JPWO2019039021A1 - 光触媒、光触媒担持体、光触媒の製造方法及び光触媒担持体の製造方法 - Google Patents
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Abstract
光触媒及び光触媒担持体は、結晶粒径が１０ｎｍ以下であって、気相化学物質を酸化する酸化タングステンの微結晶と、結晶粒径が１０ｎｍ以下であって、気相化学物質を酸化する酸化チタンの微結晶とが、不規則に配置されて固体を形成している。
Description
本発明は、光線照射によって励起される光触媒、光触媒担持体、光触媒の製造方法及び光触媒担持体の製造方法に関する。
従来の光触媒において、例えば酸化チタンは紫外光域の光照射によって化学物質を分解することが知られている。一方で、酸化チタンは、波長４００ｎｍ以上の可視光域の光照射では触媒活性を示さない。そのため、可視光域の光照射によっても化学物質の分解を行う光触媒が開発されている。酸化タングステンは、酸化チタンよりも光線の吸収スペクトルが広く、波長４００ｎｍ以上の可視光域の光照射によっても光触媒反応を起こすことが知られている。
しかし、酸化タングステンを光触媒として用いて気相有機化合物を分解しようとする場合、酸化タングステン単体では化学物質分解能が低く、十分な分解を行うことができない。そこで、酸化タングステン粒子を他の触媒材料と複合化した材料複合型の光触媒が提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１には、気相中の揮発性芳香族化合物を速やかに分解する光触媒と、その製造方法が開示されている。特許文献１の光触媒は、酸化タングステン粒子を主成分として含有しており、酸化タングステン粒子の表面が酸化チタン粒子で被覆されている。特許文献１において、このような光触媒は、酸化タングステンの前駆体から酸化タングステンの粒子を合成した後、得られた酸化タングステン粒子と酸化チタンの前駆体とを混合して焼成することにより製造される。
ところで、材料複合型の光触媒では、光照射によって生じる電子及びホール（正孔）の移動により高い触媒活性が発現するため、触媒材料間の接触面積が広いほど高い触媒活性が得られる。しかしながら、特許文献１の光触媒の製造方法では、予め酸化タングステン粒子が形成された後に、酸化タングステン粒子表面に酸化チタン粒子が形成されて製造される。このような製造方法では、製造の中間工程において酸化タングステン粒子同士が凝集することから、製造された光触媒において、酸化タングステンの表面が有効に活用されない場合がある。
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、高効率に気相化学物質の分解を行うことができる光触媒、光触媒担持体、光触媒の製造方法及び光触媒担持体の製造方法を提供することを目的とする。
本発明に係る光触媒及び光触媒担持体は、結晶粒径が１０ｎｍ以下であって、気相化学物質を酸化する酸化タングステンの微結晶と、結晶粒径が１０ｎｍ以下であって、気相化学物質を酸化する酸化チタンの微結晶とが、不規則に配置されて固体を形成している。
また、本発明に係る光触媒の製造方法は、酸化タングステンの微結晶の前駆体と酸化チタンの微結晶の前駆体とが含まれる分散液を作成して、分散液を焼成することにより、結晶粒径が１０ｎｍ以下であって、気相化学物質を酸化する酸化タングステンの微結晶と、結晶粒径が１０ｎｍ以下であって、気相化学物質を酸化する酸化チタンの微結晶とが、不規則に配置されて固体を形成している光触媒を得るものである。
また、本発明に係る光触媒担持体の製造方法は、酸化タングステンの微結晶の前駆体と酸化チタンの微結晶の前駆体とが含まれる分散液を、担持基材に塗布した後に焼成して光触媒層が形成されることにより、結晶粒径が１０ｎｍ以下であって、気相化学物質を酸化する酸化タングステンの微結晶と、結晶粒径が１０ｎｍ以下であって、気相化学物質を酸化する酸化チタンの微結晶とが、不規則に配置されて固体を形成している光触媒と、光触媒を担持する担持基材と、を備える光触媒担持体を得るものである。
本発明の光触媒、光触媒担持体、光触媒の製造方法及び光触媒担持体の製造方法によれば、光触媒を構成する酸化タングステンと酸化チタンとを１０ｎｍ以下の微結晶とすることで、光触媒の比表面積を広くし、気相化学物質に対する酸化能力を高めることができる。また、光触媒構成物質同士の接触面積が広くなるので、光照射によって生じる電子及びホール（正孔）の移動が容易となり、触媒活性が向上する。このように、本発明によれば、高効率に気相化学物質の分解を行うことができる。
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る光触媒１の模式図である。光触媒１は、光照射によって励起し、強い酸化力を発現して気相化学物質を分解する。光触媒１は、化学物質を酸化する酸化タングステンと、化学物質を酸化する酸化チタンとを含有しており、紫外光領域の波長の光だけでなく可視光領域の波長の光によっても光触媒反応を示す。
図１は、本発明の実施の形態１に係る光触媒１の模式図である。光触媒１は、光照射によって励起し、強い酸化力を発現して気相化学物質を分解する。光触媒１は、化学物質を酸化する酸化タングステンと、化学物質を酸化する酸化チタンとを含有しており、紫外光領域の波長の光だけでなく可視光領域の波長の光によっても光触媒反応を示す。
図１に示されるように、光触媒１は、酸化タングステンの結晶２と酸化チタンの結晶３とが不規則に配置されて固体を形成したものである。酸化タングステンの結晶２及び酸化チタンの結晶３は、いずれも結晶粒径が１０ｎｍ以下の微結晶である。図１には、酸化タングステンの結晶２の結晶粒径Ｓｗと、酸化チタンの結晶３の結晶粒径Ｓｔが示される。以下、酸化タングステンは三酸化タングステン（ＷＯ３）であり、酸化チタンは二酸化チタン（ＴｉＯ２）であるものとして説明する。
図２は、本発明の実施の形態１に係る光触媒の製造工程を示す図である。上述した光触媒１は、酸化タングステンの結晶２の前駆体である酸化タングステン結晶前駆体２ａと、酸化チタンの結晶３の前駆体である酸化チタン結晶前駆体３ａとを混合して混合液とし、混合液を乾燥させ、焼成して製造される。
ここで、酸化タングステン結晶前駆体２ａとしては、メタタングステン酸アンモニウムが用いられる。なお、酸化タングステン結晶前駆体２ａは、焼成によって三酸化タングステンの結晶が得られるものであればよく、これに限定されない。このような酸化タングステン結晶前駆体２ａとしては、上記のメタタングステン酸アンモニウムの他に、パラタングステン酸アンモニウム、タングステン酸、塩化タングステン及びタングステンアルコキシド等がある。
一方、酸化チタン結晶前駆体３ａとしては、チタンラクテートが用いられる。なお、酸化チタン結晶前駆体３ａは、焼成によって二酸化チタンの結晶が得られるものであればよく、これに限定されない。このような酸化チタン結晶前駆体３ａとしては、上記のチタンラクテートの他に、三塩化チタン、四塩化チタン、硫酸チタン、オキシ硫酸チタン、オキシ塩化チタン及びチタンテトライソポロポキシド等がある。
図２に示されるように、まず、それぞれ設定された量となるように、酸化タングステン結晶前駆体２ａが計量され（ステップＳＴ１）、酸化チタン結晶前駆体３ａが計量される（ステップＳＴ２）。そして、計量された酸化タングステン結晶前駆体２ａと、計量された酸化チタン結晶前駆体３ａとが混合され、混合液が作成される（ステップＳＴ３）。例えば、タングステンの質量部１００に対してチタン換算の質量部２０の割合で混合した混合液が作成される。混合液は、酸化タングステン結晶前駆体２ａと酸化チタン結晶前駆体３ａとを分散剤により分散させた分散液であるとよい。
ここで、酸化タングステン結晶前駆体２ａと酸化チタン結晶前駆体３ａとを混合する方法はどのようなものでもよく、例えば、振とう機、モータ攪拌機、マグネチックスターラー、回転式攪拌機、ミキサー、振動攪拌機又は超音波攪拌機等を用いた混合方法がある。なお、酸化タングステン結晶前駆体２ａと酸化チタン結晶前駆体３ａとの混合比は、特に限定されず、例えば、光触媒１１が設置される環境、光源が用いられる場合には光源の光の波長、あるいは分解対象の化学物質等により適宜決定されるとよい。
作成された混合液は、通風乾燥され（ステップＳＴ４）、予め設定された温度（例えば、４２０℃）で焼成される（ステップＳＴ５）。なお、混合液を乾燥させる方法はどのようなものでもよく、上記の通風乾燥の他に、例えば温風乾燥、赤外線乾燥、ホットプレート乾燥、減圧乾燥又はスプレー乾燥等の乾燥方法がある。また、光触媒１の焼成温度は特に限定されず、焼成により、酸化タングステンの結晶２及び酸化チタンの結晶３が光触媒１中に生成される温度であればよい。
このような方法で製造された光触媒１では、触媒材料である酸化タングステンと酸化チタンとがそれぞれ微結晶として存在し、不規則に配置されている。このような光触媒１は、従来の光触媒に比べ、光触媒１の比表面積及び光触媒構成物質同士の接触面積が広いので、高効率に気相化学物質を分解することができる。
ところで、上述した光触媒１の効果は、光触媒１中に、各結晶粒径Ｓｗ、Ｓｔが１０ｎｍ以下である酸化タングステンの結晶２と酸化チタンの結晶３とが存在することにより得られるものである。そのため、光触媒１の主原料である酸化タングステン結晶前駆体２ａと酸化チタン結晶前駆体３ａから、図１に示されるような酸化タングステンの結晶２と酸化チタンの結晶３とが生成されている必要がある。
一般に、三酸化タングステンの結晶及び二酸化チタンの結晶が得られているか否かを確認する方法として、Ｘ線回折法によるスペクトル分析がある。三酸化タングステンの結晶及び二酸化チタンの結晶の回折パターンはそれぞれ既知であり、三酸化タングステンの結晶を含む物質は、回折角２θが２３度〜２５度及び３１度〜３７度に回折ピークが観察される。一方、アナタース型の二酸化チタンの結晶を含む物質は、Ｘ線回折法において回折角２θが２４度〜２７度及び４６度〜５０度に回折ピークが観察される。
図３は、本発明の実施の形態１に係る光触媒のＴＥＭ（透過電子顕微鏡）像である。図３に示される光触媒１は、酸化タングステン結晶前駆体２ａとしてメタタングステン酸アンモニウムを用い、酸化チタン結晶前駆体３ａとしてチタンラクテートを用いて上述した方法で製造された光触媒１である。つまり、光触媒１は、メタタングステン酸アンモニウムとチタンラクテートとを、タングステンの質量部１００に対してチタン換算の質量部２０の割合で混合された混合液が、通風乾燥され、４２０℃で焼成されて得られたものである。
図３に示される光触媒１に対しＸ線回折法によるスペクトル分析が行われ、三酸化タングステンの結晶を含む物質に由来する回折ピークと、アナタース型の二酸化チタンの結晶を含む物質に由来する回折ピークとが観察された。すなわち、上述した製造方法により得られた光触媒１は、化学物質を酸化する酸化タングステンの結晶２と酸化チタンの結晶３とを含む。また、図３のＴＥＭ像に示されるように、上述した製造方法で得られた光触媒１では、酸化タングステンの結晶２と酸化チタンの結晶３とが集合して固体を形成しており、結晶粒径Ｓｗ及び結晶粒径Ｓｔはいずれも１０ｎｍ以下である。
以上のように、実施の形態１において、光触媒１は、それぞれ気相化学物質を酸化する酸化タングステンの結晶２と酸化チタンの結晶３とが不規則に配置されて形成される。そして各結晶粒径Ｓｔ、Ｓｗはいずれも１０ｎｍ以下である。これにより、光触媒構成物質の粒径が小さいことから、光触媒１の比表面積が広くなり、気相化学物質に対する酸化能力を向上させることができる。更に、光触媒１は、粒径が小さい光触媒構成物質が不規則に配置されて形成されているので、従来の光触媒のように酸化タングステン粒子表面が酸化チタン粒子に被覆されたものに比べ、光触媒構成物質同士の接触面積が広くなる。そのため、光照射によって生じる電子及びホール（正孔）の移動が容易になり、触媒活性を高めることができる。
また、光触媒１の製造方法は、酸化タングステンの結晶２の前駆体（酸化タングステン結晶前駆体２ａ）と酸化チタンの結晶３の前駆体（酸化チタン結晶前駆体３ａ）とが含まれる分散液を作成し、作成した分散液を焼成するものである。これにより、各前駆体から酸化タングステン及び酸化チタンを結晶化させることで、酸化タングステンと酸化チタンとが密接した固体を形成することができ、気相化学物質を高効率に分解する光触媒１を製造することができる。
実施の形態２．
図４は、本発明の実施の形態２に係る光触媒１１の模式図である。以下、実施の形態２において、実施の形態１と共通する部分又は製造工程については説明を省略し、実施の形態１との相違点を中心に説明する。実施の形態２において、光触媒１１は、触媒構成物質として更に、多電子還元を行う金属４を含有する。以下、金属４が白金（Ｐｔ）である場合について説明するが、多電子還元可能な金属４であればどのような金属が用いられてもよい。光触媒１１は、酸化タングステンの結晶２と、酸化チタンの結晶３と、金属４とが不規則に配置されて形成されている。
図４は、本発明の実施の形態２に係る光触媒１１の模式図である。以下、実施の形態２において、実施の形態１と共通する部分又は製造工程については説明を省略し、実施の形態１との相違点を中心に説明する。実施の形態２において、光触媒１１は、触媒構成物質として更に、多電子還元を行う金属４を含有する。以下、金属４が白金（Ｐｔ）である場合について説明するが、多電子還元可能な金属４であればどのような金属が用いられてもよい。光触媒１１は、酸化タングステンの結晶２と、酸化チタンの結晶３と、金属４とが不規則に配置されて形成されている。
図５は、本発明の実施の形態２に係る光触媒の製造工程を示す図である。上述した光触媒１１は、酸化タングステン結晶前駆体２ａと、酸化チタン結晶前駆体３ａと、金属４の前駆体である金属化合物４ａと混合して作成された混合液を乾燥させ、焼成して製造される。
ここで、金属化合物４ａとして塩化白金酸が用いられる。なお、金属化合物４ａは、焼成によって多電子還元可能な金属４が得られるものであればよく、これに限定されない。このような金属化合物４ａとしては、金属４が白金Ｐｔである場合、上記の塩化白金酸の他に、テトラアンミン白金及びジニトロジアミン白金等がある。
図５に示されるように、まず、それぞれに設定された量となるように、酸化タングステン結晶前駆体２ａが計量され（ステップＳＴ１１）、酸化チタン結晶前駆体３ａが計量され（ステップＳＴ１２）、金属化合物４ａが計量される（ステップＳＴ１３）。そして、計量された酸化タングステン結晶前駆体２ａと、計量された酸化チタン結晶前駆体３ａと、計量された金属化合物４ａとが混合され、混合液が作成される（ステップＳＴ１４）。例えば、タングステンの質量部１００に対してチタン換算の質量部２０及びプラチナ換算の質量部０．５の割合で混合された混合液が作成される。混合液は、酸化タングステン結晶前駆体２ａと酸化チタン結晶前駆体３ａと金属化合物４ａとを分散剤により分散させた分散液であるとよい。
なお、酸化タングステン結晶前駆体２ａと酸化チタン結晶前駆体３ａと金属化合物４ａとの混合比は、特に限定されず、例えば、光触媒１１が設置される環境、光源が用いられる場合には光源の光の波長、あるいは分解対象の化学物質等により適宜決定されるとよい。
作成された混合液は通風乾燥され（ステップＳＴ１５）、予め設定された温度（例えば、４２０℃）で焼成される（ステップＳＴ１６）。なお、焼成温度は限定されず、焼成により、酸化タングステンの結晶２と酸化チタンの結晶３と多電子還元可能な金属４とが光触媒１１中に生成される温度であればよい。
ところで、光触媒１１は、多電子還元可能な金属４を含むことにより、光触媒構成物質間での電子及びホール（正孔）の移動が促進され、実施の形態１の場合よりも触媒活性を高めることができる。そのため、光触媒１１には、酸化タングステン結晶前駆体２ａと、酸化チタン結晶前駆体３ａと、金属化合物４ａとを含む原料から、図４に示されるような酸化タングステンの結晶２と、酸化チタンの結晶３と、金属４とが存在している必要がある。
一般に、多電子還元可能な金属４が得られているか否かを確認する方法として、Ｘ線光電子分光法が用いられる。多電子還元可能な金属４である白金は、光触媒１１において、酸化タングステンの結晶２及び酸化チタンの結晶３の少なくとも一方に結合し、０価の状態で存在する。０価の白金を含む物質は、Ｘ線光電子分光法において結合エネルギー７０ｅＶ〜７２ｅＶ及び７３ｅＶ〜７５ｅＶにピークが観察されることが知られている。
上記の方法で製造された光触媒１１に対し、Ｘ線回折法によるスペクトル分析が行われ、三酸化タングステンの結晶を含む物質に由来する回折ピークと、アナタース型の二酸化チタンの結晶を含む物質に由来する回折ピークとが観察された。また、Ｘ線光電子分光法により、上記の方法で製造された光触媒１１の結合エネルギーが分析され、０価のプラチナを含む物質に由来するピークが観察された。すなわち、上述した製造方法により得られた光触媒１１は、化学物質を酸化する酸化タングステンの結晶２と酸化チタンの結晶３と、多電子還元可能な金属４とを含む。
以上のように、実施の形態２において、光触媒１１には、多電子還元を行う金属４が含まれている。これにより、多電子還元を行う金属４が含まれていない場合に比べ、触媒構成物質間の電子及びホールの移動効率が高められ、光触媒１１の触媒活性を向上させることができる。そして、このような光触媒１１は、酸化タングステン結晶前駆体２ａと酸化チタン結晶前駆体３ａとを混合する際に金属化合物４ａも混合して分散液を作成し、作成した分散液を焼成する製造方法によって、容易に製造することができる。
実施の形態３．
図６は、本発明の実施の形態３に係る光触媒担持体の模式図である。以下、実施の形態３において、実施の形態１と共通する部分又は製造工程については説明を省略し、実施の形態１との相違点を中心に説明する。図６に示されるように、光触媒担持体１００は、光触媒１と、光触媒１を担持する担持基材２０とを備える。以下、担持基材２０が、例えばコージェライトから成る、セラミックフォーム基材である場合について説明する。セラミックフォーム基材は、連続気孔の三次元骨格構造を有している。なお、担持基材２０は、製造工程の焼成後に形状が保持されるものであればよく、これに限定されない。このような担持基材２０としては、例えば金属成型体、ガラス成型体、セラミック成型体及び不織布等がある。
図６は、本発明の実施の形態３に係る光触媒担持体の模式図である。以下、実施の形態３において、実施の形態１と共通する部分又は製造工程については説明を省略し、実施の形態１との相違点を中心に説明する。図６に示されるように、光触媒担持体１００は、光触媒１と、光触媒１を担持する担持基材２０とを備える。以下、担持基材２０が、例えばコージェライトから成る、セラミックフォーム基材である場合について説明する。セラミックフォーム基材は、連続気孔の三次元骨格構造を有している。なお、担持基材２０は、製造工程の焼成後に形状が保持されるものであればよく、これに限定されない。このような担持基材２０としては、例えば金属成型体、ガラス成型体、セラミック成型体及び不織布等がある。
図７は、本発明の実施の形態３に係る光触媒担持体の製造工程を示す図である。光触媒担持体１００は、酸化タングステン結晶前駆体２ａと酸化チタン結晶前駆体３ａとを混合して混合液を作成し、混合液を担持基材２０に塗布して乾燥させ、焼成することで製造される。
図７に示されるように、まず、それぞれに設定された量となるように、酸化タングステン結晶前駆体２ａが計量され（ステップＳＴ２１）、酸化チタン結晶前駆体３ａが計量される（ステップＳＴ２２）。そして、計量された酸化タングステン結晶前駆体２ａと、計量された酸化チタン結晶前駆体３ａとが混合され、混合液が作成される（ステップＳＴ２３）。例えば、タングステンの質量部１００に対してチタン換算の質量部２０の割合で混合された混合液が作成される。混合液は、分散剤により、酸化タングステン結晶前駆体２ａと酸化チタン結晶前駆体３ａと金属化合物４ａとを分散させた分散液であるとよい。なお、酸化タングステン結晶前駆体２ａ、酸化チタン結晶前駆体３ａ、混合比及び混合方法等は、上記のものに限定されない。
次に、酸化タングステン結晶前駆体２ａと酸化チタン結晶前駆体３ａが、担持基材２０に添着される（ステップＳＴ２４及びステップＳＴ２５）。具体的には、ステップＳＴ２３で作成された混合液が、担持基材２０として使用されるセラミックフォーム基材に塗布される。ここで、添着方法はどのようなものでもよく、例えばディッピング法、スプレー法又はコーティング法等が用いられてもよい。
ステップ２５において混合液を含浸し、酸化タングステン結晶前駆体２ａと酸化チタン結晶前駆体３ａとが添着された担持基材２０は、通風乾燥され（ステップＳＴ２６）、予め設定された温度（例えば、５５０℃）で焼成される（ステップＳＴ２７）。なお、乾燥方法は特に限定されず、上記の通風乾燥の他に、温風乾燥、赤外線乾燥、ホットプレート乾燥又は減圧乾燥等の方法が用いられてもよい。また、焼成温度は限定されず、焼成により、酸化タングステンの結晶２及び酸化チタンの結晶３が得られる温度であればよい。
上述した製造方法に従い、メタタングステン酸アンモニウムとチタンラクテートとが混合された混合液を、セラミックフォーム基材に含浸させ、通風乾燥した後に５５０℃で焼成して光触媒担持体１００が製造された。そして、製造された光触媒担持体１００の表面に対してＸ線回折法によるスペクトル分析が行われ、三酸化タングステンの結晶を含む物質に由来する回折ピークと、アナタース型の二酸化チタンの結晶を含む物質に由来する回折ピークとが観察された。すなわち、上述した製造方法で得られた光触媒担持体１００においても、化学物質を酸化する酸化タングステンの結晶２と酸化チタンの結晶３とが含まれる。
ここで、実施の形態３で用いられたセラミックフォーム基材が、大気雰囲気下５５０℃で１時間加熱されたところ、加熱前に対する加熱後のセラミックフォーム基材の質量減少率は０％であった。なお、焼成による質量減少率が大きい基材が用いられる場合には、光触媒１１と担持基材２０との密着性を確保するために、担持基材２０の有機物配合量に上限が設定されてもよい。
以上のように、実施の形態３において、光触媒担持体１００は、光触媒１と担持基材２０とを備える。これにより、光触媒１の形状が保持されるので、光触媒１を備える光触媒担持体１００を、住宅、商業施設、自動車又は鉄道用などの空調における空気清浄デバイスの一部として使用することができる。
また、光触媒担持体１００の製造方法は、酸化タングステン結晶前駆体２ａと酸化チタン結晶前駆体３ａとが含まれる分散液を、担持基材２０に塗布した後に焼成するものである。これにより、担持基材２０上で光触媒層を直接形成することで、光触媒担持体１００の製造工程を簡素化することができるとともに、バインダレスの光触媒担持体１００を簡便に製造することができる。
実施の形態４．
図７は、本発明の実施の形態４に係る光触媒担持体の製造工程を示す図である。実施の形態３において、担持基材２０はセラミックフォーム基材であるが、実施の形態４において、担持基材２０は不織布である。以下、実施の形態４において、実施の形態３と共通する部分又は製造工程については説明を省略し、実施の形態３との相違点を中心に説明する。
図７は、本発明の実施の形態４に係る光触媒担持体の製造工程を示す図である。実施の形態３において、担持基材２０はセラミックフォーム基材であるが、実施の形態４において、担持基材２０は不織布である。以下、実施の形態４において、実施の形態３と共通する部分又は製造工程については説明を省略し、実施の形態３との相違点を中心に説明する。
担持基材２０は、ガラス繊維とポリエステル繊維とから成り、単位面積あたりの質量（目付け）が１００ｇ／ｍ２の不織布である。また不織布における繊維の混合比は、ガラス繊維の質量部５０に対してポリエステル繊維の質量部が５０である。担持基材２０として用いられる不織布が大気雰囲気下５５０℃で１時間加熱されたところ、加熱前に対する加熱後の不織布の質量減少率は４９％であった。なお、上述した不織布の繊維の種類及び繊維の混合比は一例であり、これに限定されない。
担持基材２０が不織布から成る場合においても、実施の形態３の場合と同様に、図７に示される製造方法によって光触媒担持体１００が製造される。つまり、酸化タングステン結晶前駆体２ａと酸化チタン結晶前駆体３ａとを混合した分散液を、不織布に含浸させて乾燥させ、焼成することで光触媒担持体１００が製造される。
上述した方法で製造された光触媒担持体１００の表面に対してＸ線回折法によるスペクトル分析が行われたところ、三酸化タングステンの結晶を含む物質に由来する回折ピークと、アナタース型の二酸化チタンの結晶を含む物質に由来する回折ピークとが観察された。すなわち、上述した製造方法により得られた光触媒担持体１００においても、化学物質を酸化する酸化タングステンの結晶２と酸化チタンの結晶３とが含まれる。
以上のように、実施の形態４において、担持基材２０は不織布である。これにより、不織布の担持基材２０を用いてシート状の光触媒担持体１００を製造することができ、シート状の光触媒担持体１００は、コルゲート又はプリーツ形状のフィルタ等に容易に加工することができる。
また、光触媒担持体１００の製造工程において、分散液が塗布された担持基材２０は、焼成前後における質量減少率が５０パーセント以下となるように、有機物配合量が質量の５０パーセント以下である。これにより、担持基材２０の熱変化量を抑えることで、担持基材２０に添着された前駆体の位置を安定させ、光触媒担持体１００において担持基材２０と光触媒層との密着性を確保することができる。
実施の形態５．
図７は、本発明の実施の形態５に係る光触媒担持体の製造工程を示す図である。図８は、本発明の実施の形態５に係る光触媒担持体の模式図である。実施の形態３において、担持基材２０はセラミックフォーム基材であるが、実施の形態５において、担持基材２０はセラミックハニカムである。セラミックハニカムは、複数のセル２１が形成されたハニカム構造体である。以下、実施の形態５において、実施の形態３と共通する部分又は製造工程については説明を省略し、実施の形態３との相違点を中心に説明する。
図７は、本発明の実施の形態５に係る光触媒担持体の製造工程を示す図である。図８は、本発明の実施の形態５に係る光触媒担持体の模式図である。実施の形態３において、担持基材２０はセラミックフォーム基材であるが、実施の形態５において、担持基材２０はセラミックハニカムである。セラミックハニカムは、複数のセル２１が形成されたハニカム構造体である。以下、実施の形態５において、実施の形態３と共通する部分又は製造工程については説明を省略し、実施の形態３との相違点を中心に説明する。
担持基材２０は、コージェライト等のセラミックから成り、セル密度が１００〜４００ｃｐｓｉのセラミックハニカムである。セラミックハニカムの外形は、図８に示されるように正面視で四角形をしている。セラミックハニカムの組成比は、シリカ成分の質量部が５０、アルミナ成分の質量部が３５、及びマグネシウム成分の質量部が１５である。
セラミックハニカムは内壁２２を有しており、内壁２２により、隣接するセル２１が隔てられている。図８に示される一例では、格子状の内壁２２により、各セル２１は四角形に形成されている。担持基材２０の厚み方向において各セル２１は平行に延びており、流路を構成している。なお、上述したセラミックハニカムの種類、外形、組成比及びセル２１の形状は一例であり、これに限定されない。例えば、セラミックハニカムの外形が円形であり、各セル２１の形状が正六角形であってもよい。
光触媒担持体１００の担持基材２０がセラミックハニカムから成る場合においても、担持基材２０により光触媒１が担持されている。具体的には、セラミックハニカムの内壁２２の表面に、光触媒１の層（光触媒層）が形成されている。
セラミックハニカムを担持基材２０とした光触媒担持体１００は、実施の形態３の場合と同様に、図７に示される製造方法によって製造される。つまり、酸化タングステン結晶前駆体２ａと酸化チタン結晶前駆体３ａとを混合した分散液を、セラミックハニカムに含浸させて乾燥させ、焼成することで光触媒担持体１００が得られる。
上述した方法で製造された光触媒担持体１００の表面に対してＸ線回折法によるスペクトル分析が行われたところ、三酸化タングステンの結晶を含む物質に由来する回折ピークと、アナタース型の二酸化チタンの結晶を含む物質に由来する回折ピークとが観察された。すなわち、上述した製造方法により得られた光触媒担持体１００においても、化学物質を酸化する酸化タングステンの結晶２と酸化チタンの結晶３とが含まれる。
以上のように、実施の形態５において、光触媒担持体１００の担持基材２０はセラミックハニカムである。これにより、セラミックハニカムを用いてフィルタ状の光触媒担持体１００を製造することができる。実施の形態５の光触媒担持体１００によれば、セラミックハニカムの内壁２２に光触媒層が形成されているため、流路である各セル２１を通る気相化学物質を光触媒１と接触させることができる。よって、セラミックハニカムを用いた光触媒担持体１００により、軽量で、かつ高い剛性を確保しつつ圧力損失を抑えたフィルタが得られる。また光触媒担持体１００を空気清浄デバイスに使用すると、空気清浄デバイスに気相化学物質を導入するためのファンの動力を低減することができるので、空気清浄デバイスの運転コストを削減することができる。
なお、本発明の実施の形態は上記実施の形態に限定されず、種々の変更を行うことができる。例えば、実施の形態３、４、５の光触媒担持体１００において、光触媒１１は、実施の形態２のように多電子還元可能な金属４を含むものであってもよい。
１ 光触媒、２ 酸化タングステンの結晶、２ａ 酸化タングステン結晶前駆体、２θ 回折角、３ 酸化チタンの結晶、３ａ 酸化チタン結晶前駆体、４ 金属、４ａ 金属化合物、１１ 光触媒、２０ 担持基材、２１ セル、２２ 内壁、１００ 光触媒担持体、Ｓｔ 結晶粒径、Ｓｗ 結晶粒径。
本発明に係る光触媒及び光触媒担持体は、結晶粒径が１０ｎｍ以下であって、気相化学物質を酸化する酸化タングステンの微結晶と、結晶粒径が１０ｎｍ以下であって、気相化学物質を酸化する酸化チタンの微結晶とが、不規則に配置されて固体を形成しており、酸化タングステンに対する酸化チタンの重量比率が１より小さい。
また、本発明に係る光触媒の製造方法は、酸化タングステンの微結晶の前駆体と酸化チタンの微結晶の前駆体とが含まれる分散液を作成して、分散液を焼成することにより、結晶粒径が１０ｎｍ以下であって、気相化学物質を酸化する酸化タングステンの微結晶と、結晶粒径が１０ｎｍ以下であって、気相化学物質を酸化する酸化チタンの微結晶とが、不規則に配置されて固体を形成しており、酸化タングステンに対する酸化チタンの重量比率が１より小さい光触媒を得るものである。
また、本発明に係る光触媒担持体の製造方法は、酸化タングステンの微結晶の前駆体と酸化チタンの微結晶の前駆体とが含まれる分散液を、担持基材に塗布した後に焼成して光触媒層が形成されることにより、結晶粒径が１０ｎｍ以下であって、気相化学物質を酸化する酸化タングステンの微結晶と、結晶粒径が１０ｎｍ以下であって、気相化学物質を酸化する酸化チタンの微結晶とが、不規則に配置されて固体を形成しており、酸化タングステンに対する酸化チタンの重量比率が１より小さい光触媒と、光触媒を担持する担持基材と、を備える光触媒担持体を得るものである。
本発明に係る光触媒は、複数の酸化タングステン微結晶と複数のアナタース型酸化チタン微結晶とを有し、光照射によって触媒活性を示す光触媒において、前記複数の酸化タングステン微結晶は、各結晶粒径が１０ｎｍ以下であって、気相化学物質を酸化する酸化タングステンの微結晶であり、前記複数のアナタース型酸化チタン微結晶は、各結晶粒径が１０ｎｍ以下であって、気相化学物質を酸化するアナタース型酸化チタンの微結晶であり、前記複数の酸化タングステン微結晶と前記複数のアナタース型酸化チタン微結晶との間に、多電子還元を行い前記光照射によって前記複数の酸化タングステン微結晶または前記複数のアナタース型酸化チタン微結晶から生じた電子およびホールの移動を促進する金属を備え、各酸化タングステン微結晶は、前記複数のアナタース型酸化チタン微結晶に覆われず不規則に配置されたものである。
また、本発明に係る光触媒担持体は、前記光触媒と、前記光触媒を担持する担持基材と、を備えるものである。
また、本発明に係る光触媒担持体は、前記光触媒と、前記光触媒を担持する担持基材と、を備えるものである。
また、本発明に係る光触媒の製造方法は、酸化タングステンの微結晶の前駆体と酸化チタンの微結晶の前駆体と多電子還元を行う金属とが含まれる分散液を作成して、分散液を焼成することにより、複数の酸化タングステン微結晶と複数のアナタース型酸化チタン微結晶とを有し、光照射によって触媒活性を示す光触媒であって、前記複数の酸化タングステン微結晶は、各結晶粒径が１０ｎｍ以下であって、気相化学物質を酸化する酸化タングステンの微結晶であり、前記複数のアナタース型酸化チタン微結晶は、各結晶粒径が１０ｎｍ以下であって、気相化学物質を酸化するアナタース型酸化チタンの微結晶であり、前記複数の酸化タングステン微結晶と前記複数のアナタース型酸化チタン微結晶との間に、多電子還元を行い前記光照射によって前記複数の酸化タングステン微結晶または前記複数のアナタース型酸化チタン微結晶から生じた電子およびホールの移動を促進する金属を備え、各酸化タングステン微結晶は、前記複数のアナタース型酸化チタン微結晶に覆われず不規則に配置された光触媒を得るものである。
また、本発明に係る光触媒担持体の製造方法は、酸化タングステンの微結晶の前駆体と酸化チタンの微結晶の前駆体と多電子還元を行う前記金属とが含まれる分散液を、担持基材に塗布した後に焼成して光触媒層が形成されることにより、複数の酸化タングステン微結晶と複数のアナタース型酸化チタン微結晶とを有し、光照射によって触媒活性を示す光触媒であって、前記複数の酸化タングステン微結晶は、各結晶粒径が１０ｎｍ以下であって、気相化学物質を酸化する酸化タングステンの微結晶であり、前記複数のアナタース型酸化チタン微結晶は、各結晶粒径が１０ｎｍ以下であって、気相化学物質を酸化するアナタース型酸化チタンの微結晶であり、前記複数の酸化タングステン微結晶と前記複数のアナタース型酸化チタン微結晶との間に、多電子還元を行い前記光照射によって前記複数の酸化タングステン微結晶または前記複数のアナタース型酸化チタン微結晶から生じた電子およびホールの移動を促進する金属を備え、各酸化タングステン微結晶は、前記複数のアナタース型酸化チタン微結晶に覆われず不規則に配置された光触媒と、光触媒を担持する担持基材と、を備える光触媒担持体を得るものである。
一方、酸化チタン結晶前駆体３ａとしては、チタンラクテートが用いられる。なお、酸化チタン結晶前駆体３ａは、焼成によって二酸化チタンの結晶が得られるものであればよく、これに限定されない。このような酸化チタン結晶前駆体３ａとしては、上記のチタンラクテートの他に、三塩化チタン、四塩化チタン、硫酸チタン、オキシ硫酸チタン、オキシ塩化チタン及びチタンテトライソプロポキシド等がある。
Claims (10)
- 結晶粒径が１０ｎｍ以下であって、気相化学物質を酸化する酸化タングステンの微結晶と、結晶粒径が１０ｎｍ以下であって、気相化学物質を酸化する酸化チタンの微結晶とが、不規則に配置されて固体を形成している光触媒。
- 多電子還元を行う金属が含まれている
請求項１に記載の光触媒。 - 多電子還元を行う前記金属は白金である
請求項２に記載の光触媒。 - 請求項１〜３のいずれか一項に記載の光触媒と、
前記光触媒を担持する担持基材と、
を備える光触媒担持体。 - 前記担持基材はセラミックフォーム、不織布又はセラミックハニカムである
請求項４に記載の光触媒担持体。 - 前記担持基材の有機物配合量が質量の５０パーセント以下である
請求項４又は５に記載の光触媒担持体。 - 結晶粒径が１０ｎｍ以下であって、気相化学物質を酸化する酸化タングステンの微結晶と、結晶粒径が１０ｎｍ以下であって、気相化学物質を酸化する酸化チタンの微結晶とが、不規則に配置されて固体を形成している光触媒の製造方法において、
前記酸化タングステンの微結晶の前駆体と前記酸化チタンの微結晶の前駆体とが含まれる分散液を作成して、前記分散液を焼成する
光触媒の製造方法。 - 前記酸化タングステンの微結晶の前駆体は、メタタングステン酸アンモニウム、パラタングステン酸アンモニウム、タングステン酸、塩化タングステン又はタングステンアルコキシドであり、
前記酸化チタンの微結晶の前駆体は、チタンラクテート、三塩化チタン、四塩化チタン、硫酸チタン、オキシ硫酸チタン、オキシ塩化チタン又はチタンテトライソポロポキシドである
請求項７に記載の光触媒の製造方法。 - 前記分散液には、多電子還元を行う金属が含まれている
請求項７又は８に記載の光触媒の製造方法。 - 結晶粒径が１０ｎｍ以下であって、気相化学物質を酸化する酸化タングステンの微結晶と、結晶粒径が１０ｎｍ以下であって、気相化学物質を酸化する酸化チタンの微結晶とが、不規則に配置されて固体を形成している光触媒と、前記光触媒を担持する担持基材と、を備える光触媒担持体の製造方法において、
前記酸化タングステンの微結晶の前駆体と前記酸化チタンの微結晶の前駆体とが含まれる分散液を、前記担持基材に塗布した後に焼成して光触媒層が形成される
光触媒担持体の製造方法。
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