JP7084509B2 - 紫外活性化光触媒材料及び揮発性化合物分解におけるその使用 - Google Patents

紫外活性化光触媒材料及び揮発性化合物分解におけるその使用 Download PDF

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Description

(関連出願への相互参照)
本出願は、2018年6月27日に出願された米国仮特許出願第62/690,777号、及び、018年8月30日に出願された62/725,104号の利益を主張し、その全体が参照により組み込まれる。
(技術分野)
本開示は、紫外線活性化光触媒応用において有用な不均一n型半導体材料を記載する。
二酸化チタン(TiO)及び他のチタン系半導体は、光触媒特性を有する。これらの材料を活性化するのに必要なエネルギーは、通常、電磁スペクトルの紫外線領域にある。KTi等の紫外活性光触媒材料は、揮発性有機化合物(VOC)よりも高い酸化還元電位を有することができる。このように、活性化された光触媒は、トルエン等のVOCをCOやHOに酸化分解することができるが、これはVOC物質と比較して、光触媒材料のバンドギャップが広く及び/又は価電子バンドの位置が深いためであると考えられる。しかしながら、多くのチタン系光触媒材料は、VOCの完全な酸化分解に必要な所望のレベルの光触媒活性を示さない。さらに、多くのチタン系光触媒は、チタン系光触媒の失活の原因であると考えられる光触媒作用中の表面炭化の欠点を有する。これらの欠点のために、これらの材料は、空気の処理において微量のVOCを除去するために広く探求されていない。
揮発性有機化合物の分解のための改良された光触媒が必要とされている。また、改善された耐久性を有する光触媒材料が必要とされている。
本開示は、第1のn型半導体と第2のn型半導体との混合物を含む光触媒材料に関する。いくつかの実施形態では、第1のn型半導体が複数相のn型半導体とすることができる。複数相のn型半導体は、アナターゼ相及びルチル相のn型半導体を含むことができる。いくつかの実施形態では、複数相のn型半導体は、83%アナターゼ相TiO及び17%ルチル相TiO、例えば、P25(エボニック)であり得る。いくつかの実施形態では、単相のn型半導体は、アナターゼ相のn型半導体、例えば、ST-01とすることができる。いくつかの実施形態は、式KTi(2n+1)を有する混合チタナイトを含む第2のn型半導体を含む。ここで、n=2、4、6、又は8である。いくつかの実施形態では、第1のn型半導体及び第2のn型半導体は、第1のn型半導体の重量比が約40wt%~約60wt%、第2のn型半導体の重量比が約60wt%~約40wt%存在する。いくつかの実施形態では、半導体は、個別の粒子の物理的混合物であってもよい。いくつかの実施形態では、光触媒材料は、貴金属をさらに含むことができる。いくつかの実施態様において、第2のn型半導体は、貴金属でドープされる。いくつかの実施形態では、貴金属は、ロジウム、ルテニウム、パラジウム、銀、オスミウム、白金又は金であってもよい。いくつかの実施形態では、貴金属の重量比は、約0.001wt%~約1.0wt%とすることができる。
2つのn型半導体の混合物は、TiO自身の価電子バンドよりも深い価電子バンドを有することができ、半導体は、互いに電荷担体連絡するために物理的に又は化学的に接している。これらの半導体材料は、光触媒材料の紫外線活性を高めるために及び/又は耐久性を改善するために(すなわち、経時的に光触媒活性を維持するために)使用することができる。光触媒材料は、抗菌(明暗)活性、抗ウイルス活性、揮発性有機化合物(VOC)の分解及び/又は水溶液中の色素変色を有する及び/又は増強するために有用である。
そのような光触媒材料のいくつかは、(a)第1のn型半導体と、(b)第2のn型半導体とを含み、第1のn型半導体は約40wt%~60wt%の光触媒材料を含み、第2のn型半導体は第1のn型半導体及び第2のn型半導体が約100wt%の光触媒材料を含むように、約60wt%~40wt%の光触媒材料を含む。
いくつかの実施形態は、本開示の光触媒半導体を利用して揮発性化学化合物又はVOCを分解する方法を含み、紫外線源で活性化されてもよい。いくつかの実施形態では、本明細書に記載の光触媒は、当技術分野で公知の半導体と比較して、改善された性能及び/又は改善された安定性を有する。
図1は、種々の材料の価電子エネルギーバンドを有する伝導エネルギーバンド間の関係を示す概略図である。 図1Aは、種々の材料の価電子エネルギーバンドを有する伝導エネルギーバンド間の関係を示す概略図である。 図2は、ガストルエン含有量に対するCE-1(P25のみ)の紫外線活性化光触媒活性を経時的に示すグラフである。 図3は、ガストルエン含有量に対するCE-1(P25のみ)の紫外線活性化光触媒活性を経時的に示す別のグラフである。 図4は、Ex-A(50wt%P25:50wt%非ドープ混合チタン酸塩)の、ガストルエン含有量に対する紫外線活性化光触媒活性を経時的に示すグラフである。 図5は、Ex-2(50wt%P25:50wt%混合チタン酸塩:0.075wt%Pt)のガストルエン含有量に対する紫外線活性化光触媒活性を経時的に示すグラフである。 図6は、Ex-2(50wt%P25:50wt%混合チタン酸塩:0.150wt%Pt)のガストルエン含有量に対する紫外線活性化光触媒活性を経時的に示すグラフである。 図7は、Ex-2(50wt%P25:50wt%混合チタン酸塩:0.075wt%Pt)のガストルエン含有量に対する紫外線活性化光触媒活性を経時的に示すグラフである。 図8は、Ex-2(50wt%P25:50wt%混合チタン酸塩:0.075wt%Pt)のガストルエン含有量に対する紫外線活性化光触媒活性を経時的に示すグラフである。 図9は、ロクタイトUV源のUV発光スペクトルを示すグラフである。 UV発光ダイオード光源のUV発光スペクトルを示すグラフである。 図11は、ガストルエン含有量に対するCE-1(P25)の紫外線活性化光触媒活性を経時的に示すグラフである。 図12は、気体CO含有量に対するCE-1(P25)の紫外活性化光触媒活性を経時的に示すグラフである。 図13は、Ex-AC(50wt%P25:50wt%混合チタン酸塩:0.348wt%Pt)の紫外線活性化光触媒活性を、ガストルエン含有量に対して経時的に示すグラフである。 図14は、経時的な気体CO含有量に対するEx-AC(50wt%のP25:50wt%の混合チタン酸塩:0.348wt%のPt)の紫外線活性化光触媒活性を示すグラフである。
(詳細な説明)
紫外線によって活性化されるn型半導体の混合物を含む光触媒材料を本明細書に記載する。一部の実施形態は、第1のn型半導体及び第2のn型半導体を含む不均質材料を含む。いくつかの実施形態では、本明細書に記載される光触媒材料は、抗菌活性、抗ウイルス活性、揮発性有機化合物(VOC)の分解及び/又は水溶液中の色素変色を有する及び/又は増強するために有用である。
いくつかの実施態様において、光触媒材料は、第1のn型半導体及び第2のn型半導体を含む。いくつかの例では、第1のn型半導体は、複数相のn型半導体を含むことができる。いくつかの実施形態では、複数相のn型半導体は、アナターゼ相及びルチル相を含むTiOである。いくつかの実施形態では、アナターゼ相は、複数のn型半導体の総重量の約2.5%~約97.5%、約2.5~5%、約5~10%、約10~15%、約15~20%、約20~25%、約25~30%、約30~35%、約35~40%、約40~45%、約45~50%、約50~55%、約55~60%、約60~65%、約65~70%、約75~80%、約80~85%、約85~90%、約90~95%、約95~97.5%、又は約83%であり得る。いくつかの実施形態では、ルチル相は、複数のn型半導体の総重量の約2.5%~約97.5%、約2.5~5%、約5~10%、約10~15%、約15~20%、約20~25%、約25~30%、約30~35%、約35~40%、約45~50%、約50~55%、約55~60%、約60~65%、約65~70%、約70~75%、約75~80%、約80~85%、約85~90%、約90~95%、約95~97%、又は約17%であり得る。いくつかの実施形態では、複数相のn型TiO材料は、80~90%のアナターゼ相及び20~10%のルチル相である。いくつかの実施形態では、複数相のn型TiO材料は、87%のアナターゼ相及び17%のルチル相である。好適な材料の例としては、エボニック(パーシッパニー、NJ、USA)により販売されている商標名P25(83%アナターゼTiO+17%ルチルTiO)を有するTiOがあげられるが、これに限定されない。
いくつかの実施態様において、第1のn型半導体は、単相のn型半導体を含む。いくつかの実施形態では、単相のn型半導体は、実質的にアナターゼ相TiOのみを含むことができる。いくつかの実施形態では、例えば、アナターゼ相は、n型半導体の全重量の約95wt%超、約96wt%超、約97wt%超、約97.5wt%超、約98wt%超、約98.5wt%超、又は99.0wt%超である。好適な材料としては、例えば、石原産業株式会社(日本)により商標名ST-01で販売されているアナターゼTiOがあげられるが、これに限定されない。いくつかの実施形態では、アナターゼ相は、燃焼合成TiOであり得る。
光触媒材料中にある第2のn型半導体は、混合チタン酸塩を含むことができる。「混合チタン酸塩」という用語は、Ti、O及び少なくとも別の元素、例えば、アルカリ金属イオン、希土類金属イオン、ニオブ及びタンタルを含む化合物を指す。一部の金属イオンには、Ta、Nb、K、Ca、Cu、Mg、又はLaが含まれる。いくつかの実施形態において、混合チタン酸塩は、限定されない実施例として、KTi、KTi13、KNb17、KLaTi10及び/又はMTi2n+1であってもよく、Mは、アルカリ金属イオン(例えば、K、Na、Li、Rb等)であり得、nは、≧0.5であり得、例えば、n=1、2、3、4、5、6、7、及び/又は8であり得る。いくつかの実施形態では、Mは、Hであってもよい。いくつかの例では、Mは、テトラアルキルアンモニウムカチオン、例えば、テトラブチルアンモニウム(TBA)であってもよい。いくつかの実施形態では、混合チタン酸塩は、燃焼合成することができる。いくつかの例では、混合チタン酸塩はまた、金属チタン酸塩と呼ばれてもよい。いくつかの実施形態では、混合チタン酸塩は、固体状態で合成することができる。いくつかの実施形態では、混合チタン酸塩は、水熱合成することができる
いくつかの実施形態では、光触媒材料は、第1のn型半導体(アナターゼ及び/又はルチルTiO)と第2のn型半導体(混合チタン酸塩)との混合物を含むことができる。いくつかの実施形態では、混合物は、物理的混合物である。いくつかの実施形態では、混合物は、単相又は複数相のTiO及び/又は混合チタン酸塩粒子の個別の別個の粒子であってもよい。いくつかの例では、粒子は、電荷キャリア通信状態にある。いくつかの実施形態では、第1のn型半導体(単相及び/又は複数相TiO)及び第2のn型半導体(混合チタン酸塩)は、互いにほぼ均一に分散させることができる。この分散を達成するための適切な方法は、十分な時間(例えば、1~5分、5~10分、10~15分、15~20分、20~30分、30~60分、60~90分、3分、又は30分)、粒子を超音波処理又は音響的に混合することである。
いくつかの実施形態では、第1の複数相のn型半導体(例えば、TiO)及び第2のn型半導体(例えば、KTi又はKTi13等のKTi(2n+1))のwt%比は、約40~42wt%、42~44wt%、44~46wt%、46~48wt%、48~50wt%、50~52wt%、52~54wt%、54~56wt%、56~58wt%、58~60wt%、40~45wt%、45~50wt%、50~55wt%、55~60wt%、40~50wt%、50~60wt%、又は約50wt%の複数相のn型半導体対、約40~42wt%、42~44wt%、44~46wt%、46~48wt%、48~50wt%、50~52wt%、52~52wt%、52wt%~54wt%、54~56wt%、56~58wt%、58~60wt%、40~45wt%、45~50wt%、50~55wt%、55~60wt%、40~50wt%、50~60wt%、又は約50wt%の第2のn型半導体であり得る。いくつかの実施形態では、第1の複数相のn型半導体の重量パーセンテージ及び第2のn型半導体の重量パーセンテージは、光触媒材料の総重量パーセンテージの100重量パーセントである。いくつかの実施態様において、第1の単相のn型半導体(例えば、TiO)及び第2のn型半導体(例えば、KTi又はKTi13等のKTi(2n+1))のwt%比は、約40~42wt%、42~44wt%、44~46wt%、46~48wt%、48~50wt%、50~52wt%、52~54wt%、54~56wt%、56~58wt%、58~60wt%、40~45wt%、45~50wt%、50~55wt%、55~60wt%、40~50wt%、50~60wt%、又は約50wt%の第1単相のn型半導体対、約40~42wt%、42~44wt%、44~46wt%、46~48wt%、48~50wt%、50~52wt%、52~54wt%、54~56wt%、56~58wt%、58~60wt%、40~45wt%、45~50wt%、50~55wt%、55~60wt%、40~50wt%、50~60wt%、又は約50wt%の第2のn型半導体の重量率であり得る。いくつかの実施形態では、第1の単相のn型半導体の重量パーセンテージ及び第2のn型半導体の重量パーセンテージは、光触媒材料の総重量パーセンテージの100重量パーセントである。
いくつかの実施形態では、光触媒材料は、貴金属を含むことができる。いくつかの実施形態において、貴金属は、ロジウム、ルテニウム、パラジウム、銀、オスミウム、白金又は金であり得る。いくつかの実施形態において、貴金属は、銀、金又は白金であり得る。いくつかの実施形態では、貴金属は白金であり得る。いくつかの実施形態では、貴金属の重量比は、複合体の全重量の約0.001wt%~約1.0wt%とすることができる。いくつかの実施形態では、貴金属の重量比は、複合材全体の約0.001~0.005wt%、0.005~0.01wt%、約0.01~0.015wt%、約0.015~0.02wt%、約0.02~0.025wt%、約0.025~0.03wt%、約0.03~0.035wt%、約0.035~0.04wt%、約0.04~0.045wt%、約0.045~0.05wt%、約0.05~0.055wt%、約0.055~0.06wt%、約0.06~0.065wt%、約0.065~0.07wt%、約0.07~0.075wt%、約0.075~0.08wt%、約0.08~0.085wt%、約0.085~0.09wt%、約0.09~0.095wt%、約0.095~0.01wt%、約0.1~0.15wt%、約0.15~0.2wt%、約0.2~0.25wt%、約0.25~0.3wt%、約0.3~0.35wt%、約0.35~0.4wt%、約0.4~0.45wt%、約0.45~0.5wt%、約0.5~0.55wt%、約0.55~0.6wt%、約0.6~0.65wt%、約0.65~0.7wt%、約0.7~0.75wt%、約0.75~0.8wt%、約0.8~0.85wt%、約0.8~0.85wt%、約0.85~0.9wt%、約0.9~0.95wt%、約0.95~0.1wt%、約0.1~0.2wt%、約0.2~0.3wt%、約0.3~0.4wt%、約0.4~0.5wt%、約0.5~0.6wt%、約0.6~0.7wt%、約0.7~0.8wt%、約0.8~0.9wt%、約0.9~1wt%、約0.001~0.3wt%、約0.3~0.6wt%、約0.6~1wt%、約0.03wt%、約0.075wt%、約0.15wt%、又は約0.35wt%であり得る。
いくつかの実施形態では、光触媒材料の第2のn型半導体に貴金属をドープすることができる。いくつかの実施態様において、ドープされた第2のn型半導体は、貴金属をドープした金属チタン酸塩である。いくつかの実施形態において、金属チタン酸塩は、KTi(2n+1)可能である。いくつかの実施形態では、金属チタン酸塩はKTi又はKTi13を含み、貴金属は、シルバー、ゴールド又はプラチナを含む。いくつかの実施形態では、金属チタン酸塩はKTiであり、貴金属はプラチナである。いくつかの実施形態では、金属チタン酸塩はKTi13であり、貴金属はプラチナである。いくつかの実施形態では、貴金属の重量比は、第2のn型半導体の全重量の約0.001wt%~約1.0wt%とすることができる。いくつかの実施形態では貴金属(金、銀、又は白金等)の重量比は、第2のn型半導体の全重量の約0.001~0.005wt%、約0.005~0.01、約0.01~0.015wt%、約0.015~0.02wt%、約0.02~0.025wt%、約0.025~0.03wt%、、約0.03~0.035wt%、約0.035~0.04wt%、約0.04~0.045wt%、約0.045~0.055wt%、約0.055~0.06wt%、約0.06~0.065wt%、約0.065~0.07wt%、約0.07~0.075wt%、約0.0750~0.080wt%、約0.080~0.085wt%、約0.085~0.09wt%、約0.09~0.095wt%、約0.095~0.01wt%、約0.1~0.15wt%、約0.15~0.2wt%、約0.2~0.25wt%、約0.25~0.3wt%、約0.3~0.35wt%、約0.35~0.4wt%、約0.4~0.45wt%、約0.45~0.5wt%、約0.5~0.55wt%、約0.55~0.6wt%、約0.6~0.65wt%、約0.65~0.7wt%、約0.7~0.75wt%、約0.75~0.8wt%、約0.8~0.85wt%、約0.85~0.9wt%、約0.95%~1wt、約0.001~0.1wt%、約0.1~0.2wt%、約0.2~0.3wt%、約0.3~0.4wt%、約0.4~0.5wt%、約0.5~0.6wt%、約0.6~0.7wt%、約0.7~0.8wt%、約0.8~0.9wt%、約0.9~1wt%、約0.3~0.6wt%、約0.6~1wt%、約0.03wt%、約0.075wt%、約0.15wt%、又は約0.35wt%であり得る。
伝導バンドとは、電子は、その原子と結合するのを自由にして「非局在化電子」として材料の原子格子内を自由に移動するのに十分なほど高い電子エネルギーの範囲である(図1及び1A参照)。半導体では、価電子バンドは、電子が通常絶対零度で存在する電子エネルギーの最高範囲である。価電子は、伝導電子(半導体に見られる)とは対照的に、実質的に個々の原子に結合しており、材料の原子格子内でより自由に動くことができる。材料の電子バンド構造のグラフ上では、価電子バンドは一般に伝導バンドの下に位置し、絶縁体や半導体ではバンドギャップによって分離されている。導体のようないくつかの材料では、伝導バンドは、価電子バンドから分離する識別可能なエネルギーギャップを実質的に有さない。伝導バンド及び価電子バンドは、例えば、価電子バンド準位エネルギーは、伝導バンド準位エネルギーよりも高いか、又は低い負である場合に、実際に重複し得る。
種々の材料はそれらのバンドギャップによって分類され得る;例えば、価電子バンドと伝導バンドとの間のエネルギーの差によって分類される。非伝導体(例えば、絶縁体)では、伝導バンドは価電子バンドよりもはるかに高いエネルギーであるため、価電子を変位させて効果的に電気を伝えるにはエネルギーがかかりすぎる。これらの絶縁体は、バンドギャップがゼロでないと言われている。通常の状況下で自由電子が多い金属のような導電体では、伝導バンドは価電子バンドと重なる-バンドギャップはない-ため、価電子を変位させるのに、付加的な付加エネルギーはほとんどか全くかからない。半導体では、バンドギャップは200nmから1000nmのオーダー(1.24eVから6.2eVのオーダー)で小さい。これは、半導体の電子を価電子バンドから別のエネルギー準位に移動させ、電気を伝導させるのに(熱又は光の形態で)比較的少ないエネルギーしか必要とせず、従って半導体という名前であると考えられる。
本明細書に記載される光触媒材料は、揮発性有機化合物の光化学分解のために使用され得る。トルエンと酸素の酸化還元反応では、トルエンの酸化とOの還元が対になっている。トルエンの酸化電位は約2.85eVである。Oの低減ポテンシャルは約-0.05eVである。いくつかの実施形態では、結果として、十分に大きなバンドギャップ、例えば、約2.85eV及び約2.90eVである0.05eVは、前述の反応を達成するのに有益である。さらに、光触媒材料のバンドギャップの相対的な位置決めは重要な考慮事項である。ある実施形態では、バンドギャップの深さはTiOの深さに比較的近いはずであり、例えば、KTiは少なくとも約+2.85eVであり得る。金属チタン酸塩の貴金属ドーピングは、これらの材料の伝導バンドと価電子バンドの両方に影響を及ぼすことが観測された。これらの考慮に入れた光触媒材料の選択は、上述の材料、例えば、KTi及びKTi13等、及び、KTi、KTi13の貴金属ドープバージョンによって示される改善された光触媒活動を提供すると考えられる。
いくつかの実施形態では、記載される不均質材料は、光触媒活性を有する。不均質材料は、抗菌性(明暗);抗ウイルス性;揮発性有機化合物(VOC)を分解することができ;及び/又は食品添加物染料を変色することができる。食品添加染料の適切な非限定的な例には、Natural Blue Colored powder(Color Maker、アナハイム、カルフォルニア、USA)及び/又はFD&C blue No. 2 synthetic food additive dye food additive dye(Synthetic blue colored powder、クロマテック社、ミシガン、USA)が含まれる。
本明細書に記載される光触媒不均質材料はまた、耐久性(有効時間)を増大させることができ、従って、他の光触媒組成物と比較して、経時的に活性を維持することができる。
当業者は、不均質材料は、揮発性有機化合物(VOC)を分解するかどうかを決定する方法を認識する。いくつかの実施形態では、化合物を分解する方法は、紫外線の存在下で、本明細書に記載される均一な材料を含む光触媒に化学化合物を暴露することを含む。不均一材料は、揮発性有機化合物を分解するかどうかを決定する1つの例は、電磁放射線、例えば、紫外線/光の下で有機化合物の分解を評価することによることができる。ある実施形態では、初期トルエン濃度の減少又は損失パーセンテージを測定することによってトルエン分解を決定することは、揮発性有機化合物の分解を決定するための1つの潜在的な方法であり、例えば、経時的な0%損失から100%損失の範囲である。別の実施形態では二酸化炭素(CO)の形成、又はCOの濃度の増大率を測定することによってトルエン分解を決定することは、揮発性有機化合物の分解に関する光触媒組成物の特性を決定するための潜在的な方法であり、例えば、(最初のトルエン濃度における炭素の量に基づいて)0%~100%のCOの形成の範囲である。光触媒組成物は、トルエンの分解等の分解試験におけるその性能に関して特徴付けられ得る。トルエン損失及び/又はCO生成の計測時間は、1~10時間、1~5分、5~30分、30~60分、60~90分、90~120分、120~150分、150~180分、180~210分、210~240分、240~270分、270~300分、300~330分、330~360分、360~390分、390~420分、420~450分、450~480分、480~510分、510~540分、540~570分、570~600分、1時間、又は2時間とすることができる。測定中、光触媒材料は、50mW/cmパワーを有する単一波長365nmのUV LED、又は15mW/cmパワーを有する300~420nmの広い波長のロクタイトUV等の紫外光に暴露される。いくつかの実施形態では、UV活性化不均質材料への暴露後、分解は、トルエンの初期量の少なくとも50%、50~55%、55~60%、60~65%、65~70%、70~75%、75~80%、80~85%、85~90%、90~95%、95~100%、又は100%である。いくつかの実施形態では、紫外線活性化不均一材料に曝露した後のCOの生成は、最初のトルエン量の少なくとも50%、50~55%、55~60%、60~65%、65~70%、70~75%、75~80%、80~85%、85~90%、90~95%、95~100%、又は100%である。
当業者は、不均質材料は、食品添加物又は染料を変色させるかどうかを決定する方法を認識する。食品添加物染料の変色を決定する一例は、食品染料添加物の初期量の経時的な減少又は損失パーセンテージを測定することによってなし得る。一例では、食品添加物は、天然アントシアニン食品添加物染料又はFDC食品添加物染料であり得る。いくつかの実施形態では、食品色素添加剤の変色は、45mW/cm電力で455nmで発光する青色発光ダイオードで5時間後に0%~60%でなし得る。いくつかの実施形態では、分解は、不均質材料に暴露した後の天然アントシアニン食品添加物染料の初期量の少なくとも25%、少なくとも30%、少なくとも40%、少なくとも50%、及び/又は少なくとも60%である。
当業者は不均質な光触媒材料が経時的に活性を維持するかどうか、例えば、不均質な材料の耐久性を決定する方法を認識する。トルエンの光触媒分解を、本開示の光触媒Ex-ACを使用する場合、活性の損失が観察されずに、3サイクル繰り返したが(図13及び14を参照)、一方、既知の光触媒P25を使用する場合、活性の実質的な損失が観察された(図11及び12を参照)。
いくつかの実施形態において、抗細菌活性の保持は、85%相対湿度及び85℃に少なくとも7日間暴露した後に観察され得る。
典型的であるが非限定的な実施形態は、以下の通りである:
(実施形態1)
光触媒材料であって、以下を含む:
(a)第1のn型半導体、及び、
(b)チタン酸カリウムを含む第2のn型半導体であって、前記光触媒材料が、第1のn型半導体の約40wt%~60wt%、第2のn型半導体の約60wt%~40wt%、及び第1のn型半導体及び第2のn型半導体の合計100wt%を含む、第2のn型半導体。
(実施形態2)
前記第1のn型半導体は、複数相のn型半導体である、実施形態1の光触媒材料。
(実施形態3)
前記複数相のn型半導体は、アナターゼ相及びルチル相にTiOを含む、実施形態2に記載の光触媒材料。
(実施形態4)
前記第1のn型半導体は、単相のn型半導体である、実施形態1の光触媒材料。
(実施形態5)
前記単相のn型半導体がアナターゼ相のn型半導体である、実施形態4の光触媒材料。
(実施形態6)
貴金属をさらに含む、実施形態1に記載の光触媒材料。
(実施形態7)
前記貴金属は、銀、金又は白金である、実施態様6に記載の光触媒材料。
(実施形態8)
前記貴金属の重量比は、約0.0wt%~約1.0wt%である、実施形態6に記載の光触媒材料。
(実施形態9)
前記複数相のn型半導体材料は、80%~90%のアナターゼ相及び20%~10%のルチル相である、実施形態2に記載の光触媒材料。
(実施形態10)
前記複数相のn型半導体は、アナターゼ相TiOが83%、及びルチル相TiOが17%である、実施形態2に記載の光触媒材料。
(実施形態11)
チタン酸カリウムがKTiである、実施形態1の光触媒材料。
(実施形態12)
紫外線放射の存在下で化学化合物を実施形態1に記載の光触媒材料に暴露することを含む、化学化合物を分解する方法。
実施例1(a)。n型半導体の合成(Ex-1) KTiの水性燃焼合成
30mlのチタン(IV)ビス(乳酸アンモニウム)二水酸化チタン(乳酸チタン[Tyzor LA]、シグマ アルドリッチ、MO、USA)、3gの酢酸カリウム(20%過剰量)(シグマ アルドリッチ、セントルイス、MO、USA)及び5gの硝酸アンモニウム(シグマ アルドリッチ、セントルイス、MO、USA)の50wt%溶液をガラスビーカー(250mL容量)中に溶解した。この透明溶液を予熱マッフル炉で500℃で燃焼が終わるまで加熱した。燃焼反応は少なくとも15分間継続した。次いで、この多量の粉末を石英ガラス容器に移し、次いで、この粉末を1000℃で12時間アニールして、単相及び結晶性KTi粉末を得た。
実施例1(b)。ドープn型半導体の合成(Ex-2) KTi中の0.348wt%Ptの水性燃焼合成
30gのTyzor LA(チタン前駆体)、3gの酢酸カリウム(20%過剰量)(シグマ アルドリッチ、セントルイス、MO、USA)、0.0365gの硝酸白金アンモニウム(シグマ アルドリッチ、セントルイス、MO、USA)及び5gの硝酸アンモニウム(シグマ アルドリッチ、セントルイス、MO、USA)をガラスビーカー(250mL容量)中に溶解した。この透明溶液を予熱マッフル炉で500℃で燃焼が終わるまで加熱した。燃焼反応は少なくとも15分間継続した。次いで、この多量の粉末を石英ガラス容器に移し、次いで、この粉末を1000℃で12時間アニールして、白金ドープKTi粉末を得た。
実施例1(c)。ドープn型半導体の合成(Ex-3) KTi中の0.15wt%Ptの水性燃焼合成
30gのTyzor LA(チタン前駆体)、3gの酢酸カリウム(20%過剰量)、0.0183gの硝酸白金アンモニウム及び5gの硝酸アンモニウムをガラスビーカー(250mL容量)中に溶解した。この透明な溶剤を、予熱マッフルファーネス中で、500℃で、燃焼が終了するまで加熱した。燃焼反応は少なくとも15分間継続した。次いで、膨大な量のパウダーを融着したシリカ容器に移し、次いで、パウダーを1000℃で12時間アニールして、PtドープKTiパウダーを得た。
実施例1(d)。ドープn型半導体の合成(Ex-4) KTi中の0.075wt%Ptの水性燃焼合成
30gのTyzor LA(チタン前駆体)、3gの酢酸カリウム(20%過剰量)、0.00938gの硝酸白金アンモニウム及び5gの硝酸アンモニウムをガラスビーカー(250mL容量)中に溶解した。この透明溶液を予熱マッフル炉で500℃で燃焼が終わるまで加熱した。燃焼反応は少なくとも15分間継続した。次いで、この多量の粉末を石英ガラス容器に移し、次いで、この粉末を1000℃で12時間アニールして、PtドープKTi粉末を得た
実施例1(e)。ドープn型半導体(Ex-5) KTi中の0.03wt%Ptの水性燃焼合成
30gのTyzor LA(チタン前駆体)、3gの酢酸カリウム(20%過剰量)、0.00469gの硝酸白金アンモニウム及び5gの硝酸アンモニウムをガラスビーカー(250mL容量)中に溶解した。この透明溶液を予熱マッフル炉で500℃で燃焼が終わるまで加熱した。燃焼反応は少なくとも15分間継続した。次いで、この多量の粉末を石英ガラス容器に移し、次いで、この粉末を1000℃で12時間アニールして、PtドープKTi粉末を得た
実施例1(f)。ドープn型半導体の合成(Ex-6) KTi13中の0.075wt%Ptの水性燃焼合成
Tyzor LA(チタン前駆体)、2gの酢酸カリウム(20%過剰量)、0.007gの硝酸白金アンモニウム及び5gの硝酸アンモニウムをガラスビーカー(250mL容量)中に溶解した。この透明溶液を予熱マッフル炉で430℃で燃焼が終わるまで加熱した。燃焼反応は少なくとも15分間継続した。次に、多量の粉末をアルミナ容器に移した。次いで、パウダーを1000℃で12時間アニールして、PtドープKTi13パウダーを得た
実施例2(a)。n型半導体物理混合物の合成(Ex-A) KTi&TiO(P25)のアコースティックミキシング
上記の実施例1(a)で製造された約0.7gのアンドープKTi(Ex-1)と、0.7gのTiO(Aeroxide P25、エボニック、パーシッパニー、NJ、USA)を音響強度40%の設定で3分間混合し(Lab AM[アコースティックミキサー]Resodyn Acoustic Mixers社、ビュート、MT、USA)、130mgの混合パウダーを水バスの2.6g水に30分間曲げた。次に、120℃で蒸発させながら、懸濁粉末130mgを60mm×15mmのペトリ皿に分散させた。
n型半導体物理混合物の合成(Ex-AA、Ex-AB、Ex-AC)
物理混合物Ex-AA、Ex-AB、Ex-ACは、それぞれ、Pt KTiの種々のドープされたレベル(例えば、Ex-AA[0.075wt%Pt]、Ex-AB[0.15wt%Pt]、Ex-AC[0.35wt%Pt])が、Ex-AにおけるようなドープされていないKTiの代わりに使用されたことを除いて、上記Ex-Aに関して記載されたのと同様の方法で製造された(表1を参照のこと)。
Ex-BAは、上述のEx-Aに関する記述と同様の方法で製造されたが、異なるドープチタン酸塩、例えば、KTi13(0.075wt%Ptドープ、Ex-6参照)がKTiの代わりに使用された(表1参照)。
Ex-CAは、P25の代わりに異なる第1のn型半導体材料(ST-01)を使用したことを除いて、上記Ex-Aに関して記載したのと同様の方法で製造された。さらに、2番目のn型材料として0.15wt%PtドープKTi(EX-3)を使用した(実施例2(b)及び表1参照)。
Ex-2A、Ex-3A及びEx-6Aは、ドープされたチタン酸塩(第1のn型半導体材料、例えば、P25がない)のみが超音波処理されたサンプル中にあったことを除いて、上記のEx-Aに関して記載されたのと同様の方法で製造された。
実施例2(b)。n型半導体物理ミックスの合成(Ex-CA) KTi&TiOのアコースティックミキシング(ST-01)
上記の例-1(c)に記載されているように製造された約0.7gのKTiと、0.7gのTiO(ST-01)を、音響法(再同期)を用いて3分間混合した。混合粉末130mgを水浴中2.6gの水中で30分間超音波処理した。次に、120℃で蒸発させながら、懸濁粉末130mgを60mm×15mmのペトリ皿に分散させた。
実施例2(c)。比較例1(CE-1) 半導体分散のみのP25の合成
CE-1(P25、エボニック)は分散させる粉体にKTiが加えられていないことを除き、実施例2(a)と同様の方法で追加の精製を行わずに製造された。
実施例2(d)。比較例1(CE-2) 半導体分散のみのST-01の合成
CE-2(ST-01)は分散する粉体にKTiが追加されていない点を除き、実施例2(a)と同様の方法で追加の精製を行わずに製造された。
実施例3。光触媒(Ex-1A及びCE-1)の実験設定1
ペトリ皿を5LのTedlarバッグに密封し、バッグを2.5Lの空気で満たした(1L/1分、2分間、30秒間)。これに、トルエンボトルのヘッドスペースからの約16mLのトルエン蒸気を注入した。GASTEC管(122L)を用いて最初及び最終トルエン濃度を推定し、光触媒作用の間、PP系を用いてCOをモニターした。トルエンのUV光分解を研究するために、15mW/cm出力のロクタイトUV源を使用した。Loctite UV源からの300~420nmの波長領域を使用した(ロクタイトUV発光スペクトルについては図9を参照のこと)。結果を図2~8に示し、以下の表1に要約する。
Figure 0007084509000001
実施例4。光触媒実験装置2(Ex-AC)
ペトリ皿を5LのTedlarバッグに密封し、バッグを2.5Lの空気で満たした(1L/1分、2分間、30秒間)。これに、トルエンボトルのヘッドスペースからの約16mLのトルエン蒸気を注入した(約110ppmのトルエン)。GASTEC管(122L)を用いて最初及び最終トルエン濃度を推定し、光触媒作用の間、PP系を用いてCOをモニターした。50mW/cm電力を有するUV LED(20ワットUV LED、ラーソンエレクトロニクス、ケンプ、テキサス、USA)源を使用して、トルエンのUV光分解を研究した。光触媒作用の第1サイクルを約1時間実施し、情報を記録した。5Lテドラーバッグを空にし、約100ppmのトルエンで再充填した。UV LEDへの暴露をさらに1時間繰り返し、ガスパラメータを記録した。再充填とUV LEDへの曝露を3回目(3回目)繰り返し、パラメータを記録した。約365nmの波長は、UV LED光源から使用された(UV LED発光スペクトルについては図10を参照)。結果を以下の表2(Ex-AC)及び3(P25のみ[CE-1])に要約し、図11~14に示す。CE-1試料については、光触媒の失活が試料中の黄色の視覚的観察、及びさらなるサイクルでの黄色の形成の増強によって証明されるように起こったと考えられる。しかし、Ex-ACでは、試験中及び試験後の試料中に黄色が観察されなかった。これは、未使用のP25(CE-1)と比較してPtドット光触媒(Ex-AC)の安定性を支持すると考えられる。
Figure 0007084509000002
Figure 0007084509000003
実施例5。光触媒の前処理
130mgの各粉末試料を、最小量の逆浸透精製(RO)水(Ca.1.5mL)中に分散させ、浴超音波処理中で約5分間ホモジナイズした。
清浄なペトリ皿をエタノールで拭き、皿の内面をプラズマ装置で1~2分間イオン化した。各化合物の均一な試料を処理したペトリ皿に注ぎ、次いで、旋回しながら120℃で加熱して、乾燥した試料の均一な分布を増加させた。試料が乾燥した後、ペトリ皿をUVランプ(300W)下に1時間置いた。
特に記載のない限り、規格及びクレームに用いられている成分、分子量、反応条件等の性状を表示する数量はすべて「約」という用語で変更されているものと理解される。したがって、逆に表示されない限り、規格及び添付のクレームに記載されている数値パラメータは、求められている所望の性状によって異なる可能性のある近似値である。最低限でも、特許請求の範囲への均等論の適用を限定する試みとしてではなく、各数値パラメータは、少なくとも、報告された有効数字の数を考慮して、通常の丸め技法を適用することによって解釈されるべきである。
本開示の実施形態を説明する文脈において(特に以下の特許請求の範囲において)使用される用語「a」、「an」、「the」及び類似の指示対象は、本書に別段の記載がない限り、又は文脈によって明らかに矛盾しない限り、単数及び複数の両方を網羅すると解釈される。本明細書で説明されるすべての方法は、本明細書で特に指示がない限り、又は文脈により明らかに矛盾しない限り、任意の適切な順序で実行され得る。本明細書で提供されるありとあらゆる例又は例示的な言葉(例えば、「そのような」)の使用は、単に本開示の実施形態をよりよく例示することを意図しており、請求項の範囲を限定するものではない。明細書中の言葉は、本開示の実施形態の実施に不可欠な、請求されていない要素を示すものと解釈されるべきではない。
本明細書に開示された代替要素又は実施形態のグループ化は、限定として解釈されるべきではない。各グループのメンバーは、個別に、又はグループの他のメンバー又は本明細書で見られる他の要素との任意の組み合わせで、参照及び請求することができる。グループの1つ又は複数のメンバーが、利便性及び/又は特許性の理由でグループに含まれたり、グループから削除されたりすることが予想される。そのような包含又は削除が生じた場合、本明細書は、修正されたグループを含むものとみなされ、従って、添付の特許請求の範囲で使用されるすべてのマーカッシュグループの書面による説明を満たす。
本明細書では、実施形態を、実施するために発明者に知られている最良の形態を含む特定の実施形態が説明されている。もちろん、これらの記載された実施形態の変形は、上述致の説明を読めば当業者に明らかになるであろう。本発明者は、当業者がそのような変形を適切に使用することを期待し、本発明者は、本開示の実施形態が本明細書に具体的に記載されている以外で実施されることを意図する。したがって、請求項には、適用可能な法で許可されているように、請求項に記載されている主題のすべての修正及び同等物が含まれる。さらに、本明細書で特に明記しない限り、又は文脈により明らかに矛盾しない限り、そのすべての可能な変形における上記要素の任意の組み合わせが企図される。
最後に、本明細書で開示される実施形態は、特許請求の範囲の原理を例示するものであることが理解される。採用され得る他の修正は、特許請求の範囲内である。したがって、限定ではなく例として、本明細書の教示にしたがって代替する実施形態を利用することができる。したがって、特許請求の範囲は、示され説明されたとおりの実施形態に厳密に限定されない。

Claims (19)

  1. 光触媒材料であって、以下を含み、
    (a)第1のn型半導体、及び、
    (b)第1のn型半導体が約40wt%~60wt%の光触媒材料を含み、第2のn型半導体が、第1のn型半導体及び第2のn型半導体が約100wt%の光触媒材料を含むように、約60重量%~40重量%の光触媒材料を含む、第2のn型半導体
    ここで、前記第2のn型半導体は貴金属でドープされている、光触媒材料
  2. 前記第1のn型半導体は、複数相のn型半導体である、請求項1に記載の光触媒材料。
  3. 前記複数相のn型半導体は、アナターゼ相にTiOを含み、ルチル相にTiOを含む、請求項に記載の光触媒材料。
  4. 前記複数相のn型半導体は、約83%のアナターゼ相TiO及び約17%のルチル相TiOを含む、請求項2に記載の光触媒材料。
  5. 前記第1のn型半導体は、単相のn型半導体である、請求項1に記載の光触媒材料。
  6. 前記単相のn型半導体は、少なくとも約90%のアナターゼ相のTiOを含む、請求項に記載の光触媒材料。
  7. 前記単相のn型半導体は、少なくとも約95%のアナターゼ相TiOを含む、請求項5又は6に記載の光触媒材料。
  8. 第2のn型半導体は、式KTi(2n+1)(式中、nは2、4、6又は8である)のチタン酸カリウムを含む、請求項1、2、3、4、5、6又は7に記載の光触媒材料。
  9. 前記チタン酸カリウムは、KTiを含む、請求項8に記載の光触媒材料。
  10. 前記チタン酸カリウムは、KTi13を含む、請求項8に記載の光触媒材料。
  11. 前記貴金属は、銀、金、又は白金を含む、請求項1、2、3、4、5、6、7、8、9又は10に記載の光触媒材料。
  12. 前記貴金属は、白金である、請求項1、2、3、4、5、6、7、8、9又は10に記載の光触媒材料。
  13. 前記貴金属は、約0.001wt%~約1wt%の量で第2のn型半導体中に存在する、請求項1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11又は12に記載の光触媒材料。
  14. 前記貴金属は、約0.075wt%~約0.35wt%の量で第2のn型半導体中に存在する、請求項13に記載の光触媒材料。
  15. 揮発性化合物を分解する方法であって、前記揮発性化合物は請求項1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12又は13に記載の光触媒材料に曝露され、前記光触媒材料は紫外線源で活性化される、方法。
  16. 前記紫外線源は、約300nm~約420nmの間の波長域及び約15mW/cmの出力を有する、請求項15に記載の方法。
  17. 前記紫外線源は、約365nmの波長及び約50mW/cmの出力を有する、請求項15に記載の方法。
  18. 揮発性化合物はトルエンであり、光触媒材料は2時間の暴露でトルエンの少なくとも85%を分解する、請求項15、16又は17に記載の方法。
  19. 前記光触媒材料が、トルエン暴露の少なくとも3サイクルにわたって一定レベルの活性を維持する、請求項18に記載の方法。
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