JP2016056040A - Surface modification method of titanium oxide and modified body thereof - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a surface modification method of titanium oxide and a modified body thereof, which can improve light absorption characteristics in the visible-light and infrared regions.SOLUTION: Titanium oxide fine particles are doped with a dope material according to a plasma method in liquid using pulsed microwave as an energy source, by irradiating an aqueous solution of titanium oxide fine particles with plasma using an electrode composed of a dope material. Further, the titanium oxide fine particles are modified into those imparted with light absorption characteristics in a part of the visible-light region by irradiating an aqueous solution of titanium oxide fine particles with plasma using an electrode whose electrode core material is covered with an insulating metal oxide.SELECTED DRAWING: None

Description

本発明は、酸化チタンの表面改質方法及びその改質体に関する。   The present invention relates to a surface modification method for titanium oxide and a modified body thereof.

酸化チタンは地球上に存在する元素の中で九番目に多い材料であり、結晶構造に応じて様々な用途に利用される安価な鉱物である。結晶構造はアナターゼ型、ルチル型、ブルッカイト型があり、アナターゼ型、ルチル型は可視光を透過する性質を有する。サブミクロン以上の粒子は、光散乱が生じて白色となり、特にルチル型は熱安定性が高いため白色顔料としてよく利用されている。アナターゼ型、ルチル型においては酸化チタンが有する光触媒作用による抗菌材料や超親水材料とガラスの防曇加工やセルフクリーニング効果から外装用建材としても利用されている。   Titanium oxide is the ninth most abundant element on earth, and is an inexpensive mineral that can be used for various purposes depending on the crystal structure. There are anatase, rutile, and brookite crystal structures, and anatase and rutile have the property of transmitting visible light. Particles of submicron or larger become white due to light scattering, and particularly the rutile type is often used as a white pigment because of its high thermal stability. The anatase type and rutile type are also used as building materials for exteriors due to anti-fogging and self-cleaning effects of antibacterial and superhydrophilic materials and glass due to the photocatalytic action of titanium oxide.

太陽電池においては、触媒活性を高めるため高比表面積化(微粒化)すると、光散乱が小さくなり可視光を透過してしまい電池としての出力が得られない点が課題であったが、1991年にスイスのローザンヌ工科大学のグレッツェル氏により酸化チタン微粒子表面に可視光吸収色素(増感色素)を吸着することで、飛躍的に出力が増大することが確認された。これは色素増感太陽電池と呼ばれ、一般的な製法として、透明導電膜を形成した基板上に、酸化チタン微粒子のインクを印刷して、焼結などの手法を用いて基板上に酸化チタン微粒子を定着させた後、増感色素溶液に浸漬させることにより、酸化チタン表面に色素を吸着させる。その後、対極との間に電解質層を形成して貼り合わせて太陽電池セルとする。この製法では真空中や超高温の工程(焼結体の形成に伴い500℃程度の加熱は必要)がないため、実用的な低コスト太陽電池として注目され、研究が進んでいる。   In solar cells, when the specific surface area was increased (atomization) in order to increase the catalytic activity, light scattering was reduced and visible light was transmitted, so that the output as a battery was not obtained. In addition, Mr. Gretzel of Lausanne University of Technology in Switzerland confirmed that the output was dramatically increased by adsorbing a visible light absorbing dye (sensitizing dye) on the surface of the titanium oxide fine particles. This is called a dye-sensitized solar cell. As a general manufacturing method, titanium oxide fine particle ink is printed on a substrate on which a transparent conductive film is formed, and then the titanium oxide is formed on the substrate using a technique such as sintering. After fixing the fine particles, the dye is adsorbed on the titanium oxide surface by being immersed in a sensitizing dye solution. Thereafter, an electrolyte layer is formed between the counter electrode and bonded to form a solar battery cell. In this manufacturing method, since there is no vacuum or ultra-high temperature process (heating at about 500 ° C. is necessary with the formation of the sintered body), it is attracting attention as a practical low-cost solar cell, and research is progressing.

国際公開第2013/027838号International Publication No. 2013/027838 特開2010−121193号公報JP 2010-121193 A 特開2011−056428号公報JP 2011-056428 A 特開2011−058064号公報JP 2011-058064 A 特開2012−036468号公報JP 2012-036468 A 特開2013−237582号公報JP2013-237582A

光触媒としては、酸化チタンは自身の有する可視光透過特性に伴い、太陽光の照射エネルギーの内、紫外領域しか用いることができない。図1に示す太陽光の分光エネルギー分布(ASTM G173-03)から、紫外領域を380nm以下としてエネルギー利用率を算出すると、太陽光が持つエネルギーの内、わずか4.6%しか用いられないことが確認できる。また、昨今、環境省が推奨しているエコハウスなどに、光触媒機能を有する外装用建材として用いる場合、その特性上、赤外域までを透過してしまうため、別途遮熱塗料などを用いる必要がある。   As a photocatalyst, titanium oxide can be used only in the ultraviolet region in the irradiation energy of sunlight, due to its own visible light transmission characteristics. From the solar spectral energy distribution shown in Fig. 1 (ASTM G173-03), calculating the energy utilization rate with the ultraviolet region below 380 nm confirms that only 4.6% of the solar energy is used. . In addition, when used as an exterior building material having a photocatalytic function in an eco house recently recommended by the Ministry of the Environment, it is necessary to use a thermal barrier paint or the like because it transmits through the infrared region due to its characteristics. is there.

酸化チタン太陽電池として開発が進められている色素増感太陽電池としては、増感色素は大きく分けて有機色素と無機色素に分類される。有機色素は安価であるが耐久性に課題があるため、一般的には安定性の高い無機色素が用いられる。しかしながら、無機色素はRu、Ptなどの貴金属をベースとした金属錯体で構成されており極めて高価である。また色素吸着工程において用いられる浸漬溶液には、前述した金属錯体の他に、当該金属錯体の会合を防止するためアルコール系溶媒などに溶かしたデオキシコール酸等の有機酸を必要とする(特許文献1)。このため、本工程においては局所排気装置などの設備が必要となる。   As dye-sensitized solar cells being developed as titanium oxide solar cells, sensitizing dyes are roughly classified into organic dyes and inorganic dyes. Since organic dyes are inexpensive but have a problem in durability, generally highly stable inorganic dyes are used. However, inorganic dyes are composed of metal complexes based on noble metals such as Ru and Pt and are extremely expensive. In addition, the immersion solution used in the dye adsorption step requires an organic acid such as deoxycholic acid dissolved in an alcohol solvent in order to prevent the association of the metal complex in addition to the metal complex described above (Patent Literature). 1). For this reason, equipment such as a local exhaust device is required in this step.

本発明は、以上の通りの事情に鑑みてなされたものであり、可視光や赤外域における光吸収特性を向上させることができる、酸化チタンの表面改質方法及びその改質体を提供することを課題としている。   The present invention has been made in view of the circumstances as described above, and provides a surface modification method for titanium oxide and a modified body thereof that can improve the light absorption characteristics in the visible light and infrared regions. Is an issue.

上記の課題を解決するために、本発明のドープ酸化チタン微粒子の製造方法は、パルスマイクロ波をエネルギー源とする液中プラズマ法により、ドープ材で構成された電極を用いて酸化チタン微粒子水溶液にプラズマを照射することによって、前記ドープ材を酸化チタン微粒子にドープすることを特徴としている。このドープ酸化チタン微粒子の製造方法は、前記ドープ材がタングステンであることが好ましい。このドープ酸化チタン微粒子の製造方法により、可視光から赤外域までに光吸収特性を付与したドープ酸化チタン微粒子を得ることができる。   In order to solve the above-mentioned problem, the method for producing doped titanium oxide fine particles of the present invention uses an electrode composed of a dope material to form an aqueous solution of titanium oxide fine particles by an in-liquid plasma method using pulsed microwaves as an energy source. The titanium oxide fine particles are doped with the dope material by irradiating with plasma. In the method for producing the doped titanium oxide fine particles, the dope material is preferably tungsten. By this method for producing doped titanium oxide fine particles, doped titanium oxide fine particles having light absorption characteristics from visible light to infrared region can be obtained.

本発明の酸化チタン微粒子の改質方法は、パルスマイクロ波をエネルギー源とする液中プラズマ法により、電極芯材が絶縁性の金属酸化物で被覆された電極を用いて酸化チタン微粒子水溶液にプラズマを照射することによって、可視光域の一部に光吸収特性を付与した酸化チタン微粒子に改質することを特徴としている。   The titanium oxide fine particle reforming method of the present invention is a plasma in a titanium oxide fine particle aqueous solution using an electrode in which an electrode core material is coated with an insulating metal oxide by a submerged plasma method using pulsed microwaves as an energy source. Is characterized in that it is modified to titanium oxide fine particles having a light absorption property in a part of the visible light region.

本発明の酸化チタン微粒子は、上記のいずれかの方法によって得られ、可視光域の一部か、または可視光から赤外域までに光吸収特性を有する。   The titanium oxide fine particles of the present invention are obtained by any one of the methods described above, and have light absorption characteristics in a part of the visible light region or from the visible light to the infrared region.

液中プラズマにより処理された酸化チタンは、可視光側に吸収域がシフトする。またタングステンをドープした場合は可視光から赤外域まで吸収域が拡大する。これにより地球上に照射される太陽エネルギーを効率的に使用可能となり光触媒活性が飛躍的に向上する。また、得られたタングステンドープ酸化チタンを外装用建材に適用した場合、従来以上の強力な触媒作用によるセルフクリーニング効果を得られる上に、赤外遮蔽材として太陽光の熱エネルギーを遮蔽することで屋内温度の上昇を防止し、別途遮熱塗料を用意することなく、エアコン等の使用を抑制するといったエコハウス機能を付与できる。また、可視光吸収特性を有していることから、増感色素なし太陽電池への応用が期待できる。   The absorption range of titanium oxide treated with submerged plasma shifts to the visible light side. When tungsten is doped, the absorption range is expanded from the visible light to the infrared range. As a result, solar energy irradiated on the earth can be used efficiently, and the photocatalytic activity is dramatically improved. In addition, when the obtained tungsten-doped titanium oxide is applied to building materials for exteriors, in addition to obtaining a self-cleaning effect by a stronger catalytic action than conventional, it is possible to shield the thermal energy of sunlight as an infrared shielding material It is possible to provide an eco-house function that prevents the indoor temperature from rising and suppresses the use of an air conditioner without preparing a separate thermal barrier paint. Moreover, since it has a visible light absorption characteristic, application to a solar cell without a sensitizing dye can be expected.

窓ガラスに適用するなど可視光の確保が必要な場合は、ドープなしでプラズマ処理により改質された酸化チタンが好適である。市販の光触媒酸化チタンに対して可視光透過特性がやや劣るものの、市販のUVカットガラスと同水準の透過率低下におさまることが確認されており、実質的な影響は殆どないと考えられる。この材料は500nm付近にピークを持つ太陽エネルギーの多くを利用することができる他、可視光を透過する太陽電池への応用が期待できる。   When it is necessary to ensure visible light, such as when applied to window glass, titanium oxide modified by plasma treatment without doping is suitable. Although visible light transmission characteristics are slightly inferior to commercially available photocatalytic titanium oxide, it has been confirmed that the transmittance decreases to the same level as that of commercially available UV-cut glass, and it is considered that there is almost no substantial influence. In addition to being able to use much of the solar energy with a peak near 500 nm, this material can be expected to be applied to solar cells that transmit visible light.

太陽光の分光エネルギー特性を示した図である。It is the figure which showed the spectral energy characteristic of sunlight. マイクロ波液中プラズマ装置の概略図である。It is the schematic of a plasma apparatus in a microwave liquid. プラズマ処理時間とタングステン電極溶出量の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between plasma processing time and a tungsten electrode elution amount. 評価1におけるXRD計測結果を示すチャートである。It is a chart which shows the XRD measurement result in the evaluation 1. 評価2におけるHAADF-STEM像である。It is a HAADF-STEM image in evaluation 2. 評価3における光吸収スペクトルである(実施例1〜6)。It is a light absorption spectrum in evaluation 3 (Examples 1-6). 評価3における光吸収スペクトルである(実施例7〜11)。It is a light absorption spectrum in evaluation 3 (Examples 7-11). 評価3における高圧水銀灯照射時の触媒活性測定の結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of the catalyst activity measurement at the time of the high pressure mercury lamp irradiation in Evaluation 3. 触媒活性測定に用いた高圧水銀灯の分光スペクトルである。It is a spectrum of the high pressure mercury lamp used for the catalytic activity measurement.

以下に、本発明を詳細に説明する。   The present invention is described in detail below.

本発明では、酸化チタン微粒子をプラズマ照射により改質する。具体的には酸化チタン微粒子の水溶液中において、マイクロ波電源を用いてパルスプラズマを発生させる。   In the present invention, the titanium oxide fine particles are modified by plasma irradiation. Specifically, pulse plasma is generated in an aqueous solution of titanium oxide fine particles using a microwave power source.

ドープ酸化チタンを生成する場合は電極材料にドープ源となる材料を用い、単なるプラズマ処理を行う場合は電極芯材を金属酸化物で覆った電極を用いる。金属酸化物は絶縁体であるが導電性の芯材を被覆しているだけであるため交流的な導電性が確保される。何れの方法でもプラズマ中で生じる水素ラジカルにより酸素欠損を有する生成物が生成されると考えられる他、ドープ源として投入したい元素を用いて電極を構成することで、プラズマ中で電極材料がイオン化して再凝縮を行う過程で酸化チタン微粒子中にドープされる。   When producing doped titanium oxide, a material serving as a doping source is used as the electrode material, and when performing simple plasma processing, an electrode in which the electrode core material is covered with a metal oxide is used. Since the metal oxide is an insulator but only covers the conductive core material, AC conductivity is ensured. In any method, hydrogen radicals generated in the plasma are thought to produce oxygen deficient products, and the electrode material is ionized in the plasma by configuring the electrode with the element to be introduced as a doping source. In the process of recondensing, the titanium oxide fine particles are doped.

液中プラズマにより処理された酸化チタンは、可視光側に吸収域がシフトする。またタングステンをドープした場合は可視光から赤外域まで吸収域が拡大する。これにより地球上に照射される太陽エネルギーを効率的に使用可能となり光触媒活性が飛躍的に向上する。また増感色素等の添加剤なしに可視光域の吸収が可能となるため太陽電池への応用が期待できる。   The absorption range of titanium oxide treated with submerged plasma shifts to the visible light side. When tungsten is doped, the absorption range is expanded from the visible light to the infrared range. As a result, solar energy irradiated on the earth can be used efficiently, and the photocatalytic activity is dramatically improved. In addition, absorption in the visible light region is possible without additives such as sensitizing dyes, so that application to solar cells can be expected.

これらの処理に用いる原料は市販の酸化チタン微粒子を使用することができ、特別な原料を必要としない。   The raw material used for these treatments can use commercially available titanium oxide fine particles, and no special raw material is required.

ドープ源としては金属タングステンをプラズマ発生電極として用いることでそれ自身から供給する。   As a doping source, metallic tungsten is used as a plasma generating electrode and supplied from itself.

溶媒は水を用いることが可能であるため、反応容器内に改質したい酸化チタン微粒子粉末と水を入れるだけという非常にシンプル且つ安全なシステムが構築できる。このシステムではドープ材は一定速度で供給されるため、プラズマ処理時間を数分〜数時間の間で変化させることによりドープ量の異なる材料が作製可能と考えられる。   Since water can be used as the solvent, it is possible to construct a very simple and safe system in which only titanium oxide fine particle powder to be modified and water are placed in the reaction vessel. In this system, since the dope material is supplied at a constant rate, it is considered that materials having different dope amounts can be produced by changing the plasma processing time from several minutes to several hours.

ドープ材はタングステン以外のものであってもかまわないが、タングステン(VI)のイオン半径が0.58Åで、チタン(IV)のイオン半径0.61Åと比較的近く(Handbook of Chem.& Phys., 79th Edition)、結晶内でタングステンがチタンのサイトと置換されやすいこと、またドープ材を電極とするため、電極はある程度の導電性を有し、且つ高融点材料であり、プラズマ中の熱においても過剰な蒸発、電離が生じないことが求められるためタングステンであることが好ましい。   The doping material may be other than tungsten, but the ionic radius of tungsten (VI) is 0.58mm, and the ionic radius of titanium (IV) is relatively close to 0.61mm (Handbook of Chem. & Phys., 79th Edition), because tungsten is easily replaced with titanium sites in the crystal, and since the doping material is used as an electrode, the electrode has a certain degree of conductivity and is a high melting point material, and it is excessive even in the heat in the plasma. Tungsten is preferable because it is required that no evaporation or ionization occurs.

また、マイクロ波液中プラズマ装置はkW級の高出力システムが簡便に製作できる上、気相プラズマのような大掛かりな真空装置を必要としないコンパクトな装置構成で実現でき工業的利点が大きい。   In addition, the microwave in-liquid plasma apparatus can be easily manufactured as a high-power system of kW class, and can be realized with a compact apparatus configuration that does not require a large-scale vacuum apparatus such as gas phase plasma, and has a great industrial advantage.

また、今回用いたパルスプラズマは断続的にプラズマが発生するため、点火時に瞬時に高温に達した後、消火時には瞬時に水溶液により冷却されるため、試料が必要以上の高温に晒されることがなく、プラズマ処理前後において結晶構造が大きく変わらないことが利点である。また、本発明では酸化チタン水溶液をマイクロ波液中プラズマにより数分から数時間の処理を行うシンプルな構成であり工業プロセスとしての適用も容易である。   In addition, since the pulsed plasma used this time is intermittently generated, the sample is not exposed to an unnecessarily high temperature because it immediately reaches a high temperature during ignition and is instantaneously cooled by an aqueous solution during fire extinguishing. The advantage is that the crystal structure does not change significantly before and after the plasma treatment. Moreover, in this invention, it is the simple structure which processes titanium oxide aqueous solution for several minutes to several hours by the plasma in a microwave liquid, and application as an industrial process is also easy.

本発明者らは、パルスマイクロ波をエネルギー源とする液中プラズマ法について、ナノ粒子の合成を含む各種の検討を行ってきた。なお、本発明において、「パルスマイクロ波液中プラズマ装置」の構成には、前記の特許文献2〜6に開示された装置等の従来技術が参照される。   The inventors of the present invention have made various studies including the synthesis of nanoparticles on a submerged plasma method using pulsed microwaves as an energy source. In the present invention, the conventional technology such as the devices disclosed in Patent Documents 2 to 6 is referred to for the configuration of the “pulsed microwave plasma device”.

パルスマイクロ波液中プラズマ装置は、マイクロ波発振器と、導波管と、液体を収容する容器と、液中プラズマ源とを有している。以下、図2の例を参照しながら説明する。   The pulse microwave submerged plasma apparatus includes a microwave oscillator, a waveguide, a container for storing a liquid, and a submerged plasma source. Hereinafter, a description will be given with reference to the example of FIG.

マイクロ波発振器10は、マイクロ波を生成して出力するマグネトロンと、マグネトロンにマイクロ波生成等のための電力を供給する電源と、マイクロ波電源に信号を送って、マイクロ波の出力などを調整・制御するマイクロ波電源コントローラ(ファンクションジェネレータ)とを有している。   The microwave oscillator 10 generates and outputs a microwave, a power supply that supplies power to the magnetron for microwave generation, etc., and sends a signal to the microwave power supply to adjust the output of the microwave. It has a microwave power controller (function generator) to control.

導波管20は、マイクロ波発振器10から出力されたマイクロ波を容器30へ伝搬する。導波管20には、出射、反射それぞれのマイクロ波電力を測定するパワーモニタや、負荷インピーダンスの整合を行うチューナ(スリースタブチューナ等)などの立体回路を取り付けることができる。また、導波管20には、マイクロ波発振器10とは反対側の端部に終端プランジャなどを用いることができる。さらに、導波管20は、同軸導波管変換器21を有している。   The waveguide 20 propagates the microwave output from the microwave oscillator 10 to the container 30. A three-dimensional circuit such as a power monitor that measures microwave power of each of emission and reflection and a tuner (such as a sleeve tuner) that matches load impedance can be attached to the waveguide 20. In addition, a terminal plunger or the like can be used for the waveguide 20 at the end opposite to the microwave oscillator 10. Furthermore, the waveguide 20 has a coaxial waveguide converter 21.

容器30は、液体(水溶液31)を入れる器である。この容器30に収められた液体の中でプラズマを発生させる。なお、図2中、符号32は容器30内を目視可能な石英窓、33は水溶液31を冷却するための冷却ロッド、34は熱電対などの温度計である。
液体には、この液中にプラズマを発生させて酸化チタン微粒子を改質するための電力が供給される。この電力は、直流パルスではなく、2.45GHz、5.8GHz、9.5GHz帯などの周波数スペクトルが単一のマイクロ波である。このため、共振構造、伝送路インピーダンスの最適化などにより、高い電力供給効率が可能となり、また駆動電力をマイクロ波にすることで、電極への負荷を小さくできる。マイクロ波電力は、複数周期を一パルスとするパルス状であることが望ましい。定常的にプラズマ放電可能なマイクロ波電力をプラズマ源に投入すると、その電力により激しい発熱が生じ、電極が破壊する。しかるに、プラズマが生じるための電力は高く、この相反する要求を同時に実現するためには、電力供給はマイクロ波パルスであることが必要になる。一方、マイクロ波パルスのパルス幅を短くすれば、プラズマはコロナ放電すなわち非熱平衡プラズマとなり、温度上昇が抑えられ、電極の損耗は著しく少なくなる。しかし、液体に与えられるエネルギーは小さくなるため、反応速度が遅くなる等の懸念が生じる。
The container 30 is a container for storing a liquid (aqueous solution 31). Plasma is generated in the liquid stored in the container 30. In FIG. 2, reference numeral 32 denotes a quartz window through which the inside of the container 30 can be seen, 33 denotes a cooling rod for cooling the aqueous solution 31, and 34 denotes a thermometer such as a thermocouple.
The liquid is supplied with electric power for generating plasma in the liquid to modify the titanium oxide fine particles. This power is not a direct current pulse but a microwave having a single frequency spectrum such as 2.45 GHz, 5.8 GHz, and 9.5 GHz band. For this reason, high power supply efficiency becomes possible by optimizing the resonance structure and transmission line impedance, and the load on the electrodes can be reduced by using microwaves as the driving power. The microwave power is preferably pulsed with a plurality of periods as one pulse. When microwave power capable of steady plasma discharge is input to the plasma source, intense heat is generated by the power and the electrode is destroyed. However, the electric power for generating plasma is high, and in order to simultaneously realize these conflicting demands, the electric power supply needs to be a microwave pulse. On the other hand, if the pulse width of the microwave pulse is shortened, the plasma becomes corona discharge, that is, non-thermal equilibrium plasma, the temperature rise is suppressed, and electrode wear is remarkably reduced. However, since the energy given to the liquid becomes small, there is a concern that the reaction rate becomes slow.

液中プラズマ源は、導波管20を伝搬してきたマイクロ波を液体に供給するための装置である。この液中プラズマ源は、同軸管22と、電極23とを有している。   The in-liquid plasma source is a device for supplying the microwave propagating through the waveguide 20 to the liquid. This submerged plasma source has a coaxial tube 22 and an electrode 23.

同軸管22は、同軸導波管変換器21の一部を構成しており、導波管20からマイクロ波を受けて伝搬させる。同軸導波管変換器21では、導波管20と同軸管22とが垂直に接続されている。このため、マイクロ波は、導波管20から同軸管22に伝わるときに、その伝搬方向を垂直方向に変えて伝わっていく。この同軸管22は、同軸管構造で形成されており、同軸管内部導体22aと、同軸管外部導体22bとを有している。   The coaxial tube 22 constitutes a part of the coaxial waveguide converter 21 and receives microwaves from the waveguide 20 and propagates them. In the coaxial waveguide converter 21, the waveguide 20 and the coaxial tube 22 are connected vertically. For this reason, when the microwave is transmitted from the waveguide 20 to the coaxial tube 22, the propagation direction is changed to the vertical direction. The coaxial tube 22 has a coaxial tube structure and includes a coaxial tube inner conductor 22a and a coaxial tube outer conductor 22b.

同軸管内部導体22aは、同軸管外部導体22bの中空に、同軸管外部導体22bと同軸で配置されている。この同軸管内部導体22aは、胴部が円柱形状に形成されるとともに、その一方の端部は同軸導波管変換器21に接続され、他方の端部は円錐形状に形成されており、電極23を構成している。この電極23の先端を酸化チタンの水溶液31中に露出させることで、この部分にプラズマ35を発生させることができる。   The coaxial pipe inner conductor 22a is disposed coaxially with the coaxial pipe outer conductor 22b in the hollow of the coaxial pipe outer conductor 22b. The coaxial tube inner conductor 22a has a barrel portion formed in a cylindrical shape, one end thereof connected to the coaxial waveguide converter 21, and the other end formed in a conical shape. 23. By exposing the tip of the electrode 23 in the aqueous solution 31 of titanium oxide, plasma 35 can be generated in this portion.

例えば電極23にタングステンを用いる場合には、タングステンワイヤを同軸管内部導体22aの内部に同軸導波管変換器21側より挿入し、その先端から電極23として延設してもよい。このように、同軸管内部導体22aの中を軸方向に移動可能な可動式のタングステン棒で電極23を構成すると、反応により電極23が消耗した場合でも、同軸導波管変換器21の外部からの操作によって系内に送り出すことができる。また前述のように、電極芯材が絶縁性の金属酸化物で被覆された電極23は、円錐形状の先端部分を金属酸化物で被覆することで形成することができる。図2中、符号24は、同軸管内部導体22a等を冷却するための冷媒である。   For example, when tungsten is used for the electrode 23, a tungsten wire may be inserted into the coaxial tube inner conductor 22 a from the coaxial waveguide converter 21 side and extended from the tip as the electrode 23. As described above, when the electrode 23 is constituted by a movable tungsten rod that can move in the axial direction in the coaxial tube inner conductor 22a, even if the electrode 23 is consumed due to a reaction, the electrode 23 is externally connected. It can be sent out into the system by the operation of. Further, as described above, the electrode 23 in which the electrode core material is coated with the insulating metal oxide can be formed by coating the conical tip portion with the metal oxide. In FIG. 2, the code | symbol 24 is a refrigerant | coolant for cooling the coaxial pipe | tube internal conductor 22a.

本発明の方法は、以上に説明したような、液体を収容する容器30と、マイクロ波を出力するマイクロ波発振器10と、マイクロ波を液体に与えてこの液体中にプラズマを励起させる電極23とを備えたパルスマイクロ波液中プラズマ装置を用いて行われる。   As described above, the method of the present invention includes a container 30 that contains a liquid, a microwave oscillator 10 that outputs a microwave, and an electrode 23 that applies a microwave to the liquid to excite plasma in the liquid. It is performed using a pulsed microwave plasma apparatus equipped with.

酸化チタン微粒子の水溶液31をパルスマイクロ波液中プラズマ装置の容器30に入れた後、パルスマイクロ波液中プラズマ装置のマイクロ波発振器10の電源を投入し、マグネトロンからマイクロ波を出力させる。マイクロ波は、導波管20を伝搬し、同軸導波管変換器21、そして液中プラズマ源を介して水溶液31に与えられる。これにより、水溶液31内にプラズマ35が発生する。そしてタングステンで構成された電極23を用いることによって、このタングステンを水溶液31中に溶出させて酸化チタン微粒子にドープすることができ、これにより可視光から赤外域までに光吸収特性を付与したドープ酸化チタン微粒子を得ることができる。また、電極芯材が絶縁性の金属酸化物で被覆された電極23を用いることによって、可視光域の一部に光吸収特性を付与した酸化チタン微粒子に改質することができる。   After putting the aqueous solution 31 of titanium oxide fine particles into the container 30 of the pulsed microwave plasma device, the power of the microwave oscillator 10 of the pulsed microwave plasma device is turned on, and the microwave is output from the magnetron. The microwave propagates through the waveguide 20 and is given to the aqueous solution 31 through the coaxial waveguide converter 21 and the in-liquid plasma source. Thereby, plasma 35 is generated in the aqueous solution 31. Then, by using the electrode 23 made of tungsten, this tungsten can be eluted into the aqueous solution 31 and doped into the titanium oxide fine particles, whereby doped oxidation giving light absorption characteristics from the visible light to the infrared region. Titanium fine particles can be obtained. Further, by using the electrode 23 in which the electrode core material is coated with an insulating metal oxide, it can be modified into titanium oxide fine particles having a light absorption characteristic in a part of the visible light region.

本発明によって得られる酸化チタン微粒子は、可視光域の一部か、または可視光から赤外域までに光吸収特性を有していることから、光触媒、紫外線遮断材、赤外線遮断材、白色顔料、絶縁塗料、太陽電池のような分野への応用が期待される。   Since the titanium oxide fine particles obtained by the present invention have a light absorption property in a part of the visible light region or from the visible light to the infrared region, a photocatalyst, an ultraviolet blocking material, an infrared blocking material, a white pigment, Applications in fields such as insulating paints and solar cells are expected.

10 マイクロ波発振器
20 導波管
21 同軸導波管変換器
22 同軸管
22a 内部導体
22b 外部導体
23 電極
24 冷媒
30 容器
31 水溶液
32 石英窓
33 冷却ロッド
34 温度計
35 液中プラズマ
10 Microwave Oscillator 20 Waveguide 21 Coaxial Waveguide Converter 22 Coaxial Tube 22a Inner Conductor 22b Outer Conductor 23 Electrode 24 Refrigerant 30 Container 31 Aqueous Solution 32 Quartz Window 33 Cooling Rod 34 Thermometer 35 Liquid Plasma

以下に、実施例により本発明をさらに詳しく説明するが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples. However, the present invention is not limited to these examples.

実施例1
マイクロ波液中プラズマ装置の概要を図2に示す。ミクロ電子製1.5kW発振器UM-1500EC-Bで発生させた2.45GHzのパルスマイクロ波を導波管により反応容器まで伝導させ、同軸導波管変換によりタングステン電極先端部にマイクロ波エネルギーを集中させることで、液中においてプラズマ状態を生じさせる。原料を投入しない水中プラズマ中においてタングステン電極は蒸発・電離して溶液中へとタングステンもしくはタングステン酸化物として溶出することが図3に示す実験結果から確認できている。溶出量はプラズマの処理時間に比例するため、処理時間によりドープ量を制御することが可能と考えられる。原料は光触媒酸化チタンとして市販されている石原産業製ST-01を用いた。
Example 1
An outline of the microwave plasma device is shown in FIG. Conducting a 2.45GHz pulsed microwave generated by the microelectronic 1.5kW oscillator UM-1500EC-B to the reaction vessel through a waveguide, and concentrating the microwave energy at the tip of the tungsten electrode by coaxial waveguide conversion Thus, a plasma state is generated in the liquid. It can be confirmed from the experimental results shown in FIG. 3 that the tungsten electrode evaporates and ionizes into the solution and elutes as tungsten or tungsten oxide in the underwater plasma in which no raw material is charged. Since the elution amount is proportional to the plasma processing time, it is considered that the dope amount can be controlled by the processing time. The raw material used was ST-01 manufactured by Ishihara Sangyo, which is commercially available as photocatalytic titanium oxide.

プラズマ処理は以下の手法にて実施する。超純水500mLに原料酸化チタンを1g加えて16時間以上撹拌して十分に分散した酸化チタン水溶液を作製し、この溶液を反応容器に移し替え、平均投入電力700Wにて大気圧下で46分のプラズマ処理を行った。得られた溶液は電極由来の酸化タングステンを除去するため、水酸化ナトリウムによりpH13に調整したアルカリ水溶液中で洗浄した後、濾過・乾燥を行い、タングステンドープ酸化チタン粉末として回収した。   The plasma treatment is performed by the following method. Add 1g of raw titanium oxide to 500mL of ultrapure water and stir for 16 hours or more to make a well-dispersed titanium oxide aqueous solution, transfer this solution to the reaction vessel, and average power of 700W under atmospheric pressure for 46 minutes The plasma treatment was performed. In order to remove the tungsten oxide derived from the electrode, the obtained solution was washed in an alkaline aqueous solution adjusted to pH 13 with sodium hydroxide, filtered and dried, and recovered as a tungsten-doped titanium oxide powder.

実施例2
超純水500mLに原料酸化チタンを2g加えて16時間以上撹拌して十分に分散した酸化チタン水溶液を作製し、この溶液を反応容器に移し替え、平均投入電極250Wにて20kPa-abs.を下回る減圧下で30分のプラズマ処理を行った。減圧下では低投入電力下でも安定したプラズマ状態が得られることが特徴である。減圧にはダイアフラムポンプを用いた。得られた溶液は電極由来の酸化タングステンを除去するため、水酸化ナトリウムによりpH13に調整したアルカリ水溶液中で洗浄した後、濾過・乾燥を行い、タングステンドープ酸化チタン粉末として回収した。使用原料やプラズマの発生原理は実施例1と同じである。
Example 2
Add 2g of raw titanium oxide to 500mL of ultrapure water and stir for 16 hours or more to make a well-dispersed titanium oxide aqueous solution, transfer this solution to the reaction vessel, below 20kPa-abs. Plasma treatment was performed for 30 minutes under reduced pressure. It is characterized in that a stable plasma state can be obtained even under low input power under reduced pressure. A diaphragm pump was used for decompression. In order to remove the tungsten oxide derived from the electrode, the obtained solution was washed in an alkaline aqueous solution adjusted to pH 13 with sodium hydroxide, filtered and dried, and recovered as a tungsten-doped titanium oxide powder. The raw materials used and the generation principle of plasma are the same as in the first embodiment.

実施例3
プラズマ処理時間を60分として実施例2と同手法で処理を行った。
Example 3
The treatment was performed in the same manner as in Example 2 with a plasma treatment time of 60 minutes.

実施例4
プラズマ処理時間を90分として実施例2と同手法で処理を行った。
Example 4
The treatment was performed in the same manner as in Example 2 with a plasma treatment time of 90 minutes.

実施例5
プラズマ処理時間を130分として実施例2と同手法で処理を行った。
Example 5
The treatment was performed in the same manner as in Example 2 with a plasma treatment time of 130 minutes.

実施例6
プラズマ処理時間を180分として実施例2と同手法で処理を行った。
Example 6
The treatment was performed in the same manner as in Example 2 with a plasma treatment time of 180 minutes.

実施例7
ドープ源であるタングステン電極の代わりに、ステンレス芯材に0.5mm厚の酸化イットリウム被膜を形成した電極を用いて実験を行った。この手法では電極形状からプラズマのエネルギー密度が低く、ドープ材料が溶出しないため、純粋にプラズマ照射のみで処理を行った場合の優位性が確認できる。
Example 7
The experiment was conducted using an electrode in which a 0.5 mm thick yttrium oxide film was formed on a stainless steel core material instead of the tungsten electrode as a doping source. In this method, the plasma energy density is low due to the electrode shape, and the dope material does not elute, so that the superiority in the case of performing the treatment purely by plasma irradiation can be confirmed.

超純水500mLに原料酸化チタンを2g加えて16時間以上撹拌して十分に分散した酸化チタン水溶液を作製し、この溶液を反応容器に移し替え、平均投入電極800Wにて20kPa-abs.を下回る減圧下で5分のプラズマ処理を行った。この手法では電極に絶縁被膜がなされているため減圧下でも多少の投入電力を要した。得られた溶液は濾過・乾燥を行い、プラズマ処理酸化チタン粉末として回収した。   Add 2g of raw material titanium oxide to 500mL of ultrapure water and stir for 16 hours or more to make a well-dispersed titanium oxide aqueous solution, transfer this solution to the reaction vessel, and lower than 20kPa-abs. Plasma treatment was performed for 5 minutes under reduced pressure. In this method, since an insulating film is formed on the electrode, some input power is required even under reduced pressure. The obtained solution was filtered and dried, and recovered as plasma-treated titanium oxide powder.

実施例8
プラズマ処理時間を10分として実施例7と同手法で処理を行った。
Example 8
The treatment was performed in the same manner as in Example 7 with a plasma treatment time of 10 minutes.

実施例9
プラズマ処理時間を20分として実施例7と同手法で処理を行った。
Example 9
The treatment was performed in the same manner as in Example 7 with a plasma treatment time of 20 minutes.

実施例10
プラズマ処理時間を40分として実施例7と同手法で処理を行った。
Example 10
The treatment was performed in the same manner as in Example 7 with a plasma treatment time of 40 minutes.

実施例11
プラズマ処理時間を80分として実施例7と同手法で処理を行った。
Example 11
The treatment was performed in the same manner as in Example 7 with a plasma treatment time of 80 minutes.

比較例
原料酸化チタンとして未処理の石原産業製の光触媒酸化チタンST-01を用いて、以降に示す評価を行った。
The evaluation shown below was performed using untreated Ishihara Sangyo photocatalyst titanium oxide ST-01 as a comparative example raw material titanium oxide.

評価1(XRD分析)
プラズマ処理を行った酸化チタン粉末のXRD分析により比較した結果を図4に示す。比較例はアナターゼ型酸化チタンであることが確認でき、プラズマ処理を行った実施例1でも同じアナターゼ型であることを示した。この結果から、プラズマを照射しても結晶構造に変化が生じないことが確認できる。
Evaluation 1 (XRD analysis)
FIG. 4 shows a result of comparison by XRD analysis of the titanium oxide powder subjected to the plasma treatment. It was confirmed that the comparative example was anatase-type titanium oxide, and the same anatase-type was shown in Example 1 where the plasma treatment was performed. From this result, it can be confirmed that the crystal structure does not change even when the plasma is irradiated.

評価2(電顕観察)
比較例とプラズマ処理を行った実施例1の酸化チタン粉末をHAADF-STEM像により比較した結果を図5に示す。HAADF-STEM像では原子番号の2乗に比例したコントラストを得ることができるため、原子番号の高い部位は白く観察されることが特徴である。チタン、タングステンの原子番号は各々22、74であるため、タングステンがドープされていればドープ部位が白い輝点となった像が得られるはずである。観察結果はプラズマ処理後の実施例1において、比較例では見られない輝点が存在することが確認できており、酸化チタンにタングステンがドープされているものと考えられる。
Evaluation 2 (electron microscope observation)
FIG. 5 shows the result of comparison between the comparative example and the titanium oxide powder of Example 1 subjected to the plasma treatment by HAADF-STEM images. Since the HAADF-STEM image can obtain a contrast proportional to the square of the atomic number, it is characterized in that the portion with a high atomic number is observed white. Since the atomic numbers of titanium and tungsten are 22, 74, respectively, if tungsten is doped, an image in which the doped portion becomes a white bright spot should be obtained. As a result of the observation, in Example 1 after the plasma treatment, it has been confirmed that there are bright spots that are not seen in the comparative example, and it is considered that titanium oxide is doped with tungsten.

評価3(光特性評価)
試料の光吸収スペクトルは日本分光製の紫外可視分光光度計V-670を用いて拡散反射スペクトルから得られた反射率から算出した。結果は図6に示す通り、380〜750nmの可視光線の波長領域において、比較例では殆ど透過するのに対して、実施例1〜6のタングステンドープ酸化チタンは吸収が見られる。タングステンをドープせずにプラズマ照射のみ行った実施例7〜11では図7に示す通り380〜500nmの領域で吸収がみられるが、500nm以上については透過することが確認できる。380〜500nmの吸収は処理時間が増すほど大きくなる。これは処理時間が増すほど減圧下のプラズマに曝されることで酸化チタンの酸素欠損が生じるためと考えられる。
Evaluation 3 (Optical characteristic evaluation)
The light absorption spectrum of the sample was calculated from the reflectance obtained from the diffuse reflection spectrum using an ultraviolet-visible spectrophotometer V-670 manufactured by JASCO. As a result, as shown in FIG. 6, in the wavelength range of visible light of 380 to 750 nm, the comparative example transmits almost, whereas the tungsten-doped titanium oxides of Examples 1 to 6 show absorption. In Examples 7 to 11 in which only plasma irradiation was performed without doping tungsten, absorption was observed in the region of 380 to 500 nm as shown in FIG. Absorption at 380-500 nm increases with increasing processing time. This is considered to be because oxygen deficiency of titanium oxide occurs due to exposure to plasma under reduced pressure as the treatment time increases.

また、タングステンドープを行った実施例1〜6について光触媒活性を以下の手法により評価した。日電理化硝子製の強化硬質試験管P18に、試料50mg、5mLの5vol%酢酸水溶液、撹拌子を入れて密栓した後、この試験管を25℃に制御された試験台に入れ、英光社製400W高圧水銀灯にて光を20分間照射した後、中の気体を採取して、島津製GC-8Aガスクロマトグラフにて発生した二酸化炭素量を比較した。比較例を1とした時の相対光触媒活性を図8に示す。この結果、プラズマ処理により作製したタングステンドープ酸化チタンの触媒活性は概ねすべての試料で比較例を上回ることが確認できた。評価に用いた高圧水銀灯は図9に示す通り380nm以下の紫外光成分で主に構成されているが、可視光成分も少なからず含まれている。タングステンドープにより発現した可視光吸収特性が触媒活性の向上に寄与していると考えられ、即ち、実験結果は水銀灯に含まれる405、408、436、546、577、579nmの僅かな可視光成分に対して、従来触媒と比較して最大73%ほどの触媒活性向上を示していると考えられ、連続したスペクトルで供給される太陽光においては(図1)、実験結果よりも極めて高い触媒活性を示すと考えられる。また実施例7〜11については上記水銀灯のスペクトルに対応する可視光吸収領域が405、408、436の3本しかないため光触媒測定を行なわなかったが、上記結果から推測するに同様の効果が得られると推測できる。   Moreover, about the Examples 1-6 which performed tungsten dope, the photocatalytic activity was evaluated with the following method. After putting a 50 mg sample, 5 mL of 5 vol% acetic acid aqueous solution and a stirrer into a reinforced hard test tube P18 made by Nippon Denka Glass, this test tube was put on a test table controlled at 25 ° C. After irradiating light with a high pressure mercury lamp for 20 minutes, the gas inside was collected, and the amount of carbon dioxide generated by a GC-8A gas chromatograph manufactured by Shimadzu was compared. The relative photocatalytic activity when the comparative example is 1 is shown in FIG. As a result, it was confirmed that the catalytic activity of tungsten-doped titanium oxide produced by plasma treatment exceeded that of the comparative example in almost all samples. The high-pressure mercury lamp used for the evaluation is mainly composed of an ultraviolet light component of 380 nm or less as shown in FIG. 9, but also contains a considerable amount of visible light component. It is considered that the visible light absorption characteristic developed by tungsten doping contributes to the improvement of the catalytic activity, that is, the experimental result is a slight visible light component of 405, 408, 436, 546, 577, 579 nm contained in the mercury lamp. On the other hand, it is considered that the catalyst activity is improved by up to 73% compared with the conventional catalyst. In the sunlight supplied in a continuous spectrum (Fig. 1), the catalyst activity is much higher than the experimental result. It is thought to show. In Examples 7 to 11, photocatalyst measurement was not performed because there were only three visible light absorption regions 405, 408, and 436 corresponding to the spectrum of the mercury lamp, but the same effect was obtained from the above results. Can be guessed.

以上から、プラズマ処理により得られた実施例1〜6のタングステンドープ酸化チタンは紫外・可視光反応光触媒として十分な活性を有する他、可視光から赤外領域に向かうに従い吸収量が大きくなる特性が確認できている。この材料を外装用建材に適用した場合、従来以上の強力な触媒作用によるセルフクリーニング効果を発揮する上に、赤外遮蔽材として太陽光の熱エネルギーを遮蔽することで屋内温度の上昇を防止し、エアコン等の使用を抑制するといった機能を付与することが可能である。また、このタングステンドープ酸化チタンは可視光吸収特性を有しており、増感色素なし太陽電池への応用が期待できる。   From the above, the tungsten-doped titanium oxide of Examples 1 to 6 obtained by the plasma treatment has sufficient activity as an ultraviolet / visible light reaction photocatalyst, and has a characteristic that the amount of absorption increases from the visible light toward the infrared region. Confirmed. When this material is applied to exterior building materials, it exhibits a self-cleaning effect with a stronger catalytic action than before, and also prevents the rise of indoor temperature by shielding the thermal energy of sunlight as an infrared shielding material. It is possible to provide a function of suppressing the use of an air conditioner or the like. Further, this tungsten-doped titanium oxide has a visible light absorption characteristic, and can be expected to be applied to a solar cell without a sensitizing dye.

一方、窓ガラスに適用するなど可視光の確保が必要な場合は、ドープなしでプラズマ処理を行った実施例7〜11が望ましい。比較例と比べて380〜500nmの領域まで吸収が見られるが、市販されているUVカットガラスの同領域の透過率が60〜80%ぐらいであることから、この範囲の光吸収が実質的に影響することは殆どないと考えられる。太陽エネルギーは500nm付近にエネルギーのピークを持つことが知られており(図1)、本試料においてはこの大きな照射エネルギーを利用して触媒活性を飛躍的に向上させることが可能である。   On the other hand, when it is necessary to secure visible light such as application to window glass, Examples 7 to 11 in which plasma treatment is performed without doping are desirable. Although absorption is seen up to the region of 380 to 500 nm compared with the comparative example, the transmittance of the same region of the commercially available UV cut glass is about 60 to 80%, so the light absorption in this range is substantially There seems to be little influence. Solar energy is known to have an energy peak around 500 nm (FIG. 1), and in this sample, this large irradiation energy can be used to dramatically improve the catalytic activity.

Claims (5)

パルスマイクロ波をエネルギー源とする液中プラズマ法により、ドープ材で構成された電極を用いて酸化チタン微粒子水溶液にプラズマを照射することによって、前記ドープ材を酸化チタン微粒子にドープする、ドープ酸化チタン微粒子の製造方法。   Doped titanium oxide in which titanium oxide fine particles are doped by irradiating plasma to a titanium oxide fine particle aqueous solution using an electrode composed of the dope material by an in-liquid plasma method using pulsed microwave as an energy source A method for producing fine particles. 前記ドープ材がタングステンである、請求項1に記載のドープ酸化チタン微粒子の製造方法。   The manufacturing method of the dope titanium oxide microparticles | fine-particles of Claim 1 whose said dope material is tungsten. 可視光から赤外域までに光吸収特性を付与したドープ酸化チタン微粒子を得る、請求項1または2に記載のドープ酸化チタン微粒子の製造方法。   The manufacturing method of the doped titanium oxide fine particle of Claim 1 or 2 which obtains the doped titanium oxide fine particle which provided the light absorption characteristic from visible light to the infrared region. パルスマイクロ波をエネルギー源とする液中プラズマ法により、電極芯材が絶縁性の金属酸化物で被覆された電極を用いて酸化チタン微粒子水溶液にプラズマを照射することによって、可視光域の一部に光吸収特性を付与した酸化チタン微粒子に改質する、酸化チタン微粒子の改質方法。   Part of the visible light region is obtained by irradiating plasma to a titanium oxide fine particle aqueous solution using an electrode whose electrode core is coated with an insulating metal oxide by an in-liquid plasma method using pulsed microwaves as an energy source. A modification method of titanium oxide fine particles, which is modified to titanium oxide fine particles imparted with light absorption characteristics. 請求項1から4のいずれかに記載の方法によって得られる、可視光域の一部か、または可視光から赤外域までに光吸収特性を有する酸化チタン微粒子。   Titanium oxide fine particles obtained by the method according to any one of claims 1 to 4 and having a light absorption property in a part of a visible light region or in a visible light region to an infrared region.
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