JP6049281B2 - Highly conductive titanium oxide structure - Google Patents

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Description

本発明は、色素増感太陽電池、光触媒、センサー、樹脂強化材、金属イオン担持体等に用いられる酸化チタン構造体及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a titanium oxide structure used for a dye-sensitized solar cell, a photocatalyst, a sensor, a resin reinforcing material, a metal ion carrier, and the like, and a method for producing the same.

酸化チタンは、色素増感太陽電池、光触媒等に用いられている。特に、色素を修飾した酸化チタン等を活性電極に用いた色素増感太陽電池(例えば、特許文献1参照)は、安価で容易に製造できる太陽電池として注目を集めている。なかでも、色素増感太陽電池に用いる場合には、活性表面積を大きくするために比表面積を大きくすることが試みられているが、酸化チタンの平均粒子径を小さくして比表面積を大きくすると、界面抵抗が大きくなってしまう。よって、負極に導電性の高い物質を含有させることが望まれている。   Titanium oxide is used for dye-sensitized solar cells, photocatalysts, and the like. In particular, a dye-sensitized solar cell using, for example, titanium oxide modified with a dye as an active electrode has attracted attention as a solar cell that can be easily manufactured at low cost. Among them, when used in a dye-sensitized solar cell, it has been attempted to increase the specific surface area in order to increase the active surface area, but when the specific surface area is increased by reducing the average particle diameter of titanium oxide, Interfacial resistance increases. Therefore, it is desired that the negative electrode contains a highly conductive substance.

光触媒として酸化チタンナノ粒子を使用する場合も同様で、粒径を小さくし比表面積を大きくした場合にクラックが生じやすい、つまり抵抗が大きくなりやすいうえに、小さい粒子が密に詰まっている膜では比表面積に相当する活性が得られないことがあるため、比表面積の小さい大粒径(例えば200nm)のものが使われることもあった。   The same is true when using titanium oxide nanoparticles as a photocatalyst, and cracks are likely to occur when the particle size is reduced and the specific surface area is increased. Since an activity corresponding to the surface area may not be obtained, a large particle size (for example, 200 nm) having a small specific surface area may be used.

このように、いずれの用途の場合であっても、微粒子状の酸化チタンを使用するには問題点が存在する。一方、中空状で大きいアスペクト比を有する酸化チタンナノチューブも知られている(特許文献2及び3)。   As described above, there is a problem in using finely divided titanium oxide in any application. On the other hand, hollow titanium oxide nanotubes having a large aspect ratio are also known (Patent Documents 2 and 3).

特公平8−15097号公報Japanese Patent Publication No. 8-15097 特許第3983533号Japanese Patent No. 3983533 特許第3513738号Japanese Patent No. 3513738

従来の酸化チタンナノチューブは、直径及び長さが小さいため凝集しやすく、1本1本が独立した形での単離が困難であった。つまり、導電性が低下していた。また、従来の酸化チタンナノチューブは分散性が悪いため、塗布、印刷等に使用するための溶液及びペーストの作製が困難であるだけでなく、耐熱性にも劣るため熱処理によりチューブ形状を保てない等の欠点があった。   Conventional titanium oxide nanotubes tend to aggregate because of their small diameter and length, and it has been difficult to isolate them one by one. That is, the conductivity was lowered. In addition, since conventional titanium oxide nanotubes have poor dispersibility, it is difficult not only to prepare solutions and pastes for use in coating, printing, etc., but also because of poor heat resistance, the tube shape cannot be maintained by heat treatment. There were disadvantages such as.

そこで、本発明は、アスペクト比が大きく、溶液中への分散性がよく、高耐熱性及び高導電性を有し、色素増感太陽電池に使用すると変換効率を向上できる酸化チタン構造体及びその簡便な製造方法を提供することを目的とする。   Accordingly, the present invention provides a titanium oxide structure having a large aspect ratio, good dispersibility in a solution, high heat resistance and high conductivity, and which can improve conversion efficiency when used in a dye-sensitized solar cell and its It aims at providing a simple manufacturing method.

上記目的を鑑み、鋭意検討した結果、チタン化合物と第2成分(金属もしくはホウ素)を添加し、180〜370℃に加熱することで、上記課題を解決した酸化チタン系構造体が得られることを見出し、その後さらに研究を重ね、本発明を完成させた。すなわち、本発明は以下の構成を包含する。
項1.V、Nb、Ta及びBよりなる群から選ばれる少なくとも1種を含み、平均アスペクト比が10以上であり、10MPa下での粉体抵抗が1×10Ω・m以下である、板状又はロッド状の酸化チタン構造体。
項2.V、Nb、Ta及びBよりなる群から選ばれる少なくとも1種を、Tiに対して0.1〜10mol%含有する、項1に記載の酸化チタン構造体。
項3.比表面積が10m/g以上である、項1又は2に記載の酸化チタン構造体。
項4.平均幅が20nm以上である、項1〜3のいずれかに記載の酸化チタン構造体。
項5.長手方向の平均長さが1μm以上である、項1〜4のいずれかに記載の酸化チタン構造体。
項6.アルカリ金属の含有量が2000ppm以下である、項1〜5のいずれかに記載の酸化チタン構造体。
項7.平均アスペクト比が10以上であり、10MPa下での粉体抵抗が1×10Ω・m以下である板状又はロッド状の酸化チタン構造体の製造方法であって、
(1)3〜20mol/Lのアルカリ水溶液と、Tiを含む物質(A)、並びにV、Nb、Ta及びBよりなる群から選ばれる少なくとも1種を含む物質(B)とを、160℃より高い温度で接触させる工程、及び
(3)300℃以上で熱処理する工程
を備える、製造方法。
項8.前記工程(1)において、物質(B)中のV、Nb、Ta及びBよりなる群から選ばれる少なくとも1種の含有量が、物質(A)中のTiに対して0.1〜10mol%である、項7に記載の製造方法。
項9.前記物質(A)が、酸化チタン及び/又はその前駆体である、項7又は8に記載の製造方法。
項10.前記物質(B)が、V、Nb、Ta及びBの酸化物、水酸化物、アルコキシド及び塩化物よりなる群から選ばれる少なくとも1種である、項7〜9のいずれかに記載の製造方法。
項11.前記アルカリが、少なくとも水酸化ナトリウムを50重量%以上含む、項7〜10のいずれかに記載の製造方法。
項12.前記工程(3)が、
(3−1)10kPa以下の減圧下に300℃以上で熱処理する工程
である、項7〜11のいずれかに記載の製造方法。
項13.前記工程(3)が、
(3−2)還元雰囲気下に300℃以上で熱処理する工程
である、項7〜11のいずれかに記載の製造方法。
項14.前記工程(1)及び(3)の間に、
(2)工程(1)で得られた酸化チタン系構造体を水、酸及びイオン交換樹脂よりなる群から選ばれる少なくとも1種と接触させる工程
を備える、項7〜13のいずれかに記載の製造方法。
項15.前記酸が、塩酸、硝酸、硫酸、リン酸、フッ酸、酢酸、クエン酸、ギ酸及びシュウ酸よりなる群から選ばれる少なくとも1種である、項14に記載の製造方法。
項16.(1)3〜20mol/Lのアルカリ水溶液と、Tiを含む物質(A)、並びにV、Nb、Ta及びBよりなる群から選ばれる少なくとも1種を含む物質(B)とを、160℃より高い温度で接触させる工程、及び
(3)300℃以上で熱処理する工程
を備える方法により製造された、平均アスペクト比が10以上であり、10MPa下での粉体抵抗が1×10Ω・m以下である板状又はロッド状の酸化チタン構造体。
項17.(1)3〜20mol/Lのアルカリ水溶液と、Tiを含む物質(A)、並びにV、Nb、Ta及びBよりなる群から選ばれる少なくとも1種を含む物質(B)とを、160℃より高い温度で接触させる工程
を備える、板状又はロッド状の酸化チタン構造体の熱処理前後の形状変化を抑制する方法。
項18.前記工程(1)の後、
(2)工程(1)で得られた酸化チタン系構造体を水、酸及びイオン交換樹脂よりなる群から選ばれる少なくとも1種と接触させる工程
を備える、項17に記載の方法。
項19.項1〜6及び16のいずれかに記載の酸化チタン構造体、又は項7〜15のいずれかに記載の製造方法により得られた酸化チタン構造体を含む、多孔質酸化チタン膜。
項20.さらに、平均粒子径が1〜500nmの酸化チタン微粒子を含む、項19に記載の多孔質酸化チタン膜。
項21.導電性基板上に、色素が担持された項19又は20に記載の多孔質酸化チタン膜が形成されている電極。
項22.項21に記載の電極を備える、光電変換素子。
項23.項1〜6及び16のいずれかに記載の酸化チタン構造体、又は項7〜15のいずれかに記載の製造方法により得られた酸化チタン構造体を用いた光触媒。
As a result of intensive investigations in view of the above object, a titanium oxide structure that solves the above problems can be obtained by adding a titanium compound and a second component (metal or boron) and heating to 180 to 370 ° C. Heading and then further research to complete the present invention. That is, the present invention includes the following configurations.
Item 1. Including at least one selected from the group consisting of V, Nb, Ta and B, an average aspect ratio of 10 or more, and a powder resistance under 10 MPa of 1 × 10 5 Ω · m or less, Rod-shaped titanium oxide structure.
Item 2. Item 2. The titanium oxide structure according to Item 1, which contains 0.1 to 10 mol% of at least one selected from the group consisting of V, Nb, Ta and B with respect to Ti.
Item 3. Item 3. The titanium oxide structure according to Item 1 or 2, wherein the specific surface area is 10 m 2 / g or more.
Item 4. Item 4. The titanium oxide structure according to any one of Items 1 to 3, wherein the average width is 20 nm or more.
Item 5. Item 5. The titanium oxide structure according to any one of Items 1 to 4, wherein an average length in a longitudinal direction is 1 μm or more.
Item 6. Item 6. The titanium oxide structure according to any one of Items 1 to 5, wherein the alkali metal content is 2000 ppm or less.
Item 7. A method for producing a plate-like or rod-like titanium oxide structure having an average aspect ratio of 10 or more and a powder resistance under 10 MPa of 1 × 10 5 Ω · m,
(1) From 160 ° C., an alkaline aqueous solution of 3 to 20 mol / L, a substance (A) containing Ti, and a substance (B) containing at least one selected from the group consisting of V, Nb, Ta and B A manufacturing method comprising a step of contacting at a high temperature, and (3) a step of heat-treating at 300 ° C. or higher.
Item 8. In the step (1), at least one content selected from the group consisting of V, Nb, Ta and B in the substance (B) is 0.1 to 10 mol% with respect to Ti in the substance (A). Item 8. The method according to Item 7, wherein
Item 9. Item 9. The method according to Item 7 or 8, wherein the substance (A) is titanium oxide and / or a precursor thereof.
Item 10. Item 10. The production method according to any one of Items 7 to 9, wherein the substance (B) is at least one selected from the group consisting of oxides, hydroxides, alkoxides and chlorides of V, Nb, Ta and B. .
Item 11. Item 11. The production method according to any one of Items 7 to 10, wherein the alkali contains at least 50% by weight of sodium hydroxide.
Item 12. The step (3)
(3-1) The manufacturing method in any one of claim | item 7 -11 which is a process heat-processed at 300 degreeC or more under the reduced pressure of 10 kPa or less.
Item 13. The step (3)
(3-2) The manufacturing method according to any one of Items 7 to 11, which is a step of heat-treating at 300 ° C. or higher in a reducing atmosphere.
Item 14. During the steps (1) and (3),
(2) The item according to any one of Items 7 to 13, comprising a step of bringing the titanium oxide-based structure obtained in the step (1) into contact with at least one selected from the group consisting of water, an acid, and an ion exchange resin. Production method.
Item 15. Item 15. The method according to Item 14, wherein the acid is at least one selected from the group consisting of hydrochloric acid, nitric acid, sulfuric acid, phosphoric acid, hydrofluoric acid, acetic acid, citric acid, formic acid, and oxalic acid.
Item 16. (1) From 160 ° C., an alkaline aqueous solution of 3 to 20 mol / L, a substance (A) containing Ti, and a substance (B) containing at least one selected from the group consisting of V, Nb, Ta and B The average aspect ratio is 10 or more, and the powder resistance under 10 MPa is 1 × 10 5 Ω · m, which is produced by a method comprising a step of contacting at a high temperature and (3) a step of heat treatment at 300 ° C. or higher. The following plate-shaped or rod-shaped titanium oxide structures.
Item 17. (1) From 160 ° C., an alkaline aqueous solution of 3 to 20 mol / L, a substance (A) containing Ti, and a substance (B) containing at least one selected from the group consisting of V, Nb, Ta and B The method to suppress the shape change before and behind heat processing of a plate-shaped or rod-shaped titanium oxide structure provided with the process made to contact at high temperature.
Item 18. After the step (1),
(2) The method according to item 17, comprising a step of bringing the titanium oxide-based structure obtained in the step (1) into contact with at least one selected from the group consisting of water, an acid, and an ion exchange resin.
Item 19. Item 16. A porous titanium oxide film comprising the titanium oxide structure according to any one of Items 1 to 6 and 16, or the titanium oxide structure obtained by the production method according to any one of Items 7 to 15.
Item 20. Item 20. The porous titanium oxide film according to Item 19, further comprising titanium oxide fine particles having an average particle diameter of 1 to 500 nm.
Item 21. Item 21. An electrode in which the porous titanium oxide film according to Item 19 or 20 on which a dye is supported is formed on a conductive substrate.
Item 22. Item 22. A photoelectric conversion element comprising the electrode according to item 21.
Item 23. Item 16. A photocatalyst using the titanium oxide structure according to any one of Items 1 to 6 and 16, or the titanium oxide structure obtained by the production method according to any one of Items 7 to 15.

本発明によれば、アスペクト比が大きく、溶液中への分散性がよく、高耐熱性及び高導電性を有し、色素増感太陽電池に使用すると変換効率を向上できる酸化チタン構造体及びその簡便な製造方法を提供できる。   According to the present invention, a titanium oxide structure having a large aspect ratio, good dispersibility in a solution, high heat resistance and high conductivity, and improved conversion efficiency when used in a dye-sensitized solar cell, and its A simple manufacturing method can be provided.

実施例1において、焼成前(工程(3)を施す前)の酸化チタン構造体の表面形状を示す電子顕微鏡(TEM)写真である。In Example 1, it is an electron microscope (TEM) photograph which shows the surface shape of the titanium oxide structure before baking (before performing a process (3)). 実施例2の酸化チタン構造体の表面形状を示す電子顕微鏡(TEM)写真である。4 is an electron microscope (TEM) photograph showing the surface shape of the titanium oxide structure of Example 2. FIG. 比較例3において、焼成前の酸化チタン構造体の表面形状を示す電子顕微鏡(TEM)写真である。In the comparative example 3, it is an electron microscope (TEM) photograph which shows the surface shape of the titanium oxide structure before baking. 比較例3において、焼成前の酸化チタン構造体の表面形状を示す電子顕微鏡(SEM)写真である。In the comparative example 3, it is an electron microscope (SEM) photograph which shows the surface shape of the titanium oxide structure before baking.

1.酸化チタン構造体
本発明の酸化チタン構造体は、V、Nb、Ta及びBよりなる群から選ばれる少なくとも1種を含み、平均アスペクト比が10以上であり、粉体抵抗が1×10Ω・m以下である、板状又はロッド状の酸化チタン構造体である。
1. Titanium oxide structure The titanium oxide structure of the present invention contains at least one selected from the group consisting of V, Nb, Ta and B, has an average aspect ratio of 10 or more, and a powder resistance of 1 × 10 5 Ω. -It is a plate-shaped or rod-shaped titanium oxide structure which is m or less.

本発明において、「酸化チタン」とは、二酸化チタン(TiO)のみを指すものではなく、三酸化二チタン(Ti);一酸化チタン(TiO);Ti、Ti等に代表される二酸化チタンから酸素欠損した組成のもの等も含むものである。また、末端OH基に代表されるように一部酸化チタンの合成に起因するTi−O−Ti以外の基を含んでいてもよい。 In the present invention, “titanium oxide” does not refer only to titanium dioxide (TiO 2 ), but is composed of dititanium trioxide (Ti 2 O 3 ); titanium monoxide (TiO); Ti 4 O 7 , Ti 5 O. It includes those having a composition deficient in oxygen from titanium dioxide represented by 9 etc. Further, as represented by the terminal OH group, a group other than Ti—O—Ti resulting from the synthesis of titanium oxide may be included.

本発明において、「板状」とは、幅(短辺)に対して長さ(長辺)が大きく、表面の大半が平面である構造体である。ただし、表面が必ずしも完全な平面である必要はなく、一部曲面を含んでいてもよい。また、本発明において、「ロッド状」とは、幅(短辺)に対して長さ(長辺)が大きく、表面の大半が曲面である構造体である。ただし、表面が必ずしも完全な曲面である必要はなく、一部平面を含んでいてもよい。これら「板状」と「ロッド状」とは、必ずしも明確な区別があるわけではないが、「板状」と「ロッド状」とを総合すると、幅(短辺)に対して長さ(長辺)が大きい中実の構造体である。なお、中実の構造体とは、ナノチューブ等のような中空の構造体を除くことを意味する。さらに、本発明の酸化チタン構造体の表面には、多少の凹凸を有していてもよい。   In the present invention, the “plate-like” is a structure having a length (long side) larger than a width (short side), and most of the surface is a plane. However, the surface does not necessarily have to be a complete plane, and a part of the curved surface may be included. In the present invention, the “rod shape” is a structure having a length (long side) larger than a width (short side), and most of the surface is a curved surface. However, the surface does not necessarily have to be a complete curved surface, and a part of the surface may be included. These “plate-like” and “rod-like” are not necessarily clearly distinguished, but when “plate-like” and “rod-like” are combined, the length (long side) with respect to the width (short side) It is a solid structure with a large side. The solid structure means that a hollow structure such as a nanotube is excluded. Furthermore, the surface of the titanium oxide structure of the present invention may have some unevenness.

<形状>
本発明の酸化チタン構造体の平均アスペクト比(幅に対する長さの比、長さ/幅)は10以上、好ましくは20以上である。アスペクト比が10未満では、高導電性、高強度等、高アスペクト比に起因する物性が得られない。また、塗布した場合の膜性を良好にするために、本発明の酸化チタン構造体の平均アスペクト比は、10000以下程度が好ましく、5000以下程度がより好ましい。
<Shape>
The average aspect ratio (ratio of length to width, length / width) of the titanium oxide structure of the present invention is 10 or more, preferably 20 or more. When the aspect ratio is less than 10, physical properties resulting from the high aspect ratio such as high conductivity and high strength cannot be obtained. Further, in order to improve the film property when applied, the average aspect ratio of the titanium oxide structure of the present invention is preferably about 10,000 or less, more preferably about 5000 or less.

本発明の酸化チタン構造体の平均幅は、酸化チタン構造体が互いに絡み合わないため分散性に優れる点から、20nm以上が好ましく、40nm以上がより好ましい。一方、光触媒等表面で反応を行う用途、色素増感太陽電池で表面に色素を担持させる目的のある場合等に好適に用いるためには、比表面積を高くするのが好ましいことから、本発明の酸化チタン構造体の平均幅は、500nm以下程度が好ましく、200nm以下程度がより好ましい。   The average width of the titanium oxide structure of the present invention is preferably 20 nm or more, and more preferably 40 nm or more from the viewpoint of excellent dispersibility because the titanium oxide structures do not entangle with each other. On the other hand, since it is preferable to increase the specific surface area, it is preferable to use the photocatalyst or the like for the purpose of carrying out the reaction on the surface, the case where the dye-sensitized solar cell has the purpose of supporting the dye on the surface, etc. The average width of the titanium oxide structure is preferably about 500 nm or less, and more preferably about 200 nm or less.

酸化チタン構造体の長手方向の平均長さは、導電性に優れ、塗膜を形成した場合又は樹脂に混合した場合に強度が向上する点から、1μm以上が好ましく、2μm以上がより好ましい。また、塗布した場合の膜性を良好にするために、本発明の酸化チタン構造体の長手方向の平均長さは、100μm以下程度が好ましく、20μm以下程度がより好ましい。   The average length in the longitudinal direction of the titanium oxide structure is preferably 1 μm or more, and more preferably 2 μm or more from the viewpoint of excellent conductivity and improved strength when a coating film is formed or mixed with a resin. Further, in order to improve the film property when applied, the average length in the longitudinal direction of the titanium oxide structure of the present invention is preferably about 100 μm or less, and more preferably about 20 μm or less.

酸化チタン構造体の形状(平均幅、平均アスペクト比、長手方向の平均長さ等)は、例えば、電子顕微鏡(SEM又はTEM)観察等により測定することができる。   The shape (average width, average aspect ratio, average length in the longitudinal direction, etc.) of the titanium oxide structure can be measured, for example, by observation with an electron microscope (SEM or TEM).

<組成>
本発明の酸化チタン構造体は、チタン(Ti)と酸素(O)とを主成分として含むものであるが、さらに、第3成分としてV、Nb、Ta及びBよりなる群から選ばれる少なくとも1種を含有する。第3成分の含有量は導電性及び光電変換効率の観点から、チタン(Ti)に対して、0.1〜10mol%が好ましく、0.3〜8mol%がより好ましく、0.5〜7mol%がさらに好ましい。
<Composition>
The titanium oxide structure of the present invention contains titanium (Ti) and oxygen (O) as main components, and further contains at least one selected from the group consisting of V, Nb, Ta and B as the third component. contains. The content of the third component is preferably 0.1 to 10 mol%, more preferably 0.3 to 8 mol%, and more preferably 0.5 to 7 mol% with respect to titanium (Ti) from the viewpoint of conductivity and photoelectric conversion efficiency. Is more preferable.

これらの第3成分を含ませることにより、熱処理(焼成)を施しても高アスペクト比を維持でき、且つ、導電性の高い酸化チタン構造体を容易に作ることができる。また、本発明の酸化チタン構造体が必要以上に着色することを抑制できる(淡色とすることができる)。このため、例えば色素増感太陽電池の負極に添加する場合に、過度の光吸収がないため、光電変換効率を低下させることがないという利点がある。つまり、導電性の向上度合いに応じて光電変換効率を向上させることができる。過度の光吸収を抑制することによる効果は、光触媒に用いた場合にも同様である。逆に他の成分を共存させた場合、熱処理(焼成)により高アスペクト比の形状を維持できなかったり、酸化チタン構造体に着色する結果光電変換効率の低下が見られたりする。   By including these third components, a high aspect ratio can be maintained even when heat treatment (firing) is performed, and a highly conductive titanium oxide structure can be easily produced. Moreover, it can suppress that the titanium oxide structure of this invention colors more than necessary (it can be made light color). For this reason, when adding to the negative electrode of a dye-sensitized solar cell, for example, since there is no excessive light absorption, there exists an advantage that a photoelectric conversion efficiency is not reduced. That is, the photoelectric conversion efficiency can be improved according to the degree of improvement in conductivity. The effect of suppressing excessive light absorption is the same when used for a photocatalyst. On the other hand, when other components coexist, the shape of high aspect ratio cannot be maintained by heat treatment (firing), or the photoelectric conversion efficiency is lowered as a result of coloring the titanium oxide structure.

<その他>
本発明の酸化チタン構造体は、より大きな電流が得られる点から、10MPa下での粉体抵抗は1×10Ω・m以下、好ましくは5×10Ω・m以下である。粉体抵抗が1×10Ω・mをこえると、光電変換効率が低下する。粉体抵抗は、小さいほうが好ましく、下限値は特に制限されないが、0.01Ω・m程度である。なお、酸化チタン構造体の粉体抵抗の測定方法は、特に限定されないが、例えば、10MPaの圧力で厚さ0.3mmの平板状に加工し、ペレット間に電圧1Vを印加して流れる電流値を測ることにより測定することができる。
<Others>
In the titanium oxide structure of the present invention, the powder resistance under 10 MPa is 1 × 10 5 Ω · m or less, preferably 5 × 10 4 Ω · m or less from the viewpoint that a larger current can be obtained. When the powder resistance exceeds 1 × 10 5 Ω · m, the photoelectric conversion efficiency decreases. The powder resistance is preferably as small as possible, and the lower limit is not particularly limited, but is about 0.01 Ω · m. The method for measuring the powder resistance of the titanium oxide structure is not particularly limited. For example, the current value is processed by applying a voltage of 1 V between the pellets after processing into a plate having a thickness of 0.3 mm at a pressure of 10 MPa. It can be measured by measuring.

本発明の酸化チタン構造体は、色素増感太陽電池に使用する場合には色素を多量に担持し、入射した光を効率よく吸収でき、光触媒に使用する場合には充分な光触媒能を得られる点から、比表面積は10m/g以上が好ましく、20m/g以上がより好ましい。比表面積は、大きいほうが好ましく、上限値は特に制限されないが、1000m/g程度である。比表面積は、BET法等により測定できる。 The titanium oxide structure of the present invention supports a large amount of dye when used in a dye-sensitized solar cell, can efficiently absorb incident light, and can obtain sufficient photocatalytic ability when used in a photocatalyst. In this respect, the specific surface area is preferably 10 m 2 / g or more, and more preferably 20 m 2 / g or more. The larger specific surface area is preferred, and the upper limit is not particularly limited, but is about 1000 m 2 / g. The specific surface area can be measured by the BET method or the like.

本発明の酸化チタン構造体中のアルカリ金属(特にナトリウム)の含有量は、色素増感太陽電池に使用する場合は、活性を確保する点から、2000ppm以下が好ましく、500ppm以下がより好ましい。なお、耐熱性を向上させるために、Naが多いほうが好ましいことがあるため、アルカリ金属含有量は、目的等に応じて適宜設定できる。アルカリ金属の含有量は、イオンクロマトグラフ法、ICP発光分光分析法等により測定できる。   When used in a dye-sensitized solar cell, the content of alkali metal (especially sodium) in the titanium oxide structure of the present invention is preferably 2000 ppm or less, more preferably 500 ppm or less, from the viewpoint of ensuring activity. In addition, in order to improve heat resistance, since it may be preferable that there is much Na, alkali metal content can be suitably set according to the objective etc. The alkali metal content can be measured by ion chromatography, ICP emission spectroscopic analysis, or the like.

従来の酸化チタンナノチューブ(アルカリ水溶液と酸化チタンとの接触温度が低いもの)は、耐熱性が悪く、例えば300℃以上の熱処理(焼成)により形状が崩壊し、粒子状となってしまい、凝集するため、導電性及びアスペクト比を維持できないが、本発明の酸化チタン構造体は、300℃以上の熱処理(焼成)でも形状が崩れず、また凝集しないため、導電性及びアスペクト比を維持できる。つまり、本発明の酸化チタン構造体は、高温においても、導電性、溶液中への分散性及び高強度を維持できる。   Conventional titanium oxide nanotubes (those with a low contact temperature between an aqueous alkali solution and titanium oxide) have poor heat resistance, and, for example, the shape collapses due to heat treatment (firing) at 300 ° C. or higher and becomes particulate and aggregates. Therefore, the conductivity and the aspect ratio cannot be maintained, but the titanium oxide structure of the present invention can be maintained in the conductivity and the aspect ratio because the shape does not collapse and does not aggregate even when heat treatment (baking) at 300 ° C. or higher. That is, the titanium oxide structure of the present invention can maintain conductivity, dispersibility in a solution, and high strength even at high temperatures.

2.酸化チタン構造体の製造方法及び熱処理前後の形状変化抑制方法
本発明の酸化チタン構造体の製造方法は、
(1)3〜20mol/Lのアルカリ水溶液と、Tiを含む物質(A)、並びにV、Nb、Ta及びBよりなる群から選ばれる少なくとも1種を含む物質(B)とを、160℃より高い温度で接触させる工程、及び
(3)300℃以上で熱処理する工程
を備える。
2. Method for manufacturing titanium oxide structure and method for suppressing shape change before and after heat treatment The method for manufacturing a titanium oxide structure of the present invention includes:
(1) From 160 ° C., an alkaline aqueous solution of 3 to 20 mol / L, a substance (A) containing Ti, and a substance (B) containing at least one selected from the group consisting of V, Nb, Ta and B A step of contacting at a high temperature, and (3) a step of heat treatment at 300 ° C. or higher.

また、本発明の酸化チタン構造体の製造方法は、前記工程(1)及び(3)の間に、
(2)工程(1)で得られた酸化チタン系構造体を水、酸及びイオン交換樹脂よりなる群から選ばれる少なくとも1種と接触させる工程
を備えることが好ましい。
Moreover, the manufacturing method of the titanium oxide structure of the present invention includes the steps (1) and (3),
(2) It is preferable to include a step of bringing the titanium oxide-based structure obtained in the step (1) into contact with at least one selected from the group consisting of water, an acid, and an ion exchange resin.

<工程(1)>
工程(1)では、3〜20mol/Lのアルカリ水溶液と、Tiを含む物質(A)、並びにV、Nb、Ta及びBよりなる群から選ばれる少なくとも1種を含む物質(B)とを、160℃より高い温度で接触させる。
<Step (1)>
In the step (1), an alkaline aqueous solution of 3 to 20 mol / L, a substance (A) containing Ti, and a substance (B) containing at least one selected from the group consisting of V, Nb, Ta and B, Contact at a temperature higher than 160 ° C.

工程(1)では、具体的には、これに限定されるわけではないが、3〜20mol/Lのアルカリ水溶液中に、前記物質(A)と物質(B)を添加し、その後、160℃より高い温度に加熱することが好ましい。   In the step (1), specifically, although not limited thereto, the substance (A) and the substance (B) are added to an alkaline aqueous solution of 3 to 20 mol / L, and then 160 ° C. It is preferred to heat to a higher temperature.

アルカリ水溶液としては、原料の酸化チタンの表面を溶解し、反応を促進する点から、アルカリ金属の水酸化物の水溶液が好ましい。なお、アルカリとして、2種類以上のアルカリを含む水溶液としてもよく、例えば、水酸化カリウム、水酸化リチウム等を水酸化ナトリウムと併用できる。特に、アルカリとしては、高アスペクト比の構造体を合成するためには、水酸化ナトリウム及び/又は水酸化カリウムが好ましく、水酸化ナトリウムが特に好ましい。なお、水酸化ナトリウムを使用した場合には平均幅が大きい構造体が生成する傾向にあり、水酸化カリウムを使用した場合には平均幅が小さい構造体が生成する傾向にある。   As the alkaline aqueous solution, an aqueous solution of an alkali metal hydroxide is preferable from the viewpoint of dissolving the surface of the raw material titanium oxide and promoting the reaction. In addition, it is good also as an aqueous solution containing 2 or more types of alkalis as an alkali, For example, potassium hydroxide, lithium hydroxide, etc. can be used together with sodium hydroxide. In particular, as the alkali, sodium hydroxide and / or potassium hydroxide is preferable, and sodium hydroxide is particularly preferable in order to synthesize a high aspect ratio structure. When sodium hydroxide is used, a structure having a large average width tends to be generated. When potassium hydroxide is used, a structure having a small average width tends to be generated.

なお、アルカリとしては、水酸化ナトリウムを50重量%以上、特に70重量%以上含むことが好ましい。   In addition, as an alkali, it is preferable to contain sodium hydroxide 50weight% or more, especially 70weight% or more.

アルカリ水溶液の濃度は、原料の物質(A)及び物質(B)(特に物質(A))の表面を溶解し、かつ反応液の流動性を保つことにより、アスペクト比の大きい板状酸化チタン結晶からなるからなる酸化チタン構造体を、長時間かけることなく作製できる点から、3〜20mol/L、好ましくは5〜15mol/L程度である。なお、2種類以上のアルカリを含む水溶液を使用する場合には、アルカリ水溶液の濃度は3〜30mol/L、好ましくは5〜20mol/L程度である。   The concentration of the aqueous alkali solution is such that the surface of the material (A) and the material (B) (particularly the material (A)) of the raw material is dissolved and the fluidity of the reaction solution is maintained, so that a plate-like titanium oxide crystal having a large aspect ratio is obtained. From the point which can produce the titanium oxide structure which consists of consisting of a long time, it is 3-20 mol / L, Preferably it is about 5-15 mol / L. In addition, when using the aqueous solution containing 2 or more types of alkalis, the density | concentration of alkaline aqueous solution is 3-30 mol / L, Preferably it is about 5-20 mol / L.

使用するTiを含む物質(A)としては、加熱により酸化チタンとなる物質であれば特に制限はない。つまり、物質(A)としては、酸化チタン及び/又は酸化チタン前駆体が好ましく、具体的には、酸化チタン;水酸化チタン;チタンアルコキシド;三塩化チタン、四塩化チタン等のハロゲン化チタン;金属チタン等が挙げられる。また、これらの1種のみを用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。特に、原料の表面をアルカリが溶解して反応が進むという観点から、酸化チタン、金属チタン等の固体を用いる場合は、平均粒子径は100nm以下が好ましく、50nm以下がより好ましい。下限値は特に設定されないが、通常3nm程度である。なお、粒径が大きい場合は遊星ボールミル、ペイントシェーカー等を用いて乾式又は湿式で粉砕して用いてもよい。酸化チタンの平均粒子径は、例えば、電子顕微鏡(SEM又はTEM)観察等により測定することができる。   The substance (A) containing Ti to be used is not particularly limited as long as it is a substance that becomes titanium oxide by heating. That is, the substance (A) is preferably titanium oxide and / or a titanium oxide precursor. Specifically, titanium oxide; titanium hydroxide; titanium alkoxide; titanium halide such as titanium trichloride and titanium tetrachloride; metal Examples include titanium. Moreover, only 1 type of these may be used and 2 or more types may be used together. In particular, from the viewpoint that the alkali dissolves on the surface of the raw material and the reaction proceeds, when using a solid such as titanium oxide or titanium metal, the average particle size is preferably 100 nm or less, more preferably 50 nm or less. The lower limit is not particularly set, but is usually about 3 nm. When the particle size is large, the particles may be pulverized dry or wet using a planetary ball mill, paint shaker or the like. The average particle diameter of titanium oxide can be measured, for example, by observation with an electron microscope (SEM or TEM).

アルカリ水溶液中に添加する物質(A)の量は、特に制限されないが、反応液の流動性と生産性とのバランスを取る観点から、0.01〜1mol/L程度が好ましく、0.05〜0.5mol/L程度がより好ましい。   The amount of the substance (A) added to the alkaline aqueous solution is not particularly limited, but is preferably about 0.01 to 1 mol / L from the viewpoint of balancing the fluidity and productivity of the reaction solution, About 0.5 mol / L is more preferable.

V、Nb、Ta及びBよりなる群から選ばれる少なくとも1種を含む物質(B)は、物質(A)と同様に、特に制限はない。例えば、これらの元素の酸化物、水酸化物、アルコキシド及び塩化物等が挙げられる。具体的には、例えば、V、V(OH)、VCl、Nb、Nb(OH)、Nb(OC、Nb(OC、NbCl、Ta、Ta(OH)、Ta(OC、Ta(OC、TaCl、B、HBO、B(OC、B(OC、BCl等が挙げられる。なかでも、NbCl及びHBOが安価であり好ましい。なお、物質(A)の場合と同じく、酸化物等の固体を用いる場合は、平均粒子径が100nm以下が好ましく、50nm以下がより好ましい。下限値は特に設定されないが、通常3nm程度である。なお、粒径が大きい場合は遊星ボールミル、ペイントシェーカー等を用いて乾式又は湿式で粉砕して用いてもよい。酸化チタンの平均粒子径は、例えば、電子顕微鏡(SEM又はTEM)観察等により測定することができる。 The substance (B) containing at least one selected from the group consisting of V, Nb, Ta and B is not particularly limited, like the substance (A). Examples thereof include oxides, hydroxides, alkoxides and chlorides of these elements. Specifically, for example, V 2 O 5 , V (OH) 2 , VCl 4 , Nb 2 O 5 , Nb (OH) 5 , Nb (OC 2 H 5 ) 5 , Nb (OC 3 H 7 ) 5 , NbCl 5, Ta 2 O 5, Ta (OH) 5, Ta (OC 2 H 5) 5, Ta (OC 3 H 7) 5, TaCl 5, B 2 O 3, H 3 BO 3, B (OC 2 H 5 ) 3 , B (OC 3 H 7 ) 3 , BCl 3 and the like. Of these, NbCl 5 and H 3 BO 3 are inexpensive and preferable. As in the case of the substance (A), when a solid such as an oxide is used, the average particle size is preferably 100 nm or less, and more preferably 50 nm or less. The lower limit is not particularly set, but is usually about 3 nm. When the particle size is large, the particles may be pulverized dry or wet using a planetary ball mill, paint shaker or the like. The average particle diameter of titanium oxide can be measured, for example, by observation with an electron microscope (SEM or TEM).

アルカリ水溶液中に添加する物質(B)の量は、特に制限されないが、導電性を高めるという点から、0.00001〜0.1mol/L程度が好ましく、0.00025〜0.035mol/L程度がより好ましい。   The amount of the substance (B) added to the alkaline aqueous solution is not particularly limited, but is preferably about 0.00001 to 0.1 mol / L, and preferably about 0.00025 to 0.035 mol / L from the viewpoint of enhancing conductivity. Is more preferable.

また、アルカリ水溶液中に添加する物質(B)の量は、導電性及び光電変換効率の観点から、物質(B)中に含まれるV、Nb、Ta及びBよりなる群から選ばれる少なくとも1種の含有量が、物質(A)中のTiに対して0.1〜10mol%が好ましく、0.3〜8mol%がより好ましく、0.5〜7mol%がさらに好ましい。   The amount of the substance (B) added to the alkaline aqueous solution is at least one selected from the group consisting of V, Nb, Ta and B contained in the substance (B) from the viewpoint of conductivity and photoelectric conversion efficiency. The content of is preferably 0.1 to 10 mol%, more preferably 0.3 to 8 mol%, still more preferably 0.5 to 7 mol% with respect to Ti in the substance (A).

物質(B)は物質(A)と同時に、アルカリ水溶液に混合してもよく、物質(A)をアルカリ水溶液に混合した後に、物質(B)をアルカリ水溶液と混合してもよい。また、逆に、物質(B)をアルカリ水溶液と混合した後に、物質(A)をアルカリ水溶液と混合してもよい。160℃より高い温度に昇温する際に、アルカリ水溶液中に物質(A)と物質(B)とが投入されていれば特に制限はない。   The substance (B) may be mixed with an alkaline aqueous solution simultaneously with the substance (A), or after the substance (A) is mixed with the alkaline aqueous solution, the substance (B) may be mixed with the alkaline aqueous solution. Conversely, after the substance (B) is mixed with the alkaline aqueous solution, the substance (A) may be mixed with the alkaline aqueous solution. When the temperature is raised to a temperature higher than 160 ° C., there is no particular limitation as long as the substance (A) and the substance (B) are introduced into the alkaline aqueous solution.

アルカリ水溶液と物質(A)及び(B)とを接触させる温度は、160℃より高い温度である。接触温度の上限値は、特に制限はないが、通常水の臨界点である374℃である。好ましくは、180〜370℃程度、より好ましくは200〜300℃程度である。接触温度が低すぎると本発明の酸化チタン構造体を製造することはできず、酸化チタンが凝集した塊状の構造体、又は幅が非常に小さい酸化チタン構造体が絡み合い、全体として塊状の構造体しか製造できない。つまり、高アスペクト比かつ高分散性の酸化チタン構造体は得られない。特許文献2及び3では、160℃以上とするとチューブ状のものが生成されにくくなる(特許文献2の[0024]及び特許文献3の[0024])とされているが、逆に、低温で接触させると、酸化チタン構造体同士が絡み合ってしまうため、高アスペクト比且つ高分散性の酸化チタン構造体は得られない。また、凝集するため導電性も悪化する。また、接触温度が高すぎると、使用するエネルギー量と安全性の面で望ましくない。   The temperature at which the alkaline aqueous solution is brought into contact with the substances (A) and (B) is higher than 160 ° C. The upper limit of the contact temperature is not particularly limited, but is usually 374 ° C., which is the critical point of water. Preferably, it is about 180-370 degreeC, More preferably, it is about 200-300 degreeC. If the contact temperature is too low, the titanium oxide structure of the present invention cannot be produced, and a massive structure in which titanium oxide is aggregated or a titanium oxide structure having a very small width is entangled to form a massive structure as a whole. Can only be manufactured. That is, a titanium oxide structure having a high aspect ratio and high dispersibility cannot be obtained. In Patent Documents 2 and 3, it is said that when the temperature is 160 ° C. or higher, it is difficult to produce a tube-shaped product ([0024] of Patent Document 2 and [0024] of Patent Document 3). Then, the titanium oxide structures are entangled with each other, so that a high aspect ratio and high dispersibility titanium oxide structure cannot be obtained. Moreover, since it aggregates, electroconductivity also deteriorates. Further, if the contact temperature is too high, it is not desirable in terms of the amount of energy used and safety.

アルカリ水溶液と物質(A)及び(B)とを接触させる時間(つまり160℃より高い温度に加熱する時間)は、特に制限はなく、1〜120時間程度が好ましい。   The time for bringing the alkaline aqueous solution into contact with the substances (A) and (B) (that is, the time for heating to a temperature higher than 160 ° C.) is not particularly limited, and is preferably about 1 to 120 hours.

本発明では、例えば使用する物質(A)が酸化チタンの場合、その平均粒子径、接触温度及び接触時間の好ましい範囲には相関関係があり、平均粒子径が大きめの酸化チタンを使用する場合には、接触温度を高めとすることが好ましい。例えば、平均粒子径7nmの酸化チタンを用いて接触時間を12時間とした場合には、接触温度を160℃より高い温度とすることが好ましいが、平均粒子径25nmの酸化チタンを用いて接触時間を12時間とした場合には、接触温度を185℃以上とすることが好ましい。   In the present invention, for example, when the substance (A) to be used is titanium oxide, there is a correlation between preferable ranges of the average particle diameter, contact temperature, and contact time, and when using titanium oxide having a larger average particle diameter. It is preferable to increase the contact temperature. For example, when the contact time is 12 hours using titanium oxide having an average particle diameter of 7 nm, the contact temperature is preferably higher than 160 ° C., but the contact time using titanium oxide having an average particle diameter of 25 nm is used. Is 12 hours, the contact temperature is preferably 185 ° C. or higher.

このような工程(1)を備えることで、得られる酸化チタン構造体をその後300℃以上の熱処理(焼成)を施したとしても、形状の変化を抑制することができる。   By providing such a step (1), even if the obtained titanium oxide structure is subjected to a heat treatment (firing) at 300 ° C. or higher, the change in shape can be suppressed.

<工程(2)>
工程(2)では、具体的には、水又は酸を使用する場合には、例えば、工程(1)で得られた酸化チタン構造体を、水又は酸性水溶液中に添加することが好ましい。また、イオン交換樹脂を使用する場合には、イオン交換樹脂を充填したカラムに生成物を含む液を通過させてもよく、イオン交換樹脂と混合して撹拌するだけでもよい。
<Step (2)>
In step (2), specifically, when water or acid is used, for example, the titanium oxide structure obtained in step (1) is preferably added to water or an acidic aqueous solution. Moreover, when using an ion exchange resin, the liquid containing a product may be allowed to pass through a column filled with the ion exchange resin, or only mixed with the ion exchange resin and stirred.

アルカリ水溶液としてアルカリ金属の水酸化物(NaOH等)を用いた場合には、工程(1)で得られる酸化チタン構造体中に、アルカリ金属(Na等)が含まれることがあるが、この工程により、酸化チタン構造体中に含まれるアルカリ金属を取り除くことができる。   When an alkali metal hydroxide (NaOH or the like) is used as the alkaline aqueous solution, the titanium oxide structure obtained in the step (1) may contain an alkali metal (Na or the like). Thereby, the alkali metal contained in the titanium oxide structure can be removed.

酸としては、アルカリ金属イオンとプロトンを交換できるプロトン酸が好ましい。具体的には、塩酸、硝酸、硫酸、リン酸、フッ酸、酢酸、クエン酸、ギ酸、シュウ酸等の一般的な無機酸又は有機酸が挙げられる。これらの酸は、1種単独で用いてもよいし、2種以上を組合せて用いてもよい。   The acid is preferably a protonic acid capable of exchanging protons with alkali metal ions. Specific examples include general inorganic acids or organic acids such as hydrochloric acid, nitric acid, sulfuric acid, phosphoric acid, hydrofluoric acid, acetic acid, citric acid, formic acid, and oxalic acid. These acids may be used individually by 1 type, and may be used in combination of 2 or more type.

イオン交換樹脂としては、例えば、ダイヤイオン(三菱化学(株)製;登録商標)、アンバーライト(ローム・アンド・ハース社製)等の陽イオン交換樹脂等が挙げられる。これらのイオン交換樹脂は、1種単独で用いてもよいし、2種以上を組合せて用いてもよい。   Examples of the ion exchange resin include cation exchange resins such as Diaion (manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation; registered trademark) and Amberlite (made by Rohm and Haas). These ion exchange resins may be used individually by 1 type, and may be used in combination of 2 or more type.

水、酸及びイオン交換樹脂のなかでも、工程(1)で得られた酸化チタン構造体中に含まれるアルカリ金属を短時間で取り除くことができる点から、酸を用いることが好ましく、塩酸、硝酸、酢酸、シュウ酸等がより好ましい。ただし、酸を用いる場合には、工程(1)で得られた酸化チタン構造体を酸と接触させた後、酸化チタン構造体を水洗して酸を除去することが好ましい。   Among water, acid, and ion exchange resin, it is preferable to use an acid from the viewpoint that the alkali metal contained in the titanium oxide structure obtained in the step (1) can be removed in a short time. Hydrochloric acid, nitric acid Acetic acid, oxalic acid and the like are more preferable. However, when an acid is used, it is preferable that the titanium oxide structure obtained in step (1) is brought into contact with an acid, and then the titanium oxide structure is washed with water to remove the acid.

工程(1)で得られた酸化チタン構造体と水、酸及びイオン交換樹脂よりなる群から選ばれる少なくとも1種とを接触させる時間は、1〜48時間程度が好ましく、充分にアルカリ金属を除去する必要がある場合は8時間以上がより望ましい。   The time for contacting the titanium oxide structure obtained in step (1) with at least one selected from the group consisting of water, acid and ion exchange resin is preferably about 1 to 48 hours, and the alkali metal is sufficiently removed. If it is necessary to do this, 8 hours or more is more desirable.

<工程(3)>
上記工程(1)又は工程(2)で得られた酸化チタン構造体は、高温に加熱(焼成)することで酸化チタン系構造体に残存するTi−OH基の脱水反応を行わせ、結晶性を増すことができる。
<Step (3)>
The titanium oxide structure obtained in the above step (1) or (2) is heated (baked) to a high temperature to cause the Ti—OH group remaining in the titanium oxide structure to undergo a dehydration reaction, and to have crystallinity. Can be increased.

この際の温度は、より確実に脱水反応を行わせる観点から、300℃以上、好ましくは500℃以上である。なお、加熱温度の上限値は特に制限はないが、通常1000℃以下である。この温度域であれば特に制限はないが、より高温にするとより導電性を向上させることができ、より低温にするとより高アスペクト比の形状を維持することができる。このため、用途に応じて適宜設定することが好ましい。   The temperature at this time is 300 ° C. or higher, preferably 500 ° C. or higher, from the viewpoint of more reliably performing the dehydration reaction. The upper limit of the heating temperature is not particularly limited, but is usually 1000 ° C. or lower. If it is in this temperature range, there is no restriction in particular, but if the temperature is higher, the conductivity can be improved, and if the temperature is lower, the shape with a higher aspect ratio can be maintained. For this reason, it is preferable to set suitably according to a use.

焼成の雰囲気は特に制限されるわけではないが、導電性を高めるという観点から低酸素条件、つまり減圧下、不活性雰囲気下、還元雰囲気下等が好ましい。特に、10kPa以下の減圧下、又は不活性雰囲気に水素を混合した還元雰囲気下がさらに好ましい。   The firing atmosphere is not particularly limited, but low oxygen conditions, that is, reduced pressure, inert atmosphere, reducing atmosphere, and the like are preferable from the viewpoint of enhancing conductivity. In particular, a reduced pressure of 10 kPa or less or a reducing atmosphere in which hydrogen is mixed in an inert atmosphere is more preferable.

つまり、工程(3)は、
(3−1)10kPa以下の減圧下に300℃以上で熱処理する工程、又は
(3−2)還元雰囲気下に300℃以上で熱処理する工程
とすることが好ましい。なかでも、工程(3−2)が導電性が向上するため好ましいが、工程(3−1)のほうが簡便である。
That is, step (3)
(3-1) It is preferable to set it as the process heat-processed at 300 degreeC or more under the reduced pressure of 10 kPa or less, or (3-2) the process heat-processed at 300 degreeC or more in a reducing atmosphere. Among these, the step (3-2) is preferable because the conductivity is improved, but the step (3-1) is simpler.

なお、雰囲気を減圧下とする場合は、圧力は10kPa以下が好ましく、5kPa以下がより好ましい。また、下限値は特に制限はないが、通常0.001Pa程度である。   In addition, when making atmosphere into pressure reduction, a pressure is 10 kPa or less, and 5 kPa or less is more preferable. The lower limit is not particularly limited, but is usually about 0.001 Pa.

また、雰囲気を還元雰囲気とする場合、窒素雰囲気、アルゴン雰囲気等の不活性雰囲気に水素を混合した還元雰囲気下が好ましく、この際の水素ガスの量は、0.1〜4mol%程度が好ましく、0.5〜3mol%程度がより好ましい。   Further, when the atmosphere is a reducing atmosphere, a reducing atmosphere in which hydrogen is mixed in an inert atmosphere such as a nitrogen atmosphere or an argon atmosphere is preferable, and the amount of hydrogen gas at this time is preferably about 0.1 to 4 mol%, About 0.5-3 mol% is more preferable.

このようにして得られる酸化チタン構造体は、上記の「1.酸化チタン構造体」にて説明したような特性を有するものである。   The titanium oxide structure thus obtained has the characteristics described in the above “1. Titanium oxide structure”.

なお、上記では本発明の酸化チタン構造体の製造方法の一例を示したが、例えば、酸化チタン及び/又はその前駆体とアルカリ水溶液とを用いた水熱合成法(160℃より高い温度)により酸化チタンからなる構造体を合成し、その後V、Nb、Ta、B等の第3成分をドープしてもよい。ただし、上記第3成分を大量に含ませる場合は、上記本発明の製造方法により製造することが好ましい。   In addition, although the example of the manufacturing method of the titanium oxide structure of the present invention has been described above, for example, by a hydrothermal synthesis method (temperature higher than 160 ° C.) using titanium oxide and / or a precursor thereof and an alkaline aqueous solution. A structure made of titanium oxide may be synthesized and then doped with a third component such as V, Nb, Ta, or B. However, when a large amount of the third component is contained, it is preferably produced by the production method of the present invention.

3.多孔質酸化チタン膜
本発明の多孔質酸化チタン膜は、本発明の酸化チタン構造体を含む。なお、本発明の多孔質酸化チタン膜は、必ずしも本発明の酸化チタン構造体のみからなる必要はなく、例えば、平均粒子径が1〜500nm、特に5〜100nmの酸化チタン微粒子;公知の酸化チタンナノチューブ;公知の酸化チタンナノロッド;公知の酸化チタンナノファイバー;酸化チタンナノ粒子のチューブ状集合体等の高アスペクト比を有する酸化チタン構造体等を含んでいてもよい。
3. Porous titanium oxide film The porous titanium oxide film of the present invention includes the titanium oxide structure of the present invention. The porous titanium oxide film of the present invention is not necessarily composed of only the titanium oxide structure of the present invention. For example, titanium oxide fine particles having an average particle diameter of 1 to 500 nm, particularly 5 to 100 nm; A titanium oxide nanorod; a known titanium oxide nanofiber; a titanium oxide structure having a high aspect ratio, such as a tubular aggregate of titanium oxide nanoparticles, and the like may be included.

特に、本発明の酸化チタン構造体と酸化チタン微粒子とを混合する場合には、本発明の多孔質酸化チタン膜の強度を向上させ、クラック等の不良を抑制できる。   In particular, when the titanium oxide structure of the present invention and the titanium oxide fine particles are mixed, the strength of the porous titanium oxide film of the present invention can be improved and defects such as cracks can be suppressed.

なお、本発明の多孔質酸化チタン膜中に、本発明の酸化チタン構造体と他の成分とを含ませる場合には、本発明の多孔質酸化チタン膜は、「本発明の酸化チタン構造体と他の成分とを含む層からなるもの」であってもよいし、「他の成分を含む層と、本発明の酸化チタン構造体を含む層の少なくとも2層からなるもの」であってもよい。もちろん、3層以上の構成を有していてもよい。   When the titanium oxide structure of the present invention and other components are included in the porous titanium oxide film of the present invention, the porous titanium oxide film of the present invention is “the titanium oxide structure of the present invention. Or a layer containing other components ”or“ consisting of at least two layers of a layer containing other components and a layer containing the titanium oxide structure of the present invention ”. Good. Of course, you may have the structure of three or more layers.

本発明の多孔質酸化チタン膜中に、本発明の酸化チタン構造体とその他の成分とを含ませる場合、本発明の酸化チタン構造体の含有量を加える目的や組み合わせるその他の成分の種類によって異なるが、導電性及び強度を向上させるために、本発明の酸化チタン構造体の含有量を、0.1〜95重量%程度が好ましく、1〜90重量%程度がより好ましい。光の拡散効果を強くしたい場合は本発明の酸化チタン構造体の比率を大きくし(例えば5〜95重量%程度)、膜の透明性をできるだけ保持したい場合や、比表面積を大きくする必要がありかつ組み合わせるその他の成分の比表面積の方が大きい場合は、本発明の酸化チタン構造体の比率を少なめに(例えば1〜20重量%程度)すればよい。   When the titanium oxide structure of the present invention and other components are included in the porous titanium oxide film of the present invention, it depends on the purpose of adding the content of the titanium oxide structure of the present invention and the types of other components to be combined. However, in order to improve conductivity and strength, the content of the titanium oxide structure of the present invention is preferably about 0.1 to 95% by weight, more preferably about 1 to 90% by weight. In order to increase the light diffusion effect, the ratio of the titanium oxide structure of the present invention should be increased (for example, about 5 to 95% by weight) to maintain the transparency of the film as much as possible, or the specific surface area must be increased. In addition, when the specific surface area of the other components to be combined is larger, the ratio of the titanium oxide structure of the present invention may be reduced (for example, about 1 to 20% by weight).

本発明の多孔質酸化チタン膜の製造方法としては、特に制限されるわけではないが、例えば、本発明の酸化チタン構造体を含む膜形成用組成物を作製し、適当な基板上に当該膜形成用組成物を塗布及び乾燥させることが好ましい。また、乾燥させた後、得られた膜に、必要に応じて加熱処理を施して焼成させてもよい。   The production method of the porous titanium oxide film of the present invention is not particularly limited. For example, a film-forming composition containing the titanium oxide structure of the present invention is prepared, and the film is formed on a suitable substrate. It is preferred to apply and dry the forming composition. Further, after drying, the obtained film may be subjected to a heat treatment as necessary to be baked.

基板としては、特に制限はなく、常温においてほぼ平滑な面を有するものが使用でき、その面は平面又は曲面のいずれでもよく、また応力によって変形するものであってもよい。使用できる基板の具体例としては、例えば、各種ガラス;PET(ポリエチレンテレフタレート)、PEN(ポリエチレンナフタレート)等の透明樹脂等が挙げられる。また、色素増感太陽電池用の負極材料として本発明の多孔質酸化チタン膜を用い、かつ対極側から光を取り入れる構造の場合は必ずしも基板が透明である必要はなく、導電性のあるアルミニウム、チタン、クロム、ステンレス等を使用しても良い。   There is no restriction | limiting in particular as a board | substrate, What has a substantially smooth surface at normal temperature can be used, The surface may be either a plane or a curved surface, and may deform | transform by stress. Specific examples of the substrate that can be used include various glasses; transparent resins such as PET (polyethylene terephthalate) and PEN (polyethylene naphthalate). In addition, the porous titanium oxide film of the present invention is used as a negative electrode material for a dye-sensitized solar cell, and in the case of a structure that incorporates light from the counter electrode side, the substrate does not necessarily have to be transparent, conductive aluminum, Titanium, chromium, stainless steel, etc. may be used.

塗布方法は特に制限はなく、スクリーン印刷、ディップコート、スプレーコート、スピンコート、スキージ法等の常法を採用できる。   The coating method is not particularly limited, and conventional methods such as screen printing, dip coating, spray coating, spin coating, and squeegee method can be employed.

また、乾燥条件及び焼成条件は特に制限はなく、乾燥温度を60〜250℃程度、焼成温度を250〜800℃程度とすることが好ましい。   Moreover, there is no restriction | limiting in particular in drying conditions and baking conditions, It is preferable that drying temperature shall be about 60-250 degreeC and baking temperature shall be about 250-800 degreeC.

本発明の多孔質酸化チタン膜の作製に当たっては、得られる膜の膜厚が0.5〜50μm程度となるように塗布することが好ましい。   In producing the porous titanium oxide film of the present invention, it is preferable to apply so that the film thickness of the obtained film is about 0.5 to 50 μm.

なお、本発明の多孔質酸化チタン膜を、酸化チタン微粒子を含む層と、本発明の酸化チタン構造体を含む層の2層を有するものとする場合には、例えば、酸化チタン微粒子を含む膜形成用組成物を基板上に塗布及び乾燥した後、酸化チタン微粒子を含む層の上に、本発明の酸化チタン構造体を含む膜形成用組成物を塗布及び乾燥することが好ましい。もちろん、3層以上からなる多孔質酸化チタン膜を形成する場合には、塗布及び乾燥工程を3回以上に分けて行うことが好ましい。   When the porous titanium oxide film of the present invention has two layers, a layer containing titanium oxide fine particles and a layer containing the titanium oxide structure of the present invention, for example, a film containing titanium oxide fine particles It is preferable to apply and dry the film-forming composition containing the titanium oxide structure of the present invention on the layer containing fine titanium oxide particles after coating and drying the forming composition on the substrate. Of course, when forming a porous titanium oxide film consisting of three or more layers, it is preferable to carry out the coating and drying steps in three or more steps.

4.電極
本発明の電極を形成する際には、上述の多孔質酸化チタン膜を、導電性の樹脂基板又はガラス基板の上に形成することが好ましい。
4). Electrode When forming the electrode of this invention, it is preferable to form the above-mentioned porous titanium oxide film on a conductive resin substrate or a glass substrate.

樹脂基板としては、導電性の樹脂基板であれば特に制限されないが、例えば、ポリエチレンナフタレート樹脂基板(PEN樹脂基板)、ポリエチレンテレフタレート樹脂基板(PET樹脂基板)等のポリエステル;ポリアミド;ポリスルホン;ポリエーテルサルホン;ポリエーテルエーテルケトン;ポリフェニレンサルファイド;ポリカーボネート;ポリイミド;ポリメチルメタクリレート;ポリスチレン;トリ酢酸セルロース;ポリメチルペンテン等が挙げられる。   The resin substrate is not particularly limited as long as it is a conductive resin substrate. For example, polyester such as polyethylene naphthalate resin substrate (PEN resin substrate) and polyethylene terephthalate resin substrate (PET resin substrate); polyamide; polysulfone; polyether Examples include sulfone, polyether ether ketone, polyphenylene sulfide, polycarbonate, polyimide, polymethyl methacrylate, polystyrene, cellulose triacetate, and polymethylpentene.

ガラス基板としても特に制限はなく、公知又は市販のものを使用でき、無色又は有色ガラス、網入りガラス、ガラスブロック等のいずれでもよい。   There is no restriction | limiting in particular also as a glass substrate, Well-known or a commercially available thing can be used, and any of colorless or colored glass, meshed glass, a glass block etc. may be sufficient.

この樹脂基板又はガラス基板としては、板厚が0.05〜10mm程度のものを使用できる。   As this resin substrate or glass substrate, a substrate having a thickness of about 0.05 to 10 mm can be used.

本発明では、多孔質酸化チタン膜は、樹脂基板又はガラス基板の表面上に直接形成されていてもよいが、透明導電膜を介して形成されていてもよい。   In the present invention, the porous titanium oxide film may be directly formed on the surface of the resin substrate or the glass substrate, but may be formed via a transparent conductive film.

透明導電膜としては、例えば、スズドープ酸化インジウム膜(ITO膜)、フッ素ドープ酸化スズ膜(FTO膜)、アンチモンドープ酸化スズ膜(ATO膜)アルミニウムドープ酸化亜鉛膜(AZO膜)、ガリウムドープ酸化亜鉛膜(GZO膜)等が挙げられる。これらの透明導電膜を介することで、発生した電流を外部にとりだすことが容易となる。これらの透明導電膜の膜厚は、0.02〜10μm程度とするのが好ましい。   Examples of the transparent conductive film include a tin-doped indium oxide film (ITO film), a fluorine-doped tin oxide film (FTO film), an antimony-doped tin oxide film (ATO film), an aluminum-doped zinc oxide film (AZO film), and a gallium-doped zinc oxide. Examples include a film (GZO film). By passing through these transparent conductive films, it becomes easy to take out the generated current to the outside. The film thickness of these transparent conductive films is preferably about 0.02 to 10 μm.

本発明の電極としては、例えば、以下に示す2態様が挙げられる。   Examples of the electrode of the present invention include the following two embodiments.

<態様1>
樹脂基板又はガラス基板上に、本発明の多孔質酸化チタン膜を、透明導電膜を介して形成し、本発明の電極とすることができる。なお、樹脂基板、ガラス基板及び透明導電膜は上述したとおりのものである。
<Aspect 1>
The porous titanium oxide film of the present invention can be formed on a resin substrate or a glass substrate via a transparent conductive film to form the electrode of the present invention. The resin substrate, the glass substrate and the transparent conductive film are as described above.

具体的には、以下のように、電極を形成すればよい。   Specifically, an electrode may be formed as follows.

まず、樹脂基板又はガラス基板上に、真空蒸着法、イオンプレーティング法、CVD法、スパッタリング法、ゾルーゲル法、ナノ粒子コンポジット等により透明導電膜を形成する。これにより得られる基板の表面抵抗は、50Ω/sq.以下とすることが好ましい。   First, a transparent conductive film is formed on a resin substrate or a glass substrate by a vacuum deposition method, an ion plating method, a CVD method, a sputtering method, a sol-gel method, a nanoparticle composite, or the like. The surface resistance of the substrate thus obtained is 50 Ω / sq. The following is preferable.

そして、その上に、上述の膜形成用組成物を塗布及び乾燥し、必要に応じて加熱させることが好ましい。樹脂基板を使用する場合には、乾燥条件及び加熱条件は、150℃以下とすることが好ましい。   And it is preferable to apply | coat and dry the above-mentioned film forming composition on it, and to heat it as needed. In the case of using a resin substrate, the drying conditions and heating conditions are preferably 150 ° C. or lower.

この際、得られる膜の膜厚が2〜40μm程度となるように塗布することが、クラック抑制及び基板との密着性の観点から好ましい。   At this time, it is preferable from the viewpoint of crack suppression and adhesion to the substrate that the obtained film has a thickness of about 2 to 40 μm.

<態様2>
樹脂基板又はガラス基板上に、本発明の多孔質酸化チタン膜を直接形成し、さらにその上に、多孔質金属膜を形成して本発明の電極としてもよい。なお、樹脂基板及びガラス基板は上述したとおりのものである。また、樹脂基板又はガラス基板上に、本発明の多孔質酸化チタン膜を形成する際には、上記態様1と同様の方法を採用することができる。
<Aspect 2>
The porous titanium oxide film of the present invention may be directly formed on a resin substrate or a glass substrate, and a porous metal film may be further formed thereon to form the electrode of the present invention. The resin substrate and the glass substrate are as described above. Moreover, when forming the porous titanium oxide film of this invention on a resin substrate or a glass substrate, the method similar to the said aspect 1 is employable.

態様2で使用できる多孔質金属膜としては、ヨウ素イオン、臭素イオン等の電解液中に含まれるイオンに侵されない(反応しない)金属であれば特に限定されないが、例えば、チタン、タングステン、白金、金等が挙げられる。これらの多孔質金属膜を形成することで、発生した電流を外部にとりだすことが容易となる。これらの多孔質金属膜の表面低効率は、特に限定されないが、10Ω/sq.以下であればよく、膜厚も特に限定されないが、150nm以上とするのが好ましい。   The porous metal film that can be used in the embodiment 2 is not particularly limited as long as it is a metal that is not attacked (reacted) by ions contained in the electrolytic solution such as iodine ions and bromine ions. For example, titanium, tungsten, platinum, Gold etc. are mentioned. By forming these porous metal films, the generated current can be easily taken out to the outside. The surface low efficiency of these porous metal films is not particularly limited, but is 10 Ω / sq. The film thickness is not particularly limited, but is preferably 150 nm or more.

樹脂基板又はガラス基板上に形成された多孔質酸化チタン膜のさらに上に、多孔質金属膜を形成するには、スパッタ法等の薄膜形成法により形成すればよい。   In order to form the porous metal film on the porous titanium oxide film formed on the resin substrate or the glass substrate, it may be formed by a thin film forming method such as a sputtering method.

5.光電変換素子及び色素増感太陽電池
本発明の光電変換素子は、本発明の電極の多孔質酸化チタン膜の上に対向電極(対極)を形成し、これら電極間を、ヨウ素及びヨウ化物又は臭素及び臭化物を含むアセトニトリル溶液、エチレンカーボネート溶液、又はプロピレンカーボネート溶液、及びそれらの混合溶液等の電解液で満たすことにより作製できる。また、本発明の色素増感太陽電池は、当該光電変換素子をモジュール化するとともに、所定の電気配線を設けることによって得られる。
5. Photoelectric conversion element and dye-sensitized solar cell The photoelectric conversion element of the present invention forms a counter electrode (counter electrode) on the porous titanium oxide film of the electrode of the present invention, and iodine and iodide or bromine are formed between these electrodes. And an acetonitrile solution containing bromide, an ethylene carbonate solution, or a propylene carbonate solution, and a mixed solution thereof. The dye-sensitized solar cell of the present invention can be obtained by modularizing the photoelectric conversion element and providing predetermined electrical wiring.

このように、本発明の電極を負極として用いることにより、発生した電子を速やかに負極側の導電ガラスに運ぶことができる。また、負極材料として酸化チタン微粒子を使用した場合と比較し、光を拡散しやすくし、光利用効率を向上させることができる。また、負極に適度な隙間を形成し、電解液の拡散を容易にすることができる。さらに、負極の多孔質酸化チタン膜の強度を向上させ、リーク電流等の要因となるクラックを防止することもできる。   Thus, by using the electrode of the present invention as the negative electrode, the generated electrons can be quickly conveyed to the conductive glass on the negative electrode side. Further, compared with the case where titanium oxide fine particles are used as the negative electrode material, light can be easily diffused and the light utilization efficiency can be improved. In addition, an appropriate gap can be formed in the negative electrode to facilitate the diffusion of the electrolytic solution. Furthermore, the strength of the porous titanium oxide film of the negative electrode can be improved, and cracks that cause a leak current or the like can be prevented.

対極は、導電性材料からなる単層構造でもよいし、導電層と基板とから構成されていてもよい。基板としては、特に限定されず、材質、厚さ、寸法、形状等は目的に応じて適宜選択することができ、例えば、金属、無色又は有色ガラス、網入りガラス、ガラスブロック等が用いられる他、樹脂でも良い。かかる樹脂としては、ポリエチレンテレフタレート等のポリエステル、ポリアミド、ポリスルホン、ポリエーテルサルホン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリフェニレンサルファイド、ポリカーボネート、ポリイミド、ポリメチルメタクリレート、ポリスチレン、トリ酢酸セルロース、ポリメチルペンテン等が挙げられる。また、電荷輸送層上に直接導電性材料を塗布、メッキ又は蒸着(PVD、CVD)して対極を形成してもよい。   The counter electrode may have a single layer structure made of a conductive material, or may be composed of a conductive layer and a substrate. The substrate is not particularly limited, and the material, thickness, dimensions, shape, and the like can be appropriately selected according to the purpose. For example, metal, colorless or colored glass, meshed glass, glass block, etc. are used. Resin may be used. Examples of such resins include polyesters such as polyethylene terephthalate, polyamide, polysulfone, polyether sulfone, polyether ether ketone, polyphenylene sulfide, polycarbonate, polyimide, polymethyl methacrylate, polystyrene, cellulose triacetate, and polymethylpentene. Alternatively, a counter electrode may be formed by directly applying, plating, or vapor-depositing (PVD, CVD) a conductive material on the charge transport layer.

なお、本発明の電極を対極として用いることもできる。本発明の電極を対極として使用すれば、触媒の有効面積の拡大、電解液の拡散の促進、対極の触媒層の強度の向上等の効果が期待できる。   The electrode of the present invention can also be used as a counter electrode. If the electrode of the present invention is used as a counter electrode, effects such as expansion of the effective area of the catalyst, promotion of diffusion of the electrolyte, and improvement of the strength of the catalyst layer of the counter electrode can be expected.

導電性材料としては、白金、金、ニッケル、チタン、アルミニウム、銅、銀、タングステン等の金属や、炭素材料、導電性有機物等の比抵抗の小さな材料が用いられる。   As the conductive material, metals such as platinum, gold, nickel, titanium, aluminum, copper, silver, and tungsten, and materials having a small specific resistance such as carbon materials and conductive organic substances are used.

また、対極の抵抗を下げる目的で金属リードを用いても良い。金属リードは白金、金、ニッケル、チタン、アルミニウム、銅、銀、タングステン等の金属からなるのが好ましく、アルミニウム又は銀からなるのが特に好ましい。   A metal lead may be used for the purpose of reducing the resistance of the counter electrode. The metal lead is preferably made of a metal such as platinum, gold, nickel, titanium, aluminum, copper, silver or tungsten, and particularly preferably made of aluminum or silver.

本発明では、対極を形成する前に、本発明の電極の光吸収効率を向上すること等を目的として、多孔質酸化チタン膜に色素を担持(吸着、含有など)させることが好ましい。   In the present invention, before forming the counter electrode, for the purpose of improving the light absorption efficiency of the electrode of the present invention, it is preferable to support (adsorb, contain, etc.) a dye on the porous titanium oxide film.

色素は、可視域や近赤外域に吸収特性を有し、半導体層の光吸収効率を向上(増感)させる色素であれば特に限定されないが、金属錯体色素、有機色素、天然色素、半導体等が好ましい。また、多孔質酸化チタン膜への吸着性を付与するために、色素の分子中にカルボキシル基、ヒドロキシル基、スルホニル基、ホスホニル基、カルボキシルアルキル基、ヒドロキシアルキル基、スルホニルアルキル基、ホスホニルアルキル基等の官能基を有するものが好適に用いられる。   The dye is not particularly limited as long as it has absorption characteristics in the visible region and near infrared region, and improves (sensitizes) the light absorption efficiency of the semiconductor layer. However, metal complex dyes, organic dyes, natural dyes, semiconductors, etc. Is preferred. In addition, in order to impart adsorptivity to the porous titanium oxide film, a carboxyl group, hydroxyl group, sulfonyl group, phosphonyl group, carboxylalkyl group, hydroxyalkyl group, sulfonylalkyl group, phosphonylalkyl group in the dye molecule Those having a functional group such as are preferably used.

金属錯体色素としては、例えば、ルテニウム、オスミウム、鉄、コバルト、亜鉛、水銀の錯体(例えば、メリクルクロム等)や、金属フタロシアニン、クロロフィル等を用いることができる。また、有機色素としては、例えば、シアニン系色素、ヘミシアニン系色素、メロシアニン系色素、キサンテン系色素、トリフェニルメタン系色素、金属フリーフタロシアニン系色素等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。色素として用いることができる半導体としては、i型の光吸収係数が大きなアモルファス半導体や直接遷移型半導体、量子サイズ効果を示し、可視光を効率よく吸収する微粒子半導体が好ましい。通常、各種の半導体や金属錯体色素や有機色素の一種、又は光電変換の波長域をできるだけ広くし、かつ変換効率を上げるため、二種類以上の色素を混合することができる。また、目的とする光源の波長域と強度分布に合わせるように、混合する色素とその割合を選ぶことができる。   As the metal complex dye, for example, a ruthenium, osmium, iron, cobalt, zinc, mercury complex (for example, mellicle chromium), metal phthalocyanine, chlorophyll, or the like can be used. Examples of organic dyes include, but are not limited to, cyanine dyes, hemicyanine dyes, merocyanine dyes, xanthene dyes, triphenylmethane dyes, metal-free phthalocyanine dyes, and the like. . As a semiconductor that can be used as a dye, an amorphous semiconductor having a large i-type light absorption coefficient, a direct transition semiconductor, or a fine particle semiconductor that exhibits a quantum size effect and efficiently absorbs visible light is preferable. Usually, one of various semiconductors, metal complex dyes and organic dyes, or two or more kinds of dyes can be mixed in order to make the wavelength range of photoelectric conversion as wide as possible and increase the conversion efficiency. Moreover, the pigment | dye to mix and its ratio can be selected so that it may match with the wavelength range and intensity distribution of the target light source.

色素を多孔質酸化チタン膜に吸着させる方法としては、例えば、溶媒に色素を溶解させた溶液を、多孔質酸化チタン膜上にスプレーコートやスピンコート等により塗布した後、乾燥する方法により形成することができる。この場合、適当な温度に基板を加熱してもよい。また、多孔質酸化チタン膜を溶液に浸漬して吸着させる方法を用いることもできる。浸漬する時間は色素が充分に吸着すれば特に制限されることはないが、好ましくは10分〜30時間、より好ましくは1〜20時間である。また、必要に応じて浸漬する際に溶媒や基板を加熱しても良い。溶液にする場合の色素の濃度としては、1〜1000mmol/L、好ましくは10〜500mmol/L程度である。   As a method for adsorbing the dye on the porous titanium oxide film, for example, a solution in which the dye is dissolved in a solvent is applied on the porous titanium oxide film by spray coating or spin coating and then dried. be able to. In this case, the substrate may be heated to an appropriate temperature. Alternatively, a method of immersing and adsorbing a porous titanium oxide film in a solution can be used. The immersion time is not particularly limited as long as the dye is sufficiently adsorbed, but is preferably 10 minutes to 30 hours, more preferably 1 to 20 hours. Moreover, you may heat a solvent and a board | substrate when immersing as needed. The concentration of the dye in the case of forming a solution is about 1 to 1000 mmol / L, preferably about 10 to 500 mmol / L.

用いる溶媒は特に制限されるものではないが、水及び有機溶媒が好ましく用いられる。有機溶媒としては、例えば、メタノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノール、1−ブタノール、2−ブタノール、t−ブタノール等のアルコール類;アセトニトリル、プロピオニトリル、メトキシプロピオニトリル、グルタロニトリル等のニトリル類;ベンゼン、トルエン、o−キシレン、m−キシレン、p−キシレン等の芳香族炭化水素;ペンタン、ヘキサン、ヘプタン等の脂肪族炭化水素;シクロヘキサン等の脂環式炭化水素;アセトン、メチルエチルケトン、ジエチルケトン、2−ブタノン等のケトン類;ジエチルエーテル、テトラヒドロフラン等のエーテル類;エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ニトロメタン、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、ヘキサメチルホスホアミド、ジメトキシエタン、γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン、スルホラン、ジメトキシエタン、アジポニトリル、メトキシアセトニトリル、ジメチルアセトアミド、メチルピロリジノン、ジメチルスルホキシド、ジオキソラン、スルホラン、リン酸トリメチル、リン酸トリエチル、リン酸トリプロピル、リン酸エチルジメチル、リン酸トリブチル、リン酸トリペンチル、リン酸トリへキシル、リン酸トリヘプチル、リン酸トリオクチル、リン酸トリノニル、リン酸トリデシル、リン酸トリス(トリフフロロメチル)、リン酸トリス(ペンタフロロエチル)、リン酸トリフェニルポリエチレングリコール、ポリエチレングリコール等が挙げられる。   The solvent to be used is not particularly limited, but water and an organic solvent are preferably used. Examples of the organic solvent include alcohols such as methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, 1-butanol, 2-butanol, and t-butanol; acetonitrile, propionitrile, methoxypropionitrile, glutaronitrile, and the like. Nitriles; aromatic hydrocarbons such as benzene, toluene, o-xylene, m-xylene, p-xylene; aliphatic hydrocarbons such as pentane, hexane, heptane; alicyclic hydrocarbons such as cyclohexane; acetone, methyl ethyl ketone Ketones such as diethyl ketone and 2-butanone; ethers such as diethyl ether and tetrahydrofuran; ethylene carbonate, propylene carbonate, nitromethane, dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, hexamethylphosphoamide, dimethoxy Ethane, γ-butyrolactone, γ-valerolactone, sulfolane, dimethoxyethane, adiponitrile, methoxyacetonitrile, dimethylacetamide, methylpyrrolidinone, dimethylsulfoxide, dioxolane, sulfolane, trimethyl phosphate, triethyl phosphate, tripropyl phosphate, ethyl phosphate Dimethyl, tributyl phosphate, tripentyl phosphate, trihexyl phosphate, triheptyl phosphate, trioctyl phosphate, trinonyl phosphate, tridecyl phosphate, tris phosphate (trifluoromethyl), tris phosphate (pentafluoroethyl), Examples thereof include triphenyl polyethylene glycol phosphate and polyethylene glycol.

色素間の凝集等の相互作用を低減するために、界面活性剤としての性質を持つ無色の化合物を色素吸着液に添加し、多孔質酸化チタン膜に共吸着させてもよい。このような無色の化合物の例としては、カルボキシル基やスルホ基を有するコール酸、デオキシコール酸、ケノデオキシコール酸、タウロデオキシコール酸等のステロイド化合物やスルホン酸塩類等が挙げられる。   In order to reduce the interaction such as aggregation between the dyes, a colorless compound having properties as a surfactant may be added to the dye adsorbing liquid and co-adsorbed on the porous titanium oxide film. Examples of such colorless compounds include steroid compounds such as cholic acid having a carboxyl group or sulfo group, deoxycholic acid, chenodeoxycholic acid, taurodeoxycholic acid, sulfonates, and the like.

未吸着の色素は、吸着工程後、速やかに洗浄により除去するのが好ましい。洗浄は湿式洗浄槽中でアセトニトリル、アルコール系溶媒等を用いて行うのが好ましい。   It is preferable to remove the unadsorbed dye by washing immediately after the adsorption step. Washing is preferably performed using acetonitrile, an alcohol solvent or the like in a wet washing tank.

色素を吸着させた後、アミン類、4級アンモニウム塩、少なくとも1つのウレイド基を有するウレイド化合物、少なくとも1つのシリル基を有するシリル化合物、アルカリ金属塩、アルカリ土類金属塩等を用いて、多孔質酸化チタン膜の表面を処理してもよい。好ましいアミン類の例としては、ピリジン、4−t−ブチルピリジン、ポリビニルピリジン等が挙げられる。好ましい4級アンモニウム塩の例としては、テトラブチルアンモニウムヨージド、テトラヘキシルアンモニウムヨージド等が挙げられる。これらは有機溶媒に溶解して用いてもよく、液体の場合はそのまま用いてもよい。   After adsorbing the dye, porous using amines, quaternary ammonium salts, ureido compounds having at least one ureido group, silyl compounds having at least one silyl group, alkali metal salts, alkaline earth metal salts, etc. The surface of the quality titanium oxide film may be treated. Examples of preferred amines include pyridine, 4-t-butylpyridine, polyvinylpyridine and the like. Examples of preferred quaternary ammonium salts include tetrabutylammonium iodide, tetrahexylammonium iodide and the like. These may be used by dissolving in an organic solvent, or may be used as they are in the case of a liquid.

6.他の用途
本発明の酸化チタン構造体は、色素増感太陽電池以外にも、光触媒、センサー、樹脂強化材、金属イオン担持体等に用いることができる。その際、上記の「3.多孔質酸化チタン膜」等と同様に、本発明の酸化チタン構造体を単独で用いてもよいし、本発明の酸化チタン構造体と酸化チタン微粒子等とを混合して用いてもよい。
6). Other Applications The titanium oxide structure of the present invention can be used for a photocatalyst, a sensor, a resin reinforcing material, a metal ion carrier, etc. in addition to a dye-sensitized solar cell. At that time, the titanium oxide structure of the present invention may be used alone, or the titanium oxide structure of the present invention and titanium oxide fine particles may be mixed in the same manner as in the above “3. Porous titanium oxide film”. May be used.

本発明の酸化チタン構造体と酸化チタン微粒子等とを混合して用いれば、強度を向上させ、クラック等の不良を抑制することができる。   If the titanium oxide structure of the present invention and titanium oxide fine particles are mixed and used, the strength can be improved and defects such as cracks can be suppressed.

実施例に基づいて、本発明を具体的に説明するが、本発明は、これらのみに限定されるものではない。   The present invention will be specifically described based on examples, but the present invention is not limited to these examples.

実施例1
平均粒子径が7nmの酸化チタン微粒子0.8gと酸化ニオブ0.066gを100gの蒸留水を加え撹拌した後、40gのNaOHを加えさらに5分間撹拌した(酸化チタンの濃度:0.1mol/L、酸化ニオブ由来のニオブ濃度0.005mol/L、アルカリ水溶液の濃度:10mol/L)。この混合液をPTFEライニングしたSUS316製圧力容器に入れて250℃加熱炉中で12時間静置したところ、白色の沈殿が得られた。
Example 1
After adding 0.8 g of titanium oxide fine particles having an average particle diameter of 7 nm and 0.066 g of niobium oxide to 100 g of distilled water and stirring, 40 g of NaOH was added and further stirred for 5 minutes (concentration of titanium oxide: 0.1 mol / L). Niobium concentration derived from niobium oxide 0.005 mol / L, concentration of aqueous alkali solution: 10 mol / L). When this mixed solution was placed in a PTFE-lined SUS316 pressure vessel and allowed to stand in a 250 ° C. heating furnace for 12 hours, a white precipitate was obtained.

この沈殿を500mlの蒸留水中で激しく撹拌した後、減圧濾過するという操作を3回繰り返した後、pH1の塩酸500g中で24時間撹拌した。さらに得られた物質を500mlの蒸留水中で撹拌した後減圧濾過するという操作を5回繰り返し、白色のケーキが得られた。これをTEMで観察した結果を図1に示す。平均幅80nm、平均長さ6μmの大きいアスペクト比(平均アスペクト比:74)を有する板状の物質であることが分かった。   The precipitate was vigorously stirred in 500 ml of distilled water and then filtered under reduced pressure three times, followed by stirring in 500 g of pH 1 hydrochloric acid for 24 hours. Further, the operation of stirring the obtained substance in 500 ml of distilled water and then filtering under reduced pressure was repeated 5 times to obtain a white cake. The result of observing this with TEM is shown in FIG. It was found to be a plate-like substance having a large aspect ratio (average aspect ratio: 74) having an average width of 80 nm and an average length of 6 μm.

その後、得られた白色のケーキを700℃の減圧(0.3〜0.5kPa)下で熱処理(焼成)したところ、0.8gの白色の物質が得られた。   Then, when the obtained white cake was heat-processed (baked) under reduced pressure (0.3-0.5 kPa) of 700 degreeC, 0.8 g of white substance was obtained.

この物質をSEM及びTEMで観察したところ、平均幅100nm、平均長さ5μmの大きいアスペクト比(平均アスペクト比:50)を有する板状の物質であり、焼成前後で形状をほぼ維持できることがわかった。また、1個1個の構造体が独立しており、分散性に優れることも分かった。さらに、この物質のNb/Ti比を測定したところ、5mol%であった。   When this material was observed by SEM and TEM, it was found that it was a plate-like material having a large aspect ratio (average aspect ratio: 50) having an average width of 100 nm and an average length of 5 μm, and the shape could be substantially maintained before and after firing. . It was also found that each structure is independent and excellent in dispersibility. Furthermore, when Nb / Ti ratio of this substance was measured, it was 5 mol%.

また、この物質を10MPaで厚さ0.3mmの平板状に加工し、ペレット間に電圧1V印加して粉体抵抗を測定したところ、1.0×10Ω・mであった。また、BET比表面積を測定したところ、20m/gであった。ICP発光分光分析法にてアルカリ金属(ナトリウム)含有量を測定したところ検出限界以下(500ppm以下)であった。 Further, this material was processed into a flat plate having a thickness of 0.3 mm at 10 MPa, and a voltage of 1 V was applied between the pellets to measure the powder resistance. As a result, it was 1.0 × 10 4 Ω · m. Moreover, it was 20 m < 2 > / g when the BET specific surface area was measured. When the alkali metal (sodium) content was measured by ICP emission spectrometry, it was below the detection limit (500 ppm or less).

なお、以下の実施例及び比較例においても、構造体の評価は同様に測定した。   In the following examples and comparative examples, the structures were evaluated in the same manner.

実施例2
平均粒子径が25nmの酸化チタン微粒子0.8gを用いる以外は、実施例1と同様に実験を行った。
Example 2
The experiment was performed in the same manner as in Example 1 except that 0.8 g of titanium oxide fine particles having an average particle diameter of 25 nm were used.

その結果、0.8gの白色物質が得られ、平均幅90nm、平均長さ4.5μm(平均アスペクト比:50)であり、粉体抵抗は1.1×10Ωmであった。なお、TEMで観察した結果を図2に示す。また、1個1個の構造体が独立しており、分散性に優れることも分かった。 As a result, 0.8 g of a white substance was obtained, the average width was 90 nm, the average length was 4.5 μm (average aspect ratio: 50), and the powder resistance was 1.1 × 10 4 Ωm. In addition, the result observed with TEM is shown in FIG. It was also found that each structure is independent and excellent in dispersibility.

また、この物質のNb/Ti比を測定したところ、5mol%であった。さらに、BET比表面積を測定したところ、22m/gであった。アルカリ金属(ナトリウム)含有量を測定したところ検出限界以下(500ppm以下)であった。 Moreover, it was 5 mol% when Nb / Ti ratio of this substance was measured. Furthermore, it was 22 m < 2 > / g when the BET specific surface area was measured. When the alkali metal (sodium) content was measured, it was below the detection limit (500 ppm or less).

実施例3
平均粒子径が4nmの酸化チタンゾル100g(酸化チタンを0.8g含む)に塩化ニオブ0.135gを用いる以外は、実施例1と同様に実験を行った。この際、アルカリ水溶液中の酸化チタンの濃度は0.1mol/L、塩化ニオブ由来のニオブ濃度は0.005mol/Lである。その結果、0.8gの白色物質が得られ、平均幅90nm、平均長さ7μm(平均アスペクト比:78)であり、粉体抵抗は1.3×10Ωmであった。また、1個1個の構造体が独立しており、分散性に優れることも分かった。
Example 3
An experiment was conducted in the same manner as in Example 1 except that 0.135 g of niobium chloride was used for 100 g of titanium oxide sol having an average particle diameter of 4 nm (including 0.8 g of titanium oxide). At this time, the concentration of titanium oxide in the alkaline aqueous solution is 0.1 mol / L, and the concentration of niobium derived from niobium chloride is 0.005 mol / L. As a result, 0.8 g of a white substance was obtained, the average width was 90 nm, the average length was 7 μm (average aspect ratio: 78), and the powder resistance was 1.3 × 10 4 Ωm. It was also found that each structure is independent and excellent in dispersibility.

また、この物質のNb/Ti比を測定したところ、5mol%であった。さらに、BET比表面積を測定したところ、26m/gであった。アルカリ金属(ナトリウム)含有量を測定したところ検出限界以下(500ppm以下)であった。 Moreover, it was 5 mol% when Nb / Ti ratio of this substance was measured. Furthermore, it was 26 m < 2 > / g when the BET specific surface area was measured. When the alkali metal (sodium) content was measured, it was below the detection limit (500 ppm or less).

実施例4
反応温度を250℃ではなく200℃とする以外は、実施例1と同様に実験を行った。その結果、0.8gの白色物質が得られ、平均幅80nm、平均長さ4.8μm(平均アスペクト比:60)であり、粉体抵抗は1.2×10Ωmであった。また、1個1個の構造体が独立しており、分散性に優れることも分かった。
Example 4
The experiment was performed in the same manner as in Example 1 except that the reaction temperature was 200 ° C. instead of 250 ° C. As a result, 0.8 g of a white substance was obtained, the average width was 80 nm, the average length was 4.8 μm (average aspect ratio: 60), and the powder resistance was 1.2 × 10 4 Ωm. It was also found that each structure is independent and excellent in dispersibility.

また、この物質のNb/Ti比を測定したところ、5mol%であった。さらに、BET比表面積を測定したところ、30m/gであった。アルカリ金属(ナトリウム)含有量を測定したところ検出限界以下(500ppm以下)であった。 Moreover, it was 5 mol% when Nb / Ti ratio of this substance was measured. Furthermore, it was 30 m < 2 > / g when the BET specific surface area was measured. When the alkali metal (sodium) content was measured, it was below the detection limit (500 ppm or less).

実施例5
60gのNaOHを用いる以外は、実施例1と同様に実験を行った。この際、アルカリ水溶液中の酸化チタンの濃度は0.1mol/L、塩化ニオブ由来のニオブ濃度は0.005mol/Lである。その結果、0.8gの白色物質が得られ、平均幅100nm、平均長さ8μm(平均アスペクト比:80)であり、粉体抵抗は0.9×10Ωmであった。また、1個1個の構造体が独立しており、分散性に優れることも分かった。
Example 5
The experiment was performed in the same manner as in Example 1 except that 60 g of NaOH was used. At this time, the concentration of titanium oxide in the alkaline aqueous solution is 0.1 mol / L, and the concentration of niobium derived from niobium chloride is 0.005 mol / L. As a result, 0.8 g of a white substance was obtained, the average width was 100 nm, the average length was 8 μm (average aspect ratio: 80), and the powder resistance was 0.9 × 10 4 Ωm. It was also found that each structure is independent and excellent in dispersibility.

また、この物質のNb/Ti比を測定したところ、5mol%であった。さらに、BET比表面積を測定したところ、21m/gであった。アルカリ金属(ナトリウム)含有量を測定したところ検出限界以下(500ppm以下)であった。 Moreover, it was 5 mol% when Nb / Ti ratio of this substance was measured. Furthermore, it was 21 m < 2 > / g when the BET specific surface area was measured. When the alkali metal (sodium) content was measured, it was below the detection limit (500 ppm or less).

実施例6
反応時間を12時間ではなく60時間とする以外は、実施例1と同様に実験を行った。その結果、0.8gの白色物質が得られ、平均幅100nm、平均長さ10μm(平均アスペクト比:100)であり、粉体抵抗は0.8×10Ωmであった。また、1個1個の構造体が独立しており、分散性に優れることも分かった。
Example 6
The experiment was performed in the same manner as in Example 1 except that the reaction time was 60 hours instead of 12 hours. As a result, 0.8 g of a white substance was obtained, the average width was 100 nm, the average length was 10 μm (average aspect ratio: 100), and the powder resistance was 0.8 × 10 4 Ωm. It was also found that each structure is independent and excellent in dispersibility.

また、この物質のNb/Ti比を測定したところ、5mol%であった。さらに、BET比表面積を測定したところ、22m/gであった。アルカリ金属(ナトリウム)含有量を測定したところ検出限界以下(500ppm以下)であった。 Moreover, it was 5 mol% when Nb / Ti ratio of this substance was measured. Furthermore, it was 22 m < 2 > / g when the BET specific surface area was measured. When the alkali metal (sodium) content was measured, it was below the detection limit (500 ppm or less).

実施例7
焼成温度を700℃ではなく800℃とする以外は、実施例1と同様に実験を行った。その結果、0.8gの白色物質が得られ、平均幅130nm、平均長さ5μm(平均アスペクト比:38)であり、粉体抵抗は0.5×10Ωmであった。また、1個1個の構造体が独立しており、分散性に優れることも分かった。
Example 7
The experiment was performed in the same manner as in Example 1 except that the baking temperature was 800 ° C. instead of 700 ° C. As a result, 0.8 g of a white substance was obtained, the average width was 130 nm, the average length was 5 μm (average aspect ratio: 38), and the powder resistance was 0.5 × 10 4 Ωm. It was also found that each structure is independent and excellent in dispersibility.

また、この物質のNb/Ti比を測定したところ、5mol%であった。さらに、BET比表面積を測定したところ、16m/gであった。アルカリ金属(ナトリウム)含有量を測定したところ検出限界以下(500ppm以下)であった。 Moreover, it was 5 mol% when Nb / Ti ratio of this substance was measured. Furthermore, it was 16 m < 2 > / g when the BET specific surface area was measured. When the alkali metal (sodium) content was measured, it was below the detection limit (500 ppm or less).

実施例8
焼成雰囲気を減圧下ではなく、水素を2mol%含む窒素雰囲気で焼成する以外は、実施例1と同様に実験を行った。その結果、0.8gの白色物質が得られ、平均幅100nm、平均長さ5μm(平均アスペクト比:50)であり、粉体抵抗は0.2×10Ωmであった。また、1個1個の構造体が独立しており、分散性に優れることも分かった。
Example 8
The experiment was performed in the same manner as in Example 1 except that the firing atmosphere was not a reduced pressure but a nitrogen atmosphere containing 2 mol% of hydrogen. As a result, 0.8 g of a white substance was obtained, the average width was 100 nm, the average length was 5 μm (average aspect ratio: 50), and the powder resistance was 0.2 × 10 4 Ωm. It was also found that each structure is independent and excellent in dispersibility.

また、この物質のNb/Ti比を測定したところ、5mol%であった。さらに、BET比表面積を測定したところ、20m/gであった。アルカリ金属(ナトリウム)含有量を測定したところ検出限界以下(500ppm以下)であった。 Moreover, it was 5 mol% when Nb / Ti ratio of this substance was measured. Furthermore, it was 20 m < 2 > / g when the BET specific surface area was measured. When the alkali metal (sodium) content was measured, it was below the detection limit (500 ppm or less).

比較例1
平均粒子径が7nmの酸化チタン微粒子0.8gのみに、100gの蒸留水を加え撹拌した後、40gのNaOHを加え、実施例1と同様に実験を行った。つまり、酸化ニオブを使用しなかった。
Comparative Example 1
100 g of distilled water was added to only 0.8 g of titanium oxide fine particles having an average particle diameter of 7 nm and stirred, and then 40 g of NaOH was added, and an experiment was conducted in the same manner as in Example 1. That is, niobium oxide was not used.

その結果、700℃の焼成前には平均幅65nm、平均長さ5μmの大きいアスペクト比(平均アスペクト比:77)を有する物質であったが、焼成により0.8gの白色物質が得られ、平均幅170nm、平均長さ3.5μm(平均アスペクト比:20)であり、粉体抵抗は7×10Ωmであり、導電性が低かった。 As a result, it was a substance having a large aspect ratio (average aspect ratio: 77) having an average width of 65 nm and an average length of 5 μm before baking at 700 ° C., but 0.8 g of a white substance was obtained by baking. The width was 170 nm, the average length was 3.5 μm (average aspect ratio: 20), the powder resistance was 7 × 10 5 Ωm, and the conductivity was low.

また、酸化ニオブを使用した場合と比較して、アスペクト比が半分以下となり、焼成後の形状の変化が多いことがわかった。   Further, it was found that the aspect ratio was less than half compared with the case of using niobium oxide, and the shape change after firing was large.

比較例2
焼成を行う代わりに150℃の減圧乾燥のみを行い、実施例1と同様に実験を行った。
Comparative Example 2
Instead of firing, only vacuum drying at 150 ° C. was performed, and the experiment was performed in the same manner as in Example 1.

その結果、0.8gの白色物質が得られ、平均幅65nm、平均長さ6.5μm(平均アスペクト比:100)の物質が得られたが、粉体抵抗は3×10Ωmであり、導電性が低かった。 As a result, 0.8 g of a white substance was obtained, and a substance having an average width of 65 nm and an average length of 6.5 μm (average aspect ratio: 100) was obtained, but the powder resistance was 3 × 10 6 Ωm, The conductivity was low.

比較例3
反応を250℃減圧下ではなく110℃常圧下で行う以外は、実施例1と同様に実験を行った。
Comparative Example 3
The experiment was performed in the same manner as in Example 1 except that the reaction was carried out at 110 ° C. normal pressure instead of 250 ° C. under reduced pressure.

その結果、焼成前で0.8gの白色物質が得られたが、径6nmのチューブ状物質とシート状物質の混合物であり、凝集が激しく、長さを観察することが出来なかった(図3及び4)。また、水に加え超音波分散を試みたが、分散させることができなかった。よって、そのまま700℃で減圧条件下で熱処理を行ったが、TEM観察を行ったところ、チューブ、シート形状が消滅し、2μm程度の粒子状物質となっていた。つまり、形状を維持することは到底できなかった。なお、粉体抵抗は2×10Ωmであった。 As a result, 0.8 g of a white substance was obtained before firing, but it was a mixture of a tube-like substance having a diameter of 6 nm and a sheet-like substance, agglomerated, and the length could not be observed (FIG. 3). And 4). Further, although ultrasonic dispersion was attempted in addition to water, it could not be dispersed. Therefore, heat treatment was performed as it was under reduced pressure conditions at 700 ° C., but when TEM observation was performed, the tube and sheet shapes disappeared and became particulate matter of about 2 μm. In other words, it was impossible to maintain the shape. The powder resistance was 2 × 10 7 Ωm.

実験例:色素増感太陽電池
<酸化チタンナノ粒子(平均粒径15nm)の合成>
pH0.7の硝酸水溶液800gを撹拌しながら、チタンテトライソプロポキシド142.1g(0.5mol)、酢酸30g(0.5mol)を加え、1時間撹拌したのち、80℃に昇温して1時間保持し、酸化チタンゾルを合成した。最終重量は925gに調整した。この酸化チタンゾル208.1gをチタン製圧力容器に封入し、250℃で18時間反応を行い、酸化チタンナノ粒子(平均粒径15nm)を合成した。
Experimental example: Dye-sensitized solar cell <Synthesis of titanium oxide nanoparticles (average particle size 15 nm)>
While stirring 800 g of nitric acid aqueous solution of pH 0.7, 142.1 g (0.5 mol) of titanium tetraisopropoxide and 30 g (0.5 mol) of acetic acid were added and stirred for 1 hour. The titanium oxide sol was synthesized by maintaining the time. The final weight was adjusted to 925 g. 208.1 g of this titanium oxide sol was sealed in a titanium pressure vessel and reacted at 250 ° C. for 18 hours to synthesize titanium oxide nanoparticles (average particle size 15 nm).

<実施例1の酸化チタン構造体>
シート抵抗8Ω/sq.の導電性ガラス基板の上に、上記合成した酸化チタンナノ粒子(平均粒径15nm)2.9g、実施例1で得られた酸化チタン系構造体0.1g、エチルセルロース1.5g、α−テルピネオール10g、エタノール50gを混合し、超音波分散を行い、その後40℃90hPaで3h濃縮して得られた酸化チタンペーストを5mm角×厚み16μmに塗布し、125℃で乾燥した。
<Titanium oxide structure of Example 1>
Sheet resistance 8Ω / sq. 2.9 g of the synthesized titanium oxide nanoparticles (average particle size 15 nm), 0.1 g of the titanium oxide-based structure obtained in Example 1, 1.5 g of ethyl cellulose, and 10 g of α-terpineol. Then, 50 g of ethanol was mixed, ultrasonic dispersion was performed, and then a titanium oxide paste obtained by concentrating at 40 ° C. and 90 hPa for 3 h was applied to a 5 mm square × thickness of 16 μm and dried at 125 ° C.

この塗膜を500℃空気中で1h焼成し、多孔質の酸化チタン膜を得た。   This coating film was baked for 1 h in air at 500 ° C. to obtain a porous titanium oxide film.

得られた酸化チタン膜をルテニウム色素(Rutenium535-bisTBA:SOLARONIX社製)/t−ブタノール・アセトニトリル(1:1)溶液(濃度:3.0×10−4mol/L)に16時間浸漬し、酸化チタンに色素を担持させた。 The obtained titanium oxide film was immersed in a ruthenium dye (Rutenium535-bisTBA: manufactured by SOLARONIX) / t-butanol / acetonitrile (1: 1) solution (concentration: 3.0 × 10 −4 mol / L) for 16 hours, A dye was supported on titanium oxide.

この導電ガラスを、Ptスパッタを行った導電ガラス(ジオマテック(株)製)に厚み25μmで酸化チタン層を囲うような形に切り抜いたアイオノマー製フィルムを介して張り合わせ、中に0.1mol/Lのヨウ化リチウム、0.03mol/Lのヨウ素、0.5mol/Lの4−tert−ブチルピリジンをアセトニトリルに溶解させた電解液を封入した。   This conductive glass was bonded to a conductive glass (manufactured by Geomatek Co., Ltd.) subjected to Pt sputtering via an ionomer film cut out in a shape surrounding a titanium oxide layer with a thickness of 25 μm, and 0.1 mol / L of the glass was inside. An electrolytic solution in which lithium iodide, 0.03 mol / L iodine, and 0.5 mol / L 4-tert-butylpyridine was dissolved in acetonitrile was sealed.

セルに疑似太陽光(1kW/m)を照射し、電流電圧特性を測定したところ、8.6%の光電変換効率を得た。 When the cell was irradiated with pseudo sunlight (1 kW / m 2 ) and the current-voltage characteristics were measured, a photoelectric conversion efficiency of 8.6% was obtained.

<酸化チタン構造体なし>
実施例1で得られた酸化チタン構造体0.1gを使用せず、上記合成した酸化チタンナノ粒子(平均粒径15nm)を3.0g使用したこと以外は、上記実施例1の酸化チタン構造体を用いた場合と同様に実験を行った。
<Without titanium oxide structure>
The titanium oxide structure of Example 1 was used except that 0.1 g of the titanium oxide structure obtained in Example 1 was not used and 3.0 g of the synthesized titanium oxide nanoparticles (average particle size 15 nm) was used. The experiment was performed in the same manner as in the case of using.

セルに疑似太陽光(1kW/m)を照射し、電流電圧特性を測定したところ、8.0%の光電変換効率を得た。 When the cell was irradiated with pseudo sunlight (1 kW / m 2 ) and the current-voltage characteristics were measured, a photoelectric conversion efficiency of 8.0% was obtained.

<比較例1の酸化チタン構造体>
酸化チタン構造体を比較例1で得られたものに変更すること以外は、上記実施例1の酸化チタン構造体を用いた場合と同様にして実験を行った。
<Titanium oxide structure of Comparative Example 1>
The experiment was performed in the same manner as in the case of using the titanium oxide structure of Example 1 except that the titanium oxide structure was changed to that obtained in Comparative Example 1.

セルに疑似太陽光(1kW/m)を照射し、電流電圧特性を測定したところ、8.2%の光電変換効率を得た。 When the cell was irradiated with pseudo-sunlight (1 kW / m 2 ) and the current-voltage characteristics were measured, a photoelectric conversion efficiency of 8.2% was obtained.

Claims (17)

NbをTiに対して0.3〜10mol%含み、平均アスペクト比が10以上であり、10MPa下での粉体抵抗が1×10Ω・m以下であり、アルカリ金属の含有量が2000ppm以下である、光電変換素子又は光触媒用の板状又はロッド状の酸化チタン構造体。 It contains 0.3 to 10 mol% of Nb with respect to Ti, the average aspect ratio is 10 or more, the powder resistance under 10 MPa is 1 × 10 5 Ω · m or less, and the alkali metal content is 2000 ppm or less A plate-shaped or rod-shaped titanium oxide structure for a photoelectric conversion element or a photocatalyst. 比表面積が10m/g以上である、請求項1に記載の酸化チタン構造体。 The titanium oxide structure according to claim 1, wherein the specific surface area is 10 m 2 / g or more. 平均幅が20nm以上である、請求項1又は2に記載の酸化チタン構造体。 The titanium oxide structure according to claim 1 or 2, wherein the average width is 20 nm or more. 長手方向の平均長さが1μm以上である、請求項1〜3のいずれかに記載の酸化チタン構造体。 The titanium oxide structure in any one of Claims 1-3 whose average length of a longitudinal direction is 1 micrometer or more. 平均アスペクト比が10以上であり、10MPa下での粉体抵抗が1×10Ω・m以下であり、アルカリ金属の含有量が2000ppm以下である光電変換素子又は光触媒用の板状又はロッド状の酸化チタン構造体の製造方法であって、
(1)3〜20mol/Lのアルカリ水溶液と、Tiを含む物質(A)、及びNbを含む物質(B)とを、物質(B)中のNbの含有量が、物質(A)中のTiに対して0.3〜10mol%となるように、160℃より高い温度で接触させる工程、及び
(3)300℃以上で熱処理する工程
を備える、製造方法。
Plate shape or rod shape for photoelectric conversion elements or photocatalysts having an average aspect ratio of 10 or more, a powder resistance under 10 MPa of 1 × 10 5 Ω · m or less, and an alkali metal content of 2000 ppm or less. A method for producing a titanium oxide structure of
(1) An alkaline aqueous solution of 3 to 20 mol / L, a substance (A) containing Ti, and a substance (B) containing Nb , the content of Nb in the substance (B) A manufacturing method comprising a step of contacting at a temperature higher than 160 ° C. so as to be 0.3 to 10 mol% with respect to Ti, and (3) a step of performing heat treatment at 300 ° C. or higher.
前記物質(A)が、酸化チタン及び/又はその前駆体である、請求項5に記載の製造方法。 The manufacturing method according to claim 5, wherein the substance (A) is titanium oxide and / or a precursor thereof. 前記物質(B)が、Nbの酸化物、水酸化物、アルコキシド及び塩化物よりなる群から選ばれる少なくとも1種である、請求項5又は6に記載の製造方法。 The production method according to claim 5 or 6, wherein the substance (B) is at least one selected from the group consisting of an oxide, a hydroxide, an alkoxide, and a chloride of Nb . 前記アルカリが、少なくとも水酸化ナトリウムを50重量%以上含む、請求項5〜7のいずれかに記載の製造方法。 The manufacturing method in any one of Claims 5-7 in which the said alkali contains 50 weight% or more of sodium hydroxide at least. 前記工程(3)が、
(3−1)10kPa以下の減圧下に300℃以上で熱処理する工程
である、請求項5〜8のいずれかに記載の製造方法。
The step (3)
(3-1) The manufacturing method in any one of Claims 5-8 which is a process heat-processed at 300 degreeC or more under the reduced pressure of 10 kPa or less.
前記工程(3)が、
(3−2)還元雰囲気下に300℃以上で熱処理する工程
である、請求項5〜8のいずれかに記載の製造方法。
The step (3)
(3-2) The manufacturing method according to any one of claims 5 to 8, which is a step of heat-treating at 300 ° C or higher in a reducing atmosphere.
前記工程(1)及び(3)の間に、
(2)工程(1)で得られた酸化チタン系構造体を水、酸及びイオン交換樹脂よりなる群から選ばれる少なくとも1種と接触させる工程
を備える、請求項5〜10のいずれかに記載の製造方法。
During the steps (1) and (3),
(2) The method according to any one of claims 5 to 10, further comprising a step of bringing the titanium oxide-based structure obtained in the step (1) into contact with at least one selected from the group consisting of water, an acid, and an ion exchange resin. Manufacturing method.
前記酸が、塩酸、硝酸、硫酸、リン酸、フッ酸、酢酸、クエン酸、ギ酸及びシュウ酸よりなる群から選ばれる少なくとも1種である、請求項11に記載の製造方法。 The production method according to claim 11, wherein the acid is at least one selected from the group consisting of hydrochloric acid, nitric acid, sulfuric acid, phosphoric acid, hydrofluoric acid, acetic acid, citric acid, formic acid and oxalic acid. 請求項1〜4のいずれかに記載の酸化チタン構造体を含む、光電変換素子又は光触媒用の多孔質酸化チタン膜。 The porous titanium oxide film for photoelectric conversion elements or photocatalysts containing the titanium oxide structure in any one of Claims 1-4. さらに、平均粒子径が1〜500nmの酸化チタン微粒子を含む、請求項13に記載の多孔質酸化チタン膜。 The porous titanium oxide film according to claim 13, further comprising titanium oxide fine particles having an average particle diameter of 1 to 500 nm. 導電性基板上に、色素が担持された請求項13又は14に記載の多孔質酸化チタン膜が形成されている光電変換素子用電極。 The electrode for photoelectric conversion elements in which the porous titanium oxide film of Claim 13 or 14 with which the pigment | dye was carry | supported is formed on the electroconductive board | substrate. 請求項15に記載の電極を備える、光電変換素子。 A photoelectric conversion element comprising the electrode according to claim 15. 請求項1〜4のいずれかに記載の酸化チタン構造体を用いた光触媒。 The photocatalyst using the titanium oxide structure in any one of Claims 1-4.
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