JP2021154233A - 金属ナノ粒子担持チタニアナノ粒子及びそれを用いた光触媒 - Google Patents
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Abstract
Description
前記チタニアナノ粒子は、表面に存在する少なくとも一部のチタン原子にアシルオキシ基が結合しており、
前記チタニアナノ粒子を示差熱熱重量同時測定装置によって600℃まで昇温させた場合の200℃以上における質量減少が5質量%以上であり、且つ、
チタニアナノ粒子中の酸化チタンに対して90質量%以下の担持量で金属ナノ粒子が表面に担持されている、金属ナノ粒子担持チタニアナノ粒子。
項2.前記アシルオキシ基が、−OCOR(式中、Rは水素原子、炭素数1〜3のアルキル基、又は炭素数1〜2のヒドロキシアルキル基を示す)で表される基でチタン原子と結合している、項1に記載の金属ナノ粒子担持チタニアナノ粒子。
項3.前記アシルオキシ基が、炭素数1〜4のモノカルボン酸及び炭素数2〜3のヒドロキシカルボン酸よりなる群から選ばれる少なくとも1種の有機酸由来のアシルオキシ基である、項1に記載の金属ナノ粒子担持チタニアナノ粒子。
項4.前記有機酸が酢酸である、項3に記載の金属ナノ粒子担持チタニアナノ粒子。
項5.前記チタニアナノ粒子の比表面積が150〜500m2/gである、項1〜4のいずれか1項に記載の金属ナノ粒子担持チタニアナノ粒子。
項6.前記チタニアナノ粒子がアナターゼ型以外の結晶形を含まない、項1〜5のいずれか1項に記載の金属ナノ粒子担持チタニアナノ粒子。
項7.前記金属ナノ粒子を構成する金属が、白金族元素、鉄族元素及び周期表第11族元素よりなる群から選ばれる少なくとも1種の金属である、項1〜6のいずれか1項に記載の金属ナノ粒子担持チタニアナノ粒子。
項8.項1〜7のいずれか1項に記載の金属ナノ粒子担持チタニアナノ粒子を含有する、光触媒。
項9.項1〜7のいずれか1項に記載の金属ナノ粒子担持チタニアナノ粒子又は請求項8に記載の光触媒の製造方法であって、
(A)チタンを含む物質、有機酸及び水を混合して分散液を得る工程、
(B)前記工程(A)で得られた分散液を80℃より高い温度で1時間以上加熱する工程、並びに
(C)前記工程(B)で得られた分散液と金属化合物とを混合して得られた分散液に対して紫外光を照射する工程、若しくは
(C’)前記工程(B)で得られた分散液と金属ナノ粒子とを混合する工程
を備える、製造方法。
項10.前記工程(C)において、10μW/m2以上の紫外光を5分以上照射する、項9に記載の製造方法。
項11.前記工程(A)において、前記チタンを含む物質と前記有機酸との混合比率は、前記チタンを含む物質中のチタン1モルに対して前記有機酸中のアシルオキシ基が1.5モル以上である、項9又は10に記載の製造方法。
項12.前記工程(C)において、前記金属化合物の使用量は、前記金属化合物中の金属元素の質量に換算して、前記工程(B)で得られた分散液を200℃で加熱した際の固形分量に対して90質量%以下である、項9〜11のいずれか1項に記載の製造方法。
項13.前期工程(C)における紫外光照射が、室温(20℃)以上で行われる、項9〜12のいずれか1項に記載の製造方法。
項14.50質量%以上の水と、項1〜7のいずれか1項に記載の金属ナノ粒子担持チタニアナノ粒子又は項8に記載の光触媒とを含有する、金属ナノ粒子担持チタニアナノ粒子分散液。
項15.前記有機酸とは別途有機分散剤を含有しない、項14に記載の金属ナノ粒子担持チタニアナノ粒子分散液。
本発明の金属ナノ粒子担持チタニアナノ粒子は、チタニアナノ粒子の表面に金属ナノ粒子が担持された金属ナノ粒子担持チタニアナノ粒子であって、前記チタニアナノ粒子は、表面に存在する少なくとも一部のチタン原子にアシルオキシ基が結合しており、チタニアナノ粒子中の酸化チタンに対して90質量%以下の担持量で金属ナノ粒子が表面に担持されており、且つ、示差熱熱重量同時測定装置によって600℃まで昇温させた場合の200℃以上における質量減少が5質量%以上である。
通常、水、無機酸、遊離した有機酸等は200℃以下でほとんど揮発する。一方、本発明の金属ナノ粒子担持チタニアナノ粒子を構成するチタニアナノ粒子は、表面に存在する少なくとも一部のチタン原子にアシルオキシ基が結合していることから、200〜600℃の範囲で徐々に脱離する。例えばアセトキシ基の場合は、約260℃をピークとして200〜600℃の範囲で徐々に脱離する。このように、本発明の金属ナノ粒子担持チタニアナノ粒子を構成するチタニアナノ粒子は、表面に存在する少なくとも一部のチタン原子にアシルオキシ基が結合していることから、乾燥又は焼成時にチタニアナノ粒子同士の凝集を抑制できるためクラック、剥がれ等が起こりにくく塗布性及び透明性に特に優れるとともに、クラック、剥がれ等を抑制することができ、さらには後述の金属ナノ粒子を強固に担持させやすい結果可視光触媒活性にも優れる。なお、通常は、表面にアシルオキシ基を有していると可視光触媒活性は低下するのが技術常識であるが、本発明では上記のとおり乾燥又は焼成時にチタニアナノ粒子同士の凝集を抑制できるためクラック、剥がれ等の抑制効果が特に優れているとともに、後述の金属ナノ粒子を強固に担持させやすいためアシルオキシ基を有しているにもかかわらず可視光触媒活性も向上させることができる。
金属ナノ粒子を構成する金属としては、特に制限はなく、白金、パラジウム、ルテニウム、ロジウム、イリジウム等の白金族元素の他、鉄、コバルト、ニッケル等の鉄族元素や、金、銀、銅等の周期表第11族元素等も採用することができる。なかでも、チタニアナノ粒子表面に担持させやすく可視光触媒活性を向上させやすい観点から、白金族元素が好ましく、白金がより好ましい。
上記した金属ナノ粒子をチタニアナノ粒子に担持させる方法としては、金属化合物とチタニアナノ粒子とを混合後光照射により担持する光析出法と、任意の方法で合成された金属ナノ粒子をチタニアナノ粒子と混合して担持する方法があるが、本発明においては、可視光触媒活性の観点から光析出合成法が好ましい。
(A)チタンを含む物質、有機酸及び水を混合して分散液を得る工程、
(B)前記工程(A)で得られた分散液を80℃より高い温度で1時間以上加熱する工程、及び
(C)前記工程(B)で得られた分散液と金属化合物とを混合して得られた分散液に対して紫外光を照射する工程
を備える方法により製造することができる。
(A)チタンを含む物質、有機酸及び水を混合して分散液を得る工程、
(B)前記工程(A)で得られた分散液を80℃より高い温度で1時間以上加熱する工程、及び
(C’)前記工程(B)で得られた分散液と金属ナノ粒子とを混合する工程
を備える方法により製造することもできる。
工程(A)では、チタンを含む物質、有機酸及び水を混合して分散液を得る。
工程(B)においては、工程(A)で得られた分散液を80℃より高い温度で1時間以上加熱する。
工程(C)においては、工程(B)で得られた分散液と金属化合物とを混合して得た分散液に対して紫外光を照射する。
本発明では、上記した工程(C)の代わりに、工程(C’)として、工程(B)で得られた分散液と金属ナノ粒子とを混合する工程を採用することもできる。
本発明の金属ナノ粒子担持チタニアナノ粒子分散液(特に光触媒分散液、さらには可視光応答型光触媒分散液)は、上記工程(A)〜(C)を経た反応液を用い、必要に応じて超音波分散等の分散工程を加えることにより、さらに均一な分散液を作製できる。この時、従来の可視光応答型光触媒の分散液においては分散剤を使用しなければ均一な分散液を得ることができなかったことから、本発明においても、分散剤を加えてもよいが、分散剤を加えなくても通常の可視光応答型光触媒より遥かに分散性のよい分散液が得られる。分散性がよい結果、コーティングの耐クラック性にも優れる。また、分散剤を加えなくてもよい結果、緻密なチタニアのコーティングも可能になり、塗布性及び透明性にも優れるうえに、可視光触媒活性にも優れる。
チタンテトライソプロポキシド142.1g(0.5mol)に酢酸120g(2mol)を加え60分撹拌し、水を538g加えた。この分散液は、チタンテトライソプロポキシドの濃度は0.625mol/L、酢酸の濃度は2.5mol/L、pHは2.2であった。半透明の沈殿が大量に発生したが、60分間撹拌した後に加熱を行ったところ70℃で沈殿がすべて溶解した。なお、この分散液において、無機酸の濃度、N、Cl及びS元素の濃度はいずれも0mol/Lである。
実施例1と同様の方法で得たチタニアナノ粒子を含む分散液30g(5.2質量%)に代表的な白金ナノ粒子合成方法であるポリオール還元により合成した白金ナノ粒子を、白金分が酸化チタン重量に対して2質量%となるように添加し、1時間攪拌混合することで分散液を得た。この分散液は水の含有量が約95質量%でありpHは2.3であった。
水の量を変えたこと以外は実施例1と同様の方法で得たチタニアナノ粒子を含む分散液30g(5.9質量%)に6.3mgのビス(アセチルアセトナト)白金(II)を加え、空気雰囲気下、照射強度1.5mW/cm2の紫外線を途切れなく継続して照射(連続照射)しながら、室温(20℃)で2時間30分攪拌混合を行うことで、分散液を得た。つまり、担持される白金分が酸化チタン重量に対して0.2質量%となるように添加した。この分散液は水の含有量が約95質量%でありpHは2.3であった。また、照射時間が実施例1に比べおよそ5倍かかったことから、ヘキサクロロ白金(IV)のように、負電荷の錯体の方が酸化チタン表面との相互作用が大きくなったことが示唆される。
水の量を変えたこと以外は実施例1と同様の方法で得たチタニアナノ粒子を含む分散液30g(5.9質量%)に11.1mgの酢酸銅(II)一水和物を加え、空気雰囲気下、照射強度1.5mW/cm2の紫外線を途切れなく継続して照射(連続照射)しながら、室温(20℃)で2時間30分攪拌混合を行うことで、分散液を得た。つまり、担持される銅分が酸化チタン重量に対して0.2質量%となるように添加した。この分散液は水の含有量が約95質量%でありpHは2.3であった。
水の量を変えたこと以外は実施例1と同様の方法で得たチタニアナノ粒子を含む分散液30g(5.9質量%)に0.47mgのヘキサクロロ白金(IV)酸六水和物を加え、空気雰囲気下、照射強度1.5mW/cm2の紫外線を途切れなく継続して照射(連続照射)しながら、室温(20℃)で30分攪拌混合を行うことで、分散液を得た。つまり、担持される白金分が酸化チタン重量に対して0.01質量%となるように添加した。この分散液は水の含有量が約95質量%でありpHは2.3であった。
水の量を変えたこと以外は実施例1と同様の方法で得たチタニアナノ粒子を含む分散液30g(5.9質量%)に5.5mgの酢酸銀(I)を加え、空気雰囲気下、照射強度1.5mW/cm2の紫外線を途切れなく継続して照射(連続照射)しながら、室温(20℃)で30分攪拌混合を行うことで、分散液を得た。つまり、担持される銀分が酸化チタン重量に対して0.2質量%となるように添加した。この分散液は水の含有量が約95質量%でありpHは2.3であった。
水の量を変えたこと以外は実施例1と同様の方法で得たチタニアナノ粒子を含む分散液30g(5.9質量%)に8.0mgの塩化鉄(II)四水和物を加え、空気雰囲気下、照射強度1.5mW/cm2の紫外線を途切れなく継続して照射(連続照射)しながら、室温(20℃)で2時間30分攪拌混合を行うことで、分散液を得た。つまり、担持される鉄分が酸化チタン重量に対して0.2質量%となるように添加した。この分散液は水の含有量が約95質量%でありpHは2.3であった。
チタニアナノ粒子ST−01(石原産業(株)製、比表面積300m2/g、比表面積から計算した平均粒子径5nm、表面にアシル基は存在しない)10gに酢酸30gと水160gを加え、53.1mgのヘキサクロロ白金酸六水和物を添加し、照射強度1.5mW/cm2の紫外線を途切れなく継続して照射(連続照射)しながら、室温(20℃)で30分攪拌混合を行った後に超音波分散を行ったが、均一な溶液が得られなかった。つまり、担持される白金分が酸化チタン重量に対して0.2質量%となるように添加した。
チタニアナノ粒子ST−01(石原産業(株)製、比表面積300m2/g、比表面積から計算した平均粒子径5nm、表面にアシル基は存在しない)10gに水190gを加え、53.1mgのヘキサクロロ白金酸六水和物を添加し、照射強度1.5mW/cm2の紫外線を途切れなく継続して照射(連続照射)しながら、室温(20℃)で30分攪拌混合を行った後に超音波分散を行ったが、均一な溶液が得られなかった。つまり、担持される白金分が酸化チタン重量に対して0.2質量%となるように添加した。
ルミレッシュCT−2(酸化チタン系可視光応答型触媒の市販品、表面にアシル基は存在しない)10gに水190gを加え、超音波分散を行ったが、均一な溶液が得られなかった。
チタンテトライソプロポキシド142.1g(0.5mol)に酢酸120g(2mol)を加え60分撹拌し、水を538g加えた。この分散液は、チタンテトライソプロポキシドの濃度は0.625mol/L、酢酸の濃度は2.5mol/L、pHは2.2であった。半透明の沈殿が大量に発生したが、60分間撹拌した後に加熱を行ったところ70℃で沈殿がすべて溶解した。なお、この分散液において、無機酸の濃度、N、Cl及びS元素の濃度はいずれも0mol/Lである。
Claims (15)
- チタニアナノ粒子の表面に金属ナノ粒子が担持された金属ナノ粒子担持チタニアナノ粒子であって、
前記チタニアナノ粒子は、表面に存在する少なくとも一部のチタン原子にアシルオキシ基が結合しており、
前記チタニアナノ粒子を示差熱熱重量同時測定装置によって600℃まで昇温させた場合の200℃以上における質量減少が5質量%以上であり、且つ、
チタニアナノ粒子中の酸化チタンに対して90質量%以下の担持量で金属ナノ粒子が表面に担持されている、金属ナノ粒子担持チタニアナノ粒子。 - 前記アシルオキシ基が、−OCOR(式中、Rは水素原子、炭素数1〜3のアルキル基、又は炭素数1〜2のヒドロキシアルキル基を示す)で表される基でチタン原子と結合している、請求項1に記載の金属ナノ粒子担持チタニアナノ粒子。
- 前記アシルオキシ基が、炭素数1〜4のモノカルボン酸及び炭素数2〜3のヒドロキシカルボン酸よりなる群から選ばれる少なくとも1種の有機酸由来のアシルオキシ基である、請求項1に記載の金属ナノ粒子担持チタニアナノ粒子。
- 前記有機酸が酢酸である、請求項3に記載の金属ナノ粒子担持チタニアナノ粒子。
- 前記チタニアナノ粒子の比表面積が150〜500m2/gである、請求項1〜4のいずれか1項に記載の金属ナノ粒子担持チタニアナノ粒子。
- 前記チタニアナノ粒子がアナターゼ型以外の結晶形を含まない、請求項1〜5のいずれか1項に記載の金属ナノ粒子担持チタニアナノ粒子。
- 前記金属ナノ粒子を構成する金属が、白金族元素、鉄族元素及び周期表第11族元素よりなる群から選ばれる少なくとも1種の金属である、請求項1〜6のいずれか1項に記載の金属ナノ粒子担持チタニアナノ粒子。
- 請求項1〜7のいずれか1項に記載の金属ナノ粒子担持チタニアナノ粒子を含有する、光触媒。
- 請求項1〜7のいずれか1項に記載の金属ナノ粒子担持チタニアナノ粒子又は請求項8に記載の光触媒の製造方法であって、
(A)チタンを含む物質、有機酸及び水を混合して分散液を得る工程、
(B)前記工程(A)で得られた分散液を80℃より高い温度で1時間以上加熱する工程、並びに
(C)前記工程(B)で得られた分散液と金属化合物とを混合して得られた分散液に対して紫外光を照射する工程、若しくは
(C’)前記工程(B)で得られた分散液と金属ナノ粒子とを混合する工程
を備える、製造方法。 - 前記工程(C)において、10μW/m2以上の紫外光を5分以上照射する、請求項9に記載の製造方法。
- 前記工程(A)において、前記チタンを含む物質と前記有機酸との混合比率は、前記チタンを含む物質中のチタン1モルに対して前記有機酸中のアシルオキシ基が1.5モル以上である、請求項9又は10に記載の製造方法。
- 前記工程(C)において、前記金属化合物の使用量は、前記金属化合物中の金属元素の質量に換算して、前記工程(B)で得られた分散液を200℃で加熱した際の固形分量に対して90質量%以下である、請求項9〜11のいずれか1項に記載の製造方法。
- 前期工程(C)における紫外光照射が、室温(20℃)以上で行われる、請求項9〜12のいずれか1項に記載の製造方法。
- 50質量%以上の水と、請求項1〜7のいずれか1項に記載の金属ナノ粒子担持チタニアナノ粒子又は請求項8に記載の光触媒とを含有する、金属ナノ粒子担持チタニアナノ粒子分散液。
- 前記有機酸とは別途有機分散剤を含有しない、請求項14に記載の金属ナノ粒子担持チタニアナノ粒子分散液。
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- 2020-03-27 JP JP2020058561A patent/JP2021154233A/ja active Pending
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