JP2013086010A - Photocatalyst and production process therefor - Google Patents

Photocatalyst and production process therefor Download PDF

Info

Publication number
JP2013086010A
JP2013086010A JP2011227720A JP2011227720A JP2013086010A JP 2013086010 A JP2013086010 A JP 2013086010A JP 2011227720 A JP2011227720 A JP 2011227720A JP 2011227720 A JP2011227720 A JP 2011227720A JP 2013086010 A JP2013086010 A JP 2013086010A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
photocatalyst
copper
ions
titanium
titanium oxide
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
JP2011227720A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP5710444B2 (en
Inventor
Kazumi Miyake
一實 三宅
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.)
Honda Motor Co Ltd
Original Assignee
Honda Motor Co Ltd
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 Honda Motor Co Ltd filed Critical Honda Motor Co Ltd
Priority to JP2011227720A priority Critical patent/JP5710444B2/en
Publication of JP2013086010A publication Critical patent/JP2013086010A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP5710444B2 publication Critical patent/JP5710444B2/en
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain a photocatalyst having an excellent catalytic activity without using rare earth elements.SOLUTION: CuOoctahedron 18 is formed by substitutionally solid-solubilizing copper ions in a part of the titanium ion sites in a crystal structure of titanium dioxide. The crystal generated by the substitution is brookite. Vacancies 20a and 20b are present in the neighborhood of the copper ions. These vacancies 20a and 20b are the sites where oxygen ions are present before the substitution. Namely, the vacancies 20a and 20b create oxygen defects.

Description

本発明は、例えば、水質浄化や大気浄化等の浄化作用を営み、また、色素増感太陽電池の光電極や、光によって水を分解することで水素ガスを生成する水素ガス生成装置の光電極等に有用な光触媒及びその製造方法に関する。   The present invention, for example, performs purification actions such as water purification and air purification, and also includes a photoelectrode for a dye-sensitized solar cell and a photoelectrode for a hydrogen gas generation apparatus that generates hydrogen gas by decomposing water with light. The present invention relates to a photocatalyst useful for the above and a production method thereof.

光触媒の機能を営む物質として、酸化チタンが周知である。具体的には、酸化チタンに紫外光を照射すると、価電子帯の電子がバンドギャップを超えて伝導帯に励起する。その結果、価電子帯に正孔が発生するとともに、伝導帯に電子が存在することになる。正孔と電子は、それぞれ、再結合することなく価電子帯と伝導帯に滞在する。この間、正孔は酸化作用を営み、電子は還元作用を営む。従って、例えば、酸化チタンの周囲に水が存在する場合、紫外光が照射された酸化チタンの酸化・還元作用下に水が分解され、水素と酸素が生成する。   Titanium oxide is well known as a substance that functions as a photocatalyst. Specifically, when titanium oxide is irradiated with ultraviolet light, electrons in the valence band are excited to the conduction band beyond the band gap. As a result, holes are generated in the valence band and electrons are present in the conduction band. Holes and electrons stay in the valence and conduction bands without recombination, respectively. During this time, holes perform an oxidizing action and electrons perform a reducing action. Therefore, for example, when water is present around titanium oxide, water is decomposed under the action of oxidation / reduction of titanium oxide irradiated with ultraviolet light to generate hydrogen and oxygen.

近時、この酸化チタン(光触媒)は、環境分野やエネルギ分野に利用され、例えば、有機物の分解や殺菌による水質浄化、NOxの分解除去による大気浄化や色素増感太陽電池の光電極、光水分解による水素生成のための光電極等への応用が行われており、より一層高活性、高性能の光触媒が希求されている。   Recently, this titanium oxide (photocatalyst) has been used in the environmental field and energy field, for example, water purification by decomposition and sterilization of organic substances, air purification by decomposition and removal of NOx, photoelectrodes of dye-sensitized solar cells, optical water Application to photoelectrodes and the like for hydrogen generation by decomposition has been performed, and there is a demand for photocatalysts with higher activity and higher performance.

例えば、特許文献1には、酸化チタンに希土類元素をドープした光触媒が開示されており、この光触媒は、紫外光領域だけでなく可視光領域においても光触媒活性を示すとされている。   For example, Patent Document 1 discloses a photocatalyst in which titanium oxide is doped with a rare earth element, and this photocatalyst exhibits photocatalytic activity not only in the ultraviolet light region but also in the visible light region.

また、特許文献2には、銅等からなる電子捕捉性金属を、酸化チタン等の光触媒粒子と熱硬化性樹脂等の光耐蝕性マトリックスとの混合層の表面に露出固定した光触媒が開示されている。これによれば、製造時の熱処理が低温であっても、光触媒活性に優れるとのことである。   Patent Document 2 discloses a photocatalyst in which an electron-trapping metal made of copper or the like is exposed and fixed on the surface of a mixed layer of photocatalyst particles such as titanium oxide and a photocorrosion resistant matrix such as a thermosetting resin. Yes. According to this, even if the heat treatment at the time of manufacture is low temperature, it is excellent in photocatalytic activity.

特許第4113816号公報Japanese Patent No. 4113816 特許第3282184号公報Japanese Patent No. 3282184

特許文献1記載の技術では、ドーパントとして希土類元素を用いる必要があるが、希土類元素は、周知の通り、クラーク数が低く且つ地球上に偏在しているために入手が容易ではない。このため、実施すること自体が容易ではなく、製造コストも高騰するという問題がある。   In the technique described in Patent Document 1, it is necessary to use a rare earth element as a dopant. However, as is well known, rare earth elements are low in the number of Clarkes and unevenly distributed on the earth, and thus are not easily available. For this reason, there is a problem that the implementation itself is not easy and the manufacturing cost increases.

また、本発明者の鋭意検討によれば、特許文献2に記載されるように酸化チタンと熱硬化樹脂とを含む層に銅等の電子捕捉性金属を添加したのみでは、触媒活性が十分であるとは言い難い。   Further, according to the earnest study of the present inventor, catalytic activity is sufficient only by adding an electron-trapping metal such as copper to a layer containing titanium oxide and a thermosetting resin as described in Patent Document 2. It is hard to say that there is.

本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、希土類元素を用いることなく、触媒活性に優れた光触媒及びその製造方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object thereof is to provide a photocatalyst excellent in catalytic activity and a method for producing the same without using rare earth elements.

前記の目的を達成するために、本発明は、チタン、銅及び酸素を構成イオンとして含む光触媒であって、
酸化チタンの結晶構造中の一部のチタンイオンが銅イオンに置換された酸化物からなることを特徴とする。
To achieve the above object, the present invention provides a photocatalyst comprising titanium, copper and oxygen as constituent ions,
It is characterized by comprising an oxide in which some titanium ions in the crystal structure of titanium oxide are replaced with copper ions.

この構成においては、酸化チタンのバンドギャップ内に、置換固溶した銅イオンに由来するエネルギ準位が形成される。これによりバンドギャップが狭まるので、紫外光のみならず可視光の照射によっても光触媒反応を生起することができるようになる。さらに、銅イオンが、光照射により発生した励起電子を捕捉し、該励起電子が正孔と再結合することを遅延させる。従って、光触媒反応を生起させる電子及び正孔を長時間にわたって存在させることができるようになるので、触媒活性を長時間にわたって持続させることが可能となる。   In this configuration, energy levels derived from substituted and dissolved copper ions are formed in the band gap of titanium oxide. As a result, the band gap is narrowed, so that the photocatalytic reaction can occur not only by irradiation with ultraviolet light but also by visible light. Furthermore, copper ions capture the excited electrons generated by light irradiation and delay the recombination of the excited electrons with the holes. Accordingly, since electrons and holes that cause the photocatalytic reaction can exist for a long time, the catalytic activity can be maintained for a long time.

光触媒は、膜とすることも可能であるが、粒子とすることもできる。この場合、該粒子は前記酸化物からなる結晶粒を含む。   The photocatalyst can be a film, but can also be a particle. In this case, the particles include crystal grains made of the oxide.

この粒子は、結晶方位が互いに相違する結晶粒が集合した多結晶体であることが好ましい。この場合、結晶粒が微細化されるので触媒活性点が増加する。従って、優れた触媒活性が発現する。   This particle is preferably a polycrystalline body in which crystal grains having different crystal orientations are aggregated. In this case, since the crystal grains are refined, the catalyst active point increases. Therefore, excellent catalytic activity is expressed.

粒子の平均粒子径は、一般的に10〜60nmである。また、結晶粒の平均結晶粒径は、一般的には1〜20nmである。なお、これらの値は、走査型電子顕微鏡(SEM)や、透過型電子顕微鏡(TEM)等の観察結果に基づき、円相当径として求めることができる。   The average particle diameter of the particles is generally 10 to 60 nm. The average crystal grain size of the crystal grains is generally 1 to 20 nm. In addition, these values can be calculated | required as an equivalent circle diameter based on observation results, such as a scanning electron microscope (SEM) and a transmission electron microscope (TEM).

また、酸化チタンの結晶構造中でチタンイオンに隣接する酸素イオンのサイトが、前記チタンイオンが銅イオンに置換された結晶構造中で空孔となっていることが好ましい。この場合、空孔は、酸素が欠乏した酸素欠陥である。この酸素欠陥が励起電子を捕捉するので、励起電子と正孔との再結合が一層遅延する。このため、触媒活性が一層持続する。   Moreover, it is preferable that the site | part of the oxygen ion adjacent to a titanium ion in the crystal structure of a titanium oxide becomes a void | hole in the crystal structure where the said titanium ion was substituted by the copper ion. In this case, the vacancies are oxygen defects that are deficient in oxygen. Since this oxygen defect captures excited electrons, the recombination of excited electrons and holes is further delayed. For this reason, the catalytic activity is further sustained.

このような置換した相は、典型的にはブルッカイト相である。ただし、光触媒は、この相のみを含むものに限定されるものではなく、例えば、チタンイオンが銅イオンに置換されていないアナターゼ相を含むものであってもよい。   Such a substituted phase is typically a brookite phase. However, the photocatalyst is not limited to one containing only this phase, and may contain, for example, an anatase phase in which titanium ions are not replaced with copper ions.

また、本発明は、チタン、銅及び酸素を構成イオンとして含み、且つ酸化チタンの結晶構造中の一部のチタンイオンが銅イオンに置換された酸化物からなる光触媒の製造方法であって、
加水分解及び重縮合によって酸化チタンを生成することが可能な酸化チタン前駆体と、水又は有機溶媒に可溶であり且つ銅イオンを供与することが可能な銅イオン供与体とを溶媒に混合して混合液を得る工程と、
前記混合液中の前記酸化チタン前駆体を加水分解及び重縮合させることによって、酸化チタンの結晶構造中の一部のチタンイオンが銅イオンに置換された酸化物を得る工程と、
前記酸化物に対して熱処理を施す工程と、
を有することを特徴とする。
Further, the present invention is a method for producing a photocatalyst comprising an oxide containing titanium, copper and oxygen as constituent ions, wherein a part of the titanium ions in the crystal structure of titanium oxide is substituted with copper ions,
A titanium oxide precursor capable of producing titanium oxide by hydrolysis and polycondensation and a copper ion donor that is soluble in water or an organic solvent and can donate copper ions are mixed in a solvent. To obtain a mixed solution,
Obtaining an oxide in which some titanium ions in the crystal structure of titanium oxide are replaced with copper ions by hydrolyzing and polycondensing the titanium oxide precursor in the mixed solution;
Applying heat treatment to the oxide;
It is characterized by having.

上記したような過程を経ることにより、上記した光触媒を容易に得ることができる。   The photocatalyst described above can be easily obtained through the above process.

そして、この場合、希土類元素を用いる必要がない。このため、触媒活性に優れる光触媒を低コストで得ることができる。   In this case, it is not necessary to use rare earth elements. For this reason, the photocatalyst excellent in catalyst activity can be obtained at low cost.

なお、熱処理時には、温度を400〜700℃として1〜180時間保持することが好適である。   In addition, at the time of heat processing, it is suitable to hold | maintain for 1 to 180 hours by setting temperature as 400-700 degreeC.

また、酸化チタン前駆体の好適な例としては、チタンアルコキシドを挙げることができる。   Moreover, titanium alkoxide can be mentioned as a suitable example of a titanium oxide precursor.

さらに、光触媒を粒子として得るときには、前記酸化物に対して粉砕を行えばよい。これによって得られた粉砕物に対して熱処理を施すことにより、光触媒が粒子として得られる。   Furthermore, when the photocatalyst is obtained as particles, the oxide may be pulverized. The photocatalyst is obtained as particles by subjecting the pulverized material obtained by this heat treatment to heat treatment.

本発明によれば、酸化チタンの結晶構造中に銅イオンが置換固溶することで、酸化チタンのバンドギャップ内に、銅イオンに由来するエネルギ準位が形成される。このため、バンドギャップが狭まり、その結果、紫外光のみならず可視光の照射によっても光触媒反応を生起するようになる。また、光照射により発生した励起電子を、銅イオンや酸素欠陥(空孔)が捕捉するので、該励起電子が正孔と再結合することが遅延される。従って、触媒反応を生起する励起電子と正孔が長時間にわたって存在することができる。   According to the present invention, an energy level derived from copper ions is formed in the band gap of titanium oxide because copper ions are substituted and dissolved in the crystal structure of titanium oxide. For this reason, the band gap is narrowed, and as a result, the photocatalytic reaction occurs not only by irradiation with ultraviolet light but also by visible light. In addition, since the excited electrons generated by light irradiation are captured by copper ions or oxygen defects (vacancies), the recombination of the excited electrons with the holes is delayed. Therefore, excited electrons and holes that cause a catalytic reaction can exist for a long time.

さらに、粒子内に含まれる結晶粒の結晶粒径が微細化されるので、触媒活性点が増加する。   Furthermore, since the crystal grain size of the crystal grains contained in the particles is refined, the catalyst active point increases.

以上のような理由から、触媒活性が優れる光触媒となる。この光触媒は、希土類元素を含んでいないことから、低コストで得ることができる。   For the reasons described above, the photocatalyst is excellent in catalytic activity. Since this photocatalyst does not contain rare earth elements, it can be obtained at low cost.

純粋な酸化チタンのブルッカイト相を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the brookite phase of pure titanium oxide. 図1中のチタンイオンが銅イオンに置換され、さらに酸素欠陥としての空孔が生じた置換型ブルッカイト相を示す模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram showing a substitution type brookite phase in which titanium ions in FIG. 1 are substituted with copper ions and vacancies as oxygen defects are generated. 本実施の形態に係る光触媒(実施例1)の透過型電子顕微鏡(TEM)写真である。It is a transmission electron microscope (TEM) photograph of the photocatalyst (Example 1) which concerns on this Embodiment. 図3中に実線で囲繞した部分を拡大した要部拡大写真である。It is the principal part enlarged photograph which expanded the part enclosed with the continuous line in FIG. 図4の模式図である。FIG. 5 is a schematic diagram of FIG. 4. 実施例1〜6、比較例1〜8、参考例1、2の作製条件を纏めた図表である。It is the table | surface which put together the preparation conditions of Examples 1-6, Comparative Examples 1-8, and Reference Examples 1 and 2. FIG. 図7A〜図7Cは、それぞれ実施例1、比較例1、比較例2のSEM写真である。7A to 7C are SEM photographs of Example 1, Comparative Example 1, and Comparative Example 2, respectively. 図8A、図8Bは、それぞれ、比較例1、比較例2のTEM写真である。8A and 8B are TEM photographs of Comparative Example 1 and Comparative Example 2, respectively. 図9A、図9Bは、それぞれ、高角散乱環状暗視野走査透過顕微鏡(HAADF−STEM)にて撮影した実施例1、比較例2の写真である。9A and 9B are photographs of Example 1 and Comparative Example 2, respectively, taken with a high-angle scattering annular dark field scanning transmission microscope (HAADF-STEM). 図10A、図10Bは、それぞれ、実施例1、比較例2のEDS(エネルギ分散型X線)分析測定結果を示す図である。10A and 10B are diagrams showing EDS (energy dispersive X-ray) analysis measurement results of Example 1 and Comparative Example 2, respectively. Cu−k吸収端でのXAFS(X線吸収微細構造)解析結果から求めた実施例1、比較例2の銅原子周辺のフーリエ変換による動径分布を示す図である。It is a figure which shows the radial distribution by the Fourier transform of the copper atom periphery of Example 1 and the comparative example 2 calculated | required from the XAFS (X-ray absorption fine structure) analysis result in a Cu-k absorption edge. 実施例1、比較例2のX線回折プロファイルである。2 is an X-ray diffraction profile of Example 1 and Comparative Example 2. FIG. 実施例1と、金属銅、酸化銅(I)、及び酸化銅(II)のXANES(X線吸収端近傍構造)解析結果である。It is a XANES (X-ray absorption edge vicinity structure) analysis result of Example 1 and metallic copper, copper oxide (I), and copper oxide (II). 図14A〜図14Cは、それぞれ、実施例1の銅原子周辺のフーリエ変換による動径分布と、種々の構造モデルとのフィッティング結果を示す図である。FIG. 14A to FIG. 14C are diagrams each showing a fitting result of a radial distribution by Fourier transform around the copper atom of Example 1 and various structural models. 実施例1〜3の銅原子周辺のフーリエ変換による動径分布と、酸化チタン(ブルッカイト相)のチタン原子1つを銅原子に置換した構造モデルとのフィッティング結果から求めた、実施例1〜3における銅原子の隣接(最近接)酸素との相対配位距離と相対配位数を示す図である。Examples 1-3 obtained from fitting results of radial distribution by Fourier transform around copper atoms of Examples 1-3 and a structural model in which one titanium atom of titanium oxide (brookite phase) was replaced with a copper atom It is a figure which shows the relative coordination distance and the relative coordination number with the adjacent (closest) oxygen of the copper atom in. ESR(電子スピン共鳴)装置によって相対比較した実施例1、比較例1、比較例2のOHラジカル量と光照射積算時間との関係を示した図である。It is the figure which showed the relationship between the amount of OH radicals of Example 1, the comparative example 1, and the comparative example 2 and the light irradiation integration time which were relatively compared by the ESR (electron spin resonance) apparatus. 実施例1及び比較例1の拡散反射スペクトルの測定結果を示す図である。It is a figure which shows the measurement result of the diffuse reflection spectrum of Example 1 and Comparative Example 1. 実施例2、実施例6、比較例7の結晶化度を比較した結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having compared the crystallinity degree of Example 2, Example 6, and Comparative Example 7. FIG. 実施例2、実施例6、比較例7のX線回折プロファイルである。2 is an X-ray diffraction profile of Example 2, Example 6, and Comparative Example 7. FIG. 図20A〜図20Cは、それぞれ、実施例2、実施例6、比較例8のSEM写真である。20A to 20C are SEM photographs of Example 2, Example 6, and Comparative Example 8, respectively. ESR(電子スピン共鳴)装置によって相対比較した実施例2、参考例1、比較例3、比較例4のOHラジカル量を示す図である。It is a figure which shows the amount of OH radical of Example 2, the reference example 1, the comparative example 3, and the comparative example 4 compared comparatively with the ESR (electron spin resonance) apparatus. ESR装置によって相対比較した実施例4、実施例5、参考例2、比較例5のOHラジカル量を示す図である。It is a figure which shows the amount of OH radicals of Example 4, Example 5, Reference Example 2, and Comparative Example 5 that are relatively compared by an ESR device. ESR装置によって相対比較した実施例6、比較例6のOHラジカル量を示す図である。It is a figure which shows the amount of OH radicals of Example 6 and Comparative Example 6 that are relatively compared by the ESR apparatus.

以下、本発明に係る光触媒につき好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。   Preferred embodiments of the photocatalyst according to the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings.

本実施の形態に係る光触媒は、酸化チタンの結晶構造中の一部のチタンイオンが銅イオンに置換した結晶を含む粒子からなる。   The photocatalyst according to the present embodiment is composed of particles containing crystals in which some titanium ions in the crystal structure of titanium oxide are replaced with copper ions.

純粋な酸化チタンの結晶構造は、一般的にはルチル相、アナターゼ相又はブルッカイト相のいずれかである。特に、アナターゼ相は、バンドギャップが大きく高い活性を示す光触媒として周知である。   The crystal structure of pure titanium oxide is generally either a rutile phase, an anatase phase or a brookite phase. In particular, the anatase phase is well known as a photocatalyst having a large band gap and high activity.

これに対し、本実施の形態に係る光触媒において、チタンイオンが銅イオンに置換した相は、主にはブルッカイト相をなす。以下、この相を、「置換型ブルッカイト相」と表記する。   On the other hand, in the photocatalyst according to the present embodiment, the phase in which titanium ions are replaced with copper ions mainly forms a brookite phase. Hereinafter, this phase is referred to as a “substituted brookite phase”.

純粋な酸化チタンのブルッカイト相(斜方晶)では、図1に示すTiO八面体10が三稜を共有して連なる。TiO八面体10では、中心に位置するチタン(Ti)イオン12を、6個の酸素(O)イオン14a〜14fが囲繞している。 In the brookite phase (orthorhombic) of pure titanium oxide, the TiO 6 octahedrons 10 shown in FIG. In the TiO 6 octahedron 10, six oxygen (O) ions 14 a to 14 f surround a titanium (Ti) ion 12 located at the center.

置換型ブルッカイト相では、図2に示すように、Tiイオン12が銅(Cu)イオン16に置換されたCuO八面体18が形成される。ここで、Tiイオン12が4価であるのに対し、Cuイオン16は2価である。従って、置換型ブルッカイト相では、電気的な均衡を維持するべく、6個のOイオン14a〜14fの中の2〜3個が離脱する。図2においては、Oイオン14b、14eが離脱した場合を示しているが、このようにして離脱したOイオン14b、14eの跡は、空孔20a、20bとなる。 In the substitution type brookite phase, as shown in FIG. 2, a CuO 4 octahedron 18 in which the Ti ions 12 are substituted with copper (Cu) ions 16 is formed. Here, the Ti ions 12 are tetravalent, whereas the Cu ions 16 are divalent. Therefore, in the substitutional brookite phase, 2 to 3 out of the 6 O ions 14a to 14f are released in order to maintain electrical balance. FIG. 2 shows the case where the O ions 14b and 14e are separated, but the traces of the O ions 14b and 14e thus separated become holes 20a and 20b.

なお、置換型ブルッカイト相が安定となる理由は、Cuイオン16のイオン半径が、CuO八面体18を形成するのに適切であるためであると推察される。 The reason why the substitution brookite phase is stable is presumed to be that the ionic radius of the Cu ions 16 is appropriate for forming the CuO 4 octahedron 18.

本実施の形態に係る光触媒には、上記した置換型ブルッカイト相の他、チタンイオンが銅イオンに置換されていない結晶を含む。すなわち、この結晶は、純粋な酸化チタンからなる。この酸化チタンは、アナターゼ相、及びブルッカイト相である。   The photocatalyst according to the present embodiment includes crystals in which titanium ions are not replaced with copper ions, in addition to the above-described substitutional brookite phase. That is, this crystal consists of pure titanium oxide. This titanium oxide is an anatase phase and a brookite phase.

以上のように、本実施の形態に係る光触媒は、置換型ブルッカイト相からなる結晶と、アナターゼ相、及びブルッカイト相からなる結晶とを含む。   As described above, the photocatalyst according to the present embodiment includes a crystal composed of a substituted brookite phase, a crystal composed of an anatase phase and a brookite phase.

置換型ブルッカイト相は、可視光域、例えば、420〜650nmの波長の光を照射した際にも、光触媒としての活性を示す。一方、アナターゼ相では、紫外光域において優れた活性が発現する。すなわち、一般的な光触媒(アナターゼ相の酸化チタン)が紫外光域において活性であり可視光域では活性を殆ど示さないのに対し、本実施の形態に係る光触媒は、可視光域から紫外光域にわたる広範囲で十分な活性を示す。   The substitution type brookite phase exhibits activity as a photocatalyst even when irradiated with light having a wavelength in the visible light region, for example, 420 to 650 nm. On the other hand, the anatase phase exhibits excellent activity in the ultraviolet region. That is, a general photocatalyst (anatase-phase titanium oxide) is active in the ultraviolet light region and shows almost no activity in the visible light region, whereas the photocatalyst according to the present embodiment is from the visible light region to the ultraviolet light region. A wide range of sufficient activity.

置換型ブルッカイト相が優れた活性を示す理由は、以下の通りであると推察される。   The reason why the substituted brookite phase exhibits excellent activity is presumed as follows.

ブルッカイト相中のTiイオン12(図1参照)がCuイオン16(図2参照)に置換されると、酸化チタンのバンドギャップ内に、Cuイオン16に由来するエネルギ準位が形成されることにより、バンドギャップが狭まる。これに伴って、可視光を吸収した際にも励起電子と正孔を生成することができるようになる。   When Ti ions 12 (see FIG. 1) in the brookite phase are replaced with Cu ions 16 (see FIG. 2), energy levels derived from Cu ions 16 are formed in the band gap of titanium oxide. The band gap is narrowed. Accordingly, excited electrons and holes can be generated even when visible light is absorbed.

また、置換されたCuイオン16は、光照射によって価電子帯から伝導帯に励起された電子を捕捉する。これにより、伝導帯に移動した該電子と、該電子が励起することに伴って価電子帯に生成した正孔とが再結合することを遅延させる。従って、励起電子と正孔が、長時間にわたってその状態のまま存在することができるようになる。その結果、活性が長時間発現する。   The substituted Cu ions 16 capture electrons excited from the valence band to the conduction band by light irradiation. This delays recombination of the electrons moved to the conduction band and the holes generated in the valence band as the electrons are excited. Accordingly, the excited electrons and holes can exist in this state for a long time. As a result, the activity is expressed for a long time.

さらに、本実施の形態では、Tiイオン12がCuイオン16に置換されることに伴い、Tiイオン12の隣接位置に存在していたOイオン14b、14eが離脱して空孔20a、20b(酸素欠陥)が形成される。この酸素欠陥も、価電子帯から伝導帯に励起された電子と正孔との再結合を遅延させる。このことも、優れた活性を示すことに寄与する。   Furthermore, in the present embodiment, as the Ti ions 12 are replaced with the Cu ions 16, the O ions 14b and 14e existing at the adjacent positions of the Ti ions 12 are separated and the holes 20a and 20b (oxygen) Defect) is formed. This oxygen defect also delays recombination of electrons and holes excited from the valence band to the conduction band. This also contributes to an excellent activity.

本実施の形態に係る光触媒は、以上のような結晶を含む粒子からなる。走査型電子顕微鏡(SEM)で粒子を観察することによって求められる平均粒子径は、10〜60nmの範囲内である。なお、SEMの視野に現れる粒子の形状は、略真円である。従って、ここでいう平均粒子径は、視野に現れた各粒子の径の総和を粒子の個数で除すことによって求めたものである。   The photocatalyst according to the present embodiment is composed of particles containing the above crystals. The average particle diameter obtained by observing the particles with a scanning electron microscope (SEM) is in the range of 10 to 60 nm. Note that the shape of the particles appearing in the field of view of the SEM is a substantially perfect circle. Therefore, the average particle diameter here is obtained by dividing the sum of the diameters of each particle appearing in the visual field by the number of particles.

ここで、本実施の形態に係る光触媒(粒子)の透過型電子顕微鏡(TEM)写真を図3に示すとともに、該図3中に実線で囲繞した部分を拡大して図4に示す。さらに、図5は、図4の模式図である。   Here, a transmission electron microscope (TEM) photograph of the photocatalyst (particles) according to the present embodiment is shown in FIG. 3, and the part surrounded by a solid line in FIG. 3 is enlarged and shown in FIG. FIG. 5 is a schematic diagram of FIG.

これら図3〜図5中にa、b、cを付した結晶粒同士を対比すると、結晶粒bでは格子像が明確に表れているのに対し、結晶粒a、結晶粒cでは格子像が乱れている。このことから、結晶粒bと、結晶粒a及び結晶粒cとで結晶方位が互いに相違していることが諒解される。この理由は、酸化チタンの結晶構造中に銅イオンが置換固溶したためであると推察される。   3 to 5, when the crystal grains a, b, and c are compared with each other, a lattice image is clearly shown in the crystal grain b, whereas a lattice image is displayed in the crystal grain a and the crystal grain c. It is confused. From this, it is understood that the crystal orientations of the crystal grain b, the crystal grain a, and the crystal grain c are different from each other. This reason is presumed to be because copper ions were substituted and dissolved in the crystal structure of titanium oxide.

このような粒子からなる光触媒は、優れた触媒活性を示す。このことから、酸化チタンのバンドギャップ内に、銅イオンに由来するエネルギ準位が形成されていると考えられる。   A photocatalyst composed of such particles exhibits excellent catalytic activity. From this, it is considered that energy levels derived from copper ions are formed in the band gap of titanium oxide.

従って、バンドギャップ幅が狭くなり、このため、紫外光のみならず可視光をも吸収することが可能となる。さらに、銅イオンが、光照射によって発生した励起電子を捕捉するので、該励起電子と正孔とが再結合するタイミングが遅くなる。換言すれば、再結合が遅延する。   Accordingly, the band gap width is narrowed, and therefore it is possible to absorb not only ultraviolet light but also visible light. Furthermore, since the copper ions capture excited electrons generated by light irradiation, the timing at which the excited electrons and holes are recombined is delayed. In other words, recombination is delayed.

また、置換型ブルッカイト相(図2参照)における空孔20a、20bは、Oイオン14b、14eが離脱した跡であり、要するに、酸素欠陥である。この酸素欠陥(空孔20a、20b)も、該励起電子と正孔の再結合を遅延させる。   In addition, the vacancies 20a and 20b in the substitution brookite phase (see FIG. 2) are traces of the separation of the O ions 14b and 14e, in other words, oxygen defects. This oxygen defect (holes 20a and 20b) also delays recombination of the excited electrons and holes.

このように再結合が遅延するため、触媒反応を生起させる励起電子及び正孔が比較的長時間にわたって存在することができる。このため、本実施の形態に係る光触媒では、触媒活性が長時間持続する。   Since recombination is delayed in this way, excited electrons and holes that cause a catalytic reaction can exist for a relatively long time. For this reason, in the photocatalyst according to the present embodiment, the catalytic activity lasts for a long time.

また、該光触媒の粒子内には、結晶方位が互いに相違する結晶粒が含まれる(図3〜図5参照)。このため、結晶粒が微細化するので触媒活性点が増大する。   The photocatalyst particles include crystal grains having different crystal orientations (see FIGS. 3 to 5). For this reason, since a crystal grain refines | miniaturizes, a catalyst active point increases.

以上のような理由から、本実施の形態に係る光触媒においては、該光触媒が希土類元素を含まないにも関わらず、高い触媒活性が長時間にわたって発現する。   For the above reasons, in the photocatalyst according to the present embodiment, high catalytic activity is exhibited over a long period of time even though the photocatalyst does not contain a rare earth element.

次に、本実施の形態に係る光触媒の製造方法について説明する。   Next, the manufacturing method of the photocatalyst concerning this Embodiment is demonstrated.

本実施の形態に係る光触媒の製造方法は、酸化チタン前駆体と銅イオン供与体の混合物を得る工程と、溶媒中で前記酸化チタン前駆体の加水分解・重縮合を行って反応生成物を得る工程と、前記反応生成物に対して熱処理を施す工程とを有する。   The method for producing a photocatalyst according to the present embodiment includes a step of obtaining a mixture of a titanium oxide precursor and a copper ion donor, and a reaction product obtained by hydrolysis and polycondensation of the titanium oxide precursor in a solvent. And a step of subjecting the reaction product to a heat treatment.

以下、具体的に詳述すると、はじめに、酸化チタン前駆体及び銅イオン供与体を選定する。   Hereinafter, specifically, in detail, first, a titanium oxide precursor and a copper ion donor are selected.

ここで、後述する溶媒中において、酸化チタン前駆体を可及的に均一に分散させ、且つ銅イオン供与体と可及的に混合させるべく、酸化チタン前駆体を予め適切な有機溶媒で希釈することが好ましい。これにより、加水分解・重縮合の進行に伴って温度が急激に上昇することや、このことに起因して反応速度が過度に増大することを回避することもできるので、加水分解・重縮合を溶媒中で略均等に進行させることができるようになるという利点も得られる。特に、酸化チタン前駆体の加水分解反応の進行により生成する物質を希釈用の有機溶媒として選定したときには、この利点を得ることが容易である。   Here, in order to disperse the titanium oxide precursor as uniformly as possible in the solvent described later and to mix it with the copper ion donor as much as possible, the titanium oxide precursor is diluted with an appropriate organic solvent in advance. It is preferable. As a result, it is possible to avoid a sudden increase in temperature with the progress of hydrolysis and polycondensation, and an excessive increase in reaction rate due to this, so hydrolysis and polycondensation can be avoided. There is also an advantage that the process can be carried out almost uniformly in the solvent. In particular, it is easy to obtain this advantage when a substance generated by the progress of the hydrolysis reaction of the titanium oxide precursor is selected as an organic solvent for dilution.

希釈用の有機溶媒の量は、酸化チタン前駆体のチタン原子1molに対して20mol以上であることが好ましい。この場合、反応速度が過度に増大することを容易に防止し得、その結果、加水分解・重縮合を略均等に進行させることが容易となる。   The amount of the organic solvent for dilution is preferably 20 mol or more with respect to 1 mol of titanium atoms of the titanium oxide precursor. In this case, it is possible to easily prevent the reaction rate from increasing excessively, and as a result, it becomes easy to proceed the hydrolysis and polycondensation substantially uniformly.

酸化チタン前駆体の好適な例としては、チタンアルコキシドが挙げられる。具体的には、テトラメトキシチタン(Ti(OCH)、テトラエトキシチタン(Ti(OC)、テトラプロポキシチタン(Ti(OC)、テトライソプロポキシチタン(Ti(OCH(CH)、テトラブトキシチタン(Ti(OC)等が挙げられるが、特にこれらに限定されるものではない。 Preferable examples of the titanium oxide precursor include titanium alkoxide. Specifically, tetramethoxy titanium (Ti (OCH 3 ) 4 ), tetraethoxy titanium (Ti (OC 2 H 5 ) 4 ), tetrapropoxy titanium (Ti (OC 3 H 7 ) 4 ), tetraisopropoxy titanium ( Ti (OCH (CH 3 ) 2 ) 4 ), tetrabutoxytitanium (Ti (OC 4 H 9 ) 4 ) and the like can be mentioned, but not particularly limited thereto.

チタンアルコキシドを酸化チタン前駆体とした場合、チタンアルコキシド中のアルコキシド基が水素イオンと結合してアルコールが生成する。従って、希釈用の有機溶媒としては、アルコールを選定すればよい。   When titanium alkoxide is used as a titanium oxide precursor, an alkoxide group in the titanium alkoxide is bonded to hydrogen ions to generate an alcohol. Therefore, an alcohol may be selected as the organic solvent for dilution.

なお、アルコキシド基の分子量が大きいほど加水分解の速度が小さくなる。従って、この場合、反応速度が過度に増大することを抑制することが容易である。   In addition, the rate of hydrolysis decreases as the molecular weight of the alkoxide group increases. Therefore, in this case, it is easy to suppress an excessive increase in the reaction rate.

一方の銅イオン供与体には、銅イオンを含み、水又は有機溶媒に可溶な銅化合物が選定される。さらに、上記の熱処理を施す際に銅以外の成分元素が容易に酸化されて気化し、熱処理後に得られる光触媒中に残存しないものであることが特に好ましい。そのような銅化合物の好適な例としては、臭化銅、塩化銅、炭酸銅、酢酸銅、硫酸銅、硝酸銅、シュウ酸銅等や、これらの水和物が挙げられる。   As the copper ion donor, a copper compound containing copper ions and soluble in water or an organic solvent is selected. Furthermore, it is particularly preferable that when the heat treatment is performed, component elements other than copper are easily oxidized and vaporized and do not remain in the photocatalyst obtained after the heat treatment. Preferable examples of such copper compounds include copper bromide, copper chloride, copper carbonate, copper acetate, copper sulfate, copper nitrate, copper oxalate, and hydrates thereof.

銅イオン供与体は、好ましくは水に溶解ないし分散される。便宜上、この溶解液ないし分散液を「水溶液」と表記する。水溶液のpHは、特に限定されるものではない。   The copper ion donor is preferably dissolved or dispersed in water. For convenience, this solution or dispersion is referred to as an “aqueous solution”. The pH of the aqueous solution is not particularly limited.

以下、酸化チタン前駆体として希釈チタンアルコキシドを選定し、且つ前記水溶液を用いた場合を例として説明すると、先ず、希釈チタンアルコキシドと水溶液を混合し、混合液を得る。   Hereinafter, when a diluted titanium alkoxide is selected as a titanium oxide precursor and the aqueous solution is used as an example, first, the diluted titanium alkoxide and the aqueous solution are mixed to obtain a mixed solution.

銅イオン供与体中の銅原子の量は、酸化チタン前駆体中のチタン原子と、銅イオン供与体中の銅原子の合計を100mol%とした場合に、銅原子が0.013〜1.02mol%の範囲内となるように設定することが好ましい。0.013mol%未満では、触媒活性がさほどは向上しない。一方、1.02mol%よりも多くの銅原子を添加しても、置換されない余剰の銅原子が残留する傾向がある。   The amount of copper atoms in the copper ion donor is such that when the total of titanium atoms in the titanium oxide precursor and copper atoms in the copper ion donor is 100 mol%, the copper atoms are 0.013 to 1.02 mol. It is preferable to set so that it is in the range of%. If it is less than 0.013 mol%, the catalytic activity is not improved so much. On the other hand, even when more copper atoms than 1.02 mol% are added, there is a tendency that surplus copper atoms that are not substituted remain.

混合液中では、以下の反応式(1)に従ってチタンアルコキシドの加水分解が進行する。なお、反応式(1)中のRはアルキル基を表し、以下においても同様である。
Ti(OR) + xHO → Ti(OH)(OR)n−x+ xROH …(1)
In the mixed solution, hydrolysis of the titanium alkoxide proceeds according to the following reaction formula (1). In the reaction formula (1), R represents an alkyl group, and the same applies to the following.
Ti (OR) n + xH 2 O → Ti (OH) x (OR) n-x + xROH ... (1)

一方、重縮合には、2つの反応経路が存在する。各々の経路を反応式(2)、(3)として以下に示す。
−Ti−OH + H−O−Ti → −Ti−O−Ti+ HO …(2)
−Ti−OH + R−O−Ti → −Ti−O−Ti+ ROH …(3)
On the other hand, there are two reaction paths in polycondensation. Each route is shown below as reaction formulas (2) and (3).
-Ti-OH + H-O- Ti → -Ti-O-Ti + H 2 O ... (2)
-Ti-OH + RO-Ti-> Ti-O-Ti + ROH (3)

反応式(2)、(3)から諒解されるように、重縮合は、脱水反応又は脱アルコール反応を伴う。   As can be understood from the reaction formulas (2) and (3), the polycondensation involves a dehydration reaction or a dealcoholization reaction.

実際には、全てのアルコキシド基が加水分解される前に、反応式(2)、(3)に示される脱水反応及び脱アルコール反応、すなわち、重縮合が起こる。このため、チタンアルコキシドの加水分解・重縮合に必要な水の理論量も変化する。また、反応式(2)、(3)に示される重縮合は発熱反応であり、従って、混合液の温度が上昇する。この温度上昇を抑制し、且つ反応を略均等に進行させるとともに、加水分解・重縮合が進行するために十分な水を供与するべく、混合液中に多量の水を含ませることが好ましい。例えば、1molのチタンアルコキシドから1molのチタン水酸化物が生成するに足りる量の100倍以上の水を用いることが好適である。   Actually, before all alkoxide groups are hydrolyzed, the dehydration reaction and dealcoholization reaction shown in the reaction formulas (2) and (3), that is, polycondensation occurs. For this reason, the theoretical amount of water required for hydrolysis and polycondensation of titanium alkoxide also changes. Further, the polycondensation shown in the reaction formulas (2) and (3) is an exothermic reaction, and thus the temperature of the mixed solution rises. It is preferable to contain a large amount of water in the mixed solution in order to suppress this temperature rise and to allow the reaction to proceed substantially evenly and to provide sufficient water for hydrolysis and polycondensation to proceed. For example, it is preferable to use 100 times or more of water sufficient to produce 1 mol of titanium hydroxide from 1 mol of titanium alkoxide.

なお、加水分解・重縮合の進行中は、混合液を継続して撹拌するとともに、該混合液の温度が80℃を超えないように調整することが好ましい。混合液の温度が過度に上昇すると反応速度が過度に増大するので、これを防止するためである。   During the progress of hydrolysis and polycondensation, it is preferable that the mixed solution is continuously stirred and adjusted so that the temperature of the mixed solution does not exceed 80 ° C. This is to prevent the reaction rate from increasing excessively when the temperature of the mixed solution is excessively increased.

以上の反応が進行する過程で、Tiイオンの一部がCuイオンに置換されると推察される。すなわち、得られた反応生成物は、Tiイオンの一部がCuイオンに置換された重縮合物であると考えられる。   It is inferred that part of Ti ions is replaced with Cu ions in the process of the above reaction. That is, the obtained reaction product is considered to be a polycondensate in which a part of Ti ions is substituted with Cu ions.

この反応生成物は、凝集物である。そこで、次に、公知の手法によって反応生成物を粉砕し、粉砕物とする。   This reaction product is an aggregate. Therefore, next, the reaction product is pulverized into a pulverized product by a known method.

次に、この粉砕物に対して熱処理を施す。熱処理は、不活性ガス雰囲気下で行うようにしてもよいが、大気中であっても行うことが可能である。   Next, this pulverized product is subjected to heat treatment. The heat treatment may be performed in an inert gas atmosphere, but can be performed even in the air.

熱処理における好ましい保持温度は、400〜700℃である。400℃未満であると、結晶化が十分でないことがある。このような粒子では、十分な触媒活性が得られない一因となる。一方、700℃よりも高温であると、粒成長が過度に進行して粗大粒となることがある。この場合、粒子表面の触媒活性点が減少する。   A preferable holding temperature in the heat treatment is 400 to 700 ° C. If it is lower than 400 ° C., crystallization may not be sufficient. Such particles contribute to the insufficient catalytic activity. On the other hand, when the temperature is higher than 700 ° C., the grain growth may proceed excessively to become coarse grains. In this case, the catalyst active point on the particle surface decreases.

この温度範囲において、好ましい保持時間は1〜180時間である。保持温度が低い場合には保持時間を長くし、一方、保持温度が高い場合には保持時間を短くすることが好適である。   In this temperature range, a preferable holding time is 1 to 180 hours. It is preferable to lengthen the holding time when the holding temperature is low, and shorten the holding time when the holding temperature is high.

以上のようにして、Tiイオンの一部がCuイオンに置換された粒子からなる光触媒が粒子として得られるに至る。この粒子につきX線回折測定を行うと、ブルッカイト相に帰属するピークと、アナターゼ相に帰属するピークとが出現する(後述)。   As described above, a photocatalyst composed of particles in which a part of Ti ions is substituted with Cu ions is obtained as particles. When X-ray diffraction measurement is performed on the particles, a peak attributed to the brookite phase and a peak attributed to the anatase phase appear (described later).

このように、本実施の形態においては、希土類元素を用いる必要がない。従って、光触媒を低コストで得ることが可能である。   Thus, in this embodiment, it is not necessary to use a rare earth element. Therefore, it is possible to obtain a photocatalyst at a low cost.

本発明は、上記した実施の形態に特に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において、種々の変形が可能である。   The present invention is not particularly limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention.

例えば、上記した実施の形態では、光触媒を粒子として得るようにしているが、薄膜として得ることもできる。この場合、ディップコートやスピンコート等の一般的な薄膜形成技術によって反応生成物を基材にコーティングし、その後、コーティングされた反応生成物に対して熱処理を施せばよい。   For example, in the above-described embodiment, the photocatalyst is obtained as particles, but can also be obtained as a thin film. In this case, the reaction product may be coated on the substrate by a general thin film forming technique such as dip coating or spin coating, and then the coated reaction product may be heat-treated.

また、混合液は、例えば、銅イオン供与体を含有した水溶液に対して、チタンアルコキシド等の酸化チタン前駆体の希釈液を添加したり、溶媒に対して酸化チタン前駆体、銅イオン供与体を個別に添加したりすることで得ることができる。   In addition, for example, a mixed solution may be prepared by adding a diluted solution of a titanium oxide precursor such as titanium alkoxide to an aqueous solution containing a copper ion donor, or adding a titanium oxide precursor and a copper ion donor to a solvent. It can be obtained by adding them individually.

[実施例1]
2.31molの2−プロパノールに対し、該2−プロパノールを撹拌しながら、8.80×10−2molのテトライソプロポキシチタン(IV)を加え、希釈テトライソプロポキシチタン液(以下、単に希釈液という)を調製した。
[Example 1]
While stirring 2-propanol with respect to 2.31 mol of 2-propanol, 8.80 × 10 −2 mol of tetraisopropoxytitanium (IV) was added, and diluted tetraisopropoxytitanium liquid (hereinafter simply referred to as “diluent”). Prepared).

一方、55.4molの水に対し、該水を撹拌しながら2.27×10−4molの硝酸銅(II)三水和物(Cu(NO)・3HO)を加え、銅イオン供与体の水溶液を調製した。この場合、銅イオン供与体である硝酸銅(II)三水和物中の銅原子の量は、酸化チタン前駆体であるテトライソプロポキシチタン中のチタン原子と、硝酸銅(II)三水和物中の銅原子の合計を100mol%とするとき、0.26mol%である。以下、このようにして求められる銅原子の割合(mol%)を、「銅供与量」と表記することもある。 Meanwhile, 2.27 × 10 −4 mol of copper nitrate (II) trihydrate (Cu (NO) 3 ) 2 .3H 2 O) was added to 55.4 mol of water while stirring the water. An aqueous solution of a copper ion donor was prepared. In this case, the amount of copper atoms in copper nitrate (II) nitrate trihydrate, which is a copper ion donor, is the same as that of titanium atoms in tetraisopropoxy titanium, which is a titanium oxide precursor, and copper (II) nitrate trihydrate. When the total of copper atoms in the product is 100 mol%, it is 0.26 mol%. Hereinafter, the ratio (mol%) of the copper atom obtained in this way may be referred to as “copper donation amount”.

次に、前記水溶液の撹拌を継続しつつ、該水溶液に対して前記希釈液を滴下して添加し、混合液を得た。   Next, while continuing stirring of the aqueous solution, the diluent was added dropwise to the aqueous solution to obtain a mixed solution.

さらに、混合液を撹拌しながら、70℃に維持することで酸化チタン前駆体の加水分解・重縮合を進行させた。これによりゲル状物質を得た。   Furthermore, hydrolysis and polycondensation of the titanium oxide precursor proceeded by maintaining the mixed solution at 70 ° C. while stirring. Thereby, a gel-like substance was obtained.

最後に、このゲル状物質を乾燥し、乳鉢で粉砕した後、大気中にて500℃で3時間保持することによって熱処理を施し、光触媒を粒子として得た。これを実施例1とする。   Finally, this gel-like substance was dried, pulverized in a mortar, and then heat-treated by being held in the atmosphere at 500 ° C. for 3 hours to obtain a photocatalyst as particles. This is Example 1.

[比較例1]
硝酸銅(II)三水和物を添加しなかったことを除いては実施例1に準拠し、酸化チタン粒子からなる光触媒を得た。これを比較例1とする。
[Comparative Example 1]
A photocatalyst composed of titanium oxide particles was obtained according to Example 1 except that copper (II) nitrate trihydrate was not added. This is referred to as Comparative Example 1.

[比較例2]
比較例1で得た酸化チタン粒子の一部に、チタン(mol)/銅(mol)の比率が実施例1と同一となるように調製した硝酸銅(II)三水和物の水溶液を含浸した。その後、大気中にて300℃で3時間保持することで熱処理を施した。これを比較例2とする。
[Comparative Example 2]
Part of the titanium oxide particles obtained in Comparative Example 1 was impregnated with an aqueous solution of copper (II) nitrate trihydrate prepared so that the ratio of titanium (mol) / copper (mol) was the same as in Example 1. did. Then, it heat-processed by hold | maintaining at 300 degreeC for 3 hours in air | atmosphere. This is referred to as Comparative Example 2.

[実施例2、3]
硝酸銅(II)三水和物の量を1.13×10−4mol、又は4.53×10−4molとした(銅供与量を0.13mol%、0.51mol%とした)こと以外は実施例1と同様の操作を行い、光触媒を得た。各々を実施例2、3とする。
[Examples 2 and 3]
The amount of copper nitrate (II) trihydrate was 1.13 × 10 −4 mol or 4.53 × 10 −4 mol (copper donation amount was 0.13 mol%, 0.51 mol%). Except that, the same operation as in Example 1 was performed to obtain a photocatalyst. These are referred to as Examples 2 and 3, respectively.

[参考例1]
硝酸銅(II)三水和物の量を1.13×10−5molとした(銅供与量を0.013mol%とした)こと以外は実施例1と同様の操作を行い、光触媒を得た。これを参考例1とする。
[Reference Example 1]
A photocatalyst was obtained in the same manner as in Example 1 except that the amount of copper (II) nitrate trihydrate was 1.13 × 10 −5 mol (copper donation amount was 0.013 mol%). It was. This is referred to as Reference Example 1.

[比較例3、4]
硝酸銅(II)三水和物に代替して1.13×10−4molの硝酸ランタン(III)六水和物(La(NO・6HO)、又は1.13×10−4molの硝酸マンガン(II)六水和物(Mn(NO・6HO)を用いたこと以外は実施例1と同様の操作を行い、光触媒を得た。各々を比較例3、4とする。
[Comparative Examples 3 and 4]
1.13 × 10 −4 mol of lanthanum nitrate (III) hexahydrate (La (NO 3 ) 3 .6H 2 O), or 1.13 × 10, instead of copper (II) nitrate trihydrate A photocatalyst was obtained in the same manner as in Example 1 except that -4 mol of manganese (II) nitrate hexahydrate (Mn (NO 3 ) 2 .6H 2 O) was used. These are referred to as Comparative Examples 3 and 4, respectively.

[実施例4、5]
熱処理時の保持時間を72時間としたことを除いては実施例1、2の各々と同様の操作を行い、光触媒を得た。それぞれを実施例4、5とする。
[Examples 4 and 5]
A photocatalyst was obtained in the same manner as in Examples 1 and 2 except that the holding time during the heat treatment was 72 hours. These are designated as Examples 4 and 5, respectively.

[参考例2]
硝酸銅(II)三水和物の量を9.06×10−4molとした(銅供与量を1.02mol%としたことを除いては実施例4と同様の操作を行い、光触媒を得た。これを参考例2とする。
[Reference Example 2]
The amount of copper (II) nitrate trihydrate was 9.06 × 10 −4 mol (the same operation as in Example 4 was carried out except that the amount of copper donation was 1.02 mol%). This is referred to as Reference Example 2.

[比較例5]
熱処理時の保持時間を72時間としたことを除いては比較例1と同様の操作を行い、光触媒を得た。これを比較例5とする。
[Comparative Example 5]
A photocatalyst was obtained in the same manner as in Comparative Example 1 except that the holding time during the heat treatment was 72 hours. This is referred to as Comparative Example 5.

[実施例6]
熱処理時の保持温度を600℃としたこと以外は実施例2と同様の操作を行うことで、光触媒を得た。これを実施例6とする。
[Example 6]
A photocatalyst was obtained by performing the same operation as in Example 2 except that the holding temperature during the heat treatment was 600 ° C. This is Example 6.

[比較例6]
熱処理時の保持温度を600℃としたことを除いては比較例1と同様の操作を行い、光触媒を得た。これを比較例6とする。
[Comparative Example 6]
A photocatalyst was obtained in the same manner as in Comparative Example 1 except that the holding temperature during the heat treatment was 600 ° C. This is referred to as Comparative Example 6.

[比較例7]
熱処理時の保持温度を400℃としたこと以外は実施例2と同様の操作を行うことにより、光触媒を得た。これを比較例7とする。
[Comparative Example 7]
A photocatalyst was obtained by performing the same operation as in Example 2 except that the holding temperature during the heat treatment was 400 ° C. This is referred to as Comparative Example 7.

[比較例8]
熱処理時の保持温度を700℃としたこと以外は実施例2と同様の操作を行うことにより、光触媒を得た。これを比較例8とする。
[Comparative Example 8]
A photocatalyst was obtained by performing the same operation as in Example 2 except that the holding temperature during the heat treatment was 700 ° C. This is designated as Comparative Example 8.

以上の実施例1〜6、比較例1〜8及び参考例1、2の作製条件を、図6に一括して示す。   The production conditions of Examples 1 to 6, Comparative Examples 1 to 8, and Reference Examples 1 and 2 are collectively shown in FIG.

この中の実施例1及び比較例1、2につき、走査型電子顕微鏡(SEM)観察を行った。そのSEM写真を図7A〜図7Cに示す。いずれにおいても平均粒子径は20nm程度であり、互いに略同等であった。   Among these, Example 1 and Comparative Examples 1 and 2 were observed with a scanning electron microscope (SEM). The SEM photographs are shown in FIGS. 7A to 7C. In any case, the average particle diameter was about 20 nm, which was substantially equivalent to each other.

また、実施例1及び比較例1、2につきTEM観察を行った。前記図3及び前記図4は、実施例1のTEM写真である。上記したように、実施例1では、酸化チタンの格子像が明確に表れている結晶粒bと、結晶構造に乱れがある結晶粒a及び結晶粒cが認められる。結晶粒a〜cの各々の結晶粒径は5〜10nm程度であり、平均粒子径よりも小さく微細である。すなわち、20nm程度の1個の粒子の内部に、結晶方位の異なる微細な結晶粒が存在する。   Further, TEM observation was performed on Example 1 and Comparative Examples 1 and 2. 3 and 4 are TEM photographs of Example 1. FIG. As described above, in Example 1, the crystal grain b in which the lattice image of titanium oxide clearly appears, and the crystal grain a and the crystal grain c having a disordered crystal structure are recognized. The crystal grain size of each of the crystal grains a to c is about 5 to 10 nm, and is smaller than the average particle diameter and fine. That is, fine crystal grains having different crystal orientations exist inside one particle of about 20 nm.

残余の比較例1、2のTEM写真を図8A、図8Bに示す。この場合、実施例1で観察された結晶方位が互いに相違する結晶構造が認められなかった。また、結晶粒の結晶粒径は、平均粒子径と同じく20nm程度であった。   The remaining TEM photographs of Comparative Examples 1 and 2 are shown in FIGS. 8A and 8B. In this case, a crystal structure with different crystal orientations observed in Example 1 was not recognized. Moreover, the crystal grain size of the crystal grains was about 20 nm, similar to the average particle diameter.

さらに、実施例1、比較例2につき、高角散乱環状暗視野走査透過顕微鏡(HAADF−STEM)観察を行った。各々で得られた写真を図9A、図9Bにそれぞれ示す。なお、図3、図8Bとは別視野である。   Furthermore, the high-angle scattering annular dark field scanning transmission microscope (HAADF-STEM) was observed for Example 1 and Comparative Example 2. The photograph obtained by each is shown to FIG. 9A and FIG. 9B, respectively. 3 and FIG. 8B are different views.

図9Aでは、輝度の高い粒子(銅粒子)は認められなかった。一方、図9Bでは、該図9B中に矢印で示すように、粒子の表面に輝度の高い粒子(銅粒子)が存在することが認められた。   In FIG. 9A, high brightness particles (copper particles) were not observed. On the other hand, in FIG. 9B, as indicated by arrows in FIG. 9B, it was recognized that particles with high brightness (copper particles) were present on the surface of the particles.

そこで、実施例1、比較例2につきEDS(エネルギ分散型X線)分析測定を行った。各々のEDSスペクトルを図10A、図10Bに示す。なお、図10AのEDSスペクトルは粒子全体についてのものであり、図10Bは、図9Bにおける輝度の高い粒子中、番号「5」を付した粒子についてのものである。   Therefore, EDS (energy dispersive X-ray) analysis measurement was performed for Example 1 and Comparative Example 2. Each EDS spectrum is shown in FIGS. 10A and 10B. Note that the EDS spectrum in FIG. 10A is for the whole particle, and FIG. 10B is for the particle numbered “5” among the high-brightness particles in FIG. 9B.

これら図10A、図10Bを対比して諒解されるように、実施例1では銅のピークが認められなかったのに対し、比較例2では銅のピークが認められた。このことから、輝度の高い粒子が銅であることが確認された。   As can be seen by comparing FIG. 10A and FIG. 10B, the copper peak was not recognized in Example 1, whereas the copper peak was recognized in Comparative Example 2. From this, it was confirmed that the high brightness particles are copper.

さらに、実施例1、比較例2につき、Cu−k吸収端でのXAFS(X線吸収微細構造)解析結果から、銅原子周辺のフーリエ変換による動径分布を求めた。結果を図11に併せて示す。この図11から、実施例1と、酸化チタン粒子の表面上に銅粒子が存在する比較例2とでは、動径分布が明らかに相違する。このことは、実施例1、比較例2のそれぞれにおける銅原子の周辺構造が根本的に異なることを意味する。   Further, for Example 1 and Comparative Example 2, the radial distribution by Fourier transform around the copper atom was obtained from the XAFS (X-ray absorption fine structure) analysis result at the Cu-k absorption edge. The results are also shown in FIG. From FIG. 11, the radial distribution is clearly different between Example 1 and Comparative Example 2 in which copper particles are present on the surface of the titanium oxide particles. This means that the peripheral structure of the copper atom in each of Example 1 and Comparative Example 2 is fundamentally different.

次に、実施例1、比較例2につきXRD(X線回折)測定を行った。回折プロファイルを図12に併せて示す。いずれにおいても、酸化チタンのブルッカイト相に帰属するピーク、及びアナターゼ相に帰属するピークが出現している。このことから、実施例1と比較例2では結晶相の構成が同等であることが分かる。   Next, XRD (X-ray diffraction) measurement was performed for Example 1 and Comparative Example 2. The diffraction profile is also shown in FIG. In any case, a peak attributed to the brookite phase of titanium oxide and a peak attributed to the anatase phase appear. From this, it can be seen that Example 1 and Comparative Example 2 have the same crystal phase structure.

図13に、実施例1と、標準物質(金属銅、酸化銅(I)、及び酸化銅(II))とのXANES(X線吸収端近傍構造)解析結果を示す。実施例1では、エネルギ吸収端が、金属銅や酸化銅(I)よりも高エネルギ側にケミカルシフトしており、酸化銅(II)に近いことが分かる。このことは、実施例1では、銅が2価の銅イオン(Cu2+)の状態で存在していることを表す。 In FIG. 13, the XANES (X-ray absorption edge vicinity structure) analysis result of Example 1 and a reference material (metal copper, copper oxide (I), and copper oxide (II)) is shown. In Example 1, it can be seen that the energy absorption edge is chemically shifted to a higher energy side than copper metal or copper oxide (I), and is close to copper oxide (II). This indicates that in Example 1, copper exists in the state of divalent copper ions (Cu 2+ ).

次に、Cu−k吸収端でのXAFS解析結果から求めた実施例1の銅原子周辺のフーリエ変換による動径分布と、酸化チタン(ブルッカイト相)のチタンイオン1つを銅イオンに置換した構造モデルとのフィッティング、及び酸化チタン(アナターゼ相)のチタンイオン1つを銅イオンに置換した構造モデルとのフィッティング、酸化銅(II)の構造モデルとのフィッティングをそれぞれ調べた。結果を、図14A〜図14Cに併せて示す。   Next, a radial distribution by Fourier transform around the copper atom of Example 1 obtained from the XAFS analysis result at the Cu-k absorption edge, and a structure in which one titanium ion of titanium oxide (brookite phase) is replaced with a copper ion Fitting with a model, fitting with a structural model in which one titanium ion of titanium oxide (anatase phase) was replaced with copper ion, and fitting with a structural model of copper (II) oxide were examined. The results are shown in FIGS. 14A to 14C.

これら図14A〜図14Cから、実施例1の動径分布と、ブルッカイト相の酸化チタンのチタンイオン1つを銅イオンに置換した構造モデルとが良好に一致しているのに対し、その他の構造モデルとは殆ど一致していないことが分かる。このことから、実施例1においては、銅イオンが、酸化チタンのブルッカイト相に置換固溶していると認められる。   14A to 14C, the radial distribution of Example 1 and the structural model in which one titanium oxide of titanium oxide in the brookite phase is replaced with copper ions are in good agreement with each other. It can be seen that there is little agreement with the model. From this, in Example 1, it is recognized that the copper ion is substituted and dissolved in the brookite phase of titanium oxide.

さらに、Cu−k吸収端でのXAFS(X線吸収微細構造)解析結果から求めた実施例1〜3の銅原子周辺のフーリエ変換による動径分布と、酸化チタン(ブルッカイト相)のチタンイオン1つを銅イオンに置換した構造モデルとのフィッティングを調べ、その結果から、実施例1〜3における銅原子の隣接酸素との相対配位距離と、相対配位数を求めた。結果を、図15に併せて示す。   Further, the radial distribution by Fourier transform around the copper atoms in Examples 1 to 3 obtained from the XAFS (X-ray absorption fine structure) analysis result at the Cu-k absorption edge, and the titanium ion 1 of titanium oxide (brookite phase) 1 Fitting with a structural model in which one was replaced with copper ions was examined, and the relative coordination distance and the relative coordination number of copper atoms with adjacent oxygen in Examples 1 to 3 were determined from the results. The results are also shown in FIG.

図15から明らかなように、実施例1〜3のいずれにおいても、隣接酸素との相対配位距離及び相対配位数は互いに同等である。相対配位距離は、酸化チタン(ブルッカイト相)におけるチタン原子と隣接酸素との平均配位距離と同等であるが、相対配位数は、酸化チタン(ブルッカイト相)におけるチタン原子の隣接酸素配位数よりも少なくなっている。このことは、実施例1〜3に係る光触媒が、置換固溶した銅イオンに隣接して酸素欠陥を有することを示している。   As is clear from FIG. 15, in any of Examples 1 to 3, the relative coordination distance and the relative coordination number with adjacent oxygen are equal to each other. The relative coordination distance is equivalent to the average coordination distance between the titanium atom and the adjacent oxygen in titanium oxide (brookite phase), but the relative coordination number is the adjacent oxygen coordination of the titanium atom in titanium oxide (brookite phase). It is less than the number. This indicates that the photocatalysts according to Examples 1 to 3 have oxygen defects adjacent to the substituted and dissolved copper ions.

以上の結果から、実施例1では酸化チタンに銅が固溶しており、且つこのために酸素欠陥が生じていること、また、比較例2では酸化チタン粒子上に銅粒子が単に付着している状態であることが分かる。従って、図3〜図5に示されるように結晶方位が互いに相違する微細結晶粒は、銅が固溶することによって生成すると推察される。   From the above results, in Example 1, copper is solid-dissolved in titanium oxide, and for this reason, oxygen defects are generated, and in Comparative Example 2, copper particles simply adhere on the titanium oxide particles. It turns out that it is in a state. Therefore, as shown in FIGS. 3 to 5, it is presumed that fine crystal grains having different crystal orientations are generated when copper dissolves.

次に、上記した光触媒中の実施例1及び比較例1、2につき、最大波長352nmの励起光を積算時間で30秒、60秒、90秒又は120秒照射し、OHラジカルを発生させた。この際のOHラジカル量をESR装置によって測定し、それぞれの積算時間だけ励起光を照射した各光触媒について、単位重量当たりに発生したOHラジカル量を相対比較した。結果を、図16に併せて示す。この相対比較を行うことにより、各光触媒の触媒活性の大きさを比較することができる。 Next, with respect to Example 1 and Comparative Examples 1 and 2 in the above-described photocatalyst, OH radicals were generated by irradiating excitation light having a maximum wavelength of 352 nm for 30 seconds, 60 seconds, 90 seconds, or 120 seconds with an integration time. The amount of OH radicals at this time was measured with an ESR apparatus, and the amount of OH radicals generated per unit weight was relatively compared for each photocatalyst irradiated with excitation light for each integration time. The results are also shown in FIG. By performing this relative comparison, the magnitude of the catalytic activity of each photocatalyst can be compared.

なお、OHラジカル量の測定は、4mgの光触媒に0.147mol/リットルのスピントラップ剤(5,5−ジメチル−1−ピロリン−N−オキシド;DMPO)を2ml添加したものを測定サンプルとし、且つ該測定サンプルをマグネチックスターラにより200rpmで撹拌しながら行った。   The measurement of the amount of OH radicals was made by adding 2 ml of 0.147 mol / liter spin trapping agent (5,5-dimethyl-1-pyrroline-N-oxide; DMPO) to 4 mg of photocatalyst, and The measurement sample was stirred with a magnetic stirrer at 200 rpm.

図16から諒解されるように、実施例1においては、光照射積算時間を30秒としたときのOHラジカル発生量が最も多く、また、60〜120秒の光照射積算時間でもOHラジカル発生量はさほど低下していない。これに対し、比較例1では、光照射積算時間が短いときでもOHラジカル発生量が少ない。また、比較例2では、光照射積算時間が30秒の場合にはOHラジカル発生量が比較的多いものの実施例1に比べると少なく、光照射積算時間が60〜120秒である場合では、OHラジカル発生量が著しく低下している。 As can be seen from FIG. 16, in Example 1, OH radical generation amount when the irradiation integrated time of 30 seconds is most often, also, OH radicals generated amount even 60 to 120 seconds of light irradiation integration time It has not decreased so much. On the other hand, in Comparative Example 1, the amount of OH radicals generated is small even when the light irradiation integration time is short. In Comparative Example 2, the amount of OH radicals generated is relatively large when the light irradiation integration time is 30 seconds, but is smaller than that of Example 1, and when the light irradiation integration time is 60 to 120 seconds, OH The amount of radical generation is significantly reduced.

以上の結果から、実施例1は、比較例1、2に比べて光触媒活性が高く、且つ触媒活性が比較的長時間にわたって持続することが明らかである。上記したように実施例1と比較例2とでは結晶相の構造自体は同じであることから、触媒活性の差異は、銅イオンが固溶しているか否かや、該銅イオンの近傍に酸素欠陥が存在するか否か、さらには、結晶方位の異なる微細結晶を含むか否かに基づくと考えられる。   From the above results, it is clear that Example 1 has higher photocatalytic activity than Comparative Examples 1 and 2, and the catalytic activity lasts for a relatively long time. As described above, since the crystal phase structure itself is the same in Example 1 and Comparative Example 2, the difference in catalytic activity depends on whether or not copper ions are in solid solution and in the vicinity of the copper ions. This is considered to be based on whether or not there is a defect and whether or not a fine crystal having a different crystal orientation is included.

さらに、実施例1、比較例1につき、紫外可視分光光度計を用いて拡散反射スペクトル測定を行った。結果を図17に示す。この図17から諒解されるように、実施例1では、紫外光の吸収に加えて420〜650nmの可視光の波長域においても吸収が認められた。これに対し、比較例1では、可視光の波長域での吸収はほぼ認められなかった。   Further, for Example 1 and Comparative Example 1, diffuse reflection spectrum measurement was performed using an ultraviolet-visible spectrophotometer. The results are shown in FIG. As can be seen from FIG. 17, in Example 1, in addition to the absorption of ultraviolet light, absorption was also observed in the wavelength range of visible light of 420 to 650 nm. On the other hand, in Comparative Example 1, almost no absorption was observed in the visible light wavelength region.

以上とは別に、実施例2、実施例6、比較例7の結晶化度を調べた。比較結果を図18に示す。なお、結晶化度は、XRD測定によるピーク強度に基づいて、市販の酸化チタン粉末(アナターゼ相)の結晶化度を100%、試料を入れずに測定したブランクの結晶化度を0%とした場合の相対値である。   Apart from the above, the crystallinity of Example 2, Example 6, and Comparative Example 7 was examined. The comparison results are shown in FIG. The crystallinity is 100% for the commercial titanium oxide powder (anatase phase) based on the peak intensity measured by XRD, and 0% for the blank measured without a sample. Relative value of the case.

500℃、600℃で熱処理を行った実施例2、実施例6では結晶化度は90%を超えていたが、400℃で熱処理を行った比較例7の結晶化度は85%であった。結晶化度がさらに小さくなることは好ましくないことから、熱処理温度は400℃以上とすることが望ましいといえる。   In Examples 2 and 6 where the heat treatment was performed at 500 ° C. and 600 ° C., the crystallinity exceeded 90%, but the crystallinity of Comparative Example 7 where the heat treatment was performed at 400 ° C. was 85%. . Since it is not preferable that the crystallinity is further reduced, it can be said that the heat treatment temperature is desirably 400 ° C. or higher.

なお、図19は、実施例2、実施例6、比較例7のXRD測定結果である。   FIG. 19 shows the XRD measurement results of Example 2, Example 6, and Comparative Example 7.

図20A〜図20Cは、実施例2、実施例6、比較例8のSEM写真である。700℃で熱処理を行った比較例8では、実施例2、実施例6と比較して粒子が粗大化していることから、触媒活性点が減少していると推察される。触媒活性点が過度に減少することは好ましくはないことから、熱処理温度は700℃以下とすることが望ましい。   20A to 20C are SEM photographs of Example 2, Example 6, and Comparative Example 8. FIG. In Comparative Example 8 in which the heat treatment was performed at 700 ° C., since the particles were coarser than those in Example 2 and Example 6, it is presumed that the catalytic activity point was decreased. Since it is not preferable that the catalyst active point is excessively reduced, the heat treatment temperature is desirably set to 700 ° C. or lower.

さらにまた、実施例2、参考例1、比較例3及び比較例4につき、光照射積算時間を90秒としたこと以外は上記と同様にして、ESR装置にてOHラジカル量を測定した。相対比較の結果を図21に示す。   Furthermore, for Example 2, Reference Example 1, Comparative Example 3 and Comparative Example 4, the amount of OH radicals was measured with an ESR apparatus in the same manner as above except that the light irradiation integration time was 90 seconds. The result of the relative comparison is shown in FIG.

実施例2のOHラジカル発生量は、銅イオン供与体に代わりランタンイオン供与体を使用した比較例3、マンガンイオン供与体を使用した比較例4のOHラジカル発生量に比して著しく多量である。このことから、銅イオンを固溶させることによって優れた触媒活性が発現することが分かる。   The amount of OH radicals generated in Example 2 is significantly larger than the amount of OH radicals generated in Comparative Example 3 using a lanthanum ion donor instead of a copper ion donor and Comparative Example 4 using a manganese ion donor. . From this, it can be seen that excellent catalytic activity is exhibited by dissolving copper ions in solid solution.

また、実施例2に比べて銅含有量を少なくした参考例1(銅供与量0.013mol%)のOHラジカル発生量は、比較例3、比較例4の各OHラジカル発生量に比して多く、触媒活性に優れていると認められる。しかしながら、銅供与量が多い実施例2に比してOHラジカル発生量が若干少ない。従って、銅供与量は0.013mol%以上とすることが一層好ましい。   In addition, the amount of OH radicals generated in Reference Example 1 (copper donation amount 0.013 mol%) in which the copper content was reduced as compared with Example 2 was compared with the amount of OH radicals generated in Comparative Example 3 and Comparative Example 4. Many are recognized as having excellent catalytic activity. However, the amount of OH radicals generated is slightly smaller than in Example 2 where the amount of copper donation is large. Therefore, the copper donation amount is more preferably 0.013 mol% or more.

また、実施例4、実施例5、参考例2、比較例5についても、光照射積算時間を120秒としてESR装置にてOHラジカル量を測定した。相対比較の結果を図22に示す。   Moreover, also in Example 4, Example 5, Reference Example 2, and Comparative Example 5, the amount of OH radicals was measured with an ESR apparatus with the light irradiation integrated time being 120 seconds. The result of the relative comparison is shown in FIG.

実施例4、実施例5のOHラジカル発生量は、銅イオン供与体を使用していない比較例5のOHラジカル発生量に比して著しく多量であり、触媒活性に優れていることが明らかである。   The amount of OH radicals generated in Examples 4 and 5 is significantly larger than the amount of OH radicals generated in Comparative Example 5 in which no copper ion donor is used, and it is clear that the catalyst activity is excellent. is there.

また、実施例4、実施例5に比べて銅供与量を多くした参考例2(銅供与量1.02mol%)のOHラジカル発生量は、比較例5のOHラジカル発生量に比べて多く、触媒活性に優れていることは明らかである。しかしながら、銅供与量を少なくした実施例4、実施例5に比して触媒活性が下回っている。このことから、銅供与量を過度に多くしても銅イオンの固溶量が飽和し、このために触媒活性が飽和することが分かる。従って、銅供与量は、1.02mol%以下とすることがより一層好ましい。   Further, the amount of OH radicals generated in Reference Example 2 (copper donation amount of 1.02 mol%) compared to Example 4 and Example 5 was larger than the amount of OH radicals generated in Comparative Example 5, It is clear that the catalyst activity is excellent. However, the catalytic activity is lower than in Examples 4 and 5 where the amount of copper donation was reduced. From this, it can be seen that even if the copper donation amount is excessively increased, the solid solution amount of copper ions is saturated, and for this reason, the catalytic activity is saturated. Therefore, the copper donation amount is more preferably 1.02 mol% or less.

さらに、実施例6、比較例6についても光照射積算時間を10秒としてESR装置にてOHラジカル量を測定した。相対比較の結果を図23に示す。   Further, for Example 6 and Comparative Example 6, the amount of OH radicals was measured with an ESR apparatus with the light irradiation integration time of 10 seconds. The result of the relative comparison is shown in FIG.

銅供与量を0.13mol%とし、且つ熱処理温度を600℃とした実施例6におけるOHラジカル発生量は、銅イオン供与体を使用せず、熱処理温度を600℃とした比較例6のOHラジカル発生量に比して著しく多量である。このことからも、銅イオンを固溶させることによって優れた触媒活性が発現することが明らかである。   The amount of OH radicals generated in Example 6 in which the copper donor amount was 0.13 mol% and the heat treatment temperature was 600 ° C. was the same as that of Comparative Example 6 in which the copper ion donor was not used and the heat treatment temperature was 600 ° C. The amount is significantly larger than the amount generated. Also from this, it is clear that excellent catalytic activity is manifested by dissolving copper ions.

10…TiO八面体 12…Tiイオン
14a〜14f…Oイオン 16…Cuイオン
18…CuO八面体 20a、20b…空孔
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... TiO 6 octahedron 12 ... Ti ion 14a-14f ... O ion 16 ... Cu ion 18 ... CuO 4 octahedron 20a, 20b ... Hole

Claims (11)

チタン、銅及び酸素を構成イオンとして含む光触媒であって、
酸化チタンの結晶構造中の一部のチタンイオンが銅イオンに置換された酸化物からなることを特徴とする光触媒。
A photocatalyst containing titanium, copper and oxygen as constituent ions,
A photocatalyst comprising an oxide in which a part of titanium ions in a crystal structure of titanium oxide is substituted with copper ions.
請求項1記載の光触媒において、当該光触媒は粒子からなり、前記粒子は、前記酸化物からなる結晶粒を含むことを特徴とする光触媒。   2. The photocatalyst according to claim 1, wherein the photocatalyst is made of particles, and the particles include crystal grains made of the oxide. 請求項2記載の光触媒において、前記粒子は、結晶方位が相違する結晶粒が集合した多結晶体であることを特徴とする光触媒。   3. The photocatalyst according to claim 2, wherein the particle is a polycrystalline body in which crystal grains having different crystal orientations are aggregated. 請求項2又は3記載の光触媒において、前記粒子の平均粒子径が10〜60nmであり、且つ前記結晶粒の平均結晶粒径が1〜20nmであることを特徴とする光触媒。   The photocatalyst according to claim 2 or 3, wherein the average particle diameter of the particles is 10 to 60 nm, and the average crystal particle diameter of the crystal grains is 1 to 20 nm. 請求項1〜4のいずれか1項に記載の光触媒において、酸化チタンの結晶構造中でチタンイオンに隣接する酸素イオンのサイトが、前記チタンイオンが銅イオンに置換された結晶構造中で空孔となっていることを特徴とする光触媒。   5. The photocatalyst according to claim 1, wherein sites of oxygen ions adjacent to titanium ions in the crystal structure of titanium oxide are vacancies in the crystal structure in which the titanium ions are replaced with copper ions. The photocatalyst characterized by becoming. 請求項1〜5のいずれか1項に記載の光触媒において、結晶構造中の一部のチタンイオンが銅イオンに置換された相がブルッカイト相の構造をなすことを特徴とする光触媒。   The photocatalyst according to any one of claims 1 to 5, wherein a phase in which a part of titanium ions in the crystal structure is replaced with copper ions has a brookite phase structure. 請求項6記載の光触媒において、前記ブルッカイト相の構造をなす相の他、チタンイオンが銅イオンに置換されていないアナターゼ相を含むことを特徴とする光触媒。   7. The photocatalyst according to claim 6, wherein the photocatalyst includes an anatase phase in which titanium ions are not substituted with copper ions in addition to the phase forming the brookite phase structure. チタン、銅及び酸素を構成イオンとして含み、且つ酸化チタンの結晶構造中の一部のチタンイオンが銅イオンに置換された酸化物からなる光触媒の製造方法であって、
加水分解及び重縮合によって酸化チタンを生成することが可能な酸化チタン前駆体と、水又は有機溶媒に可溶であり且つ銅イオンを供与することが可能な銅イオン供与体とを溶媒に混合して混合液を得る工程と、
前記混合液中の前記酸化チタン前駆体を加水分解及び重縮合させることによって、酸化チタンの結晶構造中の一部のチタンイオンが銅イオンに置換された酸化物を得る工程と、
前記酸化物に対して熱処理を施す工程と、
を有することを特徴とする光触媒の製造方法。
A method for producing a photocatalyst comprising an oxide in which titanium, copper, and oxygen are included as constituent ions, and a part of the titanium ions in the crystal structure of titanium oxide are replaced with copper ions,
A titanium oxide precursor capable of producing titanium oxide by hydrolysis and polycondensation and a copper ion donor that is soluble in water or an organic solvent and can donate copper ions are mixed in a solvent. To obtain a mixed solution,
Obtaining an oxide in which some titanium ions in the crystal structure of titanium oxide are replaced with copper ions by hydrolyzing and polycondensing the titanium oxide precursor in the mixed solution;
Applying heat treatment to the oxide;
A process for producing a photocatalyst, comprising:
請求項8記載の製造方法において、前記熱処理を、温度を400〜700℃として1〜180時間保持することを特徴とする光触媒の製造方法。   The method for producing a photocatalyst according to claim 8, wherein the heat treatment is held at a temperature of 400 to 700 ° C for 1 to 180 hours. 請求項8又は9記載の製造方法において、前記酸化チタン前駆体として、チタンアルコキシドを用いることを特徴とする光触媒の製造方法。   10. The method for producing a photocatalyst according to claim 8, wherein titanium alkoxide is used as the titanium oxide precursor. 請求項8〜10のいずれか1項に記載の製造方法において、前記酸化物を粉砕して粉砕物を得、該粉砕物に対して前記熱処理を施すことで、光触媒を粒子として得ることを特徴とする光触媒の製造方法。   The manufacturing method according to any one of claims 8 to 10, wherein the oxide is pulverized to obtain a pulverized product, and the pulverized product is subjected to the heat treatment to obtain a photocatalyst as particles. A method for producing a photocatalyst.
JP2011227720A 2011-10-17 2011-10-17 Photocatalyst and method for producing the same Expired - Fee Related JP5710444B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2011227720A JP5710444B2 (en) 2011-10-17 2011-10-17 Photocatalyst and method for producing the same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2011227720A JP5710444B2 (en) 2011-10-17 2011-10-17 Photocatalyst and method for producing the same

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2013086010A true JP2013086010A (en) 2013-05-13
JP5710444B2 JP5710444B2 (en) 2015-04-30

Family

ID=48530513

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2011227720A Expired - Fee Related JP5710444B2 (en) 2011-10-17 2011-10-17 Photocatalyst and method for producing the same

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP5710444B2 (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104307521A (en) * 2014-10-23 2015-01-28 上海电力学院 Preparation method of polyhedral nano oxide for catalyzing
WO2015056556A1 (en) * 2013-10-16 2015-04-23 信越化学工業株式会社 Dispersion liquid of titanium oxide-tungsten oxide composite photocatalytic fine particles, production method for same, and member having photocatalytic thin film on surface thereof
CN110681385A (en) * 2019-10-23 2020-01-14 沈阳工业大学 TiO22Preparation method of neodymium-cuprate nano catalytic powder
CN112717908A (en) * 2020-12-09 2021-04-30 昆明中友丰钰科技有限公司 Monoatomic supported photocatalytic titania material and preparation method thereof

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000102733A (en) * 1998-09-28 2000-04-11 Otsuka Chem Co Ltd Use of photolysis catalyst and production of hydrogen
JP2005111452A (en) * 2003-10-10 2005-04-28 National Institute For Materials Science Semiconductor metal-oxide photocatalyst and decomposition method for hazardous chemical substance using the same
WO2011049068A1 (en) * 2009-10-19 2011-04-28 国立大学法人 東京大学 Method for inactivating virus and article provided with antiviral properties

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000102733A (en) * 1998-09-28 2000-04-11 Otsuka Chem Co Ltd Use of photolysis catalyst and production of hydrogen
JP2005111452A (en) * 2003-10-10 2005-04-28 National Institute For Materials Science Semiconductor metal-oxide photocatalyst and decomposition method for hazardous chemical substance using the same
WO2011049068A1 (en) * 2009-10-19 2011-04-28 国立大学法人 東京大学 Method for inactivating virus and article provided with antiviral properties

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2015056556A1 (en) * 2013-10-16 2015-04-23 信越化学工業株式会社 Dispersion liquid of titanium oxide-tungsten oxide composite photocatalytic fine particles, production method for same, and member having photocatalytic thin film on surface thereof
US9833776B2 (en) 2013-10-16 2017-12-05 Shin-Etsu Chemical Co., Ltd. Dispersion liquid of titanium oxide-tungsten oxide composite photocatalytic fine particles, production method for same, and member having photocatalytic thin film on surface thereof
CN104307521A (en) * 2014-10-23 2015-01-28 上海电力学院 Preparation method of polyhedral nano oxide for catalyzing
CN110681385A (en) * 2019-10-23 2020-01-14 沈阳工业大学 TiO22Preparation method of neodymium-cuprate nano catalytic powder
CN112717908A (en) * 2020-12-09 2021-04-30 昆明中友丰钰科技有限公司 Monoatomic supported photocatalytic titania material and preparation method thereof

Also Published As

Publication number Publication date
JP5710444B2 (en) 2015-04-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Dong et al. Nanostructure Engineering and Modulation of (Oxy) Nitrides for Application in Visible‐Light‐Driven Water Splitting
Husin et al. Photocatalytic hydrogen production on nickel-loaded La x Na 1− x TaO 3 prepared by hydrogen peroxide-water based process
Husin et al. Green fabrication of La-doped NaTaO3 via H2O2 assisted sol–gel route for photocatalytic hydrogen production
Hou et al. Chromium-doped bismuth titanate nanosheets as enhanced visible-light photocatalysts with a high percentage of reactive {110} facets
WO2015146830A1 (en) Photocatalyst and method for producing same
Ao et al. A simple method to prepare N-doped titania hollow spheres with high photocatalytic activity under visible light
Wang et al. Fabrication of bismuth titanate nanosheets with tunable crystal facets for photocatalytic degradation of antibiotic
Li et al. Facile tailoring of anatase TiO2 morphology by use of H2O2: From microflowers with dominant {101} facets to microspheres with exposed {001} facets
US20120028791A1 (en) Highly Reactive Photocatalytic Material and Manufacturing Thereof
US20060223700A1 (en) Methods for forming porous oxide coating layer on titanium dioxide (TiO2) particle surface and titanium dioxide (TiO2) powder and film manufactured therefrom
Tian et al. Microwave-assisted synthesis of carbon-based (N, Fe)-codoped TiO 2 for the photocatalytic degradation of formaldehyde
Mugundan et al. Sol-gel synthesized barium doped TiO2 nanoparticles for solar photocatalytic application
JP6427465B2 (en) Method of producing strontium titanate fine particles having cubic shape, cubic shape strontium titanate fine particles, cube shaped metal-doped strontium titanate fine particles, and method of producing the same
US20180243727A1 (en) Hydrogen production using hybrid photonic-electronic materials
JP5710444B2 (en) Photocatalyst and method for producing the same
Saad et al. Porous (001)-faceted Zn-doped anatase TiO 2 nanowalls and their heterogeneous photocatalytic characterization
JP2013013886A (en) Tungsten oxide-based photocatalyst and method for producing the same
US20150238935A1 (en) METHOD FOR SYNTHESIZING SILVER NANOPARTICLES ON TiO2 USING HYBRID POLYMERS
Azam et al. In-situ synthesis of TiO2/La2O2CO3/rGO composite under acidic/basic treatment with La3+/Ti3+ as mediators for boosting photocatalytic H2 evolution
Kuvarega et al. Evaluation of the simulated solar light photocatalytic activity of N, Ir co-doped TiO2 for organic dye removal from water
Ma et al. Preparation of V-doped TiO2 photocatalysts by the solution combustion method and their visible light photocatalysis activities
Padmaja et al. Fabrication of hetero-structured mesoporours TiO2-SrTiO3 nanocomposite in presence of Gemini surfactant: characterization and application in catalytic degradation of Acid Orange
Kavitha et al. Synthesis of Cu loaded TiO2 nanoparticles for the improved photocatalytic degradation of rhodamine B
Lou et al. Synthesis of BiOBr/Mg metal organic frameworks catalyst application for degrade organic dyes rhodamine B under the visible light
Nguyen-Le et al. Effective photodegradation of dyes using in-situ N-Ti3+ co-doped porous titanate-TiO2 rod-like heterojunctions

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20131127

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20140821

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20140826

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: 20150203

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20150304

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 5710444

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees