JP2016069211A - Strontium titanate fine particle, photocatalyst, hydrogen and oxygen generating photocatalyst system and manufacturing method of strontium titanate fine particle - Google Patents

Strontium titanate fine particle, photocatalyst, hydrogen and oxygen generating photocatalyst system and manufacturing method of strontium titanate fine particle Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a strontium titanate fine particle excellent in photocatalyst performance and a manufacturing method therefor, a photocatalyst and a hydrogen and oxygen generating photocatalyst system using the strontium titanate fine particle.SOLUTION: There is provided a strontium titanate fine particle containing rhodium of over 1 mol% and 7 mol% or less in a titanium site and having a cube-shape with an exposed (100) surface and lattice constant of over 3.906 Å and 3.910 Å or less.SELECTED DRAWING: None

Description

本発明は、チタン酸ストロンチウム微粒子、光触媒、水素・酸素生成光触媒システムおよびチタン酸ストロンチウム微粒子の製造方法に関する。   The present invention relates to strontium titanate fine particles, a photocatalyst, a hydrogen / oxygen generating photocatalytic system, and a method for producing strontium titanate fine particles.

チタン酸ストロンチウム(SrTiO)は、誘電特性、熱電特性、光触媒能、高屈折率性など、機能性材料として様々な用途への展開が期待される複合酸化物である。
また、チタン酸ストロンチウムは、光照射下での高い安定性や光還元力の強さから、太陽光を利用した水素製造を可能にする光触媒として期待が高まっている。
Strontium titanate (SrTiO 3 ) is a complex oxide that is expected to be used in various applications as a functional material, such as dielectric properties, thermoelectric properties, photocatalytic properties, and high refractive index properties.
In addition, strontium titanate is highly expected as a photocatalyst that enables hydrogen production using sunlight because of its high stability under light irradiation and strong photoreduction ability.

例えば、特許文献1には、「Rhおよび/またはIrをドープしたSrTiOからなることを特徴とする可視光活性を有する光触媒。」が記載されている([請求項1])。また、特許文献1には、Rhを0.1mol%〜3.0mol%ドープしたSrTiOからなる光触媒が具体的に記載されており([請求項5])、固相法による調製方法が記載されている([0013])。 For example, Patent Document 1 describes “a photocatalyst having visible light activity, characterized by being composed of SrTiO 3 doped with Rh and / or Ir” ([Claim 1]). Patent Document 1 specifically describes a photocatalyst composed of SrTiO 3 doped with 0.1 to 3.0 mol% of Rh ([Claim 5]), and describes a preparation method by a solid phase method. ([0013]).

また、非特許文献1には、水酸化ストロンチウムと二酸化チタンを窒素雰囲気にてエタノール中で混合させた後、170℃で3日間水熱合成(高温・高圧)を行い、その後に1000℃で10時間アニール処理を実施することにより立方体形状の可視光応答性(1%)Rhドープチタン酸ストロンチウム微粒子の作製が報告されている。   In Non-Patent Document 1, strontium hydroxide and titanium dioxide are mixed in ethanol in a nitrogen atmosphere, followed by hydrothermal synthesis (high temperature and high pressure) at 170 ° C. for 3 days. Production of cubic-shaped visible light responsiveness (1%) Rh-doped strontium titanate fine particles by performing a time annealing treatment has been reported.

特開2004−008963号公報JP 2004008963 A

S. W. Bae et al, Applied Physics Lett. 2008, 92, 104107.S. W. Bae et al, Applied Physics Lett. 2008, 92, 104107.

本発明者は、特許文献1および非特許文献1に記載された光触媒について検討したところ、これらの文献に具体的に開示された調製方法によっては、チタン酸ストロンチウムの形状を微粒子化ないし結晶化できず、水素を発生する光触媒性能が劣る場合があることを明らかした。   The present inventor examined the photocatalysts described in Patent Document 1 and Non-Patent Document 1, and depending on the preparation methods specifically disclosed in these documents, the shape of strontium titanate can be micronized or crystallized. It was clarified that the photocatalytic performance of generating hydrogen may be inferior.

そこで、本発明は、光触媒性能に優れるチタン酸ストロンチウム微粒子およびその製造方法、ならびに、チタン酸ストロンチウム微粒子を用いた光触媒、水素・酸素生成光触媒システムを提供することを課題とする。   Accordingly, it is an object of the present invention to provide a strontium titanate fine particle having excellent photocatalytic performance, a method for producing the same, a photocatalyst using the strontium titanate fine particle, and a hydrogen / oxygen-generating photocatalyst system.

本発明者らは、上記課題を達成すべく鋭意検討した結果、チタンサイトにロジウムを特定量含有し、{100}面が露出した立方体形状を有し、かつ、格子定数Aが所定の値であるチタン酸ストロンチウム微粒子が、光触媒性能に優れることを見出し、本発明を完成させた。
すなわち、以下の構成により上記課題を達成することができることを見出した。
As a result of intensive studies to achieve the above-mentioned problems, the inventors of the present invention have a cubic shape in which a specific amount of rhodium is contained in the titanium site and the {100} plane is exposed, and the lattice constant A is a predetermined value. A certain strontium titanate fine particle was found to be excellent in photocatalytic performance, and the present invention was completed.
That is, it has been found that the above-described problem can be achieved by the following configuration.

[1] チタンサイトにロジウムを1mol%超7mol%以下含み、{100}面が露出した立方体形状を有し、かつ、格子定数Aが3.906Å超3.910Å以下である、チタン酸ストロンチウム微粒子。
[2] [1]に記載のチタン酸ストロンチウム微粒子からなる光触媒。
[3] [1]に記載のチタン酸ストロンチウム微粒子を用いた水素・酸素生成光触媒システム。
[1] Strontium titanate fine particles having a cubic shape in which rhodium is contained in a titanium site more than 1 mol% and not more than 7 mol%, the {100} plane is exposed, and a lattice constant A is more than 3.906 3 and less than 3.910 Å .
[2] A photocatalyst comprising the strontium titanate fine particles according to [1].
[3] A hydrogen / oxygen generating photocatalytic system using the strontium titanate fine particles according to [1].

[4] [1]に記載のチタン酸ストロンチウム微粒子を調製するチタン酸ストロンチウム微粒子の製造方法であって、
アルカリ性水溶液中に、ストロンチウム原料、チタン原料およびロジウム原料を添加した反応液を調製する反応液調製工程と、
反応液を大気圧下において80℃以上に加熱して反応液を反応させ、アルカリ性水溶液中で微粒子を調製する反応工程と、
微粒子に200℃以上1000℃以下の温度で焼成処理を施し、チタン酸ストロンチウム微粒子を調製する焼成工程と、を有するチタン酸ストロンチウム微粒子の製造方法。
[5] チタン原料が、チタン酸化物を含む、[4]に記載のチタン酸ストロンチウム微粒子の製造方法。
[6] チタン酸化物が、二酸化チタンである、[5]に記載のチタン酸ストロンチウム微粒子の製造方法。
[7] 二酸化チタンが、アナターゼ型二酸化チタンを70質量%以上含有するチタン酸化物である、[6]に記載のチタン酸ストロンチウム微粒子の製造方法。
[8] ストロンチウム原料が、ストロンチウムの酢酸塩、硝酸塩、炭酸塩、塩化物、硫化物および水酸化物からなる群から選択される少なくとも1種を含む、[4]〜[7]のいずれかに記載のチタン酸ストロンチウム微粒子の製造方法。
[9] 反応工程において反応液を反応させる温度が、90℃以上反応液の沸点以下である、[4]〜[8]のいずれかに記載のチタン酸ストロンチウム微粒子の製造方法。
[10] 反応液のpHが13〜15である、[4]〜[9]のいずれかに記載のチタン酸ストロンチウム微粒子の製造方法。
[11] ロジウム原料が水溶性である、[4]〜[10]のいずれかに記載のチタン酸ストロンチウム微粒子の製造方法。
[4] A method for producing strontium titanate fine particles for preparing the strontium titanate fine particles according to [1],
A reaction solution preparation step of preparing a reaction solution in which a strontium raw material, a titanium raw material and a rhodium raw material are added in an alkaline aqueous solution;
A reaction step of heating the reaction solution to 80 ° C. or higher under atmospheric pressure to react the reaction solution to prepare fine particles in an alkaline aqueous solution;
A method of producing strontium titanate fine particles, comprising subjecting the fine particles to a firing treatment at a temperature of 200 ° C. to 1000 ° C. to prepare strontium titanate fine particles.
[5] The method for producing strontium titanate fine particles according to [4], wherein the titanium raw material contains a titanium oxide.
[6] The method for producing strontium titanate fine particles according to [5], wherein the titanium oxide is titanium dioxide.
[7] The method for producing strontium titanate fine particles according to [6], wherein the titanium dioxide is a titanium oxide containing 70% by mass or more of anatase type titanium dioxide.
[8] The strontium raw material includes at least one selected from the group consisting of strontium acetate, nitrate, carbonate, chloride, sulfide, and hydroxide, according to any one of [4] to [7] The manufacturing method of strontium titanate microparticles | fine-particles of description.
[9] The method for producing strontium titanate fine particles according to any one of [4] to [8], wherein the temperature at which the reaction solution is reacted in the reaction step is 90 ° C. or higher and the boiling point or lower of the reaction solution.
[10] The method for producing strontium titanate fine particles according to any one of [4] to [9], wherein the pH of the reaction solution is 13 to 15.
[11] The method for producing strontium titanate fine particles according to any one of [4] to [10], wherein the rhodium raw material is water-soluble.

本発明によれば、光触媒性能に優れるチタン酸ストロンチウム微粒子およびその製造方法、ならびに、チタン酸ストロンチウム微粒子を用いた光触媒、水素・酸素生成光触媒システムを提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the strontium titanate microparticles | fine-particles excellent in photocatalytic performance, its manufacturing method, the photocatalyst using a strontium titanate microparticle, and a hydrogen and oxygen production | generation photocatalyst system can be provided.

図1(A)は、実施例1で調製したチタン酸ストロンチウム微粒子を透過型電子顕微鏡(Transmission Electron Microscope:TEM)で撮影した写真(以下、「TEM写真」と略す。)を表し、図1(B)は、比較例1で調製したロジウムを含有しないチタン酸ストロンチウム微粒子のTEM写真を表し、図1(C)は、比較例4(固相法)で調製したチタン酸ストロンチウム微粒子のTEM写真を表し、図1(D)は、比較例5で調製した焼成処理を施していないチタン酸ストロンチウム微粒子のTEM写真を表す。1A shows a photograph (hereinafter abbreviated as “TEM photograph”) obtained by photographing the strontium titanate fine particles prepared in Example 1 with a transmission electron microscope (TEM). FIG. B) represents a TEM photograph of strontium titanate fine particles containing no rhodium prepared in Comparative Example 1, and FIG. 1C is a TEM photograph of strontium titanate fine particles prepared in Comparative Example 4 (solid phase method). FIG. 1D shows a TEM photograph of the strontium titanate fine particles prepared in Comparative Example 5 and not subjected to the firing treatment. 図2は、1000℃、750℃、500℃、または、250℃の温度条件で焼成処理を施したサンプル、および、焼成処理を施す前のサンプル(比較例5)のX線回折パターン(X−ray Diffraction Patterns:XRDP)の高角側回折ピークを示す。FIG. 2 shows an X-ray diffraction pattern (X−) of a sample subjected to a baking treatment at a temperature condition of 1000 ° C., 750 ° C., 500 ° C., or 250 ° C. and a sample before the baking treatment (Comparative Example 5). Ray Diffraction Patterns (XRDP) shows a high-angle diffraction peak. 図3は、ロジウム(Rh)含有量が5mol%、3mol%(実施例1)、2mol%、または、0mol%(比較例1)の合成直後のサンプルのXRDPの高角側回折ピークを示す。FIG. 3 shows the XRDP high-angle diffraction peak of a sample immediately after synthesis with a rhodium (Rh) content of 5 mol%, 3 mol% (Example 1), 2 mol%, or 0 mol% (Comparative Example 1). 図4は、格子定数Aとロジウム含有量との相関を示すグラフである。FIG. 4 is a graph showing the correlation between the lattice constant A and the rhodium content. 図5は、実施例1、比較例1および比較例5で調製したチタン酸ストロンチウム微粒子の拡散反射スペクトルを示す。FIG. 5 shows diffuse reflection spectra of strontium titanate fine particles prepared in Example 1, Comparative Example 1 and Comparative Example 5. 図6(A)は、ロジウム含有量と焼成処理前後の光学バンドギャップとの関係を示すグラフであり、図6(B)は、比較例5(焼成前:◆印)と実施例1(焼成後:■印)との光学バンドギャップの変化を示す説明図である。FIG. 6 (A) is a graph showing the relationship between the rhodium content and the optical band gap before and after the firing treatment, and FIG. 6 (B) shows Comparative Example 5 (before firing: mark ◆) and Example 1 (firing). It is explanatory drawing which shows the change of an optical band gap with (after: ■ mark). 図7は、焼成温度と電子スピン共鳴(Electron Spin Resonance:ESR)によるRh4価量との関係を示すグラフである。FIG. 7 is a graph showing the relationship between the firing temperature and the Rh4 valence by electron spin resonance (ESR). 図8は、ロジウム含有量と水素発生量との関係を示すグラフである。FIG. 8 is a graph showing the relationship between the rhodium content and the hydrogen generation amount.

以下、本発明について詳細に説明する。
以下に記載する構成要件の説明は、本発明の代表的な実施態様に基づいてなされることがあるが、本発明はそのような実施態様に限定されるものではない。
なお、本明細書において、「〜」を用いて表される数値範囲は、「〜」の前後に記載される数値を下限値および上限値として含む範囲を意味する。
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
The description of the constituent elements described below may be made based on typical embodiments of the present invention, but the present invention is not limited to such embodiments.
In the present specification, a numerical range expressed using “to” means a range including numerical values described before and after “to” as a lower limit value and an upper limit value.

[チタン酸ストロンチウム微粒子]
本発明のチタン酸ストロンチウム微粒子(以下、「本発明の微粒子」とも略す。)は、チタンサイトにロジウムを1mol%超7mol%以下含み、{100}面を露出した立方体形状を有し、かつ、格子定数Aが3.906Å超3.910Å以下である、チタン酸ストロンチウム微粒子である。
[Strontium titanate fine particles]
The strontium titanate fine particles of the present invention (hereinafter also abbreviated as “fine particles of the present invention”) have a cubic shape containing rhodium at a titanium site of more than 1 mol% and not more than 7 mol%, with the {100} plane exposed, and Strontium titanate fine particles having a lattice constant A of more than 3.906 and less than or equal to 3.910.

ここで、「微粒子」とは、平均粒子径が1μm未満のサイズの粒子をいい、平均粒子径が200nm以下のナノ粒子であるのが好ましい。
また、平均粒子径の測定は、本発明の技術分野で知られた方法により行うことができ、例えば、透過型電子顕微鏡(Transmission Electron Microscope:TEM)、吸着法、光散乱法、X線小角散乱法(Small Angle X-ray Scattering:SAXS)などにより測定できる。TEMでは電子顕微鏡で観察するが、粒子径分布が広い場合には、視野内に入った粒子が全粒子を代表しているか否かに注意を払う必要がある。
本発明においては、平均粒子径とは、倍率10万倍のTEM写真から、立方体形状を有する任意の10個の微粒子を選択し、各微粒子の一辺の長さ(粒子径)を測定した平均値をいう。
Here, “fine particles” refer to particles having an average particle size of less than 1 μm, and are preferably nanoparticles having an average particle size of 200 nm or less.
The average particle diameter can be measured by a method known in the technical field of the present invention, for example, a transmission electron microscope (TEM), an adsorption method, a light scattering method, an X-ray small angle scattering. It can be measured by the method (Small Angle X-ray Scattering: SAXS). In TEM, observation is performed with an electron microscope. When the particle size distribution is wide, it is necessary to pay attention to whether or not the particles entering the field of view represent all particles.
In the present invention, the average particle diameter is an average value obtained by selecting any 10 fine particles having a cubic shape from a TEM photograph at a magnification of 100,000 times and measuring the length (particle diameter) of one side of each fine particle. Say.

また、本発明の微粒子のチタンサイトにおけるロジウムの含有量(mol%)は、下記式(1)に示す組成式中のxをmol%で表記した値をいう。
すなわち、「1mol%超7mol%以下」とは、下記式(1)中のxが「0.01超0.07以下」であることと同義である。
Sr・[Ti1−x・Rh]・O (1)
また、xは、化学分析によって定量した値をいい、本発明においては、高周波誘導結合プラズマ発光分光分析法(Inductively Coupled Plasma-Optical Emission Spectrometry:ICP−OES)を用いて定量した値をいう。具体的には、Zrるつぼに、チタン酸ストロンチウム試料10mgを秤量し、NaおよびNaCOを添加し、900℃で融解させた後、水56gと王水(HNO6ml+HCl18ml)に60分間るつぼを浸漬させ、水で200mlにメスアップし、王水で10倍希釈したものから、ICP−OESを用いて、Sr、TiおよびRhを定量し、xを算出することができる。なお、後述する本発明の製造方法で調製した微粒子については、原料投入量(モル量)と化学分析による定量でほぼ等しかった。
The rhodium content (mol%) at the titanium site of the fine particles of the present invention is a value expressed by mol% in the composition formula shown in the following formula (1).
That is, “more than 1 mol% and not more than 7 mol%” is synonymous with x in the following formula (1) being “more than 0.01 and not more than 0.07”.
Sr · [Ti 1-x · Rh x ] · O 3 (1)
In addition, x represents a value quantified by chemical analysis, and in the present invention, x represents a value quantified using high frequency inductively coupled plasma-optical emission spectrometry (ICP-OES). Specifically, 10 mg of a strontium titanate sample was weighed into a Zr crucible, Na 2 O 2 and Na 2 CO 3 were added, and the mixture was melted at 900 ° C., and then added to 56 g of water and aqua regia ( 6 ml of HNO 3 +18 ml of HCl). It is possible to calculate x by quantifying Sr, Ti and Rh using ICP-OES from a crucible immersed for 60 minutes, diluted to 200 ml with water and diluted 10-fold with aqua regia. In addition, the fine particles prepared by the production method of the present invention described later were almost equal in raw material input amount (molar amount) and quantification by chemical analysis.

また、「立方体形状」とは、頂点の一部が面取りされた実質的な立方体形状も含み、TEM像において、孤立した1粒子について、面積が最小となるような長方形で外接し、その長方形の面積S、粒子像の面積Scubeとした時、0.8<Scube/Sを満足する形状をいう。
一方、粒子表面に露出している結晶面の評価、すなわち、{100}面を露出の有無は、高分解TEM像と電子線回折パターンにより行うことができる。なお、本発明においては、粒子表面に露出している結晶面の85%以上が{100}面であるのが好ましい。
In addition, the “cubic shape” includes a substantial cubic shape in which a part of the vertex is chamfered, and in the TEM image, one isolated particle is circumscribed by a rectangle that minimizes the area. When the area S 0 is the particle image area Scube, the shape satisfies 0.8 <S cube / S 0 .
On the other hand, the evaluation of the crystal plane exposed on the particle surface, that is, whether or not the {100} plane is exposed can be determined by a high-resolution TEM image and an electron diffraction pattern. In the present invention, it is preferable that 85% or more of crystal planes exposed on the particle surface are {100} planes.

また、「格子定数A」とは、粉末X線回折により精密定量された格子定数をいう。
具体的には、入射X線(波長=λ)と平面とのなす角をθとし、90°<2θ<130°の範囲における回折ピーク位置θと、面指数h,k,lから、各ピーク位置における格子定数aを下記式から算出する。

次いで、格子定数aを縦軸に、Nelson−Riley関数1/2{(cosθ)/sinθ+(cosθ)/θ}を横軸としてプロットし、直線で最小二乗法フィッティングしたときのθから90度への外挿値を「格子定数A」とする。
なお、本発明の微粒子の場合、90°<2θ<130°の範囲には、5本の回折ピークが現れ、それぞれのピークは面指数{3,2,1}、{4,0,0}、{4,1,1}、{3,3,1}、{4,2,0}に対応する。これら5点のプロットを、最小二乗法フィッティングした際のエラーバーは±0.001Å程度であった。
“Lattice constant A” refers to a lattice constant precisely determined by powder X-ray diffraction.
Specifically, the angle between the incident X-ray (wavelength = λ) and the plane is θ, and each peak is determined from the diffraction peak position θ in the range of 90 ° <2θ <130 ° and the plane indices h, k, l. The lattice constant a at the position is calculated from the following formula.

Next, the lattice constant a is plotted on the vertical axis, and the Nelson-Riley function 1/2 {(cos θ) 2 / sin θ + (cos θ) 2 / θ} is plotted on the horizontal axis, and 90 from θ when the least squares fitting is performed with a straight line. The extrapolated value to degrees is defined as “lattice constant A”.
In the case of the fine particles of the present invention, five diffraction peaks appear in the range of 90 ° <2θ <130 °, and each peak has a plane index of {3, 2, 1}, {4, 0, 0}. , {4, 1, 1}, {3, 3, 1}, {4, 2, 0}. The error bar when these five points were fitted to the least square method was about ± 0.001 mm.

本発明の微粒子は、上述した通り、チタンサイトにロジウムを特定量含有し、{100}面が露出した立方体形状を有し、かつ、格子定数Aが所定の値であることにより、光触媒性能が良好となる。
このように光触媒性能が良好となる理由は、詳細には明らかではないが、およそ以下のとおりと推測される。
すなわち、ロジウムを特定量含有する微粒子に対して後述する焼成処理を施し、立方体形状を有する微粒子の格子定数Aを3.906Å超3.910Å以下とすることにより、可視光の光吸収が増加したためと考えらえる。
これは、図5に示すように、実施例1と比較例5との対比から、焼成処理を施し、格子定数を小さくすることにより、600nm付近の吸収が増加している事実や、図6に示すように、実施例1と比較例5との対比から、焼成処理を施し、格子定数を小さくすることにより、光学バンドギャップが狭小化している事実からも推察することができる。すなわち、ロジウムがドープされていない場合においては、太陽光のうちでも割合の少ない紫外光しか有効に利用できなかったが、ロジウムを特定量ドープさせた微粒子に対して焼成処理を施し、バンドギャップを狭小化させた場合においては、より長波長側の光をより効率的に吸収できるようになったと考えられる。
As described above, the fine particles of the present invention contain a specific amount of rhodium at the titanium site, have a cubic shape in which the {100} plane is exposed, and the lattice constant A is a predetermined value. It becomes good.
The reason why the photocatalytic performance is good in this way is not clear in detail, but is estimated as follows.
That is, since the fine particles containing a specific amount of rhodium were subjected to a baking treatment described later, and the lattice constant A of the fine particles having a cubic shape was made to be more than 3.906Å and less than 3.910Å, the light absorption of visible light was increased. Can be considered.
As shown in FIG. 5, the comparison between Example 1 and Comparative Example 5 shows that the absorption near 600 nm is increased by performing the baking treatment and reducing the lattice constant, and FIG. As shown, it can be inferred from the fact that the optical band gap is narrowed by performing the baking treatment and reducing the lattice constant from the comparison between Example 1 and Comparative Example 5. That is, in the case where rhodium is not doped, only a small proportion of ultraviolet light can be effectively used even in sunlight, but the fine particles doped with a specific amount of rhodium are subjected to a firing treatment to obtain a band gap. In the case of narrowing, it is considered that light on a longer wavelength side can be absorbed more efficiently.

本発明においては、光触媒性能がより良好となる理由から、ロジウムの含有量(ドープ量)は、2〜6mol%であるのが好ましく、2〜5mol%であるのがより好ましく、3〜4mol%であるのがさらに好ましい。
ここで、ロジウムの含有量が増えると、図3に示す結果から、XRDPの高角側回折ピークが低角側にシフトしており、また、図4に示す結果から、構成定数Aが大きくなることが分かる。
In the present invention, the rhodium content (dope amount) is preferably 2 to 6 mol%, more preferably 2 to 5 mol%, and more preferably 3 to 4 mol%, because the photocatalytic performance becomes better. More preferably.
Here, as the rhodium content increases, the high-angle diffraction peak of XRDP shifts to the low-angle side from the results shown in FIG. 3, and the constituent constant A increases from the results shown in FIG. I understand.

また、本発明においては、バンド構造から電子が移動しやすい面であり、その結果、光触媒能がより良好となる理由から、上述した通り、粒子表面に露出している結晶面の85%以上が{100}面であるのが好ましく、90%以上が{100}面であるのがより好ましい。
同様に、水分等により膨張した格子から、熱処理によって水分等が除去され、より高結晶化し、その結果、光触媒性能がより良好となる理由から、格子定数Aは、3.9060Å超3.9100Å以下であるのが好ましく、3.9065Å以上3.9090Å以下であるのがより好ましく、3.9065Å以上3.9085Å以下であるのが更に好ましい。
In addition, in the present invention, electrons are easy to move from the band structure, and as a result, the photocatalytic ability is better, and as described above, 85% or more of the crystal faces exposed on the particle surface. The {100} plane is preferable, and 90% or more is more preferably the {100} plane.
Similarly, moisture and the like are removed by heat treatment from the lattice expanded by moisture and the like, resulting in higher crystallization, resulting in better photocatalytic performance. Therefore, the lattice constant A is more than 3.9060 Å 3.9100 Å It is preferable that it is 3.9065 to 3.9090 and more preferably 3.9065 to 3.9085.

更に、本発明においては、小サイズ化により比表面積を大きくすることで太陽光の照射面積を増やすことができ、また、触媒反応活性点を増やし、かつ、高結晶性を保つことができ、その結果、光触媒性能がより良好となる理由から、本発明の微粒子の平均粒子径は、10nm以上500nm以下であるのが好ましく、20nm以上100nm以下であるのがより好ましい。   Furthermore, in the present invention, it is possible to increase the irradiation area of sunlight by increasing the specific surface area by reducing the size, increasing the catalytic reaction active point, and maintaining high crystallinity, As a result, the average particle diameter of the fine particles of the present invention is preferably 10 nm or more and 500 nm or less, more preferably 20 nm or more and 100 nm or less, for the reason that the photocatalytic performance becomes better.

[光触媒]
本発明の光触媒は、上述した本発明のチタン酸ストロンチウム微粒子からなる光触媒である。
本発明の光触媒は、上述した通り、チタンサイトにロジウムを特定量含有し、{100}面が露出した立方体形状を有し、かつ、格子定数Aが所定の値であるチタン酸ストロンチウム微粒子を有しているため、光触媒性能が良好となる。
[photocatalyst]
The photocatalyst of the present invention is a photocatalyst comprising the strontium titanate fine particles of the present invention described above.
As described above, the photocatalyst of the present invention has strontium titanate fine particles containing a specific amount of rhodium at a titanium site, having a cubic shape with an exposed {100} plane, and having a lattice constant A of a predetermined value. Therefore, the photocatalytic performance is improved.

<金属助触媒>
本発明の光触媒は、本発明の微粒子のみからなる触媒であってもよいが、本発明の微粒子の表面に、さらに金属助触媒を担持した触媒であるのが好ましい。
表面に金属助触媒を担持したチタン酸ストロンチウム微粒子は、光照射によってチタン酸ストロンチウム内で励起された電子が、表面の金属助触媒の存在により表面に速やかに移動するため、正孔との再結合の抑制と高効率な還元反応を可能にするため、より効率良く水素を生成することができる。
<Metal promoter>
The photocatalyst of the present invention may be a catalyst composed only of the fine particles of the present invention, but is preferably a catalyst further supporting a metal promoter on the surface of the fine particles of the present invention.
The strontium titanate fine particles carrying a metal promoter on the surface recombine with holes because electrons excited in the strontium titanate by light irradiation move to the surface quickly due to the presence of the metal promoter on the surface. Therefore, hydrogen can be generated more efficiently.

金属助触媒を担持する場合、その担持方法は特に限定されないが、例えば、光電着法、含浸法、無電解メッキ等を用いる手法が挙げられる。
これらのうち、光触媒性能がより良好となり、金属所触媒の担持と同時に光触媒性能の評価を行える観点から、光電着法を用いる手法が好ましい。
When the metal promoter is supported, the method for supporting the metal promoter is not particularly limited, and examples thereof include a method using a photo-deposition method, an impregnation method, electroless plating, and the like.
Among these, the method using the photo-deposition method is preferable from the viewpoint that the photocatalytic performance becomes better and the photocatalytic performance can be evaluated simultaneously with the loading of the metal catalyst.

光電着法における光源としては、酸化物粒子の吸収波長よりも高いエネルギーに分布を持つ、キセノンランプ、水銀ランプまたは太陽光が挙げられるが、大面積に均一に、安価な設備で照射を行う観点からキセノンランプが好ましい。
また、光電着法においては、反応槽の表面には波長420nm以上の可視光を照度で照射することが好ましい。
また、光電着法における雰囲気は特に限定されず、大気圧下であっても、任意のガス中であってもよいが、同時に光触媒性能を評価する観点から、アルゴン雰囲気下で行うことが好ましい。
また、光電着法における反応液の最高到達温度は、溶媒の蒸発を抑えるために、40℃以下であることが好ましく、10℃〜25℃であることがより好ましい。
As a light source in the photo-deposition method, a xenon lamp, a mercury lamp or sunlight having a distribution with an energy higher than the absorption wavelength of the oxide particles can be mentioned, but a viewpoint of uniformly irradiating a large area with inexpensive equipment To xenon lamps are preferred.
In the photo-deposition method, it is preferable to irradiate the surface of the reaction vessel with visible light having a wavelength of 420 nm or more with illuminance.
Moreover, the atmosphere in the photo-deposition method is not particularly limited, and it may be under atmospheric pressure or in an arbitrary gas, but it is preferably performed in an argon atmosphere from the viewpoint of simultaneously evaluating the photocatalytic performance.
Moreover, in order to suppress the evaporation of the solvent, the maximum temperature reached by the reaction solution in the photodeposition method is preferably 40 ° C. or less, and more preferably 10 ° C. to 25 ° C.

金属助触媒としては、例えば、白金、銀、金、ロジウム、クロム等が挙げられ、なかでも、高い光触媒活性を示す白金、ロジウムが好ましい。
例えば、白金原料としては、溶媒中で還元反応により前記チタン酸ストロンチウム微粒子に付着させる観点から、ヘキサクロロ白金酸六水和物、テトラクロロ白金酸六水和物のいずれかを用いることが好ましい。白金の濃度としては、チタン酸ストロンチウム重量に対して、0.1質量%〜20.0質量%であることが好ましい。
Examples of the metal promoter include platinum, silver, gold, rhodium, chromium, etc. Among them, platinum and rhodium exhibiting high photocatalytic activity are preferable.
For example, as the platinum raw material, it is preferable to use either hexachloroplatinic acid hexahydrate or tetrachloroplatinic acid hexahydrate from the viewpoint of adhering to the strontium titanate fine particles by a reduction reaction in a solvent. The platinum concentration is preferably 0.1% by mass to 20.0% by mass with respect to the weight of strontium titanate.

[水素・酸素生成光触媒システム]
本発明の水素・酸素生成光触媒システムは、上述した本発明のチタン酸ストロンチウム微粒子、すなわち、上述した本発明の光触媒を用いた水素・酸素生成光触媒システムである。
このようなシステムとしては、例えば、本発明の光触媒を基板に塗布してなる水素製造用薄膜(具体的には、人工光合成フィルムなど);本発明の光触媒と酸素生成光触媒(例えば、酸化タングステン、バナジン酸ビスマスなど)と組み合わせた光触媒装置;等が挙げられる。
[Hydrogen / Oxygen generation photocatalyst system]
The hydrogen / oxygen generating photocatalytic system of the present invention is a hydrogen / oxygen generating photocatalytic system using the above-described strontium titanate fine particles of the present invention, that is, the above-described photocatalyst of the present invention.
As such a system, for example, a thin film for hydrogen production (specifically, an artificial photosynthesis film or the like) obtained by applying the photocatalyst of the present invention to a substrate; a photocatalyst of the present invention and an oxygen generation photocatalyst (for example, tungsten oxide, And a photocatalytic device in combination with bismuth vanadate).

[チタン酸ストロンチウム微粒子の製造方法]
本発明のチタン酸ストロンチウム微粒子の製造方法(以下、「本発明の製造方法」ともいう。)は、上述した本発明のチタン酸ストロンチウム微粒子を調製するチタン酸ストロンチウム微粒子の製造方法であって、アルカリ性水溶液中に、ストロンチウム原料、チタン原料およびロジウム原料を添加した反応液を調製する反応液調製工程と、反応液を大気圧下において80℃以上に加熱して反応液を反応させ、アルカリ性水溶液中で微粒子を調製する反応工程と、微粒子に200℃以上1000℃以下の温度で焼成処理を施し、チタン酸ストロンチウム微粒子を調製する焼成工程と、を有するチタン酸ストロンチウム微粒子の製造方法である。
以下に、各処理工程における材料や条件について詳述する。
[Production method of strontium titanate fine particles]
The method for producing strontium titanate fine particles of the present invention (hereinafter also referred to as “the method of production of the present invention”) is a method for producing strontium titanate fine particles for preparing the strontium titanate fine particles of the present invention described above, and is alkaline. A reaction liquid preparation step for preparing a reaction liquid in which an strontium raw material, a titanium raw material, and a rhodium raw material are added in an aqueous solution; and the reaction liquid is reacted at 80 ° C. or higher under atmospheric pressure to react the reaction liquid in an alkaline aqueous solution. A method for producing strontium titanate fine particles comprising: a reaction step of preparing fine particles; and a calcination step of preparing fine particles of strontium titanate by subjecting the fine particles to a firing treatment at a temperature of 200 ° C. to 1000 ° C.
Hereinafter, materials and conditions in each processing step will be described in detail.

〔反応液調製工程〕
反応液調製工程は、アルカリ性水溶液中に、ストロンチウム原料、チタン原料およびロジウム原料を添加した反応液を調製する工程である。
[Reaction solution preparation step]
The reaction solution preparation step is a step of preparing a reaction solution in which a strontium raw material, a titanium raw material, and a rhodium raw material are added to an alkaline aqueous solution.

<チタン原料>
チタン原料としては、チタン酸化物を含むことが好ましい。
上記チタン酸化物としては、二酸化チタンであるのが好ましい。
また、二酸化チタンには、アナターゼ型とルチル型があるが、ペロブスカイト型の骨格に比較的近い骨格を有することから、アナターゼ型であることが好ましい。
そのため、上記二酸化チタンとしては、アナターゼ型二酸化チタンを70質量%以上含有するチタン酸化物であるのが好ましい。
なお、チタン原料としては、チタン酸化物を水中に溶解させたTi含有水溶液を用いることが好ましい。
<Titanium raw material>
The titanium raw material preferably contains titanium oxide.
The titanium oxide is preferably titanium dioxide.
Titanium dioxide has an anatase type and a rutile type, and since it has a skeleton relatively close to a perovskite skeleton, the anatase type is preferable.
Therefore, the titanium dioxide is preferably a titanium oxide containing 70% by mass or more of anatase type titanium dioxide.
As a titanium raw material, it is preferable to use a Ti-containing aqueous solution in which titanium oxide is dissolved in water.

<ストロンチウム原料>
ストロンチウム原料としては、ストロンチウムの酢酸塩、硝酸塩、炭酸塩、塩化物、硫化物および水酸化物からなる群から選択される少なくとも1種を含むことが好ましい。
これらのうち、ストロンチウムイオンをチタン原料(例えば、二酸化チタン)の構造に取り込ませる観点から、水溶性であることが好ましく、硝酸ストロンチウム、水酸化ストロンチウム、塩化ストロンチウムであることがより好ましい。
<Strontium raw material>
The strontium raw material preferably contains at least one selected from the group consisting of strontium acetate, nitrate, carbonate, chloride, sulfide and hydroxide.
Among these, from the viewpoint of incorporating strontium ions into the structure of a titanium raw material (for example, titanium dioxide), water-soluble is preferable, and strontium nitrate, strontium hydroxide, and strontium chloride are more preferable.

<ロジウム原料>
ロジウム原料は、水溶性であるのが好ましく、具体的には、塩化ロジウム(III)、酸化ロジウム(III)、酸化ロジウム(IV)であるのがより好ましい。
ここで、反応溶液におけるロジウム原料の含有量は、チタン原料およびロジウム原料の総mol量に対して1mol%超7mol%以下であることが好ましい。
なお、ロジウム原料は、ストロンチウム原料に対して少量であることから、予めロジウム原料の水溶液を準備しておくことが好ましい。
<Rhodium raw material>
The rhodium raw material is preferably water-soluble, and specifically, rhodium (III) chloride, rhodium oxide (III), and rhodium oxide (IV) are more preferable.
Here, the content of the rhodium raw material in the reaction solution is preferably more than 1 mol% and 7 mol% or less with respect to the total mol amount of the titanium raw material and the rhodium raw material.
Since the rhodium raw material is a small amount relative to the strontium raw material, it is preferable to prepare an aqueous solution of the rhodium raw material in advance.

<アルカリ性水溶液>
上述したストロンチウム原料、チタン原料およびロジウム原料を添加するアルカリ性水溶液は、アルカリ性の水溶液であれば特に限定されないが、pH13〜15の強アルカリ性の水溶液であることが好ましい。
pHの調整は、水酸化カリウムや水酸化ナトリウム等の塩基性化合物(アルカリ源)により調整することができる。
<Alkaline aqueous solution>
The alkaline aqueous solution to which the strontium raw material, titanium raw material and rhodium raw material are added is not particularly limited as long as it is an alkaline aqueous solution, but is preferably a strong alkaline aqueous solution having a pH of 13 to 15.
The pH can be adjusted with a basic compound (alkali source) such as potassium hydroxide or sodium hydroxide.

反応液の調製は、上述したアルカリ性水溶液に対して、ストロンチウム原料、チタン原料およびロジウム原料を溶質として添加し、撹拌し、溶解させることにより行うが、これらの溶質を予め水溶液に溶解させた後に上述したアルカリ性水溶液に添加して調製することが好ましい。
このように調製した反応液は、上述したアルカリ性水溶液と同様、pHが13〜15であるのが好ましい。
また、上記反応液におけるチタン原料の濃度は、任意に選択することができるが、微粒子の均一性および生産性の観点から、1mmol/L以上50mmol/L以下であることが好ましい。
The reaction solution is prepared by adding the strontium raw material, the titanium raw material and the rhodium raw material as solutes to the alkaline aqueous solution described above, and stirring and dissolving them. It is preferable to prepare it by adding to the alkaline aqueous solution.
The reaction solution prepared in this manner preferably has a pH of 13 to 15 like the alkaline aqueous solution described above.
The concentration of the titanium raw material in the reaction solution can be arbitrarily selected, but is preferably 1 mmol / L or more and 50 mmol / L or less from the viewpoint of the uniformity and productivity of the fine particles.

〔反応工程〕
反応工程は、上記反応液を大気圧下において80℃以上に加熱して反応液を反応させ、アルカリ性水溶液中で微粒子を調製する工程である。
ここで、大気圧は、一般的には1気圧(約0.1MPa)をいうが、本発明において、「大気圧下」とは、大気圧近傍を含む0.09〜0.12MPaの範囲である。
また、「反応液を反応させる」とは、反応液中に含まれる単数または複数の成分を反応させることを意味する。
[Reaction process]
The reaction step is a step of preparing fine particles in an alkaline aqueous solution by heating the reaction solution to 80 ° C. or higher under atmospheric pressure to react the reaction solution.
Here, the atmospheric pressure generally refers to 1 atmosphere (about 0.1 MPa), but in the present invention, “under atmospheric pressure” means a range of 0.09 to 0.12 MPa including the vicinity of atmospheric pressure. is there.
Further, “reacting the reaction solution” means reacting one or more components contained in the reaction solution.

上記反応液を反応させる温度は、80℃以上であり、90℃以上、上記反応液の沸点以下であるのが好ましく、水の常圧における沸点100℃以上、上記反応液の沸点以下であるのがより好ましい。
また、上記反応液の加熱方法は特に限定されず、例えば、ホットプレート加熱、マントルヒーター、アルミブロック加熱等から選択することができる。
また、昇温速度は、生産性の観点から1℃/min〜100℃/minであることが好ましい。
The temperature at which the reaction solution is reacted is 80 ° C. or higher, preferably 90 ° C. or higher and lower than the boiling point of the reaction solution, and has a boiling point of 100 ° C. or higher at normal pressure of water and lower than the boiling point of the reaction solution. Is more preferable.
Moreover, the heating method of the said reaction liquid is not specifically limited, For example, it can select from a hot plate heating, a mantle heater, an aluminum block heating, etc.
Moreover, it is preferable that a temperature increase rate is 1 degree-C / min-100 degree-C / min from a viewpoint of productivity.

上記反応工程中、反応液は攪拌することが好ましい。撹拌速度は、溶質が均一に分散すればよく、100rpm〜1000rpm程度が好ましい。
また、反応時間は、充分に反応が進行する範囲内で短い方が好ましいが、2時間以上12時間以下であることが好ましい。
During the reaction step, the reaction solution is preferably stirred. The stirring speed should just be a solute disperse | distributing uniformly and about 100 rpm-1000 rpm are preferable.
The reaction time is preferably shorter as long as the reaction proceeds sufficiently, but is preferably 2 hours or longer and 12 hours or shorter.

〔任意工程〕
本発明の製造方法は、上記反応工程の後、アルカリ水溶液中に生成した微粒子を精製および乾燥する任意の工程を有しているのが好ましい。
[Optional process]
The production method of the present invention preferably has an optional step of purifying and drying the fine particles produced in the alkaline aqueous solution after the reaction step.

<精製工程>
アルカリ性水溶液中に調製した微粒子を精製するために、溶媒と微粒子を分離する遠心分離操作を行うことが好ましい。
遠心分離操作の条件は特に限定されないが、5000〜20000rpm、5分〜15分、3℃〜30℃であることが好ましい。
また、遠心分離操作は2回以上繰り返すことが好ましく、遠心分離操作の間には、上澄みを廃棄し、20ml〜100mlの純水で懸濁する工程を含むことが好ましい。なお、この際、懸濁液中のアルカリ成分等を除去する観点から、懸濁液のpH値が少なくとも10未満になるように繰り返し行うことがより好適である。
<Purification process>
In order to purify the fine particles prepared in the alkaline aqueous solution, it is preferable to perform a centrifugation operation for separating the solvent and the fine particles.
The conditions for the centrifugal separation operation are not particularly limited, but are preferably 5000 to 20000 rpm, 5 to 15 minutes, and 3 to 30 ° C.
The centrifugation operation is preferably repeated twice or more, and it is preferable to include a step of discarding the supernatant and suspending with 20 ml to 100 ml of pure water between the centrifugation operations. In this case, from the viewpoint of removing alkali components and the like in the suspension, it is more preferable to repeat the suspension so that the pH value of the suspension is at least less than 10.

<乾燥工程>
微粒子に残存するアルカリ性水溶液を完全に蒸発させるために、100℃〜120℃で1時間〜3時間乾燥させることが好ましい。
加熱方法は特に限定されず、ホットプレート加熱、電気炉加熱、赤外線加熱、マイクロ波加熱等から選択することができる。
また、乾燥における雰囲気に特に限定されないが、製造コスト等の観点から大気圧下、大気中で行うことが好ましい。
<Drying process>
In order to completely evaporate the alkaline aqueous solution remaining in the fine particles, it is preferably dried at 100 to 120 ° C. for 1 to 3 hours.
The heating method is not particularly limited, and can be selected from hot plate heating, electric furnace heating, infrared heating, microwave heating, and the like.
Moreover, although it does not specifically limit to the atmosphere in drying, it is preferable to carry out under atmospheric pressure and air | atmosphere from viewpoints, such as manufacturing cost.

〔焼成工程〕
上記焼成工程は、上記反応工程(上記任意の工程を有する場合は任意の工程)により得られる微粒子を200℃以上1000℃以下の温度で焼成処理を施し、チタン酸ストロンチウム微粒子を調製する焼成工程である。
ここで、焼成処理を施す前の微粒子は、微粒子内部に水酸基を有していると考えられ、焼成処理を施すことにより、水酸基が脱離し、格子定数Aが小さくなると考えられる。
これは、図2に示すように、焼成処理の温度上昇とともに、XRDPの高角側回折ピークが高角側にシフトしていることからも推察することができる。
[Baking process]
The firing step is a firing step of preparing strontium titanate fine particles by subjecting the fine particles obtained by the reaction step (optional step if any of the above steps) to a firing treatment at a temperature of 200 ° C. or higher and 1000 ° C. or lower. is there.
Here, the fine particles before being subjected to the firing treatment are considered to have a hydroxyl group inside the fine particles, and it is considered that the hydroxyl constant is eliminated and the lattice constant A is reduced by performing the firing treatment.
This can also be inferred from the fact that, as shown in FIG. 2, the XRDP high-angle diffraction peak shifts to the high-angle side as the temperature of the baking treatment increases.

焼成処理の方法は特に限定されず、例えば、マッフル炉、赤外線加熱等から選択することができる。
また、水酸基を充分に脱離させるために、焼成条件は、500℃以上で7時間以上加熱することが好ましく、焼成温度は、ロジウムの酸化反応を抑制する観点から、750℃以上850℃以下で行うことがより好ましい。
これは、図7に示すように、可視光域における固有の吸収バンド、光触媒に使われない電子の励起に起因する吸収バンドを有するRh4価量が、800℃付近で少なくなっている事実からも推察することができる。
The method for the baking treatment is not particularly limited, and can be selected from, for example, a muffle furnace, infrared heating and the like.
Further, in order to sufficiently desorb the hydroxyl group, it is preferable that the baking is performed at 500 ° C. or higher for 7 hours or longer, and the baking temperature is 750 ° C. or higher and 850 ° C. or lower from the viewpoint of suppressing the rhodium oxidation reaction. More preferably.
This is also due to the fact that, as shown in FIG. 7, the Rh4 valence having an intrinsic absorption band in the visible light region and an absorption band caused by excitation of electrons not used in the photocatalyst is reduced around 800 ° C. Can be guessed.

以下に実施例に基づいて本発明をさらに詳細に説明する。以下の実施例に示す材料、使用量、割合、処理内容、処理手順等は、本発明の趣旨を逸脱しない限り適宜変更することができる。したがって、本発明の範囲は以下に示す実施例により限定的に解釈されるべきものではない。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail based on examples. The materials, amounts used, ratios, processing details, processing procedures, and the like shown in the following examples can be changed as appropriate without departing from the spirit of the present invention. Therefore, the scope of the present invention should not be construed as being limited by the following examples.

〔実施例1〜3、比較例1〜3〕
<反応液調製工程>
テフロン(登録商標)製三口フラスコに、純水160mLおよび水酸化ナトリウムNaOH1molを添加し、アルカリ性水溶液を調製した。
次いで、微粒子の原料となる硝酸ストロンチウム(II)無水物(和光純薬製、98%)2.04mmol、および、酸化チタンTiO(P25)(Degussa、99.5%)2.04mmolを40mlの純水に混ぜた後に、上記水酸化ナトリウム溶液へ混合し、混合溶液を調製した。
次いで、混合溶液に、塩化ロジウムRhCl(和光純薬製、95%)を下記表1に記載の含有量となるよう混合し、pH13.5以上の反応液を調製した。酸化チタンの配合量は、チタン原料とロジウム原料の合計が2.04mmolとなるよう適宜調整した。なお、比較例1では塩化ロジウムを添加しなかった。
[Examples 1-3, Comparative Examples 1-3]
<Reaction solution preparation process>
To a Teflon (registered trademark) three-necked flask, 160 mL of pure water and 1 mol of sodium hydroxide NaOH were added to prepare an alkaline aqueous solution.
Next, strontium nitrate (II) anhydride (made by Wako Pure Chemical Industries, 98%) 2.04 mmol and titanium oxide TiO 2 (P25) (Degussa, 99.5%) 2.04 mmol, which are fine particle raw materials, After mixing with pure water, the mixture was mixed with the sodium hydroxide solution to prepare a mixed solution.
Subsequently, rhodium chloride RhCl 2 (manufactured by Wako Pure Chemicals, 95%) was mixed with the mixed solution so as to have a content described in Table 1 below, thereby preparing a reaction solution having a pH of 13.5 or more. The amount of titanium oxide was appropriately adjusted so that the total of the titanium raw material and the rhodium raw material was 2.04 mmol. In Comparative Example 1, rhodium chloride was not added.

<反応工程>
次いで、上記三口フラスコをスターラー付きアルミブロック恒温槽(Synflex社、BBS−108RB)に設置し、500rpmの撹拌速度で撹拌し、設定温度を150℃とし、沸騰後6時間、還流した。沸騰時の反応液の温度は100℃であった。
<Reaction process>
Next, the three-necked flask was placed in an aluminum block thermostatic bath with a stirrer (Synflex, BBS-108RB), stirred at a stirring speed of 500 rpm, set temperature was 150 ° C., and refluxed for 6 hours after boiling. The temperature of the reaction liquid at the time of boiling was 100 ° C.

<精製・乾燥工程>
反応終了後、反応物を含む反応液を40mLずつ4本の遠心管に分けて、以下の精製工程を3回行った。
具体的には、遠心分離を実施した後、遠心管の上澄みを廃棄し、純水20mLを加えて得られた懸濁液に超音波処理を施す精製工程を3回行った。なお、精製工程における遠心分離条件は、いずれも10,000rpmにて10分間とした。
3回目の精製工程の後、上澄みを廃棄した後の沈殿物の入った遠心管に、それぞれ純水5mLを加え、沈殿物が分散された懸濁液を調製した後、懸濁液をシャーレに移し、ホットプレート上に置いて100℃1時間で乾燥した。
<Purification / Drying Process>
After completion of the reaction, the reaction solution containing the reaction product was divided into 4 centrifuge tubes each in 40 mL, and the following purification steps were performed 3 times.
Specifically, after the centrifugation, the supernatant of the centrifuge tube was discarded, and a purification step of sonicating the suspension obtained by adding 20 mL of pure water was performed three times. The centrifugation conditions in the purification step were all 10 minutes at 10,000 rpm.
After the third purification step, 5 mL of pure water is added to each centrifuge tube containing the precipitate after discarding the supernatant to prepare a suspension in which the precipitate is dispersed, and then the suspension is placed in a petri dish. It was transferred to a hot plate and dried at 100 ° C. for 1 hour.

<焼成工程>
次いで、乾燥した粉末を、るつぼに載せ入れて、マッフル炉で、昇温速度7℃/分、800℃7時間、焼成処理を施した。
焼成後の降温速度を約5℃/分とし、マッフル炉の温度が室温に戻ったことを確認し、粉末サンプルを回収した後、乳棒および乳鉢を用いて、粉砕混合し、チタン酸ストロンチウム微粒子を調製した。
<Baking process>
Next, the dried powder was placed in a crucible and subjected to a baking treatment in a muffle furnace at a heating rate of 7 ° C./min and 800 ° C. for 7 hours.
After the firing, the rate of temperature decrease was about 5 ° C./min. After confirming that the temperature of the muffle furnace had returned to room temperature, the powder sample was collected and then pulverized and mixed using a pestle and mortar to obtain strontium titanate fine particles. Prepared.

〔比較例4〕
微粒子の原料となる炭酸ストロンチウム0.408mmol、酸化チタン(ルチル)(添川理化学、99.9%)0.404mmol、および、酸化ロジウム(和光純薬製、95%)4μmolを乳棒および乳鉢を用いて粉砕混合した後に、るつぼで900℃1時間焼成した。
次いで、焼成後の粉末サンプルを回収した後、粉砕混合し、るつぼで1000℃7時間焼成した。
次いで、焼成後の粉末サンプルを回収した後、粉砕混合し、チタン酸ストロンチウム微粒子を調製した。
[Comparative Example 4]
Using a pestle and mortar, 0.408 mmol of strontium carbonate, rutile, 0.404 mmol and 4 μmol of rhodium oxide (Wako Pure Chemicals, 95%), which are the raw materials for the fine particles, were used. After pulverization and mixing, the mixture was baked in a crucible at 900 ° C. for 1 hour.
Next, after collecting the powder sample after firing, it was pulverized and mixed, and fired in a crucible at 1000 ° C. for 7 hours.
Subsequently, the powder sample after firing was collected and then pulverized and mixed to prepare strontium titanate fine particles.

〔比較例5〕
焼成処理を施さなかった以外は、実施例1と同様の方法で、チタン酸ストロンチウム微粒子、すなわち、沈殿物が分散された懸濁液の乾燥物を調製した。
[Comparative Example 5]
A strontium titanate fine particle, ie, a dried suspension in which a precipitate was dispersed, was prepared in the same manner as in Example 1 except that the firing treatment was not performed.

<TEM写真>
実施例1ならびに比較例1、比較例4および比較例5で調製したチタン酸ストロンチウム微粒子のTEM写真を図1に示す。
図1に示すように、比較例4で調製したチタン酸ストロンチウム微粒子は、立方体形状ではないことが分かった。
<TEM photo>
A TEM photograph of the strontium titanate fine particles prepared in Example 1, Comparative Example 1, Comparative Example 4, and Comparative Example 5 is shown in FIG.
As shown in FIG. 1, it was found that the strontium titanate fine particles prepared in Comparative Example 4 were not in a cubic shape.

<光触媒性能>
合成した各チタン酸ストロンチウム微粒子0.01gを、光触媒能評価装置(ガラス反応容器)中で、10%メタノール水溶液120mlに懸濁させ、超音波分散させた。
次いで、金属助触媒として白金Ptをチタン酸ストロンチウム微粒子の表面に付着させるために、ヘキサクロロ白金酸六水和物溶液(1g/100ml)を0.3質量%となるよう混合した。
次いで、上記反応容器をガラス製ガス配管に接続した。なお、ガス配管はガスクロマトグラフィー装置(島津製作所、GC2014)に接続されており、ガス成分分析、デジタルマノメータによる圧力測定、真空引き、エア充填などが可能である。
次いで、反応槽をスターラーによって撹拌速度300rpmで攪拌しながら、真空ポンプによる真空引きを行ない、デジタルマノメータの表示が3kPa以下になるまで継続した。その後、アルゴン充填と真空引きを3回繰り返し、混入酸素量が1000ppm以下になるまで前処理を行なった。
その後、撹拌を継続しながら、キセノンランプ(イーグルエンジニアリング)を電流表示2Aとなる強度で照射し、420nmカットフィルターを通して、光触媒反応を開始した。反応後15分、30分、60分、90分、120分経過後にガスクロマトグラフィー装置にて気体を2.5mlサンプリングし、水素量を計測した。
その結果、水素発生量が70μmol/h以上のものを「A」と評価し、50μmol/h以上70μmol/h未満のものを「B」と評価し、35μmol/h以上50μmol/h未満のものを「C」と評価し、35μmol/h未満のものを「D」と評価した。
また、図8に実施例1〜3および比較例1〜3で作製した微粒子の水素発生量を示す。
<Photocatalytic performance>
0.01 g of each synthesized strontium titanate fine particle was suspended in 120 ml of a 10% methanol aqueous solution in a photocatalytic ability evaluation apparatus (glass reaction vessel) and ultrasonically dispersed.
Subsequently, in order to attach platinum Pt as a metal promoter to the surface of the strontium titanate fine particles, a hexachloroplatinic acid hexahydrate solution (1 g / 100 ml) was mixed to 0.3 mass%.
Next, the reaction vessel was connected to a glass gas pipe. The gas pipe is connected to a gas chromatography device (Shimadzu Corporation, GC2014), and can perform gas component analysis, pressure measurement with a digital manometer, evacuation, air filling, and the like.
Next, the reaction vessel was evacuated by a vacuum pump while stirring with a stirrer at a stirring speed of 300 rpm, and continued until the display on the digital manometer became 3 kPa or less. Thereafter, argon filling and evacuation were repeated three times, and pretreatment was performed until the amount of mixed oxygen became 1000 ppm or less.
Thereafter, while continuing stirring, a xenon lamp (Eagle Engineering) was irradiated with an intensity indicating current display 2A, and a photocatalytic reaction was started through a 420 nm cut filter. After 15 minutes, 30 minutes, 60 minutes, 90 minutes, and 120 minutes after the reaction, 2.5 ml of gas was sampled with a gas chromatography apparatus, and the amount of hydrogen was measured.
As a result, a hydrogen generation amount of 70 μmol / h or more was evaluated as “A”, a hydrogen generation amount of 50 μmol / h or more and less than 70 μmol / h was evaluated as “B”, and a hydrogen generation amount of 35 μmol / h or more and less than 50 μmol / h was evaluated. Evaluation was made as “C”, and those less than 35 μmol / h were evaluated as “D”.
FIG. 8 shows the hydrogen generation amount of the fine particles produced in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3.

表1および図1および図8に示す結果から、ロジウムの含有量が1mol%以下である微粒子は、{100}面が露出した立方体形状を有していても、光触媒性能に劣ることが分かり(比較例1および2)、ロジウムの含有量が7mol%超である微粒子は、{100}面が露出した立方体形状を有していても、光触媒性能に劣ることが分かった(比較例3)。
また、固相系で調製し、立方体形状を有していない微粒子は、光触媒性能が劣ることが分かった(比較例4)。
また、ロジウムの含有量が3mol%であり、かつ、{100}面が露出した立方体形状を有していても、格子定数Aが3.910Å超である微粒子は、光触媒性能に劣ることが分かった。
From the results shown in Table 1 and FIG. 1 and FIG. 8, it is understood that the fine particles having a rhodium content of 1 mol% or less are inferior in photocatalytic performance even if they have a cubic shape with exposed {100} faces ( Comparative Examples 1 and 2) It was found that the fine particles having a rhodium content exceeding 7 mol% were inferior in photocatalytic performance even if they had a cubic shape with exposed {100} faces (Comparative Example 3).
Moreover, it turned out that the microparticles | fine-particles which are prepared by a solid-phase system and do not have a cube shape are inferior in photocatalytic performance (comparative example 4).
In addition, even if the rhodium content is 3 mol% and the cubic shape has an exposed {100} plane, fine particles having a lattice constant A exceeding 3.910 mm are inferior in photocatalytic performance. It was.

これに対し、ロジウムを特定量含有し、{100}面が露出した立方体形状を有し、かつ、格子定数Aが所定の値であるチタン酸ストロンチウム微粒子は、いずれも光触媒性能が良好となることが分かった(実施例1〜3)。
特に、実施例1〜3の対比結果および図8の結果から、ロジウムの含有量が3〜4mol%であると、光触媒性能が極めて良好となることが分かった。
On the other hand, strontium titanate fine particles containing a specific amount of rhodium, having a cubic shape with exposed {100} faces, and having a lattice constant A of a predetermined value all have good photocatalytic performance. (Examples 1-3).
In particular, from the comparison results of Examples 1 to 3 and the result of FIG. 8, it was found that the photocatalytic performance is extremely good when the rhodium content is 3 to 4 mol%.

Claims (11)

チタンサイトにロジウムを1mol%超7mol%以下含み、{100}面が露出した立方体形状を有し、かつ、格子定数Aが3.906Å超3.910Å以下である、チタン酸ストロンチウム微粒子。   Strontium titanate fine particles having a cubic shape in which rhodium is contained in a titanium site in an amount of more than 1 mol% and not more than 7 mol%, the {100} plane is exposed, and a lattice constant A is more than 3.906 3 and not more than 3.910 Å. 請求項1に記載のチタン酸ストロンチウム微粒子からなる光触媒。   A photocatalyst comprising the strontium titanate fine particles according to claim 1. 請求項1に記載のチタン酸ストロンチウム微粒子を用いた水素・酸素生成光触媒システム。   A hydrogen / oxygen generating photocatalytic system using the strontium titanate fine particles according to claim 1. 請求項1に記載のチタン酸ストロンチウム微粒子を調製するチタン酸ストロンチウム微粒子の製造方法であって、
アルカリ性水溶液中に、ストロンチウム原料、チタン原料およびロジウム原料を添加した反応液を調製する反応液調製工程と、
前記反応液を大気圧下において80℃以上に加熱して前記反応液を反応させ、前記アルカリ性水溶液中で微粒子を調製する反応工程と、
前記微粒子に200℃以上1000℃以下の温度で焼成処理を施し、チタン酸ストロンチウム微粒子を調製する焼成工程と、を有するチタン酸ストロンチウム微粒子の製造方法。
A method for producing strontium titanate fine particles for preparing the strontium titanate fine particles according to claim 1,
A reaction solution preparation step of preparing a reaction solution in which a strontium raw material, a titanium raw material and a rhodium raw material are added in an alkaline aqueous solution;
A reaction step of heating the reaction solution to 80 ° C. or higher under atmospheric pressure to react the reaction solution to prepare fine particles in the alkaline aqueous solution;
A method for producing strontium titanate fine particles, comprising: subjecting the fine particles to a firing treatment at a temperature of 200 ° C. to 1000 ° C. to prepare strontium titanate fine particles.
前記チタン原料が、チタン酸化物を含む、請求項4に記載のチタン酸ストロンチウム微粒子の製造方法。   The manufacturing method of the strontium titanate microparticles | fine-particles of Claim 4 with which the said titanium raw material contains a titanium oxide. 前記チタン酸化物が、二酸化チタンである、請求項5に記載のチタン酸ストロンチウム微粒子の製造方法。   The method for producing strontium titanate fine particles according to claim 5, wherein the titanium oxide is titanium dioxide. 前記二酸化チタンが、アナターゼ型二酸化チタンを70質量%以上含有するチタン酸化物である、請求項6に記載のチタン酸ストロンチウム微粒子の製造方法。   The manufacturing method of the strontium titanate microparticles | fine-particles of Claim 6 whose said titanium dioxide is a titanium oxide containing 70 mass% or more of anatase type titanium dioxide. 前記ストロンチウム原料が、ストロンチウムの酢酸塩、硝酸塩、炭酸塩、塩化物、硫化物および水酸化物からなる群から選択される少なくとも1種を含む、請求項4〜7のいずれか1項に記載のチタン酸ストロンチウム微粒子の製造方法。   The strontium raw material includes at least one selected from the group consisting of strontium acetate, nitrate, carbonate, chloride, sulfide, and hydroxide, according to any one of claims 4 to 7. Method for producing strontium titanate fine particles. 前記反応工程において前記反応液を反応させる温度が、90℃以上前記反応液の沸点以下である、請求項4〜8のいずれか1項に記載のチタン酸ストロンチウム微粒子の製造方法。   The method for producing strontium titanate fine particles according to any one of claims 4 to 8, wherein a temperature at which the reaction solution is reacted in the reaction step is 90 ° C or more and not more than a boiling point of the reaction solution. 前記反応液のpHが13〜15である、請求項4〜9のいずれか1項に記載のチタン酸ストロンチウム微粒子の製造方法。   The method for producing strontium titanate fine particles according to any one of claims 4 to 9, wherein the pH of the reaction solution is 13 to 15. 前記ロジウム原料が水溶性である、請求項4〜10のいずれか1項に記載のチタン酸ストロンチウム微粒子の製造方法。   The method for producing strontium titanate fine particles according to any one of claims 4 to 10, wherein the rhodium raw material is water-soluble.
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