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
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Description
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。
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。
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。
(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TiO2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TiO2が83%、及びルチル相TiO2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K2Ti4O9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。
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K2Ti4O9粉末を得た。
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K2Ti4O9粉末を得た。
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、500o℃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K2Ti4O9パウダーを得た。
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K2Ti4O9粉末を得た
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K2Ti4O9粉末を得た
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K2Ti6O13パウダーを得た
上記の実施例1(a)で製造された約0.7gのアンドープK2Ti4O9(Ex-1)と、0.7gのTiO2(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。
物理混合物Ex-AA、Ex-AB、Ex-ACは、それぞれ、Pt K2Ti4O9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K2Ti4O9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)。
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K2Ti4O9と、0.7gのTiO2(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。
CE-1(P25、エボニック)は分散させる粉体にK2Ti4O9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。
CE-2(ST-01)は分散する粉体にK2Ti4O9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。
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CO2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/cm2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。
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CO2をモニターした。50mW/cm2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。
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。
Claims (19)
- 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。 - 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。
- 前記複数相のn型半導体は、アナターゼ相にTiO2を含み、ルチル相にTiO2を含む、請求項2に記載の光触媒材料。
- 前記複数相のn型半導体は、約83%のアナターゼ相TiO2及び約17%のルチル相TiO2を含む、請求項2に記載の光触媒材料。
- 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。
- 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TiO2を含む、請求項5に記載の光触媒材料。
- 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TiO2を含む、請求項5又は6に記載の光触媒材料。
- 第2のn型半導体は、式K2TinO(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。
- 前記チタン酸カリウムは、K2Ti4O9を含む、請求項8に記載の光触媒材料。
- 前記チタン酸カリウムは、K2Ti6O13を含む、請求項8に記載の光触媒材料。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 前記紫外線源は、約300nm~約420nmの間の波長域及び約15mW/cm2の出力を有する、請求項15に記載の方法。
- 前記紫外線源は、約365nmの波長及び約50mW/cm2の出力を有する、請求項15に記載の方法。
- 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。
- 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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