JP7058151B2

JP7058151B2 - 窒化タンタル結晶

Info

Publication number: JP7058151B2
Application number: JP2018044988A
Authority: JP
Inventors: 美育高野; 将治鈴木; 賢太増田; 克己松井
Original assignee: Taiheiyo Cement Corp
Current assignee: Taiheiyo Cement Corp
Priority date: 2018-03-13
Filing date: 2018-03-13
Publication date: 2022-04-21
Anticipated expiration: 2038-03-13
Also published as: JP2019156673A

Description

本発明は、窒化タンタル結晶及びそれを含有する光触媒に関する。

窒化タンタルは、紫外光よりもエネルギー変換効率の高い可視光で活性を示す光触媒として有用であることが知られている。窒化タンタルの光触媒活性を向上させる技術として（１）助触媒の担持、及び（２）最大吸収波長の増加が報告されている。助触媒の担持に関する技術としては、窒化タンタルに白金、酸化ニッケル等を付与する方法（特許文献１、２）、窒化タンタルにゲルマニウムを担持する方法（非特許文献１）が報告されている。また、最大吸収波長を増加させる手段としては、酸素量が少なく、純度の高い窒化タンタルが報告されている（特許文献３）。

特開２００２－２３３７６９号公報特開２００４－２３０３０６号公報特開２０１７－１６４７３２号公報

Ge-Mediated Modification in Ta3N5 Photoelectrodes with Enhanced Charge Transport for Solar Water Splitting, Jianyong Feng et al. Chem. Eur. J. 2014, 20, 16384－16390

しかしながら、助触媒を用いる手段では、窒化タンタルに担持する助触媒の量が多くなると、助触媒同士が凝集し、分散度が低下するため、担持できる量に限界がある。また、助触媒として白金などの高価な金属が使用されているため、触媒の価格が高くなる。また、特許文献３の窒化タンタルは最大吸収波長が高いが、さらに優れた光触媒活性が求められる。
従って、本発明の課題は、安価で、より光触媒活性の高い窒化タンタルを提供することにある。

そこで、本発明者は、窒化タンタルの光触媒活性を高めるべく種々検討した結果、窒化タンタルの結晶性及び粒度分布を特定の範囲に調整することにより、光触媒活性が顕著に向上した窒化タンタル結晶が得られ、当該窒化タンタルを用いれば電流密度の高い光触媒用電極が得られることを見出し、本発明を完成した。

すなわち、本発明は、次の〔１〕～〔６〕を提供するものである。

〔１〕Ｘ線回折分析による２θ＝２４．５°のピークの半値幅が０．２３０以下であり、かつ平均粒子径（Ｄ５０）が１μｍ以下である窒化タンタル結晶。
〔２〕Ｄ５０とＤ１０の比（Ｄ５０／Ｄ１０）が２．７以下である〔１〕記載の窒化タンタル結晶。
〔３〕Ｄ１０が０．３０μｍ以上０．４５μｍ以下である〔１〕又は〔２〕記載の窒化タンタル結晶。
〔４〕タンタル化合物をアンモニアガス雰囲気下に加熱し、次いでメカノケミカル処理することを特徴とする〔１〕～〔３〕のいずれかに記載の窒化タンタル結晶の製造法。
〔５〕〔１〕～〔３〕のいずれかに記載の窒化タンタル結晶を含有する光触媒。
〔６〕金属基板に〔１〕～〔３〕のいずれかに記載の窒化タンタル結晶を塗布した光触媒電極である〔５〕記載の光触媒。

本発明の窒化タンタル結晶を有する光触媒電極は、可視光に応答して発生する電流密度が極めて高く、優れた光触媒活性を示す。また、当該窒化タンタル結晶は、タンタル化合物をアンモニアガス雰囲気下で加熱した後、メカノケミカル処理するだけで効率良く、安価に製造できる。

本発明の窒化タンタル（Ｔａ₃Ｎ₅）結晶は、Ｘ線回折分析による２θ＝２４．５°のピークの半値幅が０．２３０以下と小さく、かつ平均粒子径（Ｄ５０）が１μｍ以下と微粒子であることを特徴とする。

窒化タンタルのＸ線回折分析（ＣｕＫα、電流３５０ｍＡ、電圧５０ｋＶ）によるピークのうち２θ＝２４．５°のピークは、窒化タンタル結晶のＸ線回折ピークのうち、最も相対強度が高いものである。本発明の窒化タンタル結晶は、当該２θ＝２４．５°のピークの半値幅が０．２３０以下と小さく、結晶性が極めて高く、結晶子サイズが大きい。より好ましい半値幅は０．２００以上０．２３０以下である。当該半値幅が小さく、結晶子が大きいことにより、本発明窒化タンタル結晶の光触媒活性が顕著に向上する。

本発明の窒化タンタル結晶の平均粒子径（Ｄ５０）は１μｍ以下である。より好ましいＤ５０は、０．３μｍ以上１μｍ以下であり、さらに好ましくは０．５μｍ以上１μｍ以下である。Ｄ５０がこのように小さいことにより、窒化タンタル粒子内での電子の授受が容易になり、光触媒活性が顕著に向上する。ここで、Ｄ５０はＪＩＳＲ１６２９「ファインセラミックス原料のレーザ回折・散乱法による粒子径分布測定法」で測定した平均粒子径（Ｄ５０）である。

また、本発明の窒化タンタル結晶のＤ１０（粒子径の小さい方からの累積１０％粒子径）は、光触媒活性の向上の点から、０．３０μｍ以上０．４５μｍ以下が好ましく、０．３１μｍ以上０．４２μｍ以下がより好ましい。
Ｄ５０とＤ１０の比（Ｄ５０／Ｄ１０）は、２．７以下が好ましく、１．５以上２．７以下がより好ましく、１．８以上２．５以下がさらに好ましい。

本発明の窒化タンタル結晶のＢＥＴ比表面積は、光触媒活性向上の点から、７．３～１０．０ｍ²／ｇが好ましい。ここでＢＥＴ比表面積は、一点法により測定した値である。

本発明の窒化タンタル結晶は、タンタル化合物をアンモニアガス雰囲気下に加熱し、次いでメカノケミカル処理することにより製造することができる。

原料として用いられるタンタル化合物としては、金属タンタル、Ｔａ₂Ｏ₅が挙げられる。金属タンタルを原料として用いる場合には、金属タンタルを粉砕処理しておくのが好ましい。

窒化する際のアンモニアガスの流量は、金属タンタルを原料とする場合は金属タンタル１ｇに対し０．０３Ｌ／ｍｉｎ以上０．５Ｌ／ｍｉｎ以下が好ましい。またＴａ₂Ｏ₅を原料とする場合は、Ｔａ₂Ｏ₅１ｇに対し０．０５Ｌ／ｍｉｎ以上０．８Ｌ／ｍｉｎが好ましい。

窒化する温度（加熱温度）は、８００℃以上９５０℃以下が好ましい。加熱時間は１０時間以上４０時間以下が好ましい。反応に用いる装置は、１０００℃以上の加熱に耐えられる装置であればよく、管状炉、電気炉、バッチ式キルン、ロータリーキルンが好ましい。

窒化反応により得られた窒化タンタルをメカノケミカル処理することにより、本発明の窒化タンタル結晶が得られる。メカノケミカル処理としては、窒化タンタルを不活性ガス雰囲気の容器内で粉砕媒体を用いて粉砕する処理が挙げられる。不活性ガスとしては、アルゴン、窒素などが用いられる。粉砕媒体としては、ボール、ビーズ等が挙げられる。粉砕処理は、容器内でボールやビーズと窒化タンタルに振動や回転を与えて衝突と粉砕を行えばよい。かかるメカノケミカル処理により、窒化タンタル結晶が前記の半値値とＤ５０を有する微細粒子になる。

本発明の窒化タンタル結晶は、可視光応答型光触媒活性が高く、光触媒として有用である。例えば、金属基板に窒化タンタル結晶を塗布すれば、優れた光触媒活性を有する光触媒電極が得られる。本発明により得られる光触媒電極は、０．１ｍＡ／ｃｍ²以上の高い電流密度を有する。

光触媒電極に用いられる金属基板としては、Ｔｉ、Ｉｎ、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｔａ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｓｎ、Ｚｎなどが挙げられる。金属基板への窒化タンタルの塗布手段としては、スピンコート、ディップコート、スパッタリング法、粒子転写法（ＣｈｅｍｉｃａｌＳｃｉｅｎｃｅ，２０１３）、ドクターブレード法（精密工学会誌Ｖｏｌ．５６，２，（２０００））等が挙げられる。

本発明の可視光応答型光触媒を用いれば、水の還元、酸化等を行うことができ、水素や酸素の生成効率が向上する。

次に実施例を挙げて本発明を更に詳細に説明する。

試験方法１（窒化タンタル結晶の製造法）１）窒化タンタルの合成方法
原料である酸化タンタルを、露点を－９０℃以下に保っているグローブボックス内にて炉心管に、酸化タンタルを５ｇ入れ、両端をシリコンキャップで密閉した。グローブボックスから取り出した炉心管をアンモニア雰囲気下にて加熱処理し、窒化タンタルを合成した。
２）窒化タンタルのメカノケミカル処理
露点を－９０℃以下に保っているグローブボックス内にて、内容積２５０ｃｍ³のＳＵＳ製ミル容器に合成した窒化タンタル５ｇとＳＵＳ製のビーズ１００ｇをそれぞれ投入した。グローブボックスからとりだしたミル容器を１５０ｒｐｍで所定時間、回転させた。なお、回転数は、ミル容器内のビーズが回転し、窒化タンタルをメカノケミカル処理するのに必要な回転数を検討し、最適化したものである。

試験方法２（窒化タンタルの評価）
１）ＸＲＤによる鉱物相および半値幅測定
Ｂｒｕｋｅｒ社製ＸＲＤ（Ｄ８ａｄｖａｎｃｅ）を用い鉱物相の同定を行い、得られたＸＲＤパターンから、２θ＝２４．５°（Ｃｕｋα、電流：３５０ｍＡ、電圧：５０ｋＶ）の半値幅を読み取った。
２）平均粒子径の測定
マイクロトラック・ベル社製レーザー回折式粒度分布測定装置（ＭＴ３３００ＥＸII）により、粒度分布を測定し、Ｄ１０及びＤ５０の値を算出した。
３）ＢＥＴ比表面積の測定
島津製作所社製一点式ＢＥＴ比表面積計（フローソーブ２３０５）により、ＢＥＴ比表面積を測定した。

試験方法３（光触媒活性）１）光触媒電極の作製
窒化タンタルを０．０５ｇ秤量し、スクリュー管にとり、分散媒として２－プロパノールを加えた。窒化タンタルと２－プロパノールの入ったスクリュー管超音波洗浄機の中に設置し、３０分間、超音波をかけ、２－プロパノール中に窒化タンタルを分散させた。
スピンコーターにセットしたチタン基板に、窒化タンタルの分散液を厚さ０．３ｍｍのチタン基板に数滴垂らした後、チタン基板を回転させ、基板全体に分散液を塗布した。分散液を塗布したチタン基板は分散媒が揮発するまで乾燥させた。
乾燥後、ローラープレス機を用いて、窒化タンタル粉末を基板に圧着させた。このとき、ローラープレスのギャップは０．１５ｍｍであり、基板にかかる圧力は１ｔであった。基板の裏面に銅線をはんだ付けした。チタン基板が露出している面をエポキシ系接着剤「アラルダイト」（登録商標）で覆い、乾燥させた。

２）光触媒電極の評価方法
（ｉ）電極面積の計測
電極表面の写真を撮影し、面積測定ソフト「長さ・面積測定ｖｅｒ２．２」を用いて、電極表面の面積を計測した。
（ii）光触媒電極の電流密度の測定
電極の電量密度の評価に用いた装置の構成は以下の表の通りである。

電極を測定装置にセットし、はじめにＣＶ（ｃｙｃｌｉｃｖｏｌｔａｍｍｅｔｒｙ）測定を行った。－１．０７Ｖから０．３４Ｖまで５０ｍＶ／ｓで電位を掃引した。電位の掃引は８サイクル行った。次にＰＥＣ（ｐｈｏｔｏ－ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌｃｅｌｌ）測定を行った。測定開始と同時に、光源を点灯させた。－１．０７Ｖから０．３４Ｖまで１０ｍＶ／ｓで電位を掃引した。
測定によって得られた電流値は、電極面積で割り、電流密度を求めた。また、電極電位（Ｅ_Ag/AgC）は電解液のｐＨの影響を排除するため、以下の式により、ＲＨＥ電位（Ｅ_RHE）に換算した。

（数１）
Ｅ_ＲＨＥ＝Ｅ_{Ａｇ／ＡｇＣｌ}＋０．０５９×ｐＨ＋０．１９９

ＲＨＥ電位（Ｅ_ＲＨＥ）が１．２３Ｖのときの電流密度を読み取った。

実施例１
内容積２５０ｃｍ³のＳＵＳ製ミル容器に合成した窒化タンタル５ｇとＳＵＳ製でφ１ｍｍのビーズ１００ｇをそれぞれ投入し、１５０ｒｐｍで４時間、回転させた。粉砕した窒化タンタルの半値幅は０．２１３°であり、Ｄ５０が１．０μｍ、であった。この窒化タンタルを用いて光触媒電極を作製し、その電流密度を測定したところ、０．１３ｍＡ／ｃｍ²であった。

実施例２
粉砕時間を６時間にした以外は、実施例１と同様に行った。
粉砕した窒化タンタルの半値幅は０．２０９°であり、Ｄ５０が０．７μｍであった。この窒化タンタルを用いて光触媒電極の電流密度は、０．２３ｍＡ／ｃｍ²であった。

実施例３
ＳＵＳ製でφ２ｍｍのビーズを用いた以外は、実施例２と同様に行った。
粉砕した窒化タンタルの半値幅は０．２０７°であり、Ｄ５０が０．９μｍ、であった。この窒化タンタルを用いて光触媒電極の電流密度は、０．２８ｍＡ／ｃｍ²であった。

実施例４
粉砕時間を１０時間にした以外は、実施例３と同様に行った。
粉砕した窒化タンタルの半値幅は０．２０７°であり、Ｄ５０が０．６μｍ、であった。この窒化タンタルを用いて光触媒電極の電流密度は、０．２７ｍＡ／ｃｍ²であった。

比較例１
合成した窒化タンタルは半値幅が０．４５２°であり、Ｄ５０が６．４μｍであった。これを粉砕せずに用いて、光触媒電極を作製し、電流密度を測定したところ、０．０２ｍＡ／ｃｍ²であった。

比較例２
粉砕時間を１時間にした以外は、実施例１と同様に行った。
粉砕した窒化タンタルの半値幅は０．２４９°であり、Ｄ５０が４．６μｍであった。この窒化タンタルを用いて光触媒電極の電流密度は、０．０９ｍＡ／ｃｍ²であった。

比較例３
粉砕時間を２時間にした以外は、比較例２と同様に行った。
粉砕した窒化タンタルの半値幅は０．２６３°であり、Ｄ５０が１．６μｍ、であった。この窒化タンタルを用いて光触媒電極の電流密度は、０．０６ｍＡ／ｃｍ²であった。

窒化工程の合成で得られた比較例１は、半値幅が０．４５２°、Ｄ５０が６．４μｍであり、そのときの電流密度は０．０２ｍＡ／ｃｍ²であった。
実施例１～４は、比較例１の窒化タンタル（窒化工程の合成で得られた窒化タンタル）を表２のメカノケミカル処理を行った。実施例１～４は、半値幅が、０．２０７～０．２１３°、Ｄ５０が０．６～１．０μｍであり、そのときの電流密度は０．１３～０．２８ｍＡ／ｃｍ²となった。電流密度は、比較例１よりも高くなり、また比較例２と３よりも高いことから、光触媒活性が向上している。
比較例２と３は、比較例１の窒化タンタル（窒化工程の合成で得られた窒化タンタル）を表２のメカノケミカル処理を行った。比較例２と３は、半値幅が、０．２４９°と０．２６３°、Ｄ５０が４．６μｍと１．６μｍであり、そのときの電流密度は０．０９ｍＡ／ｃｍ²と０．０６ｍＡ／ｃｍ²となった。電流密度は、比較例１よりは高くなり、光触媒活性が向上しているが、実施例１～４よりは低いため、光触媒活性としては低いと考えられる。

Claims

タンタル化合物をアンモニアガス雰囲気下に加熱し、次いでメカノケミカル処理することを特徴とする、Ｘ線回折分析による２θ＝２４．５°のピークの半値幅が０．２３０°以下であり、かつ平均粒子径（Ｄ５０）が０．３μｍ以上１μｍ以下であり、Ｄ１０が０．３０μｍ以上０．４５μｍ以下であり、Ｄ５０とＤ１０の比（Ｄ５０／Ｄ１０）が２．７以下である窒化タンタル（Ｔａ₃Ｎ₅）粉末の製造法。