JPH10259023A - 薄片状酸化チタンの製造方法、薄片状酸化チタンの集合体からなる酸化チタン多孔体及びその製造方法 - Google Patents

薄片状酸化チタンの製造方法、薄片状酸化チタンの集合体からなる酸化チタン多孔体及びその製造方法

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JPH10259023A
JPH10259023A JP10015082A JP1508298A JPH10259023A JP H10259023 A JPH10259023 A JP H10259023A JP 10015082 A JP10015082 A JP 10015082A JP 1508298 A JP1508298 A JP 1508298A JP H10259023 A JPH10259023 A JP H10259023A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】塗料、化粧品、樹脂または紙への添加材、光触
媒等として有用な、アスペクト比の高い薄片状の形態を
有する酸化チタンとその集合体としてのメソ孔〜マクロ
孔が発達した大きな比表面積を有する多孔体を提供す
る。 【解決手段】斜方晶の層状構造を有するチタン酸セシウ
ム(CsxTi2-x/44、x=0.60〜0.75)を
酸水溶液と接触させてHxTi2-x/44・nH2O組成の
層状チタン酸粉末とし、次にこの粉末をアミン水溶液等
に加えて攪拌し、結晶をナノメーターレベルの厚さまで
剥離分散させ、得られたチタニアゾルを乾燥させた後、
さらに加熱して薄片状の酸化チタンを製造する。また、
チタニアゾル中の薄片状粒子の再凝集を抑制する乾燥処
理を行った後、さらに加熱することによって酸化チタン
多孔体を製造する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、薄片状酸化チタン
の製造方法、及び、薄片状酸化チタンの集合体である酸
化チタン多孔体、及び該多孔体の製造方法に関する。さ
らに詳しくは、顔料、塗料、化粧品またはナイロン等の
樹脂や白色紙等への添加剤、さらに触媒等の光機能性材
料として有用な薄片状酸化チタンの製造方法、及び該方
法によって得られた薄片状酸化チタンよりなる多孔体、
並びに該多孔体の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術とその課題】従来より、酸化チタンの製造
方法としては、塩化チタンを気相で高温酸化するか、ま
たは硫酸チタン、チタンアルコキシド等を加水分解して
得られるゲルを加熱することによって酸化チタンを製造
する方法等が知られていた。しかしながら、これらの従
来方法で製造されたものは、球形微粒子の集合体であ
り、細孔を有するものは少ない。細孔を有するものであ
っても、平均細孔径は最大20nm程度である。
【0003】また、酸化チタンはその白色性、紫外線遮
蔽能という特徴を生かして塗料、化粧品さらには樹脂ま
たは紙への添加剤として広く用いられているが、これら
は従来の方法で製造された等方性球状の微粒子を利用し
ているため、塗布性、密着性、分散性等に問題があっ
た。本発明は、以上通りの事情を鑑みてなされたもので
あり、酸化チタンを塗料、化粧品、さらには樹脂または
紙への添加剤等に用いた場合、塗布性、密着性、分散性
等を改善することが可能であり、さらに光触媒等として
も応用可能な、非球状の新しい酸化チタンを製造する方
法を提供することを目的とする。
【0004】
【課題を解決するための手段】この発明は、上記の課題
を解決するものとして、チタン酸からなる層状結晶を剥
離・加熱することにより得られた薄片状の形態(以下、
単に薄片状の形態と言う)を有することを特徴とする薄
片状酸化チタンの製造方法と、得られた薄片状酸化チタ
ンの集合体からなる酸化チタン多孔体及び該酸化チタン
多孔体の製造方法を提供する。即ち、本発明の要旨は、
斜方晶の層状構造を有するチタン酸セシウム(Csx
2-x/44、x=0.60〜0.75)を酸水溶液と接
触させてHxTi2-x/44・nH2O組成の層状チタン酸
粉末を生成させ、次にこの粉末をアミン水溶液等と混合
して攪拌し、結晶をナノメーターレベルの厚さまで剥離
分散させ、得られたチタニアゾルを乾燥した後、さらに
加熱して薄片状の形態を有する酸化チタンを製造するこ
とを特徴とする薄片状酸化チタンの製造方法、薄片状の
形態を有する酸化チタンの集合体からなる酸化チタン多
孔体、及び、斜方晶の層状構造を有するチタン酸セシウ
ム(CsxTi2-x/44、x=0.60〜0.75)を
酸水溶液と接触させてHxTi2-x/44・nH2O組成の
層状チタン酸粉末を生成させ、次にこの粉末をアミン水
溶液等と混合して攪拌し、結晶をナノメーターレベルの
厚さまで剥離分散させ、得られたチタニアゾルを、薄片
粒子の再凝集を抑制するための乾燥処理した後、さらに
加熱して酸化チタン多孔体を製造することを特徴とする
酸化チタン多孔体の製造方法である。
【0005】
【発明の実施の形態】この発明は、上記の通りの構成か
らなるものであるが、上述の方法によって得られた薄片
状の形態を有する酸化チタン、並びにその集合体として
の酸化チタン多孔体は、これまでの技術としては全く知
られていないものであって、酸化チタンの新しい応用も
拓くものである。
【0006】薄片状の形態を持つ酸化チタンは、より詳
しくは、たとえばナノメーターレベルの厚みを持ち、具
体的には、厚さが20nm前後のアスペクト比の高い薄
片状の形態を有するもの等として提供される。そして、
さらに、この発明では、これらの薄片状の酸化チタンは
その集合体としての多孔体に変換され、非常に特異的な
形状としての、たとえば、メソ孔〜マクロ孔が発達した
大きな比表面積を有する酸化チタンの多孔体が提供され
る。
【0007】薄片状酸化チタンの製造方法 薄片状の酸化チタンの製造方法は、たとえば、上記の通
り、斜方晶の層状構造を有するチタン酸セシウム(Cs
xTi2-x/44、x=0.60〜0.75)を酸水溶液
と接触させてHxTi2-x/44・nH2O組成の層状チタ
ン酸粉末とし、次にこの粉末を有機アミンやアンモニウ
ム化合物等の塩基物質の水溶液と混合して攪拌し、結晶
をナノメーターレベルの厚さまで剥離分散させ、得られ
たチタニアゾルを乾燥して白色のゲル状固体とし、この
ゲル状固体は塩基と水を含んでいるので、350℃以上
に加熱することからなる。この場合、加熱処理温度が4
00℃以下では無定形、400〜800℃ではアナター
ゼ型、800℃以上ではルチル型の結晶構造を持つた酸
化チタンとなる。
【0008】以上の合成プロセスでの組成、結晶構造、
および微細組織の変化は、この発明の発明者によって、
たとえば、次のように解析されている。まず、チタニア
ゾル中では、層状チタン酸の結晶構造の基本単位である
Ti2-x/44 x-(厚さは1nm以下、径は1μm前後)
層の一枚一枚が水中に分散した状態にある。これを乾燥
するとその過程で、ある程度、層が再凝集して(10〜
20枚)、ゲルを生成する。このゲルは層状チタン酸を
剥離させる試薬として用いたアミン等や水が層と層の間
に挟まった一種の層間化合物を形成している。このよう
な積層再凝集の結果、生成したゲルは、厚さ30nm以
下、幅1μm程度の薄片が絡まりあった複雑な微細組織
を有している。
【0009】次にこのゲルを加熱すると、100〜35
0℃で水とアミン等が層間より脱離する。それに伴って
層状構造は完全に解消され、組成的にはTiO2へと移
行する。この加熱処理工程後も、処理前のゲルの微細組
織を基本的には保持しており、厚さ20nm前後の非常
に薄いナノメーターレベルの薄片状の形態を有してい
る。図1は、これを例示した走査型電子顕微鏡写真であ
る。
【0010】酸化チタン多孔体 また、この発明の酸化チタン多孔体は、たとえば40〜
110m2・g-1という大きな比表面積を有するうえ
に、細孔径にして2〜100nmの広い範囲に及ぶメソ
孔〜マクロ孔が発達した特異な表面特性を持っている。
このような酸化チタンの多孔体としての特徴は、薄片が
複雑に絡み合った微細組織によるところが大きい。すな
わち、薄片が無秩序に積み重なった間隙が細孔として働
いていると推測される。さらに後述するように製造最終
工程の加熱処理によって薄片の表面に凹凸ができること
もマクロ孔の発達に寄与していると考えられる。
【0011】さらに、この酸化チタン多孔体について
は、その乾燥方式が薄片状の酸化チタンの集合状態に大
きな影響を及ぼすことになる。たとえば、ゾルを一旦凍
らせた後、真空凍結乾燥して得られたゲルは単純乾燥さ
せたものに比べて綿状で軽く、多孔体的な外観を呈す
る。実際にそれらを加熱して酸化チタンに変換したもの
でもその品質は保たれ、前者の方が比表面積、細孔特性
も優れていることが確認されている。
【0012】一方、加熱処理工程によっても多孔体とし
ての性能を制御することができる。すなわち、処理温度
により比表面積、およびメソ孔/マクロ孔の分布状態を
変化させることができる。処理温度が高くなるにつれ
て、メソ孔がつぶれてマクロ孔が発達するのは、酸化チ
タンの結晶化、粒成長が進行し、薄片の表面に数〜数十
nmの凹凸が発生し、これが比較的大きな細孔として機
能することによるものと考えられる。
【0013】このような特徴を有する多孔体に関しては
多様な用途が期待されるが、そのひとつが光触媒として
の応用である。酸化チタンは半導体であるため、光照射
下で正孔と伝導電子を生じ、強力な酸化・還元力を発揮
する。最近は特にクリーンエネルギー、環境浄化といっ
た観点から水から水素と酸素を発生させたり、有害物質
や悪臭の分解、さらには殺菌に利用することを目指した
研究が活発に進められている。一般に触媒反応活性は比
表面積/細孔分布に密接に関連していることが知られて
いる。この発明による酸化チタン多孔体はこれまで研究
されてきた酸化チタンとはその表面特性が全く異なるこ
とから、特異な触媒能を発揮するものと考えられる。
【0014】以下、実施例を示してさらに詳しくこの発
明の薄片状酸化チタンの製造方法、得られた薄片状酸化
チタンの集合体である多孔体と該多孔体の製造方法につ
いて説明する。
【0015】
【実施例】
実施例1 炭酸セシウム(Cs2CO3)と二酸化チタン(Ti
2)を1:5.3のモル比に混合し、800℃で2日
焼成することにより、斜方晶のチタン酸セシウム(Cs
xTi2-x/44:x=0.70)を合成した。この粉末
を1N−塩酸水溶液中で3日間攪拌した後、濾過、風乾
して層状チタン酸(HxTi2-x/44・nH2O)粉末を
得た。
【0016】このチタン酸粉末0.5gをテトラブチル
アンモニウム水酸化物水溶液100cm3(濃度:0.
1moldm-3)に加え、シェーカーで150rpm程
度の振盪を行なうことによりチタニアゾルを生成させ
た。このゾルを冷凍庫中(−30℃)で凍結せしめ、真
空凍結乾燥を行ったところ綿状のゲルが生成した。この
ゲルを加熱処理した。
【0017】添付した図面の図2は、チタニアゾルの凍
結乾燥体の加熱処理によるX線回折チャートの変化を示
したものである。図2(a)は凍結乾燥体そのものを、
図2(b)は350℃に加熱した場合のものを、(c)
は700℃に加熱した場合のものについて示している。
また、Aのピークはアナターゼを示す。この図2のX線
回折チャートの結果から、図2(a)として層間距離が
1.76nmの相の生成が凍結乾燥体において確認され
る。これはテトラブチルアンモニウムイオンおよび水が
チタン酸の層と層の間に取り込まれた1種の層間化合物
であると同定された。
【0018】次に、得られたゲルを加熱すると、100
〜350℃の間で水、続いてアミンの脱離に伴う重量減
少が起こり、それ以上の温度では一定となり、組成的に
は重量減少が終了した時点で酸化チタンに移行する。図
2(b)のX線回折チャートの結果から、この加熱処理
によって層状構造が崩壊し、無定形に近くなり、さら
に、図2(c)からも明らかなように、さらに高い温度
で加熱するとアナターゼとして結晶化することが判明し
た。
【0019】前出の図1は、加熱処理後の走査型電子顕
微鏡写真であるが、厚さ10〜30nm、幅0.5〜1
μm前後の薄片が明瞭に認められる。そして、このもの
は、綿状の多孔体的な外観を呈してもいる。 実施例2 実施例1と同様な方法で合成した酸化チタンのうち、3
50℃、500℃、700℃の温度でそれぞれ加熱処理
したものについて窒素ガス吸着試験を行ない、得られた
吸着等温線から比表面積、細孔特性を評価した。
【0020】吸着窒素ガスの純度は99.9999%、
吸着平衡時間は300秒、前処理は200℃で2時間脱
気して行った。添付した図面の図3は、凍結乾燥ゲル由
来の酸化チタンの細孔分布を示したものである。横軸は
細孔半径、縦軸はその容積を示している。図3の(a)
は350℃に加熱したもの、(b)は500℃に加熱し
たもの、(c)は700℃に加熱したものについて示し
ている。
【0021】図3に示したように、メソ孔−マクロ孔に
わたる広い細孔径分布を持つことが明らかになった。ま
た、比表面積は(a)(b)(c)のそれぞれについて
103、76、47m2-1と算出された。
【0022】
【発明の効果】この発明により、以上詳しく説明したと
おり、薄片状の形態を有する酸化チタンと、さらに、大
きな比面積を有する多孔体が提供される。薄片状酸化チ
タンは、従来の酸化チタンを塗料、化粧品、さらには樹
脂または紙への添加材等として利用する場合に問題とな
っていた塗布性、密着性、分散性を改善するものと期待
される。さらに、酸化チタン多孔体は、光触媒等として
の応用が期待される。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明によって製造された酸化チタンの図面
に代わる走査型電子顕微鏡写真である。
【図2】チタニアゾルの凍結乾燥体の加熱処理によるX
線回折チャートの変化を示した図である。 (a)凍結乾燥体、(b)350℃、(c)700℃熱
処理後。
【図3】凍結乾燥ゲル由来の酸化チタンの細孔分布を示
した図である。 (a)350℃、(b)500℃、(c)700℃熱処
理試料。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI D21H 19/38 D21H 1/22 B

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 斜方晶の層状構造を有するチタン酸セシ
    ウム(CsxTi2-x /44、x=0.60〜0.75)
    を酸水溶液と接触させてHxTi2-x/44・nH2O組成
    の層状チタン酸粉末を生成させ、次にこの粉末をアミン
    水溶液等と混合して攪拌し、結晶をナノメーターレベル
    の厚さまで剥離分散させ、得られたチタニアゾルを乾燥
    させた後、さらに加熱して薄片状の形態を有する酸化チ
    タンを製造することを特徴とする薄片状酸化チタンの製
    造方法。
  2. 【請求項2】 薄片状の形態を有する酸化チタンの集合
    体からなることを特徴とする酸化チタン多孔体。
  3. 【請求項3】 比表面積が40〜110m2/gであ
    り、細孔径が2〜100nmのメゾ孔からマクロ孔が発
    達した表面特性を持つ請求項2記載の酸化チタン多孔
    体。
  4. 【請求項4】 請求項1記載のチタニアゾルを、薄片粒
    子の再凝縮を抑制する乾燥処理した後、さらに加熱して
    酸化チタン多孔体を製造することを特徴とする酸化チタ
    ン多孔体の製造方法。
  5. 【請求項5】 再凝集を抑制する乾燥処理として、真空
    凍結乾燥を行う請求項4記載の酸化チタン多孔体の製造
    方法。
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