JP2022040829A - 可視光応答型光触媒 - Google Patents
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Abstract
Description
バナジン酸ビスマス(BiVO4)粒子と、当該BiVO4粒子の表面に担持された助触媒とを含んでなる可視光応答型光触媒粒子であって、
前記BiVO4粒子の平均一次粒子径が100nm以下であり、
前記助触媒が、銅(Cu)イオンおよび鉄(Fe)イオンを含む水酸化物および/または酸化物であることを特徴とする。
本明細書において、「可視光」とは、人間の目で視認可能な波長の電磁波(光)を意味する。好ましくは、波長380nm以上の可視光線を含む光、より好ましくは、波長420nm以上の可視光線を含む光を意味する。また、可視光線を含む光としては、太陽光、集光してエネルギー密度を高めた集光太陽光、あるいはキセノンランプ、ハロゲンランプ、ナトリウムランプ、蛍光灯、発光ダイオード等の人工光源を光源として用いることが可能である。好ましくは、地球上に無尽蔵に降り注いでいる太陽光を光源として用いる。これにより、太陽光線の約52%を占める可視光線を利用可能であり、水から水素及び酸素を効率的に取り出すことが可能となる。
本発明において、可視光応答型光触媒は、光学的バンドギャップを有する半導体物質である。可視光応答型光触媒が可視光を吸収することで、可視光応答型光触媒におけるバンド間遷移等の電子遷移により、伝導帯に励起電子を生じ、かつ価電子帯に励起正孔が生じる。可視光応答型光触媒とは、この励起電子および励起正孔のそれぞれが反応対象物を還元および酸化することが可能な光触媒材料である。
本発明による可視光応答型光触媒粒子は、可視光を照射することにより、有機物の分解が可能である。この有機物の分解能は、例えば、メチレンブルー(MB)色素の酸化分解試験やイソプロパノール(IPA)の気相分解反応を用いて評価することができる。
メチレンブルー(MB)色素の酸化分解試験は、JIS R 1703-2 あるいは ISO 10678に基づいた試験方法に準拠した方法を用いることが可能である。その評価用光源としては、紫外線、あるいは可視光のいずれかを含む光源を用いることができる。本発明における可視光応答型光触媒のMB分解試験における分解活性指数は、1以上が好ましく、3以上がより好ましく、さらにより好ましくは、5以上である。また、20以下であることが好ましい。
BiVO 4 粒子の作製
20mLサンプル瓶に、水10gと錯化剤であるL-(+)酒石酸(和光純薬製)0.0017mol(0.2536g)を添加し、室温で撹拌しながら、メタバナジン酸アンモニウム(アルドリッチ製)0.0017mol(0.20g)を添加し、50℃で1時間撹拌して水溶性バナジウム錯体を含む赤茶色透明な水溶液を作製した。また、20mLサンプル瓶に、水10gに、親水性錯化剤であるエチレンジアミン四酢酸(和光純薬製)0.017mol(0.494g)を添加し、25%アンモニア水を1g滴下して水に溶解させた後、室温で撹拌しながら、硝酸ビスマス五水和物(和光純薬製)0.0017mol(0.82g)を添加し、室温で1時間撹拌して水溶性ビスマス錯体を含む無色透明な水溶液を作製した。次いで、上記で作製した水溶性ビスマス錯体を含む水溶液に、水溶性バナジウム錯体を含む水溶液を添加して、室温で3時間撹拌を行った。これにより、BiVO4前駆体を含む青色透明な水溶液を得た。この水溶液のpHは、およそ8であった。以上のように作製した、BiVO4前駆体水溶液を、80℃で1時間乾燥させた後、500℃で1時間焼成することで結晶化させ、BiVO4粒子を作製した(平均一次粒子径:80nm)。また、上記と同様の方法で焼成温度を700℃とすることにより、平均一次粒子径が300nmであるBiVO4粒子を作製した。
上記で作製した各BiVO4粒子に、助触媒として銅および鉄イオンを含む水酸化物粒子を担持させた。具体的には、9mLガラス製サンプル管瓶に、任意の重量比で混合させた塩化銅(II)および塩化鉄(III)を含む水溶液2mLとBiVO4粉末0.2gを添加し、マグネティックスターラーで30分攪拌し、超音波分散させた。その後、このサンプル管瓶を、ホットプレートで90℃に加熱しながら、マグネティックスターラーで1時間攪拌した。その後、吸引ろ過により粉末を回収し、80℃で12時間乾燥させることで、表面に、銅イオンおよび鉄イオンを含む水酸化物粒子からなる助触媒を担持したBiVO4粉末を得た。各BiVO4粒子に担持させた助触媒の量は表1に記載の通りであり、BiVO4粒子の重量に対する助触媒の金属(銅および鉄)換算重量の割合で示す。助触媒の平均粒子径は、5nmであった。
アセトアルデヒドの気相分解反応を用い、光触媒活性評価を行った。まず、光触媒粉末0.2gを超純水2mLに分散させてから、内面積5.5cm2のペトリ皿に注ぎ、100℃で乾燥させることで、ペトリ皿に光触媒粉末を満遍なく固定させた。このペトリ皿をガラス製セパラブルリアクター(内体積0.5L)の中央に設置した。乾燥純空気(純度99.9%)でリアクター内部を満たした後、アセトアルデヒドガスを導入し、青色LED(林時計工業製)を用いて可視光(2mW/cm2)を照射することで、光触媒粉末表面に吸着した汚れを予め分解・除去した。その後、アセトアルデヒドを約300ppm含む乾燥空気中で、青色LEDを用いて、ペトリ皿に固定した光触媒粉末に可視光照射した。酸化分解に伴って減衰するアセトアルデヒド濃度の変化をマルチガスモニター(松下テクノトレーディング、INNOVA)を用いて観測した。このアセトアルデヒドの減衰速度から量子収率を求めた。結果を表1に示す。
Claims (4)
- バナジン酸ビスマス(BiVO4)粒子と、当該BiVO4粒子の表面に担持された助触媒とを含んでなる可視光応答型光触媒粒子であって、
前記BiVO4粒子の平均一次粒子径が100nm以下であり、
前記助触媒が、銅(Cu)イオンおよび鉄(Fe)イオンを含む水酸化物および/または酸化物である、可視光応答型光触媒粒子。 - 前記助触媒の担持量は、前記BiVO4粒子の重量に対する前記助触媒に含まれる銅および鉄の金属換算濃度が、0.5wt%以上3wt%以下である、請求項1に記載の可視光応答型光触媒粒子。
- 前記助触媒は、前記BiVO4粒子の表面に粒子として担持されている、請求項1または2に記載の可視光応答型光触媒粒子。
- 有機物の分解が可能である、請求項1~3のいずれか1項に記載の可視光応答型光触媒粒子。
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