JP5069881B2 - R-type manganese dioxide nanoneedle porous body and R-type manganese dioxide nanoneedle constituting the same, hydrogenated manganese oxide, infrared absorbing material, infrared filter, and production method thereof - Google Patents

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Description

本願発明は、R型二酸化マンガンナノニードル多孔体とそれを構成するR型二酸化マンガンナノニードル、水素化した酸化マンガン、赤外線吸収材料、赤外線フィルター、およびそれらの製造方法に関するものである。   The present invention relates to an R-type manganese dioxide nanoneedle porous body, an R-type manganese dioxide nanoneedle constituting the porous body, hydrogenated manganese oxide, an infrared absorbing material, an infrared filter, and methods for producing them.

多孔質材料(ポーラス材料)とは、内部に大小さまざまな孔をもつ固体の総称であって、その構造や表面の性質を利用して断熱材、緩衝材、吸音材、あるいは本発明で扱う吸着材や触媒担体として多方面に利用されている。この多孔質材料は、平均細孔直径の大きさに応じてマイクロポーラス(2nm以下)、メソポーラス(2〜50nm)、マクロポーラス(50nm以上)と分類される。   Porous material (porous material) is a general term for solids having various pores inside and outside, and using the structure and surface properties, heat insulating material, buffer material, sound absorbing material, or adsorption handled in the present invention It is used in many fields as materials and catalyst carriers. This porous material is classified as microporous (2 nm or less), mesoporous (2 to 50 nm), or macroporous (50 nm or more) according to the average pore diameter.

合成方法や構成元素の如何を問わず、平均細孔直径が均一なメソポーラス材料の合成が世界で初めて報告されたのは1992年であり、それらは界面活性剤の分子集合体を鋳型にして酸化ケイ素のメソポア構造を実現したメソポーラス多孔体であった(非特許文献1、2参照)。このような平均細孔直径が均一なメソポーラス材料は、実際に合成が成功してからまだ間がないため、現時点で工業的な実用例は存在しない。しかし、ゼオライトに代表されるマイクロポーラスの細孔では小さすぎて入ることが困難であった分子径の大きな化合物が絡む触媒反応や吸着反応、あるいはナノ材料の物性を研究するために格好のモデル物質であるため、近年、合成方法や物性とその応用に関する研究論文が急増している。中でもマンガン酸化物に関する報告は現在でも数件しか存在せず、その代表例として1997年に平均細孔直径2nmの合成が報告された(非特許文献3参照)。   The world's first synthesis of mesoporous materials with uniform average pore diameters was reported in 1992, regardless of the synthesis method or constituent elements, and they were oxidized using surfactant molecular aggregates as templates. It was a mesoporous material that realized a silicon mesopore structure (see Non-Patent Documents 1 and 2). Such a mesoporous material having a uniform average pore diameter has not yet been industrially practical since it has not been synthesized since the synthesis was actually successful. However, it is a good model substance for studying catalytic reactions and adsorption reactions involving compounds with large molecular diameters, which were too small to enter with microporous pores such as zeolite, or the physical properties of nanomaterials. Therefore, in recent years, research papers on synthesis methods, physical properties, and their applications have increased rapidly. Among them, there are only a few reports regarding manganese oxides, and as a representative example, synthesis with an average pore diameter of 2 nm was reported in 1997 (see Non-Patent Document 3).

しかしながら、平均細孔直径2nmはマイクロポーラスとの境界領域であって、天然ガスなど分子径の大きな化合物が絡む触媒反応や溶液中における錯体の吸着・析出反応、あるいはナノ機能性材料のホスト物質としての利用目的には孔径が細かいため、平均細孔直径が10〜20nm近辺の二酸化マンガン・メソポーラス材料には各方面で大きな期待がかかっている。通常、二酸化マンガンは、その結晶構造に応じて、α(アルファ)、β(ベータ)、γ(ガンマ)、ε(イプシロン)、δ(デルタ)、λ(ラムダ)、R(アール)型に分類されている。この内、γ型は、β型とε型、およびR型が混在した結晶構造である。これらの結晶構造の違いは、結晶を構成する最小ユニットである八面体(マンガン原子の周りに6つの酸素原子が配位した八面体)の均一で規則的な配列が異なっていることが理由で生じることが周知である。   However, the average pore diameter of 2 nm is a boundary region with microporous, and is used as a host material for catalytic reactions involving complex compounds with large molecular diameters such as natural gas, adsorption / deposition reactions of complexes in solution, or nanofunctional materials. Since the pore diameter is small for the purpose of use, there is great expectation in each direction for the manganese dioxide mesoporous material having an average pore diameter of about 10 to 20 nm. Generally, manganese dioxide is classified into α (alpha), β (beta), γ (gamma), ε (epsilon), δ (delta), λ (lambda), and R (R) types depending on the crystal structure. Has been. Among these, the γ type is a crystal structure in which a β type, an ε type, and an R type are mixed. The difference between these crystal structures is because the uniform and regular arrangement of octahedrons (octahedrons with six oxygen atoms coordinated around manganese atoms), which is the smallest unit constituting the crystal, is different. It is well known to occur.

なお、R型二酸化マンガンに関しては、従来より、λ(ラムダ)型二酸化マンガン結晶内にリチウムが配位したスピネル結晶構造を有するリチウム・マンガン酸化物を出発原料とした水熱合成法によって得られることが報告されている(非特許文献4参照)が、それ以外の合成方法で、ナノスケールで、かつ、ニードルの形状のR型二酸化マンガンが合成された例は存在しない。
J.S.Beck et al,J. Am. Chem. Soc.,114,10834(1992) J.C.Vartuli et al.,Chem. Mater.,6,2317(1994) Zheng−Rong Tian et al. Science vol.276 H.Rossouw, J.Mater.chem, vol.2,1992
It should be noted that R-type manganese dioxide is conventionally obtained by a hydrothermal synthesis method using a lithium manganese oxide having a spinel crystal structure in which lithium is coordinated in a λ (lambda) type manganese dioxide crystal as a starting material. Is reported (see Non-Patent Document 4), but there is no example of synthesizing R-type manganese dioxide in a nanoscale and needle shape by other synthesis methods.
J. et al. S. Beck et al, J.A. Am. Chem. Soc. , 114, 10834 (1992) J. et al. C. Vartuli et al. , Chem. Mater. , 6, 2317 (1994) Zheng-Rong Tian et al. Science vol. 276 H. Rossouw, J.M. Mater. chem, vol. 2,1992

そこで、本願発明は、以上のとおりの背景よりなされたものであって、ナノスケールのR型二酸化マンガンのナノニードルから構成された高比表面積のR型二酸化マンガンナノニードル多孔体とそれを構成するR型二酸化マンガンナノニードル、赤外線吸収材料、赤外線フィルター、およびそれらの製造方法を提供することを課題としている。   Accordingly, the present invention has been made based on the background as described above, and comprises a high specific surface area R-type manganese dioxide nanoneedle porous body composed of nanoscale R-type manganese dioxide nanoneedles and the porous body. It is an object to provide an R-type manganese dioxide nanoneedle, an infrared absorbing material, an infrared filter, and a method for producing them.

本願発明は、上記の課題を解決するものとして、以下のことを特徴としている。
<1> R型二酸化マンガンを主成分とするニードル状のナノニードルで構成されており、これらナノニードルでメソポーラス多孔体構造が形成されていることを特徴とする二酸化マンガンナノニードル多孔体。
<2> メソポーラス多孔体構造の平均細孔直径が3nm〜30nmの範囲であって、BET比表面積が40〜200m/g、全細孔容積が0.1〜0.5cm/gの範囲であることを特徴とする上記<1>に記載の二酸化マンガンナノニードル多孔体。
<3> メソポーラス多孔体構造の平均細孔直径が7nm〜14nmの範囲、BET比表面積が80〜130m/g、全細孔容積が0.2〜0.5cm/gの範囲であることを特徴とする上記<1>に記載の二酸化マンガンナノニードル多孔体。
<4> メソポーラス多孔体構造の平均細孔直径が15nm〜30nmの範囲、BET比表面積が40〜50m/g、全細孔容積が0.1〜0.3cm/gの範囲であることを特徴とする上記<1>に記載の二酸化マンガンナノニードル多孔体。
<5> 表面硬さは、ビッカース硬さ試験法による測定でビッカース硬度15〜35の範囲であることを特徴とする上記<1>から<4>のいずれかに記載の二酸化マンガンナノニードル多孔体。
<6> 大きさがナノメートルスケールであって、R型二酸化マンガンを主成分とするニードル状のR型二酸化マンガンのナノニードル。
<7> 太さ1〜100nm、長さ3〜900nmの範囲であることを特徴とする上記<6>に記載のR型二酸化マンガンのナノニードル。
<8> 太さ2〜10nm、長さ5〜30nmの範囲である上記<6>に記載のR型二酸化マンガンのナノニードル。
<9> 太さ10〜30nm、長さ30〜300nmの範囲である上記<6>に記載のR型二酸化マンガンのナノニードル。
<10> 上記<6>から<9>のいずれかのR型二酸化マンガンのナノニードルに、金属が担持されていることを特徴とする金属担持R型二酸化マンガンのナノニードル。
<11> 担持される金属は、金またはパラジウムであることを特徴とする上記<10>に記載の金属担持R型二酸化マンガンのナノニードル。
<12> R型二酸化マンガンMnOの結晶構造に、プロトンHおよび電子eが含侵したマンガン価数+4価の水素化した酸化マンガンHMnOのナノ微粒子。
<13> 太さ2〜10nm、長さ5〜30nmの範囲であって、ニードル状である上記<12>に記載の水素化した酸化マンガンHMnOのナノ微粒子。
<14> 太さ10〜30nm、長さ30〜300nmの範囲であって、ニードル状である上記<12>に記載の水素化した酸化マンガンHMnOのナノ微粒子。
<15> 上記<1>から<5>のいずれかの二酸化マンガンナノニードル多孔体で形成されてなるメソポーラス多孔体材料。
<16> 膜状に形成された膜状体であることを特徴とする上記<15>に記載のメソポーラス多孔体材料。
<17> 炭酸マンガンn水和物MnCO・nHO粉末を焼成し、これを酸処理してペースト状とした後、乾燥することを特徴とする二酸化マンガンナノニードル多孔体の製造方法。
<18> 炭酸マンガンn水和物とともに炭酸酸化ビスマスを混合して焼成することを特徴とする上記<17>に記載の二酸化マンガンナノニードル多孔体の製造方法。
<19> 酸処理を少なくとも2回以上行うこと特徴とする上記<17>または<18>に記載の二酸化マンガンナノニードル多孔体の製造方法。
<20> 上記<6>から<9>のR型二酸化マンガンのナノニードルを酸処理することを特徴とする水素化した酸化マンガンHMnOのナノ微粒子の製造方法。。
<21> 上記<1>から<5>のいずれかに記載の二酸化マンガンナノニードル多孔体からなる赤外線吸収材料。
<22> 上記<21>に記載の赤外線吸収材料が含有されていることを特徴とする赤外線フィルター。
<23> 透過される赤外線は、波長領域10〜14μmの範囲であることを特徴とする上記<22>に記載の赤外線フィルター。
The present invention is characterized by the following in order to solve the above problems.
<1> A manganese dioxide nanoneedle porous body comprising needle-shaped nanoneedles mainly composed of R-type manganese dioxide, wherein a mesoporous porous structure is formed by these nanoneedles.
<2> The mesoporous porous structure has an average pore diameter of 3 nm to 30 nm, a BET specific surface area of 40 to 200 m 2 / g, and a total pore volume of 0.1 to 0.5 cm 3 / g. The manganese dioxide nanoneedle porous body according to <1>, wherein the porous body is a manganese dioxide nanoneedle.
<3> The mesoporous porous structure has an average pore diameter of 7 nm to 14 nm, a BET specific surface area of 80 to 130 m 2 / g, and a total pore volume of 0.2 to 0.5 cm 3 / g. The porous manganese dioxide nanoneedle described in <1> above, wherein
<4> The mesoporous porous structure has an average pore diameter of 15 nm to 30 nm, a BET specific surface area of 40 to 50 m 2 / g, and a total pore volume of 0.1 to 0.3 cm 3 / g. The porous manganese dioxide nanoneedle described in <1> above, wherein
<5> Manganese dioxide nanoneedle porous body according to any one of <1> to <4>, wherein the surface hardness is in the range of Vickers hardness of 15 to 35 as measured by the Vickers hardness test method .
<6> Needle-shaped R-type manganese dioxide nanoneedles having a nanometer scale in size and mainly composed of R-type manganese dioxide.
<7> The R-type manganese dioxide nanoneedle according to the above <6>, which has a thickness of 1 to 100 nm and a length of 3 to 900 nm.
<8> The nanoneedle of R-type manganese dioxide according to the above <6>, which has a thickness of 2 to 10 nm and a length of 5 to 30 nm.
<9> The nanoneedle of R-type manganese dioxide according to the above <6>, which has a thickness of 10 to 30 nm and a length of 30 to 300 nm.
<10> A metal-supported R-type manganese dioxide nanoneedle, wherein a metal is supported on the R-type manganese dioxide nanoneedle according to any one of the above items <6> to <9>.
<11> The metal-supported R-type manganese dioxide nanoneedle according to <10>, wherein the metal to be supported is gold or palladium.
<12> Manganese valence + tetravalent hydrogenated manganese oxide HMnO 2 nanoparticles in which the crystal structure of R-type manganese dioxide MnO 2 is impregnated with protons H + and electrons e .
<13> Nanoparticles of hydrogenated manganese oxide HMnO 2 according to the above <12>, which are in the range of 2 to 10 nm in thickness and 5 to 30 nm in length and are needle-shaped.
<14> Nanoparticles of hydrogenated manganese oxide HMnO 2 according to the above <12>, which have a thickness of 10 to 30 nm and a length of 30 to 300 nm and are needle-shaped.
<15> A mesoporous material formed of the manganese dioxide nanoneedle porous material according to any one of <1> to <5>.
<16> The mesoporous material according to <15>, wherein the mesoporous material is a film-like body formed in a film shape.
<17> A method for producing a manganese dioxide nanoneedle porous body, comprising firing manganese carbonate n-hydrate MnCO 3 .nH 2 O powder, treating it with acid to form a paste, and then drying.
<18> The method for producing a manganese dioxide nanoneedle porous body according to <17>, wherein bismuth carbonate carbonate is mixed with manganese carbonate n hydrate and fired.
<19> The method for producing a manganese dioxide nanoneedle porous body according to <17> or <18>, wherein the acid treatment is performed at least twice.
<20> A method for producing nanoparticle of hydrogenated manganese oxide HMnO 2 , which comprises treating the R-type manganese dioxide nanoneedles of <6> to <9> with an acid. .
<21> An infrared absorbing material comprising the porous manganese dioxide nanoneedle according to any one of <1> to <5>.
<22> An infrared filter comprising the infrared absorbing material according to <21> above.
<23> The infrared filter according to the above <22>, wherein the transmitted infrared light has a wavelength range of 10 to 14 μm.

以上のとおりの本願発明によれば、高比表面積を有する二酸化マンガンナノニードル多孔体、それを構成するR型二酸化マンガンナノニードルや、これらを簡便に製造することができる製造方法が提供される。   According to the present invention as described above, a manganese dioxide nanoneedle porous body having a high specific surface area, an R-type manganese dioxide nanoneedle constituting the same, and a production method capable of easily producing them are provided.

以上の二酸化マンガンナノニードル多孔体は、固体酸の性質や新規な光学特性の発現に加えて、燃料電池電極材料へ応用あるいは触媒担体などの基盤材料への応用が可能となる。   The above manganese dioxide nanoneedle porous body can be applied to a fuel cell electrode material or a base material such as a catalyst carrier, in addition to the properties of a solid acid and the development of novel optical properties.

さらに、本願発明によれば、以上の二酸化マンガンナノニードル多孔体を用いた赤外線吸収材料とそれを含有する赤外線フィルターが提供される。赤外線は、電磁波としての波長はマイクロメートル・オーダーであり、エネルギー的には熱線である。一般に、材料に赤外線を吸収させるためには、赤外線を吸収する性質を有する炭素材料などを材料表面に塗布被覆することや材料に混入添加する手法が知られており、より少ない被覆・添加量で、より高い吸収効果を得るためには、単位容積当たりの熱容量が大きく、断熱性が高い材料が必要であった。本願の赤外線吸収材料は、BET比表面積が40〜200m/gの二酸化マンガンナノニードル多孔体からなるもので、通常の炭素材料の比重と比較して2倍以上も重いため、単位体積当たりの熱容量も大きい。このため、より少ない被覆・添加量で赤外線を効率よく吸収することができる。 Furthermore, according to this invention, the infrared rays absorption material using the above manganese dioxide nanoneedle porous body and the infrared filter containing it are provided. Infrared rays have a wavelength as an electromagnetic wave of the order of micrometers and are heat rays in terms of energy. In general, in order to make materials absorb infrared rays, there are known methods of coating and coating a carbon material having a property of absorbing infrared rays on the surface of the material and adding it to the material with a smaller amount of coating and addition. In order to obtain a higher absorption effect, a material having a large heat capacity per unit volume and a high heat insulating property is required. The infrared ray absorbing material of the present application is composed of a manganese dioxide nanoneedle porous body having a BET specific surface area of 40 to 200 m 2 / g, and is twice or more heavier than the specific gravity of a normal carbon material. Large heat capacity. For this reason, infrared rays can be efficiently absorbed with a smaller amount of coating and addition.

また、これまで、波長10μm以上の赤外線領域において、特定波長の赤外線だけを選択的に透過するような特性をもった赤外線フィルターは実現されておらず、本願の赤外線フィルターはこれを実現するものであり、産業上有用性が高い。   In addition, an infrared filter having a characteristic of selectively transmitting only an infrared ray having a specific wavelength in an infrared region having a wavelength of 10 μm or more has not been realized so far, and the infrared filter of the present application realizes this. Yes, it is highly industrially useful.

さらに、以上の二酸化マンガンナノニードル多孔体は安価でかつ簡便に製造することが可能であるため、赤外線吸収材料および赤外線フィルターについても安価に実現することができる。   Furthermore, since the above manganese dioxide nanoneedle porous body is inexpensive and can be easily produced, the infrared absorbing material and the infrared filter can also be realized at a low cost.

本願発明は上記のとおりの特徴をもつものであるが、以下にその実施の形態について説明する。   The present invention has the features as described above, and an embodiment thereof will be described below.

本願発明の二酸化マンガンナノニードル多孔体は、R型二酸化マンガンを主成分とするニードル状のナノニードルで構成されており、これらナノニードルでメソポーラス多孔体構造が形成されていることを特徴としている。ここで、R型二酸化マンガンを主成分とするニードル状のナノニードルとは、一般的に重量比で50%以上好ましくは80%以上、さらには95%以上のR型二酸化マンガンが成分として構成されており、大きさ、すなわち、太さ(平均直径)および長さ(両端距離)がナノメートルスケールであり、太さが略均一で針状(ロッドともいう)の形状を有するものをいう。通常の溶液反応では、1本のニードル内で表面の凹凸が生じてしまうため、太さが不均一であったり、また、数本のニードルが束になった状態で得られたりするために、本願発明のように太さが略均一なニードルを得ることが極めて困難である。   The manganese dioxide nanoneedle porous body of the present invention is composed of needle-shaped nanoneedles mainly composed of R-type manganese dioxide, and a mesoporous structure is formed of these nanoneedles. Here, the needle-like nanoneedle mainly composed of R-type manganese dioxide is generally composed of 50% or more, preferably 80% or more, and 95% or more of R-type manganese dioxide as a component by weight. The size, that is, the thickness (average diameter) and the length (distance between both ends) are on a nanometer scale, and the thickness is substantially uniform and has a needle shape (also referred to as a rod). In a normal solution reaction, unevenness of the surface occurs in one needle, so that the thickness is non-uniform, or because several needles are obtained in a bundle, It is extremely difficult to obtain a needle having a substantially uniform thickness as in the present invention.

この二酸化マンガンナノニードル多孔体は、たとえば、メソポーラス多孔体構造の平均細孔直径が3nm〜30nmの範囲であって、BET比表面積40〜115m/gの範囲であるものが考慮される。特には、平均細孔直径が3nm〜15nmでBET比表面積が50〜200m/gの範囲のもの、なかでも平均細孔直径が7nm〜14nmでBET比表面積が80〜130m/gの範囲のもの、あるいは平均細孔直径が15nm〜30nmでBET比表面積が40〜50m/gの範囲のものなどを挙げることができる。なお、上記二酸化マンガンナノニードル多孔体のメソポーラス多孔体構造の全細孔容積は、0.1〜0.5cm/g程度である。 As this manganese dioxide nanoneedle porous body, for example, a mesoporous porous structure having an average pore diameter in the range of 3 nm to 30 nm and a BET specific surface area of 40 to 115 m 2 / g is considered. In particular, the average pore diameter is 3 nm to 15 nm and the BET specific surface area is in the range of 50 to 200 m 2 / g. In particular, the average pore diameter is 7 nm to 14 nm and the BET specific surface area is in the range of 80 to 130 m 2 / g. And those having an average pore diameter of 15 to 30 nm and a BET specific surface area of 40 to 50 m 2 / g. In addition, the total pore volume of the mesoporous structure of the manganese dioxide nanoneedle porous body is about 0.1 to 0.5 cm 3 / g.

本願発明のR型二酸化マンガンのナノニードルは、その太さ(平均直径)および長さ(両端距離)は、太さ1〜100nm、長さ3〜900nmの範囲である。このようなナノメートルスケールの大きさでニードル状のR型二酸化マンガンのナノニードルは、これまで報告された例はなく、本発明者によってはじめて実現されたものである。さらに、本願発明では、高純度のR型二酸化マンガンのナノニードルを短時間で合成することができる。また、本願発明では、上記R型二酸化マンガンのナノニードルとして、特に、太さ2〜10nmで長さ5〜30nmのものや、太さ10〜30nmで長さ30〜300nmのものを提供する。このR型二酸化マンガンのナノニードルが凝集しブロック化されて、メソポーラス多孔体構造が形成されて、二酸化マンガンナノニードル多孔体となるのである。特に、太さ2〜10nmで長さ5〜30nmのナノニードルで構成される二酸化マンガンナノニードル多孔体は、メソポーラス多孔体構造の平均細孔直径が7nm〜14nmでBET比表面積が80〜130m/g、全細孔容積が0.2〜0.5cm/gの範囲の多孔体構造が形成されるが、後述するように炭酸マンガンn水和物とともに炭酸酸化ビスマスを混合して焼成することで、平均細孔直径を3nm程度まで小さくでき、BET比表面積を200m/g程度まで大きくすることができる。また、太さ10〜30nmで長さ30〜300nmのナノニードルで構成される二酸化マンガンナノニードル多孔体は、メソポーラス多孔体構造の平均細孔直径が15nm〜30nmでBET比表面積が40〜50m/g、全細孔容積が0.1〜0.3cm/gの範囲の多孔体構造が形成される。 The R-type manganese dioxide nanoneedles of the present invention have a thickness (average diameter) and length (distance between both ends) in the range of 1 to 100 nm in thickness and 3 to 900 nm in length. Such a nanometer-scale needle-shaped R-type manganese dioxide nanoneedle has never been reported so far and has been realized for the first time by the present inventors. Furthermore, in the present invention, high-purity R-type manganese dioxide nanoneedles can be synthesized in a short time. In the present invention, the R-type manganese dioxide nanoneedles are particularly provided with a thickness of 2 to 10 nm and a length of 5 to 30 nm, and a thickness of 10 to 30 nm and a length of 30 to 300 nm. The R-type manganese dioxide nanoneedles are aggregated and blocked to form a mesoporous porous structure, resulting in a manganese dioxide nanoneedle porous body. In particular, a manganese dioxide nanoneedle porous body composed of nanoneedles having a thickness of 2 to 10 nm and a length of 5 to 30 nm has an average pore diameter of 7 to 14 nm and a BET specific surface area of 80 to 130 m 2 in a mesoporous structure. / G, a porous structure with a total pore volume in the range of 0.2 to 0.5 cm 3 / g is formed. As described later, bismuth carbonate carbonate is mixed with manganese carbonate n-hydrate and fired. Thus, the average pore diameter can be reduced to about 3 nm, and the BET specific surface area can be increased to about 200 m 2 / g. Further, the manganese dioxide nanoneedle porous body composed of nanoneedles having a thickness of 10 to 30 nm and a length of 30 to 300 nm has an average pore diameter of 15 to 30 nm and a BET specific surface area of 40 to 50 m 2 in a mesoporous structure. / G, a porous structure having a total pore volume in the range of 0.1 to 0.3 cm 3 / g is formed.

以上のとおりの二酸化マンガンナノニードル多孔体は、ナノニードル同士が絡み合ってブロック化されている。そのブロック化された二酸化マンガンナノニードル多孔体の表面硬度は比較的硬く、具体的には、ビッカース硬さ試験法による測定でビッカース硬度15〜35程度となる。アルミニウム金属のビッカース硬度が50以上であることを考慮すると、本願発明の二酸化マンガンナノニードル多孔体の表面硬度はかなり高いことがわかる。   The manganese dioxide nanoneedle porous body as described above is blocked by entanglement of nanoneedles. The surface hardness of the blocked manganese dioxide nanoneedle porous body is relatively hard. Specifically, the surface hardness is about 15 to 35 as measured by the Vickers hardness test method. Considering that the Vickers hardness of aluminum metal is 50 or more, it can be seen that the surface hardness of the porous manganese dioxide nanoneedle of the present invention is quite high.

以上の二酸化マンガンナノニードル多孔体は、たとえば、炭酸マンガンn水和物MnCO・nHOの粉末を焼成し、酸処理して水素化した酸化マンガンHMnOを生成した後、これをペースト状にして乾燥固化することで得られる。 The manganese dioxide nanoneedle porous body described above is, for example, a powder of manganese carbonate n-hydrate MnCO 3 .nH 2 O is baked and acid-treated to produce hydrogenated manganese oxide HMnO 2 , which is then paste-like And then dried and solidified.

焼成温度は、たとえば、180℃〜210℃の範囲が好ましい。焼成温度が180℃未満の場合には、焼成後に得られる酸化マンガンMnの外殻の厚さが平均的に薄くなる。この酸化マンガンMnの外殻は、後述するが、酸処理の際に水和した二酸化マンガンMnO・HOに相変化することで、酸処理溶液中のマンガンイオンMn2+を水素化した酸化マンガンHMnOに相変化させる役割をもつが、酸化マンガンMnの外殻の厚さが薄くなることで、この相変化を効率的に生じさせるための水和した二酸化マンガンMnO・HOが不足してしまい、結果として、最終的に二酸化マンガンナノニードル多孔体を構成する二酸化マンガンナノニードルを十分に生成することができない。焼成温度が210℃を超える場合には、焼成後に得られる炭酸マンガン表面の酸化マンガンMnの外殻は厚くなり、原料である炭酸マンガンの残留量が少なくなるため、酸処理時にマンガンイオンMn2+として溶解するマンガン成分が不足し、二酸化マンガンナノニードル多孔体を構成する二酸化マンガンナノニードルを十分に生成することができない。なお、以上の二酸化マンガンナノニードル生成の詳細な説明については以下のとおりである。 The firing temperature is preferably in the range of 180 ° C to 210 ° C, for example. When the firing temperature is less than 180 ° C., the thickness of the outer shell of manganese oxide Mn 2 O 3 obtained after firing becomes thin on average. As will be described later, the outer shell of the manganese oxide Mn 2 O 3 is changed to manganese dioxide MnO 2 .H 2 O hydrated during the acid treatment, thereby converting manganese ions Mn 2+ in the acid treatment solution into hydrogen. While having a role of a phase change in the manganese oxide HMnO 2 was turned into, that the thickness of the outer shell of manganese oxide Mn 2 O 3 becomes thinner, manganese dioxide MnO hydrated for producing the phase change effectively 2 · H 2 O is insufficient, and as a result, the manganese dioxide nanoneedles that finally constitute the porous manganese dioxide nanoneedle cannot be sufficiently produced. When the firing temperature exceeds 210 ° C., the outer shell of manganese oxide Mn 2 O 3 on the surface of manganese carbonate obtained after firing becomes thick, and the residual amount of manganese carbonate as a raw material decreases, so that manganese ions during acid treatment Manganese dioxide nanoneedles constituting the manganese dioxide nanoneedle porous body cannot be sufficiently produced due to insufficient manganese component dissolved as Mn 2+ . In addition, it is as follows about the detailed description of the above manganese dioxide nanoneedle production | generation.

まず所定量の炭酸マンガンn水和物MnCO・nHOの粉末をセラミックなどのルツボに入れて、たとえば、大気下180〜210℃の温度範囲で所定時間焼成する。より好ましくは195℃、6時間(昇温時間を含む)の条件で焼成する。焼成によって原料の炭酸マンガンn水和物粉末の表面が酸化されて酸化マンガンMnの外殻を有する炭酸マンガンMnCOの粉末が得られる。 First, a predetermined amount of manganese carbonate n-hydrate MnCO 3 .nH 2 O powder is put in a crucible such as ceramic and fired for a predetermined time in a temperature range of 180 to 210 ° C., for example, in the atmosphere. More preferably, firing is performed under the conditions of 195 ° C. and 6 hours (including the temperature raising time). By firing, the surface of the raw material manganese carbonate n-hydrate powder is oxidized to obtain a manganese carbonate MnCO 3 powder having an outer shell of manganese oxide Mn 2 O 3 .

次いで、この酸化マンガンMnの外殻を有する炭酸マンガンの粉末を酸処理して炭酸マンガンを塩化マンガンとして溶解除去してマンガンイオンMn2+を発生させる。このマンガンイオンMn2+が水和した二酸化マンガンMnO・HOと接触することで水素化した酸化マンガンHMnOを生成する。このメカニズムの概略を図1に示す。 Next, the manganese carbonate powder having an outer shell of manganese oxide Mn 2 O 3 is acid-treated to dissolve and remove manganese carbonate as manganese chloride to generate manganese ions Mn 2+ . The manganese ions Mn 2+ to produce manganese oxide HMnO 2 was hydrogenated by contacting the manganese dioxide MnO 2 · H 2 O hydrated. An outline of this mechanism is shown in FIG.

図1の(a)は、焼成後に得られる酸化マンガンMnの外殻(被膜)を持った炭酸マンガンの粒子を表している。この炭酸マンガンの粒子は、酸処理によって、たとえば希塩酸などの酸処理溶液に炭酸マンガン粒子を入れて懸濁させることによって、外殻の酸化マンガンMnが希塩酸との接触で発生した塩素ガスの影響を受けて水和した二酸化マンガンMnO・HOに変化し、外殻内部の炭酸マンガンMnCOは塩化マンガンMnClと二酸化炭素COと水HOに変化する(図1(b))。塩化マンガンMnClは、2価のマンガンイオンMn2+となり、炭酸成分は二酸化炭素COのガスとなり外殻内部での内圧を高め、結果としてマンガンイオンMn2+を含んだ二酸化炭素の気泡が水HOと共に、水和した二酸化マンガンMnO・HO化した外殻の表面を通じて噴出する。この噴出の際に、マンガンイオンMn2+が外殻の水和した二酸化マンガンMnO・HOと効率良く接触するため、マンガンイオンMn2+を酸化して、水素化した酸化マンガンHMnOを形成する(図1(c))。そして、これをペースト状にして乾燥することで、純度の高いR型二酸化マンガンのナノニードルで構成される二酸化マンガンナノニードル多孔体を短時間で合成することができるのである。 FIG. 1A shows manganese carbonate particles having an outer shell (coating) of manganese oxide Mn 2 O 3 obtained after firing. These manganese carbonate particles are produced by suspending manganese carbonate particles in an acid treatment solution such as dilute hydrochloric acid by acid treatment, so that the manganese oxide Mn 2 O 3 in the outer shell is generated by contact with dilute hydrochloric acid. The manganese dioxide MnO 2 · H 2 O is hydrated under the influence of manganese, and the manganese carbonate MnCO 3 inside the outer shell is changed to manganese chloride MnCl 2 , carbon dioxide CO 2 and water H 2 O (FIG. 1 ( b)). Manganese chloride MnCl 2 becomes divalent manganese ion Mn 2+ , the carbonic acid component becomes carbon dioxide CO 2 gas and increases the internal pressure inside the outer shell, and as a result, bubbles of carbon dioxide containing manganese ion Mn 2+ become water H with 2 O, ejected through the hydrated manganese dioxide MnO 2 · H 2 O phased shell surface. During the ejection, since the manganese ions Mn 2+ is good contact manganese dioxide MnO 2 · H 2 O and efficiency hydrated outer shell, the oxidation of manganese ions Mn 2+, forming a manganese oxide HMnO 2 was hydrogenated (FIG. 1 (c)). And by making this into paste form and drying, the manganese dioxide nanoneedle porous body comprised with the nanoneedle of high purity R-type manganese dioxide can be synthesize | combined in a short time.

以上の反応は、触媒反応と考えられる。すなわち、外殻の成分である酸化マンガンMnと、炭酸マンガンMnCOn水和物を混合した粉体を上記と同様にして酸処理および乾燥処理したところ、ベータ型のMnが得られ、R型のMnOは得られなかった。また、外殻の成分である酸化マンガンMnと、炭酸マンガンMnCOn水和物を混合した粉体を希塩酸の中に4ヶ月保ち、これを濾過・乾燥して得られたものは、R型MnOとベータ型MnOが混合した二酸化マンガンであるが、ナノスケールの大きさのものは得られなかった。これらの実験結果から、純度の高いR型二酸化マンガンのナノニードルをナノスケールで短時間に合成することを可能とした本手法の化学反応は触媒反応であるといえる。 The above reaction is considered a catalytic reaction. That is, when powder obtained by mixing manganese oxide Mn 2 O 3 which is a component of the outer shell and manganese carbonate MnCO 3 n hydrate was subjected to acid treatment and drying treatment in the same manner as described above, beta-type Mn 2 O 3 And R-type MnO 2 was not obtained. In addition, a powder obtained by mixing manganese oxide Mn 2 O 3 which is a component of the outer shell and manganese carbonate MnCO 3 n hydrate is kept in dilute hydrochloric acid for 4 months, and this is filtered and dried. Although manganese dioxide is a mixture of R-type MnO 2 and beta-type MnO 2 , nanoscale-sized ones were not obtained. From these experimental results, it can be said that the chemical reaction of this method, which made it possible to synthesize highly pure R-type manganese dioxide nanoneedles in a nanoscale in a short time, is a catalytic reaction.

本願発明において、使用する炭酸マンガンn水和物MnCO・nHOの粉末としては、市販品を用いることができる。たとえば本願発明では、後述する実施例において炭酸マンガン・n水和物(試薬特級和光純薬工業製)を用いている。この炭酸マンガンn水和物MnCO・nHOの粉末は、一般的には、大きさ数ナノ〜数10ナノメートルの不定形の単結晶粒子が凝集して1〜数10マイクロメートル程度の粒径の粒が形成されている。なお、この炭酸マンガンn水和物MnCO・nHOの粉末は、試薬瓶を開封した直後の大きさの揃っている状態のものを使用することが好ましい。試薬瓶を長時間開放していた場合には、時間の経過にともない炭酸マンガンn水和物が吸湿して粒が粗くなって大きさが不均一な粒子群となるため、焼成時には外殻に生じる酸化マンガンMnの厚みや形を均一にすることができなくなる場合があるので好ましくない。 In the present invention, commercially available products can be used as the powder of manganese carbonate n-hydrate MnCO 3 .nH 2 O used. For example, in the present invention, manganese carbonate / n hydrate (made by reagent special grade Wako Pure Chemical Industries) is used in Examples described later. In general, the powder of manganese carbonate n-hydrate MnCO 3 .nH 2 O has a size of several nanometers to several tens of nanometers of amorphous single crystal particles aggregated to form about 1 to several tens of micrometers. Particles with a particle size are formed. Incidentally, the powder of the manganese carbonate n-hydrate MnCO 3 · nH 2 O, it is preferable to use a in a state of uniform sizes immediately after opening the reagent bottle. If the reagent bottle has been opened for a long time, the manganese carbonate n hydrate absorbs moisture over time and the grains become coarse and become non-uniform particle groups. This is not preferable because the thickness and shape of the resulting manganese oxide Mn 2 O 3 may not be uniform.

酸処理は、5〜60℃の範囲の温度で行うことが考慮される。マンガンイオンの酸化反応は、酸処理温度(酸処理溶液の温度)を室温で保管された状態での酸処理溶液の温度よりも高めに設定したり、太陽光(紫外線)をあてることで、より反応速度が高まり、大きなサイズのニードルを合成することができる。より大きなサイズのニードルを合成する場合には、酸処理溶液の温度を30℃以上に保ち、かつ太陽光が当たる場所で酸処理溶液を攪拌することが効果的である。   It is considered that the acid treatment is performed at a temperature in the range of 5 to 60 ° C. Oxidation reaction of manganese ions can be achieved by setting the acid treatment temperature (the temperature of the acid treatment solution) higher than the temperature of the acid treatment solution stored at room temperature or by applying sunlight (ultraviolet rays). The reaction rate is increased, and a large-sized needle can be synthesized. When synthesizing a needle having a larger size, it is effective to keep the temperature of the acid treatment solution at 30 ° C. or higher and to stir the acid treatment solution in a place where it is exposed to sunlight.

なお、酸処理に用いる酸としては、たとえば塩酸、硝酸、硫酸などの無機酸であってよく、なかでも、焼成後の炭酸マンガンn水和物の外殻として生じる酸化マンガンMnを効率的に水和した二酸化マンガンMnO・HOに相変化するためには塩酸が好ましい。酸の濃度としては、0.1〜1.0mol/Lの範囲、より好ましくは0.5〜1.0mol/Lの範囲である。 The acid used for the acid treatment may be, for example, an inorganic acid such as hydrochloric acid, nitric acid, and sulfuric acid. Among them, manganese oxide Mn 2 O 3 produced as an outer shell of manganese carbonate n hydrate after firing is efficiently used. Hydrochloric acid is preferred in order to change the phase to hydrated manganese dioxide MnO 2 .H 2 O. As a density | concentration of an acid, it is the range of 0.1-1.0 mol / L, More preferably, it is the range of 0.5-1.0 mol / L.

水素化した酸化マンガンHMnOは、上述したように、炭酸マンガンn水和物MnCO・nHOの粉末を焼成し、これを希塩酸などの酸処理溶液中でたとえば1〜5時間程度攪拌して酸処理し、減圧ろ過器で固液分離して回収することで得られる。この処理を少なくとも2回以上繰り返すことで、HMnO以外の不純物、例えば残留炭酸マンガン成分や酸化マンガン微粒子などを溶解除去できる。なお、酸処理の回数は、酸処理する焼成炭酸マンガンから発生する二酸化炭素の気泡の発生が酸処理を繰り返しても目視できなくなれば充分である。たとえば、毎回容量1Lのビーカーに希塩酸を新たに注ぎなおして酸処理の回数を重ねずとも、1つのビーカー内で、酸処理時の希塩酸のpHが0.5〜0.6を保つように濃塩酸を適時滴下する操作でも構わないが、特に一回目の酸処理時には炭酸マンガンの溶解反応から発生する水の影響でpHの上昇が激しく生じる。このためpHを0.5〜0.6に保つ操作は専用の滴定装置なしには容易ではない。このため本手法では、酸処理の回数を数回重ねている。 As described above, the hydrogenated manganese oxide HMnO 2 is obtained by baking a powder of manganese carbonate n-hydrate MnCO 3 .nH 2 O and stirring it in an acid treatment solution such as dilute hydrochloric acid for about 1 to 5 hours. It is obtained by acid treatment, solid-liquid separation with a vacuum filter and recovery. By repeating this treatment at least twice or more, impurities other than HMnO 2 , such as residual manganese carbonate components and manganese oxide fine particles, can be dissolved and removed. The number of acid treatments is sufficient if the generation of carbon dioxide bubbles generated from the fired manganese carbonate to be acid-treated becomes invisible even after repeated acid treatments. For example, each time a diluted hydrochloric acid is re-poured into a 1 L beaker each time and the number of acid treatments is not repeated, the pH of the diluted hydrochloric acid during the acid treatment is maintained within 0.5 to 0.6 in one beaker. Although the operation of dropping hydrochloric acid in a timely manner may be performed, the pH rises drastically due to the influence of water generated from the dissolution reaction of manganese carbonate, particularly during the first acid treatment. For this reason, the operation of maintaining the pH at 0.5 to 0.6 is not easy without a dedicated titrator. For this reason, in this method, the number of acid treatments is repeated several times.

上記回収物は、水分を含んだ状態で水素化した酸化マンガンHMnOのナノ微粒子が多数集まったペースト状となっている。この水素化した酸化マンガンHMnOのナノ微粒子は不定形であるが、このペーストを乾燥処理してR型二酸化マンガンのナノニードルを合成した後、再びこのR型二酸化マンガンのナノニードルを酸処理することで、そのR型二酸化マンガンのナノニードルと同様の大きさおよび形状の水素化した酸化マンガンHMnOのナノニードルである水素化した酸化マンガンHMnOのナノ微粒子を得ることができる。R型二酸化マンガンのナノニードルへの酸処理については、炭酸マンガンn水和物MnCO・nHOの粉末の焼成物への酸処理と同様である。 The recovered material is in the form of a paste in which a large number of nano particles of manganese oxide HMnO 2 hydrogenated in a state of containing moisture are collected. The hydrogenated manganese oxide HMnO 2 nanoparticles are indefinite, but the paste is dried to synthesize R-type manganese dioxide nanoneedles, and then the R-type manganese dioxide nanoneedles are acid-treated again. Thus, hydrogenated manganese oxide HMnO 2 nano-particles that are hydrogenated manganese oxide HMnO 2 nanoneedles having the same size and shape as the R-type manganese dioxide nanoneedles can be obtained. The acid treatment of the R-type manganese dioxide nanoneedles is the same as the acid treatment of the powdered manganese carbonate n-hydrate MnCO 3 .nH 2 O powder.

二酸化マンガンナノニードル多孔体は、上述したように、ペーストの乾燥処理によって得られるが、その乾燥処理の際にペーストから水分が蒸発して、水素化した酸化マンガンがR型二酸化マンガンMnOのナノニードルへと成長し、このナノニードル同士が絡み合うことで、大きさがセンチメートル単位のブロックを得ることができる。なお、酸化マンガンのナノニードルが得られずに単に酸化マンガンのナノ粒子が主成分として得られている場合や、原料成分の除去が不完全な場合には、上記乾燥処理によって得られる材料はブロック化せずに、脆い砂状となり、表面のビッカース硬度は測定することさえ困難となる。 As described above, the porous manganese dioxide nanoneedle body is obtained by drying the paste. During the drying process, moisture evaporates from the paste, and the hydrogenated manganese oxide is R-type manganese dioxide MnO 2 nanoparticle. A block having a size of centimeter can be obtained by growing into a needle and intertwining the nanoneedles. In the case where manganese oxide nanoneedles are not obtained and manganese oxide nanoparticles are simply obtained as the main component, or if the removal of the raw material components is incomplete, the material obtained by the drying process is blocked. It does not turn into brittle sand and the surface Vickers hardness is even difficult to measure.

また、乾燥処理の際に数百メッシュ程度の金属の網(網の材質は用途に応じてテフロン(登録商標)やカーボンメッシュなど変えることができる)に上記ペーストを塗布して乾燥処理することで、メッシュが骨材となり、種々の用途に応じた形状を有する膜状体を作ることができる。さらに、このようにして得られた膜状体同士を接触させた状態で150〜220℃、好ましくは200℃で加熱することで接合することができ、目的に応じて簡易に膜厚を増加させることも可能である。   Also, by applying the above paste to a metal mesh of several hundred meshes (the material of the mesh can be changed depending on the application, such as Teflon (registered trademark) or carbon mesh) during the drying process, The mesh becomes an aggregate, and a film-like body having a shape corresponding to various uses can be produced. Furthermore, it can join by heating at 150-220 degreeC, Preferably it is 200 degreeC in the state which contacted the film-like bodies obtained in this way, and it increases a film thickness easily according to the objective. It is also possible.

上記の乾燥処理後に得られたブロックや膜状体を窒素ガス吸着法によって平均細孔直径とBET比表面積を計測すると、平均細孔直径が3nm〜30nmの範囲であって、BET比表面積が40〜200m/gの範囲であるメソポーラス多孔体構造であることがわかる。 When the average pore diameter and the BET specific surface area of the block or film obtained after the above drying treatment were measured by a nitrogen gas adsorption method, the average pore diameter was in the range of 3 to 30 nm, and the BET specific surface area was 40. It turns out that it is a mesoporous porous structure which is the range of -200 m < 2 > / g.

炭酸マンガンn水和物の焼成は、以上のとおりルツボに入れて焼成しているが、このルツボの形状としては、原料の炭酸マンガンMnCO・nHOが酸化マンガンMnに酸化される際に発生する二酸化炭素COガスの流出方向が一方向になるような形状であることが好ましい。具体的には、中心に小孔の開いたフタをしたルツボや試験管のような形状が好ましい。二酸化炭素COガスの流出方向を一方向にすることで、焼成後に得られる酸化マンガンMnの外殻の厚さが一定にすることができ、最終的に得られるニードル状の二酸化マンガンの収率を向上させることができる。開口部が広い、たとえば平たい皿型セラミック板上で原料の炭酸マンガンMnCO・nHOを焼成した場合には、COガスの拡散が一方向に流出しないために、焼成後に得られる酸化マンガンMnの外殻の厚さが一定化せず、結果として最終的にニードル状の二酸化マンガンの収率が低下してしまう。 The firing of manganese carbonate n-hydrate is carried out in a crucible as described above. As the shape of this crucible, the raw material manganese carbonate MnCO 3 .nH 2 O is oxidized to manganese oxide Mn 2 O 3. It is preferable that the carbon dioxide CO 2 gas generated when the gas flows out in one direction. Specifically, a shape like a crucible or a test tube having a lid with a small hole in the center is preferable. By making the outflow direction of the carbon dioxide CO 2 gas one direction, the thickness of the outer shell of manganese oxide Mn 2 O 3 obtained after firing can be made constant, and the finally obtained needle-like manganese dioxide The yield of can be improved. When the raw material manganese carbonate MnCO 3 · nH 2 O is fired on a flat dish-shaped ceramic plate having a wide opening, for example, the diffusion of CO 2 gas does not flow out in one direction. The thickness of the outer shell of Mn 2 O 3 is not constant, and as a result, the yield of needle-like manganese dioxide is ultimately lowered.

また、焼成には電気炉を用いることが考慮されるが、この電気炉は炭酸マンガンの表面を均一に酸化するために、外部との通気孔がついていてかつ充分な炉内の容積を有するものであることが好ましい。炉内の容積が原料を入れたルツボの大きさ程度しかなく、密閉されているような電気炉を用いて焼成した場合は、炭酸マンガンの表面の酸化が均一になりにくいため好ましくない。   In addition, although it is considered that an electric furnace is used for firing, this electric furnace has a vent hole to the outside and has a sufficient volume in the furnace in order to uniformly oxidize the surface of manganese carbonate. It is preferable that When the furnace has a volume of only about the size of a crucible containing the raw material and is fired using a sealed electric furnace, the surface of the manganese carbonate is not easily oxidized, which is not preferable.

本願発明では、上記ペーストの乾燥条件を変えることによって、得られる二酸化マンガンナノニードルの大きさを制御するとともに、二酸化マンガンナノニードル多孔体の平均細孔直径およびBET比表面積の大きさを調節することができる。たとえば、乾燥条件として、大気中、乾燥機などで90〜120℃、2時間〜12時間乾燥することで、すなわちペースト中の水分の脱水速度を速めることで、得られるR型二酸化マンガンのナノニードルの大きさをより小さくすることができる。具体的には、太さ2〜10nm、長さ5〜30nmのR型二酸化マンガンのナノニードルとすることが可能となる。   In the present invention, by changing the drying conditions of the paste, the size of the resulting manganese dioxide nanoneedles is controlled, and the average pore diameter and the BET specific surface area of the manganese dioxide nanoneedle porous material are adjusted. Can do. For example, the nano-needle of R-type manganese dioxide obtained by drying at 90 to 120 ° C. for 2 to 12 hours in the air, as a drying condition, that is, by increasing the dehydration rate of moisture in the paste Can be made smaller. Specifically, it is possible to form R-type manganese dioxide nanoneedles having a thickness of 2 to 10 nm and a length of 5 to 30 nm.

一方で、より大きく成長したR型二酸化マンガンのナノニードルを得るためには、ペースト中の水分の脱水速度を遅くしたり、上記ペーストに希塩酸などの希酸を添加してペーストが含む水分中の水素イオンの量を増加させた後、乾燥処理することで、より大きく成長したR型二酸化マンガンのナノニードルを得ることができる。具体的には、太さ10〜30nm、長さ30〜300nmのR型二酸化マンガンのナノニードルとすることが可能となる。上述したように、炭酸マンガンn水和物MnCO・nHOの粉末を焼成し、これを希塩酸などの酸処理溶液中で攪拌して、減圧ろ過器で固液分離して回収したペーストには、当然希塩酸が含まれている。このペーストに対して、新たに希塩酸を添加して該ペーストに含まれる希塩酸の量を増加させる、すなわち、該ペーストが含む水素イオンの量を増加することで、より大きく成長したR型二酸化マンガンのナノニードルを得ることができるのである。この理由としては、ペーストの乾燥処理において、ペースト内の水分が蒸発するにつれて希塩酸の濃度が高まり、水素化した酸化マンガンがマンガンイオンMn2+として溶解し、水素化した酸化マンガンの粒子同士の結合が生じるためと考えられる。該ペーストが含む水素イオンの量を増加する方法としては、上記のようにペーストに新たに希塩酸を添加してもよいが、減圧ろ過器で回収する際に希塩酸を充分吸引除去されない段階でろ過操作を止めるようにしてもよい。 On the other hand, in order to obtain larger-sized R-type manganese dioxide nanoneedles, the dehydration rate of water in the paste is reduced, or a dilute acid such as dilute hydrochloric acid is added to the paste to add water in the paste. By increasing the amount of hydrogen ions and then drying, R-type manganese dioxide nanoneedles that have grown larger can be obtained. Specifically, it becomes possible to make R-type manganese dioxide nanoneedles having a thickness of 10 to 30 nm and a length of 30 to 300 nm. As described above, the powder of manganese carbonate n-hydrate MnCO 3 · nH 2 O is baked, stirred in an acid treatment solution such as dilute hydrochloric acid, and solid-liquid separated with a vacuum filter to obtain a recovered paste. Naturally contains dilute hydrochloric acid. By adding dilute hydrochloric acid to this paste to increase the amount of dilute hydrochloric acid contained in the paste, that is, by increasing the amount of hydrogen ions contained in the paste, Nanoneedles can be obtained. This is because, in the drying process of the paste, the concentration of dilute hydrochloric acid increases as the moisture in the paste evaporates, the hydrogenated manganese oxide dissolves as manganese ions Mn 2+ , and the bonds between the hydrogenated manganese oxide particles This is thought to occur. As a method of increasing the amount of hydrogen ions contained in the paste, dilute hydrochloric acid may be newly added to the paste as described above, but the filtration operation is performed when the dilute hydrochloric acid is not sufficiently removed by suction when recovered with a vacuum filter. You may make it stop.

このように乾燥条件およびペースト中の水素イオンの量を調整することで、R型二酸化マンガンのナノニードルの大きさを制御することができるのである。したがって、目的とする大きさのR型二酸化マンガンのナノニードルを得るためには、あらかじめ所定の乾燥条件でナノニードルを合成して、そのナノニードルの大きさを測定しておくことで、適宜に条件を設定して目的のナノニードルを得ることができる。たとえば、目的とする大きさがあらかじめ合成したナノニードルより大きい場合には、乾燥条件の脱水速度を遅くする、あるいは該ペーストが含む水素イオンの量を増加する。一方、目的とする大きさがあらかじめ合成したナノニードルより小さい場合には、乾燥条件の脱水速度を速くするか、ペースト中の水素イオンの量を少なくするように条件を設定する。この操作を繰り返すことにより、細くて短いR型二酸化マンガンのナノニードルと、太くて長いR型二酸化マンガンのナノニードルを作り分けることができる。このR型二酸化マンガンのナノニードルが凝集されてメソポーラス多孔体構造が形成される二酸化マンガンナノニードル多孔体は、その平均細孔直径と比表面積はR型二酸化マンガンのナノニードルの太さと長さに依存する。たとえば、太さ2〜10nm、長さ5〜30nmのR型二酸化マンガンのナノニードルで構成される酸化マンガンナノニードル多孔体では、平均細孔直径が7nm〜14nmの範囲、BET比表面積が80〜130m/g、全細孔容積が0.2〜0.5cm/gの範囲となる。そして、太さ10〜30nm、長さ30〜300nmのR型二酸化マンガンのナノニードルで構成される酸化マンガンナノニードル多孔体では、平均細孔直径が15nm〜30nmの範囲、BET比表面積が40〜50m/g、全細孔容積が0.1〜0.3cm/gの範囲となる。 Thus, by adjusting the drying conditions and the amount of hydrogen ions in the paste, the size of the R-type manganese dioxide nanoneedles can be controlled. Therefore, in order to obtain R-type manganese dioxide nanoneedles of a desired size, the nanoneedles are synthesized in advance under predetermined drying conditions, and the size of the nanoneedles is measured appropriately. The target nanoneedle can be obtained by setting conditions. For example, when the target size is larger than the pre-synthesized nanoneedles, the dehydration rate under drying conditions is decreased, or the amount of hydrogen ions contained in the paste is increased. On the other hand, when the target size is smaller than the pre-synthesized nanoneedle, conditions are set so that the dehydration rate in the drying condition is increased or the amount of hydrogen ions in the paste is reduced. By repeating this operation, thin and short R-type manganese dioxide nanoneedles can be made separately from thick and long R-type manganese dioxide nanoneedles. The manganese dioxide nanoneedle porous body in which the R-type manganese dioxide nanoneedles are aggregated to form a mesoporous porous structure has an average pore diameter and a specific surface area that are the same as the thickness and length of the R-type manganese dioxide nanoneedles. Dependent. For example, in a manganese oxide nanoneedle porous body composed of R-type manganese dioxide nanoneedles having a thickness of 2 to 10 nm and a length of 5 to 30 nm, the average pore diameter is in the range of 7 nm to 14 nm, and the BET specific surface area is 80 to 130 m 2 / g, and the total pore volume is in the range of 0.2 to 0.5 cm 3 / g. And in the manganese oxide nanoneedle porous body comprised with the nanoneedle of R type manganese dioxide of thickness 10-30 nm and length 30-300 nm, the average pore diameter is in the range of 15-30 nm, and the BET specific surface area is 40- 50 m 2 / g, and the total pore volume is in the range of 0.1 to 0.3 cm 3 / g.

したがって、本願発明は、乾燥条件およびペーストが含む水素イオンの量を調整することで、使用目的に応じた平均細孔直径と比表面積を有する二酸化マンガンのメソポーラス多孔体を合成することができる。   Therefore, the present invention can synthesize a manganese dioxide mesoporous material having an average pore diameter and a specific surface area according to the purpose of use by adjusting the drying conditions and the amount of hydrogen ions contained in the paste.

さらに、本願発明は、炭酸酸化ビスマスを原料である炭酸マンガン水和物に混合して、上記の一連の手法で焼成と酸処理および乾燥処理行うことで、最終的に得られたR型二酸化マンガンのナノニードルによって構成されたメソポーラス多孔体の比表面積を向上させることができる。たとえば、炭酸酸化ビスマスを混合することによって、混合前と比較してメソポーラス多孔体のBET比表面積を約1.75倍の200m/g程度まで向上させ、平均細孔直径を3nm程度まで小さくすることができる。以上の炭酸酸化ビスマスは、酸処理の際に炭酸マンガン水和物よりもゆっくり溶解することで、最終的に得られる二酸化マンガンのメソポーラス多孔体内に細孔を作るテンプレートの役割を果たしていると考えられる。したがって、このようなテンプレートとしての役割を果たす材料としては、炭酸マンガン水和物よりも酸化物に変わる温度が高く、酸処理溶液中での溶解度が炭酸マンガンよりも低いものであればよく、上記の炭酸酸化ビスマスに限定されるものではない。 Further, the present invention is an R-type manganese dioxide finally obtained by mixing bismuth carbonate carbonate with manganese carbonate hydrate as a raw material, and performing firing, acid treatment and drying treatment by the above-described series of methods. It is possible to improve the specific surface area of the mesoporous porous body constituted by the nanoneedle. For example, by mixing bismuth carbonate, the BET specific surface area of the mesoporous porous material is increased by about 1.75 times to about 200 m 2 / g and the average pore diameter is reduced to about 3 nm by mixing with bismuth carbonate. be able to. The above bismuth carbonate oxide is considered to play a role as a template to create pores in the finally obtained manganese dioxide mesoporous porous material by dissolving more slowly than manganese carbonate hydrate during acid treatment. . Therefore, as a material that serves as such a template, any material may be used as long as the temperature at which it is changed to an oxide is higher than that of manganese carbonate hydrate and the solubility in the acid treatment solution is lower than that of manganese carbonate. It is not limited to bismuth carbonate oxide.

上記二酸化マンガンナノニードル多孔体は赤外線吸収材料として用いることができる。赤外線吸収材料としての赤外線吸収能・透過能の評価は、たとえば後述の実施例のように赤外分光光度計(FT・IR)を用いて評価することが有効である。この赤外分光光度計による測定は、上記の二酸化マンガンナノニードル多孔体をプレス機で加圧成形した試験体に総出力170Wのセラミック光源から放出される2.5〜25μmの波長領域の赤外線を照射している。たとえば試験体が直径10mm、厚さ0.5mm(誤差プラスマイナス0.1mm)である場合、試験体中の二酸化マンガンナノニードル多孔体の重量が0.2g以上では、照射した赤外線をほとんど透過せずに吸収してしまうことがわかった。また、試験体中の二酸化マンガンナノニードル多孔体の重量を0.115gまで減らすと、10μm以上の領域で赤外線の透過が観察されることもわかった。   The manganese dioxide nanoneedle porous body can be used as an infrared absorbing material. It is effective to evaluate the infrared absorbing ability / transmitting ability as the infrared absorbing material by using an infrared spectrophotometer (FT / IR) as in the examples described later. The measurement with this infrared spectrophotometer is performed by applying an infrared ray in a wavelength region of 2.5 to 25 μm emitted from a ceramic light source with a total output of 170 W to a test body obtained by pressure-molding the above manganese dioxide nanoneedle porous body with a press. Irradiating. For example, when the specimen has a diameter of 10 mm and a thickness of 0.5 mm (error plus or minus 0.1 mm), when the weight of the manganese dioxide nanoneedle porous body in the specimen is 0.2 g or more, the irradiated infrared ray is almost transmitted. It turns out that it absorbs without. It was also found that when the weight of the manganese dioxide nanoneedle porous body in the test specimen was reduced to 0.115 g, infrared transmission was observed in a region of 10 μm or more.

実際に赤外線吸収材料として二酸化マンガンナノニードル多孔体を利用する際には、乾燥後の二酸化マンガンナノニードル多孔体粉末を任意の材料の表面に塗布したり、塗料に添加することで任意の表面に赤外線吸収能を付加することができる。また、乾燥固化前のペーストを布などの生地に塗り付けた後、乾燥処理することで布の生地など不定形な材料表面に赤外線吸収能を付加することができる。   When actually using manganese dioxide nanoneedle porous material as an infrared absorbing material, the dried manganese dioxide nanoneedle porous material can be applied to the surface of any material or added to the paint to form any surface. Infrared absorption ability can be added. In addition, by applying a paste before drying and solidifying to a cloth such as cloth, and then drying, the infrared ray absorbing ability can be added to the surface of an irregular material such as cloth cloth.

また、本願発明は上記の赤外線吸収材料を含有する赤外線フィルターをも提供する。この赤外線フィルターは、波長10μm以上の赤外線領域において、特定波長の赤外線だけを選択的に透過することを可能とするものである。具体的には、たとえば、総出力170Wのセラミック光源から2.5〜25μmの波長領域の赤外線を照射した場合、波長領域10〜14μm、半値幅(透過率0%からピークトップの透過率までの二分の一の高さにおけるピーク幅)1.2〜1.6の範囲の赤外線が透過され、より好適には波長領域12〜13μm、半値幅1.3〜1.5μmの範囲の赤外線が透過される。   The present invention also provides an infrared filter containing the above infrared absorbing material. This infrared filter can selectively transmit only infrared rays having a specific wavelength in an infrared region having a wavelength of 10 μm or more. Specifically, for example, when an infrared light having a wavelength region of 2.5 to 25 μm is irradiated from a ceramic light source having a total output of 170 W, the wavelength region is 10 to 14 μm, the half width (from 0% transmittance to the transmittance of the peak top). (Peak width at half height) Infrared rays in the range of 1.2 to 1.6 are transmitted, more preferably in the wavelength region of 12 to 13 μm and half width in the range of 1.3 to 1.5 μm. Is done.

以上の赤外線フィルターは、赤外線が透過するような、ガラスや樹脂あるいは後述するKBr粉末などの透明な材料に添加されて作製することができる。   The above infrared filter can be produced by adding to a transparent material such as glass or resin or KBr powder described later, which transmits infrared rays.

この赤外線フィルターの性能は、上記の赤外線吸収材料のように赤外分光光度計で測定することで評価することができる。たとえば、二酸化マンガンナノニードル多孔体粉末とKBr粉末とを重量混合比1:15.5の割合でメノウ乳鉢でよく混合し、これをプレス機で直径10mm、厚さ0.5mm(誤差プラスマイナス0.1mm)に加圧成形した試験体に総出力170Wのセラミック光源から放出される2.5〜25μmの波長領域の赤外線を試験体に照射して、赤外線吸収能・透過能を評価すると、赤外線透過強度のピークトップ波長が12.3〜12.5μm、半値幅(透過率0%からピークトップの透過率までの二分の一の高さにおけるピーク幅)が1.36〜1.49μmである赤外線の透過性を示すことがわかる。一方、後述するが、市販の二酸化マンガン粉末を同条件でペレット化して赤外線透過性を測定したところ、吸着水に起因するピークが見られ、さらに透過ピークの半値幅も10%近く広い結果が得られた。このため、二酸化マンガンナノニードル多孔体の赤外吸収能の高さと、狭い波長領域の赤外線が透過することから、赤外線フィルターとしての性能が優れていることがわかる。   The performance of this infrared filter can be evaluated by measuring with an infrared spectrophotometer like the above infrared absorbing material. For example, manganese dioxide nanoneedle porous powder and KBr powder are mixed well in an agate mortar at a weight mixing ratio of 1: 15.5, and this is mixed with a press machine with a diameter of 10 mm and a thickness of 0.5 mm (error plus or minus 0). .1 mm) is irradiated with an infrared ray having a wavelength range of 2.5 to 25 μm emitted from a ceramic light source having a total output of 170 W, and the infrared absorption ability and transmission ability are evaluated. The peak top wavelength of the transmission intensity is 12.3 to 12.5 μm, and the half width (peak width at a half height from the transmittance 0% to the peak top transmittance) is 1.36 to 1.49 μm. It can be seen that it exhibits infrared transparency. On the other hand, as will be described later, when commercially available manganese dioxide powder was pelletized under the same conditions and infrared transmittance was measured, a peak due to adsorbed water was observed, and the half-value width of the transmission peak was nearly 10% wider. It was. For this reason, since the infrared absorption capability of the manganese dioxide nanoneedle porous body and the infrared rays in a narrow wavelength region are transmitted, it can be seen that the performance as an infrared filter is excellent.

さらに、本願の赤外線フィルターは、比表面積が大きい二酸化マンガンナノニードル多孔体を用いた場合、試験体を透過する赤外線強度が低くなる傾向にある。したがって、入射する赤外線の出力が高い場合には、比表面積が大きい二酸化マンガンナノニードル多孔体を用いることで、効果的に赤外線を吸収することできる。また、本願の赤外線フィルターは、二酸化マンガンナノニードル多孔体の添加量や比表面積を適宜に選択することで、赤外線透過性を制御することができる。   Furthermore, when the infrared filter of this application uses the manganese dioxide nanoneedle porous body with a large specific surface area, it exists in the tendency for the infrared rays intensity | strength which permeate | transmits a test body to become low. Therefore, when the output of incident infrared rays is high, infrared rays can be effectively absorbed by using a manganese dioxide nanoneedle porous body having a large specific surface area. Moreover, the infrared filter of this application can control infrared transmittance by selecting the addition amount and specific surface area of a manganese dioxide nanoneedle porous body suitably.

本願発明の水素化した酸化マンガンHMnOは、二酸化マンガンMnOの結晶構造に、プロトンHおよび電子eが含侵したマンガン価数+4価のナノ微粒子であり、この水素化した酸化マンガンは付加的な電気エネルギーなしに、水中で金の錯体HAuClやパラジウムの錯体PdClをそれぞれ金属金ナノ粒子、金属パラジウムのナノ粒子として水素化した酸化マンガンの表面に析出させる強い還元能力を有している。したがって、上述したようなR型二酸化マンガンのナノニードルを酸処理した水素化した酸化マンガンを用いることで、その表面に金属金ナノ粒子、あるいは金属パラジウムのナノ粒子を析出させることができる。よって、金属を担持させた金属担持R型二酸化マンガンのナノニードルを得ることが可能となる。 The hydrogenated manganese oxide HMnO 2 of the present invention is a manganese valence + tetravalent nanoparticle in which proton H + and an electron e are impregnated in the crystal structure of manganese dioxide MnO 2 , and this hydrogenated manganese oxide is Without additional electrical energy, it has a strong reducing ability to deposit gold complex HAuCl 4 and palladium complex PdCl 2 on the surface of hydrogenated manganese oxide as metal gold nanoparticles and metal palladium nanoparticles in water, respectively. ing. Therefore, by using hydrogenated manganese oxide obtained by acid-treating R-type manganese dioxide nanoneedles as described above, metal gold nanoparticles or metal palladium nanoparticles can be deposited on the surface thereof. Therefore, it is possible to obtain metal-supported R-type manganese dioxide nanoneedles on which a metal is supported.

従来報告されている水素化した酸化マンガンは、Groutite(alpha・MnOOH),およびGroutellite(Mn0.5Mn0.5)O1.5(OH)0.5)であるが、これらはいずれもR型二酸化マンガンがプロトンHの侵入によってマンガンが+3価に還元されることで生じる化学種であり、少なくとも+3価のマンガンを40%以上含んでいる。さらに、これらのX線回折パターンはR型二酸化マンガンのX線回折パターンと比較して、プロトンの含有量に応じて明確な回折ピーク位置のシフトをみせる。C. Klingsberg and R. Roy, Amer. Mineral., Vol. 44, pp. 819−838, 1959、L.A.H. MacLean and F.L. Tye, The Structure of fully H−Inserted gamma− Manganese Dioxide Conpoounds, J. Solid State Chem., Vol. 123, pp. 150−160, 1996、J.E. Post and P.J. Heaney, Neutron and synchrotron X−ray diffraction study of the structures and dehydration behaviors of ramsdellite and groutellite, American Mineralogist, Vol. 89, pp. 969−975, 2004。 Conventionally reported hydrogenated manganese oxides are Groulite (alpha · MnOOH) and Groutelite (Mn 0.5 Mn 0.5 ) O 1.5 (OH) 0.5 ). R-type manganese dioxide is a chemical species generated by reducing manganese to +3 valence by invasion of proton H + , and contains at least 40% or more of + 3-valent manganese. Furthermore, these X-ray diffraction patterns show a clear shift of the diffraction peak position depending on the proton content, compared with the X-ray diffraction pattern of R-type manganese dioxide. C. Klingsberg and R.K. Roy, Amer. Mineral. , Vol. 44, pp. 819-838, 1959, L.A. A. H. MacLean and F.M. L. Tye, The Structure of full H-Insert gamma-Manganese Dioxide Conounds, J. Am. Solid State Chem. , Vol. 123, pp. 150-160, 1996, J. MoI. E. Post and P.M. J. et al. Heney, Neutron and synchrotron X-ray diffraction study of the structure and hydration of ramsdello and agroutol. 89, pp. 969-975, 2004.

以上を考慮すると、本願発明の水素化した酸化マンガンは、1)R型二酸化マンガンと同様のX線回折ピーク位置を示すこと、2)X線吸収端分析によって+4価のマンガンであること、3)従来から既知の水素化した酸化マンガンであるGroutite,およびGroutelliteには全く報告例が存在しない金錯体やパラジウム錯体に対する強い還元能力を有することなどから、新種の水素化した酸化マンガンであり、化学式は(H,eMnOであると考えられる。この酸化マンガンの中で、プロトンHは2つの酸素原子O−O間に存在することが予想されるため、(H,eMnOの化学式の中でXは1.0以下の数値であると考えられる。そして、この水素化したマンガンは、R型二酸化マンガンの結晶構造の中にプロトンHと電子eが固溶した状態にあり、金の錯体やパラジウムの錯体などと接触した際に自身の電子eをそれら錯体に供与し、プロトンHを水中に放出するものと考えられる。 Considering the above, the hydrogenated manganese oxide of the present invention 1) exhibits the same X-ray diffraction peak position as that of R-type manganese dioxide, and 2) is + 4-valent manganese by X-ray absorption edge analysis. ) A new kind of hydrogenated manganese oxide, which is a new kind of hydrogenated manganese oxide, because it has a strong reducing ability for gold complex and palladium complex which have not been reported in Groulite, which is a conventionally known hydrogenated manganese oxide, and Groutellite. Is considered to be (H + , e ) x MnO 2 . In this manganese oxide, since proton H + is expected to exist between two oxygen atoms O—O, X is 1.0 or less in the chemical formula of (H + , e ) x MnO 2. It is considered that This hydrogenated manganese is in a state in which proton H + and electron e are in solid solution in the crystal structure of R-type manganese dioxide, and its own electrons are brought into contact with a gold complex or a palladium complex. It is believed that e is donated to these complexes and proton H + is released into water.

さらに、本願発明の水素化した酸化マンガンについて詳細に説明する。   Further, the hydrogenated manganese oxide of the present invention will be described in detail.

本願発明の水素化した酸化マンガンに中性子を照射して非弾性散乱した中性子を調べることで、水素化した酸化マンガンに含まれる、水素原子‐酸素原子結合の振動エネルギーを測定することができる。この結果を図2に示す。   By irradiating the hydrogenated manganese oxide of the present invention with neutrons and examining the inelastically scattered neutrons, the vibration energy of the hydrogen atom-oxygen atom bond contained in the hydrogenated manganese oxide can be measured. The result is shown in FIG.

この図2の縦軸は振動の強度、横軸は振動のエネルギーである。黒丸で示されたグラフが本願発明の水素化した酸化マンガンに中性子を照射した結果であり、もう一方のグラフは、比較のために氷に中性子を照射した結果である。図2中の右上に示した(a)図は、振動エネルギー0〜50meVの範囲(横軸)を拡大した図である。水素化した酸化マンガンのグラフにおいて366meVに検出されたピークは2.57〜2.60Åの結合距離を有する酸素原子−酸素原子間に捕捉されて振動しているプロトンHの存在を示しており、酸処理によって水素化した酸化マンガンに含まれる水HO内のプロトンHの振動エネルギーである410meVとは異なる水素原子−酸素原子結合の振動エネルギーである。一方で、氷のグラフには、酸処理起源の366meVのピークが存在せずに、水起源のO−H振動のみが観察される。なお、測定には米国アルゴンヌ国立研究所におけるIntense Pulsed Neutron Source部門の非弾性中性子散乱エネルギー測定装置HRMECSを使用し、計測温度9Kである。 In FIG. 2, the vertical axis represents the vibration intensity, and the horizontal axis represents the vibration energy. The graph shown by the black circle is the result of irradiating the hydrogenated manganese oxide of the present invention with neutrons, and the other graph is the result of irradiating ice with neutrons for comparison. FIG. 2A is an enlarged view of the vibration energy range of 0 to 50 meV (horizontal axis). In the graph of hydrogenated manganese oxide, the peak detected at 366 meV indicates the presence of proton H + trapped and oscillating between oxygen atoms and oxygen atoms having a bond distance of 2.57 to 2.60 Å. This is vibration energy of hydrogen atom-oxygen atom bond different from 410 meV which is vibration energy of proton H + in water H 2 O contained in manganese oxide hydrogenated by acid treatment. On the other hand, in the ice graph, there is no peak of 366 meV originating from acid treatment, and only OH vibration originating from water is observed. For measurement, an inelastic neutron scattering energy measuring device HRMECS of the Intense Pulsed Neutron Source division at Argonne National Laboratory is used, and the measurement temperature is 9K.

表1は種々の結晶構造の二酸化マンガン内に存在する、酸素原子−酸素原子間距離である。   Table 1 shows oxygen atom-oxygen atom distances existing in manganese dioxide having various crystal structures.

表1中、R型の二酸化マンガンの結晶構造には、2.573および2.589Åの酸素原子−酸素原子間距離が存在することがわかる。先の中性子照射実験の結果から得られた情報である2.57〜2.60Åの結合距離に相当する酸素−酸素が、このようにR型二酸化マンガンの結晶中に存在する。したがって、酸処理によってR型二酸化マンガンの結晶に侵入したプロトンHは結合距離が2.573および2.589Åの酸素原子−酸素原子間に捕捉されて固溶していることがわかる。 In Table 1, it can be seen that the crystal structure of R-type manganese dioxide has oxygen atom-oxygen atom distances of 2.573 and 2.589Å. Oxygen-oxygen corresponding to a bond distance of 2.57 to 2.60 km, which is information obtained from the result of the previous neutron irradiation experiment, is thus present in the crystal of R-type manganese dioxide. Therefore, it can be seen that the proton H + which has entered the crystal of R-type manganese dioxide by the acid treatment is trapped between oxygen atoms and oxygen atoms having bond distances of 2.573 and 2.589 and is dissolved.

原子間距離が2.589Åである酸素原子−酸素原子の結合は、図3に示すように、R型二酸化マンガンの結晶構造のb軸方向に沿ってネットワークを構成している。   The oxygen atom-oxygen atom bond having an interatomic distance of 2.589 cm forms a network along the b-axis direction of the crystal structure of R-type manganese dioxide, as shown in FIG.

このため、R型二酸化マンガンの結晶に侵入したプロトンHはこのネットワークをに沿って拡散伝導して行くものと考えられる。また、このネットワークが存在するb方向は、R型二酸化マンガンナノニードルの長さの成長方向でもある。このため、同ナノニードルの長さが成長するメカニズムには、酸処理によって侵入したプロトンHがネットワーク導伝する現象が関係しているものと考えられる。通常、電池材料として年間20万トンが消費されているガンマ型二酸化マンガンは、R型結晶構造の中にイプシロン型の結晶構造や、ベータ型の結晶構造が不純物として混入している。これら不純物の結晶構造には、表1に示すように、2.57〜2.60Åの結合距離の酸素原子−酸素原子結合が存在しない。このためそれらの不純物が存在する箇所ではプロトンHを伝導するネットワークが途切れてしまう。 For this reason, it is considered that the proton H + that has entered the crystal of R-type manganese dioxide diffuses and conducts along this network. The b direction in which this network exists is also the growth direction of the length of the R-type manganese dioxide nanoneedles. For this reason, the mechanism by which the length of the nanoneedle grows is considered to be related to a phenomenon in which proton H + invading by the acid treatment is network-conducted. In general, gamma-type manganese dioxide, which consumes 200,000 tons per year as a battery material, contains an epsilon-type crystal structure and a beta-type crystal structure as impurities in the R-type crystal structure. In the crystal structure of these impurities, as shown in Table 1, there is no oxygen atom-oxygen atom bond having a bond distance of 2.57 to 2.60 mm. For this reason, the network which conducts proton H + will be interrupted in the location where those impurities exist.

このため、高純度のR型結晶が反応性の高いナノ粒子として得られる本願のR型二酸化マンガンには、プロトンHやプロトンに伴われた電子eの伝導に係わるエネルギーロスの少ない電池材料として期待される。 For this reason, the R-type manganese dioxide of the present application in which high-purity R-type crystals are obtained as highly reactive nanoparticles includes a battery material with less energy loss related to conduction of protons H + and electrons e accompanied by protons. As expected.

水素化した酸化マンガンに固溶可能なプロトンHと電子eの数の最大値は、結晶内に存在する結合距離が2.573および2.589Åの酸素原子−酸素原子結合の数に等しいと考えられる。また、これらの原子間距離をもった酸素原子−酸素原子の結合は結晶構造内で規則正しいネットワークを構成しているため、これらの酸素原子−酸素原子間に捕捉されているプロトンHと電子eも結晶内で均一な密度で分布していると考えられる。このため、電子eだけが二酸化マンガンの結晶内に存在する場合に比較して、二酸化マンガンの表面において局部的な電界集中が起りにくいという利点が発生する。よって、本願の水素化した酸化マンガンの表面には、上述したように金属金ナノ粒子、あるいは金属パラジウムのナノ粒子を析出させることができるが、その析出状態は均一で高密度に金属ナノ粒子の析出を表面に生じさせることができる。金属パラジウムには、水素ガスHをプロトンHに分解し、パラジウムの結晶内にPd−Hの結合として侵入させる性質が有るため、本願によって実現された高密度・均一分布なパラジウムのナノ粒子を析出した酸化マンガンは、水素ガスや炭化水素ガスの分解触媒分野での応用が期待される。 The maximum number of protons H + and electrons e that can be dissolved in hydrogenated manganese oxide is equal to the number of oxygen atom-oxygen atom bonds with bond lengths of 2.573 and 2.589Å existing in the crystal. it is conceivable that. In addition, since the bonds between oxygen atoms and oxygen atoms having such interatomic distances form a regular network in the crystal structure, protons H + and electrons e trapped between these oxygen atoms and oxygen atoms. -Is also considered to be distributed at a uniform density within the crystal. For this reason, compared with the case where only the electrons e are present in the crystal of manganese dioxide, there is an advantage that local electric field concentration hardly occurs on the surface of manganese dioxide. Therefore, as described above, metal gold nanoparticles or metal palladium nanoparticles can be deposited on the surface of the hydrogenated manganese oxide of the present application. However, the deposition state is uniform and high density of the metal nanoparticles. Precipitation can occur on the surface. Metallic palladium has the property of decomposing hydrogen gas H 2 into proton H + and allowing it to penetrate into the crystals of palladium as Pd—H bonds. Manganese oxide that deposits is expected to be applied in the field of cracking catalysts for hydrogen gas and hydrocarbon gas.

以下に実施例を示し、さらに詳しく説明する。もちろん以下の例によって本願発明が限定されることはない。   Hereinafter, examples will be shown and described in more detail. Of course, the present invention is not limited by the following examples.

<実施例1> 太さが2〜10nm、長さが5〜30nmのR型二酸化マンガンのナノニードルによって構成されたメソポーラス多孔体の合成と特性
試薬特級の炭酸マンガンn水和物MnCO・nHO(和光純薬製)25gをアルミナのルツボ(ルツボの内径6cm、深さ5cm、フタの中心部のガス流出用の孔の内径5mm)に入れて、大気圧下、195℃で、昇温時間も含めて計6時間、電気炉を使って焼成した。その際、室温から195℃までの昇温速度は3℃/分とした。つぎに、焼成によって得られた粉末50gを水温14℃の濃度0.5Mの希塩酸1Lに懸濁させてマグネチックスタラーで1時間攪拌した。攪拌の際には、懸濁液に実験室の窓のすりガラスを透過した太陽光があたる場所にマグネチックスタラーを設置して攪拌した。1時間攪拌後の懸濁液から酸化マンガンを減圧ろ過器で、ろ紙上に捕集し、湿ったペーストを得た。このペーストを再び上記と同じ条件で酸処理することを2回繰り返した。したがって、焼成した炭酸マンガンn水和物に対して計3回酸処理を実施した。最後に、酸処理後のペーストを100mLの純水で通水洗いした後、そのままガラス密閉容器内に保管した。
<Example 1> Synthesis and characteristics of mesoporous porous material composed of R-type manganese dioxide nanoneedles having a thickness of 2 to 10 nm and a length of 5 to 30 nm Reagent-grade manganese carbonate n-hydrate MnCO 3 · nH 2 O (Wako pure Chemical) 25 g of the crucible alumina placed in (a crucible having an inner diameter of 6 cm, depth 5 cm, the inner diameter 5mm gas outflow hole at the center of the lid), under atmospheric pressure, at 195 ° C., the temperature Firing was performed using an electric furnace for a total of 6 hours including warm time. At that time, the rate of temperature increase from room temperature to 195 ° C. was 3 ° C./min. Next, 50 g of the powder obtained by firing was suspended in 1 L of dilute hydrochloric acid having a water temperature of 14 ° C. and a concentration of 0.5 M, and stirred with a magnetic stirrer for 1 hour. At the time of stirring, a magnetic stirrer was installed in a place where the suspension was exposed to sunlight that passed through the ground glass of the laboratory window and stirred. Manganese oxide was collected from the suspension after stirring for 1 hour on a filter paper with a vacuum filter to obtain a wet paste. The paste was again acid-treated under the same conditions as described above twice. Therefore, the acid treatment was performed three times on the calcined manganese carbonate n-hydrate. Finally, the acid-treated paste was washed with 100 mL of pure water and stored in a glass sealed container as it was.

ガラス密閉容器に保管した湿ったペーストから10gを取り出し、ガラスシャーレに移して、乾燥機内で大気圧下、110℃で6時間乾燥した。乾燥後の固化したブロックから、透過電子顕微鏡による観察と窒素ガス吸着法による表面分析のための必要量をサンプリングし、それぞれの測定手順に従って、観察・分析した。その結果、透過電子顕微鏡による観察では、太さが2〜10nm、長さが5〜30nmのナノニードルが、空隙を形成した状態で凝集している様子が観察された(図4参照)。また、ナノニードルの先端部を観察した写真を図5に示す。この図5よりナノニードルの先端部は、丸みを帯びた(角が丸まった)形状をしていることが確認された。なお、TEM写真の撮影には、日本電子製透過電子顕微鏡JEM−ARM1000を使用した。   10 g was taken out from the wet paste stored in the glass sealed container, transferred to a glass petri dish, and dried in a dryer at 110 ° C. for 6 hours under atmospheric pressure. From the solidified block after drying, the necessary amount for observation by a transmission electron microscope and surface analysis by a nitrogen gas adsorption method was sampled and observed and analyzed according to each measurement procedure. As a result, it was observed by observation with a transmission electron microscope that nanoneedles having a thickness of 2 to 10 nm and a length of 5 to 30 nm were aggregated in a state where voids were formed (see FIG. 4). Moreover, the photograph which observed the front-end | tip part of nanoneedle is shown in FIG. From FIG. 5, it was confirmed that the tip of the nanoneedle has a rounded shape (rounded corners). In addition, the transmission electron microscope JEM-ARM1000 made from JEOL was used for imaging | photography of a TEM photograph.

また、窒素ガス吸着法による表面分析から、サンプリングした材料が平均細孔直径11.7nm(図6参照)、BET比表面積109.35m/g、全細孔容積0.32cm/gのメソポーラス多孔体であることを確認した。なお、平均細孔直径とBET比表面積の測定には、島津製作所ーマイクロメリティクス製ASAP2020を使用した。 Further, from the surface analysis by the nitrogen gas adsorption method, the sampled material is mesoporous having an average pore diameter of 11.7 nm (see FIG. 6), a BET specific surface area of 109.35 m 2 / g, and a total pore volume of 0.32 cm 3 / g. It confirmed that it was a porous body. For measurement of the average pore diameter and the BET specific surface area, ASAP2020 manufactured by Shimadzu Corporation-Micromeritics was used.

また、同ブロックからサンプリングした材料をX線回折分析することによって、同ブロックの化学組成がR型の二酸化マンガンであること、およびX線回折パターンに炭酸マンガン起源の回折ピークが観察されないことから原料の炭酸マンガンが残留していないことを確認した。なお、X線回折分析には理学製X線回折分析装置RAD−IIBを使用した。   In addition, X-ray diffraction analysis of the material sampled from the block revealed that the chemical composition of the block was R-type manganese dioxide, and that no diffraction peak originating from manganese carbonate was observed in the X-ray diffraction pattern. It was confirmed that no manganese carbonate remained. In addition, a Rigaku X-ray diffraction analyzer RAD-IIB was used for the X-ray diffraction analysis.

また、同ブロックの表面硬さをビッカースの硬さ試験法により測定した。測定に当たっては、同ブロック表面に金薄膜をスッパッタリング法によって被覆することで、表面の反射率を上げて試験圧痕のサイズを測定した。測定の結果、同ブロック表面のビッカース硬度が24であることがわかった。なお、ビッカース硬度の測定には、島津製作所製マイクロビッカース固さ試験機HMV−2000を使用した。
<実施例2> 太さが10〜30nm、長さが30〜300nmのR型二酸化マンガンのナノニードルによって構成されたメソポーラス多孔体の合成と特性
試薬特級の炭酸マンガンn水和物MnCO・nHO(和光純薬製)25gをアルミナのルツボ(ルツボの内径6cm、深さ5cm、フタの中心部のガス流出用の孔の内径5mm)に入れて、大気圧下、200℃に予め加熱した状態の電気炉に素早く設置して、昇温時間も含めて計6時間焼成した。つぎに、焼成によって得られた粉末50gを水温32℃、濃度0.5Mの希塩酸1Lに懸濁させてマグネチックスタラーで2時間攪拌した。攪拌の際には、懸濁液に太陽光があたる場所にマグネチックスタラーを設置して攪拌した。実験当日は、8月の晴天日であったため、酸処理に使った上記の希塩酸の水温が高く、また、太陽光が実験室の透明ガラスを通過して照射されることで、マンガンイオンの酸化反応が実施例1や実施例3の場合に比べて促進されていたと考えられる。2時間30分攪拌後の懸濁液から酸化マンガンを減圧ろ過器で、ろ紙上に捕集し、湿ったペーストを得た。このペーストを再び上記と同じ条件で酸処理することを2回繰り返し、減圧ろ過器でろ紙上に捕集し、湿ったペーストを得た。したがって、焼成した炭酸マンガンn水和物に対して計3回酸処理を実施した。
The surface hardness of the block was measured by the Vickers hardness test method. In the measurement, the surface of the block was coated with a gold thin film by the sputtering method, thereby increasing the reflectance of the surface and measuring the size of the test indentation. As a result of the measurement, it was found that the block surface had a Vickers hardness of 24. For measurement of Vickers hardness, a micro Vickers hardness tester HMV-2000 manufactured by Shimadzu Corporation was used.
<Example 2> Synthesis and properties of mesoporous porous material composed of R-type manganese dioxide nanoneedles having a thickness of 10 to 30 nm and a length of 30 to 300 nm Reagent-grade manganese carbonate n-hydrate MnCO 3 · nH 2 O (Wako pure Chemical) 25 g of the crucible alumina placed in (a crucible having an inner diameter of 6 cm, depth 5 cm, the inner diameter 5mm gas outflow hole at the center of the lid), atmospheric pressure, preheated to 200 ° C. It was quickly installed in the electric furnace in the above state and baked for a total of 6 hours including the temperature rising time. Next, 50 g of the powder obtained by firing was suspended in 1 L of dilute hydrochloric acid having a water temperature of 32 ° C. and a concentration of 0.5 M, and stirred for 2 hours with a magnetic stirrer. When stirring, a magnetic stirrer was installed in a place where the suspension was exposed to sunlight and stirred. Since the day of the experiment was a clear day in August, the water temperature of the dilute hydrochloric acid used for the acid treatment was high, and the sunlight was irradiated through the transparent glass in the laboratory, so that the oxidation of manganese ions It is considered that the reaction was promoted compared to the cases of Example 1 and Example 3. Manganese oxide was collected from the suspension after stirring for 2 hours and 30 minutes on a filter paper with a vacuum filter to obtain a wet paste. The paste was again acid-treated under the same conditions as described above twice and collected on a filter paper with a vacuum filter to obtain a wet paste. Therefore, the acid treatment was performed three times on the calcined manganese carbonate n-hydrate.

ろ紙上の湿ったペーストに、0.5M希塩酸2mLを滴下して含ませ、さらにそのペーストを0.5M希塩酸を充分含ませたろ紙2枚で包装して、高さ80mm、内径30mmのガラス瓶に挿入した。その後、このガラス瓶を乾燥機内で大気圧下、100℃で乾燥した。乾燥後の固化したブロックから、透過電子顕微鏡(TEM)による観察と窒素ガス吸着法による表面分析のために必要量をサンプリングし、それぞれの測定手順に従って、観察・分析した。その結果、透過電子顕微鏡による観察では、太さ10〜30nm、長さ30〜300nmのナノニードルが空隙を形成した状態で凝集している様子が観察された(図7,図8参照)。また、ナノニードルの先端部を観察した写真を図9に示す。この図9よりナノニードルの先端部は、丸みを帯びた形状をしていることが確認された。図10は、図8の高解像度写真である。この図10では(101)面の結晶の乱れが観察できる。右下の画像処理により得られた電子線回折パターンのコントラストの高さが本サンプルの結晶性の高さを示している。なお、TEM写真の撮影には、日本電子製透過電子顕微鏡JEM−ARM1000を使用した。   Add 2 mL of 0.5 M dilute hydrochloric acid dropwise to the wet paste on the filter paper, and then wrap the paste with 2 sheets of filter paper sufficiently containing 0.5 M dilute hydrochloric acid in a glass bottle with a height of 80 mm and an inner diameter of 30 mm. Inserted. Then, this glass bottle was dried at 100 ° C. under atmospheric pressure in a dryer. From the solidified block after drying, a necessary amount was sampled for observation by a transmission electron microscope (TEM) and surface analysis by a nitrogen gas adsorption method, and observed and analyzed according to each measurement procedure. As a result, it was observed by observation with a transmission electron microscope that nanoneedles having a thickness of 10 to 30 nm and a length of 30 to 300 nm were aggregated in a state where voids were formed (see FIGS. 7 and 8). Moreover, the photograph which observed the front-end | tip part of nanoneedle is shown in FIG. From FIG. 9, it was confirmed that the tip of the nanoneedle has a rounded shape. FIG. 10 is a high-resolution photograph of FIG. In FIG. 10, the disorder of the crystal on the (101) plane can be observed. The high contrast of the electron diffraction pattern obtained by the lower right image processing indicates the high crystallinity of this sample. In addition, the transmission electron microscope JEM-ARM1000 made from JEOL was used for imaging | photography of a TEM photograph.

また、窒素ガス吸着法による表面分析から、サンプリングした材料が平均細孔直径18.68nm(図11参照)、BET比表面積46.47m/g、全細孔容積0.22cm/gのメソポーラス多孔体であることを確認した。なお、平均細孔直径、BET比表面積、全細孔容積の測定には、島津製作所ーマイクロメリティクス製ASAP2020を使用した。 Further, from the surface analysis by the nitrogen gas adsorption method, the sampled material is mesoporous having an average pore diameter of 18.68 nm (see FIG. 11), a BET specific surface area of 46.47 m 2 / g, and a total pore volume of 0.22 cm 3 / g. It confirmed that it was a porous body. For measurement of the average pore diameter, BET specific surface area, and total pore volume, ASAP2020 manufactured by Shimadzu Corporation-Micromeritics was used.

また、同ブロックからサンプリングされた材料のX線回折分析を行うことで、同ブロックがR型の二酸化マンガンを主成分とすること、およびX線回折パターンに炭酸マンガン起源の回折ピークが観察されないことから原料の炭酸マンガンが残留していないことを確認した(図12参照)。図中、菱形印の横の数字はR型二酸化マンガンのX線回折ピークの理論回折角ピーク位置を示す。本発明のサンプルは、R型二酸化マンガンの理論回折角ピークの位置にピークを示していることがわかる。なお、X線回折分析には理学製X線回折分析装置RAD−IIBを使用した。   In addition, by performing X-ray diffraction analysis of the material sampled from the block, the block is mainly composed of R-type manganese dioxide, and no diffraction peak derived from manganese carbonate is observed in the X-ray diffraction pattern. From this, it was confirmed that the raw material manganese carbonate did not remain (see FIG. 12). In the figure, the number next to the rhombus indicates the theoretical diffraction angle peak position of the X-ray diffraction peak of R-type manganese dioxide. It can be seen that the sample of the present invention shows a peak at the theoretical diffraction angle peak of R-type manganese dioxide. In addition, a Rigaku X-ray diffraction analyzer RAD-IIB was used for the X-ray diffraction analysis.

また、同ブロックの表面硬さをビッカースの硬さ試験法により測定した。測定に当たっては、同ブロック表面に金薄膜をスッパッタリング法によって被覆することで、表面の反射率を上げて試験圧痕のサイズを確認した。測定の結果、同ブロック表面のビッカース硬度が27であることがわかった。なお、ビッカース硬度の測定には、島津製作所製マイクロビッカース固さ試験機HMV−2000を使用した。
<実施例3> 太さが2〜10nm、長さが5〜30nmのR型二酸化マンガンのナノニードルによって構成されたメソポーラス多孔体の比表面積を向上させる実験
試薬特級の炭酸マンガンn水和物MnCO・nHO(和光純薬製)25gと試薬特級の炭酸酸化ビスマス(III)、Bi(CO)O2.5gをメノウ乳鉢でよく混合する。混合した粉末をアルミナのルツボ(ルツボの内径6cm、深さ5cm、フタの中心部のガス流出用の孔の内径5mm)に移し、大気圧下、195℃で、昇温時間も含めて計6時間、電気炉を使って焼成した。その際、室温から195℃までの昇温速度は3℃/分とした。つぎに、焼成によって得られた粉末25gを水温が12℃、濃度0.5Mの希塩酸1Lに懸濁させてマグネチックスタラーで1時間攪拌した。攪拌の際には、懸濁液に実験室のすりガラスを透過した太陽光があたる場所にマグネチックスタラーを設置して攪拌した。1時間攪拌後の懸濁液から酸化マンガンを減圧ろ過器で、ろ紙上に捕集し、湿ったペーストを得た。このペーストを再び上記と同じ条件で酸処理することを2回繰り返した。したがって、炭酸マンガンn水和物と炭酸酸化ビスマスの混合粉体を焼成して得た粉体に対して計3回酸処理を実施した。最後に、酸処理後のペーストを100mLの純水で通水洗いした後、湿った状態のままガラス密閉容器内に保管した。
The surface hardness of the block was measured by the Vickers hardness test method. In the measurement, the surface of the block was coated with a gold thin film by the sputtering method, thereby increasing the reflectance of the surface and confirming the size of the test indentation. As a result of the measurement, it was found that the block surface had a Vickers hardness of 27. For measurement of Vickers hardness, a micro Vickers hardness tester HMV-2000 manufactured by Shimadzu Corporation was used.
Example 3 Experiment for Improving the Specific Surface Area of a Mesoporous Porous Material Constructed by R-type Manganese Dioxide Nanoneedles with a Thickness of 2 to 10 nm and a Length of 5 to 30 nm Reagent-specialized manganese carbonate n-hydrate MnCO 25 g of 3 · nH 2 O (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) and 2.5 g of reagent special grade bismuth (III) carbonate and Bi 2 (CO 3 ) O 2 are mixed well in an agate mortar. The mixed powder was transferred to an alumina crucible (the inner diameter of the crucible was 6 cm, the depth was 5 cm, the inner diameter of the gas outlet hole at the center of the lid was 5 mm), and the total pressure was 6 at 195 ° C., including the temperature rising time. Baking using an electric furnace for an hour. At that time, the rate of temperature increase from room temperature to 195 ° C. was 3 ° C./min. Next, 25 g of the powder obtained by firing was suspended in 1 L of dilute hydrochloric acid having a water temperature of 12 ° C. and a concentration of 0.5 M, and stirred with a magnetic stirrer for 1 hour. When stirring, a magnetic stirrer was placed in a place where the suspension was exposed to sunlight transmitted through the ground glass of the laboratory. Manganese oxide was collected from the suspension after stirring for 1 hour on a filter paper with a vacuum filter to obtain a wet paste. The paste was again acid-treated under the same conditions as described above twice. Therefore, the acid treatment was performed a total of three times on the powder obtained by firing the mixed powder of manganese carbonate n-hydrate and bismuth carbonate carbonate. Finally, the acid-treated paste was washed with 100 mL of pure water and then stored in a glass sealed container in a wet state.

ガラス密閉容器に保管した湿ったペーストから2gを取り出し、ガラスシャーレに移して、乾燥機内で大気圧下、110℃で6時間乾燥した。乾燥後の固化したブロックから、透過電子顕微鏡(TEM)による観察と窒素ガス吸着法による表面分析のために必要量をサンプリングし、それぞれの測定手順に従って、観察・分析した。その結果、透過電子顕微鏡による観察では、太さが2〜10nm、長さが5〜30nmのナノニードルが空隙を形成した状態で凝集している様子が観察された。また、1本のナノニードルの拡大写真を図9に示す。この図13によれば、太さ6nm程度の均一なナノニードルであることが観察された。また、ナノニードルの先端部を観察した写真を図14に示す。この図14よりナノニードルの先端部は、丸みを帯びた形状をしていることが確認された。なお、TEM写真の撮影には、日本電子製透過電子顕微鏡JEM−ARM1000を使用した。   2 g was taken out from the wet paste stored in the glass sealed container, transferred to a glass petri dish, and dried in a dryer at 110 ° C. for 6 hours under atmospheric pressure. From the solidified block after drying, a necessary amount was sampled for observation by a transmission electron microscope (TEM) and surface analysis by a nitrogen gas adsorption method, and observed and analyzed according to each measurement procedure. As a result, it was observed by observation with a transmission electron microscope that nanoneedles having a thickness of 2 to 10 nm and a length of 5 to 30 nm were aggregated in a state where voids were formed. Moreover, the enlarged photograph of one nanoneedle is shown in FIG. According to FIG. 13, it was observed that the nanoneedle was about 6 nm thick. Moreover, the photograph which observed the front-end | tip part of nanoneedle is shown in FIG. From FIG. 14, it was confirmed that the tip of the nanoneedle has a rounded shape. In addition, the transmission electron microscope JEM-ARM1000 made from JEOL was used for imaging | photography of a TEM photograph.

窒素ガス吸着法による表面分析から、サンプリングされた材料が平均細孔直径9.26nm、BET比表面積173.29m/g、全細孔容積0.40cm/gのメソポーラス多孔体であることを確認した。 From the surface analysis by the nitrogen gas adsorption method, the sampled material is a mesoporous material having an average pore diameter of 9.26 nm, a BET specific surface area of 173.29 m 2 / g, and a total pore volume of 0.40 cm 3 / g. confirmed.

また、炭酸マンガンn水和物25gに混合する炭酸酸化ビスマスを5gと増やした場合には、上記と同条件の方法によって、最終的に同じサイズの二酸化マンガンのナノニードルが得られ、それが凝集することで、平均細孔直径5.487nm、BET比表面積190.93m/g、全細孔容積0.263cm/gのメソポーラス多孔体が得られることを確認した。 In addition, when the amount of bismuth carbonate mixed with 25 g of manganese carbonate n-hydrate was increased to 5 g, manganese dioxide nanoneedles of the same size were finally obtained by the method under the same conditions as described above. As a result, it was confirmed that a mesoporous material having an average pore diameter of 5.487 nm, a BET specific surface area of 190.93 m 2 / g, and a total pore volume of 0.263 cm 3 / g was obtained.

このように炭酸酸化ビスマスを少量混合することで、最終的に得られるR型の二酸化マンガンのナノニードルから構成されたメソポーラス多孔体ブロックのBET比表面積を、同条件下で合成した炭酸酸化ビスマスを混合しない場合のBET比表面積109.35m/g(実施例1)の結果に比べて約1.59倍〜1.75倍に増加させる効果が得られることを確認した。なお、平均細孔直径とBET比表面積の測定には島津製作所製ASAP2020を使用した。 By mixing a small amount of bismuth carbonate carbonate in this way, the BET specific surface area of the finally obtained mesoporous porous block composed of R-type manganese dioxide nanoneedles was synthesized under the same conditions. It was confirmed that the effect of increasing the BET specific surface area of 109.35 m 2 / g (Example 1) when not mixed by about 1.59 times to 1.75 times was obtained. In addition, Shimadzu Corporation ASAP2020 was used for the measurement of an average pore diameter and a BET specific surface area.

また、同ブロックからサンプリングされた材料のX線回折分析を行うことで、同ブロックがR型の二酸化マンガンを主成分とすること、およびX線回折パターンに炭酸マンガン起源の回折ピークと、炭酸酸化ビスマスおよび酸化ビスマス起源のピークがほとんど観察されないことを確認した。したがって、原料の炭酸マンガンおよび炭酸酸化ビスマスが同ブロックにはほとんど残留していないこと、および195℃の様な低温の焼成では同多孔体の化学成分的な観点からは不純物となる酸化ビスマスBiが生じていないことを確認した。なお、X線回折分析には理学製X線回折分析装置RAD−IIBを使用した。 Also, by performing X-ray diffraction analysis of the material sampled from the block, the block is mainly composed of R-type manganese dioxide, and the X-ray diffraction pattern has a diffraction peak originating from manganese carbonate, and carbonic acid oxidation. It was confirmed that almost no peaks originating from bismuth and bismuth oxide were observed. Therefore, the raw material manganese carbonate and bismuth carbonate oxide hardly remain in the block, and bismuth oxide Bi 2 which becomes an impurity from the viewpoint of the chemical composition of the porous body when firing at a low temperature such as 195 ° C. It was confirmed that O 3 was not generated. In addition, a Rigaku X-ray diffraction analyzer RAD-IIB was used for the X-ray diffraction analysis.

また、同ブロックの表面硬さをビッカースの硬さ試験法により測定した。測定に当たっては、同ブロック表面に金薄膜をスッパッタリング法によって被覆することで、表面の反射率を上げて試験圧痕のサイズを確認した。測定の結果、同ブロック表面のビッカース硬度が20であることがわかった。なお、ビッカース硬度の測定には、島津製作所製マイクロビッカース固さ試験機HMV−2000を使用した。
<実施例4> 太さが2〜10nm、長さが5〜30nmのR型二酸化マンガンのナノニードル合成の際に、酸処理時に使用する希塩酸の水温の影響を確認した実験、および水素化した酸化マンガンHMnOの結晶構造が乱れていることを確認した実験
試薬特級の炭酸マンガンn水和物MnCO・nHO(和光純薬製)25gをアルミナのルツボ(ルツボの内径6cm、深さ5cm、フタの中心部のガス流出用の孔の内径5mm)に入れて、大気圧下、200℃で、昇温時間も含めて計6時間、電気炉を使って焼成した。その際、室温から195℃までの昇温速度は5℃/分とした。つぎに、焼成によって得られた粉末5gを、水温が14℃で濃度が0.5Mの希塩酸100mL、または水温が35℃で濃度が0.5Mの希塩酸100mLにそれぞれ懸濁させてマグネチックスタラーで1時間攪拌した。攪拌の際には、各懸濁液に実験室の窓のすりガラスを透過した太陽光があたる場所にマグネチックスタラーを設置して攪拌した。1時間攪拌後の各懸濁液から酸化マンガンを減圧ろ過器で、ろ紙上に捕集し、湿ったペーストを得た。このペーストを再び上記と同じ条件で酸処理することを2回繰り返した。したがって、焼成した炭酸マンガンn水和物に対して計3回酸処理を実施した。酸処理時の希塩酸の温度が14℃の場合と、35℃の場合にそれぞれ得られた酸処理後の各ペーストを希塩酸で湿った状態のままガラス密閉容器内に保管した。
The surface hardness of the block was measured by the Vickers hardness test method. In the measurement, the surface of the block was coated with a gold thin film by the sputtering method, thereby increasing the reflectance of the surface and confirming the size of the test indentation. As a result of the measurement, it was found that the block surface had a Vickers hardness of 20. For measurement of Vickers hardness, a micro Vickers hardness tester HMV-2000 manufactured by Shimadzu Corporation was used.
<Example 4> In synthesizing nano-needle of R-type manganese dioxide having a thickness of 2 to 10 nm and a length of 5 to 30 nm, an experiment for confirming the influence of the water temperature of dilute hydrochloric acid used during acid treatment, and hydrogenation were performed. Experiment confirming that the crystal structure of manganese oxide HMnO 2 is disturbed Reagent-grade manganese carbonate n-hydrate MnCO 3 · nH 2 O (manufactured by Wako Pure Chemical Industries) 25 g of alumina crucible (crucible inner diameter 6 cm, depth 5 cm, the inner diameter of the gas outlet hole at the center of the lid 5 mm), and baked in an electric furnace at 200 ° C. under atmospheric pressure for a total of 6 hours including the temperature rising time. At that time, the rate of temperature increase from room temperature to 195 ° C. was 5 ° C./min. Next, 5 g of the powder obtained by firing was suspended in 100 mL of dilute hydrochloric acid having a water temperature of 14 ° C. and a concentration of 0.5 M, or 100 mL of dilute hydrochloric acid having a water temperature of 35 ° C. and a concentration of 0.5 M, respectively. Stir for 1 hour. At the time of stirring, a magnetic stirrer was installed and stirred in a place where each suspension was exposed to sunlight transmitted through the ground glass of the laboratory window. Manganese oxide was collected from each suspension after stirring for 1 hour on a filter paper with a vacuum filter to obtain a wet paste. The paste was again acid-treated under the same conditions as described above twice. Therefore, the acid treatment was performed three times on the calcined manganese carbonate n-hydrate. Each paste after acid treatment obtained when the temperature of the diluted hydrochloric acid during the acid treatment was 14 ° C. and 35 ° C. was stored in a glass sealed container in a state moistened with diluted hydrochloric acid.

ガラス密閉容器に保管した湿ったペーストから各10gを取り出し、ガラスシャーレに移して、乾燥機内で大気圧下、110℃で2時間乾燥した。乾燥後の固化した各ブロックから、透過電子顕微鏡による観察のための必要量をサンプリングし、測定手順に従って観察した。その結果、酸処理時の酸の水温が14℃の場合では、太さが3nm、長さが10nmのナノニードルが、空隙を形成した状態で凝集している様子が観察された。一方、酸処理時の水温が35℃の場合では、太さが3〜8nm、長さが20〜30nmのナノニードルが、空隙を形成した状態で凝集している様子が観察された。このように、酸処理時に使用する酸の水温が高いとサイズが大きなナノニードルが得られることがわかった。なお、TEM写真の撮影には、日本電子製透過電子顕微鏡JEM−ARM1000を使用した。   10 g of each was taken out from the wet paste stored in a glass sealed container, transferred to a glass petri dish, and dried at 110 ° C. for 2 hours under atmospheric pressure in a dryer. A necessary amount for observation with a transmission electron microscope was sampled from each solidified block after drying, and observed according to a measurement procedure. As a result, when the water temperature of the acid during the acid treatment was 14 ° C., it was observed that nanoneedles having a thickness of 3 nm and a length of 10 nm were aggregated in a state where voids were formed. On the other hand, when the water temperature during the acid treatment was 35 ° C., it was observed that nanoneedles having a thickness of 3 to 8 nm and a length of 20 to 30 nm were aggregated in a state where voids were formed. Thus, it was found that a nanoneedle having a large size can be obtained when the temperature of the acid used during the acid treatment is high. In addition, the transmission electron microscope JEM-ARM1000 made from JEOL was used for imaging | photography of a TEM photograph.

次に、酸処理直後の各ペーストと、各ペーストを上記乾燥条件で乾燥処理した場合に生じる結晶構造の変化をX線回折分析することによってを調べた。その結果、図15に示すように酸の水温が14℃場合には、酸処理直後のペースト(主成分がHMnO)は極めてブロードなX線の回折ピーク(a)を示し、プロトンHの侵入によって結晶構造の規則性が弱められている結果が得られた。このペーストのサンプルを乾燥すると、同図(b)に示した様なR型二酸化マンガンに特徴的な回折角をもつX線回折パターンが現れた。 Next, each paste immediately after the acid treatment and the change in crystal structure produced when each paste was dried under the above drying conditions were examined by X-ray diffraction analysis. As a result, as shown in FIG. 15, when the acid water temperature is 14 ° C., the paste immediately after the acid treatment (main component is HMnO 2 ) shows a very broad X-ray diffraction peak (a), and the proton H + As a result, the regularity of the crystal structure was weakened by the penetration. When this paste sample was dried, an X-ray diffraction pattern having a diffraction angle characteristic of R-type manganese dioxide as shown in FIG.

一方、図16に示すように酸の水温が35℃と高い場合には、先の透過電子顕微鏡観察結果から明らかなように、ナノニードルのサイズが大きいことが原因で比表面積が小さくなるため、プロトンHの侵入量が減少し、結果として酸処理直後のペースト(主成分がHMnO)の回折パターン(a)においても乾燥後のR型二酸化マンガンの回折パターン(b)と同等な強度のX線回折ピークが観察される。この(a)のペーストも乾燥処理後には、同図(b)に示したようにR型二酸化マンガンの結晶構造が得られることがわかる。なお、これらのX線回折分析には理学製X線回折分析装置RAD−IIBを使用した。
<実施例5> R型二酸化マンガンの純度の評価
実施例1で得たR型二酸化マンガンの純度を、X線回折分析により評価した。純度は、二酸化マンガン結晶の歪みを表す指標である「歪み係数」Jahn−Teller distortion factor(Y. Chabre and J. Pannetier, Structural and electrochemical properties of the proton /gamma−MnO2, Prog. Solid St. Chem., Vol. 23, pp. 1−130, 1995)を、K. Suetsugu, K. Sekitani and T. Shoji, An investigation of structural water in electrolytic manganese dioxide (EMD), TOSOH, Research & Technology Review, Vol. 49, pp.21−27, 2005の算出方法にしたがって算出・評価した。算出の結果、本願のR型二酸化マンガンの場合に得られた歪み係数は0.957であり、ベータ型やイプシロン型など他の結晶構造が混じっていない純度が100%のR型二酸化マンガンとしての理論的な歪み係数の値である0.95に非常に近い値が得られた。純度の比較例として、工業的に二酸化マンガンを合成する一般的な手法である電解法を用いて高純度のR型二酸化マンガンを得る条件(アノード電流12A/m,9×10C、二酸化マンガンが析出する電極に50mm×100mmを使ったとすると析出には17日必要)で合成した場合に得られるR型二酸化マンガンの歪み係数が0.96以上であることが挙げられる。この値を考慮すると、本願のR型二酸化マンガンは極めて高純度であり、しかも付加的な電気エネルギーを必要としない水溶液中の触媒反応よって1〜3時間と極めて短時間で合成できることが明らかになった。
On the other hand, when the water temperature of the acid is as high as 35 ° C. as shown in FIG. 16, the specific surface area becomes small due to the large size of the nanoneedle, as is apparent from the previous transmission electron microscope observation results. As a result, the penetration amount of proton H + is reduced, and as a result, the diffraction pattern (a) of the paste immediately after acid treatment (main component is HMnO 2 ) has the same strength as the diffraction pattern (b) of R-type manganese dioxide after drying. X-ray diffraction peaks are observed. It can be seen that the paste of (a) also has a crystal structure of R-type manganese dioxide as shown in FIG. In addition, Rigaku X-ray diffraction analyzer RAD-IIB was used for these X-ray diffraction analyses.
<Example 5> Evaluation of purity of R-type manganese dioxide The purity of R-type manganese dioxide obtained in Example 1 was evaluated by X-ray diffraction analysis. Purity is an index indicating strain of manganese dioxide crystal, “strain coefficient” Jahn-Teller distortion factor (Y. Chabre and J. Pannetier, Structural and electrochemicals of the Prot. Vol. 23, pp. 1-130, 1995). Sweetsugu, K. et al. Sekitani and T. Shoji, An investigation of structural water inductive diode (EMD), TOSOH, Research & Technology Review, Vol. 49, pp. It was calculated and evaluated according to the calculation method of 21-27, 2005. As a result of the calculation, the strain coefficient obtained in the case of the R-type manganese dioxide of the present application is 0.957, and the purity of the R-type manganese dioxide having a purity of 100% which is not mixed with other crystal structures such as the beta type and the epsilon type is 100%. A value very close to the theoretical distortion coefficient value of 0.95 was obtained. As a comparative example of purity, conditions for obtaining high-purity R-type manganese dioxide using an electrolytic method, which is a general technique for industrially synthesizing manganese dioxide (anode current 12 A / m 2 , 9 × 10 4 C, dioxide dioxide) If 50 mm × 100 mm is used for the electrode on which manganese is deposited, the strain coefficient of R-type manganese dioxide obtained when synthesized in the case of 17 days for deposition is 0.96 or more. Considering this value, it becomes clear that the R-type manganese dioxide of the present application is extremely high in purity and can be synthesized in a very short time of 1 to 3 hours by a catalytic reaction in an aqueous solution that does not require additional electrical energy. It was.

なお、歪み係数の算出に当たっては、本願の方法で得たR型二酸化マンガンのX線(Cu−Kα)回折パターンから求められた格子乗数であるd(210)=2.424、d(211)=2.127、d(610)=1.359Åが使われた。その際、結晶軸を決める三次元軸であるa,b,c軸の設定はC. Fong, B.J. Kennedy, M.M. Elcombe, A powder neutron diffraction study of lambda and gamma manganese dioxide and of LiMn2O4, Zeitschrift Fuer Kristallographie, Vol. 209, pp. 941−945, 1994に従った。
<実施例6> 酸処理に使用する酸の種類
実施例2において、濃度0.5Mの希塩酸の代わりに濃度0.5Mの希硫酸を用いて酸処理を実施した。また、酸処理後のペーストに添加する酸およびそのペーストを包装するろ紙に含ませる酸についても、希塩酸の代わりに濃度0.5Mの希硫酸を用いて、実施例2の条件下で乾燥処理し、得たサンプルをX線回折分析した。その結果、R型の二酸化マンガンに特有なX線回折パターンが得られた。このため、塩酸よりも単価の安い硫酸を用いた場合でもR型二酸化マンガンが得られることがわかった。ただし、同条件下で酸処理に希塩酸を用いた場合に比較して、得られるR型二酸化マンガンのX線回折パターンの強度が若干低いことから、R型二酸化マンガンの成長を促すためには希硫酸よりも希塩酸を用いた方が好適であるといえる。同様に、希塩酸の代わりに希硝酸を酸処理に用いてもR型二酸化マンガンが得られた。
<実施例7> 水素化した酸化マンガンの評価
200℃で6時間、炭酸マンガンn水和物を加熱して得た粉末25gを0.5M希塩酸1Lに懸濁させて1時間攪拌後濾過回収してペーストを得た。さらにこのペーストを0.5M希塩酸1Lに懸濁させて1時間攪拌するといった一連の酸処理を2回繰り返して(したがって酸処理はトータル3回)、ペーストを濾過回収した。これをガラスプレートに塗布し、ただちに粉末X線回折分析装置に装填して分析した。また、このペーストに2mLの0.5M希塩酸を滴下し、同希塩酸を含んだろ紙で包装した後、高さ80mm、内径30mmのガラス瓶に挿入して乾燥機内に12時間大気圧下100℃に保持・乾燥処理してR型二酸化マンガンを得た。このR型二酸化マンガンの塊をメノウ乳鉢で粉砕し、ガラスプレートに圧着して粉末X線回折分析を実施した。上記ペースト、およびそれを乾燥処理して得たR型二酸化マンガン(R−MnO)に関するX線回折分析結果を図17に示す。
In calculating the distortion coefficient, d (210) = 2.424, d (211) , which is a lattice multiplier obtained from the X-ray (Cu-Kα) diffraction pattern of R-type manganese dioxide obtained by the method of the present application. = 2.127, d (610) = 1.359 Å was used. At this time, the a, b, and c axes, which are three-dimensional axes that determine the crystal axis, are set in C.I. Fong, B.B. J. et al. Kennedy, M.M. M.M. Elcombe, A powder neutron diffraction study of lambda and gamma manganese dioxide and of LiMn2O4, Zeitschrift Fuel Kristallogography. 209, pp. 941-945, 1994.
<Example 6> Types of acids used for acid treatment In Example 2, acid treatment was performed using dilute sulfuric acid having a concentration of 0.5M instead of dilute hydrochloric acid having a concentration of 0.5M. Also, the acid added to the acid-treated paste and the acid contained in the filter paper packaging the paste were dried under the conditions of Example 2 using dilute sulfuric acid with a concentration of 0.5 M instead of dilute hydrochloric acid. The obtained sample was subjected to X-ray diffraction analysis. As a result, an X-ray diffraction pattern specific to R-type manganese dioxide was obtained. For this reason, it was found that R-type manganese dioxide was obtained even when sulfuric acid having a lower unit price than hydrochloric acid was used. However, since the intensity of the X-ray diffraction pattern of the obtained R-type manganese dioxide is slightly lower than when dilute hydrochloric acid is used for acid treatment under the same conditions, it is rare to promote the growth of R-type manganese dioxide. It can be said that it is preferable to use dilute hydrochloric acid rather than sulfuric acid. Similarly, R-type manganese dioxide was obtained even when dilute nitric acid was used for the acid treatment instead of dilute hydrochloric acid.
Example 7 Evaluation of Hydrogenated Manganese Oxide 25 g of powder obtained by heating manganese carbonate n-hydrate at 200 ° C. for 6 hours was suspended in 1 L of 0.5 M dilute hydrochloric acid, stirred for 1 hour, and collected by filtration. To obtain a paste. Furthermore, a series of acid treatments such as suspending this paste in 1 L of 0.5 M dilute hydrochloric acid and stirring for 1 hour were repeated twice (therefore, the acid treatment was performed three times in total), and the paste was collected by filtration. This was applied to a glass plate and immediately loaded into a powder X-ray diffraction analyzer for analysis. In addition, 2 mL of 0.5 M dilute hydrochloric acid was added dropwise to this paste and packaged with filter paper containing the dilute hydrochloric acid, then inserted into a glass bottle with a height of 80 mm and an inner diameter of 30 mm, and kept at 100 ° C. under atmospheric pressure for 12 hours in the dryer. -R type manganese dioxide was obtained by drying treatment. The mass of R-type manganese dioxide was pulverized with an agate mortar and pressed onto a glass plate to perform powder X-ray diffraction analysis. FIG. 17 shows the results of X-ray diffraction analysis of the paste and R-type manganese dioxide (R-MnO 2 ) obtained by drying the paste.

図17では、ペーストとR型二酸化マンガン(R−MnO)は同じ回折角にピークを示している。これは、ペーストを構成している物質の結晶構造がR型二酸化マンガンと同じ結晶構造を有していることを示す。また、ペーストの(101)面に関するピークはR型二酸化マンガンの(101)面のピークに比べてブロードであり、ペーストの(101)面はプロトンHの侵入の影響を強く受けて結晶構造が乱れていることがわかる。なお、図17中の最下段に線で示した回折ピークは文献値(C. Fong, B.J. Kennedy, M.M. Elcombe, A powder neutron diffraction study of lambda and gamma manganese dioxide and of LiMn2O4, Zeitschrift Fuer Kristallographie, Vol. 209, pp. 941−945, 1994)による理論的なR型二酸化マンガンの回折ピーク位置を示す。計測は、Rigaku RAD−II Bを使用した。 In FIG. 17, the paste and R-type manganese dioxide (R—MnO 2 ) show peaks at the same diffraction angle. This indicates that the crystal structure of the material constituting the paste has the same crystal structure as that of R-type manganese dioxide. Moreover, the peak related to the (101) plane of the paste is broader than the peak of the (101) plane of R-type manganese dioxide, and the (101) plane of the paste is strongly influenced by the invasion of proton H + and has a crystal structure. You can see that it is disturbed. In addition, the diffraction peak shown by the line at the bottom in FIG. 17 is a literature value (C. Fong, B. J. Kennedy, MM Elcombe, A powder neutron diffractive study of lambda ampere and gammadane 2, The theoretical diffraction peak position of R-type manganese dioxide according to Zeitschrift Fuel Kristalography, Vol. 209, pp. 941-945, 1994) is shown. The measurement used Rigaku RAD-II B.

また、ペーストのX線吸収端分析(XANES)によるマンガン価数の分析結果を図18に示す。なお、XANESの測定に当たっては、ペーストの乾燥を防ぐため、X線に対して透明なポリエチレンの袋に密閉して測定サンプルとし、計測には、Rigaku R−XAS Looperを使用した。   Moreover, the analysis result of the manganese valence by the X-ray absorption edge analysis (XANES) of a paste is shown in FIG. In the measurement of XANES, in order to prevent the paste from drying, it was sealed in a polyethylene bag transparent to X-rays to obtain a measurement sample, and Rigaku R-XAS Looper was used for the measurement.

図18では、ペーストのX線吸収端の位置は、標準試料として測定した二酸化マンガンMnOとほぼ同じ位置に生じており、+3価のマンガンであるMnの標準試料の吸収端とは異なる位置で生じることが明らかとなった。 In FIG. 18, the position of the X-ray absorption edge of the paste occurs at substantially the same position as the manganese dioxide MnO 2 measured as the standard sample, and what is the absorption edge of the standard sample of Mn 2 O 3 that is + trivalent manganese It has become clear that it occurs in different locations.

以上の結果より、上記ペーストは、R型二酸化マンガンMnOの結晶構造に、プロトンHおよび電子eが含侵したマンガン価数+4価の水素化した酸化マンガンHMnOであることが確認された。
<実施例8> 金属パラジウム担持R型二酸化マンガンのナノニードルの合成
実施例2で製造したR型二酸化マンガンのナノニードルの塊をメノウ乳鉢で充分粉砕し、0.5Mの希塩酸1Lに懸濁させて1時間攪拌した後、減圧ろ過器でろ紙上にナノニードルからなるペースト捕収した。つぎに、パラジウム濃度10000ppmの塩化パラジウム水溶液(キシダ化学製)100mLをビーカーに移し、水酸化ナトリウムのペレットと、水酸化ナトリウムの水溶液を用いてpH6.2に調整した。このpH調整した塩化パラジウム水溶液に、ろ紙上に捕収されたナノニードルからなるペーストを懸濁させて24時間攪拌保持した。ナノニードルを懸濁したパラジウム水溶液のpHは、パラジウムの析出が進行するにつれて低下するため、攪拌の間中はpH6.0を保つように、適時水酸化ナトリウム水溶液を滴下した。24時間の攪拌終了後、減圧ろ過器でパラジウム水溶液に懸濁させたペーストをろ紙上に捕収し、次いでガラスシャーレに移し、電気炉を用いて大気圧下、100℃で12時間乾燥した。この様な一連の操作によって、金属パラジウムのナノ粒子を担持したR型二酸化マンガンのナノニードルを得た。これを透過電子顕微鏡で観察した結果を図19に示す。
From the above results, it is confirmed that the paste is a manganese valence + tetravalent hydrogenated manganese oxide HMnO 2 in which the crystal structure of R-type manganese dioxide MnO 2 is impregnated with protons H + and electrons e −. It was.
<Example 8> Synthesis of R-type manganese dioxide nanoneedles supported on metal palladium The R-type manganese dioxide nanoneedles produced in Example 2 were sufficiently ground in an agate mortar and suspended in 1 L of 0.5 M dilute hydrochloric acid. After stirring for 1 hour, the paste consisting of nanoneedles was collected on the filter paper with a vacuum filter. Next, 100 mL of a palladium chloride aqueous solution (manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd.) having a palladium concentration of 10,000 ppm was transferred to a beaker and adjusted to pH 6.2 using sodium hydroxide pellets and an aqueous solution of sodium hydroxide. In this pH-adjusted palladium chloride aqueous solution, a paste composed of nanoneedles collected on a filter paper was suspended and stirred for 24 hours. Since the pH of the aqueous palladium solution in which the nanoneedles are suspended decreases as the precipitation of palladium proceeds, an aqueous sodium hydroxide solution was added dropwise in a timely manner so as to maintain pH 6.0 during stirring. After 24 hours of stirring, the paste suspended in an aqueous palladium solution was collected on a filter paper using a vacuum filter, then transferred to a glass petri dish, and dried at 100 ° C. under atmospheric pressure for 12 hours using an electric furnace. By such a series of operations, R-type manganese dioxide nanoneedles carrying metal palladium nanoparticles were obtained. The result of observation with a transmission electron microscope is shown in FIG.

なお、ナノニードルにパラジウムを析出させるためには、ナノニードル自身が含む電子をパラジウム錯体に渡して還元させる必要がある。また、このパラジウムの還元・析出反応の際にナノニードルを懸濁したパラジウム水溶液のpHが低下している。これらのことから、このナノニードルは、R型二酸化マンガンMnOの結晶構造に、プロトンHおよび電子eが含侵したマンガン価数+4価の水素化した酸化マンガンのナノ微粒子であることがわかる。この金属パラジウムのナノ粒子を担持したR型二酸化マンガンの化学式は、水素化した酸化マンガン(H,eMnOのナノ微粒子が水溶液中の塩化パラジウム(+2価のパラジウム)PdClに電子を2個供給して金属パラジウムPdとして析出させるため、Pdx/2MnOであると考えられる。 In order to deposit palladium on the nanoneedle, it is necessary to transfer the electrons contained in the nanoneedle itself to the palladium complex for reduction. In addition, the pH of the aqueous palladium solution in which the nanoneedles are suspended during the palladium reduction / precipitation reaction is lowered. From these facts, this nanoneedle is a nanoparticle of hydrogenated manganese oxide of manganese valence + tetravalence in which the crystal structure of R-type manganese dioxide MnO 2 is impregnated with proton H + and electron e −. Recognize. The chemical formula of R-type manganese dioxide supporting nanoparticles of metal palladium is that hydrogenated manganese oxide (H + , e ) x MnO 2 nanoparticles are converted to palladium chloride (+ divalent palladium) PdCl 2 in an aqueous solution. Since two electrons are supplied and deposited as metallic palladium Pd, it is considered to be Pd x / 2 MnO 2 .

また、実施例2で得たR型二酸化マンガンのナノニードルを酸処理し、濾過回収したペーストをガラスプレートに塗布し、X線回折分析したところ、R型二酸化マンガンのナノニードルの回折角の位置とほとんどずれていないことが確認された。   The R-type manganese dioxide nanoneedles obtained in Example 2 were acid-treated, and the filtered and recovered paste was applied to a glass plate and analyzed by X-ray diffraction. The position of the diffraction angle of the R-type manganese dioxide nanoneedles It was confirmed that there was almost no deviation.

この合成方法で重要な点は、一度、R型二酸化マンガンのナノニードルを合成してから、再びそれを酸処理することでR型二酸化マンガンのナノニードル表面を水素化した後、塩化パラジウム水溶液に懸濁させてナノニードルの表面にパラジウムを析出させることである。焼成炭酸マンガンを酸処理した直後に、塩化パラジウム水溶液と同条件下で接触させた場合には、図20に示すような、金属パラジウムのナノ粒子(濃いコントラストの点達)が析出した塊状のR型二酸化マンガンが得られ、ニードル状で得ることができない。これは、パラジウム水溶液中での析出反応では、水素化した酸化マンガンからは電子の供給に伴って、プロトンHが約pH6のパラジウム水溶液中に放出された際に水中の水酸基OHに中和されるために、パラジウムを析出したペーストには前出の酸素−酸素結合のネットワークを流れるプロトンHが不足し、同ペーストを乾燥処理してもナノニードルとしては成長しないためと考えられる。
<実施例9> 金属金担持R型二酸化マンガンのナノニードルの合成
実施例8において、パラジウム濃度10000ppmの塩化パラジウム水溶液の代わりに金濃度1000ppmのHAuCl水溶液「試薬名:原子吸光分析用標準試薬 金1000ppm」(和光純薬工業)を用いて同様の操作をおこなったところ、金属金のナノ粒子を担持したR型二酸化マンガンのナノニードルが得られることが確認された。
<実施例10> 酸処理後のペーストからR型二酸化マンガンのメソポーラス多孔体膜の作成
上記実施例1〜3の合成中に得られた酸処理後のペーストを乾燥処理する際に、直径3cm、300メッシュのステンレス製の網に、同ペーストを塗布して100℃で7時間乾燥処理した。その結果、メッシュが骨材となり、メッシュの形と面積に応じた形状を有するR型二酸化マンガンのナノニードルで構成されたメソポーラス材料を担持した膜を作ることができた。さらに、このようにして得られた膜同士の面と面を接触させた状態で、200℃に加熱されたヒーター中に静置することで、膜どうしを接合することができた。このため、目的に応じて接合枚数を増やすことで、簡易に膜厚を増加させることが可能であることが証明された。
<実施例11> 二酸化マンガンナノニードル多孔体からなる赤外線吸収材料の赤外線吸収能の評価
実施例2で得られた平均細孔直径18.68nm、BET比表面積46.47m/g、全細孔容積0.22cm/gの二酸化マンガンナノニードル多孔体0.115gをメノウ鉢で粉砕し、加圧成型治具に入れ、これをロータリーポンプで脱気しながら、圧力4MPa、3分間で圧縮成型して、直径10mm、厚さ0.5mmの試験体ペレット(赤外線吸収材料)を作成した。
The important point in this synthesis method is that after synthesizing the R-type manganese dioxide nanoneedles once, the surface of the R-type manganese dioxide nanoneedles is hydrogenated by acid treatment again, and then added to an aqueous palladium chloride solution. Suspending and depositing palladium on the surface of the nanoneedle. Immediately after the acid treatment of the calcined manganese carbonate, when it is brought into contact with the palladium chloride aqueous solution under the same conditions, a bulky R in which metallic palladium nanoparticles (dense points of dark contrast) are deposited as shown in FIG. Type manganese dioxide is obtained and cannot be obtained in the form of needles. This is because, in the precipitation reaction in an aqueous palladium solution, protons H + are neutralized to hydroxyl groups OH in water when protons H + are released into the aqueous palladium solution of about pH 6 with the supply of electrons from the hydrogenated manganese oxide. Therefore, it is considered that the paste in which palladium is deposited lacks the proton H + flowing through the oxygen-oxygen bond network described above, and does not grow as a nanoneedle even if the paste is dried.
<Example 9> Synthesis of nanoneedle of R-type manganese dioxide carrying metal gold In Example 8, instead of an aqueous palladium chloride solution with a palladium concentration of 10000 ppm, an aqueous solution of HAuCl 4 with a gold concentration of 1000 ppm "reagent name: standard reagent for atomic absorption analysis gold When the same operation was performed using “1000 ppm” (Wako Pure Chemical Industries), it was confirmed that R-type manganese dioxide nanoneedles carrying metal gold nanoparticles were obtained.
<Example 10> Preparation of mesoporous porous membrane of R-type manganese dioxide from acid-treated paste When the acid-treated paste obtained during the synthesis of Examples 1 to 3 was dried, the diameter was 3 cm, The paste was applied to a 300 mesh stainless steel net and dried at 100 ° C. for 7 hours. As a result, the mesh became an aggregate, and a membrane carrying a mesoporous material composed of R-type manganese dioxide nanoneedles having a shape corresponding to the shape and area of the mesh could be produced. Furthermore, the membranes could be joined to each other by leaving them in a heater heated to 200 ° C. with the surfaces of the membranes thus obtained in contact with each other. For this reason, it has been proved that the film thickness can be easily increased by increasing the number of bonded members in accordance with the purpose.
Example 11 Evaluation of Infrared Absorbing Capacity of Infrared Absorbing Material Consisting of Porous Manganese Dioxide Nanoneedle Body Average pore diameter obtained in Example 2 18.68 nm, BET specific surface area 46.47 m 2 / g, total pores Crush 0.115 g of manganese dioxide nanoneedle porous material with a volume of 0.22 cm 3 / g in an agate bowl, place it in a pressure molding jig, and compress it at a pressure of 4 MPa for 3 minutes while degassing it with a rotary pump. Thus, a test specimen pellet (infrared absorbing material) having a diameter of 10 mm and a thickness of 0.5 mm was prepared.

この試験体ペレットを赤外分光光度計に設置し、波数4000〜400cm−1(波長2.5〜25.0μm)の赤外線を照射して試験体ペレットを透過してくる赤外線の強度と波数(波長)を調べた。この測定結果を図21に示す。図21では、波数1000cm-1以下(10.0μm以下)では縦軸の透過率が0.01%以下であり、ほとんどの波長領域において赤外線が吸収されていることがわかる。波数1000cm-1以上(10.0μm以上)においては、透過が観察されるが、これは本試験体ペレット中の二酸化マンガンナノニードル多孔体の量が0.115gと極めて少ないためであり、ペレット中の二酸化マンガンナノニードル多孔体の量を増加させるに従って、波数1000cm−1以上(10.0μm以上)における透過強度が速やかに低下することを確認した。測定には、日本分光製のフーリェ変換赤外分光光度計FT−IR4200TYPE−Aを使用した。また、本試験体ペレットを光学顕微鏡で観察することを試みることは強力な観察光光源を照射しても、極めて困難であることを確認した。これは、二酸化マンガンナノニードル多孔体が、グラファイトなどに代表されるカーボン材料に比べて、赤外線だけではなく、可視光に対しても高い吸収性を有するためであり、単に赤外線だけの吸収能に優れるカーボン材料などに比べた場合の長所である。なお、赤外線吸収の測定には、日本分光製のフーリェ変換赤外分光光度計FT−IR4200TYPE−Aを使用した。
<実施例12> 赤外線フィルターの赤外線吸収能の評価(1)
実施例3で得られた平均細孔直径9.26nm、BET比表面積173.29m/g、全細孔容積0.40cm/gの二酸化マンガンナノニードル多孔体0.0286gをKBr粉末0.4362gとともにメノウ鉢で粉砕・混合し、加圧成型治具に入れ、これをロータリーポンプで脱気しながら、圧力4MPa、3分間で圧縮成型して、直径10mm、厚さ0.5mm(プラス・マイナス0.1mm)の試験体ペレットを作成した。したがって、この試験体ペレット中の二酸化マンガンのナノニードル多孔体とKBrとの混合重量比は、1:15.3である。また、二酸化マンガンナノニードル多孔体濃度は6.15wt%である。
This specimen pellet is placed in an infrared spectrophotometer, irradiated with infrared rays having a wave number of 4000 to 400 cm −1 (wavelength 2.5 to 25.0 μm), and the intensity and wave number of infrared rays transmitted through the specimen pellet ( Wavelength). The measurement results are shown in FIG. In FIG. 21, when the wave number is 1000 cm −1 or less (10.0 μm or less), the transmittance on the vertical axis is 0.01% or less, and it can be seen that infrared rays are absorbed in most wavelength regions. Permeation is observed when the wave number is 1000 cm −1 or more (10.0 μm or more). This is because the amount of the manganese dioxide nanoneedle porous material in the test specimen pellet is as very small as 0.115 g. It was confirmed that the transmission intensity at a wave number of 1000 cm −1 or more (10.0 μm or more) rapidly decreases as the amount of the manganese dioxide nanoneedle porous material is increased. For the measurement, a Fourier transform infrared spectrophotometer FT-IR4200TYPE-A manufactured by JASCO was used. Moreover, it was confirmed that it was extremely difficult to try to observe the test specimen pellet with an optical microscope even when a strong observation light source was irradiated. This is because the manganese dioxide nanoneedle porous body has higher absorbability not only for infrared rays but also for visible light as compared with carbon materials typified by graphite and the like. This is an advantage compared to excellent carbon materials. In addition, the Fourier transform infrared spectrophotometer FT-IR4200TYPE-A made from JASCO was used for the measurement of infrared absorption.
<Example 12> Evaluation of infrared absorbing ability of infrared filter (1)
0.0286 g of a manganese dioxide nanoneedle porous material having an average pore diameter of 9.26 nm, a BET specific surface area of 173.29 m 2 / g, and a total pore volume of 0.40 cm 3 / g obtained in Example 3 was added to a KBr powder in an amount of 0. It is pulverized and mixed together with 4362 g in an agate bowl, put in a pressure molding jig, compressed with a pressure of 4 MPa for 3 minutes while degassing with a rotary pump, and 10 mm in diameter and 0.5 mm in thickness (plus Minus 0.1 mm) test specimen pellets were prepared. Therefore, the mixing weight ratio of the nano needle porous body of manganese dioxide and KBr in this test body pellet is 1: 15.3. Moreover, the manganese dioxide nanoneedle porous body density | concentration is 6.15 wt%.

この試験体ペレットを、赤外分光光度計に設置し、波数4000〜400cm−1(波長2.5〜25.0μm)の赤外線を照射して試験体ペレットを透過する赤外線の強度と波数(波長)を調べた。この測定結果を図22に示す。図22では、縦軸の透過率のピークトップが、波数799.74cm−1(12.5μm)、かつ、半値幅(透過率0%からピークトップの透過率までの二分の一の高さにおけるピーク幅)が90cm−1(1.36μm)の赤外線のみを透過している。このため、作成した試験体は、特定の波長領域の赤外線を透過させるフィルターとして機能していることがわかる。 This specimen pellet is placed in an infrared spectrophotometer, irradiated with infrared rays having a wave number of 4000 to 400 cm −1 (wavelength 2.5 to 25.0 μm), and the intensity and wave number (wavelength) of infrared rays that pass through the specimen pellet. ). The measurement results are shown in FIG. In FIG. 22, the peak top of the transmittance on the vertical axis has a wave number of 799.74 cm −1 (12.5 μm) and a half width (half the height from transmittance 0% to the transmittance of the peak top). Only infrared rays having a peak width (90 cm −1 (1.36 μm)) are transmitted. For this reason, it turns out that the created test body is functioning as a filter which permeate | transmits infrared rays of a specific wavelength range.

また、二酸化マンガンナノニードル多孔体を得るための前駆体である焼成された炭酸マンガン粉末0.0283gを、KBr粉末0.4389gとともにメノウ乳鉢で粉砕・混合し、加圧成型治具に入れ、これをロータリーポンプで脱気しながら、圧力4MPa、3分間で圧縮成型して、直径10mm、厚さ0.5mmの試験体ペレットを作成した(焼成炭酸マンガンとKBrの重量混合比は1:15.5、試験体ペレット中での焼成炭酸マンガンの濃度は0.00606wt%)。この試験体ペレットの赤外線透過特性を図23に示した。図23では、炭酸塩に起因する赤外線透過成分が観察されることから、二酸化マンガンナノニードル多孔体を合成する手順において、酸処理を充分に行うことで炭酸成分を除去することが、赤外線のフィルター特性を高めるために重要であることがわかる。なお、赤外線透過の測定には、パーキンエルマー社製のフーリェ変換赤外分光分析装置Spectrum One Image System FT−IR Spectrometerを使用した。
<実施例13> 赤外線フィルターの赤外線吸収能の評価(2)
実施例2で得た平均細孔直径18.68nm、BET比表面積46.47m/g、全細孔容積0.22cm/gの二酸化マンガンナノニードル多孔体0.0280gをKBr粉末0.4355gとともにメノウ鉢で粉砕・混合し、加圧成型治具に入れ、これをロータリーポンプで脱気しながら、圧力4MPa、3分間で圧縮成型して、直径10mm、厚さ0.5mm(プラス・マイナス0.1mm)の試験体ペレットを作成した。したがって、この試験体ペレット中の二酸化マンガンナノニードル多孔体とKBrとの混合重量比は、1:15.6である。また、二酸化マンガンナノニードル多孔体濃度は6.04wt%である。
Further, 0.0283 g of baked manganese carbonate powder, which is a precursor for obtaining a manganese dioxide nanoneedle porous body, is pulverized and mixed together with 0.4389 g of KBr powder in an agate mortar, and placed in a pressure molding jig. Was subjected to compression molding at a pressure of 4 MPa for 3 minutes to prepare a test specimen pellet having a diameter of 10 mm and a thickness of 0.5 mm (weight mixing ratio of calcined manganese carbonate and KBr was 1:15. 5. The concentration of the burned manganese carbonate in the test specimen pellet is 0.00606 wt%). The infrared transmission characteristics of this test specimen pellet are shown in FIG. In FIG. 23, since an infrared transmission component due to carbonate is observed, in the procedure for synthesizing the manganese dioxide nanoneedle porous body, it is possible to remove the carbonate component by performing sufficient acid treatment to obtain an infrared filter. It turns out that it is important for enhancing the characteristics. In addition, for the measurement of infrared transmission, a Fourier transform infrared spectroscopic analyzer Spectrum One Image System FT-IR Spectrometer manufactured by PerkinElmer was used.
<Example 13> Evaluation of infrared absorbing ability of infrared filter (2)
0.0280 g of manganese dioxide nanoneedle porous material having an average pore diameter of 18.68 nm, a BET specific surface area of 46.47 m 2 / g, and a total pore volume of 0.22 cm 3 / g obtained in Example 2 was added to KB355 powder 0.4355 g. At the same time, it is pulverized and mixed in an agate bowl, placed in a pressure molding jig, compressed with a pressure of 4 MPa for 3 minutes while degassing with a rotary pump, and has a diameter of 10 mm and a thickness of 0.5 mm (plus or minus) 0.1 mm) specimen pellets were prepared. Therefore, the mixing weight ratio of the manganese dioxide nanoneedle porous material and KBr in this test specimen pellet is 1: 15.6. Moreover, the manganese dioxide nanoneedle porous body density | concentration is 6.04 wt%.

この試験体ペレットを、赤外分光光度計に設置し、波数4000〜400cm−1(波長2.5〜25.0μm)の赤外線を照射して試験体ペレットを透過する赤外線の強度と波数(波長)を調べた。この測定結果を図24に示す。図24では、縦軸の透過率のピークトップが、波数810.92cm−1(12.3μm)、かつ、半値幅(透過率0%からピークトップの透過率までの二分の一の高さにおけるピーク幅)が100cm−1(1.49μm)の赤外線のみを透過している。このため、作成した試験体は、特定の波長領域の赤外線を透過させるフィルターとして機能していることがわかる。実施例11の結果である図22と比べると、比表面積が小さく、平均細孔直径が大きい二酸化マンガンナノニードル多孔体を用いた本例の方が、若干半値幅が広い透過ピークとなり、ピークの透過率の値が高いことから、実施例11の試験体ペレットに比べて、ほぼ同じ波長域の赤外線の透過性が高いことがわかる。 This specimen pellet is placed in an infrared spectrophotometer, irradiated with infrared rays having a wave number of 4000 to 400 cm −1 (wavelength 2.5 to 25.0 μm), and the intensity and wave number (wavelength) of infrared rays that pass through the specimen pellet. ). The measurement results are shown in FIG. In FIG. 24, the peak top of the transmittance on the vertical axis has a wave number of 810.92 cm −1 (12.3 μm) and a half-value width (half the height from the transmittance of 0% to the transmittance of the peak top). It transmits only infrared rays having a peak width of 100 cm −1 (1.49 μm). For this reason, it turns out that the created test body is functioning as a filter which permeate | transmits infrared rays of a specific wavelength range. Compared with FIG. 22 which is the result of Example 11, this example using a manganese dioxide nanoneedle porous body having a small specific surface area and a large average pore diameter is a transmission peak having a slightly wider half width, Since the value of the transmittance is high, it can be seen that the infrared transmittance in substantially the same wavelength region is higher than that of the test specimen pellet of Example 11.

また、グラファイトや活性炭などのカーボン材料をKBrに添加して、同様の試験体ペレットを作成し、同様の手法で赤外線透過特性を確認したが、カーボン材料を添加した場合には、2.5〜25μmの全波長領域に渡って赤外線の吸収が生じるため、本発明のようなフィルター効果が得られないことを確認した。なお、赤外線透過の測定には、パーキンエルマー社製のフーリェ変換赤外分光分析装置Spectrum One Image System FT−IR Spectrometerを使用した。
<実施例14>
上記実施例3で合成した酸処理後のペーストをサラシ布に均一に塗布した後、自然乾燥させた。約50℃のお湯が入った紙コップ(高さ10cm、直径6cm)を用意し、この紙コップを台の上において、紙コップの手前10mmの位置に、1)何もない、2)白いウエス、3)二酸化マンガンのナノニードルから構成された多孔体の粉末を塗布したサラシ布を設置して、赤外線モニター・ナイトビジョン(本田技研レジェンド2005年式搭載)で観察した。なお、紙コップと赤外線センサーを搭載した自動車との距離は10mに設定した。
Moreover, carbon materials such as graphite and activated carbon were added to KBr to prepare similar test specimen pellets, and the infrared transmission characteristics were confirmed by the same method. When carbon materials were added, 2.5 to It was confirmed that the filter effect as in the present invention could not be obtained because infrared absorption occurred over the entire wavelength region of 25 μm. In addition, for the measurement of infrared transmission, a Fourier transform infrared spectroscopic analyzer Spectrum One Image System FT-IR Spectrometer manufactured by PerkinElmer was used.
<Example 14>
The acid-treated paste synthesized in Example 3 above was evenly applied to a smooth cloth and then naturally dried. Prepare a paper cup (10cm in height and 6cm in diameter) containing hot water of about 50 ° C, and place this paper cup on the table 10mm in front of the paper cup. 1) Nothing 2) White cloth 3) A flat cloth coated with porous powder composed of manganese dioxide nanoneedles was set up and observed with an infrared monitor night vision (Honda Motor Legend 2005). The distance between the paper cup and the car equipped with the infrared sensor was set to 10 m.

その結果、1)では、白く紙コップがはっきりモニターに浮かび上がる。2)ぼんやり白く紙コップが浮かび上がる。3)グレー色に映って物がありそうなことはわかるが、1)や2)の様に白くはならない。という結果が得られた。この結果から、布に塗布した二酸化マンガンのナノニードルから構成された多孔体の粉末がお湯を入れた紙コップから発する赤外線を吸収遮断していることがわかった。したがって、本発明の材料が、市販の自動車に組み込まれた信頼性の高い高感度の赤外線モニターを使った場合でも、効果的な赤外線吸収体の性能を発揮することが証明された。
<比較例>
市販の二酸化マンガン(和光純薬製特級酸化マンガンIV化学処理品)、市販の酸化マンガン(和光純薬製特級酸化マンガンIII Mn)、市販の酸化チタン(和光純薬製特級酸化チタンIII TiO)を表2の条件で、各材料をメノウ乳鉢で粉砕・混合し、加圧成型治具に入れ、ロータリーポンプで脱気しながら、圧力4MPa、3分間で圧縮成型して、直径10mm、厚さ0.5mm(プラス・マイナス0.1mm)の試験体ペレットを作成した。
As a result, in 1), a white paper cup clearly appears on the monitor. 2) A white paper cup appears. 3) You can see that there is something in the gray color, but it doesn't become white like 1) or 2). The result was obtained. From this result, it was found that the porous powder composed of manganese dioxide nanoneedles coated on the cloth absorbs and blocks infrared rays emitted from a paper cup containing hot water. Therefore, it has been proved that the material of the present invention exhibits an effective infrared absorber performance even when a highly reliable and highly sensitive infrared monitor incorporated in a commercial vehicle is used.
<Comparative example>
Commercially available manganese dioxide (special grade manganese oxide IV product manufactured by Wako Pure Chemical Industries), commercial manganese oxide (special grade manganese oxide III Mn 2 O 3 manufactured by Wako Pure Chemical Industries), commercial titanium oxide (special grade titanium oxide III manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd. III) TiO 2 ) was crushed and mixed in an agate mortar under the conditions shown in Table 2, put into a pressure molding jig, and compressed and molded at a pressure of 4 MPa for 3 minutes while degassing with a rotary pump. A test specimen pellet having a thickness of 0.5 mm (plus / minus 0.1 mm) was prepared.

つぎに、作成した各試験体ペレットを、赤外分光光度計に設置して、波数4000〜400cm−1(波長2.5〜25.0μm)の赤外線を照射して各試験体ペレットを透過する赤外線の強度と波数(波長)を調べた。この測定結果を図25〜27に示す。 Next, each prepared specimen pellet is installed in an infrared spectrophotometer, and irradiated with infrared rays having a wave number of 4000 to 400 cm −1 (wavelength 2.5 to 25.0 μm) to transmit each specimen pellet. Infrared intensity and wave number (wavelength) were examined. The measurement results are shown in FIGS.

図25は、市販の二酸化マンガンとKBrを混合した試験体ペレットに関する赤外線透過特性を示す。この市販の二酸化マンガン(和光純薬工業製試薬特級)は、透過型電子顕微鏡観察すると大きさが10ナノメートル程度の微粉体であるため、本発明の二酸化マンガンのナノニードル多孔体を用いた場合の結果である図22や図24に類似した透過波長や透過強度を示すが、1500〜1000cm−1の波数領域に市販の二酸化マンガンが含んでいる吸着水に基づく赤外線の透過ピークが観察される。これは、市販の二酸化マンガンが単なる微粒子の集合体であるために、本発明の二酸化マンガンのナノニードル多孔体を用いた場合のように、照射された赤外線が材料内部で拡散反射されて強度が減衰する効果が得られないためであると考えられる。このため、赤外線フィルターを作るための添加材としては、本発明の二酸化マンガンのナノニードル多孔体の方が優れていると言える。 FIG. 25 shows the infrared transmission characteristics of a test specimen pellet in which commercially available manganese dioxide and KBr are mixed. This commercially available manganese dioxide (special grade manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) is a fine powder having a size of about 10 nanometers when observed with a transmission electron microscope. Therefore, when the nanoneedle porous body of manganese dioxide of the present invention is used 22 shows the transmission wavelength and transmission intensity similar to those of FIG. 22 and FIG. 24, but an infrared transmission peak based on adsorbed water containing commercially available manganese dioxide is observed in the wave number region of 1500 to 1000 cm −1. . This is because the commercially available manganese dioxide is simply an aggregate of fine particles, so that the irradiated infrared rays are diffusely reflected inside the material as in the case of using the manganese dioxide nanoneedle porous body of the present invention, and the intensity is increased. This is probably because the attenuation effect cannot be obtained. For this reason, it can be said that the manganese dioxide nanoneedle porous body of the present invention is superior as an additive for making an infrared filter.

つぎに、図26は市販の酸化マンガン(III)(STREM CHEMICALS製試薬99%)とKBrを混合した試験体ペレットに関する赤外線透過特性を示す。図25の市販の二酸化マンガンに比べると1500〜1000cm−1の波数領域に吸着水の透過ピークは存在しないが透過強度が7倍以上高く、半値幅も広いため、入射する赤外線のエネルギーが高い場合には、半値幅が広がることでフィルター特性が悪化することが予想される。 Next, FIG. 26 shows the infrared transmission characteristic regarding the test body pellet which mixed commercially available manganese oxide (III) (the reagent 99% made from STREM CHEMICALS) and KBr. Compared to the commercially available manganese dioxide of FIG. 25, there is no transmission peak of adsorbed water in the wave number region of 1500 to 1000 cm −1 , but the intensity of incident infrared rays is high because the transmission intensity is more than 7 times higher and the half width is wider. In this case, it is expected that the filter characteristics will deteriorate as the half-value width increases.

また、図27は市販の酸化チタン(IV)(和光純薬工業製試薬特級)とKBrを混合した試験体ペレットに関する赤外線透過特性を示す。図27の結果は、本発明の二酸化マンガンのナノニードル多孔体を用いた場合の結果である図22や図24の場合に比べて、透過波長のピークが9.2μmに見られるといった違いがあることがわかる。しかしながら透過強度が図22や24に比べると6倍から10倍高いため、入射する赤外線のエネルギーが高い場合には、半値幅が広がることでフィルター特性が悪化することが予想される。   Moreover, FIG. 27 shows the infrared transmission characteristic regarding the test body pellet which mixed commercially available titanium oxide (IV) (the reagent special grade made from Wako Pure Chemical Industries) and KBr. The result of FIG. 27 is different from the case of FIG. 22 and FIG. 24 in which the manganese dioxide nanoneedle porous body of the present invention is used in that the transmission wavelength peak is seen at 9.2 μm. I understand that. However, since the transmission intensity is 6 to 10 times higher than that in FIGS. 22 and 24, when the energy of the incident infrared rays is high, it is expected that the filter characteristics will be deteriorated by widening the half width.

なお、以上の赤外線透過の測定には、パーキンエルマー社製のフーリェ変換赤外分光分析装置Spectrum One Image System FT−IR Spectrometerを使用した。   In addition, the Fourier transform infrared spectroscopic analyzer Spectrum One Image System FT-IR Spectrometer manufactured by PerkinElmer was used for the above infrared transmission measurement.

本願の水素化した酸化マンガンHMnOの合成のメカニズムの概略図である。Is a schematic view of the mechanism of the present hydrogenated synthetic manganese oxide HMnO 2. 水素化した酸化マンガンおよび氷に中性子を照射した結果である。This is a result of irradiating hydrogenated manganese oxide and ice with neutrons. R型二酸化マンガンの結晶構造中における結合距離が2.589Å(b方向)の酸素原子−酸素原子、および2.573Å(a方向)の酸素原子−酸素原子によって構成されるネットワークを模式的に示した図である。FIG. 2 schematically shows a network composed of an oxygen atom-oxygen atom having a bond distance of 2.589 Å (b direction) and an oxygen atom-oxygen atom of 2.573 Å (a direction) in the crystal structure of R-type manganese dioxide. It is a figure. 実施例1におけるナノニードル凝集体の透過電子顕微鏡像である。2 is a transmission electron microscope image of nanoneedle aggregates in Example 1. FIG. 実施例1におけるナノニードルの先端部の透過電子顕微鏡像である。2 is a transmission electron microscope image of a tip portion of a nanoneedle in Example 1. FIG. 実施例1におけるナノニードル凝集体の窒素ガス吸着法による表面分析結果である。It is the surface analysis result by the nitrogen gas adsorption method of the nanoneedle aggregate in Example 1. 実施例2におけるナノニードル凝集体の透過電子顕微鏡像である。3 is a transmission electron microscope image of nanoneedle aggregates in Example 2. FIG. 実施例2における別のナノニードル凝集体の透過電子顕微鏡像である。3 is a transmission electron microscope image of another nanoneedle aggregate in Example 2. FIG. 実施例2におけるナノニードルの先端部の透過電子顕微鏡像である。4 is a transmission electron microscope image of a tip portion of a nanoneedle in Example 2. FIG. 図8の高解像度写真である。FIG. 9 is a high resolution photograph of FIG. 8. 実施例2におけるナノニードル凝集体の窒素ガス吸着法による表面分析結果である。It is the surface analysis result by the nitrogen gas adsorption method of the nanoneedle aggregate in Example 2. 実施例2におけるナノニードル凝集体のX線回折パターンである。3 is an X-ray diffraction pattern of nanoneedle aggregates in Example 2. FIG. 実施例3におけるナノニードルの透過電子顕微鏡像である。6 is a transmission electron microscope image of nanoneedles in Example 3. FIG. 実施例3におけるナノニードルの先端部の透過電子顕微鏡像である。4 is a transmission electron microscope image of a tip portion of a nanoneedle in Example 3. FIG. 実施例4における酸処理に水温14℃の希塩酸を使った場合に得られるナノニードル凝集体のX線回折パターンである。4 is an X-ray diffraction pattern of nanoneedle aggregates obtained when dilute hydrochloric acid having a water temperature of 14 ° C. is used for acid treatment in Example 4. 実施例4における酸処理に水温35℃の希塩酸を使った場合に得られるナノニードル凝集体のX線回折パターンである。4 is an X-ray diffraction pattern of nanoneedle aggregates obtained when dilute hydrochloric acid having a water temperature of 35 ° C. is used for acid treatment in Example 4. FIG. 実施例7におけるペーストおよびそれを乾燥処理して得たR型二酸化マンガンのX線回折分析結果である。It is a X-ray-diffraction analysis result of the paste in Example 7, and the R type manganese dioxide obtained by drying it. 実施例7におけるペーストのX線吸収端分析(XANES)によるマンガン価数の分析結果である。It is an analysis result of the manganese valence by the X-ray absorption edge analysis (XANES) of the paste in Example 7. 実施例8における金属パラジウムのナノ粒子を担持したR型二酸化マンガンのナノニードルの透過電子顕微鏡像である。9 is a transmission electron microscope image of R-type manganese dioxide nanoneedles carrying metallic palladium nanoparticles in Example 8. FIG. 実施例8における金属パラジウムのナノ粒子を担持したR型二酸化マンガンの透過電子顕微鏡像である。6 is a transmission electron microscope image of R-type manganese dioxide carrying metallic palladium nanoparticles in Example 8. FIG. 実施例11における二酸化マンガンナノニードル多孔体の赤外線吸収特性を表した図である。It is a figure showing the infrared absorption characteristic of the manganese dioxide nanoneedle porous body in Example 11. 実施例12における二酸化マンガンナノニードル多孔体の赤外線透過特性を表した図である。It is a figure showing the infrared transmission characteristic of the manganese dioxide nanoneedle porous body in Example 12. 実施例12における焼成炭酸マンガンの赤外線透過特性を表した図である。It is a figure showing the infrared transmission characteristic of the baked manganese carbonate in Example 12. 実施例13における二酸化マンガンナノニードル多孔体の赤外線吸収特性を表した図である。It is a figure showing the infrared absorption characteristic of the manganese dioxide nanoneedle porous body in Example 13. 比較例における市販の二酸化マンガンの赤外線透過特性を表した図である。It is a figure showing the infrared transmission characteristic of the commercially available manganese dioxide in a comparative example. 比較例における市販の酸化マンガン(III)の赤外線透過特性を表した図である。It is a figure showing the infrared transmission characteristic of commercial manganese oxide (III) in a comparative example. 比較例における市販の酸化チタン(IV)の赤外線透過特性を表した図である。It is a figure showing the infrared transmission characteristic of the commercially available titanium oxide (IV) in a comparative example.

Claims (20)

R型二酸化マンガンを主成分とするニードル状のナノニードルで構成されており、これらナノニードルでメソポーラス多孔体構造が形成されている二酸化マンガンナノニードル多孔体であって、前記メソポーラス多孔体構造は、平均細孔直径が3nm〜30nmの範囲、BET比表面積が40〜200m /g、全細孔容積が0.1〜0.5cm /gの範囲であることを特徴とする二酸化マンガンナノニードル多孔体。 It is composed of needle-shaped nanoneedles mainly composed of R-type manganese dioxide, and a mesoporous porous body structure in which a mesoporous porous structure is formed with these nanoneedles, wherein the mesoporous porous structure is Manganese dioxide nanoneedles having an average pore diameter of 3 nm to 30 nm, a BET specific surface area of 40 to 200 m 2 / g, and a total pore volume of 0.1 to 0.5 cm 3 / g Porous body. R型二酸化マンガンを主成分とするニードル状のナノニードルで構成されており、これらナノニードルでメソポーラス多孔体構造が形成されている二酸化マンガンナノニードル多孔体であって、前記メソポーラス多孔体構造は、平均細孔直径が7nm〜14nmの範囲、BET比表面積が80〜130m /g、全細孔容積が0.2〜0.5cm /gの範囲であることを特徴とする二酸化マンガンナノニードル多孔体。 It is composed of needle-shaped nanoneedles mainly composed of R-type manganese dioxide, and a mesoporous porous body structure in which a mesoporous porous structure is formed with these nanoneedles, wherein the mesoporous porous structure is Manganese dioxide nanoneedles having an average pore diameter of 7 nm to 14 nm, a BET specific surface area of 80 to 130 m 2 / g, and a total pore volume of 0.2 to 0.5 cm 3 / g Porous body. R型二酸化マンガンを主成分とするニードル状のナノニードルで構成されており、これらナノニードルでメソポーラス多孔体構造が形成されている二酸化マンガンナノニードル多孔体であって、前記メソポーラス多孔体構造は、平均細孔直径が15nm〜30nmの範囲、BET比表面積が40〜50m /g、全細孔容積が0.1〜0.3cm /gの範囲であることを特徴とする二酸化マンガンナノニードル多孔体。 It is composed of needle-shaped nanoneedles mainly composed of R-type manganese dioxide, and a mesoporous porous body structure in which a mesoporous porous structure is formed with these nanoneedles, wherein the mesoporous porous structure is Manganese dioxide nanoneedles having an average pore diameter of 15 nm to 30 nm, a BET specific surface area of 40 to 50 m 2 / g, and a total pore volume of 0.1 to 0.3 cm 3 / g Porous body. 表面硬さは、ビッカース硬さ試験法による測定でビッカース硬度15〜35の範囲であることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の二酸化マンガンナノニードル多孔体。 4. The manganese dioxide nanoneedle porous body according to claim 1, wherein the surface hardness is in the range of Vickers hardness of 15 to 35 as measured by a Vickers hardness test method . 5. 大きさがナノメートルスケールであり、R型二酸化マンガンを主成分とするニードル状のR型二酸化マンガンのナノニードルであって、前記ナノニードルは、太さ1〜100nm、長さ3〜900nmの範囲であることを特徴とするR型二酸化マンガンのナノニードル。A needle-shaped R-type manganese dioxide nanoneedle having a size of nanometer scale and mainly composed of R-type manganese dioxide, wherein the nanoneedle has a thickness of 1 to 100 nm and a length of 3 to 900 nm. An R-type manganese dioxide nanoneedle characterized by the above. 大きさがナノメートルスケールであり、R型二酸化マンガンを主成分とするニードル状のR型二酸化マンガンのナノニードルであって、前記ナノニードルは、太さ2〜10nm、長さ5〜30nmの範囲であることを特徴とするR型二酸化マンガンのナノニードル。 A needle-shaped R-type manganese dioxide nanoneedle having a size of nanometer scale and mainly composed of R-type manganese dioxide, wherein the nanoneedle has a thickness of 2 to 10 nm and a length of 5 to 30 nm. An R-type manganese dioxide nanoneedle characterized by the above . 大きさがナノメートルスケールであり、R型二酸化マンガンを主成分とするニードル状のR型二酸化マンガンのナノニードルであって、前記ナノニードルは、太さ10〜30nm、長さ30〜300nmの範囲であることを特徴とするR型二酸化マンガンのナノニードル。 A needle-shaped R-type manganese dioxide nanoneedle having a size of nanometer scale and mainly composed of R-type manganese dioxide, wherein the nanoneedle has a thickness of 10 to 30 nm and a length of 30 to 300 nm. An R-type manganese dioxide nanoneedle characterized by the above . 請求項5から7のいずれかのR型二酸化マンガンのナノニードルに、金属が担持されていることを特徴とする金属担持R型二酸化マンガンのナノニードル。A metal-supported R-type manganese dioxide nanoneedle, wherein a metal is supported on the R-type manganese dioxide nanoneedle according to claim 5. 担持される金属は、金またはパラジウムであることを特徴とする請求項8に記載の金属担持R型二酸化マンガンのナノニードル。9. The metal-supported R-type manganese dioxide nanoneedle according to claim 8, wherein the supported metal is gold or palladium. R型二酸化マンガンMnOR-type manganese dioxide MnO 2 の結晶構造に、プロトンHIn the crystal structure of + および電子eAnd e が含侵したマンガン価数+4価の水素化した酸化マンガンHMnOImpregnated manganese valence + tetravalent hydrogenated manganese oxide HMnO 2 のナノ微粒子であって、前記ナノ微粒子は、太さ2〜10nm、長さ5〜30nmの範囲であり、ニードル状であることを特徴とする水素化した酸化マンガンHMnOThe hydrogenated manganese oxide HMnO is characterized in that the nanoparticle has a thickness of 2 to 10 nm, a length of 5 to 30 nm and a needle shape. 2 のナノ微粒子。Nano particles. R型二酸化マンガンMnOR-type manganese dioxide MnO 2 の結晶構造に、プロトンHIn the crystal structure of + および電子eAnd e が含侵したマンガン価数+4価の水素化した酸化マンガンHMnOImpregnated manganese valence + tetravalent hydrogenated manganese oxide HMnO 2 のナノ微粒子であって、前記ナノ微粒子は、太さ10〜30nm、長さ30〜300nmの範囲であり、ニードル状であることを特徴とする水素化した酸化マンガンHMnOThe hydrogenated manganese oxide HMnO is characterized in that the nanoparticle has a thickness of 10 to 30 nm, a length of 30 to 300 nm, and a needle shape. 2 のナノ微粒子。Nano particles. 請求項1から4のいずれかの二酸化マンガンナノニードル多孔体で形成されてなるメソポーラス多孔体材料。A mesoporous material made of the manganese dioxide nanoneedle porous material according to any one of claims 1 to 4. 膜状に形成された膜状体であることを特徴とする請求項12に記載のメソポーラス多孔体材料。13. The mesoporous material according to claim 12, wherein the mesoporous material is a film-like body. 請求項1記載の二酸化マンガンナノニードル多孔体の製造方法であって、炭酸マンガンn水和物MnCOIt is a manufacturing method of the manganese dioxide nanoneedle porous body of Claim 1, Comprising: Manganese carbonate n-hydrate MnCO 3 ・nH・ NH 2 O粉末を焼成し、これを酸処理してペースト状とした後、乾燥することを特徴とする二酸化マンガンナノニードル多孔体の製造方法。A method for producing a manganese dioxide nanoneedle porous body, which comprises firing O powder, treating it with an acid to form a paste, and then drying the paste. 炭酸マンガンn水和物とともに炭酸酸化ビスマスを混合して焼成することを特徴とする請求項14に記載の二酸化マンガンナノニードル多孔体の製造方法。The method for producing a manganese dioxide nanoneedle porous body according to claim 14, wherein bismuth carbonate carbonate is mixed with manganese carbonate n-hydrate and baked. 酸処理を少なくとも2回以上行うこと特徴とする請求項14または15に記載の二酸化マンガンナノニードル多孔体の製造方法。The method for producing a manganese dioxide nanoneedle porous body according to claim 14 or 15, wherein the acid treatment is performed at least twice. 請求項5から7のいずれかのR型二酸化マンガンのナノニードルを酸処理することを特徴とする水素化した酸化マンガンHMnOHydrogenated manganese oxide HMnO, characterized by acid-treating the R-type manganese dioxide nanoneedles according to any one of claims 5 to 7 2 のナノ微粒子の製造方法。Of producing nano-particles. 請求項1から4のいずれかに記載の二酸化マンガンナノニードル多孔体からなる赤外線吸収材料。An infrared-absorbing material comprising the porous manganese dioxide nanoneedle according to claim 1. 請求項18に記載の赤外線吸収材料が含有されていることを特徴とする赤外線フィルター。An infrared filter comprising the infrared absorbing material according to claim 18. 透過される赤外線は、波長領域10〜14μmの範囲であることを特徴とする請求項19に記載の赤外線フィルター。The infrared filter according to claim 19, wherein the transmitted infrared light has a wavelength range of 10 to 14 μm.
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