JP6901718B2 - Photocatalytic material and its manufacturing method - Google Patents

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Description

本発明は、可視光による水の光分解が可能な水素発生用光触媒粒子および酸素発生用光触媒粒子を含む光触媒層が基材に固定化されてなる光触媒材およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a photocatalyst material in which a photocatalyst layer containing hydrogen-generating photocatalyst particles and oxygen-evolving photocatalyst particles capable of photodecomposing water with visible light is immobilized on a substrate, and a method for producing the same.

可視光応答型光触媒は、太陽光に多く含まれる可視光線を利用することが可能な光触媒である。この可視光応答型光触媒は、有機物の光分解や、水の光分解による水素製造への応用が期待されている。中でも、水素の製造を目的とした水分解用光触媒は、再生可能エネルギーを利用した水素製造方法に用いられる光触媒として注目されている。そして、高い活性が得られる水分解用光触媒が求められている。 The visible light responsive photocatalyst is a photocatalyst capable of utilizing visible light contained in a large amount in sunlight. This visible light responsive photocatalyst is expected to be applied to photodecomposition of organic substances and hydrogen production by photodecomposition of water. Among them, a photocatalyst for water decomposition for the purpose of producing hydrogen is attracting attention as a photocatalyst used in a hydrogen production method using renewable energy. Then, there is a demand for a photocatalyst for water decomposition that can obtain high activity.

WO2014/046305号公報には、基材と、当該基材に固定化されてなる光触媒層とを含んでなる光触媒材であって、前記光触媒層が、一次粒子径が100nm以下である水素発生用可視光応答型光触媒粒子と、酸素発生用可視光応答型光触媒粒子とを含むものが例示されている。この例では、前記水素発生用可視光応答型光触媒粒子と前記酸素発生用可視光応答型光触媒粒子とが互いに接触している。WO2014/046305号公報によれば、この光触媒材は高い水素発生能を有することが報告されているが、光触媒材の水素発生能について更なる向上が求められている。 According to WO2014 / 046305, a photocatalyst material including a base material and a photocatalyst layer immobilized on the base material, wherein the photocatalyst layer has a primary particle size of 100 nm or less for hydrogen generation. Those including visible light responsive photocatalyst particles and visible light responsive photocatalyst particles for oxygen evolution are exemplified. In this example, the visible light responsive photocatalyst particles for hydrogen generation and the visible light responsive photocatalyst particles for oxygen generation are in contact with each other. According to WO2014 / 046305, it is reported that this photocatalytic material has a high hydrogen generating ability, but further improvement in the hydrogen generating ability of the photocatalytic material is required.

特開2012−187520号公報には、基材上に光触媒層を有する水分解用光触媒固定化物であって、光触媒層が窒化物又は酸窒化物である可視光応答型光半導体と、可視光応答型光半導体に担持された助触媒と、親水性無機材料とを含む、光触媒固定化物が例示されている。 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2012-187520 describes a photocatalyst immobilized product for water splitting having a photocatalyst layer on a substrate, and a visible light responsive photosemiconductor whose photocatalyst layer is a nitride or an oxynitride, and a visible light response. A photocatalyst immobilized product containing a cocatalyst supported on a type photosemiconductor and a hydrophilic inorganic material is exemplified.

特開2001−219073号公報には、助触媒を担持した光触媒をシリカ等のバインダーを用いて基板上に固定した光酸化触媒が記載されており、光触媒の配合割合がバインダーに対して20〜60重量%程度であることが好ましいことが記載されている。 Japanese Unexamined Patent Publication No. 2001-219073 describes a photooxidation catalyst in which a photocatalyst carrying a co-catalyst is fixed on a substrate using a binder such as silica, and the blending ratio of the photocatalyst is 20 to 60 with respect to the binder. It is stated that it is preferably about% by weight.

WO2014/046305号公報WO2014 / 046305 特開2012−187520号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2012-187520 特開2001−219073号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2001-21907

固相法などを利用して高温で焼成することで高い結晶性を有する光触媒粒子が得られる。高温焼成しているため、これらの粒子の粒径は比較的大きくなる(数百nm)。この粒子を水に分散させた懸濁液を攪拌しつつ光照射することで、水分解活性が確認されている。実用化には光触媒粒子を基材に固定した光触媒シートとする必要がある。このような大きな粒径の粒子を基材上に配置して固定する場合、水との接触面積を増やすために、ある程度の細孔を設けることが好ましい。しかしながらこの場合、例えば流水等によりこれらの粒子の脱粒が生じやすくなる。一方、従来のようにバインダーを使用する場合には、光触媒粒子と水との接触面積が減少し、水分解性能が低下してしまう。 Photocatalytic particles having high crystallinity can be obtained by firing at a high temperature using a solid phase method or the like. Due to the high temperature firing, the particle size of these particles is relatively large (several hundred nm). Water decomposition activity has been confirmed by irradiating a suspension in which these particles are dispersed in water with light while stirring. For practical use, it is necessary to prepare a photocatalyst sheet in which photocatalyst particles are fixed to a base material. When particles having such a large particle size are arranged and fixed on the substrate, it is preferable to provide a certain amount of pores in order to increase the contact area with water. However, in this case, for example, running water or the like tends to cause threshing of these particles. On the other hand, when a binder is used as in the conventional case, the contact area between the photocatalyst particles and water is reduced, and the water decomposition performance is deteriorated.

本発明は、細孔径と剥離防止部の厚さとを工夫することで、脱粒および光触媒活性の低下の双方を抑制することを可能とした。すなわち、本発明による光触媒材は、
基材と、
前記基材上に設けられた光触媒層と、
を含む光触媒材であって、
前記光触媒層は、
水素発生用可視光応答型の複数の第1の光触媒粒子と、
酸素発生用可視光応答型の複数の第2の光触媒粒子と、
前記複数の第1の光触媒粒子同士の間、前記複数の第2の光触媒粒子同士の間、前記複数の第1の光触媒粒子と前記複数の第2の光触媒粒子との間、前記複数の第1の光触媒粒子と前記基材との間、および前記複数の第2の光触媒粒子と前記基材との間、の少なくとも一部に設けられた剥離防止部と、
前記複数の第1の光触媒粒子、前記複数の第2の光触媒粒子、および前記剥離防止部、の間に設けられた細孔と、
を含み、
前記第1の光触媒粒子および前記第2の光触媒粒子の平均一次粒子径は100nm以上5000nm以下であり、
前記細孔径は20nm以上500nm以下であり、
前記剥離防止部は、金属の水酸化物、酸化物およびリン酸塩からなる群より選ばれる少なくとも1種を含み、
前記剥離防止部の厚みの平均は50nm以下であることを特徴とするものである。
The present invention has made it possible to suppress both shedding and a decrease in photocatalytic activity by devising the pore diameter and the thickness of the peeling prevention portion. That is, the photocatalytic material according to the present invention is
With the base material
The photocatalyst layer provided on the base material and
It is a photocatalytic material containing
The photocatalyst layer is
A plurality of first photocatalytic particles of the visible light responsive type for hydrogen generation,
A plurality of visible light responsive second photocatalytic particles for oxygen evolution,
Between the plurality of first photocatalyst particles, between the plurality of second photocatalyst particles, between the plurality of first photocatalyst particles and the plurality of second photocatalyst particles, the plurality of first photocatalyst particles. A peeling prevention portion provided at least in a part between the photocatalyst particles of the above and the base material, and between the plurality of second photocatalyst particles and the base material.
The pores provided between the plurality of first photocatalyst particles, the plurality of second photocatalyst particles, and the peeling prevention portion, and the like.
Including
The average primary particle diameter of the first photocatalyst particles and the second photocatalyst particles is 100 nm or more and 5000 nm or less.
The pore diameter is 20 nm or more and 500 nm or less.
The peeling prevention portion contains at least one selected from the group consisting of metal hydroxides, oxides and phosphates.
The average thickness of the peeling prevention portion is 50 nm or less.

本発明による光触媒材によれば、脱粒および光触媒活性の低下の双方を抑制することができる。 According to the photocatalytic material according to the present invention, both shedding and a decrease in photocatalytic activity can be suppressed.

本発明による光触媒材を示す模式断面図である。It is a schematic cross-sectional view which shows the photocatalyst material by this invention. 本発明による光触媒材を示す模式断面図である。It is a schematic cross-sectional view which shows the photocatalyst material by this invention. 本発明による光触媒材を示す模式断面図である。It is a schematic cross-sectional view which shows the photocatalyst material by this invention. 本発明による光触媒層のSEM画像である。It is an SEM image of the photocatalyst layer by this invention. 本発明による光触媒層のTEM画像である。It is a TEM image of the photocatalyst layer by this invention. 本発明による光触媒材のXPS測定の結果である。This is the result of XPS measurement of the photocatalytic material according to the present invention.

定義
本明細書において、「可視光」とは、人間の目で視認可能な波長の電磁波(光)を意味する。好ましくは、波長380nm以上の可視光線を含む光、より好ましくは、波長420nm以上の可視光線を含む光を意味する。また、可視光線を含む光としては、太陽光、集光してエネルギー密度を高めた集光太陽光、あるいはキセノンランプ、ハロゲンランプ、ナトリウムランプ、蛍光灯、発光ダイオード等の人工光源を光源として用いることが可能である。好ましくは、地球上に無尽蔵に降り注いでいる太陽光を光源として用いる。これにより、太陽光線の約52%を占める可視光線を利用可能であり、水から水素および酸素を効率的に取り出すことが可能となる。
Definition In the present specification, "visible light" means an electromagnetic wave (light) having a wavelength that can be visually recognized by the human eye. It preferably means light containing visible light having a wavelength of 380 nm or more, and more preferably light containing visible light having a wavelength of 420 nm or more. As the light including visible light, sunlight, condensed sunlight whose energy density is increased by condensing it, or an artificial light source such as a xenon lamp, a halogen lamp, a sodium lamp, a fluorescent lamp, or a light emitting diode is used as a light source. It is possible. Preferably, the inexhaustible amount of sunlight falling on the earth is used as a light source. As a result, visible light that occupies about 52% of the sun's rays can be used, and hydrogen and oxygen can be efficiently extracted from water.

本明細書において、「水素発生用可視光応答型光触媒粒子」とは、可視光による水の光分解反応により水素を発生可能な光触媒粒子を意味し、「酸素発生用可視光応答型光触媒粒子」とは、可視光による水の光分解反応により酸素を発生可能な光触媒粒子を意味する。 In the present specification, the "visible light responsive photocatalytic particle for hydrogen generation" means a photocatalytic particle capable of generating hydrogen by a photocatalytic reaction of water with visible light, and is "visible light responsive photocatalytic particle for oxygen generation". Means photocatalytic particles capable of generating oxygen by the photocatalytic reaction of water with visible light.

本明細書において、粒子同士が「接続する(couple)」とは、該粒子間において正孔および/または電子が移動可能なように複数の粒子が配置される状態を少なくとも意味する。例えば、粒子同士は物理的に接触して(contact)いないが正孔および/または電子が移動可能なよう配置される態様も含む。一方、粒子同士が「接触する(contact)」とは、粒子の一部同士が接して(contact)配置される状態を意味する。粒子同士が「接触する(contact)」態様には、粒子の一部同士が接する(contact)ことにより、該粒子間において正孔および/または電子が移動可能となっている状態、つまり粒子同士が電気的に接続している状態が含まれる。また、粒子同士が「接合する(bind)」とは、粒子同士が、「接触する(contact)」場合よりも強固に接して(contact)配置される状態を意味する。「接合する」とは、例えば、化学的に結合された状態を含む。 As used herein, the term "couple" of particles means at least a state in which a plurality of particles are arranged so that holes and / or electrons can move between the particles. For example, it also includes an embodiment in which particles are not physically in contact with each other but are arranged so that holes and / or electrons can move. On the other hand, "contact" between particles means a state in which some of the particles are arranged in contact with each other. In the "contact" mode of particles, a state in which holes and / or electrons can move between the particles by contacting a part of the particles, that is, the particles are in contact with each other. Includes electrically connected states. Further, the term "bind" of particles means a state in which particles are arranged in contact with each other more firmly than in the case of "contact". "Joining" includes, for example, a chemically bonded state.

光触媒材
本発明による光触媒材の全体構成について図1を参照しつつ説明する。
光触媒材100は、基材90と、基材90に固定化されてなる光触媒層70とを含む。光触媒層70は、水素発生用可視光応答型の第1の光触媒粒子10(以下、単に「第1の光触媒粒子」ともいう)と、酸素発生用可視光応答型の第2の光触媒粒子20(以下、単に「第2の光触媒粒子」ともいう)と、剥離防止部60と、細孔71とを含む。この例では、剥離防止部60は、複数のコロイド粒子61を含んでいる。光触媒層70において、剥離防止部60は、第1の光触媒粒子10同士の間、第2の光触媒粒子20同士の間、第1の光触媒粒子10と第2の光触媒粒子20との間、第1の光触媒粒子10と基材90との間、および第2の光触媒粒子20と基材90との間、の少なくとも一部に配置される。細孔71は、第1の光触媒粒子10、第2の光触媒粒子20および剥離防止部60の間に配置される。本発明による光触媒材は、上述したような構成を有することにより、可視光照射下で高い光触媒活性を発現することができ、高い効率で水を光分解することが可能となり、非常に高い水素発生能を有するとともに、脱粒を抑制することができる。
Photocatalytic material The overall configuration of the photocatalytic material according to the present invention will be described with reference to FIG.
The photocatalyst material 100 includes a base material 90 and a photocatalyst layer 70 immobilized on the base material 90. The photocatalyst layer 70 includes a first photocatalyst particle 10 of a visible light responsive type for hydrogen generation (hereinafter, also simply referred to as “first photocatalyst particle”) and a second photocatalyst particle 20 of a visible light responsive type for oxygen generation (hereinafter, also simply referred to as “first photocatalyst particle”). Hereinafter, it is also simply referred to as “second photocatalytic particle”), and includes a peeling prevention portion 60 and pores 71. In this example, the peeling prevention unit 60 includes a plurality of colloidal particles 61. In the photocatalyst layer 70, the peeling prevention unit 60 is used between the first photocatalyst particles 10 and between the second photocatalyst particles 20, between the first photocatalyst particles 10 and the second photocatalyst particles 20, and first. It is arranged at least a part between the photocatalyst particles 10 and the base material 90, and between the second photocatalyst particles 20 and the base material 90. The pores 71 are arranged between the first photocatalyst particles 10, the second photocatalyst particles 20, and the peeling prevention portion 60. Since the photocatalytic material according to the present invention has the above-mentioned structure, it can exhibit high photocatalytic activity under visible light irradiation, can photodecompose water with high efficiency, and generates extremely high hydrogen. It has the ability and can suppress granulation.

基材
本発明による光触媒材に含まれる基材90は、その表面に光触媒層70を固定化し得るものであればよい。このような基材90の具体例としては、有機基材や、無機基材が挙げられる。有機基材としては、例えば、プラスチック基材が挙げられる。無機基材としては、例えば、アルミナ基板などのセラミックス基材、ソーダライムガラス、ホウケイ酸ガラスなどのガラス基材、石英基材が挙げられる。例えば250℃以上、あるいは300℃以上の加熱によって分解されにくい基材がより好ましい。光透過性を有する基材を用いてもよい。
Base material The base material 90 contained in the photocatalyst material according to the present invention may be any material capable of immobilizing the photocatalyst layer 70 on its surface. Specific examples of such a base material 90 include an organic base material and an inorganic base material. Examples of the organic base material include a plastic base material. Examples of the inorganic base material include a ceramic base material such as an alumina substrate, a glass base material such as soda lime glass and borosilicate glass, and a quartz base material. For example, a base material that is not easily decomposed by heating at 250 ° C. or higher or 300 ° C. or higher is more preferable. A base material having light transmission may be used.

また、基材90として金属基材を用いてもよい。金属の具体例としては、チタン、アルミニウム、鉄、ステンレス等が挙げられる。実用上、金属よりも上記有機物あるいは無機物が好ましい。 Further, a metal base material may be used as the base material 90. Specific examples of the metal include titanium, aluminum, iron, stainless steel and the like. Practically, the above organic or inorganic substances are preferable to metals.

なお、本発明による光触媒材において、基材90として、絶縁性基材を用いることができる。 In the photocatalyst material according to the present invention, an insulating base material can be used as the base material 90.

基材90は、その表面に乾燥または焼成によって光触媒層70が固定化され得る形状を有するものであればよい。このような基材90の具体例としては、平滑表面を有する平板体(例えばガラス基板、アルミナ基板等)、あるいは表面多孔性の平板体(例えば陽極酸化アルミナ)、多孔体(例えばポーラスセラミックス)、繊維体(例えばガラスファイバー、炭素繊維)等を好ましく用いることができる。繊維体としては、より好ましくは、光透過性の高いガラスファイバーを用いることができる。これにより、繊維体の光照射面よりも層内部への光透過が可能となり、光吸収量の増大が期待できる。また、基材90の表面形状は、波打った形状、くし型の形状、繊維状、メッシュ状であってもよい。 The base material 90 may have a shape such that the photocatalyst layer 70 can be immobilized on the surface thereof by drying or firing. Specific examples of such a base material 90 include a flat plate having a smooth surface (for example, a glass substrate, an alumina substrate, etc.), a flat plate having a porous surface (for example, anodized alumina), and a porous body (for example, porous ceramics). A fiber body (for example, glass fiber, carbon fiber) or the like can be preferably used. More preferably, glass fiber having high light transmission can be used as the fiber body. As a result, light can be transmitted to the inside of the layer rather than the light-irradiated surface of the fiber body, and an increase in the amount of light absorption can be expected. Further, the surface shape of the base material 90 may be a wavy shape, a comb shape, a fibrous shape, or a mesh shape.

基材90は、複数の空孔を有していてもよい。それぞれの空孔の径は、例えば、0.1〜30μmであることが好ましい。これらの空孔は連続気孔として配置されることが好ましい。これにより、例えば、光触媒層70の内部に配置される光触媒粒子10、20の表面で水分解反応により生成した水素ガスが、光触媒層70内部の細孔71を拡散した後、例えば、この細孔71より大きい開口部をもつこれら空孔を通して光触媒層70の外部に到達することが可能となり、より効率的な水素ガスの発生が可能となる。 The base material 90 may have a plurality of pores. The diameter of each pore is preferably 0.1 to 30 μm, for example. These pores are preferably arranged as continuous pores. As a result, for example, the hydrogen gas generated by the water splitting reaction on the surfaces of the photocatalyst particles 10 and 20 arranged inside the photocatalyst layer 70 diffuses the pores 71 inside the photocatalyst layer 70, and then, for example, the pores. It becomes possible to reach the outside of the photocatalyst layer 70 through these pores having an opening larger than 71, and more efficient hydrogen gas generation becomes possible.

光触媒層
本発明において、光触媒層70は、緻密な連続層であってもよい。光触媒層70は、例えば、不連続な部分を有していてもよい。例えば、光触媒層70は基材90の表面に島状に離散して存在していてもよい。光触媒層70は、波状、くし型状、ファイバー状、メッシュ状などの状態であってもよい。
Photocatalyst layer In the present invention, the photocatalyst layer 70 may be a dense continuous layer. The photocatalyst layer 70 may have, for example, a discontinuous portion. For example, the photocatalyst layer 70 may be discretely present on the surface of the base material 90 in an island shape. The photocatalyst layer 70 may be in a wavy, comb-shaped, fibrous, mesh-like state or the like.

光触媒層70は、例えば、水、水素および酸素ガスが拡散可能な細孔71を有する。細孔71は、例えば、第1の光触媒粒子10、第2の光触媒粒子20、および剥離防止部60の間に配置される。この細孔71を介することにより、光触媒層70の表面だけでなく、その内部に位置する光触媒粒子も、水および光と接触することが可能となる。細孔径は20nm以上500nm以下であり、好ましくは20nm以上100nm以下である。 The photocatalyst layer 70 has, for example, pores 71 into which water, hydrogen, and oxygen gas can diffuse. The pores 71 are arranged, for example, between the first photocatalyst particles 10, the second photocatalyst particles 20, and the peeling prevention portion 60. Through the pores 71, not only the surface of the photocatalyst layer 70 but also the photocatalyst particles located inside the photocatalyst layer 70 can come into contact with water and light. The pore diameter is 20 nm or more and 500 nm or less, preferably 20 nm or more and 100 nm or less.

本発明において、光触媒層70の厚みは、0.1μm以上50μm以下であることが好ましい。より好ましい光触媒層70の厚みは0.2μm以上30μm以下である。
ここで、光触媒層70の厚みは、例えば、光触媒材断面の走査型電子顕微鏡観察により求めることができる。詳細には、基材90の表面のある点における水平方向の接線から、この接線に対する垂線における光触媒層70の最上部までの距離である。例えば、基材90が図1などに示されるような平板の場合、光触媒層70の厚みは基材90の表面から鉛直方向に光触媒層70の最上部までの距離である。また、基材90の表面がファイバーのようなものである場合、光触媒層70の厚みはファイバーの表面のある点における水平方向の接線から、この接線に対する垂線における光触媒層70の最上部までの距離である。
In the present invention, the thickness of the photocatalyst layer 70 is preferably 0.1 μm or more and 50 μm or less. A more preferable thickness of the photocatalyst layer 70 is 0.2 μm or more and 30 μm or less.
Here, the thickness of the photocatalyst layer 70 can be determined, for example, by observing a cross section of the photocatalyst material with a scanning electron microscope. Specifically, it is the distance from the horizontal tangent at a point on the surface of the substrate 90 to the top of the photocatalyst layer 70 at a perpendicular to this tangent. For example, when the base material 90 is a flat plate as shown in FIG. 1, the thickness of the photocatalyst layer 70 is the distance from the surface of the base material 90 to the uppermost portion of the photocatalyst layer 70 in the vertical direction. When the surface of the base material 90 is like a fiber, the thickness of the photocatalyst layer 70 is the distance from the horizontal tangent at a certain point on the surface of the fiber to the top of the photocatalyst layer 70 in the perpendicular to this tangent. Is.

図2に示すように、光触媒材101において、光触媒層70は導電性粒子40を含んでもよい。この場合、導電性粒子40は、その表面の任意の部位(点、面など)で、第1の光触媒粒子10および第2の光触媒粒子20の双方と接触している。光触媒層70において、導電性粒子40の表面は、第1領域と、第2領域と、第3領域と、を有する。第1領域において、導電性粒子40は第1の光触媒粒子10と物理的に接触している。第2領域において、導電性粒子40は第2の光触媒粒子20と物理的に接触している。第3領域は、導電性粒子40の表面において、第1領域および第2領域以外の領域である。すなわち、第3領域において、導電性粒子40は、第1の光触媒粒子10および第2の光触媒粒子20のいずれとも接触しない。 As shown in FIG. 2, in the photocatalyst material 101, the photocatalyst layer 70 may contain conductive particles 40. In this case, the conductive particles 40 are in contact with both the first photocatalyst particles 10 and the second photocatalyst particles 20 at arbitrary parts (points, surfaces, etc.) on the surface thereof. In the photocatalyst layer 70, the surface of the conductive particles 40 has a first region, a second region, and a third region. In the first region, the conductive particles 40 are in physical contact with the first photocatalytic particles 10. In the second region, the conductive particles 40 are in physical contact with the second photocatalytic particles 20. The third region is a region other than the first region and the second region on the surface of the conductive particles 40. That is, in the third region, the conductive particles 40 do not come into contact with either the first photocatalyst particles 10 or the second photocatalyst particles 20.

光触媒層70において、第1の光触媒粒子10と第2の光触媒粒子20とが、導電性粒子40を介して電気的に接続されているため、第1の光触媒粒子10の価電子帯で生成する励起正孔と、第2の光触媒粒子20の伝導帯で生成する励起電子との導電性粒子40を介した電気的接続の程度がより強くなる。そのため、光触媒材101においては、導電性粒子40における光励起正孔と光励起電子との間の電荷再結合反応が起こる。その結果、光触媒層70の光触媒活性をより高めることができ、光触媒層70の水素発生能がより向上される。 In the photocatalyst layer 70, since the first photocatalyst particles 10 and the second photocatalyst particles 20 are electrically connected via the conductive particles 40, they are generated in the valence band of the first photocatalyst particles 10. The degree of electrical connection between the excited holes and the excited electrons generated in the conduction band of the second photocatalytic particle 20 via the conductive particles 40 becomes stronger. Therefore, in the photocatalytic material 101, a charge recombination reaction occurs between the photoexcited holes and the photoexcited electrons in the conductive particles 40. As a result, the photocatalytic activity of the photocatalyst layer 70 can be further enhanced, and the hydrogen generating ability of the photocatalyst layer 70 is further improved.

水素発生用可視光応答型光触媒粒子(第1の光触媒粒子)
第1の光触媒粒子10は、光学的バンドギャップを有する半導体粒子である。第1の光触媒粒子10が可視光を吸収することで、第1の光触媒粒子10におけるバンド間遷移等の電子遷移により、伝導帯あるいはバンドギャップ内に存在する電子アクセプター準位に励起電子を生じ、かつ価電子帯あるいはバンドギャップ内に存在する電子ドナー準位に励起正孔を生じる。第1の光触媒粒子10は、この励起電子および励起正孔のそれぞれが反応対象物を還元および酸化することが可能な光触媒材料である。つまり、第1の光触媒粒子10は、可視光線を照射することで生成する励起電子が、水を還元して水素を生成可能な光触媒材料である。第1の光触媒粒子10の伝導帯あるいはバンドギャップ内に存在する電子アクセプター準位は、例えば、水の還元電位(0V vs.NHE(標準水素電極電位)at pH=0)よりも負な位置にある。また、第1の光触媒粒子10の価電子帯あるいはバンドギャップ内に存在する電子ドナー準位は、例えば、第2の光触媒粒子の伝導帯位置よりも正な位置にある。
Visible light responsive photocatalytic particles for hydrogen generation (first photocatalytic particles)
The first photocatalyst particle 10 is a semiconductor particle having an optical bandgap. When the first photocatalyst particles 10 absorb visible light, electron transitions such as band-to-band transitions in the first photocatalyst particles 10 generate excitation electrons at the electron acceptor level existing in the conduction band or band gap. In addition, excited holes are generated at the electron donor level existing in the valence band or band gap. The first photocatalyst particle 10 is a photocatalyst material in which each of the excited electrons and the excited holes can reduce and oxidize the reaction target. That is, the first photocatalyst particle 10 is a photocatalyst material in which excited electrons generated by irradiating visible light can reduce water to generate hydrogen. The electron acceptor level existing in the conduction band or band gap of the first photocatalyst particle 10 is located at a position negative from the reduction potential of water (0 V vs. NHE (standard hydrogen electrode potential) at pH = 0), for example. is there. Further, the electron donor level existing in the valence band or band gap of the first photocatalyst particle 10 is, for example, at a position more positive than the conduction band position of the second photocatalyst particle.

第1の光触媒粒子10の好ましい例としては、RhドープSrTiO3(SrTi1-xRhx3:x=0.002〜0.1)、IrドープSrTiO3(SrTi1-xIrxO3:x=0.002〜0.1)、CrドープSrTiO3(SrTi1-xCrx3:x=0.002〜0.1)、CrおよびTaドープSrTiO3(SrTi1-x―yCrxTay3:x=0.002〜0.1、y=0.002〜0.1)、LaおよびRhドープSrTiO3(Sr1-xLaxTi1―yRhy3:x=0.005〜0.2、y=0.005〜0.2)等の遷移金属あるいは貴金属の少なくとも1種類がドープされたペロブスカイト型SrTiO3、Cu2O、CuO、CaFe24、NiO、Bi23、BiOX(X=Cl,Br,I)、GaN−ZnO固溶体、LaTiO2N、BaTaO2N、BaNbO2N、TaON、Ta35、Ge34等の遷移金属あるいは典型金属を含有する酸窒化物あるいは窒化物、CuGaS2、CuInS2、Cu(Ga,In)S2、CuGaSe2、CuInSe2、Cu(Ga,In)Se2、Cu2ZnSnS4(CZTS)、Cu2ZnSn(S,Se)4等のGa、In、Al等の典型金属を含む銅セレン化物、銅硫化物、または銅複合硫セレン化物、La5Ti2CuS57、La5Ti2AgS57、La5Ti2CuSe57、La5Ti2AgSe57等の酸硫セレン化物およびその金属ドープ化合物等の酸硫化物からなる群から選択される1種以上が挙げられる。 Preferred examples of the first photocatalyst particles 10 include Rh-doped SrTIO 3 (SrTi 1-x Rh x O 3 : x = 0.002-0.1), Ir-doped SrTiO 3 (SrTi 1-x Ir x O3:). x = 0.002-0.1), Cr-doped SrTIO 3 (SrTi 1-x Cr x O 3 : x = 0.002-0.1), Cr and Ta-doped SrTIO 3 (SrTi 1-x-y Cr) x T y O 3 : x = 0.002 to 0.1, y = 0.002 to 0.1), La and Rh-doped SrTIO 3 (Sr 1-x La x Ti 1-y Rh y O 3 : x = 0.005 to 0.2, y = 0.005 to 0.2) and other transition metals or noble metals doped with perovskite type SrTiO 3 , Cu 2 O, CuO, CaFe 2 O 4 , NiO , Bi 2 O 3 , BiOX (X = Cl, Br, I), GaN-ZnO solid solution, LaTIO 2 N, BaTaO 2 N, BaNbO 2 N, TaON, Ta 3 N 5 , Ge 3 N 4, etc. Acid nitrides or nitrides containing typical metals, CuGaS 2 , CuInS 2 , Cu (Ga, In) S 2 , CuGaSe 2 , CuInSe 2 , Cu (Ga, In) Se 2 , Cu 2 ZnSnS 4 (CZTS), Copper selenide containing typical metals such as Ga, In, Al such as Cu 2 ZnSn (S, Se) 4 , copper sulfide, or copper composite sulfur selenide, La 5 Ti 2 CuS 5 O 7 , La 5 Ti 2 One or more selected from the group consisting of acid sulfide selenium products such as AgS 5 O 7 , La 5 Ti 2 CuSe 5 O 7 , La 5 Ti 2 AgSe 5 O 7 and acid sulfides such as metal-doped compounds thereof. Be done.

第1の光触媒粒子10のより好ましい例としては、RhドープSrTiO3(SrTi1-xRhx3:x=0.005〜0.05)、IrドープSrTiO3(SrTi1-xIrxO3:x=0.005〜0.05)、CrドープSrTiO3(SrTi1-xCrx3:x=0.002〜0.1)、CrおよびTaドープSrTiO3(SrTi1-x―yCrxTay3:x=0.002〜0.1、y=0.002〜0.1)、LaおよびRhドープSrTiO3(Sr1-xLaxTi1―yRhy3:x=0.005〜0.2、y=0.005〜0.2)等の遷移金属あるいは貴金属の少なくとも1種類がドープされたペロブスカイト型SrTiO3、Cu2O、CuO、CaFe24、NiO、Bi23、BiOX(X=Cl,Br,I)、GaN−ZnO固溶体、LaTiO2N、BaTaO2N、BaNbO2N、TaON、Ta35、Ge34、CuGaS2、CuInS2、Cu(Ga,In)S2、CuGaSe2、CuInSe2、Cu(Ga,In)Se2、Cu2ZnSnS4(CZTS)、Cu2ZnSn(S,Se)4、La5Ti2CuS57およびその金属ドープ化合物、La5Ti2AgS57およびその金属ドープ化合物等の酸硫化物からなる群から選択される1種以上が挙げられる。 More preferred examples of the first photocatalyst particles 10 are Rh-doped SrTIO 3 (SrTi 1-x Rh x O 3 : x = 0.005-0.05), Ir-doped SrTiO 3 (SrTi 1-x Ir x O3). : X = 0.005-0.05), Cr-doped SrTIO 3 (SrTi 1-x Cr x O 3 : x = 0.002-0.1), Cr and Ta-doped SrTIO 3 (SrTi 1-x-y) cr x Ta y O 3: x = 0.002~0.1, y = 0.002~0.1), La and Rh-doped SrTiO 3 (Sr 1-x La x Ti 1-y Rh y O 3: Perovskite-type SrTiO 3 , Cu 2 O, Cu O, CaFe 2 O 4 , doped with at least one of transition metals or noble metals such as x = 0.005 to 0.2, y = 0.005 to 0.2), NiO, Bi 2 O 3 , BiOX (X = Cl, Br, I), GaN-ZnO solid solution, LaTIO 2 N, BaTaO 2 N, BaNbO 2 N, TaON, Ta 3 N 5 , Ge 3 N 4 , CuGaS 2 , CuInS 2 , Cu (Ga, In) S 2 , CuGaSe 2 , CuInSe 2 , Cu (Ga, In) Se 2 , Cu 2 ZnSnS 4 (CZTS), Cu 2 ZnSn (S, Se) 4, La 5 Ti 2 CuS One or more selected from the group consisting of acid sulfides such as 5 O 7 and its metal-doped compound, La 5 Ti 2 AgS 5 O 7 and its metal-doped compound and the like can be mentioned.

第1の光触媒粒子10の最も好ましい例としては、RhドープSrTiO3(SrTi1-xRhx3:x=0.01〜0.04)、CrドープSrTiO3(SrTi1-xCrx3:x=0.002〜0.1)、CrおよびTaドープSrTiO3(SrTi1-x―yCrxTay3:x=0.002〜0.1、y=0.002〜0.1)、LaおよびRhドープSrTiO3(Sr1-xLaxTi1―yRhy3:x=0.005〜0.2、y=0.005〜0.2)等の遷移金属あるいは貴金属の少なくとも1種類がドープされたペロブスカイト型SrTiO3、TaON、Ta35、からなる群から選択される1種以上が挙げられる。 The most preferable examples of the first photocatalytic particle 10 are Rh-doped SrTIO 3 (SrTi 1-x Rh x O 3 : x = 0.01 to 0.04) and Cr-doped SrTIO 3 (SrTi 1-x Cr x O). 3: x = 0.002~0.1), Cr and Ta-doped SrTiO 3 (SrTi 1-x- y Cr x Ta y O 3: x = 0.002~0.1, y = 0.002~0 .1), La and Rh-doped SrTiO 3 (Sr 1-x La x Ti 1-y Rh y O 3: x = 0.005~0.2, y = 0.005~0.2) transition metal such Alternatively precious metal of at least one-doped perovskite SrTiO 3, TaON, Ta 3 N 5, 1 or more selected from the group consisting of and the like.

第1の光触媒粒子の平均一次粒子径
第1の光触媒粒子10の平均一次粒子径は100nm以上5000nm以下である。このような小さな粒径を有することで、第1の光触媒粒子10において、水と接触可能な単位重量当たりの表面積が大きくなる。これにより、水の還元反応サイトが増加し、その結果、高効率な水素発生が可能となる。第1の光触媒粒子10の平均一次粒子径の好ましい下限は、100nmであり、好ましい上限は1000nmである。
Average primary particle size of the first photocatalyst particles The average primary particle size of the first photocatalyst particles 10 is 100 nm or more and 5000 nm or less. Having such a small particle size increases the surface area of the first photocatalyst particles 10 per unit weight that can come into contact with water. As a result, the number of reduction reaction sites of water increases, and as a result, highly efficient hydrogen generation becomes possible. The preferred lower limit of the average primary particle size of the first photocatalyst particles 10 is 100 nm, and the preferred upper limit is 1000 nm.

酸素発生用可視光応答型光触媒粒子(第2の光触媒粒子)
第2の光触媒粒子20は、光学的バンドギャップを有する半導体粒子である。第2の光触媒粒子20が可視光を吸収することで、第2の光触媒粒子20におけるバンド間遷移等の電子遷移により、伝導帯に励起電子を生じ、かつ価電子帯に励起正孔が生じる。第2の光触媒粒子20は、この励起電子および励起正孔のそれぞれが反応対象物を還元および酸化することが可能な光触媒材料である。つまり、第2の光触媒粒子20は、可視光線を照射することで生成する励起正孔が、水を酸化して酸素を生成可能な光触媒材料である。第2の光触媒粒子20の価電子帯は、例えば、水の酸化電位(+1.23V vs.NHE(標準水素電極電位)at pH=0)よりも正な位置にある。また、第2の光触媒粒子20の伝導帯は、例えば第1の光触媒粒子の価電子帯位置よりも負な位置にある。
Visible light responsive photocatalytic particles for oxygen evolution (second photocatalytic particles)
The second photocatalyst particle 20 is a semiconductor particle having an optical bandgap. When the second photocatalyst particles 20 absorb visible light, excited electrons are generated in the conduction band and excited holes are generated in the valence band due to electron transitions such as band-to-band transitions in the second photocatalyst particles 20. The second photocatalyst particle 20 is a photocatalyst material in which each of the excited electrons and the excited holes can reduce and oxidize the reaction object. That is, the second photocatalyst particle 20 is a photocatalyst material in which excited holes generated by irradiating visible light can oxidize water to generate oxygen. The valence band of the second photocatalyst particle 20 is located at a position more positive than, for example, the oxidation potential of water (+1.23 V vs. NHE (standard hydrogen electrode potential) at pH = 0). Further, the conduction band of the second photocatalyst particles 20 is located at a position more negative than the valence band position of the first photocatalyst particles, for example.

第2の光触媒粒子20の好ましい例としては、BiVO4、XドープBiVO4(X:Mo,W)、SnNb26、WO3、Bi2WO6、Fe2TiO5、Fe23、Bi2MoO6、GaN−ZnO固溶体、LaTiO2N、BaTaO2N、BaNbO2N、TaON、Ta35、Ge34等の遷移金属あるいは典型金属を含有する酸窒化物あるいは窒化物からなる群から選択される1種以上が挙げられる。 Preferred examples of the second photocatalyst particles 20 are BiVO 4 , X-doped BiVO 4 (X: Mo, W), SnNb 2 O 6 , WO 3 , Bi 2 WO 6 , Fe 2 thio 5 , Fe 2 O 3 , From oxynitrides or nitrides containing transition metals or main group elements such as Bi 2 MoO 6 , GaN-ZnO solid solution, LaTIO 2 N, BaTaO 2 N, BaNbO 2 N, TaON, Ta 3 N 5 , Ge 3 N 4 One or more selected from the group of

第2の光触媒粒子20のより好ましい例としては、BiVO4、XドープBiVO4(X:Mo,W)、SnNb26、WO3、Bi2WO6、Bi2MoO6、Fe23、GaN−ZnO固溶体、LaTiO2N、BaTaO2N、BaNbO2N、TaON、Ta35、Ge34からなる群から選択される1種以上が挙げられる。 More preferred examples of the second photocatalytic particle 20 are BiVO 4 , X-doped BiVO 4 (X: Mo, W), SnNb 2 O 6 , WO 3 , Bi 2 WO 6 , Bi 2 MoO 6 , Fe 2 O 3 , GaN-ZnO solid solution, LaTIO 2 N, BaTaO 2 N, BaNbO 2 N, TaON, Ta 3 N 5 , Ge 3 N 4 or more selected from the group.

第2の光触媒粒子20の最も好ましい例としては、BiVO4、MoドープBiVO4、WO3、SnNb26、Bi2WO6、BaTaO2N、Fe23からなる群から選択される1種以上が挙げられる。 The most preferable example of the second photocatalytic particle 20 is selected from the group consisting of BiVO 4 , Mo-doped BiVO 4 , WO 3 , SnNb 2 O 6 , Bi 2 WO 6 , BaTaO 2 N, and Fe 2 O 3. More than seeds can be mentioned.

第2の光触媒粒子の平均一次粒子径
第2の光触媒粒子20の平均一次粒子径は100nm以上5000nm以下である。このような小さな粒径を有することで、第2の光触媒粒子20において、水と接触可能な単位重量当たりの表面積が大きくなる。これにより、水の酸化反応サイトが増加し、その結果、高効率な酸素発生が可能となる。第2の光触媒粒子20の平均一次粒子径の好ましい下限は、100nmであり、好ましい上限は1000nm以下である。
Average primary particle size of the second photocatalyst particles The average primary particle size of the second photocatalyst particles 20 is 100 nm or more and 5000 nm or less. Having such a small particle size increases the surface area of the second photocatalyst particles 20 per unit weight that can come into contact with water. This increases the number of oxidation reaction sites in water, resulting in highly efficient oxygen evolution. The preferable lower limit of the average primary particle diameter of the second photocatalyst particles 20 is 100 nm, and the preferable upper limit is 1000 nm or less.

第1および第2の光触媒粒子の平均一次粒子径の評価手法
第1の光触媒粒子10および第2の光触媒粒子20の平均一次粒子径の評価手法としては、例えば、走査型電子顕微鏡(株式会社日立製作所製、“S−4100”、以下「SEM」ともいう。)により、倍率40000倍で観察した際の結晶粒子50個の円形近似による平均値で定義することが可能である。
Evaluation Method of Average Primary Particle Size of First and Second Photocatalyst Particles As an evaluation method of the average primary particle size of the first photocatalyst particles 10 and the second photocatalyst particles 20, for example, a scanning electron microscope (Hitachi Co., Ltd.) According to "S-4100" manufactured by Mfg. Co., Ltd., hereinafter also referred to as "SEM"), it is possible to define the average value by circular approximation of 50 crystal particles when observed at a magnification of 40,000 times.

導電性粒子
(定義)
本発明において、導電性粒子40とは、第1の光触媒粒子10の価電子帯上端の電子エネルギー準位よりも負な位置であり第2の光触媒粒子20の伝導帯下端の電子エネルギー準位よりも正な位置にフェルミ準位を有しており、電子および正孔を貯蔵可能な、導電性を有する粒子である。導電性粒子40が、このような特定のフェルミ準位を有することにより、光触媒材101による水の光分解を向上させることができる。なお、導電性粒子のフェルミ準位に関しては、電子エネルギー準位の換わりに電位を基準として用い表現することもでき、この場合、導電性粒子40は、第1の光触媒粒子10の価電子帯上端よりも負な電位であり、第2の光触媒粒子20の伝導帯下端よりも正な電位にフェルミ準位を有する。
Conductive particles (definition)
In the present invention, the conductive particle 40 is a position negative from the electron energy level at the upper end of the valence band of the first photocatalyst particle 10 and from the electron energy level at the lower end of the conduction band of the second photocatalyst particle 20. Is also a conductive particle that has a Fermi level in the positive position and can store electrons and holes. By having such a specific Fermi level in the conductive particles 40, it is possible to improve the photodecomposition of water by the photocatalytic material 101. The Fermi level of the conductive particle can be expressed by using the potential as a reference instead of the electron energy level. In this case, the conductive particle 40 is the upper end of the valence band of the first photocatalyst particle 10. It has a more negative potential and has a Fermi level at a positive potential than the lower end of the conduction band of the second photocatalyst particle 20.

(材料)
導電性粒子40の好ましい材料の例としては、金、銀、銅、ニッケル、ロジウム、パラジウム等の金属、カーボン材料、TiN等の窒化物、TiC等の炭化物、マンガン酸化物(MnO2、AMnO3(A:CaまたはSr)、BドープAMnO3(A:CaまたはSr、B:La3+、Y3+、Bi3+、Nb5+、またはTa5+))、スズドープ酸化インジウム(ITO)、金属(B,Al,Ga)ドープ酸化亜鉛、フッ素ドープ酸化スズ、アンチモンドープ酸化スズ、酸化ルテニウム、酸化イリジウム、酸化ロジウム、スピネル型酸化物AB24(A=Fe、Ni、Mn、Co、Zn等、B=Fe、Co、Mn等、A=Bでもよく、A≠Bでもよい)等の導電性の金属酸化物からなる群から選択される1種以上のものが挙げられる。これらの中でも、金、カーボン材料、ITO、および金属(B,Al,Ga)ドープ酸化亜鉛、酸化ルテニウム、酸化イリジウム、マグネタイト(Fe34)等の導電性の金属酸化物からなる群から選択される1種以上のものがより好ましい。カーボン材料としては、例えば、カーボンブラック、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、チャンネルブラック、ファーネスブラック、サーマルブラック、ランプブラック等を用いることが出来る。
(material)
Examples of preferable materials for the conductive particles 40 include metals such as gold, silver, copper, nickel, rhodium and palladium, carbon materials, nitrides such as TiN, carbides such as TiC, and manganese oxides (MnO 2 , AmnO 3). (A: Ca or Sr), B-doped AmnO 3 (A: Ca or Sr, B: La 3+ , Y 3+ , Bi 3+ , Nb 5+ , or Ta 5+ )), tin-doped indium oxide (ITO) , Metal (B, Al, Ga) -doped zinc oxide, fluorine-doped tin oxide, antimony-doped tin oxide, ruthenium oxide, iridium oxide, rhodium oxide, spinel-type oxide AB 2 O 4 (A = Fe, Ni, Mn, Co. , Zn, etc., B = Fe, Co, Mn, etc., A = B, A ≠ B, etc.), etc., and one or more selected from the group consisting of conductive metal oxides can be mentioned. Among these, select from the group consisting of gold, carbon materials, ITO, and conductive metal oxides such as metal (B, Al, Ga) -doped zinc oxide, ruthenium oxide, iridium oxide, and magnetite (Fe 3 O 4). It is more preferable that one or more of them are used. As the carbon material, for example, carbon black, ketjen black, acetylene black, channel black, furnace black, thermal black, lamp black and the like can be used.

導電性粒子および光触媒粒子の材料がいずれも金属酸化物である場合、光触媒粒子と導電性粒子とは金属酸化物同士であるため、導電性粒子は優れたバインダー効果を得ることができ、導電性粒子と光触媒粒子との接触をより強固なものとすることができる。また、基材の材料としてガラス、アルミナ等の無機物、特に金属酸化物を用い、導電性粒子の材料も金属酸化物である場合、基材と導電性粒子との間で金属−酸素結合が形成される。そのため、導電性粒子と基材との密着性が向上する。その結果、光触媒材全体の機械的強度を向上させることが可能となる。また、金属酸化物を材料とする導電性粒子としては、アモルファス構造を有するものよりも、結晶構造を有するものが好ましい。これにより、高い導電性と酸化還元に対する高い安定性が得られる。 When the materials of the conductive particles and the photocatalyst particles are both metal oxides, the photocatalyst particles and the conductive particles are metal oxides, so that the conductive particles can obtain an excellent binder effect and are conductive. The contact between the particles and the photocatalyst particles can be strengthened. When an inorganic substance such as glass or alumina, especially a metal oxide, is used as the material of the base material and the material of the conductive particles is also a metal oxide, a metal-oxygen bond is formed between the base material and the conductive particles. Will be done. Therefore, the adhesion between the conductive particles and the base material is improved. As a result, it is possible to improve the mechanical strength of the entire photocatalyst material. Further, as the conductive particles made of a metal oxide as a material, those having a crystal structure are preferable to those having an amorphous structure. This provides high conductivity and high stability to redox.

なお、一般に導電性材料として知られているバリウム、セシウム、ナトリウムは、仕事関数が小さく上述したフェルミ準位を有さない。そのため、これらの材料は、本発明における導電性粒子40には含まれない。 Barium, cesium, and sodium, which are generally known as conductive materials, have a small work function and do not have the above-mentioned Fermi level. Therefore, these materials are not included in the conductive particles 40 in the present invention.

(形状および粒子状態)
導電性粒子40はいかなる粒子状態であってもよい。導電性粒子40が、図2に示すように、例えば、いわゆる一次粒子であって、第1の光触媒粒子10および第2の光触媒粒子20と、1つの導電性粒子40とが接触していてもよい。あるいは、導電性粒子40として、例えば一次粒子が凝集した状態のいわゆる二次粒子を用い、第1の光触媒粒子10と第2の光触媒粒子20とを複数個の導電性粒子40の集合体で接続してもよい。また、導電性粒子40は、例えば加熱などにより、複数の一次粒子および/または単数もしくは複数の二次粒子が接合した状態であってもよい。上記いずれの態様も、導電性粒子40と、第1の光触媒粒子10および第2の光触媒粒子20とが、同じ導電性粒子40を介して接続される状態に含まれる。
(Shape and particle state)
The conductive particles 40 may be in any particle state. As shown in FIG. 2, even if the conductive particles 40 are so-called primary particles, and the first photocatalyst particles 10 and the second photocatalyst particles 20 are in contact with one conductive particle 40, for example. Good. Alternatively, as the conductive particles 40, for example, so-called secondary particles in which the primary particles are aggregated are used, and the first photocatalyst particles 10 and the second photocatalyst particles 20 are connected by an aggregate of a plurality of conductive particles 40. You may. Further, the conductive particles 40 may be in a state in which a plurality of primary particles and / or a single or a plurality of secondary particles are bonded by, for example, heating. Each of the above aspects is included in a state in which the conductive particles 40, the first photocatalyst particles 10 and the second photocatalyst particles 20 are connected via the same conductive particles 40.

本発明において、導電性粒子40はいかなる形状であってもよい。導電性粒子40の形状は、例えば、等方性形状(球状、概多角形状など)または異方性形状(柱状、棒状、板状、薄片状など)である。異方性形状の粒子として、たとえば導電性ワイヤーを用いることができる。導電性ワイヤーの例として、棒状あるいは針状の形態を持つ粒子が挙げられる。 In the present invention, the conductive particles 40 may have any shape. The shape of the conductive particles 40 is, for example, an isotropic shape (spherical shape, approximately polygonal shape, etc.) or an anisotropic shape (columnar shape, rod shape, plate shape, flaky shape, etc.). As the anisotropically shaped particles, for example, a conductive wire can be used. Examples of conductive wires include particles having a rod-like or needle-like shape.

(平均一次粒子径)
本発明において、導電性粒子40の平均一次粒子径は、第1の光触媒粒子10および第2の光触媒粒子20それぞれの平均一次粒子径に比べて小さいことが好ましい。これにより、光触媒層70において、例えば、第1および第2の光触媒粒子10、20に効果的に光を照射することが可能となる。また、導電性粒子40の平均一次粒子径が第1の光触媒粒子10および第2の光触媒粒子20それぞれの平均一次粒子径に比べて小さい場合には、基材90と光触媒層70を構成する各粒子との単位面積当たりの接触点を増やすことができる。そのため、光触媒層70と基材90との密着性を向上させることができる。
(Average primary particle size)
In the present invention, the average primary particle size of the conductive particles 40 is preferably smaller than the average primary particle size of each of the first photocatalyst particles 10 and the second photocatalyst particles 20. As a result, in the photocatalyst layer 70, for example, the first and second photocatalyst particles 10 and 20 can be effectively irradiated with light. When the average primary particle size of the conductive particles 40 is smaller than the average primary particle size of each of the first photocatalyst particles 10 and the second photocatalyst particles 20, the base material 90 and the photocatalyst layer 70 are formed. The number of contact points per unit area with particles can be increased. Therefore, the adhesion between the photocatalyst layer 70 and the base material 90 can be improved.

また、導電性粒子40の平均一次粒子径は、光触媒層70において第1の光触媒粒子10および第2の光触媒粒子20への光照射が確保される範囲で適宜選択することができる。例えば、導電性粒子40として、光透過性を有する粒子を用いる場合には、その粒子径が比較的大きいものを用いることができる。一方、導電性粒子40として、光透過性を有さない粒子を用いる場合には、その粒子径がより小さいものを用いることが好ましい。 Further, the average primary particle size of the conductive particles 40 can be appropriately selected within a range in which light irradiation of the first photocatalyst particles 10 and the second photocatalyst particles 20 is ensured in the photocatalyst layer 70. For example, when light-transmitting particles are used as the conductive particles 40, those having a relatively large particle size can be used. On the other hand, when the conductive particles 40 are particles having no light transmittance, it is preferable to use particles having a smaller particle size.

導電性粒子40の平均一次粒子径は、例えば、1nm以上1000nm以下であることが好ましく、5nm以上500nm以下であることがより好ましく、5nm以上200nm以下がさらにより好ましい。これにより、光触媒層70において、第1の光触媒粒子10および第2の光触媒粒子20に可視光を効果的に照射することが可能となる。また、光触媒層70において、例えば、導電性粒子40と光触媒粒子10、20とを良好に接触させることが可能となる。また、光触媒層70に適切な細孔71を形成することができる。また、導電性粒子の平均一次粒子径を上記範囲内で比較的大きくすることで、第1の光触媒粒子10と第2の光触媒粒子20との間において電荷再結合反応が起こる確率を高くすることができる。その結果、光触媒材において、高い水分解活性をより確実に得ることができる。 The average primary particle diameter of the conductive particles 40 is, for example, preferably 1 nm or more and 1000 nm or less, more preferably 5 nm or more and 500 nm or less, and even more preferably 5 nm or more and 200 nm or less. As a result, in the photocatalyst layer 70, the first photocatalyst particles 10 and the second photocatalyst particles 20 can be effectively irradiated with visible light. Further, in the photocatalyst layer 70, for example, the conductive particles 40 and the photocatalyst particles 10 and 20 can be brought into good contact with each other. In addition, suitable pores 71 can be formed in the photocatalyst layer 70. Further, by making the average primary particle size of the conductive particles relatively large within the above range, the probability that a charge recombination reaction will occur between the first photocatalyst particles 10 and the second photocatalyst particles 20 is increased. Can be done. As a result, high water decomposition activity can be more reliably obtained in the photocatalytic material.

導電性粒子40の平均一次粒子径は、10nm以上200nm以下であることがとりわけ好ましい。この粒径範囲とすることにより、導電性粒子40は、第1の光触媒粒子10および第2の光触媒粒子20を接続することができるのみならず、バインダーとしての優れた機能を発揮して、光触媒粒子同士の密着性を高めることができる。 It is particularly preferable that the average primary particle diameter of the conductive particles 40 is 10 nm or more and 200 nm or less. By setting this particle size range, the conductive particles 40 can not only connect the first photocatalyst particles 10 and the second photocatalyst particles 20, but also exhibit an excellent function as a binder and photocatalyst. The adhesion between particles can be improved.

導電性粒子40が等方性形状の粒子である場合、平均一次粒子径は、例えば1nm以上1000nm以下が好ましく、5nm以上500nm以下がより好ましく、5nm以上200nm以下がさらにより好ましく、10nm以上200nm以下がとりわけ好ましい。このような平均一次粒子径を有することで、導電性粒子40と光触媒粒子10、20との効率的な接触が可能となる。また、導電性粒子40により、光触媒粒子10、20の光吸収を妨げることが抑制される。本発明において、導電性粒子40が等方性形状の粒子である場合、例えば、導電性粒子40をSEMあるいはTEM観察して得られる導電性粒子の面積を、円の面積に換算することにより求められる直径を、その平均一次粒子径としてもよい。あるいは、導電性粒子40の最大断面の直径を導電性粒子40の平均一次粒子径としてもよい。 When the conductive particles 40 are isotropic particles, the average primary particle diameter is, for example, 1 nm or more and 1000 nm or less, more preferably 5 nm or more and 500 nm or less, further preferably 5 nm or more and 200 nm or less, and 10 nm or more and 200 nm or less. Is particularly preferable. Having such an average primary particle size enables efficient contact between the conductive particles 40 and the photocatalyst particles 10 and 20. Further, the conductive particles 40 suppress the interference of the photocatalyst particles 10 and 20 with light absorption. In the present invention, when the conductive particles 40 are particles having an isotropic shape, for example, the area of the conductive particles obtained by observing the conductive particles 40 by SEM or TEM is obtained by converting the area of the conductive particles into the area of a circle. The diameter to be obtained may be the average primary particle diameter thereof. Alternatively, the diameter of the maximum cross section of the conductive particles 40 may be the average primary particle diameter of the conductive particles 40.

導電性粒子40が異方性形状の粒子である場合、導電性粒子40のアスペクト比(長軸径/短軸径)は好ましくは5以上1000以下である。このようなアスペクト比とすることで、第1の光触媒粒子10および第2の光触媒粒子20と、導電性ワイヤーとが接触する確率を十分に高くすることができる。そのため、後述する電荷再結合反応が促進される。その結果、水の効率的な光分解が可能となる。さらに、異方性形状の導電性粒子40を用いた場合には、導電性粒子40によるバインダー効果を高めることができる。 When the conductive particles 40 are anisotropically shaped particles, the aspect ratio (major axis diameter / minor axis diameter) of the conductive particles 40 is preferably 5 or more and 1000 or less. With such an aspect ratio, the probability that the first photocatalyst particles 10 and the second photocatalyst particles 20 come into contact with the conductive wire can be sufficiently increased. Therefore, the charge recombination reaction described later is promoted. As a result, efficient photodecomposition of water is possible. Further, when the anisotropically shaped conductive particles 40 are used, the binder effect of the conductive particles 40 can be enhanced.

異方性形状の導電性粒子40として導電性ワイヤーを用いる場合、その平均一次粒子径は、例えば、1nm以上1000nm以下が好ましく、5nm以上200nm以下が好ましい。ここで、導電性ワイヤーの平均一次粒子径とは、導電性ワイヤーのうち、最小断面積となる断面を円形近似した際の直径をいう。
導電性ワイヤーの長軸の長さは、特に制限はないが、好ましくは、10nm以上10000nm以下である。このような形状およびサイズを有することで、導電性ワイヤーと、光触媒粒子10、20とを効率的に接触させることが可能である。また、導電性粒子40により、光触媒粒子10、20の光吸収を妨げることが抑制される。また、導電性粒子40によるバインダー効果を高めることができる。
When a conductive wire is used as the anisotropically shaped conductive particles 40, the average primary particle diameter thereof is, for example, preferably 1 nm or more and 1000 nm or less, and preferably 5 nm or more and 200 nm or less. Here, the average primary particle diameter of the conductive wire means the diameter of the conductive wire when the cross section having the minimum cross-sectional area is approximately circularly approximated.
The length of the long axis of the conductive wire is not particularly limited, but is preferably 10 nm or more and 10000 nm or less. Having such a shape and size makes it possible to efficiently bring the conductive wire into contact with the photocatalyst particles 10 and 20. Further, the conductive particles 40 suppress the interference of the photocatalyst particles 10 and 20 with light absorption. In addition, the binder effect of the conductive particles 40 can be enhanced.

また、異方性の導電性粒子40として板状あるいは薄片状の形態を持つ導電性プレートを用いる場合、板面あるいは薄片の長軸径は、20nm以上1000nm以下が好ましい。板面あるいは薄片の平均一次粒子径は、1nm以上1000nm以下が好ましい。ここで、導電性プレートの平均一次粒子径とは、導電性プレートのうち、例えば、最大断面積となる断面を円形近似した際の直径をいう。導電性プレートのアスペクト比(長軸径/短軸径)は、例えば3以上5000以下が好ましく、10以上1000以下がより好ましい。このような形状およびサイズを有する導電性プレートを導電性粒子40として用いることにより、光触媒粒子10、20と導電性粒子40とを効率的に接触させることが可能である。また、導電性粒子40により、光触媒粒子10、20の光吸収を妨げることが抑制される。また、導電性粒子40によるバインダー効果を高めることもできる。 When a conductive plate having a plate-like or flaky shape is used as the anisotropic conductive particles 40, the major axis diameter of the plate surface or flakes is preferably 20 nm or more and 1000 nm or less. The average primary particle size of the plate surface or flakes is preferably 1 nm or more and 1000 nm or less. Here, the average primary particle diameter of the conductive plate means, for example, the diameter of the conductive plate when the cross section having the maximum cross-sectional area is approximately circularly approximated. The aspect ratio (major axis diameter / minor axis diameter) of the conductive plate is, for example, preferably 3 or more and 5000 or less, and more preferably 10 or more and 1000 or less. By using the conductive plate having such a shape and size as the conductive particles 40, it is possible to efficiently bring the photocatalytic particles 10 and 20 into contact with the conductive particles 40. Further, the conductive particles 40 suppress the interference of the photocatalyst particles 10 and 20 with light absorption. In addition, the binder effect of the conductive particles 40 can be enhanced.

(導電率・体積抵抗率)
導電性粒子40の導電率は、0.1Scm-1以上であることが好ましい。導電性粒子40の体積抵抗率は、例えば、10Ωcm以下であることが好ましい。
(Conductivity / volume resistivity)
The conductivity of the conductive particles 40 is preferably 0.1 Scm-1 or more. The volume resistivity of the conductive particles 40 is preferably 10 Ωcm or less, for example.

(含有量)
本発明において、光触媒材は、第1の光触媒粒子10と第2の光触媒粒子20との間における電気的接続点を増やすことができる程度の量の導電性粒子40を含むことが好ましい。また、光触媒材は、第1の光触媒粒子10および第2の光触媒粒子20の光吸収を妨げない程度の量の導電性粒子40を含むことが好ましい。その含有量は、第1の光触媒粒子10、第2の光触媒粒子20および導電性粒子40の平均一次粒子径、あるいは導電性粒子40の比重を考慮して適宜設定することができる。その含有量は、例えば、光触媒層70に細孔71を形成可能な範囲で適宜設定することが好ましい。例えば、第1の光触媒粒子10、第2光触媒粒子20および導電性粒子40の合計含有量に対して、導電性粒子40を、1wt%以上99wt%以下含むことが好ましい。導電性粒子40の含有量の割合は、5wt%以上60wt%以下、5wt%以上50wt%以下であることがより好ましい。
可視光線を照射することにより、第1の光触媒粒子10の価電子帯で生成する励起正孔は、第1の光触媒粒子10の表面に拡散し、価電子帯上端の電子エネルギー準位より負な位置にフェルミ準位を有する導電性粒子40内に移動すると考えられる。また、可視光線を照射することにより、第2の光触媒粒子20の伝導帯で生成する励起電子は、第2の光触媒粒子20の表面に拡散し、伝導帯下端の電子エネルギー準位より正な位置にフェルミ準位を有する導電性粒子40内に移動すると考えられる。そして、導電性粒子40内に貯蔵される第1の光触媒粒子10の価電子帯で生成した光励起正孔と、第2の光触媒粒子20の伝導帯で生成した光励起電子とが反応して、電荷再結合反応が起こり、これら2つの励起キャリアは消滅すると考えられる。この電荷再結合反応により、従来水の光分解反応に関与することがなく、むしろ水の光分解反応における個々の粒子の光触媒活性を低下させる傾向にあった光励起正孔および光励起電子を高効率で消滅させることが可能となり、これにより水の光分解反応が効率的に起こることを可能にすると考えられる。その結果、導電性粒子40により電気性に接続された第1の光触媒粒子10および第2の光触媒粒子20は高い光触媒活性を発現することが可能となり、水素発生能の向上が実現されると考えられる。
(Content)
In the present invention, the photocatalyst material preferably contains an amount of conductive particles 40 capable of increasing the number of electrical connection points between the first photocatalyst particles 10 and the second photocatalyst particles 20. Further, the photocatalyst material preferably contains the conductive particles 40 in an amount that does not interfere with the light absorption of the first photocatalyst particles 10 and the second photocatalyst particles 20. The content thereof can be appropriately set in consideration of the average primary particle diameter of the first photocatalyst particles 10, the second photocatalyst particles 20, and the conductive particles 40, or the specific gravity of the conductive particles 40. The content thereof is preferably set appropriately within a range in which pores 71 can be formed in the photocatalyst layer 70, for example. For example, it is preferable that the conductive particles 40 are contained in an amount of 1 wt% or more and 99 wt% or less with respect to the total content of the first photocatalyst particles 10, the second photocatalyst particles 20, and the conductive particles 40. The ratio of the content of the conductive particles 40 is more preferably 5 wt% or more and 60 wt% or less, and 5 wt% or more and 50 wt% or less.
By irradiating with visible light, the excited holes generated in the valence band of the first photocatalyst particles 10 diffuse to the surface of the first photocatalyst particles 10 and are negative from the electron energy level at the upper end of the valence band. It is believed that it moves into the conductive particles 40 having the Fermi level at the position. Further, by irradiating the visible light, the excited electrons generated in the conduction band of the second photocatalyst particle 20 are diffused on the surface of the second photocatalyst particle 20, and the position is more positive than the electron energy level at the lower end of the conduction band. It is considered that the particles move into the conductive particles 40 having the Fermi level. Then, the photoexcited holes generated in the valence band of the first photocatalyst particles 10 stored in the conductive particles 40 react with the photoexcited electrons generated in the conduction band of the second photocatalyst particles 20, and the charge is charged. It is considered that the recombination reaction occurs and these two excitation carriers disappear. This charge recombination reaction efficiently produces photoexcited holes and photoexcited electrons that have not been involved in the photocatalytic reaction of water in the past, but rather tended to reduce the photocatalytic activity of individual particles in the photolytic reaction of water. It is thought that it can be extinguished, which makes it possible for the photodecomposition reaction of water to occur efficiently. As a result, it is considered that the first photocatalytic particles 10 and the second photocatalytic particles 20 electrically connected by the conductive particles 40 can exhibit high photocatalytic activity, and the hydrogen generating ability can be improved. Be done.

(仕事関数)
本発明において、導電性粒子40のフェルミ準位は、真空準位とフェルミ準位とのエネルギー差である仕事関数を用いて見積もることができる。仕事関数は、例えばケルビンプローブフォース顕微鏡(KPFM)を用いた電位測定により求めることができる。
(Work function)
In the present invention, the Fermi level of the conductive particle 40 can be estimated using a work function which is an energy difference between the vacuum level and the Fermi level. The work function can be determined, for example, by measuring the potential using a Kelvin probe force microscope (KPFM).

剥離防止部
本発明において、光触媒材100の光触媒層70は、第1の光触媒粒子同士の間、第2の光触媒粒子同士の間、第1の光触媒粒子と第2の光触媒粒子との間、第1の光触媒粒子と基材との間、および第2の光触媒粒子と基材との間、の少なくとも一部に設けられた剥離防止部60をさらに含む。また、剥離防止部60は、光触媒層70が導電性粒子40を含む場合、導電性粒子40の第3領域の少なくとも一部に設けられてもよい。光触媒層70が剥離防止部60を有することにより、光触媒粒子10、20の基材からの剥離を防止することができる。
本発明の光触媒材では、可視光を照射することで水を分解し、水素及び酸素を生成することができる。このとき、水中での水分解反応により生成した水素および酸素ガスが、導電性粒子の表面で導電性粒子を触媒として反応することにより、水を生成する逆反応が生じてしまい、生成される水素及び酸素の量が低下してしまう課題がある。導電性粒子が金などの金属粒子であるとき、この金属粒子が逆反応の触媒として作用し、逆反応が促進される傾向がある。これに対して、例えば減圧状態で水分解を行うことで、逆反応を防止することができるが、実用上より簡便な方法が好ましい。本発明では、導電性粒子40に設けた剥離防止部60により、水分解により生成した水素あるいは酸素分子が導電性粒子40の外表面である第3領域40cへ拡散し、導電性粒子40表面で水素および酸素の逆反応に伴う水の生成が生じるのを防ぐことができることを見出した。そのため、簡便な構成で効果的に逆反応を防止することができ、水素生成能の低下を抑制することができる。
Peeling prevention unit In the present invention, the photocatalyst layer 70 of the photocatalyst material 100 is formed between the first photocatalyst particles, between the second photocatalyst particles, between the first photocatalyst particles and the second photocatalyst particles, and so on. It further includes a peeling prevention portion 60 provided at least in a part between the photocatalyst particles of 1 and the base material, and between the photocatalyst particles of 1 and the base material. Further, when the photocatalyst layer 70 contains the conductive particles 40, the peeling prevention portion 60 may be provided in at least a part of the third region of the conductive particles 40. Since the photocatalyst layer 70 has the peeling prevention portion 60, it is possible to prevent the photocatalyst particles 10 and 20 from peeling from the base material.
In the photocatalytic material of the present invention, water can be decomposed to generate hydrogen and oxygen by irradiating with visible light. At this time, hydrogen and oxygen gas generated by the water splitting reaction in water react on the surface of the conductive particles using the conductive particles as a catalyst, so that a reverse reaction to generate water occurs, and the hydrogen produced. And there is a problem that the amount of oxygen decreases. When the conductive particles are metal particles such as gold, the metal particles tend to act as a catalyst for the reverse reaction and promote the reverse reaction. On the other hand, for example, by performing water decomposition in a reduced pressure state, a reverse reaction can be prevented, but a method that is simpler in practice is preferable. In the present invention, the peeling prevention portion 60 provided on the conductive particles 40 diffuses hydrogen or oxygen molecules generated by water decomposition into the third region 40c, which is the outer surface of the conductive particles 40, and on the surface of the conductive particles 40. It has been found that it is possible to prevent the generation of water associated with the reverse reaction of hydrogen and oxygen. Therefore, the reverse reaction can be effectively prevented with a simple configuration, and the decrease in hydrogen production ability can be suppressed.

本発明にかかる光触媒材は使用時に流水等と接する状態に長期間曝される。そのため、光触媒層70が基材90から剥離しないことが重要である。光触媒層70と基材90との間に実用上十分な密着強度を持たせるために、例えば、光触媒層70を高温で基材に焼き付けることが考えられる。しかしながら、量産化、低コスト化のためには、焼成しない、あるいは低温焼成であっても十分な密着性を確保できることが好ましい。
本発明では、光触媒層70において、第1の光触媒粒子同士の間、第2の光触媒粒子同士の間、第1の光触媒粒子と第2の光触媒粒子との間、第1の光触媒粒子と基材との間、および第2の光触媒粒子と基材との間、の少なくとも一部に剥離防止部60を設けることで、光触媒粒子10、20の剥離を抑制することができる。剥離防止部60を、例えば光触媒層70と基材90との密着性を高めるフィラーとして機能する粒子を用いて形成することができる。
The photocatalytic material according to the present invention is exposed to running water or the like for a long period of time during use. Therefore, it is important that the photocatalyst layer 70 does not peel off from the base material 90. In order to provide practically sufficient adhesion between the photocatalyst layer 70 and the base material 90, for example, it is conceivable to bake the photocatalyst layer 70 onto the base material at a high temperature. However, in order to mass-produce and reduce the cost, it is preferable that sufficient adhesion can be ensured even without firing or even at low temperature firing.
In the present invention, in the photocatalyst layer 70, between the first photocatalyst particles, between the second photocatalyst particles, between the first photocatalyst particles and the second photocatalyst particles, the first photocatalyst particles and the base material. By providing the peeling prevention portion 60 between the photocatalyst particles and at least a part between the second photocatalyst particles and the base material, the peeling of the photocatalyst particles 10 and 20 can be suppressed. The peeling prevention portion 60 can be formed by using particles that function as a filler that enhances the adhesion between the photocatalyst layer 70 and the base material 90, for example.

本発明において剥離防止部60は、金属の水酸化物、酸化物あるいはリン酸塩の少なくとも1種を含む。剥離防止部60は、鉄、シリコン、クロム、チタン、ジルコニウム、タンタル、ニオブ、アルミニウム、マグネシウム、ランタン、セリウムから選ばれる1種の金属の水酸化物、酸化物あるいはリン酸塩を含むことが好ましい。剥離防止部60は、より好ましくは三酸化二鉄(Fe23)、シリカ(SiO2)、酸化ジルコニウム(ZrO2)、酸化タンタル(Ta25)、酸化セリウム(CeO2)、あるいは二酸化チタン(TiO2)を含む。剥離防止部60の厚みt60は水分解性能を阻害しない範囲で適宜選択することができ、例えば剥離防止部の厚みの平均は50nm以下である。好ましくは、剥離防止部60の厚みの平均は2.5nm以上20nm以下である。剥離防止部60の厚みをこのような範囲とすることにより、光触媒反応が阻害されることもなく、また逆反応抑制効果が得られる。ここで、逆反応とは、水中での水分解反応により生成した水素および酸素ガスが、導電性粒子の表面で導電性粒子を触媒として反応することにより、水を生成する反応を意味する。剥離防止部60をコロイド粒子により形成する場合には、単粒子膜とすることが好ましい。 In the present invention, the peeling prevention unit 60 contains at least one of metal hydroxides, oxides or phosphates. The peeling prevention unit 60 preferably contains a hydroxide, oxide or phosphate of one metal selected from iron, silicon, chromium, titanium, zirconium, tantalum, niobium, aluminum, magnesium, lanthanum and cerium. .. The peeling prevention unit 60 is more preferably diiron trioxide (Fe 2 O 3 ), silica (SiO 2 ), zirconium oxide (ZrO 2 ), tantalum oxide (Ta 2 O 5 ), cerium oxide (CeO 2 ), or Contains titanium dioxide (TiO 2 ). The thickness t60 of the peeling prevention portion 60 can be appropriately selected within a range that does not impair the water decomposition performance. For example, the average thickness of the peeling prevention portion is 50 nm or less. Preferably, the average thickness of the peeling prevention portion 60 is 2.5 nm or more and 20 nm or less. By setting the thickness of the peeling prevention portion 60 within such a range, the photocatalytic reaction is not hindered and the reverse reaction suppressing effect can be obtained. Here, the reverse reaction means a reaction in which hydrogen and oxygen gas generated by a water splitting reaction in water react on the surface of the conductive particles using the conductive particles as a catalyst to generate water. When the peeling prevention portion 60 is formed of colloidal particles, it is preferably a single particle film.

また、剥離防止部60を、例えば、ガラスフリットや無機酸化物の微粒子を用いて形成することができる。ガラスフリットとしては、低融点ガラスフリットが好ましく用いられる。無機酸化物としては、例えば、シリカ、アルミナ、ZrO2、TiO2等の材料が好ましく用いられる。ガラスフリットまたは無機酸化物微粒子の平均一次粒子径は、100nm以下であることが好ましい。この粒径範囲とすることで、光触媒活性を低下させずに、光触媒層中への水や水素および酸素ガスの拡散をスムーズに行うことが可能となる。 Further, the peeling prevention portion 60 can be formed by using, for example, glass frit or fine particles of an inorganic oxide. As the glass frit, a low melting point glass frit is preferably used. As the inorganic oxide, for example, materials such as silica, alumina, ZrO 2 , and TiO 2 are preferably used. The average primary particle size of the glass frit or the inorganic oxide fine particles is preferably 100 nm or less. Within this particle size range, water, hydrogen, and oxygen gas can be smoothly diffused into the photocatalyst layer without lowering the photocatalytic activity.

本発明において、剥離防止部60の状態としては、例えば連続的な層や、不連続な島状構造としてもよい。剥離防止部60は、導電性粒子40の第3領域にコロイド粒子を担持してもよい。また、剥離防止部60を、例えば緻密な連続層で構成してもよい。なお、剥離防止部60については、透過型電子顕微鏡(TEM)による光触媒材の破断面の高倍率観察で分析することができる。 In the present invention, the state of the peeling prevention portion 60 may be, for example, a continuous layer or a discontinuous island-like structure. The peeling prevention unit 60 may support the colloidal particles in the third region of the conductive particles 40. Further, the peeling prevention portion 60 may be formed of, for example, a dense continuous layer. The peeling prevention unit 60 can be analyzed by observing the fracture surface of the photocatalyst material with a transmission electron microscope (TEM) at high magnification.

剥離防止部60の具体例について、図2および図3を参照しつつさらに詳しく説明する。図2および図3は、本発明による光触媒材を説明するための模式的断面図である。第1の例として、光触媒材101を示す。図2に示すように、光触媒材101において、光触媒層70は導電性粒子40を含む。この例では、剥離防止部60は、複数のコロイド粒子61を含んでいる。光触媒材101において、複数のコロイド粒子61が、第1および第2の光触媒粒子10、20並びに導電性粒子40の外表面に配置されている。ここで、「外表面」とは、対象粒子の表面のうち、対象粒子以外の光触媒層70に含まれる粒子と物理的に接触している部分(第1領域、第2領域)以外の部分(第3領域)を言う。 A specific example of the peeling prevention unit 60 will be described in more detail with reference to FIGS. 2 and 3. 2 and 3 are schematic cross-sectional views for explaining the photocatalytic material according to the present invention. As a first example, the photocatalyst material 101 is shown. As shown in FIG. 2, in the photocatalyst material 101, the photocatalyst layer 70 contains conductive particles 40. In this example, the peeling prevention unit 60 includes a plurality of colloidal particles 61. In the photocatalyst material 101, a plurality of colloidal particles 61 are arranged on the outer surfaces of the first and second photocatalyst particles 10, 20 and the conductive particles 40. Here, the "outer surface" refers to a portion (first region, second region) other than the portion (first region, second region) of the surface of the target particle that is in physical contact with the particles contained in the photocatalyst layer 70 other than the target particle. Third area).

「第1の光触媒粒子10の外表面」とは、第1の光触媒粒子10の表面のうち、導電性粒子40および第2の光触媒粒子20など、光触媒層70に含まれる粒子と物理的に接触している部分以外の部分を言う。第1の光触媒粒子10の表面は、第1領域と第2領域と第3領域とを有する。第1領域において、第1の光触媒粒子10は第2の光触媒粒子20と接触する。第2領域において、第1の光触媒粒子10は導電性粒子40と接触する。第1の光触媒粒子10において、第3領域は、第1領域および第2領域以外の領域である。第3領域が、第1の光触媒粒子10の外表面に相当する。 The "outer surface of the first photocatalyst particles 10" means physical contact with particles contained in the photocatalyst layer 70, such as the conductive particles 40 and the second photocatalyst particles 20, on the surface of the first photocatalyst particles 10. It refers to the part other than the part that is being used. The surface of the first photocatalyst particle 10 has a first region, a second region, and a third region. In the first region, the first photocatalyst particles 10 come into contact with the second photocatalyst particles 20. In the second region, the first photocatalytic particles 10 come into contact with the conductive particles 40. In the first photocatalyst particle 10, the third region is a region other than the first region and the second region. The third region corresponds to the outer surface of the first photocatalyst particle 10.

「第2の光触媒粒子20の外表面」とは、第2の光触媒粒子20の表面のうち、導電性粒子40および第1の光触媒粒子10など、光触媒層70に含まれる粒子と物理的に接触している部分以外の部分を言う。第2の光触媒粒子20の表面は、第1領域と第2領域と第3領域とを有する。第1領域において、第2の光触媒粒子20は第1の光触媒粒子10と接触する。第2領域において、第2の光触媒粒子20は導電性粒子40と接触する。第2の光触媒粒子20において、第3領域は、第1領域および第2領域以外の領域である。第3領域が、第2の光触媒粒子20の外表面に相当する。 The "outer surface of the second photocatalyst particles 20" means physical contact with particles contained in the photocatalyst layer 70, such as the conductive particles 40 and the first photocatalyst particles 10, on the surface of the second photocatalyst particles 20. It refers to the part other than the part that is being used. The surface of the second photocatalyst particle 20 has a first region, a second region, and a third region. In the first region, the second photocatalyst particles 20 come into contact with the first photocatalyst particles 10. In the second region, the second photocatalytic particles 20 come into contact with the conductive particles 40. In the second photocatalyst particle 20, the third region is a region other than the first region and the second region. The third region corresponds to the outer surface of the second photocatalyst particle 20.

光触媒材101においては、導電性粒子40の外表面(第3領域)に、剥離防止部60として複数のコロイド粒子61が配置されているため、光触媒層70の強度が高められ、耐久性が向上する。 In the photocatalyst material 101, since a plurality of colloidal particles 61 are arranged as peeling prevention portions 60 on the outer surface (third region) of the conductive particles 40, the strength of the photocatalyst layer 70 is increased and the durability is improved. To do.

複数のコロイド粒子61を含む剥離防止部60の形成方法としては、例えば、第1の光触媒粒子10および第2の光触媒粒子20並びに導電性粒子40を含む層を基材上に形成後、剥離防止部60となるコロイド粒子61を含む分散液を上記層表面に吸着させる方法を用いることができる。あるいは、化学還元法や光還元法等により導電性粒子40の表面に直接コロイドを析出させる方法を用いてもよい。また、第1の光触媒粒子10および第2の光触媒粒子20、導電性粒子40並びに剥離防止部60となるコロイド粒子61を含む層を基材90上に形成させる方法を用いてもよい。この場合、各粒子の配合比(重量比)を、光触媒粒子、コロイド粒子、導電性粒子の順、あるいは、光触媒粒子、導電性粒子、コロイド粒子の順に少なくすることで、例えば、高効率な光触媒特性とすることができる。あるいは、一次粒子径が、光触媒粒子、コロイド粒子、導電性粒子の順、あるいは、光触媒粒子、導電性粒子、コロイド粒子の順に小さくしてもよい。 As a method for forming the peeling prevention portion 60 including the plurality of colloidal particles 61, for example, after forming a layer containing the first photocatalyst particles 10, the second photocatalyst particles 20, and the conductive particles 40 on the substrate, peeling prevention is performed. A method of adsorbing the dispersion liquid containing the colloidal particles 61 to be part 60 on the surface of the layer can be used. Alternatively, a method of directly depositing colloids on the surface of the conductive particles 40 by a chemical reduction method, a photoreduction method, or the like may be used. Further, a method may be used in which a layer containing the first photocatalyst particles 10, the second photocatalyst particles 20, the conductive particles 40, and the colloidal particles 61 to be the peeling prevention portion 60 is formed on the base material 90. In this case, by reducing the compounding ratio (weight ratio) of each particle in the order of photocatalyst particles, colloidal particles, conductive particles, or in the order of photocatalyst particles, conductive particles, colloidal particles, for example, a highly efficient photocatalyst It can be a characteristic. Alternatively, the primary particle size may be reduced in the order of the photocatalyst particles, the colloidal particles, and the conductive particles, or in the order of the photocatalyst particles, the conductive particles, and the colloidal particles.

第2の例として、光触媒材102を示す。図3に示すように、光触媒材102において、剥離防止部60は、連続的な被覆層62からなる。被覆層62は、第1の光触媒粒子10、第2の光触媒粒子20および導電性粒子40のそれぞれの外表面を覆うように配置されている。この例では、被覆層62は、略連続した層構造を有しているが、不連続な部分を一部有していてもよい。光触媒材102にあっては、光触媒層70の強度が高められ、耐久性も向上する。被覆層62は、アモルファス相、結晶相、水酸化物相のいずれであっても良い。 As a second example, the photocatalyst material 102 is shown. As shown in FIG. 3, in the photocatalyst material 102, the peeling prevention portion 60 is composed of a continuous coating layer 62. The coating layer 62 is arranged so as to cover the outer surfaces of the first photocatalyst particles 10, the second photocatalyst particles 20, and the conductive particles 40, respectively. In this example, the coating layer 62 has a substantially continuous layer structure, but may have a part of the discontinuous portion. In the photocatalyst material 102, the strength of the photocatalyst layer 70 is increased and the durability is also improved. The coating layer 62 may be any of an amorphous phase, a crystalline phase, and a hydroxide phase.

被覆層62の形成方法としては、例えば、モノマー、オリゴマーあるいはポリマー状の金属を含む原料を、導電性粒子40あるいは/および光触媒粒子10、20の表面に吸着させ、場合によっては加熱や化学反応により導電性粒子40あるいは/および光触媒粒子10、20表面で原料を重合させる方法を用いることができる。これにより、被覆層を形成することが可能である。また、乾式製膜法(スパッタ法、蒸着法、CVD法、原子層堆積法など)または化学還元法もしくは光還元法等によって、被覆層を形成することも可能である。
光触媒材100は、基材90と光触媒層70との間に中間層80をさらに含んでもよい。中間層80は、基材90と光触媒層70との間に配置され、基材90及び光触媒層70のそれぞれと接続される。これによって、例えば、基材90と光触媒層70との間の密着性を向上させることができる。中間層80に用いられる材料としては、例えば導電性粒子40や後述するアスペクト比の小さい非導電性粒子が挙げられる。導電性粒子40を用いて形成された中間層80は、水の光分解性能に優れる。アスペクト比の小さい非導電性粒子を用いて形成された中間層80は、バインダーとして機能して光触媒層70を基材90により強固に密着させることができる。光触媒材100が、中間層80を含む場合には、中間層80の厚みは、走査型電子顕微鏡による層の破断面観察により、評価することができる。
As a method for forming the coating layer 62, for example, a raw material containing a monomer, an oligomer or a polymer-like metal is adsorbed on the surfaces of the conductive particles 40 and / and the photocatalytic particles 10 and 20, and in some cases, by heating or a chemical reaction. A method of polymerizing the raw material on the surfaces of the conductive particles 40 and / and the photocatalytic particles 10 and 20 can be used. This makes it possible to form a coating layer. It is also possible to form a coating layer by a dry film forming method (sputtering method, thin film deposition method, CVD method, atomic layer deposition method, etc.), a chemical reduction method, a photoreduction method, or the like.
The photocatalyst material 100 may further include an intermediate layer 80 between the base material 90 and the photocatalyst layer 70. The intermediate layer 80 is arranged between the base material 90 and the photocatalyst layer 70, and is connected to each of the base material 90 and the photocatalyst layer 70. Thereby, for example, the adhesion between the base material 90 and the photocatalyst layer 70 can be improved. Examples of the material used for the intermediate layer 80 include conductive particles 40 and non-conductive particles having a small aspect ratio, which will be described later. The intermediate layer 80 formed by using the conductive particles 40 is excellent in the photodecomposition performance of water. The intermediate layer 80 formed by using non-conductive particles having a small aspect ratio functions as a binder, and the photocatalyst layer 70 can be firmly adhered to the base material 90. When the photocatalyst material 100 includes the intermediate layer 80, the thickness of the intermediate layer 80 can be evaluated by observing the fracture surface of the layer with a scanning electron microscope.

その他の粒子
本発明の好ましい態様によれば、光触媒材100の光触媒層70は、光触媒粒子10、20および導電性粒子40以外のその他の粒子をさらに含んでもよい。
Other Particles According to a preferred embodiment of the present invention, the photocatalyst layer 70 of the photocatalyst material 100 may further contain other particles other than the photocatalyst particles 10 and 20 and the conductive particles 40.

また、本発明において、その他の粒子は、光触媒粒子10、20の表面を覆うことがない粒子であることが好ましい。これにより、光触媒材100の光触媒活性の低下を抑制することができる。その他の粒子の好ましい例としては、アスペクト比の小さい粒子が挙げられる。また、その他の粒子としては、可視光域の吸収が小さい粒子を用いることが好ましい。これにより、光触媒粒子10、20の光吸収が阻害されることを抑制できる。 Further, in the present invention, the other particles are preferably particles that do not cover the surfaces of the photocatalyst particles 10 and 20. As a result, it is possible to suppress a decrease in the photocatalytic activity of the photocatalytic material 100. Preferred examples of other particles include particles having a small aspect ratio. Further, as the other particles, it is preferable to use particles having a small absorption in the visible light region. As a result, it is possible to suppress the inhibition of light absorption of the photocatalytic particles 10 and 20.

光触媒粒子の助触媒
本発明において、第1の光触媒粒子10および第2の光触媒粒子20を用いて水を光分解する場合、これら光触媒粒子の表面に助触媒を担持させることができる。これにより、水の還元および酸化反応が促進され、水素および酸素の生成効率が向上する。助触媒は、例えば第1の光触媒粒子10の第3領域、および/または第2の光触媒粒子20の第3領域の一部に設けられる。
Cocatalyst of photocatalyst particles In the present invention, when water is photodecomposed using the first photocatalyst particles 10 and the second photocatalyst particles 20, an cocatalyst can be supported on the surface of these photocatalyst particles. This promotes the reduction and oxidation reactions of water and improves the efficiency of hydrogen and oxygen production. The co-catalyst is provided, for example, in a third region of the first photocatalyst particles 10 and / or a part of a third region of the second photocatalyst particles 20.

第1の光触媒粒子10の助触媒としては、白金、ルテニウム、イリジウム、ロジウム等の金属粒子からなる群から選択される1種以上、あるいは、酸化ルテニウム、酸化ニッケル等の酸化物粒子からなる群から選択される1種以上、あるいは、これらの金属粒子あるいは酸化物粒子を混合させたもの、あるいは、ロジウムおよびクロムを含む複合水酸化物もしくは複合酸化物を好ましく用いることがでる。より好ましくは、白金、ルテニウムの金属粒子、あるいはロジウムおよびクロムを含む複合水酸化物もしくは複合酸化物を用いることができる。この助触媒を、粒子形状で第1の光触媒粒子10の表面に担持させることにより、水の還元反応における活性化エネルギーを減少させることが可能となるため、速やかな水素の発生が可能となる。 The cocatalyst of the first photocatalyst particles 10 is one or more selected from the group consisting of metal particles such as platinum, ruthenium, iridium, and rhodium, or from the group consisting of oxide particles such as ruthenium oxide and nickel oxide. One or more selected ones, a mixture of these metal particles or oxide particles, or a composite hydroxide or composite oxide containing rhodium and chromium can be preferably used. More preferably, metal particles of platinum or ruthenium, or a composite hydroxide or composite oxide containing rhodium and chromium can be used. By supporting this co-catalyst on the surface of the first photocatalyst particles 10 in the form of particles, it is possible to reduce the activation energy in the reduction reaction of water, so that hydrogen can be rapidly generated.

本発明において、第1の光触媒粒子10の助触媒表面のうち、第1の光触媒粒子10と物理的に接触している部分以外の部分の少なくとも一部を別の層で被覆することも可能である。これにより、第1の光触媒粒子10の助触媒表面での水素および酸素分子の逆反応による水分子生成を抑制することができる。この別の層は、シリコン、クロム、チタン、ジルコニウム、タンタル、ニオブ、アルミニウム、マグネシウムから選ばれる少なくとも1つを含むアモルファス酸化物もしくは水酸化物、酸化物結晶、あるいはリン酸塩を含むことが好ましい。助触媒を覆う別の層を構成する材料は、アモルファスであることが好ましい。それによって、助触媒表面へプロトンと水分子が拡散するのを抑制することができる。また、水素ガスおよび酸素ガスが、助触媒に侵入するのを抑制することができる。別の層の厚みは、1nm以上50nm以下が好ましく、より好ましくは、2nm以上20nm以下である。 In the present invention, it is also possible to cover at least a part of the co-catalyst surface of the first photocatalyst particles 10 other than the part in physical contact with the first photocatalyst particles 10 with another layer. is there. As a result, it is possible to suppress the formation of water molecules due to the reverse reaction of hydrogen and oxygen molecules on the surface of the co-catalyst of the first photocatalyst particles 10. This separate layer preferably comprises an amorphous oxide or hydroxide, oxide crystals, or phosphate containing at least one selected from silicon, chromium, titanium, zirconium, tantalum, niobium, aluminum, magnesium. .. The material forming another layer covering the co-catalyst is preferably amorphous. As a result, it is possible to suppress the diffusion of protons and water molecules onto the surface of the co-catalyst. In addition, hydrogen gas and oxygen gas can be suppressed from entering the co-catalyst. The thickness of the other layer is preferably 1 nm or more and 50 nm or less, more preferably 2 nm or more and 20 nm or less.

第2の光触媒粒子20の助触媒としては、Mn、Fe、Co、Ir、Ru、Ni等の金属からなる群から選択される1種以上、あるいは、これらの金属を混合させた金属酸化物、金属水酸化物もしくは金属リン酸塩からなる粒子を好ましく用いることができる。より好ましくは、Mn、Co、Ruから選択される1種以上を含む金属酸化物粒子あるいは金属水酸化物粒子を用いることができる。 The cocatalyst of the second photocatalyst particles 20 is one or more selected from the group consisting of metals such as Mn, Fe, Co, Ir, Ru, and Ni, or a metal oxide obtained by mixing these metals. Particles made of metal hydroxide or metal phosphate can be preferably used. More preferably, metal oxide particles or metal hydroxide particles containing one or more selected from Mn, Co, and Ru can be used.

これら助触媒の平均一次粒子径は10nm未満であることが好ましく、さらに好ましくは5nm以下である。平均一次粒子径を小さくすることにより、水素および酸素発生反応の活性点として効率的に機能させることができ、助触媒として十分な機能を発揮させることが可能となる。助触媒の平均一次粒子径が10nm以上である場合、水の還元あるいは酸化反応サイトとして、担持重量あたりの活性点数の減少が起こるため、効率的な水分解が抑制される恐れがある。 The average primary particle size of these co-catalysts is preferably less than 10 nm, more preferably 5 nm or less. By reducing the average primary particle size, it can efficiently function as an active site for hydrogen and oxygen evolution reactions, and it becomes possible to exert a sufficient function as a co-catalyst. When the average primary particle size of the co-catalyst is 10 nm or more, the number of active points per supported weight decreases as water reduction or oxidation reaction sites, so that efficient water decomposition may be suppressed.

助触媒の担持方法としては、含浸法や吸着法などが好ましく挙げられる。含浸法や吸着法は、光触媒粒子10、20を助触媒前駆体が溶解した溶液に分散させて、光触媒粒子10、20の表面に助触媒前駆体を吸着させる方法である。助触媒前駆体としては、白金、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、ニッケル等の金属の塩化物、硝酸塩、アンミン塩等が挙げられる。 As a method for supporting the co-catalyst, an impregnation method, an adsorption method and the like are preferably mentioned. The impregnation method or the adsorption method is a method in which the photocatalyst particles 10 and 20 are dispersed in a solution in which the photocatalyst precursors are dissolved, and the photocatalyst precursors are adsorbed on the surfaces of the photocatalyst particles 10 and 20. Examples of the co-catalyst precursor include chlorides of metals such as platinum, ruthenium, iridium, rhodium, and nickel, nitrates, ammine salts, and the like.

また、光触媒粒子10の表面に助触媒前駆体を担持させる場合、金属の状態とすることで活性が高くなる。そこで、助触媒前駆体を光触媒粒子10の表面上で還元させて金属を含む状態で析出させることが好ましい。助触媒前駆体の還元方法としては、光還元法、化学還元法等が好ましく用いられる。光還元法は、光触媒粒子への紫外光あるいは可視光の照射により、光触媒粒子10内に生成する励起電子によって、光触媒粒子10に吸着した助触媒前駆体を還元させる方法である。また、化学還元法は、400℃以下、好ましくは300℃以下の水素ガス気流下で、助触媒前駆体を還元する方法である。このような方法で担持された助触媒は粒子形状である。第1の光触媒粒子10の表面に助触媒を担持させることにより、水の還元反応における活性化エネルギーを減少させることが可能となるため、速やかな水素の発生が可能となる。 Further, when the co-catalyst precursor is supported on the surface of the photocatalyst particles 10, the activity is increased by making the photocatalyst precursor in a metallic state. Therefore, it is preferable that the co-catalyst precursor is reduced on the surface of the photocatalyst particles 10 and precipitated in a state containing a metal. As a method for reducing the co-catalyst precursor, a photoreduction method, a chemical reduction method, or the like is preferably used. The photoreduction method is a method of reducing the cocatalyst precursor adsorbed on the photocatalyst particles 10 by excited electrons generated in the photocatalyst particles 10 by irradiating the photocatalyst particles with ultraviolet light or visible light. The chemical reduction method is a method of reducing the co-catalyst precursor under a hydrogen gas stream of 400 ° C. or lower, preferably 300 ° C. or lower. The co-catalyst supported in this way is in the form of particles. By supporting the co-catalyst on the surface of the first photocatalyst particles 10, it is possible to reduce the activation energy in the reduction reaction of water, so that hydrogen can be rapidly generated.

光触媒粒子の表面に担持される助触媒の量は、助触媒の存在により光触媒粒子への照射光が遮蔽されないような範囲で適宜決定することができる。助触媒の量は少量であることが好ましい。 The amount of the co-catalyst supported on the surface of the photocatalyst particles can be appropriately determined within a range in which the irradiation light to the photocatalyst particles is not blocked by the presence of the co-catalyst. The amount of co-catalyst is preferably small.

光触媒材の製造方法
本発明による光触媒材100〜102の製造方法としては、基材90に、第1の光触媒粒子10と、第2の光触媒粒子20と、剥離防止部60と、細孔71とを含む光触媒層70を固定化して、上記構造を形成することができる方法を用いることができる。
Method for Producing Photocatalyst Material As a method for producing photocatalyst materials 100 to 102 according to the present invention, a first photocatalyst particle 10, a second photocatalyst particle 20, a peeling prevention portion 60, and a pore 71 are formed on a base material 90. A method capable of forming the above structure by immobilizing the photocatalyst layer 70 containing the above can be used.

本発明の好ましい態様によれば、本発明による光触媒材100〜102の製造方法としては、第1の光触媒粒子10と溶媒とを含む分散液を、基材90に適用して、乾燥することによって、細孔71を有する第1の構造層を形成する工程、および金属モノマー、金属オリゴマーおよび金属ポリマーからなる群より選ばれる少なくとも1種を含む溶液を第1の構造層の表面に適用して、乾燥することによって、剥離防止部60を形成する工程を含む方法を用いることができる。また、本発明の別の好ましい態様によれば、本発明による光触媒材100〜102の製造方法としては、第1の光触媒粒子10と第2の光触媒粒子20と溶媒とを含む分散液を、基材90に適用して、乾燥することによって、細孔71を有する第1の構造層を形成する工程、および金属モノマー、金属オリゴマーおよび金属ポリマーからなる群より選ばれる少なくとも1種を含む溶液を第1の構造層の表面に適用して、乾燥することによって、剥離防止部60を形成する工程を含む方法を用いることができる。なお、分散液としては、例えばペースト状のものを用いることができる。金属モノマーとしては、例えばジルコニウムブトキシドなどが挙げられる。また、金属オリゴマーとしては、例えばジルコニウムブトキシドの加水分解重縮合物などが挙げられる。また、金属ポリマーとしては、例えばジルコニウムブトキシドの加水分解重縮合物などが挙げられる。剥離防止部60を形成するための乾燥条件としては、例えば40〜100℃で30分〜5時間などが挙げられる。 According to a preferred embodiment of the present invention, as a method for producing the photocatalyst materials 100 to 102 according to the present invention, a dispersion containing the first photocatalyst particles 10 and a solvent is applied to the base material 90 and dried. , A step of forming the first structural layer having pores 71, and applying a solution containing at least one selected from the group consisting of metal monomers, metal oligomers and metal polymers to the surface of the first structural layer. A method including a step of forming the peeling prevention portion 60 by drying can be used. Further, according to another preferred embodiment of the present invention, as a method for producing the photocatalyst materials 100 to 102 according to the present invention, a dispersion containing the first photocatalyst particles 10, the second photocatalyst particles 20, and a solvent is used as a base. A step of forming a first structural layer having pores 71 by applying to the material 90 and drying, and a solution containing at least one selected from the group consisting of metal monomers, metal oligomers and metal polymers. A method including a step of forming a peeling prevention portion 60 by applying it to the surface of the structural layer of 1 and drying it can be used. As the dispersion liquid, for example, a paste-like one can be used. Examples of the metal monomer include zirconium butoxide. Examples of the metal oligomer include a hydrolyzed polycondensate of zirconium butoxide. Examples of the metal polymer include a hydrolyzed polycondensate of zirconium butoxide. Examples of the drying conditions for forming the peeling prevention portion 60 include 30 minutes to 5 hours at 40 to 100 ° C.

導電性粒子40は、前記分散液に含ませてもよいし、別途、例えば後から添加する方法を用いてもよい。具体的には、本発明の別の好ましい態様によれば、本発明による光触媒材101および102の製造方法は、導電性粒子40を湿式分散させた分散液を、第1の構造層に滴下する工程を含む。このとき、乾燥に伴い、例えば、導電性粒子40が第1および第2の光触媒粒子の10、20の粒界に移動する。それによって、光触媒材101および102を得ることができる。 The conductive particles 40 may be included in the dispersion liquid, or may be separately added, for example, later. Specifically, according to another preferred embodiment of the present invention, in the method for producing the photocatalytic materials 101 and 102 according to the present invention, a dispersion liquid in which the conductive particles 40 are wet-dispersed is dropped onto the first structural layer. Includes steps. At this time, with drying, for example, the conductive particles 40 move to the grain boundaries of the first and second photocatalyst particles 10 and 20. Thereby, the photocatalytic materials 101 and 102 can be obtained.

本発明の別の好ましい態様によれば、本発明による光触媒材101および102の製造方法は、第1の光触媒粒子10または第2の光触媒粒子20のいずれかの表面に予め導電性粒子40を担持させた後に、導電性粒子40を担持した第1の光触媒粒子10または第2の光触媒粒子20と、溶媒とを含む分散液(さらに、導電性粒子40を担持していない他方の光触媒粒子(第1または第2の光触媒粒子10、20)を含んでもよい)を、基材90に塗布して、乾燥する工程を含む方法である。この際、第1の光触媒粒子10または第2の光触媒粒子20のいずれかの表面に予め導電性粒子40を担持させる方法としては、これら光触媒粒子に助触媒を担持させる方法と同様の方法(含浸法、吸着法、光還元法、化学析出法等)を用いることができる。 According to another preferred embodiment of the present invention, the method for producing the photocatalytic materials 101 and 102 according to the present invention previously carries the conductive particles 40 on the surface of either the first photocatalytic particles 10 or the second photocatalyst particles 20. A dispersion containing the first photocatalyst particles 10 or the second photocatalyst particles 20 carrying the conductive particles 40 and the solvent (furthermore, the other photocatalyst particles not carrying the conductive particles 40 (the first). This method includes a step of applying the first or second photocatalyst particles 10, 20)) to the base material 90 and drying the base material 90. At this time, the method of supporting the conductive particles 40 in advance on the surface of either the first photocatalyst particles 10 or the second photocatalyst particles 20 is the same as the method of supporting the cocatalyst on these photocatalyst particles (impregnation). Method, adsorption method, photoreduction method, chemical precipitation method, etc.) can be used.

上記の態様において、分散液に釉薬微粒子をさらに添加してもよい。釉薬微粒子が添加された分散液を例えば300℃以下に加熱することにより、各釉薬微粒子が基材90の表面に密着する。そのため、光触媒層70の基材90への密着性を向上させることができる。また、釉薬微粒子は光触媒粒子10、20の表面を完全には覆わないので、光触媒材の光触媒活性の低下を抑制することができる。 In the above embodiment, glaze fine particles may be further added to the dispersion liquid. By heating the dispersion liquid to which the glaze fine particles are added to, for example, 300 ° C. or lower, each glaze fine particle adheres to the surface of the base material 90. Therefore, the adhesion of the photocatalyst layer 70 to the base material 90 can be improved. Further, since the glaze fine particles do not completely cover the surfaces of the photocatalytic particles 10 and 20, it is possible to suppress a decrease in the photocatalytic activity of the photocatalytic material.

また、上記の態様において、光触媒粒子を含む分散液を塗布する前に、例えば、中間層を形成してもよい。中間層は、例えば、導電性粒子40あるいはアスペクト比の小さい非導電性粒子を含む分散液を基材90に塗布して形成することができる。中間層を形成後、光触媒粒子を含む分散液を塗布して光触媒層70を形成してもよい。中間層を形成後、乾燥させてから光触媒層70を形成してもよい。あるいは、第1の光触媒粒子、第2の光触媒粒子および導電性粒子を含む光触媒膜を第1の基材上に形成後、該光触媒膜の上にさらに、例えば、導電性粒子を含むペーストを塗布し乾燥、焼成して導電性粒子膜をさらに形成させる。その後、カーボンテープ等の粘着層を設けた第2の基材を該導電性粒子膜に押し付け、第1の基材を除去する。こうして第2の基材上に導電性粒子膜(中間層)を介して光触媒膜が形成された光触媒材を得ることができる。 Further, in the above embodiment, for example, an intermediate layer may be formed before applying the dispersion liquid containing the photocatalytic particles. The intermediate layer can be formed by applying, for example, a dispersion liquid containing conductive particles 40 or non-conductive particles having a small aspect ratio to the base material 90. After forming the intermediate layer, a dispersion liquid containing photocatalyst particles may be applied to form the photocatalyst layer 70. The photocatalyst layer 70 may be formed after the intermediate layer is formed and then dried. Alternatively, after forming a photocatalyst film containing the first photocatalyst particles, the second photocatalyst particles and the conductive particles on the first substrate, for example, a paste containing the conductive particles is further applied onto the photocatalyst film. It is dried and fired to further form a conductive particle film. Then, a second base material provided with an adhesive layer such as carbon tape is pressed against the conductive particle film to remove the first base material. In this way, it is possible to obtain a photocatalyst material in which a photocatalyst film is formed on the second base material via a conductive particle film (intermediate layer).

本発明において、粒子10、20、40を溶媒中で分散させる方法として、それぞれの粒子の表面に、水や有機溶媒などの溶媒あるいは分散剤を吸着させる方法を好ましく使用することができる。これにより、各粒子が一次粒子に近い形態で、安定に混合された状態を実現することが可能となる。つまり、第1の光触媒粒子10同士、第2の光触媒粒子20同士、あるいは導電性粒子40同士の凝集を抑制することができる。従って、光触媒層70においては、第1の光触媒粒子10と第2の光触媒粒子20とが導電性粒子40を介して近い距離で存在できる。そのため、水分解反応が促進され、水素の発生効率を高めることができる。 In the present invention, as a method of dispersing the particles 10, 20 and 40 in a solvent, a method of adsorbing a solvent such as water or an organic solvent or a dispersant on the surface of each particle can be preferably used. This makes it possible to realize a state in which each particle is stably mixed in a form close to that of a primary particle. That is, it is possible to suppress the aggregation of the first photocatalyst particles 10 to each other, the second photocatalyst particles 20 to each other, or the conductive particles 40 to each other. Therefore, in the photocatalyst layer 70, the first photocatalyst particles 10 and the second photocatalyst particles 20 can exist at a short distance via the conductive particles 40. Therefore, the water splitting reaction is promoted, and the hydrogen generation efficiency can be increased.

本発明において、湿式分散の方法としては、超音波照射、ボールミルおよびビーズミル等の機械分散法を好ましく用いることができる。 In the present invention, as the wet dispersion method, a mechanical dispersion method such as ultrasonic irradiation, a ball mill and a bead mill can be preferably used.

本発明において、溶媒としては、分散液に含まれる粒子を分散することが可能な溶媒を用いることができる。本発明の好ましい態様によれば、このような溶媒として、水あるいはエタノール等の有機溶剤や、α―テルピネオール等の有機ビヒクル溶剤を用いることができる。また、粒子の溶媒中での分散性を向上させるため、溶媒に分散剤を添加してもよい。 In the present invention, as the solvent, a solvent capable of dispersing the particles contained in the dispersion liquid can be used. According to a preferred embodiment of the present invention, as such a solvent, an organic solvent such as water or ethanol or an organic vehicle solvent such as α-terpineol can be used. Further, in order to improve the dispersibility of the particles in the solvent, a dispersant may be added to the solvent.

本発明において、分散液を基材90へ塗布する方法としては、スピンコート法、ディップコート法、スプレー法、ドクターブレード法、電気泳動法、スクリーン印刷法等を好ましく利用することができる。また、塗布方法は、基材90の形状や種類に応じて適宜選択することができる。 In the present invention, as a method for applying the dispersion liquid to the base material 90, a spin coating method, a dip coating method, a spray method, a doctor blade method, an electrophoresis method, a screen printing method and the like can be preferably used. Further, the coating method can be appropriately selected according to the shape and type of the base material 90.

狙いの層厚を達成するために、光触媒層70の形成方法を適宜選択することができる。例えば、1μm以下の厚みを有する光触媒層70を得る場合は、スピンコート法、ディップコート法、スプレー法等を用いることが好ましい。また、1μm以上の厚みを有する光触媒層70を得る場合は、スクリーン印刷法、ドクターブレード法、電気泳動法等を用いることが好ましい。 In order to achieve the target layer thickness, the method for forming the photocatalyst layer 70 can be appropriately selected. For example, when the photocatalyst layer 70 having a thickness of 1 μm or less is obtained, it is preferable to use a spin coating method, a dip coating method, a spray method, or the like. Further, when the photocatalyst layer 70 having a thickness of 1 μm or more is obtained, it is preferable to use a screen printing method, a doctor blade method, an electrophoresis method or the like.

本発明の好ましい態様によれば、第1の光触媒粒子10と第2の光触媒粒子20を液体媒体中で分散させる方法は、第1の光触媒粒子10と第2の光触媒粒子20それぞれを、例えば、アニオン性ポリマーとカチオン性ポリマーのように異なる電荷を有するポリマーを含む溶液中で分散させて、一次粒子の状態で分散した単分散に近い状態とする工程を含む。その後、得られた分散液を混合し、それぞれの光触媒粒子10、20表面に吸着したポリマーの異なる電荷同士によるクーロン相互作用により、第1の光触媒粒子10と第2の光触媒粒子20はそれぞれ互いに自発的に吸着し、近接または接触することが可能となる。例えば、第1の光触媒粒子10をアニオン性ポリマーを含む溶液中で分散させ、第2の光触媒粒子20をカチオン性ポリマーを含む溶液中で分散させる。その後これらの分散液を混合することにより、一次粒子同士が高密度に近接または接触可能な状態とすることが可能となる。その後、一次粒子同士が高密度に近接または接触した状態で加熱または焼成し、ポリマーを除去することで、可視光応答型水分解用光触媒材として高活性な状態を実現できる。 According to a preferred embodiment of the present invention, the method of dispersing the first photocatalyst particles 10 and the second photopolymer particles 20 in a liquid medium is such that the first photopolymer particles 10 and the second photopolymer particles 20 are each, for example. It comprises a step of dispersing in a solution containing polymers having different charges such as anionic polymer and cationic polymer to make the state close to monodisperse dispersed in the state of primary particles. After that, the obtained dispersion liquid is mixed, and the first photocatalyst particles 10 and the second photocatalyst particles 20 spontaneously generate each other by the Coulomb interaction between different charges of the polymers adsorbed on the surfaces of the photocatalyst particles 10 and 20, respectively. It is possible to adsorb the particles and bring them into close proximity or contact with each other. For example, the first photocatalyst particles 10 are dispersed in a solution containing an anionic polymer, and the second photocatalyst particles 20 are dispersed in a solution containing a cationic polymer. After that, by mixing these dispersions, it becomes possible to bring the primary particles into a state where they can be brought close to each other or in contact with each other at high density. After that, the primary particles are heated or fired in a state of being close to or in contact with each other at high density to remove the polymer, so that a highly active state can be realized as a photocatalyst material for visible light responsive water splitting.

本発明において、第1の光触媒粒子10と第2の光触媒粒子20と導電性粒子40はこれらを含む分散液を乾燥させることにより、好ましくは乾燥および焼成することにより、基材90へ固定化される。焼成温度は、溶媒や分散剤等の加熱分解温度以上であり、さらに、基材90と第1の光触媒粒子10、第2の光触媒粒子20および導電性粒子40、あるいは導電性粒子40と第1の光触媒粒子10および第2の光触媒粒子20、あるいは第1の光触媒粒子10、第2の光触媒粒子20および導電性粒子40同士の焼成が促進可能な温度であることが好ましい。具体的には、100℃以上700℃以下であり、より好ましくは、200℃以上600℃以下、さらに好ましくは300℃以上400℃以下である。この範囲の温度で焼成することで、基材90との密着性および粒子10、20、40間の密着性の高い、長期安定性の可視光応答型水分解用光触媒材を得ることが可能となる。また、焼成雰囲気は、大気、窒素、還元ガス(アンモニア、水素)のいずれの雰囲気であってもよい。好ましくは、大気あるいは窒素雰囲気である。これにより、焼成時のバインダーの消失が効率的に起こる。また、窒素雰囲気での焼成では、導電性粒子の酸化を抑制することが可能である。従って、導電性粒子の導電性低下を抑制できる。 In the present invention, the first photocatalyst particles 10, the second photocatalyst particles 20, and the conductive particles 40 are immobilized on the base material 90 by drying a dispersion containing them, preferably by drying and firing. To. The firing temperature is equal to or higher than the thermal decomposition temperature of the solvent, dispersant, etc., and further, the base material 90 and the first photocatalyst particles 10, the second photocatalyst particles 20 and the conductive particles 40, or the conductive particles 40 and the first It is preferable that the temperature is such that the firing of the photocatalyst particles 10 and the second photocatalyst particles 20 or the first photocatalyst particles 10, the second photocatalyst particles 20 and the conductive particles 40 can be promoted. Specifically, it is 100 ° C. or higher and 700 ° C. or lower, more preferably 200 ° C. or higher and 600 ° C. or lower, and further preferably 300 ° C. or higher and 400 ° C. or lower. By firing at a temperature in this range, it is possible to obtain a long-term stable photocatalyst material for visible light responsive water decomposition that has high adhesion to the base material 90 and adhesion between the particles 10, 20, and 40. Become. The firing atmosphere may be any of the atmosphere, nitrogen, and reducing gas (ammonia, hydrogen). An air or nitrogen atmosphere is preferred. As a result, the binder disappears efficiently during firing. Further, in firing in a nitrogen atmosphere, it is possible to suppress the oxidation of conductive particles. Therefore, it is possible to suppress a decrease in the conductivity of the conductive particles.

(混合比率)
本発明による光触媒材の製造方法において、第1の光触媒粒子と第2の光触媒粒子の混合比率は、重量比で、第1の光触媒粒子:第2の光触媒粒子=10:90〜90:10であることが好ましく、20:80〜80:20であることがより好ましい。この範囲で混合することで、粒子界面における電荷再結合反応を促進することが可能となる。その結果、光触媒材の水分解効率を高めることが可能となる。
(Mixing ratio)
In the method for producing a photocatalyst material according to the present invention, the mixing ratio of the first photocatalyst particles and the second photocatalyst particles is a weight ratio of first photocatalyst particles: second photocatalyst particles = 10: 90 to 90:10. It is preferably, and more preferably 20:80 to 80:20. Mixing in this range makes it possible to promote the charge recombination reaction at the particle interface. As a result, it becomes possible to increase the water decomposition efficiency of the photocatalytic material.

水分解用光触媒モジュール
本発明による水分解用光触媒モジュールは、上述の光触媒材を含む。本発明の好ましい態様によれば、本発明による水分解用光触媒モジュールは、概ね透明な光入射面を有し、モジュール内部に設置した光触媒材に光が入射する構造を有する。また、光触媒材が常に水と接触可能なように、水を封入可能な密閉パネル形状を有している。また、本発明のより好ましい態様によれば、本発明による水分解用光触媒モジュールは、水分解反応の進行により減少する水を遂次的に追加供給可能な通水孔等の機構をさらに有することが好ましい。このような構成の水分解光触媒モジュールとすることで、実用的に利用可能な水素を製造することが可能となる。
Photocatalyst module for water decomposition The photocatalyst module for water decomposition according to the present invention includes the above-mentioned photocatalyst material. According to a preferred embodiment of the present invention, the photocatalyst module for water splitting according to the present invention has a substantially transparent photocatalytic surface and has a structure in which light is incident on a photocatalyst material installed inside the module. In addition, it has a closed panel shape that can be filled with water so that the photocatalyst material can always come into contact with water. Further, according to a more preferable aspect of the present invention, the photocatalyst module for water splitting according to the present invention further has a mechanism such as a water passage hole capable of sequentially additionally supplying water which is reduced due to the progress of the water splitting reaction. Is preferable. By using a water splitting photocatalyst module having such a configuration, it becomes possible to produce hydrogen that can be practically used.

水素製造システム
本発明による水素製造システムは、前記水分解用光触媒モジュールを含む。本発明の好ましい態様によれば、本発明による水素製造システムは、水の供給装置、水中の不純物をある程度除去するためのろ過装置、水分解光触媒モジュール、水素分離装置、および水素貯蔵装置からなるものである。このような構成の水素製造システムとすることで、再生可能エネルギーである太陽光と水から水素を実用的に製造可能なシステムを実現することが可能となる。
Hydrogen production system The hydrogen production system according to the present invention includes the photocatalyst module for water splitting. According to a preferred embodiment of the present invention, the hydrogen production system according to the present invention comprises a water supply device, a filtration device for removing impurities in water to some extent, a water splitting photocatalyst module, a hydrogen separation device, and a hydrogen storage device. Is. By adopting a hydrogen production system having such a configuration, it is possible to realize a system capable of practically producing hydrogen from renewable energies such as sunlight and water.

以下の実施例によって本発明をさらに詳細に説明する。なお、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。 The present invention will be described in more detail with reference to the following examples. The present invention is not limited to these examples.

原料
原料として用いた第1の光触媒粒子、第2の光触媒粒子、および導電性粒子について説明する。
Raw Material The first photocatalyst particles, the second photocatalyst particles, and the conductive particles used as raw materials will be described.

第1の光触媒粒子(3%RhドープSrTiO3粒子)の作製
3%RhドープSrTiO3(SrTi0.97Rh0.033)粒子を固相法により作製した。具体的には、SrCO3(和光純薬製,99.9%)、TiO2(高純度化学研究所製,99.99%)、およびRh23(和光純薬製)を1.05:0.97:0.03のモル比でアルミナ製乳鉢に入れ、メタノールを添加した後、2時間混合した。次いで、得られた混合物をアルミナ製るつぼに入れて、900℃で1時間仮焼きした後、1050℃で10時間本焼成した。焼成後、焼成体を室温まで放冷させた後、解砕して、3%RhドープSrTiO3(SrTi0.97Rh0.033)粒子からなる粉末を作製した。
Preparation of First Photocatalytic Particles (3% Rh Doped SrTIO 3 Particles) 3% Rh Doped SrTIO 3 (SrTi 0.97 Rh 0.03 O 3 ) particles were prepared by the solid phase method. Specifically, SrCO 3 (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., 99.9%), TiO 2 (manufactured by High Purity Chemical Laboratory, 99.99%), and Rh 2 O 3 (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) are 1.05. The mixture was placed in an alumina mortar at a molar ratio of: 0.97: 0.03, methanol was added, and the mixture was mixed for 2 hours. Next, the obtained mixture was placed in an alumina crucible and calcined at 900 ° C. for 1 hour, and then fired at 1050 ° C. for 10 hours. After firing, the fired body was allowed to cool to room temperature and then crushed to prepare a powder composed of 3% Rh-doped SrTIO 3 (SrTi 0.97 Rh 0.03 O 3) particles.

(平均一次粒子径)
SEM観察により3%RhドープSrTiO3粒子(第1の光触媒粒子)の平均一次粒子径を算出した。具体的には、SEM(株式会社日立製作所製、“S−4100”)により、倍率40000倍で観察した際の結晶粒子50個の円形近似による平均値を一次粒子径とした。その結果、3%RhドープSrTiO3粒子の平均一次粒子径は約500nmであった。
(Average primary particle size)
The average primary particle size of the 3% Rh-doped SrTiO 3 particles (first photocatalytic particles) was calculated by SEM observation. Specifically, the average value obtained by circular approximation of 50 crystal particles when observed at a magnification of 40,000 times by SEM (manufactured by Hitachi, Ltd., "S-4100") was taken as the primary particle diameter. As a result, the average primary particle size of the 3% Rh-doped SrTiO 3 particles was about 500 nm.

(バンド構造)
3%RhドープSrTiO3粒子のバンド位置は、Wang et al., J.Catal. 305-315, 328 (2015)を参照して以下のとおりとみなした。
価電子帯上端:−6.6eV(vs.真空準位)
伝導帯下端:−4.1eV(vs.真空準位)
なお、3%RhドープSrTiO3粒子における価電子帯上端とは、SrTiO3のバンドギャップ内に生じた、ドープされたRh3+由来のドナー軌道の上端に由来するものであると考えられる。
(Band structure)
The band positions of the 3% Rh-doped SrTIO 3 particles were considered as follows with reference to Wang et al., J. Catal. 305-315, 328 (2015).
Upper end of valence band: -6.6 eV (vs. vacuum level)
Lower end of conduction band: -4.1 eV (vs. vacuum level)
The upper end of the valence band in the 3% Rh-doped SrTiO 3 particles is considered to be derived from the upper end of the donor orbit derived from the doped Rh 3+ generated in the band gap of SrTiO 3.

第2の光触媒粒子(0.05%MoドープBiVO4粒子)の作製
0.05%MoドープBiVO4粒子は、液固相法により作製した。具体的には、まず、K2CO3(関東化学製,99.5%)、V25(和光純薬製,99.0%)およびMoO3(関東化学製,99.5%)をK:V:Mo=3.03:4.9975:0.0025 (mol比)になるようにメノー乳鉢に入れ、エタノール(10mL)を添加した後30分間混合した。次いで、得られた混合物を磁性るつぼに入れて、電気炉にて大気中450℃で5時間焼成した。焼成後、焼成体を室温まで放冷させた後、解砕した。
Preparation of Second Photocatalytic Particles (0.05% Mo-doped BiVO 4 Particles) The 0.05% Mo-doped BiVO 4 particles were prepared by the liquid solid phase method. Specifically, first, K 2 CO 3 (manufactured by Kanto Chemical Co., Ltd., 99.5%), V 2 O 5 (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., 99.0%) and MoO 3 (manufactured by Kanto Chemical Co., Ltd., 99.5%). Was placed in a menor mortar so that K: V: Mo = 3.03: 4.9975: 0.0025 (mol ratio), ethanol (10 mL) was added, and the mixture was mixed for 30 minutes. The resulting mixture was then placed in a magnetic crucible and fired in an electric furnace at 450 ° C. for 5 hours. After firing, the fired body was allowed to cool to room temperature and then crushed.

得られた粉末を、100mlの水およびBi(NO33・5H2O(和光,99.9%)が入った300mL三角フラスコに入れて(Bi :(V+Mo)=1 :1)、70℃で10時間、攪拌子を用いて1500rpmで撹拌した。得られた沈殿物を吸引濾過により回収して水洗浄を行った後、乾燥器にて60℃で12時間乾燥させて、0.05%MoドープBiVO4粉末を得た。 The resulting powder, 100 ml of water and Bi (NO 3) 3 · 5H 2 O ( Wako, 99.9%) was placed in the entered was 300mL Erlenmeyer flasks (Bi: (V + Mo) = 1: 1), 70 The mixture was stirred at 1500 rpm using a stirrer at ° C. for 10 hours. The obtained precipitate was collected by suction filtration, washed with water, and dried in a dryer at 60 ° C. for 12 hours to obtain a 0.05% Mo-doped BiVO 4 powder.

(平均一次粒子径)
SEM観察により0.05%MoドープBiVO4粒子(第2の光触媒粒子)の平均一次粒子径を算出した。その結果、平均一次粒子径は約800nmであった。
(Average primary particle size)
The average primary particle size of 0.05% Mo-doped BiVO 4 particles (second photocatalytic particles) was calculated by SEM observation. As a result, the average primary particle size was about 800 nm.

(バンド構造)
BiVO4のバンド位置は、Wang et al., J.Catal. 305-315, 328 (2015)を参照して以下のとおりとみなした。
価電子帯上端:−6.8eV(vs.真空準位)
伝導帯下端:−4.6eV(vs.真空準位)
(Band structure)
The band positions of BiVO 4 were considered as follows with reference to Wang et al., J. Catal. 305-315, 328 (2015).
Upper end of valence band: -6.8 eV (vs. vacuum level)
Lower end of conduction band: -4.6 eV (vs. vacuum level)

導電性粒子の用意
金コロイドの10wt%エタノール分散液(新光化学工業所製)を用いた。金コロイド粒子の平均一次粒子径は20nmであった。なお、この平均一次粒子径は、TEM観察により算出された値としてカタログに掲載された値である。また、金コロイド粒子の電子特性は、仕事関数:5.1eV、フェルミ準位:−5.1eV(vs.真空準位)であった(A. Sharma et al., Applied Physics letters, 93, 163308 (2008))。
Preparation of Conductive Particles A 10 wt% ethanol dispersion of colloidal gold (manufactured by Shinko Kagaku Kogyo Co., Ltd.) was used. The average primary particle size of the gold colloidal particles was 20 nm. The average primary particle size is a value listed in the catalog as a value calculated by TEM observation. The electronic properties of the colloidal gold particles were work function: 5.1 eV, Fermi level: -5.1 eV (vs. vacuum level) (A. Sharma et al., Applied Physics letters, 93, 163308). (2008)).

光触媒材1〜10の作製
(塗布用ペーストの作製)
第1の光触媒粒子と第2の光触媒粒子とを0.125gずつ秤量した。これを、有機分散媒0.75gに混合し、光触媒粒子を分散させた。有機分散媒としては、α−テルピネオール(関東化学製)と、2−(2−ブトキシエトキシ)エタノール(和光純薬製)と、ポリアクリル樹脂(SPB−TE1、綜研化学製)とが、この順に重量比で、62.5:12.5:25.0の割合で混合されたものを用いた。次いで、金コロイド(平均粒子径:20nm)を添加して、第1の光触媒粒子と第2の光触媒粒子と導電性粒子との合計固形分濃度が25wt%となるような塗布用ペーストを作製した。
Preparation of photocatalyst materials 1 to 10 (preparation of coating paste)
The first photocatalyst particles and the second photocatalyst particles were weighed by 0.125 g each. This was mixed with 0.75 g of an organic dispersion medium to disperse the photocatalytic particles. As the organic dispersion medium, α-terpineol (manufactured by Kanto Chemical Co., Ltd.), 2- (2-butoxyethoxy) ethanol (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), and polyacrylic resin (SPB-TE1, manufactured by Soken Kagaku) are in this order. The mixture was used in a weight ratio of 62.5: 12.5: 25.0. Next, gold colloid (average particle size: 20 nm) was added to prepare a coating paste having a total solid content concentration of 25 wt% of the first photocatalyst particles, the second photocatalyst particles, and the conductive particles. ..

(光触媒材1〜10の作製)
この塗布用ペーストを基材(合成石英ガラス、サイズ:5cm×5cm×厚さ1mm)に、塗布厚が60μm、塗布面積が6.25cm2(2.5cm角)となるようにスクリーン印刷法で塗布した。その後、80℃で30分間乾燥させた後、300℃で30分間焼成して光触媒材1〜10を作製した。焼成後の光触媒層の厚さは、いずれも10μmであった。
(Preparation of photocatalytic materials 1 to 10)
This coating paste is applied to a base material (synthetic quartz glass, size: 5 cm x 5 cm x thickness 1 mm) by a screen printing method so that the coating thickness is 60 μm and the coating area is 6.25 cm 2 (2.5 cm square). It was applied. Then, after drying at 80 degreeC for 30 minutes, it was calcined at 300 degreeC for 30 minutes to prepare photocatalyst materials 1-10. The thickness of the photocatalyst layer after firing was 10 μm in each case.

(剥離防止部を有する光触媒材1〜8および10の作製)
光触媒材1〜8および10に表1に記載の材料を用いて剥離防止部を形成した。光触媒材への剥離防止部の配置は、以下の手順で行った。まず光触媒材1〜4、7および8では、光触媒層の表面に、表1に記載の20mMの金属モノマーのアルコール溶液を満遍なく50〜200μL滴下した。光触媒材5、6および10では0.4wt%の金属酸化物コロイドのアルコール分散液を満遍なく50〜200μL滴下した。光触媒材1〜4では金属モノマーのアルコール溶液として、ジルコニウムブトキシドのブタノール溶液を用いた。光触媒材7では金属モノマーのアルコール溶液として、テトラエトキシシランのエタノール溶液を用いた。光触媒材8では金属モノマーのアルコール溶液として、タンタルエトキシドのメタノール溶液を用いた。その後、100℃で30分乾燥させ、光触媒層表面に剥離防止部を形成した。なお、光触媒材9については剥離防止部を形成しなかった。
(Preparation of photocatalytic materials 1 to 8 and 10 having a peeling prevention portion)
Peeling prevention portions were formed on the photocatalytic materials 1 to 8 and 10 using the materials shown in Table 1. The peeling prevention portion was arranged on the photocatalyst material according to the following procedure. First, in the photocatalyst materials 1 to 4, 7 and 8, 50 to 200 μL of the alcohol solution of the 20 mM metal monomer shown in Table 1 was evenly added dropwise to the surface of the photocatalyst layer. In the photocatalyst materials 5, 6 and 10, 50 to 200 μL of an alcohol dispersion of 0.4 wt% metal oxide colloid was evenly added dropwise. In the photocatalyst materials 1 to 4, a butanol solution of zirconium butoxide was used as the alcohol solution of the metal monomer. In the photocatalyst material 7, an ethanol solution of tetraethoxysilane was used as the alcohol solution of the metal monomer. In the photocatalyst material 8, a methanol solution of tantalum ethoxydo was used as the alcohol solution of the metal monomer. Then, it was dried at 100 ° C. for 30 minutes to form a peeling prevention portion on the surface of the photocatalyst layer. The photocatalyst material 9 did not form a peeling prevention portion.

光触媒材5では、三酸化二鉄(Fe23)コロイドゾルとして、平均一次粒子径約10nmのα−Fe23コロイドの水およびエタノール混合溶液(水:エタノール=0.1:99.9程度、固形分0.4wt%)を用いた。
光触媒材6では、酸化セリウム(CeO2)ゾルとして、平均一次粒子径約8nmのCeO2コロイドの水およびエタノール混合溶液(水:エタノール=0.1:99.9程度、固形分0.4wt%)を用いた。
光触媒材10では、酸化チタン(TiO2)ゾルとして、平均一次粒子径約10nmのTiO2コロイドの水およびエタノール混合溶液(水:エタノール=0.1:99.9程度、固形分0.4wt%)を用いた。
In the photocatalyst material 5, as a diiron trioxide (Fe 2 O 3 ) colloid sol, a mixed solution of α-Fe 2 O 3 colloid having an average primary particle diameter of about 10 nm and ethanol (water: ethanol = 0.1: 99.9). Degree, solid content 0.4 wt%) was used.
In the photocatalyst material 6, as a cerium oxide (CeO 2 ) sol, a mixed solution of water and ethanol of CeO 2 colloid having an average primary particle size of about 8 nm (water: ethanol = about 0.1: 99.9, solid content 0.4 wt%). ) Was used.
In the photocatalyst material 10, as a titanium oxide (TiO 2 ) sol, a mixed solution of water and ethanol of TiO 2 colloid having an average primary particle diameter of about 10 nm (water: ethanol = about 0.1: 99.9, solid content 0.4 wt%). ) Was used.

評価
光触媒層の構造
作製した光触媒材について、光触媒層の構造をSEM観察した。代表的な結果を図4に示す。この表面観察像は、基材から光触媒層に向かう積層方向(Z軸方向)に対して垂直な平面を観察した像である。
Evaluation Structure of photocatalyst layer The structure of the photocatalyst layer was observed by SEM for the produced photocatalyst material. Representative results are shown in FIG. This surface observation image is an image obtained by observing a plane perpendicular to the stacking direction (Z-axis direction) from the base material to the photocatalyst layer.

図4に示すように、光触媒層が、細孔71を有することが確認された。また、光触媒層において、第1の光触媒粒子および第2の光触媒粒子は、導電性粒子と物理的に接触していることが確認された。
また、作製した光触媒材について、光触媒層の構造をTEM観察した。光触媒材3の結果を図5に示す。図5に示すように、剥離防止部60が第1の光触媒粒子10、第2の光触媒粒子20、および導電性粒子40を被覆していることが確認された。また、作製した剥離防止部の厚みは表1に示されるとおりであった。
また、作製した光触媒材について、XPS測定を行った。剥離防止部を形成していない光触媒材(光触媒材9)、および剥離防止部(ZrOX)を有する光触媒材(光触媒材3)の結果を図6に示す。図6に示すように、剥離防止部を形成していない光触媒材と比較して剥離防止部を有する光触媒材では、第1の光触媒粒子10、第2の光触媒粒子20、および導電性粒子40に由来するピーク強度が減少し、剥離防止部60に含まれるZr由来のピークが観測されることが確認された。
As shown in FIG. 4, it was confirmed that the photocatalyst layer had pores 71. Further, in the photocatalyst layer, it was confirmed that the first photocatalyst particles and the second photocatalyst particles were in physical contact with the conductive particles.
In addition, the structure of the photocatalyst layer was TEM-observed with respect to the produced photocatalyst material. The result of the photocatalyst material 3 is shown in FIG. As shown in FIG. 5, it was confirmed that the peeling prevention portion 60 covered the first photocatalyst particles 10, the second photocatalyst particles 20, and the conductive particles 40. The thickness of the prepared peeling prevention portion was as shown in Table 1.
In addition, XPS measurement was performed on the produced photocatalyst material. The results of the photocatalytic material that does not form the separation preventing sections photocatalytic material having (photocatalytic material 9), and separation preventing sections (ZrO X) (photocatalytic material 3) shown in FIG. As shown in FIG. 6, in the photocatalyst material having the peeling prevention portion as compared with the photocatalyst material not forming the peeling prevention portion, the first photocatalyst particles 10, the second photocatalyst particles 20, and the conductive particles 40 It was confirmed that the peak intensity derived from the peak decreased and the peak derived from Zr contained in the peeling prevention portion 60 was observed.

剥離試験
作製した光触媒材について、剥離試験を行った。剥離試験は、以下の手順で行った。パイレックス(登録商標)製のガラスセルに100mLの純水を入れた。このセル中に、ガラス冶具で固定した光触媒材を入れた。ホットスターラーを用いて純水を40度に加熱し、1000rpmで3時間攪拌した。攪拌後、光触媒材をセルから取り出し、室温で水分を乾燥させた。乾燥後、顕微鏡で膜表面を観察し、基板露出点数を調べた。結果を表1に示す。表1に示すように、剥離防止部の無い光触媒材9と比較して、剥離防止部を有することにより、剥離が防止されたことが確認された。
Peeling test A peeling test was conducted on the produced photocatalyst material. The peeling test was carried out according to the following procedure. 100 mL of pure water was placed in a glass cell manufactured by Pyrex (registered trademark). A photocatalyst material fixed with a glass jig was placed in this cell. Pure water was heated to 40 degrees using a hot stirrer and stirred at 1000 rpm for 3 hours. After stirring, the photocatalyst material was taken out of the cell and the water was dried at room temperature. After drying, the surface of the film was observed with a microscope to check the number of exposed points on the substrate. The results are shown in Table 1. As shown in Table 1, it was confirmed that the peeling was prevented by having the peeling prevention portion as compared with the photocatalyst material 9 having no peeling prevention portion.

光触媒材の光触媒活性(水分解活性)
剥離防止部の材料と、水素生成活性(水素生成速度に基づく逆反応防止率)との関係
逆反応防止効果を確認するための試験を次のように行った。まずは逆反応が生じにくいように減圧下で水素および酸素の生成速度を測定した。その後、半常圧まで気圧を高め、逆反応が生じうる環境下で水素および酸素の生成速度を測定した。なお、水素および酸素の生成速度は、以下の方法で評価した。パイレックス(登録商標)製上方照射用の窓付きのガラスフラスコに、光触媒材と、超純水100mlを入れて、反応溶液とした。この反応溶液を入れたガラスフラスコを閉鎖循環装置(幕張理化学製)に装着し、反応系内の雰囲気をアルゴン置換した。UVカットフィルター(L−42、HOYA製)を装着した300Wキセノンランプ(Cermax製、PE−300BF)により、可視光をパイレックス(登録商標)窓側から照射した。光照射した後3時間の、水が還元されて生成する水素の生成量および水が酸化されて生成する酸素の生成量を、ガスクロマトグラフ(島津製作所製、GC−8A、TCD検出器、MS−5Aカラム)により経時的に調べ、生成速度を算出した。ここで減圧環境を80torrとし、半常圧環境を380torrとした。そして下記式に示すように、減圧下(80torr)での生成速度に対する、半常圧下(380torr)での生成速度の百分率を逆反応防止率(%)として算出した。すなわち剥離防止部の形成により逆反応が完全に防止された場合、減圧下および半常圧下での水素および酸素生成速度は同じ値となり、逆反応防止率は100%となる。
逆反応防止率(%)=半常圧下(380torr)での生成速度(μmol/hr)/減圧下(80torr)での生成速度(μmol/hr)×100
Photocatalytic activity of photocatalytic material (water decomposition activity)
Relationship between the material of the peeling prevention part and the hydrogen production activity (reverse reaction prevention rate based on the hydrogen production rate) A test was conducted to confirm the reverse reaction prevention effect as follows. First, the production rates of hydrogen and oxygen were measured under reduced pressure so that the reverse reaction would not easily occur. Then, the atmospheric pressure was raised to semi-normal pressure, and the hydrogen and oxygen production rates were measured in an environment where a reverse reaction could occur. The production rates of hydrogen and oxygen were evaluated by the following methods. A photocatalytic material and 100 ml of ultrapure water were placed in a glass flask manufactured by Pyrex (registered trademark) with a window for upward irradiation to prepare a reaction solution. A glass flask containing this reaction solution was attached to a closed circulation device (manufactured by Makuhari Rikagaku), and the atmosphere in the reaction system was replaced with argon. Visible light was irradiated from the Pyrex (registered trademark) window side by a 300 W xenon lamp (Cermax, PE-300BF) equipped with a UV cut filter (L-42, manufactured by HOYA). Gas chromatograph (manufactured by Shimadzu Corporation, GC-8A, TCD detector, MS-) shows the amount of hydrogen produced by reducing water and the amount of oxygen produced by oxidizing water for 3 hours after light irradiation. 5A column) was examined over time, and the production rate was calculated. Here, the decompression environment was set to 80 torr, and the semi-atmospheric pressure environment was set to 380 torr. Then, as shown in the following formula, the percentage of the production rate under semi-normal pressure (380 torr) with respect to the production rate under reduced pressure (80 torr) was calculated as the reverse reaction prevention rate (%). That is, when the reverse reaction is completely prevented by the formation of the peeling prevention portion, the hydrogen and oxygen generation rates under reduced pressure and semi-normal pressure are the same values, and the reverse reaction prevention rate is 100%.
Reverse reaction prevention rate (%) = formation rate under semi-normal pressure (380 torr) / formation rate under reduced pressure (80 torr) x 100

導電性粒子としてAuコロイド粒子を共通に含み、剥離防止部の材料が異なる複数の光触媒材の、減圧下(80torr)での水素生成速度(μmol/hr)、半常圧下(380torr)での水素生成速度(μmol/hr)、および逆反応防止率(%)を表1に示す。光触媒材1〜8のいずれも、剥離防止部を有していない光触媒材9に比べて高い逆反応防止率を示し、三酸化二鉄(Fe23)、シリカ(SiOX)、酸化ジルコニウム(ZrO2)、酸化タンタル(Ta25)、酸化セリウム(CeO2)を剥離防止部として用いた場合には、Au粒子表面での逆反応防止効果が得られることが確認された。光触媒材1〜8の逆反応防止率は65%以上と高く、中でも光触媒材3の逆反応防止率は80%を超え、より高かった。これにより、酸化ジルコニウム(ZrO2)を剥離防止部の材料として用いた場合には、高い逆反応防止効果が得られることが確認された。また、光触媒材5、1、2は、減圧下での水素生成速度が、光触媒材9以上に高く、これらの光触媒材が元々優れた水素生成能を有することが確認された。減圧下では、逆反応が生じにくいため、減圧下での水素生成速度が高いことは、光触媒材が元々優れた水素生成能を有すると考えられる。以上より、三酸化二鉄(Fe23)、酸化ジルコニウム(ZrO2)を剥離防止部の材料として用いた場合には、高い逆反応防止効果が得られ、高い水素成生能が得られることが確認された。 Hydrogen production rate (μmol / hr) under reduced pressure (80 torr) and hydrogen under semi-normal pressure (380 torr) of multiple photocatalytic materials that commonly contain Au colloidal particles as conductive particles and have different materials for the peeling prevention part. The production rate (μmol / hr) and the reverse reaction prevention rate (%) are shown in Table 1. All of the photocatalyst materials 1 to 8 show a higher reverse reaction prevention rate than the photocatalyst material 9 having no peeling prevention portion, and are ferric trioxide (Fe 2 O 3 ), silica (SiO X ), and zirconium oxide. It was confirmed that when (ZrO 2 ), tantalum oxide (Ta 2 O 5 ), and cerium oxide (CeO 2 ) were used as the peeling prevention part, the reverse reaction prevention effect on the Au particle surface was obtained. The reverse reaction prevention rate of the photocatalyst materials 1 to 8 was as high as 65% or more, and the reverse reaction prevention rate of the photocatalyst material 3 was higher than 80%. From this, it was confirmed that when zirconium oxide (ZrO 2 ) was used as the material of the peeling prevention portion, a high reverse reaction prevention effect could be obtained. Further, it was confirmed that the photocatalyst materials 5, 1 and 2 had a higher hydrogen generation rate under reduced pressure than the photocatalyst material 9, and that these photocatalyst materials originally had excellent hydrogen production ability. Since the reverse reaction is unlikely to occur under reduced pressure, it is considered that the photocatalytic material originally has excellent hydrogen producing ability because the hydrogen production rate under reduced pressure is high. From the above, when diiron trioxide (Fe 2 O 3 ) and zirconium oxide (ZrO 2 ) are used as the material of the peeling prevention part, a high reverse reaction prevention effect can be obtained and a high hydrogen growth ability can be obtained. It was confirmed that.

剥離防止部の材料と、酸素生成活性(酸素生成速度に基づく逆反応防止率)との関係
上記した水素生成活性の評価方法と同様の方法で、導電性粒子としてAuコロイド粒子を共通に含み、剥離防止部の材料が異なる複数の光触媒材の、減圧下(80torr)での酸素成生速度(μmol/hr)、半常圧下(380torr)での酸素成生速度(μmol/hr)、および逆反応防止率(%)を求めた。結果を表1に示す。光触媒材1〜8のいずれも、剥離防止部を有していない光触媒材9に比べて高い逆反応防止率を示し、三酸化二鉄(Fe23)、シリカ(SiO2)、酸化ジルコニウム(ZrO2)、酸化タンタル(Ta25)、酸化セリウム(CeO2)を剥離防止部の材料として用いた場合には、Au粒子表面での逆反応防止効果が得られることが確認された。光触媒材1、3の逆反応防止率はとりわけ高く、酸化ジルコニウム(ZrO2)を剥離防止部の材料として用いた場合には、高い逆反応防止効果が得られることが確認された。また、光触媒材5、2は、減圧下での酸素生成速度が、光触媒材9より高く、これらの光触媒材が元々優れた酸素生成能を有することが確認された。減圧下では、逆反応が生じにくいため、減圧下での酸素生成速度が高いことは、光触媒材が元々優れた酸素生成能を有すると考えられる。以上より、三酸化二鉄(Fe23)、酸化ジルコニウム(ZrO2)を剥離防止部の材料として用いた場合には、高い逆反応防止効果が得られ、高い酸素生成能が得られることが確認された。
Relationship between the material of the peeling prevention part and the oxygen generation activity (reverse reaction prevention rate based on the oxygen generation rate) Au colloidal particles are commonly contained as conductive particles by the same method as the above-mentioned method for evaluating hydrogen production activity. Oxygen growth rate (μmol / hr) under reduced pressure (80torr), oxygen growth rate (μmol / hr) under semi-normal pressure (380torr), and vice versa of multiple photocatalyst materials with different materials for the peel prevention part. The reaction prevention rate (%) was determined. The results are shown in Table 1. All of the photocatalyst materials 1 to 8 show a higher reverse reaction prevention rate than the photocatalyst material 9 having no peeling prevention portion, and are ferric trioxide (Fe 2 O 3 ), silica (SiO 2 ), and zirconium oxide. It was confirmed that when (ZrO 2 ), tantalum oxide (Ta 2 O 5 ), and cerium oxide (CeO 2 ) were used as the material of the peeling prevention part, the reverse reaction prevention effect on the Au particle surface was obtained. .. It was confirmed that the reverse reaction prevention rates of the photocatalyst materials 1 and 3 were particularly high, and that a high reverse reaction prevention effect was obtained when zirconium oxide (ZrO 2 ) was used as the material of the peeling prevention portion. Further, it was confirmed that the photocatalyst materials 5 and 2 had a higher oxygen generation rate under reduced pressure than the photocatalyst material 9, and that these photocatalyst materials originally had excellent oxygen generation ability. Since the reverse reaction is unlikely to occur under reduced pressure, it is considered that the photocatalytic material originally has excellent oxygen producing ability because the oxygen generation rate under reduced pressure is high. From the above, when diiron trioxide (Fe 2 O 3 ) and zirconium oxide (ZrO 2 ) are used as the material of the peeling prevention part, a high reverse reaction prevention effect can be obtained and a high oxygen generation ability can be obtained. Was confirmed.

剥離防止部を含まない光触媒材9にあっては、表1にも示すように、減圧下での水素の生成量は2.88μmol/hrであったのに対し、逆反応防止率は54%と低かった。 In the photocatalyst material 9 not including the peeling prevention portion, as shown in Table 1, the amount of hydrogen produced under reduced pressure was 2.88 μmol / hr, whereas the reverse reaction prevention rate was 54%. It was low.

これに対し、導電性粒子としてAuコロイド粒子を含み、酸化ジルコニウム剥離防止部の厚さが異なる光触媒材1〜4にあっては、剥離防止部の厚さが10nm以下のときは、減圧下での水素発生速度はさほど低下しなかったが、20nmまで厚くなると、水素生成速度は大きく低下した。また、剥離防止部の厚さが10nmまでは、厚さに応じて逆反応防止率が増加した。一方、剥離防止部の厚さが20nmと厚いと、逆反応防止率が低下した。以上より、剥離防止部を金属モノマーより形成する場合、その厚さは50nm以下が好ましいことが確認された。 On the other hand, in the case of photocatalyst materials 1 to 4 containing Au colloidal particles as conductive particles and having different thicknesses of the zirconium oxide peeling prevention portion, when the thickness of the peeling prevention portion is 10 nm or less, the pressure is reduced. The hydrogen generation rate did not decrease so much, but when the thickness was increased to 20 nm, the hydrogen generation rate decreased significantly. Further, when the thickness of the peeling prevention portion was up to 10 nm, the reverse reaction prevention rate increased according to the thickness. On the other hand, when the thickness of the peeling prevention portion was as thick as 20 nm, the reverse reaction prevention rate decreased. From the above, it was confirmed that when the peeling prevention portion is formed of a metal monomer, the thickness thereof is preferably 50 nm or less.

剥離防止部を含まない光触媒材9にあっては、表1にも示すように、減圧下での酸素の生成量は1.26μmol/hrであったのに対し、逆反応防止率は56%と低かった。 In the photocatalyst material 9 not including the peeling prevention portion, as shown in Table 1, the amount of oxygen produced under reduced pressure was 1.26 μmol / hr, whereas the reverse reaction prevention rate was 56%. It was low.

これに対し、導電性粒子としてAuコロイド粒子を含み、酸化ジルコニウム剥離防止部の厚さが異なる光触媒材1〜4にあっては、剥離防止部の厚さが10nm以下のときは、減圧下での酸素生成速度はさほど低下しなかったが、20nmまで厚くなると、酸素生成速度は大きく低下した。また、剥離防止部の厚さが10nmまでは、厚さに応じて逆反応防止率が概ね増加した。一方、剥離防止部の厚さが20nmと厚いと、逆反応防止率が低下した。以上より、剥離防止部を金属モノマーより形成する場合、その厚さは50nm以下が好ましいことが確認された。 On the other hand, in the case of photocatalyst materials 1 to 4 containing Au colloidal particles as conductive particles and having different thicknesses of the zirconium oxide peeling prevention portion, when the thickness of the peeling prevention portion is 10 nm or less, the pressure is reduced. The oxygen production rate did not decrease so much, but when the thickness was increased to 20 nm, the oxygen production rate decreased significantly. Further, when the thickness of the peeling prevention portion was up to 10 nm, the reverse reaction prevention rate was generally increased according to the thickness. On the other hand, when the thickness of the peeling prevention portion was as thick as 20 nm, the reverse reaction prevention rate decreased. From the above, it was confirmed that when the peeling prevention portion is formed of a metal monomer, the thickness thereof is preferably 50 nm or less.

Figure 0006901718
Figure 0006901718

Claims (6)

基材と、
前記基材上に設けられた光触媒層と、
を含む光触媒材であって、
前記光触媒層は、
水素発生用可視光応答型の複数の第1の光触媒粒子と、
酸素発生用可視光応答型の複数の第2の光触媒粒子と、
前記複数の第1の光触媒粒子同士の間、前記複数の第2の光触媒粒子同士の間、前記複数の第1の光触媒粒子と前記複数の第2の光触媒粒子との間、前記複数の第1の光触媒粒子と前記基材との間、および前記複数の第2の光触媒粒子と前記基材との間、の少なくとも一部に設けられた剥離防止部と、
前記複数の第1の光触媒粒子、前記複数の第2の光触媒粒子、および前記剥離防止部、の間に設けられた細孔と、
を含み、
前記第1の光触媒粒子および前記第2の光触媒粒子の平均一次粒子径は100nm以上5000nm以下であり、
前記細孔径は20nm以上500nm以下であり、
前記剥離防止部は、金属の水酸化物、酸化物およびリン酸塩からなる群より選ばれる少なくとも1種を含み、
前記剥離防止部の厚みの平均は50nm以下であり、
前記光触媒層は、前記第1の光触媒粒子と前記第2の光触媒粒子とを電気的に接続する複数の導電性粒子をさらに含み、
前記導電性粒子の表面は、
前記第1の光触媒粒子と物理的に接触する第1領域と、
前記第2の光触媒粒子と物理的に接触する第2領域と、
前記第1および第2の光触媒粒子のいずれとも接触しない第3領域と、
を少なくとも有し、
前記剥離防止部は前記第3領域の少なくとも一部にも設けられる被覆層である、
光触媒材。
With the base material
The photocatalyst layer provided on the base material and
It is a photocatalytic material containing
The photocatalyst layer is
A plurality of first photocatalytic particles of the visible light responsive type for hydrogen generation,
A plurality of visible light responsive second photocatalytic particles for oxygen evolution,
Between the plurality of first photocatalyst particles, between the plurality of second photocatalyst particles, between the plurality of first photocatalyst particles and the plurality of second photocatalyst particles, the plurality of first photocatalyst particles. A peeling prevention portion provided at least in a part between the photocatalyst particles of the above and the base material, and between the plurality of second photocatalyst particles and the base material.
The pores provided between the plurality of first photocatalyst particles, the plurality of second photocatalyst particles, and the peeling prevention portion, and the like.
Including
The average primary particle diameter of the first photocatalyst particles and the second photocatalyst particles is 100 nm or more and 5000 nm or less.
The pore diameter is 20 nm or more and 500 nm or less.
The peeling prevention portion contains at least one selected from the group consisting of metal hydroxides, oxides and phosphates.
The average thickness of the peeling prevention portion is 50 nm or less.
The photocatalyst layer further contains a plurality of conductive particles that electrically connect the first photocatalyst particles and the second photocatalyst particles.
The surface of the conductive particles is
A first region that is in physical contact with the first photocatalytic particles,
A second region that is in physical contact with the second photocatalytic particle,
A third region that does not come into contact with any of the first and second photocatalytic particles,
Have at least
The peeling prevention portion is a coating layer provided on at least a part of the third region.
Photocatalytic material.
前記剥離防止部は、Fe23、CeO2、ZrO2、SiO2、Ta25およびTiO2からなる群より選ばれる少なくとも1種を含む、請求項1に記載の光触媒材。 The photocatalytic material according to claim 1, wherein the peeling prevention portion contains at least one selected from the group consisting of Fe 2 O 3 , CeO 2 , ZrO 2 , SiO 2 , Ta 2 O 5 and TiO 2. 前記剥離防止部の厚みの平均は2.5nm以上20nm以下である、請求項1または2に記載の光触媒材。 The photocatalytic material according to claim 1 or 2, wherein the average thickness of the peeling prevention portion is 2.5 nm or more and 20 nm or less. 前記剥離防止部は、第1の光触媒粒子、第2の光触媒粒子、および前記導電性粒子のそれぞれの外表面を覆うように配置されている、請求項1〜のいずれか1項に記載の光触媒材。 The peeling prevention portion according to any one of claims 1 to 3 , wherein the peeling prevention portion is arranged so as to cover the outer surfaces of the first photocatalyst particles, the second photocatalyst particles, and the conductive particles. Photocatalytic material. 請求項1〜4のいずれか1項に記載の光触媒材の製造方法であって、
前記第1の光触媒粒子と溶媒とを含む分散液を前記基材に適用後、乾燥させ、前記細孔を有する第1の構造層を形成する工程と、
金属モノマー、金属オリゴマーおよび金属ポリマーからなる群より選ばれる少なくとも1種を含む溶液を前記第1の構造層の表面に適用後、乾燥させ、前記剥離防止部を形成する工程と、
を含む、光触媒材の製造方法。
The method for producing a photocatalytic material according to any one of claims 1 to 4.
A step of applying the dispersion liquid containing the first photocatalytic particles and the solvent to the base material and then drying the dispersion to form the first structural layer having the pores.
A step of applying a solution containing at least one selected from the group consisting of a metal monomer, a metal oligomer, and a metal polymer to the surface of the first structural layer and then drying the solution to form the peeling prevention portion.
A method for producing a photocatalytic material, including.
前記分散液は、さらに導電性粒子を含む、請求項5に記載の製造方法。 The production method according to claim 5, wherein the dispersion liquid further contains conductive particles.
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