JP7032744B2 - チタニア多孔体及びその製法 - Google Patents
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Description
全体がチタニアで構成されたチタニア多孔体であって、
三次元網目構造を形成するチタニア骨格と、
前記三次元網目構造の網目部分である一次細孔と、
前記チタニア骨格の表面に設けられた二次細孔と、
を備えたものである。
(a1)所定の液体に溶解する可溶性粒子と、チタン(IV)アルコキシドと、キレート剤と、ポロゲンと、無機塩とを含み、前記可溶性粒子が分散した分散液を静置状態でゲル化する工程と、
(a2)得られたゲルから前記キレート剤を除去する工程と、
(a3)前記キレート剤を除去した後のゲルを前記所定の液体に浸漬し、前記可溶性粒子を前記所定の液体に溶解させたあと所定の焼成温度で焼成することにより、上述したチタニア多孔体を得るか、又は、前記キレート剤を除去した後のゲルを所定の焼成温度で焼成したあと前記所定の液体に浸漬し、前記可溶性粒子を前記所定の液体に溶解させることにより、上述したチタニア多孔体を得る工程と、
を含むか、
(b1)所定の温度で焼失する可燃性粒子と、チタン(IV)アルコキシドと、キレート剤と、ポロゲンと、無機塩とを含み、前記可燃性粒子が分散した分散液を静置状態でゲル化する工程と、
(b2)得られたゲルから前記キレート剤を除去する工程と、
(b3)前記キレート剤を除去した後のゲルを所定の焼成温度で焼成することにより、上述したチタニア多孔体を得る工程と、
を含むものである。
製造例1は、(a1)所定の液体に溶解する可溶性粒子と、チタン(IV)アルコキシドと、キレート剤と、ポロゲンと、無機塩とを含み、可溶性粒子が分散した分散液を静置状態でゲル化する工程と、(a2)得られたゲルからキレート剤を除去する工程と、(a3)キレート剤を除去した後のゲルを所定の液体に浸漬し、可溶性粒子を所定の液体に溶解させたあと所定の焼成温度で焼成することにより、チタニア多孔体10を得るか、又は、キレート剤を除去した後のゲルを所定の焼成温度で焼成したあと所定の液体に浸漬し、可溶性粒子を所定の液体に溶解させることにより、チタニア多孔体10を得る工程と、を含む。
可溶性粒子としては、所定の液体に溶解する粒子を用いる。所定の液体としては、例えばアルカリ溶液などが挙げられる。その場合、可溶性粒子としては、アルカリ溶液に溶解する粒子を用いる。そのような粒子としては、例えばシリカ粒子やケイ酸塩粒子(ケイ酸ガラス粒子等)などが挙げられる。シリカ粒子は、二次細孔を形成するために用いられるものであり、粒径としては、7~500nmが好ましく、20~300nmがより好ましく、30~200nmが更に好ましい。シリカ粒子には親水性のものと疎水性のものとがあるが、どちらを採用してもよい。シリカ粒子としては、例えば日本触媒製のシーホスター(登録商標)KE-S10、KE-P10、日本アエロジル製の商品名NAX-50などが挙げられる。可溶性粒子の使用量は、チタン(IV)アルコキシドに対して重量比で2~50%であることが好ましく、5~30%であることがより好ましい。
得られたゲルからキレート剤を除去する。キレート剤としてβ-ケトエステルを用いた場合には、アルコール-水混合液を用いてキレート剤を除去する。この工程はアルコール濃度の異なるアルコール-水混合液を用いて段階的に行う。すなわち、最初はアルコール濃度の濃い混合液にゲルを浸漬し、次の段階以降は、ゲルを浸漬する混合液のアルコール濃度を徐々に薄くなるようにする。この工程では、β-ケトエステルが加水分解したあと脱炭酸が起こるためガスが発生する。そのため、この工程は、容器を密閉せず開放した状態で行うことが好ましい。なお、得られたゲルを直ちに水に浸漬すると、キレート剤の分解による炭酸ガスが急激に発生してクラックが生じるため好ましくない。キレート剤を除去することにより、得られたゲルのチタニアはアモルファスから結晶(例えばアナターゼ型結晶)に変化すると考えられる。
キレート剤を除去した後のゲルを所定の液体に浸漬し、可溶性粒子を所定の液体に溶解させてゲルから除去したあと、所定の焼成温度で焼成することにより、上述したチタニア多孔体10を得る。このように焼成前に可溶性粒子をエッチングする方式を、以下「焼成前エッチング方式」と称する。可溶性粒子の除去により、チタニア骨格の表面に付着していた可溶性粒子が溶解してチタニア骨格の表面にピットが形成される。このときの模式図を図3に示す。このピットが最終的にチタニア多孔体10の二次細孔16になる。そのため、可溶性粒子の粒径を調整することにより二次細孔16の孔径を制御することができる。また、可溶性粒子の添加量を調整することにより二次細孔16のトータルの体積を制御することができる。一方、焼成温度は400~1200℃(好ましくは400~1100℃、より好ましくは400~1000℃)の範囲に設定することが好ましい。この範囲であれば、ゲル内に残存していた有機化合物(例えばキレート剤)はほとんど焼失する。焼成温度が400~600℃ではアナターゼ型を形成し、600℃より高くなるとルチル型が増えてくる。一次細孔14の孔径は、ポロゲンの分子量や添加量やゲル化温度を調整することにより制御することができる。
製造例2は、(b1)所定の温度で焼失する可燃性粒子と、チタン(IV)アルコキシドと、キレート剤と、ポロゲンと、無機塩とを含み、可燃性粒子が分散した分散液をゲル化する工程と、(b2)得られたゲルからキレート剤を除去する工程と、(b3)キレート剤を除去した後のゲルを所定の焼成温度で焼成することにより、チタニア多孔体10を得る工程と、を含む。
可燃性粒子としては、所定の温度で焼失する粒子を用いる。所定の温度としては、例えば工程b3での焼成温度が挙げられる。こうした可燃性粒子としては、例えばアクリル系粒子、メラミン系粒子、ポリエステル系粒子、ポリスチレン系粒子、ナイロン系粒子等の有機粒子などが挙げられる。このうち、アクリル系粒子が容易に焼失させることができるため好ましい。可燃性粒子の使用量は、チタン(IV)アルコキシドに対して重量比で1~50%であることが好ましく、3~25%であることがより好ましい。チタン(IV)アルコキシド、キレート剤、ポロゲン及び無機塩については、既に工程a1において説明したため、ここではその説明を省略する。
この工程は、工程a2と同じであるため、ここではその説明を省略する。
キレート剤を除去した後のゲルを所定の焼成温度で焼成することにより、チタニア多孔体10を得る。焼成時、チタニア骨格の表面に付着していた可燃性粒子が焼失してチタニア骨格の表面にピットが形成される。焼成温度は400~1200℃(好ましくは400~1100℃、より好ましくは400~1000℃)の範囲に設定することが好ましい。この範囲であれば、ゲル内に残存していた有機化合物(例えばキレート剤)はほとんど焼失する。焼成温度が400~600℃ではアナターゼ型を形成し、600℃より高くなるとルチル型が増えてくる。一次細孔14の孔径は、ポロゲンの分子量や添加量やゲル化温度を調整することにより制御することができる。一方、可燃性粒子の粒径を調整することにより最終的に得られるチタニア多孔体10の二次細孔16の孔径を制御することができる。また、可燃性粒子の添加量を調整することにより二次細孔16のトータルの体積を制御することができる。
・ゲル化工程
7号サンプル管にチタン(IV)プロポキシド(アルドリッチ製)5.04g、アセト酢酸エチル(東京化成製)2.58g、1-プロパノール(東京化成製)2.01gを秤量後、撹拌して均一な混合溶液とした。その混合溶液に可溶性粒子として親水性シリカ粒子(日本触媒製、シーホスター(登録商標)KE-S 10、粒径約100nm)を0.756g(15wt%/チタン(IV)プロポキシド)を加えてスターラーで均一になるまで撹拌した。次に、その混合溶液に分子量1万のポリエチレングリコール(アルドリッチ製)0.40gを入れて60℃下で溶解させた後、液温を40℃まで下げた。次に、スターラーで十分に撹拌しながら1Mの硝酸アンモニウム水溶液1mLを少しずつ3分間かけて滴下し、透明で黄色の重合液を得た。重合液の入ったスクリュー管瓶からスターラーの撹拌子を取り出した後、ふたをして40℃の恒温槽中に静置して24時間、ゲル化反応を行った。
エチルアルコール(和光純薬製)の濃度の異なる第1~第4溶液を調製した。エチルアルコール:水(質量比)は、第1溶液では9:1、第2溶液では6:4、第3溶液では3:7、第4溶液では0:10とした。まず、ゲル化を終了した容器に、第1溶液を容器一杯に入れ、常温で1日静置後にその溶液を廃棄した。続いて、第2溶液を容器一杯に入れ、常温で1日静置後にその溶液を廃棄する、という操作を第3溶液、第4溶液についても順次繰り返し行い、段階的にキレート剤の除去を行った。この工程では、キレート剤であるアセト酢酸エチルが加水分解されてアセト酢酸になり、そのアセト酢酸が速やかに脱炭酸してアセトンと炭酸ガスが生成した。
キレート剤を除去したゲルを入れた容器に、1Mの水酸化ナトリウム水溶液を43mL入れ、室温で2日静置後に水溶液を廃棄し、その後イオン交換水で数回洗浄し、得られたゲルを自然乾燥した。これにより、チタニア骨格の表面に付着していたシリカ粒子が水酸化ナトリウム水溶液に溶解してチタニア骨格の表面にピットが形成された。続いて、自然乾燥した後の乾燥したゲルを、毎分1℃の昇温速度で600℃まで昇温した後、その温度で2時間保持して焼成した。このようにして焼成前エッチング方式により、チタニア多孔体を得た。得られたチタニア多孔体は、一次細孔の孔径が4.3μm、二次細孔の孔径が90nm、三次細孔の孔径が6.2nmであった。孔径は、以下のようにして求めた。すなわち、一次細孔の孔径は水銀圧入法により0.2μm~200μmの範囲を測定し(図4参照)、二次細孔及び三次細孔の孔径はBET法比表面積測定により2.5nm~200nm(0.2μm)の範囲を測定した(図5参照)。また、チタニア多孔体の比表面積をBET法で測定したところ、104m2/gであった。更に、チタニア多孔体の空隙率を測定したところ、47%であった。この空隙率は、BET法比表面積測定により2.5nmから200nmまでの全細孔容積(cm3/g)を二酸化チタンの比重を4として計算した二酸化チタンモノリスの骨格内の空隙率である(一次細孔の空隙分は含まない)。
実施例2,3では、疎水性シリカ粒子として日本アエロジル製の商品名NAX-50(粒径約40nm)を用い、その添加量をそれぞれ0.454g、0.353gとした以外は、実施例1と同様にしてチタニア多孔体を製造した。得られたチタニア多孔体は、実施例2では一次細孔が3.8μm、二次細孔が87nm、実施例3では一次細孔が3.9μm、二次細孔が76nmであった。なお、孔径は実施例1と同じように測定した。また、チタニア多孔体の比表面積をBET法で測定したところ、実施例2では78m2/g、実施例3では34.3m2/gであった。更に、チタニア多孔体の空隙率を測定したところ、実施例2では42%、実施例3では36%であった。
実施例4では、シリカ粒子除去及び焼成工程として実施例1とは異なる以下の工程を採用した以外は、実施例1と同様にしてチタニア多孔体を製造した。実施例4では、シリカ粒子除去及び焼成工程において、まず、キレート剤を除去したゲルを毎分1℃の昇温速度で600℃まで昇温した後、その温度で2時間保持して焼成した。その後、焼成体を1Mの水酸化ナトリウム水溶液に入れて室温で1日静置することにより、焼成体からシリカ粒子を溶解除去し、イオン交換水で数回洗浄し、自然乾燥した。このようにして焼成後エッチング方式により、チタニア多孔体を得た。得られたチタニア多孔体は、一次細孔が3.2μm、二次細孔が79nmであった。なお、孔径は実施例1と同じように測定した。また、チタニア多孔体の比表面積をBET法で測定したところ、101m2/gであった。更に、チタニア多孔体の空隙率を測定したところ、46%であった。
・ゲル化工程
ガラス製の5号のスクリュー管瓶にチタン(IV)プロポキシド(アルドリッチ製)5.04g、アセト酢酸エチル(東京化成製)2.58g、1-プロパノール(東京化成製)2.01gを秤量後、撹拌して均一な混合溶液とした。その混合溶液に可燃性粒子としてアクリル粒子(綜研化学製、MP-1451、平均粒径150nm)を0.504g(10wt%/チタン(IV)プロポキシド)を加えてスターラーで均一になるまで撹拌した。次に、その混合溶液に分子量1万のポリエチレングリコール(アルドリッチ製)0.40gを入れて60℃下で溶解させた後、液温を40℃まで下げた。次に、スターラーで十分に撹拌しながら1Mの硝酸アンモニウム水溶液1mLを少しずつ3分間かけて滴下し、透明で黄色の重合液を得た。重合液の入ったスクリュー管瓶からスターラーの撹拌子を取り出した後、ふたをして40℃の恒温槽中に静置して24時間、ゲル化反応を行った。
実施例1のキレート剤除去工程と同様にしてキレート剤の除去を行い、その後、イオン交換水で洗浄した後、自然乾燥を行った。
自然乾燥後のゲルを、毎分1℃の昇温で600℃にした後2時間保持して焼成した。これにより、アクリル粒子が焼失されると共にチタニアゲルが焼成されてチタニア多孔体を得た。得られたチタニア多孔体は、一次細孔が4.3μm、二次細孔が95nmであった。なお、孔径は実施例1と同じように測定した。また、チタニア多孔体の比表面積をBET法で測定したところ、143m2/gであった。更に、チタニア多孔体の空隙率を測定したところ、55%であった。
実施例6では、キレート剤を除去したゲルを毎分1℃の昇温速度で800℃まで昇温したこと以外は、実施例4と同様にしてチタニア多孔体を製造した。得られたチタニア多孔体の特性を表1に示す。このチタニア多孔体のXRDチャートを用いてRIR法で定量分析を行ったところ、ルチル型が2.5%、残りがアナターゼ型であった。
実施例7では、親水性シリカ粒子として日本アエロジル製の商品名OX-50(粒径約40nm)を用いた以外は、実施例6と同様にしてチタニア多孔体を製造した。得られたチタニア多孔体の特性を表1に示す。
実施例8では、キレート剤を除去したゲルを毎分1℃の昇温速度で1000℃まで昇温したこと以外は、実施例4と同様にしてチタニア多孔体を製造した。得られたチタニア多孔体の特性を表1に示す。このチタニア多孔体のXRDチャートを用いてRIR法で定量分析を行ったところ、ルチル型が100%であった。
実施例9では、キレート剤を除去したゲルを毎分1℃の昇温速度で1200℃まで昇温したこと以外は、実施例4と同様にしてチタニア多孔体を製造した。得られたチタニア多孔体の特性を表1に示す。なお、実施例9のチタニア多孔体は、ルチル化への昇温後の保持時間が長くなっていることでルチル相内の構造の再編が十分に進み、ピークが明確でなくなったことから、三次細孔の孔径を確定することはできなかった。
実施例1のゲル化工程において、シリカ粒子とポリエチレングリコールを添加せずにゲル化反応を行い、シリカ粒子除去及び焼成工程において、シリカ粒子を除去する処理(水酸化ナトリウム水溶液にシリカ粒子を溶解する処理)を行わなかった以外は、実施例1と同様にしてチタニア焼成体を得た。得られたチタニア焼成体は、一次細孔も二次細孔もないチタニアの塊であった。
実施例1のゲル化工程において、シリカ粒子を添加せずにゲル化反応を行い、シリカ粒子除去及び焼成工程において、シリカ粒子を除去する処理(水酸化ナトリウム水溶液にシリカ粒子を溶解する処理)を行わなかった以外は、実施例1と同様にしてチタニア焼成体を得た。得られたチタニア焼成体は、一次細孔(孔径2.5μm)を有するが、二次細孔のないものであった。なお、孔径は実施例1と同じように測定した。
Claims (10)
- 全体がチタニアで構成されたチタニア多孔体であって、
三次元網目構造を形成するチタニア骨格と、
前記三次元網目構造の網目部分である一次細孔と、
前記チタニア骨格の表面に設けられた二次細孔と、
を備え、
前記一次細孔の孔径は、0.05~50μmであり、
前記二次細孔の孔径は、20~200nmである、
チタニア多孔体。 - 全体がチタニアで構成されたチタニア多孔体であって、
三次元網目構造を形成するチタニア骨格と、
前記三次元網目構造の網目部分である一次細孔と、
前記チタニア骨格の表面に設けられた二次細孔と、
前記チタニア骨格の表面に設けられ、前記二次細孔よりも孔径が小さい三次細孔と、
を備え、
BET法比表面積測定で得られる前記チタニア多孔体の孔径分布を示すグラフは、前記二次細孔の孔径のピークと前記三次細孔の孔径のピークとを有する双峰性の分布を持つ、
チタニア多孔体。 - 前記三次細孔の孔径は、10~100nmである、
請求項2に記載のチタニア多孔体。 - ルチル型である、
請求項2又は3に記載のチタニア多孔体。 - 全体がチタニアで構成されたチタニア多孔体であって、三次元網目構造を形成するチタニア骨格と、前記三次元網目構造の網目部分である一次細孔と、前記チタニア骨格の表面に設けられた二次細孔と、を備えたチタニア多孔体、又は請求項1~4のいずれか1項に記載のチタニア多孔体を製造する方法であって、
(a1)所定の液体に溶解する可溶性粒子と、チタン(IV)アルコキシドと、キレート剤と、ポロゲンと、無機塩とを含み、前記可溶性粒子が分散した分散液を静置状態でゲル化する工程と、
(a2)得られたゲルから前記キレート剤を除去する工程と、
(a3)前記キレート剤を除去した後のゲルを前記所定の液体に浸漬し、前記可溶性粒子を前記所定の液体に溶解させたあと所定の焼成温度で焼成することにより、請求項1~3のいずれか1項に記載のチタニア多孔体を得るか、又は、前記キレート剤を除去した後のゲルを所定の焼成温度で焼成したあと前記所定の液体に浸漬し、前記可溶性粒子を前記所定の液体に溶解させることにより、前記チタニア多孔体を得る工程と、
を含むチタニア多孔体の製法。 - 前記所定の液体は、アルカリ溶液であり、
前記可溶性粒子は、シリカ粒子又はケイ酸塩粒子である、
請求項5に記載のチタニア多孔体の製法。 - 全体がチタニアで構成されたチタニア多孔体であって、三次元網目構造を形成するチタニア骨格と、前記三次元網目構造の網目部分である一次細孔と、前記チタニア骨格の表面に設けられた二次細孔と、を備えたチタニア多孔体、又は請求項1~4のいずれか1項に記載のチタニア多孔体を製造する方法であって、
(b1)所定の温度で焼失する可燃性粒子と、チタン(IV)アルコキシドと、キレート剤と、ポロゲンと、無機塩とを含み、前記可燃性粒子が分散した分散液を静置状態でゲル化する工程と、
(b2)得られたゲルから前記キレート剤を除去する工程と、
(b3)前記キレート剤を除去した後のゲルを所定の焼成温度で焼成することにより、前記チタニア多孔体を得る工程と、
を含むチタニア多孔体の製法。 - 前記所定の温度は、前記所定の焼成温度であり、
前記可燃性粒子は、有機粒子である、
請求項7に記載のチタニア多孔体の製法。 - 前記所定の焼成温度は、400~1200℃である、
請求項5~8のいずれか1項に記載のチタニア多孔体の製法。 - 前記工程(a3)では、前記キレート剤を除去した後のゲルを900~1200℃の焼成温度で焼成したあと前記所定の液体に浸漬し、前記可溶性粒子を前記所定の液体に溶解させることにより、請求項4に記載のチタニア多孔体を得る、
請求項5又は6に記載のチタニア多孔体の製法。
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