JP2012140255A - 2d bronze type tungsten oxide nanosheet, method for production thereof, and photocatalyst and photochromic device using the nanosheet - Google Patents

2d bronze type tungsten oxide nanosheet, method for production thereof, and photocatalyst and photochromic device using the nanosheet Download PDF

Info

Publication number
JP2012140255A
JP2012140255A JP2010292363A JP2010292363A JP2012140255A JP 2012140255 A JP2012140255 A JP 2012140255A JP 2010292363 A JP2010292363 A JP 2010292363A JP 2010292363 A JP2010292363 A JP 2010292363A JP 2012140255 A JP2012140255 A JP 2012140255A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
tungsten oxide
nanosheet
bronze
oxide nanosheet
bronze structure
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2010292363A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP5750752B2 (en
Inventor
Katsutoshi Fukuda
勝利 福田
Jun Sato
純 佐藤
Wataru Sugimoto
渉 杉本
Mutsumi Kimura
睦 木村
Yasutaro Seto
保太郎 瀬戸
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shinshu University NUC
Original Assignee
Shinshu University NUC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shinshu University NUC filed Critical Shinshu University NUC
Priority to JP2010292363A priority Critical patent/JP5750752B2/en
Publication of JP2012140255A publication Critical patent/JP2012140255A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP5750752B2 publication Critical patent/JP5750752B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Landscapes

  • Exhaust Gas Treatment By Means Of Catalyst (AREA)
  • Inorganic Compounds Of Heavy Metals (AREA)
  • Catalysts (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a tungsten oxide nanosheet having a 2D bronze structure that two or more of the 6-membered ring structures comprising a metal-oxygen octahedron are regularly arranged in a sheet cross-sectional direction, and also to provide a method for production thereof and a device using the same.SOLUTION: The layered poly(tungstic acid) comprising a host layer having the 2D bronze structure is converted into a hydrogen ion exchanger having a solid acid property while maintaining its host structure, and a single layer peeling phenomenon is induced by introducing a bulky cation between the layers. Thereby, the tungsten oxide nanosheet is obtained, which has the 2D bronze structure that two or more of the 6-membered ring structures comprising a metal-oxygen octahedron are regularly arranged in a sheet cross-sectional direction.

Description

本発明は、二次元(2D)ブロンズ構造を有する酸化タングステンナノシート、その製造方法およびそれを用いた光触媒とフォトクロミック素子に関し、より詳細には、金属−酸素八面体からなる六員環構造が、シート断面方向に複数規則的に配列し、シート平面方向に一次元トンネルを有する2Dブロンズ型酸化タングステンナノシート、前駆体の酸処理ステップと剥離剤との混合ステップからなるその製造方法およびそれらを用いた光触媒、フォトクロミック素子に関する。   The present invention relates to a tungsten oxide nanosheet having a two-dimensional (2D) bronze structure, a method for producing the same, and a photocatalyst and a photochromic device using the same, and more particularly, a six-membered ring structure composed of a metal-oxygen octahedron has a sheet 2D bronze-type tungsten oxide nanosheets regularly arranged in the cross-sectional direction and having a one-dimensional tunnel in the sheet plane direction, its production method comprising a precursor acid treatment step and a release agent mixing step, and a photocatalyst using them The present invention relates to a photochromic element.

従来、粘土鉱物、および、硫化物、酸化物、水酸化物、グラファイトなどの様々な組成・構造を有する層状化合物を単層剥離させることによって、ナノレベルまで薄片化された2次元シート状物質が多く合成されている。これらナノシートは、二次元方向のバルクサイズと一次元方向のナノサイズを兼備しており、バルクの良好なハンドリング性とナノサイズ効果による特異な物性の両方を期待することができる。近年、グラファイトの剥離から得たグラフェンは、透明電極から電気化学キャパシタ、二次電池材料に至るまで幅広い領域へ応用されるなど、層状化合物の剥離技術は基礎・応用の両観点から大きな関心が寄せられている。多くの場合、層状化合物の単層剥離から得たナノシートは静電荷を帯びているため、自己組織化交互吸着法やLangmuir−Blodgett法、再凝集法、電気泳動法などを用いることによって、薄膜から粉体まで様々な形態の材料をナノスケールから構築できるという優れた材料成形性・設計性を有し、幅広い材料分野に応用できる可能性を秘めている。   Conventionally, a two-dimensional sheet material that has been exfoliated to the nano level has been obtained by exfoliating clay minerals and laminar compounds having various compositions and structures such as sulfides, oxides, hydroxides, and graphite. Many are synthesized. These nanosheets have both a two-dimensional bulk size and a one-dimensional nanosize, and can be expected to have both good bulk handling properties and unique physical properties due to the nanosize effect. In recent years, graphene obtained from the exfoliation of graphite has been applied to a wide range of fields, from transparent electrodes to electrochemical capacitors and secondary battery materials. Layered compound exfoliation technology is of great interest from both basic and application viewpoints. It has been. In many cases, nanosheets obtained from single-layer exfoliation of layered compounds are electrostatically charged, so by using self-assembled alternating adsorption method, Langmuir-Blodgett method, reaggregation method, electrophoresis method, etc., from the thin film It has excellent material moldability and designability that can build materials in various forms from powder to nano-scale, and has the potential to be applied to a wide range of material fields.

ナノシート群の中でも酸化物系ナノシートは組成・構造のバリエーションに富み機能性の発現および合成・取り扱いの簡便さからとりわけ工業的利用価値が高い。例えば、レピドクロサイト型のナノシートにおいては数nmレベルにおいても高い誘電性を維持することや(例えば、特許文献1)、ドーパントの種類によってバルクには見られない巨大な磁気光学効果を発現することが見出されており、極薄の機能性材料としてデバイス分野からとりわけ大きな注目を浴びている。最近では、レピドクロサイトより厚い骨格を持つペロブスカイト型のナノシートを創製することでより高い誘電率の保持を実現できることが示され(例えば、特許文献2)、組成に加え、構造に着目したナノシート探索が重要な鍵となっている。   Among the nanosheet group, oxide-based nanosheets are rich in composition and structure, and are particularly valuable for industrial use due to the expression of functionality and the ease of synthesis and handling. For example, in the case of lepidochrosite-type nanosheets, high dielectric properties can be maintained even at the level of several nanometers (for example, Patent Document 1), and a giant magneto-optical effect that cannot be seen in the bulk depending on the type of dopant. As a very thin functional material, it has attracted particular attention from the device field. Recently, it has been shown that the creation of perovskite-type nanosheets with a thicker skeleton than lepidoccrosite can achieve higher dielectric constant retention (for example, Patent Document 2). In addition to composition, nanosheet search focusing on structure Is an important key.

良く知られた鉱物・結晶構造にちなんで名付けられた、レピドクロサイト型(例えば、特許文献3)、α−NaFeO型(例えば、特許文献4)、ペロブスカイト型(例えば、特許文献5や非特許文献1)、2Dパイロクロア型ナノシート(例えば、特許文献6)は、アルカリ層状酸化物を出発物質として合成する手法がすでに確立されている。しかし、ペロブスカイト同様、強誘電や超伝導など多才な構造として知られる二次元のブロンズ構造を持った単層ナノシートは、その前駆体となるアルカリ層状化合物自体がポリタングステン酸以外ではほとんど知られていないために合成されていなかった。 Named after a well-known mineral / crystal structure, a lipidocrosite type (for example, Patent Document 3), an α-NaFeO 2 type (for example, Patent Document 4), and a perovskite type (for example, Patent Document 5 and non-patent documents) Patent Document 1) A 2D pyrochlore nanosheet (for example, Patent Document 6) has already been established with a method of synthesizing an alkali layered oxide as a starting material. However, as with perovskite, single-layer nanosheets with a two-dimensional bronze structure known as a versatile structure such as ferroelectric and superconductivity are hardly known except for polytungstic acid as the alkali layered compound itself. Was not synthesized for.

酸化タングステン系は、光触媒やエレクトロクロミック素子、フォトクロミック素子、脱硫・脱硝触媒など機能性材料としても広範囲な工業的用途を有する。2Dブロンズ型ホスト層を有する、アルカリ層状ポリタングステン酸としてはRb1135が存在することが知られている(例えば、非特許文献2)。このホスト層は、金属−酸素八面体からなる六員環構造がホスト層断面方向に複数規則的に配列したポーラスな骨格から形成されている。よって、2Dブロンズ型ホスト層は1nmより厚く、単層剥離することができれば、1nm以下のレピドクロサイト型やα−NaFeO型のホスト層を取り扱うナノシート群とは異なった、数nmというナノサイズと2Dブロンズ構造の両方の特徴を活かした独自の機能性を有するナノシートの創製が期待される。 Tungsten oxides have a wide range of industrial applications as functional materials such as photocatalysts, electrochromic elements, photochromic elements, and desulfurization / denitration catalysts. It is known that Rb 4 W 11 O 35 exists as an alkali layered polytungstic acid having a 2D bronze type host layer (for example, Non-Patent Document 2). This host layer is formed of a porous skeleton in which a plurality of six-membered ring structures composed of metal-oxygen octahedrons are regularly arranged in the cross-sectional direction of the host layer. Therefore, if the 2D bronze type host layer is thicker than 1 nm and can be peeled off as a single layer, the nanosize of several nanometers, which is different from the nanosheet group that handles 1 nm or less of the lipidocrosite type or α-NaFeO 2 type host layer, The creation of nanosheets with unique functionality that takes advantage of the features of both 2D and 2D bronze structures is expected.

しかしながら、アルカリ層状ポリタングステン酸の結晶構造は、大きなユニットセルを持つ場合が多く非常に複雑なため、回折データを取得しても解析が至難な上、多くのアルカリ:タングステン比の各組成で得られるポリタングステン酸は、変色しやすい、単相あるいは単結晶を合成することが困難など未だ多くの課題を抱えている。そのため、単相のポリタングステン酸を識別・取り出し、それらのイオン交換反応から新規物質を誘導するなどのソフト化学的な研究例は乏しい。   However, the crystal structure of alkali layered polytungstic acid is often very complex with many large unit cells, so it is difficult to analyze even if diffraction data is acquired. However, polytungstic acid still has many problems such as being easily discolored and difficult to synthesize a single phase or a single crystal. For this reason, there are few examples of soft chemical research such as identifying and extracting single-phase polytungstic acid and deriving new substances from their ion exchange reactions.

したがって、2Dブロンズ構造を有するホスト層からなるアルカリ層状ポリタングステン酸のソフト化学的処理から単層剥離現象を誘発し、これまでに無い2Dブロンズ構造を有した酸化タングステンナノシートが得られれば望ましい。また、そのような2Dブロンズ型酸化タングステンナノシートのさらなる利用が望まれる。   Therefore, it is desirable that a single layer peeling phenomenon is induced by soft chemical treatment of an alkali layered polytungstic acid composed of a host layer having a 2D bronze structure, and a tungsten oxide nanosheet having an unprecedented 2D bronze structure is obtained. Further, further utilization of such 2D bronze type tungsten oxide nanosheets is desired.

WO2007/094244WO2007 / 094244 WO2008/078652WO2008 / 078652 特開2001−270022号公報JP 2001-270022 A 特開2003−201121号公報JP 2003-201221 A 特開2009−292680号公報JP 2009-292680 A 特開2009−1441号公報JP 2009-1441A

Chem. Mater., 1990,2,279Chem. Mater. , 1990, 2, 279 Inorg.Mater.,1998,34,845Inorg. Mater. 1998, 34, 845 Chem.Mater., 2002,14,3524Chem. Mater. , 2002, 14, 3524

本発明は、従来の層状化合物の単層剥離から得られた薄片状物質とは構造・組成が異なる、金属−酸素八面体からなる六員環構造が、シート断面方向に複数規則的に配列した一次元トンネル状構造を有する2Dブロンズ型酸化タングステンナノシート、その製造方法、および、それを用いた光触媒、フォトクロミック素子を提供しようと言うものである。   In the present invention, a plurality of six-membered ring structures composed of metal-oxygen octahedrons arranged in a sheet cross-sectional direction are regularly arranged in a different structure and composition from the flaky material obtained by single-layer peeling of a conventional layered compound. This is to provide a 2D bronze-type tungsten oxide nanosheet having a one-dimensional tunnel-like structure, a method for producing the same, a photocatalyst using the 2D bronze-type tungsten oxide nanosheet, and a photochromic element.

そこで本発明者らにおいては、鋭意研究を重ねた結果、上記の課題を解決するため、2Dブロンズ構造を有するホスト層が積み重なった層状酸化タングステンに着目し、この酸化物から基本的結晶構造を壊すことなく単層剥離し得ることを見出した。すなわち、組成式Rb1135で表される一次元トンネルを有するホスト層が積層しアルカリ層状結晶(図1参照)を出発物質として、この物質に塩酸・硝酸・硫酸などの酸性水溶液を作用させ、ホスト層の2Dブロンズ構造を崩壊させることなく固体酸性を備えた水素イオン交換体を誘導し、次いで、これに嵩高い陽イオンを含む溶液を作用させることによって、2Dブロンズ構造を持つ酸化物ナノシートを単層レベルである1nm〜4nm以下の厚みまでに単層剥離し得ることに知見し、成功したものである。本発明はこれらの知見、成功に基づいてなされたものであり、2Dブロンズ型ナノシート、およびその製造方法とそれを用いた光触媒、フォトクロミック素子を提供するものである。 Therefore, as a result of intensive studies, the present inventors have focused on layered tungsten oxide in which a host layer having a 2D bronze structure is stacked in order to solve the above-described problem, and break the basic crystal structure from this oxide. It was found that a single layer could be peeled without any problems. That is, a host layer having a one-dimensional tunnel represented by the composition formula Rb 4 W 11 O 35 is laminated, and an alkali layered crystal (see FIG. 1) is used as a starting material. Oxidation with a 2D bronze structure by inducing a hydrogen ion exchanger with solid acidity without causing the 2D bronze structure of the host layer to break down and then acting on it with a bulky cation-containing solution It has been found that the nanosheets can be separated into a single layer up to a thickness of 1 nm to 4 nm or less, which is a single layer level. The present invention has been made on the basis of these findings and successes, and provides a 2D bronze-type nanosheet, a production method thereof, a photocatalyst using the same, and a photochromic device.

すなわち、本発明は、以下(1)〜(8)に記載する構成要件を備えてなるものであり、これによって2Dブロンズ構造を有する特有な性質を有するナノシートを提供することに成功したものである。
(1)金属−酸素八面体からなる六員環構造が、シート断面方向に複数規則的に配列した一次元トンネル状構造からなる2Dブロンズ構造を有するナノシート
(2)WとOのモル比11:35で表される2Dブロンズ型酸化タングステンナノシート。
(3)結晶学的厚みが1nm〜4nm、横サイズがサブミクロンから数ミリの範囲である前記(2)項に記載のナノシート。
(4)2Dブロンズ構造を有するホスト層が積層した構造を持つ層状タングステン酸化物を単層剥離して得られてなる前記(2)項に記載のナノシート。
(5)金属―酸素八面体の六員環構造(ブロンズ構造のホール)がシート側面に2層ないし3層含む、前記(2)項記載のナノシート。
(6)2Dブロンズ構造を有するホスト層が積層した構造を持つ層状タングステン酸化物のホスト層構造を維持したままプロトンまたはオキソニウムイオンを層間に導入し、次にその層間に嵩高いカチオンを導入することによって、単層剥離した2次元シート状物質が分散した溶液を得ることを特徴とする、2Dブロンズ構造を有するナノシートの製造方法。
(7)前記(2)〜(5)項記載のいずれかの2Dブロンズ型酸化タングステンナノシートを用いたことを特徴とする、光触媒。
(8)前記(2)〜(5)項記載のいずれかの2Dブロンズ型酸化タングステンナノシートを用いたことを特徴とする、フォトクロミック素子。
That is, the present invention comprises the constituent elements described in the following (1) to (8), and has succeeded in providing a nanosheet having a unique property having a 2D bronze structure. .
(1) A nanosheet having a 2D bronze structure having a one-dimensional tunnel-like structure in which a plurality of six-membered ring structures composed of metal-oxygen octahedrons are regularly arranged in the sheet cross-sectional direction. A 2D bronze-type tungsten oxide nanosheet represented by 35.
(3) The nanosheet according to (2), wherein the crystallographic thickness is 1 nm to 4 nm and the lateral size is in the range of submicron to several millimeters.
(4) The nanosheet according to item (2), which is obtained by exfoliating a single layer of a layered tungsten oxide having a structure in which a host layer having a 2D bronze structure is laminated.
(5) The nanosheet according to (2), wherein the metal-oxygen octahedral six-membered ring structure (bronze structure hole) includes two to three layers on the sheet side surface.
(6) A proton or oxonium ion is introduced between layers while maintaining the host layer structure of a layered tungsten oxide having a structure in which a host layer having a 2D bronze structure is laminated, and then a bulky cation is introduced between the layers. A method for producing a nanosheet having a 2D bronze structure, characterized in that a solution in which a two-dimensional sheet-like substance separated by a single layer is dispersed is obtained.
(7) A photocatalyst using the 2D bronze-type tungsten oxide nanosheet according to any one of (2) to (5) above.
(8) A photochromic element using the 2D bronze-type tungsten oxide nanosheet according to any one of (2) to (5).

本発明による酸化タングステンナノシートは、2Dブロンズ構造を有する。このような2Dブロンズ型ナノシートは、シート断面方向にナノサイズを有し、シート平面方向にはバルクサイズを有し得る。このようなサイズ・性状の薄片状ナノ物質は、他のナノ物質に比べ取り扱いが簡便であるだけでなく、製膜性、塗布性に優れており、薄膜材料、コーティング材として利用可能である。また、2Dブロンズ構造は、アルカリイオンをイオン交換することでオープンチャネルとして機能し得るので、各種分子やガスの吸着を利用したセンサー、触媒として有用である。   The tungsten oxide nanosheet according to the present invention has a 2D bronze structure. Such a 2D bronze nanosheet may have a nanosize in the sheet cross-sectional direction and a bulk size in the sheet plane direction. Such flaky nanomaterials of size and properties are not only easier to handle than other nanomaterials, but also excellent in film forming properties and coating properties, and can be used as thin film materials and coating materials. In addition, the 2D bronze structure can function as an open channel by ion exchange of alkali ions, and thus is useful as a sensor or a catalyst using adsorption of various molecules and gases.

本発明による2Dブロンズ型ナノシートは、光触媒、エレクトロクロミック素子、フォトクロミック素子、脱硫・脱硝触媒など多才な工業的利用価値を有している酸化タングステンより構成されている。単層剥離後の2Dブロンズ型ナノシートも同様の性質を有す上に、極めて有用な使用態様を含んでおり、大いに使用され、産業の発展に寄与することが期待される。すなわち、近年、光触媒作用を利用した窓ガラスの防曇・セルフクリーニング技術が省エネルギー技術としてに注目を集めている。これら機能性を屋外のみならず屋内において発現させるためには、さらなる高感度化と可視光利用が必要不可欠であり、様々な単独材料系あるいは複合材料系が精力的に模索されている。本発明の2Dブロンズ型酸化タングステンナノシートは、2Dブロンズ構造に由来して最大で4nmに及ぶ厚みと金属−酸素八面体の結合構造から、多くの既存の半導体酸化物ナノシートのバンドギャップより狭いバンドギャップを有し、紫外光/可視光環境下における光触媒効果やフォトロミック特性の利用などの応用展開が考えられうる。さらに、2Dブロンズ型酸化タングステンナノシートは、ポリアニオンとして取り扱うことが可能であり、前述のレイヤーバイレイヤー法などによって材料成形性に富んでいることから、まったく新しい光触媒・フォトクロミック薄膜材料が産み出されることが期待され、その意義は極めて大きい。   The 2D bronze nanosheet according to the present invention is composed of tungsten oxide having versatile industrial utility value such as photocatalyst, electrochromic element, photochromic element, desulfurization / denitration catalyst. The 2D bronze nanosheet after the single-layer peeling has the same properties and includes a very useful usage mode, and is expected to contribute greatly to industrial development. That is, in recent years, window glass anti-fogging / self-cleaning technology using photocatalysis has attracted attention as an energy-saving technology. In order to express these functionalities not only outdoors but also indoors, further enhancement of sensitivity and utilization of visible light are indispensable, and various single material systems or composite material systems are energetically searched for. The 2D bronze-type tungsten oxide nanosheet of the present invention has a band gap narrower than the band gap of many existing semiconductor oxide nanosheets because of the maximum thickness of 4 nm derived from the 2D bronze structure and the metal-oxygen octahedral bonding structure. Application development such as use of the photocatalytic effect and photochromic properties in an ultraviolet / visible light environment can be considered. Furthermore, 2D bronze-type tungsten oxide nanosheets can be handled as polyanions, and because of their excellent material moldability by the layer-by-layer method described above, a completely new photocatalyst / photochromic thin film material can be produced. Expected and its significance is extremely large.

本発明による2Dブロンズ型酸化タングステンナノシートの断面模式図。The cross-sectional schematic diagram of the 2D bronze type tungsten oxide nanosheet by this invention. 実施例2の各濃度のコロイド溶液の紫外−可視光吸収スペクトルを示す図と255nmの吸光度と濃度をプロットした挿入図。The figure which shows the ultraviolet-visible light absorption spectrum of the colloidal solution of each density | concentration of Example 2, and the inset which plotted the light absorbency and density | concentration of 255 nm. 実施例2の(a)単層剥離した2Dブロンズ型酸化タングステンナノシートをCuグリッドに吸着させて観察したTEM像を示す図と(b)その電子回折パターンを示す図。The figure which shows the TEM image which adsorb | sucked to the Cu grid the 2D bronze-type tungsten oxide nanosheet which peeled (a) single layer of Example 2, and (b) the figure which shows the electron diffraction pattern. 実施例2の(a)Si基板上に形成された薄膜のAFM像および(b)その断面プロファイルを示す図。(A) AFM image of thin film formed on Si substrate in Example 2 and (b) A diagram showing its cross-sectional profile. (a)Rb1135とそれを16規定の硝酸で(b)1、(c)3、(d)5回処理したサンプルの粉末X線回折パターンを示す図。 (A) Rb 4 W 11 O 35 and it in 16 provisions of nitric acid (b) 1, (c) 3, shows a powder X-ray diffraction pattern of a sample treated (d) 5 times. 実施例2の2Dブロンズ型酸化タングステンナノシートコロイド溶液を各回転数で遠心分離したときの酸化タングステン重量の回収率を示す図。The figure which shows the recovery rate of the tungsten oxide weight when the 2D bronze-type tungsten oxide nanosheet colloid solution of Example 2 is centrifuged at each rotation speed. 実施例3の2Dブロンズ型酸化タングステンナノシートと有機カチオンを10回交互積層したときの紫外−可視光吸収スペクトルを示す図と積層回数毎における255nmの吸光度をプロットした挿入図。The figure which shows the ultraviolet-visible light absorption spectrum when the 2D bronze-type tungsten oxide nanosheet of Example 3 and an organic cation are laminated | stacked 10 times alternately, and the inset which plotted the light absorbency of 255 nm for every lamination | stacking frequency. 実施例3の2Dブロンズ型酸化タングステンナノシートと有機カチオンを10回交互積層した(a)as−grown薄膜と(b)紫外線1時間照射、(c)紫外線4時間照射、(d)紫外線24時間照射後のX線回折パターンを示す図。(A) as-grown thin film in which 2D bronze-type tungsten oxide nanosheets and organic cations of Example 3 were alternately laminated 10 times, (b) UV irradiation for 1 hour, (c) UV light irradiation for 4 hours, (d) UV light irradiation for 24 hours The figure which shows the X-ray diffraction pattern after. 実施例4の2Dブロンズ型酸化タングステンナノシートコロイド溶液の紫外線照射前後での紫外−可視光吸収スペクトルを示す図。The figure which shows the ultraviolet-visible light absorption spectrum before and behind ultraviolet irradiation of the 2D bronze-type tungsten oxide nanosheet colloidal solution of Example 4. FIG.

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。同様の要素には同様の参照符号を付し、説明が重複するのを避ける。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. Like elements are given like reference numerals to avoid duplicate description.

本発明は、まず出発物質として2Dブロンズ構造(図1参照)を有するホスト層からなるアルカリ層状ポリタングステン酸が用いられる。このような物質としては組成式Rb1135で表されるアルカリ層状酸化物が挙げられる。このようなアルカリ層状酸化物以外にも、本発明の意図する目的に適う2Dブロンズ構造のホスト層からなる層状化合物があれば使用することができる。この実施例では上記組成の層状酸化物を用い、硝酸などの酸性水溶液で処理して水素イオン含有物質Rb4−x1135(0≦x≦4)水和物に変換し、次いで、嵩高いゲストとして機能する四級アンモニウムイオンに代表される嵩高いゲストを含む水溶液中で混合・振盪させることによって水和層状ポリタングステン酸を単層レベルの厚みに剥離させ、2Dブロンズ構造を壊すことなく、薄片状のナノシート分散溶液を得る。 In the present invention, an alkali layered polytungstic acid composed of a host layer having a 2D bronze structure (see FIG. 1) is used as a starting material. As such a substance, an alkali layered oxide represented by a composition formula Rb 4 W 11 O 35 can be given. In addition to the alkali layered oxide, any layered compound composed of a host layer having a 2D bronze structure suitable for the intended purpose of the present invention can be used. In this example, a layered oxide having the above composition is used and treated with an acidic aqueous solution such as nitric acid to convert it into a hydrogen ion-containing substance Rb 4-x H x W 11 O 35 (0 ≦ x ≦ 4) hydrate, Next, by mixing and shaking in an aqueous solution containing a bulky guest represented by a quaternary ammonium ion that functions as a bulky guest, the hydrated layered polytungstic acid is peeled to a single-layer thickness, and a 2D bronze structure is formed. A flaky nanosheet dispersion solution is obtained without breaking.

本発明のアルカリ層状ポリタングステン酸Rb1135は、タングステンブロンズ構造に類似した金属−酸素八面体からなる六員環構造が、シート断面方向に3層分規則的に配列することでシート断面方向に一次元チャンネルを形成している、2Dブロンズ構造を持つホスト層から形成されている(図1参照:斜方晶a=1.4653(3)nm,b=2.568(3)nm,c=0.7684(3)nm)。この層状化合物に酸処理を施した後、剥離促進剤を加えることによって、ホスト層一枚一枚にまでバラバラになったナノレベルの薄片状ナノ物質が分散したコロイド溶液が得られる。 The alkali layered polytungstic acid Rb 4 W 11 O 35 according to the present invention is a sheet in which a six-membered ring structure composed of metal-oxygen octahedron similar to a tungsten bronze structure is regularly arranged in three layers in the sheet cross-sectional direction. It is formed from a host layer having a 2D bronze structure in which a one-dimensional channel is formed in the cross-sectional direction (see FIG. 1: orthorhombic a = 1.4653 (3) nm, b = 2.568 (3) nm, c = 0.7684 (3) nm). By applying an acid treatment to the layered compound and then adding a release accelerator, a colloidal solution in which nano-level flaky nanomaterials dispersed in the individual host layers are dispersed is obtained.

剥離反応を進行させるためには、酸処理によってアルカリイオンを一部あるいはすべて抽出し、層間に水素イオンまたはオキソニウムイオンを導入しすることで固体酸性を持たせる必要がある。酸処理には塩酸、硫酸、硝酸などを用いることができる。   In order to advance the peeling reaction, it is necessary to extract part or all of alkali ions by acid treatment and introduce hydrogen ions or oxonium ions between layers to give solid acidity. For the acid treatment, hydrochloric acid, sulfuric acid, nitric acid or the like can be used.

酸の種類・濃度・処理回数によってイオン交換後の生成物である組成式Rb4−x1135水和物(0≦x≦4)中のxの量を変化させることができるが、剥離反応をうまく進行させるためには、単位格子中の層間のRbイオン量に相当するx=1以上をイオン交換させる必要がある。このとき完全にルビジウムを抽出することは困難であり、ルビジウムを上記組成式の2より少なくするためには、高濃度の塩酸・硝酸・硫酸等を繰り返し用いる必要があり経済的に好ましくない。最終的にコストや日数を考慮すれば、濃度10規定以上の硝酸を(溶液)/(固体)=100cm−1の固液比で組成式中xが2程度になるまで酸処理を行うことが望ましい。 The amount of x in the composition formula Rb 4-x H x W 11 O 35 hydrate (0 ≦ x ≦ 4), which is a product after ion exchange, can be changed depending on the type, concentration, and number of treatments of the acid. However, in order for the exfoliation reaction to proceed well, it is necessary to ion-exchange x = 1 or more corresponding to the amount of Rb ions between layers in the unit cell. At this time, it is difficult to completely extract rubidium, and in order to make rubidium less than 2 in the above composition formula, it is necessary to repeatedly use high-concentration hydrochloric acid, nitric acid, sulfuric acid, etc., which is economically undesirable. Finally, considering the cost and the number of days, acid treatment is performed until nitric acid having a concentration of 10 N or more is (solution) / (solid) = 100 cm 3 g −1 and the solid-liquid ratio is about 2 in the composition formula. It is desirable.

ルビジウムが水素イオンと交換した水素イオン交換体Rb4−x1135水和物(0≦x≦4)と剥離促進剤を水溶液中で混合・振盪させることによって、層状化合物の層と層の剥離反応を進行させると、ナノスケールまで薄片化した2Dブロンズ構造のナノシートが分散した溶液を得ることができる。このとき、水素イオン交換体中の水素イオンと剥離促進剤のモル比を調節することによって、単層剥離した2Dブロンズ型酸化タングステンナノシートを主成分として得ることができる。 By mixing and shaking a hydrogen ion exchanger Rb 4-x H x W 11 O 35 hydrate (0 ≦ x ≦ 4) in which rubidium is exchanged with hydrogen ions and a peeling accelerator in an aqueous solution, When the exfoliation reaction of the layers proceeds, a solution in which nanosheets having a 2D bronze structure thinned to nanoscale are dispersed can be obtained. At this time, by adjusting the molar ratio of the hydrogen ions in the hydrogen ion exchanger to the peeling accelerator, it is possible to obtain a 2D bronze-type tungsten oxide nanosheet having a single layer peeled as a main component.

本発明に用いる剥離促進剤としては、テトラブチルアンモニウムイオン、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、エタノールアミンを用いることができるが、テトラブチルアンモニウムイオン(以下、TBA)が特に有効である。 As the peeling accelerator used in the present invention, tetrabutylammonium ion, tetrapropylammonium ion, tetraethylammonium ion, tetramethylammonium ion, n-propylamine, n-ethylamine, and ethanolamine can be used. Ions (hereinafter, TBA + ) are particularly effective.

水素イオン交換体Rb4−x1135水和物(0≦x≦4)中の水素イオンに対して、剥離促進剤TBAの比が0.5〜2の範囲となるように加えることによって、黄色い分散液が得られる。モル比が0.5未満の場合には、剥離が十分に進行しない場合がある。また、モル比が2を超えると、ホストの2Dブロンズ構造が崩壊する場合がある。より好ましくは、モル比=1のとき最も収率良く2Dブロンズ型酸化タングステンナノシートを得ることができる。これらの条件で発生する未反応物は分散液をさらに遠心分離することによって、取り除くことが可能である。得られた黄色い上澄み液は、図2に示すようにバンドギャップに基づく光吸収特性を持っている。この吸収ピークのショルダー部(255nm)をプロットした挿入図を見ると、Lambert−Beer則に従っていることから、層状化合物がホスト単層までバラバラになった状態で分散したコロイド溶液であることがわかる。また、その吸収ピークの立ち上がりは、吸収した光のエネルギーの0.5乗でプロットすると直線となり、バンドギャップ約3.3eVの間接遷移に基づいていることを示している。 Hydrogen ion exchanger Rb 4-x H x W 11 O 35 hydrate (0 ≦ x ≦ 4) with respect to hydrogen ions, the ratio of the release accelerator TBA + is in the range of 0.5-2. To give a yellow dispersion. When the molar ratio is less than 0.5, peeling may not proceed sufficiently. If the molar ratio exceeds 2, the host 2D bronze structure may collapse. More preferably, when the molar ratio = 1, the 2D bronze-type tungsten oxide nanosheet can be obtained with the highest yield. Unreacted substances generated under these conditions can be removed by further centrifuging the dispersion. The obtained yellow supernatant has light absorption characteristics based on the band gap as shown in FIG. From the inset plotting the shoulder (255 nm) of this absorption peak, it can be seen that the colloidal solution is dispersed in a state where the layered compound is separated to the host monolayer because it follows the Lambert-Beer rule. The rise of the absorption peak becomes a straight line when plotted by the power of the absorbed light energy to the 0.5th power, indicating that it is based on an indirect transition with a band gap of about 3.3 eV.

水素イオン交換体Rb4−x1135水和物(0≦x≦4)に剥離促進剤を加えることによって得られたコロイド溶液をTEM観察用グリッド上に滴下し、乾燥後観察すると、グリッド上の大部分で図3(a)に示すように均一コントラストかつシャープなエッジを持ったシート状物質を観測することができる。この均一かつ薄いコントラストは、コロイド中に見出されたシート状物質が、前駆体の単層剥離によってナノレベルまで細分化されたナノシートであることに起因している。図3(b)に示した観察されたナノシートの電子回折パターンは、前駆体である層状ポリタングステン酸バルク体のホスト層と同様の二次元長方形格子で指数付けすることができた(a=1.4nm,c=0.78nm)。この結果は、コロイド中のナノシートが図1に示した出発物質のホスト層と同一の2Dブロンズ構造からなる二次元骨格を形成している根拠となる。 The colloidal solution obtained by adding a peeling accelerator to the hydrogen ion exchanger Rb 4-x H x W 11 O 35 hydrate (0 ≦ x ≦ 4) was dropped on the TEM observation grid and observed after drying. Then, a sheet-like substance having a uniform contrast and a sharp edge as shown in FIG. 3A can be observed over most of the grid. This uniform and thin contrast is attributed to the fact that the sheet-like material found in the colloid is a nanosheet that has been subdivided to the nano level by monolayer delamination of the precursor. The observed electron diffraction pattern of the nanosheet shown in FIG. 3B could be indexed with a two-dimensional rectangular lattice similar to the host layer of the precursor layered polytungstic acid bulk (a = 1) .4 nm, c = 0.78 nm). This result is the basis that the nanosheets in the colloid form a two-dimensional skeleton having the same 2D bronze structure as the host layer of the starting material shown in FIG.

元の層状化合物の単層剥離から得られたナノレベルまで細分化された2Dブロンズ構造のナノシートのシート平面方向は、剥離に用いる母結晶の大きさに依存している。出発原料に数ミリオーダーのサイズを用いれば、得られる2Dブロンズ型酸化タングステンナノシートも最大で数ミリオーダーである。剥離促進剤と混合した後、振盪すると収率が向上するがシート平面方向のサイズが小さくなる傾向がある。ミクロンサイズの母結晶を用いて収率を優先して合成した場合、一般的には、サブミクロンから数ミクロン程度の横サイズを持っている。実際に、180rpm振盪後に得られた酸化タングステンナノシートコロイド溶液から、カチオン性ポリマーを用いた自己組織化吸着法によって、ナノシート単層をSi基板上に吸着させ、原子間力顕微鏡(AFM:図4参照)で観察すると、0.1〜1ミクロン弱程度の横サイズのナノシートが観測できる。これら2Dブロンズ型酸化タングステンナノシートの結晶学的厚みは、ホスト一層分に酸素のファンデルワールス半径を考慮すれば約2.5nmであり、AFM観察像から見積もった約3nmの高さと良い一致を示している。この結果は、Si基板上に吸着させた薄片状酸化タングステンが図1に示した出発物質Rb1135のホスト層と同一の2Dブロンズ構造からなる二次元骨格を形成していることを示す傍証となる。 The sheet plane direction of the nanosheet having a 2D bronze structure subdivided to the nano level obtained from the single layer peeling of the original layered compound depends on the size of the mother crystal used for peeling. If a size of the order of several millimeters is used as the starting material, the resulting 2D bronze-type tungsten oxide nanosheet is also on the order of several millimeters at the maximum. When mixed with the release accelerator and shaken, the yield is improved, but the size in the sheet plane direction tends to be reduced. When synthesis is performed with priority given to yield using a micron-sized mother crystal, it generally has a lateral size of submicron to several microns. Actually, from a tungsten oxide nanosheet colloid solution obtained after shaking at 180 rpm, a nanosheet monolayer was adsorbed on a Si substrate by a self-organized adsorption method using a cationic polymer, and an atomic force microscope (AFM: see FIG. 4). ), A laterally sized nanosheet of about 0.1 to 1 micron can be observed. The crystallographic thickness of these 2D bronze-type tungsten oxide nanosheets is about 2.5 nm when the van der Waals radius of oxygen is considered for one host layer, and shows a good agreement with the height of about 3 nm estimated from AFM observation images. ing. This result shows that the flaky tungsten oxide adsorbed on the Si substrate forms a two-dimensional skeleton having the same 2D bronze structure as the host layer of the starting material Rb 4 W 11 O 35 shown in FIG. It becomes the side evidence to show.

以上の分散溶液として得た2Dブロンズ型酸化タングステンナノシートは、液相のpHや電解質濃度を制御したり、あるいは加熱または凍結乾燥することによってナノシートを再凝集させることが可能であり、室温近傍で高比表面積をもった微粒子を作製することができる。このとき、アルカリイオンや有機分子、錯体を共存させることによって様々なカチオン種を挟み込んだ層状化合物に再構築・設計することができる。また、2Dブロンズ型酸化タングステンナノシートはアニオン性を有するため、ポリカチオンなどの有機高分子や、複合水酸化物の剥離から得られた無機高分子などとの静電的自己組織化反応を利用することによって、コンポジット材料を誘導したり、様々な基板上(例えば、Si、SiO、ITO、Al、Ni等)に交互吸着製膜することが可能である。例えば、SiO基板上に有機カチオンと共に交互吸着製膜させると、図5に示すように2Dブロンズ型酸化タングステンナノシートを吸着させる回数に比例して光吸収スペクトルも増加することから、任意の光吸収特性または膜厚を有した超薄膜を簡便に大面積で製膜することが可能である。また、Langmuir−Blodgett法や電気泳動法などを用いることによっても製膜可能なため、精密膜厚制御、Roll to roll、大面積化など様々な製膜技術の工業的ニーズに対応した材料を構築することができる。 The 2D bronze-type tungsten oxide nanosheets obtained as the above dispersion solution can re-aggregate the nanosheets by controlling the pH of the liquid phase and the electrolyte concentration, or by heating or freeze-drying. Fine particles having a specific surface area can be produced. At this time, by coexisting alkali ions, organic molecules, and complexes, it can be reconstructed and designed into a layered compound sandwiching various cationic species. In addition, since the 2D bronze-type tungsten oxide nanosheet has an anionic property, it utilizes an electrostatic self-assembly reaction with an organic polymer such as a polycation or an inorganic polymer obtained by peeling off a composite hydroxide. Accordingly, it is possible to induce the composite material or to form alternately adsorbed films on various substrates (for example, Si, SiO 2 , ITO, Al, Ni, etc.). For example, when alternately adsorbing films with organic cations on a SiO 2 substrate, the light absorption spectrum increases in proportion to the number of times 2D bronze-type tungsten oxide nanosheets are adsorbed as shown in FIG. It is possible to easily form an ultrathin film having characteristics or film thickness in a large area. In addition, because it is possible to form a film by using Langmuir-Blodgett method or electrophoresis method, construct materials that meet the industrial needs of various film forming technologies such as precise film thickness control, roll to roll, and large area. can do.

本発明の2Dブロンズ型酸化タングステンナノシート中におけるタングステン(W)と酸素(O)とのモル比は、一次元トンネル内に吸着あるいは挿脱する物質を除けば、11:35を満たす。WとOとのモル比が、上記関係からはずれると、図1の2Dブロンズ構造が維持されなくなり、ナノシートが得られない場合がある。   The molar ratio of tungsten (W) to oxygen (O) in the 2D bronze-type tungsten oxide nanosheet of the present invention satisfies 11:35 except for substances that are adsorbed or inserted into or removed from the one-dimensional tunnel. If the molar ratio of W and O deviates from the above relationship, the 2D bronze structure in FIG. 1 may not be maintained, and nanosheets may not be obtained.

また、本発明の2Dブロンズ型酸化タングステンナノシートは、ホスト層の金属−酸素八面体の六員環構造を高い結晶性のまま保持し得る。六員環構造のホールの直径は、酸素のイオン半径を考慮すれば0.3nmある。このサイズは、一般的なゼオライトと同程度であるため、ホール中のアルカリイオンを取り除くことで、水や特定の分子の吸着材・吸収材として機能する。特に、ゼオライトとは異なり2Dブロンズ型酸化タングステン骨格が光機能性を発現することから、吸着能と光機能性とを組み合わせた独自の機能性材料発現が期待される。   In addition, the 2D bronze-type tungsten oxide nanosheet of the present invention can retain the metal-oxygen octahedral six-membered ring structure of the host layer with high crystallinity. The diameter of the hole of the six-membered ring structure is 0.3 nm considering the ionic radius of oxygen. Since this size is similar to that of general zeolite, it functions as an adsorbent / absorbent for water and specific molecules by removing alkali ions in the hole. In particular, unlike zeolite, the 2D bronze-type tungsten oxide skeleton expresses optical functionality, so that unique functional material expression combining adsorption ability and optical functionality is expected.

本発明による2Dブロンズ型酸化タングステンナノシートは、その厚みと構造から従来知られている酸化タングステンナノ粒子(5nm以下)や2Dパイロクロア型酸化タングステンナノシートより狭い約3.3eVのバンドギャップを有する上に、光触媒反応による有機物の分解・除去が可能である。そのため、可視光/紫外光応答の光触媒反応を利用する、水分解、光誘起親水性、太陽電池等の他の応用範囲まで適用することが可能である。   The 2D bronze-type tungsten oxide nanosheet according to the present invention has a narrow band gap of about 3.3 eV, which is narrower than the tungsten oxide nanoparticles (5 nm or less) and the 2D pyrochlore-type tungsten oxide nanosheet conventionally known from the thickness and structure thereof. It is possible to decompose and remove organic substances by photocatalytic reaction. Therefore, the present invention can be applied to other application ranges such as water splitting, photoinduced hydrophilicity, and solar cells using a photocatalytic reaction of visible light / ultraviolet light response.

さらに、本発明による2Dブロンズ型酸化タングステンナノシートは、水和三酸化タングステンと同様に可視光/紫外光に応答してフォトクロミック反応を生じる。酸化タングステン系のフォトクロミック材料においては、プロトンなどのカチオン種が吸着することで吸収域が生まれるため、カチオン種が多く吸着できる表面積を増やすことが重要な課題となっている。本発明による2Dブロンズ型酸化タングステンナノシートは、表面積が大きく取れる二次元のシート形状を有すると共に、ホスト層内のアルカリイオンがプロトンと置き換わり大きな空間を作ることから、酸化タングステン八面体一つ当たりの高い効率を実現するフォトクロミック材料になる可能性がある。具体的には、本発明による2Dブロンズ型酸化タングステンナノシートを、サングラス、スマートガラス、自動車の窓ガラスなどへ適用してもよい。また、酸化チタン等の半導体的性質を有するナノ材料と複合化すれば、ナノスケールのエネルギー貯蔵型光触媒として機能することが期待される。   Furthermore, the 2D bronze-type tungsten oxide nanosheet according to the present invention generates a photochromic reaction in response to visible light / ultraviolet light as in the case of hydrated tungsten trioxide. In a tungsten oxide photochromic material, an absorption region is created by the adsorption of cation species such as protons. Therefore, increasing the surface area on which many cation species can be adsorbed is an important issue. The 2D bronze-type tungsten oxide nanosheet according to the present invention has a two-dimensional sheet shape with a large surface area, and alkali ions in the host layer are replaced with protons to create a large space. It may be a photochromic material that achieves efficiency. Specifically, the 2D bronze-type tungsten oxide nanosheet according to the present invention may be applied to sunglasses, smart glass, automobile window glass, and the like. In addition, when combined with a nanomaterial having semiconducting properties such as titanium oxide, it is expected to function as a nanoscale energy storage photocatalyst.

以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。但し、これらの実施例は、あくまでも本発明を容易に理解するための一助として開示するためのものであって、本発明をこれによって限定する趣旨ではない。   Hereinafter, the present invention will be specifically described based on examples. However, these examples are for the purpose of disclosure as an aid for easily understanding the present invention, and are not intended to limit the present invention.

(実施例1)
WOとRbCOを11:2の比で混合し、750℃で1時間仮焼成後再び粉砕・混合し850℃で12時間本焼成を行った。焼成物の粉末X線回折パターン(図5a)からRb1135が単相で得られていることを確認した(斜方晶:a=1.4653(3)nm,b=2.568(3)nm,c=0.7684(3)nm)。
合成した黄色い粉末Rb1135と、16規定の硝酸を(溶液)/(固体)=100cm−1の固液比で反応させ得られた物質の粉末X線回折パターンを図5bに示す。硝酸1回処理によって、元の層状化合物Rb1135の層間の反射によるd=2.59nm(2θ=3.4°)の回折ピークが低角へ極わずかにシフトが見られるがほぼ同じパターンであり、高濃度の硝酸と接触しても溶解せず基本的な結晶構造を維持していることがわかった。得られた粉体試料のICP発光分析と原子吸光分析から、Rb:Wの比を求めたところ、4:11から3.3:11へRbイオンが抽出されていることがわかり、イオン交換反応が進行していることが示唆された。
Example 1
WO 3 and Rb 2 CO 3 were mixed at a ratio of 11: 2, pre-fired at 750 ° C. for 1 hour, pulverized and mixed again, and then fired at 850 ° C. for 12 hours. From the powder X-ray diffraction pattern of the fired product (FIG. 5a), it was confirmed that Rb 4 W 11 O 35 was obtained in a single phase (orthorhombic crystal: a = 1.4653 (3) nm, b = 2. 568 (3) nm, c = 0.7684 (3) nm).
The powder X-ray diffraction pattern of the substance obtained by reacting the synthesized yellow powder Rb 4 W 11 O 35 with 16 N nitric acid at a solid-liquid ratio of (solution) / (solid) = 100 cm 3 g −1 is shown in FIG. Shown in Although the nitric acid treatment is performed once, the diffraction peak at d = 2.59 nm (2θ = 3.4 °) due to the reflection between the layers of the original layered compound Rb 4 W 11 O 35 is slightly shifted to a low angle. It was the same pattern, and it was found that the basic crystal structure was maintained without dissolving even when contacted with high-concentration nitric acid. From the ICP emission analysis and atomic absorption analysis of the obtained powder sample, the ratio of Rb: W was determined, and it was found that Rb ions were extracted from 4:11 to 3.3: 11. It is suggested that is progressing.

次に、酸処理回数を1回で1日反応時間を取りながら3、5回と増やすと、層間の反射に起因するピークはさらに低角へシフトした(図5c、d参照)。最終的に5回処理することで、d=2.64nm(2θ=3.3°)の回折ピークが検出された。Rb:W比は3、5回処理したときそれぞれ3:0:11と2.4:11であり、処理回数に伴ってRbイオンをさらに抽出できることが示された。この抽出量は層間のRbイオンより多く、ホスト層内の一部のRbイオンもプロトンまたはオキソニウムイオンと交換されているものと考えられ、2Dブロンズ型ホスト層自体がイオン交換反応を示すことを示唆している。さらに、5回処理の試料のX線回折パターンを元の斜方晶格子で指数付けしたところ、a=1.464(1)nm,b=2.578(2)nm,c=0.764(2)nmのユニットセルで帰属できることがわかった。このとき、2θ=23.3、24.3°、33.9°、36.7°、49.8°のピークは、2Dブロンズ型ホスト層の二次元周期構造(それぞれ02、40、42、60、80)に帰属することができ、5回以上硝酸処理を行ってもホスト層の2Dブロンズ構造が崩れることなく、層間・ホスト層内のイオン交換反応が進行していることがわかった。これは酸処理回数を増やしていくことでより多くのRbイオンを抽出できることを示しているが、剥離促進材と反応させるためには少なくとも、Rb:W=3:11まで減らす必要があり、経済的な効率を考慮すれば濃度16規定の硝酸で3回以上行うことが望ましい。   Next, when the number of acid treatments was increased to 3, 5 while taking one day of reaction time, the peak due to reflection between layers was further shifted to a lower angle (see FIGS. 5c and d). Finally, a diffraction peak at d = 2.64 nm (2θ = 3.3 °) was detected by performing the treatment five times. The Rb: W ratio was 3: 0: 11 and 2.4: 11 when the treatment was performed 3 or 5 times, respectively, indicating that the Rb ions can be further extracted with the number of treatments. This extraction amount is larger than the Rb ions between the layers, and it is considered that some Rb ions in the host layer are also exchanged with protons or oxonium ions, and that the 2D bronze type host layer itself exhibits an ion exchange reaction. Suggests. Further, when the X-ray diffraction pattern of the sample treated five times was indexed with the original orthorhombic lattice, a = 1.464 (1) nm, b = 2.578 (2) nm, c = 0.664. (2) It was found that the unit cell can be assigned by nm. At this time, the peaks at 2θ = 23.3, 24.3 °, 33.9 °, 36.7 °, 49.8 ° indicate the two-dimensional periodic structure of the 2D bronze type host layer (02, 40, 42, 60, 80), and it was found that even when the nitric acid treatment was carried out five times or more, the 2D bronze structure of the host layer was not destroyed, and the ion exchange reaction in the interlayer / host layer proceeded. This indicates that more Rb ions can be extracted by increasing the number of acid treatments, but it is necessary to reduce to at least Rb: W = 3: 11 in order to react with the peeling accelerator. If the efficiency is taken into consideration, it is desirable to carry out at least 3 times with a nitric acid having a concentration of 16N.

以上、最適なイオン交換条件として、Rb1135の粉末試料と(溶液)/(固体)=100cm−1の割合で16規定の硝酸を混合・攪拌した。これを1日ごとに新しい硝酸に交換して5回繰り返し、イオン交換処理を行った後、水洗、風乾して固体残留物を回収した。化学分析によりこの固体は水素イオン置換型層状タングステン酸粉末(Rb2.41.61135・nHO:nは乾燥状態に依存)であることがわかった。 As described above, as an optimum ion exchange condition, a powder sample of Rb 4 W 11 O 35 and 16 N nitric acid at a ratio of (solution) / (solid) = 100 cm 3 g −1 were mixed and stirred. This was exchanged with fresh nitric acid every day and repeated five times, and after ion exchange treatment, the solid residue was recovered by washing with water and air drying. Chemical The solid analysis to hydrogen ion substitution type layered tungstate powder: It was found that (Rb 2.4 H 1.6 W 11 O 35 · nH 2 O n is in a dry state dependent) is.

(実施例2)
実施例1で得られた水素型層状タングステン酸粉末(Rb2.41.61135・nHO:nは乾燥状態に依存)から、n=0として計算したときの乾燥体の重量が0.8gとなるようにサンプル採取し、テトラブチルアンモニウム水酸化物水溶液(TBAOH)200cmに加えて室温で遮光しながら約10日間振盪(180rpm)した。このとき、TBAOHの濃度を固体中のイオン交換性プロトンとのモル比TBA/H=0.1〜10まで変化させたところ、TBA/H=0.5〜2の範囲で、静置後黄色い分散液と沈降した未剥離成分を目視にて確認した。特に、TBA/H=1のとき沈降成分が少なくかつ最も濃く見える分散液が得られた。なお、図示しないが、モル比が0.5未満および2より大きい場合においては、静置後上澄みはほぼ透明な溶液であり、剥離が進行しなかったことを目視にて確認した。
(Example 2)
Dry body when calculated as n = 0 from the hydrogen-type layered tungstic acid powder obtained in Example 1 (Rb 2.4 H 1.6 W 11 O 35 · nH 2 O: n depends on the dry state) A sample was taken so that the weight of the solution became 0.8 g, and added to 200 cm 3 of tetrabutylammonium hydroxide aqueous solution (TBAOH) and shaken (180 rpm) for about 10 days while being shielded from light at room temperature. At this time, when the concentration of TBAOH was changed to a molar ratio TBA + / H + = 0.1 to 10 with the ion-exchangeable protons in the solid, in the range of TBA + / H + = 0.5 to 2, After standing, the yellow dispersion and the settled unpeeled component were visually confirmed. In particular, when TBA + / H + = 1, a dispersion liquid having a small amount of precipitated components and seeming darkest was obtained. Although not shown, when the molar ratio was less than 0.5 and greater than 2, the supernatant after standing was a substantially transparent solution, and it was visually confirmed that peeling did not proceed.

そこで、TBA/H=1の条件で得られた分散液を30分間300〜2000rpmの各回転数で遠心分離することで、沈降成分を取り除いた。分離した各上澄み液を乾燥後、それぞれ500℃まで空気中で加熱し重量測定を行うことで収率を求めたところ、約40〜60%ほど回収できたことがわかった(図6参照)。このとき、遠心分離の回転数が上がるにつれ、酸化タングステン回収率が減少するのは、大きなシートサイズを持つ酸化タングステン微粒子が優先的に沈降したものと考えることができる。つまり、遠心分離の回転数を制御することで、ある程度粒子サイズを制御できる可能性がある。 Therefore, the sediment component was removed by centrifuging the dispersion obtained under the condition of TBA + / H + = 1 for 30 minutes at 300 to 2000 rpm. Each of the separated supernatants was dried and then heated in air to 500 ° C. and weighed to determine the yield. As a result, it was found that about 40 to 60% could be recovered (see FIG. 6). At this time, the fact that the tungsten oxide recovery rate decreases as the rotational speed of the centrifugal separation increases can be considered that the tungsten oxide fine particles having a large sheet size preferentially settled. That is, there is a possibility that the particle size can be controlled to some extent by controlling the rotation speed of the centrifugal separation.

TBA/H=1の条件で得られた分散液をなるべく均一サイズの材料を得る観点から2000rpmで遠心分離した。得られた黄色い上澄み液を超純水(比抵抗値;18MΩcm)で、それぞれ11.4、5.7、1.14および0.57(×10−6moldm−3)の異なる濃度になるように希釈した。その後、各濃度の希釈溶液について紫外−可視光吸収スペクトルを測定したところ、380nm付近から立ち上がる強い吸収ピークが観測された(図2参照)。255nmのショルダー部で吸光度と濃度のプロットを作成したところ、図7挿入図に示すようにLambert−Beerの法則に従っていることから、単層剥離によって生成した酸化タングステンナノシートが高分散したコロイド溶液として得られていることが示された。挿入図のプロットを近似した直線の傾きからRb2.41.61135 2−分散粒子のモル吸光係数を求めたところ、255nmにおいて9×10と大きな値となり、効率良く紫外光を吸収していることがわかった。 The dispersion obtained under the condition of TBA + / H + = 1 was centrifuged at 2000 rpm from the viewpoint of obtaining a material having a uniform size as much as possible. The obtained yellow supernatant was diluted with ultrapure water (specific resistance value: 18 MΩcm) to have different concentrations of 11.4, 5.7, 1.14 and 0.57 (× 10 −6 moldm −3 ), respectively. Dilute to Then, when the ultraviolet-visible light absorption spectrum was measured about the diluted solution of each density | concentration, the strong absorption peak which starts from 380 nm vicinity was observed (refer FIG. 2). A plot of absorbance and concentration at a shoulder of 255 nm was prepared, and as shown in the inset of FIG. 7, it follows Lambert-Beer's law, so that a tungsten oxide nanosheet generated by monolayer delamination was obtained as a highly dispersed colloidal solution. It was shown that. When the molar extinction coefficient of Rb 2.4 H 1.6 W 11 O 35 2 -dispersed particles was determined from the slope of the straight line approximating the plot of the inset, it was a large value of 9 × 10 4 at 255 nm. It turns out that it absorbs light.

また、紫外−可視光吸収スペクトルを、吸収光子のエネルギーの0.5乗を縦軸としてプロットすると直線となり(図示せず)、約3.3eVの間接遷移に基づくバンドギャップを有することが分かった。このバンドギャップは、多くの既存の半導体酸化物ナノシートのバンドギャップより狭く(例えば、2Dパイロクロア型酸化タングステンナノシートは3.6eV、レピドクロサイト型酸化チタンナノシートは3.8eV)、紫外光から可視光までカバーする光触媒材料として、有機成分の分解・除去、水分解、光誘起親水性、太陽電池等の応用展開に有利である。   In addition, it was found that the ultraviolet-visible light absorption spectrum becomes a straight line (not shown) when the absorption photon energy is raised to the 0.5th power, and has a band gap based on an indirect transition of about 3.3 eV. . This band gap is narrower than that of many existing semiconductor oxide nanosheets (for example, 2D pyrochlore-type tungsten oxide nanosheets are 3.6 eV, and lipidocrosite-type titanium oxide nanosheets are 3.8 eV). As a photocatalyst material covering up to, it is advantageous for application development such as decomposition / removal of organic components, water decomposition, photo-induced hydrophilicity, and solar cells.

次に、TBA/H=1、2000rpm30分の条件で得られたコロイド溶液をCuグリッド上に滴下しTEM観察を行った。このコロイド溶液中には、図3(a)のTEM像に示すように均一コントラストかつシャープなエッジを持ったシート状物質を観測することができる。この均一かつ薄いコントラストは、コロイド溶液中に見出されたシート状物質が、前駆体の単層剥離によってナノレベルまで細分化されたナノシートであることに起因している。図3(b)に示した観察されたナノシートの電子回折パターンは、前駆体である層状ポリタングステン酸バルク体のホスト層(a=1.464(1)nm,c=0.764(2)n)と同様の二次元長方形格子で指数付けすることができた(a=約1.4nm,c=約0.78nm)。この結果は、コロイド中に分散したナノシートが図1に示した出発物質のホスト層と同一の2Dブロンズ構造からなる二次元骨格を形成している根拠となる。 Next, a colloidal solution obtained under the conditions of TBA + / H + = 1, 2000 rpm for 30 minutes was dropped on a Cu grid, and TEM observation was performed. In this colloidal solution, a sheet-like substance having a uniform contrast and a sharp edge can be observed as shown in the TEM image of FIG. This uniform and thin contrast is attributed to the fact that the sheet-like material found in the colloidal solution is a nanosheet that has been subdivided to the nano level by monolayer peeling of the precursor. The observed electron diffraction pattern of the nanosheet shown in FIG. 3B shows the host layer (a = 1.464 (1) nm, c = 0.664 (2)) of the precursor layered polytungstic acid bulk material. Indexing was possible with the same two-dimensional rectangular lattice as in n) (a = about 1.4 nm, c = about 0.78 nm). This result is the basis on which the nanosheet dispersed in the colloid forms a two-dimensional skeleton having the same 2D bronze structure as the host layer of the starting material shown in FIG.

次いで、表面を洗浄したSi基板を塩化ポリジアリルジメチルアンモニウム(PDDA:2.5gdm−3、10分浸漬)水溶液100cmに浸し、Si基板表面をポリカチオンで被覆した。TBA/H=1、2000rpm30分の条件で得られたコロイド溶液を超純水(比抵抗値;18MΩcm)で0.4gdm−3に希釈し、ポリカチオンを被覆したSi基板を10分浸した。このとき、単層剥離した2Dブロンズ構造の酸化タングステンナノシートは負電荷を持つため、ポリカチオンとのレイヤーバイレイヤー自己組織化反応によって基板上に優先的に吸着させることができた。 Next, the Si substrate whose surface was cleaned was immersed in 100 cm 3 of an aqueous solution of polydiallyldimethylammonium chloride (PDDA: 2.5 gdm −3 , 10 minutes) to coat the surface of the Si substrate with a polycation. The colloidal solution obtained under the conditions of TBA + / H + = 1, 2000 rpm for 30 minutes was diluted to 0.4 gdm −3 with ultrapure water (specific resistance value: 18 MΩcm), and the Si substrate coated with polycation was immersed for 10 minutes. did. At this time, the 2D bronze-structured tungsten oxide nanosheet exfoliated with a single layer had a negative charge and could be preferentially adsorbed on the substrate by a layer-by-layer self-assembly reaction with a polycation.

得られた薄膜試料のAFM観察の結果を図4(a)に示す。図4(a)中には、横サイズが100nmから1μm程度のシャープなエッジを有したシート状物質を多数観察することができた。これはTEMで観察されたシート状物質と良く一致している。図4(b)に示したシート状物質の断面プロファイルから、シート厚みはおよそ3nm程度であることがわかり、大きな二次元異方性を持つ薄片状物質、つまりナノシートであることが示された。この値は、酸素のファンデルワールス半径を含む結晶学的な厚みが2.5nmである元の層状化合物の2Dブロンズ型ホスト層の一層分に丁度相当し、Si基板上に吸着させたシート状物質が図1に示した出発物質Rb1135のホスト層と同一の2Dブロンズ構造からなる二次元骨格を形成していることを示す傍証である。また、高さのヒストグラム(図示せず)から被覆率を求めると約50%程度(オーバーラップ部は10%未満)の2Dブロンズ型酸化タングステンナノシート単層膜であることがわかった。 The result of AFM observation of the obtained thin film sample is shown in FIG. In FIG. 4A, a large number of sheet-like substances having sharp edges with a lateral size of about 100 nm to 1 μm could be observed. This is in good agreement with the sheet-like material observed by TEM. From the cross-sectional profile of the sheet-like material shown in FIG. 4B, it was found that the sheet thickness was about 3 nm, indicating that it was a flaky material having a large two-dimensional anisotropy, that is, a nanosheet. This value corresponds to one layer of the 2D bronze type host layer of the original layered compound having a crystallographic thickness of 2.5 nm including the van der Waals radius of oxygen, and is in the form of a sheet adsorbed on the Si substrate. This is evidence that the material forms a two-dimensional skeleton having the same 2D bronze structure as the host layer of the starting material Rb 4 W 11 O 35 shown in FIG. Moreover, when the coverage was calculated | required from the histogram (not shown) of height, it turned out that it is a 2D bronze-type tungsten oxide nanosheet monolayer film of about 50% (overlap part is less than 10%).

以上、本発明による嵩高いアンモニウムイオンとの混合・振盪によって、2Dブロンズ構造のホスト層を持った層状ポリタングステン酸Rb4−x1135水和物(0≦x≦4)の単層剥離現象が誘発され、極薄のシート状物質“2Dブロンズ型酸化タングステンナノシート”として取り出すことが可能であることが示された。 As described above, by mixing and shaking with bulky ammonium ions according to the present invention, layered polytungstic acid Rb 4-x H x W 11 O 35 hydrate (0 ≦ x ≦ 4) having a 2D bronze structure host layer is obtained. A single-layer exfoliation phenomenon was induced, and it was shown that it can be taken out as an extremely thin sheet-like material “2D bronze-type tungsten oxide nanosheet”.

(実施例3)
実施例2の2Dブロンズ型酸化タングステンナノシートが約50%程度被覆した単層膜の合成に用いた、PDDA水溶液(2.5gdm−3、10分浸漬)とナノシートコロイド溶液(0.4gdm−3)を用いて、SiO基板上に交互積層を行った。まず、基板をPDDA水溶液に10分浸しポリカチオンを吸着させ、水洗後、酸化タングステンナノシートコロイド溶液に浸して単層膜を合成した。再びPDDA水溶液に10分浸した後、酸化タングステンナノシートコロイド溶液に浸す工程をさらに9回繰り返した。このとき、2Dブロンズ型酸化タングステンナノシートを吸着させる度に紫外−可視光吸収スペクトル測定でモニターした結果を図7に示す。
(Example 3)
PDDA aqueous solution (2.5 gdm −3 , 10 minute immersion) and nanosheet colloidal solution (0.4 gdm −3 ) used for the synthesis of the single layer film coated with about 2% of the 2D bronze type tungsten oxide nanosheet of Example 2 Were used to alternately stack on the SiO 2 substrate. First, the substrate was immersed in an aqueous PDDA solution for 10 minutes to adsorb polycations, washed with water, and then immersed in a colloidal solution of tungsten oxide nanosheets to synthesize a single layer film. The process of immersing again in the PDDA aqueous solution for 10 minutes and then immersing in the tungsten oxide nanosheet colloidal solution was further repeated nine times. At this time, the result of monitoring by ultraviolet-visible light absorption spectrum measurement every time the 2D bronze-type tungsten oxide nanosheet is adsorbed is shown in FIG.

計10回基板上に吸着させた2Dブロンズ型酸化タングステンナノシートにおいても、図2のコロイド状態の紫外−可視光吸収スペクトルと同様の形状のスペクトルが得られた。低波長になるにしたがって増加する吸収ピークのショルダー部(255nm)の吸光度と積層回数のプロットから、積層回数に比例して吸光度が増加していることが明らかとなった。これは、2Dブロンズ型酸化タングステンナノシートと有機カチオンとの間で静電的自己組織化反応によるレイヤーバイレイヤー交互吸着が起きていることを示している。また、計10回基板上に吸着させたナノシート薄膜のX線回折パターン(図8a参照)には、積層した上下のナノシート間の距離に相当するd=3.4nmの回折ピークおよびその高次反射が観測されており、2Dブロンズ型酸化タングステンナノシートが累積した有機/無機ハイブリッド超格子を持つ多層膜であることが示された。   Also in the 2D bronze type tungsten oxide nanosheet adsorbed on the substrate 10 times in total, a spectrum having the same shape as the colloidal ultraviolet-visible light absorption spectrum of FIG. 2 was obtained. From the plot of the absorbance at the shoulder portion (255 nm) of the absorption peak, which increases with decreasing wavelength, and the number of laminations, it was revealed that the absorbance increased in proportion to the number of laminations. This indicates that layer-by-layer alternate adsorption occurs due to electrostatic self-assembly reaction between the 2D bronze-type tungsten oxide nanosheet and the organic cation. In addition, the X-ray diffraction pattern (see FIG. 8a) of the nanosheet thin film adsorbed on the substrate a total of 10 times shows a diffraction peak of d = 3.4 nm corresponding to the distance between the stacked upper and lower nanosheets and its higher-order reflection. Was observed, indicating a multilayer film having an organic / inorganic hybrid superlattice in which 2D bronze-type tungsten oxide nanosheets are accumulated.

上記の2Dブロンズ型酸化タングステンナノシートが累積した有機/無機ハイブリッド多層膜にHgXeランプで光照射(546nm輝線強度5.8mWcm−2nm−1)を行った。1時間光照射後にX線回折測定(図8b参照)を行ったところ、元のナノシート間の距離に相当するd=3.4nm(2θ=2.6°)のピークが消失し、d=3.1nm(2θ=2.9°)のピークが新たに観測された。さらに、図8b、cに示すように4時間以上光照射することで、最終的にd=2.8nm(2θ=3.1°)まで層間距離が小さくなることがわかった。この0.6nm程度の減少は、PDDAがアンモニウムイオンまで分解されたことに起因しているものと考えることができる。実際に、半導体酸化チタンナノシート/PDDA多層膜においても、紫外線照射によっておよそ0.5nm程度の層間の減少が見出されている(非特許文献3)。 The organic / inorganic hybrid multilayer film in which the 2D bronze type tungsten oxide nanosheets were accumulated was irradiated with light (546 nm emission line intensity 5.8 mWcm −2 nm −1 ) with a HgXe lamp. When X-ray diffraction measurement was performed after light irradiation for 1 hour (see FIG. 8b), a peak at d = 3.4 nm (2θ = 2.6 °) corresponding to the distance between the original nanosheets disappeared, and d = 3 A new peak of .1 nm (2θ = 2.9 °) was observed. Furthermore, as shown in FIGS. 8b and 8c, it was found that the interlayer distance finally decreased to d = 2.8 nm (2θ = 3.1 °) by light irradiation for 4 hours or more. This decrease of about 0.6 nm can be attributed to the fact that PDDA was decomposed to ammonium ions. Actually, in the semiconductor titanium oxide nanosheet / PDDA multilayer film, an interlayer reduction of about 0.5 nm has been found by ultraviolet irradiation (Non-patent Document 3).

以上、本発明の2Dブロンズ型酸化タングステンナノシートは、その負電荷を利用したポリカチオンとの自己組織化反応によって単層膜から多層膜まで任意の膜厚を有した超薄膜として、室温湿式で大面積製膜が可能である。このようなナノシートの良好な材料成形性に加えて、既存ナノシート系に比べ2Dブロンズ構造としての厚い結晶構造と比較的狭いバンドギャップを有しているという特徴から、有機物の分解・除去を目的とした可視光/紫外光応答型光触媒コーティング材料の開発が期待できる。さらには、光触媒反応と関連する、水分解、光誘起親水性、太陽電池等まで幅広く適用することが可能である。   As described above, the 2D bronze-type tungsten oxide nanosheet of the present invention is an ultrathin film having an arbitrary film thickness from a single layer film to a multilayer film by a self-organization reaction with a polycation utilizing the negative charge, and is large at room temperature. Area film formation is possible. In addition to the good material formability of such nanosheets, it has the feature of having a thick crystal structure as a 2D bronze structure and a relatively narrow band gap compared to existing nanosheet systems, and is intended for the decomposition and removal of organic substances. Development of a visible / ultraviolet light responsive photocatalytic coating material can be expected. Furthermore, it can be widely applied to water splitting, photoinduced hydrophilicity, solar cells and the like related to the photocatalytic reaction.

(実施例4)
実施例2で得たコロイド溶液(TBA/H=1、2000rpm30分)を、超純水(比抵抗値;18MΩcm)を用いて0.4gdm−3に希釈した。次いで、希釈したコロイド溶液を1cm光路長の密封フィルム付きセルに入れ、窒素ガスを溶液内へ導入することで脱酸素した。これを初期状態とし紫外−可視光吸収スペクトル測定を行った。次に、HgXeランプを用いて光照射を10分間(546nm輝線強度5.8mWcm−2nm−1)行い、再度紫外−可視光吸収スペクトル測定を行った。光照射前後のセルの様子と紫外−可視光吸収スペクトルを図9に示す。
Example 4
The colloidal solution obtained in Example 2 (TBA + / H + = 1, 2000 rpm for 30 minutes) was diluted to 0.4 gdm −3 using ultrapure water (specific resistance value: 18 MΩcm). Next, the diluted colloidal solution was put into a cell with a sealing film having a 1 cm optical path length, and deoxygenated by introducing nitrogen gas into the solution. With this as the initial state, ultraviolet-visible light absorption spectrum measurement was performed. Next, light irradiation was performed for 10 minutes (546 nm emission line intensity 5.8 mWcm −2 nm −1 ) using an HgXe lamp, and ultraviolet-visible light absorption spectrum measurement was performed again. The state of the cell before and after the light irradiation and the ultraviolet-visible light absorption spectrum are shown in FIG.

光照射により、コロイド溶液の色が黄色から青色へ変化した。その紫外−可視光吸収スペクトルから光照射に伴って600〜1200nmの可視光/赤外光領域において吸光度が著しく増大していることがわかった。そこで、光照射前後の紫外−可視光吸収スペクトルの差分を取ったところ(図9挿入図)、波長が長くなるにつれ吸光度が増大し、測定上の最大値である1200nmの赤外領域において最大の変化を示していることがわかった。この水分散系での特性評価では、わずかな温度変化による水の赤外吸収スペクトルの変化が大きいため、1200nmより長い波長での正しい測定は困難だが、差分スペクトルの形状から1200nmより長い波長においても十分吸収することが期待できる。   The color of the colloidal solution changed from yellow to blue by light irradiation. From the ultraviolet-visible light absorption spectrum, it was found that the absorbance significantly increased in the visible / infrared light region of 600 to 1200 nm with light irradiation. Therefore, when the difference between the UV-visible light absorption spectra before and after the light irradiation was taken (FIG. 9 inset), the absorbance increased as the wavelength increased, and the maximum in the infrared region of 1200 nm, which is the maximum value in the measurement. It turns out that it shows a change. In the characteristics evaluation in this water dispersion system, since the change in the infrared absorption spectrum of water due to a slight temperature change is large, correct measurement at a wavelength longer than 1200 nm is difficult, but even at wavelengths longer than 1200 nm from the shape of the differential spectrum. It can be expected to absorb enough.

以上、本発明の2Dブロンズ型酸化タングステンナノシートは、他の水和タングステン酸化物同様、フォトクロミックかつエレクトロクロミック材料である。しかし、従来の2Dパイロクロア型ナノシートやナノ粒子とは、フォトクロミズムを考える上で重要な結晶構造という点において全く異なっている。この差はフォトクロミック特性に反映しているものと考えられ、上記からも2Dブロンズ構造ナノシートでは、相対的に可視光より赤外光を強く吸収する特性を示す。この可視光を通す窓のような光吸収特性は、自動車、住宅産業等で求められている紫外線&赤外線カットコーティング材への応用展開に有利である。   As described above, the 2D bronze-type tungsten oxide nanosheet of the present invention is a photochromic and electrochromic material like other hydrated tungsten oxides. However, it is completely different from conventional 2D pyrochlore-type nanosheets and nanoparticles in terms of a crystal structure that is important in considering photochromism. This difference is considered to be reflected in the photochromic characteristics. From the above, the 2D bronze structure nanosheet exhibits a characteristic of absorbing infrared light stronger than visible light. This light absorption characteristic like a window through which visible light passes is advantageous for application development to ultraviolet and infrared cut coating materials required in automobiles, housing industries, and the like.

以上の各実施例では、母結晶としてRb1135を用いた例を示したが、Rb1135と類似した2Dブロンズ構造から構成される層状化合物であれば、Rb1135以外の化合物も使用することができると考えられ、これを除外する理由はない。例えば、同組成比を持つアルカリ層状ポリタングステン酸としてA1135(A=Li、Na、K、Cs)が考えられるが、これらはいずれも合成法が報告されていない。出発物質として使用し得る物質は、現段階ではRb1135がもっとも好ましいものとして挙げられる。 In each of the above examples, an example in which Rb 4 W 11 O 35 is used as a mother crystal has been shown. However, if the layered compound has a 2D bronze structure similar to Rb 4 W 11 O 35 , Rb 4 W It is believed that compounds other than 11 O 35 could be used and there is no reason to exclude this. For example, A 4 W 11 O 35 (A = Li, Na, K, Cs) is conceivable as an alkali layered polytungstic acid having the same composition ratio, but none of these has reported a synthesis method. Among the materials that can be used as starting materials, Rb 4 W 11 O 35 is most preferred at this stage.

本発明は、金属−酸素八面体からなる六員環構造が、シート断面方向に複数規則的に配列した一次元トンネルを形成している2Dブロンズ型ホスト層が累積した層状化合物を単層剥離することによって、製膜性・塗布性に富む2Dブロンズ構造のナノシートを得るのに成功したものであり、その特異な形態・結晶構造を活かし触媒から各種薄膜材料、コーティング材など様々な分野へ利用されることが期待される。特に、金属−酸素八面体からなる六員環構造は、前述の通りイオン交換サイトとして利用することが可能であり、水素、水、分子等の吸着を利用したセンサーや触媒作用にとって大きな利点となることが期待される。さらに、2Dブロンズ構造内にアルカリイオンを導入することでイオン伝導性を付与すれば、リチウムイオン二次電池などの固体電解質や電極材料のコーティング材として優れた特性を発揮することが予想される。   The present invention provides a single-layer exfoliation of a layered compound in which a 2D bronze type host layer forming a one-dimensional tunnel in which a six-membered ring structure composed of metal-oxygen octahedrons is regularly arranged in the sheet cross-sectional direction is accumulated. In this way, we have succeeded in obtaining nanosheets with a 2D bronze structure that are rich in film formability and coating properties, and are used in various fields such as catalysts, various thin film materials and coating materials by taking advantage of their unique morphology and crystal structure. It is expected that In particular, a six-membered ring structure composed of a metal-oxygen octahedron can be used as an ion exchange site as described above, which is a great advantage for sensors and catalysis utilizing adsorption of hydrogen, water, molecules, etc. It is expected. Furthermore, if ion conductivity is imparted by introducing alkali ions into the 2D bronze structure, it is expected to exhibit excellent characteristics as a coating material for solid electrolytes and electrode materials such as lithium ion secondary batteries.

タングステン自体は、フィラメントや切削用工具などで大量に使用されるため、産業上非常に重要性が高い金属として認知されているが、地殻存在度が低い物質であり、かつ産出地にも大きな偏りがある。日本においてはタングステンをほとんど輸入に頼っている状況であるため、タングステンを利用する材料開発においては、今後益々リサイクル化が進められると共に、少ない量で高機能化することが重要な研究課題となっている。特に、酸化タングステン系は自動車用防眩ミラーや、工場・発電所などの排煙中のNO分解用の触媒、石油化学・石油精製で用いる脱硫・脱硝触媒として現在も幅広く普及しており、工業的利用価値が非常に高い。本発明の2Dブロンズ型ナノシートもまた酸化タングステン系ナノ材料であり、既存の材料と異なる形状・性状を持つ点において有用である。 Tungsten itself is recognized as an extremely important metal in the industry because it is used in large quantities in filaments and cutting tools, etc., but it is a material with a low crustal abundance and also has a large bias in the production area. There is. In Japan, tungsten is almost entirely imported, so in the development of materials that use tungsten, it will be increasingly recycled in the future. Yes. In particular, tungsten oxide is or dimming mirror for motor vehicles, NO x cracking catalyst in the flue gas, such as factories and power stations, it is widespread also widely present as a desulfurization and denitration catalyst used in the petrochemical and petroleum refining, Industrial use value is very high. The 2D bronze nanosheet of the present invention is also a tungsten oxide-based nanomaterial, and is useful in that it has a shape and properties different from those of existing materials.

近年、光触媒作用を利用した窓ガラスの防曇・セルフクリーニング技術が省エネルギー技術としてに普及してきている。これら機能性を屋外のみならず屋内において効果的に発現させるためには、さらなる高感度化と可視光利用が必要不可欠であり、窒素ドープ型酸化チタンや酸化タングステンに異種金属などの助触媒を加えた複合材料など、様々な系が精力的に模索されている。本発明の2Dブロンズ型酸化タングステンナノシートは、2Dブロンズ構造に由来して最大で4nmに及ぶ厚みと金属−酸素八面体の結合構造から、多くの既存の半導体酸化物ナノシートのバンドギャップより狭く、酸化タングステン単独の系にも関わらず紫外光/可視光照射により光触媒効果を示す。つまり、同ナノシートは有機物分解から水分解、光誘起親水性、太陽電池等まで光触媒効果を利用する様々な分野において応用展開することが可能であり、同成分を用いて高感度化と可視光利用を達成することで光触媒材料の普及が促進されることが期待される。   In recent years, anti-fogging / self-cleaning technology for window glass using photocatalytic action has become widespread as an energy-saving technology. In order to effectively express these functions not only outdoors but also indoors, it is indispensable to further increase the sensitivity and use visible light. Addition of promoters such as dissimilar metals to nitrogen-doped titanium oxide and tungsten oxide Various systems such as composite materials have been energetically searched. The 2D bronze-type tungsten oxide nanosheets of the present invention are narrower than the band gap of many existing semiconductor oxide nanosheets because of the maximum thickness of 4 nm derived from the 2D bronze structure and the bonded structure of metal-oxygen octahedron. Despite the system of tungsten alone, the photocatalytic effect is exhibited by ultraviolet / visible light irradiation. In other words, the nanosheet can be applied in various fields that utilize the photocatalytic effect, from organic matter decomposition to water decomposition, light-induced hydrophilicity, solar cells, etc. It is expected that the spread of the photocatalytic material will be promoted by achieving the above.

さらには、他の酸化タングステン同様に、本発明によって得られた2Dブロンズ型酸化タングステンナノシートもまたフォトクロミックかつエレクトロクロミック材料である。バルク材料に比べナノシートは薄く大面積を有しているという形状上の利点を持ち、かつ2Dブロンズ構造独自の内部の吸着サイトを利用することで、極少量で強い発色が予期される。前述の自己組織化反応法などによって製膜性・塗布性に富み、膜厚制御も容易なことから、環境低付加ルートによる高効率、抵コストのフォトクロミック・エレクトロクロミック材料が開発され、サングラス、スマートガラスなど同成分を用いたまったく新しい調光薄膜が産み出されることが期待される。   Furthermore, like other tungsten oxides, the 2D bronze-type tungsten oxide nanosheets obtained by the present invention are also photochromic and electrochromic materials. Compared to bulk materials, nanosheets have the advantage of shape that they are thin and have a large area, and by using the internal adsorption sites unique to the 2D bronze structure, strong color development is expected in a very small amount. Because of the above-mentioned self-organization reaction method, etc., it is rich in film forming and coating properties, and the film thickness can be easily controlled. Therefore, highly efficient, low-cost photochromic and electrochromic materials have been developed through the environmentally low route, sunglasses, and smart. It is expected that a completely new light control thin film using the same component such as glass will be produced.

すなわち、本発明によって2Dブロンズ構造を持つ酸化タングステンナノシートが提供され、前記した用途を始めとして、同成分を必要とする材料設計において活発に用いられ、利用されるものと期待されることから、その意義は極めて大きい。



That is, a tungsten oxide nanosheet having a 2D bronze structure is provided by the present invention, and is expected to be actively used and utilized in material design that requires the same component including the above-described uses. Significance is enormous.



Claims (10)

二次元(2D)ブロンズ構造を有するホスト層からなる前駆体の剥離から得られることを特徴とするナノシート。 A nanosheet obtained by exfoliating a precursor comprising a host layer having a two-dimensional (2D) bronze structure. 請求項1に記載のナノシートにおいて、前記2Dブロンズ構造は、金属−酸素八面体からなる六員環構造が、前記ナノシートのシート断面方向に複数規則的に配列した一次元トンネル状構造であることを特徴とする、ナノシート。 2. The nanosheet according to claim 1, wherein the 2D bronze structure is a one-dimensional tunnel-like structure in which a plurality of six-membered ring structures composed of metal-oxygen octahedrons are regularly arranged in the sheet cross-sectional direction of the nanosheet. Characteristic nanosheet. 2Dブロンズ構造を有することを特徴とする酸化タングステンナノシート。   A tungsten oxide nanosheet having a 2D bronze structure. 請求項3に記載の酸化タングステンナノシートにおいて、前記金属−酸素八面体からなる骨格中のWとOとのモル比は、11:35を満たすことを特徴とする、酸化タングステンナノシート。   The tungsten oxide nanosheet according to claim 3, wherein a molar ratio of W and O in the skeleton composed of the metal-oxygen octahedron satisfies 11:35. 請求項3に記載の酸化タングステンナノシートにおいて、前記2Dブロンズ構造は、金属−酸素八面体からなる六員環構造が、前記酸化タングステンナノシートのシート断面方向に複数規則的に配列した一次元トンネル状構造であることを特徴とする、酸化タングステンナノシート。   4. The tungsten oxide nanosheet according to claim 3, wherein the 2D bronze structure is a one-dimensional tunnel-like structure in which a plurality of six-membered ring structures composed of metal-oxygen octahedrons are regularly arranged in the sheet cross-sectional direction of the tungsten oxide nanosheet. A tungsten oxide nanosheet, characterized in that 請求項3に記載の酸化タングステンナノシートにおいて、前記酸化タングステンナノシートのシート断面の厚さは1nmから4nm以下であることを特徴とする、酸化タングステンナノシート。   The tungsten oxide nanosheet according to claim 3, wherein the tungsten oxide nanosheet has a sheet cross-sectional thickness of 1 nm to 4 nm or less. 請求項3に記載の酸化タングステンナノシートにおいて、前記酸化タングステンナノシートは、一般式Rb1135で表される層状タングステン酸化物を単層剥離してなることを特徴とする、酸化タングステンナノシート。 4. The tungsten oxide nanosheet according to claim 3, wherein the tungsten oxide nanosheet is formed by exfoliating a single layer of a layered tungsten oxide represented by a general formula Rb 4 W 11 O 35. 5 . 2Dブロンズ構造を有する酸化タングステンナノシートを製造する方法であって、前駆体を酸処理する酸処理ステップと、前記酸処理された層状タングステン酸化物と、カチオン性の剥離促進剤とを混合する混合ステップとからなることを特徴とする、2Dブロンズ構造を有する酸化タングステンナノシートの製造方法。   A method for producing a tungsten oxide nanosheet having a 2D bronze structure, wherein an acid treatment step of acid-treating a precursor, a mixing step of mixing the acid-treated layered tungsten oxide and a cationic peeling accelerator A method for producing a tungsten oxide nanosheet having a 2D bronze structure. 請求項3〜7のいずれか1項に記載の酸化タングステンナノシートを用いたことを特徴とする、光触媒。   A photocatalyst using the tungsten oxide nanosheet according to any one of claims 3 to 7. 請求項3〜7のいずれか1項に記載の酸化タングステンナノシートを用いたことを特徴とする、フォトクロミック素子。




A photochromic element using the tungsten oxide nanosheet according to any one of claims 3 to 7.




JP2010292363A 2010-12-28 2010-12-28 2D bronze type tungsten oxide nanosheet, method for producing the same, photocatalyst and photochromic device using the same Active JP5750752B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2010292363A JP5750752B2 (en) 2010-12-28 2010-12-28 2D bronze type tungsten oxide nanosheet, method for producing the same, photocatalyst and photochromic device using the same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2010292363A JP5750752B2 (en) 2010-12-28 2010-12-28 2D bronze type tungsten oxide nanosheet, method for producing the same, photocatalyst and photochromic device using the same

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2012140255A true JP2012140255A (en) 2012-07-26
JP5750752B2 JP5750752B2 (en) 2015-07-22

Family

ID=46676969

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2010292363A Active JP5750752B2 (en) 2010-12-28 2010-12-28 2D bronze type tungsten oxide nanosheet, method for producing the same, photocatalyst and photochromic device using the same

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP5750752B2 (en)

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2016538215A (en) * 2013-10-22 2016-12-08 ローディア オペレーションズ Tungsten oxide type compound having novel crystal structure and method for producing the same
CN107324391A (en) * 2017-08-16 2017-11-07 广东工业大学 A kind of individual layer hydration tungstic trioxide nano-slice and preparation method thereof
JP2019536824A (en) * 2017-08-21 2019-12-19 中国科学技▲術▼大学University Of Science And Technology Of China Photochromic nanomaterial capable of blocking ultraviolet rays, method for producing the same and use thereof
CN114700068A (en) * 2022-03-30 2022-07-05 山东建筑大学 Preparation method of tungsten trioxide single-layer nanosheet/titanium dioxide heterojunction composite material, obtained product and application
CN115231617A (en) * 2022-07-26 2022-10-25 湖南亿明新材料有限公司 Cesium tungsten bronze nanosheet and preparation method and application thereof
WO2023074742A1 (en) * 2021-10-29 2023-05-04 住友金属鉱山株式会社 Molecular film, molecular film assembly, infrared ray shielding film, and structure
WO2024095983A1 (en) * 2022-10-31 2024-05-10 住友金属鉱山株式会社 Crystal alignment film, structure, and method for manufacturing crystal alignment film

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005220001A (en) * 2004-02-09 2005-08-18 Patent Technology Development Inc Coating liquid for forming metal oxide thin film
JP2007326738A (en) * 2006-06-07 2007-12-20 Asahi Kasei Chemicals Corp Method for producing oxide having bronze structure
JP2008124012A (en) * 2006-10-20 2008-05-29 Ishihara Sangyo Kaisha Ltd Energy storage device
JP2009001441A (en) * 2007-06-20 2009-01-08 National Institute For Materials Science Tungsten oxide nanosheet and method of manufacturing the same
JP2009051687A (en) * 2007-08-24 2009-03-12 Ishihara Sangyo Kaisha Ltd Flaky tungsten oxide, tungsten oxide film, their manufacturing methods and their use

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005220001A (en) * 2004-02-09 2005-08-18 Patent Technology Development Inc Coating liquid for forming metal oxide thin film
JP2007326738A (en) * 2006-06-07 2007-12-20 Asahi Kasei Chemicals Corp Method for producing oxide having bronze structure
JP2008124012A (en) * 2006-10-20 2008-05-29 Ishihara Sangyo Kaisha Ltd Energy storage device
JP2009001441A (en) * 2007-06-20 2009-01-08 National Institute For Materials Science Tungsten oxide nanosheet and method of manufacturing the same
JP2009051687A (en) * 2007-08-24 2009-03-12 Ishihara Sangyo Kaisha Ltd Flaky tungsten oxide, tungsten oxide film, their manufacturing methods and their use

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
JPN6015013490; Katsutoshi Fukuda, et al.: 'Photochromogenic Nanosheet Crystallites of Tungstate with a 2D Bronze Structure' Inorganic Chemistry , 20111222, pp.1540-1543, American Chemical Society *
JPN6015013491; Jun Sato, et al.: 'Conductivity of Ruthenate Nanosheets Prepared via Electrostatic Self-Assembly : Characterization of' Langmuir pp.18049-18054, 20101111, Vol.26 No.23 *

Cited By (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2016538215A (en) * 2013-10-22 2016-12-08 ローディア オペレーションズ Tungsten oxide type compound having novel crystal structure and method for producing the same
CN107324391A (en) * 2017-08-16 2017-11-07 广东工业大学 A kind of individual layer hydration tungstic trioxide nano-slice and preparation method thereof
CN107324391B (en) * 2017-08-16 2019-01-22 广东工业大学 A kind of single layer hydration tungstic trioxide nano-slice and preparation method thereof
JP2019536824A (en) * 2017-08-21 2019-12-19 中国科学技▲術▼大学University Of Science And Technology Of China Photochromic nanomaterial capable of blocking ultraviolet rays, method for producing the same and use thereof
US11008220B2 (en) 2017-08-21 2021-05-18 University Of Science And Technology Of China Photochromic nanomaterial capable of blocking ultraviolet rays, production method and use thereof
WO2023074742A1 (en) * 2021-10-29 2023-05-04 住友金属鉱山株式会社 Molecular film, molecular film assembly, infrared ray shielding film, and structure
CN114700068A (en) * 2022-03-30 2022-07-05 山东建筑大学 Preparation method of tungsten trioxide single-layer nanosheet/titanium dioxide heterojunction composite material, obtained product and application
CN114700068B (en) * 2022-03-30 2024-02-23 山东建筑大学 Preparation method of tungsten trioxide single-layer nano sheet/titanium dioxide heterojunction composite material, obtained product and application
CN115231617A (en) * 2022-07-26 2022-10-25 湖南亿明新材料有限公司 Cesium tungsten bronze nanosheet and preparation method and application thereof
CN115231617B (en) * 2022-07-26 2024-04-02 湖南亿明新材料有限公司 Cesium-tungsten bronze nano-sheet and preparation method and application thereof
WO2024095983A1 (en) * 2022-10-31 2024-05-10 住友金属鉱山株式会社 Crystal alignment film, structure, and method for manufacturing crystal alignment film

Also Published As

Publication number Publication date
JP5750752B2 (en) 2015-07-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Iqbal et al. Ti3C2-MXene/bismuth ferrite nanohybrids for efficient degradation of organic dyes and colorless pollutants
Opoku et al. Insights into the photocatalytic mechanism of mediator-free direct Z-scheme g-C3N4/Bi2MoO6 (010) and g-C3N4/Bi2WO6 (010) heterostructures: a hybrid density functional theory study
Wang et al. Titanium oxide nanosheets: graphene analogues with versatile functionalities
JP5750752B2 (en) 2D bronze type tungsten oxide nanosheet, method for producing the same, photocatalyst and photochromic device using the same
Chen et al. Facile fabrication of novel porous graphitic carbon nitride/copper sulfide nanocomposites with enhanced visible light driven photocatalytic performance
Zhou et al. Preparation and properties of vanadium-doped TiO2 photocatalysts
Kim et al. Unique advantages of exfoliated 2D nanosheets for tailoring the functionalities of nanocomposites
Yang et al. Design of 3D flowerlike BiOClxBr1-x nanostructure with high surface area for visible light photocatalytic activities
Gao et al. Preparation of nanometer-sized manganese oxides by intercalation of organic ammonium ions in synthetic birnessite OL-1
Sasaki et al. Fabrication of titanium dioxide thin flakes and their porous aggregate
Tang et al. Facile fabrication of Bi 2 WO 6/Ag 2 S heterostructure with enhanced visible-light-driven photocatalytic performances
Guo et al. The effects of solvent on photocatalytic properties of Bi2WO6/TiO2 heterojunction under visible light irradiation
Liu et al. Facile fabrication and mechanism of single-crystal sodium niobate photocatalyst: insight into the structure features influence on photocatalytic performance for H2 evolution
Iqbal et al. Low cost graphene oxide modified alumina nanocomposite as solar light induced photocatalyst
Li et al. Enhanced visible light photocatalytic activity of the mechanochemically prepared nanosized ZnxCd1-xS/Zn-Al layered double hydroxide precursor heterojunctions
Yang et al. Green and facile microwave-assisted synthesis of TiO 2/graphene nanocomposite and their photocatalytic activity for methylene blue degradation
Ortiz-Quiñonez et al. Transformation of bismuth and β-Bi2O3 nanoparticles into (BiO) 2CO3 and (BiO) 4 (OH) 2CO3 by capturing CO2: the role of halloysite nanotubes and “sunlight” on the crystal shape and size
Fard et al. Preparation and characterization of visible-light sensitive nano Ag/Ag 3 VO 4/AgVO 3 modified by graphene oxide for photodegradation of reactive orange 16 dye
Wang et al. Facile preparation of a TiO2 quantum dot/graphitic carbon nitride heterojunction with highly efficient photocatalytic activity
KR101415080B1 (en) Mesoporous layer-by-layer nanohybrids, preparing method of the same, and photocatalyst containing the same
Zhu et al. Ionic-liquid-controlled two-dimensional monolayer Bi2MoO6 and its adsorption of azo molecules
Rong et al. Scalable synthesis of water-dispersible 2D manganese dioxide monosheets
Khan et al. Characterization and photocatalytic performance of hydrothermally synthesized Cu-doped TiO2 NPs
de Almeida et al. Ag/GO/TiO2 nanocomposites: The role of the interfacial charge transfer for application in photocatalysis
JP4941980B2 (en) Tungsten oxide nanosheet and manufacturing method thereof

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20131225

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20140911

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20140917

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20141008

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20150421

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20150428

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 5750752

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250