JP4862183B2 - 光触媒用酸化チタンの製造方法及びチタニア/有機複合体の製造方法 - Google Patents

光触媒用酸化チタンの製造方法及びチタニア/有機複合体の製造方法 Download PDF

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本発明は、光触媒用酸化チタンの製造方法及びチタニア/有機複合体の製造方法に関するものである。
光触媒は光の照射によって自身の中で電荷分離を生じ、生成した電子またはホール、あるいはその双方を他の物質に与えることによって、相手を酸化したり還元したりする、すなわち、光によって様々な酸化還元反応を誘起する物質である。
近年、光触媒が環境浄化用途、防汚・防曇・殺菌用途、さらには水分解による水素製造やグッレッツェルセル(非特許文献1)に代表される光−電気エネルギー変換デバイスの材料としても注目されており、その高い光触媒能や製造コストの面から、酸化チタンが最も広く一般的に使われている。
酸化チタンが光照射によって電荷分離を生じるのは、光半導体としての特性を有するためであり、そのバンドギャップは約3.2eVである。したがって、通常の酸化チタンはこのバンドギャップのエネルギーに相当する380nm以下の紫外領域の光照射によってのみ励起し、光触媒として駆動することが可能である。
光触媒の実用的な用途を考えると、その駆動にはもっぱら太陽光や室内光が用いられることになる。しかしながら、従来の酸化チタン光触媒が利用可能な紫外領域の光は、地上の太陽光スペクトルの3〜5%にしかすぎず、高い効率での光触媒の駆動には限界があった。また、蛍光灯をはじめとする室内光には紫外領域の光がほとんど含まれないため、光触媒がほとんど駆動しなかった。
したがって、酸化チタン光触媒の利用できる光の波長をより長波長側に持っていくことができれば、太陽光の主成分である可視光を利用できるようになり、太陽光下での高い効率での光触媒の駆動が期待できる。また、太陽光の届かない環境であっても室内光で光触媒を駆動することが可能になる。
可視光で駆動可能な酸化チタン光触媒として、窒素をドープした酸化チタンが報告されている(非特許文献2、特許文献1〜6)。酸化チタンの酸素原子の一部を窒素原子に置換することによって、酸化チタンのバンドギャップが狭くなり、紫外光に加え、より波長の長い可視域の光によっても励起して電荷分離を生じ、光触媒能が発現するといわれている。
これまで報告されている窒素ドープ型酸化チタンは、通常の酸化チタンを、窒素あるいはアンモニア気流中、500〜800℃といった高温で数時間加熱処理することによって得られている。このような高温かつ窒素濃度の高い条件は、バンドギャップを変化させるのに十分な量の窒素を酸化チタンに導入するために不可欠であった。
しかしながら、このような高温での加熱処理過程は、光触媒の活性を低下させる原因となる。光触媒反応は触媒表面での反応であるため、高い活性を発現させるためには高い比表面積が求められるが、長時間の高温加熱処理プロセスは光触媒の緻密化を引き起こし、比表面積を低下させる。
酸化チタンの光触媒活性はその結晶性に大きく左右され、一般的には準安定型であるアナターゼ型が最も高活性であるとされているが(非特許文献3)、高温での加熱処理過程を経ることによって、酸化チタンの最も安定な結晶型であるルチル型へと転移をする。
以上のように、酸化チタンは、窒素をドープすることによって太陽光の主成分である可視光でも駆動できるようになる一方、従来の窒素をドープする方法では、窒素ドープに必要な高温加熱処理過程が、酸化チタン本来の光触媒能を低下させてしまうため、太陽光下で高い効率で駆動できる酸化チタン光触媒を得ることは困難であった。
WO01/010552号公報 特開2002−255554号公報 特開2002−361097号公報 特開2003−190809号公報 特開2003−340288号公報 特開2004−97868号公報 B. O’Regan, M. Graetzel, Nature 1991,353, 737 R. Asahi, T. Morikawa, T. Ohwaki, K. Aoki, Y. Taga, Science 2001, 293, 269 K. Kato, A. Tsuzuki, H. Taoda, Y. Torii, T. Kato, Y. Butsugani, J. Mater. Sci. 1994, 29, 5911
酸化チタンは、光触媒として紫外光でしか活性化しないが、窒素をドープすることによって可視光でも駆動できるようになる。従来の方法では、窒素ドープに必要な高温加熱処理過程が、酸化チタン本来の光触媒能を低下させてしまうため、可視光照射下で高い効率で駆動できる酸化チタン光触媒を得ることは困難であった。
そこで本発明では、高い比表面積を有する酸化チタンに、緻密化やルチル転移を伴わないような穏和な条件で可視光域の光吸収が発現するのに十分な量の窒素をドープし、可視光照射下で極めて高い効率で駆動する酸化チタン光触媒が得られるものと期待できるアナターゼ結晶型の光触媒用酸化チタンの製造方法を提供することを目的とする。
前記の目的を達成するためになされた本発明を適用する請求項1に係る発明の光触媒用酸化チタンの製造方法は、チタンアルコキシドと配位子を有する有機物と触媒とを含む混合溶液を容器中に入れ、その容器中に相対湿度を10%から80%に加湿した不活性ガスである気体を流通させることにより、加水分解と重縮合反応に必要な水分を連続的に供給することによって得られた、層状構造を有し層間に有機配位子が配位しているチタニア/有機複合体をアンモニア水に浸漬することによって、層間の有機配位子を配位子交換反応によって水酸基に置換し、同時にアンモニウムを層状構造のチタニアの層間に導入することによって得られたチタニアとアンモニウムの複合体を、酸素と不活性ガスの混合比を酸素濃度0%〜100%の範囲で最も高い光触媒能を示す混合比に制御した混合ガス流通で加熱して、アンモニウムの熱分解により窒素をチタニアにドープすると共にアナターゼに結晶化させることを特徴とする。
同じく請求項2に係る発明の光触媒用酸化チタンの製造方法は、請求項1に記載の方法であって、前記チタンアルコキシドが式1で示されるチタンアルコキシドであり、単独あるいは複数を混合して用いることを特徴とする。
Figure 0004862183
(式1)で、Rは炭素数1〜6のアルキル基であり、それぞれのアルキル基R、R、R、Rは同種であっても異種であっても良い。
具体的なチタンアルコキシドとしてはチタンエトキシド、チタンメトキシド、チタンイソプロポキシド、チタン−n−ブトキシド等が挙げられる。
請求項3に係る発明の光触媒用酸化チタンの製造方法は、請求項1に記載の方法であって、前記配位子を有する有機物が炭素数3〜24のアルキル基を有する脂肪族カルボン酸または炭素数6〜30のアリール基を有する芳香族カルボン酸であることを特徴とする。具体的には、プロピオン酸、酪酸、吉草酸、カプロン酸、エナント酸、カプリル酸、ペラルゴン酸、カプリン酸、ラウリン酸、ミリスチン酸、パルミチン酸、マルガリン酸、ステアリン酸、イソステアリン酸、オレイン酸、リノール酸、リノレン酸、アラキドン酸、ドコサヘキサエン酸、エイコサペンタエン酸、安息香酸、フタル酸、イソフタル酸、テレフタル酸、サリチル酸、没食子酸等が挙げられる。
請求項4に係る発明の光触媒用酸化チタンの製造方法は、請求項1に記載の方法であって、炭素数3〜24のアルキル基を有する脂肪族カルボン酸または炭素数6〜30のアリール基を有する芳香族カルボン酸と炭素数3〜24のアルキル基を有する脂肪族アミンまたは炭素数6〜30のアリール基を有する芳香族アミンを混合したものであることを特徴とする。具体的にはプロピオン酸、酪酸、吉草酸、カプロン酸、エナント酸、カプリル酸、ペラルゴン酸、カプリン酸、ラウリン酸、ミリスチン酸、パルミチン酸、マルガリン酸、ステアリン酸、イソステアリン酸、オレイン酸、リノール酸、リノレン酸、アラキドン酸、ドコサヘキサエン酸、エイコサペンタエン酸、安息香酸、フタル酸、イソフタル酸、テレフタル酸、サリチル酸、没食子酸等のカルボン酸と、プロピルアミン、ブチルアミン、ペンチルアミン、ヘキシルアミン、ヘプチルアミン、オクチルアミン、ノニルアミン、デシルアミン、ドデシルアミン、テトラデシルアミン、ヘキサデシルアミン、ヘプタデシルアミン、オクタデシルアミン、トリメチルアミン、ベンジルアミン、アニリン、メチルアニリン、ジメチルアニリン等のアミンを混合したもの等が挙げられる。
請求項5に係る発明の光触媒用酸化チタンの製造方法は、請求項1に記載の方法であって、該アンモニア水が0から100℃で浸漬されることを特徴とする。
請求項6に係る発明のチタニア/有機複合体の製造方法は、チタンアルコキシドと有機物を含む混合溶液を容器中に入れ、その容器中に相対湿度を10%から80%に加湿した不活性ガスである気体を流通させることにより水分を連続的に供給することによってチタンアルコキシドの加水分解と重縮合反応を進行させ、薄片状チタニアに有機配位子が配位し、規則的な層状構造を形成することを特徴とする。
本発明を適用するアナターゼ結晶型の光触媒用酸化チタンは、チタンアルコキシドと脂肪族カルボン酸を疎水性の有機溶媒に溶解させ、加湿した気体から徐々に水分を取り込んで反応させることを特徴とするゾル−ゲル法により反応させて得られた、層状構造チタニアの層間にカルボキシラートを配位させたチタニア/カルボキシラート複合体を酸化チタン光触媒の前駆体としている。そのため、チタニアのサイズ、形状、組織構造といった形態を前駆体の段階で設計することが可能である。チタニアの生成過程と窒素ドープの過程が完全に独立している。窒素ドープの過程で酸化雰囲気にすることで、比較的低温の処理が可能となった。そのため、サイズが微少で、比表面積が大きいといった光触媒に好ましい形態をチタニアの生成過程を構築し、さらにその形態を維持したまま、窒素ドープによる可視光駆動特性を酸化チタンに付与できる。従来の酸化チタン光触媒に比較して遙かに高性能、高効率な可視光応答型光触媒を得ることができる。
本発明のアナターゼ結晶型の光触媒用酸化チタンは、高温加熱処理過程による緻密化、組織構造の破壊、ルチル転移といった酸化チタン光触媒の光触媒能を低下させる現象を伴うことなく、実用性に富んだ簡易で穏和な化学的手法によって、十分な量の窒素をドープしている。そのため、酸化チタンの薄片状を維持することで十分なかさ高さ、大きな比表面積を持つから、可視光に対する光触媒として適切なものである。ひいては、太陽光のエネルギーを高効率に利用したり、室内光を利用することができる。
さらに本発明によるアナターゼ結晶型の光触媒用酸化チタンの製造方法、極めて簡便かつ穏和な条件での操作であるため工業的な生産性とコストの面からも、その意義が大きい。
発明を実施するための好ましい形態
ゾル−ゲル法によって合成した層状構造を有するチタニア/有機複合体をアンモニア水に浸漬することによって、有機配位子を配位子交換反応によって水酸基に置換すると同時にアンモニウムをチタニアの層状構造の層間に導入してチタニア/アンモニウム複合体とする。このチタニア/アンモニウム複合体を300〜500℃の温度範囲で加熱処理することにより、窒素がドープされた可視光駆動可能な酸化チタン光触媒が得られる。
層状のチタニア/有機複合体はチタニアに水酸基と交換可能な有機配位子が配位した物質であれば様々なものを用いることが可能であるが、有機配位子との分子レベルでの複合化が期待できるチタンアルコキシドを溶液中で反応させるゾル−ゲル法で合成することが特に望ましい。チタンアルコキシドの例としては、チタンエトキシド、チタンメトキシド、チタンイソプロポキシド、チタン−n−ブトキシドなどあらゆるチタンアルコキシドを用いることができる。
ゾル−ゲル法に用いる溶媒は様々な有機溶媒を用いることができるが、チタンアルコキシドの高い反応性の制御、およびアンモニア水への浸潰操作後の生成物の分離操作の容易さといった観点から、水との相溶性の低い疎水溶媒を用いることが望ましい。
層状のチタニア/有機複合体をゾル−ゲル法によって得るためには、二次元的な成長によって薄片状のチタニアが成長しなければならない。このような反応を行うためには反応に必要な水分を少量ずつ連続的に供給する必要があり、加湿した不活性ガスを反応容器中に流通させ、加湿した不活性ガスから徐々に水分を取り込み反応させる手法が有効である。不活性ガスは溶液と反応を起こさないものであれば特に限定されないが、価格、入手のしやすさ、加湿の容易さといった観点から、窒素やアルゴンが特に好ましい。
不活性ガスの加湿の度合いは反応を制御する目的で様々に変化させることができるが、湿度が低すぎる場合水分の導入が不十分で反応を十分に進行させることができず、高すぎる場合は反応容器内での凝結等が生じ、少量ずつの水分導入が難しくなることから、反応容器中での相対湿度が10%から80%程度になるよう調整されることが望ましい。
以上のような条件で薄片状のチタニアを成長させるためには、重縮合反応を促進するために、酸と塩基の中和によって生じた塩を重縮合促進の触媒として導入することが不可欠である。塩は特定のものに限定されないが、弱酸と弱塩基の中和によって生じたものが有効であり、また疎水溶媒への溶解性の観点から、アルキルカルボン酸とアルキルアミンの中和によって得られた塩を用いることが特に好ましい。
チタニア/有機複合体を得るために、チタンアルコキシドの溶液中に、複合体を形成する有機物を混合してから反応を行う。混合する有機物は、チタニアに配位して、チタニア/有機複合体を構築すると同時に、後のアンモニア水での処理時に水酸基と交換可能でなくてはならない。
このような物質としては各種のカルボン酸が挙げられる。カルボン酸とチタンアルコキシドを混合することによって、図1(A)に模式的に示すようにチタンアルコキシドにカルボキシラート(カルボン酸イオン)が配位する。この後、溶液に加湿した不活性ガスから水分を導入することによって、加水分解、及び重縮合反応が生じ、チタニアにカルボキシラートが配位したチタニア/カルボキシラート複合体を含む高粘度のゾルを得ることができる。
カルボン酸は特定のものに限定されないが層状構造が形成されるための相互作用が十分に生じるためには炭素数が3以上のアルキル基を有する脂肪族カルボン酸であるか、ベンゼン環を含むアリール基を有する芳香族カルボン酸であることが好ましく、また、疎水溶媒への溶解性の観点からアルキル基またはアリール基の炭素数が22以下であることが好ましく、なおかつ枝分かれを有することがより好ましい。このようなカルボン酸の一例としてイソステアリン酸があげられる。また、複数のカルボン酸を混合して用いても良い。
図1(B)に、このようにして得られる層状チタニア/カルボキシラート複合体の構造を模式的に示す。薄片状のチタニアシートの表面にカルボキシラートが配位し、カルボキシラート同士の疎水的な相互作用によってチタニアシートが自己組織化し層状構造を形成する。
得られたチタニア/カルボキシラート複合体をアンモニア水で処理することによって、配位しているカルボキシラートを水酸基に置換すると同時に、図1(C)に模式的に示すように、アンモニウムをチタニアの層状構造の層間に導入する。カルボキシラートを完全に除去すること、また充分な量のアンモニウムを導入するといった観点から、用いるアンモニア水は室温から100℃未満の濃アンモニア水が好ましい。温度が100℃以上ではアンモニア水からアンモニアが気化してしまうため好ましくない。
アンモニア水処理後の物質を乾燥した後、酸素と不活性ガスの混合比を制御した混合ガス流通化で加熱してアンモニウムの分解により窒素をチタニアにドープするとともに、アナターゼに結晶化させる。その結果、窒素がドープされ、図1(D)に模式的に示すような可視光で駆動可能な薄片状酸化チタン光触媒を得ることができる。加熱温度は低すぎるとアナターゼへの結晶化が不十分なうえ、窒素が充分に酸化チタンの格子に取り込まれない。一方、高すぎると緻密化やルチルへの結晶化が生じる上、取り込んだ窒素を放出してしまうため、やはり好ましくない。以上のような観点から、加熱処理温度は300〜500℃程度が特に好ましい。さらに好ましくは350〜450℃である。
以下、本発明の実施例を詳細に説明するが、本発明の範囲はこれらの実施例に限定されるものではない。
(実施例1)
窒素雰囲気下、チタンテトライソプロポキシド(50mmol)とイソステアリン酸(25mmol)を混合し、o−キシレンにて全量60mLに希釈した。一方、イソステアリン酸(5mmol)とn−ヘキシルアミン(5mmol)を混合し、o−キシレンにて全量40mLに希釈して重縮合を促進させるための塩触媒溶液とした。両者を混合後、上部に二つの小孔をあけた容器に入れ、一方の小孔から10℃で水分を飽和させた加湿窒素を流通させ、反応容器を40℃に保持したまま溶液をかくはんし、反応を進行させた。このような反応条件では反応容器内の相対湿度が約17%に保持される。以上のような反応を4日間行い、チタニア/イソステアレート複合体からなるゾルを得た。
得られた複合体ゾルは、薄片状のチタニアが十分に成長しているため、粘性の高いゾルとなった。
チタニア/イソステアレート複合体からなる複合体ゾルを、濃アンモニア水(28重量%)と混合し、60℃で2時間撹拌した。撹拌後、分液ロートにて水相部分を取り出し、生成物の遠心分離とアンモニア水による洗浄を5回繰り返し、この固形物を120℃で乾燥しチタニア/アンモニウム複合体を得た。
得られたチタニア/アンモニウム複合体を、酸素(20%)と窒素の混合ガス流通下、400℃で2時間加熱処理したところ、複合体は黄色に呈色した。可視光域における分光吸収を調べたところ、通常の酸化チタンには見られない可視光域(400〜500nm)の強い吸収が発現した。X線回折分光分析(XRD)を測定したところ、アナターゼ酸化チタンに帰属されるピークのみが観察され、アナターゼ結晶型の酸化チタンであることが確認できた。
このアナターゼ結晶型の酸化チタンの比表面積を窒素吸着BET(多分子層吸着式)によって測定したところ比表面積は150m2g-1であった。また熱分解による元素分析を行ったところ、約0.04重量%の窒素がドープされていた。
このアナターゼ結晶型の酸化チタンの触媒機能について調べた。塩酸でpH=3に調整した0.05mMメチレンブルー水溶液に、得られた酸化チタンを0.1重量%懸濁させ、遮光して12時間撹拌した。この懸濁液を石英セルに入れ酸素をバブリングしながら、直径5mmの青色LED20個を用いて可視光(470nm)を照射した。メチレンブルーの分解量から可視光照射下での光触媒能を評価したところ、図2に示すように、顕著な分解が観察され、高い光触媒能を示した。
(比較例1)
実施例1のチタニア/アンモニウム複合体の合成の際に必要な水分導入を、空気中の水分を徐々に取り込むことによって行った。その余は実施例1と同様とした。XRDを測定したところ、実施例1とほとんど同様なアナターゼ酸化チタンに帰属されるピークのみが観察され、両者の結晶性に大きな差異は認められなかった。得られた酸化チタンには可視光域の強い吸収が観察される一方、比表面積は8m2g-1と小さく、可視光照射下での光触媒能は実施例1に比較して低かった(図2参照)。
(実施例2)
実施例1における加熱処理時に流通させる混合ガスの酸素の濃度を0%(窒素100%)とした。その余は実施例1と同様とした。XRDを測定したところ、アナターゼ酸化チタンに帰属されるピークのみが観察され、アナターゼ結晶型の酸化チタンであることが確認できた。得られた酸化チタンの比表面積は167m2g-1であった。実施例1と同様可視光照射下での光触媒能を評価したところ、図2に示すように、顕著な分解が観察され、高い光触媒能を示した。ドープされた窒素量は約0.05重量%であった。
(比較例2)
実施例2における加熱処理時に流通させる混合ガスの酸素の濃度を20%とした。その余は実施例2と同様とした(実施例1に同じ)。XRDを測定したところ、実施例2とほとんど同様なアナターゼ酸化チタンに帰属されるピークのみが観察され、両者の結晶性に大きな差異は認められなかった。得られた酸化チタンの比表面積は150m2g-1であり、実施例2と同程度であったが、ドープされた窒素量は約0.04重量%であり実施例2に比較して減少していた。可視光照射下での光触媒能は実施例2に比較して低かった(図2参照)。
(実施例3)
実施例1における加熱処理時に流通させる混合ガスの酸素の濃度を30%とし、加熱処理温度を350℃とした。その余は実施例1と同様とした。XRDを測定したところ、アナターゼ酸化チタンに帰属されるピークのみが観察され、アナターゼ結晶型の酸化チタンであることが確認できた。得られた酸化チタンの比表面積は247m2g-1であった。実施例1と同様可視光照射下での光触媒能を評価したところ、図2に示すように、顕著な分解が観察され、高い光触媒能を示した。ドープされた窒素量は約0.05重量%であった。
(比較例3)
実施例3における加熱処理時に流通させる混合ガスの酸素の濃度を20%とした。その余は実施例3と同様とした。XRDを測定したところ、実施例3とほとんど同様なアナターゼ酸化チタンに帰属されるピークのみが観察され、両者の結晶性に大きな差異は認められなかった。得られた酸化チタンの比表面積は248m2g-1であり、実施例2と同程度であったが、ドープされた窒素量は約0.07重量%であり実施例3に比較して増大していたが、可視光照射下での光触媒能は実施例3に比較して低かった(図2参照)。
(比較例4)
実施例3における加熱処理時に流通させる混合ガスの酸素の濃度をさらに低く0%(窒素のみ)とした。その余は実施例3と同様とした。XRDを測定したところ、実施例3とほとんど同様なアナターゼ酸化チタンに帰属されるピークのみが観察され、両者の結晶性に大きな差異は認められなかった。得られた酸化チタンの比表面積は258m2g-1であり、実施例2と同程度であったが、ドープされた窒素量は約0.11重量%であり実施例3に比較してさらに増大していたが、可視光照射下での光触媒能は実施例3に比較してさらに低かった(図2参照)。
本発明を適用する光触媒用酸化チタンの製造手順を示す模式図である。
実施例、比較例の酸化チタンに可視光を照射して光触媒能を評価した結果を示すグラフである。

Claims (6)

  1. チタンアルコキシドと配位子を有する有機物と触媒とを含む混合溶液を容器中に入れ、その容器中に相対湿度を10%から80%に加湿した不活性ガスである気体を流通させることにより、加水分解と重縮合反応に必要な水分を連続的に供給することによって得られた、層状構造を有し層間に有機配位子が配位しているチタニア/有機複合体を、アンモニア水に浸漬することによって、層間の有機配位子を配位子交換反応によって水酸基に置換し、同時にアンモニウムを層状構造のチタニアの層間に導入することによって得られたチタニアとアンモニウムの複合体を、酸素と不活性ガスの混合比を酸素濃度0%〜100%の範囲で最も高い光触媒能を示す混合比に制御した混合ガス流通で加熱して、アンモニウムの熱分解により窒素をチタニアにドープすると共にアナターゼに結晶化させることを特徴とする光触媒用酸化チタンの製造方法。
  2. 前記チタンアルコキシドが式1で示されるチタンアルコキシドであり、単独あるいは複数を混合して用いることを特徴とする請求項1に記載の光触媒用酸化チタンの製造方法。
    Figure 0004862183
    (式1)で、Rは炭素数1〜6のアルキル基であり、それぞれのアルキル基R、R、R、Rは同一であっても異なってもよい。
  3. 前記配位子を有する有機物が炭素数3〜24のアルキル基を有する脂肪族カルボン酸または炭素数6〜30のアリール基を有する芳香族カルボン酸であることを特徴とする請求項1に記載の光触媒用酸化チタンの製造方法。
  4. 該触媒が、炭素数3〜24のアルキル基を有する脂肪族カルボン酸または炭素数6〜30のアリール基を有する芳香族カルボン酸と炭素数3〜24のアルキル基を有する脂肪族アミンまたは炭素数6〜30のアリール基を有する芳香族アミンを混合したものであることを特徴とする請求項1に記載の光触媒用酸化チタンの製造方法。
  5. 該アンモニア水が0から100℃で浸漬されることを特徴とする請求項1に記載の光触媒用酸化チタンの製造方法。
  6. チタンアルコキシドと有機物を含む混合溶液を容器中に入れ、その容器中に相対湿度を10%から80%に加湿した不活性ガスである気体を流通させることにより水分を連続的に供給することによってチタンアルコキシドの加水分解と重縮合反応を進行させ、薄片状チタニアに有機配位子が配位し、規則的な層状構造を形成することを特徴とするチタニア/有機複合体の製造方法。
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