JP6320249B2 - 新規オキシサルファイド、オキシサルファイドの製造方法、それを用いた光触媒、光水分解反応用電極、及び、水素の製造方法 - Google Patents
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Description
第1の本発明は、La、Ti及びCuを含むオキシサルファイドであって、アルカリ金属、アルカリ土類金属、周期表第3族、第4族、第6族、第11族、第12族、第13族及び第14族から選ばれる1つ以上のドープ元素(X)が、La、Ti及びドープ元素(X)の合計を基準(100原子%)として0.01原子%以上含まれていることを特徴とする、オキシサルファイドである。
La:Ti:X = 5×(1−α):2×(1−β):(α+β) …(1)
(ここで、0≦α<1、0≦β<1、0.001≦α+β<1である。)
5.0<S/C …(3)
(ここで、Sは混合物に含まれる硫黄元素の数、Cは混合物に含まれる銅元素の数である。)
本発明に係るオキシサルファイドは、La、Ti及びCuを含むオキシサルファイドであって、アルカリ金属、アルカリ土類金属、周期表第3族、第4族、第6族、第11族、第12族、第13族及び第14族から選ばれる1つ以上のドープ元素(X)が、La、Ti及びドープ元素(X)の合計を基準(100原子%)として0.01原子%以上含まれていることを特徴とする。
La:Ti:X = 5×(1−α):2×(1−β):(α+β) …(1)
(ここで、0≦α<1、0≦β<1、0.001≦α+β<1である。)
La:Ti:X = (5−α):(2−β):(α+β) …(2)
(ここで、0≦α<1、0≦β<1、0.001≦α+β<1である。)
本発明に係るオキシサルファイドの製造方法は、La原料、Ti原料、Cu原料、S原料、並びに、アルカリ金属、アルカリ土類金属、周期表第3族、第4族、第6族、第11族、第12族、第13族及び第14族から選ばれる1つ以上のドープ元素(X)を含む原料を混合して混合物を得る、混合工程と、混合物を加熱する、加熱工程と、を備え、加熱工程における加熱の際、混合物中に存在する硫黄元素量と銅元素量との関係が下記条件(3)を満たしていることを特徴とする。
5.0<S/C …(3)
(ここで、Sは前記混合物に含まれる硫黄元素の数、Cは前記混合物に含まれる銅元素の数である。)
このうち硫黄の飛散を防止できるという点で、真空雰囲気下で加熱することが好ましく、より好ましくは真空封管下で加熱することが好ましい。
本発明における加熱工程を経てオキシサルファイドを合成する。加熱方法は特に限定されず、公知の手段を採用可能である。
加熱工程における反応圧力は、特に限定されず、常圧でも減圧下でもよい。
固相反応法によってオキシサルファイドを製造する場合は、La原料としてランタン酸化物及びランタン硫化物を、Ti原料としてチタン酸化物(好ましくは、ルチル型のもの)を、Cu原料として銅硫化物を、S原料として硫黄粉末を用いることが好ましい。これら各原料とドープ元素(X)を含む原料とを混合して混合物とすることができる。尚、複合酸化物や複合硫化物を調製したうえで原料として用いてもよく、この場合、複合酸化物や複合硫化物の調製時にドープ元素(X)を同時に複合化させることもできる。例えば、ドープ元素(X)のアルコキシドとチタンアルコキシドとを用いてドープ元素(X)とチタンとの複合酸化物を調製し、これを「Ti原料」と「ドープ元素(X)を含む原料」とを兼ねる原料として用いてもよい。いずれにしても、固相反応法においては、混合工程においてS原料(硫黄粉末)の混合量を調整することで、上記条件(3)を満たす混合物を調製することが好ましい。
また、固相反応法においては、加熱時間は反応温度により適宜選択することができるが、通常10分以上、好ましくは1時間以上、通常1ヶ月以下、好ましくは1週間以内、より好ましくは48時間以内である。
硫化法においては、La原料、Ti原料、Cu原料及びドープ元素(X)を含む原料の混合物を硫化する。例えば、当該混合物を硫化水素ガス雰囲気にて加熱することで、所望のオキシサルファイドを得ることができる。この時、混合物中に硫黄が含まれていなくとも、混合物中に硫化水素ガスが供給されることで、本発明にいう混合工程が満たされ、且つ、上記条件(3)を満たしながら加熱工程を行うことができる。
硫化法における加熱工程は特に限定されないが、通常500℃以上であり、好ましくは800℃以上、より好ましくは900℃以上であり、通常1300℃以下である。前記温度範囲内であれば十分な性能を有するオキシサルファイドを効率よく合成できる。
本発明に係るオキシサルファイドは、オキシサルファイドだけでも水分解反応用の光触媒として用いることができるが、通常は助触媒と組み合わせて用いる。助触媒と組み合わせることで光水分解の効率が向上する点で好ましいためである。
酸素生成用助触媒の具体例としては、Mn、Fe、Co、Ni、Ru、Rh、Irの金属、これらの酸化物又は複合酸化物が挙げられる。好ましくは、MnO、MnO2、Mn2O3、Mn3O4、Fe2O3、CoO、Co3O4、NiCo2O4、CoMn2O4、CoFe2O4、RuO2、Rh2O3、IrO2である。
上記した光触媒を実際に水の分解に使用する場合における光触媒の形態については特に限定されるものではなく、水中に光触媒粒子を分散させる形態、光触媒粒子を固めて成形体として当該成形体を水中に設置する形態、基材上に光触媒層を設けて積層体とし当該積層体を水中に設置する形態、集電体上に光触媒を固定化して光水分解反応用電極とし対極とともに水中に設置する形態等が挙げられる。特に、光水分解反応を大規模にて行う場合、バイアスを付与して水分解反応を促進できる観点から、光水分解反応用電極とするとよい。
或いは、光触媒粒子が分散されたスラリーを集電体の表面に塗布して乾燥させることで、光水分解反応用電極を得てもよいし、光触媒粒子と集電体とを加圧成形等して一体化することで光水分解反応用電極を得てもよい。また、光触媒粒子が分散されたスラリー中に集電体を浸漬し、電圧を印可して光触媒粒子を電気泳動により集電体上に集積してもよい。
なお、本明細書内で、上記光水分解反応用電極を「光触媒電極」と記載することがある。
本発明においては、上記した光触媒、或いは、上記した光水分解反応用電極を、水又は電解質水溶液に浸漬し、当該光触媒又は光水分解反応用電極に光を照射して光水分解を行うことで、水素を製造することができる。
照射光は650nm以下の波長を有する可視光、または紫外光である。照射光の光源としては太陽や、キセノンランプ、メタルハライドランプ等の太陽光近似光を照射可能なランプ、水銀ランプ、LED等が挙げられる。
オキシサルファイドの調製に用いた原料は下記の通りである。
La2O3:関東化学社製、純度99.99%
La2S3:高純度化学研究所社製、純度99.9%
Cu2S:高純度化学研究所社製、純度99%
TiO2:レアメタリック社製、ルチル型、純度99.99%
Sc2O3:(実施例1〜9)関東化学社製、99.95%
(実施例10、11)アルドリッチ社製、99.999%
S:高純度化学研究社製、硫黄粉末、純度99.99%
Ga2O3:高純度化学研究所社製、純度99.9%
CaO:和光純薬社製、純度99.9%
Ta2O5:和光純薬社製、純度99.9%
Nb2O5:CBMM社製、Optical Grade品
MgO:和光純薬社製、粒径0.2μm、純度99.9%
Al2O3:レアメタリック社製,粒径110μm、4N7(純度99.997%)
In2O3:レアメタリック社製,5N(純度99.999%)
ZnO:レアメタリック社製,5N(純度99.999%)
Y2O3:NewMet社製、5N(純度99.999%)
得られたオキシサルファイドの構造は、XRD及びDRSにより確認した。
<XRD測定条件>
測定装置:リガク社製 RINT−ULTIMA III
光源 :CuKα線
走査範囲:10°〜80°
<拡散反射スペクトル(DRS)測定条件>
光触媒の吸収波長を拡散反射(DRS)スペクトルにより以下の条件で測定した。
測定装置:Jasco社製 V−6760J
走査範囲:250〜900nm
合成例1
オキシサルファイドは、「Physical Chemistry Chemical Physics,2012,14, 15475」に記載の方法に準拠し、固相反応法で調製した。具体的な調製方法を下記する。
卓上型グローブボックス(株式会社美和製作所社製 1ADB−3MKH−DMS型)中で、上記各原料を、モル比でLa2O3:La2S3:Cu2S:TiO2:Sc2O3:S=1.0:1.5:0.5:1.998:0.001:0.25となるようにアルミナ乳鉢で混合し、Ti原子及びSc原子の合計に対するSc原子の原子百分率で0.1%の混合物を得た。前記混合物を石英管に封入して真空排気した後に電気炉で加熱した。このとき、200℃(473K)までは9分、400℃(673K)までは1時間40分、1000℃(1273K)までは50時間かけて昇温し、1000℃(1273K)で48時間保持した。その後、500℃(773K)まで12時間30分間かけて冷却し、その後、室温まで自然冷却した。得られた塊の外縁部から目視で不純物相を取り除き、アルミナ乳鉢で粉砕してLa5Ti2CuS5O7:Sc(Sc0.1%品)粉末を得た。
(実施例1)
合成例1で得られたオキシサルファイドLa5Ti2CuS5O7:Sc 50mgを1mLの2−プロパノールに懸濁させ、この懸濁液500μLを第1のガラス基材(ソーダライムガラス)上に滴下、乾燥させて30mm×30mmのオキシサルファイド層を形成した。
次に、カーボンテープを用いてAu層に第2のガラス基材(ソーダライムガラス)を接着した。第1のガラス基材を除去し、純水中で超音波洗浄することで、オキシサルファイド層とAu層とを有する電極を得た。
得られた電極に、引き続き以下の手法で助触媒を担持した。
上記で得られた電極には、スパッタリングによりPtを助触媒として担持した。
Pt助触媒をスパッタリング法により担持する際には、オキシサルファイド層表面にスパッタリング装置を用いて0.1Wで4分50秒積層した。この条件により得られるPt層の厚さは約1nmであった。
作製した電極の評価は、図3に示すようなポテンショスタットを用いた3電極系での電流−電位測定によって行った。平面窓付きのセパラブルフラスコを電気化学セルに用い、参照極にAg/AgCl電極、対極にPtワイヤーを用いた。電解液には50mM 水酸化ナトリウム水溶液を添加してpHを10に調製したNa2SO4(和光純薬社製、99.0%)0.1M水溶液を用いた。電気化学セル内部はアルゴンで満たし、かつ、測定前に十分にバブリングを行うことによって溶存する酸素、二酸化炭素を除去した。光電気化学測定には、コールドミラーとカットオフフィルター(HOYA社製、L−42)を装着した300Wキセノンランプ(波長420〜800nmの白色光)を光源として用い、電気化学セルの平面窓から光を照射した。それぞれの電極について、測定電位0V(vs.RHE)における光電流密度(mA/cm2)を測定した。評価結果を表1に示した。
La5Ti2CuS5O7を、合成例1に記載の方法に基づき調製した。
得られたオキシサルファイドのXRDパターンを図1に示した。またDRSスペクトルを図2に示した。
合成例2で得たオキシサルファイドを、実施例1と同様の方法により電極とし、スパッタリングによりPtを助触媒として担持し、Xe光源を用いて評価を行った。評価結果を表1に示した。また300Wキセノンランプ照射下での光電流密度の時間変化を図4に示した。
上記各原料をモル比で、La2O3:La2S3:Cu2S:TiO2:Sc2O3:S=1.0:1.5:0.5:1.98:0.01:0.25の混合物(Ti原子及びSc原子の合計に対するSc原子の原子百分率で1.0%)を用いた以外は合成例1と同様にして合成し、La5Ti2CuS5O7:Sc(Sc1%品)を得た。
得られたオキシサルファイドのXRDパターンを図1に示した。またDRSスペクトルを図2に示した。
合成例3で得たオキシサルファイドを、実施例1と同様の方法を用いて電極とし、スパッタリングによりPtを助触媒として担持し、評価を行った。評価結果を表1に示した。また300Wキセノンランプ照射下での光電流密度の時間変化を図4に示した。
上記各原料をモル比で、La2O3:La2S3:Cu2S:TiO2:Sc2O3:S=1.0:1.5:0.5:1.94:0.03:0.25の混合物(Ti原子及びSc原子の合計に対するSc原子の原子百分率で3.0%)を用いた以外は合成例1と同様にして合成し、La5Ti2CuS5O7:Sc(Sc3%品)を得た。
合成例4で得たオキシサルファイドを、実施例1と同様の方法を用いて電極とし、スパッタリングによりPtを助触媒として担持し、評価を行った。評価結果を表1に示した。
上記各原料をモル比で、La2O3:La2S3:Cu2S:TiO2:Sc2O3:S=1.0:1.5:0.5:1.90:0.05:0.25の混合物(Ti原子及びSc原子の合計に対するSc原子の原子百分率で5.0%)を用いた以外は合成例1と同様にして合成し、La5Ti2CuS5O7:Sc(Sc5%品)を得た。
合成例5で得たオキシサルファイドを、実施例1と同様の方法を用いて電極とし、スパッタリングによりPtを助触媒として担持し、評価を行った。評価結果を表1に示した。また300Wキセノンランプ照射下での光電流密度の時間変化を図4に示した。
上記各原料をモル比で、La2O3:La2S3:Cu2S:TiO2:Sc2O3:S=1.0:1.5:0.5:1.8:0.1:0.25の混合物(Ti原子及びSc原子の合計に対するSc原子の原子百分率で10.0%)を用いた以外は合成例1と同様にして合成し、La5Ti2CuS5O7:Sc(Sc10%品)を得た。
合成例6で得たオキシサルファイドを、実施例1と同様の方法を用いて電極とし、スパッタリングによりPtを助触媒として担持し、評価を行った。評価結果を表1に示した。
上記各原料をモル比で、La2O3:La2S3:Cu2S:TiO2:Ga2O3:S=1.0:1.5:0.5:1.98:0.01:0.25の混合物(Ti原子及びGa原子の合計に対するGa原子の原子百分率で1.0%)を用いた以外は合成例1と同様にして合成し、La5Ti2CuS5O7:Ga(Ga1%品)を得た。
得られたオキシサルファイドのXRDパターンを図1に示した。またDRSスペクトルを図2に示した。
合成例7で得たオキシサルファイドを、実施例1と同様の方法を用いて電極とし、スパッタリングによりPtを助触媒として担持し、評価を行った。評価結果を表1に示した。また300Wキセノンランプ照射下での光電流密度の時間変化を図4に示した。
上記各原料をモル比で、La2O3:La2S3:Cu2S:TiO2:Ga2O3:S=1.0:1.5:0.5:1.94:0.03:0.25の混合物(Ti原子及びGa原子の合計に対するGa原子の原子百分率で3.0%)を用いた以外は合成例1と同様にして合成し、La5Ti2CuS5O7:Ga(Ga3%品)を得た。
合成例8で得たオキシサルファイドを、実施例1と同様の方法を用いて電極とし、スパッタリングによりPtを助触媒として担持し、評価を行った。評価結果を表1に示した。また300Wキセノンランプ照射下での光電流密度の時間変化を図4に示した。
上記各原料をモル比で、La2O3:La2S3:Cu2S:TiO2:CaO:S=0.975:1.5:0.5:2:0.05:0.25の混合物(La原子及びCa原子の合計に対するCa原子の原子百分率で1.0%)を用いた以外は合成例1と同様にして合成し、La5Ti2CuS5O7:Ca(Ca1%品)を得た。
得られたオキシサルファイドのXRDパターンを図1に示した。またDRSスペクトルを図2に示した。
合成例9で得たオキシサルファイドを、実施例1と同様の方法を用いて電極とし、スパッタリングによりPtを助触媒として担持し、評価を行った。評価結果を表1に示した。
上記各原料をモル比で、La2O3:La2S3:Cu2S:TiO2:Ta2O5:S=1.0:1.5:0.5:1.98:0.01:0.25の混合物(Ti原子及びTa原子の合計に対するTa原子の原子百分率で1.0%)を用いた以外は合成例1と同様にして合成し、La5Ti2CuS5O7:Ta(Ta1%品)を得た。
合成例10で得たオキシサルファイドを、実施例1と同様の方法を用いて電極とし、スパッタリングによりPtを助触媒として担持し、評価を行った。評価結果を表1に示した。
上記各原料をモル比で、La2O3:La2S3:Cu2S:TiO2:Nb2O5:S=1.0:1.5:0.5:1.98:0.01:0.25の混合物(Ti原子及びNb原子の合計に対するNb原子の原子百分率で1.0%)を用いた以外は合成例1と同様にして合成し、La5Ti2CuS5O7:Nb(Nb1%品)を得た。
合成例11で得たオキシサルファイドを、実施例1と同様の方法を用いて電極とし、スパッタリングによりPtを助触媒として担持し、評価を行った。評価結果を表1に示した。
La5Ti2CuS5O7を、「Physical Chemistry Chemical Physics,2012,14, 15475」に記載の方法に基づき調製した。
具体的には、上記各原料をモル比で、La2O3:La2S3:Cu2S:TiO2=1.0:1.5:0.5:2で混合した以外は合成例1と同様にして合成し、La5Ti2CuS5O7を得た。
合成例12で得たオキシサルファイドを、実施例1と同様の方法を用いて電極とし、スパッタリングによりPtを助触媒として担持させ、評価した。評価結果を表1に示した。
合成例3で得たオキシサルファイドを、実施例1と同様の方法で電極を得た。
得られた電極に対して、助触媒のPtを光電解析出法により担持させた。光電解析出法によるPtの担持は、図3に示す3電極式セルを用いて行った。セル内のミリQ超純水100mlに0.01モルの無水硫酸ナトリウム(和光純薬社製、純度99%)を溶解し、水酸化ナトリウム水溶液を添加してpH=10に調整した。次に、この硫酸ナトリウム溶液に0.01モルのシュウ酸カリウム一水和物(和光純薬社製、純度99%)と、塩化白金酸6水和物(関東化学社製、純度98.5%)を35μmol添加した。続いてオキシサルファイド層とAu層を含む電極をこの溶液中に浸漬し、これを作用極としてソーラーシミュレーター(擬似太陽光)(AM1.5)を照射しながら−0.69V(vs.Ag/AgCl電極)の電圧を印可し、電流値が飽和するまでPtを析出させ、Pt担持光触媒電極を得た。得られたPt担持光触媒電極は十分に水洗した後、直ちに評価に使用した。評価は、光源としてソーラーシミュレーターを用いた以外は実施例1と同様の方法により行った。評価結果を表1に示した。
光触媒として合成例2のオキシサルファイドを用いた以外は、実施例9と同様の方法により電極とし、光電解析出法により助触媒としてPtを担持させ、評価した。結果を表1に示した。
前記アルドリッチ社製Sc2O3を用いた以外は合成例3と同様の原料混合物を調製し、石英管に封入した後に電気炉で加熱した。このとき、200℃(473K)までは9分、400℃(673K)までは1時間40分、1000℃(1273K)までは50時間かけて昇温し、1000℃(1273K)で5時間保持した。その後、500℃(773K)まで12時間30分間かけて冷却し、その後、室温まで自然冷却した。得られた塊の外縁部から目視で不純物相を取り除き、アルミナ乳鉢で粉砕してLa5Ti2CuS5O7:Sc(Sc1%/5hr品)を得た。
石英管に封入した後に電気炉において1000℃(1273K)で加熱する時間を10時間に変更した以外は、合成例13と同様に合成し、La5Ti2CuS5O7:Sc(Sc1%/10hr品)を得た。
合成例13で得られたオキシサルファイドは、実施例9と同様の方法により電極とし、光電解析出法により助触媒としてPtを担持させ、評価した。評価結果を表1に示した。
合成例14で得られたオキシサルファイドは、実施例9と同様の方法により電極とし、光電解析出法により助触媒としてPtを担持させ、評価した。評価結果を表1に示した。
ビーカー内にエチレングリコール(和光純薬社製、純度99.5%)22.34gを入れ、適宜メタノールを加えながらチタンテトライソプロポキシド(和光純薬社製、純度95%)2.53g、スカンジウムトリイソプロポキシド(アルドリッチ社製)0.02g、クエン酸(和光純薬社製、純度98%)2.88g、La(NO3)3・6水和物(和光純薬社製、純度99.9%)3.90gの順に溶解し、70〜80℃に設定したホットスターラー上で一晩撹拌した。透明溶液になったことを確認した後、130〜140℃に設定したホットスターラー上で撹拌しながら5時間重合させた。その後350℃に設定したマントルヒーターで熱分解させ、得られた黒色物質をアルミナ乳鉢で軽く粉砕した。粉砕した試料を蒸発皿へ移して電気炉で550℃、10時間熱処理することにより、ScをドープしたLaとTiの複合酸化物であるLa2Ti2O7:Scの白色粉末を得た。
合成例15で得たオキシサルファイドは、実施例9と同様の方法により電極とし、光電解析出法により助触媒としてPtを担持させ、評価した。評価結果を表1に示した。
スカンジウムトリイソプロポキシドを用いなかった以外は合成例15と同様に複合酸化物の合成を行い、得られたLa2Ti2O7 1.46gを用いた以外は合成例15と同様に合成し、La5Ti2CuS5O7の白色粉末を得た。XRDで確認したところ、La5Ti2CuS5O7と同様のピークが確認された。
合成例16で得たオキシサルファイドを、実施例9と同様の方法により、電極とし、光電解析出法によりPtを助触媒として担持し、評価を行った。評価結果を表1に示した。
Ti:Scのモル比が1:0.05となるようにSc2O3及びTi(OCH(CH3)2)4(和光純薬社製、純度95%)をビーカーに入れ、2−プロパノール12mlを加え、攪拌した。30分程度攪拌後、蒸留水をピペットで1滴ずつゆっくり滴下してTi(OCH(CH3)2)4を加水分解させた。沈殿をろ過、乾燥後、電気炉にて500℃(723K)で1時間加熱した。昇温速度は、10℃/minであった。加熱後、取り出し、ScをドープしたTiの酸化物であるTiO2:Sc(4.8%)を得た。これを引き続く固相合成法の原料とした。
卓上型グローブボックス中で、前記原料をモル比La2O3:La2S3:Cu2S:(TiO2:Sc):S=1.0:1.5:0.5:2.0:0.25となるようにアルミナ乳鉢で混合した。以下、合成例1と同様に加熱し、La5Ti2CuS5O7:Sc粉末を得た。XRDで確認したところ、La5Ti2CuS5O7と同様のピークが確認された。
Ti:Scのモル比が1:0.05となるようにSc(OCH(CH3)2)3(アルドリッチ社製)及びTi(OCH(CH3)2)4をビーカーに入れ、2−プロパノール12mlを加えて攪拌した。30分程度攪拌後、蒸留水をピペットで1滴ずつゆっくり滴下してSc(OCH(CH3)2)3、およびTi(OCH(CH3)2)4を加水分解させた。沈殿をろ過、乾燥後、電気炉において500℃(723K)で1時間加熱した。昇温速度は、10℃/minであった。加熱後、取り出し、ScをドープしたTiの酸化物であるTiO2:Scを得た。
以下、この方法で得られたTiO2:Scを用いた以外は合成例16と同様の方法で反応させ、La5Ti2CuS5O7:Sc粉末を得た。
合成例17で得られたオキシサルファイドを、実施例9と同様の方法により電極とし、光電解析出法によりPtを助触媒として担持し、評価を行った。評価結果を表1に示した。
合成例18で得られたオキシサルファイドを、実施例9と同様の方法により電極とし、光電解析出法によりPtを助触媒として担持し、評価を行った。評価結果を表1に示した。
合成例3で得られたオキシサルファイドを、実施例1と同様の方法により電極とし、蒸着によりNiを助触媒として担持した。Ni担持は以下の手順で行った。装置は小型真空蒸着装置(アルバックイーエス株式会社製VFR−200M/ERH)を使用し、タングステンボート上におかれたNi線(99.7%、ニラコ社製)を蒸着源とした。このとき、電極の加熱は行わず、ベースプレッシャーは4×10−3Paとした。蒸着速度を0.01〜0.02nm/secに設定し、Ni層の厚さが1nmになるまでNiを蒸着した。
得られた助触媒を担持した電極を用いて評価を行った。評価結果を表1に示した。
合成例2で得られたオキシサルファイドを、実施例15と同様の方法により電極とし、蒸着により助触媒としてNiを担持し、評価を行った。評価結果を表1に示した。
実施例2で得られた電極を、光源としてソーラシミュレーター(AM1.5)を用いた以外は実施例2と同様にして評価を行った。評価結果を表1に示した。
上記各原料をモル比で、La2O3:La2S3:Cu2S:TiO2:MgO:S=1.0:1.5:0.5:1.98:0.02:0.25の混合物(Ti原子及びMg原子の合計に対するMg原子の原子百分率で1.0%)を用いた以外は合成例1と同様にして合成し、La5Ti2CuS5O7:Mg(Mg1%品)を得た。得られたオキシサルファイドのXRDパターンを図1に示す。またDRSスペクトルを図2に示す。
合成例19で得られたオキシサルファイドを実施例1と同様の方法により電極とした後、スパッタリングにより助触媒を担持し、同じく実施例1と同様の評価方法で評価を行った。評価結果を表1に示した。
合成例19で得られたオキシサルファイドを実施例1と同様の方法により電極とした後、スパッタリングにより助触媒を担持し、光源としてソーラーシミュレーターを使用した以外は実施例1と同様の評価方法で評価を行った。評価結果を表1に示した。
合成例19で得られたオキシサルファイドを実施例1と同様の方法により電極とした後、実施例9と同様の方法により助触媒を担持し、実施例1と同様の評価方法で評価を行った。評価結果を表1に示した。
合成例19で得られたオキシサルファイドを実施例1と同様の方法により電極とした後、実施例9と同様の方法により助触媒を担持し、同じく実施例9と同様の評価方法で評価を行った。評価結果を表1に示した。
上記各原料をモル比で、La2O3:La2S3:Cu2S:TiO2:Al2O3:S=1.0:1.5:0.5:1.98:0.01:0.25の混合物(Ti原子及びAl原子の合計に対するAl原子の原子百分率で1.0%)を用いた。あらかじめTiO2とAl2O3の混合物(以下、Ti−Al混合物という。)、およびLa2O3、La2S3、Cu2S、及びSの混合物(以下、La−Cu混合物という。)を別々に調製しておき、これらTi−Al混合物とLa−Cu混合物とを前記モル比となるように混合した以外は合成例1と同様にして合成し、La5Ti2CuS5O7:Al(Al1.0%品)粉末を得た。得られたオキシサルファイドのXRDパターンを図7に示す。またDRSスペクトルを図8に示す。
上記各原料をモル比で、La2O3:La2S3:Cu2S:TiO2:In2O3:S=1.0:1.5:0.5:1.98:0.01:0.25の混合物(Ti原子及びIn原子の合計に対するIn原子の原子百分率で1.0%)を用いた。あらかじめTiO2とIn2O3の混合物(以下、Ti−In混合物という。)、およびLa−Cu混合物を別々に調製しておき、これらTi−In混合物とLa−Cu混合物とを前記モル比となるように混合した以外は合成例1と同様にして合成し、La5Ti2CuS5O7:In(In1.0%品)粉末を得た。得られたオキシサルファイドのXRDパターンを図7に示す。またDRSスペクトルを図8に示す。
上記各原料をモル比で、La2O3:La2S3:Cu2S:TiO2:ZnO:S=1.0:1.5:0.5:1.98:0.02:0.25の混合物(Ti原子及びZn原子の合計に対するZn原子の原子百分率で1.0%)を用いた。あらかじめTiO2とZnOの混合物(以下、Ti−Zn混合物という。)、およびLa−Cu混合物を別々に調製しておき、これらTi−Zn混合物とLa−Cu混合物とを前記モル比となるように混合した以外は合成例1と同様にして合成し、La5Ti2CuS5O7:Zn(Zn1.0%品)粉末を得た。得られたオキシサルファイドのXRDパターンを図7に示す。またDRSスペクトルを図8に示す。
上記各原料をモル比で、La2O3:La2S3:Cu2S:TiO2:Y2O3:S=1.0:1.5:0.5:1.98:0.01:0.25の混合物(Ti原子及びY原子の合計に対するY原子の原子百分率で1.0%)を用いた。あらかじめTiO2とY2O3の混合物(以下、Ti−Y混合物という。)、およびLa−Cu混合物を別々に調製しておき、これらTi−Y混合物とLa−Cu混合物とを前記モル比となるように混合した以外は合成例1と同様にして合成し、La5Ti2CuS5O7:Y(Y1.0%品)粉末を得た。得られたオキシサルファイドのXRDパターンを図7に示す。またDRSスペクトルを図8に示す。
合成例20〜23で得られたオキシサルファイドを実施例1と同様の方法により電極とした後、実施例9と同様の方法により助触媒を担持させ、同じく実施例9と同様の評価方法で評価した。評価結果を表1に示した。
得られたXRDパターンを、結晶構造データベースのパターン(ICSD♯99612)と比較し、得られたオキシサルファイドが公知化合物であるLa5Ti2CuS5O7と同様の構造を持つことを確認した。
図1、図7に示す通り、他のすべてのオキシサルファイドについても同様にXRD測定をし、La5Ti2CuS5O7と同様の構造を持つことを確認した。
表1に示した比較例1の結果と比較例4の結果をみると、オキシサルファイド合成時に過剰の硫黄を添加することによってオンセット電位は0.8V(vsRHE)から0.9V(vsRHE)に向上し、且つ、0V(vsRHE)における光電流密度が−0.058mA/cm2から−0.108mA/cm2へと2倍程度向上した(ここで観測されるのはカソード電流のため、マイナス側に大きな値であるほど高い性能であることを示す)。この結果より、オキシサルファイド合成時に硫黄欠陥を補填するため硫黄化合物を過剰に添加することでより高い光水分解活性が得られるオキシサルファイドを合成可能であることが明らかである。
実施例1〜8、17、19の光触媒電極は、比較例4の光触媒電極に比べてオンセット電位に0.1〜0.2Vの改善が見られ、光電流密度は4倍〜70倍程度の向上が見られた。特に光電流密度での電流値向上は、比較例1に見られた2倍程度の向上に比較して向上幅が大きく、硫黄を過剰に添加した効果に加えて、Sc、Ga、Ca、Mg等でLa、Tiを一部置換した効果が現れたことが明らかである。
この傾向は、光源がキセノンランプではなくソーラーシミュレーター(AM1.5)の場合も同様に観察された。実施例9の光触媒電極は、比較例5の光触媒電極に比べてオンセット電位に0.1Vの改善が見られ、光電流密度は9倍程度の向上が見られた。また実施例20〜23の光触媒電極は、比較例5とオンセット電位は同等であるものの、光電流密度は比較例5より2.5倍〜40倍程度の向上が見られた。また実施例24の光触媒電極は、オンセット電位は0.1V低下するものの、光電流密度は比較例5に対し4倍の改善が見られた。このことから、Sc、Mg、Al、In、Zn、Y等でTiを一部置換した効果が現れたことが明らかである。
なお、実施例10、11はオキシサルファイド調製時の反応時間(他の実施例、比較例ではすべて48時間)を5時間、10時間と短縮した結果であるが、実施例9に対して光電流密度はやや低下するものの、無ドープの比較例5に対してオンセット電位で0.1Vの改善、光電流密度で7倍程度の改善が見られた。
すなわち、オキシサルファイドは、ランタン酸化物及びランタン硫化物、チタン酸化物、銅硫化物と、ドープ元素を含む原料とを個別に用いるだけでなく、ドープ元素と、ランタン及びチタンのいずれかとの複合酸化物を調製したうえで原料として用いても同様の効果が得られる。
Claims (10)
- La 5 Ti 2 CuS 5 O 7 と同様の結晶構造を有するオキシサルファイドであって、
アルカリ金属、アルカリ土類金属、周期表第3族、第4族、第6族、第11族、第12族、第13族及び第14族から選ばれる1つ以上のドープ元素(X)が、La、Ti及びドープ元素(X)の合計を基準(100原子%)として0.01原子%以上含まれていることを特徴とする、オキシサルファイド。 - 前記ドープ元素(X)が、Li、Na、Ca、Mg、Sr、Sc、Zr、Hf、Mo、W、Zn、Al、Ga及びSnから選ばれる1つ以上の元素である、請求項1に記載のオキシサルファイド。
- 前記ドープ元素(X)が、In及びYから選ばれる1つ以上の元素である、請求項1に記載のオキシサルファイド。
- La、Ti及びドープ元素(X)の組成比(La:Ti:X)が下記条件(2)を満たす、請求項1〜3のいずれか一項に記載のオキシサルファイド。
La:Ti:X = (5−α):(2−β):(α+β) …(2)
(ここで、0≦α<1、0≦β<1、0.001≦α+β<1である。) - 請求項1〜4のいずれか一項に記載のオキシサルファイドと助触媒とを含む、光触媒。
- 前記助触媒が、周期表第6族〜第10族から選ばれる1つ以上の元素を含む化合物である、請求項5に記載の光触媒。
- 前記助触媒を、光電析法により請求項1〜4のいずれか一項に記載のオキシサルファイドに担持させる、請求項5又は6に記載の光触媒の製造方法。
- 請求項1〜4のいずれか一項に記載のオキシサルファイドの製造方法であって、
La原料、Ti原料、Cu原料、S原料、並びに、アルカリ金属、アルカリ土類金属、周期表第3族、第4族、第6族、第11族、第12族、第13族及び第14族から選ばれる1つ以上のドープ元素(X)を含む原料を混合して混合物を得る、混合工程と、
前記混合物を加熱する、加熱工程と、を備え、
前記加熱工程における加熱の際、前記混合物中に存在する硫黄元素量と銅元素量との関係が下記条件(3)を満たしていることを特徴とする、オキシサルファイドの製造方法。
5.0<S/C …(3)
(ここで、Sは前記混合物に含まれる硫黄元素の数、Cは前記混合物に含まれる銅元素の数である。) - 請求項5又は6に記載の光触媒を用いた光水分解反応用電極。
- 請求項5又は6に記載の光触媒、或いは、請求項9に記載の光水分解反応用電極を、水又は電解質水溶液に浸漬し、該光触媒又は光水分解反応用電極に光を照射して光水分解を行う、水素の製造方法。
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