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JP4135907B2 - Visible light active photocatalyst particles - Google Patents
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、可視光活性型光触媒粒子に関し、より詳細には、可視光の照射に対して活性を示し、このような光触媒活性を利用して、有害物質の分解、消臭、抗菌、殺菌、防汚、防曇等の作用を奏することにより、塗料、繊維製品、シックハウス解消剤、工業排水・排ガス等の無害化処理剤、医用材料等に好適に用いることができる可視光活性型光触媒粒子に関する。
【0002】
【従来の技術】
光触媒は、半導体的性質をもつものが多く、伝導帯と価電子帯とが適当な幅のバンドギャップにより隔てられたバンド構造を有する。
このような光触媒に、そのバンドギャップ以上のエネルギーを有する光を照射すると、価電子帯の電子が伝導帯に励起され、前記価電子帯に正孔、伝導帯に電子を生じる。ここで生じた正孔および電子がそれぞれ、酸化・還元反応を引き起こす。
そのうちの特に強い酸化力を利用して、有害物質の分解、消臭、抗菌、殺菌、防汚等の効果を発揮させることができる。
また、超親水性効果により、水になじみやすくなることから、防曇効果を発揮させることもできる。
したがって、上記のような効果を活かして、現在、塗料、繊維、鏡、医用材料等への応用が提案されており、一部は既に実用化されている。
【0003】
ところで、二酸化チタン光触媒においては、主に、アナターゼ型またはルチル型の結晶があり、二酸化チタンのバンドギャップはそれぞれ、3.2eV(波長387.5nmに相当)または3.0eV(波長413.3nmに相当)であるため、励起光としては、それぞれ波長387.5nm以下または波長413.3nm以下の短波長光、すなわち、紫外線以外の光は利用されていなかった。
【0004】
しかしながら、太陽光を効率よく利用するためには、その大部分を占める波長400〜700nmの可視光を利用することができることが好ましい。
また、屋外だけでなく、室内の蛍光灯等の光エネルギーが弱い空間においても反応する光触媒が現在、求められている。
このため、最近では、太陽光および人工光を効率よく利用する目的で、可視光の照射により触媒活性を示す二酸化チタンの開発が種々検討されるようになってきた。
【0005】
例えば、特許文献1には、アナターゼ型二酸化チタンを水素プラズマ熱処理することにより、酸素欠陥を形成し、可視光活性を得る方法が開示されている。
また、二酸化チタンの結晶格子内に窒素をドープすることによって、可視光応答性が得られることが開示されている(例えば、特許文献2〜4参照)。
【0006】
上記した酸素欠乏型または窒素ドープされた二酸化チタンにおいては、酸素欠乏欠陥またはTi−Nの結合により、二酸化チタン光触媒に可視光活性がもたらされると考えられる。
【0007】
【特許文献1】
特許第3252136号公報
【特許文献2】
特開2001−207082号公報
【特許文献3】
特開2001−72419号公報
【特許文献4】
特開2001−190953号公報
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した酸素欠乏型や窒素ドープ型光触媒は、可視光照射における光触媒活性は低く、また、安定性に劣る等の課題を有していた。
【0009】
このような技術的課題が生じる原因としては、例えば、窒素ドープされた二酸化チタンのTi−N結合に基づくXPS(X線光電子分光法)分析によるピークは、空気中で熱処理された試料においては消失しているという報告もあることから、空気と接触している粒子表面においては、酸素欠乏欠陥またはTi−N結合が不安定であることによるものと推測される。
【0010】
本発明は、上記技術的課題を解決するためになされたものであり、可視光照射に対して高い光触媒活性を示すとともに、その光触媒活性が、安定性、持続性に優れている可視光活性型光触媒粒子を提供することを目的とするものである。
【0011】
【課題を解決する手段】
本発明に係る可視光活性型光触媒粒子は、二酸化チタン成分の含有量が80wt%以上であり、700wtppm以上10000wtppm以下の窒素のアニオンと、前記窒素濃度の1/30以上1/3以下の炭素のアニオンがドープされた粒子であり、前記粒子の粒径が1μm以下であることを特徴とする。
このように構成された可視光活性型光触媒粒子は、従来の酸素欠乏型または窒素ドープされた二酸化チタンによる可視光活性型光触媒に比べて、より優れた光触媒活性を示し、しかも、その光触媒活性は、安定性、持続性に優れたものである。
【0012】
また、本発明に係る可視光活性型光触媒粒子は、二酸化チタン成分の含有量が80wt%以上であり、フーリエ変換赤外分光法により測定したスペクトルが、波数340±10cm-1および580±50cm-1に吸収ピークを有することを特徴とする。
KBr法により測定したフーリエ変換赤外吸収スペクトル(FT−IR)における上記吸収ピークは、窒素および炭素がドープされていることに基づくものであり、このため、可視光照射下において、優れた光触媒活性が得られる。
【0013】
前記可視光活性型光触媒粒子は、波長400nm以上600nm以下の可視光照射下において、イソプロパノール酸化活性を示すものであることが好ましい。イソプロパノール(IPA)酸化活性を示すことにより、本発明に係る可視光活性型光触媒粒子が、可視光照射に対して優れた光触媒活性を示すものであることが確証される。
したがって、本発明に係る可視光活性型光触媒粒子は、上記のようなIPA酸化活性を示すことにより、可視光照射下において、シックハウスの原因と言われているホルムアルデヒド等のアルデヒド類ガス、車の排ガスNOX等の環境汚染物質、ダイオキシン等の環境ホルモン等の人体を害する物質を分解・除去する等の優れた機能を発揮することができる。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下、本発明をより詳細に説明する。
本発明に係る可視光活性型光触媒粒子は、二酸化チタンが主成分であり、700wtppm以上10000wtppm以下の窒素のアニオンと、前記窒素濃度の1/30以上1/3以下の炭素のアニオンがドープされた粒子である。
このように窒素および炭素がドープされた光触媒粒子は、従来の酸素欠乏型または窒素ドープされた二酸化チタン光触媒に比べて、可視光照射下において、より優れた光触媒活性を示すものである。しかも、その光触媒活性の安定性、持続性に優れており、空気と接触した場合であっても容易に失活することはない。
なお、紫外線照射に対する光触媒活性も、従来の二酸化チタン光触媒と同程度以上の性能を示す。
【0015】
前記可視光活性型光触媒粒子における主成分は、二酸化チタンであり、その含有量は、80wt%以上であることが好ましく、より好ましくは、95wt%以上である。
二酸化チタン成分の含有量が80wt%未満である場合は、十分な光触媒活性が得られない。
したがって、20wt%未満の範囲であれば、二酸化チタンの可視光照射による光触媒活性を損なわない限り、他の無機化合物等を混合した複合粒子を用いることもできる。
二酸化チタンに混合される無機化合物としては、例えば、シリカ、アルミナ、ジルコニア、マグネシア、酸化亜鉛等を挙げることができる。
【0016】
前記二酸化チタンには、ルチル型(正方晶系)、アナターゼ型(正方晶系)、ブルッカイト型(斜方晶系)の3種の変態があり、いずれもチタン原子に酸素原子が6配位した、ゆがんだ八面体の稜が共有された構造を有している。本発明においては、このうち、光触媒活性を発現させる観点から、ルチル型またはアナターゼ型のものを用いることが好ましく、特に、アナターゼ型が好ましい。
【0017】
本発明においては、この二酸化チタンを主成分とする粒子に、窒素および炭素のアニオンをドープすることにより、可視光活性型光触媒粒子を得る。
ドーパント濃度は、窒素については、700wtppm以上10000wtppm以下であることが好ましく、より好ましくは、1500wtppm以上5000wtppm以下である。
前記窒素の濃度が700wtppm未満である場合は、可視光照射に対する十分な光触媒活性が得られず、特に、初期活性の立ち上がりが遅く、しかも、立ち上がり勾配が小さく、可視光の強度や用途等によっては、その目的を十分に達成することが困難な場合がある。
また、炭素の濃度は、これも十分な可視光活性を得る観点から、上記窒素の濃度の1/30以上1/3以下であることが好ましい。
【0018】
上記窒素および炭素のアニオンのドーピング方法は、特に限定されるものではなく、通常、この種のドープにおいて用いられる、熱拡散法、レーザドーピング法、プラズマドーピング法、イオン注入法等の方法を採用して差し支えない。
具体的には、イオン注入装置を用いて、窒素アニオンや炭素アニオン源等からの加速イオンを二酸化チタンターゲットに打ち込む方法により行うことができる。
また、シアン(HCN)、シアン酸もしくはイソシアン酸(HOCN)、低級アミン(RNH2、R2NH、R3N)、アゾ、ジアゾ化合物等を含有する溶液、または、これらとアンモニア(NH3)とを含有する溶液中で、塩化チタン(TiCl4)等の溶液状ハロゲン化チタンを加水分解する方法を用いることもできる。あるいはまた、シアン、シアン酸またはイソシアン酸、低級アミン等またはこれらとアンモニアとを含有する窒素またはアルゴン等の不活性ガス気流中で、または、各種炭化水素とアンモニアとの混合ガス気流中で、二酸化チタンを熱処理(アニール)する方法等によっても行うことができる。
【0019】
なお、上記のように窒素および炭素のトーピングは、それぞれ別の化合物の分解によって行ってもよく、この場合は、炭素および窒素は、同時でも、あるいは、逐次にドープしてもよく、また、ドープ時期についても、その態様に応じて、粒子形成時または形成後のいずれであってもよい。
【0020】
前記二酸化チタン(TiO2)は、化学量論的には、チタンイオン1モルに結合している酸素イオンは2モルである。
本発明においては、このような化学量論的な化学組成からなる二酸化チタンに、窒素および炭素のアニオンをドープすることにより、チタンイオン1モルに結合している酸素イオンが、化学量論数である2モルよりもずれた、すなわち、非化学量論的な数を有するような構造とすることが好ましい。
二酸化チタンがこのような構造をとることにより、可視光照射に対する高い光触媒活性を発揮することができるものと考えられる。
具体的には、チタンイオン1モルに対して結合している酸素イオンは、1.9モル以上2.0モル未満となることが好ましい。
【0021】
したがって、ドープされた窒素アニオンは、二酸化チタンの結晶の格子間に入っている状態、すなわち、Ti−N−Oの結合状態で、二酸化チタンのTiと結合していることが好ましい。あるいはまた、二酸化チタンの結晶中の酸素が窒素に置換され、前記ドープされた窒素アニオンは、二酸化チタン結晶中の酸素の位置に入っている状態、すなわち、Ti−N−Tiの結合状態で、二酸化チタンのTiと結合していることが好ましい。
これらの結合状態のうち、Ti−N−Tiの方が多いことがより好ましい。
【0022】
前記可視光活性型光触媒粒子の粒径は、十分な光触媒活性および溶媒への分散性等の観点から、1μm以下とし、好ましくは、0.01μm以上1μm以下である。特に、一次粒子が、長径10nm以上100nm以下の長球状であることが好ましい。前記粒子の長径は30〜40nm程度であることがより好ましい。このような粒径範囲にある二酸化チタン光触媒粒子は、微粒子であるため、塗料用途等にも、好適に用いることができる。
また、前記一次粒子は、短径と長径の比が1:2〜4程度であることが好ましい。
【0023】
また、本発明に係る可視光活性型光触媒粒子は、フーリエ変換赤外分光法により測定したスペクトルが、波数340±10cm-1および580±50cm-1に吸収ピークを有するものである。
KBr法により測定したフーリエ変換赤外吸収スペクトル(FT−IR)において、波数340cm-1および580cm-1付近に吸収ピークが観測されることは、窒素および炭素がドープされていることを表すものである。
このドープされた窒素および炭素により、本発明に係る可視光活性型光触媒粒子におけるTi−N結合は安定しており、可視光照射下における光触媒効果が大きいと言える。
【0024】
本発明に係る可視光活性型光触媒粒子は、可視光の照射下において、ホルムアルデヒド、イソプロパノール(IPA)等の酸化活性を示すものである。
特に、該光触媒粒子0.2gを10cm四方に均一層とした試料を容積1lのガスバッグ内に入れ、当初イソプロパノールガス濃度を1500ppm±150ppmとし、前記試料に、紫外線が遮光された蛍光灯光を、波長420nmにおける強度0.5mW/cm2で1時間照射後、生成したアセトンガス濃度が500ppm以上となるものであることが好ましい。
IPAは酸化されると、アセトンを生成する。さらに、酸化反応が進行すると、最終的には、二酸化炭素と水を生成する。このようなIPAの酸化反応は、光触媒活性を評価するための標準的な方法の一つとして用いられている。
【0025】
一般に、二酸化チタン等の光触媒活性の評価方法としては、光触媒製品技術協議会の光触媒性能評価試験法IIb(ガスバッグB法)が用いられるが、このガスバッグB法は、紫外線照射による光触媒活性を評価するものである。
これに対して、本発明においては、可視光照射に対する光触媒活性を評価するために、上記のような独自の評価試験法を採用する。これにより、本発明に係る可視光活性型光触媒粒子が、可視光照射に対して優れた光触媒活性を示すものであることの明確化を図ることができる。
【0026】
以下、本発明に係る可視光活性型光触媒粒子の上記光触媒活性の評価試験法の具体例を説明する。
まず、光触媒粒子0.2gを水に分散させて、これを10cm×10cmの石英ガラス板に塗布し、50℃で一晩乾燥させ、これを試験試料とする。
次に、この試験試料を、容積1lのテドラーバッグに入れた後、イソプロパノール(IPA)蒸気を含んだ空気を該テドラーバッグ内に1時間循環させ、光触媒粒子のガス吸着を飽和させる。
このテドラーバッグ内のIPAガス濃度およびアセトンガス濃度をガスクロマトグラフィにより測定し、IPAガス濃度が1500ppm±150ppm、アセトンガス濃度が0ppmとなるように試験ガスを調製する。
そして、前記テドラーバッグを、波長410nm以下の紫外線をカットするフィルムを装着させた蛍光灯を用いて、波長420nmにおける光強度0.5mW/cm2の光を1時間照射後、IPAガス濃度およびIPAの酸化により生成したアセトンガス濃度を測定する。
本発明に係る可視光活性型光触媒粒子は、このときのアセトンガス濃度が500ppm以上となるものであることが好ましく、これにより、優れた可視光活性を示す光触媒であることを明示することができる。
【0027】
上記のような可視光の照射下におけるIPAの酸化反応の促進作用、すなわち、IPA酸化活性を示すことは、シックハウスの原因と言われているホルムアルデヒド等のアルデヒド類ガス、車の排ガスNOX等の環境汚染物質、ダイオキシン等の環境ホルモン等の人体を害する物質を分解・除去する能力を持つことを意味し、可視光活性型光触媒としての優れた機能が発揮されると言える。
【0028】
【実施例】
以下、本発明を実施例に基づきさらに具体的に説明するが、本発明は下記の実施例により制限されるものではない。
[実施例]
窒素3000wtppmおよび炭素150wtppmをドープしたアナターゼ型二酸化チタン微粒子(短径約10nm、長径約30nmの長球状の一次粒子)を合成し、光触媒粒子を作製した。
【0029】
上記において合成した光触媒粒子について、KBr法によるフーリエ変換赤外吸収スペクトル(FT−IR)を測定した。
装置は、Bruker製IFS113V型および日立製作所製260−50型フーリエ変換赤外分光光度計を使用し、分解能は4cm-1で測定した。
測定試料は、乳鉢でKBrと混合し、粉末状とした後、錠剤成型器でペレット状にしたものを用いた。
測定されたスペクトルを図1および図2に示す。
【0030】
また、上記光触媒粒子について、可視光に対する光触媒活性を評価した。可視光活性評価試験は、下記の方法により行った。
まず、上記により合成した光触媒粒子0.2gを水に分散させて、これを10cm×10cmの石英ガラス板に塗布し、50℃で一晩乾燥させ、これを試験試料とした。
次に、この試験試料を、容積1lのテドラーバッグに入れた後、イソプロパノール(IPA)蒸気を含んだ空気をテドラーバッグ内に1時間循環させ、光触媒粒子のガス吸着を飽和させて、試験ガスを調製した。
この試験ガスのIPAおよびアセトンのガス濃度をガスクロマトグラフィ(Shimadzu GC−8A、カラム:島津パックドカラムSBS−100)により測定したところ、IPAは1500ppm、アセトンは未検出(ND)であった。
そして、前記テドラーバッグを、波長410nm以下の紫外線を遮光するフィルム(富士写真フィルム株式会社製 UV Guard UGP20WL10)を装着した蛍光灯(Toshiba FLR20S,W/M)を用いて、波長420nmにおける光強度0.5mW/cm2の光を5時間照射した。照射開始から30分毎に、IPAガス濃度およびIPAの酸化により生成したアセトンガス濃度を測定した。
この結果を表1に示す。
【0031】
[比較例]
従来の窒素ドープ型二酸化チタン微粒子(A社製)(一次粒径5〜10nm)について、上記実施例と同様にして、フーリエ変換赤外吸収スペクトル(FT−IR)を測定した。
測定されたスペクトルを図1および図2に示す。
また、この窒素ドープ型二酸化チタン微粒子についても、上記実施例と同様にして、可視光に対する光触媒活性を評価した。
この結果を表1に示す。
【0032】
【表1】

Figure 0004135907
【0033】
図1および図2に示したように、FT−IRの測定結果は、実施例では、波数580cm-1および340cm-1において吸収ピークがあり、窒素のみがドープされた比較例とはそのピーク位置は異なることが認められた。
前記吸収ピークは、ドープされた炭素および窒素に基づくものであり、本発明に係る可視光活性型光触媒粒子において特徴的なものである。
【0034】
また、上記表1に示した評価結果から、窒素および炭素のアニオンをドープした二酸化チタン光触媒粒子(実施例)は、可視光の照射により、IPAの酸化反応により生成したアセトンガスが検出され、可視光に対する光触媒活性を示すことが認められた。
また、この本発明に係る光触媒は、可視光照射によるアセトンの生成量から、窒素ドープ型の従来品(比較例)よりも優れた光触媒活性を示すことが認められた。
なお、光を照射しない暗条件においては、変化は観察されなかった。
【0035】
【発明の効果】
以上のとおり、本発明に係る可視光活性型光触媒粒子は、従来の可視光活性型光触媒に比べて、可視光照射に対して高い光触媒活性を示すとともに、その光触媒活性は、安定性、持続性に優れたものである。
このため、本発明に係る可視光活性型光触媒粒子は、その光触媒活性を利用して、有害物質の分解、消臭、抗菌、殺菌、防汚、防曇等の作用を奏することにより、塗料、繊維製品、シックハウス解消剤、工業排水・排ガス等の無害化処理剤、医用材料等の様々な用途に好適に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例および比較例における光触媒粒子についての赤外吸収スペクトルを示したものである。
【図2】実施例および比較例における光触媒粒子についての赤外吸収スペクトルを示したものである。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to visible light active photocatalyst particles, and more particularly shows activity against visible light irradiation, and uses such photocatalytic activity to decompose, deodorize, antibacterial, disinfect, The present invention relates to visible light activated photocatalyst particles that can be suitably used for paints, textile products, sick house removal agents, detoxification treatment agents such as industrial wastewater and exhaust gas, and medical materials by exhibiting antifouling and antifogging effects. .
[0002]
[Prior art]
Many photocatalysts have semiconducting properties and have a band structure in which a conduction band and a valence band are separated by a band gap having an appropriate width.
When such a photocatalyst is irradiated with light having energy greater than its band gap, electrons in the valence band are excited to the conduction band, generating holes in the valence band and electrons in the conduction band. The holes and electrons generated here cause oxidation / reduction reactions, respectively.
Among them, particularly strong oxidizing power can be used to exert effects such as decomposition, deodorization, antibacterial, sterilization, and antifouling of harmful substances.
Moreover, since it becomes easy to adjust to water due to the super-hydrophilic effect, an anti-fogging effect can be exhibited.
Therefore, taking advantage of the effects as described above, application to paints, fibers, mirrors, medical materials and the like has been proposed, and some of them have already been put into practical use.
[0003]
By the way, in the titanium dioxide photocatalyst, there are mainly anatase type or rutile type crystals, and the band gap of titanium dioxide is 3.2 eV (corresponding to a wavelength of 387.5 nm) or 3.0 eV (wavelength of 413.3 nm). Therefore, as the excitation light, short-wavelength light having a wavelength of 387.5 nm or less or a wavelength of 413.3 nm or less, that is, light other than ultraviolet light was not used.
[0004]
However, in order to efficiently use sunlight, it is preferable that visible light having a wavelength of 400 to 700 nm, which occupies most of it, can be used.
There is also a need for photocatalysts that react not only outdoors but also in spaces where light energy is weak, such as indoor fluorescent lamps.
For this reason, recently, various developments of titanium dioxide exhibiting catalytic activity by irradiation with visible light have been studied for the purpose of efficiently using sunlight and artificial light.
[0005]
For example, Patent Document 1 discloses a method of obtaining visible light activity by forming an oxygen defect by subjecting anatase-type titanium dioxide to hydrogen plasma heat treatment.
Further, it is disclosed that visible light responsiveness can be obtained by doping nitrogen into the crystal lattice of titanium dioxide (see, for example, Patent Documents 2 to 4).
[0006]
In the above oxygen-deficient or nitrogen-doped titanium dioxide, it is considered that visible light activity is brought to the titanium dioxide photocatalyst by oxygen-deficient defects or Ti—N bonds.
[0007]
[Patent Document 1]
Japanese Patent No. 3252136 [Patent Document 2]
JP 2001-207082 A [Patent Document 3]
JP 2001-72419 A [Patent Document 4]
JP 2001-190953 A
[Problems to be solved by the invention]
However, the oxygen-deficient and nitrogen-doped photocatalysts described above have problems such as low photocatalytic activity under visible light irradiation and poor stability.
[0009]
The cause of such a technical problem is, for example, that a peak obtained by XPS (X-ray photoelectron spectroscopy) analysis based on a Ti—N bond of nitrogen-doped titanium dioxide disappears in a sample heat-treated in air. Therefore, it is presumed that oxygen deficiency defects or Ti—N bonds are unstable on the particle surface in contact with air.
[0010]
The present invention has been made to solve the above technical problem, and exhibits a high photocatalytic activity for visible light irradiation, and its photocatalytic activity is excellent in stability and sustainability. The object is to provide photocatalyst particles.
[0011]
[Means for solving the problems]
The visible light activated photocatalyst particles according to the present invention have a titanium dioxide component content of 80 wt% or more , a nitrogen anion of 700 wtppm or more and 10,000 wtppm or less, and a carbon of 1/30 or more and 1/3 or less of the nitrogen concentration. It is a particle doped with anions, and the particle size of the particle is 1 μm or less.
The visible light activated photocatalyst particles configured as described above exhibit superior photocatalytic activity compared to conventional visible light activated photocatalysts using oxygen-deficient or nitrogen-doped titanium dioxide, and the photocatalytic activity is It is excellent in stability and sustainability.
[0012]
Further, the visible light activated photocatalyst particles according to the present invention have a titanium dioxide component content of 80 wt% or more , and the spectra measured by Fourier transform infrared spectroscopy have wave numbers of 340 ± 10 cm −1 and 580 ± 50 cm −. 1 has an absorption peak.
The absorption peak in the Fourier transform infrared absorption spectrum (FT-IR) measured by the KBr method is based on doping with nitrogen and carbon. Therefore, it has excellent photocatalytic activity under visible light irradiation. Is obtained.
[0013]
The visible light active photocatalyst particles preferably exhibit isopropanol oxidation activity under irradiation with visible light having a wavelength of 400 nm or more and 600 nm or less. By showing isopropanol (IPA) oxidation activity, it is confirmed that the visible light active photocatalyst particles according to the present invention exhibit excellent photocatalytic activity for visible light irradiation.
Therefore, the visible light activated photocatalyst particles according to the present invention exhibit the above-mentioned IPA oxidation activity, so that under visible light irradiation, aldehyde gases such as formaldehyde, which are said to cause sick house, and vehicle exhaust gas. It can exhibit excellent functions such as decomposition and removal of environmental pollutants such as NO x and environmental hormones such as dioxin, which harm human bodies.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
The visible light active photocatalyst particles according to the present invention are mainly composed of titanium dioxide, and doped with nitrogen anions of 700 wtppm to 10000 wtppm and carbon anions of 1/30 to 1/3 of the nitrogen concentration. Particles.
Thus, the photocatalyst particles doped with nitrogen and carbon exhibit better photocatalytic activity under irradiation of visible light than conventional oxygen-deficient or nitrogen-doped titanium dioxide photocatalysts. In addition, the photocatalytic activity is excellent in stability and sustainability, and is not easily deactivated even when it comes into contact with air.
In addition, the photocatalytic activity with respect to ultraviolet irradiation also shows the same or better performance as the conventional titanium dioxide photocatalyst.
[0015]
The main component in the visible light active photocatalyst particles is titanium dioxide, and the content thereof is preferably 80 wt% or more, and more preferably 95 wt% or more.
When the content of the titanium dioxide component is less than 80 wt%, sufficient photocatalytic activity cannot be obtained.
Therefore, in the range of less than 20 wt%, composite particles in which other inorganic compounds are mixed can be used as long as the photocatalytic activity of titanium dioxide by visible light irradiation is not impaired.
Examples of the inorganic compound mixed with titanium dioxide include silica, alumina, zirconia, magnesia, zinc oxide and the like.
[0016]
The titanium dioxide has three types of transformations of rutile type (tetragonal system), anatase type (tetragonal system), and brookite type (orthorhombic system), all of which have six oxygen atoms coordinated to the titanium atom. It has a structure where the edges of the distorted octahedron are shared. In the present invention, from the viewpoint of developing photocatalytic activity, a rutile type or anatase type is preferably used, and an anatase type is particularly preferable.
[0017]
In the present invention, visible light active photocatalyst particles are obtained by doping nitrogen and carbon anions into particles mainly composed of titanium dioxide.
The dopant concentration for nitrogen is preferably 700 wtppm or more and 10,000 wtppm or less, and more preferably 1500 wtppm or more and 5000 wtppm or less.
When the concentration of nitrogen is less than 700 wtppm, sufficient photocatalytic activity for visible light irradiation cannot be obtained, and in particular, the rise of initial activity is slow, and the rise gradient is small, depending on the intensity and application of visible light, etc. , It may be difficult to achieve its objectives sufficiently.
The carbon concentration is preferably 1/30 or more and 1/3 or less of the nitrogen concentration from the viewpoint of obtaining sufficient visible light activity.
[0018]
The doping method of the nitrogen and carbon anions is not particularly limited, and a method such as a thermal diffusion method, a laser doping method, a plasma doping method, or an ion implantation method that is usually used in this type of doping is adopted. It does not matter.
Specifically, it can be performed by a method of implanting accelerated ions from a nitrogen anion, a carbon anion source or the like into a titanium dioxide target using an ion implantation apparatus.
Further, solutions containing cyan (HCN), cyanic acid or isocyanic acid (HOCN), lower amines (RNH 2 , R 2 NH, R 3 N), azo, diazo compounds, and the like, and ammonia (NH 3 ) A method of hydrolyzing a solution-like titanium halide such as titanium chloride (TiCl 4 ) in a solution containing the above can also be used. Alternatively, in a stream of inert gas such as nitrogen or argon containing cyan, cyanic acid or isocyanic acid, lower amine or the like and ammonia, or in a mixed gas stream of various hydrocarbons and ammonia, It can also be performed by a method of annealing (annealing) titanium.
[0019]
In addition, as described above, nitrogen and carbon topping may be performed by decomposing different compounds. In this case, carbon and nitrogen may be doped simultaneously or sequentially. The timing may be either at the time of particle formation or after the formation depending on the mode.
[0020]
The titanium dioxide (TiO 2 ) stoichiometrically has 2 moles of oxygen ions bonded to 1 mole of titanium ions.
In the present invention, by doping titanium dioxide having such a stoichiometric chemical composition with nitrogen and carbon anions, oxygen ions bonded to 1 mol of titanium ions are expressed in stoichiometric numbers. It is preferable to have a structure deviating from a certain 2 mol, that is, having a non-stoichiometric number.
It is considered that when titanium dioxide has such a structure, it can exhibit high photocatalytic activity for visible light irradiation.
Specifically, the oxygen ions bonded to 1 mol of titanium ions are preferably 1.9 mol or more and less than 2.0 mol.
[0021]
Therefore, it is preferable that the doped nitrogen anion is bonded to Ti of titanium dioxide in a state where it is in the lattice of the titanium dioxide crystal, that is, in a bonded state of Ti—N—O. Alternatively, oxygen in the titanium dioxide crystal is replaced with nitrogen, and the doped nitrogen anion is in the position of oxygen in the titanium dioxide crystal, that is, in the bonded state of Ti—N—Ti, It is preferably bonded to Ti of titanium dioxide.
Of these bonded states, Ti-N-Ti is more preferable.
[0022]
The particle size of the visible light active photocatalyst particles is 1 μm or less, preferably 0.01 μm or more and 1 μm or less, from the viewpoint of sufficient photocatalytic activity and dispersibility in a solvent. In particular, the primary particles are preferably oblong with a major axis of 10 nm to 100 nm. The major axis of the particles is more preferably about 30 to 40 nm. Since the titanium dioxide photocatalyst particles in such a particle size range are fine particles, they can be suitably used for coating applications.
The primary particles preferably have a minor axis to major axis ratio of about 1: 2 to 4.
[0023]
Further, the visible light activated photocatalyst particles according to the present invention is a spectrum measured by Fourier transform infrared spectroscopy, and has an absorption peak at a wavenumber 340 ± 10 cm -1 and 580 ± 50 cm -1.
In the Fourier transform infrared absorption spectrum measured by KBr method (FT-IR), an absorption peak in the vicinity of a wave number of 340 cm -1 and 580 cm -1 is observed, which represents that the nitrogen and carbon are doped is there.
By this doped nitrogen and carbon, the Ti—N bond in the visible light active photocatalyst particle according to the present invention is stable, and it can be said that the photocatalytic effect under visible light irradiation is large.
[0024]
The visible light activated photocatalyst particles according to the present invention exhibit oxidation activity of formaldehyde, isopropanol (IPA), etc. under irradiation with visible light.
In particular, a sample in which 0.2 g of the photocatalyst particles are uniformly formed in a 10 cm square is placed in a gas bag having a volume of 1 liter, and the initial isopropanol gas concentration is 1500 ppm ± 150 ppm. After irradiation for 1 hour at an intensity of 0.5 mW / cm 2 at a wavelength of 420 nm, the concentration of the produced acetone gas is preferably 500 ppm or more.
When IPA is oxidized, it produces acetone. Further, when the oxidation reaction proceeds, carbon dioxide and water are finally generated. Such an oxidation reaction of IPA is used as one of standard methods for evaluating photocatalytic activity.
[0025]
In general, photocatalytic activity evaluation test method IIb (gas bag B method) of photocatalyst product technical council is used as a method for evaluating photocatalytic activity of titanium dioxide or the like. It is something to evaluate.
On the other hand, in the present invention, in order to evaluate the photocatalytic activity for visible light irradiation, the above-described original evaluation test method is adopted. This makes it possible to clarify that the visible light active photocatalyst particles according to the present invention exhibit excellent photocatalytic activity with respect to visible light irradiation.
[0026]
Hereinafter, specific examples of the evaluation test method for the photocatalytic activity of the visible light active photocatalyst particles according to the present invention will be described.
First, 0.2 g of photocatalyst particles are dispersed in water, and this is applied to a 10 cm × 10 cm quartz glass plate and dried overnight at 50 ° C., which is used as a test sample.
Next, after putting this test sample in a 1 liter Tedlar bag, air containing isopropanol (IPA) vapor is circulated in the tedlar bag for 1 hour to saturate the gas adsorption of the photocatalyst particles.
The IPA gas concentration and the acetone gas concentration in the Tedlar bag are measured by gas chromatography, and a test gas is prepared so that the IPA gas concentration is 1500 ppm ± 150 ppm and the acetone gas concentration is 0 ppm.
The Tedlar bag was irradiated with light having a light intensity of 0.5 mW / cm 2 at a wavelength of 420 nm for 1 hour using a fluorescent lamp equipped with a film that cuts ultraviolet rays having a wavelength of 410 nm or less. The concentration of acetone gas generated by oxidation is measured.
The visible light active photocatalyst particles according to the present invention preferably have an acetone gas concentration of 500 ppm or more at this time, thereby clearly indicating that the photocatalyst exhibits excellent visible light activity. .
[0027]
Promoting action of oxidation of IPA under irradiation of above-described visible light, i.e., IPA exhibit oxidation activity, aldehydes gas such as formaldehyde, which is said to cause sick house, the flue gas NO X like cars It means having the ability to decompose and remove substances that harm the human body, such as environmental pollutants and environmental hormones such as dioxins, and it can be said that it has an excellent function as a visible light active photocatalyst.
[0028]
【Example】
EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated more concretely based on an Example, this invention is not restrict | limited by the following Example.
[Example]
Anatase-type titanium dioxide fine particles doped with 3000 wtppm nitrogen and 150 wtppm carbon (primary spherical particles having a minor axis of about 10 nm and a major axis of about 30 nm) were synthesized to produce photocatalyst particles.
[0029]
About the photocatalyst particle synthesize | combined in the above, the Fourier-transform infrared absorption spectrum (FT-IR) by KBr method was measured.
The apparatus used was a Bruker IFS113V type and a Hitachi 260-50 type Fourier transform infrared spectrophotometer, and the resolution was measured at 4 cm −1 .
The measurement sample was mixed with KBr in a mortar to form a powder and then pelletized with a tablet molding machine.
The measured spectrum is shown in FIG. 1 and FIG.
[0030]
Moreover, the photocatalytic activity with respect to visible light was evaluated about the said photocatalyst particle. The visible light activity evaluation test was performed by the following method.
First, 0.2 g of the photocatalyst particles synthesized as described above was dispersed in water, applied to a 10 cm × 10 cm quartz glass plate, and dried overnight at 50 ° C., which was used as a test sample.
Next, after putting this test sample in a 1 liter Tedlar bag, air containing isopropanol (IPA) vapor was circulated in the tedlar bag for 1 hour to saturate the gas adsorption of the photocatalyst particles, thereby preparing a test gas. .
When the gas concentrations of IPA and acetone of this test gas were measured by gas chromatography (Shimadzu GC-8A, column: Shimadzu packed column SBS-100), IPA was 1500 ppm and acetone was not detected (ND).
Then, the Tedlar bag was used with a fluorescent lamp (Toshiba FLR20S, W / M) equipped with a film (UV Guard UGP20WL10, manufactured by Fuji Photo Film Co., Ltd.) that shields ultraviolet rays having a wavelength of 410 nm or less, and the light intensity at a wavelength of 420 nm was 0. The light of 5 mW / cm 2 was irradiated for 5 hours. Every 30 minutes from the start of irradiation, the IPA gas concentration and the concentration of acetone gas generated by the oxidation of IPA were measured.
The results are shown in Table 1.
[0031]
[Comparative example]
For conventional nitrogen-doped titanium dioxide fine particles (manufactured by Company A) (primary particle size of 5 to 10 nm), Fourier transform infrared absorption spectra (FT-IR) were measured in the same manner as in the above Examples.
The measured spectrum is shown in FIG. 1 and FIG.
In addition, the nitrogen-doped titanium dioxide fine particles were also evaluated for photocatalytic activity with respect to visible light in the same manner as in the above examples.
The results are shown in Table 1.
[0032]
[Table 1]
Figure 0004135907
[0033]
As shown in FIGS. 1 and 2, the measurement results FT-IR, in the embodiment, there is an absorption peak at a wavenumber 580 cm -1 and 340 cm -1, the peak position from the comparative example in which only nitrogen is doped Were found to be different.
The absorption peak is based on doped carbon and nitrogen, and is characteristic in the visible light active photocatalyst particles according to the present invention.
[0034]
Further, from the evaluation results shown in Table 1 above, the titanium dioxide photocatalyst particles doped with nitrogen and carbon anions (Examples) detected acetone gas generated by the oxidation reaction of IPA by visible light irradiation, and visible. It was found to exhibit photocatalytic activity for light.
In addition, it was confirmed that the photocatalyst according to the present invention exhibited a photocatalytic activity superior to that of a conventional nitrogen-doped product (comparative example), based on the amount of acetone produced by visible light irradiation.
Note that no change was observed in the dark conditions where no light was irradiated.
[0035]
【The invention's effect】
As described above, the visible light active photocatalyst particles according to the present invention exhibit higher photocatalytic activity to visible light irradiation than conventional visible light active photocatalysts, and the photocatalytic activity is stable and durable. It is an excellent one.
For this reason, the visible light active photocatalyst particles according to the present invention use the photocatalytic activity to exhibit the action of decomposition, deodorization, antibacterial, sterilization, antifouling, antifogging, etc. of harmful substances, It can be suitably used for various applications such as textile products, sick house eliminating agents, detoxification treatment agents such as industrial wastewater and exhaust gas, and medical materials.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows infrared absorption spectra of photocatalyst particles in Examples and Comparative Examples.
FIG. 2 shows infrared absorption spectra of photocatalyst particles in Examples and Comparative Examples.

Claims (3)

二酸化チタン成分の含有量が80wt%以上であり、700wtppm以上10000wtppm以下の窒素のアニオンと、前記窒素濃度の1/30以上1/3以下の炭素のアニオンがドープされた粒子であり、前記粒子の粒径が1μm以下であることを特徴とする可視光活性型光触媒粒子。 The content of the titanium dioxide component is 80 wt% or more , and is a particle doped with an anion of nitrogen of 700 wtppm or more and 10000 wtppm or less and an anion of carbon of 1/30 or more and 1/3 or less of the nitrogen concentration, A visible light active photocatalyst particle having a particle size of 1 μm or less. 二酸化チタン成分の含有量が80wt%以上であり、フーリエ変換赤外分光法により測定したスペクトルが、波数340±10cm-1および580±50cm-1に吸収ピークを有することを特徴とする可視光活性型光触媒粒子。Visible light activity characterized in that the content of titanium dioxide component is 80 wt% or more , and the spectrum measured by Fourier transform infrared spectroscopy has absorption peaks at wave numbers of 340 ± 10 cm −1 and 580 ± 50 cm −1. Type photocatalytic particles. 波長400nm以上600nm以下の可視光照射下において、イソプロパノール酸化活性を示すことを特徴とする請求項1または請求項2記載の可視光活性型光触媒粒子。The visible light active photocatalyst particles according to claim 1 or 2, which exhibit isopropanol oxidation activity under irradiation with visible light having a wavelength of 400 nm to 600 nm.
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