JPH10146531A - Metal superfine particle carrying photocatayst and of its production - Google Patents

Metal superfine particle carrying photocatayst and of its production

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JPH10146531A
JPH10146531A JP9222912A JP22291297A JPH10146531A JP H10146531 A JPH10146531 A JP H10146531A JP 9222912 A JP9222912 A JP 9222912A JP 22291297 A JP22291297 A JP 22291297A JP H10146531 A JPH10146531 A JP H10146531A
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昭雄 原田
Riyuusuke Kamiyama
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain a photocatalytic substance composed of titanium dioxide wherein a particle size of supported metal superfine particles is a nano-scale and increased in photocatalytic efficiency. SOLUTION: A particle size of metal superfine particles is set to a range capable of markedly developing quantum size effect and an average particle size of metal superfine particles is numerically set to a range of 1-10nm. Hydrophobic colloid of an organometal complex and photocatalyst particles are mixed in a hydrophilic solvent to bond hydrophobic colloid on the surfaces of a photocatalyst particles and, after this mixed soln. is dried, the residue is baked to prepare a metal ultrafine particle supported photocatalyst. A colloid soln. of an organometal compd. and a photocatalyst powder are sprayed in a mutually opposed state to bond a large number of organometal compd. colloid on the surfaces of photocatalyst powdery particles and these colloid bonded particles are heat-treated on the way of falling to strongly support metal superfine particles on the surfaces of photocatalyst particles to continuously produce a metal superfine particle supported photocatalyst.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は金属粒子を光触媒表
面に担持させた金属担持光触媒に関し、更に詳細には、
金属粒子をナノスケールの金属超微粒子にまで極小化す
ることにより金属の量子サイズ効果を顕著に発現させ
て、光触媒効率を飛躍的に向上させた金属超微粒子担持
光触媒及びその製造方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a metal-supported photocatalyst in which metal particles are supported on the surface of a photocatalyst.
The present invention relates to an ultrafine metal particle-supported photocatalyst in which a metal particle is minimized to ultrafine metal particles of a nano-scale, whereby a quantum size effect of the metal is remarkably exhibited, and the photocatalytic efficiency is remarkably improved, and a method for producing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】二酸化チタンの光触媒反応は1972年
にネイチャーに発表され、本田・藤島効果として世界に
知られるところとなった。それ以来、植物のみが行って
きた光合成を光照射下で二酸化チタンにより実現しよう
とする研究が活発化してきた。折しも中東における石油
問題が日本国内に経済的パニックを引き起こし、地球温
暖化という世界的な環境問題が端緒となって、二酸化チ
タンを用いて水から水素を得る分解反応や有機物水溶液
等の分解反応の研究が世界的規模で行われるようになっ
てきた。
2. Description of the Related Art The photocatalytic reaction of titanium dioxide was announced to Nature in 1972 and became known worldwide as the Honda-Fujishima effect. Since then, research has been actively conducted to realize photosynthesis, which was performed only by plants, with titanium dioxide under light irradiation. In the meantime, the oil problem in the Middle East caused an economic panic in Japan, triggered by the global environmental problem of global warming, and the decomposition reaction of obtaining hydrogen from water using titanium dioxide and the decomposition of organic matter aqueous solution etc. Research on reactions has been conducted worldwide.

【0003】この光触媒のメカニズムは二酸化チタンの
半導体としての光触媒特性に依っている。二酸化チタン
にそのバンドギャップ・エネルギーより大きなエネルギ
ーの光、例えば紫外線を照射すると、価電子帯にある電
子が励起されて伝導帯に遷移し、価電子帯には正電荷の
正孔が残されて電子−正孔の対が生成される。この電子
と正孔は二酸化チタン中を動きながら触媒表面に到達
し、電子は外部物質を直接還元するだけでなく、空気中
の酸素からO (スーパーオキサイドアニオン)を作
り、このアニオンが外部物質に強力に作用するとも云わ
れている。正孔は外部の有機物を直接酸化分解するだけ
でなく表面に付着する水分子を酸化して水酸ラジカルと
いう強酸化物を作り、この水酸ラジカルの酸化力により
外部物質を酸化する。前記O はこの酸化過程にも深
く関与していると云われるが、その詳細な反応回路は現
在もなお研究対象となっている。このように光で生成さ
れた電子−正孔対により有機物は二酸化炭素と水にまで
分解されるのである。
[0003] The mechanism of this photocatalyst depends on the photocatalytic properties of titanium dioxide as a semiconductor. When titanium dioxide is irradiated with light having an energy greater than its band gap energy, for example, ultraviolet light, electrons in the valence band are excited and transition to the conduction band, leaving positively charged holes in the valence band. An electron-hole pair is generated. The electrons and holes move through the titanium dioxide and reach the catalyst surface. The electrons not only directly reduce external substances, but also form O 2 (superoxide anion) from oxygen in the air. It is also said to act strongly on substances. The holes not only directly oxidize and decompose external organic substances, but also oxidize water molecules adhering to the surface to form strong oxides called hydroxyl radicals, and oxidize external substances by the oxidizing power of the hydroxyl radicals. Although it is said that O 2 is deeply involved in this oxidation process, its detailed reaction circuit is still being studied. The organic matter is decomposed into carbon dioxide and water by the electron-hole pairs generated by the light.

【0004】この研究の中で、二酸化チタン単体では電
子と正孔が外部物質を酸化還元する前に最結合して消滅
する場合があるから、その光触媒効率に限界があること
が指摘されていた。具体的には、二酸化チタンは常態が
粉末であり、その一粒を考えてみると、その表面および
内部には無数の点欠陥・面欠陥等の格子欠陥が入ってい
る。紫外線により二酸化チタンに誘起された電子と正孔
はその移動過程で格子欠陥に遭遇すると、その格子欠陥
に捕獲されて再結合してしまう。また表面に移動できて
も電子と正孔が接近すると再結合する場合もある。これ
を改善するには格子欠陥のない二酸化チタンの作製技術
と表面で電子−正孔を分離する技術を開発しなければな
らない。前者については結晶成長技術の改良が逐次なさ
れてきており、また本発明とは直接関係しないのでここ
ではその詳細を省略する。
In this research, it has been pointed out that the photocatalytic efficiency of titanium dioxide alone is limited because electrons and holes may be recombined and eliminated before redoxing an external substance. . Specifically, titanium dioxide is a powder in a normal state, and when one particle is considered, lattice defects such as countless point defects and plane defects are present on the surface and inside thereof. When electrons and holes induced in titanium dioxide by ultraviolet rays encounter a lattice defect in the course of their movement, they are captured by the lattice defect and recombined. Even if the electrons can move to the surface, recombination may occur when electrons and holes approach. To improve this, a technique for producing titanium dioxide free from lattice defects and a technique for separating electrons and holes at the surface must be developed. Regarding the former, the improvement of the crystal growth technique has been successively made, and since it is not directly related to the present invention, the details are omitted here.

【0005】表面で電子−正孔を分離する技術に関して
は、励起電子を集電する電極を二酸化チタン上に形成し
て、二酸化チタン表面に正孔を、金属電極表面に電子を
それぞれ分離集電する光触媒が提案された。このように
すれば金属電極上に効率的に電子を集電でき、しかも正
孔と電子を分離できるので再結合の確率が低くなると考
えられたのである。この種の光触媒を金属担持光触媒と
いい、従来から触媒として用いられているPt(白金)
やCu(銅)等の金属を二酸化チタン上に形成して作製
された。金属単体でも触媒作用を有するものならば、二
酸化チタンの触媒作用と相乗効果を発揮できるだろうと
いうアイデアである。
Regarding the technique of separating electrons and holes at the surface, an electrode for collecting excited electrons is formed on titanium dioxide, and holes are separated on the surface of titanium dioxide and electrons are separated on the surface of the metal electrode. Photocatalysts have been proposed. It was considered that this would allow electrons to be efficiently collected on the metal electrode, and that holes and electrons could be separated, reducing the probability of recombination. This type of photocatalyst is called a metal-supported photocatalyst, and Pt (platinum) conventionally used as a catalyst has been used.
And Cu (copper) were formed on titanium dioxide. The idea is that if a metal alone has a catalytic action, it will have a synergistic effect with the catalytic action of titanium dioxide.

【0006】金属を二酸化チタン等の半導体上に担持さ
せる方法には、光析出法、混合法、含浸法、化学析出
法、同時沈澱法等が開発されてきたが、担持金属粒子の
粒径はミクロン程度の金属微粒子にとどまっていた。ま
た、これらの方法では二酸化チタン粒子1個当りに担持
される金属微粒子の個数も数十個の範囲に留まるのが常
であった。この担持密度の限界は、製法上の問題と同時
に担持される金属微粒子のサイズが大きいことにもよっ
ている。つまり、金属微粒子の粒径が大きいためにそれ
ほど多くの金属微粒子が1個の二酸化チタン粒子上に付
着しないことも原因の一つである。金属の担持効果につ
いては、例えば水素発生反応では二酸化チタン単体より
もPt担持二酸化チタンが有効であることが報告され、
また金属や半導体の種類を変えることによって反応活性
度や反応選択性も変化できることが分かってきた。しか
し、これら従来の金属担持光触媒の触媒効率は二酸化チ
タン単体よりも約2〜4倍程度に増強されるに過ぎなか
った。即ち、この効率は二酸化チタンの効率と金属微粒
子の効率の和程度でしかないことを意味している。
As a method of supporting a metal on a semiconductor such as titanium dioxide, a light deposition method, a mixing method, an impregnation method, a chemical deposition method, a simultaneous precipitation method and the like have been developed. The metal particles remained on the order of microns. Further, in these methods, the number of metal fine particles carried per titanium dioxide particle usually stays in the range of several tens. The limitation of the loading density is due to the problem of the production method and the large size of the loaded metal fine particles. In other words, one of the causes is that so many metal fine particles do not adhere to one titanium dioxide particle because the particle size of the metal fine particles is large. Regarding the metal loading effect, for example, it is reported that Pt-supported titanium dioxide is more effective than titanium dioxide alone in a hydrogen generation reaction,
It has also been found that the reaction activity and reaction selectivity can be changed by changing the type of metal or semiconductor. However, the catalytic efficiency of these conventional metal-supported photocatalysts was only enhanced about 2 to 4 times as compared with titanium dioxide alone. This means that this efficiency is only about the sum of the efficiency of titanium dioxide and the efficiency of metal fine particles.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】発明者等はなぜミクロ
ンサイズの金属微粒子では触媒効率がそれほど増強され
ないかについて理論的に検討してみた。二酸化チタン中
に生じた電子を金属電極中に効率的に取り込むために
は、二酸化チタンと金属の界面における電子遷移の障壁
をできるだけ小さくすることが望まれる。ところが金属
微粒子の粒径がミクロンサイズ(約0.1μm以上)の
場合には、その電子状態は大きな固体結晶(バルク結
晶)とほぼ同じバンド構造となる。つまり、価電子帯と
伝導帯が一定のバンドギャップを隔てて画然と形成さ
れ、伝導帯では自由電子が底から最上端のフェルミ準位
まで順に密に詰まった構造となる。他方、二酸化チタン
はバルクな結晶であるからその電子状態は当然バンド構
造をとる。バンド構造においては、バンドを構成するエ
ネルギー準位はほぼ連続的に密に配置され、各準位に対
応した波動関数はその物質内に鋭く局在している。換言
すると、波動関数がその物質外に裾をはみ出すことがな
いため、その準位に滞在する電子は物質外に放出される
確率がかなり小さくなる。
SUMMARY OF THE INVENTION The present inventors have theoretically examined why the catalytic efficiency is not so enhanced with micron-sized metal fine particles. In order to efficiently incorporate electrons generated in titanium dioxide into the metal electrode, it is desirable to minimize the barrier of electron transition at the interface between titanium dioxide and the metal. However, when the particle size of the metal fine particles is a micron size (about 0.1 μm or more), the electronic state has the same band structure as that of a large solid crystal (bulk crystal). In other words, the valence band and the conduction band are clearly formed with a certain band gap, and the conduction band has a structure in which free electrons are densely packed in order from the bottom to the uppermost Fermi level. On the other hand, since titanium dioxide is a bulk crystal, its electronic state naturally takes a band structure. In the band structure, the energy levels constituting the band are arranged almost continuously and densely, and the wave function corresponding to each level is sharply localized in the substance. In other words, since the wave function does not protrude out of the material, the probability that electrons staying at the level are emitted out of the material is considerably reduced.

【0008】この状態で、第12図に示すように、二酸
化チタンが紫外線照射を受けて電子が伝導帯に励起され
電子−正孔対が生成されたとしよう。この電子が外部物
質を還元したりスーパーオキサイドアニオンを生成する
ためには、電子が迅速に二酸化チタンから金属中に移動
し、更に金属から金属外の外部物質に移動する必要があ
る。ところが上述したように金属微粒子はミクロンサイ
ズであるから、電子状態が大きな結晶と同様のバンド構
造をとるだけでなく、波動関数も金属微粒子内に鋭く局
在した構造をとる。従って、二酸化チタンの伝導帯に上
った電子は金属の波動関数に乗ることが容易でないか
ら、金属の伝導帯に移動することも簡単ではない。また
電子が金属に何とか移動できても、金属から外部物質に
移動することも同様に容易でないため、金属の外部に出
る前に金属の伝導帯にあるフェルミ準位の上に素早く落
ちてしまう事が多く、外部物質と反応する機会は更に少
なくなる。言い換えれば、バンド構造のように伝導帯の
準位密度が大きい場合には、電子がフェルミ準位の上に
まで落ちる時間(緩和時間)が極端に短くなり、波動関
数の局在性とともに電子の外部への移動を阻止するので
ある。つまり、ミクロンサイズでは電子は外部に出にく
いから金属内に電子が過剰に蓄積されることとなり、そ
の反発電場によって逆に二酸化チタン内の電子が金属中
に移動することを阻止する結果となってしまう。結局、
金属微粒子の粒径がミクロンサイズの領域では、エネル
ギーのバンド構造と波動関数の局在性によって電子が二
酸化チタン又は金属微粒子中に留まり、金属外部に放出
される確率が小さくなると結論できる。同時に、ミクロ
ンサイズの金属微粒子の場合には、1個の二酸化チタン
粒子上に担持される金属微粒子の個数も数十個が限界で
あり、これらのことが金属担持光触媒の触媒効率を制限
していた理由である。
In this state, as shown in FIG. 12, suppose that titanium dioxide is irradiated with ultraviolet rays to excite electrons into the conduction band and generate electron-hole pairs. In order for these electrons to reduce an external substance or generate a superoxide anion, it is necessary for the electrons to move quickly from titanium dioxide into the metal and further from the metal to an external substance outside the metal. However, as described above, since the metal fine particles have a micron size, not only do they have a band structure similar to that of a crystal having a large electronic state, but also have a structure in which the wave function is sharply localized in the metal fine particles. Therefore, it is not easy for electrons that have risen to the conduction band of titanium dioxide to ride on the wave function of the metal, and it is not easy to move to the conduction band of the metal. Also, even if the electrons can somehow move to the metal, it is also not easy to move from the metal to the external substance, so it quickly falls on the Fermi level in the conduction band of the metal before leaving the metal. And the chance of reacting with external substances is further reduced. In other words, when the conduction band level density is large as in a band structure, the time for the electron to fall above the Fermi level (relaxation time) becomes extremely short, and the localization of the wave function and the electron It blocks outbound movement. In other words, since electrons are difficult to escape to the outside at the micron size, electrons are excessively accumulated in the metal, and the anti-power generation field prevents electrons in the titanium dioxide from moving into the metal. I will. After all,
It can be concluded that in the region where the particle diameter of the metal fine particles is in the micron size, the probability that electrons remain in the titanium dioxide or the metal fine particles due to the energy band structure and the localization of the wave function and are emitted to the outside of the metal is reduced. At the same time, in the case of micron-sized metal fine particles, the number of metal fine particles supported on one titanium dioxide particle is limited to several tens, and these limit the catalytic efficiency of the metal-supported photocatalyst. That's why.

【0009】次に、本発明者等は従来の金属担持光触媒
の製造方法を逐次確認することにした。第1に半導体を
担持金属塩水溶液中に懸濁させ還元剤を加えて光照射す
る光析出法、第2に半導体を担持金属塩水溶液中に浸漬
して乾燥後還元処理する含浸法、第3に半導体を担持金
属塩水溶液中で激しく撹拌して還元剤を加える化学析出
法、第4に半導体原料に担持金属塩水溶液を加え同時沈
澱させた後焼成する同時沈澱法を試験した。これらに共
通することは担持金属塩水溶液を使用する点であり、こ
れらの方法では二酸化チタン上に粒径が0.1μm以上
のミクロンサイズの金属微粒子を形成することしかでき
なかった。又、他の方法として、半導体と担持金属粉末
を乳鉢中でよく練り合わせる混練法、半導体と担持金属
粉末を容器に入れ振とう器等で振り混ぜる振り混ぜ法、
半導体と担持金属粉末を各々別々に反応物溶液に加え懸
濁混合させる金属粉添加法を試験してみた。しかし、同
様にミクロンサイズの金属微粒子が二酸化チタン上に形
成できるだけであり、しかも1個の二酸化チタン粒子上
に数十個の金属微粒子を担持できるだけであった。従っ
て、これらの従来製法では金属担持光触媒の触媒効率を
格段に向上させることは困難である。
Next, the present inventors have sequentially confirmed the conventional method for producing a metal-supported photocatalyst. First, a light precipitation method in which a semiconductor is suspended in an aqueous solution of a supported metal salt and a reducing agent is added thereto to irradiate light. Second, an impregnation method in which a semiconductor is immersed in an aqueous solution of a supported metal salt, dried and reduced, and thirdly, A chemical precipitation method in which a semiconductor was vigorously stirred in an aqueous solution of a supported metal salt to add a reducing agent thereto, and a fourth method in which an aqueous solution of a supported metal salt was added to a semiconductor raw material to cause simultaneous precipitation, followed by firing, were tested. What is common to these is that an aqueous solution of a supported metal salt is used, and these methods can only form micron-sized metal fine particles having a particle size of 0.1 μm or more on titanium dioxide. Also, as other methods, a kneading method of kneading the semiconductor and the supporting metal powder well in a mortar, a shaking method of shaking the semiconductor and the supporting metal powder in a container and shaking with a shaker or the like,
A method of adding a metal powder in which a semiconductor and a supported metal powder were separately added to a reaction solution and suspended and mixed was tested. However, similarly, micron-sized metal fine particles could only be formed on titanium dioxide, and only tens of metal fine particles could be supported on one titanium dioxide particle. Therefore, it is difficult to remarkably improve the catalytic efficiency of the metal-supported photocatalyst by these conventional production methods.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】本発明は上記欠点を解消
するためになされたものであり、本発明に係る金属超微
粒子担持光触媒は、金属超微粒子が光触媒物質に担持さ
れていることを基本構成としている。特に、金属超微粒
子の粒径は量子サイズ効果を顕著に発現できる範囲に設
定され、数値的には金属超微粒子の平均粒径が1〜10
nmの範囲内にあることを特徴とする。更に、光触媒微
粒子1個当りに担持する金属超微粒子の平均個数を10
0個以上にすることを特徴とする。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned drawbacks, and a photocatalyst carrying ultrafine metal particles according to the present invention is based on the fact that ultrafine metal particles are supported on a photocatalytic substance. It has a configuration. In particular, the particle size of the metal ultrafine particles is set in a range where the quantum size effect can be remarkably exhibited, and numerically, the average particle size of the metal ultrafine particles is 1 to 10
nm. Further, the average number of ultrafine metal particles supported per photocatalyst fine particle is 10
It is characterized in that the number is zero or more.

【0011】金属超微粒子担持光触媒の製造方法とし
て、加熱により還元可能な有機金属化合物と光触媒物質
の混合液を乾燥した後、残留物を焼成して光触媒物質表
面に金属超微粒子を強固に担持させる方法を提供する。
更に具体的にはコロイド調整法、即ち、有機金属錯体の
疎水コロイドと光触媒物質である金属酸化物半導体粉末
粒子を親水溶媒中で混合させて疎水コロイドを金属酸化
物半導体粉末粒子表面に付着させ、この混合液を乾燥さ
せた後、残留物を焼成して金属超微粒子担持光触媒を製
造する方法を提供する。また、有機金属化合物のコロイ
ド溶液と光触媒粉末を互いに対向状に噴霧して光触媒粉
末粒子の表面に有機金属化合物コロイドを多数付着さ
せ、このコロイド付着光触媒粉末粒子を落下する途中で
加熱処理して金属超微粒子を光触媒粉末粒子表面に強固
に担持させ、この金属超微粒子担持光触媒を連続的に製
造してゆく金属超微粒子担持光触媒の製法を提供する。
As a method for producing a photocatalyst supporting metal ultrafine particles, a mixed solution of an organic metal compound reducible by heating and a photocatalytic substance is dried, and the residue is calcined to strongly support the metal ultrafine particles on the surface of the photocatalytic substance. Provide a way.
More specifically, a colloid preparation method, that is, a hydrophobic colloid of an organometallic complex and a metal oxide semiconductor powder particle that is a photocatalytic substance are mixed in a hydrophilic solvent to adhere the hydrophobic colloid to the metal oxide semiconductor powder particle surface, After the mixture is dried, the residue is calcined to provide a method for producing a photocatalyst supporting metal ultrafine particles. In addition, a colloidal solution of an organometallic compound and a photocatalyst powder are sprayed in opposition to each other so that a large number of organometallic compound colloids adhere to the surface of the photocatalyst powder particles. Provided is a method for producing a photocatalyst carrying metal ultrafine particles, in which ultrafine particles are firmly supported on the surface of photocatalyst powder particles and the photocatalyst supporting metal ultrafine particles is continuously produced.

【0012】[0012]

【発明の実施の形態】本発明者等は金属担持二酸化チタ
ンの光触媒機能を増強するために鋭意研究した結果、ナ
ノスケールの金属超微粒子を二酸化チタン表面に担持さ
せることにより、二酸化チタン単体よりも光触媒機能を
約10倍に、更に好条件では約100倍以上にまで増強
できることが分かった。従って、ミクロンスケールの金
属微粒子を担持した二酸化チタンと比較した場合でも、
触媒効率を約3〜25倍位にまで増強することができ
る。これは金属を微粒子から超微粒子へ転換すること、
即ち粒径をミクロンスケールからナノスケールに、換言
すれば粒径をミクロンスケール(約0.1μm以上)の
1/10〜1/100程度にまで極小化することによっ
て達成できるのである。本発明で用いられる金属超微粒
子の平均粒径は1〜10nm、より好ましくは1〜5n
mである。これより大きくすると後述する量子サイズ効
果の発現が小さくなって光触媒効率の増強が顕著でなく
なり、また粒径を更に小さくすると原子サイズに近接す
るため金属超微粒子の作製が技術的に困難になると同時
に極めてコスト高になってしまう。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The present inventors have conducted intensive studies to enhance the photocatalytic function of metal-supported titanium dioxide. It was found that the photocatalytic function can be enhanced about 10 times, and more preferably about 100 times or more under favorable conditions. Therefore, even when compared with titanium dioxide supporting micron-scale metal fine particles,
The catalyst efficiency can be increased to about 3 to 25 times. This is to convert metal from fine particles to ultra fine particles,
In other words, it can be achieved by minimizing the particle size from the micron scale to the nanoscale, in other words, the particle size to about 1/10 to 1/100 of the micron scale (about 0.1 μm or more). The average particle diameter of the ultrafine metal particles used in the present invention is 1 to 10 nm, more preferably 1 to 5 n.
m. If it is larger than this, the expression of the quantum size effect, which will be described later, will be reduced, and the enhancement of the photocatalytic efficiency will not be remarkable. It becomes extremely expensive.

【0013】光触媒物質として二酸化チタン等の微粒子
状の粉末を利用した場合には、光触媒微粒子1個に担持
できる金属超微粒子の個数、つまり金属超微粒子の担持
密度がその粒径とともに重要な要素となる。本発明では
ナノスケールにまで極少化された金属超微粒子を用いる
ことにより、光触媒微粒子1個に多数の金属超微粒子を
担持させることを可能にした。即ち、ミクロンスケール
の金属微粒子からナノスケールの金属超微粒子へと粒径
の極少化を実現したことにより、担持密度の劇的な向上
を達成したのである。本発明者等の研究によれば、光触
媒微粒子1個当りに担持される金属超微粒子の平均個数
は100個以上、好ましくは200個以上に設定するこ
とが望まれる。担持密度が100個以上であれば量子サ
イズ効果との相乗効果により光触媒効率を従来より顕著
に増大化できる。200個以上であれば光触媒効率の格
段の増加を達成できる。もちろん担持密度を更に増加で
きれば、光触媒効率の更なる増大化を図ることが可能と
なる。
When a fine powder of titanium dioxide or the like is used as the photocatalytic substance, the number of ultrafine metal particles that can be carried by one photocatalyst fine particle, that is, the loading density of the ultrafine metal particles is an important factor together with the particle diameter. Become. In the present invention, it is possible to support a large number of ultrafine metal particles on one photocatalyst fine particle by using ultrafine metal particles reduced to the nanoscale. In other words, the reduction in particle size from micron-scale metal fine particles to nanoscale metal ultrafine particles has achieved a dramatic improvement in the carrying density. According to the study of the present inventors, it is desired that the average number of ultrafine metal particles supported per photocatalyst fine particle is set to 100 or more, preferably 200 or more. If the loading density is 100 or more, the photocatalytic efficiency can be significantly increased due to a synergistic effect with the quantum size effect. If the number is 200 or more, a remarkable increase in photocatalytic efficiency can be achieved. Of course, if the loading density can be further increased, the photocatalytic efficiency can be further increased.

【0014】金属超微粒子により初めて発現する量子サ
イズ効果について以下に検討する。例えば直径1nmの
超微粒子を考えると、その中に金属原子は原子のサイズ
に依存するが約10〜100個程度しか存在しない。又
直径10nmの金属超微粒子になると約10000〜1
00000個の原子を含有すると考えられる。このよう
に原子数の少ない金属超微粒子では、金属の電子エネル
ギー状態はバンド構造から次第に離散的になり始め、エ
ネルギー準位が広範囲に分布する。例えば伝導帯を考え
てみると、伝導帯を構成する多数のエネルギー準位が密
に固まった状態から互いに離散しながら上下に広範囲に
分布するようになる。この準位の離散化は電子の緩和時
間、即ちその準位からフェルミ準位に落ちるまでの時間
を長くする効果を奏する。つまり、電子が準位に滞在す
る時間が長くなるのである。同時に、エネルギー準位に
対応した波動関数が左右に裾を延ばしながら金属外部に
もはみ出し、同時にピークが低くなる効果も有する。。
つまりこの波動関数に乗った電子は量子トンネル効果に
より容易に外部に移動できることになる。本発明におい
て量子サイズ効果という場合には、上記したようにエネ
ルギー準位の離散化と波動関数の非局在化による量子ト
ンネル効果の発現を意味する。
The quantum size effect first manifested by ultrafine metal particles will be discussed below. For example, when ultrafine particles having a diameter of 1 nm are considered, only about 10 to 100 metal atoms are present therein, depending on the size of the atoms. Also, when it comes to ultrafine metal particles having a diameter of 10 nm, about 10,000 to 1
It is believed to contain 00000 atoms. In such ultrafine metal particles having a small number of atoms, the electron energy state of the metal starts to be gradually discrete from the band structure, and the energy levels are distributed over a wide range. For example, when considering a conduction band, a large number of energy levels constituting the conduction band are distributed over a wide range up and down while being dispersed from a state of being densely packed. This level discretization has the effect of increasing the relaxation time of the electrons, that is, the time required for the electron to fall from that level to the Fermi level. In other words, the time that electrons stay at the level becomes longer. At the same time, the wave function corresponding to the energy level protrudes to the outside of the metal while extending the tail to the left and right, and has the effect of reducing the peak at the same time. .
That is, the electrons on the wave function can easily move to the outside due to the quantum tunnel effect. In the present invention, the term “quantum size effect” means the occurrence of the quantum tunnel effect due to the discretization of the energy level and the delocalization of the wave function as described above.

【0015】図1に金属超微粒子を二酸化チタン上に担
持した場合のエネルギー状態が示されている。二酸化チ
タンに紫外線を照射すると電子−正孔対が形成され、価
電子帯に正孔を残して伝導帯に電子が励起される。エネ
ルギーの大きな紫外線で励起された場合には電子は伝導
帯の高い位置に遷移するが、次第にエネルギーを失いな
がら伝導帯の底に落ちてくる。金属のエネルギー準位は
ある程度密に離散化しているため、二酸化チタンの伝導
帯の底に対応したエネルギー準位が必ず存在する。しか
もその準位の波動関数は左右に長く裾を引いており、左
端は二酸化チタン中に右端は金属外部にまで延びてい
る。つまり、二酸化チタンと金属のエネルギー準位は金
属の波動関数を介して共鳴的に連続していることにな
る。二酸化チタンの伝導帯にある励起電子はその金属の
波動関数に乗って一気に金属を介して外部に量子トンネ
ル効果により放出される。二酸化チタンと金属が共鳴状
態にあるため、この量子トンネル効果を共鳴トンネリン
グと称している。このとき金属中の準位は離散化してい
るので電子の緩和時間は長く、従って電子は金属のフェ
ルミ準位の上に落ちる前に容易に金属外に放出されるの
である。
FIG. 1 shows an energy state when ultrafine metal particles are supported on titanium dioxide. When titanium dioxide is irradiated with ultraviolet rays, electron-hole pairs are formed, and electrons are excited in the conduction band while leaving holes in the valence band. When excited by ultraviolet rays having high energy, electrons transition to a higher position in the conduction band, but gradually fall to the bottom of the conduction band while losing energy. Since the energy levels of the metal are discretely dense to some extent, there is always an energy level corresponding to the bottom of the conduction band of titanium dioxide. In addition, the wave function of the level has long tails to the left and right, and the left end extends into titanium dioxide and the right end extends to the outside of the metal. That is, the energy levels of titanium dioxide and the metal are resonantly continuous via the wave function of the metal. Excited electrons in the conduction band of titanium dioxide are emitted at once by the quantum tunnel effect via the metal on the wave function of the metal. Since the titanium dioxide and the metal are in a resonance state, this quantum tunnel effect is called resonance tunneling. At this time, since the levels in the metal are discretized, the relaxation time of the electrons is long, so that the electrons are easily emitted out of the metal before falling on the Fermi level of the metal.

【0016】二酸化チタンの価電子帯にある正孔は二酸
化チタン表面に移動し、外部物質Dを酸化する。また外
部物質を酸化するだけでなく、表面に付着した水を酸化
して水酸ラジカルという強酸化物を生成し、この水酸ラ
ジカルが外部物質を酸化分解しているとも考えられてい
る。一方、金属外に共鳴トンネリングで放出された電子
は外部物質Aを直接還元するだけでなく、空気中の酸素
を還元してO というスーパーオキサイドアニオンを
生成し、このアニオンが前記外部物質Dの分解にも関与
していると考えられている。特に、本発明では二酸化チ
タンから金属に移動した励起電子は金属中に蓄積されず
に直ちに外部に放出されるから外部に反発電場が形成さ
れず、紫外線照射による励起電子を次々と吸引すること
ができる点で優れた還元力を有している。
The holes in the valence band of titanium dioxide move to the surface of titanium dioxide and oxidize the external substance D. It is also believed that not only is the external substance oxidized, but also the water adhering to the surface is oxidized to form a strong oxide called a hydroxyl radical, and the hydroxyl radical oxidizes and decomposes the external substance. Meanwhile, electrons emitted by the resonant tunneling outside metal not only reducing the external substance A directly, by reducing oxygen in the air with the O 2 - generated superoxide anion that, the anion is the external substance D It is also thought to be involved in the decomposition of. In particular, in the present invention, the excited electrons transferred from the titanium dioxide to the metal are immediately discharged to the outside without being accumulated in the metal, so that an anti-power generation field is not formed outside, and it is possible to successively attract the excited electrons by ultraviolet irradiation. It has excellent reducing power in that it can be used.

【0017】二酸化チタンに限らず、本発明で用いられ
る光触媒の種類は、酸化還元しようとする分解対象物質
によって決まる。この分解対象物質が還元される物質の
場合には還元電位が存在し、酸化される物質の場合には
酸化電位が存在する。これらの還元電位と酸化電位が光
触媒物質の価電子帯と伝導帯の間にあるエネルギーギャ
ップ内に位置している必要がある。詳しく述べると、図
1に示すように、還元電位はギャップ内の上側に位置
し、酸化電位はギャップ内の下側に位置するような光触
媒物質を選択することが望まれる。この場合に、励起電
子は伝導帯の底から還元電位に落ちて対象物質を還元
し、正孔は価電子帯の上端から酸化電位に登って対象物
質を酸化できる。但し、本発明では金属超微粒子の共鳴
トンネリングが効力を発揮するから、還元電位は伝導帯
の底の位置にあってもよい。又、近年の研究では、電子
はOを還元してスーパーオキサイドアニオンO
し、正孔は水を酸化して水酸ラジカルを形成し、これら
のO と水酸ラジカルが対象物質を分解すると考えら
れている。従って、還元電位としてO電位、酸化電位
としてOH電位を選んで光触媒物質を選択することもで
きる。即ち、紫外線の照射によって電子−正孔対が生成
され、電子によって空気中や水中の酸素を還元してスー
パーオキサイドアニオンを生成し、正孔によって表面に
付着した水を酸化して水酸ラジカルを生成する光触媒物
質であればよい。
The type of photocatalyst used in the present invention is not limited to titanium dioxide, but depends on the substance to be decomposed to be reduced. When the decomposition target substance is a substance to be reduced, a reduction potential exists, and when the decomposition target substance is a substance to be oxidized, an oxidation potential exists. These reduction potentials and oxidation potentials must be located in the energy gap between the valence band and the conduction band of the photocatalytic substance. Specifically, as shown in FIG. 1, it is desired to select a photocatalytic substance in which the reduction potential is located on the upper side in the gap and the oxidation potential is located on the lower side in the gap. In this case, the excited electrons fall to the reduction potential from the bottom of the conduction band to reduce the target substance, and the holes rise to the oxidation potential from the top of the valence band to oxidize the target substance. However, in the present invention, since the resonance tunneling of the ultrafine metal particles is effective, the reduction potential may be at the bottom of the conduction band. In recent studies, electrons reduce O 2 to a superoxide anion O 2 , and holes oxidize water to form hydroxyl radicals. These O 2 and hydroxyl radicals are used as target substances. Is thought to break down. Therefore, the photocatalytic substance can be selected by selecting the O 2 potential as the reduction potential and the OH potential as the oxidation potential. That is, electron-hole pairs are generated by irradiation of ultraviolet rays, electrons reduce oxygen in the air or water to generate superoxide anions, and holes oxidize water attached to the surface to generate hydroxyl radicals. Any photocatalytic substance may be used.

【0018】光触媒物質としては半導体が適当である。
絶縁体ではギャップエネルギーが大きすぎて通常の紫外
線では電子−正孔対を生成するのが困難であり、またギ
ャップエネルギーの小さな物質では禁制帯内に酸化およ
び還元電位を配置させることが困難になるととも、水溶
液に溶解し易くなるために不適である。半導体の中でも
金属酸化物半導体が本発明には適切である。金属酸化物
は金属単体と比較して極めて安定な物質であるため、他
物質との反応性が低くて安全でもあり、しかも電子の授
受を十分に行うことができる物質である。従って、これ
らの性質を満足する金属酸化物半導体が本発明の光触媒
物質として利用でき、例えば、WO、CdO、In
、AgO、MnO、Cu、Fe
、V、TiO、ZrO、RuO,C
、CoO、NiO、SnO、CeO、N
、KTaO、SrTiO、KNbO17
等を含む公知の物質から分解対象物質に応じて選択する
ことができる。この中でも、生成される電子−正孔密度
やスーパーオキサイドアニオン・水酸ラジカル密度およ
び材質としての耐腐食性・安全性等の観点からTi
、SrTiO、KNbO17が好ましく、特に
二酸化チタンであるTiOが最も望ましい。
Semiconductors are suitable as photocatalytic substances.
If insulators have too large a gap energy, it is difficult to generate electron-hole pairs with ordinary ultraviolet light, and if a substance with a small gap energy has difficulty in locating oxidation and reduction potentials within the forbidden band. Both are unsuitable because they are easily dissolved in an aqueous solution. Among the semiconductors, metal oxide semiconductors are suitable for the present invention. Metal oxide is a substance that is extremely stable as compared with a simple substance of metal, and thus has low reactivity with other substances, is safe, and can sufficiently transfer and receive electrons. Therefore, a metal oxide semiconductor satisfying these properties can be used as the photocatalyst substance of the present invention, for example, WO 3 , CdO 3 , In
2 O 3 , Ag 2 O, MnO 2 , Cu 2 O 3 , Fe
2 O 3 , V 2 O 5 , TiO 2 , ZrO 2 , RuO 2 , C
r 2 O 3 , CoO 3 , NiO, SnO 2 , CeO 2 , N
b 2 O 3 , KTaO 3 , SrTiO 3 , K 4 NbO 17
And the like can be selected from known substances including, for example, the substance to be decomposed. Among them, from the viewpoints of the density of generated electrons and holes, the density of superoxide anions and hydroxyl radicals, and the corrosion resistance and safety of the material, Ti
O 2 , SrTiO 3 , and K 4 NbO 17 are preferred, and TiO 2, which is titanium dioxide, is most preferred.

【0019】光触媒物質は大きな固体物質であるより微
粒子である方が好ましい。微粒子はその表面積が極めて
大きいから環境汚染物質と接触する確率が大きくなると
同時に、多数の金属超微粒子を表面に担持することが出
来るからである。また、微粒子の方が紫外線等の有効受
光面積が大きくなり、光触媒効率がバルク物質より格段
に高くなる。通常、金属酸化物は粉体であるから、二酸
化チタンのような金属酸化物半導体が本発明には適す
る。粒径としては30nm〜1000nm、より好まし
くは50nm〜500nmである。これより小さいと超
微粒子に近づいて行くため製造に特殊な技術とコストが
かかり、これより大きいと比表面積が小さくなって環境
汚染物質・人体毒性物質・悪臭物質等との反応性が悪く
なる。例えば二酸化チタンを10nm程度に超微粒子化
することは可能であるが、独立した粒子として存在せ
ず、二酸化チタン超微粒子が集合して団子状に固まり、
結局前述のような大きな二酸化チタンの塊となる。この
場合にはゴツゴツしているため表面積は単一固体よりは
大きくなるから、反応性はより高くなる。本発明はこの
ような光触媒微粒子も包含する。光触媒微粒子の形態は
金属超微粒子を担持できる限り特に制限されず、例えば
球状・ペレット状・粒状などの形態で使用できる。
It is preferable that the photocatalytic substance is fine particles rather than a large solid substance. The reason is that the fine particles have an extremely large surface area, so that the probability of contact with environmental pollutants increases and, at the same time, a large number of metal ultrafine particles can be carried on the surface. Further, the fine particles have a larger effective light receiving area for ultraviolet rays and the like, and the photocatalytic efficiency is much higher than that of the bulk material. Since the metal oxide is usually a powder, a metal oxide semiconductor such as titanium dioxide is suitable for the present invention. The particle size is 30 nm to 1000 nm, more preferably 50 nm to 500 nm. If the particle size is smaller than this, the particles approach the ultrafine particles, so that a special technique and cost are required for the production. If the particle size is larger than this, the specific surface area is reduced, and the reactivity with environmental pollutants, human toxic substances, malodorous substances and the like is deteriorated. For example, it is possible to make titanium dioxide into ultrafine particles of about 10 nm, but it does not exist as independent particles, and the titanium dioxide ultrafine particles are aggregated to form a dumpling,
Eventually, it becomes a large titanium dioxide lump as described above. In this case, the reactivity is higher because the surface area is larger than that of a single solid due to the ruggedness. The present invention also includes such photocatalyst fine particles. The form of the photocatalyst fine particles is not particularly limited as long as the ultrafine metal particles can be supported.

【0020】担持される金属超微粒子は遷移金属であれ
ばよい。遷移金属元素とは不完全なd殻を有する元素で
原子番号21(Sc)〜29(Cu)、39(Y)〜4
7(Ag)、57(La)〜79(Au)および89
(Ac)〜理論的には111までの4グループからなる
金属元素である。d殻が不完全であるために最外殻がd
電子により方向性を有し、その結果光触媒物質からやっ
てくる励起電子を金属超微粒子表面で捕まえ易く、スー
パーオキサイドアニオンを生成し易い。金属単体で触媒
として利用できる金属が望ましく、また安全性の観点か
ら考えるとAu、Pt、Ag、Pdが好ましく、金属と
しての安定性の観点からAu、Pt、Pdがより好まし
い。
The supported ultrafine metal particles may be transition metals. The transition metal element is an element having an incomplete d-shell and having atomic numbers 21 (Sc) to 29 (Cu) and 39 (Y) to 4
7 (Ag), 57 (La) -79 (Au) and 89
It is a metal element consisting of four groups (Ac) to 111 in theory. The outer shell is d due to the imperfect d shell
The electrons have directionality, and as a result, excited electrons coming from the photocatalytic substance are easily captured on the surface of the metal ultrafine particles, and a superoxide anion is easily generated. A metal that can be used alone as a catalyst is desirable, and from the viewpoint of safety, Au, Pt, Ag, and Pd are preferable, and Au, Pt, and Pd are more preferable from the viewpoint of stability as a metal.

【0021】本発明の特徴は、微粒子や大きな結晶から
なる光触媒物質の表面に金属超微粒子を担持形成する方
法を確立したことである。従来の製法ではミクロンサイ
ズの金属微粒子を担持させることはできたが、ナノスケ
ールの金属超微粒子を形成担持することは不可能であっ
た。この従来製法の限界が光触媒効率の向上を阻害して
いた原因でもあった。上述したように、従来製法が金属
塩または金属粉を原料として使用していたのに対し、本
発明では加熱により還元可能な有機金属化合物を用いる
ことにより、光触媒効率の飛躍的な向上を達成したので
ある。加熱により還元可能とは、加熱すると有機金属化
合物から金属だけが単離でき、換言すれば他の有機物部
分が分離されてしまうことである。有機金属化合物の中
でも、特に有機金属錯体が本発明の目的に適している。
しかし、加熱により還元可能な有機金属化合物で有れば
特に制限されないことは云うまでもない。
A feature of the present invention is to establish a method of carrying and forming ultrafine metal particles on the surface of a photocatalytic substance composed of fine particles or large crystals. The conventional manufacturing method was able to support micron-sized metal fine particles, but it was impossible to form and support nanoscale ultrafine metal particles. This limitation of the conventional production method was also a factor that hindered the improvement of the photocatalytic efficiency. As described above, the conventional production method uses a metal salt or metal powder as a raw material, whereas the present invention achieves a dramatic improvement in photocatalytic efficiency by using an organic metal compound that can be reduced by heating. It is. Reducible by heating means that only metal can be isolated from the organometallic compound by heating, in other words, other organic substances are separated. Among the organometallic compounds, organometallic complexes are particularly suitable for the purpose of the present invention.
However, it goes without saying that there is no particular limitation as long as the organic metal compound can be reduced by heating.

【0022】例えば、エチルリチウム、p−ジメチルア
ミノフェニルリチウム等のLi系化合物;n−プロピル
ナトリウム、2−メチルフリルナトリウム等のNa糸化
合物;エチルカリウム、フェニルカリウム等のK系化合
物;エチルルビジウム、トリフェニルメチルルビジウム
等のRb系化合物;エチルセシウム、ベンジルセシウム
等のCs系化合物;ジメチルベリリウム、イソプロピル
ベリリウムメトキシド等のBe系化合物;メチルマグネ
シウムヨージド、ジメチルマグネシウム等のMg系化合
物;ジメチルカルシウム、ヨウ化フェニルカルシウム等
のCa糸化合物;ヨウ化エチルストロンチウム、ジメチ
ルストロンチウム等のSr系化合物;ジメチルバリウ
ム、フェニルバリウムヨージド等のBa系化合物;ジメ
チル亜鉛、ジエチル亜鉛イソキノリネート等のZn系化
合物;ジイソブチルカドミウム、ジフェニルカドミウム
等のCd系化合物;臭化メチル水銀、メチル水銀ヨージ
ド、ビス(トリフルオロメチル)等のHg系化合物;ジ
メチルひ素、フェニルジクロロひ素等のAs系化合物;
ジメチルブロモアンチモン、トリメチルアンチモン等の
Sb系化合物;ジメチルビスマス、トリメチルビスマス
等のBi系化合物;メチルセレノシアネート、ジメチル
セレニド等のSe系化合物;ジメチルテルリド、β−ジ
メチルテルリドジクロリド等のTe系化合物;ポロニウ
ムカルボニル、ジメチルポロニウム等のPo系化合物;
トリシクロオクチルボラン、2,4−ジメチルボラジン
等のB系化合物;トリメチルアルミニウム、ジメチルア
ミノジメチルアルミニウム等のAl系化合物;トリメチ
ルガリウム、フェニルジブロモガリウム等のGa系化合
物;トリメチルインジウム、ジフェニルブロモインジウ
ム等のIn系化合物;ジメチルブロモタリウム、ジメチ
ルメトキシタリウム等のTl系化合物;銅トリカルボニ
ル、フェニル銅、ビス(クロロ銅)アセチレン等のCu
系化合物;イソブテニル銀、フェニル銀等のAg系化合
物;メチルジブロモ金、トリメチル金、ジイソプロピル
シアノ金等のAu系化合物;ジクロロー(シクロオクタ
ジエン−1,5)−パラジウム、π−シクロペンタジエ
ニル−π−シクロペンテニルパラジウム等のPd系化合
物;π−シクロペンタジエニル−π−アリルー白金、ジ
クロロー(シクロオクタ−1,5−ジエン)−白金等の
Pt系化合物;メチル−ペンタ(カルボニル)−レニウ
ム、クロロ−ビス(フェニルアセチレン)−レニウム等
のRe系化合物;π−シクロペンタジエニル−ジ(エチ
レン)−ロジウム、オクタ(カルボニル)−ジロジウム
等のRh系化合物;ペンタ(カルボニル)−ルテニウ
ム、π−シクロペンタジエニル−メチル−ジ(カルボニ
ル)−ルテニウム等のRu系化合物;シクロペンタジエ
ニル−トリ(カルボニル)テクネチウム等のTc系化合
物;メチル−トリクロローチタニウム、ジーπ−シクロ
ペンタジエニルチタニウム、トリーイソプロポキシーフ
ェニルーチタニウム等のTi系化合物;ヘキサ(カルボ
ニル)−バナジウム、ジーπ−シクロペンタジエニル−
ジクロローバナジウム等のV系化合物;ヘキサ(カルボ
ニル)タングステン、トリ(カルボニル)−(ベンゼ
ン)−タングステン等のW系化合物;シクロペンタジエ
ニルトリクロロジルコニウム等のZr系化合物;π−ア
リル−トリ(カルボニル)コバルト、ジーπ−シクロペ
ンタジエニルコバルト等のCo系化合物;π−シクロペ
ンタジエニル−クロロージ(ニトロオシル)クロム、ト
リ(カルボニル)−(チオフェン)クロム、ジベンゼン
クロム等のCr系化合物;ジブロモテトラ(カルボニ
ル)鉄、テトラ(カルボニル)−(アクリロニトリル)
鉄等のFe系化合物;トリ(カルボニル)−イリジウム
等のIr系化合物;ブロモペンタ(カルボニル)マンガ
ン等のMn系化合物;トリ(カルボニル)−(ベンゼ
ン)−モリブデン等のMo系化合物;テトラトリ(カル
ボニル)ニッケル、ジアクリロニトリルニッケル等のN
i系化合物;(ベンゼン)−(シクロヘキサジエン−
1,3)オスミウム等のOs系化合物;メチルトリクロ
ロシラン、メチルジフルオロシラン等のSi系化合物;
ヘキサエチルジゲルマニウム、アリルゲルマニウムトリ
クロリド等のGe系化合物;エチルスズトリクロリド、
(2−シアノ−1−メチルエチル)トリフェニルスズ等
のSn系化合物;トリエチル−n−プロピル鉛、トリエ
チル鉛メトキシド等のPb系化合物等が挙げられる。
For example, Li-based compounds such as ethyllithium and p-dimethylaminophenyllithium; Na thread compounds such as n-propyl sodium and 2-methylfuryl sodium; K-based compounds such as ethyl potassium and phenyl potassium; ethyl rubidium; Rb compounds such as triphenylmethyl rubidium; Cs compounds such as ethyl cesium and benzyl cesium; Be compounds such as dimethyl beryllium and isopropyl beryllium methoxide; Mg compounds such as methyl magnesium iodide and dimethyl magnesium; dimethyl calcium; Ca thread compounds such as phenyl calcium iodide; Sr-based compounds such as ethyl strontium iodide and dimethyl strontium; Ba-based compounds such as dimethyl barium and phenyl barium iodide; dimethyl zinc and diethyl Zn-based compounds such as lead isoquinolinate; Cd-based compounds such as diisobutylcadmium and diphenylcadmium; Hg-based compounds such as methylmercury bromide, methylmercury iodide and bis (trifluoromethyl); As-based compounds such as dimethylarsenic and phenyldichloroarsenic Compound;
Sb-based compounds such as dimethylbromoantimony and trimethylantimony; Bi-based compounds such as dimethylbismuth and trimethylbismuth; Se-based compounds such as methylselenocyanate and dimethylselenide; Te-based compounds such as dimethyltelluride and β-dimethyltelluride dichloride Compounds; Po-based compounds such as polonium carbonyl and dimethyl polonium;
B-based compounds such as tricyclooctylborane and 2,4-dimethylborazine; Al-based compounds such as trimethylaluminum and dimethylaminodimethylaluminum; Ga-based compounds such as trimethylgallium and phenyldibromogallium; trimethylindium and diphenylbromoindium In-based compounds; Tl-based compounds such as dimethylbromothallium and dimethylmethoxythallium; Cu such as copper tricarbonyl, phenylcopper and bis (chlorocopper) acetylene
Ag compounds such as isobutenyl silver and phenyl silver; Au compounds such as methyldibromogold, trimethylgold and diisopropylcyanogold; dichloro- (cyclooctadiene-1,5) -palladium and π-cyclopentadienyl- Pd-based compounds such as π-cyclopentenyl palladium; Pt-based compounds such as π-cyclopentadienyl-π-allyl-platinum and dichloro- (cycloocta-1,5-diene) -platinum; methyl-penta (carbonyl) -rhenium; Re-based compounds such as chloro-bis (phenylacetylene) -rhenium; Rh-based compounds such as π-cyclopentadienyl-di (ethylene) -rhodium and octa (carbonyl) -dirhodium; penta (carbonyl) -ruthenium, π- R such as cyclopentadienyl-methyl-di (carbonyl) -ruthenium Tc-based compounds such as cyclopentadienyl-tri (carbonyl) technetium; Ti-based compounds such as methyl-trichloro-titanium, di-cyclopentadienyl-titanium, triisopropoxy-phenyl-titanium; hexa (carbonyl) ) -Vanadium, di-π-cyclopentadienyl-
V-based compounds such as dichloro-vanadium; W-based compounds such as hexa (carbonyl) tungsten and tri (carbonyl)-(benzene) -tungsten; Zr-based compounds such as cyclopentadienyltrichlorozirconium; π-allyl-tri (carbonyl) ) Co-based compounds such as cobalt and di-π-cyclopentadienyl cobalt; Cr-based compounds such as π-cyclopentadienyl-chlorodi (nitroosyl) chromium, tri (carbonyl)-(thiophene) chromium and dibenzenechromium; dibromo Tetra (carbonyl) iron, tetra (carbonyl)-(acrylonitrile)
Fe compounds such as iron; Ir compounds such as tri (carbonyl) -iridium; Mn compounds such as bromopenta (carbonyl) manganese; Mo compounds such as tri (carbonyl)-(benzene) -molybdenum; tetratri (carbonyl) N such as nickel and diacrylonitrile nickel
i-based compound; (benzene)-(cyclohexadiene-
1,3) Os-based compounds such as osmium; Si-based compounds such as methyltrichlorosilane and methyldifluorosilane;
Ge-based compounds such as hexaethyldigermanium and allylgermanium trichloride; ethyltin trichloride;
Sn-based compounds such as (2-cyano-1-methylethyl) triphenyltin; and Pb-based compounds such as triethyl-n-propyl lead and triethyl lead methoxide.

【0023】上述したように金属としては安定性および
安全性の観点から、特にAu系化合物、Ag系化合物、
Pd系化合物、Rh系化合物又はPt系化合物の少なく
とも1種を用いることが好ましい。より好ましくはA
u、Ag、Pd、Rh又はPtと硫黄含有有機物との化
合物であり、更に最も好ましくはAu、Pd、Rh又は
Ptと硫黄含有有機物との化合物である。例えば、メチ
ルメルカプタン、エチルメルカプタン、プロピルメルカ
プタン、ブチルメルカプタン、オクチルメルカプタン、
ドデシルメルカプタン、ヘキサデシルメルカプタン、オ
クタデシルメルカプタン等のアルキルメルカプタン、チ
オグリコール酸ブチル等のチオグリコール酸類、そのほ
かトリメチロールプロパントリスチオグリコレート、チ
オグリセロール、チオ酢酸、チオ安息香酸、チオグリコ
ール、チオジプロピオン酸、チオ尿素、t−ブチルフェ
ニルメルカプタン、t−ブチルベンジルメルカプタン等
が挙げられる。更にその他、バルサム金(C1018
SAuCl1−3)、バルサム白金(C1018SP
tCl1−3)、バルサムパラジウム(C1018
PdCl1−3)、バルサムロジウム(C1018
RhCl1−3)等が利用できる。
As described above, from the viewpoints of stability and safety, metals such as Au compounds, Ag compounds,
It is preferable to use at least one of a Pd-based compound, Rh-based compound and Pt-based compound. More preferably A
It is a compound of u, Ag, Pd, Rh or Pt and a sulfur-containing organic substance, and most preferably a compound of Au, Pd, Rh or Pt and a sulfur-containing organic substance. For example, methyl mercaptan, ethyl mercaptan, propyl mercaptan, butyl mercaptan, octyl mercaptan,
Alkyl mercaptans such as dodecyl mercaptan, hexadecyl mercaptan and octadecyl mercaptan; thioglycolic acids such as butyl thioglycolate; and trimethylolpropane tris thioglycolate, thioglycerol, thioacetic acid, thiobenzoic acid, thioglycol, thiodipropionic acid Thiourea, t-butylphenylmercaptan, t-butylbenzylmercaptan and the like. In addition, balsam gold (C 10 H 18
SAuCl 1-3 ), Balsam platinum (C 10 H 18 SP)
tCl 1-3 ), balsam palladium (C 10 H 18 S)
PdCl 1-3 ), balsam rhodium (C 10 H 18 S)
RhCl 1-3 ) and the like can be used.

【0024】上記の有機金属化合物と二酸化チタン等の
光触媒物質の粉末を適当な公知の親水溶媒中に分散させ
ると有機金属化合物の疎水コロイド等が形成でき、この
有機金属化合物コロイド粒子が光触媒粉末粒子の表面に
多数付着する。この混合液を乾燥させ、残った固体残留
物を焼成すると、有機金属化合物のうち有機物は逃散
し、金属だけがナノスケールの超微粒子となって光触媒
微粒子の表面に担持されるのである。混合液自体を加熱
して溶媒を蒸発させ、更に加熱により固形の残留物を焼
成する等、乾燥・焼成が一連の工程となる場合も含む。
光触媒物質が大きな固形物質の場合には、有機金属化合
物だけを溶媒中に分散して有機金属化合物コロイドを形
成し、この混合液中に光触媒物質を浸漬したり、又この
混合液を光触媒物質表面に噴霧や塗布等で塗着させ、そ
の後取り出して焼成すると金属超微粒子を光触媒物質表
面に担持形成できる。また別の製法として、上記の有機
金属化合物のコロイド溶液と光触媒粉末を互いに対向さ
せて噴霧すると、光触媒粉末粒子の表面にコロイドが多
数付着し、このコロイド付着光触媒粉末粒子を落下する
途中で加熱処理すると、容器の底に金属超微粒子担持光
触媒微粒子を連続的に堆積させることができる。
By dispersing the above-mentioned organometallic compound and a powder of a photocatalytic substance such as titanium dioxide in an appropriate known hydrophilic solvent, a hydrophobic colloid or the like of the organometallic compound can be formed. Many adhere to the surface of. When this mixture is dried and the remaining solid residue is calcined, the organic matter among the organometallic compounds escapes, and only the metal is converted into nanoscale ultrafine particles and carried on the surface of the photocatalytic fine particles. Drying and firing may be a series of steps, such as heating the mixed solution itself to evaporate the solvent and further firing the solid residue by heating.
When the photocatalytic substance is a large solid substance, only the organometallic compound is dispersed in a solvent to form an organometallic compound colloid, and the photocatalytic substance is immersed in the mixed solution, or the mixed solution is coated on the surface of the photocatalytic substance. When sprayed or coated on the substrate, and then taken out and fired, the metal ultrafine particles can be supported and formed on the surface of the photocatalytic substance. As another manufacturing method, when the above-mentioned colloidal solution of the organometallic compound and the photocatalyst powder are sprayed to face each other, a large number of colloids adhere to the surface of the photocatalyst powder particles, and the colloid-adhered photocatalyst powder particles are subjected to heat treatment while falling. Then, the ultrafine metal particle-supported photocatalyst fine particles can be continuously deposited on the bottom of the container.

【0025】有機金属化合物の溶液濃度は、最終製品等
に応じて適宜設定できるが、通常は0.1重量%以上と
し、好ましくは0.5〜50重量%とする。溶媒は有機
金属化合物の種類により適宜選択でき、アルコール類、
エステル類、芳香族類等の公知の有機溶媒を使用するこ
とができる。
The solution concentration of the organometallic compound can be appropriately set according to the final product or the like, but is usually 0.1% by weight or more, preferably 0.5 to 50% by weight. The solvent can be appropriately selected depending on the type of the organometallic compound, and alcohols,
Known organic solvents such as esters and aromatics can be used.

【0026】本発明の効果を損なわない範囲で、助触媒
等の公知の添加剤が混合溶液中に含まれていてもよい。
助触媒としては、例えばV、Mo、W、Nb、Cr、T
a等又はこれらの酸化物、アルカリ金属(Li、Na、
K、Rb、Cs、Fr)、アルカリ土類金属(Be、M
g、Ca、Sr、Ba、Ra)、その他重アルカリ金属
類が挙げられる。
Known additives such as a co-catalyst may be contained in the mixed solution as long as the effects of the present invention are not impaired.
As the co-catalyst, for example, V, Mo, W, Nb, Cr, T
a or the like or an oxide thereof, an alkali metal (Li, Na,
K, Rb, Cs, Fr), alkaline earth metals (Be, M
g, Ca, Sr, Ba, Ra) and other heavy alkali metals.

【0027】本発明における焼成温度は、通常は有機金
属化合物の還元析出温度以上であって、且つ還元されて
析出する金属の融点未満の温度範囲内で適宜変更するこ
とができる。更に具体的に述べると、有機金属錯体のよ
うな有機金属化合物から金属を単離するためには、有機
金属化合物を完全に分解して金属原子だけを残して他の
有機物原子を逃散させなければならない。この温度を金
属の還元析出温度と定義している。次に、単離された金
属原子を集合させて金属超微粒子にまで再配列させなけ
ればならない。この上限温度はバルクの金属の融点以下
であればよく、好ましくは、析出金属の融点の80%以
下、特に70%以下とする。また、焼成雰囲気は酸化雰
囲気、また希薄空気でもよく最終製品に応じて適宜選択
できる。
The firing temperature in the present invention can be appropriately changed within a temperature range which is usually higher than the reduction precipitation temperature of the organometallic compound and lower than the melting point of the metal to be reduced and deposited. More specifically, in order to isolate a metal from an organometallic compound such as an organometallic complex, it is necessary to completely decompose the organometallic compound and leave only metal atoms to escape other organic atoms. No. This temperature is defined as the reduction precipitation temperature of the metal. Next, the isolated metal atoms must be assembled and rearranged into ultrafine metal particles. The upper limit temperature is not more than the melting point of the bulk metal, and is preferably 80% or less, particularly 70% or less of the melting point of the deposited metal. The firing atmosphere may be an oxidizing atmosphere or diluted air, and may be appropriately selected according to the final product.

【0028】前述したように、本発明で用いられる光触
媒は金属酸化物半導体であり、その中でも二酸化チタン
が現在の所最も好ましい。二酸化チタンの結晶構造には
ルチル型とアナターゼ型が知られている。約600℃以
上に加熱するとアナターゼ型の全てはルチル型に相転移
を起こし、冷却後の低温ではルチル型になる。600℃
以下でもアナターゼ型の一部はルチル型に相転移する。
工業的にはルチル型の方が低コストで製造できるが、従
来から金属を担持しない光触媒として用いられる二酸化
チタンはアナターゼ型が圧倒的である。
As described above, the photocatalyst used in the present invention is a metal oxide semiconductor, and among them, titanium dioxide is most preferable at present. Rutile type and anatase type are known as crystal structures of titanium dioxide. When heated to about 600 ° C. or higher, all of the anatase type undergoes a phase transition to the rutile type, and becomes a rutile type at a low temperature after cooling. 600 ° C
Even below, a part of the anatase type undergoes a phase transition to the rutile type.
Industrially, the rutile type can be manufactured at lower cost, but the anatase type is overwhelmingly the titanium dioxide conventionally used as a photocatalyst that does not carry a metal.

【0029】何故高価なアナターゼ型が用いられるのか
という理由は、還元電位であるO電位が3.13eV
であるのに対し、バンドギャップ・エネルギーがルチル
型は3.05eVと小さく、アナターゼ型は3.2eV
とやや大きいことが原因である。図2にルチル型のバン
ド構造が示されている。紫外線によって伝導帯に励起さ
れた電子は伝導帯の底に落込みながら酸素を還元しよう
とする。ところが還元電位は伝導帯の底よりやや上にあ
るため、何等かの外部エネルギーを受けない限り還元で
きないのである。従って、ルチル型単体では酸素の還元
効率は極めて小さい。これに対し、図3に示されたアナ
ターゼ型の場合には、紫外線によって電子が伝導帯に励
起され、その後伝導帯の底に落込んだ場合でも、還元電
位は伝導帯の底より下側に位置しているため酸素を還元
することができる。
The reason why the expensive anatase type is used is that the O 2 potential which is the reduction potential is 3.13 eV.
On the other hand, the band gap energy of the rutile type is as small as 3.05 eV and that of the anatase type is 3.2 eV.
The reason is that it is rather large. FIG. 2 shows a rutile band structure. Electrons excited in the conduction band by ultraviolet light try to reduce oxygen while falling to the bottom of the conduction band. However, since the reduction potential is slightly above the bottom of the conduction band, it cannot be reduced without receiving any external energy. Therefore, the rutile-type simple substance has an extremely low oxygen reduction efficiency. On the other hand, in the case of the anatase type shown in FIG. 3, even when electrons are excited to the conduction band by ultraviolet rays and then fall to the bottom of the conduction band, the reduction potential is lower than the bottom of the conduction band. Because it is located, oxygen can be reduced.

【0030】本発明は安価なルチル型の二酸化チタンを
光触媒として用いた場合でも、アナターゼ型と同等の酸
化還元機能を実現することを可能にした。図1では、紫
外線により電子が伝導帯に励起された場合、電子は緩和
しながら伝導帯の底に落ち、金属準位および還元電位へ
と水平移動する場合を説明した。しかし、伝導帯の励起
準位から緩和する途中で水平位置にある金属準位の波動
関数に乗って電子が直ちに金属外へと共鳴トンネリング
により運び出され、還元電位にある酸素を還元する場合
も本発明に含まれる。緩和よりも金属超微粒子による共
鳴トンネリングが有効的に機能するため、紫外線エネル
ギーに対応した励起準位から伝導帯の底までの広い範囲
内で電子を外部に放出できることになる。即ち、励起電
子が伝導帯の底に落ち込む前に、電子のエネルギーを消
耗させないで還元準位にそのエネルギーを伝達するので
ある。金属超微粒子による量子サイズ効果の顕著な発現
がルチル型をもアナターゼ型と同様に光触媒として利用
できる道を開いた意義は画期的である。
The present invention makes it possible to realize the same oxidation-reduction function as the anatase type even when inexpensive rutile type titanium dioxide is used as a photocatalyst. FIG. 1 has described the case where, when electrons are excited into the conduction band by ultraviolet rays, the electrons fall to the bottom of the conduction band while relaxing, and move horizontally to the metal level and the reduction potential. However, in the case of reducing the oxygen at the reduction potential, electrons are immediately carried out by resonance tunneling to the outside of the metal on the wave function of the metal level at the horizontal position while relaxing from the excitation level in the conduction band. Included in the invention. Since resonance tunneling by metal ultrafine particles functions more effectively than relaxation, electrons can be emitted to the outside in a wide range from the excitation level corresponding to the ultraviolet energy to the bottom of the conduction band. That is, before the excited electrons fall to the bottom of the conduction band, the energy of the electrons is transferred to the reduction level without wasting the energy of the electrons. The remarkable expression of the quantum size effect by the ultrafine metal particles has opened the way for the rutile type to be used as a photocatalyst like the anatase type.

【0031】本発明において利用できる光源は、光触媒
のバンドギャップ・エネルギー以上のエネルギーを有す
る光源であればよく、通常は紫外線灯が用いられる。特
に二酸化チタンを用いる場合には、ルチル型とアナター
ゼ型があり、各々のギャップエネルギーを波長に換算す
ると、ルチル型は407nm、アナターゼ型は388n
mである。従って、二酸化チタンに対する光源の波長分
布は400nmをピーク付近に有することが望ましい。
図4の波長分布を有する誘蛾灯は、400nmがピーク
近傍にあるためルチル型およびアナターゼ型両方に有効
で極めて好ましい。
The light source that can be used in the present invention may be any light source having energy equal to or higher than the band gap energy of the photocatalyst, and usually an ultraviolet lamp is used. In particular, when titanium dioxide is used, there are a rutile type and an anatase type. When each gap energy is converted into a wavelength, the rutile type is 407 nm and the anatase type is 388 nm.
m. Therefore, it is desirable that the wavelength distribution of the light source for titanium dioxide has 400 nm near the peak.
The attractant lamp having the wavelength distribution of FIG. 4 is effective for both rutile and anatase types, and is very preferable because 400 nm is near the peak.

【0032】図5の波長分布を有する自然太陽光線は、
可視光線が中心であるが、400nmを含んでいるため
に十分に利用できる。特に自然太陽光線では388nm
より407nmの方が光強度が高いのでルチル型の方が
アナターゼ型よりも有効である。従って、本発明により
ルチル型二酸化チタンを光触媒として利用できることは
自然太陽光線を活用できる大きな道を開いたものであ
る。このことは、従来のアナターゼ型の場合には紫外線
灯を利用できても、自然太陽光線の場合には触媒効率が
極めて低かったことと対照的である。また、従来の光触
媒では、屋外での太陽光線の利用は光強度が強いために
可能であったが、屋内利用では光強度が弱いため弱点と
なっていた。しかし、本発明では光触媒効率が格段に増
強されているため、太陽光線を光源として屋内における
光触媒の利用の拡大を図ることが可能となる。
The natural sunlight having the wavelength distribution shown in FIG.
Visible light is the center, but is fully available because it contains 400 nm. 388nm especially for natural sunlight
Since the light intensity is higher at 407 nm, the rutile type is more effective than the anatase type. Therefore, the fact that rutile-type titanium dioxide can be used as a photocatalyst according to the present invention opens a great way to utilize natural sunlight. This is in contrast to the conventional anatase type, in which an ultraviolet lamp can be used, but in the case of natural sunlight, the catalytic efficiency is extremely low. In addition, in the conventional photocatalyst, the use of sunlight outdoors was possible because of the high light intensity, but the indoor use was a weak point because the light intensity was low. However, in the present invention, since the photocatalytic efficiency is remarkably enhanced, it is possible to expand the use of the photocatalyst indoors using sunlight as a light source.

【0033】[0033]

【実施例】以下に本発明に係る金属超微粒子担持光触媒
およびその製造方法の実施例を示し、本発明の特徴とす
るところを一層明確にする。
EXAMPLES Examples of the photocatalyst supporting ultrafine metal particles and the method for producing the same according to the present invention will be described below to further clarify the features of the present invention.

【0034】実施例1 [2種類のPt超微粒子担持光触媒の調製]有機金属錯
体であるバルサムPtの疎水コロイドを親水性のアセト
ンに分散させて、濃度が2.5重量%の有機金属錯体コ
ロイド溶液を調製した。このコロイド溶液に光触媒微粒
子として結晶構造がルチル型で平均粒径300nmの二
酸化チタン粉末を混入させて、二酸化チタン微粒子にコ
ロイドを付着させた。このコロイド溶液をパイレックス
ガラス板に塗布して乾燥し、500℃で30分間焼成
し、ガラス板から剥がして金属超微粒子担持光触媒Aを
得た。同様に結晶構造がルチル型で平均粒径70nmの
二酸化チタン粉末を用いて金属超微粒子担持光触媒Bを
得た。図6はAの、図7はBの透過型電子顕微鏡写真で
あり、二酸化チタン微粒子上におけるPt超微粒子の担
持状態を示している。又、図8はAの高分解能透過型電
子顕微鏡による格子像を示し、その格子間隔からPtが
ルチル型二酸化チタン上に担持されていることを証明し
ている。図9はAおよびBのPt超微粒子の粒径分布を
示し、Aの平均粒径が3nm、Bの平均粒径が1.5n
mであることを示す。コロイド焼成法によれば平均粒径
の小さな金属超微粒子を二酸化チタン上に担持させるこ
とができ、本発明の核心部である量子サイズ効果を最も
効果的に発現させることができる。
Example 1 [Preparation of Two Kinds of Pt Ultrafine Particle-Supported Photocatalyst] An organometallic complex colloid having a concentration of 2.5% by weight was prepared by dispersing a hydrophobic colloid of balsam Pt as an organometallic complex in hydrophilic acetone. A solution was prepared. Titanium dioxide powder having a rutile crystal structure and an average particle diameter of 300 nm was mixed with the colloid solution as photocatalyst fine particles, and the colloid was attached to the titanium dioxide fine particles. This colloid solution was applied to a Pyrex glass plate, dried, baked at 500 ° C. for 30 minutes, and peeled from the glass plate to obtain a photocatalyst A carrying ultrafine metal particles. Similarly, a photocatalyst B supporting ultrafine metal particles was obtained using titanium dioxide powder having a rutile crystal structure and an average particle size of 70 nm. FIG. 6 is a transmission electron micrograph of A and FIG. 7 is a transmission electron micrograph of B, showing the state of Pt ultrafine particles being supported on titanium dioxide fine particles. FIG. 8 shows a lattice image of A by a high-resolution transmission electron microscope, and it is proved from the lattice spacing that Pt is supported on rutile-type titanium dioxide. FIG. 9 shows the particle size distribution of the ultrafine Pt particles of A and B, wherein the average particle size of A is 3 nm and the average particle size of B is 1.5 n.
m. According to the colloid firing method, ultrafine metal particles having a small average particle diameter can be supported on titanium dioxide, and the quantum size effect, which is the core of the present invention, can be most effectively exerted.

【0035】実施例2 [実施例1のPt超微粒子担持光触媒の担持密度の測
定]実施例1により得られたサンプルAおよびBのPt
超微粒子の担持密度を測定した。この際、二酸化チタン
微粒子およびPt超微粒子を球形に近似した。図6のA
の電子顕微鏡写真から、直径200nmの二酸化チタン
微粒子1個の表面には約120個のPt超微粒子が存在
し、1cm当りの担持密度は2×1011個であっ
た。同様に、図7のBの電子顕微鏡写真から、直径50
nmの二酸化チタン1個の表面には約300個のPt超
微粒子が存在し、担持密度は4×1012個/cm
あった。分かりやすさの観点から、本発明では担持密度
を光触媒微粒子1個当りの金属超微粒子の個数で表現す
ることにする。
Example 2 [Measurement of the supported density of the Pt ultrafine particle-supported photocatalyst of Example 1] The Pt of samples A and B obtained in Example 1
The carrying density of the ultrafine particles was measured. At this time, the titanium dioxide fine particles and the Pt ultrafine particles approximated to a spherical shape. A in FIG.
According to the electron micrograph of the above, about 120 Pt ultrafine particles were present on the surface of one titanium dioxide fine particle having a diameter of 200 nm, and the carrying density per 1 cm 2 was 2 × 10 11 . Similarly, from the electron micrograph of FIG.
Approximately 300 Pt ultrafine particles were present on the surface of one nm of titanium dioxide, and the loading density was 4 × 10 12 particles / cm 2 . From the viewpoint of easy understanding, in the present invention, the loading density is expressed by the number of ultrafine metal particles per photocatalyst fine particle.

【0036】実施例3 [6種類の金属超微粒子担持光触媒の光触媒効率の比
較]バルサムPtの代わりにPtブチルメルカプタンを
使用して実施例1と同様の方法で、平均粒径300nm
の二酸化チタンに金属超微粒子を担持させ、6種類の金
属超微粒子担持光触媒を作製した。具体的には、ルチ
ル、アナターゼ、ルチル・Pt、ルチル・Au、アナタ
ーゼ・Au、アナターゼ・Pdである。ルチルおよびア
ナターゼは金属非担持の二酸化チタン単体である。これ
らの光触媒粉末をこの順にC、D、E、F、G、Hと呼
ぶ。これらの光触媒粉末C〜Hを密封容器内に置いた
後、エタノールを密封して、紫外線灯の露光下で1時間
後のアセトアルデヒドと酢酸の生成量を測定し、結果を
表1に示す。エタノールはアセトアルデヒド次いで酢酸
へと分解されるから、アセトアルデヒドと酢酸の生成量
の合計が分解力の指標となる。アナターゼDがルチルC
の約1.8倍であることから単体ではアナターゼが有効
である事が実証された。E、F、G、Hは各々Cの約5
倍、約8倍、約9倍、約7倍であり、またDの約3倍、
約4倍、約5倍、約4倍も分解力が高いことが分かる。
従って、金属超微粒子担持光触媒の分解力が顕著に優れ
ていることが分かった。
Example 3 [Comparison of Photocatalytic Efficiency of Photocatalysts Supporting Six Kinds of Ultrafine Metal Particles] A method similar to that of Example 1 except that balsam Pt was replaced with Pt butyl mercaptan, and the average particle diameter was 300 nm.
Ultrafine metal particles were supported on the titanium dioxide of Example 1 to produce six types of ultrafine metal particle-supported photocatalysts. Specifically, it is rutile, anatase, rutile / Pt, rutile / Au, anatase / Au, or anatase / Pd. Rutile and anatase are metal-free titanium dioxide simple substances. These photocatalyst powders are called C, D, E, F, G, and H in this order. After the photocatalyst powders C to H were placed in a sealed container, the ethanol was sealed, and the amount of acetaldehyde and acetic acid produced after 1 hour under exposure to an ultraviolet lamp was measured. The results are shown in Table 1. Since ethanol is decomposed into acetaldehyde and then to acetic acid, the total amount of acetaldehyde and acetic acid produced serves as an indicator of decomposition power. Anatase D is rutile C
Since it is about 1.8 times that of anatase, it was demonstrated that anatase was effective alone. E, F, G and H are each about 5 of C
About 8 times, about 9 times, about 7 times, and about 3 times D,
It can be seen that the decomposition power is as high as about four times, about five times, and about four times.
Therefore, it was found that the decomposition power of the photocatalyst supporting ultrafine metal particles was remarkably excellent.

【0037】[0037]

【表1】 [Table 1]

【0038】実施例4 [金属超微粒子担持光触媒微粒子の連続製造装置]図1
0は金属超微粒子を担持した光触媒微粒子の連続製造装
置の概略断面図である。本装置の頭頂にある噴霧部2に
は、有機金属錯体コロイド溶液を噴霧するスプレー機構
4と光触媒微粒子を噴霧する微粒子ノズル6が配置され
ている。例えば二酸化チタン微粒子とPtブチルメルカ
プタンコロイド溶液を相互に対向状に噴霧すると、二酸
化チタン微粒子上にコロイド粒子が多数付着する。この
コロイド付着微粒子は自重で第1加熱槽に落下し、そこ
で約100℃で乾燥される。第1フランジ部10から下
は第2加熱槽12で、送流ファン11によりコロイド付
着微粒子は強制的に邪魔板13の間を通過させられ、約
500℃にまで加熱される。この加熱により有機物は完
全に分解されて金属原子が相互に集合しながら金属超微
粒子へと再配列する。第2フランジ部14の下には多孔
緩衝板16、20があり、その間にファン18が設置さ
れている。ファン18の吸引力により金属超微粒子を担
持した光触媒微粒子が多孔緩衝板16、20を通過して
行くが、光触媒微粒子同士が結合し合って団子状に大き
くなったものはここで遮断され、微粒子のサイズ調製が
行われる。光触媒微粒子はバッファ22を介して容器2
4内に連続的に堆積して行く。気流は多孔緩衝板26を
介して外部へと吸引排気される。
Example 4 [Continuous production apparatus of photocatalyst fine particles carrying ultrafine metal particles] FIG.
Reference numeral 0 is a schematic sectional view of an apparatus for continuously producing photocatalytic fine particles carrying ultrafine metal particles. A spray mechanism 2 for spraying an organometallic complex colloid solution and a fine particle nozzle 6 for spraying photocatalytic fine particles are arranged in a spray section 2 at the top of the apparatus. For example, when the titanium dioxide fine particles and the Pt butyl mercaptan colloid solution are sprayed to face each other, many colloid particles adhere to the titanium dioxide fine particles. The colloid-adhered fine particles fall under their own weight into the first heating tank, where they are dried at about 100 ° C. Below the first flange portion 10 is a second heating tank 12, in which the colloid-adhered fine particles are forcibly passed between the baffle plates 13 by the flow fan 11 and heated to about 500 ° C. The organic matter is completely decomposed by this heating, and rearranges into ultrafine metal particles while the metal atoms assemble with each other. Below the second flange portion 14 are perforated buffer plates 16 and 20, between which a fan 18 is installed. The photocatalyst particles carrying the ultrafine metal particles pass through the porous buffer plates 16 and 20 due to the suction force of the fan 18. The photocatalyst particles that have joined together and become larger in a dumpling shape are blocked here. Is prepared. The photocatalyst fine particles are stored in the container 2 via the buffer 22.
4 is continuously deposited. The airflow is sucked and exhausted to the outside via the porous buffer plate 26.

【0039】実施例5 [連続製造装置によるPt担持と従来の光触媒微粒子と
の比較]実施例4に示された連続製造装置により平均粒
径70nmのルチル型二酸化チタンに平均粒径1.5n
mのPt超微粒子を担持させて、金属超微粒子担持光触
媒微粒子を作製した。Pt超微粒子の担持密度は二酸化
チタン微粒子1個当り600個であった。このPt超微
粒子担持光触媒微粒子の光触媒効率を平均粒径70nm
のアナターゼ型二酸化チタン単体と平均粒径70nmの
ルチル型二酸化チタン単体と比較してみた。反応雰囲気
として酸素とアルゴンガスの2種類を用意し、スーパー
オキサイドアニオンの効果も確かめた。Pt超微粒子担
持光触媒微粒子・OをI、アナターゼ・OをJ、ア
ナターゼ・ArをK、ルチル・OをLとする。4種類
とも触媒は0.5gであり、アセトアルデヒドの酢酸へ
の分解効率を見るため、密封容器内のアセトアルデヒド
濃度が100ppmから測定を開始し、1ppmになる
まで計測を続けた。結果は図11に片対数で示されてい
る。測定開始から同一時刻でのIとJの比較から、Pt
担持はアナターゼ単体より触媒効率が約100倍以上も
高く、実施例3と比較しても格段に高いことが分かる。
この理由は、金属担持密度がかなり大きいこと及びPt
超微粒子の粒経が粒ぞろいでかなり小さいことが原因で
ある。また、JとKの比較から、アルゴンガスでは分解
が促進せず酸素の存在が効果的であることが証明され
た。即ち、スーパーオキサイドアニオンの存在が酸化還
元過程に有効に作用しているのである。さらに、ルチル
単体の場合には酸素中でも触媒効率が一番悪く、図3お
よび4で説明したことが実証されている。
Example 5 [Comparison of Pt loading by continuous production apparatus and conventional photocatalyst fine particles] Rutile-type titanium dioxide having an average particle diameter of 70 nm was converted to an average particle diameter of 1.5 n by the continuous production apparatus shown in Example 4.
m Pt ultrafine particles were supported to produce photocatalyst fine particles supporting metal ultrafine particles. The loading density of Pt ultrafine particles was 600 per titanium dioxide fine particle. The photocatalytic efficiency of the Pt ultrafine particle-supported photocatalyst fine particles was determined to be an average particle size of 70 nm.
Was compared with a simple substance of anatase type titanium dioxide and a simple substance of rutile type titanium dioxide having an average particle diameter of 70 nm. Oxygen and argon gas were prepared as reaction atmospheres, and the effect of superoxide anion was also confirmed. Pt ultrafine particle-supported photocatalyst fine particles / O 2 are I, anatase / O 2 is J, anatase / Ar is K, and rutile / O 2 is L. In all four types, the catalyst weighed 0.5 g. In order to check the decomposition efficiency of acetaldehyde to acetic acid, the measurement was started from a concentration of acetaldehyde in the sealed container of 100 ppm, and the measurement was continued until the concentration became 1 ppm. The results are shown semi-logarithmically in FIG. From the comparison of I and J at the same time from the start of measurement, Pt
It can be seen that the supported catalyst has a catalytic efficiency about 100 times or more higher than that of anatase alone, and is much higher than that of Example 3.
The reason for this is that the metal loading density is rather large and Pt
The reason is that the particle diameter of the ultrafine particles is uniform and quite small. From the comparison between J and K, it was proved that decomposition was not promoted with argon gas and the presence of oxygen was effective. That is, the presence of the superoxide anion effectively acts on the oxidation-reduction process. Further, in the case of rutile alone, the catalytic efficiency is the worst even in oxygen, which demonstrates that the explanation has been made with reference to FIGS.

【0040】本発明は上記実施例に限定されるものでは
なく、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲における種
々の変形例・設計変更等をその技術的範囲内に包含する
ものである。
The present invention is not limited to the above embodiment, but includes various modifications and design changes within the technical scope of the present invention without departing from the technical concept of the present invention.

【0041】[0041]

【発明の効果】本発明は上記詳述したように、光触媒微
粒子に担持される金属を金属超微粒子にまで極少化する
ことにより、光触媒機能を顕著に増強したものである。
金属を1〜10nmのナノスケール領域にまで極少化す
ると、量子サイズ効果の発現によって励起電子を直ちに
外部に放出できる。しかも光触媒微粒子1個当りに担持
される金属超微粒子の平均個数(担持密度)を100個
以上に設定できるから、光触媒反応効率を格段に増強で
きる。その結果、外部物質に対する酸化還元力を顕著に
増強でき、有機物分解力が光触媒微粒子単体やミクロン
サイズの金属を担持した光触媒微粒子より格段に優れた
光触媒を実現したものである。
As described in detail above, the present invention remarkably enhances the photocatalytic function by minimizing the amount of metal supported on photocatalyst fine particles to ultrafine metal particles.
When the metal is reduced to a nanoscale region of 1 to 10 nm, excited electrons can be immediately emitted to the outside due to the development of the quantum size effect. Moreover, the average number (supporting density) of ultrafine metal particles supported per photocatalyst fine particle can be set to 100 or more, so that the photocatalytic reaction efficiency can be remarkably enhanced. As a result, the redox power to external substances can be remarkably enhanced, and a photocatalyst having organic substance decomposing power far superior to the photocatalyst fine particles alone or the photocatalyst fine particles carrying a micron-sized metal has been realized.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】金属超微粒子の量子サイス効果を説明するバン
ド構造の説明図である。
FIG. 1 is an explanatory diagram of a band structure for explaining a quantum size effect of ultrafine metal particles.

【図2】ルチル型二酸化チタンが酸素を還元しにくいこ
とを説明するバンド構造の概略図である。
FIG. 2 is a schematic diagram of a band structure for explaining that rutile-type titanium dioxide hardly reduces oxygen.

【図3】アナターゼ型二酸化チタンが酸素を容易に還元
できることを説明するバンド構造の概略図である。
FIG. 3 is a schematic diagram of a band structure explaining that anatase type titanium dioxide can easily reduce oxygen.

【図4】二酸化チタンのルチル型とアナターゼ型の両方
を効率的に励起できる誘蛾灯の紫外線の波長分布図であ
る。
FIG. 4 is a wavelength distribution diagram of the ultraviolet light of the attracting lamp that can efficiently excite both rutile type and anatase type of titanium dioxide.

【図5】自然な太陽光線の波長分布図である。FIG. 5 is a wavelength distribution diagram of natural sunlight.

【図6】平均粒径300μmの二酸化チタンにPt超微
粒子を担持させた状態の透過型電子顕微鏡写真である。
FIG. 6 is a transmission electron micrograph showing a state in which ultrafine Pt particles are supported on titanium dioxide having an average particle diameter of 300 μm.

【図7】平均粒径70μmの二酸化チタンにPt超微粒
子を担持させた状態の透過型電子顕微鏡写真である。
FIG. 7 is a transmission electron micrograph of a state in which ultrafine Pt particles are supported on titanium dioxide having an average particle diameter of 70 μm.

【図8】図6の状態の高分解能透過型電子顕微鏡による
格子像である。
8 is a lattice image of the state shown in FIG. 6 using a high-resolution transmission electron microscope.

【図9】図6及び図7のPt超微粒子の粒径分布図であ
る。
FIG. 9 is a particle size distribution diagram of the Pt ultrafine particles of FIGS. 6 and 7.

【図10】金属超微粒子担持光触媒微粒子の連続製造装
置の概略断面図である。
FIG. 10 is a schematic sectional view of an apparatus for continuously producing photocatalyst fine particles carrying ultrafine metal particles.

【図11】Pt担持二酸化チタンと二酸化チタン単体に
よるアセトアルデヒド分解の時間経過図である。
FIG. 11 is a time course of acetaldehyde decomposition by Pt-supported titanium dioxide and titanium dioxide alone.

【図12】従来の金属担持光触媒のバンド構造の説明図
である。
FIG. 12 is an explanatory diagram of a band structure of a conventional metal-supported photocatalyst.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

2・・噴霧部 4・・スプレー機構 6・・微粒子ノズル 8・・第1加熱槽 10・・第1フランジ部 11・・送流ファン 12・・第2加熱槽 13・・邪魔板 14・・第2フランジ部 16・・多孔緩衝板 18・・ファン 20・・多孔緩衝板 22・・バッファ 24・・容器 26・・多孔緩衝板 2. Spraying unit 4. Spray mechanism 6. Fine particle nozzle 8. First heating tank 10. First flange part 11. Sending fan 12. Second heating tank 13. Baffle plate 14. 2nd flange part 16 perforated buffer plate 18 fan 20 perforated buffer plate 22 buffer 24 container 26 perforated buffer plate

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI B01J 37/16 B01J 37/16 C07C 45/29 C07C 45/29 47/06 47/06 51/245 51/245 // C07B 61/00 300 C07B 61/00 300 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (51) Int.Cl. 6 Identification code FI B01J 37/16 B01J 37/16 C07C 45/29 C07C 45/29 47/06 47/06 51/245 51/245 // C07B 61 / 00 300 C07B 61/00 300

Claims (10)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 金属超微粒子が光触媒物質に担持されて
いることを特徴とする金属超微粒子担持光触媒。
1. A photocatalyst carrying ultrafine metal particles, wherein ultrafine metal particles are supported on a photocatalytic substance.
【請求項2】 光触媒物質が光触媒微粒子である請求項
1に記載の金属超微粒子担持光触媒。
2. The photocatalyst supporting ultrafine metal particles according to claim 1, wherein the photocatalyst substance is photocatalyst fine particles.
【請求項3】 金属超微粒子が量子サイズ効果を発現す
る粒径である請求項1又は2に記載の金属超微粒子担持
光触媒。
3. The photocatalyst supporting ultrafine metal particles according to claim 1, wherein the ultrafine metal particles have a particle size exhibiting a quantum size effect.
【請求項4】 金属超微粒子の平均粒径が1〜10nm
の範囲内にある請求項3に記載の金属超微粒子担持光触
媒。
4. The ultrafine metal particles have an average particle size of 1 to 10 nm.
The metal ultrafine particle-supported photocatalyst according to claim 3, wherein the photocatalyst is within the range.
【請求項5】 光触媒微粒子1個当りに担持されている
金属超微粒子の平均個数が100個以上である請求項2
ないし4に記載の金属超微粒子担持光触媒。
5. The average number of ultrafine metal particles supported per photocatalyst fine particle is 100 or more.
5. The photocatalyst supported by ultrafine metal particles according to any one of items 4 to 4.
【請求項6】 金属超微粒子は遷移金属から構成され、
光触媒物質は紫外線照射により水酸ラジカルおよび/ま
たはスーパーオキサイドアニオンの生成能力を有する金
属酸化物半導体である請求項1ないし5に記載の金属超
微粒子担持光触媒。
6. Ultrafine metal particles are composed of a transition metal,
The photocatalyst carrying ultrafine metal particles according to claim 1, wherein the photocatalytic substance is a metal oxide semiconductor having an ability to generate hydroxyl radicals and / or superoxide anions by ultraviolet irradiation.
【請求項7】 金属超微粒子はPt、Au、Pd、Ag
の少なくとも1種からなり、光触媒物質は二酸化チタン
からなる請求項6に記載の金属超微粒子担持光触媒。
7. Ultrafine metal particles are Pt, Au, Pd, Ag.
7. The photocatalyst carrying ultrafine metal particles according to claim 6, wherein the photocatalyst substance comprises at least one of the following:
【請求項8】 加熱により還元可能な有機金属化合物と
光触媒物質の混合液を乾燥した後、残留物を焼成して光
触媒物質表面に金属超微粒子を強固に担持させることを
特徴とする金属超微粒子担持光触媒の製造方法。
8. A method for drying a mixture of an organometallic compound and a photocatalytic substance which can be reduced by heating, followed by baking the residue to strongly support the ultrafine metal particles on the surface of the photocatalytic substance. A method for producing a supported photocatalyst.
【請求項9】 有機金属化合物が有機金属錯体の疎水コ
ロイドであり、光触媒物質が金属酸化物半導体粉末粒子
であり、両物質を親水溶媒中で混合させて疎水コロイド
を金属酸化物半導体粉末粒子表面に付着させる請求項8
に記載の金属超微粒子担持光触媒の製造方法。
9. The organic metal compound is a hydrophobic colloid of an organometallic complex, the photocatalytic substance is metal oxide semiconductor powder particles, and both substances are mixed in a hydrophilic solvent to form a hydrophobic colloid on the surface of the metal oxide semiconductor powder particles. Claim 8
3. The method for producing a photocatalyst supported by ultrafine metal particles according to item 1.
【請求項10】 有機金属化合物のコロイド溶液と光触
媒粉末を互いに対向状に噴霧して光触媒粉末粒子の表面
に有機金属化合物コロイドを多数付着させ、このコロイ
ド付着光触媒粉末粒子を落下する途中で加熱処理して金
属超微粒子を光触媒粉末粒子表面に強固に担持させ、こ
の金属超微粒子担持光触媒を連続的に製造することを特
徴とする金属超微粒子担持光触媒の製造方法。
10. A colloid solution of an organometallic compound and a photocatalyst powder are sprayed in opposition to each other to deposit a large number of organometallic compound colloids on the surface of the photocatalyst powder particles, and a heat treatment is performed on the colloid-adhered photocatalyst powder particles while falling. The method for producing a photocatalyst carrying ultrafine metal particles, comprising: strongly supporting the ultrafine metal particles on the surface of the photocatalyst powder particles to continuously produce the photocatalyst carrying ultrafine metal particles.
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