JP6342251B2 - Method for producing tungsten oxide and metal tungsten fine particles and fine particles obtained thereby - Google Patents

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Description

本発明は、酸化タングステン及び金属タングステン微粒子の製造方法とそれにより得られる微粒子に関する。   The present invention relates to a method for producing tungsten oxide and metal tungsten fine particles and fine particles obtained thereby.

現状、光触媒分野においては、アナターゼ、ルチル型酸化チタンが多く用いられているが、酸化チタンは自身の有する可視光透過特性に伴い太陽光の照射エネルギーの内、紫外領域しか用いることができない点が課題である。   Currently, in the photocatalytic field, anatase and rutile-type titanium oxide are often used, but titanium oxide can only be used in the ultraviolet region of the irradiation energy of sunlight due to its own visible light transmission characteristics. It is a problem.

このため、近年では可視光吸収特性を有する酸化タングステンに貴金属触媒を担持したり、微量の不純物をドープしたりすることで光触媒活性を高める研究が進められている。   For this reason, in recent years, research has been conducted to increase photocatalytic activity by supporting a noble metal catalyst on tungsten oxide having visible light absorption characteristics or doping a small amount of impurities.

酸化タングステン微粒子の製法としては主に熱分解法が用いられるが、貴金属を担持したり、不純物等をドープさせる場合、液中にこれらのイオン源を溶かしこむことができる液中プラズマ法の利便性が高い。   The thermal decomposition method is mainly used as a method for producing tungsten oxide fine particles, but the convenience of the submerged plasma method that can dissolve these ion sources in the liquid when supporting noble metals or doping impurities, etc. Is expensive.

液中プラズマ法のなかでもマイクロ波をエネルギー源とする液中プラズマ法(特許文献1〜5)は、ナノ粒子を合成する手法として知られている。   Among the in-liquid plasma methods, the in-liquid plasma methods (Patent Documents 1 to 5) using microwaves as energy sources are known as methods for synthesizing nanoparticles.

特開2010−121193号公報JP 2010-121193 A 特開2011−056428号公報JP 2011-056428 A 特開2011−058064号公報JP 2011-058064 A 特開2012−036468号公報JP 2012-036468 A 特開2013−237582号公報JP2013-237582A

液中プラズマ法では金属タングステンを電極とし、電極先端部にエネルギーを集中させることでプラズマ状態を作り出す。プラズマ中でタングステン電極は高温に達し蒸発すると共に、プラズマにより生じた水蒸気や、プラズマによる水分解により発生する酸素、液中の溶存酸素などにより、酸化されて酸化タングステンが生成される。生成した酸化タングステンは溶媒により冷却されて微粒子として液中へと析出する。   In the submerged plasma method, metallic tungsten is used as an electrode, and a plasma state is created by concentrating energy at the tip of the electrode. In the plasma, the tungsten electrode reaches a high temperature and evaporates, and is oxidized by water vapor generated by the plasma, oxygen generated by water decomposition by the plasma, dissolved oxygen in the liquid, and the like to generate tungsten oxide. The produced tungsten oxide is cooled by a solvent and deposited as fine particles in the liquid.

しかしながら、液中プラズマ法による微粒子の製造法は未だ研究段階であり、タングステン酸化物の生成法については確立されていない。   However, a method for producing fine particles by a submerged plasma method is still in the research stage, and a method for producing tungsten oxide has not been established.

現状、その生成速度は0.01g/hと低く、プラズマを発生させる電極内は液に接する開口部を除き構造上閉塞系となっているため、生成物が内部に固着することによる収率低下が生成速度を更に低下させる一因となっていた。   At present, the production rate is as low as 0.01 g / h, and the inside of the electrode for generating plasma is a closed system except for the opening in contact with the liquid, so the yield is reduced due to the product sticking inside. This contributed to a further decrease in the production rate.

また、酸素源が水由来と限定されること、水がプラズマ熱により分解して水素と酸素が生じることから、水素タングステンブロンズや酸素欠損型酸化タングステンなどの青色生成物が主に発生し、三酸化タングステンの生成が困難であるという課題があった。   In addition, since the oxygen source is limited to water and water decomposes due to plasma heat to generate hydrogen and oxygen, blue products such as hydrogen tungsten bronze and oxygen deficient tungsten oxide are mainly generated. There was a problem that it was difficult to produce tungsten oxide.

また、原料電極が水中の高温場に置かれることから、プラズマ中で発生したタングステン蒸気はすぐに酸化されてしまい、金属タングステンの微粒子を形成することが困難であった。またプラズマの発生に係る電力が非常に大きいことも課題であった。   In addition, since the source electrode is placed in a high temperature field in water, tungsten vapor generated in the plasma is immediately oxidized and it is difficult to form metallic tungsten fine particles. Another problem is that the power required to generate plasma is very large.

本発明は、以上の通りの事情に鑑みてなされたものであり、生成速度と収率を高めることができ、かつエネルギー効率の高い、酸化タングステン及び金属タングステン微粒子の製造方法とそれにより得られる微粒子を提供することを課題としている。   The present invention has been made in view of the circumstances as described above. The production method of fine particles of tungsten oxide and metal tungsten, which can increase the production rate and yield, and have high energy efficiency, and the fine particles obtained thereby. It is an issue to provide.

上記の課題を解決するために、本発明のタングステン酸化物または金属タングステン微粒子の製造方法は、原料タングステンを電極とするパルスマイクロ波液中プラズマ装置を用いたタングステン酸化物または金属タングステン微粒子の製造方法であって、プラズマの点火サイクルが100Hzを超えることを特徴としている。   In order to solve the above-mentioned problems, a method for producing tungsten oxide or metal tungsten fine particles according to the present invention is a method for producing tungsten oxide or metal tungsten fine particles using a pulsed microwave plasma apparatus using tungsten as an electrode. However, the plasma ignition cycle exceeds 100 Hz.

本発明によれば、液中パルスプラズマの点火サイクルを速めることで、プラズマ点火間のインターバルが短縮され、連続した気泡にタングステン電極が包まれ、電極温度が高温に保持されることにより、原料電極の蒸発と反応が促進され生成速度が向上する。   According to the present invention, by accelerating the ignition cycle of the pulsed plasma in liquid, the interval between plasma ignitions is shortened, the tungsten electrode is wrapped in continuous bubbles, and the electrode temperature is maintained at a high temperature. Evaporation and reaction are promoted, and the production rate is improved.

また酸素を含むガスを電極周囲に供給した場合は、三酸化タングステンの微粒子が生成可能であり、不活性若しくは還元性ガスを用いた場合は金属タングステンの微粒子が生成可能である。後者では溶存酸素や水分解で生じる酸素により、金属タングステンの他にタングステン酸化物も生成されるが、両者の比重差からデカンテーションによる選択的な回収が可能である。   Further, when a gas containing oxygen is supplied around the electrode, fine particles of tungsten trioxide can be generated, and when an inert or reducing gas is used, fine particles of metallic tungsten can be generated. In the latter, dissolved oxygen and oxygen generated by water decomposition produce tungsten oxide in addition to metallic tungsten, but selective recovery by decantation is possible due to the difference in specific gravity between the two.

また、電極周囲にガスの流れ場を形成することで、従来、濃度拡散で移動していた反応生成物を強制的に系外へと排出させることができ、電極系内への固着などによる収率低下が改善される。   In addition, by forming a gas flow field around the electrode, the reaction product that has traditionally moved due to concentration diffusion can be forcibly discharged out of the system. The rate drop is improved.

また点火サイクルを速めることで、液体から気体への相変化分に相当するエネルギーを節約できるためエネルギー効率の高い手法として利用できる。   Further, by accelerating the ignition cycle, energy corresponding to the phase change from the liquid to the gas can be saved, so that it can be used as a high energy efficiency method.

マイクロ波液中プラズマ装置の概略図である。It is the schematic of a plasma apparatus in a microwave liquid. マイクロ波電源の構成を示した図である。It is the figure which showed the structure of the microwave power source. 実施例/比較例のタングステン酸化物生成速度を示すグラフである。It is a graph which shows the tungsten oxide production rate of an Example / comparative example. 各条件における高速度カメラ撮影像である。It is a high-speed camera photography image in each condition. 実施例における酸素濃度とタングステン酸化物生成速度の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the oxygen concentration in an Example, and a tungsten oxide production rate. 実施例/比較例の収率を示すグラフである。It is a graph which shows the yield of an Example / comparative example. 生成物の分光測定結果を示すグラフである。It is a graph which shows the spectroscopic measurement result of a product. XRD分析結果(実施例1〜3)である。It is an XRD analysis result (Examples 1-3). XRD分析結果(実施例4〜6)である。It is an XRD analysis result (Examples 4-6). XRD分析結果(実施例7)である。It is an XRD analysis result (Example 7). XRD分析結果(実施例8)である。It is an XRD analysis result (Example 8). XRD分析結果(比較例1)である。It is an XRD analysis result (comparative example 1). TEM観察像(実施例3、実施例6)である。It is a TEM observation image (Example 3, Example 6). TEM-EELS O1sスペクトル(実施例3、実施例6)である。It is a TEM-EELS O1s spectrum (Example 3, Example 6).

以下に、本発明について詳細に説明する。   The present invention is described in detail below.

本発明の方法は、プラズマの点火サイクルを速めた上で、電極周囲にガスを供給することを特徴としている。   The method of the present invention is characterized in that the gas is supplied around the electrode after the plasma ignition cycle is accelerated.

ガスは三酸化タングステンを生成する場合は酸素を含むガスを、金属タングステンを生成する場合は不活性若しくは還元性ガスを供給する。   As the gas, oxygen-containing gas is supplied when producing tungsten trioxide, and inert or reducing gas is supplied when producing metallic tungsten.

具体的には水で満たされた反応容器中において、マイクロ波電源を用いてパルスプラズマを発生させる。貴金属担持や不純物ドープする際は予めこれらの原料イオンを溶かしておくことで、プラズマにより原料イオンが還元されて、担持若しくはドープすることができる。   Specifically, pulse plasma is generated using a microwave power source in a reaction vessel filled with water. When noble metal is supported or impurities are doped, by dissolving these source ions in advance, the source ions can be reduced by plasma and supported or doped.

パルスプラズマは断続的に点火と消火状態が繰り返されており、この点火サイクルを100Hzを超えるものとする。点火サイクルは、その下限は110Hz以上がより好ましく、120Hz以上が更に好ましい。上限は、実用上1kHz以下が好ましく、300Hz以下がより好ましい。本発明においては、点火サイクルは特に200Hz近傍が好ましい。   The pulse plasma is intermittently ignited and extinguished, and this ignition cycle exceeds 100 Hz. The lower limit of the ignition cycle is more preferably 110 Hz or more, and further preferably 120 Hz or more. The upper limit is practically preferably 1 kHz or less, and more preferably 300 Hz or less. In the present invention, the ignition cycle is particularly preferably around 200 Hz.

液中パルスプラズマの点火/消火サイクルにおいて、点火サイクルが遅い100Hzでは点火時には電極が高温の気泡に包まれるが、再点火までの間は気泡が収縮し、液中に電極が没することで冷却されるのに対し、点火サイクルが速くなるにしたがいインターバルが短縮され、気泡が完全に収縮する前に再点火が生じて電極が高温状態で保持され、反応が促進する。   In the ignition / extinguish cycle of pulsed plasma in liquid, when the ignition cycle is slow at 100Hz, the electrode is enveloped by hot bubbles during ignition, but until the reignition, the bubbles shrink and the electrode is submerged in the liquid to cool. In contrast, as the ignition cycle becomes faster, the interval is shortened and reignition occurs before the bubbles are fully contracted, keeping the electrode at a high temperature and promoting the reaction.

このようにプラズマの点火サイクルを速め、原料電極を高温に保つことで、反応速度が向上する。点火サイクルが遅すぎると低周波キャビテーションによる原料タングステンの試料への混入が生じる場合もある。点火サイクルが速すぎると高温に伴う電極の蒸発速度上昇と共に、目的とするタングステン酸化物の他に金属タングステンが析出するので、この点を考慮すると点火サイクルは300Hz以下が好ましい。   Thus, the reaction rate is improved by accelerating the plasma ignition cycle and keeping the raw material electrode at a high temperature. If the ignition cycle is too slow, the raw material tungsten may be mixed into the sample due to low-frequency cavitation. If the ignition cycle is too fast, the electrode evaporating rate increases with high temperature and metal tungsten is deposited in addition to the target tungsten oxide. Therefore, considering this point, the ignition cycle is preferably 300 Hz or less.

また酸素を含むガスを電極周囲に供給することで酸化反応が促進する他、三酸化タングステンを主とした微粒子の生成が可能となる。一方、不活性若しくは還元性ガスを電極周囲に供給することで従来生成できなかった金属タングステンの微粒子の生成が可能となる。   Further, by supplying a gas containing oxygen around the electrode, the oxidation reaction is promoted, and fine particles mainly containing tungsten trioxide can be generated. On the other hand, by supplying an inert or reducing gas around the electrode, it is possible to generate fine particles of metallic tungsten that could not be generated conventionally.

また電極周囲にガスを流すことで、従来、濃度拡散で移動していた反応生成物の蒸気を、ガス流れにより強制的に系外へと排出させることができる。   Further, by flowing a gas around the electrode, the vapor of the reaction product that has conventionally been moved by concentration diffusion can be forcibly discharged out of the system by the gas flow.

このようにガスを電極周囲に供給する際には、例えば、図1の拡大部に示すように、同軸導波管変換器に接続された、同軸管を構成する内部導体の中に、棒状の原料タングステンを通す貫通穴を設けて、この貫通穴における内部導体の内壁と棒状の原料タングステンとの間をガス流路とすることで、ガス供給による流れ場を電極周囲に設けることができる。   When the gas is supplied to the periphery of the electrode in this way, for example, as shown in the enlarged portion of FIG. 1, a rod-like shape is formed in the inner conductor constituting the coaxial waveguide connected to the coaxial waveguide converter. By providing a through hole through which the raw material tungsten passes and making a gas flow path between the inner wall of the inner conductor and the rod-shaped raw material tungsten in the through hole, a flow field by gas supply can be provided around the electrode.

また、従来のように点火サイクルが遅い場合は、プラズマ電極は点火毎に水中に没するため、プラズマを発生させるためには液体→気体→電離気体と二相の相変化を要求されるのに対して、点火サイクルが速い場合は電極周囲の気泡が保持されるため、気体→電離気体と一相の相変化だけでプラズマ状態を作り出すことが可能となる。   In addition, when the ignition cycle is slow as in the past, the plasma electrode is submerged in water at each ignition, so in order to generate plasma, a phase change of liquid → gas → ionized gas is required. On the other hand, when the ignition cycle is fast, bubbles around the electrode are retained, so that it is possible to create a plasma state with only a phase change of gas → ionized gas.

本発明において、「パルスマイクロ波液中プラズマ装置」の構成には、前記の特許文献に開示された装置等の従来技術が参照される。   In the present invention, the prior art such as the device disclosed in the above-mentioned patent document is referred to for the configuration of the “pulsed microwave plasma device”.

パルスマイクロ波液中プラズマ装置は、マイクロ波発振器と、導波管と、液体を収容する容器と、液中プラズマ源とを有している。以下、図1及び図2の例を参照しながら説明する。   The pulse microwave submerged plasma apparatus includes a microwave oscillator, a waveguide, a container for storing a liquid, and a submerged plasma source. Hereinafter, a description will be given with reference to the example of FIGS.

マイクロ波発振器10は、マイクロ波を生成して出力するマグネトロン44と、マグネトロン44にマイクロ波生成等のための電力を供給する電源40、41、42と、マイクロ波電源に信号を送って、マイクロ波の出力などを調整・制御するマイクロ波電源コントローラ(ファンクションジェネレータ)43とを有している。   The microwave oscillator 10 generates and outputs a microwave, a power source 40, 41, and 42 that supplies the magnetron 44 with power for generating microwaves, and sends a signal to the microwave power source. And a microwave power supply controller (function generator) 43 for adjusting and controlling a wave output and the like.

導波管20は、マイクロ波発振器10から出力されたマイクロ波を容器30へ伝搬する。導波管20には、出射、反射それぞれのマイクロ波電力を測定するパワーモニタ11や、負荷インピーダンスの整合を行うチューナ(スリースタブチューナ12等)などの立体回路を取り付けることができる。また、導波管20には、終端プランジャ13などを用いることができる。さらに、導波管20は、同軸導波管変換器14を有している。   The waveguide 20 propagates the microwave output from the microwave oscillator 10 to the container 30. A solid circuit such as a power monitor 11 that measures the microwave power of each of emission and reflection and a tuner (such as a sleeve tuner 12) that matches load impedance can be attached to the waveguide 20. Further, the end plunger 13 or the like can be used for the waveguide 20. Furthermore, the waveguide 20 has a coaxial waveguide converter 14.

容器30は、液体を入れる器である。この容器30に収められた液体の中でプラズマを発生させる。液体には、この液中にプラズマを発生させて微粒子を生成するための電力が供給される。この電力は、直流パルスではなく、2.45GHz、5.8GHz、9.5GHz帯などの周波数スペクトルが単一のマイクロ波である。このため、共振構造、伝送路インピーダンスの最適化などにより、高い電力供給効率が可能となり、また駆動電力をマイクロ波にすることで、電極への負荷を小さくできる。マイクロ波電力は、複数周期を一パルスとするパルス状であることが望ましい。定常的にプラズマ放電可能なマイクロ波電力をプラズマ源に投入すると、その電力により激しい発熱が生じ、電極が破壊する。しかるに、プラズマが生じるための電力は高く、この相反する要求を同時に実現するためには、電力供給はマイクロ波パルスであることが必要になる。一方、マイクロ波パルスのパルス幅を短くすれば、プラズマはコロナ放電すなわち非熱平衡プラズマとなり、温度上昇が抑えられ、電極の損耗は著しく少なくなる。しかし、液体に与えられるエネルギーは小さくなるため、反応速度が遅くなるか、または条件によっては微粒子が生成されない可能性がある。   The container 30 is a container for storing a liquid. Plasma is generated in the liquid stored in the container 30. The liquid is supplied with electric power for generating fine particles by generating plasma in the liquid. This power is not a direct current pulse but a microwave having a single frequency spectrum such as 2.45 GHz, 5.8 GHz, and 9.5 GHz band. For this reason, high power supply efficiency becomes possible by optimizing the resonance structure and transmission line impedance, and the load on the electrodes can be reduced by using microwaves as the driving power. The microwave power is preferably pulsed with a plurality of periods as one pulse. When microwave power capable of steady plasma discharge is input to the plasma source, intense heat is generated by the power and the electrode is destroyed. However, the electric power for generating plasma is high, and in order to simultaneously realize these conflicting demands, the electric power supply needs to be a microwave pulse. On the other hand, if the pulse width of the microwave pulse is shortened, the plasma becomes corona discharge, that is, non-thermal equilibrium plasma, the temperature rise is suppressed, and electrode wear is remarkably reduced. However, since the energy given to the liquid is small, there is a possibility that the reaction rate becomes slow or fine particles are not generated depending on conditions.

液中プラズマ源は、導波管20を伝搬してきたマイクロ波を液体に供給するための装置である。この液中プラズマ源は、同軸管15と、原料タングステン電極16とを有している。   The in-liquid plasma source is a device for supplying the microwave propagating through the waveguide 20 to the liquid. This submerged plasma source has a coaxial tube 15 and a raw material tungsten electrode 16.

同軸管15は、同軸導波管変換器14の一部を構成しており、導波管20からマイクロ波を受けて伝搬させる。同軸導波管変換器14では、導波管20と同軸管15とが垂直に接続されている。このため、マイクロ波は、導波管20から同軸管15に伝わるときに、その伝搬方向を垂直方向に変えて伝わっていく。この同軸管15は、同軸管構造で形成されており、同軸管内部導体15aと、同軸管外部導体15bとを有している。同軸管内部導体15aは、電極16となるタングステンワイヤがその内部に挿入され、同軸管外部導体15bの中空に、同軸管外部導体15bと同軸で配置されている。この同軸管内部導体15aは、胴部が円柱形状に形成されるとともに、その一方の端部は同軸導波管変換器14に接続され、他方の端部は円錐形状に形成されており、そして原料タングステン電極16が延設されている。このように原料タングステン電極16の先端を液中に露出させることで、この部分にプラズマを発生させることができる。   The coaxial tube 15 constitutes a part of the coaxial waveguide converter 14 and receives microwaves from the waveguide 20 and propagates them. In the coaxial waveguide converter 14, the waveguide 20 and the coaxial tube 15 are connected vertically. For this reason, when the microwave is transmitted from the waveguide 20 to the coaxial tube 15, the propagation direction is changed to the vertical direction. The coaxial tube 15 has a coaxial tube structure and includes a coaxial tube inner conductor 15a and a coaxial tube outer conductor 15b. The coaxial tube inner conductor 15a has a tungsten wire serving as an electrode 16 inserted therein, and is disposed coaxially with the coaxial tube outer conductor 15b in the hollow of the coaxial tube outer conductor 15b. The coaxial pipe inner conductor 15a has a barrel portion formed in a cylindrical shape, one end portion thereof connected to the coaxial waveguide converter 14, the other end portion formed in a conical shape, and A raw material tungsten electrode 16 is extended. By exposing the tip of the raw material tungsten electrode 16 in the liquid as described above, plasma can be generated in this portion.

原料タングステン電極16を支持するとともに、同軸管15の内部に液体が流入するのを防止するために、環状の封止部材17を設けてもよい。封止部材17としては、例えば、マイクロ波帯における誘電損失が少なく、過大な誘電率がなく、耐熱性の高いPTFEなどを使用することができる。   An annular sealing member 17 may be provided to support the raw material tungsten electrode 16 and prevent the liquid from flowing into the coaxial tube 15. As the sealing member 17, for example, PTFE having a low dielectric loss in the microwave band, no excessive dielectric constant, and high heat resistance can be used.

本発明の方法は、以上に説明したような、溶液を収容する容器30と、マイクロ波を出力するマイクロ波発振器10と、マイクロ波を溶液に与えてこの溶液内にプラズマを励起させる原料タングステン電極16とを備えたパルスマイクロ波液中プラズマ装置を用いて行われる。   The method of the present invention includes a container 30 for containing a solution, a microwave oscillator 10 that outputs a microwave, and a raw material tungsten electrode that excites a plasma in the solution by applying the microwave to the solution. 16 is performed using a pulsed microwave plasma apparatus.

溶液をパルスマイクロ波液中プラズマ装置の容器30に入れた後、パルスマイクロ波液中プラズマ装置のマイクロ波発振器10の電源を投入し、マグネトロン44からマイクロ波を出力させる。マイクロ波は、導波管20を伝搬し、同軸導波管変換器14、そして液中プラズマ源を介して溶液に与えられる。これにより、溶液内にプラズマが発生する。   After the solution is put into the container 30 of the pulsed microwave plasma device, the microwave oscillator 10 of the pulsed microwave plasma device is turned on, and the microwave is output from the magnetron 44. The microwave propagates through the waveguide 20 and is applied to the solution via the coaxial waveguide converter 14 and the submerged plasma source. Thereby, plasma is generated in the solution.

電極16は、同軸管内部導体15aの中を軸方向に移動可能な可動式のタングステン棒で構成されており、反応により電極16が消耗した場合でも、同軸導波管変換器14の外部からの操作によって系内に送り出すことができる。酸素を含むガスや、不活性若しくは還元性ガスなどのガスは、棒状の電極16囲の空間、すなわち同軸管内部導体15aの内壁と原料タングステン電極16との間を通じて供給される(図1拡大部)。   The electrode 16 is composed of a movable tungsten rod that can move in the axial direction in the coaxial tube inner conductor 15a. Even when the electrode 16 is consumed due to a reaction, the electrode 16 is externally connected to the coaxial waveguide converter 14. It can be sent into the system by operation. A gas containing oxygen or an inert or reducing gas is supplied through the space surrounding the rod-shaped electrode 16, that is, between the inner wall of the coaxial tube inner conductor 15 a and the raw material tungsten electrode 16 (see the enlarged portion in FIG. 1). ).

本発明の製造方法によって得られる微粒子は、次のような分野への応用が期待される。
・光触媒、ガスセンサー
・導電性材料、エレクトロクロミックウインドウ
・紫外線遮断材、赤外線遮断材・青・黄色顔料、導電性塗料
・薄膜ヒーター
The fine particles obtained by the production method of the present invention are expected to be applied to the following fields.
・ Photocatalysts, gas sensors, conductive materials, electrochromic windows, UV blocking materials, infrared blocking materials, blue and yellow pigments, conductive paints, thin film heaters

以下に、実施例により本発明をさらに詳しく説明するが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではない。
実施例1(200Hz、ガス供給なし)
マイクロ波液中プラズマ装置の概要を図1に示す。2.45GHzマイクロ波発振器で発生させたマイクロ波を導波管により反応容器まで伝導させ、同軸導波管変換によりタングステン電極先端部にマイクロ波エネルギーを集中させることで、液中においてプラズマ状態を生じさせる。
EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples. However, the present invention is not limited to these examples.
Example 1 (200Hz, no gas supply)
An outline of the microwave plasma device is shown in FIG. The microwave generated by the 2.45 GHz microwave oscillator is conducted to the reaction vessel through the waveguide, and the plasma energy is generated in the liquid by concentrating the microwave energy at the tip of the tungsten electrode by coaxial waveguide conversion. .

電極は可動式のタングステン棒で構成されており、反応により電極が消耗した場合でも系内に送り出すことができる。   The electrode is composed of a movable tungsten rod and can be fed into the system even when the electrode is consumed by reaction.

ガスは電極棒周囲の空間を通して供給し(図1拡大部)、ガスを供給しない場合には液に接する開口部以外は構造上閉塞系となる。   Gas is supplied through the space around the electrode rod (enlarged portion in FIG. 1). When gas is not supplied, the structure other than the opening contacting the liquid is a closed system.

プラズマ電極は高温による破損防止のため電極先端部以外は水冷した。   The plasma electrode was water-cooled except for the electrode tip to prevent breakage due to high temperature.

反応容器は2Lビーカーを用い、恒温バスに冷却水を供給して反応液の温度を70〜80℃に制御した。   The reaction vessel was a 2 L beaker, and cooling water was supplied to a constant temperature bath to control the temperature of the reaction solution at 70 to 80 ° C.

パルスプラズマは図2に示すマイクロ波パルス電源を用いて発生させた。フィラメント電源はマグネトロンの電子源となるフィラメントに通電させるために用いる。フィラメントを通電させた後、パルス電源を起動させ、ファンクションジェネレータにより任意のパルス周波数を選択することで断続的なパルスマイクロ波を発生させる。定電流源は通常は用いないが、負荷変動等によりパルスプラズマの出力が低下した場合などに補佐的役割として使用した。   The pulse plasma was generated using a microwave pulse power source shown in FIG. The filament power supply is used to energize the filament that is the electron source of the magnetron. After energizing the filament, the pulse power supply is activated, and an intermittent pulse microwave is generated by selecting an arbitrary pulse frequency by the function generator. Although a constant current source is not normally used, it was used as an auxiliary role when the output of pulsed plasma decreased due to load fluctuations.

電極にはタングステン棒、ガス未供給の条件で、尖頭電力3.5kW、パルス周波数200Hz、Duty比約20%にて超純水2L中で60分間のプラズマ処理を実施した。生成した液は青白い色を示し青色タングステン生成物ができていることを示唆した。生成物は濾過、乾燥を行い粉末として回収して評価を実施した。   The electrode was subjected to a plasma treatment for 60 minutes in 2 L of ultrapure water at a tip power of 3.5 kW, a pulse frequency of 200 Hz, and a duty ratio of about 20% under the condition that a tungsten rod and gas were not supplied. The resulting liquid was pale in color, suggesting that a blue tungsten product was formed. The product was filtered and dried and collected as a powder for evaluation.

実施例2(300Hz、ガス供給なし)
パルス周波数を300Hzとした以外は実施例1と同じ条件でプラズマ処理を実施した。生成した液は青白い色を示し青色タングステン酸化物の微粒子が生成されていることを示唆した。生成物は濾過、乾燥を行い粉末として回収して評価を実施した。
Example 2 (300Hz, no gas supply)
Plasma treatment was performed under the same conditions as in Example 1 except that the pulse frequency was 300 Hz. The produced liquid showed pale blue color, suggesting that blue tungsten oxide fine particles were produced. The product was filtered and dried and collected as a powder for evaluation.

実施例3(400Hz、ガス供給なし)
パルス周波数を400Hzとした以外は実施例1と同じ条件でプラズマ処理を実施した。生成した液は青白い色を示し青色タングステン酸化物の微粒子が生成されていることを示唆した。生成物は濾過、乾燥を行い粉末として回収して評価を実施した。
Example 3 (400Hz, no gas supply)
Plasma treatment was performed under the same conditions as in Example 1 except that the pulse frequency was 400 Hz. The produced liquid showed pale blue color, suggesting that blue tungsten oxide fine particles were produced. The product was filtered and dried and collected as a powder for evaluation.

実施例4(200Hz、圧縮空気)
圧縮空気を約1L/minにて電極周囲に供給した以外は実施例1と同じ条件でプラズマ処理を実施した。生成した液は黄色を示し三酸化タングステン微粒子が生成されていることを示唆した。生成物は濾過、乾燥を行い粉末として回収して評価を実施した。
Example 4 (200 Hz, compressed air)
Plasma treatment was performed under the same conditions as in Example 1 except that compressed air was supplied to the periphery of the electrode at about 1 L / min. The produced liquid was yellow, suggesting that tungsten trioxide fine particles were produced. The product was filtered and dried and collected as a powder for evaluation.

実施例5(300Hz、圧縮空気)
圧縮空気を約1L/minにて電極周囲に供給し、パルス周波数を300Hzとした以外は実施例1と同じ条件でプラズマ処理を実施した。生成した液は黄色を示し三酸化タングステン微粒子が生成されていることを示唆した。生成物は濾過、乾燥を行い粉末として回収して評価を実施した。
Example 5 (300 Hz, compressed air)
Plasma treatment was performed under the same conditions as in Example 1 except that compressed air was supplied to the periphery of the electrode at about 1 L / min and the pulse frequency was 300 Hz. The produced liquid was yellow, suggesting that tungsten trioxide fine particles were produced. The product was filtered and dried and collected as a powder for evaluation.

実施例6(400Hz、圧縮空気)
圧縮空気を約1L/minにて電極周囲に供給し、パルス周波数を400Hzとした以外は実施例1と同じ条件でプラズマ処理を実施した。生成した液は黄色を示し三酸化タングステン微粒子が生成されていることを示唆した。生成物は濾過、乾燥を行い粉末として回収して評価を実施した。
Example 6 (400 Hz, compressed air)
Plasma treatment was performed under the same conditions as in Example 1 except that compressed air was supplied to the periphery of the electrode at about 1 L / min and the pulse frequency was 400 Hz. The produced liquid was yellow, suggesting that tungsten trioxide fine particles were produced. The product was filtered and dried and collected as a powder for evaluation.

実施例7(300Hz、純酸素)
純酸素を約1L/minにて電極周囲に供給し、パルス周波数を300Hzとした以外は実施例1と同じ条件でプラズマ処理を実施した。生成した液は黄色を示し三酸化タングステン微粒子が生成されていることを示唆した。生成物は濾過、乾燥を行い粉末として回収して評価を実施した。
Example 7 (300 Hz, pure oxygen)
Plasma treatment was performed under the same conditions as in Example 1 except that pure oxygen was supplied around the electrode at about 1 L / min and the pulse frequency was 300 Hz. The produced liquid was yellow, suggesting that tungsten trioxide fine particles were produced. The product was filtered and dried and collected as a powder for evaluation.

実施例8(300Hz、アルゴン)
不活性ガスとしてアルゴンを約1L/minにて電極周囲に供給し、パルス周波数を300Hzとした以外は実施例1と同じ条件でプラズマ処理を実施した。生成した液は青色を示し、灰色の沈殿物があることから、青色タングステン酸化物と、金属タングステン微粒子が生成されていることを示唆した。生成物は濾過、乾燥を行い粉末として回収して評価を実施した。
Example 8 (300 Hz, argon)
Plasma treatment was performed under the same conditions as in Example 1 except that argon was supplied as an inert gas around the electrode at about 1 L / min and the pulse frequency was 300 Hz. The produced liquid was blue and had a gray precipitate, suggesting that blue tungsten oxide and metallic tungsten fine particles were produced. The product was filtered and dried and collected as a powder for evaluation.

比較例1(100Hz、ガス供給なし)
パルス周波数を100Hzとして、パルスDuty比を30%とした以外は実施例1と同じ条件でプラズマ処理を実施した。生成した液はほぼ透明で反応生成物が非常に少ないことを示唆した。生成物は濾過、乾燥を行い粉末として回収して評価を実施した。
Comparative Example 1 (100Hz, no gas supply)
Plasma treatment was performed under the same conditions as in Example 1 except that the pulse frequency was 100 Hz and the pulse duty ratio was 30%. The resulting liquid was almost clear, suggesting very little reaction product. The product was filtered and dried and collected as a powder for evaluation.

比較例2(市販品)
比較参考例としてBeijing dekedaoking technology製の平均粒子径40nmの三酸化タングステン微粒子を用いて評価を実施した。
Comparative Example 2 (commercially available product)
As a comparative reference example, evaluation was performed using tungsten trioxide fine particles having an average particle diameter of 40 nm manufactured by Beijing dekedaoking technology.

評価1(生成速度)
実施例と比較例のタングステン酸化物の生成速度を調査した結果を図3に示す。生成速度は「濾過回収した粉体重量/プラズマ処理時間」で算出した。
Evaluation 1 (generation speed)
FIG. 3 shows the results of examining the production rates of the tungsten oxides of the example and the comparative example. The production rate was calculated by “weight of powder collected by filtration / plasma treatment time”.

ガス供給をしない系ではパルス周波数を上げると生成速度が約0.14g/hに向上した。パルスプラズマは図4に示すように断続的にプラズマの点火/消火が繰り返されている。   In the system without gas supply, the generation rate improved to about 0.14g / h when the pulse frequency was increased. As shown in FIG. 4, the pulse plasma is intermittently ignited / extinguished.

100Hz(比較例1)では点火時は高温の気泡に包まれるが、再点火までの間は気泡が収縮して電極が液中に没して冷却されるのに対し、200Hz(実施例1)では再点火するまでの期間が非常に短く、300Hz(実施例2)を超えると再点火までのインターバル中にも気泡は連続して存在すると同時に電極の黒体放射も確認できた。黒体放射が示す電極温度はプランクの法則から約5000℃と算出され、電極が高温を保持していることが明確となった。このようにプラズマの点火サイクルを速めることで原料となる電極が高温に晒される時間が増加して、反応速度が促進すると考えられる。   At 100 Hz (Comparative Example 1), it is enveloped in high-temperature bubbles at the time of ignition, but until the re-ignition, the bubbles contract and the electrode is submerged in the liquid to be cooled, whereas 200 Hz (Example 1) Then, the period until re-ignition was very short, and when 300 Hz (Example 2) was exceeded, bubbles were continuously present during the interval until re-ignition, and at the same time, black body radiation of the electrode could be confirmed. The electrode temperature indicated by blackbody radiation was calculated to be about 5000 ° C. from Planck's law, and it became clear that the electrode maintained a high temperature. By accelerating the plasma ignition cycle in this manner, it is considered that the time during which the electrode as a raw material is exposed to a high temperature increases, and the reaction rate is accelerated.

また、酸素を含むガスを供給した場合は、ガス供給により電極は常に気泡に包まれているため、前述の300Hz以上と同じような状態を作り出すことができる。このため、生成速度はパルス周波数に依存しないが、生成速度は空気で0.34g/h、純酸素の場合は1.5g/hと酸素濃度に応じて大きく変化した。図5に示すように酸素濃度と生成速度の関係は直線的な関係があり、酸素を電極周囲に供給することで酸化反応が促進され、生成速度が向上していることが明確となった。   In addition, when a gas containing oxygen is supplied, the electrode is always enveloped by the gas supply, so that a state similar to the above 300 Hz or higher can be created. For this reason, although the production rate does not depend on the pulse frequency, the production rate is 0.34 g / h for air, and 1.5 g / h for pure oxygen, depending on the oxygen concentration. As shown in FIG. 5, the relationship between the oxygen concentration and the production rate is linear, and it has been clarified that the production rate is improved by promoting the oxidation reaction by supplying oxygen around the electrode.

評価2(収率)
実施例と比較例の収率は、濾過回収した粉体重量とタングステン電極の損耗量の比により、三酸化タングステン換算で算出した。図6に示す通りガスを流した系(実施例4〜8)は流さない系(比較例1、実施例1〜3)よりも収率が高いことが確認できる。電極周囲にガスを流すことで、従来濃度拡散で移動していた反応生成物の蒸気をガス流れにより強制的に液中へと排出させる効果があると考えられる。
Evaluation 2 (Yield)
The yields of Examples and Comparative Examples were calculated in terms of tungsten trioxide based on the ratio of the weight of powder collected by filtration and the amount of wear of the tungsten electrode. As shown in FIG. 6, it can be confirmed that the system (Examples 4 to 8) in which the gas flowed has a higher yield than the system (Comparative Example 1 and Examples 1 to 3) in which the gas did not flow. By flowing a gas around the electrode, it is considered that there is an effect of forcibly discharging the vapor of the reaction product that has been moved by concentration diffusion in the past into the liquid by the gas flow.

評価3(生成物質同定)
得られた試料は、酸素を含むガスを供給した系(実施例4〜7)では黄色を示したのに対し、不活性ガスを供給した若しくはガスを供給しなかった系(実施例1〜3、8)では青色を示した。この現象はガス種により生成物が異なることを示唆しており、以下に示す分析により物質同定を試みた。
Evaluation 3 (Production substance identification)
The obtained sample showed yellow in the system (Examples 4 to 7) to which the gas containing oxygen was supplied, whereas the system to which the inert gas was supplied or was not supplied (Examples 1 to 3). 8) showed blue. This phenomenon suggests that the product varies depending on the gas species, and we attempted to identify the substance by the following analysis.

分析1)実施例1〜8、比較例2の試料粉体の吸収スペクトル測定を行った。測定は日本分光製の紫外可視分光光度計V-670を用いて拡散反射スペクトルから得られた反射率から吸収スペクトルを算出した。結果を図7に示す。 Analysis 1) The absorption spectra of the sample powders of Examples 1 to 8 and Comparative Example 2 were measured. For the measurement, an absorption spectrum was calculated from the reflectance obtained from the diffuse reflection spectrum using an ultraviolet-visible spectrophotometer V-670 manufactured by JASCO. The results are shown in FIG.

分析2)実施例1〜8、比較例1で得られた試料の粉末X線回折測定を実施し生成物質の同定を行った。結果を図8〜12に示す。 Analysis 2) Powder X-ray diffraction measurement was performed on the samples obtained in Examples 1 to 8 and Comparative Example 1 to identify the product. The results are shown in FIGS.

分析3)実施例3、実施例6で得られた試料について、TEM-EELSスペクトルの測定を行った。EELSは電子が試料を透過する際に、原子との相互作用により失うエネルギーを測定することによって、構成元素や電子構造を分析する手法で、酸素などの軽元素の感度が良好で、エネルギー分解能が高いのが特徴である。測定部位のTEM像を図13に、O1s EELSスペクトルを図14に示す。 Analysis 3) The samples obtained in Example 3 and Example 6 were measured for TEM-EELS spectra. EELS is a technique for analyzing constituent elements and electronic structure by measuring the energy lost by interaction with atoms when electrons pass through the sample. Sensitivity of light elements such as oxygen is good and energy resolution is low. The feature is high. FIG. 13 shows a TEM image of the measurement site, and FIG. 14 shows an O1s EELS spectrum.

WO3のリファレンスデータとしてはG. Mountjoy et.al., Inst. Phys. Conf. Ser. No. 138 Section 2, 35-38 (1993)に掲載されたデータを使用した。c-WO3は結晶質三酸化タングステン、a-WO3は非晶質三酸化タングステン、Damaged a-WO3は酸素欠損が生じた非晶質三酸化タングステンである。実施例、比較例で得られた物質はXRDの結果から結晶質タングステン酸化物であるが、上記データの結晶質と非晶質のピーク比較から電子構造に差がないことが確認できるため、a-WO3、Damaged a-WO3の両スペクトルをリファレンスとして計測データとの比較を行った。   As reference data for WO3, data published in G. Mountjoy et.al., Inst. Phys. Conf. Ser. No. 138 Section 2, 35-38 (1993) was used. c-WO3 is crystalline tungsten trioxide, a-WO3 is amorphous tungsten trioxide, and Damaged a-WO3 is amorphous tungsten trioxide in which oxygen deficiency occurs. The materials obtained in Examples and Comparative Examples are crystalline tungsten oxides based on the XRD results, but it can be confirmed that there is no difference in the electronic structure from the crystalline and amorphous peaks in the above data. Comparison was made with measurement data using both -WO3 and Damaged a-WO3 spectra as references.

実施例1〜3(ガスを供給しない系)において、図8のXRDパターンは斜方晶WO3と概ね一致する。WO3の結晶構造は温度に依存し、低温側から三斜晶(-50〜17℃)、単斜晶(17〜330℃)、斜方晶(330〜740℃)、正方晶(740℃〜)となることが知られており、プラズマ中で生じた高温のWO3蒸気が急冷されてなるこれらの試料が斜方晶を示すことはリーズナブルな結果と言える。また、水素タングステンブロンズが示す24.4°付近のショルダーも大きく見られこの存在も示唆している。   In Examples 1 to 3 (a system in which no gas is supplied), the XRD pattern in FIG. 8 substantially matches with orthorhombic WO3. The crystal structure of WO3 depends on the temperature. From the low temperature side, triclinic crystal (-50 to 17 ° C), monoclinic crystal (17 to 330 ° C), orthorhombic crystal (330 to 740 ° C), tetragonal crystal (740 ° C to It can be said that these samples obtained by quenching the high-temperature WO3 vapor generated in the plasma exhibit orthorhombic crystals are reasonable results. In addition, the shoulder around 24.4 ° indicated by hydrogen tungsten bronze is also seen, suggesting this existence.

酸素欠損についてはXRDでは判別が難しいため、TEM-EELSのスペクトル解析から判断した。図13に示すように実施例3の生成試料は20nmを超える粒子と、10nm以下の粒子から構成されるが、両者のO1s EELSスペクトルは図14に示すように異なり、10nm以下の粒子では酸素欠損が生じていることを示唆した。   Oxygen deficiency was difficult to identify with XRD, so it was judged from TEM-EELS spectral analysis. As shown in FIG. 13, the produced sample of Example 3 is composed of particles exceeding 20 nm and particles of 10 nm or less, but their O1s EELS spectra are different as shown in FIG. It was suggested that occurred.

分光測定結果(図7)は可視光域の吸収が強く青色領域に透過ピークを持つ吸収スペクトルを有することから、実施例1〜3の生成物は主に酸素欠損型酸化タングステン、水素タングステンブロンズと少量の三酸化タングステンで構成されていると考えられる。   Since the spectroscopic measurement result (FIG. 7) has an absorption spectrum with strong absorption in the visible light region and a transmission peak in the blue region, the products of Examples 1 to 3 are mainly oxygen-deficient tungsten oxide, hydrogen tungsten bronze and It is thought that it is composed of a small amount of tungsten trioxide.

空気を供給した系(実施例4〜6)において、図9のXRDパターンは同様に斜方晶WO3と、水素タングステンブロンズが示す24.4°付近のショルダーが確認できる。実施例6で得られた生成物は10nm前後の粒子と、10nm以下の薄ぼんやりと観察された粒子から構成され(図13)、それらのO1s EELSスペクトル(図14)から10nm以下の粒子は酸素欠損が生じていることが確認できた。分光測定結果(図7)は可視光域に吸収が見られるものの、比較例2(市販品)と似た特性を示した。青色領域にやや透過ピークを持つような傾向が見られるため、実施例4〜6の生成物は主に三酸化タングステンで構成され、酸素欠損型酸化タングステン、水素タングステンブロンズが少量含まれていると考えられる。   In the system supplied with air (Examples 4 to 6), the XRD pattern in FIG. 9 can confirm the orthorhombic WO3 and the shoulder around 24.4 ° indicated by the hydrogen tungsten bronze. The product obtained in Example 6 is composed of particles around 10 nm and particles observed thinly below 10 nm (FIG. 13). From the O1s EELS spectrum (FIG. 14), the particles below 10 nm are oxygen. It was confirmed that a defect occurred. The spectroscopic measurement result (FIG. 7) showed similar characteristics to Comparative Example 2 (commercial product), although absorption was observed in the visible light range. Since there is a tendency to have a slightly transmission peak in the blue region, the products of Examples 4 to 6 are mainly composed of tungsten trioxide, and contain a small amount of oxygen-deficient tungsten oxide and hydrogen tungsten bronze. Conceivable.

純酸素を供給した系(実施例7)において、図10のXRDパターンは極めて明瞭な斜方晶WO3のパターンを有し、水素タングステンブロンズが示す24.4°付近のショルダーが確認できる。分光測定結果(図7)は可視光域に吸収が見られるものの、比較例2(市販品)と似た特性を示した。青色領域にやや透過ピークを持つような傾向が見られるため、実施例7の生成物は主に三酸化タングステンで構成され、水素タングステンブロンズが少量含まれているものと考えられる。   In the system supplied with pure oxygen (Example 7), the XRD pattern of FIG. 10 has a very clear orthorhombic WO3 pattern, and a shoulder around 24.4 ° indicated by hydrogen tungsten bronze can be confirmed. The spectroscopic measurement result (FIG. 7) showed similar characteristics to Comparative Example 2 (commercial product), although absorption was observed in the visible light range. Since there is a tendency to have a slight transmission peak in the blue region, it is considered that the product of Example 7 is mainly composed of tungsten trioxide and contains a small amount of hydrogen tungsten bronze.

不活性(アルゴン)ガスを供給した系(実施例8)では、灰色沈殿物と青色の上澄み溶液に別れたためこれをデカンテーションにより分離回収して各々の分析を実施した。   In the system to which inert (argon) gas was supplied (Example 8), it was separated into a gray precipitate and a blue supernatant solution, which were separated and recovered by decantation, and each analysis was performed.

上澄み回収物において、XRDパターン(図11)は斜方晶WO3のパターンを有し、水素タングステンブロンズが示す24.4°付近のショルダーが確認できる。上澄み回収物の分光測定結果(図7)は可視光域の吸収が強く、青色領域に透過ピークを持つ吸収スペクトルを有する。後述する沈殿物に酸素欠損型酸化タングステンが含まれていることから、上澄み回収物は主に酸素欠損型酸化タングステンと水素タングステンブロンズで構成されており、少量の三酸化タングステンを含むと考えられる。   In the supernatant collection, the XRD pattern (FIG. 11) has an orthorhombic WO3 pattern, and a shoulder around 24.4 ° indicated by hydrogen tungsten bronze can be confirmed. The spectroscopic measurement result (FIG. 7) of the supernatant collected has a strong absorption in the visible light region and an absorption spectrum having a transmission peak in the blue region. Since the oxygen deficient tungsten oxide is contained in the precipitate to be described later, the supernatant recovered is mainly composed of oxygen deficient tungsten oxide and hydrogen tungsten bronze, and is considered to contain a small amount of tungsten trioxide.

沈殿物において、XRDパターン(図11)は同様に斜方晶WO3のピークと水素タングステンブロンズが示す24.4°付近のショルダーが見られるが、酸素欠損型酸化タングステンのピークも明瞭に確認できた。また原料棒と同組成のα相タングステンだけでなく、β相タングステンも生成されていることが確認できる。回収物は灰色を示すため、主にα相、β相タングステンで構成され、酸素欠損型酸化タングステン、水素タングステンブロンズ、三酸化タングステンが少量ずつ含まれていると考えられる。プラズマ中では水が分解されて水素と酸素が発生し、これらが水素タングステンブロンズなどの水素源、酸素源となっているが不活性ガスを供給することで、酸化が抑制され金属タングステン微粒子が得られていると考えられる。   In the precipitate, the XRD pattern (FIG. 11) similarly shows an orthorhombic WO3 peak and a shoulder near 24.4 ° indicated by hydrogen tungsten bronze, but the peak of oxygen-deficient tungsten oxide was also clearly confirmed. It can also be confirmed that not only α-phase tungsten having the same composition as the raw material rod but also β-phase tungsten is produced. Since the recovered material is gray, it is mainly composed of α-phase and β-phase tungsten, and is considered to contain small amounts of oxygen-deficient tungsten oxide, hydrogen tungsten bronze, and tungsten trioxide. In plasma, water is decomposed to generate hydrogen and oxygen, which are hydrogen and oxygen sources such as hydrogen tungsten bronze, but by supplying inert gas, oxidation is suppressed and metal tungsten fine particles are obtained. It is thought that.

比較例1において、XRDパターン(図12)は斜方晶WO3のパターンを有し、水素タングステンブロンズが示す24.4°付近のショルダーが確認できる。また、実施例では生成されなかった斜方晶WO3の水和物のパターンが明瞭に確認できる。これは高速度カメラ撮影像(図4)からわかるように、プラズマ点火と同時に高温の水蒸気で満たされた大きな気泡が発生し、消失までに4ms以上の時間が掛っており、この間に生成物と水蒸気が結合すると考えられる。また100Hzで生じる低周波キャビテーションにより、タングステン電極棒が剥がれ落ちたことに起因する原料由来のα相タングステンのピークが見られる。   In Comparative Example 1, the XRD pattern (FIG. 12) has an orthorhombic WO3 pattern, and a shoulder around 24.4 ° indicated by hydrogen tungsten bronze can be confirmed. Further, the pattern of orthorhombic WO3 hydrate that was not produced in the examples can be clearly confirmed. As can be seen from the high-speed camera image (Fig. 4), large bubbles filled with high-temperature water vapor are generated at the same time as plasma ignition, and it takes 4 ms or more to disappear. It is thought that water vapor is combined. In addition, a peak of α-phase tungsten derived from the raw material due to the tungsten electrode rod peeling off due to low frequency cavitation occurring at 100 Hz is seen.

また、図8、図9のXRDパターンにおいて、α相、β相タングステンのピークが300Hz(実施例2、5)、400Hz(実施例3、6)で見られるのに対して、これらのピークはパルス周波数200Hzで行った実施例1、3では見られなかった。また比較例1(100Hz、図12)についてもα相タングステンのピークが見られる。100Hzでは低周波キャビテーションによる電極表面が剥がれ落ちたことに起因する。300Hz以上では高速度カメラ撮影像(図4)が示すように、絶えず気泡と原料電極の黒体放射が観測されていることから、電極が常に高温に晒されることによりタングステン原料棒の蒸発量が多いと考えられる。供給空気量とタングステン電極の損耗速度から算出した酸素ストイキメトリは44と酸素が十分に供給されていることを示唆しているが、空気流れは電極温度が先に述べたように約5000℃であるため室温時の約19倍の超高速の流れ場となり、更に反応場は高温の電極表面に限定されることから、供給した空気中の酸素は一部しか利用されず系外に排出されると考えられる。このため、一部は酸素欠損型酸化タングステンとなり、一部は金属タングステンとして液中に析出したものと考えられる。このような場合、供給ガス量よりも酸素濃度が支配的になると考えられるが、事実、純酸素を用いた実施例7では同じ300Hzの条件であるにも関わらず金属タングステン由来のXRDピークを持たないことが確認できた。   Further, in the XRD patterns of FIGS. 8 and 9, the peaks of α phase and β phase tungsten are seen at 300 Hz (Examples 2 and 5) and 400 Hz (Examples 3 and 6), whereas these peaks are It was not observed in Examples 1 and 3 performed at a pulse frequency of 200 Hz. Further, the peak of α-phase tungsten is also observed in Comparative Example 1 (100 Hz, FIG. 12). At 100 Hz, the electrode surface was peeled off due to low frequency cavitation. At 300Hz or higher, as shown in the high-speed camera image (Fig. 4), the bubble and the black body radiation of the raw material electrode are constantly observed. It is thought that there are many. The oxygen stoichiometry calculated from the amount of supply air and the wear rate of the tungsten electrode suggests that 44 and oxygen are sufficiently supplied, but the air flow is about 5000 ° C as described above. Therefore, the flow field is about 19 times faster than that at room temperature, and the reaction field is limited to the high temperature electrode surface, so only a part of the oxygen in the supplied air is used and discharged outside the system. it is conceivable that. For this reason, it is considered that part of the oxygen-deficient tungsten oxide and part of it deposited in the liquid as metallic tungsten. In such a case, it is considered that the oxygen concentration is more dominant than the supply gas amount, but in fact, Example 7 using pure oxygen has an XRD peak derived from metallic tungsten despite the same 300 Hz condition. It was confirmed that there was no.

プラズマの点火サイクルと投入電力については、比較例1(100Hz)では安定したプラズマを発生させるのに、尖頭電力3500W、Duty比30%を必要としたのに対し、実施例1〜8(200〜400Hz)では同じ尖頭電力値においてDuty比20%前後しか必要としなかった。各々の平均投入電力は1050W、700Wと算出でき、点火サイクルを速めることにより約33%の電力消費が削減できた。   Regarding the plasma ignition cycle and input power, in Comparative Example 1 (100 Hz), a peak power of 3500 W and a duty ratio of 30% were required to generate a stable plasma, whereas Examples 1 to 8 (200 (~ 400Hz), only 20% duty ratio was required at the same peak power value. The average input power can be calculated as 1050W and 700W, and the power consumption was reduced by about 33% by accelerating the ignition cycle.

以上の結果を纏めると次のとおりである。   The above results are summarized as follows.

生成速度はプラズマの点火サイクルを速め、原料電極を高温に保つことで、反応速度が速まり向上する(図3、実施例1〜3、比較例1)。点火サイクルが遅すぎると低周波キャビテーションによる原料タングステンの試料への混入が生じ、点火サイクルが速すぎると高温に伴う電極の蒸発速度上昇と共に、目的とするタングステン酸化物の他に金属タングステンが析出することから、点火サイクルは100Hzを超えて300Hz以下であることが好ましく200Hz近傍であることが望ましい。収率はガス供給による流れ場を電極周囲に設けてやることで、反応生成物を速やかに電極系外へ排出することにより改善が見られた。   The generation rate is increased by accelerating the plasma ignition cycle and keeping the raw material electrode at a high temperature, thereby increasing the reaction rate (FIG. 3, Examples 1 to 3, Comparative Example 1). If the ignition cycle is too slow, the raw material tungsten is mixed into the sample by low-frequency cavitation. If the ignition cycle is too fast, the electrode evaporates at a high temperature and the metal tungsten is deposited in addition to the target tungsten oxide. Therefore, the ignition cycle is preferably higher than 100 Hz and lower than or equal to 300 Hz, and preferably around 200 Hz. The yield was improved by providing a flow field by gas supply around the electrode, and quickly discharging the reaction product out of the electrode system.

またタングステン酸化物の生成については、電極周囲に酸素を含むガスを供給することで酸化反応が促進して生成速度が大幅に向上する。酸素濃度と生成速度には相関が見られる(図5)。酸素を含むガスを供給した場合、生成速度は点火サイクルに依存しないが、空気を用いた場合(酸素濃度20.95%)は、点火サイクルが速すぎると、酸素濃度に応じて目的のタングステン酸化物の他に金属タングステンが析出することから、点火サイクルは100Hzを超えて300Hz以下であることが好ましく200Hz近傍であることが望ましい。純酸素を用いた場合は反応場にたえず100%濃度の酸素が供給されることから点火サイクルの影響はない。   As for the production of tungsten oxide, by supplying a gas containing oxygen around the electrode, the oxidation reaction is promoted and the production rate is greatly improved. There is a correlation between oxygen concentration and production rate (FIG. 5). When a gas containing oxygen is supplied, the generation rate does not depend on the ignition cycle. However, when air is used (oxygen concentration 20.95%), if the ignition cycle is too fast, the target tungsten oxide will be used depending on the oxygen concentration. In addition, since metallic tungsten is deposited, the ignition cycle is preferably higher than 100 Hz and lower than or equal to 300 Hz, and preferably around 200 Hz. When pure oxygen is used, there is no influence of the ignition cycle because 100% concentration of oxygen is constantly supplied to the reaction field.

得られる生成物は電極への酸素を含むガスの供給状態で異なり、ガス供給しない場合は酸素欠損型酸化タングステンと水素タングステンブロンズが主となる青色粉末が、ガス供給した場合は三酸化タングステンが主となる黄色粉末が得られる。   The resulting product differs depending on the supply state of the oxygen-containing gas to the electrode. When the gas is not supplied, a blue powder mainly composed of oxygen-deficient tungsten oxide and hydrogen tungsten bronze is obtained. When the gas is supplied, tungsten trioxide is mainly used. A yellow powder is obtained.

このようにして得られたタングステン酸化物は、その可視光域の吸収特性を活かして、光触媒、ガスセンサー、導電性材料、エレクトロクロミックウインドウに用いられることが期待される。また、赤外領域にも吸収が見られることから、この材料を外装用建材に適用した場合、赤外遮蔽材として太陽光の熱エネルギーを遮蔽することで屋内温度の上昇を防止し、エアコン等の使用を抑制するといった機能を付与することが可能である。また生成物の色が酸素濃度により制御できることから、顔料や色選択性の高い外装建材としての利用も期待される。   The tungsten oxide thus obtained is expected to be used for a photocatalyst, a gas sensor, a conductive material, and an electrochromic window by making use of its absorption characteristics in the visible light region. In addition, since absorption is also seen in the infrared region, when this material is applied to exterior building materials, the heat energy of sunlight is shielded as an infrared shielding material to prevent an increase in indoor temperature, such as an air conditioner. It is possible to provide a function of suppressing the use of. Further, since the product color can be controlled by the oxygen concentration, it is expected to be used as an exterior building material having high pigment and color selectivity.

酸素を含むガスの代わりに不活性ガスを用いた場合、α相タングステンの他にβ相タングステンを含む金属タングステン粒子が生成できることが確認された。一般にα相は、β相に比べて安定であり、バルクのタングステンのほとんどがα相で占められている。β相タングステンは耐熱性、抵抗率共に非常に高い特性を有していることから薄膜ヒーターなどの構成材料として好適であり、これらの分野での利用が期待される。現状、水中の溶存酸素やプラズマで水が分解して生じる酸素により不活性ガスを供給した場合でも酸化物が生じるが、比重差により金属タングステン微粒子は沈殿するためデカンテーションなどの簡便な手法で分離が可能である。分離後は少量含まれるタングステン酸化物をアルカリ処理により除去することでβ相を含む金属タングステン微粒子として回収することが可能である。また、水素等を含む還元ガスを供給し、酸化物の生成を抑制することで金属タングステン微粒子の収率を上げることが可能と考えられる。   When an inert gas was used instead of the gas containing oxygen, it was confirmed that metal tungsten particles containing β-phase tungsten in addition to α-phase tungsten could be generated. In general, the α phase is more stable than the β phase, and most of the bulk tungsten is occupied by the α phase. Since β-phase tungsten has very high characteristics in both heat resistance and resistivity, it is suitable as a constituent material for thin film heaters and is expected to be used in these fields. At present, oxides are generated even when inert gas is supplied by dissolved oxygen in water or oxygen generated by decomposition of water with plasma, but metal tungsten fine particles precipitate due to the difference in specific gravity, so they can be separated by a simple method such as decantation. Is possible. After the separation, the tungsten oxide contained in a small amount can be removed by alkali treatment to recover the metal tungsten fine particles containing the β phase. In addition, it is considered possible to increase the yield of the metal tungsten fine particles by supplying a reducing gas containing hydrogen or the like and suppressing the formation of oxides.

実施例では酸素ガスと不活性ガスを用いたが、これ以外のガスを供給した場合は、ガス種に応じて反応生成物をある程度選択的に生成することが可能となると考えられる。例えば、窒素を供給することでタングステン窒化物、炭酸ガスと水素の混合ガスを供給することでタングステン炭化物等々への応用も期待される。   In the examples, oxygen gas and inert gas are used. However, when other gases are supplied, it is considered that a reaction product can be selectively generated to some extent according to the gas type. For example, it is expected that tungsten nitride is supplied by supplying nitrogen and tungsten carbide is supplied by supplying a mixed gas of carbon dioxide and hydrogen.

また、従来プロセスではプラズマ発生に至る相変化は、液体→気体→電離気体の二相分必要であったのに対し、本実施例では、点火サイクルを速めることで電極周囲の気泡を保持させ、気体→電離気体の一相分ですむようになり、液体から気体への相変化分に相当するエネルギーを節約でき、エネルギー効率を高めることが可能となった。   In addition, in the conventional process, the phase change leading to plasma generation was required for two phases of liquid → gas → ionized gas, whereas in this example, the bubbles around the electrodes were held by accelerating the ignition cycle, From gas to ionized gas, the amount of energy required for the phase change from liquid to gas can be saved and energy efficiency can be increased.

また、これらの手法は、他の金属酸化物、金属化合物、金属微粒子の製法としても、利用可能と考えられ、非常に発展性の高い製造方法であることを明記しておく。   In addition, it should be noted that these methods can be used as methods for producing other metal oxides, metal compounds, and metal fine particles, and are very highly producible production methods.

10 マイクロ波発振器
11 パワーモニタ
12 スリースタブチューナ
13 プランジャ
14 同軸導波管変換器
15 同軸管
15a 内部導体
15b 外部導体
16 タングステンワイヤ(電極)
17 PTFE(封止材)
18 タングステンGNDリング
19 冷媒
20 導波管
30 ビーカー(容器)
31 水浴
32 冷媒
33 磁気撹拌子
34 熱電対
40 フィラメント電源
41 高圧電源(CW)
42 高圧電源(Pulse)
43 ファンクションジェネレータ
44 マグネトロン
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Microwave oscillator 11 Power monitor 12 Three tab tuner 13 Plunger 14 Coaxial waveguide converter 15 Coaxial pipe 15a Inner conductor 15b Outer conductor 16 Tungsten wire (electrode)
17 PTFE (sealing material)
18 Tungsten GND ring 19 Refrigerant 20 Waveguide 30 Beaker (container)
31 Water bath 32 Refrigerant 33 Magnetic stirrer 34 Thermocouple 40 Filament power supply 41 High voltage power supply (CW)
42 High Voltage Power Supply (Pulse)
43 Function Generator 44 Magnetron

Claims (5)

原料タングステンを電極とするパルスマイクロ波液中プラズマ装置を用いたタングステン酸化物または金属タングステン微粒子の製造方法であって、プラズマの点火サイクルが100Hzを超えることを特徴とするタングステン酸化物または金属タングステン微粒子の製造方法。   A method for producing tungsten oxide or metal tungsten fine particles using a pulsed microwave submerged plasma apparatus using tungsten as an electrode, wherein the plasma ignition cycle exceeds 100 Hz. Manufacturing method. 前記プラズマの点火サイクルが100Hzを超えて300Hz以下であることを特徴とする請求項1に記載のタングステン酸化物または金属タングステン微粒子の製造方法。   2. The method for producing tungsten oxide or metal tungsten fine particles according to claim 1, wherein the plasma ignition cycle is more than 100 Hz and not more than 300 Hz. 原料タングステン電極の周囲にガスを流すことを特徴とする請求項1または2に記載のタングステン酸化物または金属タングステン微粒子の製造方法。   The method for producing tungsten oxide or metal tungsten fine particles according to claim 1 or 2, wherein a gas is allowed to flow around the raw material tungsten electrode. 前記ガスとして酸素を含むガスを用いて、タングステン酸化物微粒子を製造することを特徴とする請求項3に記載のタングステン酸化物または金属タングステン微粒子の製造方法。   4. The method for producing tungsten oxide or metal tungsten fine particles according to claim 3, wherein tungsten oxide fine particles are produced using a gas containing oxygen as the gas. 前記ガスとして不活性若しくは還元性ガスを用いて、金属タングステン微粒子を製造することを特徴とする請求項3に記載のタングステン酸化物または金属タングステン微粒子の製造方法 4. The method for producing tungsten oxide or metal tungsten fine particles according to claim 3, wherein metal tungsten fine particles are produced using an inert or reducing gas as the gas .
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