JP5591683B2 - Metal ion-supported titanium oxide particles having an exposed crystal face and method for producing the same - Google Patents

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Description

本発明は、露出結晶面に遷移金属イオンが担持された酸化チタン粒子、その製造方法、及び該酸化チタン粒子からなる光触媒に関する。   The present invention relates to titanium oxide particles having transition metal ions supported on exposed crystal planes, a method for producing the same, and a photocatalyst comprising the titanium oxide particles.

従来、酸化チタン光触媒の性能向上に関する研究は、反応物質の吸着能力を向上させることにより光触媒能を向上させることができるという点に着目し、酸化チタンをいかに微粒子化するかに終始していたが、その技術も限界に直面していた。   In the past, research on improving the performance of titanium oxide photocatalysts has focused on the point that photocatalytic performance can be improved by improving the adsorption capacity of reactants, but how to make titanium oxide finer. The technology was also facing limitations.

酸化チタンはバンドギャップエネルギー以上のエネルギーを有する光を吸収すると価電子帯の電子が伝導帯に励起し、価電子帯にホール、伝導帯に励起電子が生成し、これらは酸化チタン粒子表面へ拡散する。酸化チタンの光触媒反応は、該励起電子が還元作用を、該ホールが強い酸化作用を有することを利用して、表面に吸着した物質を酸化、あるいは還元することによって進行する。酸化チタンの光触媒反応は、1つの光触媒粒子上で酸化反応と還元反応という正反対の反応が起こるため、励起電子とホールとの再結合や逆反応が容易に進行し、それにより反応効率が激減することが知られている。酸化反応と還元反応の反応場を空間的に分離することが、逆反応を抑制し、光触媒活性を高める上で重要であり、特定面が露出した酸化チタンは各結晶面の特性によって酸化反応と還元反応の反応場を分離することができ、効率よく反応が進行することが分かってきた。   When titanium oxide absorbs light with energy higher than the band gap energy, electrons in the valence band are excited in the conduction band, holes are generated in the valence band, and excited electrons are generated in the conduction band, which diffuse to the surface of the titanium oxide particles. To do. The photocatalytic reaction of titanium oxide proceeds by oxidizing or reducing the substance adsorbed on the surface by utilizing the reducing action of the excited electrons and the strong oxidizing action of the holes. In the photocatalytic reaction of titanium oxide, the opposite reactions of oxidation reaction and reduction reaction occur on one photocatalyst particle, so recombination and reverse reaction of excited electrons and holes proceed easily, thereby drastically reducing the reaction efficiency. It is known. Spatial separation of the reaction field between the oxidation reaction and the reduction reaction is important for suppressing the reverse reaction and enhancing the photocatalytic activity. Titanium oxide with a specific surface exposed is separated from the oxidation reaction depending on the characteristics of each crystal face. It has been found that the reaction field of the reduction reaction can be separated and the reaction proceeds efficiently.

そして、特許文献1には、酸化チタンにアルカリ性過酸化水素水処理、硫酸処理、又はフッ化水素酸処理を施して新規露出結晶面が発現した酸化チタン結晶を作る方法が記載されており、得られた新規露出結晶面が発現した酸化チタンからなる光触媒は高い酸化触媒性能を有することが記載されている。前記新規露出結晶面が発現した酸化チタンとしては、(1)ルチル型酸化チタンから得られる、新規に(121)面を発現させた酸化チタン結晶、(2)ルチル型酸化チタンから得られる、新規に(001)(121)(021)(010)面を発現させた酸化チタン結晶、(3)ルチル型酸化チタンから得られる、新規に(021)面を発現させた酸化チタン結晶、(4)アナターゼ型酸化チタンから得られる、新規に(120)面を発現させた酸化チタン結晶、(5)アナターゼ型酸化チタンから得られる、新規に(122)面を発現させた酸化チタン結晶、(6)アナターゼ型酸化チタンから得られる、新規に(112)面を発現させた酸化チタン結晶が開示されている。   Patent Document 1 describes a method for producing a titanium oxide crystal in which a newly exposed crystal plane is expressed by subjecting titanium oxide to alkaline hydrogen peroxide treatment, sulfuric acid treatment, or hydrofluoric acid treatment. It is described that the photocatalyst made of titanium oxide in which the newly exposed crystal plane is expressed has high oxidation catalyst performance. Titanium oxide with the newly exposed crystal plane developed is (1) obtained from rutile type titanium oxide, titanium oxide crystal with newly developed (121) plane, and (2) new type obtained from rutile type titanium oxide. (4) a titanium oxide crystal having a (001) (121) (021) (010) plane developed thereon, (3) a titanium oxide crystal having a novel (021) plane obtained from a rutile-type titanium oxide, (6) a titanium oxide crystal newly obtained from anatase-type titanium oxide and (5) newly developed (122) face obtained from anatase-type titanium oxide; A novel (112) faced titanium oxide crystal obtained from anatase-type titanium oxide is disclosed.

しかしながら、酸化チタンは、紫外線の照射下では優れた光触媒能を発揮することができるが、太陽光や白熱灯、蛍光灯等の通常の生活空間における光源に含まれる紫外線量は4%程度と少なく、大部分が可視光線と赤外線で構成されていることから、このような光源下では十分な光触媒能を発揮することができないという問題があった。   However, titanium oxide can exhibit excellent photocatalytic activity under irradiation of ultraviolet rays, but the amount of ultraviolet rays contained in light sources in ordinary living spaces such as sunlight, incandescent lamps and fluorescent lamps is as low as about 4%. Since most of the light is composed of visible light and infrared light, there is a problem that sufficient photocatalytic activity cannot be exhibited under such a light source.

その解決方法としては、酸化チタンに窒素や特定の金属などをドーピングすることにより、ハンドギャップを小さくし、可視光応答性を付与する方法が挙げられる。金属をドーピングする方法としては、一般にゾルゲル法、固相反応法、イオン注入法などが知られているが、ゾルゲル法では、加水分解及び重合反応を均一に起こさせるため、反応系中のチタン濃度を1%以下の低濃度に制限することが一般的であり、生産効率が低いという問題や、分解生成物の除去に手間がかかる等の問題があった。また、固相反応法では反応を均一に起こさせるため、高温で長時間反応させることが必要であり、生産性に欠けるという問題があった。さらにまた、イオン注入法では大きなエネルギーで金属イオンを酸化チタン中に注入するため、大掛かりな設備が必要となってくることが問題であった。   As a solution to this problem, a method of reducing the hand gap and imparting visible light responsiveness by doping nitrogen oxide or a specific metal with titanium oxide can be mentioned. As a method for doping a metal, a sol-gel method, a solid-phase reaction method, an ion implantation method, etc. are generally known. However, in the sol-gel method, the concentration of titanium in the reaction system is uniform in order to cause hydrolysis and polymerization reaction uniformly. Is generally limited to a low concentration of 1% or less, and there are problems such as low production efficiency and troublesome removal of decomposition products. Further, in the solid phase reaction method, in order to cause the reaction to occur uniformly, it is necessary to carry out the reaction at a high temperature for a long time, and there is a problem that the productivity is lacking. Furthermore, in the ion implantation method, metal ions are implanted into titanium oxide with a large energy, which requires a large facility.

特開2005−298296号公報JP 2005-298296 A

従って、本発明の目的は、紫外線域から可視光線域までの広い波長範囲に応答性を有し、太陽光や白熱灯、蛍光灯等の通常の生活空間における光源下でも高い触媒活性を発揮することができる酸化チタン粒子と、この酸化チタン粒子からなる光触媒、及び該酸化チタン粒子の製造方法を提供することにある。   Therefore, the object of the present invention is to respond to a wide wavelength range from the ultraviolet range to the visible light range, and to exhibit high catalytic activity even under a light source in a normal living space such as sunlight, incandescent lamp, fluorescent lamp, etc. An object of the present invention is to provide titanium oxide particles that can be produced, a photocatalyst comprising the titanium oxide particles, and a method for producing the titanium oxide particles.

本発明者等は、上記課題を解決するため鋭意検討した結果、露出結晶面の特定の面に遷移金属イオンを担持させた酸化チタン粒子は、紫外線域から可視光線域までの広い波長範囲に応答性を獲得することができ、その上、励起電子とホールとの分離性を極めて高いものとすることができ、励起電子とホールとの再結合や逆反応の進行を抑制することができるため、飛躍的に光触媒能を向上させることができることを見出した。   As a result of intensive studies to solve the above-mentioned problems, the present inventors have found that titanium oxide particles carrying transition metal ions on a specific surface of the exposed crystal plane respond to a wide wavelength range from the ultraviolet region to the visible light region. In addition, the separation between the excited electrons and holes can be made extremely high, and the recombination between the excited electrons and holes and the progress of the reverse reaction can be suppressed. It has been found that the photocatalytic ability can be dramatically improved.

また、遷移金属イオンを担持する際に励起光を照射すると、大掛かりな設備などを要することなく容易に、且つ効率よく、特定面に選択的に遷移金属イオンを担持することができることを見出した。本発明はこれらの知見に基づいて完成させたものである。   Further, it has been found that when the excitation light is irradiated when supporting the transition metal ion, the transition metal ion can be selectively supported on a specific surface easily and efficiently without requiring a large facility. The present invention has been completed based on these findings.

すなわち、本発明は露出結晶面を有する酸化チタン粒子の露出結晶面のうち酸化反応面に、遷移金属イオンが面選択的に担持されていることを特徴とする金属イオン担持酸化チタン粒子を提供する。 That is, the present invention provides metal ion-carrying titanium oxide particles characterized in that transition metal ions are selectively supported on an oxidation reaction surface among exposed crystal surfaces of titanium oxide particles having an exposed crystal surface. .

露出結晶面を有する酸化チタン粒子としては、ルチル型酸化チタン粒子又はアナターゼ型酸化チタン粒子が好ましい。   As the titanium oxide particles having an exposed crystal face, rutile type titanium oxide particles or anatase type titanium oxide particles are preferable.

遷移金属イオンとしては、鉄イオンが好ましい。   As a transition metal ion, an iron ion is preferable.

遷移金属イオンは、露出結晶面のうち、(001)面、(111)面及び(011)面から選択された少なくとも1つの面に選択的に担持されていることが好ましい。 The transition metal ions are preferably selectively supported on at least one surface selected from the ( 001) plane, the (111) plane, and the (011) plane among the exposed crystal planes.

本発明は、また、上記金属イオン担持酸化チタン粒子からなる光触媒を提供する。   The present invention also provides a photocatalyst comprising the metal ion-supported titanium oxide particles.

本発明は、さらにまた、励起光照射下、酸化チタン粒子に遷移金属イオンを担持させる工程を有する前記金属イオン担持酸化チタン粒子の製造方法を提供する。
尚、本明細書には上記発明の他に、露出結晶面を有する酸化チタン粒子に、遷移金属イオンが面選択的に担持されていることを特徴とする金属イオン担持酸化チタン粒子についても記載する。
The present invention further provides a method for producing the metal ion-carrying titanium oxide particles, comprising the step of carrying transition metal ions on the titanium oxide particles under excitation light irradiation.
In addition to the above-described invention, the present specification also describes metal ion-carrying titanium oxide particles characterized in that transition metal ions are selectively supported on titanium oxide particles having an exposed crystal plane. .

本発明に係る金属イオン担持酸化チタン粒子は、遷移金属イオンが担持されているため、紫外線域から可視光線域までの広い波長範囲の光を吸収することにより、価電子帯にホール、伝導帯に励起電子を生成し、表面の物質を酸化、或いは還元する反応を行うことができる。そのため、太陽光や白熱灯、蛍光灯等の通常の生活空間における光源を効率よく利用することができる。また、酸化チタン粒子が露出結晶面を有し、遷移金属イオンが該露出結晶面の特定の面に選択的に担持されているため、光吸収により生じた励起電子とホールの分離性を著しく向上させることができる。そのため、励起電子とホールの再結合及び逆反応の進行を抑制することができ、極めて高い光触活性を示すことができる。   Since the metal ion-carrying titanium oxide particles according to the present invention carry transition metal ions, they absorb light in a wide wavelength range from the ultraviolet region to the visible light region, so that the valence band has holes and the conduction band. A reaction for generating excited electrons and oxidizing or reducing a substance on the surface can be performed. Therefore, it is possible to efficiently use a light source in a normal living space such as sunlight, an incandescent lamp, and a fluorescent lamp. In addition, the titanium oxide particles have exposed crystal planes, and transition metal ions are selectively supported on specific surfaces of the exposed crystal planes, greatly improving the separation between excited electrons and holes generated by light absorption. Can be made. Therefore, recombination of excited electrons and holes and the progress of reverse reaction can be suppressed, and extremely high photocatalytic activity can be exhibited.

また、本発明に係る金属イオン担持酸化チタン粒子の製造方法によれば、遷移金属イオンを担持する工程において励起光照射を行うため、容易に酸化チタン粒子の露出結晶面のうち酸化反応面にのみに遷移金属イオンを吸着させることができ、高い生産性で効率よく本発明に係る金属イオン担持酸化チタン粒子を製造することができ、大掛かりな設備なども必要としない。そのため、本発明に係る金属イオン担持酸化チタン粒子の製造方法は工業化に適した方法である。   Also, according to the method for producing metal ion-carrying titanium oxide particles according to the present invention, excitation light irradiation is performed in the step of carrying transition metal ions, so that only the oxidation reaction surface of the exposed crystal surface of the titanium oxide particles can be easily obtained. Thus, transition metal ions can be adsorbed on the substrate, and the metal ion-carrying titanium oxide particles according to the present invention can be efficiently produced with high productivity, and no large-scale equipment is required. Therefore, the manufacturing method of the metal ion carrying | support titanium oxide particle which concerns on this invention is a method suitable for industrialization.

(110)(111)面を有するルチル型酸化チタン粒子の(111)面に鉄イオンが担持する様子を模式的に表した図(a)と、新たな露出面(001)を発現させた、(001)(110)(111)面を有するロッド状ルチル型酸化チタン粒子の(001)(111)面に鉄イオンが担持する様子を模式的に表した図(b)である。A diagram (a) schematically showing how iron ions are supported on the (111) face of rutile-type titanium oxide particles having a (110) (111) face, and a new exposed face (001) were expressed. FIG. 5B is a diagram schematically showing a state in which iron ions are supported on the (001) (111) plane of rod-shaped rutile-type titanium oxide particles having (001) (110) (111) plane. 酸化チタン粒子の酸素原子に鉄イオンが結合する様子を模式的に表した図である。It is the figure which represented typically a mode that an iron ion couple | bonded with the oxygen atom of a titanium oxide particle. ロッド状ルチル型酸化チタン粒子のTEM写真である。It is a TEM photograph of rod-shaped rutile type titanium oxide particles. PtとPbO2を光析出させたロッド状ルチル型酸化チタン粒子のTEM写真である。It is a TEM photograph of rod-shaped rutile type titanium oxide particles on which Pt and PbO2 are photo-deposited. 新たな露出面(001)を発現させた、(001)(110)(111)面を有するロッド状ルチル型酸化チタン粒子のTEM写真である。It is a TEM photograph of rod-shaped rutile-type titanium oxide particles having (001) (110) (111) planes in which a new exposed surface (001) is developed. 新たな露出面(001)を発現させた、(001)(110)(111)面を有するロッド状ルチル型酸化チタン粒子にPtを光析出させた際のTEM写真(a)と、PtとPbO2を光析出させた際のTEM写真(b)である。A TEM photograph (a) when Pt is photoprecipitated on rod-shaped rutile-type titanium oxide particles having (001) (110) (111) faces that have developed a new exposed surface (001), and Pt and PbO2 It is a TEM photograph (b) at the time of photodepositing. (001)(101)面を有するアナターゼ型酸化チタン粒子のTEM写真である。It is a TEM photograph of anatase type titanium oxide particles having a (001) (101) plane. (001)(101)面を有するアナターゼ型酸化チタン粒子にPtを光析出させた際のSEM写真(a)と、PbO2を光析出させた際のSEM写真(b)である。They are the SEM photograph (a) at the time of carrying out the photoprecipitation of Pt to the anatase type titanium oxide particle which has (001) (101) surface, and the SEM photograph at the time of carrying out the photoprecipitation of PbO2. 実施例1により得られた鉄イオン担持酸化チタン粒子(1)のTEM写真である。2 is a TEM photograph of iron oxide-supported titanium oxide particles (1) obtained in Example 1. FIG. 比較例1により得られた鉄イオン担持酸化チタン粒子(2)のTEM写真である。2 is a TEM photograph of iron oxide-supported titanium oxide particles (2) obtained in Comparative Example 1. 実施例2により得られた鉄イオン担持酸化チタン粒子(3)のTEM写真である。3 is a TEM photograph of iron oxide-supported titanium oxide particles (3) obtained in Example 2. FIG. 実施例及び比較例で得られた鉄イオン担持酸化チタン粒子(1)〜(3)、調製例1で調製したロッド状ルチル型酸化チタン粒子(鉄イオン非担持酸化チタン粒子)、及び窒素ドープ酸化チタンを光触媒として使用し、アセトアルデヒドを酸化した際に生成したCO2濃度と可視光線照射量との関係を示す図である。Iron ion-supported titanium oxide particles (1) to (3) obtained in Examples and Comparative Examples, rod-shaped rutile-type titanium oxide particles (iron ion-non-supported titanium oxide particles) prepared in Preparation Example 1, and nitrogen-doped oxidation It is a figure which shows the relationship between the CO2 density | concentration produced | generated when titanium was used as a photocatalyst, and acetaldehyde was oxidized, and the amount of visible light irradiation. 実施例及び比較例で得られた鉄イオン担持酸化チタン粒子(3)、(4)を光触媒として使用し、トルエンを酸化した際に生成したCO2濃度と可視光線照射量との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the CO2 density | concentration produced | generated when the iron ion carrying | support titanium oxide particle (3) and (4) obtained by the Example and the comparative example were used as a photocatalyst, and toluene was oxidized, and visible light irradiation amount. is there. 実施例及び比較例で得られた鉄イオン担持酸化チタン粒子(1)、(5)、(6)、及び調製例1で調製したロッド状ルチル型酸化チタン粒子(鉄イオン非担持酸化チタン粒子)を光触媒として使用し、トルエンを酸化した際に生成したCO2濃度と可視光線照射量との関係を示す図である。Rod ion-supported titanium oxide particles (1), (5), (6) obtained in Examples and Comparative Examples, and rod-shaped rutile-type titanium oxide particles prepared in Preparation Example 1 (iron ion-non-supported titanium oxide particles) It is a figure which shows the relationship between CO2 density | concentration produced | generated when using toluene as a photocatalyst, and oxidizing toluene, and visible light irradiation amount. 実施例で得られた鉄イオン担持酸化チタン粒子(10)を光触媒として使用し、アセトアルデヒドを酸化した際に生成したCO2濃度と可視光線照射量との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the CO2 density | concentration produced | generated when the iron ion carrying | support titanium oxide particle (10) obtained in the Example was used as a photocatalyst, and acetaldehyde was oxidized, and visible light irradiation amount.

本発明に係る金属イオン担持酸化チタン粒子は、露出結晶面を有する酸化チタン粒子に、遷移金属イオンが面選択的に担持されていることを特徴とする。   The metal ion-carrying titanium oxide particles according to the present invention are characterized in that transition metal ions are supported in a surface selective manner on titanium oxide particles having an exposed crystal plane.

酸化チタン粒子としては、例えば、ルチル型、アナターゼ型、ブルッカイト型酸化チタン粒子等を挙げることができる。本発明においては、なかでも、安定な結晶面が露出している点でルチル型、又はアナターゼ型酸化チタン粒子が好ましい。   Examples of the titanium oxide particles include rutile type, anatase type, brookite type titanium oxide particles, and the like. In the present invention, rutile type or anatase type titanium oxide particles are particularly preferable in that a stable crystal face is exposed.

ルチル型酸化チタン粒子の主な露出結晶面としては、例えば、(110)(001)(111)(011)面等を挙げることができる。本発明における露出結晶面を有するルチル型酸化チタン粒子としては、例えば、(110)(111)面を有するロッド状ルチル型酸化チタン粒子、(110)(011)面を有するロッド状ルチル型酸化チタン粒子、(001)(110)(111)面を有するロッド状ルチル型酸化チタン粒子等や、これらのルチル型酸化チタン粒子に表面処理を施すことにより得られる、新たな露出面[例えば、(001)面]を発現させたルチル型酸化チタン粒子などを挙げることができる。本発明においては、なかでも、酸化反応と還元反応の反応場を空間的により大きく引き離すことができ、励起電子とホールとの再結合及び逆反応の進行を抑制することができる点で、(001)(110)(111)面を有するロッド状ルチル型酸化チタン粒子[(110)(111)面を有するロッド状ルチル型酸化チタン粒子に表面処理を施すことにより得られる、新たな露出面(001)を発現させたルチル型酸化チタン粒子を含む]が好ましい。   Examples of main exposed crystal planes of rutile-type titanium oxide particles include (110) (001) (111) (011) planes. Examples of the rutile-type titanium oxide particles having an exposed crystal face in the present invention include rod-like rutile-type titanium oxide particles having a (110) (111) face and rod-like rutile-type titanium oxide having a (110) (011) face. Particles, rod-shaped rutile-type titanium oxide particles having (001) (110) (111) faces, etc., and new exposed surfaces obtained by subjecting these rutile-type titanium oxide particles to surface treatment [for example, (001 ) Surface], and the like. In the present invention, in particular, the reaction fields of the oxidation reaction and the reduction reaction can be separated more spatially, and the recombination of excited electrons and holes and the progress of the reverse reaction can be suppressed (001). ) Rod-shaped rutile titanium oxide particles having (110) (111) surface [New exposed surface (001 obtained by subjecting rod-shaped rutile titanium oxide particles having (110) (111) surface to surface treatment) It contains rutile-type titanium oxide particles that express)].

アナターゼ型酸化チタン粒子の主な露出結晶面としては、例えば、(001)(101)面等を挙げることができる。本発明における露出結晶面を有するアナターゼ型酸化チタン粒子としては、(001)(101)面を有するアナターゼ型酸化チタン粒子や、前記アナターゼ型酸化チタン粒子に表面処理を行うことにより得られる(001)(101)面を有し、十面体構造を呈するアナターゼ型酸化チタン粒子等を挙げることができる。   Examples of the main exposed crystal plane of the anatase-type titanium oxide particles include (001) (101) plane. The anatase-type titanium oxide particles having an exposed crystal face in the present invention can be obtained by subjecting anatase-type titanium oxide particles having a (001) (101) face or surface treatment to the anatase-type titanium oxide particles (001). Anatase-type titanium oxide particles having a (101) plane and exhibiting a decahedral structure can be mentioned.

酸化チタン粒子として、例えば、(110)(111)面を有するロッド状ルチル型酸化チタン粒子は、チタン化合物を水性媒体(例えば、水又は水と水溶性有機溶媒との混合液)中で水熱処理[例えば、100〜200℃、3〜48時間(好ましくは6〜12時間)]することにより合成することができる。また、水熱処理の際にハロゲン化物を添加すると、得られる粒子のサイズ及び表面積を調整することができるため好ましい。   As the titanium oxide particles, for example, rod-shaped rutile type titanium oxide particles having (110) (111) faces are obtained by hydrothermal treatment of a titanium compound in an aqueous medium (for example, water or a mixture of water and a water-soluble organic solvent). [E.g., 100 to 200 ° C., 3 to 48 hours (preferably 6 to 12 hours)]. Moreover, it is preferable to add a halide during the hydrothermal treatment because the size and surface area of the obtained particles can be adjusted.

前記チタン化合物としては、3価のチタン化合物、4価のチタン化合物を挙げることができる。3価のチタン化合物としては、例えば、三塩化チタンや三臭化チタンなどのトリハロゲン化チタン等を挙げることができる。本発明における3価のチタン化合物としては、なかでも安価で、入手が容易な点で三塩化チタン(TiCl3)が好ましい。 Examples of the titanium compound include a trivalent titanium compound and a tetravalent titanium compound. Examples of the trivalent titanium compound include titanium trihalides such as titanium trichloride and titanium tribromide. As the trivalent titanium compound in the present invention, titanium trichloride (TiCl 3 ) is preferable because it is inexpensive and easily available.

また、本発明における4価のチタン化合物は、例えば、下記式(1)で表される化合物等を挙げることができる。
Ti(OR)t4-t (1)
(式中、Rは炭化水素基を示し、Xはハロゲン原子を示す。tは0〜3の整数を示す)
Moreover, the tetravalent titanium compound in this invention can mention the compound etc. which are represented by following formula (1), for example.
Ti (OR) t X 4-t (1)
(In the formula, R represents a hydrocarbon group, X represents a halogen atom, and t represents an integer of 0 to 3).

Rにおける炭化水素基としては、例えば、メチル、エチル、プロピル、イソプロピル、n−ブチル、sec−ブチル、tert−ブチル等のC1-4脂肪族炭化水素基等を挙げることができる。 Examples of the hydrocarbon group for R include C 1-4 aliphatic hydrocarbon groups such as methyl, ethyl, propyl, isopropyl, n-butyl, sec-butyl and tert-butyl.

Xにおけるハロゲン原子としては、塩素、臭素、ヨウ素等を挙げることができる。   Examples of the halogen atom for X include chlorine, bromine, iodine and the like.

このような4価のチタン化合物としては、例えば、TiCl4、TiBr4、TiI4などのテトラハロゲン化チタン;Ti(OCH3)Cl3、Ti(OC25)Cl3、Ti(OC49)Cl3、Ti(OC25)Br3、Ti(OC49)Br3などのトリハロゲン化アルコキシチタン;Ti(OCH32Cl2、Ti(OC252Cl2、Ti(OC492Cl2、Ti(OC252Br2などのジハロゲン化ジアルコキシチタン;Ti(OCH33Cl、Ti(OC253Cl、Ti(OC493Cl、Ti(OC253Brなどのモノハロゲン化トリアルコキシチタン等を挙げることができる。本発明における4価のチタン化合物としては、なかでも安価で、入手が容易な点で、テトラハロゲン化チタンが好ましく、特に四塩化チタン(TiCl4)が好ましい。 Examples of such tetravalent titanium compounds include titanium tetrahalides such as TiCl 4 , TiBr 4 , and TiI 4 ; Ti (OCH 3 ) Cl 3 , Ti (OC 2 H 5 ) Cl 3 , and Ti (OC 4). Trihalogenated alkoxytitanium such as H 9 ) Cl 3 , Ti (OC 2 H 5 ) Br 3 , Ti (OC 4 H 9 ) Br 3 ; Ti (OCH 3 ) 2 Cl 2 , Ti (OC 2 H 5 ) 2 Dihalogenated dialkoxytitanium such as Cl 2 , Ti (OC 4 H 9 ) 2 Cl 2 , Ti (OC 2 H 5 ) 2 Br 2 ; Ti (OCH 3 ) 3 Cl, Ti (OC 2 H 5 ) 3 Cl, Examples thereof include monohalogenated trialkoxytitanium such as Ti (OC 4 H 9 ) 3 Cl and Ti (OC 2 H 5 ) 3 Br. As the tetravalent titanium compound in the present invention, titanium tetrahalide is preferable, and titanium tetrachloride (TiCl 4 ) is particularly preferable because it is inexpensive and easily available.

また、新たな露出面(001)を発現させたロッド状ルチル型酸化チタン粒子や、十面体構造を有し(001)(101)面を有するアナターゼ型酸化チタンは、前記チタン化合物を、構造制御剤として親水性ポリマー(例えば、ポリビニルピロリドン、ポリビニルアルコール)の存在下、水性媒体中で水熱処理[例えば、100〜200℃、3〜48時間(好ましくは6〜12時間)]して[001]方向へ成長させることにより合成することができる。   In addition, rod-shaped rutile-type titanium oxide particles having a newly exposed surface (001) and anatase-type titanium oxide having a decahedral structure (001) (101) surface control the structure of the titanium compound. Hydrothermal treatment [for example, 100 to 200 ° C., 3 to 48 hours (preferably 6 to 12 hours)] in an aqueous medium in the presence of a hydrophilic polymer (for example, polyvinylpyrrolidone or polyvinyl alcohol) as an agent [001] It can be synthesized by growing in the direction.

また、特に、前記チタン化合物として4価のチタン化合物を使用する場合は、構造制御剤として親水性ポリマーを添加しなくとも、反応温度110〜220℃(好ましくは150℃〜220℃)、その反応温度における飽和蒸気圧以上の圧力下、水性媒体中で2時間以上(好ましくは5〜15時間)水熱処理を施すことにより(001)(110)(111)面を有するロッド状ルチル型酸化チタン粒子を合成することができる。   In particular, when a tetravalent titanium compound is used as the titanium compound, the reaction temperature is 110 to 220 ° C. (preferably 150 ° C. to 220 ° C.) without adding a hydrophilic polymer as a structure control agent. Rod-shaped rutile titanium oxide particles having (001) (110) (111) faces by hydrothermal treatment in an aqueous medium for 2 hours or more (preferably 5 to 15 hours) under a pressure equal to or higher than the saturated vapor pressure at temperature Can be synthesized.

その他、新たな露出面(001)を発現させたルチル型酸化チタン粒子は、ルチル型酸化チタン粒子を硫酸(好ましくは、50重量%以上の高濃度の硫酸、特に好ましくは濃硫酸)中に投入し、加熱下で撹拌することにより、酸化チタン粒子の稜又は頂点の部位を浸食(溶解)して合成することもできる。   In addition, for the rutile type titanium oxide particles that have developed a new exposed surface (001), the rutile type titanium oxide particles are put into sulfuric acid (preferably high concentration sulfuric acid of 50% by weight or more, particularly preferably concentrated sulfuric acid). And it can also synthesize | combine by eroding (dissolving) the site | part of the edge or vertex of a titanium oxide particle by stirring under heating.

本発明に係る金属イオン担持酸化チタン粒子は、酸化チタン粒子の露出結晶面における酸化反応面又は還元反応面のうち一方の面に選択的に遷移金属イオンが担持されていることが、励起電子とホールの分離性を高める上で好ましく、特に、酸化反応面に選択的に遷移金属イオンが担持されていることが好ましい。   The metal ion-carrying titanium oxide particles according to the present invention are such that the transition metal ions are selectively carried on one of the oxidation reaction surface or the reduction reaction surface in the exposed crystal plane of the titanium oxide particles. It is preferable from the viewpoint of enhancing hole separation, and it is particularly preferable that transition metal ions are selectively supported on the oxidation reaction surface.

ルチル型酸化チタンの酸化反応面としては、例えば、(110)(111)面を有するロッド状ルチル型酸化チタンの場合は(111)面、(110)(011)面を有するロッド状ルチル型酸化チタン粒子の場合は(011)面が挙げられる。また、(001)(110)(111)面を有するロッド状ルチル型酸化チタン粒子[前記の(110)(111)面を有するロッド状ルチル型酸化チタン粒子に表面処理を施すことにより得られる、新たな露出面(001)を発現させたルチル型酸化チタン粒子を含む]の場合は、(111)面と(001)面が酸化反応面として挙げられる。   As an oxidation reaction surface of rutile type titanium oxide, for example, in the case of rod type rutile type titanium oxide having (110) (111) plane, rod type rutile type oxidation having (111) plane and (110) (011) plane. In the case of titanium particles, the (011) plane is mentioned. Further, rod-shaped rutile type titanium oxide particles having (001) (110) (111) surface [obtained by subjecting the rod-shaped rutile type titanium oxide particles having (110) (111) surface to surface treatment, In the case of [including rutile-type titanium oxide particles in which a new exposed surface (001) is expressed], the (111) surface and the (001) surface are exemplified as the oxidation reaction surface.

アナターゼ型酸化チタンの酸化反応面としては、例えば、(001)(101)面を有するアナターゼ型酸化チタンの場合は(001)面、(001)(101)面を有し、十面体構造を呈するアナターゼ型酸化チタン粒子の場合は(001)面が挙げられる。   As an oxidation reaction surface of anatase-type titanium oxide, for example, in the case of anatase-type titanium oxide having (001) (101) plane, it has (001) plane and (001) (101) plane and exhibits a decahedral structure. In the case of anatase-type titanium oxide particles, the (001) plane may be mentioned.

本発明においては、なかでも、(001)(110)(111)面を有するロッド状ルチル型酸化チタン粒子[(110)(111)面を有するロッド状ルチル型酸化チタン粒子に表面処理を施すことにより得られる、新たな露出面(001)を発現させたロッド状ルチル型酸化チタン粒子を含む]の(001)(111)面、(001)(101)面を有するアナターゼ型酸化チタン粒子の(001)面に遷移金属イオンが選択的に担持されていることが、酸化反応面と還元反応面の反応場を空間的により大きく引き離すことができ、それにより励起電子とホールの再結合及び逆反応の進行を極めて低いレベルにまで抑制することができ、より高い光触媒活性を発揮することができる点で好ましい。   In the present invention, the rod-shaped rutile-type titanium oxide particles having (001) (110) (111) planes [the rod-shaped rutile-type titanium oxide particles having (110) (111) planes are subjected to a surface treatment). Anodase-type titanium oxide particles having (001) (111) face and (001) (101) face of (including rod-shaped rutile-type titanium oxide particles expressing a new exposed face (001) obtained by Since the transition metal ions are selectively supported on the (001) plane, the reaction fields of the oxidation reaction surface and the reduction reaction surface can be separated more spatially, thereby causing recombination and reverse reaction of excited electrons and holes. Is preferable in that it can be suppressed to a very low level and can exhibit higher photocatalytic activity.

また、本発明における酸化チタン粒子の比表面積としては、例えば、20〜80m2/g、好ましくは、20〜60m2/gである。酸化チタン粒子の比表面積が上記範囲を下回ると、反応物質の吸着能力が低下して光触媒能が低下する傾向があり、一方、酸化チタン粒子の比表面積が上記範囲を上回ると、励起電子とホールの分離性が低下し、光触媒能が低下する傾向がある。 Moreover, as a specific surface area of the titanium oxide particle in this invention, it is 20-80 m < 2 > / g, for example, Preferably, it is 20-60 m < 2 > / g. When the specific surface area of the titanium oxide particles is below the above range, the adsorption capacity of the reactants tends to be reduced and the photocatalytic performance tends to be reduced. On the other hand, when the specific surface area of the titanium oxide particles exceeds the above range, excited electrons and holes There is a tendency that the separability of the photocatalyst decreases and the photocatalytic ability decreases.

遷移金属イオンの酸化チタン粒子への担持は、酸化チタン粒子に遷移金属イオンを含浸する含浸法により行うことができる。   The transition metal ions can be supported on the titanium oxide particles by an impregnation method in which the titanium oxide particles are impregnated with the transition metal ions.

遷移金属イオンとしては、可視光領域に吸収スペクトルを有し、励起状態で伝導帯に電子を注入することができるものであればよく、例えば、周期表第3〜第11族元素イオン、なかでも周期表第8〜第11族元素イオンが好ましく、特に、三価の鉄イオン(Fe3+)が好ましい。鉄イオンの酸化チタン粒子への担持においては、三価の鉄イオン(Fe3+)は吸着しやすく、二価の鉄イオン(Fe2+)は吸着しにくい特性を有するため、その特性を利用することにより容易に面選択性を付与することができるからである。 Any transition metal ion may be used as long as it has an absorption spectrum in the visible light region and can inject electrons into the conduction band in an excited state, such as Group 3 to 11 element ions in the periodic table. Periodic table group 8 to group 11 element ions are preferred, and trivalent iron ions (Fe 3+ ) are particularly preferred. When iron ions are supported on titanium oxide particles, trivalent iron ions (Fe 3+ ) are easily adsorbed, and divalent iron ions (Fe 2+ ) are difficult to adsorb. This is because surface selectivity can be easily imparted.

含浸は、具体的には、酸化チタン粒子を水溶液中に分散して浸漬し、撹拌しながら、遷移金属イオンを添加することにより行うことができ、例えば、遷移金属イオンとして三価の鉄イオン(Fe3+)を使用する場合は、鉄化合物(例えば、硝酸鉄(III)、硫酸鉄(III)、塩化鉄(III)等)を添加することにより行うことができる。 Specifically, the impregnation can be performed by dispersing and immersing the titanium oxide particles in an aqueous solution and adding a transition metal ion while stirring. For example, trivalent iron ions ( When Fe 3+ is used, it can be carried out by adding an iron compound (for example, iron (III) nitrate, iron (III) sulfate, iron (III) chloride, etc.).

遷移金属イオンの添加量としては、例えば、酸化チタン粒子に対して0.01〜3.0重量%程度、好ましくは0.05〜1.0重量%程度である。遷移金属イオンの添加量が上記範囲を下回ると、酸化チタン粒子表面における遷移金属イオンの被覆率が低下し、光触媒活性が低下する傾向があり、一方、遷移金属イオンの添加量が上記範囲を上回ると、注入電子の逆電子移動等により励起電子が有効に作用せず、光触媒活性が低下する傾向がある。浸漬時間としては、例えば、30分から24時間程度、好ましくは1〜10時間程度である。   The addition amount of the transition metal ion is, for example, about 0.01 to 3.0% by weight, preferably about 0.05 to 1.0% by weight with respect to the titanium oxide particles. When the addition amount of transition metal ions is below the above range, the coverage of transition metal ions on the surface of the titanium oxide particles tends to decrease, and the photocatalytic activity tends to decrease, while the addition amount of transition metal ions exceeds the above range. Then, the excited electrons do not act effectively due to the reverse electron transfer of the injected electrons, and the photocatalytic activity tends to decrease. The immersion time is, for example, about 30 minutes to 24 hours, preferably about 1 to 10 hours.

そして、本発明においては、酸化チタン粒子に遷移金属イオンを含浸する際に励起光を照射する工程を含むことを特徴とする。励起光を照射すると、酸化チタン粒子の価電子帯の電子が伝導帯に励起し、価電子帯にホール、伝導帯に励起電子が生成し、これらは粒子表面へ拡散し、各露出結晶面の特性に従って励起電子とホールとが分離されて酸化反応面と還元反応面とを形成する。この状態で遷移金属イオンとして、例えば三価の鉄イオンの含浸を行うと、三価の鉄イオン(Fe3+)は酸化反応面には吸着するが、還元反応面では三価の鉄イオン(Fe3+)は二価の鉄イオン(Fe2+)に還元され、二価の鉄イオン(Fe2+)は吸着しにくい特性を有するため、溶液中に溶出し、結果として酸化反応面にのみ鉄イオン(Fe3+)が担持された金属イオン担持酸化チタン粒子を得ることができる。 And in this invention, when impregnating a transition metal ion to a titanium oxide particle, the process of irradiating excitation light is included, It is characterized by the above-mentioned. When irradiated with excitation light, the electrons in the valence band of the titanium oxide particles are excited in the conduction band, holes are generated in the valence band, and excited electrons are generated in the conduction band, which are diffused to the particle surface. Excited electrons and holes are separated according to the characteristics to form an oxidation reaction surface and a reduction reaction surface. In this state, for example, when trivalent iron ions are impregnated as transition metal ions, trivalent iron ions (Fe 3+ ) are adsorbed on the oxidation reaction surface, but trivalent iron ions ( Fe 3+ ) is reduced to divalent iron ions (Fe 2+ ), and divalent iron ions (Fe 2+ ) are difficult to adsorb, so they elute into the solution, resulting in an oxidation reaction surface. Only metal ion-carrying titanium oxide particles carrying iron ions (Fe 3+ ) can be obtained.

励起光の照射方法としては、バンドギャップエネルギー以上のエネルギーを有する光を照射することができればよく、例えば、紫外線を照射することにより行うことができる。紫外線照射手段としては、例えば、中・高圧水銀灯、UVレーザー、UV−LED、ブラックライト等の紫外線を効率よく生成する光源を使用した紫外線露光装置等を使用することができる。励起光の照射量としては、例えば、0.1〜300mW/cm2程度、好ましくは1〜5mW/cm2程度である。 As a method for irradiating the excitation light, it is only necessary to irradiate light having energy equal to or higher than the band gap energy. As the ultraviolet irradiation means, for example, an ultraviolet exposure apparatus using a light source that efficiently generates ultraviolet rays such as a medium / high pressure mercury lamp, a UV laser, a UV-LED, and a black light can be used. The irradiation amount of the excitation light is, for example, about 0.1 to 300 mW / cm 2 , preferably about 1 to 5 mW / cm 2 .

さらに、本発明においては、含浸の際に犠牲剤を添加することが好ましい。犠牲剤を添加することにより、酸化チタン粒子表面において、特定の露出結晶面に高い選択率で遷移金属イオンを担持させることができる。犠牲剤としては、それ自体が電子を放出しやすい有機化合物を使用することが好ましく、例えば、メタノール、エタノール等のアルコール;酢酸等のカルボン酸;エチレンジアミン四酢酸(EDTA)、トリエタノールアミン(TEA)等のアミン等を挙げることができる。   Furthermore, in the present invention, it is preferable to add a sacrificial agent during the impregnation. By adding the sacrificial agent, transition metal ions can be supported on the exposed surface of the titanium oxide particles with high selectivity on the surface of the titanium oxide particles. As the sacrificial agent, it is preferable to use an organic compound that easily emits electrons. For example, alcohols such as methanol and ethanol; carboxylic acids such as acetic acid; ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA) and triethanolamine (TEA) And the like.

犠牲剤の添加量としては、酸化チタン溶液の体積に応じて適宜調整することができ、例えば、酸化チタン溶液100mLに対して0.5〜5.0vol%程度、好ましくは1.0〜2.0vol%程度である。犠牲剤は過剰量を使用してもよい。   The addition amount of the sacrificial agent can be appropriately adjusted according to the volume of the titanium oxide solution, and is, for example, about 0.5 to 5.0 vol%, preferably 1.0 to 2% with respect to 100 mL of the titanium oxide solution. It is about 0 vol%. An excessive amount of the sacrificial agent may be used.

上記方法により得られた金属イオン担持酸化チタン粒子は、例えば、濾過、濃縮、蒸留、抽出、晶析、再結晶、カラムクロマトグラフィーなどの分離手段や、これらを組み合わせた分離手段により分離精製できる。   The metal ion-carrying titanium oxide particles obtained by the above method can be separated and purified by separation means such as filtration, concentration, distillation, extraction, crystallization, recrystallization, column chromatography, etc., or a separation means combining these.

本発明において、「遷移金属イオンが面選択的に担持」とは、露出結晶面を有する酸化チタン粒子に担持する遷移金属イオンの50%を超える量(好ましくは70%以上、特に好ましくは80%以上)が2以上の露出結晶面のうち、全ての面ではなく、特定の面(例えば、特定の1面又は2面等)に担持されていることをいう。尚、面選択率の上限は100%である。面選択率が低いと、酸化反応と還元反応の反応場の分離性が低下する傾向があり、励起電子とホールの再結合及び逆反応の進行を抑制することが困難となり、光触媒活性が低下する傾向がある。本発明において、面選択性は、透過型電子顕微鏡(TEM)やエネルギー分散型蛍光X線分析装置(EDX)を使用し、遷移金属イオン由来のシグナルを確認することで、各露出結晶面上の遷移金属イオンの有無により判定できる。また、面選択率は、例えば、金属イオン担持酸化チタン粒子の電子顕微鏡写真(例えば、SEM等の写真)から、各結晶面における金属イオン担持部位の面積を求め、金属イオン担持部位の総面積に対する当該結晶面(例えば、酸化反応面或いは還元反応面)における金属イオン担持部位の面積の割合(%)として求めることができる。   In the present invention, “transition metal ions are selectively supported by the surface” means an amount exceeding 50% of transition metal ions supported on titanium oxide particles having an exposed crystal plane (preferably 70% or more, particularly preferably 80%). The above refers to being supported on a specific surface (for example, one specific surface or two surfaces) instead of all of the two or more exposed crystal surfaces. Note that the upper limit of the surface selectivity is 100%. If the surface selectivity is low, the separability of the reaction field between the oxidation reaction and the reduction reaction tends to decrease, and it becomes difficult to suppress the recombination of excited electrons and holes and the progress of the reverse reaction, resulting in a decrease in photocatalytic activity. Tend. In the present invention, the surface selectivity is determined on each exposed crystal plane by confirming a signal derived from a transition metal ion using a transmission electron microscope (TEM) or an energy dispersive X-ray fluorescence spectrometer (EDX). This can be determined by the presence or absence of transition metal ions. The surface selectivity is obtained, for example, from the electron micrograph (for example, a photograph of SEM or the like) of the metal ion-carrying titanium oxide particles, by determining the area of the metal ion-carrying site in each crystal plane, It can be determined as the ratio (%) of the area of the metal ion-supporting site on the crystal plane (for example, the oxidation reaction surface or the reduction reaction surface).

また、遷移金属イオンの担持量は、酸化チタン粒子表面の遷移金属イオン被覆率で表すことができ、例えば、被覆率が0.1〜20.0%となる量が好ましく、なかでも、被覆率が0.1〜10.0%(好ましくは、1.5〜5.0%)となる量が好ましい。被覆率が上記範囲を上回ると、励起電子が有効に作用せず、光触媒能が低下する傾向があり、一方、被覆率が上記範囲を下回ると、可視光線応答性が低下して光触媒能が低下する傾向がある。   The amount of transition metal ions supported can be represented by the transition metal ion coverage on the surface of the titanium oxide particles. For example, the coverage is preferably in an amount of 0.1 to 20.0%. Is preferably 0.1 to 10.0% (preferably 1.5 to 5.0%). If the coverage exceeds the above range, the excited electrons do not act effectively and the photocatalytic activity tends to decrease. On the other hand, if the coverage is below the above range, the visible light response decreases and the photocatalytic activity decreases. Tend to.

本発明において被覆率とは、金属イオン担持酸化チタン粒子の表面における吸着遷移金属イオンの占める割合をいい、例えば、遷移金属イオンとして鉄イオン(Fe3+)を使用する場合、ICP発光分析により吸着率が100%となる鉄イオン濃度をXモルとし、鉄イオンが八面体型六配位錯体の結晶構造で酸化チタンに吸着し、さらに、酸化チタンの酸素原子と鉄原子とが結合して、酸素原子が四角錐の頂点となり鉄イオンがその中心に配位する形状で吸着が起こると仮定すると、鉄粒子1つの占有面積は、一辺が(1.91×√2Å)の正方形と見なすことができる(図2参照)。尚、Fe3+−Oの原子間距離は、1.91Åとした。BET比表面積(Ym2/g)の酸化チタン粒子(Zg)の被覆率は、下記式により求めることができる。
被覆率(%)={(1.91×√2×10-102×X×6.02×1023/Y×Z}×100
In the present invention, the coverage refers to the proportion of the adsorbed transition metal ions on the surface of the metal oxide-supported titanium oxide particles. For example, when iron ions (Fe 3+ ) are used as the transition metal ions, they are adsorbed by ICP emission analysis. The iron ion concentration at which the rate is 100% is X mol, the iron ions are adsorbed on titanium oxide in the crystal structure of the octahedral hexacoordination complex, and the oxygen atoms and iron atoms of titanium oxide are bonded, Assuming that adsorption occurs in a shape in which oxygen atoms are apexes of a quadrangular pyramid and iron ions are coordinated to the center, the occupied area of one iron particle can be regarded as a square with one side of (1.91 × √2Å). Yes (see FIG. 2). The interatomic distance of Fe 3+ —O was 1.91 mm. The coverage of the titanium oxide particles (Zg) having a BET specific surface area (Ym 2 / g) can be obtained by the following formula.
Coverage (%) = {(1.91 × √2 × 10 −10 ) 2 × X × 6.02 × 10 23 / Y × Z} × 100

本発明に係る金属イオン担持酸化チタン粒子においては、特に、遷移金属イオンが面選択的に担持され、且つ、その担持量が上記範囲内であることが、酸化反応と還元反応の反応場の分離性をより高めることができ、励起電子とホールとの再結合を抑制することができ、且つ、逆反応の進行をより一層抑制することができ、それにより高い光触媒活性を発揮することができる点で好ましい。   In the metal ion-supported titanium oxide particles according to the present invention, in particular, transition metal ions are supported in a surface-selective manner, and the supported amount is within the above range, so that the reaction fields of the oxidation reaction and the reduction reaction are separated. It is possible to further improve the property, to suppress the recombination between excited electrons and holes, and to further suppress the progress of the reverse reaction, thereby exhibiting a high photocatalytic activity. Is preferable.

本発明に係る金属イオン担持酸化チタン粒子は、紫外線域から可視光線域までの広い波長範囲に応答性を有し、太陽光や白熱灯、蛍光灯等の通常の生活空間における光を吸収して、高い触媒活性を発揮することができる。   The metal ion-supported titanium oxide particles according to the present invention are responsive to a wide wavelength range from the ultraviolet region to the visible light region, and absorb light in ordinary living spaces such as sunlight, incandescent lamps, and fluorescent lamps. High catalytic activity can be exhibited.

本発明に係る光触媒は、前記金属イオン担持酸化チタン粒子からなり、光の照射によって有害化学物質を水や二酸化炭素にまで分解することが可能であるため、抗菌防かび、脱臭、大気浄化、水質浄化、防汚などさまざまに応用することができる。また、従来の酸化チタン光触媒は紫外線が必要なため、紫外線の少ない室内では機能が充分に発揮できず、室内用途への応用はなかなか進まなかったが、本発明に係る光触媒は、紫外線域から可視光線域までの広い波長範囲に応答性を有し、太陽光や白熱灯、蛍光灯等の通常の生活空間における光を吸収して、高い触媒活性を発揮することができるため、室内などの低照度環境でも高いガス分解性能や抗菌作用を示し、室内の壁紙や家具をはじめ家庭内や病院、学校などの公共施設内での環境浄化、家電製品の高機能化など、広範囲への応用が可能である。   The photocatalyst according to the present invention is composed of the above-described metal ion-supported titanium oxide particles, and can decompose harmful chemical substances into water and carbon dioxide by light irradiation. Therefore, antibacterial fungi, deodorization, air purification, water quality Various applications such as purification and antifouling can be applied. In addition, since the conventional titanium oxide photocatalyst requires ultraviolet rays, its function cannot be sufficiently exhibited in a room with little ultraviolet rays, and its application to indoor applications has not progressed easily. However, the photocatalyst according to the present invention is visible from the ultraviolet region. Responsive to a wide wavelength range up to the light range, and absorbs light in normal living spaces such as sunlight, incandescent lamps, fluorescent lamps, etc., and exhibits high catalytic activity, so it can It exhibits high gas decomposition performance and antibacterial action even in illuminance environments, and can be applied to a wide range of applications such as indoor wallpaper, furniture, environmental purification in homes, hospitals, schools, and other public facilities, and advanced functionality of home appliances. It is.

以下、実施例により本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例により限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention more concretely, this invention is not limited by these Examples.

調製例1
テフロン(登録商標)塗装されたオートクレーブに、TiCl3水溶液(約20%希塩酸溶液)を用い、5MのNaCl水溶液下において、水熱処理(200℃、3時間)を施した。得られた反応物を遠心分離し、脱イオン水でリンスし、真空乾燥機(バキュームオーブン)で乾燥して、酸化チタン粒子を得た。得られた酸化チタン粒子を透過型電子顕微鏡(TEM)で確認したところ、(110)(111)面を有するロッド状ルチル型酸化チタン粒子(比表面積:33m2/g)であった(図3)。
Preparation Example 1
An autoclave coated with Teflon (registered trademark) was subjected to hydrothermal treatment (200 ° C., 3 hours) using a TiCl 3 aqueous solution (approximately 20% dilute hydrochloric acid solution) in a 5 M NaCl aqueous solution. The obtained reaction product was centrifuged, rinsed with deionized water, and dried with a vacuum dryer (vacuum oven) to obtain titanium oxide particles. When the obtained titanium oxide particles were confirmed by a transmission electron microscope (TEM), they were rod-shaped rutile titanium oxide particles (specific surface area: 33 m 2 / g) having (110) (111) planes (FIG. 3). ).

得られた(110)(111)面を有するロッド状ルチル型酸化チタン粒子(0.05g)を2−プロパノール(0.52M)とH2PtCl6・6H2O(1mM)に加え懸濁液とした。得られた懸濁液から窒素ガスを完全に除去し、その後、500Wの超高圧水銀ランプ用光源装置(商品名「SX−UI501HQ」、ウシオ電機(株)製)を使用して紫外線を24時間照射した(1mW/cm2)。紫外線照射により酸化チタン粒子粉末の色は白から灰色に変化した。このことから、Ptが光析出したことがわかる。その後、懸濁液を遠心分離し、蒸留水で洗浄し、減圧下、70℃で3時間乾燥してPt担持酸化チタン粒子を得た。 The obtained rod-shaped rutile-type titanium oxide particles (0.05 g) having (110) (111) faces were added to 2-propanol (0.52 M) and H 2 PtCl 6 .6H 2 O (1 mM) to form a suspension. It was. Nitrogen gas is completely removed from the resulting suspension, and then UV light is applied for 24 hours using a 500 W ultra high pressure mercury lamp light source device (trade name “SX-UI501HQ”, manufactured by USHIO INC.). Irradiation (1 mW / cm 2 ). The color of the titanium oxide particle powder changed from white to gray by ultraviolet irradiation. This shows that Pt was photodeposited. Thereafter, the suspension was centrifuged, washed with distilled water, and dried under reduced pressure at 70 ° C. for 3 hours to obtain Pt-supported titanium oxide particles.

得られたPt担持酸化チタン粒子を含む水溶液(2g/L)にPb(NO32(0.1M)を加え、硝酸を加えてpHを1.0に調整し、500Wの水銀ランプを使用して紫外線を24時間照射(0.1W/cm2)して、Pt・PbO2担持酸化チタン粒子を得た。尚、紫外線照射により粉末の色は灰色から茶色に変化した。このことから、Pb2+イオンがPt担持酸化チタン粒子により酸化されてPbO2となり析出したことがわかる。 Pb (NO 3 ) 2 (0.1M) is added to the aqueous solution (2 g / L) containing the obtained Pt-supported titanium oxide particles, the pH is adjusted to 1.0 by adding nitric acid, and a 500 W mercury lamp is used. Then, ultraviolet rays were irradiated for 24 hours (0.1 W / cm 2 ) to obtain Pt · PbO 2 -supported titanium oxide particles. The powder color changed from gray to brown by ultraviolet irradiation. This shows that Pb 2+ ions were oxidized by Pt-supported titanium oxide particles and precipitated as PbO 2 .

Pt・PbO2担持酸化チタン粒子について走査型電子顕微鏡(SEM)、エネルギー分散型蛍光X線分析装置(EDX)、及び透過型電子顕微鏡(TEM)を使用して確認した。その結果、Ptは酸化チタン粒子の(110)面に担持され、PbO2は(111)面に担持されていることが確認できた。このことから、(110)(111)面を有するロッド状ルチル型酸化チタン粒子の(110)面は還元反応面、(111)面は酸化反応面であることが確認された(図4)。 The Pt / PbO 2 -supported titanium oxide particles were confirmed using a scanning electron microscope (SEM), an energy dispersive X-ray fluorescence spectrometer (EDX), and a transmission electron microscope (TEM). As a result, it was confirmed that Pt was supported on the (110) face of the titanium oxide particles and PbO 2 was supported on the (111) face. From this, it was confirmed that the (110) plane of the rod-shaped rutile-type titanium oxide particles having the (110) (111) plane is a reduction reaction plane and the (111) plane is an oxidation reaction plane (FIG. 4).

調製例2
テフロン(登録商標)塗装されたオートクレーブに、TiCl3(0.15M)、NaCl(5M)、及びポリビニルピロリドン(商品名「PVP−K30」、和光純薬工業(株)製、分子量:40000、0.25mM)を含む50mL水溶液を仕込み、水熱処理(180℃、10時間)を行った。得られた反応物を遠心分離し、脱イオン水でリンスし、真空乾燥機(バキュームオーブン)で乾燥して、酸化チタン粒子を得た。得られた酸化チタン粒子を透過型電子顕微鏡(TEM)で確認したところ、(001)(110)(111)面を有するロッド状ルチル型酸化チタン粒子(比表面積:35m2/g)であった(図5)。
Preparation Example 2
To an autoclave coated with Teflon (registered trademark), TiCl 3 (0.15M), NaCl (5M), and polyvinylpyrrolidone (trade name “PVP-K30”, manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., molecular weight: 40000, 0 .. 50 mM aqueous solution containing 25 mM) was prepared, and hydrothermal treatment (180 ° C., 10 hours) was performed. The obtained reaction product was centrifuged, rinsed with deionized water, and dried with a vacuum dryer (vacuum oven) to obtain titanium oxide particles. When the obtained titanium oxide particles were confirmed by a transmission electron microscope (TEM), they were rod-shaped rutile titanium oxide particles (specific surface area: 35 m 2 / g) having (001) (110) (111) faces. (FIG. 5).

得られた(001)(110)(111)面を有するロッド状ルチル型酸化チタン粒子について、調製例1で得られたロッド状ルチル型酸化チタン粒子と同様の評価を行った結果、Ptは酸化チタン粒子の(110)面に担持され、PbO2は(001)(111)面に担持されることが確認できた。このことから、(001)(110)(111)面を有するロッド状ルチル型酸化チタン粒子の(110)面は還元反応面、(001)(111)面は酸化反応面であることが確認された(図6)。 The rod-shaped rutile type titanium oxide particles having the (001) (110) (111) face obtained were evaluated in the same manner as the rod-shaped rutile type titanium oxide particles obtained in Preparation Example 1. As a result, Pt was oxidized. It was confirmed that PbO 2 was supported on the (001) (111) plane and supported on the (110) plane of the titanium particles. From this, it was confirmed that the (110) plane of the rod-shaped rutile type titanium oxide particles having the (001) (110) (111) plane is a reduction reaction plane and the (001) (111) plane is an oxidation reaction plane. (FIG. 6).

調製例3
室温(25℃)にて、市販のTiCl4水溶液(和光純薬社製試薬化学用、約16.5%Ti含有希塩酸溶液)を、Ti濃度が5.4重量%になるようにイオン交換水で希釈した。この希釈後のTiCl4水溶液 56gをテフロン(登録商標)塗装された容量100mlのオートクレーブに入れ密閉した。上記オートクレーブをオイルバスに投入し、30分間かけて、オートクレーブ内におけるTiCl4水溶液の温度を180℃まで昇温した。その後、反応温度180℃、反応圧力 1.0MPaの条件で、10時間保持した後、オートクレーブを氷水につけて冷却した。3分後、オートクレーブ内におけるTiCl4水溶液の温度が30℃以下になったことを確認した後、オートクレーブを開封し、反応物を取り出した。10℃にて、得られた反応物を遠心分離し、脱イオン水でリンスし、内温65℃の真空乾燥機(バキュームオーブン)で12時間減圧で乾燥して、5.2gの酸化チタン粒子を得た。得られた酸化チタン粒子を透過型電子顕微鏡(TEM)で確認したところ、結晶面(001)(110)(111)を有するロッド状ルチル型酸化チタン粒子(比表面積:56m2/g)であった。
Preparation Example 3
At room temperature (25 ° C.), a commercially available TiCl 4 aqueous solution (for reagent chemistry manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., dilute hydrochloric acid solution containing about 16.5% Ti) is ion-exchanged water so that the Ti concentration becomes 5.4% by weight. Diluted with 56 g of this diluted TiCl 4 aqueous solution was placed in a 100 ml autoclave coated with Teflon (registered trademark) and sealed. The autoclave was put into an oil bath, and the temperature of the TiCl 4 aqueous solution in the autoclave was raised to 180 ° C. over 30 minutes. Then, after maintaining for 10 hours under conditions of a reaction temperature of 180 ° C. and a reaction pressure of 1.0 MPa, the autoclave was cooled in ice water. After 3 minutes, after confirming that the temperature of the TiCl 4 aqueous solution in the autoclave was 30 ° C. or lower, the autoclave was opened and the reaction product was taken out. The obtained reaction product is centrifuged at 10 ° C., rinsed with deionized water, dried in a vacuum dryer (vacuum oven) at an internal temperature of 65 ° C. under reduced pressure for 12 hours, and 5.2 g of titanium oxide particles. Got. When the obtained titanium oxide particles were confirmed with a transmission electron microscope (TEM), they were rod-shaped rutile titanium oxide particles having a crystal plane (001) (110) (111) (specific surface area: 56 m 2 / g). It was.

調製例4
室温(25℃)にて、市販のTiCl4水溶液(和光純薬社製試薬化学用、約16.5%Ti含有希塩酸溶液)4.8gに塩酸 4.1g、イオン交換水 43.1gを添加し、Ti濃度が1.5重量%、塩酸濃度が5.7重量%になるように濃度調整を行った。この調整後の水溶液 52gをテフロン(登録商標)塗装された容量100mlのオートクレーブに入れ密閉した。上記オートクレーブをオイルバスに投入し、30分間かけて、オートクレーブ内におけるTiCl4水溶液の温度を180℃まで昇温した。その後、反応温度180℃、反応圧力 1.0MPaの条件で、10時間保持した後、オートクレーブを氷水につけて冷却した。3分後、オートクレーブ内におけるTiCl4水溶液の温度が30℃以下になったことを確認した後、オートクレーブを開封し、反応物を取り出した。10℃にて、得られた反応物を遠心分離し、脱イオン水でリンスし、内温65℃の真空乾燥機(バキュームオーブン)で12時間減圧で乾燥して1.1gの酸化チタン粒子を得た。得られた酸化チタン粒子を観察したところ、結晶面(001)(110)(111)を有するロッド状ルチル型酸化チタン粒子(比表面積:48m2/g)であった。
Preparation Example 4
At room temperature (25 ° C.), 4.1 g of hydrochloric acid and 43.1 g of ion-exchanged water were added to 4.8 g of a commercially available TiCl 4 aqueous solution (for reagent chemistry manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., dilute hydrochloric acid solution containing about 16.5% Ti). The concentration was adjusted so that the Ti concentration was 1.5% by weight and the hydrochloric acid concentration was 5.7% by weight. 52 g of this adjusted aqueous solution was placed in an autoclave with a capacity of 100 ml coated with Teflon (registered trademark) and sealed. The autoclave was put into an oil bath, and the temperature of the TiCl 4 aqueous solution in the autoclave was raised to 180 ° C. over 30 minutes. Then, after maintaining for 10 hours under conditions of a reaction temperature of 180 ° C. and a reaction pressure of 1.0 MPa, the autoclave was cooled in ice water. After 3 minutes, after confirming that the temperature of the TiCl 4 aqueous solution in the autoclave was 30 ° C. or lower, the autoclave was opened and the reaction product was taken out. The obtained reaction product is centrifuged at 10 ° C., rinsed with deionized water, and dried in a vacuum dryer (vacuum oven) with an internal temperature of 65 ° C. under reduced pressure for 12 hours to obtain 1.1 g of titanium oxide particles. Obtained. When the obtained titanium oxide particles were observed, they were rod-shaped rutile type titanium oxide particles having a crystal plane (001) (110) (111) (specific surface area: 48 m 2 / g).

調製例5
市販のTiCl4水溶液 4.8gに塩酸 12.3g、イオン交換水 43.1gを添加し、Ti濃度が1.5重量%、塩酸濃度が11.2重量%となるように濃度調整を行った以外は調製例4と同様にして、1.0gの酸化チタン粒子を得た。
Preparation Example 5
To 4.8 g of a commercially available TiCl 4 aqueous solution, 12.3 g of hydrochloric acid and 43.1 g of ion-exchanged water were added, and the concentration was adjusted so that the Ti concentration was 1.5 wt% and the hydrochloric acid concentration was 11.2 wt%. Except that, 1.0 g of titanium oxide particles was obtained in the same manner as in Preparation Example 4.

調製例6
市販のTiCl4水溶液 9.6gに塩酸 8.2g、イオン交換水 35.5gを添加し、Ti濃度が2.9重量%、塩酸濃度が11.2重量%となるように濃度調整を行った以外は調製例4と同様にして、2.2gの酸化チタン粒子を得た。
Preparation Example 6
To 9.6 g of a commercially available TiCl 4 aqueous solution, 8.2 g of hydrochloric acid and 35.5 g of ion-exchanged water were added, and the concentration was adjusted so that the Ti concentration was 2.9 wt% and the hydrochloric acid concentration was 11.2 wt%. Except that, 2.2 g of titanium oxide particles were obtained in the same manner as in Preparation Example 4.

調製例7
市販のTiCl4水溶液 9.6gに塩酸 16.4g、イオン交換水 35.5gを添加し、Ti濃度が2.9重量%、塩酸濃度が16.7重量%となるように濃度調整を行った以外は調製例4と同様にして、2.0gの酸化チタン粒子を得た。
Preparation Example 7
16.4 g of hydrochloric acid and 35.5 g of ion-exchanged water were added to 9.6 g of a commercially available TiCl 4 aqueous solution, and the concentration was adjusted so that the Ti concentration was 2.9 wt% and the hydrochloric acid concentration was 16.7 wt%. Except that, 2.0 g of titanium oxide particles were obtained in the same manner as in Preparation Example 4.

調製例8
市販のTiCl4水溶液 19.1gに塩酸 8.2g、イオン交換水 30.6gを添加し、Ti濃度が5.3重量%、塩酸濃度が15.3重量%となるように濃度調整を行った以外は調製例4と同様にして、4.8gの酸化チタン粒子を得た。
Preparation Example 8
To 19.1 g of a commercially available TiCl 4 aqueous solution, 8.2 g of hydrochloric acid and 30.6 g of ion-exchanged water were added, and the concentration was adjusted so that the Ti concentration was 5.3 wt% and the hydrochloric acid concentration was 15.3% wt. Except that, 4.8 g of titanium oxide particles were obtained in the same manner as in Preparation Example 4.

調製例9
市販のTiCl4水溶液 19.1gに塩酸 16.4g、イオン交換水 30.6gを添加し、Ti濃度が5.3重量%、塩酸濃度が20.2重量%となるように濃度調整を行った以外は調製例4と同様にして、4.5gの酸化チタン粒子を得た。
Preparation Example 9
16.4 g of hydrochloric acid and 30.6 g of ion-exchanged water were added to 19.1 g of a commercially available TiCl 4 aqueous solution, and the concentration was adjusted so that the Ti concentration was 5.3 wt% and the hydrochloric acid concentration was 20.2 wt%. Except that, 4.5 g of titanium oxide particles were obtained in the same manner as in Preparation Example 4.

調製例10
チタニウム(IV)エトキシドを加水分解することによって得られたチタニアゾルを減圧乾燥した後、過酸化水素水を添加して、ペルオキソチタン酸水溶液を得た。その後、ポリビニルアルコール(和光純薬工業(株)製、分子量:22000、2.7mM)を加え、アンモニア水を加えてpHを7とし、60℃で12時間撹拌して、続いて水熱処理(200℃、48時間)を施した。得られた反応物を遠心分離し、脱イオン水でリンスし、真空乾燥機(バキュームオーブン)で乾燥して、酸化チタン粒子を得た。得られた酸化チタン粒子を透過型電子顕微鏡(TEM)で確認したところ、(001)(101)面を有するアナターゼ型酸化チタン粒子(比表面積:57m2/g)であった(図7)。
Preparation Example 10
A titania sol obtained by hydrolyzing titanium (IV) ethoxide was dried under reduced pressure, and then a hydrogen peroxide solution was added to obtain a peroxotitanic acid aqueous solution. Thereafter, polyvinyl alcohol (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., molecular weight: 22000, 2.7 mM) was added, aqueous ammonia was added to adjust the pH to 7, and the mixture was stirred at 60 ° C. for 12 hours, followed by hydrothermal treatment (200 (C, 48 hours). The obtained reaction product was centrifuged, rinsed with deionized water, and dried with a vacuum dryer (vacuum oven) to obtain titanium oxide particles. When the obtained titanium oxide particles were confirmed with a transmission electron microscope (TEM), they were anatase-type titanium oxide particles having a (001) (101) plane (specific surface area: 57 m 2 / g) (FIG. 7).

得られた(001)(101)面を有するアナターゼ型酸化チタン粒子について、調製例1において得られたロッド状ルチル型酸化チタン粒子に行ったのと同様の評価を行った結果、Ptは酸化チタン粒子の(101)面に担持され、PbO2は(001)面に担持されることが確認できた。このことから、(001)(101)面を有するアナターゼ型酸化チタン粒子の(101)面は還元反応面、(001)面は酸化反応面であることが確認された(図8)。 The obtained anatase-type titanium oxide particles having the (001) (101) surface were evaluated in the same manner as the rod-shaped rutile-type titanium oxide particles obtained in Preparation Example 1. As a result, Pt was titanium oxide. It was confirmed that the particles were supported on the (101) plane and PbO 2 was supported on the (001) plane. From this, it was confirmed that the (101) plane of the anatase-type titanium oxide particles having the (001) (101) plane is a reduction reaction plane and the (001) plane is an oxidation reaction plane (FIG. 8).

実施例1
(110)(111)面を有するロッド状ルチル型酸化チタン粒子をイオン交換水に分散させ、1.0mWcm-2に調節された高圧水銀ランプの光照射下で、撹拌しながら酸化チタン粒子に対し鉄イオンが0.10重量%になるように調製された硝酸鉄(III)水溶液を加えた。6時間後、粒子を遠心分離により回収し、イオン交換水でイオン伝導度が6uScm-2以下になるまで洗浄し、真空乾燥することにより、鉄イオン担持酸化チタン粒子(1)を得た。
得られた鉄イオン担持酸化チタン粒子(1)を走査型電子顕微鏡(SEM)、エネルギー分散型蛍光X線分析装置(EDX)、及び透過型電子顕微鏡(TEM)で確認したところ、(110)(111)面を有するロッド状ルチル型酸化チタン粒子の(111)面に鉄イオン(III)が選択的に担持されていた[被覆率:2.5%、(111)面選択率:90%](図9)。
Example 1
Disperse rod-shaped rutile-type titanium oxide particles having (110) (111) faces in ion-exchanged water, and with respect to the titanium oxide particles while stirring under light irradiation of a high-pressure mercury lamp adjusted to 1.0 mWcm −2. An iron (III) nitrate aqueous solution prepared so that the iron ion was 0.10% by weight was added. After 6 hours, the particles were collected by centrifugation, washed with ion-exchanged water until the ion conductivity became 6 uScm -2 or less, and vacuum-dried to obtain iron ion-supported titanium oxide particles (1).
The obtained iron ion-carrying titanium oxide particles (1) were confirmed with a scanning electron microscope (SEM), an energy dispersive X-ray fluorescence spectrometer (EDX), and a transmission electron microscope (TEM). Iron ions (III) were selectively supported on the (111) face of rod-shaped rutile-type titanium oxide particles having a (111) face [coverage: 2.5%, (111) face selectivity: 90%] (FIG. 9).

比較例1
高圧水銀ランプの光照射を行わなかった以外は実施例1と同様にして、鉄イオン担持酸化チタン粒子(2)を得た。
得られた鉄イオン担持酸化チタン粒子(2)を走査型電子顕微鏡(SEM)、エネルギー分散型蛍光X線分析装置(EDX)、及び透過型電子顕微鏡(TEM)で確認したところ、(110)(111)面を有するロッド状ルチル型酸化チタン粒子表面全体に鉄イオン(III)が担持されていた[被覆率:2.5%](図10)。
Comparative Example 1
Iron ion-carrying titanium oxide particles (2) were obtained in the same manner as in Example 1 except that the high-pressure mercury lamp was not irradiated with light.
The obtained iron ion-carrying titanium oxide particles (2) were confirmed with a scanning electron microscope (SEM), an energy dispersive X-ray fluorescence spectrometer (EDX), and a transmission electron microscope (TEM). Iron ions (III) were supported on the entire surface of rod-shaped rutile-type titanium oxide particles having a (111) face [coverage: 2.5%] (FIG. 10).

実施例2
イオン交換水に分散させる代わりに、1.5体積%のエタノール水溶液に分散させて鉄イオンを担持させた以外は実施例1と同様にして、鉄イオン担持酸化チタン粒子(3)を得た。
得られた鉄イオン担持酸化チタン粒子(3)を走査型電子顕微鏡(SEM)、エネルギー分散型蛍光X線分析装置(EDX)、及び透過型電子顕微鏡(TEM)で確認したところ、(110)(111)面を有するロッド状ルチル型酸化チタン粒子の(111)面に鉄イオン(III)が選択的に担持されていた[被覆率:2.5%、(111)面選択率:95%](図11)。
Example 2
Instead of being dispersed in ion-exchanged water, iron ion-supported titanium oxide particles (3) were obtained in the same manner as in Example 1 except that iron ions were supported by being dispersed in a 1.5% by volume ethanol aqueous solution.
When the obtained iron ion-supporting titanium oxide particles (3) were confirmed by a scanning electron microscope (SEM), an energy dispersive X-ray fluorescence spectrometer (EDX), and a transmission electron microscope (TEM), (110) ( Iron ions (III) were selectively supported on the (111) face of rod-shaped rutile-type titanium oxide particles having a 111) face [coverage: 2.5%, (111) face selectivity: 95%] (FIG. 11).

実施例3
(110)(111)面を有するロッド状ルチル型酸化チタン粒子の代わりに、(001)(110)(111)面を有するロッド状ルチル型酸化チタン粒子を使用した以外は実施例2と同様にして、鉄イオン担持酸化チタン粒子(4)を得た。
得られた鉄イオン担持酸化チタン粒子(4)を走査型電子顕微鏡(SEM)、エネルギー分散型蛍光X線分析装置(EDX)、及び透過型電子顕微鏡(TEM)で確認したところ、(001)(110)(111)面を有するロッド状ルチル型酸化チタン粒子の(001)(111)面に鉄イオン(III)が選択的に担持されていた[被覆率:2.5%、(001)(111)面選択率:95%]。
Example 3
Example 2 was used except that rod-shaped rutile titanium oxide particles having (001) (110) (111) surfaces were used instead of rod-shaped rutile titanium oxide particles having (110) (111) surfaces. As a result, iron ion-supported titanium oxide particles (4) were obtained.
When the obtained iron ion-supporting titanium oxide particles (4) were confirmed by a scanning electron microscope (SEM), an energy dispersive X-ray fluorescence spectrometer (EDX), and a transmission electron microscope (TEM), (001) ( The iron ion (III) was selectively supported on the (001) (111) surface of the rod-shaped rutile-type titanium oxide particles having (110) (111) surface [coverage: 2.5%, (001) ( 111) Plane selectivity: 95%].

実施例4
酸化チタン粒子に対する鉄イオン濃度を0.10重量%から0.05重量%に代えて調製された硝酸鉄(III)水溶液を使用した以外は実施例1と同様にして、鉄イオン担持酸化チタン粒子(5)[被覆率:1.0%、(111)面選択率:90%]を得た。
Example 4
Iron ion-carrying titanium oxide particles in the same manner as in Example 1 except that an iron (III) nitrate aqueous solution prepared by changing the iron ion concentration with respect to titanium oxide particles from 0.10 wt% to 0.05 wt% was used. (5) [Coating rate: 1.0%, (111) plane selectivity: 90%] was obtained.

実施例5
酸化チタン粒子に対する鉄イオン濃度を0.10重量%から1.00重量%に代えて調製された硝酸鉄(III)水溶液を使用した以外は実施例1と同様にして、鉄イオン担持酸化チタン粒子(6)[被覆率:8.0%、(111)面選択率:90%]を得た。
Example 5
Iron ion-carrying titanium oxide particles in the same manner as in Example 1 except that an iron (III) nitrate aqueous solution prepared by changing the iron ion concentration with respect to titanium oxide particles from 0.10% by weight to 1.00% by weight was used. (6) [Coating rate: 8.0%, (111) plane selectivity: 90%] was obtained.

実施例6
(001)(110)(111)面を有するルチル型酸化チタン粒子 1.5gを3.0体積%のメタノール水溶液 10mlに分散させて、1.0mWcm-2に調節されたUV−LEDの光照射下で、撹拌しながら酸化チタン粒子に対し鉄イオンが0.2重量%になるように調整された塩化鉄(III)水溶液を加えた。6時間後、粒子を遠心分離により回収し、イオン交換水でイオン伝導度が6uScm-2以下になるまで洗浄し、真空乾燥することにより、鉄イオン担持酸化チタン粒子(7)[被覆率:4.7%、(001)(111)面選択率:90%]を得た。
Example 6
Irradiation of UV-LED adjusted to 1.0 mWcm −2 by dispersing 1.5 g of rutile-type titanium oxide particles having (001) (110) (111) plane in 10 ml of 3.0 vol% methanol aqueous solution. Under stirring, an aqueous iron (III) chloride solution adjusted so that the iron ion was 0.2% by weight with respect to the titanium oxide particles was added. After 6 hours, the particles were collected by centrifugation, washed with ion-exchanged water until the ionic conductivity was 6 uScm -2 or less, and vacuum-dried, whereby iron ion-carrying titanium oxide particles (7) [coverage: 4 0.7%, (001) (111) plane selectivity: 90%].

実施例7
(001)(110)(111)面を有するルチル型酸化チタン粒子 150gを3.0体積%のメタノール水溶液 1000mlに分散させて、1.0mWcm-2に調節されたブラックライトの光照射下で、酸化チタン粒子に対し鉄イオンが0.2重量%になるように塩化鉄0.87g加えた。6時間後、粒子を遠心分離により回収し、イオン交換水でイオン伝導度が6uScm-2以下になるまで洗浄し、真空乾燥することにより、鉄イオン担持酸化チタン粒子(8)[被覆率:4.7%、(001)(111)面選択率:90%]を得た。
Example 7
150 g of rutile-type titanium oxide particles having a (001) (110) (111) plane were dispersed in 1000 ml of a 3.0% by volume methanol aqueous solution, and under the light irradiation of black light adjusted to 1.0 mWcm −2 , 0.87 g of iron chloride was added so that iron ions might be 0.2% by weight with respect to the titanium oxide particles. After 6 hours, the particles were collected by centrifugation, washed with ion-exchanged water until the ionic conductivity was 6 uScm -2 or less, and vacuum-dried, whereby iron ion-carrying titanium oxide particles (8) [coverage: 4 0.7%, (001) (111) plane selectivity: 90%].

実施例8
1.0mWcm-2に調節されたブラックライトに代えて、42mWcm-2に調節された高圧水銀ランプ(商品名「HL100CH−4」、セン特殊光源株式会社製)を使用した以外は実施例7と同様にして、鉄イオン担持酸化チタン粒子(9)[被覆率:4.7%、(001)(111)面選択率:90%]を得た。
Example 8
Example 7 except that a high-pressure mercury lamp adjusted to 42 mWcm -2 (trade name “HL100CH-4”, manufactured by Sen Special Light Source Co., Ltd.) was used instead of the black light adjusted to 1.0 mWcm −2. Similarly, iron ion-supported titanium oxide particles (9) [coverage ratio: 4.7%, (001) (111) plane selectivity: 90%] were obtained.

実施例9
(001)(110)(111)面を有するルチル型酸化チタン粒子に代えて、(001)(101)面を有するアナターゼ型酸化チタン粒子 150gを使用した以外は実施例7と同様にして、鉄イオン担持酸化チタン粒子(10)を得た。得られた鉄イオン担持酸化チタン粒子(10)を走査型電子顕微鏡(SEM)、エネルギー分散型蛍光X線分析装置(EDX)、及び透過型電子顕微鏡(TEM)で確認したところ、(001)(101)面を有するアナターゼ型酸化チタン粒子の(001)面に鉄イオン(III)が選択的に担持されていた[被覆率:2.8%、(001)面選択率:90%]。
Example 9
In the same manner as in Example 7, except that 150 g of anatase-type titanium oxide particles having (001) (101) face were used instead of rutile-type titanium oxide particles having (001) (110) (111) face, iron was used. Ion-supported titanium oxide particles (10) were obtained. The obtained iron ion-carrying titanium oxide particles (10) were confirmed with a scanning electron microscope (SEM), an energy dispersive X-ray fluorescence spectrometer (EDX), and a transmission electron microscope (TEM). 101) Iron ions (III) were selectively supported on the (001) face of anatase-type titanium oxide particles having a face [coverage: 2.8%, (001) face selectivity: 90%].

実施例及び比較例で得られた鉄イオン担持酸化チタン粒子について、気相にてトルエン(又は、アセトアルデヒド)を酸化し、生成するCO2量を測定することにより光触媒活性を評価した。 For iron ions supporting titanium oxide particles obtained in Examples and Comparative Examples, toluene in the gas phase (or acetaldehyde) was oxidized to evaluate the photocatalytic activity by measuring the produced amount of CO 2.

テドラーバッグ(アズワン(株)社製)を反応容器として使用した。実施例及び比較例で得られた鉄イオン担持酸化チタン粒子、調製例1で調製したロッド状ルチル型酸化チタン粒子(鉄イオン非担持酸化チタン粒子)、及び窒素ドープ酸化チタン(商品名「TP−S201」、住友化学(株)製、比表面積80m2/g)0.1gをそれぞれガラス製皿に広げた状態で反応容器の中に入れ、500ppmのトルエン(又は、アセトアルデヒド)飽和ガスを反応容器に吹き込んだ。ガスとトルエン(又は、アセトアルデヒド)が平衡に達した後、室温(25℃)で光照射を行った。光源には青色LED(商品名「LXHL-MRRC」、Lumileds Lighting社製)を使用し、可視光線域の光(波長455nm)を照射した(光量:1mW/cm2)。 A Tedlar bag (manufactured by As One Co., Ltd.) was used as a reaction vessel. Iron ion-supported titanium oxide particles obtained in Examples and Comparative Examples, rod-shaped rutile-type titanium oxide particles (iron ion-non-supported titanium oxide particles) prepared in Preparation Example 1, and nitrogen-doped titanium oxide (trade name “TP- S201 ", manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd., with a specific surface area of 80 m 2 / g) 0.1 g each was spread on a glass plate and placed in a reaction vessel, and 500 ppm of toluene (or acetaldehyde) saturated gas was added to the reaction vessel. Infused into. After the gas and toluene (or acetaldehyde) reached equilibrium, light irradiation was performed at room temperature (25 ° C.). A blue LED (trade name “LXHL-MRRC”, manufactured by Lumileds Lighting) was used as a light source, and light in the visible light range (wavelength 455 nm) was irradiated (light amount: 1 mW / cm 2 ).

光照射開始後、CO2の生成量をメタナイザーが付属した水素炎イオン化検出器付きガスクロマトグラフ(商品名「GC−8A」、「GC−14A」、島津製作所製)を使用して測定した(図12、13、14、15)。 After the light irradiation was started, the amount of CO 2 produced was measured using a gas chromatograph with a flame ionization detector (trade names “GC-8A”, “GC-14A”, manufactured by Shimadzu Corporation) attached with a methanizer. 12, 13, 14, 15).

さらに、光源としてUV−LED(商品名「NCSU033A」、日亜化学(株)製)を使用し、紫外線域の光(波長365nm)を照射(光量:1mW/cm2)した以外は上記と同様にして、CO2の生成量を測定したところ、可視光照射の場合と同様の結果が得られた。 Furthermore, UV-LED (trade name “NCSU033A”, manufactured by Nichia Corporation) was used as a light source, and was irradiated with light in the ultraviolet region (wavelength 365 nm) (light quantity: 1 mW / cm 2 ). Then, when the amount of CO 2 produced was measured, the same result as in the case of irradiation with visible light was obtained.

以上より、励起光照射下で露出結晶面を有する酸化チタン粒子に遷移金属イオンを担持させると、遷移金属イオンは2以上の露出結晶面のうち酸化反応面(例えば、鉄イオンの場合)或いは還元反応面(例えば、白金含有イオンの場合)に選択的に担持されることが分かる。また、その面選択性は、犠牲剤を添加することにより向上することが分かる。
そして、遷移金属イオンが担持された酸化チタン粒子は、紫外線域から可視光線域までの広い有効波長範囲に応答性を有する。その上、面選択的に遷移金属イオンが担持された酸化チタン粒子は、非選択的に遷移金属イオンが担持された酸化チタン粒子に比べて、高い光触媒活性を発揮することができる。また、(110)(111)面とともに(001)面をも有するロッド状ルチル型酸化チタン粒子は、既存の酸化反応面[(111)面]と共に(001)面も酸化反応面として作用し、該(001)面がより高い励起電子とホールの分離性を有するため、さらに優れた光触媒活性を発揮することができることが分かる。
As described above, when transition metal ions are supported on titanium oxide particles having exposed crystal planes under excitation light irradiation, transition metal ions are reduced in the oxidation reaction plane (for example, in the case of iron ions) or reduced among two or more exposed crystal planes. It can be seen that it is selectively supported on the reaction surface (for example, in the case of platinum-containing ions). Moreover, it turns out that the surface selectivity improves by adding a sacrificial agent.
The titanium oxide particles carrying transition metal ions are responsive in a wide effective wavelength range from the ultraviolet range to the visible light range. Moreover, titanium oxide particles on which transition metal ions are supported in a surface-selective manner can exhibit higher photocatalytic activity than titanium oxide particles on which transition metal ions are supported in a non-selective manner. In addition, the rod-shaped rutile type titanium oxide particles having the (110) (111) plane and the (001) plane both act as an oxidation reaction plane together with the existing oxidation reaction plane [(111) plane] and the (001) plane. It can be seen that since the (001) plane has a higher separation between excited electrons and holes, a further excellent photocatalytic activity can be exhibited.

以上より、酸化反応面と還元反応面とが空間的により大きく分離される露出結晶面を有する酸化チタン粒子に遷移金属イオンを面選択的に担持することにより、紫外線域から可視光線域までの広い波長範囲に応答性を付与することができるとともに、酸化チタン粒子表面における励起電子とホールの分離性を著しく高めることができ、励起電子とホールの再結合、及び、逆反応の進行を防止することができ、それにより酸化チタン粒子の触媒能を飛躍的に向上させることができることが明らかとなった。   As described above, the transition metal ions are supported on the titanium oxide particles having an exposed crystal plane in which the oxidation reaction surface and the reduction reaction surface are separated more spatially, so that a wide range from the ultraviolet region to the visible light region can be obtained. Responsiveness can be imparted to the wavelength range, and the separation of excited electrons and holes on the surface of titanium oxide particles can be remarkably enhanced, preventing recombination of excited electrons and holes and the progress of reverse reaction. It has become clear that the catalytic ability of the titanium oxide particles can be dramatically improved.

Claims (6)

露出結晶面を有する酸化チタン粒子の露出結晶面のうち酸化反応面に、遷移金属イオンが面選択的に担持されていることを特徴とする金属イオン担持酸化チタン粒子。 Metal ion-carrying titanium oxide particles, wherein transition metal ions are selectively supported on an oxidation reaction surface among exposed crystal surfaces of titanium oxide particles having an exposed crystal surface . 露出結晶面を有する酸化チタン粒子が、ルチル型酸化チタン粒子又はアナターゼ型酸化チタン粒子である請求項1に記載の金属イオン担持酸化チタン粒子。   The titanium oxide particles carrying metal ions according to claim 1, wherein the titanium oxide particles having an exposed crystal face are rutile titanium oxide particles or anatase titanium oxide particles. 遷移金属イオンが鉄イオンである請求項1又は2に記載の金属イオン担持酸化チタン粒子。   The metal ion-carrying titanium oxide particles according to claim 1 or 2, wherein the transition metal ion is an iron ion. 遷移金属イオンが、露出結晶面のうち(001)面、(111)面及び(011)面から選択された少なくとも1つの面に選択的に担持されている請求項1〜3の何れか項に記載の金属イオン担持酸化チタン粒子。 Transition metal ions, among (001) plane of the exposed crystal face, (111) plane and (011) on at least one surface selected from the surface any one of claims 1 to 3 which is selectively carried Metal oxide-carrying titanium oxide particles as described in 1. 請求項1〜の何れか項に記載の金属イオン担持酸化チタン粒子からなる光触媒。 Photocatalyst comprising metal ion-supported titanium oxide particles according to any one of claims 1-4. 励起光照射下、酸化チタン粒子に遷移金属イオンを担持させる工程を含む請求項1〜の何れか項に記載の金属イオン担持酸化チタン粒子の製造方法。 Under the excitation light irradiation method for producing a metal ion-supported titanium oxide particles according to any one of claim 1 to 4 including the step of supporting the transition metal ions in the titanium oxide particles.
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