JP6722580B2 - 光触媒およびその製造方法 - Google Patents
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Description
酸化チタンのバンドギャップは3.2eVであり、およそ400nm以下の紫外線しか吸収することができない。太陽光の場合、400nm以下の波長光のエネルギーが全体に占める割合は約3%である。これはつまり紫外線しか吸収することのできない酸化チタンを太陽光下で使用することを想定した場合、最大でも3%しか光エネルギーを変換することができないことを示している。すなわち光吸収向上には光触媒の吸収帯域をより広帯域化することが有効な手段の一つである。
また、N2/ A rガス雰囲気下で酸化チタンをスパッタリングして、窒素置換型酸化チタン薄膜である光触媒を製造する方法が開示されている(特許文献2)。
また、アンモニア含有雰囲気下での酸化チタンの熱処理による窒素ドープにより光触媒物質を得る方法が開示されている(特許文献3)。
しかしながら、これらの方法は、いずれも製造装置や製造工程が煩雑であり、高コストである。
これらの材料は、可視光領域における触媒効率が高い光触媒として期待されている。しかしながら、これらの材料は、触媒効率が十分ではなく、更なる触媒効率の向上が課題であった。
助触媒は、酸化あるいは還元サイト、電荷の蓄積による多電子反応促進、あるいは電荷分離促進などの作用を有すると言われている。助触媒として、例えばPt、Ni等が知られている(例えば特許文献5)。助触媒は一方で逆反応を促進する場合があるので、使用する半導体や、目的とする反応に応じて助触媒の種類や担持方法を選択することが重要である。
表面プラズモン共鳴はその形態により、伝播型と局在型に分けられる。伝播型表面プラズモン共鳴は回折現象を生じる表面波であり、金属表面や金属エッジおよび溝に沿って伝播する。局在型表面プラズモン共鳴はナノスケールの金属球やナノロッドに光を照射すると発生する。その共鳴波長は物質の種類や大きさ、形、周囲の環境により変化する。共鳴例えば、金・銀・銅などの金属ナノ粒子は、可視光で共鳴することによって、これを吸収することが知られている。
表面プラズモン共鳴が生じると、金属の表面に局在し、入射光の電場よりも数十から数百倍に増強された電場が生じる。この増強電場によって、半導体のモル吸光係数が向上し、その結果半導体がより大量に光励起することができ、触媒効率を高めることができると推測される。
あるいは、表面プラズモン共鳴金属粒子から半導体、あるいは反応基質への電子注入である。半導体が光励起して生じた電子と正孔とは別に、表面プラズモン共鳴する金属から半導体、あるいは反応基質へ電子が移動することでより触媒効率が高められると推測される。
また、金属ナノ粒子による表面プラズモン共鳴を発現するためには、個々の金属ナノ粒子が接することなく、独立して存在する必要がある。
また、光触媒粉末分散液と、金属ナノ粒子の前駆体である金属錯体溶液とを混合し、混合液に光照射することで光触媒表面に金属ナノ粒子を形成する方法が開示されている(非特許文献2)。
これらの技術によれば、表面プラズモン共鳴によって光の利用効率を高めることができるため触媒効率向上が期待できると解釈できる。
しかしながら、例えばTa3N5は長波長側吸収端波長がおよそ600nmであり、例えば金ナノ粒子によるプラズモン共鳴による吸収ピークは450〜700nmである。そのためこれらの吸収波長は一部重複し、表面プラズモン共鳴による吸収が阻害され、効果を十分に発揮することができない。
該金属粒子が担持された該金属酸化物粒子と、金属元素が銅、パラジウムおよび白金からなる群から選ばれる1種または2種以上である金属元素含有粒子を粒子混合する混合工程と、
を有することを特徴とする。
また、本発明に係る光触媒の製造方法は、光触媒作用を奏する金属酸化物粒子に表面プラズモン共鳴による吸収を有する金属粒子を担持する担持工程と、金属粒子が担持された該金属酸化物粒子と、金属元素が銅、パラジウムおよび白金からなる群から選ばれる1種または2種以上である金属元素含有粒子を粒子混合する混合工程と、を有するため、表面プラズモン共鳴の発現による触媒効率のより大きな向上効果が得られる光触媒を製造することができる。
本実施の形態例に係る光触媒は、金属酸化物粒子、金属粒子および金属元素含有粒子からなる。金属酸化物粒子は、光触媒作用を奏するものである。金属粒子は、表面プラズモン共鳴による吸収を有するものである。金属粒子は金属酸化物粒子に担持される。金属元素含有粒子は、金属元素が銅、パラジウムおよび白金からなる群から選ばれる1種または2種以上である。
金属酸化物粒子は、酸化チタン、酸化タングステン、酸化バナジウム、酸化亜鉛、酸化スズ、酸化インジウム、酸化ビスマス、タングステン酸ビスマス、バナジン酸ビスマス、チタン酸ストロンチウム、酸窒化タンタルまたは酸化鉄等から適宜選択して用いることができる。金属酸化物粒子は、好ましくは、酸化チタン、酸化タングステン、酸化バナジウム、酸化亜鉛、酸化スズ、酸化インジウム、酸化ビスマス、タングステン酸ビスマス、バナジン酸ビスマス、チタン酸ストロンチウムおよび酸窒化タンタルからなる群から選ばれる1種または2種以上を含み、可視光領域での光触媒作用をより好適に奏する観点からは、より好ましくは、酸化チタン、酸化タングステン、酸化バナジウムであり、さらに好ましくは、酸化チタン、酸化タングステンであり、さらにまた好ましくは、酸化タングステンである。なお、金属酸化物粒子は、これらの金属酸化物の混合物であってもよい。
金属酸化物粒子を作製することのできる公知の技術としては、スパッタ法、蒸着法、CVD法などの気相法や、水熱合成法、ゾルゲル法、ミセル法、逆ミセル法、あるいはマイクロ波加熱法などの液相法が挙げられるが、これらに限らない。
金属粒子は、表面プラズモン共鳴を効果的に利用する観点から、金属酸化物粒子の吸収波長と吸収帯域の重複がより少ない金属であることが好ましい。すなわち、金属粒子の表面プラズモン共鳴による吸収に由来する吸収ピーク波長よりも金属酸化物粒子の長波長側吸収端波長が小さいこと、言い換えれば、金属酸化物粒子の長波長側吸収端波長が、金属粒子の表面プラズモン共鳴による吸収に由来する吸収ピーク波長よりも短波長側にあることが好ましい。金属粒子は、表面プラズモン共鳴による吸収強度が高い、金および銀から選ばれる少なくとも1種以上の金属元素を含むことが好ましい。さらに好ましくは空気中で安定に存在する金属であって、具体的には金あるいは金以外の金属を核とし、その表面が金で被覆された形態の金属複合体、のいずれかであることが好ましい。
一般に表面プラズモン共鳴による吸収波長は金属粒子の一次粒子直径が小さくなるほど短波長にシフトするため、選択する金属粒子と金属酸化物粒子の組み合わせによっては金属粒子の吸収帯域と金属酸化物粒子の吸収帯域との重複がより大きくなるおそれがある。重複する帯域の光は金属粒子と金属酸化物粒子の双方が吸収することになり、光の利用効率の観点から好ましくない。また、一般に粒子は一次粒子直径が小さい程、比表面積が大きく、表面自由エネルギーが大きいため、特にナノサイズでは凝集が生じ易く、分散することがより困難になると言われている。そのため、金属粒子の一次粒子直径が小さく、例えば1nmよりも大きく下回ると容易に凝集が生じ、その結果表面プラズモン共鳴による吸収を示さなくなる可能性が想定される。金属粒子の一次粒子直径は、100nmより大きいと表面プラズモン共鳴による吸収を示さなくなり、光を有効利用できず触媒効率が低いため好ましくない。金属粒子の一次粒子直径は、より好ましくは2.5〜80nmである。
上述する範囲内で、金属酸化物粒子、金属粒子、金属元素含有粒子の一次粒子直径や接合状態を考慮して適宜選択することが出来る。
金属粒子の含有量が0.009質量部未満だと表面プラズモン共鳴による光の吸収量が小さく、触媒効率向上につながらないため、好ましくない。金属粒子の含有量が30質量部よりも多いと、金属酸化物粒子に対する金属粒子の被覆率が大きくなり、つまり金属酸化物粒子の露出表面積が小さくなるので触媒効率が悪く、好ましくない。
金属元素含有粒子の含有量が0.001質量%未満だと、助触媒としての好適な作用効果を得ることが出来ず、好ましくない。金属元素含有粒子の含有量が10質量%よりも多いと、金属酸化物粒子に対する金属元素含有粒子の被覆率が大きく、そのため光触媒作用を奏する金属酸化物粒子の露出表面積が小さいため、好ましくない。
金属酸化物粒子含有量が60質量%を下回ると、光触媒作用を奏する有効表面積が小さく、触媒効率が低いので好ましくない。金属酸化物粒子の含有量が99.9質量%を上回ると、金属粒子あるいは金属元素含有粒子のどちらかの好適な含有量を満足することが出来ない。
金属粒子が担持された金属酸化物粒子と、金属元素が銅、パラジウムおよび白金からなる群から選ばれる1種または2種以上である金属元素含有粒子を粒子混合する混合工程と、
を有する。
金属粒子は、ナノメートルサイズになると凝集分散特性が変化し、例えば、静電反発作用による分散安定化が困難になって凝集が生じやすくなる。従って、表面プラズモン共鳴を利用するために、金属粒子をいかに均一な状態で分散させ得るかが重要になる。
金属粒子をより確実に担持するためには、金属粒子の前駆体である金属錯体を溶解した金属酸化物粒子の分散液を加熱することによって、金属酸化物粒子に金属粒子を担持する方法が好ましい。
以上の方法のうち、好ましくは、物理的混合法である。物理的混合法であれば、前記金属粒子が担持された金属酸化物粒子又は前記金属元素含有粒子が相互作用することで合金化、複合酸化物になる等の不具合を生じるおそれが少ない。その結果、前記各粒子のそれぞれの効果を、より効果的に得られる粒子混合体を製造することができる。前記物理的混合法において、前記金属粒子が担持された金属酸化物粒子又は前記金属元素含有粒子のいずれかを水、有機溶剤等の液体媒体に分散させても良い。
一例としては、乳鉢上に前記金属粒子が担持された金属酸化物粒子と、前記金属元素含有粒子を加え、乳棒等で圧力を加えて凝集した粒子を解砕しながら混合する。
平均粒子径の測定は、試料を砕いてエタノールに分散させたのち、得られた分散液をカーボン支持膜付き金属性メッシュへ滴下して作成した基板を、透過型電子顕微鏡(TEM;日本電子社製、JEM−2000EX)により観測した。また、平均粒子径は面積平均径とした。平均粒子径及び粒子径の分布は任意の100個の粒子を抽出し、この面積平均および粒径の分布とした。
金属種の同定は、透過型電子顕微鏡に付帯するエネルギー分散型X線分析計を用いた分析により行った。
<金属微粒子担持WO3の作製>
金属タングステン粉末35gと過酸化水素(30%水溶液)490gを入れた1Lビーカーをホットスターラー上、35℃、300rpmで1時間程度加温撹拌しながら溶解させた。
得られた無色透明溶液の撹拌を続けながら、ホットスターラーの温度を100℃に昇温し、水分と過酸化水素を蒸発乾固させた。過酸化タングステン酸[WO2(O2)H2O]と思われる白色粉末を49g得た。
白色粉末11.6gを、90℃に加熱した水約200mLが入ったビーカーに少しずつ加え、90℃、300rpmで1.5時間程度加熱撹拌しながら溶解させた。得られた淡黄色透明溶液の容量を約100mLまで濃縮し、その後、濃縮した溶液が黄色透明溶液になるまで90℃、300rpmで約9時間加熱撹拌した。
黄色透明溶液をホットスターター上100℃、300rpmで水分を蒸発乾固させ、橙色固体を得た。橙色固体をスパチュラで取り出し、電気炉で空気中450℃、0.5時間焼成し、WO3と思われる黄色〜黄緑色の粉末(以下、「WO3粉末」という。)を9.3g得た。
得られた黄緑色粉末をSEM観察した結果、粒子直径は30〜100nmであった。得られた黄緑色粉末と市販WO3のXRDスペクトルを比較し、黄緑色粉末が単斜晶のWO3であることを同定した。
得られた5.00gのWO3粉末に、11.22gの蒸留水と0.53gの酢酸(関東化学社製)を加え、マグネチッックスターラーを用い3時間攪拌を行い、WO3分散液を調製した。次に、16.30gのポリビニルアルコール(平均分子量22000、重合度500、ケン化度88%、関東化学社製ポリビニルアルコール500)の20wt%水溶液、及び2.50gの蒸留水で溶解した60.6mgのテトラクロロ金(III)酸四水和物(関東化学社製)水溶液を加え、金錯体含有スラリー1を調製した。なお、金錯体含有スラリー1の調製に際しては、各試薬をそれぞれ加えるたびに、マグネチックスターラーによる拡販を各2時間行った。
次に、1000mlのるつぼに、前記金錯体含有スラリー1を入れた後、70℃で3分間及び130℃で10分間乾燥し、さらに280℃、10分間および500℃、1時間加熱処理することによって、薄紫灰色に呈色した金属金微粒子担持WO31を作製した(以下、「金属金微粒子担持WO3」を「Au/WO3」ともいう。)。
得られた金属金微粒子担持WO31は、スパチュラでかきとり、乳鉢で粉砕することにより、金属金微粒子担持WO3粉末1を4.69g得た。
得られた金属金微粒子担持WO3粉末1は、SEM観察により、粒子径約30〜100nmのWO3粒子に粒子径約20〜30nmの金ナノ粒子(EDXにより同定)が分散した状態で付着していることが確認できた。
<光触媒作製>
得られたAu/WO3粉末1.5gにCuO粉末(和光純薬、99.9%)1.5mg(0.1wt%)を加え、乳鉢を用いてよく混合し、光触媒粉末1(0.1wt%CuO/0.5wt%Au/WO3)を作製した。図2に金属金微粒子担持WO3粉末1のSEM画像を示す。
<ギ酸分解反応>
作成した光触媒粉末をセプタムキャップ付20mLのガラス容器におよそ1.4g入れ、ガラス容器の蓋を閉めた。ガラス容器の密閉状態を保ったまま、シリンジを使用してセプタムキャップから0.5mol/Lのギ酸水溶液40μL(20μmol)を加えた。紫外線をカットした0.5SUNのソラーシミュレーターで光照射し(>400nm)ながら、光触媒反応により生成する二酸化炭素量の経時変化をガスクロマトグラフィーにより追跡した。
表1にその反応結果を示す。
<金属微粒子担持WO3の作製>
実施例1と同様の方法でWO3を作製した。
作製した2.00gのWO3粉末に、4.50gの蒸留水と0.23gの酢酸を加え、マグネチッックスターラーを用い3時間攪拌し、WO3分散液を調製した。次に、6.50gのポリビニルアルコール(平均分子量22000、重合度500、ケン化度88%)の20wt%水溶液、及び1.00gの蒸留水で溶解した97.00mgのテトラクロロ金(III)酸四水和物水溶液を加え、金錯体含有スラリー2を調製した。なお、前記金錯体含有スラリー2の調製に際しては、各試薬をそれぞれ加えるたびに、マグネチックスターラーで、各2時間攪拌を行った。
次に、300mlのるつぼに、前記金錯体含有スラリー2を入れた後、70℃で3分間及び130℃で10分間乾燥し、さらに280℃、10分間および500℃、1時間加熱処理することによって、紫色に呈色した金属金微粒子分散WO32を作製した。
得られた金属金微粒子担持WO32は、スパチュラでかきとり、乳鉢で粉砕することにより、金属金微粒子分散WO3粉末2を1.83g得た。
得られた金属金微粒子分散WO3粉末2は、SEM観察により、粒子径約30〜100nmのWO3粒子WO3に粒子径約20〜40nmの金ナノ粒子(EDXにより同定)が分散した状態で付着していることが確認できた。
<光触媒作製>
得られたAu/WO3粉末1.5gにCuO粉末(和光純薬、99.9%)1.5mg(0.1wt%)を加え、乳鉢を用いてよく混合し、光触媒粉末2(0.1wt%CuO/2.0wt%Au/WO3)を作製した。
表1にその反応結果を示す。図2に金属金微粒子担持WO3粉末2のSEM画像を示す。
<金属微粒子担持WO3の作製>
実施例1と同様の方法でWO3粉末を作製した。
作製した1.50gのWO3粉末に、3.35gの蒸留水と0.15gの酢酸を加え、マグネチッックスターラーを用い3時間攪拌を行い、WO3分散液を調製した。次に、4.88gのポリビニルアルコール(平均分子量22000、重合度500、ケン化度88%)の20wt%水溶液、及び0.75gの蒸留水で溶解した254.52mgのテトラクロロ金(III)酸四水和物水溶液を加え、金錯体含有スラリー3を調製した。なお、金錯体含有スラリーの調製に際しては、各試薬をそれぞれ加えるたびに、マグネチックスターラーで、各2時間攪拌を行った。
次に、300mlのるつぼに、前記金錯体含有スラリー3を入れた後、70℃で3分間及び130℃で10分間乾燥し、さらに280℃、10分間および500℃、1時間加熱処理することによって、濃紫色に呈色した金属金微粒子担持WO33を作製した。
得られた金属金微粒子担持WO33は、スパチュラでかきとり、乳鉢で粉砕することにより、金属微粒子担持WO3粉末3を1.47g得た。
得られた金属微粒子担持WO3粉末3は、SEM観察により、粒子径約30〜100nmのWO3に粒子径約40〜100nmの金ナノ粒子(EDXにより同定)が分散した状態で付着していることが確認できた。
<光触媒作製>
得られたAu/WO3粉末1.5gにCuO粉末(和光純薬、99.9%)1.5mg(0.1wt%)を加え、乳鉢を用いてよく混合し、光触媒粉末3(0.1wt%CuO/7.0wt%Au/WO3)を作製した。
表1にその反応結果を示す。図2に金属金微粒子担持WO3粉末3のSEM画像を示す。
WO3粉末の代わりにTiO2粉末(日本アエロジル製P25、平均一次粒子径21nm)を使用した他は、実施例1と同様の方法で、金属金微粒子分散TiO2粉末4及び光触媒粉末4(0.1wt%CuO混合/0.5wt%Au/TiO2)を作製した。得られた金属金微粒子担持TiO2粉末4は、SEM観察によりTiO2粒子に粒子径約20〜30nmの金ナノ粒子(EDXにより同定)が分散した状態で付着していることが確認できた。表1にその反応結果を示す。
Au/WO3粉末1.5gにCuO粉末(和光純薬、99.9%)15mg(1.0wt%)を加えた他は、実施例1と同様の方法で、金属金微粒子分散WO3粉末5及び光触媒粉末5(1.0wt%CuO混合/0.5wt%Au/WO3)を作製した。得られた金属金微粒子担持WO3粉末5は、SEM観察により、粒子径約30〜100nmのWO3粒子に粒子径約20〜30nmの金ナノ粒子(EDXにより同定)が分散した状態で付着していることが確認できた。表1にその反応結果を示す。
実施例1と同様の方法で、WO3粉末を作製した。
WO3粉末1.5gにCuO粉末(和光純薬、99.9%)1.5mg(0.1wt%)を加え、乳鉢を用いてよく混合し、光触媒粉末(0.1wt%CuO混合/WO3)を作製した。
表1にその反応結果を示す。
実施例1と同様の方法でWO3粉末を作製した。
次に、硝酸銅三水和物(Cu(NO3)2・3H2O)4.7mgを水10gに溶解し、硝酸銅水溶液を調製した。WO3粉末1.5gに対して硝酸銅水溶液10g(CuOとして0.1wt%に相当)を加えてホットプレート上で撹拌しながら蒸発乾固させた後、電気炉で加熱した。加熱は空気雰囲気において450℃で0.5時間行った。CuO/WO3粉末(0.1wt%CuO含侵/WO3)1.5gが得られた。
表1にその反応結果を示す。
得られた実施例の金属金微粒子担持WO31〜3の拡散反射スペクトルをスペクトロフォトメータ(日本分光製 V670)を用い、積分球を装着して測定した。スペクトル測定のリファレンスには、標準白色基板を用いた。図1にそれらのスペクトルを示す。
Claims (4)
- 酸化チタン、酸化タングステン、酸化バナジウム、酸化亜鉛、酸化スズ、酸化インジウム、酸化ビスマス、タングステン酸ビスマス、バナジン酸ビスマス、チタン酸ストロンチウムおよび酸窒化タンタルからなる群から選ばれる1種又は2種以上の光触媒作用を奏する金属酸化物粒子に、表面プラズモン共鳴による吸収を有する金(Au)又は銀(Ag)の金属ナノ粒子を含浸法、塩析法、光析出法、電析法又はスパッタ法から選ばれる方法によって担持する担持工程と、
該金(Au)又は銀(Ag)の金属ナノ粒子が担持された該金属酸化物粒子と、酸化銅粒子とを乾式での攪拌混合又は重力混合法によって粒子混合する混合工程と、を有し、
これらの工程を経て、前記光触媒作用を奏する金属酸化物粒子を60〜99.9質量%、該金属酸化物粒子に担持された金(Au)又は銀(Ag)の金属ナノ粒子を0.099〜30質量%、酸化銅粒子を0.001〜10質量%含有し、前記金(Au)又は銀(Ag)の金属ナノ粒子が担持された前記金属酸化物粒子と、酸化銅粒子との粒子混合体である光触媒を得ることを特徴とする光触媒の製造方法。 - 前記担持工程において、前記金属ナノ粒子の前駆体である金(Au)又は銀(Ag)の金属錯体を溶解した金属酸化物粒子の分散液を加熱する含浸法により、前記金属酸化物粒子に金(Au)又は銀(Ag)の金属ナノ粒子を担持することを特徴とする請求項1に記載の光触媒の製造方法。
- 前記担持工程において、前記分散液にポリビニルアルコールを添加することを特徴とする請求項2に記載の光触媒の製造方法。
- 前記光触媒作用を奏する金属酸化物粒子の長波長側吸収端波長が、該金属酸化物粒子に担持された前記金(Au)又は銀(Ag)の金属ナノ粒子の表面プラズモン共鳴による吸収に由来する吸収ピーク波長よりも短波長側にあることを特徴とする請求項1に記載の光触媒の製造方法。
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