JP2023142187A - Method for producing photocatalyst and photocatalyst component - Google Patents

Method for producing photocatalyst and photocatalyst component Download PDF

Info

Publication number
JP2023142187A
JP2023142187A JP2022048941A JP2022048941A JP2023142187A JP 2023142187 A JP2023142187 A JP 2023142187A JP 2022048941 A JP2022048941 A JP 2022048941A JP 2022048941 A JP2022048941 A JP 2022048941A JP 2023142187 A JP2023142187 A JP 2023142187A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
tin
photocatalyst
oxygen
lanthanoid
mol
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2022048941A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
昭彦 工藤
Akihiko Kudo
利生 林
Toshio Hayashi
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsui Chemicals Inc
Tokyo University of Science
Japan Technological Research Association of Artificial Photosynthetic Chemical Process
Original Assignee
Mitsui Chemicals Inc
Tokyo University of Science
Japan Technological Research Association of Artificial Photosynthetic Chemical Process
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mitsui Chemicals Inc, Tokyo University of Science, Japan Technological Research Association of Artificial Photosynthetic Chemical Process filed Critical Mitsui Chemicals Inc
Priority to JP2022048941A priority Critical patent/JP2023142187A/en
Publication of JP2023142187A publication Critical patent/JP2023142187A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • Catalysts (AREA)

Abstract

To provide a method for producing a photocatalyst and a photocatalyst component which uses tin-containing complex oxide such as tin niobate, and shows higher photocatalyst performance.SOLUTION: A photocatalyst according to the present invention contains divalent tin (Sn2+), furthermore includes tin-containing complex oxide containing lanthanoid. Note that the molar ratio of lanthanoid/tin is within the range of 0.003 to 1 mol%. A producing method according to the present invention is a method for producing a photocatalyst component made of tin-containing complex oxide which contains divalent tin (Sn2+) and furthermore contains lanthanoid, where the method includes a process of bringing alkali metal salt of metal acid, tin halide and lanthanoid-containing compound in contact, and the molar ratio of lanthanoid/tin is within the range of 0.003 to 1 mol%.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

光により水を水素と酸素に分解出来る光触媒及び光触媒成分の製造方法に関する。なお、本明細書において、「光触媒成分」とは、光触媒に含まれる成分をいう。 The present invention relates to a photocatalyst that can decompose water into hydrogen and oxygen using light, and a method for producing a photocatalyst component. In addition, in this specification, a "photocatalyst component" refers to the component contained in a photocatalyst.

太陽光エネルギーを固定化する方法として自然界の植物による光合成が知られている。この光合成では、クロロフィルという色素が、680nmと700nmの2種の吸収極大を有することが知られているが、この方法を工業化することは困難なのが現状である。 Photosynthesis by plants in nature is known as a method of fixing sunlight energy. In this photosynthesis, it is known that a pigment called chlorophyll has two absorption maxima at 680 nm and 700 nm, but it is currently difficult to industrialize this method.

一方、太陽光と安価な光触媒を用いて水を分解して水素を製造するシステムは、再生エネルギー技術の一つとしてその実用化が期待されている。この太陽光を用いて水を分解して水素を製造するシステムには2つのタイプの方法がある。1つ目は、1段階励起型光触媒システムである。このシステムでは1種類の光触媒を用いて、その光触媒のバンド構造として、伝導帯の下端が水の還元電位より負側のポテンシャル、かつ、価電子帯の上端が水の酸化電位より正側のポテンシャルを持つことが必要である。2つ目は、2段励起型光触媒システムである。これは植物の光合成と類似するメカニズムのためZ-スキーム型光触媒システムと呼ばれている。このシステムは2種類の光触媒、即ち、水素生成光触媒と酸素生成光触媒、及び、電子伝達剤から構成されている。ここで構成される光触媒は、水素生成のポテンシャル及び酸素生成のポテンシャルのどちらかを有すればよい。そして、適切な電子伝達剤と組合せることにより水を水素と酸素に分解することができる。前者の方が簡便かつ低コストが期待できるためより好ましいが、前者は選択できる光触媒が限られているために、現在は光触媒の選択肢の広い後者の方がより活発に開発が進められている。 On the other hand, a system that uses sunlight and inexpensive photocatalysts to split water and produce hydrogen is expected to be put into practical use as a renewable energy technology. There are two types of systems that use sunlight to split water and produce hydrogen. The first is a one-stage excitation type photocatalytic system. In this system, one type of photocatalyst is used, and the band structure of the photocatalyst is such that the lower end of the conduction band has a potential more negative than the reduction potential of water, and the upper end of the valence band has a potential more positive than the oxidation potential of water. It is necessary to have The second is a two-stage excitation type photocatalytic system. This is called a Z-scheme photocatalytic system because its mechanism is similar to that of photosynthesis in plants. This system consists of two types of photocatalysts, namely a hydrogen-producing photocatalyst and an oxygen-producing photocatalyst, and an electron transfer agent. The photocatalyst configured here may have either a hydrogen production potential or an oxygen production potential. By combining it with an appropriate electron transfer agent, water can be decomposed into hydrogen and oxygen. The former is more preferable because it is expected to be simple and low-cost; however, since the photocatalysts that can be selected from the former are limited, the latter, which has a wider selection of photocatalysts, is currently being more actively developed.

地表に届く太陽光スペクトルのおよそ半分は可視光であり、紫外光はわずか数%である。一方、従来の多くの光触媒は紫外領域に対して活性があるものが多く、可視光には不活性の傾向がある。この為、仮に太陽光の400nmまでの紫外光をすべて使い切れたとしても、太陽エネルギー変換効率の最大値は2%程度にとどまり、植物の光合成のエネルギー変換効率(1~2%)を大きく上回ることはない。これに対して可視光領域の光を利用できるようになると、例えば600nmまで利用出来た場合の最大エネルギー変換効率は15%であり、800nmまで利用出来た場合には33%と算出される。よって、上記の様な可視光を変換できる光触媒であれば、前記の1~2%と言うエネルギー変換効率に対して飛躍的に向上すると考えられている。 Approximately half of the sunlight spectrum that reaches the earth's surface is visible light, and only a few percent is ultraviolet light. On the other hand, many conventional photocatalysts are active in the ultraviolet region and tend to be inactive in visible light. For this reason, even if all the ultraviolet light of sunlight up to 400 nm could be used up, the maximum solar energy conversion efficiency would remain at around 2%, far exceeding the energy conversion efficiency of plants' photosynthesis (1-2%). There isn't. On the other hand, when it becomes possible to use light in the visible light range, the maximum energy conversion efficiency is calculated to be 15% when it can be used up to 600 nm, and 33% when it can be used up to 800 nm. Therefore, it is believed that a photocatalyst capable of converting visible light as described above would dramatically improve the energy conversion efficiency of 1 to 2%.

金属酸化物は、大気中で安定な化合物であることが多く、半導体にもなり得るので、光触媒としての報告がある。一方、光半導体となり得る通常の金属酸化物の多くは価電子帯が酸素2p軌道により構成されるため価電子帯上端の電位は+3V vs. NHE付近となり、これは水を酸化できる電位1.23V vs. NHEに比べてかなり正側に位置するので、水を酸化する条件を満たすが、バンドギャップ(伝導帯下端と価電子帯上端との電位差)が大きい材料になってしまう。即ち、伝導帯下端の電位が水を還元できる電位0.0V vs. NHEよりも負側になる必要があり、価電子帯下端の位置が+3.0V vs. NHE以上であれば、そのバンドギャップ(伝導帯下端と価電子帯上端の電位差)は3.0eV以上になってしまうため、吸収端は410nm以下となり可視光をわずかしか吸収できない傾向がある。 Metal oxides are often stable compounds in the atmosphere and can also be used as semiconductors, so there are reports that they can be used as photocatalysts. On the other hand, in many ordinary metal oxides that can be used as optical semiconductors, the valence band is composed of oxygen 2p orbitals, so the potential at the top of the valence band is +3V vs. It is near NHE, which is the potential that can oxidize water, 1.23V vs. Since it is located on the much positive side compared to NHE, it satisfies the conditions for oxidizing water, but it becomes a material with a large band gap (potential difference between the lower end of the conduction band and the upper end of the valence band). That is, the potential at the lower end of the conduction band is the potential at which water can be reduced, 0.0V vs. It needs to be on the more negative side than NHE, and the position of the lower end of the valence band is +3.0V vs. If it is NHE or higher, its band gap (potential difference between the lower end of the conduction band and the upper end of the valence band) will be 3.0 eV or more, so the absorption edge will be 410 nm or less, and there is a tendency that only a small amount of visible light can be absorbed.

このように、通常の光半導体となる金属酸化物では可視光応答できる材料が非常に少ないという問題がある。可視光に応答する光触媒を開発するために価電子帯制御型光触媒と呼ばれるアプローチがある。価電子制御型光触媒とは、酸素の2p軌道を作る価電子帯よりも浅い位置(エネルギー的に卑な側)に構成元素により価電子帯が形成される金属酸化物光触媒である。このような浅い価電子帯を形成する元素としてAg(I)、Bi(III)、Sn(II)、Cu(I)が挙げられる。
上記の様な金属酸化物の他、金属窒化物や金属硫黄化物の光触媒も報告されているが、これらの化合物は、金属酸化物に比して大気中での安定性が低い傾向がある。可視光応答型の酸素生成光触媒として比較的高い活性を示すものとして、即ち、従来の2段励起型の酸素生成光触媒として、SnNb、WO、BiVO、TaON等が既に知られている。
As described above, there is a problem in that there are very few metal oxides that can be used as ordinary optical semiconductors that can respond to visible light. There is an approach called valence band-controlled photocatalyst to develop photocatalysts that respond to visible light. A valence electron-controlled photocatalyst is a metal oxide photocatalyst in which a valence band is formed by constituent elements at a shallower position (on the less energetic side) than the valence band that forms the 2p orbital of oxygen. Examples of elements that form such a shallow valence band include Ag(I), Bi(III), Sn(II), and Cu(I).
In addition to the metal oxides mentioned above, photocatalysts made of metal nitrides and metal sulfides have also been reported, but these compounds tend to have lower stability in the atmosphere than metal oxides. SnNb 2 O 6 , WO 3 , BiVO 4 , TaON, etc. are already known as visible light-responsive oxygen-generating photocatalysts that exhibit relatively high activity, that is, as conventional two-stage excitation-type oxygen-generating photocatalysts. There is.

上記の金属化合物光触媒は、単独で光触媒として十分な性能を示さない場合がある。この為、助触媒や表面修飾の技術を併用することも上記光触媒と同様に重要な要素である。 The metal compound photocatalysts described above may not exhibit sufficient performance as photocatalysts alone. For this reason, the combined use of cocatalysts and surface modification techniques is also an important element, similar to the photocatalyst described above.

水を酸化して酸素を生成する際は、大きな過電圧が取れる場合は助触媒なしでよいが、大きな過電圧が取れない光触媒では、酸素発生用助触媒としてCo、Ir、Ru、Fe、Mn等を含む酸化物や水酸化物が必要となる。 When generating oxygen by oxidizing water, if a large overvoltage can be obtained, no co-catalyst may be required, but for photocatalysts that cannot produce large over-voltages, Co, Ir, Ru, Fe, Mn, etc. may be used as co-catalysts for oxygen generation. Containing oxides and hydroxides are required.

前記のニオブ酸スズ(SnNb)は、可視光照射下に犠牲剤を用いた水素生成、及び、可視光照射下に犠牲剤を用いた酸素生成を各々起こすことが知られている(例えば特許文献1、非特許文献1及び2)。また、最近はニオブ酸スズが可視光照射下に水を水素と酸素に全分解することも報告されている(特許文献2)。また、ニオブ酸スズは、酸素生成用の光触媒電極としても有効であることが知られている(非特許文献3)。 The above-mentioned tin niobate (SnNb 2 O 6 ) is known to cause hydrogen generation using a sacrificial agent under visible light irradiation, and oxygen generation using a sacrificial agent under visible light irradiation ( For example, Patent Document 1, Non-Patent Documents 1 and 2). Furthermore, it has recently been reported that tin niobate completely decomposes water into hydrogen and oxygen under irradiation with visible light (Patent Document 2). Furthermore, tin niobate is known to be effective as a photocatalytic electrode for oxygen production (Non-Patent Document 3).

特開2006-88019号公報Japanese Patent Application Publication No. 2006-88019 特開2021-13890号公報Japanese Patent Application Publication No. 2021-13890

Chem.Lett. 2004, 33, 28-29Chem. Lett. 2004, 33, 28-29 Chem.Mater. 2008, 20, 1299-1307Chem. Mater. 2008, 20, 1299-1307 Chem.Commun. 2017, 53, 629-632Chem. Commun. 2017, 53, 629-632

上記のように、太陽光と光触媒により水を水素と酸素とに分解する技術が報告されているが、空気中で安定な化合物である金属酸化物で、効率の良い光触媒の報告は少ない。例えば前記のニオブ酸スズ(SnNb)光触媒も性能向上が望まれている。 As mentioned above, there have been reports of technology for decomposing water into hydrogen and oxygen using sunlight and photocatalysts, but there are few reports of highly efficient photocatalysts using metal oxides, which are compounds that are stable in the air. For example, the performance of the aforementioned tin niobate (SnNb 2 O 6 ) photocatalyst is also desired to be improved.

可視光応答型の酸素生成光触媒として比較的高い活性を示すものとして、即ち、従来の2段励起型の酸素生成光触媒として、SnNb以外にもいくつかの光触媒が既に知られている。しかしながら、これらの酸素生成光触媒の酸素生成活性は実用的には高いものではなく、より高活性を示す酸素生成光触媒が望まれている。特に、光エネルギーの水素への変換効率(STH=Solar to Hydrogen)を5%レベルや10%レベルにするためにはより一層の活性向上が必要である。 Several photocatalysts other than SnNb 2 O 6 are already known as visible light-responsive oxygen-generating photocatalysts that exhibit relatively high activity, that is, as conventional two-stage excitation-type oxygen-generating photocatalysts. However, the oxygen-generating activity of these oxygen-generating photocatalysts is not high in practical terms, and oxygen-generating photocatalysts that exhibit higher activity are desired. In particular, further improvement in activity is required in order to bring the conversion efficiency of light energy into hydrogen (STH = Solar to Hydrogen) to the 5% or 10% level.

かかる状況に鑑み、本発明は、前記のニオブ酸スズ等のスズ含有複合酸化物を用い、より高い光触媒性能を示す光触媒及び光触媒成分の製造方法を提供することを課題とする。 In view of this situation, an object of the present invention is to provide a method for producing a photocatalyst and a photocatalyst component that exhibit higher photocatalytic performance using a tin-containing composite oxide such as tin niobate.

上記の課題を解決するために、本発明者らが検討した結果、2価のスズを含有し、更にランタノイドを含有し、ランタノイドとスズとのモル比が特定の範囲であるスズ含有複合酸化物を含む光触媒は、硝酸銀等の犠牲剤を含む水の存在下、酸素を効率よく発生させる光触媒であることが見い出された。また、この光触媒は合成が容易であり、金属酸化物であるので、安定であることも期待できる。具体的には、本発明は以下のようなものを提供する。 In order to solve the above problems, the present inventors investigated and found that a tin-containing composite oxide containing divalent tin, further containing lanthanoid, and having a molar ratio of lanthanide and tin within a specific range. It has been discovered that a photocatalyst containing the following is a photocatalyst that efficiently generates oxygen in the presence of water containing a sacrificial agent such as silver nitrate. Furthermore, this photocatalyst is easy to synthesize, and since it is a metal oxide, it can be expected to be stable. Specifically, the present invention provides the following.

[1]2価のスズ(Sn2+)を含有し、更にランタノイドを含有するスズ含有複合酸化物を含む光触媒。
(ただし、ランタノイド/スズのモル比は、0.003~1モル%の範囲である。)
[1] A photocatalyst containing a tin-containing composite oxide containing divalent tin (Sn 2+ ) and further containing lanthanoid.
(However, the lanthanide/tin molar ratio is in the range of 0.003 to 1 mol%.)

[2]周期律表の第6族から第11族までの元素からなる群より選択される少なくとも一種の金属元素を含有する助触媒を更に含む[1]に記載の光触媒。 [2] The photocatalyst according to [1], further comprising a promoter containing at least one metal element selected from the group consisting of elements from Group 6 to Group 11 of the Periodic Table.

[3]前記スズ含有複合酸化物は、ランタノイドを含有するSnNbを含む[1]又は[2]に記載の光触媒。 [3] The photocatalyst according to [1] or [2], wherein the tin-containing composite oxide contains SnNb 2 O 6 containing lanthanoid.

[4]前記助触媒は、酸素生成助触媒を含む[2]又は[3]に記載の光触媒。 [4] The photocatalyst according to [2] or [3], wherein the co-catalyst includes an oxygen-generating co-catalyst.

[5]前記酸素生成助触媒は、Ir及びCoの少なくとも一方を含む[4]に記載の光触媒。 [5] The photocatalyst according to [4], wherein the oxygen generation promoter contains at least one of Ir and Co.

[6]2価のスズ(Sn2+)を含有し、更にランタノイドを含有するスズ含有複合酸化物からなる光触媒成分の製造方法であって、
金属酸のアルカリ金属塩とハロゲン化スズとランタノイド含有化合物とを接触させる工程を含み、
ランタノイド/スズのモル比は、0.003~1モル%の範囲である製造方法。
[6] A method for producing a photocatalyst component made of a tin-containing composite oxide containing divalent tin (Sn 2+ ) and further containing lanthanoid, comprising:
contacting an alkali metal salt of a metal acid with a tin halide and a lanthanide-containing compound,
A manufacturing method in which the lanthanide/tin molar ratio is in the range of 0.003 to 1 mol%.

[7]前記ハロゲン化スズは、塩化スズである[6]に記載の製造方法。 [7] The manufacturing method according to [6], wherein the tin halide is tin chloride.

本発明の光触媒は、前記の通り、犠牲剤を含む水の存在下で、酸素を効率よく発生させることが出来る。また、本発明の光触媒は金属酸化物を含むであるので、安定な触媒であることが期待できる。 As described above, the photocatalyst of the present invention can efficiently generate oxygen in the presence of water containing a sacrificial agent. Furthermore, since the photocatalyst of the present invention contains a metal oxide, it can be expected to be a stable catalyst.

図1は、比較例の水分解反応の結果を示すグラフである。FIG. 1 is a graph showing the results of a water splitting reaction in a comparative example. 図2は、実施例の水分解反応の結果を示すグラフである。FIG. 2 is a graph showing the results of water splitting reactions in Examples. 図3は、実施例1又は2においてドープ量を変化させた場合の初期活性の変動を示すグラフである。FIG. 3 is a graph showing variations in initial activity when the doping amount is changed in Example 1 or 2.

本発明の光触媒は、2価のスズ(Sn2+)を含有し、更にランタノイドを含有し、ランタノイドとスズとのモル比が特定の範囲であるスズ含有複合酸化物を含む。このような本発明の光触媒は、可視光照射下に、硝酸銀等の犠牲剤を含む水の存在下で、酸素を効率よく発生させることが出来る。なお、本明細書において、可視光とは、実質的に380nm~800nmの波長の光である。本発明の光触媒は、安定性が高いとされる金属酸化物を主成分とする光触媒であり、スズを含み、他の微量成分をも含有する構成の金属酸化物を光触媒に利用するものである。以下、本発明の光触媒を構成する各成分について記載する。 The photocatalyst of the present invention contains a tin-containing composite oxide that contains divalent tin (Sn 2+ ), further contains lanthanoid, and has a molar ratio of lanthanide and tin within a specific range. Such a photocatalyst of the present invention can efficiently generate oxygen under visible light irradiation and in the presence of water containing a sacrificial agent such as silver nitrate. Note that in this specification, visible light is light with a wavelength of substantially 380 nm to 800 nm. The photocatalyst of the present invention is a photocatalyst whose main component is a metal oxide that is said to be highly stable, and the photocatalyst uses a metal oxide that contains tin and also contains other trace components. . Each component constituting the photocatalyst of the present invention will be described below.

(1)2価のスズ(Sn2+)を含有し、更にランタノイドを含有するスズ含有複合酸化物
本発明の光触媒は、2価のスズ(Sn2+)を含有し、更にランタノイドを含有するスズ含有複合酸化物を1成分として含む。前記スズ含有複合酸化物としては、例えば、2価のスズ(Sn2+)を含有し、ランタノイドがドープされたスズ含有複合酸化物が挙げられる。前記のスズ含有複合酸化物は、窒素及び硫黄等の周期律表の第15族元素や、酸素を除く第16族元素を含まないことが好ましいが、本発明の目的に反しない範囲で含んでいてもよい。スズ含有複合酸化物は、前記の窒素や硫黄等を好ましくは5重量%以下、より好ましくは3重量%以下、更に好ましくは1重量%以下、特に好ましくは0.3重量%以下含んでいてもよい。
(1) Tin-containing composite oxide containing divalent tin (Sn 2+ ) and further containing lanthanoid The photocatalyst of the present invention contains tin-containing composite oxide containing divalent tin (Sn 2+ ) and further containing lanthanide. Contains complex oxide as one component. Examples of the tin-containing composite oxide include tin-containing composite oxides that contain divalent tin (Sn 2+ ) and are doped with lanthanoids. The tin-containing composite oxide preferably does not contain Group 15 elements of the periodic table, such as nitrogen and sulfur, or Group 16 elements other than oxygen, but it may contain them as long as it does not violate the purpose of the present invention. You can stay there. The tin-containing composite oxide may contain nitrogen, sulfur, etc., preferably at most 5% by weight, more preferably at most 3% by weight, even more preferably at most 1% by weight, particularly preferably at most 0.3% by weight. good.

前記のスズ含有複合酸化物は、スズ及びランタノイド以外の金属元素を含む。前記のスズ及びランタノイド以外の金属元素は、公知のスズ含有複合酸化物に用いられる元素であれば特に制限は無いが、周期律表の第4族~第6族の元素が好ましく用いられる。好ましくは、ニオブ(Nb)、チタン(Ti)、タンタル(Ta)、タングステン(W)等を挙げることが出来る。これらの中ではニオブが好ましい。即ち、スズ含有複合酸化物としては、ランタノイドを含有するニオブ酸スズが好ましい。ランタノイドを含有するニオブ酸スズとしては、例えば、ランタノイドがドープされたニオブ酸スズが挙げられる。 The tin-containing composite oxide contains metal elements other than tin and lanthanoids. The metal elements other than tin and lanthanoids are not particularly limited as long as they are elements used in known tin-containing composite oxides, but elements from Groups 4 to 6 of the periodic table are preferably used. Preferred examples include niobium (Nb), titanium (Ti), tantalum (Ta), and tungsten (W). Among these, niobium is preferred. That is, as the tin-containing composite oxide, tin niobate containing lanthanoid is preferable. Examples of the lanthanoid-containing tin niobate include lanthanoid-doped tin niobate.

また前記のスズ含有複合酸化物の具体的な化学式としては、例えば、SnNb、SnNb、SnTiO、SnTa、SnTa、SnWO、SnSb等が挙げられ、SnNb、SnNb、SnTiOが好ましく、SnNbとSnTiOがより好ましく、SnNbが最も好ましい。 Further, specific chemical formulas of the tin-containing composite oxides include, for example, SnNb 2 O 6 , Sn 2 Nb 2 O 7 , Sn 2 TiO 4 , SnTa 2 O 6 , Sn 2 Ta 2 O 7 , SnWO 4 , Sn2Sb2O7 etc. are mentioned, SnNb2O6 , Sn2Nb2O7 , Sn2TiO4 are preferable , SnNb2O6 and Sn2TiO4 are more preferable, and SnNb2O6 is most preferable .

勿論、本発明の目的に反しない範囲であれば、本発明を構成する金属以外の金属やその誘導体(酸化物等)が含まれていても構わない。このような成分の含有率は、上記のスズ原子1モルに対して前記金属原子が好ましくは5モル%以下、より好ましくは3モル%以下、更に好ましくは1モル%以下、特に好ましくは0.3モル%以下となるような含有率である。 Of course, metals other than the metals constituting the present invention and their derivatives (oxides, etc.) may be included as long as they do not contradict the purpose of the present invention. The content of such components is such that the metal atoms are preferably 5 mol % or less, more preferably 3 mol % or less, still more preferably 1 mol % or less, particularly preferably 0. The content is 3 mol% or less.

前記のSnNbはn型半導体でありNbの八面体相層とSn層の2層からなる層状のフォーダイト(Foordite)構造を有し、バンドギャップは2.3eV、吸収端は540nmである。 The SnNb 2 O 6 mentioned above is an n-type semiconductor and has a layered fordite structure consisting of two layers: an octahedral phase layer of Nb 2 O 6 and a Sn layer, and has a band gap of 2.3 eV and an absorption edge. is 540 nm.

前述の通り、SnNbは可視光照射下に犠牲剤として硝酸銀を用いた場合に酸素を生成することが知られている。これは、SnNbが、バンド構造として可視光照射下に水を酸化して酸素を生成する能力を潜在的に有していることを示唆するものと考えられる。本発明は、このスズ含有複合酸化物が有する優れた性能を、後述する微量成分で更に高めることを見出してなされたものである。 As mentioned above, it is known that SnNb 2 O 6 generates oxygen when silver nitrate is used as a sacrificial agent under visible light irradiation. This is considered to suggest that SnNb 2 O 6 , as a band structure, potentially has the ability to oxidize water and generate oxygen under visible light irradiation. The present invention was made based on the discovery that the excellent performance of this tin-containing composite oxide can be further enhanced by the use of trace components described below.

前記のスズ含有複合酸化物は、通常粉末状であり、活性や扱いやすさの点から、その大きさは、100nm~5μm程度であることが好ましく、300nm~2μm程度であることがより好ましい。 The tin-containing composite oxide is usually in powder form, and from the viewpoint of activity and ease of handling, its size is preferably about 100 nm to 5 μm, more preferably about 300 nm to 2 μm.

前記のスズ含有複合酸化物に含まれる2価のスズの存在はXPS分析で特定することが出来る。また、本発明の複合酸化物は、2価以外のスズが含まれていてもよい。2価以外のスズとしては、例えば、4価のスズ(Sn4+)が挙げられる。前記のスズ含有複合酸化物における4価のスズの存在割合は、メスバウアー分光分析やXPS分析によって見積もることができる。XPS分析においては、スズの3d軌道由来のピークから見積ることが出来る。前記のスズ含有複合酸化物における4価のスズ(Sn4+)の存在割合は、前記のスズ含有複合酸化物における2価のスズ(Sn2+)の存在割合に対して、20%以下であることが好ましく、10%以下であることがより好ましく、5モル%以下であることが更に好ましい。 The presence of divalent tin contained in the tin-containing composite oxide can be identified by XPS analysis. Moreover, the composite oxide of the present invention may contain tin other than divalent tin. Examples of tin other than divalent tin include tetravalent tin (Sn 4+ ). The proportion of tetravalent tin present in the tin-containing composite oxide can be estimated by Mössbauer spectroscopy or XPS analysis. In XPS analysis, it can be estimated from the peak derived from the 3d orbit of tin. The proportion of tetravalent tin (Sn 4+ ) in the tin-containing composite oxide is 20% or less of the proportion of divalent tin (Sn 2+ ) in the tin-containing composite oxide. The content is preferably 10% or less, more preferably 5 mol% or less, and even more preferably 5 mol% or less.

上記のXPS分析は、例えば以下の条件で行うことができる。
・装置:AXIS-NOVA(Kratos社製)
・X線源:単色化 AI Ka (1486.6ev)
・分析領域:700μmX300μm(最表面の分析)
・A”イオンエッチングレート:Raster 15mm角 0.48 A sec(sio.換算)
またこの方法を用いれば、他の金族元素、例えば後述する(2)の助触媒の価数も決定することが出来る。
The above XPS analysis can be performed, for example, under the following conditions.
・Device: AXIS-NOVA (manufactured by Kratos)
・X-ray source: Monochromatic AI Ka (1486.6ev)
・Analysis area: 700μm x 300μm (analysis of the outermost surface)
・A” ion etching rate: Raster 15mm square 0.48 A sec (sio. conversion)
Furthermore, by using this method, it is also possible to determine the valence of other metal group elements, such as the co-catalyst (2) described below.

(ランタノイド)
本発明の2価のスズを含む複合金属酸化物は、ランタノイドを特定の割合で含むことを特徴とする。具体的にはランタノイド/スズのモル比が、0.003~1モル%の範囲であることを特徴とする。前記の好ましい下限値は0.005モル%、より好ましくは0.007モル%、更に好ましくは0.01モル%である。一方、前記の好ましい上限値は1.0モル%、より好ましくは0.5モル%、更に好ましくは0.3モル%である。前記モル比が上記の下限値よりも小さい場合は、本発明の効果が十分でない場合がある。
(lanthanoid)
The composite metal oxide containing divalent tin of the present invention is characterized by containing lanthanoid in a specific proportion. Specifically, it is characterized in that the lanthanide/tin molar ratio is in the range of 0.003 to 1 mol%. The preferable lower limit is 0.005 mol%, more preferably 0.007 mol%, even more preferably 0.01 mol%. On the other hand, the preferable upper limit is 1.0 mol%, more preferably 0.5 mol%, still more preferably 0.3 mol%. If the molar ratio is smaller than the lower limit, the effect of the present invention may not be sufficient.

上記のランタノイドは、原子番号57~71の合計15種の元素のことを指す。これらの中でも好ましくはランタン(La)、セリウム(Ce)、プラセオジム(Pr)、ネオジム(Nd)、サマリウム(Sm)、ガドリニウム(Gd)、テルビウム(Tb)、ディスプロジウム(Dy)、ホルミウム(Ho)、エルビウム(Er)、ルテチウム(Lu)を挙げることが出来る。より好ましくは、ランタン(La)、ネオジム(Nd)、サマリウム(Sm)、ガドリニウム(Gd)、テルビウム(Tb)、エルビウム(Er)であり、更に好ましくはランタン(La)、サマリウム(Sm)、エルビウム(Er)であり、特に好ましくはランタン(La)、サマリウム(Sm)である。 The above lanthanoids refer to a total of 15 elements with atomic numbers 57 to 71. Among these, lanthanum (La), cerium (Ce), praseodymium (Pr), neodymium (Nd), samarium (Sm), gadolinium (Gd), terbium (Tb), dysprosium (Dy), and holmium (Ho) are preferred. , erbium (Er), and lutetium (Lu). More preferred are lanthanum (La), neodymium (Nd), samarium (Sm), gadolinium (Gd), terbium (Tb), and erbium (Er), and even more preferred are lanthanum (La), samarium (Sm), and erbium. (Er), particularly preferably lanthanum (La) or samarium (Sm).

本発明でのランタノイドの機能が明確に判明しているわけではないが、本発明者らは、ランタノイドが半導体におけるドープ材としての機能を示すのであろうと考えている。恐らくランタノイドがスズ含有複合酸化物のスズと同型置換し、半導体としての機能を予想外に向上させているのであろう。この際、例えばランタノイド原子が同型置換できるスズの量に上限があり、あるランタノイド含有率以上ではランタノイド原子の置換が不可になっている為、ランタノイド原子の含有率には上限があると推測できる。また、ランタノイド原子の含有率が高い場合、ランタノイドがスズ等の主金属と同型置換できる構造を取り得ない可能性も考えられる。恐らくこのような要因の1つ以上が関係し、特定の範囲で効果的な酸素発生能力を示す光触媒となりうるのであろう。 Although the function of lanthanoids in the present invention is not clearly known, the inventors believe that lanthanides may function as dopants in semiconductors. It is likely that lanthanoids are isomorphically substituted for tin in the tin-containing complex oxide, unexpectedly improving its function as a semiconductor. At this time, for example, there is an upper limit to the amount of tin that can be isomorphically substituted by lanthanide atoms, and since lanthanide atoms cannot be substituted above a certain lanthanide content, it can be assumed that there is an upper limit to the content of lanthanide atoms. Furthermore, when the content of lanthanoid atoms is high, it is possible that the lanthanoid cannot form a structure that allows isomorphic substitution with the main metal such as tin. It is likely that one or more of these factors are involved, and that photocatalysts can exhibit effective oxygen generation capabilities within a specific range.

(2)助触媒
本発明においては、(1)スズ含有複合酸化物を可視光照射下に水を水素と酸素に分解して水から水素と酸素を生成させるために、周期律表の第6族から第11族までの元素からなる群より選択される少なくとも一種の金属元素を含有する助触媒を用いてもよい。助触媒は、例えば、スズ含有複合酸化物に担持されていることが好ましい。例えば、SnNbは、可視光照射下に水から水素と酸素を生成させるためには、助触媒を担持することが好ましく、例えば、特開2013-530834号公報に白金等が水素生成助触媒となる態様が開示されている。
(2) Co-catalyst In the present invention, (1) a tin-containing composite oxide is used to decompose water into hydrogen and oxygen under visible light irradiation to generate hydrogen and oxygen from water. A promoter containing at least one metal element selected from the group consisting of elements from Groups 1 to 11 may be used. The co-catalyst is preferably supported on, for example, a tin-containing composite oxide. For example, SnNb 2 O 6 preferably supports a co-catalyst in order to generate hydrogen and oxygen from water under visible light irradiation. A catalytic embodiment is disclosed.

助触媒は、水素生成用助触媒及び酸素生成助触媒のいずれでもよく、また、水素生成用助触媒及び酸素生成助触媒の両方を用いてもよい。 The co-catalyst may be either a hydrogen-producing co-catalyst or an oxygen-producing co-catalyst, or both a hydrogen-producing co-catalyst and an oxygen-producing co-catalyst may be used.

特許文献1には、SnNbの様な複合金属酸化物にイリジウムを導入し、犠牲剤の存在下に可視光で酸素が発生することが報告されている。この観点からは本発明の助触媒としては、Co、Ir、Ru、Fe、Mn等を含む酸化物あるいは水酸化物が好ましく、IrやCoを含む酸化物あるいは水酸化物がより好ましい。 Patent Document 1 reports that iridium is introduced into a composite metal oxide such as SnNb 2 O 6 and oxygen is generated under visible light in the presence of a sacrificial agent. From this point of view, the promoter of the present invention is preferably an oxide or hydroxide containing Co, Ir, Ru, Fe, Mn, etc., and more preferably an oxide or hydroxide containing Ir or Co.

本発明の光触媒は、前記の通り、(1)スズ含有複合酸化物を有しており、任意に(2)助触媒を有していてもよい。これらの成分の割合は特に制限されるものではないが、好ましくは、光触媒100重量部に対して(2)助触媒は0.01~20重量部、より好ましくは0.1~10重量部である。(1)スズ含有複合酸化物及び(2)助触媒の割合は、例えば、極めて定量性の良い分析方法であるICP発光分光分析法(高周波誘導結合プラズマ発光分光分析法、ICP-OES/ICP-AES)を用いて各金属の定量を行うことで決定することが出来る。勿論、光触媒合成時の各原料成分の仕込み比から特定することも出来る。本発明においては、前記のICP分析に島津製作所製ICP発光分析装置ICPS-8100型装置を用い、常法によって測定を行って得た値が前記割合として用いられる。 As described above, the photocatalyst of the present invention includes (1) a tin-containing composite oxide, and may optionally include (2) a co-catalyst. The ratio of these components is not particularly limited, but preferably (2) co-catalyst is 0.01 to 20 parts by weight, more preferably 0.1 to 10 parts by weight per 100 parts by weight of photocatalyst. be. The proportions of (1) tin-containing composite oxide and (2) co-catalyst can be determined, for example, by ICP optical emission spectrometry (high-frequency inductively coupled plasma optical emission spectrometry, ICP-OES/ICP- It can be determined by quantifying each metal using AES). Of course, it can also be specified from the charging ratio of each raw material component during photocatalyst synthesis. In the present invention, an ICP emission spectrometer ICPS-8100 manufactured by Shimadzu Corporation is used for the above-mentioned ICP analysis, and a value obtained by measurement according to a conventional method is used as the above-mentioned ratio.

(犠牲剤(犠牲試薬))
酸素生成活性を評価する際に、犠牲剤の存在下に水を酸化してその活性を評価する方法が一般的によく知られている。犠牲剤としては、例えば、硝酸銀等の銀のアレニウス塩化合物を用いることが出来る。酸素生成に用いられる犠牲剤としては、SnNb等のスズ含有複合酸化物への光照射により光励起した電子によって還元を受ける化合物を用いることができる。その場合、水の還元によって水素分子が生成する酸化還元電位よりも貴側の酸化還元電位を示す化合物が好ましい。例えば、1価Agを含む化合物以外にも、1価Au又は3価Auを含む化合物、4価Ptを含む化合物、3価Coを含む化合物等が挙げられる。
(Sacrificial agent (sacrificial reagent))
When evaluating oxygen production activity, a generally well-known method is to oxidize water in the presence of a sacrificial agent and evaluate the activity. As the sacrificial agent, for example, a silver Arrhenius salt compound such as silver nitrate can be used. As the sacrificial agent used for oxygen generation, a compound that undergoes reduction by photoexcited electrons when a tin-containing composite oxide, such as SnNb 2 O 6 , is irradiated with light can be used. In that case, a compound exhibiting a redox potential more noble than the redox potential at which hydrogen molecules are produced by reduction of water is preferred. For example, in addition to compounds containing monovalent Ag, compounds containing monovalent Au or trivalent Au, compounds containing tetravalent Pt, compounds containing trivalent Co, etc. may be mentioned.

前記犠牲剤の量は、水1モルに対して、好ましくは0.001~0.5モル、より好ましくは0.005~0.4モルである。犠牲剤の使用量が前記の範囲内であれば効率よく酸素を発生させることが出来る。 The amount of the sacrificial agent is preferably 0.001 to 0.5 mol, more preferably 0.005 to 0.4 mol, per 1 mol of water. If the amount of sacrificial agent used is within the above range, oxygen can be efficiently generated.

(水からの酸素発生方法)
このような本発明の光触媒を用いれば、後述する実施例に示すように、可視光下の条件でも硝酸銀等の犠牲試薬を用いて水から酸素を発生させることが出来る。その反応条件は特に制限は無く、公知の反応条件で行うことが出来る。例えば、光触媒を水中に投入し、可視光を照射することにより、水と犠牲剤とから酸素を発生させることができる。照射する可視光の光源としては、太陽のほか、キセノンランプ、メタルハライドランプ等の太陽光近似光ないし疑似太陽光を照射可能なランプ;水銀ランプ;LED等が挙げられる。
(Method of generating oxygen from water)
If such a photocatalyst of the present invention is used, oxygen can be generated from water using a sacrificial reagent such as silver nitrate even under visible light conditions, as shown in the examples described below. The reaction conditions are not particularly limited, and the reaction can be carried out under known reaction conditions. For example, by putting a photocatalyst in water and irradiating it with visible light, oxygen can be generated from water and a sacrificial agent. Examples of the light source of the visible light to be irradiated include, in addition to the sun, lamps that can irradiate light similar to sunlight or simulated sunlight, such as xenon lamps and metal halide lamps; mercury lamps; LEDs, and the like.

本発明の光触媒は、スズを含む複合金属酸化物を含む態様である。本発明の光触媒は、金属酸化物を含むにも拘わらず、可視光での水の反応が可能となった。また、本発明の光触媒は、メタノールや硝酸銀等等の犠牲剤無しで、可視光での水の反応を行うこともできるが、助触媒を併用した場合がその特徴を発揮し易い。 The photocatalyst of the present invention is an embodiment containing a composite metal oxide containing tin. Although the photocatalyst of the present invention contains metal oxides, it is possible to react with water using visible light. Furthermore, the photocatalyst of the present invention can react with water using visible light without sacrificial agents such as methanol or silver nitrate, but its characteristics are more likely to be exhibited when a co-catalyst is used in combination.

本発明の光触媒は、金属の複合酸化物である(1)スズ含有複合酸化物を主たる構成成分としているので、安定で、製造し易い傾向がある。また、特殊な構成を有しているので、可視光下でも水と犠牲試薬の存在下に効率よく酸素を発生させることが出来る。このような光触媒は、化石燃料の枯渇への対応や、近い将来に予想される水素社会の根幹となる可能性が有る技術と考えられる。また、将来的には水の完全分解を可能とする光触媒の基本部材となる可能性のある事が期待出来る。 The photocatalyst of the present invention has a metal complex oxide (1) tin-containing complex oxide as its main component, and thus tends to be stable and easy to manufacture. Furthermore, because it has a special configuration, oxygen can be efficiently generated in the presence of water and a sacrificial reagent even under visible light. Such photocatalysts are considered to be a technology that has the potential to respond to the depletion of fossil fuels and become the basis of a hydrogen society expected in the near future. In addition, it is expected that in the future it may become a basic component of photocatalysts that can completely decompose water.

(光触媒の製造方法)
上記本発明の光触媒の製造方法は、特に制限されない。
本発明における(1)スズ含有複合金属酸化物の製造方法としては、金属酸のアルカリ金属塩とハロゲン化スズとの反応を行った後、更に800℃以上の温度で焼成することにより(1)スズ含有複合酸化物を調製する方法を挙げることが出来る。前記の焼成温度の上限に特に制限は無いが、反応装置の材質等に鑑みると、好ましくは1500℃、より好ましくは1200℃である。
より具体的で好ましい方法を以下に記載する。
(Method for producing photocatalyst)
The method for producing the photocatalyst of the present invention is not particularly limited.
In the present invention, (1) the method for producing a tin-containing composite metal oxide includes (1) reacting an alkali metal salt of a metal acid with a tin halide, and then firing at a temperature of 800°C or higher. A method for preparing a tin-containing composite oxide can be mentioned. There is no particular restriction on the upper limit of the firing temperature, but in view of the material of the reactor, etc., it is preferably 1500°C, more preferably 1200°C.
A more specific and preferred method will be described below.

2価のスズ(Sn2+)を含有するスズ含有複合酸化物は、通常、粉末として得られるが、粉末を構成する各粒子は単結晶あるいは結晶が集まった集合体として製造されることが好ましく、しかも、不純物及び/又は欠陥並びに粒界の少ない高品位な結晶あるいはその集まりであることがより好ましい。また、各粒子の大きさは、既述のごとく、活性や扱いやすさの点から、100nm~5μm程度であることが望ましく、300nm~2μm程度であることがより好ましい。 A tin-containing composite oxide containing divalent tin (Sn 2+ ) is usually obtained as a powder, but each particle constituting the powder is preferably produced as a single crystal or an aggregate of crystals, Moreover, it is more preferable that the crystal be a high-quality crystal or a collection thereof with few impurities and/or defects and grain boundaries. Further, as described above, the size of each particle is preferably about 100 nm to 5 μm, more preferably about 300 nm to 2 μm, from the viewpoint of activity and ease of handling.

これら高品位かつ特定の大きさを有する粉末を製造するためには、従来の固相法等も適用できるが、例えば、SnNbの場合では、ニオブ酸アルカリ塩(例えば、NaNbOやNaNb等)を一旦製造する。このニオブ酸アルカリ塩の製法は特に限定されないが、通常はニオブ酸とアルカリ金属水酸化物との反応を水溶媒にて100℃~250℃の範囲でいわゆる水熱合成にて行うことにより、ニオブ酸アルカリ塩を製造できる。その際の反応時間は1~40時間である。反応操作は密閉したオートクレーブ等を用いて行うことが好ましい。このアルカリ金属含有金属酸化物とハロゲン化スズとを反応させてスズ含有複合酸化物を製造する方法(フラックス法)がより好ましい。 Conventional solid phase methods can also be applied to produce powders of high quality and specific sizes . 2 Nb 2 O 6 etc.) is once produced. The method for producing this alkali niobate salt is not particularly limited, but it is usually carried out by so-called hydrothermal synthesis in which niobic acid and an alkali metal hydroxide are reacted in an aqueous solvent in the range of 100°C to 250°C. Acid-alkali salts can be produced. The reaction time at that time is 1 to 40 hours. The reaction operation is preferably carried out using a closed autoclave or the like. More preferred is a method (flux method) in which a tin-containing composite oxide is produced by reacting this alkali metal-containing metal oxide with a tin halide.

前記のハロゲン化スズとしては、フッ化スズ(SnF)、塩化スズ(SnCl)、臭化スズ(SnBr)、ヨウ化スズ(SnI)が使用でき、特に塩化スズが好ましい。また、ハロゲン化スズは、融点が低く、例えば、塩化スズは融点が247℃であり、Sn源としてだけでなくフラックス剤の働きも担っていると考えられる。このアルカリ金属含有金属酸化物とハロゲン化スズとを反応させてスズ含有複合酸化物を製造する方法(フラックス法)において、LiCl、NaCl、KCl、CsCl等のアルカリ金属塩化物やMgCl、CaCl、SrCl、BaCl等のアルカリ土類金属塩化物等のフラックス剤になり得る化合物を共存させてもよい。 As the tin halide, tin fluoride (SnF 2 ), tin chloride (SnCl 2 ), tin bromide (SnBr 2 ), and tin iodide (SnI 2 ) can be used, with tin chloride being particularly preferred. Furthermore, tin halides have a low melting point; for example, tin chloride has a melting point of 247° C., and is thought to function not only as a Sn source but also as a fluxing agent. In this method (flux method) of producing a tin-containing composite oxide by reacting an alkali metal-containing metal oxide with a tin halide, alkali metal chlorides such as LiCl, NaCl, KCl, CsCl, MgCl 2 , CaCl 2 , SrCl 2 , BaCl 2 and other alkaline earth metal chlorides, which can be used as a fluxing agent, may also be present.

ハロゲン化スズをニオブ酸アルカリ塩に対して、Sn/Nb原子比として、好ましくは1~10倍、より好ましくは1.1~5倍の過剰量で用いて、好ましくは300~900℃、より好ましくは350~700℃、更に好ましくは400~600℃の温度条件下に、窒素気流下又は真空封管内やオートクレーブ中で反応させることが好ましい。 The tin halide is preferably used in an excess amount of Sn/Nb atomic ratio of 1 to 10 times, more preferably 1.1 to 5 times, with respect to the alkaline niobate salt, and the temperature is preferably 300 to 900°C. The reaction is preferably carried out at a temperature of 350 to 700°C, more preferably 400 to 600°C, under a nitrogen stream, in a vacuum sealed tube, or in an autoclave.

反応後、塩酸水溶液、アルコール、水等を用いて過剰の塩化スズ及び副生する塩化アルカリ塩等を除去し、反応生成物を洗浄し更に乾燥することでSnNb粉末が得られる。塩化スズ(SnCl)は融点が247℃と低いので、上述のような条件下では、溶融した塩化スズの存在下に反応と結晶成長が都合よく起こると考えられる。 After the reaction, excess tin chloride and by-produced alkali chloride salts are removed using an aqueous hydrochloric acid solution, alcohol, water, etc., and the reaction product is washed and further dried to obtain SnNb 2 O 6 powder. Since tin chloride (SnCl 2 ) has a low melting point of 247° C., it is believed that under the conditions described above, reaction and crystal growth occur conveniently in the presence of molten tin chloride.

更に、こうして得られたスズ含有複合酸化物に対して焼成(アニール)等の処理を行うことが望ましい。より具体的には、例えば、SnNbの場合では、上記のニオブ酸アルカリと塩化スズとの反応によりニオブ酸スズを得たのち、600℃以上の温度で加温処理(焼成(アニール)処理を含む)することで、好ましいSnNb粉末が得られる。焼成(アニール)処理温度の好ましい下限値は、800℃である。焼成(アニール)処理温度は、既述のごとく、上限に特に制限は無いが、好ましくは1500℃、より好ましく1200℃、更に好ましくは1100℃、特に好ましくは1000℃である。また、この焼成(アニール)処理は、窒素やアルゴン等の不活性ガス雰囲気下あるいは真空の封管内で行うことが望ましい。これは、2価のスズが4価に酸化されることを防ぐためである。この焼成(アニール)処理によって、酸素生成に適した高品位な結晶あるいは結晶の集合体からなるSnNb粉末を得ることができる。 Furthermore, it is desirable to subject the tin-containing composite oxide thus obtained to a treatment such as firing (annealing). More specifically, in the case of SnNb 2 O 6 , for example, tin niobate is obtained by the reaction of the above-mentioned alkali niobate and tin chloride, and then heated (calcined (annealed)) at a temperature of 600°C or higher. A preferable SnNb 2 O 6 powder is obtained by performing the following steps. A preferable lower limit of the firing (annealing) treatment temperature is 800°C. As mentioned above, the upper limit of the firing (annealing) treatment temperature is not particularly limited, but is preferably 1500°C, more preferably 1200°C, still more preferably 1100°C, and particularly preferably 1000°C. Further, this firing (annealing) treatment is preferably performed in an inert gas atmosphere such as nitrogen or argon or in a vacuum sealed tube. This is to prevent divalent tin from being oxidized to tetravalent tin. Through this firing (annealing) treatment, it is possible to obtain SnNb 2 O 6 powder consisting of high-quality crystals or aggregates of crystals suitable for oxygen generation.

勿論、高品位な結晶を得られる他の製造方法、例えば、各種の薄膜の製造方法等を用いることも出来る。また、他の製造方法を前記の方法と組み合わせて用いることも出来る。 Of course, other manufacturing methods capable of obtaining high-quality crystals, such as various thin film manufacturing methods, can also be used. Also, other manufacturing methods can be used in combination with the above method.

上記の製造方法の工程の中で、ランタノイド含有化合物は任意の工程で前記の金属酸化物やスズ含有化合物と接触させることが出来る。当該工程としては、例えば、金属酸のアルカリ金属塩とハロゲン化スズとランタノイド含有化合物とを接触させる工程が挙げられ、より具体的には、前記の金属酸化物とアルカリ金属水酸化物とハロゲン化スズとを接触させる工程で、ランタノイド含有化合物を併用することが好ましい例となる。その他、前記の焼成(アニール)処理と同様の方法により金属酸のアルカリ金属塩とハロゲン化スズとランタノイド含有化合物とを接触させることでランタノイドの導入を行うことも出来る。 In the steps of the above production method, the lanthanide-containing compound can be brought into contact with the metal oxide or tin-containing compound at any step. The step includes, for example, a step of contacting an alkali metal salt of a metal acid, a tin halide, and a lanthanoid-containing compound, and more specifically, a step of bringing the metal oxide, the alkali metal hydroxide, and a lanthanide-containing compound into contact with each other. A preferred example is to use a lanthanide-containing compound in the step of contacting with tin. In addition, lanthanoids can also be introduced by bringing an alkali metal salt of a metal acid, a tin halide, and a lanthanide-containing compound into contact with each other by a method similar to the above-described calcination (annealing) treatment.

前記ランタノイド含有化合物の例としては、ランタノイド酸化物、ランタノイド水酸化物、ランタノイド炭酸塩、又はそれらの混合物等が使用できる。特にランタノイド酸化物が好ましい。 Examples of the lanthanoid-containing compound that can be used include lanthanide oxides, lanthanide hydroxides, lanthanide carbonates, and mixtures thereof. Lanthanide oxides are particularly preferred.

複合酸化物の構造を確認する方法としては、ICP等の元素分析方法の他、結晶構造の解析方法であるX線結晶解析(XRD)法や、紫外光-可視光-近赤外光分析等の公知の方法を用いることが出来る。 Methods for confirming the structure of complex oxides include elemental analysis methods such as ICP, X-ray crystallography (XRD), which is a crystal structure analysis method, and ultraviolet-visible-near-infrared light analysis. Any known method can be used.

また、(2)助触媒は、いわゆる担持と呼ばれる処方を用いて複合酸化物の表面上に接合される形で形成することができる。この担持方法は特に限定されず、通常の担持方法が適用可能である。好ましい担持方法としては、含浸法、共沈法、CVD(chemical vapor deposition)法、ポアフィリング法、光電着法等が挙げられ、含浸法や光電着法が好ましい。例えば、含浸法では、周期律表の第6族~第11族の金属の塩又は金属の錯体を水又は有機溶媒に均一に溶解して含浸液を調製し、次にスズ含有複合酸化物粉末を加えて加熱攪拌下に水あるいは有機溶媒を留去し、更に水素もしくは水素含有ガス雰囲気下(窒素やアルゴンを併用することも出来る)、又は、空気もしくは酸素含有ガス雰囲気下で熱処理(焼成)し、場合により、更には窒素やアルゴン等の不活性ガス雰囲気下で熱処理することによって担持することができる。前記の熱処理(焼成)温度は、好ましくは100~500℃、より好ましくは150~450℃の範囲である。焼成時間は、好ましくは1分~50時間、より好ましくは1~10時間である。やはりここでも、2価のスズは酸化されやすいので、空気又は酸素雰囲気下で熱処理する場合、熱処理(焼成)温度は、100~300℃の範囲が好ましく、100~250℃の範囲がより好ましい。 Further, (2) the co-catalyst can be formed in a form that is bonded onto the surface of the composite oxide using a so-called supported formulation. This supporting method is not particularly limited, and ordinary supporting methods can be applied. Preferred supporting methods include an impregnation method, a coprecipitation method, a CVD (chemical vapor deposition) method, a pore filling method, a photoelectrodeposition method, and the impregnation method and photoelectrodeposition method are preferred. For example, in the impregnation method, an impregnating solution is prepared by uniformly dissolving a metal salt or metal complex of Groups 6 to 11 of the periodic table in water or an organic solvent, and then a tin-containing composite oxide powder is prepared. is added, water or organic solvent is distilled off while heating and stirring, and further heat treatment (calcination) in a hydrogen or hydrogen-containing gas atmosphere (nitrogen or argon can also be used together), or in an air or oxygen-containing gas atmosphere. However, depending on the case, it can be supported by further heat treatment in an atmosphere of an inert gas such as nitrogen or argon. The heat treatment (calcination) temperature is preferably in the range of 100 to 500°C, more preferably 150 to 450°C. The firing time is preferably 1 minute to 50 hours, more preferably 1 to 10 hours. Again, since divalent tin is easily oxidized, when heat-treated in an air or oxygen atmosphere, the heat treatment (firing) temperature is preferably in the range of 100 to 300°C, more preferably in the range of 100 to 250°C.

酸素生成活性に優れた本発明に係る光触媒を実際の水分解に適用する場合、さまざまな方法が可能である。例えば、本発明の酸素生成用光触媒と、更に別に用意した水素生成用光触媒とを水に懸濁させて、メディエーターと言われる電子移動のための化合物の存在下に光照射する方法、また、Au等の導電性のある金属基板上に本発明の酸素生成用光触媒と、更に別に用意した水素生成用光触媒とを塗布した光触媒シートを水中で光照射する方法、更には、本発明の酸素生成用光触媒と別に用意した水素生成用光触媒とを、各々電極化して導線で繋いで水中にて光照射する方法等が挙げられる。 When applying the photocatalyst according to the present invention, which has excellent oxygen production activity, to actual water splitting, various methods are possible. For example, there is a method in which the photocatalyst for oxygen generation of the present invention and a photocatalyst for hydrogen generation prepared separately are suspended in water and irradiated with light in the presence of a compound for electron transfer called a mediator. A method of irradiating a photocatalyst sheet in water with a photocatalyst sheet coated with a photocatalyst for oxygen generation of the present invention and a separately prepared photocatalyst for hydrogen generation on a conductive metal substrate such as Examples include a method in which a photocatalyst and a separately prepared photocatalyst for hydrogen generation are each made into electrodes, connected with a conductor wire, and irradiated with light in water.

以下、実施例に基づいて本発明の光触媒について具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, the photocatalyst of the present invention will be specifically explained based on Examples, but the present invention is not limited to these Examples.

[比較例1]
<SnNb粉末の合成(ランタノイド未含有態様)>
まず、ニオブ酸(Sigma-Aldrich、99.99%)9.30g、NaOH顆粒(富士フイルム和光純薬、一級、93+%)4.0g、水100mlをテフロン(登録商標)内筒のオートクレーブに仕込み、160℃で20時間反応を行った。内容物をろ過及び水洗した後、一夜60℃で真空乾燥を行った。そうして得られたNaNb・HOを真空下に250℃で1時間熱処理することでNaNb無水物を得た。
[Comparative example 1]
<Synthesis of SnNb 2 O 6 powder (lanthanoid-free mode)>
First, 9.30 g of niobic acid (Sigma-Aldrich, 99.99%), 4.0 g of NaOH granules (Fujifilm Wako Pure Chemical, first grade, 93+%), and 100 ml of water were placed in an autoclave with a Teflon (registered trademark) inner cylinder. , the reaction was carried out at 160°C for 20 hours. After the contents were filtered and washed with water, they were vacuum dried at 60°C overnight. Na 2 Nb 2 O 6.H 2 O thus obtained was heat treated at 250° C. for 1 hour under vacuum to obtain Na 2 Nb 2 O 6 anhydride.

このNaNb無水物2.0gとSnCl(富士フイルム和光純薬、99.9%)3.41gとをメノー乳鉢でよく混合した後、石英製ガラス管に入れて真空下に封じ500℃で5時間電気炉で加熱した(フラックス処理)。その後、内容物を3N塩酸水溶液で3回、水で3回洗浄した後、一夜60℃で真空乾燥を行った。こうして得られたSnNbを、更に石英製ガラス管に入れて真空下に封じ、950℃で10時間のアニール処理を電気炉にて行った。 After thoroughly mixing 2.0 g of this Na 2 Nb 2 O 6 anhydride and 3.41 g of SnCl 2 (Fuji Film Wako Pure Chemical, 99.9%) in an agate mortar, the mixture was placed in a quartz glass tube and placed under vacuum. It was sealed and heated in an electric furnace at 500° C. for 5 hours (flux treatment). Thereafter, the contents were washed three times with 3N hydrochloric acid aqueous solution and three times with water, and then vacuum dried at 60° C. overnight. The SnNb 2 O 6 thus obtained was further placed in a quartz glass tube, sealed under vacuum, and annealed at 950° C. for 10 hours in an electric furnace.

得られた結晶性化合物については、ICP分析の他、XRDを用いて結晶構造解析を行い、UV-VIS-NIR分光分析装置で拡散反射スペクトル測定でも構造解析を試み、結晶性SnNb構造である事を確認した。 Regarding the obtained crystalline compound, in addition to ICP analysis, crystal structure analysis was performed using XRD, and structural analysis was also attempted by diffuse reflection spectrum measurement using a UV-VIS-NIR spectrometer, and the crystalline SnNb 2 O 6 structure was determined. I confirmed that it is.

<助触媒担持>
トリス(2,4-ペンタンジオナト)イリジウム(東京化成)0.0458gをメタノール6mLに溶かした溶液を上記SnNb粉末0.6gに含浸した。その後、窒素/水素=95/5(体積比)のガス流通下に350℃で2時間の処理を行った。その結果、Irが担持されたSnNb粉末を得た。ICP分析によりIrの担持量は0.7重量%であった。
<Supported promoter>
A solution of 0.0458 g of tris(2,4-pentanedionato)iridium (Tokyo Kasei) dissolved in 6 mL of methanol was impregnated into 0.6 g of the SnNb 2 O 6 powder. Thereafter, treatment was performed at 350° C. for 2 hours under gas flow at a nitrogen/hydrogen ratio of 95/5 (volume ratio). As a result, SnNb 2 O 6 powder supporting Ir was obtained. ICP analysis showed that the amount of Ir supported was 0.7% by weight.

<可視光を用いた水の分解による酸素生成活性の評価方法>
前記Ir担持SnNb化合物を光触媒とし、閉鎖循環型反応装置に接続した上方照射型反応セルを用いて活性評価を行った。光源にはキセノンランプ(フィルターを用いて波長420nm以下の光をカット)を用いた。反応セルに、光触媒0.1g及び犠牲試薬として硝酸銀20mMを含む水溶液150mLを仕込んで系内をAr置換した。反応条件は、反応温度15~20℃、反応圧40~50 torrである。Pyrex(登録商標)ガラス製の窓の上から、上記キセノンランプを用いて光照射した。発生した酸素は、オンラインのガスクロマトグラフ(島津製作所製;GC-8A、MS-5A、TCD,Arキャリアー)で1時間毎に定量した。反応開始後1時間での酸素発生量を初期活性(単位:μモル/h)とした。結果を図1に示す。
<Method for evaluating oxygen production activity by water decomposition using visible light>
Using the Ir-supported SnNb 2 O 6 compound as a photocatalyst, the activity was evaluated using an upward irradiation type reaction cell connected to a closed circulation type reaction device. A xenon lamp (a filter was used to cut light with a wavelength of 420 nm or less) was used as a light source. A reaction cell was charged with 150 mL of an aqueous solution containing 0.1 g of a photocatalyst and 20 mM of silver nitrate as a sacrificial reagent, and the atmosphere in the system was replaced with Ar. The reaction conditions are a reaction temperature of 15 to 20°C and a reaction pressure of 40 to 50 torr. Light was irradiated from above the Pyrex (registered trademark) glass window using the above xenon lamp. The generated oxygen was quantified every hour using an online gas chromatograph (manufactured by Shimadzu Corporation; GC-8A, MS-5A, TCD, Ar carrier). The amount of oxygen generated 1 hour after the start of the reaction was defined as the initial activity (unit: μmol/h). The results are shown in Figure 1.

[実施例1]
比較例1において、NaNb無水物2.0gとSnCl3.41gとを反応させるフラックス処理の際に、Laを2.0mg(NaNb無水物に対してLa 0.2mol%相当)添加したこと以外は同様の操作を行った。こうして得られたLaドープSnNbに関してキャラクタリゼーションとしてXRDとDRS分析を行ったところ比較例1と大きな変化はなかった。ICP分析にてLa量を測定すると、0.09mol%であることが分かった。また、上記の助触媒担持と同様の操作によりIr助触媒を担持した。こうして得られたIrが担持されたLaドープSnNbを用いて、上記と同様の操作により可視光を用いた水の分解による酸素生成活性を評価した。初期活性(単位:μモル/h)を図2に示す。
[Example 1]
In Comparative Example 1, during the flux treatment in which 2.0 g of Na 2 Nb 2 O 6 anhydride and 3.41 g of SnCl 2 were reacted, 2.0 mg of La 2 O 3 (2.0 mg of Na 2 Nb 2 O 6 anhydride was The same operation was performed except that La (corresponding to 0.2 mol %) was added. XRD and DRS analysis were performed for characterization of the La-doped SnNb 2 O 6 thus obtained, and no major changes were found compared to Comparative Example 1. When the amount of La was measured by ICP analysis, it was found to be 0.09 mol%. Further, an Ir co-catalyst was supported by the same operation as for supporting the above-mentioned co-catalyst. Using the thus obtained Ir-supported La-doped SnNb 2 O 6 , the oxygen production activity by water decomposition using visible light was evaluated in the same manner as above. The initial activity (unit: μmol/h) is shown in FIG.

更に、図3に示す通りにNaNb無水物に対するLaのドープ量を変更した以外は上記と同様の操作を行い、LaドープSnNbを得、可視光を用いた水の分解による酸素生成活性を評価した。各ドープ量における初期活性(単位:μモル/h)を図3に示す。 Furthermore, as shown in FIG. 3, the same operation as above was performed except that the amount of La doped with respect to Na 2 Nb 2 O 6 anhydride was changed to obtain La-doped SnNb 2 O 6 . The oxygen production activity due to decomposition was evaluated. The initial activity (unit: μmol/h) at each doping amount is shown in FIG.

[実施例2]
Laの代わりにSmを1.1mg(NaNb無水物に対してSm 0.2mol%相当)用いた以外は実施例1と同じ操作により、SmがドープされたSnNbを合成した。得られたSmドープSnNbに関してキャラクタリゼーションとしてXRDとDRS分析を行ったところ実施例1同様に比較例1と大きな変化はなかった。ICP分析にてSm量を測定すると、0.10mol%であることが分かった。更に、Irが担持されたSmドープSnNbを合成して、上記と同様の操作により可視光を用いた水の分解による酸素生成活性を評価した。初期活性(単位:μモル/h)を図2に示す。
[Example 2]
Sm was doped by the same operation as in Example 1, except that 1.1 mg of Sm 2 O 3 (equivalent to 0.2 mol % of Sm with respect to Na 2 Nb 2 O 6 anhydride) was used instead of La 2 O 3 . synthesized SnNb 2 O 6 . When the obtained Sm-doped SnNb 2 O 6 was subjected to XRD and DRS analysis for characterization, similar to Example 1, there was no significant change from Comparative Example 1. When the amount of Sm was measured by ICP analysis, it was found to be 0.10 mol%. Furthermore, Ir-supported Sm-doped SnNb 2 O 6 was synthesized, and the oxygen production activity by water decomposition using visible light was evaluated in the same manner as above. The initial activity (unit: μmol/h) is shown in FIG.

更に、図3に示す通りにNaNb無水物に対するSmのドープ量を変更した以外は上記と同様の操作を行い、SmドープSnNbを得、可視光を用いた水の分解による酸素生成活性を評価した。各ドープ量における初期活性(単位:μモル/h)を図3に示す。 Furthermore, as shown in FIG. 3, the same operation as above was performed except that the amount of Sm doped with respect to Na 2 Nb 2 O 6 anhydride was changed to obtain Sm-doped SnNb 2 O 6 , and the water was analyzed using visible light. The oxygen production activity due to decomposition was evaluated. The initial activity (unit: μmol/h) at each doping amount is shown in FIG.

[実施例3~実施例6]
酸化ランタンの代わりに酸化ネオジム(実施例3)、酸化ガドリニウム(実施例4)、酸化テルビウム(実施例5)、又は酸化エルビウム(実施例6)を用いた(NaNb無水物に対して各ランタノイド 0.2mol%相当)以外は実施例1と同様にして、Irが担持されたランタノイドドープSnNbを得、酸素生成活性の評価を行った。初期活性(単位:μモル/h)を図2に示す。

[Example 3 to Example 6]
Neodymium oxide (Example 3), gadolinium oxide (Example 4), terbium oxide (Example 5), or erbium oxide (Example 6) was used instead of lanthanum oxide (Na 2 Nb 2 O 6 anhydride). Ir-supported lanthanide-doped SnNb 2 O 6 was obtained in the same manner as in Example 1, except that each lanthanoid (equivalent to 0.2 mol %) was evaluated for oxygen production activity. The initial activity (unit: μmol/h) is shown in FIG.

Claims (7)

2価のスズ(Sn2+)を含有し、更にランタノイドを含有するスズ含有複合酸化物を含む光触媒。
(ただし、ランタノイド/スズのモル比は、0.003~1モル%の範囲である。)
A photocatalyst containing a tin-containing composite oxide containing divalent tin (Sn 2+ ) and further containing lanthanoid.
(However, the lanthanide/tin molar ratio is in the range of 0.003 to 1 mol%.)
周期律表の第6族から第11族までの元素からなる群より選択される少なくとも一種の金属元素を含有する助触媒を更に含む請求項1に記載の光触媒。 The photocatalyst according to claim 1, further comprising a promoter containing at least one metal element selected from the group consisting of elements from Group 6 to Group 11 of the periodic table. 前記スズ含有複合酸化物は、ランタノイドを含有するSnNbを含む請求項1又は2に記載の光触媒。 The photocatalyst according to claim 1 or 2, wherein the tin-containing composite oxide contains SnNb 2 O 6 containing lanthanoid. 前記助触媒は、酸素生成助触媒を含む請求項2又は3に記載の光触媒。 The photocatalyst according to claim 2 or 3, wherein the co-catalyst includes an oxygen-generating co-catalyst. 前記酸素生成助触媒は、Ir及びCoの少なくとも一方を含む請求項4に記載の光触媒。 The photocatalyst according to claim 4, wherein the oxygen generation promoter contains at least one of Ir and Co. 2価のスズ(Sn2+)を含有し、更にランタノイドを含有するスズ含有複合酸化物からなる光触媒成分の製造方法であって、
金属酸のアルカリ金属塩とハロゲン化スズとランタノイド含有化合物とを接触させる工程を含み、
ランタノイド/スズのモル比は、0.003~1モル%の範囲である製造方法。
A method for producing a photocatalyst component made of a tin-containing composite oxide containing divalent tin (Sn 2+ ) and further containing lanthanoid, the method comprising:
contacting an alkali metal salt of a metal acid with a tin halide and a lanthanide-containing compound,
A manufacturing method in which the lanthanide/tin molar ratio is in the range of 0.003 to 1 mol%.
前記ハロゲン化スズは、塩化スズである請求項6に記載の製造方法。 7. The manufacturing method according to claim 6, wherein the tin halide is tin chloride.
JP2022048941A 2022-03-24 2022-03-24 Method for producing photocatalyst and photocatalyst component Pending JP2023142187A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2022048941A JP2023142187A (en) 2022-03-24 2022-03-24 Method for producing photocatalyst and photocatalyst component

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2022048941A JP2023142187A (en) 2022-03-24 2022-03-24 Method for producing photocatalyst and photocatalyst component

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2023142187A true JP2023142187A (en) 2023-10-05

Family

ID=88206561

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2022048941A Pending JP2023142187A (en) 2022-03-24 2022-03-24 Method for producing photocatalyst and photocatalyst component

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2023142187A (en)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Zeng et al. A review on photocatalytic CO2 reduction using perovskite oxide nanomaterials
Maeda et al. Development of novel photocatalyst and cocatalyst materials for water splitting under visible light
US7763149B2 (en) Solar photocatalysis using transition-metal oxides combining d0 and d6 electron configurations
Emeline et al. Visible-Light-Active Titania Photocatalysts: The Case of N-Doped TiO 2 s—Properties and Some Fundamental Issues.
Kanhere et al. Visible light driven photocatalytic hydrogen evolution and photophysical properties of Bi3+ doped NaTaO3
Yoshida et al. Lanthanoid Oxide Layers on Rhodium-Loaded (Ga1–x Zn x)(N1–x O x) Photocatalyst as a Modifier for Overall Water Splitting under Visible-Light Irradiation
EP2459485B1 (en) Photocatalytic materials and process for producing the same
Jana et al. Photocatalytic hydrogen production in the water/methanol system using Pt/RE: NaTaO3 (RE= Y, La, Ce, Yb) catalysts
Yamakata et al. Core–shell double doping of Zn and Ca on β-Ga2O3 photocatalysts for remarkable water splitting
JP7045662B2 (en) Photocatalyst manufacturing method and hydrogen generation method
Tang et al. Synthesis of three-layer perovskite oxynitride K2Ca2Ta3O9N· 2H2O and photocatalytic activity for H2 evolution under visible light
Ullah et al. Photocatalytic oxidation of water and air contaminants with metal doped BiTaO4 irradiated with visible light
JP6320249B2 (en) Novel oxysulfide, method for producing oxysulfide, photocatalyst using the same, electrode for photohydrolysis reaction, and method for producing hydrogen
Sofianou et al. Solvothermal synthesis and photocatalytic performance of Mg2+-doped anatase nanocrystals with exposed {0 0 1} facets
Bao et al. Electronic Engineering of ABO3 Perovskite Metal Oxides Based on d 0 Electronic‐Configuration Metallic Ions toward Photocatalytic Water Splitting under Visible Light
JP6077505B2 (en) Water-splitting photocatalyst and method for producing the same, water-splitting photoelectrode
Hossain et al. Mechanistic understanding in manipulating energetics of TiO2 for photocatalysis
JP2023160953A (en) Photocatalyst and method of producing the same
Zhang et al. The evolution of structure, chemical state and photocatalytic performance of α-Fe/FeTiO3/TiO2 with the nitridation at different temperatures
JP4487362B2 (en) Photocatalytic substance
JP6823312B2 (en) Method for producing copper vanadium sulfide, photocatalyst, and cocatalyst-supported Cu3VS4
Maeda et al. (Oxy) nitrides and oxysulfides as visible-light-driven photocatalysts for overall water splitting
JP2004008922A (en) Visible light responsive sulfide photocatalyst for producing hydrogen from water
JP3793800B2 (en) Method for producing hydrogen and oxygen using iodine compound and semiconductor photocatalyst
JP2023142187A (en) Method for producing photocatalyst and photocatalyst component