may be removed from the magnet center. Further, a plurality of reaction containers 45 may be accommodated in the pressurizing container 44. When a plurality of reaction containers 45 are accommodated, they may be accommodated side by side or may be accommodated by being stacked vertically. The reason why the water 43 and the reaction vessel 45 are placed in the pressurizing vessel 44 is that the pressure required for hydrothermal synthesis can be achieved at a relatively low temperature by using the water 43 as a pressure medium. This is in order to avoid the direct contact between the strong alkali and the apparatus, thereby prolonging the apparatus life. However, the reaction vessel 45 is not essential, and the hydrothermal synthesis is performed by directly putting the liquid containing titanate into the pressurizing vessel 44. May be performed.

ヒーター46をマグネットセンターに配設する場合、たとえ弱磁性体のヒーターであってもマグネットの吸引力によりヒーターがマグネットセンターに引き付けられるために、マグネットセンターから外れた場所を直接加熱することは難しい。そこでマグネットセンターから外れた場所には、伝熱板、例えば銅板50を配置することによって、ヒーター46の熱を速やかに伝えることが推奨される。また加圧用容器44の外面のうち、ヒーター46で直接加熱されていない部分(図示例では、伝熱板50で覆われている部分および蓋体部分)は、断熱材71でカバーすることが望ましい。   When the heater 46 is disposed in the magnet center, even if it is a weak magnetic material heater, the heater is attracted to the magnet center by the attractive force of the magnet, so that it is difficult to directly heat the place away from the magnet center. Therefore, it is recommended to quickly transfer the heat of the heater 46 by disposing a heat transfer plate, for example, a copper plate 50, at a place away from the magnet center. In addition, it is desirable to cover a portion of the outer surface of the pressurizing container 44 that is not directly heated by the heater 46 (in the illustrated example, a portion covered with the heat transfer plate 50 and a lid portion) with a heat insulating material 71. .

更に、図4に示した装置構成では、冷却システム51を設置している。この冷却システム51は、室温ボア42の内周面に真空層と冷却水層とを形成しており、ヒーター46の熱的影響が超伝導マグネット41に及ぶのを防止している。冷却システム51は、図示したものに限定されず、公知の冷却手段を単独でまたは適宜組み合わせて採用できる。磁場発生手段41が通常の電磁石や永久磁石である場合には、冷却システム51は不要であるが、例えば常伝導コイルを用いた場合はコイルに発生するジュール熱を冷却するために大量の冷却水が必要となる。   Furthermore, in the apparatus configuration shown in FIG. 4, a cooling system 51 is installed. In this cooling system 51, a vacuum layer and a cooling water layer are formed on the inner peripheral surface of the room temperature bore 42, and the thermal influence of the heater 46 is prevented from reaching the superconducting magnet 41. The cooling system 51 is not limited to the illustrated one, and a known cooling means can be used alone or in combination as appropriate. When the magnetic field generating means 41 is a normal electromagnet or permanent magnet, the cooling system 51 is not necessary. For example, when a normal conducting coil is used, a large amount of cooling water is used to cool Joule heat generated in the coil. Is required.

図示例では、加熱温度は、ヒーター近傍の加熱温度計62によってモニターしつつ制御でき、また圧力は加圧用容器44の内部と配管47および配管継手48aを介して連通する圧力センサー49によってモニターしつつ制御できるようになっている。   In the illustrated example, the heating temperature can be controlled while being monitored by a heating thermometer 62 in the vicinity of the heater, and the pressure is monitored by a pressure sensor 49 communicating with the inside of the pressurizing container 44 via the piping 47 and the piping joint 48a. It can be controlled.

更に、図4に示した装置構成では、加圧用容器44の気相部の温度を測定するための熱電対式内温計61が設けられている。この内温計61は、加圧用容器44の蓋体部から延伸する配管47に取り付けられた締め込み式継手48bから加圧用容器44内に挿入されており、容器44の密閉性は維持されている。そして加圧用容器44内の密閉性を維持しつつ気相部温度を測定することによって、間接的に加圧用容器44内の圧力変化を測定することが可能となり、加圧用容器44の圧力変動関知センサ(特に漏洩センサ)として使用できる。即ち、加圧用容器44は密閉性が維持されているため、外界との熱的収支が遅く、短時間でみれば断熱系とみなすことができる。このような加圧用容器44において内容物のリークが生じると、気相部は断熱膨張して温度が低下する。また逆に加圧気体を送り込んだ場合、加圧気体と内容物との混合が生じるまでは気相部は実質的に断熱圧縮され、温度が上昇する。通常の圧力ゲージによる圧力変化は、ダイヤフラムの歪み量を計測するものであって鈍感でありかつ経時的変化を示すのに対し、気相部の温度変化は、圧力変化に対して微分的変化を示し、極めて鋭敏である。そのため、鋭敏な圧力変動関知センサ(特に漏洩センサ)として使用できる。   Furthermore, in the apparatus configuration shown in FIG. 4, a thermocouple internal thermometer 61 for measuring the temperature of the gas phase part of the pressurizing container 44 is provided. The internal thermometer 61 is inserted into the pressurizing container 44 from a tightening joint 48b attached to a pipe 47 extending from the lid portion of the pressurizing container 44, and the hermeticity of the container 44 is maintained. Yes. Further, by measuring the gas phase temperature while maintaining the hermeticity in the pressurizing container 44, it is possible to indirectly measure the pressure change in the pressurizing container 44, and to detect the pressure fluctuation of the pressurizing container 44. It can be used as a sensor (particularly a leak sensor). That is, since the pressurization container 44 is kept hermetically sealed, it has a slow thermal balance with the outside world and can be regarded as an adiabatic system in a short time. When the contents leak in such a pressurizing container 44, the gas phase portion adiabatically expands and the temperature decreases. On the other hand, when pressurized gas is fed, the gas phase portion is substantially adiabatically compressed and the temperature rises until mixing of the pressurized gas and contents occurs. The pressure change by a normal pressure gauge measures the amount of strain of the diaphragm and is insensitive and shows a change over time, whereas the temperature change in the gas phase part shows a differential change with respect to the pressure change. Shown and extremely sensitive. Therefore, it can be used as a sensitive pressure fluctuation sensor (particularly a leak sensor).

熱電対式内温計61の先端部は、熱伝導ルートの長さの視点に立ったとき、加圧用容器44のうちヒーター46によって直接加熱されている部分(加熱部)から遠く離れているのが望ましい。図示した熱伝導ルートは、加熱部を起点に、加圧用容器本体部44a上部の非加熱部、加圧用容器蓋体部、配管47、配管継手48a、締め込み式継手48b、熱電対のシース部を経て、熱電対式内温計61の先端部に到達しており、その距離は長いといえる。熱電対式内温計61の軸部(シース部など)が、加熱部と直接接触していないことが推奨され、例えば、軸部は、非加熱部や非加熱部から延伸する継手部などと接触していることが望ましい。   When viewed from the viewpoint of the length of the heat conduction route, the tip of the thermocouple internal thermometer 61 is far from the portion (heating portion) of the pressurizing container 44 that is directly heated by the heater 46. Is desirable. The illustrated heat conduction route is based on the heating part, the non-heating part on the upper part of the pressurizing container body 44a, the pressurizing container lid part, the pipe 47, the pipe joint 48a, the tightening type joint 48b, and the thermocouple sheath part. It has reached the front-end | tip part of the thermocouple type internal thermometer 61 through this, and it can be said that the distance is long. It is recommended that the shaft part (sheath part, etc.) of the thermocouple internal thermometer 61 is not in direct contact with the heating part. For example, the shaft part is a non-heating part or a joint part extending from the non-heating part. It is desirable to be in contact.

熱電対式内温計61にシース熱電対を用いる場合、保護管(圧力隔壁)には、耐熱性と熱伝導性を備えた材料、例えば、貴金属、ニッケル、ステンレス、グラファイト、ダイヤモンドライクカーボン、ダイヤモンド、セラミックスなどを使用するのが望ましい。熱電対式内温計61は、気相部温度を測定可能である限り、加圧用容器44内に挿入する必要はない。   When a sheath thermocouple is used for the thermocouple internal thermometer 61, the protective tube (pressure partition) is made of a material having heat resistance and thermal conductivity, such as noble metal, nickel, stainless steel, graphite, diamond-like carbon, diamond. It is desirable to use ceramics. The thermocouple internal thermometer 61 does not need to be inserted into the pressurizing container 44 as long as the gas phase temperature can be measured.

以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。   EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples. However, the present invention is not limited by the following examples, but may be appropriately modified within a range that can meet the purpose described above and below. Of course, it is possible to implement them, and they are all included in the technical scope of the present invention.

(実施例1)
前記図4に示した製造装置を用い、以下のようにして細線状チタン化合物を製造した。まず初めに、水酸化ナトリウム(Nakarai Tesque社製 試薬特級:純度96%)を、208.4g(NaOHの分子量:40.0)素早く秤量して、全量をビーカに移した。このとき、薬さじ等に付着したNaOHも、水によって洗い流した。そして、溶液の全量が500mLを超えない様に注意して、全NaOHをビーカ中で水と混合して水酸化ナトリウム水溶液とした。このとき溶解に用いた水(純水)は、比抵抗19MΩ・cm以上の電子工業用の純水である。
Example 1
Using the production apparatus shown in FIG. 4, a fine-line titanium compound was produced as follows. First, 208.4 g (NaOH molecular weight: 40.0) of sodium hydroxide (manufactured by Nakarai Tesque, reagent grade: 96% purity) was quickly weighed, and the whole amount was transferred to a beaker. At this time, NaOH adhering to the medicine spoon was also washed away with water. Then, taking care that the total amount of the solution does not exceed 500 mL, all NaOH was mixed with water in a beaker to obtain an aqueous sodium hydroxide solution. Water (pure water) used for dissolution at this time is pure water for electronics industry having a specific resistance of 19 MΩ · cm or more.

NaOHは溶解熱を発生するため、マグネティックスターラで攪拌を行ない、且つビーカを冷却した。尚、原料となるNaOHには、不純物として前記したMg(5ppm),Ca(0.002質量%),Zn(0.001質量%)およびAl(0.002質量%)を含むが、これらの元素の原子の個数は、Naの原子の個数に対してMgで5ppm、Caで0.001原子%、Znで3ppm、Alで0.002原子%程度となっていた。また原料となるNaOHには、上記不純物元素の他、K(0.05質量%)、Pb(5ppm)、Fe(5ppm)およびNi(0.001質量%)等の不純物(陽イオンを形成する元素)も含んでいたが、これは本発明の効果に影響を与えないほど、微量であった。   Since NaOH generates heat of dissolution, stirring was performed with a magnetic stirrer and the beaker was cooled. Incidentally, the raw material NaOH includes Mg (5 ppm), Ca (0.002 mass%), Zn (0.001 mass%) and Al (0.002 mass%) as impurities. The number of element atoms was about 5 ppm for Mg, 0.001 atom% for Ca, 3 ppm for Zn, and about 0.002 atom% for Al with respect to the number of Na atoms. In addition to the impurity elements, impurities (cations) such as K (0.05% by mass), Pb (5 ppm), Fe (5 ppm) and Ni (0.001% by mass) are formed in the raw material NaOH. Element)), but this amount was so small that the effect of the present invention was not affected.

上記のようにして得られた水酸化ナトリウム水溶液を、500mLのメスフラスコに移した。この際も、残留した水酸化ナトリウム水溶液を洗い流す必要があるが、評線を超えないように注意して洗い流した。溶解後の水酸化ナトリウム水溶液は熱を持ち、粘性も高く、泡も容易に抜けないので、約1晩水溶液を放置した。その後、水を加えて評線に合わせた。メスフラスコの評線に合わせた後に、メスフラスコの蓋をしっかり持って、上下を逆さにして攪拌し、しばらく放置した。このとき水の溶解によって体積が減るので、前記の工程を繰り返して評線まで水を満たして、水酸化ナトリウム水溶液の標準溶液(10mol/L)を得た。   The aqueous sodium hydroxide solution obtained as described above was transferred to a 500 mL volumetric flask. At this time, it was necessary to wash away the remaining aqueous sodium hydroxide solution, but it was washed away with care so as not to exceed the rating line. The aqueous sodium hydroxide solution after dissolution has heat, high viscosity, and bubbles do not easily escape, so the aqueous solution was left for about one night. After that, water was added to match the rating line. After adjusting to the rating line of the volumetric flask, the volumetric flask lid was firmly held, and the mixture was turned upside down and stirred for a while. At this time, since the volume was reduced by dissolution of water, the above process was repeated to fill the water up to the evaluation line, and a standard solution (10 mol / L) of an aqueous sodium hydroxide solution was obtained.

上記のようにして得られた水酸化ナトリウム水溶液の標準溶液(10mol/L)100mLに対して、10gのアナターゼ型酸化チタン粉末(和光純薬工業社製、Titanium(IV) Oxide,Anatase Form 5μm:純度99.9%)を混合し、ビーカに入れてマグネティックスターラによって30分以上攪拌することによってアナターゼがよく分散した原料溶液を調製した。   10 g of anatase-type titanium oxide powder (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., Titanium (IV) Oxide, Anatase Form 5 μm) with respect to 100 mL of the standard solution (10 mol / L) of the aqueous sodium hydroxide solution obtained as described above: Were mixed in a beaker and stirred with a magnetic stirrer for 30 minutes or more to prepare a raw material solution in which anatase was well dispersed.

上記原料溶液を、ポリテトラフルオロエチレン製の反応容器(長さ10cm)45に入れて、ねじ部にポリテトラフルオロエチレン製テープを巻き、原料溶液が反応容器45の8.5割まで溶液で満たして若干空気を残して、密栓を行なった。この反応容器45を加圧用容器44の底に設置し、加圧用容器44内の蓋44bから7cmの位置まで水を注いだ後、加圧用容器44の蓋44bを閉めて密閉した。ヒーター46を用いて加圧用容器44内の水43を加熱して、反応容器45を加圧・加熱した(温度185℃、ゲージ圧力0.95MPa)。加圧・加熱を66時間継続した後、反応容器45を取り出し、室温まで冷却した。得られた反応液中には、Na2Ti37の巻回構造を有する柔らかで嵩高なチタニア化合物(針状化合物)の集合体が沈殿することなく析出していた。 Put the above raw material solution into a polytetrafluoroethylene reaction vessel (length: 10 cm) 45, wrap a polytetrafluoroethylene tape around the screw part, and fill the raw material solution with 8.5% of the reaction vessel 45 with the solution. The airtight seal was made with some air left. The reaction vessel 45 was placed on the bottom of the pressurization vessel 44, and water was poured from the lid 44b in the pressurization vessel 44 to a position of 7 cm, and then the lid 44b of the pressurization vessel 44 was closed and sealed. The water 43 in the pressurizing container 44 was heated using the heater 46 to pressurize and heat the reaction container 45 (temperature: 185 ° C., gauge pressure: 0.95 MPa). After pressurization and heating were continued for 66 hours, the reaction vessel 45 was taken out and cooled to room temperature. In the obtained reaction solution, an aggregate of a soft and bulky titania compound (acicular compound) having a wound structure of Na 2 Ti 3 O 7 was precipitated without precipitation.

針状化合物(Na2Ti3Oの巻回構造を有する針状化合物)の柔らかで嵩高な集合体を、純水で洗浄・濾過して、塩酸によりNaイオンと水素イオンを置換して、針状化合物を得た後、試料を400℃で加熱・脱水(乾燥)した。乾燥した針状化合物(実施例)の走査型電子顕微鏡写真(撮影倍率:5000倍)を図5に示す。また通常の純度で(他の合成条件は基本的に上記と同じ)で合成して得られた針状化合物(比較例)の走査型電子顕微鏡写真(撮影倍率:5000倍)を図6に示す。 A soft and bulky aggregate of needle-like compounds (needle compounds having a wound structure of Na 2 Ti 3 O) is washed and filtered with pure water, and Na ions and hydrogen ions are replaced with hydrochloric acid. After obtaining the gaseous compound, the sample was heated and dehydrated (dried) at 400 ° C. A scanning electron micrograph (photographing magnification: 5000 times) of the dried acicular compound (Example) is shown in FIG. Further, FIG. 6 shows a scanning electron micrograph (photographing magnification: 5000 times) of a needle-like compound (comparative example) obtained by synthesis with ordinary purity (other synthesis conditions are basically the same as those described above). .

これらの結果から明らかなように、本発明の針状化合物(図5)では、その形態がより細線化しており、長繊維化(アスペクト比が高い)していることが分かる。これに対して、比較例の針状化合物(図6)では、ある程度の細線化は認められるが、繊維の長さが比較的短くなっていることが分かる。   As is apparent from these results, it can be seen that the needle-like compound of the present invention (FIG. 5) has a finer form and longer fibers (high aspect ratio). On the other hand, in the acicular compound of the comparative example (FIG. 6), it can be seen that a certain amount of thinning is observed, but the fiber length is relatively short.

上記で得られた針状化合物(実施例)を、軽く粉砕して、ラマン分光分析を行い、その結晶性について調査した。このときの測定条件は、下記の通りである。
[ラマン分光測定条件]
装置:「NR−1000型レーザラマン分光光度計」(商品名:日本分光株式会社製)
励起光源:アルゴンイオンレーザ
励起波長:514.5nm
励起光出力:100mW
測定方法:90度散乱法
測定ビーム径:約200μmφ
積算回数:2回
The acicular compound (Example) obtained above was lightly pulverized and subjected to Raman spectroscopic analysis to investigate its crystallinity. The measurement conditions at this time are as follows.
[Raman spectroscopy measurement conditions]
Apparatus: “NR-1000 laser Raman spectrophotometer” (trade name: manufactured by JASCO Corporation)
Excitation light source: Argon ion laser Excitation wavelength: 514.5 nm
Excitation light output: 100 mW
Measurement method: 90 degree scattering method Measurement beam diameter: about 200 μmφ
Integration count: 2 times

実施例の針状化合物のラマンスペクトルを図7に、比較例の針状化合物のラマンスペクトルを図8に、夫々示す。これらの結果から明らかなように、高純度の原料を用いた本発明の針状化合物(図7)では、アナターゼ結晶晶系が一部共存しているが(ラマンシフト151cm-1のピーク)、高い結晶性を示すTiO2(B)型を主体とするチタン化合物が形成されていることが分かる。これに対して、比較例の針状化合物(図8)では、ラマンスペクトルピークが広がり、結晶性が低くなっていることが分かる。 FIG. 7 shows the Raman spectrum of the needle compound of the example, and FIG. 8 shows the Raman spectrum of the needle compound of the comparative example. As is clear from these results, in the needle-shaped compound of the present invention using a high-purity raw material (FIG. 7), a part of the anatase crystal system coexists (peak of Raman shift 151 cm −1 ). It can be seen that a titanium compound mainly composed of TiO 2 (B) type showing high crystallinity is formed. On the other hand, in the acicular compound of the comparative example (FIG. 8), it can be seen that the Raman spectrum peak spreads and the crystallinity is low.

上記で得られた針状化合物(実施例)を、軽く粉砕して、島津製作所製の「自動比表面積/細孔分布測定装置トライスター3000」を用いてBET比表面積を測定したところ、81.0m2/gであった。また上記した比較例の針状化合物におけるBET比表面積を測定したところ、37.9m2/gであった。 The acicular compound (Example) obtained above was lightly pulverized and the BET specific surface area was measured using an “automatic specific surface area / pore distribution measuring device Tristar 3000” manufactured by Shimadzu Corporation. It was 0 m 2 / g. Moreover, it was 37.9 m < 2 > / g when the BET specific surface area in the acicular compound of the above-mentioned comparative example was measured.

(実施例2)
実施例1で得られた各種チタニアナノファイバー(乾燥針状化合物)に、600℃、800℃、900℃、1000℃、1050℃、1100℃の夫々に大気雰囲気で熱処理したとき(加熱時間はいずれも24時間)の試料のX線回折(XRD)スペクトルを図9に示す。この結果から明らかなように、通常ではルチル(rutile)に転移する温度であると報告されている1000℃で24時間加熱したものであっても、試料にルチルは観察されず、アナターゼ(anatase)のみが観察されていることが分かる。
(Example 2)
When various titania nanofibers (dried needle-like compounds) obtained in Example 1 were heat-treated at 600 ° C., 800 ° C., 900 ° C., 1000 ° C., 1050 ° C., and 1100 ° C. in an air atmosphere (the heating time was any 9 shows the X-ray diffraction (XRD) spectrum of the sample for 24 hours. As is apparent from this result, no rutile was observed in the sample even when the sample was heated at 1000 ° C. for 24 hours, which is usually reported to be a transition temperature to rutile, and anatase. It can be seen that only is observed.

実施例1で得られたチタニアナノファイバーに対して、400℃、5時間の脱水処理を行なったときの走査型電子顕微鏡写真(SEM写真)を図10に、900℃で24時間加熱したときの走査型顕微鏡写真(SEM写真)を図11に(以上、日立製作所製走査型電子顕微鏡「S−800」にて撮影)、1050℃で24時間加熱したときの走査型電子顕微鏡写真(SEM写真)を図12(日立製作所製走査型電子顕微鏡「S−4000」にて撮影)に夫々示す。   FIG. 10 shows a scanning electron micrograph (SEM photograph) obtained when the titania nanofiber obtained in Example 1 was dehydrated at 400 ° C. for 5 hours, when heated at 900 ° C. for 24 hours. A scanning micrograph (SEM photograph) is shown in FIG. 11 (photographed with a scanning electron microscope “S-800” manufactured by Hitachi, Ltd.). Scanning electron micrograph (SEM photograph) when heated at 1050 ° C. for 24 hours. Are shown in FIG. 12 (photographed with a scanning electron microscope “S-4000” manufactured by Hitachi, Ltd.).

この結果から明らかなように、両者にはファイバー形状に顕著な差は認められないことが分かる。実施例1で示したように、高純度な水熱合成法によって合成されたチタニアナノファイバーは細線化され、結晶性が高くなっており、処理後の加熱工程においては相転移温度が200℃程度高温側にシフトしていることが分かる。   As is apparent from this result, it is understood that there is no significant difference in fiber shape between the two. As shown in Example 1, titania nanofibers synthesized by a high-purity hydrothermal synthesis method are thinned and have high crystallinity, and the phase transition temperature is about 200 ° C. in the heating step after the treatment. It turns out that it has shifted to the high temperature side.

(実施例3)
実施例1で得られた各種チタニアナノファイバーに、結合剤としてのポリエチレングリコール(Poly−ethylene−glycol:PEG)と、溶媒としての純水を加えてスラリーを作製し、フッ素ドープインジュウティンムオキサイド透明電極(FTO電極)上にブレード法によって塗布してチタニア電極とした。このとき、チタニアナノファイバー、PEGおよび水の混合比(チタニアナノファイバー:PEG:純水)は、1:2.2:31.7(質量比)である。
(Example 3)
A slurry is prepared by adding polyethylene glycol (Poly-ethylene-glycol: PEG) as a binder and pure water as a solvent to the various titania nanofibers obtained in Example 1, and fluorine-doped indium oxide. It was applied on a transparent electrode (FTO electrode) by a blade method to form a titania electrode. At this time, the mixing ratio of titania nanofibers, PEG and water (titania nanofibers: PEG: pure water) is 1: 2.2: 31.7 (mass ratio).

上記スラリーを塗布後、チタニア電極を400℃で焼成する工程を繰り返し、3層のチタニアナノファイバー電極を作製し、その表面に色素N−719(ルテニュウム系色素)を吸着させて太陽電池を構成した。この太陽電池を用いて、各種の発電特性[短絡電流(Jsc)、開放電圧(Voc)、発電効率(η)、フィルファクター(F.F.)]を測定した。   After applying the slurry, the step of firing the titania electrode at 400 ° C. was repeated to produce a three-layer titania nanofiber electrode, and dye N-719 (ruthenium dye) was adsorbed on the surface to constitute a solar cell. . Using this solar cell, various power generation characteristics [short circuit current (Jsc), open circuit voltage (Voc), power generation efficiency (η), fill factor (FF)] were measured.

上記短絡電流(Jsc)、開放電圧(Voc)、発電効率(η)、フィルファクター(F.F.)については、次のように定義されるものである。太陽電池の表裏電極間に電圧計を接続し、光を当てて測定した発生電圧を開放電圧(Voc)、電流計に接続して測定した電流を短絡電流(Jsc)と呼ぶ。これらの値は、半導体の種類によって異なり、原理的にはセルの面積が異なっても発生する開放電圧(Voc)は変化しないが、短絡電流(Jsc)は面積に比例することになる。また最大発生電力Wmを開放電圧(Voc)および短絡電流(Jsc)で割ったものをフィルファクター(F.F.)と呼び、この値が1に近いほど、太陽電池の性能が良好であることを意味する。   The short-circuit current (Jsc), open-circuit voltage (Voc), power generation efficiency (η), and fill factor (FF) are defined as follows. A voltmeter is connected between the front and back electrodes of the solar cell, the generated voltage measured by applying light is called an open circuit voltage (Voc), and the current measured by connecting to an ammeter is called a short circuit current (Jsc). These values vary depending on the type of semiconductor. In principle, the open circuit voltage (Voc) that is generated even if the cell area is different does not change, but the short circuit current (Jsc) is proportional to the area. Also, the maximum generated power Wm divided by the open circuit voltage (Voc) and the short circuit current (Jsc) is called the fill factor (FF). The closer this value is to 1, the better the performance of the solar cell. Means.

また、太陽電池に当たる光エネルギーのうち、どれだけ電気エネルギーに変換されるかを示した割合を太陽電池電極全変換効率[上記発電効率(η)に相当]と呼び、フィルファクター(F.F.)の定義によって、短絡電流(Jsc)、開放電圧(Voc)およびでフィルファクター(F.F.)の関数で表現できる(η=Jsc×Voc×F.F.)。測定結果を下記表1に示す。また、この結果に基づいて、細線状チタニアの加熱時間と各特性の値(いずれも絶対値で評価)との関係を図13に示す。   Further, the ratio of the light energy hitting the solar cell, which indicates how much it is converted into electric energy, is referred to as the total conversion efficiency of the solar cell electrode [corresponding to the power generation efficiency (η) above], and the fill factor (FF) is shown. ) Can be expressed as a function of the short-circuit current (Jsc), the open-circuit voltage (Voc), and the fill factor (FF) (η = Jsc × Voc × FF). The measurement results are shown in Table 1 below. Based on this result, FIG. 13 shows the relationship between the heating time of the fine-line titania and the values of each characteristic (all evaluated with absolute values).

この結果から、次のように考察できた。発電効率の絶対値は、いずれも低い値であるが、高温で加熱したチタニアナノファイバーを用いたものは、短絡電流Jsc値が向上していることが分かる。即ち、チタニアナノファイバーを電極材料として用いる場合には、できるだけ高温・長時間のアニールを施すことが好ましいことが分かる。   From this result, we could consider as follows. The absolute values of the power generation efficiency are all low, but it is understood that the short-circuit current Jsc value is improved in the case of using the titania nanofiber heated at a high temperature. That is, it can be seen that when titania nanofibers are used as the electrode material, it is preferable to perform annealing at as high a temperature and as long as possible.

こうした現象が生じる理由については、その全てを解明し得た訳ではないが、おそらく次のように考えることができた。即ち、チタニアナノファイバーを高温・長時間加熱することによって、結晶格子中の「結晶欠陥」の修復が行なわれ、また不純物として残っているNa原子を拡散により表面や粒界等の不活性サイトにトラップするか、或は大気中に放出し、チタニアナノファイバー結晶中の電子のトラップサイトを低減させて、電子の伝播効率が向上したものと考えることができる。   The reason why such a phenomenon occurs has not been fully clarified, but could probably be considered as follows. That is, by heating the titania nanofibers at a high temperature for a long time, the “crystal defects” in the crystal lattice are repaired, and Na atoms remaining as impurities are diffused into inactive sites such as surfaces and grain boundaries. It can be considered that the efficiency of electron propagation is improved by trapping or discharging into the atmosphere and reducing the number of electron trap sites in the titania nanofiber crystal.

(実施例4)
上記のように、高温・長時間加熱したチタニアナノファイバーを使用することによって、太陽電池電極全変換効率[上記発電効率(η)に相当]は向上するものとなるのであるが、合成したチタニアナノファイバー単独で作製した太陽電池電極を用いた色素増感型太陽電池では、実用的な高い発電効率を確保することはできない。その理由は、ルテニュウム色素である色素N−719の色素吸着能が極端に低くなることによるものと考えられた。この点に関して、チタニア粉末[「AEROXIDE TiO2 P25」日本エアロジル社(Degussa社)]から作製したチタニア電極に比較して、同時間の色素の吸着を行なっても、明らかにチタニアナノファイバーの色が白いことが目視によって確認できた。
Example 4
As described above, the use of titania nanofibers heated at a high temperature for a long time improves the total conversion efficiency of the solar cell electrode [corresponding to the power generation efficiency (η) above]. In a dye-sensitized solar cell using a solar cell electrode made of a single fiber, practical high power generation efficiency cannot be secured. The reason for this was considered to be due to the extremely low dye adsorption ability of the dye N-719, which is a ruthenium dye. In this regard, the color of the titania nanofibers is apparent even when the dye is adsorbed at the same time as compared with the titania electrode produced from titania powder [“AEROXIDE TiO 2 P25” Nippon Aerosil Co., Ltd. (Degussa)]. A white color could be visually confirmed.

こうしたことから、合成したチタニアナノファイバーを利用し、高い発電効率を確保
できるチタニア電極の構成について、更に検討を加えた。
For this reason, further studies were made on the structure of the titania electrode that can ensure high power generation efficiency using the synthesized titania nanofibers.

まず、チタニア粉末[アナターゼ型結晶80質量%、ルチル型結晶20質量%を含むもの:「AEROXIDE TiO2 P25」日本エアロジル社(Degussa社):以下単に「P25」と表記する]と、上記チタニアナノファイバーの配合比(質量比)を99:1〜90:10(P25:チタニアナノファイバー)の範囲で変化させ、3層となるようなチタニア電極を構成し、色素増感型太陽電池の発電効率を調査した。その結果を、下記表2に示す。下記表2には、チタニアナノファイバーの配合量を1質量%に固定して、チタニア電極の層を3層、6層と厚膜化したときの色素増感型太陽電池についても構成し、その発電効率(η)についても測定した。また、この結果に基づいて、チタニア電極の構成と各特性の値(いずれも絶対値で評価)との関係を図14(棒グラフ)に示す。尚、表2において、「3層(99:1)」と記載したのは、配合比(P25:チタニアナノファイバー)が99:1で、3層であることを意味する(他もこれに準ずる)。また、3層P25と表記したものは、既存のチタニア電極(チタニア粉末「P25」だけで電極を構成したもの)を示している。 First, titania powder [80% by mass of anatase type crystal, 20% by mass of rutile type crystal: “AEROXIDE TiO 2 P25” Nippon Aerosil Co., Ltd. (Degussa): hereinafter simply referred to as “P25”] and the above titania nano The composition ratio (mass ratio) of the fiber is changed in a range of 99: 1 to 90:10 (P25: titania nanofiber) to form a titania electrode having three layers, and the power generation efficiency of the dye-sensitized solar cell investigated. The results are shown in Table 2 below. Table 2 below also shows a dye-sensitized solar cell when the titania nanofiber compounding amount is fixed to 1% by mass and the titania electrode layers are thickened to 3 layers and 6 layers. The power generation efficiency (η) was also measured. Further, based on this result, the relationship between the configuration of the titania electrode and the value of each characteristic (all are evaluated as absolute values) is shown in FIG. 14 (bar graph). In Table 2, “3 layers (99: 1)” means that the compounding ratio (P25: titania nanofibers) is 99: 1 and that there are 3 layers (others are equivalent to this). ). In addition, what is described as three-layer P25 indicates an existing titania electrode (the electrode is composed of only the titania powder “P25”).

また表2に示した電極のうち、3層のチタニア電極について、チタニアナノファイバーの配合比と発電効率ηの関係を下記表3に示す。このとき、既存のチタニア電極「3層P25」の発電効率ηの平均値(η1=2.384)を1.0としたときの比(η/η1
を、向上率として示した。
Table 3 below shows the relationship between the composition ratio of titania nanofibers and the power generation efficiency η for the three-layer titania electrode among the electrodes shown in Table 2. At this time, the ratio (η / η 1 ) when the average value (η 1 = 2.384) of the power generation efficiency η of the existing titania electrode “three-layer P25” is 1.0.
Is shown as an improvement rate.

この結果から明らかなように、全ての配合比(99:1〜90:10)において、チタニアナノファイバーの配合による発電効率ηが向上していることが分かる。発電効率の向上には、実験上のばらつきや測定誤差が認められ、どの配合比領域が最適範囲であるとは特定できないが、上記の配合比の範囲では全般的に発電効率が1.2倍から1.5倍に向上していると判断できる。   As is clear from this result, it is understood that the power generation efficiency η by the combination of titania nanofibers is improved in all the mixture ratios (99: 1 to 90:10). There are experimental variations and measurement errors in the improvement of power generation efficiency, and it is not possible to specify which blending ratio range is the optimum range, but in the range of the above blending ratio, the power generation efficiency is 1.2 times as a whole. Therefore, it can be judged that the ratio is improved 1.5 times.

上記の考察で、チタニアナノファイバーの配合により、発電効率ηが向上することが判明したが、チタニアナノファイバーの最も配合比が少ない1質量%の場合(上記配合比で99:1の配合比の場合)で、チタニア電極を3層から6層に増膜させた場合には、発電効率ηが5.9(%)を示しており、最も良好な発電効率ηとなっていることが分かる。   From the above considerations, it was found that the composition of titania nanofibers improves the power generation efficiency η. However, in the case of 1% by mass with the smallest blending ratio of titania nanofibers (the blending ratio is 99: 1). When the titania electrode is increased from 3 layers to 6 layers, the power generation efficiency η shows 5.9 (%), which indicates that the power generation efficiency η is the best.

1 TiO6結晶八面体
2 Na陽イオン
3 K陽イオン
4 アルカリ金属元素
5 不純物元素
41 マグネット
44 密閉式加圧用容器
46 ヒーター
45 密閉式反応容器
61 熱電対式内温計
1 TiO 6 crystal octahedron 2 Na cation 3 K cation 4 Alkali metal element 5 Impurity element 41 Magnet 44 Sealed pressurization vessel 46 Heater 45 Sealed reaction vessel 61 Thermocouple internal thermometer

Claims (4)

チタン酸塩とアルカリ水溶液の混合物を加圧加熱処理することによって製造されるTiO2(B)型細線状チタン化合物であって、前記加圧加熱処理で合成されるTiO2(B)型チタン酸塩中のアルカリ金属元素より陽イオン半径が小さい不純物元素量が、原料中に含まれるチタン元素のモル数に対して1/1000以下に制御されているTiO2(B)型細線状チタン化合物を、その後900℃以上の温度で加熱処理が施されたものであることを特徴とするアナターゼ型細線状チタン化合物。 A TiO 2 (B) type fine wire titanium compound produced by subjecting a mixture of titanate and an aqueous alkali solution to pressure and heat treatment, wherein the TiO 2 (B) type titanic acid is synthesized by the pressure and heat treatment A TiO 2 (B) type fine wire titanium compound in which the amount of impurity element having a smaller cation radius than the alkali metal element in the salt is controlled to 1/1000 or less with respect to the number of moles of titanium element contained in the raw material. Then, an anatase type fine wire titanium compound, which has been heat-treated at a temperature of 900 ° C. or higher. 色素増感型太陽電池に用いられるチタニア電極であって、請求項1に記載の細線状チタン化合物と、粉末状のチタニアを混合することによって構成されたものであることを特徴とするチタニア電極。   It is a titania electrode used for a dye-sensitized solar cell, Comprising: The titania electrode comprised by mixing the fine wire titanium compound of Claim 1, and a powdery titania. 細線状チタン化合物の混合割合が0.1〜20質量%である請求項2に記載のチタニア電極。   The titania electrode according to claim 2, wherein a mixing ratio of the fine-line titanium compound is 0.1 to 20% by mass. 請求項2または3に記載のチタニア電極を用いたものである色素増感型太陽電池。   A dye-sensitized solar cell using the titania electrode according to claim 2.
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JP2011207661A (en) * 2010-03-30 2011-10-20 Osaka Gas Co Ltd Titanium oxide structure
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JP2011207661A (en) * 2010-03-30 2011-10-20 Osaka Gas Co Ltd Titanium oxide structure
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