JP2018168008A - 酸化チタン粒子、酸化チタン粒子の製造方法、光触媒形成用組成物、光触媒、及び構造体 - Google Patents
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Abstract
【課題】可視光領域においても高い光触媒機能を発現する酸化チタン粒子を提供する。
【解決手段】金属原子及び炭素原子を有する金属化合物が酸素原子を介して表面に結合しており、炭素1s軌道のXPSスペクトルにおいて{(C−O結合のピーク強度+C=O結合のピーク強度)÷(C−C結合のピーク強度+C=C結合のピーク強度)}が0.03以上0.3以下であり、可視吸収スペクトルにおいて波長450nm及び750nmに吸収を持つ、酸化チタン粒子。
【選択図】なし
【解決手段】金属原子及び炭素原子を有する金属化合物が酸素原子を介して表面に結合しており、炭素1s軌道のXPSスペクトルにおいて{(C−O結合のピーク強度+C=O結合のピーク強度)÷(C−C結合のピーク強度+C=C結合のピーク強度)}が0.03以上0.3以下であり、可視吸収スペクトルにおいて波長450nm及び750nmに吸収を持つ、酸化チタン粒子。
【選択図】なし
Description
本発明は、酸化チタン粒子、酸化チタン粒子の製造方法、光触媒形成用組成物、光触媒、及び構造体に関する。
例えば特許文献1には、シリカ被覆を有する酸化チタン粉が開示されている。例えば特許文献2には、表面に微粒子セラミクスからなる多孔性被覆層を部分的に固着させた酸化チタン粒子が開示されている。例えば特許文献3には、シリカ被覆酸化チタン粒子が開示されている。例えば特許文献4には、高密度シリカと多孔質シリカの被覆を有する酸化チタン粒子が開示されている。例えば特許文献5には、トリアルコキシシラン加水分解縮合生成物の皮膜を有する酸化チタン粒子が開示されている。
通常、酸化チタン粒子及びメタチタン酸粒子は、紫外光を吸収することにより光触媒機能を発揮する。したがって、酸化チタン粒子及びメタチタン酸粒子は、紫外光を十分に確保できる晴れた日の昼間は光触媒機能を発揮できるものの、夜又は日陰では光触媒機能が低下する傾向がある。例えば、酸化チタン粒子又はメタチタン酸粒子を外壁材に用いた場合は、日向と日陰とで耐汚染性能に差が出ることがある。また、酸化チタン粒子又はメタチタン酸粒子を空気清浄機又は浄水器等に用いる際には、機器の内部に紫外線の光源となるブラックライト等を設置することが必要になる場合がある。上記事情に鑑み、可視光領域においても高い光触媒機能を発現する酸化チタン粒子又はメタチタン酸粒子が求められている。
本発明は、可視光領域においても高い光触媒機能を発現する酸化チタン粒子を提供することを課題とする。
前記課題を解決するための具体的手段には、下記の態様が含まれる。
請求項1に係る発明は、
金属原子及び炭素原子を有する金属化合物が酸素原子を介して表面に結合しており、
炭素1s軌道のXPSスペクトルにおいて{(C−O結合のピーク強度+C=O結合のピーク強度)÷(C−C結合のピーク強度+C=C結合のピーク強度)}が0.03以上0.3以下であり、
可視吸収スペクトルにおいて波長450nm及び750nmに吸収を持つ、
酸化チタン粒子。
金属原子及び炭素原子を有する金属化合物が酸素原子を介して表面に結合しており、
炭素1s軌道のXPSスペクトルにおいて{(C−O結合のピーク強度+C=O結合のピーク強度)÷(C−C結合のピーク強度+C=C結合のピーク強度)}が0.03以上0.3以下であり、
可視吸収スペクトルにおいて波長450nm及び750nmに吸収を持つ、
酸化チタン粒子。
請求項2に係る発明は、
前記金属化合物が、金属原子と該金属原子に直接結合した炭素原子とを有する金属化合物である、請求項1に記載の酸化チタン粒子。
前記金属化合物が、金属原子と該金属原子に直接結合した炭素原子とを有する金属化合物である、請求項1に記載の酸化チタン粒子。
請求項3に係る発明は、
可視吸収スペクトルにおいて波長400nm以上800nm以下の全範囲に吸収を持つ、請求項1又は請求項2に記載の酸化チタン粒子。
可視吸収スペクトルにおいて波長400nm以上800nm以下の全範囲に吸収を持つ、請求項1又は請求項2に記載の酸化チタン粒子。
請求項4に係る発明は、
前記金属原子がケイ素原子である、請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の酸化チタン粒子。
前記金属原子がケイ素原子である、請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の酸化チタン粒子。
請求項5に係る発明は、
前記酸化チタン粒子の体積平均粒径が、10nm以上1μm以下である、請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の酸化チタン粒子。
前記酸化チタン粒子の体積平均粒径が、10nm以上1μm以下である、請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の酸化チタン粒子。
請求項6に係る発明は、
炭素1s軌道のXPSスペクトルにおいて{(C−O結合のピーク強度+C=O結合のピーク強度)÷(C−C結合のピーク強度+C=C結合のピーク強度)}が0.04以上0.25以下である、請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載の酸化チタン粒子。
炭素1s軌道のXPSスペクトルにおいて{(C−O結合のピーク強度+C=O結合のピーク強度)÷(C−C結合のピーク強度+C=C結合のピーク強度)}が0.04以上0.25以下である、請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載の酸化チタン粒子。
請求項7に係る発明は、
炭素1s軌道のXPSスペクトルにおいて{(C−O結合のピーク強度+C=O結合のピーク強度)÷(C−C結合のピーク強度+C=C結合のピーク強度)}が0.05以上0.2以下である、請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載の酸化チタン粒子。
炭素1s軌道のXPSスペクトルにおいて{(C−O結合のピーク強度+C=O結合のピーク強度)÷(C−C結合のピーク強度+C=C結合のピーク強度)}が0.05以上0.2以下である、請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載の酸化チタン粒子。
請求項8に係る発明は、
金属原子及び炭化水素基を有する金属化合物により未処理の酸化チタン粒子を表面処理する工程と、
前記未処理の酸化チタン粒子を表面処理する工程中又は後に、酸化チタン粒子を加熱処理する工程と、
を含む、請求項1〜請求項7のいずれか1項に記載の酸化チタン粒子の製造方法。
金属原子及び炭化水素基を有する金属化合物により未処理の酸化チタン粒子を表面処理する工程と、
前記未処理の酸化チタン粒子を表面処理する工程中又は後に、酸化チタン粒子を加熱処理する工程と、
を含む、請求項1〜請求項7のいずれか1項に記載の酸化チタン粒子の製造方法。
請求項9に係る発明は、
前記金属化合物が、金属原子と該金属原子に直接結合した炭化水素基とを有する金属化合物である、請求項8に記載の酸化チタン粒子の製造方法。
前記金属化合物が、金属原子と該金属原子に直接結合した炭化水素基とを有する金属化合物である、請求項8に記載の酸化チタン粒子の製造方法。
請求項10に係る発明は、
前記金属原子がケイ素原子である、請求項8又は請求項9に記載の酸化チタン粒子の製造方法。
前記金属原子がケイ素原子である、請求項8又は請求項9に記載の酸化チタン粒子の製造方法。
請求項11に係る発明は、
前記炭化水素基が、炭素数1以上20以下の飽和若しくは不飽和の脂肪族炭化水素基又は芳香族炭化水素基である、請求項8〜請求項10のいずれか1項に記載の酸化チタン粒子の製造方法。
前記炭化水素基が、炭素数1以上20以下の飽和若しくは不飽和の脂肪族炭化水素基又は芳香族炭化水素基である、請求項8〜請求項10のいずれか1項に記載の酸化チタン粒子の製造方法。
請求項12に係る発明は、
前記炭化水素基が、炭素数1以上20以下の飽和脂肪族炭化水素基である、請求項8〜請求項10のいずれか1項に記載の酸化チタン粒子の製造方法。
前記炭化水素基が、炭素数1以上20以下の飽和脂肪族炭化水素基である、請求項8〜請求項10のいずれか1項に記載の酸化チタン粒子の製造方法。
請求項13に係る発明は、
前記炭化水素基が、炭素数4以上10以下の飽和脂肪族炭化水素基である、請求項8〜請求項10のいずれか1項に記載の酸化チタン粒子の製造方法。
前記炭化水素基が、炭素数4以上10以下の飽和脂肪族炭化水素基である、請求項8〜請求項10のいずれか1項に記載の酸化チタン粒子の製造方法。
請求項14に係る発明は、
請求項1〜請求項7のいずれか1項に記載の酸化チタン粒子と、
分散媒及びバインダーからなる群から選ばれた少なくとも1種の化合物と、
を含む光触媒形成用組成物。
請求項1〜請求項7のいずれか1項に記載の酸化チタン粒子と、
分散媒及びバインダーからなる群から選ばれた少なくとも1種の化合物と、
を含む光触媒形成用組成物。
請求項15に係る発明は、
請求項1〜請求項7のいずれか1項に記載の酸化チタン粒子を含む、又は、からなる光触媒。
請求項1〜請求項7のいずれか1項に記載の酸化チタン粒子を含む、又は、からなる光触媒。
請求項16に係る発明は、
請求項1〜請求項7のいずれか1項に記載の酸化チタン粒子を有する構造体。
請求項1〜請求項7のいずれか1項に記載の酸化チタン粒子を有する構造体。
請求項1、2又は3に係る発明によれば、炭素1s軌道のXPSピーク強度比が0.03未満又は0.3超の場合に比べて、可視光領域においても高い光触媒機能を発現する酸化チタン粒子が提供される。
請求項4に係る発明によれば、金属化合物の金属原子がアルミニウム原子又はチタン原子である場合に比べて、可視光領域においても高い光触媒機能を発現する酸化チタン粒子が提供される。
請求項5に係る発明によれば、酸化チタン粒子の体積平均粒径が10nm未満又は1μm超の場合に比べて、可視光領域においても高い光触媒機能を発現する酸化チタン粒子が提供される。
請求項6に係る発明によれば、炭素1s軌道のXPSピーク強度比が0.04未満又は0.25超の場合に比べて、可視光領域においても高い光触媒機能を発現する酸化チタン粒子が提供される。
請求項7に係る発明によれば、炭素1s軌道のXPSピーク強度比が0.05未満又は0.2超の場合に比べて、可視光領域においても高い光触媒機能を発現する酸化チタン粒子が提供される。
請求項4に係る発明によれば、金属化合物の金属原子がアルミニウム原子又はチタン原子である場合に比べて、可視光領域においても高い光触媒機能を発現する酸化チタン粒子が提供される。
請求項5に係る発明によれば、酸化チタン粒子の体積平均粒径が10nm未満又は1μm超の場合に比べて、可視光領域においても高い光触媒機能を発現する酸化チタン粒子が提供される。
請求項6に係る発明によれば、炭素1s軌道のXPSピーク強度比が0.04未満又は0.25超の場合に比べて、可視光領域においても高い光触媒機能を発現する酸化チタン粒子が提供される。
請求項7に係る発明によれば、炭素1s軌道のXPSピーク強度比が0.05未満又は0.2超の場合に比べて、可視光領域においても高い光触媒機能を発現する酸化チタン粒子が提供される。
請求項8、9、10、11、12又は13に係る発明によれば、前記加熱処理する工程を含まない場合に比べて、可視光領域においても高い光触媒機能を発現する酸化チタン粒子の製造方法が提供される。
請求項14、15又は16に係る発明によれば、酸化チタン粒子の炭素1s軌道のXPSピーク強度比が0.03未満又は0.3超の場合に比べて、可視光領域においても高い光触媒機能を発現する光触媒形成用組成物、光触媒、又は構造体が提供される。
以下に、発明の実施形態を説明する。これらの説明及び実施例は実施形態を例示するものであり、発明の範囲を制限するものではない。
本開示において組成物中の各成分の量について言及する場合、組成物中に各成分に該当する物質が複数種存在する場合には、特に断らない限り、組成物中に存在する当該複数種の物質の合計量を意味する。
本開示において「工程」との語は、独立した工程だけでなく、他の工程と明確に区別できない場合であってもその工程の所期の目的が達成されれば、本用語に含まれる。
XPSとは、X-ray Photoelectron Spectroscopy(X線光電子分光)の略である。
<酸化チタン粒子>
本実施形態に係る酸化チタン粒子は、金属原子及び炭素原子を有する金属化合物が酸素原子を介して表面に結合しており、炭素1s軌道のXPSスペクトルにおいて{(C−O結合のピーク強度+C=O結合のピーク強度)÷(C−C結合のピーク強度+C=C結合のピーク強度)}が0.03以上0.3以下であり、可視吸収スペクトルにおいて波長450nm及び750nmに吸収を持つ。
本実施形態に係る酸化チタン粒子は、金属原子及び炭素原子を有する金属化合物が酸素原子を介して表面に結合しており、炭素1s軌道のXPSスペクトルにおいて{(C−O結合のピーク強度+C=O結合のピーク強度)÷(C−C結合のピーク強度+C=C結合のピーク強度)}が0.03以上0.3以下であり、可視吸収スペクトルにおいて波長450nm及び750nmに吸収を持つ。
本開示において、炭素1s軌道のXPSスペクトルにおける{(C−O結合のピーク強度+C=O結合のピーク強度)÷(C−C結合のピーク強度+C=C結合のピーク強度)}を、「炭素1s軌道のXPSピーク強度比」という。炭素1s軌道のXPSピーク強度比は、酸化チタン粒子表面の酸化の度合を示す指標である。
炭素1s軌道のXPSスペクトルは、X線光電子分光装置(例えば、アルバック・ファイ社製 Versa Probe II)を使用し、X線源として単色化AlKα線を用い、ビーム径100μm、出力25W、15kV、信号取り出し角度45°、パスエネルギー23.5eV、帯電中和銃条件1.0V/イオン銃10Vに設定して測定する。
炭素1s軌道のXPSスペクトルには炭素原子の結合状態に応じてピークが複数個現れるところ、各ピークの化学シフトの位置によって各ピークの帰属を特定する。本実施形態においては、285.5eV以上287eV以下に現れるピークをC−O結合のピークとし、287eV以上288eV以下に現れるピークをC=O結合のピークとし、284eV以上285.5eV以下に現れるピークをC−C結合のピークとし、284.5eV以上285eV以下に現れるピークをC=C結合のピークとする。但し、C−O結合のピークとC=O結合のピークとは必ずしも分離しなくてもよく、C−C結合のピークとC=C結合のピークとは必ずしも分離しなくてもよい。そして、C−O結合のピークとC=O結合のピークのいずれか高いほうのピークを(C−O結合のピーク強度+C=O結合のピーク強度)とし、C−C結合のピークとC=C結合のピークのいずれか高いほうのピークを(C−C結合のピーク強度+C=C結合のピーク強度)として、{(C−O結合のピーク強度+C=O結合のピーク強度)÷(C−C結合のピーク強度+C=C結合のピーク強度)}を求める。
炭素1s軌道のXPSスペクトルには炭素原子の結合状態に応じてピークが複数個現れるところ、各ピークの化学シフトの位置によって各ピークの帰属を特定する。本実施形態においては、285.5eV以上287eV以下に現れるピークをC−O結合のピークとし、287eV以上288eV以下に現れるピークをC=O結合のピークとし、284eV以上285.5eV以下に現れるピークをC−C結合のピークとし、284.5eV以上285eV以下に現れるピークをC=C結合のピークとする。但し、C−O結合のピークとC=O結合のピークとは必ずしも分離しなくてもよく、C−C結合のピークとC=C結合のピークとは必ずしも分離しなくてもよい。そして、C−O結合のピークとC=O結合のピークのいずれか高いほうのピークを(C−O結合のピーク強度+C=O結合のピーク強度)とし、C−C結合のピークとC=C結合のピークのいずれか高いほうのピークを(C−C結合のピーク強度+C=C結合のピーク強度)として、{(C−O結合のピーク強度+C=O結合のピーク強度)÷(C−C結合のピーク強度+C=C結合のピーク強度)}を求める。
本実施形態に係る酸化チタン粒子は、可視光領域においても高い光触媒機能を発現する。この機序は、次のように推測される。
本実施形態に係る酸化チタン粒子は、未処理の酸化チタン粒子を、炭化水素基を有する金属化合物により表面処理し、そして、加熱処理により前記炭化水素基の少なくとも一部を酸化してC−O結合又はC=O結合に変化させることにより得られる。詳細な機序は不明であるが、炭素原子が適度に酸化されている有機金属化合物と酸素原子とチタン原子とが共有結合で順に連なっている構造が酸化チタン粒子の表面に存在することにより、酸化チタン粒子表面が波長450nm及び750nmに光吸収性を示し、酸化チタン粒子が可視光応答性を発現すると推測される。
炭素1s軌道のXPSピーク強度比が0.03未満であると、有機金属化合物の酸化の度合が低過ぎ、酸化チタン粒子表面が可視光領域に光吸収性を示しにくいと推測される。
一方、炭素1s軌道のXPSピーク強度比が0.3超であると、有機金属化合物を酸化させる加熱処理が激し過ぎて、炭素原子の酸化ばかりでなく消失も進んでいると推測され、酸化チタン粒子表面が可視光領域に充分な光吸収性を示さないと推測される。
炭素1s軌道のXPSピーク強度比が0.03未満であると、有機金属化合物の酸化の度合が低過ぎ、酸化チタン粒子表面が可視光領域に光吸収性を示しにくいと推測される。
一方、炭素1s軌道のXPSピーク強度比が0.3超であると、有機金属化合物を酸化させる加熱処理が激し過ぎて、炭素原子の酸化ばかりでなく消失も進んでいると推測され、酸化チタン粒子表面が可視光領域に充分な光吸収性を示さないと推測される。
本実施形態に係る酸化チタン粒子の表面に酸素原子を介して結合している有機金属化合物は、可視光応答性をより発現しやすい観点から、金属原子、炭素原子、水素原子及び酸素原子のみからなる金属化合物であることが好ましい。
本実施形態に係る酸化チタン粒子の表面に酸素原子を介して結合している金属化合物は、可視光応答性をより発現しやすい観点から、金属化合物中の金属原子Mに直接結合した酸素原子Oを介して酸化チタン粒子の表面に結合していること、即ち、M−O−Tiなる共有結合によって酸化チタン粒子の表面に結合していることが好ましい。
本実施形態に係る酸化チタン粒子は、可視光応答性をより発現しやすい観点から、金属原子と該金属原子に直接結合した炭素原子とを有する金属化合物が酸素原子を介して表面に結合していることが好ましい。炭素原子Cと金属原子Mと酸素原子Oとチタン原子Tiとが共有結合で順に連なっている構造(C−M−O−Ti)が酸化チタン粒子の表面に存在し、炭素原子Cが適度に酸化されていることにより、酸化チタン粒子表面が波長450nm及び750nmに光吸収性を示し、酸化チタン粒子が可視光応答性を発現すると推測される。
本実施形態に係る酸化チタン粒子において、酸素原子を介して表面に結合している有機金属化合物を構成する金属原子としては、ケイ素、アルミニウム及びチタンからなる群から選ばれた金属原子であることが好ましく、ケイ素及びアルミニウムからなる群から選ばれた金属原子であることがより好ましく、ケイ素であることが特に好ましい。
本実施形態に係る酸化チタン粒子は、可視光領域においても高い光触媒機能を発現することに加えて、下記の観点からも有利である。
一般的に、未処理の酸化チタン粒子は粒径、粒径分布、及び粒子形状の制御自由度が低く、粒子凝集性が高い傾向がある。このため、酸化チタン粒子は樹脂中又は液体中での分散性がよくなく、1)光触媒機能が発揮されにくい、2)塗布液の塗膜の均一性が低い、3)フィルム等の透明性が低い、傾向がある。
一方、本実施形態に係る酸化チタン粒子は、表面に金属化合物に由来する炭化水素基を有するため、分散性がよい。このため、均一に近い塗膜が形成でき、効率よく酸化チタン粒子に光が当たり、光触媒機能が発揮されやすい。また、フィルム等の透明性、塗布液の塗膜の均一性も高まりデザイン性も保たれる。その結果、例えば、外壁材、板、パイプ、不織布(セラミック等の不織布)の表面に、酸化チタン粒子を含む塗料を塗着するとき、酸化チタン粒子の凝集又は塗布欠陥が抑制され、長期にわたり、光触媒機能が発揮されやすい。
一方、本実施形態に係る酸化チタン粒子は、表面に金属化合物に由来する炭化水素基を有するため、分散性がよい。このため、均一に近い塗膜が形成でき、効率よく酸化チタン粒子に光が当たり、光触媒機能が発揮されやすい。また、フィルム等の透明性、塗布液の塗膜の均一性も高まりデザイン性も保たれる。その結果、例えば、外壁材、板、パイプ、不織布(セラミック等の不織布)の表面に、酸化チタン粒子を含む塗料を塗着するとき、酸化チタン粒子の凝集又は塗布欠陥が抑制され、長期にわたり、光触媒機能が発揮されやすい。
以下、本実施形態に係る酸化チタン粒子の詳細について説明する。
本実施形態に係る酸化チタン粒子は、未処理の酸化チタン粒子を、金属原子及び炭化水素基を有する金属化合物により表面処理し、そして、加熱処理により前記炭化水素基の少なくとも一部を酸化してなる酸化チタン粒子であることが好ましい。本開示において、金属原子及び炭化水素基を有する金属化合物を、単に「炭化水素基を有する金属化合物」という。
[未処理の酸化チタン粒子]
本開示において、炭化水素基を有する金属化合物により表面処理されていない酸化チタン粒子を「未処理の酸化チタン粒子」という。未処理の酸化チタン粒子(表面処理の対象となる酸化チタン粒子)としては、例えば、ブルッカイト型、アナターゼ型、ルチル型等の酸化チタンの粒子が挙げられる。酸化チタン粒子は、ブルッカイト、アナターゼ、ルチル等の単結晶構造を有してもよく、これら結晶が共存する混晶構造を有してもよい。
本開示において、炭化水素基を有する金属化合物により表面処理されていない酸化チタン粒子を「未処理の酸化チタン粒子」という。未処理の酸化チタン粒子(表面処理の対象となる酸化チタン粒子)としては、例えば、ブルッカイト型、アナターゼ型、ルチル型等の酸化チタンの粒子が挙げられる。酸化チタン粒子は、ブルッカイト、アナターゼ、ルチル等の単結晶構造を有してもよく、これら結晶が共存する混晶構造を有してもよい。
本実施形態における未処理の酸化チタン粒子は、炭化水素基を有する金属化合物により表面処理されていない酸化チタン粒子であり、他の表面処理を除外するものでないことは言うまでもないが、本実施形態に係る酸化チタン粒子は、炭化水素基を有する金属化合物のみにより表面処理された酸化チタン粒子であることが好ましい。
未処理の酸化チタン粒子の製法は、特に制限はないが、例えば、塩素法(気相法)、硫酸法(液相法)が挙げられる。
塩素法(気相法)の一例は、次の通りである。まず、原料であるルチル鉱石をコークス及び塩素と反応させ、一度、ガス状の四塩化チタンにした後、冷却して、液状の四塩化チタンを得る。次に、高温で、液状の四塩化チタンを酸素と反応させた後、塩素ガスを分離することによって、未処理の酸化チタンを得る。
硫酸法(液相法)の一例は、次の通りである。まず、原料であるイルメナイト鉱石(FeTiO3)又はチタンスラグを濃硫酸に溶解させ、不純物である鉄成分を硫酸鉄(FeSO4)として分離し、一度、オキシ硫酸チタン(TiOSO4)とする。次に、オキシ硫酸チタン(TiOSO4)を加水分解し、オキシ水酸化チタン(TiO(OH)2)として沈殿させる。次に、この沈殿物を洗浄及び乾燥し、乾燥物を焼成することによって、未処理の酸化チタンを得る。
ほかに、未処理の酸化チタン粒子の製造方法としては、チタンアルコキシドを用いたゾルゲル法、メタチタン酸を焼成する方法などがある。酸化チタン粒子の結晶構造は、焼成温度(例えば400℃以上1,200℃の範囲での加熱)の高さに従い、ブルッカイト、アナターゼ、ルチルへと変化するので、焼成温度の高低を調整することにより目的の結晶構造の酸化チタン粒子が得られる。
[炭化水素基を有する金属化合物]
本実施形態に係る酸化チタン粒子の表面に存在する、金属原子及び炭素原子を有する金属化合物は、酸化チタン粒子の表面処理に用いられた、炭化水素基を有する金属化合物に由来する。
本実施形態に係る酸化チタン粒子の表面に存在する、金属原子及び炭素原子を有する金属化合物は、酸化チタン粒子の表面処理に用いられた、炭化水素基を有する金属化合物に由来する。
酸化チタン粒子の表面処理に用いる、炭化水素基を有する金属化合物としては、金属原子と該金属原子に直接結合した炭化水素基とを有する金属化合物であることが好ましい。炭化水素基を有する金属化合物が複数個の炭化水素基を有する場合、少なくとも1個の炭化水素基が金属化合物における金属原子に直接結合していればよい。
金属化合物が有する炭化水素基としては、炭素数1以上40以下(好ましくは炭素数1以上20以下、より好ましくは炭素数1以上18以下、更に好ましくは炭素数4以上12以下、更に好ましくは炭素数4以上10以下)の飽和若しくは不飽和の脂肪族炭化水素基、又は、炭素数6以上27以下(好ましくは炭素数6以上20以下、より好ましくは炭素数6以上18以下、更に好ましくは炭素数6以上12以下、更に好ましくは炭素数6以上10以下)の芳香族炭化水素基が挙げられる。
炭化水素基は、高い光触媒機能の発現及び分散性の向上の観点から、脂肪族炭化水素基であることが好ましく、飽和脂肪族炭化水素基であることがより好ましく、アルキル基であることが特に好ましい。脂肪族炭化水素基は、直鎖状、分岐鎖状及び環状のいずれでもよいが、分散性の観点から、直鎖状又は分岐鎖状が好ましい。
炭化水素基を有する金属化合物の金属原子としては、ケイ素、アルミニウム及びチタンからなる群から選ばれた金属原子であることが好ましく、ケイ素及びアルミニウムからなる群から選ばれた金属原子であることがより好ましく、ケイ素であることが特に好ましい。即ち、炭化水素基を有する金属化合物としては、炭化水素基を有するシラン化合物が特に好ましい。炭化水素基を有するシラン化合物としては、例えば、クロロシラン化合物、アルコキシシラン化合物、シラザン化合物(ヘキサメチルジシラザン等)などが挙げられる。
酸化チタン粒子の表面処理に用いる、炭化水素基を有するシラン化合物としては、高い光触媒機能の発揮及び分散性の向上の観点から、一般式(1):R1 nSiR2 mで表される化合物が好ましい。
一般式(1):R1 nSiR2 mにおいて、R1は炭素数1以上20以下の飽和若しくは不飽和の脂肪族炭化水素基又は炭素数6以上20以下の芳香族炭化水素基を表し、R2はハロゲン原子又はアルコキシ基を表し、nは1以上3以下の整数を表し、mは1以上3以下の整数を表し、但しn+m=4である。nが2又は3の整数である場合、複数のR1は同じ基でもよいし、異なる基でもよい。mが2又は3の整数である場合、複数のR2は同じ基でもよいし、異なる基でもよい。
R1で表される脂肪族炭化水素基は、直鎖状、分岐鎖状及び環状のいずれでもよいが、分散性の観点から、直鎖状又は分岐鎖状が好ましい。脂肪族炭化水素基の炭素数は、高い光触媒機能の発現及び分散性の向上の観点から、炭素数1以上20以下が好ましく、炭素数1以上18以下がより好ましく、炭素数4以上12以下が更に好ましく、炭素数4以上10以下が更に好ましい。脂肪族炭化水素基は、飽和及び不飽和のいずれでもよいが、高い光触媒機能の発現及び分散性の向上の観点から、飽和脂肪族炭化水素基が好ましく、アルキル基がより好ましい。
飽和脂肪族炭化水素基としては、直鎖状アルキル基(メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基、ヘプチル基、オクチル基、ノニル基、デシル基、ドデシル基、ヘキサデシル基、イコシル基等)、分岐鎖状アルキル基(イソプロピル基、イソブチル基、イソペンチル基、ネオペンチル基、2−エチルヘキシル基、ターシャリーブチル基、ターシャリーペンチル基、イソペンタデシル基等)、環状アルキル基(シクロプロピル基、シクロペンチル基、シクロヘキシル基、シクロヘプチル基、シクロオクチル基、トリシクロデシル基、ノルボルニル基、アダマンチル基等)などが挙げられる。
不飽和脂肪族炭化水素基としては、アルケニル基(ビニル基(エテニル基)、1−プロペニル基、2−プロペニル基、2−ブテニル基、1−ブテニル基、1−ヘキセニル基、2−ドデセニル基、ペンテニル基等)、アルキニル基(エチニル基、1−プロピニル基、2−プロピニル基、1−ブチニル基、3−ヘキシニル基、2−ドデシニル基等)などが挙げられる。
脂肪族炭化水素基は、置換された脂肪族炭化水素基も含む。脂肪族炭化水素基に置換し得る置換基としては、ハロゲン原子、エポキシ基、グリシジル基、グリドキシ基、メルカプト基、メタクリロイル基、アクリロイル基等が挙げられる。
R1で表される芳香族炭化水素基は、炭素数6以上20以下が好ましく、より好ましくは炭素数6以上18以下、更に好ましくは炭素数6以上12以下、更に好ましくは炭素数6以上10以下である。
芳香族炭化水素基としては、フェニレン基、ビフェニレン基、ターフェニレン基、ナフタレン基、アントラセン基等が挙げられる。芳香族炭化水素基は、置換された芳香族炭化水素基も含む。芳香族炭化水素基に置換し得る置換基としては、ハロゲン原子、エポキシ基、グリシジル基、グリドキシ基、メルカプト基、メタクリロイル基、アクリロイル基等が挙げられる。
R2で表されるハロゲン原子としては、フッ素原子、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子等が挙げられる。ハロゲン原子としては、塩素原子、臭素原子、又はヨウ素原子が好ましい。
R2で表されるアルコキシ基としては、炭素数1以上10以下(好ましくは1以上8以下、より好ましくは3以上8以下)のアルコキシ基が挙げられる。アルコキシ基としては、メトキシ基、エトキシ基、イソプロポキシ基、t−ブトキシ基、n−ブトキシ基、n−ヘキシロキシ基、2−エチルヘキシロキシ基、3,5,5−トリメチルヘキシルオキシ基等が挙げられる。アルコキシ基は、置換されたアルコキシ基も含む。アルコキシ基に置換し得る置換基としては、ハロゲン原子、水酸基、アミノ基、アルコキシ基、アミド基、カルボニル基等が挙げられる。
一般式(1):R1 nSiR2 mで表される化合物は、高い光触媒機能の発現及び分散性の向上の観点から、R1が飽和脂肪族炭化水素基である化合物が好ましい。特に、一般式(1):R1 nSiR2 mで表される化合物は、R1が炭素数1以上20以下の飽和脂肪族炭化水素基であり、R2がハロゲン原子又はアルコキシ基であり、nが1以上3以下の整数であり、mが1以上3以下の整数であり、但しn+m=4であることが好ましい。
一般式(1):R1 nSiR2 mで表される化合物として、例えば、ビニルトリメトキシシラン、メチルトリメトキシシラン、エチルトリメトキシシラン、プロピルトリメトキシシラン、ブチルトリメトキシシラン、ヘキシルトリメトキシシラン、n−オクチルトリメトキシシラン、デシルトリメトキシシラン、ドデシルトリメトキシシラン、ビニルトリエトキシシラン、メチルトリエトキシシラン、エチルトリエトキシシラン、ブチルトリエトキシシラン、ヘキシルトリエトキシシラン、デシルトリエトキシシラン、ドデシルトリエトキシシラン、フェニルトリメトキシシラン、o−メチルフェニルトリメトキシシラン、p−メチルフェニルトリメトキシシラン、フェニルトリエトキシシラン、ベンジルトリエトキシシラン、デシルトリクロロシラン、フェニルトリクロロシラン(以上、n=1、m=3);
ジメチルジメトキシシラン、ジメチルジエトキシシラン、メチルビニルジメトキシシラン、メチルビニルジエトキシシラン、ジフェニルジメトキシシラン、ジフェニルジエトキシシラン、ジメチルジクロロシラン、ジクロロジフェニルシラン(以上、n=2、m=2);
トリメチルメトキシシラン、トリメチルエトキシシラン、トリメチルクロロシラン、デシルジメチルクロロシラン、トリフェニルクロロシラン(以上、n=3、m=1);
3−グリドキシプロピルトリメトキシシラン、γ−メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン、γ−メルカプトプロピルトリメトキシシラン、γ−クロロプロピルトリメトキシシラン、γ−アミノプロピルトリメトキシシラン、γ−アミノプロピルトリエトキシシラン、γ−(2−アミノエチル)アミノプロピルトリメトキシシラン、γ−(2−アミノエチル)アミノプロピルメチルジメトキシシラン、γ−グリシジルオキシプロピルメチルジメトキシシラン(以上、R1が、置換された脂肪族炭化水素基又は置換された芳香族炭化水素基である化合物);
などのシラン化合物が挙げられる。シラン化合物は、1種単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。
ジメチルジメトキシシラン、ジメチルジエトキシシラン、メチルビニルジメトキシシラン、メチルビニルジエトキシシラン、ジフェニルジメトキシシラン、ジフェニルジエトキシシラン、ジメチルジクロロシラン、ジクロロジフェニルシラン(以上、n=2、m=2);
トリメチルメトキシシラン、トリメチルエトキシシラン、トリメチルクロロシラン、デシルジメチルクロロシラン、トリフェニルクロロシラン(以上、n=3、m=1);
3−グリドキシプロピルトリメトキシシラン、γ−メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン、γ−メルカプトプロピルトリメトキシシラン、γ−クロロプロピルトリメトキシシラン、γ−アミノプロピルトリメトキシシラン、γ−アミノプロピルトリエトキシシラン、γ−(2−アミノエチル)アミノプロピルトリメトキシシラン、γ−(2−アミノエチル)アミノプロピルメチルジメトキシシラン、γ−グリシジルオキシプロピルメチルジメトキシシラン(以上、R1が、置換された脂肪族炭化水素基又は置換された芳香族炭化水素基である化合物);
などのシラン化合物が挙げられる。シラン化合物は、1種単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。
一般式(1)で表されるシラン化合物における炭化水素基は、高い光触媒機能の発現及び分散性の向上の観点から、脂肪族炭化水素基であることが好ましく、飽和脂肪族炭化水素基であることがより好ましく、アルキル基であることが特に好ましい。上記シラン化合物における炭化水素基は、高い光触媒機能の発現及び分散性の向上の観点から、炭素数1以上20以下の飽和脂肪族炭化水素基が好ましく、炭素数1以上18以下の飽和脂肪族炭化水素基がより好ましく、炭素数4以上12以下の飽和脂肪族炭化水素基が更に好ましく、炭素数4以上10以下の飽和脂肪族炭化水素基が特に好ましい。
一般式(1)で表される化合物以外のシラン化合物としては、例えば、テトラメトキシシラン、テトラエトキシシランが挙げられる。
炭化水素基を有する金属化合物の金属原子がアルミニウムである化合物としては、例えば、トリエトキシアルミニウム、トリ−i−プロポキシアルミニウム、トリ−sec−ブトキシアルミニウム等のアルキルアルミネート;ジ−i−プロポキシ・モノ−sec−ブトキシアルミニウム、ジ−i−プロポキシアルミニウム・エチルアセトアセテート等のアルミニウムキレート;アセトアルコキシアルミニウムジイソプロピレート等のアルミネート系カップリング剤;などが挙げられる。
炭化水素基を有する金属化合物の金属原子がチタンである化合物としては、例えば、イソプロピルトリイソステアロイルチタネート、テトラオクチルビス(ジトリデシルホスファイト)チタネート、ビス(ジオクチルパイロホスフェート)オキシアセテートチタネート等のチタネート系カップリング剤;ジ−i−プロポキシビス(エチルアセトアセテート)チタニウム、ジ−i−プロポキシビス(アセチルアセトナート)チタニウム、ジ−i−プロポキシビス(トリエタノールアミナート)チタニウム、ジ−i−プロポキシチタンジアセテート、ジ−i−プロポキシチタンジプロピオネート等のチタニウムキレート;などが挙げられる。
炭化水素基を有する金属化合物は、1種単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。
[酸化チタン粒子の特性]
本実施形態に係る酸化チタン粒子は、可視光応答性の観点から、炭素1s軌道のXPSスペクトルにおいて、{(C−O結合のピーク強度+C=O結合のピーク強度)÷(C−C結合のピーク強度+C=C結合のピーク強度)}が0.03以上0.3以下であり、0.04以上0.25以下がより好ましく、0.05以上0.2以下が更に好ましい。
本実施形態に係る酸化チタン粒子は、可視光応答性の観点から、炭素1s軌道のXPSスペクトルにおいて、{(C−O結合のピーク強度+C=O結合のピーク強度)÷(C−C結合のピーク強度+C=C結合のピーク強度)}が0.03以上0.3以下であり、0.04以上0.25以下がより好ましく、0.05以上0.2以下が更に好ましい。
炭素1s軌道のXPSピーク強度比を上記範囲に制御することは、後述する酸化チタン粒子の製造方法において、加熱処理する工程の温度、時間及び酸素雰囲気を調整することにより実施できる。
本実施形態に係る酸化チタン粒子は、可視吸収スペクトルにおいて波長450nm及び750nmに吸収を持つ。
本実施形態に係る酸化チタン粒子は、可視光領域においても高い光触媒機能を発現する観点から、可視吸収スペクトルにおいて波長450nm、600nm及び750nmに吸収を持つことが好ましく、可視吸収スペクトルにおいて波長450nm以上750nm以下の全範囲に吸収を持つことがより好ましく、可視吸収スペクトルにおいて波長400nm以上800nm以下の全範囲に吸収を持つことが特に好ましい。
本実施形態に係る酸化チタン粒子は、可視光領域においても高い光触媒機能を発現する観点から、紫外可視吸収スペクトルにおいて、波長350nmの吸光度を1としたとき、波長450nmの吸光度が0.02以上(好ましくは0.1以上、より好ましくは0.2以上)であることが好ましく、波長600nmの吸光度が0.02以上(好ましくは0.1以上、より好ましくは0.2以上)であることが好ましく、波長750nmの吸光度が0.02以上(好ましくは0.1以上、より好ましくは0.2以上)であることが好ましい。
紫外可視吸収スペクトルは、次の方法により得られる。測定対象となる酸化チタン粒子をテトラヒドロフランに分散させた後、ガラス基板上に塗布し、大気中、24℃で乾燥させる。分光光度計(例えば、日立ハイテクノロジーズ製U−4100。スキャンスピード:600nm、スリット幅:2nm、サンプリング間隔:1nm)を用いて、拡散反射配置で、波長200nm乃至900nmの範囲の拡散反射スペクトルを測定する。拡散反射スペクトルから、Kubelka-Munk変換により理論的に各波長における吸光度を求め、紫外可視吸収スペクトルを得る。
本実施形態に係る酸化チタン粒子の体積平均粒径は、10nm以上1μm以下が好ましく、10nm以上200nm以下がより好ましく、15nm以上200nm以下が更に好ましい。酸化チタン粒子の体積平均粒径が10nm以上であると、酸化チタン粒子が凝集しにくく、光触媒機能が高まりやすい。酸化チタン粒子の体積平均粒径が1μm以下であると、量に対する比表面積の割合が大きくなり、光触媒機能が高まりやすい。このため、酸化チタン粒子の体積平均粒径を上記範囲にすると、可視光領域において高い光触媒機能を発現させ易くなる。
酸化チタン粒子の体積平均粒径は、動的光散乱式粒度測定装置(例えば、マイクロトラック・ベル社製ナノトラックUPA−ST)を用いて測定する。測定条件は、サンプル濃度を20%、測定時間を300秒とする。動的光散乱式粒度測定装置は、分散質のブラウン運動を利用して粒子径を測定するものであり、溶液にレーザー光を照射し、その散乱光を検出することにより粒子径を測定する。そして、動的光散乱式粒度測定装置により測定される粒度分布を基にして、分割された粒度範囲(チャンネル)に対して個々の粒子の体積をそれぞれ小径側から累積分布を描いて、累積50%となる粒径を体積平均粒径として求める。
<酸化チタン粒子の製造方法>
本実施形態に係る酸化チタン粒子の製造方法は、特に制限はないが、炭化水素基を有する金属化合物により未処理の酸化チタン粒子を表面処理する工程と、前記未処理の酸化チタン粒子を表面処理する工程中又は後に、酸化チタン粒子を加熱処理する工程と、を含むことが好ましい。
本実施形態に係る酸化チタン粒子の製造方法は、特に制限はないが、炭化水素基を有する金属化合物により未処理の酸化チタン粒子を表面処理する工程と、前記未処理の酸化チタン粒子を表面処理する工程中又は後に、酸化チタン粒子を加熱処理する工程と、を含むことが好ましい。
[表面処理する工程]
炭化水素基を有する金属化合物により未処理の酸化チタン粒子を表面処理する方法としては、特に制限はないが、例えば、炭化水素基を有する金属化合物自体を直接、未処理の酸化チタン粒子に接触させる方法;溶媒に炭化水素基を有する金属化合物を溶解させた処理液を、未処理の酸化チタン粒子に接触させる方法;が挙げられる。具体的には、例えば、未処理の酸化チタン粒子を溶媒に分散した分散液に、撹拌下で、炭化水素基を有する金属化合物自体又は処理液を添加する方法;ヘンシェルミキサー等の撹拌などにより流動している状態の未処理の酸化チタン粒子に、炭化水素基を有する金属化合物自体又は処理液を添加(滴下、噴霧等)する方法;が挙げられる。これら方法により、炭化水素基を有する金属化合物中の反応性基(例えば、ハロゲノ基、アルコキシ基等の加水分解性基)が、未処理の酸化チタン粒子の表面に存在する水酸基と反応し、未処理の酸化チタン粒子の表面処理がなされる。
炭化水素基を有する金属化合物により未処理の酸化チタン粒子を表面処理する方法としては、特に制限はないが、例えば、炭化水素基を有する金属化合物自体を直接、未処理の酸化チタン粒子に接触させる方法;溶媒に炭化水素基を有する金属化合物を溶解させた処理液を、未処理の酸化チタン粒子に接触させる方法;が挙げられる。具体的には、例えば、未処理の酸化チタン粒子を溶媒に分散した分散液に、撹拌下で、炭化水素基を有する金属化合物自体又は処理液を添加する方法;ヘンシェルミキサー等の撹拌などにより流動している状態の未処理の酸化チタン粒子に、炭化水素基を有する金属化合物自体又は処理液を添加(滴下、噴霧等)する方法;が挙げられる。これら方法により、炭化水素基を有する金属化合物中の反応性基(例えば、ハロゲノ基、アルコキシ基等の加水分解性基)が、未処理の酸化チタン粒子の表面に存在する水酸基と反応し、未処理の酸化チタン粒子の表面処理がなされる。
炭化水素基を有する金属化合物を溶解する溶媒としては、有機溶媒(例えば、炭化水素系溶媒、エステル系溶媒、エーテル系溶媒、ハロゲン系溶媒、アルコール系溶媒等)、水、これらの混合溶媒などが挙げられる。炭化水素系溶媒としては、例えば、トルエン、ベンゼン、キシレン、ヘキサン、オクタン、ヘキサデカン、シクロヘキサン等が挙げられる。エステル系溶媒としては、例えば、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸イソプロピル、酢酸アミル等が挙げられる。エーテル系溶媒としては、例えば、ジブチルエーテル、ジベンジルエーテル等が挙げられる。ハロゲン系溶媒としては、例えば、1,1−ジクロロ−1−フルオロエタン、1,1−ジクロロ−2,2,2−トリフルオロエタン、1,1−ジクロロ−2,2,3,3,3−ペンタフルオロプロパン、クロロホルム、ジクロロエタン、四塩化炭素等が挙げられる。アルコール系溶媒としては、メタノール、エタノール、i−プロピルアルコール等が挙げられる。水としては、例えば、水道水、蒸留水、純水等が挙げられる。溶媒としては、これら以外に、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド、酢酸、硫酸などの溶媒を用いてもよい。
溶媒に炭化水素基を有する金属化合物を溶解させた処理液において、炭化水素基を有する金属化合物の濃度は、0.05mol/L以上500mol/L以下が好ましく、0.5mol/L以上10mol/L以下がより好ましい。
炭化水素基を有する金属化合物による酸化チタン粒子の表面処理の条件は、高い光触媒機能の発現及び分散性の向上の観点から、次の条件がよい。未処理の酸化チタン粒子に対して、10質量%以上100質量%以下(好ましくは20質量%以上75質量%以下、より好ましくは25質量%以上50質量%以下)の炭化水素基を有する金属化合物により、未処理の酸化チタン粒子を表面処理することがよい。炭化水素基を有する金属化合物の量を10質量%以上にすると、可視光領域においても高い光触媒機能がより発現し易くなり、また、分散性も高まり易くなる。炭化水素基を有する金属化合物の量を100質量%以下にすると、酸化チタン粒子の表面に存在する、炭化水素基を有する金属化合物に由来する金属量が過剰になることを抑え、余剰の金属による光触媒機能の低下が抑制される。
炭化水素基を有する金属化合物による未処理の酸化チタン粒子の表面処理温度は、15℃以上150℃以下が好ましく、20℃以上100℃以下がより好ましい。表面処理時間は、10分間以上120分間以下が好ましく、30分間以上90分間以下がより好ましい。
炭化水素基を有する金属化合物による未処理の酸化チタン粒子の表面処理後は、乾燥処理を行うことがよい。乾燥処理の方法は、特定制限はなく、例えば、真空乾燥法、噴霧乾燥法等の公知の乾燥法を適用する。乾燥温度は、20℃以上150℃以下が好ましい。
[加熱処理する工程]
加熱処理は、未処理の酸化チタン粒子を表面処理する工程中、又は、未処理の酸化チタン粒子を表面処理する工程後に実施する。
加熱処理は、未処理の酸化チタン粒子を表面処理する工程中、又は、未処理の酸化チタン粒子を表面処理する工程後に実施する。
加熱処理は、炭化水素基を有する金属化合物により未処理の酸化チタン粒子を表面処理するとき;表面処理後の乾燥処理をするとき;又は、乾燥処理後に別途、実施することができる。加熱処理する前に酸化チタン粒子と炭化水素基を有する金属化合物とを十分に反応させる観点から、表面処理後の乾燥処理をするとき、又は、乾燥処理後に別途、実施することが好ましく、乾燥処理を適切に実施する観点から、乾燥処理後に別途実施することがより好ましい。
加熱処理の温度は、高い光触媒機能の発現及び分散性の向上の観点から、180℃以上500℃以下が好ましく、200℃以上450℃以下がより好ましく、250℃以上400℃以下が更に好ましい。加熱処理の時間は、高い光触媒機能の発現及び分散性の向上の観点から、10分間以上300分間以下が好ましく、30分間以上120分間以下がより好ましい。未処理の酸化チタン粒子を表面処理する工程中に加熱処理を行う場合は、先ず前記表面処理の温度で炭化水素基を有する金属化合物を十分に反応させた後に前記加熱処理の温度で加熱処理を実施することが好ましい。表面処理後の乾燥処理において加熱処理を行う場合は、前記乾燥処理の温度は、加熱処理温度として実施する。
加熱処理の温度を180℃以上500℃以下とすることにより、可視光領域においても高い光触媒機能を発現する酸化チタン粒子が効率的に得られる。180℃以上500℃以下で加熱処理すると、酸化チタン粒子の表面に存在する金属化合物由来の炭化水素基が適度に酸化し、C−C結合又はC=C結合の一部が、C−O結合又はC=O結合に変化すると推測される。
加熱処理は、酸素濃度(体積%)が1%以上21%以下の雰囲気で行われることが好ましい。この酸素雰囲気で加熱処理を行うことにより、酸化チタン粒子の表面に存在する金属化合物由来の炭化水素基の酸化を、適度に且つ効率よく行うことができる。酸素濃度(体積%)は、3%以上21%以下がより好ましく、5%以上21%以下が更に好ましい。
加熱処理の方法は、特に限定されず、例えば、気炉、焼成炉(ローラーハースキルン、シャトルキルン等)、輻射式加熱炉等による加熱;レーザー光、赤外線、UV、マイクロ波等による加熱;など公知の加熱方法を適用する。
以上の工程を経て、本実施形態に係る酸化チタン粒子が好適に得られる。
<光触媒形成用組成物>
本実施形態に係る光触媒形成用組成物は、本実施形態に係る酸化チタン粒子と、分散媒及びバインダーからなる群から選ばれた少なくとも1種の化合物とを含む。
本実施形態に係る光触媒形成用組成物は、本実施形態に係る酸化チタン粒子と、分散媒及びバインダーからなる群から選ばれた少なくとも1種の化合物とを含む。
本実施形態に係る光触媒形成用組成物の態様としては、例えば、本実施形態に係る酸化チタン粒子及び分散媒を含む分散液;本実施形態に係る酸化チタン粒子及び有機又は無機バインダーを含む組成物;などが挙げられる。分散液は、粘度が高いペースト状のものであってもよい。
前記分散媒としては、水、有機溶媒等が好ましく用いられる。水としては、例えば、水道水、蒸留水、純水などが挙げられる。有機溶媒としては、特に制限はなく、例えば、炭化水素系溶媒、エステル系溶媒、エーテル系溶媒、ハロゲン系溶媒、アルコール系溶媒等が挙げられる。前記分散液は、分散安定性及び保存安定性の観点から、分散剤及び界面活性剤からなる群から選ばれた少なくとも1種の化合物を含有することが好ましい。分散剤及び界面活性剤としては、公知の化学物質が用いられる。分散液は、バインダーをエマルションとして含んでいてもよい。
前記組成物に用いられるバインダーとしては、特に制限はないが、フッ素樹脂、シリコーン樹脂、ポリエステル樹脂、アクリル樹脂、スチレン樹脂、アクリロニトリル/スチレン共重合樹脂、アクリロニトリル/ブタジエン/スチレン共重合(ABS)樹脂、エポキシ樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリアミド樹脂、ポリアミン樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリエーテル樹脂、ポリサルファイド樹脂、ポリフェノール樹脂、これらの複合物、これらをシリコーン変性又はハロゲン変性させた樹脂等の有機系バインダー;ガラス、セラミック、金属粉などの無機系バインダー;が挙げられる。
本実施形態に係る光触媒形成用組成物は、上記以外のその他の成分を含有してもよい。その他の成分としては、公知の添加剤が用いられ、例えば、助触媒、着色剤、充填剤、防腐剤、消泡剤、密着改良剤、増粘剤などが挙げられる。
本実施形態に係る光触媒形成用組成物は、本実施形態に係る酸化チタン粒子を1種単独で含んでいてもよいし、2種以上含んでいてもよい。
本実施形態に係る光触媒形成用組成物における本実施形態に係る酸化チタン粒子の含有量は、特に制限はなく、分散液、樹脂組成物等の各種態様、及び、所望の光触媒量等に応じて、適宜選択すればよい。
本実施形態に係る光触媒形成用組成物を用いる光触媒又は光触媒を有する構造体の製造方法としては、特に制限はなく、公知の付与方法が用いられる。本実施形態に係る光触媒形成用組成物の付与方法としては、例えば、スピンコーティング法、ディップコーティング法、フローコーティング法、スプレーコーティング法、ロールコーティング法、刷毛塗り法、スポンジ塗り法、スクリーン印刷法、インクジェット印刷法などが挙げられる。
<光触媒、構造体>
本実施形態に係る光触媒は、本実施形態に係る酸化チタン粒子を含む、又は、本実施形態に係る酸化チタン粒子からなる。本実施形態に係る構造体は、本実施形態に係る酸化チタン粒子を有する。
本実施形態に係る光触媒は、本実施形態に係る酸化チタン粒子を含む、又は、本実施形態に係る酸化チタン粒子からなる。本実施形態に係る構造体は、本実施形態に係る酸化チタン粒子を有する。
本実施形態に係る光触媒は、本実施形態に係る酸化チタン粒子のみからなる光触媒であってもよいし、本実施形態に係る酸化チタン粒子に助触媒を混合した光触媒であっても、本実施形態に係る酸化チタン粒子を接着剤や粘着剤により所望の形状に固めた光触媒であってもよい。
本実施形態に係る構造体は、光触媒として、本実施形態に係る酸化チタン粒子を有することが好ましい。本実施形態に係る構造体は、光触媒活性の観点から、本実施形態に係る酸化チタン粒子を少なくとも表面に有することが好ましい。
本実施形態に係る構造体は、基材表面の少なくとも一部に本実施形態に係る酸化チタン粒子を有する構造体であることが好ましく、基材表面の少なくとも一部に本実施形態に係る光触媒形成用組成物を付与して形成された構造体であることが好ましい。該構造体において、本実施形態に係る光触媒形成用組成物を付与する量は、特に制限はなく、所望に応じて選択すればよい。
本実施形態に係る構造体においては、基材表面に本実施形態に係る酸化チタン粒子が付着した状態であっても、固定化されていてもよいが、光触媒の耐久性の観点から、固定化されていることが好ましい。固定化方法は、特に制限はなく、公知の固定化方法が用いられる。
本実施形態に用いられる基材は、無機材料、有機材料を問わず種々の材料が挙げられ、その形状も限定されない。基材の好ましい例としては、金属、セラミック、ガラス、プラスチック、ゴム、石、セメント、コンクリート、繊維、布帛、木、紙、これらの組合せ、これらの積層体、これらの表面に少なくとも一層の被膜を有する物品が挙げられる。用途の観点からみた基材の好ましい例としては、建材、外装材、窓枠、窓ガラス、鏡、テーブル、食器、カーテン、レンズ、プリズム、乗物の外装及び塗装、機械装置の外装、物品の外装、防塵カバー及び塗装、交通標識、各種表示装置、広告塔、道路用遮音壁、鉄道用遮音壁、橋梁、ガードレールの外装及び塗装、トンネル内装及び塗装、碍子、太陽電池カバー、太陽熱温水器集熱カバー、ポリマーフィルム、ポリマーシート、フィルター、屋内看板、屋外看板、車両用照明灯のカバー、屋外用照明器具、空気清浄器、浄水器、医療用器具、介護用品などが挙げられる。
以下、実施例により発明の実施形態を詳細に説明するが、発明の実施形態は、これら実施例に何ら限定されるものではない。
<実施例1>
市販のアナターゼ型酸化チタン粒子(堺化学工業(株)製、SSP−20、体積平均粒径12nm)をトルエンに分散した分散液に、この未処理の酸化チタン粒子100質量部に対して30質量部のデシルトリメトキシシランを滴下し、80℃で1時間反応させた後、出口温度120℃で噴霧乾燥して乾燥粉体を得た。得られた乾燥粉体に対し、酸素濃度(体積%)を12%に設定した電気炉で360℃、90分間の加熱処理を行い、酸化チタン粒子1を得た。
市販のアナターゼ型酸化チタン粒子(堺化学工業(株)製、SSP−20、体積平均粒径12nm)をトルエンに分散した分散液に、この未処理の酸化チタン粒子100質量部に対して30質量部のデシルトリメトキシシランを滴下し、80℃で1時間反応させた後、出口温度120℃で噴霧乾燥して乾燥粉体を得た。得られた乾燥粉体に対し、酸素濃度(体積%)を12%に設定した電気炉で360℃、90分間の加熱処理を行い、酸化チタン粒子1を得た。
<比較例1>
市販のアナターゼ型酸化チタン粒子(堺化学工業(株)製、SSP−20、体積平均粒径12nm)を、そのまま、酸化チタン粒子C1とした。
市販のアナターゼ型酸化チタン粒子(堺化学工業(株)製、SSP−20、体積平均粒径12nm)を、そのまま、酸化チタン粒子C1とした。
<比較例2>
市販のアナターゼ型酸化チタン粒子(堺化学工業(株)製、SSP−20、体積平均粒径12nm)に対し、実施例1と同じ条件で加熱処理を行い、酸化チタン粒子C2を得た。
市販のアナターゼ型酸化チタン粒子(堺化学工業(株)製、SSP−20、体積平均粒径12nm)に対し、実施例1と同じ条件で加熱処理を行い、酸化チタン粒子C2を得た。
<比較例3>
加熱処理を行わなかった以外は実施例1と同様にして、酸化チタン粒子C3を得た。
加熱処理を行わなかった以外は実施例1と同様にして、酸化チタン粒子C3を得た。
<比較例4〜5>
加熱処理の条件を表1に記載のとおりに変更した以外は実施例1と同様にして、酸化チタン粒子C4〜C5を得た。
加熱処理の条件を表1に記載のとおりに変更した以外は実施例1と同様にして、酸化チタン粒子C4〜C5を得た。
<実施例2〜15>
表面処理に用いる金属化合物の種類及び量、並びに、加熱処理の条件を表1に記載のとおりに変更した以外は実施例1と同様にして、酸化チタン粒子2〜15を得た。
表面処理に用いる金属化合物の種類及び量、並びに、加熱処理の条件を表1に記載のとおりに変更した以外は実施例1と同様にして、酸化チタン粒子2〜15を得た。
<実施例21>
市販のルチル型酸化チタン粒子(堺化学工業(株)製、STR−100N、体積平均粒径16nm)をトルエンに分散した分散液に、この未処理の酸化チタン粒子100質量部に対して30質量部のデシルトリメトキシシランを滴下し、80℃で1時間反応させた後、出口温度120℃で噴霧乾燥して乾燥粉体を得た。得られた乾燥粉体に対し、酸素濃度(体積%)を12%に設定した電気炉で360℃、90分間の加熱処理を行い、酸化チタン粒子21を得た。
市販のルチル型酸化チタン粒子(堺化学工業(株)製、STR−100N、体積平均粒径16nm)をトルエンに分散した分散液に、この未処理の酸化チタン粒子100質量部に対して30質量部のデシルトリメトキシシランを滴下し、80℃で1時間反応させた後、出口温度120℃で噴霧乾燥して乾燥粉体を得た。得られた乾燥粉体に対し、酸素濃度(体積%)を12%に設定した電気炉で360℃、90分間の加熱処理を行い、酸化チタン粒子21を得た。
<比較例21>
市販のルチル型酸化チタン粒子(堺化学工業(株)製、STR−100N、体積平均粒径16nm)を、そのまま、酸化チタン粒子C21とした。
市販のルチル型酸化チタン粒子(堺化学工業(株)製、STR−100N、体積平均粒径16nm)を、そのまま、酸化チタン粒子C21とした。
<比較例22>
市販のルチル型酸化チタン粒子(堺化学工業(株)製、STR−100N、体積平均粒径16nm)に対し、実施例21と同じ条件で加熱処理を行い、酸化チタン粒子C22を得た。
市販のルチル型酸化チタン粒子(堺化学工業(株)製、STR−100N、体積平均粒径16nm)に対し、実施例21と同じ条件で加熱処理を行い、酸化チタン粒子C22を得た。
<比較例23>
加熱処理を行わなかった以外は実施例21と同様にして、酸化チタン粒子C23を得た。
加熱処理を行わなかった以外は実施例21と同様にして、酸化チタン粒子C23を得た。
<比較例24〜25>
加熱処理の条件を表1に記載のとおりに変更した以外は実施例21と同様にして、酸化チタン粒子C24〜C25を得た。
加熱処理の条件を表1に記載のとおりに変更した以外は実施例21と同様にして、酸化チタン粒子C24〜C25を得た。
<酸化チタン粒子の特性の測定>
各例で得られた酸化チタン粒子について、紫外可視吸収スペクトル特性を確認した。実施例1〜15及び実施例21の酸化チタン粒子は、波長400nm以上800nm以下の全範囲に吸収を有していた。表1中に、波長350nmの吸光度を1としたときの、波長450nm、波長600nm及び波長750nmのそれぞれの吸光度を示す(表1中「UV−Vis特性」と表記)。炭素1s軌道のXPSスペクトル、並びに、体積平均粒径(表1中「D50v」と表記)を既述の方法に従って測定した。
各例で得られた酸化チタン粒子について、紫外可視吸収スペクトル特性を確認した。実施例1〜15及び実施例21の酸化チタン粒子は、波長400nm以上800nm以下の全範囲に吸収を有していた。表1中に、波長350nmの吸光度を1としたときの、波長450nm、波長600nm及び波長750nmのそれぞれの吸光度を示す(表1中「UV−Vis特性」と表記)。炭素1s軌道のXPSスペクトル、並びに、体積平均粒径(表1中「D50v」と表記)を既述の方法に従って測定した。
<酸化チタン粒子の性能評価>
[光触媒活性]
可視光領域における酸化チタン粒子の光触媒活性として、下記のとおり、インクの分解性(色度変動)を評価した。
[光触媒活性]
可視光領域における酸化チタン粒子の光触媒活性として、下記のとおり、インクの分解性(色度変動)を評価した。
各例で得られた酸化チタン粒子を固形分濃度2質量%になるように、4質量%のメタノールを含む水に分散させた後、その分散液をタイル(5cm四方)に噴霧塗布した後、乾燥し、タイル表面に均一に酸化チタン粒子を付着させた。次いで、その表面に、万年筆用インク((株)パイロットコーポレーション製INK−30−R)をメタノール・水混合液(メタノール:水=3:5)で15倍に希釈した希釈インクを噴霧塗布した後、乾燥し、試験片を作製した。
波長400nm以上800nm以下の可視光を照射する発光ダイオード(LED)を使用し(ただし、インクの吸収波長領域(波長450nm以上550nm以下)はフィルターでカットした。)、試験片作製直後の試験片に可視光(10,000LX(ルクス))を2時間連続照射した。その際、試験片の照射面中央部に5円玉を設置し、照射の遮蔽部分を形成した。
作製直後の試験片と、可視光2時間照射後の試験片とにおける色相を分光色差計(エックスライト社製RM200QC)により測定し、下記式で算出されるΔE1及びΔE2を求めた。色度EはE={(L*)2+(a*)2+(b*)2}0.5で算出される値であり、L*、a*及びb*はL*a*b*表色系の座標値である。
・ΔE1=可視光2時間連続照射後の照射面の色度−試験片作製直後の試験片面の色度
・ΔE2=可視光2時間連続照射後の照射遮蔽面の色度−試験片作製直後の試験片面の色度
・ΔE1=可視光2時間連続照射後の照射面の色度−試験片作製直後の試験片面の色度
・ΔE2=可視光2時間連続照射後の照射遮蔽面の色度−試験片作製直後の試験片面の色度
ΔE1とΔE2とから消色変動値ΔE=ΔE1−ΔE2を求め、ΔEに基づいて分解性を下記のとおり評価した。
A(○):分解性が良好。
B(△):分解性がやや良好。
C(×):分解性が不良。
B(△):分解性がやや良好。
C(×):分解性が不良。
[分散性]
ビーカーに各例で得られた酸化チタン粒子0.05gを入れ、メチルエチルケトン40gを添加し、超音波分散機で10分間分散した後の粒度分布をナノトラックUPA−ST(マイクロトラック・ベル社製動的光散乱式粒度測定装置)により測定し、体積粒度分布の分布形態を下記のとおり分類した。
ビーカーに各例で得られた酸化チタン粒子0.05gを入れ、メチルエチルケトン40gを添加し、超音波分散機で10分間分散した後の粒度分布をナノトラックUPA−ST(マイクロトラック・ベル社製動的光散乱式粒度測定装置)により測定し、体積粒度分布の分布形態を下記のとおり分類した。
A:体積粒度分布のピークが一山であり、分散性が良好である。
B:体積粒度分布が二山であるが、メインピーク値が他ピーク値の10倍以上あり、実用上分散性に問題が無い。
C:体積粒度分布のピークが三山以上あり、分散性が不良である。
B:体積粒度分布が二山であるが、メインピーク値が他ピーク値の10倍以上あり、実用上分散性に問題が無い。
C:体積粒度分布のピークが三山以上あり、分散性が不良である。
表1に記載の金属化合物の詳細は、下記のとおりである。
・アセトアルコキシアルミニウムジイソプロピレート:味の素(株)製、プレンアクトAL−M
・イソプロピルトリイソステアロイルチタネート:味の素(株)製、プレンアクトTTS
・アセトアルコキシアルミニウムジイソプロピレート:味の素(株)製、プレンアクトAL−M
・イソプロピルトリイソステアロイルチタネート:味の素(株)製、プレンアクトTTS
表1に示した性能評価の結果から、本実施例は、比較例に比べて、可視光領域において光触媒活性に優れることがわかる。また、本実施例は、分散性が確保されていることがわかる。
Claims (16)
- 金属原子及び炭素原子を有する金属化合物が酸素原子を介して表面に結合しており、
炭素1s軌道のXPSスペクトルにおいて{(C−O結合のピーク強度+C=O結合のピーク強度)÷(C−C結合のピーク強度+C=C結合のピーク強度)}が0.03以上0.3以下であり、
可視吸収スペクトルにおいて波長450nm及び750nmに吸収を持つ、
酸化チタン粒子。 - 前記金属化合物が、金属原子と該金属原子に直接結合した炭素原子とを有する金属化合物である、請求項1に記載の酸化チタン粒子。
- 可視吸収スペクトルにおいて波長400nm以上800nm以下の全範囲に吸収を持つ、請求項1又は請求項2に記載の酸化チタン粒子。
- 前記金属原子がケイ素原子である、請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の酸化チタン粒子。
- 前記酸化チタン粒子の体積平均粒径が、10nm以上1μm以下である、請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の酸化チタン粒子。
- 炭素1s軌道のXPSスペクトルにおいて{(C−O結合のピーク強度+C=O結合のピーク強度)÷(C−C結合のピーク強度+C=C結合のピーク強度)}が0.04以上0.25以下である、請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載の酸化チタン粒子。
- 炭素1s軌道のXPSスペクトルにおいて{(C−O結合のピーク強度+C=O結合のピーク強度)÷(C−C結合のピーク強度+C=C結合のピーク強度)}が0.05以上0.2以下である、請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載の酸化チタン粒子。
- 金属原子及び炭化水素基を有する金属化合物により未処理の酸化チタン粒子を表面処理する工程と、
前記未処理の酸化チタン粒子を表面処理する工程中又は後に、酸化チタン粒子を加熱処理する工程と、
を含む、請求項1〜請求項7のいずれか1項に記載の酸化チタン粒子の製造方法。 - 前記金属化合物が、金属原子と該金属原子に直接結合した炭化水素基とを有する金属化合物である、請求項8に記載の酸化チタン粒子の製造方法。
- 前記金属原子がケイ素原子である、請求項8又は請求項9に記載の酸化チタン粒子の製造方法。
- 前記炭化水素基が、炭素数1以上20以下の飽和若しくは不飽和の脂肪族炭化水素基又は芳香族炭化水素基である、請求項8〜請求項10のいずれか1項に記載の酸化チタン粒子の製造方法。
- 前記炭化水素基が、炭素数1以上20以下の飽和脂肪族炭化水素基である、請求項8〜請求項10のいずれか1項に記載の酸化チタン粒子の製造方法。
- 前記炭化水素基が、炭素数4以上10以下の飽和脂肪族炭化水素基である、請求項8〜請求項10のいずれか1項に記載の酸化チタン粒子の製造方法。
- 請求項1〜請求項7のいずれか1項に記載の酸化チタン粒子と、
分散媒及びバインダーからなる群から選ばれた少なくとも1種の化合物と、
を含む光触媒形成用組成物。 - 請求項1〜請求項7のいずれか1項に記載の酸化チタン粒子を含む、又は、からなる光触媒。
- 請求項1〜請求項7のいずれか1項に記載の酸化チタン粒子を有する構造体。
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