JP4495162B2 - ルチル型酸化チタン超微粒子 - Google Patents

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Description

本発明は、光触媒、高屈折率材料、紫外線吸収材料などに用いられるルチル型酸化チタン超微粒子に関する。
酸化チタンは代表的な光酸化触媒として知られており、これまで抗菌剤や超親水性をいかした防曇剤などに応用されてきている。酸化チタンの結晶型にはアナターゼ型、ルチル型、ブルッカイト型が知られており、このうちアナターゼ型が光触媒活性がもっとも高いとされてきたが、近年においては一部ルチル型成分がアナターゼ型成分と接触混入していることがさらに光触媒活性を高めていることが知られるようになってきた。そのためにルチル型酸化チタン超微粒子をアナターゼ型酸化チタンと混合して用いることが提案されている。またルチル型酸化チタン超微粒子を単独で用いることで高活性が発現されることが合わせて期待されるところとなっている。ところが、従来のように気相法で製造するルチル型酸化チタンは高温で処理されるために焼結により大粒子径になり、表面積の低下から必然的に光触媒活性が低下してしまうという難点があった。
一方、ルチル型酸化チタンを低温湿式法で合成する方法が、H.D.Namらにより報告されている(非特許文献1)。しかし、この方法によれば、長繊維状のルチル型酸化チタンが寄せ集まった凝集粒子径200〜400nmの凝集体が生成し、同様に光触媒活性低下の問題点があった。これらの難点の克服は透明性の要求される高屈折率材料や紫外線吸収材料に必要な高分散性のルチル超微粒子の提供をも可能にする。
Jpn. J. Appl. Phys., 37, 4603(1998)
本発明は、光触媒、高屈折率材料、紫外線吸収材料などに用いられるルチル型酸化チタン超微粒子を提供することを目的とする。
本発明者らは上記課題を解決するために鋭意検討を行った結果、ルチル型酸化チタン製造時にキレート剤が存在すると結晶径の増大が抑止されると共に結晶の凝集も抑止されることを発見し、本発明を完成させた。
即ち、本発明は、キレート剤の存在下、Ti分濃度が0.07〜5mol/Lであるチタン化合物の水溶液のpHを−1〜3の範囲で保持して得られるルチル型酸化チタン超微粒子に関するものである。
本発明によれば、新規なルチル型酸化チタン超微粒子および該ルチル型酸化チタン超微粒子を含有する光触媒を提供することができる。
本発明のルチル型酸化チタン超微粒子は、キレート剤の存在下、Ti分濃度が0.07〜5mol/Lであるチタン化合物の水溶液のpHを−1〜3の範囲に保持することにより得られる。
本発明のルチル型酸化チタン超微粒子の製造に用いられるキレート剤としては、チタンカチオンに対して配位能力を有する少なくとも2個の官能基を有する化合物であれば特に制限されない。
チタンカチオンに対して配位能力を有する少なくとも2個の官能基を有する化合物としては、例えば、ヒドロキシカルボン酸類、ジケトン類、ケトカルボン酸、ケトエステル類、ジカルボン酸類が挙げられる。
本発明のルチル型酸化チタン超微粒子の製造には、ヒドロキシカルボン酸類、ジケトン類、ケトエステル類、ジカルボン酸類から選択される一種以上のものを用いることができる。
ヒドロキシカルボン酸類としては、例えば、グリコール酸、乳酸、クエン酸、酒石酸、サリチル酸およびこれらの塩、例えばクエン酸ナトリウムなどが挙げられる。ジケトン類としては、例えば、アセチルアセトンやプロピオニルアセトンおよびこれらの塩、例えばアルミニウムアセチルアセトネートなどが挙げられる。
ケトエステル類としては、例えば、エチルアセトアセテートやエチルマロネートなどが挙げられる。
ジカルボン酸類としては、例えば、マロン酸や琥珀酸などが挙げられる。
キレート剤のチタン化合物に対する使用量は、チタン化合物中のTi分に対するキレート剤のモル比が0.0005〜0.05の範囲から選択される量を使用する。キレート剤の使用量がこの範囲であるとルチル型酸化チタン超微粒子が凝集して巨大な凝集体となりにくくなるので好ましい。
本発明に用いられるチタン化合物としては、化学反応により酸化チタンを生成するものであれば制限はなく、例えば、四塩化チタン、塩化酸化チタン、硫酸チタン、硝酸チタン、チタンアルコキシド、水和酸化チタン(あらかじめチタン化合物をアルカリ条件で加水分解させたものも含む)などから選ばれるチタン化合物等が好ましいものとして挙げられる。
本発明に用いられるチタン化合物の水溶液において、該水溶液中のチタン化合物の濃度は、該チタン化合物中のTi分の濃度(以下、「Ti分濃度」と略記する。)として0.07〜5mol/L、好ましくは0.1mol/Lから1mol/Lであることが望ましい。
Ti分濃度が0.07mol/Lより低い場合はアナターゼ型酸化チタンが生成し、Ti分濃度が5mol/Lより高い場合は水濃度が低下するために酸化チタンの生成が阻害される。
前記のチタン化合物を含む水溶液のpHは、使用するキレート剤およびチタン化合物の種類により異なる。そのため、チタン化合物を含む水溶液のpH調整は、必要に応じて塩酸や硝酸などを用いて行う。
チタン化合物を含む水溶液のpHは−1〜3に調整するが、pHが3より大きい条件で反応させると、酸化チタン結晶生成が阻害されるので好ましくない。
前記のキレート剤およびチタン化合物を含むpH調整後の水溶液は、通常、その水溶液の温度が−10〜100℃から選択される温度で保持されるが、好ましくは20〜60℃の範囲内の温度が推奨される。
前記の温度範囲内の水溶液は、通常、0.5〜10時間の間、前記の温度範囲内に保持される。
前記のように、キレート剤の存在下、Ti分濃度が0.07〜5mol/Lであるチタン化合物の水溶液のpHを−1〜3の範囲に保持することにより、該水溶液中にルチル型酸化チタン超微粒子が析出する。なお、該水溶液中にはルチル型酸化チタン超微粒子が凝集した凝集体が少量含まれる。
前記水溶液中に析出する超微粒子がルチル型酸化チタンであることは、X線回折測定により確認することができる。また、該ルチル型酸化チタン超微粒子の平均粒径は、デバイ−シェラー式からも求めることができる。
前記の水溶液中に析出するルチル型酸化チタン超微粒子の平均粒径は超微粒子の短軸、長軸の範囲でいえば、それぞれ2〜10nm、15〜30nmであり、該ルチル型酸化チタン超微粒子同士が凝集した凝集体の平均粒径は10〜100nmである。
ルチル型酸化チタン超微粒子およびルチル型酸化チタン超微粒子が凝集した凝集体は、これを含む水溶液から濾過などの方法で分離し、必要に応じて、水および/またはアルコールなどの溶媒への分散、限外濾過、再沈殿などの手法により洗浄する。
このようにして回収されるルチル型酸化チタン超微粒子(ルチル型酸化チタン超微粒子が凝集した凝集体を含む)は乾燥することにより、または100℃〜800℃でか焼することにより粉末として得ることができるが、所望により、ゾルとして調製することもできる。
以上のようにして得られるルチル型酸化チタン超微粒子は光分解反応などの触媒として作用するため、これを含有する光触媒として有用である。光分解反応としては、例えば、有機色素、ホルマリン、芳香族炭化水素などの有機化合物を分解する反応などが挙げられる。
以下、実施例により本発明をさらに詳しく説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
なお、光触媒としての活性評価は次の方法に依った。
酸化チタンTiO を6mg採り(ゾル液の場合は相当のTiO を含むゾル液)、1cmキュベットセルに入れ、2x10 −5 mol/Lのメチレンブルー水溶液を加え、磁気回転子で攪拌する。高圧キセノンランプからの光を5cm長さの水フィルターを通し、セルに側面より照射する。セル前面での光量を測定し、120mW/cm に調節した。10分毎に試料液を取り出し、遠心分離し濾液の可視紫外吸収スペクトルを測定しメチレンブルーの吸光度変化から光触媒活性を評価した。
100mLナス型フラスコを用い、イオン交換水50mLにTi 25mmolの0.001モル比すなわち0.025mmolのグリコール酸を添加した。次いで、フルカ社製TiOCl ・HCL溶液5mL(Ti分25mmol)を加え、0.45M TiOCl 溶液を調製した。これを50℃、1h反応させた。得られた沈殿をイオン交換水に再分散させ、電子顕微鏡観察を行ったところ、平均粒径は長軸25nm、短軸10nmである超微粒子および平均粒径が50nmである超微粒子の凝集体を少量含む混合物を得た。得られた沈殿をアセトニトリルで洗浄し、風乾した粉末のX線回折スペクトルを測定したところルチル型酸化チタンと同定された。
風乾した粉末のX線回折スペクトルおよび赤外線吸収スペクトルをそれぞれ図1および図2に示した。また、デバイシェラー式から評価される超微粒子の長軸、短軸の計算値は電顕観察の結果に対応した。
風乾した粉末とそれをルツボに入れ400℃で2時間か焼して得られた粉末についてそれぞれ光触媒活性試験を行った結果、高活性を示した。結果を図3に示した。
グリコール酸の代わりに乳酸を用いる以外は実施例1と同様に実施した。その結果、平均粒径は長軸で20nm、短軸で8nmである超微粒子および少量の平均粒径が30nmの超微粒子の凝集体の混合物を得た。
グリコール酸の代わりにアセチルアセトンを用いる以外は実施例1と同様に実施した。その結果、平均粒径は長軸20nm、短軸7nmである超微粒子および平均粒径が25nmの超微粒子の凝集体を少量含む混合物を得た。
グリコール酸の代わりに琥珀酸を用いる以外は実施例1と同様に実施した。その結果、平均粒径は長軸25nm、短軸12nmである超微粒子および平均粒径が40nmの超微粒子の凝集体を少量含む混合物を得た。
アセトアルデヒド分解試験用試料板A作製
実施例1で400℃で2時間か焼して得られたルチル型酸化チタン超微粒子光触媒5.0gを、100mLポリエチレン製広口瓶に入れ、直径1mmのガラスビーズ50.0g、エタノール44.0g、1規定塩酸0.5g、ノニオン系界面活性剤TritonX−100(ユニオンカーバイド社登録商標)0.5gを加え、密封した。これを、内容積300mLのステンレス製ボールミルポットに入れ、広口瓶がボールミルポットの中央になるように、隙間に布を詰めた。そして、ボールミルポットを密封した後、ボールミル回転台に載せて、毎分60回転の速度で18時間分散化処理を施した。処理後、広口瓶を取り出し、ナイロン製メッシュシートでガラスビーズをろ別して、ルチル型酸化チタン超微粒子光触媒のエタノール分散液を得た。次に、予め重量を測定したスライドガラス(2.6cm×7.6cm,厚さ1mm)を、この分散液に、90秒毎に、毎秒0.4cmの速度で42回、浸漬および引き上げを行なって、スライドガラス表面にルチル型酸化チタン超微粒子光触媒を固定化した。2.6cm幅の一方の面を除き、他の面に付着した光触媒は、全て拭き取った。これを、電気炉で空気雰囲気下,400℃,3時間焼成処理を行い、光触媒塗布試料板Aを作製した。光触媒固定化の前後の重量測定、並びにルチル型酸化チタン超微粒子光触媒を固定化した部分の丈の計測より、この試料板は、ルチル型酸化チタン超微粒子光触媒の塗布重量6.6mg、ルチル型酸化チタン超微粒子光触媒の塗布面積12.2cm、面積当りの塗布重量、5.4g/m であった。
アセトアルデヒド分解試験
光触媒塗布試料板Aに、空気雰囲気下、5.4mW/cmの紫外線を3時間照射した。光源には27Wのブラックライトブルー灯(三共電気、FPL27BLB)を、紫外線強度測定には、UVA−365(カスタム社製)を用いた。
照射処理後の光触媒塗布試料板Aを、シリコンパッキン付きコネクターおよびミニコックが一つずつ付属した容積1リットルのテドラー(デュポン社登録商標)バッグ内部の中央に、5mm角の両面テープで貼り付けた。その際、バッグの一辺を一度切り取って、貼付の後に、切除部分をヒートシーラーで密封した。続いて、真空ポンプを用いてミニコックから内部の空気を抜き出してからコックを閉じ、真空パックされた状態で暗所に一晩放置した。
次に、酸素20%、窒素80%の混合ガスを15℃のイオン交換水を潜らせた湿潤混合ガスと、1%アセトアルデヒド/窒素混合ガスとを、混合して、アセトアルデヒド濃度96ppmのガスを調製した。このガスを600mL採取して、上記の光触媒塗布試料板Aを内部に貼付したバッグに、注入した。その後、バッグを暗所に20時間放置した。その後、バッグ内部のガスのアセトアルデヒド濃度および二酸化炭素濃度を測定した。濃度測定には、メタナイザー付きのガスクロマトグラフ(島津社製GC−10A)を使用した。分析後、光触媒塗布試料板Aを内部に貼付したバッグを、光触媒塗布試料板Aの塗布面が、白色蛍光灯(松下電工製、10W、FL10N)から4cmの距離で光が垂直に当たるように置いた。そして、蛍光灯による光照射2時間毎にバッグ内部のガスの分析を行った。この時、バッグと同じフィルム1枚をフィルターとして塗布面と同一の場所で測定した紫外線強度は、11μW/cmであった。ここで、紫外線強度測定には、UVA−365(カスタム社製)を用いた。二酸化炭素の濃度推移は、(図4)に示した。蛍光灯の光を照射することにより、アセトアルデヒドを分解して二酸化炭素を生成することが確認できた。
トルエン分解試験用試料板B作製
浸漬および引き上げを40回にした以外は実施例と同様にして、光触媒塗布試料板Bを作製した。この試料板は、ルチル型酸化チタン超微粒子光触媒の塗布重量5.8mg、ルチル型酸化チタン超微粒子光触媒の塗布面積12.3cm、面積当りの塗布重量4.7g/m であった。
トルエン分解試験
光触媒塗布試料板Aの代わりに光触媒塗布試料板Bを、アセトアルデヒドの代わりにトルエンを、アセトアルデヒド濃度96ppmの混合ガスの代わりにトルエン濃度31ppmの混合ガスを用いた以外は、実施例と同様にして。蛍光灯の光照射によるトルエンの分解反応を行った。二酸化炭素の濃度推移は(図5)に示した。蛍光灯の光を照射することにより、トルエンを分解して二酸化炭素を生成することが確認できた。
(比較例1)
グリコール酸を添加せずに実施例1と同様に行ったところ、沈殿濾過後、再分散困難なルチル型酸化チタン超微粒子の凝集体が得られた。X線回折のデバイシェラー式から求めた超微粒子の平均粒径は実施例1と同様であったが、超微粒子の凝集体の平均粒径は270nmと巨大であった。
(比較例2)
アナターゼ型酸化チタンを次のように調製した。
250mLイオン交換水にフルカ社製TiOCl ・HCl溶液2.5mLを加え、0.05M TiOCl 溶液とし、60℃、5h加熱してゾル液を得た。アセトニトリル添加により、沈殿を得、これを乾燥して粉末を得た。X線回折の結果、得られた粉末はアナターゼ型結晶であった。電顕観察によると球状の超微粒子の平均粒径は5nmで凝集はほとんどみられなかった。
得られた粉末について、光触媒活性試験を行った結果を図3に示した。
実施例1で得られた風乾した粉末のエックス線回折スペクトルを示す図である。 実施例1で得られた風乾した粉末の赤外線吸収スペクトルを示す図である。 実施例1で得られた風乾したルチル型酸化チタンの粉末、これを400℃でか焼したルチル型酸化チタンの粉末、比較例2で得られたアナターゼ型酸化チタンの粉末の光触媒活性試験結果を示す図である。 実施例5のアセトアルデヒド分解試験の結果を示す図である。 実施例6のトルエン分解試験の結果を示す図である。

Claims (27)

  1. キレート剤の存在下、Ti分濃度が0.07〜5mol/Lであるチタン化合物の水溶液のpHを−1〜3の範囲で保持して得られるルチル型酸化チタン超微粒子。
  2. 請求項1記載のキレート剤がヒドロキシカルボン酸類、ジケトン類、ケトエステル類、ジカルボン酸類から選ばれる一種以上のものである、請求項1記載のルチル型酸化チタン超微粒子。
  3. 請求項2記載のヒドロキシカルボン酸類がグリコール酸または乳酸またはクエン酸または酒石酸またはそれらの塩である、請求項2記載のルチル型酸化チタン超微粒子。
  4. 請求項2記載のジケトン類がアセチルアセトンまたはその塩である、請求項2記載のルチル型酸化チタン超微粒子。
  5. チタンに対するモル比が0.0005〜0.05のキレート剤を添加する請求項1〜4記載のルチル型酸化チタン超微粒子。
  6. 請求項1〜5記載のルチル型酸化チタン超微粒子を含有する光触媒。
  7. 100〜800℃でか焼された請求項6記載の光触媒。
  8. キレート剤の存在下、Ti分濃度が0.07〜5mol/Lであるチタン化合物の水溶液のpHを−1〜3の範囲で保持するルチル型酸化チタン超微粒子の製造方法。
  9. キレート剤がヒドロキシカルボン酸類、ジケトン類、ケトエステル類またはジカルボン酸類から選ばれる一種以上のものである、請求項8記載の製造方法。
  10. ヒドロキシカルボン酸類がグリコール酸、乳酸、クエン酸、酒石酸またはそれらの塩である、請求項9記載の製造方法。
  11. ジケトン類がアセチルアセトンまたはその塩である、請求項9記載の製造方法。
  12. チタンに対するモル比が0.0005〜0.05のキレート剤を添加する請求項8〜11のいずれか一項に記載の製造方法。
  13. キレート剤の存在下、Ti分濃度が0.07〜5mol/Lであるチタン化合物の水溶液のpHを−1〜3の範囲で保持して得られるルチル型酸化チタン超微粒子からなる凝集体。
  14. キレート剤がヒドロキシカルボン酸類、ジケトン類、ケトエステル類または、ジカルボン酸類から選ばれる一種以上のものである、請求項13記載のルチル型酸化チタン超微粒子からなる凝集体。
  15. ヒドロキシカルボン酸類がグリコール酸、乳酸、クエン酸、酒石酸またはそれらの塩である、請求項14記載のルチル型酸化チタン超微粒子からなる凝集体。
  16. ジケトン類がアセチルアセトンまたはその塩である、請求項14記載のルチル型酸化チタン超微粒子からなる凝集体。
  17. チタンに対するモル比が0.0005〜0.05のキレート剤を添加する請求項13〜16記載のいずれか一項に記載のルチル型酸化チタン超微粒子からなる凝集体。
  18. 請求項13〜17のいずれか一項に記載の凝集体を含有する光触媒。
  19. 100〜800℃でか焼された請求項18記載の光触媒。
  20. キレート剤の存在下、Ti分濃度が0.07〜5mol/Lであるチタン化合物の水溶液のpHを−1〜3の範囲で保持するルチル型酸化チタン超微粒子からなる凝集体の製造方法。
  21. キレート剤がヒドロキシカルボン酸類、ジケトン類、ケトエステル類またはジカルボン酸類から選ばれる一種以上のものである、請求項20記載の製造方法。
  22. ヒドロキシカルボン酸類がグリコール酸、乳酸、クエン酸、酒石酸またはそれらの塩である、請求項21記載の製造方法。
  23. ジケトン類がアセチルアセトンまたはその塩である、請求項21記載の製造方法。
  24. チタンに対するモル比が0.0005〜0.05のキレート剤を添加する請求項20〜23のいずれか一項に記載の製造方法。
  25. 請求項6、請求項7、請求項18または請求項19のいずれか一項に記載の、有機化合物分解用光触媒。
  26. 請求項6、請求項7、請求項18または請求項19のいずれか一項に記載の光触媒を使用する、有機化合物の分解方法。
  27. 有機化合物がアルデヒド、トルエンまたは有機色素である、請求項25に記載の光触媒または請求項26に記載の分解方法。
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