JP6567278B2 - Photocatalyst production method, hydrogen generation method, and photocatalyst for hydrogen generation - Google Patents

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Description

本発明は、光触媒及び、その製造方法及び光触媒を用いた水素発生方法に関する。特に、毒性がなく、年生産量も高い材料であるSnを主成分とし、可視光照射で水を分解して水素を発生可能な光触媒、その製造方法及び光触媒を用いた水素発生方法に関する。   The present invention relates to a photocatalyst, a production method thereof, and a hydrogen generation method using the photocatalyst. In particular, the present invention relates to a photocatalyst capable of generating hydrogen by decomposing water by irradiation with visible light, a method for producing the photocatalyst, and a hydrogen generation method using the photocatalyst.

近年、サステナブルなエネルギー・システムに関心が高まっている。このシステムは、安価で、大量にかつ容易に供給可能なエネルギーで駆動されることを要する。水素エネルギーは、水から安価に、大量にかつ容易に供給できる可能性があり、前記システムを駆動可能なエネルギーの一つである(非特許文献1〜5)。水素エネルギーの供給方法の一つに、可視光照射で水を分解して水素を発生可能な光触媒を用いる方法がある。   In recent years, there has been a growing interest in sustainable energy systems. This system needs to be driven with energy that is inexpensive, can be supplied in large quantities and easily. Hydrogen energy may be easily supplied in large quantities from water at low cost, and is one of the energies that can drive the system (Non-Patent Documents 1 to 5). One method for supplying hydrogen energy is to use a photocatalyst capable of generating hydrogen by decomposing water by visible light irradiation.

このような光触媒としては、Ta,Rh,Niのいずれかの金属を添加したSrTiO、HPbNb10又はSnNbなどのニオブ酸化物、TaONなどの遷移金属酸窒化物、LaTiONなどのランタノイド金属酸窒化物などがある。
しかし、Pbは毒性があり、Rh、Nb、Ta、Laなどは年生産量が少ないので、これら材料はいずれも光触媒としては適当なものではなかった。
Such photocatalysts include niobium oxides such as SrTiO 3 , HPb 2 Nb 3 O 10 or Sn 2 Nb 2 O 7 to which any of Ta, Rh and Ni is added, and transition metal oxynitrides such as TaON. And lanthanoid metal oxynitrides such as LaTiO 2 N.
However, Pb is toxic, and Rh, Nb, Ta, La, etc. have low annual production, so none of these materials are suitable as photocatalysts.

Tong,H.;Ouyang,S.;Bi,Y.;Umezawa,N.;Oshikiri,M.;Ye,J.,Adv.Mater.2012,24,229−251.Tong, H.C. Ouyang, S .; Bi, Y .; Umezawa, N .; Oshikiri, M .; Ye, J .; , Adv. Mater. 2012, 24, 229-251. Hoffmann,M.R.;Martin,S.T.;Choi,W.Y.;Bahnemann,D.W.,Chem.Rev.1995,95,69−96.Hoffmann, M.M. R. Martin, S .; T.A. Choi, W .; Y. Bahnemann, D .; W. , Chem. Rev. 1995, 95, 69-96. Osterloh,F.E.,Chem.Mater.2008,20,35−54.Osterloh, F.A. E. , Chem. Mater. 2008, 20, 35-54. Chen,X.B.;Shen,S.H.;Guo,L.J.;Mao,S.S.,Chem Rev.2010,110,6503−6570.Chen, X .; B. Shen, S .; H. Guo, L .; J. et al. Mao, S .; S. , Chem Rev. 2010, 110, 6503-6570. Kudo,A.;Miseki,Y.,Chem.Soc.Rev.2009,38,253−278.Kudo, A .; Miseki, Y .; , Chem. Soc. Rev. 2009, 38, 253-278. Nature 1967,215,955−956.Nature 1967, 215, 955-956. White,T.A.;Moreno,M.S.and Midgley,P.A.Z.Kristallogr.,2010,225,56−66.White, T .; A. Moreno, M .; S. and Midgley, P.A. A. Z. Kristallogr. 2010, 225, 56-66. Seko,A.;Togo,A.;Oba,F.and Tanaka,I.Phys.Rev.Lett.2008,100,045702.Seko, A .; Togo, A .; Oba, F .; and Tanaka, I .; Phys. Rev. Lett. 2008, 100, 045702. Berengue,O.M.;Simon,R.A.;Chiquito,A.J.;Dalmaschio,C.J.;Leite,E.R.;Guerreiro,H.A.and Guimarnaes,F.E.G.J.Appl.Phys.,2010,107,033717.Berengue, O.M. M.M. Simon, R .; A. Chiquito, A .; J. et al. Dalmaschio, C .; J. et al. Leite, E .; R. Guerreiro, H .; A. and Guimarnaes, F.A. E. G. J. et al. Appl. Phys. 2010, 107, 033717. He,Y.;Li,D.;Chen,J.;Yu,S.;Xian,J.;Zheng,X.and Wang P.RSC Adv.,2014,4,1266−1269.He, Y. Li, D .; Chen, J .; Yu, S .; Xian, J .; Zheng, X .; and Wang P.M. RSC Adv. , 2014, 4, 1266-1269.

本発明は、毒性がなく、年生産量も高い材料を主成分とし、可視光照射で水を分解して水素を発生可能な光触媒を提供することを課題とする。   An object of the present invention is to provide a photocatalyst that is mainly composed of a material that is not toxic and has a high annual output, and that can generate hydrogen by decomposing water by irradiation with visible light.

以上の事情を鑑みて、材料探索を行い、毒性がなく、年生産量も高い材料であるSn及びその酸化物に着目した。1967年に「Nature」で物質として初めて報告されたSnは、結晶構造(非特許文献6〜8)、光電子特性(非特許文献9)、退色特性(非特許文献10)などの材料特性についての報告はあるが、光触媒特性に係る報告はなかった。水熱合成法により、高純度のSnのナノクリスタルを合成して、光触媒特性を調べた結果、それが可視光照射によりアルコール水溶液から十分な量の水素を発生させることが可能な光触媒であり、サステナブルなエネルギー・システムへの水素エネルギー源に使用できる可能性があることを見出して、本発明を完成した。
本発明は、以下の構成を有する。
In view of the above circumstances, material search was conducted and attention was focused on Sn and its oxide which are non-toxic and have a high annual production. Sn 3 O 4 , first reported as a substance in “Nature” in 1967, is a material such as a crystal structure (Non-Patent Documents 6 to 8), a photoelectron characteristic (Non-Patent Document 9), and a fading characteristic (Non-Patent Document 10). Although there were reports on properties, there were no reports on photocatalytic properties. As a result of synthesizing high-purity Sn 3 O 4 nanocrystals by hydrothermal synthesis and investigating their photocatalytic properties, it is possible to generate a sufficient amount of hydrogen from an aqueous alcohol solution by irradiation with visible light. And the present invention has been completed by finding that it can be used as a hydrogen energy source for a sustainable energy system.
The present invention has the following configuration.

(1)化学式Snで表される結晶であって、前記結晶中に価数の異なるSnが2以上存在することを特徴とする光触媒。
(2)2つのSn2+とSn4+八面体とからなる構造が規則的に配列されていることを特徴とする(1)に記載の光触媒。
(1) A photocatalyst characterized by being represented by the chemical formula Sn 3 O 4 , wherein two or more Sn having different valences are present in the crystal.
(2) The photocatalyst according to (1), wherein a structure composed of two Sn 2+ and Sn 4+ O 6 octahedrons is regularly arranged.

(3)原料と界面活性剤を水中に分散して、分散液を調製する工程と、前記分散液中にNaOH水溶液を加えて、アルカリ性分散液を調製する工程と、前記アルカリ性分散液を加熱して、光触媒を水熱合成する工程と、を有することを特徴とする光触媒の製造方法。
(4)前記原料がSnCl・2HOであることを特徴とする(3)に記載の光触媒の製造方法。
(5)前記界面活性剤がクエン酸ナトリウム(Na・HO)であることを特徴とする(3)に記載の光触媒の製造方法。
(3) Dispersing raw materials and a surfactant in water to prepare a dispersion, adding an aqueous NaOH solution to the dispersion to prepare an alkaline dispersion, and heating the alkaline dispersion And a step of hydrothermally synthesizing the photocatalyst.
(4) The method for producing a photocatalyst according to (3), wherein the raw material is SnCl 2 · 2H 2 O.
(5) The method for producing a photocatalyst according to (3), wherein the surfactant is sodium citrate (Na 3 C 6 H 5 O 7 · H 2 O).

(6)前記水が超純水であることを特徴とする(3)に記載の光触媒の製造方法。
(7)前記アルカリ性分散液の加熱温度が150℃以上200℃以下であることを特徴とする(3)に記載の光触媒の製造方法。
(8)(1)又は(2)に記載の光触媒を、アルコール水溶液に分散・攪拌する工程と、HPtCl溶液を加えて、Pt助触媒(共触媒ともいう。)を前記光触媒に光析出させる工程と、Pt助触媒を光析出させた前記光触媒を分散させたアルコール水溶液に光照射して水素を発生させる工程と、を有することを特徴とする光触媒を用いた水素発生方法。
(6) The method for producing a photocatalyst according to (3), wherein the water is ultrapure water.
(7) The method for producing a photocatalyst according to (3), wherein the heating temperature of the alkaline dispersion is 150 ° C. or higher and 200 ° C. or lower.
(8) A step of dispersing and stirring the photocatalyst described in (1) or (2) in an aqueous alcohol solution, and adding an H 2 PtCl 6 solution, a Pt promoter (also referred to as a cocatalyst) is applied to the photocatalyst. A hydrogen generation method using a photocatalyst, comprising: a step of depositing; and a step of generating hydrogen by irradiating light to an alcohol aqueous solution in which the photocatalyst on which the Pt promoter has been photodeposited is dispersed.

本発明の光触媒は、化学式Snで表される結晶であって、前記結晶中に価数の異なるSnが2以上存在する構成なので、価数の異なるSnを隣接配置させることができ、可視光を吸収可能なバンドギャップと、バレンスバンドとコンダクションバンドのエネルギー値の間にアルコール水溶液中のHを効率的にHに変える基準電位を存在させることができ、可視光照射でアルコール水溶液から水素を大量に発生可能な光触媒とすることができる。また、毒性がなく、年生産量も高く、低価格な材料であるSnを主成分とするので、安全で、安価で大量供給可能な光触媒を提供できる。 The photocatalyst of the present invention is a crystal represented by the chemical formula Sn 3 O 4 , and since there are two or more Sn having different valences in the crystal, Sn having different valences can be arranged adjacent to each other, Between the band gap capable of absorbing visible light and the energy value of the valence band and the conduction band, there can be a reference potential for efficiently changing H + in the aqueous alcohol solution to H 2. A photocatalyst capable of generating a large amount of hydrogen from an aqueous solution can be obtained. In addition, Sn, which is a non-toxic, high annual production amount and low-priced material, is used as a main component, so that a photocatalyst that is safe, inexpensive, and can be supplied in large quantities can be provided.

本発明の光触媒の製造方法は、原料と界面活性剤を水中に分散して、分散液を調製する工程と、前記分散液中にNaOH水溶液を加えて、アルカリ性分散液を調製する工程と、前記アルカリ性分散液を加熱して、光触媒を水熱合成する工程と、を有する構成なので、毒性がなく、年生産量も高い材料であるSnを主成分とし、可視光を吸収可能なバンドギャップと、バレンスバンドとコンダクションバンドのエネルギー値の間にアルコール水溶液中のHを効率的にHに変える基準電位を存在させることができ、可視光照射でアルコール水溶液から水素を大量に発生可能な光触媒を容易にかつ大量に製造できる。 The method for producing a photocatalyst of the present invention includes a step of dispersing a raw material and a surfactant in water to prepare a dispersion, a step of adding an aqueous NaOH solution to the dispersion to prepare an alkaline dispersion, A step of hydrothermally synthesizing the photocatalyst by heating the alkaline dispersion, and a band gap capable of absorbing visible light based on Sn, which is a non-toxic material with high annual production, A photocatalyst capable of generating a large amount of hydrogen from an aqueous alcohol solution by irradiation with visible light can exist between the energy values of the valence band and the conduction band so that a reference potential for efficiently changing H + in the aqueous alcohol solution to H 2 can be present. Can be manufactured easily and in large quantities.

本発明の光触媒を用いた水素発生方法は、先に記載の光触媒を、アルコール水溶液に分散・攪拌する工程と、HPtCl溶液を加えて、Pt助触媒を前記光触媒に光析出させる工程と、Pt助触媒を光析出させた前記光触媒を分散させたアルコール水溶液に光照射して水素を発生させる工程と、を有する構成なので、可視光照射下においてアルコール水溶液から水素を大量に発生させることができる。 The hydrogen generation method using the photocatalyst of the present invention includes a step of dispersing and stirring the photocatalyst described above in an alcohol aqueous solution, a step of adding a H 2 PtCl 6 solution to photoprecipitate a Pt promoter on the photocatalyst, And a step of generating hydrogen by irradiating the aqueous alcohol solution in which the photocatalyst having the Pt promoter photodeposited is dispersed to generate light, so that a large amount of hydrogen can be generated from the aqueous alcohol solution under visible light irradiation. it can.

本発明の実施形態である光触媒の一例を示す平面図(a)及び側面図(b)である。It is the top view (a) and side view (b) which show an example of the photocatalyst which is embodiment of this invention. 本発明の実施形態である光触媒の一例を示す構造モデル平面図(a)及び構造モデル側面図(b)である。It is the structural model top view (a) and structural model side view (b) which show an example of the photocatalyst which is embodiment of this invention. 本発明の実施形態である光触媒であるSnのバンド図である。比較のために、TiO、SnO、SnOのバンド図も示している。Is a band diagram of the Sn 3 O 4 is a photocatalyst according to an embodiment of the present invention. For comparison, band diagrams of TiO 2 , SnO 2 , and SnO are also shown. 光触媒Snの顕微鏡観察結果を示す写真である。Is a photograph showing the microscopic observation results of the photocatalytic Sn 3 O 4. 光触媒SnのEDS測定結果を示すグラフである。Is a graph showing the EDS results of measurement of the photocatalytic Sn 3 O 4. 光触媒SnのpXRD及びHX−PESの測定結果を示すグラフである。It is a graph showing the measurement results of the pXRD and HX-PES photocatalyst Sn 3 O 4. 光触媒Snの吸収スペクトルである。The absorption spectrum of the photocatalyst Sn 3 O 4. 光触媒特性測定装置の概略図である。It is the schematic of a photocatalyst characteristic measuring apparatus. 光触媒Snの水素発生量の測定結果を示すグラフである。It is a graph showing the results of measuring the amount of hydrogen generation photocatalyst Sn 3 O 4. 光照射前と水素発生実験96時間後の光触媒SnのpXRDプロファイルである。A pXRD profile photocatalyst Sn 3 O 4 before and after irradiation and the hydrogen generation experiment 96 hours. 理論計算による状態密度の結果を示すグラフであり、Sn2+O(a)、Sn4+(b)、光触媒Sn(c)、光触媒SnのSn2+とSn4+の状態密度を分解したグラフ(d)である。Is a graph showing the results of the density of states by theoretical calculation, Sn 2+ O (a), Sn 4+ O 2 (b), a photocatalyst Sn 3 O 4 (c), of the photocatalytic Sn 3 O 4 of Sn 2+ and Sn 4+ state It is the graph (d) which decomposed | disassembled the density. 光触媒Snの水素発生量の測定結果を示すグラフである。It is a graph showing the results of measuring the amount of hydrogen generation photocatalyst Sn 3 O 4.

(光触媒)
まず、本発明の実施形態である光触媒について説明する。
図1は、本発明の実施形態である光触媒の一例を示す平面図(a)及び側面図(b)である。
図1(a)、(b)に示すように、本発明の実施形態である光触媒11は、平面視略多角形状の板状体である。板状体は、層状構造で形成されている。各面は高結晶性の{100}面とされている。
光触媒11の径d11は100nm以上1μm未満とされている。また、厚さt11は100nm未満とされている。ナノオーダーの大きさの結晶なので、ナノクリスタルである。
(photocatalyst)
First, the photocatalyst that is an embodiment of the present invention will be described.
FIG. 1 is a plan view (a) and a side view (b) showing an example of a photocatalyst according to an embodiment of the present invention.
As shown in FIGS. 1A and 1B, a photocatalyst 11 according to an embodiment of the present invention is a plate-like body having a substantially polygonal shape in plan view. The plate-like body is formed with a layered structure. Each face is a highly crystalline {100} face.
Diameter d 11 of the photocatalyst 11 is less than 1μm than 100 nm. The thickness t 11 is less than 100 nm. Since it is a nano-order crystal, it is a nanocrystal.

図2は、本発明の実施形態である光触媒の一例を示す構造モデル平面図(a)及び構造モデル側面図(b)である。
光触媒11は、化学式Snで表される結晶である。図2に示すように、光触媒11は、2つのSn2+とSn4+八面体(Octahedra)とからなる構造が規則的に配列されてなり、(Sn2+(Sn4+)Oで表される混合原子価Sn酸化物の結晶である。
FIG. 2 is a structural model plan view (a) and a structural model side view (b) showing an example of a photocatalyst according to an embodiment of the present invention.
The photocatalyst 11 is a crystal represented by the chemical formula Sn 3 O 4 . As shown in FIG. 2, the photocatalyst 11 has a structure in which two Sn 2+ and Sn 4+ O 6 octahedron (Octahedra) are regularly arranged, and (Sn 2+ ) 2 (Sn 4+ ) O 4 It is a crystal of the mixed valence Sn oxide represented.

図3は、本発明の実施形態である光触媒であるSnのバンド図である。比較のために、TiO、SnO、SnOのバンド図も示している。
図3に示すように、本発明の実施形態である光触媒であるSnは、バレンスバンド(valence band)とコンダクションバンド(conduction band)との間のエネルギーギャップ(バンドギャップ)が2.5eVであり、両バンドのエネルギー値の間に、HをHに変える基準電位が存在する。バンドギャップが2.5eVであることにより、500nm付近より短波長の青色光を吸収して、バレンスバンドの電子をコンダクションバンドに励起することができる。また、両バンドのエネルギー値の間に前記基準電位が存在することにより、励起された電子がアルコール水溶液中のHを還元する事によって効率的にHに変えることができる。
FIG. 3 is a band diagram of Sn 3 O 4 which is a photocatalyst according to an embodiment of the present invention. For comparison, band diagrams of TiO 2 , SnO 2 , and SnO are also shown.
As shown in FIG. 3, Sn 3 O 4 which is a photocatalyst according to an embodiment of the present invention has an energy gap (band gap) between a valence band and a conduction band of 2. There is a reference potential that changes H + to H 2 between the energy values of both bands. When the band gap is 2.5 eV, it is possible to absorb blue light having a wavelength shorter than about 500 nm and excite valence band electrons to the conduction band. Further, since the reference potential exists between the energy values of both bands, the excited electrons can be efficiently changed to H 2 by reducing H + in the aqueous alcohol solution.

一方、TiOでは、バンドギャップが3.4eVであるので、可視光ではバレンスバンドの電子をコンダクションバンドにほとんど励起することができない。また、電子励起できても、基準電位がバレンスバンドのエネルギー値とほぼ同じ位置なので、エネルギーを放出しても、効率的に、アルコール水溶液中のHをHにほとんど変えることができない。
また、SnOは、Sn4+と表されるが、バンドギャップが3.1eVであるので、可視光では効率的にバレンスバンドの電子をコンダクションバンドにほとんど励起することができない。また、電子励起できても、基準電位がバレンスバンドのエネルギー値より高い位置なので、エネルギーを放出しても、水分子中のHをHに変えることができない。
また、SnOは、Sn2+Oと表することもできるが、バレンスバンドの位置が高く、アルコールの酸化に不適切であることから、水分子中のHをHに変えることができない。
On the other hand, since the band gap of TiO 2 is 3.4 eV, the valence band electrons can hardly be excited to the conduction band with visible light. Even if the electrons can be excited, the reference potential is almost the same as the energy value of the valence band. Therefore, even when energy is released, H + in the alcohol aqueous solution can hardly be effectively changed to H 2 .
SnO 2 is expressed as Sn 4+ O 2 , but has a band gap of 3.1 eV, and therefore, visible light cannot efficiently excite electrons in the valence band to the conduction band. Even if electrons can be excited, since the reference potential is higher than the energy value of the valence band, even if energy is released, H + in the water molecule cannot be changed to H 2 .
SnO can also be expressed as Sn 2+ O. However, since the position of the valence band is high and it is inappropriate for the oxidation of alcohol, H + in the water molecule cannot be changed to H 2 .

(光触媒の製造方法)
次に、本発明の実施形態である光触媒の製造方法について説明する。
本発明の実施形態である光触媒の製造方法は、分散液調製工程S1と、アルカリ性分散液調製工程S2と、水熱合成工程S3と、を有する。
(Photocatalyst production method)
Next, the manufacturing method of the photocatalyst which is embodiment of this invention is demonstrated.
The method for producing a photocatalyst that is an embodiment of the present invention includes a dispersion preparation step S1, an alkaline dispersion preparation step S2, and a hydrothermal synthesis step S3.

(分散液調製工程S1)
この工程では、原料と界面活性剤を水中に分散して、分散液を調製する。
前記原料として、SnCl・2HOを挙げることができる。また、前記界面活性剤として、クエン酸ナトリウム(Na・HO)を挙げることができる。界面活性剤を添加することにより、原料をより均一に分散できる。
前記水が超純水であることが好ましい。不純物を少なくすることにより、ナノクリスタルの純度を向上させることができる。
(Dispersion preparation step S1)
In this step, a raw material and a surfactant are dispersed in water to prepare a dispersion.
Examples of the raw material include SnCl 2 .2H 2 O. Further, as the surfactant, it may be mentioned sodium citrate (Na 3 C 6 H 5 O 7 · H 2 O). By adding the surfactant, the raw material can be more uniformly dispersed.
It is preferable that the water is ultrapure water. By reducing the impurities, the purity of the nanocrystal can be improved.

(アルカリ性分散液調製工程S2)
この工程では、前記分散液中にNaOH水溶液を加えて、アルカリ性分散液を調製する。この時、NaOH濃度を0.2M以下とすることが好ましい。
(Alkaline dispersion preparation step S2)
In this step, an aqueous NaOH solution is added to the dispersion to prepare an alkaline dispersion. At this time, the NaOH concentration is preferably 0.2 M or less.

(水熱合成工程S3)
この工程では、前記アルカリ性分散液を加熱して、光触媒を水熱合成する。
前記アルカリ性分散液の加熱温度は、150℃以上200℃以下であることが好ましく、170℃以上190℃以下とすることがより好ましい。また、前記加熱温度に5時間以上19時間以下保持することが好ましく、10時間以上14時間以下保持することがより好ましい。これにより、水熱合成によるナノクリスタルの生成効率を向上させることができる。
以上の工程により、本発明の実施形態である光触媒11を容易に、短時間でかつ大量に製造できる。
(Hydrothermal synthesis step S3)
In this step, the alkaline dispersion is heated to hydrothermally synthesize the photocatalyst.
The heating temperature of the alkaline dispersion is preferably 150 ° C. or higher and 200 ° C. or lower, and more preferably 170 ° C. or higher and 190 ° C. or lower. Moreover, it is preferable to hold | maintain at the said heating temperature for 5 hours or more and 19 hours or less, and it is more preferable to hold | maintain for 10 hours or more and 14 hours or less. Thereby, the production | generation efficiency of the nanocrystal by hydrothermal synthesis can be improved.
Through the above steps, the photocatalyst 11 according to the embodiment of the present invention can be easily produced in a short time and in large quantities.

(光触媒を用いた水素発生方法)
次に、本発明の実施形態である光触媒を用いた水素発生方法について説明する。
本発明の実施形態である光触媒の製造方法は、光触媒の分散・攪拌工程S11と、Pt助触媒光析出工程S12と、水素発生工程S13と、を有する。
光触媒の分散・攪拌工程S11では、光触媒11をアルコール水溶液に分散・攪拌する。アルコールとしては、メタノール、エタノール等を挙げることができる。
Pt助触媒光析出工程S12では、HPtCl溶液を加えて、Pt助触媒を前記光触媒に光析出させる。Ptは粒子状の光触媒の表面にアイランド状に形成される。
水素発生工程S13では、Pt助触媒を光析出させた前記光触媒を分散させたアルコール水溶液に光照射して水素を発生させる。Pt助触媒を光析出させた前記光触媒を分散させたアルコール水溶液は懸濁液状又はコロイド状とされている。
以上の構成を有することにより、可視光照射でアルコール水溶液から水素を大量に発生させることができる。
(Method of generating hydrogen using photocatalyst)
Next, a hydrogen generation method using a photocatalyst that is an embodiment of the present invention will be described.
The method for producing a photocatalyst that is an embodiment of the present invention includes a photocatalyst dispersion / stirring step S11, a Pt cocatalyst photoprecipitation step S12, and a hydrogen generation step S13.
In the photocatalyst dispersion / stirring step S11, the photocatalyst 11 is dispersed / stirred in an alcohol aqueous solution. Examples of the alcohol include methanol and ethanol.
In the Pt cocatalyst photodeposition step S12, an H 2 PtCl 6 solution is added to photoprecipitate the Pt cocatalyst on the photocatalyst. Pt is formed in an island shape on the surface of the particulate photocatalyst.
In the hydrogen generation step S13, hydrogen is generated by irradiating the aqueous alcohol solution in which the photocatalyst on which the Pt promoter has been photodeposited is dispersed. The aqueous alcohol solution in which the photocatalyst on which the Pt cocatalyst is photodeposited is dispersed or in the form of a colloid.
By having the above structure, a large amount of hydrogen can be generated from an aqueous alcohol solution by irradiation with visible light.

本発明の実施形態である光触媒11は、Snで表される結晶であって、前記結晶中に価数の異なるSnが2以上存在する構成なので、価数の異なるSnを隣接配置させることができ、可視光を吸収可能なバンドギャップと、バレンスバンドとコンダクションバンドのエネルギー値の間にアルコール水溶液中のHを効率的にHに変える基準電位を存在させることができ、可視光照射でアルコール水溶液から水素を大量に発生可能な光触媒とすることができる。また、毒性がなく、年生産量も高く、低価格な材料であるSnを主成分とするので、安全で、安価で大量供給可能な光触媒を提供できる。 The photocatalyst 11 according to an embodiment of the present invention is a crystal represented by Sn 3 O 4 and has two or more Sn having different valences in the crystal, and therefore Sn having different valences are arranged adjacent to each other. And a reference potential for efficiently converting H + in the aqueous alcohol solution into H 2 can exist between the band gap capable of absorbing visible light and the energy values of the valence band and the conduction band. It can be set as the photocatalyst which can generate | occur | produce a large amount of hydrogen from alcohol aqueous solution by light irradiation. In addition, Sn, which is a non-toxic, high annual production amount and low-priced material, is used as a main component, so that a photocatalyst that is safe, inexpensive, and can be supplied in large quantities can be provided.

本発明の実施形態である光触媒11は、2つのSn2+とSn4+八面体とからなる構造が規則的に配列されている構成なので、価数の異なるSnを隣接配置させることができ、可視光を吸収可能なバンドギャップと、バレンスバンドとコンダクションバンドのエネルギー値の間にアルコール水溶液中のHを効率的にHに変える基準電位を存在させることができ、可視光照射でアルコール水溶液から水素を大量に発生可能な光触媒とすることができる。 Since the photocatalyst 11 according to the embodiment of the present invention has a structure in which structures composed of two Sn 2+ and Sn 4+ O 6 octahedrons are regularly arranged, Sn having different valences can be arranged adjacently, Between the band gap capable of absorbing visible light and the energy value of the valence band and the conduction band, there can be a reference potential for efficiently changing H + in the aqueous alcohol solution to H 2. A photocatalyst capable of generating a large amount of hydrogen from an aqueous solution can be obtained.

本発明の実施形態である光触媒11の製造方法は、原料と界面活性剤を水中に分散して、分散液を調製する工程と、前記分散液中にNaOH水溶液を加えて、アルカリ性分散液を調製する工程と、前記アルカリ性分散液を加熱して、光触媒を水熱合成する工程と、を有する構成なので、毒性がなく、年生産量も高い材料であるSnを主成分とし、可視光を吸収可能なバンドギャップと、バレンスバンドとコンダクションバンドのエネルギー値の間にアルコール水溶液中のHを効率的にHに変える基準電位を存在させることができ、可視光照射でアルコール水溶液から水素を大量に発生可能な光触媒を容易にかつ大量に製造できる。 The method for producing a photocatalyst 11 according to an embodiment of the present invention includes a step of dispersing a raw material and a surfactant in water to prepare a dispersion, and an aqueous NaOH solution is added to the dispersion to prepare an alkaline dispersion. And the step of heating the alkaline dispersion and hydrothermally synthesizing the photocatalyst, it is composed of Sn, which is a non-toxic material with high annual production, and can absorb visible light. A reference potential for efficiently changing H + in alcohol aqueous solution to H 2 between the energy value of valence band and valence band and conduction band, and a large amount of hydrogen from alcohol aqueous solution by visible light irradiation Can be produced easily and in large quantities.

本発明の実施形態である光触媒11の製造方法は、原料と界面活性剤を水中に分散して、分散液を調製する工程と、前記分散液中にNaOH水溶液を加えて、アルカリ性分散液を調製する工程と、前記アルカリ性分散液を加熱して、光触媒を水熱合成する工程と、を有する構成なので、毒性がなく、年生産量も高い材料であるSnを主成分とし、可視光照射でアルコール水溶液から水素を発生可能な光触媒を容易にかつ大量に製造できる。   The method for producing a photocatalyst 11 according to an embodiment of the present invention includes a step of dispersing a raw material and a surfactant in water to prepare a dispersion, and an aqueous NaOH solution is added to the dispersion to prepare an alkaline dispersion. And a step of hydrothermally synthesizing the photocatalyst by heating the alkaline dispersion, so that the main component is Sn, which is a non-toxic material with a high annual production, and alcohol is irradiated with visible light. A photocatalyst capable of generating hydrogen from an aqueous solution can be produced easily and in large quantities.

本発明の実施形態である光触媒11の製造方法は、前記原料がSnCl・2HOである構成なので、毒性がなく、年生産量も高く、低価格な材料であるSnを主成分とし、安全で、安価で大量供給可能な光触媒を効率よく製造できる。 The production method of the photocatalyst 11 according to an embodiment of the present invention is composed of SnCl 2 .2H 2 O as a raw material, and therefore has no toxicity, high annual production, and low-cost material Sn as a main component, A photocatalyst that is safe, inexpensive, and can be supplied in large quantities can be produced efficiently.

本発明の実施形態である光触媒11の製造方法は、前記界面活性剤がクエン酸ナトリウム(Na・HO)である構成なので、毒性がなく、年生産量も高く、低価格な材料であるSnを主成分とし、安全で、安価で大量供給可能な光触媒を効率よく製造できる。 The method for producing the photocatalyst 11 according to the embodiment of the present invention has a configuration in which the surfactant is sodium citrate (Na 3 C 6 H 5 O 7 · H 2 O), and thus has no toxicity and high annual production. Therefore, it is possible to efficiently produce a photocatalyst that is based on Sn, which is a low-priced material, and that can be supplied in large quantities safely and inexpensively.

本発明の実施形態である光触媒11の製造方法は、前記水が超純水である構成なので、毒性がなく、年生産量も高く、低価格な材料であるSnを主成分とし、安全で、安価で大量供給可能な光触媒を高純度で製造できる。   The method for producing the photocatalyst 11 according to an embodiment of the present invention is composed of the ultra pure water, so that it is not toxic, has a high annual production, and is based on Sn, which is a low-cost material, and is safe. An inexpensive photocatalyst that can be supplied in large quantities can be produced with high purity.

本発明の実施形態である光触媒11の製造方法は、前記アルカリ性分散液の加熱温度が150℃以上200℃以下である構成なので、毒性がなく、年生産量も高く、低価格な材料であるSnを主成分とし、安全で、安価で大量供給可能な光触媒を効率よく製造できる。   The method for producing the photocatalyst 11 according to an embodiment of the present invention is a composition in which the heating temperature of the alkaline dispersion is 150 ° C. or higher and 200 ° C. or lower, and therefore is non-toxic, has a high annual output, and is an inexpensive material. It is possible to efficiently produce a photocatalyst that is safe, inexpensive, and can be supplied in large quantities.

本発明の実施形態である光触媒を用いた水素発生方法は、光触媒11を、アルコール水溶液に分散・攪拌する工程S11と、HPtCl溶液を加えて、Pt助触媒を光触媒に光析出させる工程S12と、Pt助触媒を光析出させた光触媒を分散させたアルコール水溶液に光照射して水素を発生させる工程S13と、を有する構成なので、可視光照射でアルコール水溶液から水素を大量に発生させることができる。 The hydrogen generation method using a photocatalyst according to an embodiment of the present invention includes a step S11 of dispersing and stirring the photocatalyst 11 in an alcohol aqueous solution, and a step of adding a H 2 PtCl 6 solution to photoprecipitate the Pt promoter on the photocatalyst. S12 and the step S13 of generating hydrogen by irradiating the aqueous alcohol solution in which the photocatalyst having the Pt promoter photo-deposited is dispersed to generate hydrogen, so that a large amount of hydrogen is generated from the aqueous alcohol solution by visible light irradiation. Can do.

本発明の実施形態である光触媒、その製造方法及び光触媒を用いた水素発生方法は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で、種々変更して実施することができる。本実施形態の具体例を以下の実施例で示す。しかし、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。   The photocatalyst which is an embodiment of the present invention, a method for producing the photocatalyst, and a hydrogen generation method using the photocatalyst are not limited to the above-described embodiment, and are implemented with various modifications within the scope of the technical idea of the present invention. be able to. Specific examples of this embodiment are shown in the following examples. However, the present invention is not limited to these examples.

(実施例1)
(光触媒Snの水熱合成)
まず、原料としてSnCl・2HO(0.90g、4.0mmol)、界面活性剤としてクエン酸ナトリウム(Na・HO)(0.294g、10mmol)を用意し、これらを超純水(Milli−Q water)10ml中に分散してから、撹拌して、均一分散させて、分散液を調製した。
Example 1
(Hydrothermal synthesis of photocatalyst Sn 3 O 4 )
First, SnCl 2 · 2H 2 O (0.90 g, 4.0 mmol) was prepared as a raw material, and sodium citrate (Na 3 C 6 H 5 O 7 · H 2 O) (0.294 g, 10 mmol) was prepared as a surfactant. These were dispersed in 10 ml of ultrapure water (Milli-Q water) and then stirred and uniformly dispersed to prepare a dispersion.

次に、前記分散液中に0.2MのNaOH水溶液10mlを加えて攪拌して、アルカリ性分散液を調製した。   Next, 10 ml of 0.2 M NaOH aqueous solution was added to the dispersion and stirred to prepare an alkaline dispersion.

次に、アルカリ性分散液を40mlテフロン裏地付きステンレス鋼製の加圧滅菌器(オートクレーブ)に移した。
次に、オートクレーブを電気炉内で、180℃で12時間、加熱してから、室温に戻した。
次に、遠心分離により沈殿物を得た後、この沈殿物を超純水(Milli−Q water)とアセトンで数回洗浄した。
以上の工程により、光触媒Sn(実施例1試料)を得た。
Next, the alkaline dispersion was transferred to a 40 ml Teflon-lined stainless steel autoclave (autoclave).
Next, the autoclave was heated at 180 ° C. for 12 hours in an electric furnace and then returned to room temperature.
Next, after a precipitate was obtained by centrifugation, the precipitate was washed several times with ultrapure water (Milli-Q water) and acetone.
Through the above process, was obtained photocatalyst Sn 3 O 4 (Example 1 Samples).

(比較例1、2)
比較例1試料として、SnOを用意した。
また、比較例2試料として、SnOを用意した。
(Comparative Examples 1 and 2)
SnO was prepared as a comparative example 1 sample.
Moreover, SnO 2 was prepared as a comparative example 2 sample.

(光触媒Snのキャラクタリゼーション)
まず、SEM(Scaning electron microscope、Hitachi製)及びTEM(Transmission electron microscope、JEOL2100−F)により、光触媒Sn(実施例1試料)を顕微鏡観察した。
SEMにはFIB(Focused ion beam、SII Nano technology Inc.製)を備えたものを用い、TEMにはEDS(Enegy−dispersion spectroscopy)を備えたものを用いた。
TEM試料は銅メッシュに光触媒Sn(実施例1試料)を含むメタノール懸濁液を垂らしてから、乾燥させて、調製した。
(Characterization of photocatalyst Sn 3 O 4 )
First, the photocatalyst Sn 3 O 4 (Example 1 sample) was observed with a microscope using SEM (Scanning electron microscope, manufactured by Hitachi) and TEM (Transmission electron microscope, JEOL 2100-F).
A SEM equipped with FIB (Focused ion beam, manufactured by SII Nanotechnology Inc.) was used, and a TEM equipped with EDS (Energy-dispersion spectroscopy) was used.
A TEM sample was prepared by suspending a methanol suspension containing a photocatalyst Sn 3 O 4 (Example 1 sample) on a copper mesh and then drying the suspension.

図4は、光触媒Snの顕微鏡観察結果を示す写真であり、SEM像(a)、拡大SEM像(b)、TEM像(c)、SAEDパターン(c挿入写真)、拡大TEM像(d)、構造モデル(d挿入図)である。
図4(a)、(b)に示すように、平面視略多角形状の板状の材料が複数得られた。おおよそ100nm以上1μm未満の大きさであった。
FIG. 4 is a photograph showing the microscopic observation results of the photocatalyst Sn 3 O 4 , and includes an SEM image (a), an enlarged SEM image (b), a TEM image (c), an SAED pattern (c insertion photograph), and an enlarged TEM image ( d) A structural model (d inset).
As shown in FIGS. 4A and 4B, a plurality of plate-like materials having a substantially polygonal shape in plan view were obtained. The size was approximately 100 nm or more and less than 1 μm.

図4(c挿入写真)は、図4(c)の中心の材料片にビームを照射して得られた制限視野電子回折(Selected−area electron diffraction:SAED)パターンであり、111、002、[110]のパターンが得られた。
図4(d)に示すように、規則正しく配列された結晶構造を観察できた。この結晶構造から、d(111)が0.33nm又は0.35nmであることが分かった。これから、構造モデル(図4d挿入図)が得られた。
FIG. 4 (c inset photo) is a selected-area electron diffraction (SAED) pattern obtained by irradiating the central piece of material in FIG. 4C with a beam. 111, 002, [ 110] was obtained.
As shown in FIG. 4D, a regularly arranged crystal structure could be observed. From this crystal structure, it was found that d (111) was 0.33 nm or 0.35 nm. From this, a structural model (FIG. 4d inset) was obtained.

次に、TEMに備えたEDSにより、EDS測定を行った。
図5は、光触媒SnのEDS測定結果を示すグラフである。これから、Sn:O=3:4であることが判明した。
Next, EDS measurement was performed using EDS provided in the TEM.
FIG. 5 is a graph showing the EDS measurement result of the photocatalyst Sn 3 O 4 . From this, it was found that Sn: O = 3: 4.

次に、pXRD及びHX−PESを測定した。
図6は、光触媒SnのpXRD及びHX−PESの測定結果を示すグラフであって、pXRD測定結果を示すグラフ(a)及びHX−PES測定結果を示すグラフ(b)である。図6の(a)では公知のpXRDパターン(計算値)、(b)ではSnO、SnOの測定結果を合わせて示している。
図6(a)に示すように、pXRDパターンのピーク位置はpXRDパターン(計算値)にほぼ一致した。
また、図6(b)に示すように、Sn酸化物ではSnのd軌道の結合エネルギー値はほぼ同一であったが、SnOのd軌道のエネルギー値は低エネルギー側にシフトした。
Next, pXRD and HX-PES were measured.
FIG. 6 is a graph showing the measurement results of pXRD and HX-PES of the photocatalyst Sn 3 O 4 , and is a graph (a) showing the pXRD measurement results and a graph (b) showing the HX-PES measurement results. FIG. 6A shows a known pXRD pattern (calculated value), and FIG. 6B also shows SnO and SnO 2 measurement results.
As shown in FIG. 6A, the peak position of the pXRD pattern almost coincided with the pXRD pattern (calculated value).
As shown in FIG. 6B, the Sn oxide d-orbital binding energy value was almost the same in the Sn oxide, but the SnO d-orbital energy value shifted to a lower energy side.

次に、吸収スペクトルを測定した。
図7は、光触媒Snの吸収スペクトルである。比較のために、SnO、SnOの吸収スペクトルも示している。また、挿入図では、光触媒Sn及びSnOについて横軸をエネルギーとしたスペクトルを示した。
光触媒Snは390nm付近に吸収ピークを有し、510nm付近まですそ野が広がる吸収が見られた。実際、光触媒Snはオレンジ色であり、青色光が吸収されている。
一方、SnOは360nm以下に吸収ピークを有し、400nm以上の可視光はほとんど吸収しなかった。また、SnOは紫外から可視光全域にわたり、均一な吸収が見られたが、吸収強度は光触媒Snの吸収強度に比較して低かった。
Next, the absorption spectrum was measured.
FIG. 7 is an absorption spectrum of the photocatalyst Sn 3 O 4 . For comparison, the absorption spectra of SnO 2 and SnO are also shown. Further, in the inset, the spectrum with the horizontal axis as energy for the photocatalysts Sn 3 O 4 and SnO 2 is shown.
The photocatalyst Sn 3 O 4 had an absorption peak in the vicinity of 390 nm, and absorption in which the field expanded to around 510 nm was observed. In fact, the photocatalyst Sn 3 O 4 is orange and absorbs blue light.
On the other hand, SnO 2 has an absorption peak at 360 nm or less and hardly absorbs visible light at 400 nm or more. In addition, SnO exhibited uniform absorption over the entire range from ultraviolet to visible light, but the absorption intensity was lower than that of the photocatalyst Sn 3 O 4 .

(光触媒Snの光触媒特性評価1)
次に、光触媒Snを用いて、メタノール水溶液中の水素イオンを還元して、Hを発生させ、そのH発生量を測定することにより、光触媒特性評価を行った。
図8は、光触媒特性測定装置の概略図である。
図8に示すように、この装置は、光触媒を分散させた水を貯蔵したパイレックスセルと、前記容器の一側面側に配置したキセノンランプと、このキセノンランプと前記容器との間に配置した光フィルターと、前記パイレックスセルに配管を通じて接続されたロータリーポンプと、前記パイレックスセルに別の配管を通じて接続されたガスクロマトグラフと、を有して構成されている。
(Photocatalytic property evaluation 1 of photocatalyst Sn 3 O 4 )
Next, using photocatalyst Sn 3 O 4 , hydrogen ions in the methanol aqueous solution were reduced to generate H 2, and the amount of H 2 generated was measured to evaluate the photocatalytic characteristics.
FIG. 8 is a schematic view of a photocatalytic property measuring apparatus.
As shown in FIG. 8, this apparatus includes a Pyrex cell storing water in which a photocatalyst is dispersed, a xenon lamp arranged on one side of the container, and a light arranged between the xenon lamp and the container. The filter includes a filter, a rotary pump connected to the Pyrex cell through a pipe, and a gas chromatograph connected to the Pyrex cell through another pipe.

装置の内部は、ガス―クローズド循環システムとされており、パイレックスセルの内部をロータリーポンプで減圧することができるとともに、パイレックスセル内で発生させた水素量をガスクロマトグラフで測定可能とされている。
また、キセノンランプから放出し、光フィルターで400nm超とした可視光をパイレックスセル内のメタノール水中の光触媒に照射して、光触媒の表面でメタノール水中の水素イオンを還元して、水素を発生させることが可能とされている。
The inside of the apparatus is a gas-closed circulation system. The inside of the Pyrex cell can be depressurized by a rotary pump, and the amount of hydrogen generated in the Pyrex cell can be measured by a gas chromatograph.
In addition, the photocatalyst in methanol water in the Pyrex cell is irradiated with visible light emitted from a xenon lamp and made more than 400 nm with an optical filter, and hydrogen ions in the methanol water are reduced on the surface of the photocatalyst to generate hydrogen. Is possible.

具体的には、まず、光触媒Sn(0.3g)を、所定量のHPtCl溶液とともに、所定量のパイレックスセル中のCHOH水溶液(蒸留水220mL+CHOH50mL)に加えたのち、磁気撹拌子で攪拌した。
次に、Xeアークランプ光源(300W:フィルター無し)を用い、上記の水溶液を光照射することによって、光触媒Sn表面にPt助触媒0.5wt%を光析出(photo−deposited)させた。Pt助触媒光析出後、L42カットオフフィルター(λ>400nm)を装着したXeアークランプ光源による可視光照射を行い、水溶液から発生するHの量を時間の関数として測定した。
発生量の測定は、熱伝導検出器(Thermal conductivity detector:TCD)を装着したガスクロマトグラフ(GC−8A、Shimadzu製)を用いて行った。
Specifically, first, photocatalyst Sn 3 O 4 (0.3 g) was added to a CH 3 OH aqueous solution (distilled water 220 mL + CH 3 OH 50 mL) in a predetermined amount of Pyrex cell together with a predetermined amount of H 2 PtCl 6 solution. Then, it stirred with the magnetic stirring bar.
Next, using a Xe arc lamp light source (300 W: no filter), the above aqueous solution was irradiated with light to photo-deposit the Pt promoter 0.5 wt% on the surface of the photocatalyst Sn 3 O 4 . . After Pt cocatalyst photodeposition, visible light irradiation was performed with a Xe arc lamp light source equipped with an L42 cutoff filter (λ> 400 nm), and the amount of H 2 generated from the aqueous solution was measured as a function of time.
The amount of H 2 generation was measured using a gas chromatograph (GC-8A, manufactured by Shimadzu) equipped with a thermal conductivity detector (TCD).

図9は、光触媒Snの水素発生量の測定結果を示すグラフである。
24時間光照射を続けてから、光照射を止めて、ロータリーポンプで容器内を減圧するステップを4回繰り返し、その間の水素発生量を測定した結果である。
光触媒Snでは、光照射を続けると初期はかなり高い割合で水素を発生し、10時間以後は、96時間になるまでほぼ一定の割合となった。
一方、SnO及びSnOでは、ほとんど水素を発生させることはできなかった。
FIG. 9 is a graph showing the measurement results of the hydrogen generation amount of the photocatalyst Sn 3 O 4 .
This is a result of measuring the amount of hydrogen generated during the period of four light repetitions after repeating light irradiation for 24 hours and then stopping light irradiation and depressurizing the inside of the container with a rotary pump.
With photocatalyst Sn 3 O 4 , when light irradiation was continued, hydrogen was generated at a considerably high rate in the initial stage, and after 10 hours, the ratio was almost constant until 96 hours.
On the other hand, SnO 2 and SnO 2 could hardly generate hydrogen.

次に、光照射96時間後の光触媒SnのpXRDプロファイルを測定した。
図10は、光照射前と水素発生実験96時間後の光触媒SnのpXRDプロファイルである。棒グラフはデータベースから取得したXRDのピーク位置と強度を表す。光照射前の光触媒SnのpXRDプロファイル及び公知のpXRDパターン(計算値)も合わせて示している。
光照射の前後で光触媒SnのpXRDプロファイルはほとんど変化しなかった。
Next, the pXRD profile of the photocatalyst Sn 3 O 4 after 96 hours of light irradiation was measured.
FIG. 10 is a pXRD profile of the photocatalyst Sn 3 O 4 before light irradiation and 96 hours after the hydrogen generation experiment. The bar graph represents the XRD peak position and intensity obtained from the database. The pXRD profile of the photocatalyst Sn 3 O 4 before light irradiation and a known pXRD pattern (calculated value) are also shown.
The pXRD profile of the photocatalyst Sn 3 O 4 hardly changed before and after the light irradiation.

(理論計算)
次に、仕事関数とバンドギャップに基づく理論計算を行った。
図11は、理論計算による状態密度の結果を示すグラフであり、Sn2+O(a)、Sn4+(b)、光触媒Sn(c)、光触媒SnのSn2+とSn4+の状態密度を分解したグラフ(d)である。
図11(c)、(d)に示すように、Snでは、−2eV以下の酸素のp軌道に起因するバレンスバンドと、2eV以上のスズのsp軌道に起因するコンダクションバンドとの間、−2〜0eVに別の占有バンドが存在する。このバンドは、Sn2+とSn4+の共存に起因しており、バレンスバンドの最上位を形成する。この最高被占バンドからコンダクションバンドまでがバンドギャップとなり、可視光のフォトンを吸収して、バレンスバンドの電子をコンダクションバンドに励起させることができる。また、水を還元して水素を発生させる基準電位をバレンスバンドとコンダクションバンドの間に有するバンド構造を形成する。
(Theoretical calculation)
Next, theoretical calculation based on work function and band gap was performed.
FIG. 11 is a graph showing the result of the density of states by theoretical calculation. Sn 2+ O (a), Sn 4+ O 2 (b), photocatalyst Sn 3 O 4 (c), Sn 2+ of photocatalyst Sn 3 O 4 and It is the graph (d) which decomposed | disassembled the density of states of Sn4 + .
As shown in FIGS. 11C and 11D, in Sn 3 O 4 , there are a valence band caused by oxygen orbitals of −2 eV or less and a conduction band caused by tin orbitals of 2 eV or more. Meanwhile, another occupied band exists at −2 to 0 eV. This band is due to the coexistence of Sn 2+ and Sn 4+ and forms the top of the valence band. The band from the highest occupied band to the conduction band becomes a band gap, which absorbs visible photons and excites the electrons in the valence band to the conduction band. In addition, a band structure having a reference potential for reducing water to generate hydrogen between the valence band and the conduction band is formed.

一方、図11(a)に示すように、Sn2+Oでは、複数のエネルギー帯が広く存在し、バンドギャップが大変小さい。
また、図11(b)に示すように、Sn4+では、コンダクションバンドの密度が大変小さい。
On the other hand, as shown in FIG. 11A, in Sn 2+ O, a plurality of energy bands exist widely and the band gap is very small.
Further, as shown in FIG. 11B, the density of the conduction band is very small in Sn 4+ O 2 .

(光触媒Snの光触媒特性評価2)
次に、光触媒Snを用いて、メタノール水溶液の代わりにエタノール水溶液を用いた他は「光触媒Snの光触媒特性評価1」と同様にして、アルコール水溶液中の水素イオンを還元して、Hを発生させ、そのH発生量を測定することにより、光触媒特性評価を行った。
(Photocatalytic property evaluation 2 of photocatalyst Sn 3 O 4 )
Next, the photocatalyst Sn 3 O 4 was used to reduce hydrogen ions in the aqueous alcohol solution in the same manner as in “Photocatalytic property evaluation 1 of photocatalyst Sn 3 O 4 ” except that an ethanol aqueous solution was used instead of the methanol aqueous solution. Then, H 2 was generated and the amount of H 2 generated was measured to evaluate the photocatalytic characteristics.

具体的には、まず、光触媒Sn(0.3g)を、パイレックスセル内のCOH水溶液(蒸留水220mL+COH50mL)内に分散し、磁気撹拌子で攪拌した。
次に、反応液中に所定量のHPtCl溶液を加えて、Pt助触媒0.5wt%を、光触媒Snに光析出(photo−deposited)させた。
次に、光照射して水素を発生させ、水素発生量を測定した。
Specifically, first, photocatalyst Sn 3 O 4 (0.3 g) was dispersed in a C 2 H 5 OH aqueous solution (distilled water 220 mL + C 2 H 5 OH 50 mL) in a Pyrex cell, and stirred with a magnetic stirring bar.
Next, a predetermined amount of H 2 PtCl 6 solution was added to the reaction solution, and 0.5 wt% of Pt promoter was photo-deposited on the photocatalyst Sn 3 O 4 .
Next, light was irradiated to generate hydrogen, and the amount of hydrogen generated was measured.

図12は、光触媒Snの水素発生量の測定結果を示すグラフである。
6時間光照射を続けて、その間の水素発生量を1時間ごとに測定した。
6時間後、光照射を止めて、ロータリーポンプで容器内を減圧した。
図12には、「光触媒Snの光触媒特性評価1」のメタノール水溶液の結果も合わせて示した。メタノール水溶液を用いた場合に比べて、エタノール水溶液を用いた場合の方が、一定時間当たりの水素発生量(水素発生効率)はわずかに低下したが、ほぼ同様の効率が得られた。
本光触媒では、バレンスバンドとコンダクションバンドとの間にSn2+とSn4+の共存に起因する被占有Snバンドが形成され、このバンドからコンダクションバンドとのバンドギャップで可視光のフォトンを吸収して、メタノール水溶液を用いた場合でもエタノール水溶液を用いた場合でも、被占有Snバンドの電子をほぼ同様の割合でコンダクションバンドに励起でき、この励起電子によりHを還元してほぼ同じ割合で水素を発生させることができたと推察した。
FIG. 12 is a graph showing the measurement results of the hydrogen generation amount of the photocatalyst Sn 3 O 4 .
Light irradiation was continued for 6 hours, and the amount of hydrogen generated during that time was measured every hour.
After 6 hours, light irradiation was stopped and the inside of the container was depressurized with a rotary pump.
In FIG. 12, the result of the methanol aqueous solution of “photocatalytic property evaluation 1 of photocatalyst Sn 3 O 4 ” is also shown. Compared to the case of using an aqueous methanol solution, the amount of hydrogen generation per unit time (hydrogen generation efficiency) was slightly decreased in the case of using an aqueous ethanol solution, but almost the same efficiency was obtained.
In this photocatalyst, an occupied Sn band resulting from the coexistence of Sn 2+ and Sn 4+ is formed between the valence band and the conduction band, and visible photons are absorbed from this band through the band gap. Thus, whether the aqueous methanol solution or the aqueous ethanol solution is used, the occupied Sn band electrons can be excited to the conduction band at a substantially similar rate, and H + is reduced by this excited electron at approximately the same rate. Inferred that hydrogen could be generated.

なお、溶液中のアルコールが消費された時点で光触媒反応が止まったこと、及び、水を分解しているのであれば水素:酸素が2:1で出るはずだが、本反応では水素しかでなかったことから、本実験結果は水分解に関するものではなく、「アルコール水溶液からの水素発生」と位置づけるべきと考察した。   When the alcohol in the solution was consumed, the photocatalytic reaction stopped, and if water was decomposed, hydrogen: oxygen should come out at 2: 1, but in this reaction only hydrogen was present. Therefore, it was considered that the result of this experiment should not be related to water splitting but should be positioned as "hydrogen generation from alcohol aqueous solution".

本発明の光触媒は、毒性がなく、年生産量も高い材料であるSnを主成分とし、可視光照射でアルコール水溶液から水素を発生可能な光触媒に関するものであり、この光触媒に可視光照射するだけで、アルコール水溶液から容易にかつ大量に水素を発生させることができ、水素エネルギーを安定供給できるので、サステナブルなエネルギー・システムに実用化できる可能性があり、水素エネルギー製造産業及び水素エネルギーを利用した装置・機器産業等において利用可能性がある。   The photocatalyst of the present invention relates to a photocatalyst that is mainly composed of Sn, which is a non-toxic material and has a high annual output, and can generate hydrogen from an alcohol aqueous solution by visible light irradiation. The photocatalyst is only irradiated with visible light. Therefore, hydrogen can be generated easily and in large quantities from an aqueous alcohol solution, and hydrogen energy can be stably supplied, so there is a possibility that it can be put into practical use in a sustainable energy system. It can be used in the equipment and equipment industries.

11…光触媒、d11…径、t11…厚さ。 11 ... photocatalyst, d 11 ... diameter, t 11 ... thickness.

Claims (8)

SnCl ・2H と界面活性剤を水中に分散して、分散液を調製する工程と、
前記分散液中にNaOH水溶液を加えて、アルカリ性分散液を調製する工程と、
前記アルカリ性分散液を加熱して、光触媒を水熱合成する工程と、を有し、前記光触媒が、化学式Sn で表される結晶であって、前記結晶中に価数の異なるSnが2以上存在する光触媒である、光触媒の製造方法。
And SnCl 2 · 2H 2 O and a surfactant dispersed in water, preparing a dispersion liquid,
Adding an aqueous NaOH solution to the dispersion to prepare an alkaline dispersion;
And heating the alkaline dispersion, a photocatalyst possess a step of hydrothermal synthesis, wherein the photocatalyst is a represented by crystals by a chemical formula Sn 3 O 4, different Sn is valences in the crystal A method for producing a photocatalyst, which is a photocatalyst present in two or more .
前記光触媒が、2つのSn2+とSn4+八面体とからなる構造が規則的に配列されてなる、請求項1に記載の光触媒の製造方法。 The method for producing a photocatalyst according to claim 1, wherein the photocatalyst is formed by regularly arranging a structure composed of two Sn 2+ and Sn 4+ O 6 octahedrons . 前記界面活性剤がクエン酸ナトリウム(Na・HO)であることを特徴とする請求項1又は2に記載の光触媒の製造方法。 Method for producing a photocatalyst according to claim 1 or 2, wherein the surfactant is sodium citrate (Na 3 C 6 H 5 O 7 · H 2 O). 前記水が超純水であることを特徴とする請求項1〜のいずれか1項に記載の光触媒の製造方法。 The method for producing a photocatalyst according to any one of claims 1 to 3 , wherein the water is ultrapure water. 前記アルカリ性分散液の加熱温度が150℃以上200℃以下であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の光触媒の製造方法。 The method for producing a photocatalyst according to any one of claims 1 to 4, wherein the heating temperature of the alkaline dispersion is 150 ° C or higher and 200 ° C or lower. 請求項1〜5のいずれか1項に記載の光触媒の製造方法により製造された光触媒を、アルコール水溶液に分散・攪拌する工程と、
PtCl溶液を加えて、Pt助触媒を前記光触媒に光析出させる工程と、
Pt助触媒を光析出させた前記光触媒を分散させたアルコール水溶液に光照射して水素を発生させる工程と、を有することを特徴とする光触媒を用いた水素発生方法。
Dispersing and stirring the photocatalyst produced by the method for producing a photocatalyst according to any one of claims 1 to 5 in an aqueous alcohol solution;
Adding a H 2 PtCl 6 solution to photoprecipitate a Pt promoter on the photocatalyst;
And a step of generating hydrogen by irradiating light to an aqueous alcohol solution in which the photocatalyst having the Pt promoter photodeposited is dispersed, to generate hydrogen using the photocatalyst.
化学式SnChemical formula Sn 3 O 4 で表される結晶であって、前記結晶中に価数の異なるSnが2以上存在することを特徴とする水素発生用の光触媒。A photocatalyst for hydrogen generation, wherein two or more Sn having different valences exist in the crystal. 2つのSn2 Sn 2+2+ とSnAnd Sn 4+4+ O 6 八面体とからなる構造が規則的に配列されていることを特徴とする請求項7に記載の水素発生用の光触媒。The photocatalyst for hydrogen generation according to claim 7, wherein the structure composed of octahedrons is regularly arranged.
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