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JP6629598B2 - Photocatalyst, photocatalyst manufacturing method and oxidation-reduction apparatus - Google Patents
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JP6629598B2 - Photocatalyst, photocatalyst manufacturing method and oxidation-reduction apparatus - Google Patents

Photocatalyst, photocatalyst manufacturing method and oxidation-reduction apparatus Download PDF

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Description

本発明は、物質の酸化及び還元に用いる高活性の光触媒に関するものであり、特に水を光で分解して酸素と水素を生成するための高活性の光触媒に関するものである。   The present invention relates to a highly active photocatalyst used for oxidation and reduction of substances, and more particularly to a highly active photocatalyst for generating oxygen and hydrogen by decomposing water with light.

光触媒は、物質の酸化及び還元に利用することができる。
光触媒に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し、価電子帯に正孔が生成する。価電子帯に生成した正孔は酸化反応に利用でき、伝導帯に励起した電子は還元反応に利用できる。
光触媒の酸化還元反応を利用すれば、物質を分解することが可能である。
例えば、光触媒である酸化チタンを正極とし、白金を負極として、正極及び負極を、電解質を溶解した水の中に浸漬し、金属導線で正極と負極を結線して閉回路を構成し、約0.5Vのバイアス電圧を印加しつつ、正極に光を照射することで、水を分解して、正極から酸素を、負極から水素を、得ることができる。
酸素及び水素は、いずれも産業上有用であるが、特に水素は、燃焼しても炭素酸化物、窒素酸化物、硫黄酸化物等の有害成分を生成しないため、クリーンエネルギー源として期待されている。
光触媒を工業的に利用するためには、光触媒はできるだけ高活性であることが望ましい。
光触媒には、n型半導体、p型半導体、又はpn型半導体等の固体の半導体が主に用いられる。
Photocatalysts can be used for oxidation and reduction of substances.
When the photocatalyst is irradiated with light having energy equal to or greater than the band gap, electrons in the valence band are excited to the conduction band, and holes are generated in the valence band. The holes generated in the valence band can be used for the oxidation reaction, and the electrons excited in the conduction band can be used for the reduction reaction.
If the redox reaction of the photocatalyst is used, it is possible to decompose the substance.
For example, titanium oxide as a photocatalyst is used as a positive electrode, platinum is used as a negative electrode, and the positive electrode and the negative electrode are immersed in water in which an electrolyte is dissolved, and the positive and negative electrodes are connected by a metal conductor to form a closed circuit. By irradiating light to the positive electrode while applying a bias voltage of 0.5 V, water can be decomposed to obtain oxygen from the positive electrode and hydrogen from the negative electrode.
Oxygen and hydrogen are both industrially useful, but in particular, hydrogen does not generate harmful components such as carbon oxides, nitrogen oxides, and sulfur oxides even when burned, and is therefore expected as a clean energy source. .
In order to use the photocatalyst industrially, it is desirable that the photocatalyst be as active as possible.
For the photocatalyst, a solid semiconductor such as an n-type semiconductor, a p-type semiconductor, or a pn-type semiconductor is mainly used.

光触媒の高活性化の例としては、光触媒用の半導体のバンドギャップを狭めて、できるだけ広範囲の波長の光を吸収して活性を上げようとする試みが知られている。
例えば、可視光応答型の光触媒の開発において、酸化物半導体に窒素を添加して酸窒化物半導体にしてバンドギャップを狭める例や、元々バンドギャップが狭い窒化物半導体を選択して利用する例等が公知である(特許文献1−2、非特許文献1−2)。
また、助触媒を用いて高活性化を図る試みも知られている。
例えば、鉄、コバルト、ニッケル、銅、銀、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、白金、金等の金属又はその酸化物を助触媒として、光触媒用の半導体に担持する例が公知である(特許文献3−5、非特許文献3−6)。
さらに、助触媒として複合酸化物を用いる例や(特許文献6)、逆反応による活性の低下を防止するために助触媒を遷移金属の酸化物等で被覆してコア−シェル構造にして用いる例も公知である(特許文献7−8、非特許文献7)。
さらにまた、助触媒と二種類の半導体と電子伝達系とからなる二段階光励起型光触媒の例も公知である(非特許文献8−14)。かかる二段階光励起型光触媒は、Z−スキーム型光触媒とも称される。
その他に、pn型半導体や(特許文献9−10)、半導体と金属を交互に積層した積層型半導体を、光触媒として使用する例もみられる(特許文献11−12)。
しかし、従来技術のいずれの光触媒も、未だ高活性化が十分ではなく、工業的利用には至っていない。
As an example of increasing the activity of a photocatalyst, an attempt to increase the activity by narrowing the band gap of a semiconductor for a photocatalyst to absorb light having a wavelength as wide as possible has been known.
For example, in the development of a visible light responsive photocatalyst, an example in which nitrogen is added to an oxide semiconductor to reduce the band gap to an oxynitride semiconductor, or an example in which a nitride semiconductor having a narrow band gap is selected and used. Are known (Patent Document 1-2, Non-Patent Document 1-2).
Attempts to achieve high activation by using a cocatalyst are also known.
For example, an example is known in which a metal such as iron, cobalt, nickel, copper, silver, ruthenium, rhodium, palladium, osmium, iridium, platinum, and gold or an oxide thereof is supported as a cocatalyst on a semiconductor for a photocatalyst ( Patent Documents 3-5, Non-Patent Documents 3-6).
Furthermore, an example in which a composite oxide is used as a co-catalyst (Patent Document 6) and an example in which a co-catalyst is coated with a transition metal oxide or the like to form a core-shell structure in order to prevent a decrease in activity due to a reverse reaction Are also known (Patent Documents 7-8 and Non-Patent Document 7).
Furthermore, examples of a two-step photoexcited photocatalyst including a cocatalyst, two types of semiconductors, and an electron transfer system are also known (Non-Patent Documents 8 to 14). Such a two-step photoexcited photocatalyst is also referred to as a Z-scheme photocatalyst.
In addition, examples of using a pn-type semiconductor (Patent Documents 9 to 10) and a stacked semiconductor in which a semiconductor and a metal are alternately stacked as a photocatalyst are also found (Patent Documents 11 to 12).
However, none of the conventional photocatalysts has been sufficiently activated yet, and has not yet been industrially used.

特開2007−22858号公報JP 2007-22858 A 特開2007−175659号公報JP 2007-175659 A 特許第3030328号公報Japanese Patent No. 3030328 特許第3827399号公報Japanese Patent No. 3827399 特開2011−173102号公報JP 2011-173102 A 特開2007−185605号公報JP 2007-185605 A 特開2013−230427号公報JP 2013-230427 A 特開2015−71128号公報JP-A-2005-71128 特許第4736267号公報Japanese Patent No. 4736267 特開2005−28225号公報JP 2005-28225 A 特開昭61−107945号公報JP-A-61-107945 特公平6−28737号公報Japanese Patent Publication No. 6-28737

J.Phys.Chem.B,107(2003)1798J. Phys. Chem. B, 107 (2003) 1798 Catal.Sci.Technol.,2(2012)818Catal. Sci. Technol. , 2 (2012) 818 Chem.Soc.Rev.,38(2009)253Chem. Soc. Rev .. , 38 (2009) 253 J.Am.Chem.Soc.,103(1981)4685J. Am. Chem. Soc. , 103 (1981) 4885. J.Phys.Chem.A,106(2002)6750J. Phys. Chem. A, 106 (2002) 6750 Chem.Mater.,20(2008)1299Chem. Mater. , 20 (2008) 1299 Angew.Chem.Int.Ed.45(2006)7806Angew. Chem. Int. Ed. 45 (2006) 7806 J.Chem.Soc.,Faraday Trans.94(1998)3705J. Chem. Soc. , Faraday Trans. 94 (1998) 3705 Chem.Commun.(2001)2416Chem. Commun. (2001) 2416 Chem.Lett.33(2004)1348Chem. Lett. 33 (2004) 1348 Chem.Commun.(2005)3829Chem. Commun. (2005) 3829 J.Catal.259(2008)133J. Catal. 259 (2008) 133 J.Pys.Chem.C.115(2011)3057J. Pys. Chem. C. 115 (2011) 3057 J.Am.Chem.Soc.133(2011)11054J. Am. Chem. Soc. 133 (2011) 11054

光触媒を用いた物質の分解反応は、産業上有用な技術として注目されている。太陽光と光触媒とを利用して水を高効率で分解する技術を完成できれば、クリーンエネルギー源である水素の供給技術として、産業の発達に寄与するところ大である。
しかし、従来技術の光触媒は充分な活性を有しておらず、光触媒を用いた物質分解反応は、未だ工業的には利用されていない。
そのため、物質を高い効率で分解できる高活性の光触媒が求められている。
本発明は、物質を光で分解可能な高活性の光触媒を提供するものである。
The decomposition reaction of a substance using a photocatalyst is attracting attention as an industrially useful technique. If a technology to decompose water with high efficiency using sunlight and a photocatalyst could be completed, it would greatly contribute to the development of industry as a technology for supplying hydrogen as a clean energy source.
However, the photocatalysts of the prior art do not have sufficient activity, and the substance decomposition reaction using the photocatalyst has not yet been industrially used.
Therefore, a highly active photocatalyst capable of decomposing substances with high efficiency is required.
The present invention provides a highly active photocatalyst capable of decomposing a substance by light.

本発明は、高活性の光触媒に関する。
本発明の光触媒は、n型半導体と、p型半導体と、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、及び白金の群の中から選ばれる少なくとも一種類の金属と、を含む光触媒であって、n型半導体とp型半導体とが前記金属を介して接続されている構成を有することを特徴とする光触媒である。
また、本発明の光触媒は、n型半導体からなる担体の一部に、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、及び白金の群の中から選ばれる少なくとも一種類の金属が担持され、前記金属の一部または全部に、p型半導体が担持されている構成を有することを特徴とする光触媒でもある。
上記n型半導体及び上記p型半導体の少なくとも一方は酸化物半導体であることが好ましい。
また、n型酸化物半導体は酸化チタンであることが好ましく、p型酸化物半導体は酸化コバルト又は酸化ニッケルであることが好ましい。
本発明の別の態様としては、n型酸化物半導体からなる担体に、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、及び白金の群の中から選ばれる少なくとも一種類の金属を担持し、さらにp型酸化物半導体を担持することを特徴とする光触媒の製造方法を提供する。
また、本発明は、n型酸化物半導体からなる担体に、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、及び白金の群の中から選ばれる少なくとも一種類の金属又はその前駆体を担持し、さらにp型酸化物半導体又はその前駆体を担持して500℃以上1200℃以下の温度で熱処理することを特徴とする光触媒の製造方法を提供するものでもある。
上記光触媒の製造方法において、n型酸化物半導体は酸化チタンであることが好ましく、p型酸化物半導体は酸化コバルト又は酸化ニッケルであることが好ましい。
また、本発明の酸化還元装置は、上記のいずれかの光触媒を含む光触媒成形体と、被酸化物質と、被還元物質と、被酸化還元物質含有媒体とから構成される。
The present invention relates to a highly active photocatalyst.
The photocatalyst of the present invention is a photocatalyst comprising an n-type semiconductor, a p-type semiconductor, and at least one metal selected from the group consisting of ruthenium, rhodium, palladium, osmium, iridium, and platinum, wherein n A photocatalyst having a configuration in which a type semiconductor and a p-type semiconductor are connected via the metal.
Further, the photocatalyst of the present invention has at least one kind of metal selected from the group consisting of ruthenium, rhodium, palladium, osmium, iridium, and platinum supported on a part of the carrier made of an n-type semiconductor, The photocatalyst is characterized in that it has a configuration in which a p-type semiconductor is supported on a part or all of the photocatalyst.
At least one of the n-type semiconductor and the p-type semiconductor is preferably an oxide semiconductor.
The n-type oxide semiconductor is preferably titanium oxide, and the p-type oxide semiconductor is preferably cobalt oxide or nickel oxide.
In another embodiment of the present invention, a carrier made of an n-type oxide semiconductor carries at least one metal selected from the group consisting of ruthenium, rhodium, palladium, osmium, iridium, and platinum, and further comprises p-type metal. Provided is a method for producing a photocatalyst, which supports an oxide semiconductor.
Further, the present invention provides a carrier comprising an n-type oxide semiconductor, on which at least one metal selected from the group consisting of ruthenium, rhodium, palladium, osmium, iridium, and platinum or a precursor thereof is further supported. Another object of the present invention is to provide a method for producing a photocatalyst, comprising carrying out a heat treatment at a temperature of 500 ° C. or more and 1200 ° C. or less while supporting a type oxide semiconductor or a precursor thereof.
In the above method for producing a photocatalyst, the n-type oxide semiconductor is preferably titanium oxide, and the p-type oxide semiconductor is preferably cobalt oxide or nickel oxide.
In addition, an oxidation-reduction device of the present invention includes a photocatalyst molded body containing any of the above-described photocatalysts, a substance to be oxidized, a substance to be reduced, and a medium containing a substance to be reduced and redox.

本発明の光触媒を用いれば、物質を高い効率で分解することができる。例えば、本発明の光触媒を、有機物等の物質と接触させると、物質分解作用を示す。
また、本発明の光触媒は、特に、光で水を分解して水素と酸素を工業的に製造する場合に有用であり、クリーンエネルギー源として水素を供給できる点で、産業の発達に寄与するところ大である。
本発明によれば、光変換効率を従来技術に比べて飛躍的に向上させることが可能である。
When the photocatalyst of the present invention is used, a substance can be decomposed with high efficiency. For example, when the photocatalyst of the present invention is brought into contact with a substance such as an organic substance, it exhibits a substance decomposition action.
In addition, the photocatalyst of the present invention is particularly useful when industrially producing hydrogen and oxygen by decomposing water with light, and can supply hydrogen as a clean energy source. Is big.
According to the present invention, it is possible to dramatically improve the light conversion efficiency as compared with the related art.

本発明の一実施形態における光触媒の概念図である。It is a key map of a photocatalyst in one embodiment of the present invention. 従来のコアシェル型光触媒の概念図である。It is a conceptual diagram of the conventional core-shell type photocatalyst. 本発明の一実施形態における光触媒の水分解作用を示す概念図である。It is a conceptual diagram showing the water-splitting action of a photocatalyst in one embodiment of the present invention.

以下に、本発明の光触媒について、詳しく説明する。   Hereinafter, the photocatalyst of the present invention will be described in detail.

[本発明の光触媒の構成]
本発明の光触媒の構成について説明する。
本発明の光触媒は、n型半導体と、p型半導体と、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、及び白金の群の中から選ばれる少なくとも一種類の金属と、を含む光触媒であって、n型半導体とp型半導体とが前記金属を介して接続されている構成を有することを特徴とする光触媒である。
即ち、本発明の光触媒は、n型半導体と、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、及び白金の群の中から選ばれる少なくとも一種類の金属とが接合し、さらに前記金属とp型半導体とが接合している構成を有する。
本発明で接続とは、二つ以上のものが繋がっていることをいう。
また、本発明で接合とは、二つ以上のものが繋ぎ合わせられていることをいう。
[Configuration of Photocatalyst of the Present Invention]
The configuration of the photocatalyst of the present invention will be described.
The photocatalyst of the present invention is a photocatalyst comprising an n-type semiconductor, a p-type semiconductor, and at least one metal selected from the group consisting of ruthenium, rhodium, palladium, osmium, iridium, and platinum, wherein n A photocatalyst having a configuration in which a type semiconductor and a p-type semiconductor are connected via the metal.
That is, the photocatalyst of the present invention is formed by bonding an n-type semiconductor and at least one metal selected from the group consisting of ruthenium, rhodium, palladium, osmium, iridium, and platinum, and further comprising the metal and the p-type semiconductor. Are joined.
In the present invention, connection means that two or more things are connected.
Also, in the present invention, the term “joining” means that two or more objects are joined.

本発明の光触媒に大陽光を照射すると、n型半導体とp型半導体の両方で、価電子帯の電子が伝導帯に励起される。
n型半導体の価電子帯に生成した正孔は酸化反応に供され、p型半導体の伝導帯に励起した電子は還元反応に供される。
本発明の光触媒では、n型半導体で酸化反応が生じ、p型半導体で還元反応が生じる。
光照射によってn型半導体の伝導帯に励起した電子は、n型半導体とp型半導体の両方の半導体に接合する金属を介して、p型半導体の価電子帯に生成した正孔と結合して、消滅する。
本発明の光触媒では、n型半導体の価電子帯に生成した正孔がn型半導体の伝導帯に励起した電子と再結合して消滅することが抑制されるため、生成した正孔を酸化反応に効率的に利用できる。
同様に、p型半導体の伝導帯に励起した電子がp型半導体の価電子帯に生成した正孔と再結合して消滅することが抑制されるため、励起電子を還元反応に効率的に利用できる。
When the photocatalyst of the present invention is irradiated with sunlight, both the n-type semiconductor and the p-type semiconductor excite electrons in the valence band to the conduction band.
The holes generated in the valence band of the n-type semiconductor are subjected to an oxidation reaction, and the electrons excited in the conduction band of the p-type semiconductor are subjected to a reduction reaction.
In the photocatalyst of the present invention, an oxidation reaction occurs in the n-type semiconductor, and a reduction reaction occurs in the p-type semiconductor.
The electrons excited in the conduction band of the n-type semiconductor by light irradiation combine with holes generated in the valence band of the p-type semiconductor via a metal bonded to both the n-type semiconductor and the p-type semiconductor. ,Disappear.
In the photocatalyst of the present invention, since the holes generated in the valence band of the n-type semiconductor are suppressed from being recombined with electrons excited in the conduction band of the n-type semiconductor and disappearing, the generated holes are oxidized. Can be used efficiently.
Similarly, since the electrons excited in the conduction band of the p-type semiconductor are suppressed from being recombined with holes generated in the valence band of the p-type semiconductor and disappearing, the excited electrons are efficiently used for the reduction reaction. it can.

本発明の光触媒では、n型半導体の価電子帯のエネルギー準位は、p型半導体の価電子帯のエネルギー準位より低い。また、p型半導体の伝導帯のエネルギー準位は、n型半導体の伝導帯のエネルギー準位より高い。さらに、金属のフェルミ準位は、n型半導体の伝導帯のエネルギー準位より低い。
本発明の光触媒は、単一の触媒で、酸化反応及び還元反応の両方を高活性で実現できる。
本発明の光触媒は、n型半導体の低いエネルギー準位の価電子帯に生成した正孔を、再結合で消滅させることなく、酸化反応に効率的に利用できる。併せて、p型半導体の高いエネルギー準位の伝導帯に励起した電子を、再結合で消滅させることなく、還元反応に効率的に利用できる。
そのため、本発明の光触媒は、酸化反応及び還元反応の活性が高く、その工業的な利用効果は極めて大きい。
In the photocatalyst of the present invention, the energy level of the valence band of the n-type semiconductor is lower than the energy level of the valence band of the p-type semiconductor. The energy level of the conduction band of the p-type semiconductor is higher than the energy level of the conduction band of the n-type semiconductor. Furthermore, the Fermi level of a metal is lower than the energy level of the conduction band of an n-type semiconductor.
The photocatalyst of the present invention can realize both the oxidation reaction and the reduction reaction with high activity using a single catalyst.
INDUSTRIAL APPLICABILITY The photocatalyst of the present invention can be efficiently used for an oxidation reaction without eliminating holes generated in a valence band of a low energy level of an n-type semiconductor by recombination. At the same time, electrons excited in the conduction band at a high energy level of the p-type semiconductor can be efficiently used for the reduction reaction without disappearing by recombination.
Therefore, the photocatalyst of the present invention has a high activity of the oxidation reaction and the reduction reaction, and its industrial use effect is extremely large.

本発明の光触媒の構成の例としては、n型半導体に、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、及び白金の群の中から選ばれる少なくとも一種類の金属と、p型半導体と、を逐次的に担持した構成が挙げられる。
例えば、n型半導体の担体の表面の一部に、前記金属を担持し、更にその金属の表面の一部または全部にp型半導体を担持した構成である。
この場合、n型半導体の担体の形状は、粒子状、小片状、膜状、フィルム状、板状等のいずれの形状であってもよい。
また、n型半導体に担持する金属の形状は、粒子状、小片状、針状、板状、膜状、フィルム状、板状等であってよい。
本発明では、n型半導体に前記金属を担持する場合、n型半導体の表面の一部に前記金属を担持する。
n型半導体の表面の一部に前記金属を担持した例としては、n型半導体の粒子に前記金属が島状に担持されている構成が挙げられる。或いは、基材をn型半導体で被覆し、そのn型半導体の表面の一部に、フォトリソグラフィ等の手法で、前記金属の膜が所望のパターンで形成されている構成であってもよい。
本発明の光触媒では、n型半導体の表面で前記金属が担持されていない部分において、光照射により電子が伝導帯に励起され、価電子帯に正孔が生成し、当該正孔が酸化反応に供される。
本発明では、n型半導体の表面で上記金属が担持されていない部分の面積(s)と、n型半導体の全表面積(S)との比率(s/S)が、0.5以上であることが好ましく、より好ましくは0.7以上であり、さらに好ましくは0.9以上である。
伝導帯に励起された電子は、n型半導体の表面の一部と接合した前記金属まで移動して、前記金属に流入し、p型半導体で生成して前記金属に流入してくる正孔と結合して消滅する。
本発明で、n型半導体の表面に担持された前記金属にp型半導体を担持する場合、前記金属の表面の一部又は全部に、p型半導体を担持する。
前記金属に担持するp型半導体は、粒子状、小片状、膜状、フィルム状、板状等であってよい。
n型半導体に前記金属を担持し、前記金属にp型半導体を担持する場合、前記金属とp型半導体がそれぞれ別々に分散してn型半導体に担持された構成を含んでいてもよい。
As an example of the configuration of the photocatalyst of the present invention, n-type semiconductor, ruthenium, rhodium, palladium, osmium, iridium, and at least one metal selected from the group of platinum, and p-type semiconductor, sequentially Supported on the substrate.
For example, the metal is supported on a part of the surface of the n-type semiconductor carrier, and the p-type semiconductor is supported on a part or all of the surface of the metal.
In this case, the shape of the n-type semiconductor carrier may be any shape such as a particle shape, a small piece shape, a film shape, a film shape, and a plate shape.
Further, the shape of the metal carried on the n-type semiconductor may be a particle shape, a small piece shape, a needle shape, a plate shape, a film shape, a film shape, a plate shape, or the like.
In the present invention, when the metal is carried on the n-type semiconductor, the metal is carried on a part of the surface of the n-type semiconductor.
As an example in which the metal is supported on a part of the surface of the n-type semiconductor, a configuration in which the metal is supported in an island shape on particles of the n-type semiconductor is given. Alternatively, the substrate may be covered with an n-type semiconductor, and the metal film may be formed in a desired pattern on a part of the surface of the n-type semiconductor by a method such as photolithography.
In the photocatalyst of the present invention, in a portion where the metal is not supported on the surface of the n-type semiconductor, electrons are excited into the conduction band by light irradiation, holes are generated in the valence band, and the holes are subjected to an oxidation reaction. Provided.
In the present invention, the ratio (s / S) of the area (s) of the portion where the metal is not supported on the surface of the n-type semiconductor to the total surface area (S) of the n-type semiconductor is 0.5 or more. It is more preferably 0.7 or more, and still more preferably 0.9 or more.
The electrons excited in the conduction band move to the metal bonded to a part of the surface of the n-type semiconductor, flow into the metal, and generate holes in the p-type semiconductor and flow into the metal. Combine and disappear.
In the present invention, when a p-type semiconductor is carried on the metal carried on the surface of the n-type semiconductor, a p-type semiconductor is carried on a part or all of the surface of the metal.
The p-type semiconductor supported on the metal may be in the form of particles, small pieces, films, films, plates, or the like.
When the n-type semiconductor carries the metal and the metal carries the p-type semiconductor, the metal and the p-type semiconductor may be separately dispersed and carried on the n-type semiconductor.

本発明の光触媒の好ましい構成は、n型半導体に前記金属の粒子が担持され、前記金属の粒子に、さらにp型半導体の粒子が担持された構成である。この場合に、n型半導体の表面であって金属の粒子が担持されていない部分にp型半導体の粒子が直接担持されている構成が含まれていても構わない。
本発明の光触媒では、n型半導体とp型半導体とが金属を介して接続されている構成を有していればよく、本発明の光触媒の一部に、n型半導体とp型半導体とが直接接合している部分が含まれていても構わない。
A preferred configuration of the photocatalyst of the present invention is a configuration in which the metal particles are supported on an n-type semiconductor, and the p-type semiconductor particles are further supported on the metal particles. In this case, a configuration in which the p-type semiconductor particles are directly supported on the surface of the n-type semiconductor where the metal particles are not supported may be included.
The photocatalyst of the present invention only needs to have a configuration in which the n-type semiconductor and the p-type semiconductor are connected via a metal, and a part of the photocatalyst of the present invention includes an n-type semiconductor and a p-type semiconductor. A portion directly joined may be included.

[n型半導体]
以下、本発明のn型半導体について説明する。
n型半導体に、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る。その際、価電子帯には正孔が生成する。
真空におけるn型半導体の価電子帯の上端のエネルギー準位が、水や有機物等の物質の反応に係る電子軌道のエネルギー準位より低い場合、当該物質とn型半導体が接触すると、物質の電子は、相対的に低いエネルギー準位にある価電子帯に落ち込んで、価電子帯に生成した正孔と結合する。即ち、価電子帯に生成した正孔は、水や有機物等の物質に対して酸化作用を呈する。
n型半導体の価電子帯の上端のエネルギー準位が充分低い場合、n型半導体に光を照射しつつ、水や有機物等の物質と接触させれば、当該物質は、n型半導体の正孔によって酸化される。
その結果、当該物質は、分解したり、他の物質と反応したりする。
[N-type semiconductor]
Hereinafter, the n-type semiconductor of the present invention will be described.
When the n-type semiconductor is irradiated with light having energy equal to or greater than the band gap, electrons in the valence band are excited to the conduction band. At that time, holes are generated in the valence band.
When the energy level at the upper end of the valence band of an n-type semiconductor in a vacuum is lower than the energy level of an electron orbit relating to the reaction of a substance such as water or an organic substance, when the substance and the n-type semiconductor come into contact, the electron of the substance becomes Depresses into a valence band at a relatively low energy level and combines with holes generated in the valence band. That is, the holes generated in the valence band have an oxidizing effect on substances such as water and organic substances.
When the energy level at the upper end of the valence band of the n-type semiconductor is sufficiently low, the n-type semiconductor is irradiated with light and is brought into contact with a substance such as water or an organic substance. Is oxidized by
As a result, the substance decomposes or reacts with another substance.

n型半導体の価電子帯に生成する正孔を酸化に用いる場合、n型半導体の価電子帯の上端のエネルギー準位は、できるだけ低い方が好ましい。
pH=0における標準水素電極電位を基準(0V)にした場合、水の電気分解における酸素生成に係る標準電極電位は1.23Vである。この酸素生成に係る標準電極電位に対応する真空におけるエネルギー準位は、約−5.7eVとされている。
これに対して、例えば、真空における酸化チタンの価電子帯の上端のエネルギー準位は約−7.5eVだとされており、−5.7eVより充分低い。そのため、酸化チタンは、光によって水を酸化して酸素を生成できると考えられる。
一般に、伝導帯の下端のエネルギー準位の絶対値は、半導体の電子親和力に等しいと考えられている。
さらに、価電子帯の上端のエネルギー準位の絶対値は、半導体の電子親和力と当該半導体のバンドギャップエネルギーとを合計した値に等しいと考えられる。
バンドギャップエネルギーは、例えば、光吸収スペクトルの吸収端波長を測定して求めることができる。
本発明では、バンドギャップとは、禁制帯のエネルギー幅をいう。また、バンドギャップエネルギーとは、禁制帯のエネルギー幅に相当するエネルギーの値をいう。
n型半導体の価電子帯に生成した正孔を用いて水を酸化して酸素を生成するためには、真空における価電子帯の上端のエネルギー準位が、前記−5.7eVより充分低い必要がある。
そのため、本発明のn型半導体の価電子帯の上端のエネルギー準位は−6.2eV以下であることが好ましく、−6.5eV以下であることがより好ましく、−7.0eV以下であることがさらに好ましい。
このように、n型半導体の価電子帯の上端のエネルギー準位が、酸素生成に係る標準電極電位に対応する真空におけるエネルギー準位より充分低い場合、光照射によってn型半導体の価電子帯に生成した正孔は、水や有機物等の物質を酸化することができる。従って、当該n型半導体は酸化触媒として利用できる。
When holes generated in the valence band of the n-type semiconductor are used for oxidation, the energy level at the upper end of the valence band of the n-type semiconductor is preferably as low as possible.
When the standard hydrogen electrode potential at pH = 0 is set as a reference (0 V), the standard electrode potential related to oxygen generation in water electrolysis is 1.23 V. The energy level in vacuum corresponding to the standard electrode potential for the oxygen generation is about -5.7 eV.
On the other hand, for example, the energy level at the upper end of the valence band of titanium oxide in vacuum is said to be about -7.5 eV, which is sufficiently lower than -5.7 eV. Therefore, it is considered that titanium oxide can oxidize water by light to generate oxygen.
In general, it is considered that the absolute value of the energy level at the lower end of the conduction band is equal to the electron affinity of the semiconductor.
Further, the absolute value of the energy level at the upper end of the valence band is considered to be equal to the sum of the electron affinity of the semiconductor and the band gap energy of the semiconductor.
The band gap energy can be determined, for example, by measuring the absorption edge wavelength of a light absorption spectrum.
In the present invention, the band gap refers to the energy width of the forbidden band. Further, the band gap energy refers to an energy value corresponding to the energy width of the forbidden band.
In order to oxidize water by using holes generated in the valence band of the n-type semiconductor to generate oxygen, the energy level at the upper end of the valence band in vacuum needs to be sufficiently lower than the above-5.7 eV. There is.
Therefore, the energy level at the upper end of the valence band of the n-type semiconductor of the present invention is preferably -6.2 eV or less, more preferably -6.5 eV or less, and -7.0 eV or less. Is more preferred.
As described above, when the energy level at the upper end of the valence band of the n-type semiconductor is sufficiently lower than the energy level in vacuum corresponding to the standard electrode potential related to oxygen generation, the valence band of the n-type semiconductor is changed by light irradiation. The generated holes can oxidize substances such as water and organic substances. Therefore, the n-type semiconductor can be used as an oxidation catalyst.

一方で、水や有機物等の物質の酸化触媒として利用されるn型半導体は、伝導帯の下端のエネルギー準位が、水や有機物等の物質を還元できるほど充分に高くない。そのため、酸化触媒として機能するn型半導体を、還元触媒として工業的に利用することは、困難である。
水の電気分解に係る標準水素電極の電極電位に対応するエネルギー準位は、約−4.5eVとされている。
一方で、真空における酸化チタンの伝導帯の下端のエネルギー準位は約−4.2eVであり、−4.5eVより僅かに高い程度である。
そのため、酸化チタンに光を照射しても、水を還元して水素を生成することは困難である。
n型半導体の伝導帯に励起した電子を用いて水を還元して水素を生成するためには、伝導帯の下端のエネルギー準位が、標準水素電極の電極電位に対応するエネルギー準位よりも充分に高い必要がある。具体的には、伝導帯の下端のエネルギー準位は、−4.0eV以上であることが好ましく、−3.5eV以上であることがより好ましい。
一方で、n型半導体を水や有機物等の物質の酸化に用いる場合、価電子帯の上端のエネルギー準位は、前記の通り、−5.7eVよりできるだけ低いことが好ましい。
そのため、n型半導体のみを用いて水の酸化と還元を同時に行おうとすると、バンドギャップを大きくせざるを得ない。
しかし、バンドギャップが大きくなればなるほど、電子の励起に必要なエネルギーも大きくなることから、光触媒に吸収可能なエネルギーは、高エネルギーに限られてしまうこととなる。
即ち、太陽光を光エネルギー源とした場合、活用できるエネルギー範囲が、高エネルギー域に限定されてしまい、太陽光のエネルギーを効率よく利用することができず、高活性を得ることができない。
換言すれば、太陽光を効率よく利用して水を酸化分解できるn型半導体は、伝導帯に励起した電子が水や有機物等の物質を還元できるほど充分高いエネルギーを持つことは困難であり、水や有機物等の物質を還元する触媒としては適さない。
しかし、n型半導体の伝導帯に励起した電子が、還元に利用されずに伝導帯に留まるとすれば、一定時間経過後に価電子帯の正孔と再結合するため、n型半導体の酸化作用を低下させる。
On the other hand, in an n-type semiconductor used as an oxidation catalyst for substances such as water and organic substances, the energy level at the lower end of the conduction band is not high enough to reduce substances such as water and organic substances. Therefore, it is difficult to industrially use an n-type semiconductor that functions as an oxidation catalyst as a reduction catalyst.
The energy level corresponding to the electrode potential of the standard hydrogen electrode for water electrolysis is about -4.5 eV.
On the other hand, the energy level at the lower end of the conduction band of titanium oxide in vacuum is about -4.2 eV, which is slightly higher than -4.5 eV.
Therefore, it is difficult to reduce water to generate hydrogen even when the titanium oxide is irradiated with light.
In order to generate hydrogen by reducing water using electrons excited in the conduction band of the n-type semiconductor, the energy level at the bottom of the conduction band is higher than the energy level corresponding to the electrode potential of the standard hydrogen electrode. It needs to be high enough. Specifically, the energy level at the lower end of the conduction band is preferably -4.0 eV or more, and more preferably -3.5 eV or more.
On the other hand, when the n-type semiconductor is used for oxidizing a substance such as water or an organic substance, it is preferable that the energy level at the upper end of the valence band is lower than −5.7 eV as described above.
Therefore, if the oxidation and reduction of water are performed simultaneously using only the n-type semiconductor, the band gap must be increased.
However, as the band gap increases, the energy required to excite electrons also increases, so that the energy that can be absorbed by the photocatalyst is limited to high energy.
That is, when sunlight is used as a light energy source, the energy range that can be used is limited to a high energy range, so that the energy of sunlight cannot be used efficiently and high activity cannot be obtained.
In other words, it is difficult for an n-type semiconductor that can oxidatively decompose water by efficiently using sunlight to have energy high enough that electrons excited in the conduction band can reduce substances such as water and organic substances, It is not suitable as a catalyst for reducing substances such as water and organic substances.
However, if electrons excited in the conduction band of the n-type semiconductor remain in the conduction band without being used for reduction, they recombine with holes in the valence band after a certain period of time. Lower.

n型半導体の価電子帯に生成した正孔を酸化反応に有効に利用するためには、伝導帯に励起した電子を取り除いて、正孔との再結合を回避する必要がある。
光照射によって伝導帯に励起した電子は、電界に沿って自由に移動できるので、n型半導体と対向電極とを金属導線で結線して閉回路を作り、n型半導体に光を照射しつつ、必要ならば電圧を印加し、再結合前に励起電子を連続的にn型半導体の外部に取り出すことができれば、励起した電子を物質の還元に利用したり、電気エネルギーとして利用したりすることができる。また、伝導帯に生成した正孔を、物質の酸化に有効に利用することができる。
従来技術においては、n型半導体の伝導帯に励起した電子を白金等の対向電極に導き、水の還元反応に利用すると共に、価電子帯に生成した正孔を水の酸化反応に利用する。
前記の太陽光と酸化チタンを用いて水を分解する公知技術は、光照射によって生成する電子と正孔を利用した典型的な例である。
In order to effectively utilize holes generated in the valence band of the n-type semiconductor for the oxidation reaction, it is necessary to remove electrons excited in the conduction band and avoid recombination with holes.
The electrons excited in the conduction band by light irradiation can move freely along the electric field, so the n-type semiconductor and the counter electrode are connected by a metal conductor to form a closed circuit, and while irradiating the n-type semiconductor with light, If necessary, a voltage can be applied and if the excited electrons can be continuously taken out of the n-type semiconductor before recombination, the excited electrons can be used for the reduction of substances or used as electric energy. it can. Further, holes generated in the conduction band can be effectively used for oxidizing a substance.
In the prior art, electrons excited in the conduction band of an n-type semiconductor are guided to a counter electrode such as platinum and used for a water reduction reaction, and holes generated in a valence band are used for a water oxidation reaction.
The known technique of decomposing water using sunlight and titanium oxide is a typical example using electrons and holes generated by light irradiation.

本発明の光触媒では、光照射によってn型半導体の伝導帯に励起した電子は、n型半導体中を移動してn型半導体と接合した金属に流入し、p型半導体で生成した正孔と結合して消滅する。
尚、n型半導体と金属との接合部分では、光が金属により遮られるため、価電子帯から伝導帯への電子の励起が生じにくい。
このため、本発明の光触媒では、n型半導体の全表面を金属との接合に使用するのは適当ではない。
光が直接照射されるn型半導体の表面を確保するためには、n型半導体の表面の一部のみを金属と接合させる構造にすることが望ましい。
本発明の光触媒では、n型半導体の表面であって且つ金属が担持されていない表面において、照射光によって電子が伝導帯に励起する。そして、当該電子は、n型半導体と接合した金属まで移動して、p型半導体で生成した正孔と再結合して、連続的に除去される。
その結果、本発明の光触媒では、n型半導体の価電子帯に生成した正孔を、有効に酸化反応に利用できる。
本発明の光触媒の構成によれば、n型半導体の金属と接合していない表面部分で光照射によって励起した電子を、n型半導体とp型半導体に接合した金属を介して、p型半導体で生成した正孔と結合させて除去することができる。
本発明の光触媒は、従来技術にはない新規なものであり、n型半導体で生成した正孔を酸化反応に有効且つ連続的に利用できる。さらに、p型半導体で励起した電子を還元反応に有効且つ連続的に利用できる。
そのため、本発明の光触媒は、従来技術に対して際立った優位性を有する。
In the photocatalyst of the present invention, electrons excited in the conduction band of the n-type semiconductor by light irradiation move in the n-type semiconductor, flow into a metal bonded to the n-type semiconductor, and bond with holes generated in the p-type semiconductor. And disappear.
At the junction between the n-type semiconductor and the metal, light is blocked by the metal, so that electrons are hardly excited from the valence band to the conduction band.
Therefore, in the photocatalyst of the present invention, it is not appropriate to use the entire surface of the n-type semiconductor for bonding to the metal.
In order to secure the surface of the n-type semiconductor to which light is directly irradiated, it is preferable to have a structure in which only a part of the surface of the n-type semiconductor is bonded to a metal.
In the photocatalyst of the present invention, electrons are excited to the conduction band by irradiation light on the surface of the n-type semiconductor and on the surface on which no metal is supported. Then, the electrons move to the metal bonded to the n-type semiconductor, recombine with holes generated in the p-type semiconductor, and are continuously removed.
As a result, in the photocatalyst of the present invention, holes generated in the valence band of the n-type semiconductor can be effectively used for the oxidation reaction.
According to the configuration of the photocatalyst of the present invention, electrons excited by light irradiation at the surface portion not bonded to the metal of the n-type semiconductor are converted into the p-type semiconductor via the metal bonded to the n-type semiconductor and the p-type semiconductor. It can be removed by combining with the generated holes.
The photocatalyst of the present invention is a novel one not found in the prior art, and can effectively and continuously utilize holes generated in an n-type semiconductor for an oxidation reaction. Further, electrons excited by the p-type semiconductor can be effectively and continuously used for the reduction reaction.
Therefore, the photocatalyst of the present invention has a remarkable advantage over the prior art.

本発明のn型半導体としては、例えば、酸化物、酸窒化物又は窒化物を用いることができる。
本発明のn型半導体の酸化物の例としては、例えば、チタン、バナジウム、亜鉛、ジルコニウム、ニオブ、カドミウム、インジウム、スズ、タンタル、タングステン等の酸化物或いは複合酸化物が挙げられる。
例えば、酸化チタン(TiO)、酸化バナジウム(V)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化ジルコニウム(ZrO)、酸化ニオブ(II)(NbO)、酸化ニオブ(V)(Nb)、酸化カドミニウム(CdO)、酸化インジウム(In)、酸化スズ(IV)(SnO)、酸化タンタル(Ta)、酸化タングステン(IV)(WO)、酸化タングステン(VI)(WO)、チタン酸鉄(FeTiO)、チタン酸ストロンチウム(SrTiO)、チタン酸バリウム(BaTiO)、チタン酸カルシウム(CaTiO)、タンタル酸カリウム(KTaO)、酸化インジウムスズ(ITO)等を挙げることができる。
本発明のn型半導体の酸窒化物の例としては、上記例示の酸化物が窒素を含んだ酸窒化物が挙げられる。酸化タンタル(Ta)が窒素を含んだ酸窒化タンタル(TaON)は、その一つの例である。
さらに、上記例示の酸化物の酸素が窒素で置換された、窒化物であってもよい。例えば、酸化タンタルの酸素が窒素に置換された窒化タンタル(Ta)であってもよい。
As the n-type semiconductor of the present invention, for example, an oxide, an oxynitride or a nitride can be used.
Examples of the oxide of the n-type semiconductor of the present invention include, for example, oxides or composite oxides such as titanium, vanadium, zinc, zirconium, niobium, cadmium, indium, tin, tantalum, and tungsten.
For example, titanium oxide (TiO 2 ), vanadium oxide (V 2 O 5 ), zinc oxide (ZnO), zirconium oxide (ZrO 2 ), niobium oxide (II) (NbO), niobium oxide (V) (Nb 2 O 5 ) ), Cadmium oxide (CdO), indium oxide (In 2 O 3 ), tin oxide (IV) (SnO 2 ), tantalum oxide (Ta 2 O 5 ), tungsten oxide (IV) (WO 2 ), tungsten oxide (VI) ) (WO 3 ), iron titanate (FeTiO 3 ), strontium titanate (SrTiO 3 ), barium titanate (BaTiO 3 ), calcium titanate (CaTiO 3 ), potassium tantalate (KTaO 3 ), indium tin oxide ( ITO) and the like.
Examples of the oxynitride of the n-type semiconductor of the present invention include oxynitrides in which the above-described oxides contain nitrogen. Tantalum oxynitride (TaON) in which tantalum oxide (Ta 2 O 5 ) contains nitrogen is one example.
Further, the oxide may be a nitride in which oxygen of the above-described oxide is replaced with nitrogen. For example, tantalum nitride (Ta 3 N 5 ) in which oxygen of tantalum oxide is replaced with nitrogen may be used.

本発明のn型酸化物半導体は、n型酸化物半導体を構成する金属元素と酸素元素の元素比が、必ずしも化学量論的である必要はなく、非化学量論的な組成であっても構わない。
例えば、n型半導体の例である酸化チタンの場合、化学式ではTiOと表現されるが、本発明では、チタン元素と酸素元素の組成比は必ずしも1:2ではなくともよく、僅かにずれている場合も含む。
本発明のn型半導体は、このような非化学量論的な組成であってもよい。
本発明のn型半導体は、不純物を含んでいても構わない。
n型半導体が、非化学量論的な組成である場合や、不純物を含む場合には、n型半導体の導電率が向上する。
本発明では、n型半導体の導電率を向上させ且つ制御するために、意図的に、n型半導体を所望の非化学量論的な組成とし、或いはn型半導体に微量の不純物を含ませる等の措置を講じてもよい。
本発明のn型半導体が酸化物、酸窒化物、窒化物等である場合、他の金属元素の酸化物、酸窒化物、窒化物等との固溶体であっても構わないし、複合酸化物、複合酸窒化物、複合窒化物等であっても構わない。
本発明のn型半導体としては、n型半導体の酸化物、即ちn型酸化物半導体が好ましい。
本発明のn型酸化物半導体としては、酸化チタンが好ましい。
In the n-type oxide semiconductor of the present invention, the element ratio of the metal element and the oxygen element constituting the n-type oxide semiconductor does not necessarily need to be stoichiometric, and may have a non-stoichiometric composition. I do not care.
For example, in the case of titanium oxide, which is an example of an n-type semiconductor, it is expressed as TiO 2 in the chemical formula, but in the present invention, the composition ratio of the titanium element and the oxygen element does not necessarily have to be 1: 2, and is slightly shifted. Includes cases where
The n-type semiconductor of the present invention may have such a non-stoichiometric composition.
The n-type semiconductor of the present invention may contain an impurity.
When the n-type semiconductor has a non-stoichiometric composition or contains impurities, the conductivity of the n-type semiconductor is improved.
In the present invention, in order to improve and control the conductivity of the n-type semiconductor, the n-type semiconductor is intentionally made to have a desired non-stoichiometric composition, or the n-type semiconductor contains a trace amount of impurities. Measures may be taken.
When the n-type semiconductor of the present invention is an oxide, an oxynitride, a nitride, or the like, it may be a solid solution with another metal element oxide, an oxynitride, a nitride, or the like, or a composite oxide, It may be a composite oxynitride, a composite nitride, or the like.
The n-type semiconductor of the present invention is preferably an oxide of an n-type semiconductor, that is, an n-type oxide semiconductor.
As the n-type oxide semiconductor of the present invention, titanium oxide is preferable.

本発明では、必要に応じて、n型酸化物半導体の導電率を制御してもよい。
n型酸化物半導体の導電率を制御する方法としては、例えば、n型酸化物半導体を構成する元素以外の元素の酸化物を、n型酸化物半導体に添加する方法を採用することができる。
n型酸化物半導体に添加する、n型酸化物半導体を構成する元素以外の元素としては、n型酸化物半導体中の陽イオンの原子価より多い原子価を有する陽イオンとなる元素が好ましい。特に、n型酸化物半導体中で、原子価が一つ多い陽イオンとなる元素が好ましい。
例えば、2価の亜鉛元素からなる酸化亜鉛に、3価のアルミニウムを添加すると酸化亜鉛の導電率が向上する。酸化亜鉛に酸化アルミニウムを、アルミニウムと亜鉛の元素比で約1%添加すれば、酸化亜鉛の導電率を100倍以上向上させることができる。
このように導電率が向上する理由は、原子価制御理論によると、酸化亜鉛中の亜鉛がアルミニウムで置換されたためと解される。酸化亜鉛の結晶構造中の陽イオンサイトは2価の亜鉛イオンで占められているが、この陽イオンサイトの亜鉛イオンの一つが3価のアルミニウムイオンで置換されると、結晶中の電荷の総和をゼロに保つため、陽イオンサイトの一つが空位となる。この時、陰イオンサイトの電子が一つ過剰になり、自由電子が一個生成する。この自由電子によって、n型酸化物半導体である酸化亜鉛の導電率が向上する。
酸化亜鉛の場合と同様に、例えば、酸化インジウムに酸化スズ、酸化スズに酸化ニオブ、酸化カドミニウムに酸化インジウム、チタン酸ストロンチウムに酸化ランタンを各々添加しても導電率の向上効果が得られる。
元素の添加によるn型酸化物半導体の導電率の向上効果を高めるためには、添加した元素が、n型酸化物半導体中に十分に拡散し、できるだけ多くの陽イオンサイトを置換する必要がある。一般に、酸化物では、陽イオンのイオン半径が陰イオンのイオン半径より小さいため、陽イオンが陰イオンよりも拡散し易いが、特に温度を上げた場合に、陽イオンの拡散は顕著である。
n型酸化物半導体に、n型酸化物半導体を構成する元素以外の元素を添加する場合、添加する元素は、酸化物であることが好ましい。
但し、添加する元素は、必ずしも当初から酸化物である必要はなく、添加後に加熱等の手段により酸化物となるものであればよい。
例えば、添加する元素の酸化物の代わりに、当該元素の酢酸塩、硝酸塩、硫酸塩、塩化物、水酸化物等の化合物を添加しても構わない。
これらの化合物は、加熱により、容易に酸化物になるからである。
In the present invention, the conductivity of the n-type oxide semiconductor may be controlled as necessary.
As a method for controlling the conductivity of the n-type oxide semiconductor, for example, a method in which an oxide of an element other than the element included in the n-type oxide semiconductor is added to the n-type oxide semiconductor can be employed.
As the element added to the n-type oxide semiconductor other than the element constituting the n-type oxide semiconductor, an element which becomes a cation having a valence higher than that of the cation in the n-type oxide semiconductor is preferable. In particular, an element which becomes a cation having one more valence in an n-type oxide semiconductor is preferable.
For example, when trivalent aluminum is added to zinc oxide composed of divalent zinc, the conductivity of zinc oxide is improved. When aluminum oxide is added to zinc oxide at an element ratio of about 1% of aluminum and zinc, the conductivity of zinc oxide can be improved by 100 times or more.
According to the valence control theory, the reason why the conductivity is improved is understood to be that zinc in zinc oxide is replaced by aluminum. The cation sites in the crystal structure of zinc oxide are occupied by divalent zinc ions, and when one of the zinc ions in the cation site is replaced by a trivalent aluminum ion, the total charge in the crystal is increased. One of the cation sites becomes vacant to keep the zero. At this time, one electron at the anion site becomes excessive, and one free electron is generated. These free electrons improve the conductivity of zinc oxide, which is an n-type oxide semiconductor.
Similarly to the case of zinc oxide, for example, tin oxide is added to indium oxide, niobium oxide is added to tin oxide, indium oxide is added to cadmium oxide, and lanthanum oxide is added to strontium titanate.
In order to increase the effect of improving the conductivity of the n-type oxide semiconductor by adding an element, the added element needs to sufficiently diffuse into the n-type oxide semiconductor and replace as many cation sites as possible. . In general, in an oxide, the cation has a smaller ionic radius than the anion, so that the cation is more easily diffused than the anion. However, the diffusion of the cation is remarkable particularly when the temperature is raised.
In the case where an element other than the element included in the n-type oxide semiconductor is added to the n-type oxide semiconductor, the element to be added is preferably an oxide.
However, the element to be added does not necessarily have to be an oxide from the beginning, and may be any element that becomes an oxide by heating or the like after the addition.
For example, instead of the oxide of the element to be added, a compound such as an acetate, a nitrate, a sulfate, a chloride, or a hydroxide of the element may be added.
This is because these compounds easily become oxides by heating.

[p型半導体]
以下、本発明のp型半導体について説明する。
p型半導体においても、n型半導体の場合と同様に、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電子体に励起し、価電子帯には正孔が生成する。
真空におけるp型半導体の伝導帯の下端のエネルギー準位が、水や有機物などの物質の反応に係る電子軌道のエネルギー準位より高い場合、伝導帯に励起した電子は、p型半導体に接触した物質の相対的に低いエネルギー準位にある空軌道に落ち込んで、物質に取り込まれる。即ち、伝導帯に励起した電子は、水や有機物等の物質に対して還元作用を呈する。
p型半導体の伝導帯の下端のエネルギー準位が充分高い場合、p型半導体に光を照射しつつ、水や有機物等の物質と接触させれば、当該物質は、p型半導体の励起電子によって還元される。
その結果、当該物質は、分解したり、他の物質と反応したりする。
前記の通り、標準水素電極の電極電位に対応するエネルギー準位は約−4.5eVとされている。
これに対して、例えば、真空における酸化コバルト(CoO)の伝導帯の下端のエネルギー準位は、約−2.8eVであり、−4.5eVより充分高い。そのため、酸化コバルトは、光によって水を還元して水素を生成することができる。
p型半導体の伝導帯に励起した電子を用いて水を還元して水素を生成するためには、真空における伝導帯の下端のエネルギー準位が、−4.5eVより充分高い必要がある。
本発明のp型半導体の伝導帯の下端のエネルギー準位は、−4.0eV以上であることが好ましく、−3.5eV以上であることがより好ましい。
このように、p型半導体の伝導帯の下端のエネルギー準位が、標準水素電極の電極電位に対応するエネルギー準位の−4.5eVより充分高い場合、光照射によってp型半導体の伝導子帯に励起した電子は、水や有機物等の物質を還元することができる。従って、当該p型半導体は、還元触媒として利用できる。
[P-type semiconductor]
Hereinafter, the p-type semiconductor of the present invention will be described.
In a p-type semiconductor, similarly to the case of an n-type semiconductor, when light having energy equal to or greater than the band gap is irradiated, electrons in a valence band are excited to a conduction electron, and holes are generated in the valence band. .
When the energy level at the lower end of the conduction band of the p-type semiconductor in vacuum is higher than the energy level of the electron orbit associated with the reaction of a substance such as water or an organic substance, the electrons excited in the conduction band contact the p-type semiconductor. The substance falls into an empty orbit at the relatively low energy level of the substance and is taken into the substance. That is, the electrons excited in the conduction band have a reducing effect on substances such as water and organic substances.
When the energy level at the lower end of the conduction band of the p-type semiconductor is sufficiently high, the substance is contacted with a substance such as water or an organic substance while irradiating the p-type semiconductor with light, and the substance is excited by excited electrons of the p-type semiconductor. Be reduced.
As a result, the substance decomposes or reacts with another substance.
As described above, the energy level corresponding to the electrode potential of the standard hydrogen electrode is about -4.5 eV.
On the other hand, for example, the energy level at the lower end of the conduction band of cobalt oxide (CoO) in vacuum is about -2.8 eV, which is sufficiently higher than -4.5 eV. Therefore, cobalt oxide can reduce water by light to generate hydrogen.
In order to generate hydrogen by reducing water using electrons excited in the conduction band of the p-type semiconductor, the energy level at the lower end of the conduction band in vacuum needs to be sufficiently higher than -4.5 eV.
The energy level at the lower end of the conduction band of the p-type semiconductor of the present invention is preferably at least -4.0 eV, more preferably at least -3.5 eV.
As described above, when the energy level at the lower end of the conduction band of the p-type semiconductor is sufficiently higher than the energy level corresponding to the electrode potential of the standard hydrogen electrode of -4.5 eV, the conduction band of the p-type semiconductor is irradiated with light. The excited electrons can reduce substances such as water and organic substances. Therefore, the p-type semiconductor can be used as a reduction catalyst.

前記の通り、水の電気分解に係る酸素電極の標準電極電位に対応する真空におけるエネルギー準位は約−5.7eVとされている。
これに対して、例えば、真空における酸化コバルトの価電子帯の上端のエネルギー準位は約−5.0eVであり、−5.7eVより高い。そのため、酸化コバルトに光を照射しても、水を酸化して酸素を生成することはできない。
光照射によってp型半導体の価電子帯に生成した正孔を用いて水を酸化して酸素を生成するためには、価電子帯の上端のエネルギー準位が−5.7eVより充分低い必要がある。具体的には、価電子帯の上端のエネルギー準位は、−6.2eV以下であることが好ましく、−6.5eV以下であることがより好ましく、−7.0eV以下であることがさらに好ましい。
本発明では、水や有機物等の物質の還元に用いるp型半導体としては、伝導帯の下端のエネルギー準位が−4.0eVより高いことが推奨される。そのため、光触媒として有用なバンドギャップを想定すると、価電子帯の上端のエネルギー準位を−6.2eV以下に低くすることは、実用的に好ましくない。−6.2eV以下に低くするということは、バンドギャップを2.2eV以上に大きくすることを意味し、価電子帯の電子を励起するためには高エネルギーが必要となり、結果的に、活用できる太陽光のエネルギー範囲が限定されてしまい、光触媒として効率が低いものとなり、工業的有用性を欠いてしまうからである。
光照射によって水を高効率で還元できるp型半導体は、価電子帯に生成した正孔のエネルギーが水や有機物等の物質を酸化できるほど充分低くなく、水や有機物等の物質を酸化することができないため、酸化触媒としては適さない。
しかし、p型半導体の価電子帯に生成した正孔が、酸化に利用されずに価電子帯に留まるとすれば、一定時間経過後に伝導帯の励起電子と再結合して消滅するため、p型半導体の酸化作用を低下させる。
p型半導体の伝導帯に励起した電子を還元反応に有効に利用するためには、価電子帯に生成した正孔を取り除いて、励起した電子との再結合を回避する必要がある。
本発明の光触媒においては、光照射によってp型半導体の価電子帯に生成した正孔は、p型半導体と接合した金属に流入し、n型半導体の伝導帯に励起した電子と結合して消滅する。
このように、p型半導体の価電子帯に生成した正孔を連続的に取り除くことによって、p型半導体の伝導子帯に励起した電子を、再結合で消滅させることなく、有効に酸化反応に利用することができる。
As described above, the energy level in vacuum corresponding to the standard electrode potential of the oxygen electrode related to the electrolysis of water is set to about -5.7 eV.
On the other hand, for example, the energy level at the upper end of the valence band of cobalt oxide in vacuum is about -5.0 eV, which is higher than -5.7 eV. Therefore, even if light is applied to the cobalt oxide, water cannot be oxidized to generate oxygen.
In order to generate oxygen by oxidizing water using holes generated in the valence band of the p-type semiconductor by light irradiation, the energy level at the upper end of the valence band needs to be sufficiently lower than -5.7 eV. is there. Specifically, the energy level at the upper end of the valence band is preferably -6.2 eV or less, more preferably -6.5 eV or less, and still more preferably -7.0 eV or less. .
In the present invention, it is recommended that the energy level at the lower end of the conduction band be higher than -4.0 eV as a p-type semiconductor used for reducing substances such as water and organic substances. Therefore, assuming a band gap useful as a photocatalyst, it is not practically preferable to lower the energy level at the upper end of the valence band to -6.2 eV or less. Lowering to -6.2 eV or lower means increasing the band gap to 2.2 eV or higher, and requires high energy to excite valence band electrons, and consequently can be utilized. This is because the energy range of sunlight is limited, the efficiency becomes low as a photocatalyst, and industrial utility is lost.
The p-type semiconductor, which can reduce water with high efficiency by light irradiation, has the energy of holes generated in the valence band is not low enough to oxidize substances such as water and organic substances, and oxidizes substances such as water and organic substances. Therefore, it is not suitable as an oxidation catalyst.
However, if the holes generated in the valence band of the p-type semiconductor remain in the valence band without being used for oxidation, they recombine with the excited electrons in the conduction band after a certain period of time and disappear. It reduces the oxidizing action of the type semiconductor.
In order to effectively use the electrons excited in the conduction band of the p-type semiconductor for the reduction reaction, it is necessary to remove the holes generated in the valence band to avoid recombination with the excited electrons.
In the photocatalyst of the present invention, holes generated in the valence band of the p-type semiconductor by light irradiation flow into the metal bonded to the p-type semiconductor, and are combined with electrons excited in the conduction band of the n-type semiconductor and disappear. I do.
As described above, by continuously removing holes generated in the valence band of the p-type semiconductor, electrons excited in the conduction band of the p-type semiconductor can be effectively subjected to an oxidation reaction without disappearing by recombination. Can be used.

本発明のp型半導体としては、例えば、ビスマス、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、イットリウム、ランタン等の酸化物或いは複合酸化物が挙げられる。
例えば、酸化ビスマス(Bi)、酸化クロム(II)(CrO)、酸化クロム(III)(Cr)、酸化マンガン(II)(MnO)、酸化マンガン(II、III)(Mn)、酸化マンガン(III)(Mn)、酸化マンガン(IV)(MnO)、酸化鉄(II)(FeO)、酸化鉄(II、III)(Fe)、酸化コバルト(II)(CoO)、酸化コバルト(II、III)(Co)、酸化コバルト(III)(Co)、酸化ニッケル(II)(NiO)、酸化銅(I)(CuO)、酸化銅(II)(CuO)、酸化イットリウム(Y)、マンガン酸ランタン(LaMnO)、クロム酸ランタン(LaCrO)等を挙げることができる。
Examples of the p-type semiconductor of the present invention include oxides or composite oxides such as bismuth, chromium, manganese, iron, cobalt, nickel, yttrium, and lanthanum.
For example, bismuth oxide (Bi 2 O 3 ), chromium (II) oxide (CrO), chromium (III) oxide (Cr 2 O 3 ), manganese oxide (II) (MnO), manganese oxide (II, III) (Mn) 3 O 4 ), manganese (III) oxide (Mn 2 O 3 ), manganese (IV) (MnO 2 ), iron oxide (II) (FeO), iron oxide (II, III) (Fe 3 O 4 ), Cobalt oxide (II) (CoO), cobalt oxide (II, III) (Co 3 O 4 ), cobalt oxide (III) (Co 2 O 3 ), nickel oxide (II) (NiO), copper oxide (I) ( Cu 2 O), copper (II) oxide (CuO), yttrium oxide (Y 2 O 3 ), lanthanum manganate (LaMnO 3 ), lanthanum chromate (LaCrO 3 ), and the like.

本発明のp型酸化物半導体は、p型酸化物半導体を構成する金属と酸素の元素比が、必ずしも化学量論的である必要はなく、非化学量論的な組成であっても構わない。
例えば、酸化ニッケルの場合、化学式ではCoOと表現されていても、実際はコバルト元素と酸素元素の組成比は必ずしも1:1ではなく、僅かにずれている場合がある。
本発明のp型半導体は、このような非化学量論的な組成であってもよい。
また、本発明のp型半導体は、不純物を含んでいても構わない。
p型半導体が、非化学量論的な組成である場合や、不純物を含む場合には、p型半導体の導電率が向上する。
本発明では、p型半導体の導電率を向上させ且つ制御するために、意図的に、p型半導体を所望の非化学量論的な組成とし、或いはp型半導体に微量の不純物を含ませる等の措置を講じてもよい。
In the p-type oxide semiconductor of the present invention, the element ratio of the metal and oxygen constituting the p-type oxide semiconductor does not necessarily need to be stoichiometric, and may have a non-stoichiometric composition. .
For example, in the case of nickel oxide, even though it is expressed as CoO in the chemical formula, the composition ratio of the cobalt element and the oxygen element is not always 1: 1, but may be slightly shifted.
The p-type semiconductor of the present invention may have such a non-stoichiometric composition.
Further, the p-type semiconductor of the present invention may contain impurities.
When the p-type semiconductor has a non-stoichiometric composition or contains impurities, the conductivity of the p-type semiconductor is improved.
In the present invention, in order to improve and control the conductivity of the p-type semiconductor, the p-type semiconductor is intentionally made to have a desired non-stoichiometric composition, or the p-type semiconductor contains a trace amount of impurities. Measures may be taken.

本発明のp型半導体の他の例としては、p型のIIIV族化合物半導体が挙げられる。p型のIIIV族化合物半導体の例としては、IIIV族化合物に、ベリリウム、マグネシウム、亜鉛、カドミウム、鉄、ケイ素、硫黄、亜鉛等の元素又はその酸化物をアクセプタとしてドープしたIIIV族化合物半導体が挙げられる。
ここで、IIIV族化合物とは、アルミニウム、ガリウム、インジウム等のIII族元素と、窒素、リン、ヒ素、アンチモン等のV族元素との化合物をいう。具体的には、ガリウムリン(GaP)、ガリウムヒ素(GaAs)、インジウムリン(InP)、インジウムガリウムリン(InGaP)、インジウムガリウムヒ素(InGaAs)等が例示される。
例えば、酸化亜鉛を添加したガリウムナイトライド(GaN)を、p型半導体として使用することができる。
Another example of the p-type semiconductor of the present invention is a p-type IIIV compound semiconductor. Examples of the p-type group IIIV compound semiconductor include a group IIIV compound semiconductor doped with an element such as beryllium, magnesium, zinc, cadmium, iron, silicon, sulfur, zinc or an oxide thereof as an acceptor. Can be
Here, the group IIIV compound refers to a compound of a group III element such as aluminum, gallium, and indium and a group V element such as nitrogen, phosphorus, arsenic, and antimony. Specifically, gallium phosphide (GaP), gallium arsenide (GaAs), indium phosphide (InP), indium gallium phosphide (InGaP), indium gallium arsenide (InGaAs) and the like are exemplified.
For example, gallium nitride (GaN) to which zinc oxide is added can be used as a p-type semiconductor.

本発明のp型半導体としては、p型半導体の酸化物、即ちp型酸化物半導体がより好ましい。
本発明のp型酸化物半導体は、p型酸化物半導体を構成する元素以外の元素からなる酸化物との固溶体であっても構わないし、p型酸化物半導体を構成する元素以外の元素からなる酸化物との複合酸化物であっても構わない。
本発明のp型酸化物半導体としては、酸化コバルト(II)(CoO)又は酸化ニッケル(II)(NiO)が好ましく、特に酸化コバルト(II)(CoO)が好ましい。
本発明で、p型半導体としてp型酸化物半導体を用いる場合は、必要に応じて、p型酸化物半導体の導電率を制御してもよい。
p型酸化物半導体の導電率を制御する方法としては、例えば、p型酸化物半導体を構成する元素以外の元素の酸化物を、p型酸化物半導体に添加する方法を採用することができる。
p型酸化物半導体に添加する、p型酸化物半導体を構成する元素以外の元素としては、p型酸化物半導体中の陽イオンの原子価より少ない原子価を有する陽イオンとなる元素が好ましい。特に、p型酸化物半導体中で、原子価が一つ少ない陽イオンとなる元素が好ましい。
例えば、酸化ニッケルにおけるニッケルイオンの原子価が2の場合、そのような酸化ニッケルに固溶させる酸化物としては、原子価が1価であるリチウム酸化物が好適である。実際、酸化ニッケルに酸化リチウムを固溶させると、導電率が向上する効果が得られる。
原子価制御理論によれば、これは、酸化ニッケル中のニッケルイオンが、リチウムイオンで置換される際に、リチウムイオンが1価であるため、当該酸化ニッケルの電荷の総和がゼロとなるように、一部のニッケルイオンの価数が2価から3価に増えて、正孔が生成するためだと説明される。
p型酸化物半導体に、p型酸化物半導体を構成する元素以外の元素を添加して導電率を向上させる例としては、上記酸化ニッケルに酸化リチウムを添加する例の他、酸化マンガンに酸化リチウムを添加する例、酸化コバルトに酸化リチウムを添加する例、酸化クロムに酸化マグネシウムを添加する例等が挙げられる。
p型酸化物半導体に、p型酸化物半導体を構成する元素以外の元素を添加する場合、添加する元素は、酸化物であることが好ましい。
但し、添加する元素は、必ずしも当初から酸化物である必要はなく、添加後に加熱等の手段により酸化物となるものであればよい。
例えば、添加する元素の酸化物の代わりに、当該元素の酢酸塩、硝酸塩、硫酸塩、塩化物、水酸化物等の化合物を添加しても構わない。
これらの化合物は、加熱により、容易に酸化物になるからである。
As the p-type semiconductor of the present invention, an oxide of a p-type semiconductor, that is, a p-type oxide semiconductor is more preferable.
The p-type oxide semiconductor of the present invention may be a solid solution with an oxide composed of an element other than the element constituting the p-type oxide semiconductor, or may be composed of an element other than the element constituting the p-type oxide semiconductor. It may be a composite oxide with an oxide.
As the p-type oxide semiconductor of the present invention, cobalt (II) oxide (CoO) or nickel oxide (II) (NiO) is preferable, and cobalt (II) oxide (CoO) is particularly preferable.
In the present invention, when a p-type oxide semiconductor is used as the p-type semiconductor, the conductivity of the p-type oxide semiconductor may be controlled as necessary.
As a method for controlling the conductivity of the p-type oxide semiconductor, for example, a method in which an oxide of an element other than the element included in the p-type oxide semiconductor is added to the p-type oxide semiconductor can be employed.
As the element added to the p-type oxide semiconductor other than the element constituting the p-type oxide semiconductor, an element which becomes a cation having a valence lower than that of a cation in the p-type oxide semiconductor is preferable. In particular, an element which becomes a cation having one less valence in a p-type oxide semiconductor is preferable.
For example, when the valence of a nickel ion in nickel oxide is 2, a lithium oxide having a monovalent valence is preferable as the oxide to be dissolved in the nickel oxide. In fact, when lithium oxide is solid-dissolved in nickel oxide, the effect of improving electrical conductivity is obtained.
According to the valence control theory, this is such that when the nickel ions in the nickel oxide are replaced by lithium ions, the lithium ions are monovalent, so that the total charge of the nickel oxide becomes zero. This is because the valence of some nickel ions increases from divalent to trivalent, and holes are generated.
Examples of the addition of an element other than the elements constituting the p-type oxide semiconductor to the p-type oxide semiconductor to improve the conductivity include an example in which lithium oxide is added to the above nickel oxide, and a case in which lithium oxide is added to manganese oxide. , An example of adding lithium oxide to cobalt oxide, an example of adding magnesium oxide to chromium oxide, and the like.
In the case where an element other than the element included in the p-type oxide semiconductor is added to the p-type oxide semiconductor, the element to be added is preferably an oxide.
However, the element to be added does not necessarily have to be an oxide from the beginning, and may be any element that becomes an oxide by heating or the like after the addition.
For example, instead of the oxide of the element to be added, a compound such as an acetate, a nitrate, a sulfate, a chloride, or a hydroxide of the element may be added.
This is because these compounds easily become oxides by heating.

[n型半導体とp型半導体との間に介在させる金属]
本発明の光触媒は、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、及び白金の群の中から選ばれる少なくとも一種類の金属、を含む。
本発明の光触媒は、n型半導体とp型半導体とが、上記金属(以下、「中間金属」という)を介して接続されている構成を有する。
本発明において、n型半導体とp型半導体との間に中間金属を介在させる目的は、光照射によってn型半導体の伝導帯に励起した電子と、光照射によってp型半導体の価電子帯に生成した正孔と、を結合させて、消滅させることにある。
このように、光触媒の構成を、n型半導体とp型半導体との間に中間金属を介在させる構成とすることで、n型半導体の伝導帯に励起した電子が、n型半導体の価電子帯に生成した正孔と再結合して正孔を消費してしまうことを回避し、n型半導体の価電子帯に生成した正孔を有効に酸化反応に供することができる。さらに、p型半導体の価電子帯に生成した正孔が、p型半導体の伝導帯に励起した電子と再結合して励起電子を消費してしまうことを回避し、p型半導体の伝導帯に励起した電子を有効に還元反応に供することができる。
p型半導体の価電子帯に生成した正孔と、n型半導体の伝導帯に励起した電子と、を結合させて消滅させることにより、光を照射している間、連続的に、n型半導体で酸化を行い、p型半導体で還元を行うことが可能になる。
従って、中間金属として、n型半導体の励起電子が流入し易く、且つp型半導体で生成した正孔が流入し易いような金属を選択する必要がある。
そのためには、n型半導体とp型半導体との関係で、適切な仕事関数を有する金属を、中間金属として選択する必要がある。
しかし、そのような金属を、予測して選択することは困難である。
[Metal interposed between n-type semiconductor and p-type semiconductor]
The photocatalyst of the present invention contains at least one metal selected from the group consisting of ruthenium, rhodium, palladium, osmium, iridium, and platinum.
The photocatalyst of the present invention has a configuration in which an n-type semiconductor and a p-type semiconductor are connected via the above-mentioned metal (hereinafter, referred to as “intermediate metal”).
In the present invention, the purpose of interposing an intermediate metal between the n-type semiconductor and the p-type semiconductor is to generate electrons excited in the conduction band of the n-type semiconductor by light irradiation, and to generate electrons in the valence band of the p-type semiconductor by light irradiation. And annihilated holes to make them disappear.
As described above, by making the configuration of the photocatalyst a configuration in which an intermediate metal is interposed between the n-type semiconductor and the p-type semiconductor, the electrons excited in the conduction band of the n-type semiconductor are converted to the valence band of the n-type semiconductor. It is possible to avoid recombination with the holes generated in the n-type semiconductor to consume the holes, and to effectively provide the holes generated in the valence band of the n-type semiconductor to the oxidation reaction. Furthermore, it is possible to prevent the holes generated in the valence band of the p-type semiconductor from recombining with the electrons excited in the conduction band of the p-type semiconductor and consuming the excited electrons. The excited electrons can be effectively used for the reduction reaction.
By combining and eliminating holes generated in the valence band of the p-type semiconductor and electrons excited in the conduction band of the n-type semiconductor, the n-type semiconductor is continuously irradiated during light irradiation. Oxidization and reduction with a p-type semiconductor.
Therefore, it is necessary to select, as the intermediate metal, a metal in which excited electrons of the n-type semiconductor can easily flow and holes generated in the p-type semiconductor can easily flow.
For that purpose, it is necessary to select a metal having an appropriate work function as an intermediate metal in relation to the n-type semiconductor and the p-type semiconductor.
However, it is difficult to predict and select such metals.

本発明者は、かかる状況の下、鋭意研究した結果、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、及び白金の群の中から選ばれる少なくとも一種類の金属(以下、「白金族金属等」という)を中間金属として用いれば、驚くべきことに、高活性の光触媒を実現できることを見出し、ついに本発明を成すに至った。
本発明の効果を充分に得るためには、本発明の白金族金属等は、粒子状であることが好ましい。
本発明の白金族金属等の粒子の平均粒径の範囲は、0.1nm以上1μm以下が好ましく、0.1nm以上100nm以下がより好ましく、1nm以上30nm以下、さらには1nm以上10nm以下が好ましい。
上記平均粒径の範囲では、工業的な利用が可能なより高活性の光触媒を得ることができる。
本発明の白金族金属等は、少量の不純物を含んでいても構わない。
さらには、白金族金属等以外の金属と合金を形成していても構わない。但し、合金の場合、本発明の白金族金属等が主たる成分でなければならない。具体的には、白金族金属等の含有量が50重量%以上でなければならない。
本発明の光触媒は、n型半導体とp型半導体とが、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、及び白金の群の中から選ばれる少なくとも一種類の金属を介して接続されていることにより、従来技術では得られなかった高い光触媒活性を達成することができる。
Under such circumstances, the present inventors have conducted intensive studies and have found that at least one metal selected from the group consisting of ruthenium, rhodium, palladium, osmium, iridium, and platinum (hereinafter, referred to as “platinum group metal or the like”) It has been surprisingly found that the use of as an intermediate metal makes it possible to realize a photocatalyst having high activity, and has finally accomplished the present invention.
In order to sufficiently obtain the effects of the present invention, the platinum group metal or the like of the present invention is preferably in the form of particles.
The average particle size of the particles of the platinum group metal or the like of the present invention is preferably from 0.1 nm to 1 μm, more preferably from 0.1 nm to 100 nm, more preferably from 1 nm to 30 nm, and further preferably from 1 nm to 10 nm.
Within the range of the average particle size, a photocatalyst having higher activity that can be used industrially can be obtained.
The platinum group metal and the like of the present invention may contain a small amount of impurities.
Further, an alloy may be formed with a metal other than the platinum group metal or the like. However, in the case of an alloy, the platinum group metal or the like of the present invention must be a main component. Specifically, the content of the platinum group metal or the like must be 50% by weight or more.
The photocatalyst of the present invention is such that the n-type semiconductor and the p-type semiconductor are connected via at least one metal selected from the group consisting of ruthenium, rhodium, palladium, osmium, iridium, and platinum. High photocatalytic activity, which cannot be obtained by the prior art, can be achieved.

以下、本発明の光触媒の製造方法を通して、本発明を説明する。
以下に説明する光触媒の製造方法は、本発明の一実施態様を示すものであり、特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、以下の光触媒の製造方法の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
以下の製造方法で製造される光触媒は、n型酸化物半導体を担体とし、この担体上に、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、及び白金の群の中から選ばれる少なくとも一種類の金属と、p型酸化物半導体と、が担持された構成を有する。しかしながら、n型酸化物半導体以外のn型半導体又はp型酸化物半導体以外のp型半導体を用いた場合でも、雰囲気等を適宜設定することにより公知の方法により、本発明の光触媒が製造できることは明らかである。
Hereinafter, the present invention will be described through the method for producing a photocatalyst of the present invention.
The method for producing a photocatalyst described below shows one embodiment of the present invention, and does not limit the invention according to the claims. In addition, not all combinations of features described in the following photocatalyst manufacturing methods are necessarily essential for solving the invention.
The photocatalyst produced by the following production method uses an n-type oxide semiconductor as a carrier, and on this carrier, ruthenium, rhodium, palladium, osmium, iridium, and at least one metal selected from the group of platinum and , And a p-type oxide semiconductor. However, even when an n-type semiconductor other than the n-type oxide semiconductor or a p-type semiconductor other than the p-type oxide semiconductor is used, the photocatalyst of the present invention can be produced by a known method by appropriately setting the atmosphere and the like. it is obvious.

以下の光触媒の製造方法は、第1の工程、第2の工程、及び第3の工程からなる。
第1の工程として、n型酸化物半導体を含む水スラリーを製造する。
n型酸化物半導体を含む水スラリーを製造する方法としては、例えば、n型酸化物半導体の粒子を水に分散する方法が挙げられる。
また、本発明では、n型酸化物半導体の粒子の代わりに、化学的処理、熱的処理等によってn型酸化物半導体となる、n型酸化物半導体の前駆体を用いてもよい。
n型酸化物半導体の前駆体としては、例えば、n型酸化物半導体を構成する金属のアルコキシド、水酸化物、塩化物、硫酸塩、硝酸塩、酢酸塩等が挙げられる。
例えば、酸化チタンの前駆体としては、チタンアルコキシド、塩化チタン、硝酸チタン、硫酸チタン、酢酸チタン等が例示できる。
そのようなn型酸化物半導体の前駆体を水の存在下で加水分解又は中和すると、ゾル状態のn型酸化物半導体の前駆体になる。
例えば、チタンアルコキシドを水の存在下で加水分解すると、チタンの水酸化物が生成し、ゾル状態の酸化チタンの前駆体になる。
中和によってゾル状態のn型酸化物半導体の前駆体を製造する場合、水に、n型酸化物半導体の前駆体と、アンモニア等のアルカリ性の中和剤とを、pHを制御しつつ同時に添加する方法を選択してもよい。この場合、pHは5〜9の範囲で制御することが好ましく、より好ましくは6〜8の範囲とする。
例えば、5Lのビーカーに3Lの水を入れて、撹拌しつつ、四塩化チタンとアンモニアを、pHを7に制御しながら徐々に滴下すると、ゾル状物が得られる。得られたゾル状物を、ろ過し、水に分散して撹拌洗浄し、さらにろ過、水洗浄を繰り返して塩化アンモニウムを取り除いた後、水と混合して、ゾル状態の酸化チタンの前駆体を得る。
本発明では、ゾル状態のn型酸化物半導体の前駆体を、そのまま、n型酸化物半導体を含む水スラリー、として用いてもよい。
例えば、ゾル状態の酸化チタンの前駆体を、酸化チタンを含む水スラリー、として使用しても構わない。
The following method for producing a photocatalyst includes a first step, a second step, and a third step.
As a first step, a water slurry containing an n-type oxide semiconductor is manufactured.
As a method for producing a water slurry containing an n-type oxide semiconductor, for example, a method of dispersing particles of the n-type oxide semiconductor in water can be mentioned.
Further, in the present invention, instead of the particles of the n-type oxide semiconductor, a precursor of the n-type oxide semiconductor which becomes an n-type oxide semiconductor by chemical treatment, thermal treatment, or the like may be used.
Examples of the precursor of the n-type oxide semiconductor include alkoxides, hydroxides, chlorides, sulfates, nitrates, acetates, and the like of metals constituting the n-type oxide semiconductor.
For example, examples of the precursor of titanium oxide include titanium alkoxide, titanium chloride, titanium nitrate, titanium sulfate, and titanium acetate.
When such a precursor of an n-type oxide semiconductor is hydrolyzed or neutralized in the presence of water, it becomes a precursor of an n-type oxide semiconductor in a sol state.
For example, when a titanium alkoxide is hydrolyzed in the presence of water, a hydroxide of titanium is generated, which becomes a precursor of titanium oxide in a sol state.
When producing a precursor of an n-type oxide semiconductor in a sol state by neutralization, a precursor of the n-type oxide semiconductor and an alkaline neutralizing agent such as ammonia are simultaneously added to water while controlling the pH. May be selected. In this case, the pH is preferably controlled in the range of 5 to 9, more preferably in the range of 6 to 8.
For example, 3 L of water is placed in a 5 L beaker, and titanium tetrachloride and ammonia are gradually dropped while controlling the pH to 7 while stirring, to obtain a sol. The obtained sol is filtered, dispersed in water, washed with stirring, further filtered, washed repeatedly with water to remove ammonium chloride, and then mixed with water to form a sol-state titanium oxide precursor. obtain.
In the present invention, the precursor of the n-type oxide semiconductor in the sol state may be used as it is as a water slurry containing the n-type oxide semiconductor.
For example, a precursor of titanium oxide in a sol state may be used as a water slurry containing titanium oxide.

本発明のn型酸化物半導体を含む水スラリーを得る他の方法としては、ゾル状態のn型酸化物半導体の前駆体を20℃〜100℃の温度範囲で1〜48時間乾燥してゲルを得て、これを空気中で200℃〜800℃の温度範囲で1〜48時間焼成して酸化物にした後、必要に応じて粉砕して、平均粒径が0.01μm〜100μmの粒子を得た後、この粒子を水に分散する方法を採用することができる。
本発明で、粉砕は、ボールミル、ジェットミル、ハンマーミル等の公知の方法を使用することができる。
As another method for obtaining a water slurry containing the n-type oxide semiconductor of the present invention, a gel of a sol-state n-type oxide semiconductor precursor is dried by drying at a temperature of 20 ° C to 100 ° C for 1 to 48 hours. Obtained and baked in air in a temperature range of 200 ° C. to 800 ° C. for 1 to 48 hours to form an oxide, and then pulverized as necessary to obtain particles having an average particle size of 0.01 μm to 100 μm. After obtaining, a method of dispersing the particles in water can be adopted.
In the present invention, a known method such as a ball mill, a jet mill, and a hammer mill can be used for pulverization.

また、n型酸化物半導体を含む水スラリーを得るさらに他の方法としては、ゾル状態のn型酸化物半導体の前駆体と水とを混合して5〜1000cPの範囲で粘度調整して公知の方法で噴霧乾燥し、空気中で200℃〜800℃の範囲で1〜48時間焼成して、必要に応じて粉砕し、平均粒径が0.01μm〜5mmの粒子を得た後、これを水に分散する方法を採用することができる。
ここで噴霧乾燥は、回転円盤方式、二流体ノズル方式、加圧ノズル方式等の公知の噴霧装置を使用することができる。また、形状、組成又はサイズ等が均一な液滴を得るために、ゾル状態のn型酸化物半導体の前駆体と水とを混合した混合液に、酸又はアルカリを加える等の方法を用いて、pHを調整しても構わない。
上記方法で調整した水スラリーに含まれるn型酸化物半導体は、担体として使用することができる。
Further, as still another method for obtaining a water slurry containing an n-type oxide semiconductor, a known method is known in which a sol-state precursor of an n-type oxide semiconductor and water are mixed and the viscosity is adjusted in the range of 5 to 1000 cP. Spray drying by the method, firing in air in the range of 200 ° C. to 800 ° C. for 1 to 48 hours, pulverizing as necessary to obtain particles having an average particle size of 0.01 μm to 5 mm, A method of dispersing in water can be adopted.
Here, for the spray drying, a known spraying device such as a rotating disk system, a two-fluid nozzle system, and a pressurized nozzle system can be used. In addition, in order to obtain droplets having a uniform shape, composition, size, or the like, a mixed solution of a sol-state precursor of an n-type oxide semiconductor and water is added by using a method such as adding an acid or an alkali. The pH may be adjusted.
The n-type oxide semiconductor contained in the water slurry prepared by the above method can be used as a carrier.

本発明では、n型酸化物半導体の化学的安定性や機械的安定性を向上させるために、n型酸化物半導体に、n型酸化物半導体を構成する元素以外の元素(以下、「安定化元素」という)を添加しても構わない。
そのような安定化元素としては、アルミニウム、ケイ素等が挙げられる。
そのような安定化元素を添加する方法としては、例えば、前記第1の工程でn型酸化物半導体を含む水スラリーを製造する際に、安定化元素の有機酸塩、無機酸塩、水酸化物、酸化物等から選ばれる化合物を添加することで、安定化元素を添加したn型酸化物半導体を得ることができる。
例えば、酸化チタンに、安定化元素としてアルミニウムを添加する場合は、ゾル状態の酸化チタンの前駆体とアルミニウム化合物を混合して、20℃〜100℃、1〜48時間の水熱反応を行い、乾燥してゲルを得た後、空気中で200℃〜800℃の範囲で1〜48時間焼成すればよい。あるいは、チタンゾルとアルミニウム化合物を混合した後、アルカリ性水溶液を加えてチタンとアルミニウムを共沈させ、乾燥後、上記条件で焼成してもよい。乾燥は、一般的な電気炉型乾燥機の他、真空乾燥機、熱風循環型乾燥機、雰囲気制御型乾燥機、 噴霧乾燥機等を用いてすることができる。
安定化元素として添加するアルミニウムの化合物としては、酸化アルミニウム、水酸化アルミニウム等の非水溶性の化合物を用いることができる。また、アルミン酸ソーダ、塩化アルミニウム六水和物、過塩素酸アルミニウム六水和物、硫酸アルミニウム十六水和物、硝酸アルミニウム九水和物等の無機酸塩や、酢酸アルミニウム、ギ酸アルミニウム等の有機酸塩等の水溶性の化合物を用いることができる。
n型酸化物半導体に安定化元素を添加する場合、安定化元素とn型酸化物半導体の組成比は、安定化元素の量が、n型酸化物半導体を構成する金属元素と安定化元素の合計量に対して、0.001モル%〜10モル%の範囲であることが好ましく、0.01モル%〜1モル%の範囲であることがより好ましい。
In the present invention, in order to improve the chemical stability and mechanical stability of an n-type oxide semiconductor, an element other than an element constituting the n-type oxide semiconductor (hereinafter referred to as “stabilization”) is added to the n-type oxide semiconductor. Element ”) may be added.
Examples of such a stabilizing element include aluminum and silicon.
As a method for adding such a stabilizing element, for example, when producing a water slurry containing an n-type oxide semiconductor in the first step, an organic acid salt, an inorganic acid salt, or a hydroxide of the stabilizing element may be used. An n-type oxide semiconductor to which a stabilizing element is added can be obtained by adding a compound selected from a substance, an oxide, and the like.
For example, when adding aluminum as a stabilizing element to titanium oxide, a precursor of titanium oxide in a sol state and an aluminum compound are mixed, and a hydrothermal reaction is performed at 20 ° C to 100 ° C for 1 to 48 hours, After drying to obtain a gel, the gel may be fired in the air at a temperature of 200 ° C to 800 ° C for 1 to 48 hours. Alternatively, after mixing the titanium sol and the aluminum compound, an alkaline aqueous solution may be added to co-precipitate titanium and aluminum, dried, and then fired under the above conditions. Drying can be performed using a vacuum dryer, a hot-air circulation dryer, an atmosphere control dryer, a spray dryer, or the like, in addition to a general electric furnace dryer.
As a compound of aluminum to be added as a stabilizing element, a water-insoluble compound such as aluminum oxide and aluminum hydroxide can be used. In addition, inorganic acid salts such as sodium aluminate, aluminum chloride hexahydrate, aluminum perchlorate hexahydrate, aluminum sulfate hexadecahydrate, aluminum nitrate nonahydrate, aluminum acetate, aluminum formate, etc. A water-soluble compound such as an organic acid salt can be used.
In the case where a stabilizing element is added to an n-type oxide semiconductor, the composition ratio of the stabilizing element and the n-type oxide semiconductor is such that the amount of the stabilizing element is such that It is preferably in the range of 0.001 mol% to 10 mol%, more preferably in the range of 0.01 mol% to 1 mol%, based on the total amount.

本発明では、光触媒活性の経時的安定性を向上させることを目的に、n型酸化物半導体に、アルカリ金属、アルカリ土類金属、及び希土類金属から選ばれる少なくとも1種の金属(以下、「塩基性金属」という)を添加してもよい。
そのようなアルカリ金属としては、Li,Na,K,Rb,Cs等が挙げられる。また、アルカリ土類金属としては、Be,Mg,Ca,Sr,Ba等が挙げられる。さらに、希土類金属としては、La,Ce,Pr等が挙げられる。
本発明では、塩基性金属とn型酸化物半導体を構成する金属との組成比(塩基性金属のモル数/n型酸化物半導体を構成する金属のモル数)は、0.001から0.5の範囲にあることが好ましい。
例えば、酸化チタンにマグネシウムを含ませる場合、マグネシウムとチタンの元素比が0.001から0.5の範囲にあることが好ましい。また、チタン酸ストロンチウムにマグネシウムを含ませる場合、マグネシウムと(チタン+ストロンチウム)の元素比が、0.001から0.5の範囲にあることが好ましい。
n型酸化物半導体に塩基性金属を含ませる方法としては、例えば以下の方法が選択できる。
第1の工程で得られたn型酸化物半導体を含む水スラリーと、塩基性金属の化合物とを混合して混合物を得て、必要に応じて当該混合物を20℃〜100℃、1時間〜48時間の水熱処理を行った後、噴霧乾燥法等の公知の方法で乾燥し、さらに200℃〜800℃で1時間〜48時間焼成することにより、塩基性金属の成分を含ませたn型酸化物半導体を得ることができる。
In the present invention, for the purpose of improving the stability over time of photocatalytic activity, at least one metal selected from alkali metals, alkaline earth metals, and rare earth metals (hereinafter, referred to as “base”) is added to an n-type oxide semiconductor. Metal ").
Examples of such an alkali metal include Li, Na, K, Rb, and Cs. Examples of the alkaline earth metal include Be, Mg, Ca, Sr, and Ba. Further, examples of the rare earth metal include La, Ce, Pr and the like.
In the present invention, the composition ratio of the basic metal to the metal constituting the n-type oxide semiconductor (moles of the basic metal / moles of the metal constituting the n-type oxide semiconductor) is from 0.001 to 0.1. It is preferably in the range of 5.
For example, when magnesium is contained in titanium oxide, the element ratio of magnesium to titanium is preferably in the range of 0.001 to 0.5. When strontium titanate contains magnesium, the element ratio between magnesium and (titanium + strontium) is preferably in the range of 0.001 to 0.5.
As a method of including a basic metal in the n-type oxide semiconductor, for example, the following method can be selected.
The water slurry containing the n-type oxide semiconductor obtained in the first step is mixed with a compound of a basic metal to obtain a mixture, and the mixture is optionally heated at 20 ° C to 100 ° C for 1 hour to After performing the hydrothermal treatment for 48 hours, the resultant is dried by a known method such as a spray drying method, and further calcined at 200 ° C. to 800 ° C. for 1 hour to 48 hours to include an n-type containing a component of a basic metal. An oxide semiconductor can be obtained.

上記方法で得られるn型酸化物半導体は、多くの場合粒子状であり、本発明のルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、及び白金の群の中から選ばれる少なくとも一種類の金属やp型酸化物半導体を担持するのに適している。
本発明のn型酸化物半導体の平均粒径は、好ましくは0.01μm以上であり、より好ましくは0.1μm以上であり、さらに好ましくは1μm以上である。粒径が小さすぎると、金属やp型酸化物半導体を担持することが困難になる。そのため、n型酸化物半導体とp型酸化物半導体とが金属を介して接続されてなる本発明の光触媒の構成を、効率的に実現するためには、n型酸化物半導体の平均粒径を上記範囲とするのが好ましい。
また、本発明のn型酸化物半導体の平均粒径は、例えば5mm以下であり、好ましくは1mm以下であり、より好ましくは0.1mm以下であり、さらに好ましくは0.05mm以下であり、よりさらに好ましくは0.01mm以下である。粒径が大きすぎると、n型酸化物半導体の粒子の内部まで金属やp型酸化物半導体を担持しても光触媒反応を遂行することが困難になり、n型酸化物半導体の単位重量当たりの光触媒効率が悪化する。
The n-type oxide semiconductor obtained by the above method is often in the form of particles, and is at least one metal or p-type selected from the group of ruthenium, rhodium, palladium, osmium, iridium, and platinum of the present invention. It is suitable for supporting an oxide semiconductor.
The average particle size of the n-type oxide semiconductor of the present invention is preferably 0.01 μm or more, more preferably 0.1 μm or more, and further preferably 1 μm or more. If the particle size is too small, it becomes difficult to support a metal or a p-type oxide semiconductor. Therefore, in order to efficiently realize the configuration of the photocatalyst of the present invention in which an n-type oxide semiconductor and a p-type oxide semiconductor are connected via a metal, the average particle size of the n-type oxide semiconductor must be It is preferable to be within the above range.
In addition, the average particle size of the n-type oxide semiconductor of the present invention is, for example, 5 mm or less, preferably 1 mm or less, more preferably 0.1 mm or less, further more preferably 0.05 mm or less, More preferably, it is 0.01 mm or less. If the particle size is too large, it becomes difficult to carry out a photocatalytic reaction even if a metal or a p-type oxide semiconductor is carried inside the particles of the n-type oxide semiconductor, and the weight per unit weight of the n-type oxide semiconductor Photocatalytic efficiency deteriorates.

本発明で、塩基性金属の化合物としては、塩基性金属の酸化物、水酸化物、酢酸塩、硝酸塩、塩化物、硫酸塩等を用いることができる。
本発明において、n型酸化物半導体に添加された安定化元素及び塩基性金属は、光触媒の製造の際に焼成工程を経るため、最終的には酸化物になると考えられる。
In the present invention, as the compound of the basic metal, oxides, hydroxides, acetates, nitrates, chlorides, sulfates and the like of the basic metal can be used.
In the present invention, the stabilizing element and the basic metal added to the n-type oxide semiconductor go through a sintering step in the production of the photocatalyst, and are considered to eventually become an oxide.

n型酸化物半導体を担体として用いる場合、その形状は、微細な孔を有する粒状であることが好ましいが、多面体状、柱状、円筒状、多角形筒状、多角形柱状、板状、多角形板状、鱗片状、小片状、針状、繊維状、ハニカム状、不定形状等であってもよい。微細な孔を有することで、担体表面の比表面積を大きくすることができ、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、及び白金の群の中から選ばれる少なくとも一種類の金属やp型酸化物半導体の担持量を増やすことができる。その結果、担体の単位重量当りの光触媒活性が増大する効果が得られる。
比表面積は、例えば、BET窒素吸着法で測定できる。本発明では、担体に用いるn型酸化物半導体の比表面積の範囲は、充分な担持量を得るためには、10m/g以上が好ましく、より好ましくは20m/g以上であり、さらに好ましくは50m/g以上である。また、充分な機械的強度及び耐久性を得るためには、700m/g以下が好ましく、より好ましくは500m/g以下であり、さらに好ましくは300m/g以下であり、最も好ましくは250m/g以下である。
When an n-type oxide semiconductor is used as a carrier, the shape is preferably granular having fine pores, but is polyhedral, columnar, cylindrical, polygonal cylindrical, polygonal columnar, plate-like, polygonal. The shape may be plate-like, scale-like, small-piece-like, needle-like, fibrous, honeycomb-like, irregular, or the like. By having fine pores, the specific surface area of the carrier surface can be increased, and at least one kind of metal or p-type oxide semiconductor selected from the group of ruthenium, rhodium, palladium, osmium, iridium, and platinum Can be increased. As a result, an effect of increasing the photocatalytic activity per unit weight of the carrier can be obtained.
The specific surface area can be measured, for example, by a BET nitrogen adsorption method. In the present invention, the range of the specific surface area of the n-type oxide semiconductor used for the carrier is preferably 10 m 2 / g or more, more preferably 20 m 2 / g or more, and still more preferably, in order to obtain a sufficient carrying amount. Is 50 m 2 / g or more. In order to obtain sufficient mechanical strength and durability, the thickness is preferably 700 m 2 / g or less, more preferably 500 m 2 / g or less, further preferably 300 m 2 / g or less, and most preferably 250 m 2 / g or less. 2 / g or less.

本発明の第2の工程として、光触媒の前駆体を、製造する。
本発明の触媒前駆体の製造方法としては、例えば、第1の工程で得られたn型酸化物半導体を含む水スラリーと、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、及び白金の群の中から選ばれる少なくとも一種類の金属を含む水スラリーと、p型酸化物半導体を含む水スラリーとを混合する方法が挙げられる。
ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、及び白金の群の中から選ばれる少なくとも一種類の金属を含む水スラリーを製造する方法としては、例えば、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、及び白金の群の中から選ばれる少なくとも一種類の金属の粒子を水に分散する方法が挙げられる。
また、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、及び白金の群の中から選ばれる少なくとも一種類の金属の粒子の代わりに、化学的処理、熱的処理等によってルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、及び白金の群の中から選ばれる少なくとも一種類の金属となる、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、及び白金の群の中から選ばれる少なくとも一種類の金属の前駆体を用いてもよい。
In the second step of the present invention, a photocatalyst precursor is produced.
As a method for producing the catalyst precursor of the present invention, for example, a water slurry containing the n-type oxide semiconductor obtained in the first step, and ruthenium, rhodium, palladium, osmium, iridium, and platinum A method of mixing a water slurry containing at least one selected metal and a water slurry containing a p-type oxide semiconductor is exemplified.
Ruthenium, rhodium, palladium, osmium, iridium, and a method for producing a water slurry containing at least one metal selected from the group of platinum, for example, ruthenium, rhodium, palladium, osmium, iridium, and platinum A method of dispersing at least one kind of metal particles selected from the group in water is exemplified.
Further, ruthenium, rhodium, palladium, osmium, iridium, and particles of at least one metal selected from the group of platinum, instead of chemical treatment, thermal treatment, etc., ruthenium, rhodium, palladium, osmium, iridium. And at least one metal selected from the group of platinum, ruthenium, rhodium, palladium, osmium, iridium, and a precursor of at least one metal selected from the group of platinum may be used. .

本発明のルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、及び白金の群の中から選ばれる少なくとも一種類の金属の前駆体としては、例えば、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、及び白金の群の中から選ばれる少なくとも一種類の金属の酸化物、塩化物、塩化金属酸、塩化金属酸塩、硫酸塩、硝酸塩、酢酸塩、水酸化物、金属錯体等を用いることができる。具体的には、酸化ルテニウム、塩化ルテニウム、ルテニウム酸ナトリウム、硫酸ルテニウム、硝酸ルテニウム、酢酸ルテニウム、酸化ロジウム、塩化ロジウム、塩化ロジウム酸アンモニウム、硫酸ロジウム、硝酸ロジウム、酢酸ロジウム、酸化パラジウム、塩化パラジウム、塩化パラジウム酸、塩化パラジウム酸ナトリウム、硫酸パラジウム、硝酸パラジウム、酢酸パラジウム、ジニトロジアンミンパラジウム、ジクロロテトラアンミンパラジウム、テトラアンミンパラジウムジクロライド、酢酸パラジウム、水酸化アンミンパラジウム、酸化イリジウム、塩化イリジウム、塩化イリジウム酸アンモニウム、塩化イリジウム酸カリウム、硫酸イリジウム、硝酸イリジウム、酢酸イリジウム、酸化白金、塩化白金、塩化白金酸、塩化白金酸アンモニウム、塩化白金酸カリウム、塩化白金酸ナトリウム、硫酸白金、硝酸白金、ジニトロジアンミン白金、テトラアンミン白金ジクロライド、テトラアンミン白金水酸化物、ヘキサヒドロキソ白金酸、ヘキサヒドロキソ白金酸エタノールアミン等が挙げられる。   Ruthenium, rhodium, palladium, osmium, iridium, and a precursor of at least one metal selected from the group of platinum, for example, ruthenium, rhodium, palladium, osmium, iridium, and platinum group Oxides, chlorides, metal chlorides, metal chlorides, sulfates, nitrates, acetates, hydroxides, metal complexes, and the like of at least one metal selected from among them can be used. Specifically, ruthenium oxide, ruthenium chloride, sodium ruthenate, ruthenium sulfate, ruthenium nitrate, ruthenium acetate, rhodium oxide, rhodium chloride, ammonium chloride rhodate, rhodium sulfate, rhodium nitrate, rhodium acetate, palladium oxide, palladium chloride, Palladium chloride, sodium chloride, palladium sulfate, palladium nitrate, palladium acetate, dinitrodiamminepalladium, dichlorotetraamminepalladium, tetraamminepalladium dichloride, palladium acetate, amminepalladium hydroxide, iridium oxide, iridium chloride, ammonium iridium chloride, chloride Potassium iridate, iridium sulfate, iridium nitrate, iridium acetate, platinum oxide, platinum chloride, chloroplatinic acid, chloroplatinic acid Chloride, potassium chloroplatinic acid, sodium chloroplatinic acid, platinum sulfate, platinum nitrate, dinitrodiammine platinum, tetraamine platinum dichloride, tetraamine platinum hydroxide, hexahydroxoplatinum acid, hexahydroxoplatinum acid ethanolamine, and the like.

本発明のルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、及び白金の群の中から選ばれる少なくとも一種類の金属の前駆体に含まれる金属の価数は、取り得る価数のいずれの価数であってもよい。例えば、塩化白金酸カリウムは、2価の塩化白金(II)酸カリウムと4価の塩化白金(IV)酸カリウムの二つの化合物が知られているが、上記例示の塩化白金酸カリウムはいずれの価数の化合物であってもよい。
本発明のルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、及び白金の群の中から選ばれる少なくとも一種類の金属の前駆体は、水溶液にして用いてもよい。
そのような水溶液の作成方法としては、公知の方法を用いれば足りる。
この場合、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、及び白金の群の中から選ばれる少なくとも一種類の金属を含む水スラリーにおける金属の総元素量が、n型酸化物半導体を構成する金属の元素量に対して、0.001モル%以上、好ましくは0.005モル%以上、より好ましくは0.01モル%以上、さらに好ましくは0.05モル%以上であり、最も好ましくは0.1モル%以上であり、且つ、10モル%以下、好ましくは5モル%以下、より好ましくは3モル%以下、さらに好ましくは1モル%以下になるように混合することが好ましい。
The valence of the metal contained in the precursor of at least one metal selected from the group consisting of ruthenium, rhodium, palladium, osmium, iridium, and platinum according to the present invention is any of the possible valences. You may. For example, potassium chloroplatinate is known to have two compounds of potassium divalent potassium chloroplatinate (II) and potassium tetravalent chloroplatinate (IV). It may be a compound having a valence.
The precursor of at least one metal selected from the group consisting of ruthenium, rhodium, palladium, osmium, iridium and platinum of the present invention may be used in the form of an aqueous solution.
As a method for preparing such an aqueous solution, a known method may be used.
In this case, ruthenium, rhodium, palladium, osmium, iridium, and the total elemental amount of the metal in the water slurry containing at least one metal selected from the group of platinum is an element of the metal constituting the n-type oxide semiconductor The amount is at least 0.001 mol%, preferably at least 0.005 mol%, more preferably at least 0.01 mol%, even more preferably at least 0.05 mol%, most preferably at least 0.1 mol%, based on the amount. % Or less, and preferably 10 mol% or less, preferably 5 mol% or less, more preferably 3 mol% or less, and still more preferably 1 mol% or less.

p型酸化物半導体を含む水スラリーを製造する方法としては、例えば、p型酸化物半導体の粒子を水に分散する方法が挙げられる。
p型酸化物半導体の粒子の代わりに、化学的処理、熱的処理等によってp型酸化物半導体となる、p型酸化物半導体の前駆体を用いてもよい。
そのようなp型酸化物半導体の前駆体としては、例えば、p型酸化物半導体を構成する金属のアルコキシド、水酸化物、塩化物、硫酸塩、硝酸塩、酢酸塩等が挙げられる。
具体的には、酸化コバルトの前駆体としては、2価又は3価のコバルトのアルコキシド、水酸化物、塩化物、硫酸塩、硝酸塩、酢酸塩等が挙げられる。具体的には、コバルト2−メトキシエトキシド、水酸化コバルト、塩化コバルト、硝酸コバルト、硫酸コバルト、炭酸コバルト、酢酸コバルト等が例示できる。
As a method of producing a water slurry containing a p-type oxide semiconductor, for example, a method of dispersing particles of a p-type oxide semiconductor in water can be mentioned.
Instead of the particles of the p-type oxide semiconductor, a precursor of a p-type oxide semiconductor which becomes a p-type oxide semiconductor by chemical treatment, thermal treatment, or the like may be used.
Examples of such a precursor of the p-type oxide semiconductor include alkoxides, hydroxides, chlorides, sulfates, nitrates, and acetates of metals constituting the p-type oxide semiconductor.
Specifically, examples of the cobalt oxide precursor include divalent or trivalent cobalt alkoxides, hydroxides, chlorides, sulfates, nitrates, and acetates. Specifically, examples thereof include cobalt 2-methoxyethoxide, cobalt hydroxide, cobalt chloride, cobalt nitrate, cobalt sulfate, cobalt carbonate, and cobalt acetate.

本発明では、p型酸化物半導体を構成する金属元素の量が、n型酸化物半導体を構成する金属元素に対して、0.01モル%以上、好ましくは0.05モル%以上、より好ましくは0.1モル%以上であり、且つ10モル%以下、好ましくは5モル%以下、より好ましくは3モル%以下になるように混合することが好ましい。
さらに、p型酸化物半導体を構成する金属元素の量と、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、及び白金の群の中から選ばれる少なくとも一種類の金属を含む水スラリーにおける金属の総元素量との比が、0.1以上、好ましくは0.5以上、より好ましくは1以上であり、且つ10以下、好ましくは5以下、より好ましくは3以下になるように混合することが好ましい。
In the present invention, the amount of the metal element constituting the p-type oxide semiconductor is at least 0.01 mol%, preferably at least 0.05 mol%, more preferably at least 0.05 mol%, based on the metal element constituting the n-type oxide semiconductor. Is preferably 0.1 mol% or more and 10 mol% or less, preferably 5 mol% or less, more preferably 3 mol% or less.
Further, the amount of the metal element constituting the p-type oxide semiconductor and the total amount of the metal element in the water slurry containing at least one metal selected from the group consisting of ruthenium, rhodium, palladium, osmium, iridium, and platinum The ratio is preferably 0.1 or more, preferably 0.5 or more, more preferably 1 or more, and 10 or less, preferably 5 or less, more preferably 3 or less.

本発明では、第2の工程における前記混合の後又は前記混合の際、混合物の温度が60℃以上、100℃以下になるように調整することが好ましい。
n型酸化物半導体に、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、及び白金の群の中から選ばれる少なくとも一種類の金属又は前記金属の前駆体と、p型酸化物半導体又はp型半導体の前駆体とが析出した、光触媒の前駆体が得られる。
In the present invention, it is preferable that the temperature of the mixture is adjusted to be 60 ° C. or more and 100 ° C. or less after or during the mixing in the second step.
In the n-type oxide semiconductor, ruthenium, rhodium, palladium, osmium, iridium, and at least one metal selected from the group of platinum or a precursor of the metal, and a p-type oxide semiconductor or a precursor of the p-type semiconductor A precursor of the photocatalyst, in which the body is precipitated, is obtained.

本発明の第3の工程として、n型酸化物半導体に、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、及び白金の群の中から選ばれる少なくとも一種類の金属と、p型酸化物半導体とが担持された、光触媒を得る。
第3の工程における光触媒を得る方法としては、例えば、第2の工程で得られた前記光触媒の前駆体を、ろ過、水洗、乾燥した後、熱処理する方法が挙げられる。
当該熱処理の目的は、p型酸化物半導体の前駆体を酸化物化し、さらに焼結して、p型酸化物半導体化することにある。
かかる熱処理によって初めて、本発明の高活性の光触媒を得ることができる。
本発明のp型酸化物半導体は、焼成により多結晶化していることが好ましい。
尚、本発明のn型酸化物半導体は、多結晶体であっても構わない。
熱処理の温度は、好ましくは500℃以上であり、より好ましくは600℃以上であり、さらに好ましくは700℃以上である。熱処理温度が500℃よりも低ければ、p型酸化物半導体の前駆体を充分にp型酸化物半導体に半導体化することができず、光触媒の活性を高くすることができないため好ましくない。
また、熱処理の温度は、好ましくは1300℃以下であり、より好ましくは、1200℃以下であり、さらに好ましくは1100℃以下であり、最も好ましくは1000℃以下である。熱処理温度が1300℃よりも高ければ、光触媒が焼結し、n型酸化物半導体の細孔が閉塞し、触媒活性が低下するため好ましくない。
熱処理の時間は、特に制限されないが、0.5時間以上72時間以内が好ましく、1時間以上48時間以内がより好ましい。熱処理時間が0.5時間よりも短いとp型酸化物半導体の前駆体からp型酸化物半導体に充分に半導体化することができない可能性があり、好ましくない。また、72時間を超えて焼成すると、触媒の焼結を促進し、活性を低下させる可能性があるため、好ましくない。
熱処理の際、急激な昇温は避けて、被熱処理物の状況に応じて、徐々に昇温することが好ましい。急激に昇温すると、ガス化や燃焼が激しくなり、設定以上の高温状態に曝されたり、粉砕の原因になるため、好ましくない。
第3の工程で得られる光触媒の好ましい平均粒径の範囲は、0.1μm以上であり、より好ましくは1μm以上、さらに好ましくは10μm以上であり、且つ1mm以下であり、より好ましくは300μm以下、さらに好ましくは100μm以下である。
In the third step of the present invention, the n-type oxide semiconductor carries at least one metal selected from the group consisting of ruthenium, rhodium, palladium, osmium, iridium, and platinum, and the p-type oxide semiconductor The obtained photocatalyst is obtained.
As a method for obtaining the photocatalyst in the third step, for example, a method of filtering, washing with water, drying the precursor of the photocatalyst obtained in the second step, and then performing a heat treatment can be mentioned.
The purpose of the heat treatment is to oxidize the precursor of the p-type oxide semiconductor, further sinter it, and turn it into a p-type oxide semiconductor.
Only by such heat treatment can the highly active photocatalyst of the present invention be obtained.
The p-type oxide semiconductor of the present invention is preferably polycrystalline by firing.
Note that the n-type oxide semiconductor of the present invention may be a polycrystalline body.
The temperature of the heat treatment is preferably 500 ° C. or higher, more preferably 600 ° C. or higher, and further preferably 700 ° C. or higher. If the heat treatment temperature is lower than 500 ° C., it is not preferable because the precursor of the p-type oxide semiconductor cannot be sufficiently converted into a p-type oxide semiconductor and the activity of the photocatalyst cannot be increased.
Further, the temperature of the heat treatment is preferably 1300 ° C. or lower, more preferably 1200 ° C. or lower, further preferably 1100 ° C. or lower, and most preferably 1000 ° C. or lower. If the heat treatment temperature is higher than 1300 ° C., the photocatalyst is sintered, the pores of the n-type oxide semiconductor are closed, and the catalytic activity is undesirably reduced.
The heat treatment time is not particularly limited, but is preferably 0.5 hours or more and 72 hours or less, more preferably 1 hour or more and 48 hours or less. If the heat treatment time is shorter than 0.5 hour, the precursor of the p-type oxide semiconductor may not be sufficiently converted into a p-type oxide semiconductor, which is not preferable. On the other hand, if the firing is performed for more than 72 hours, the sintering of the catalyst is promoted, and the activity may be reduced.
In the heat treatment, it is preferable to avoid a rapid temperature rise and to gradually raise the temperature according to the condition of the heat treatment target. If the temperature rises sharply, gasification and combustion become intense, and it is not preferable because it is exposed to a higher temperature than set or causes pulverization.
The range of the preferable average particle diameter of the photocatalyst obtained in the third step is 0.1 μm or more, more preferably 1 μm or more, still more preferably 10 μm or more, and 1 mm or less, more preferably 300 μm or less, More preferably, it is 100 μm or less.

[酸化還元装置]
以下、本発明の酸化還元装置について説明する。
本発明の光触媒は、コールドプレス、ホットプレス、静水圧プレス等の公知の方法によって、板状に成形して用いることができる。また、導電性基板の上に、本発明の光触媒を含む層を、担持、塗布、焼付等の公知の方法で形成して用いることもできる。
本発明の光触媒を含む成形体(以下、「光触媒成形体」という)を、酸化に供する物質(以下、「被酸化物質」という)と、還元に供する物質(以下、「被還元物質」という)とを含む媒体(以下、「被酸化還元物質含有媒体」という)中に浸漬して、装置を構成する。
かかる、光触媒成形体と、被酸化物質と、被還元物質と、被酸化還元物質含有媒体とから構成される装置が、本発明の酸化還元装置である。
本発明の酸化還元装置において、光触媒成形体に光を照射すれば、光触媒成形体上で被酸化物質が酸化され、被還元物質が還元される。
例えば、本発明の光触媒成形体を水に浸漬して太陽光を照射すると、水を酸化して酸素を生成し、水を還元して水素を生成する。この場合、水は、被酸化物質であり、被還元物質であり、被酸化還元物質含有媒体である。
本発明の光触媒を用いて水を分解する際に、水酸化ナトリウムや水酸化カリウム等のように、水中で電離する物質を添加しても構わない。
本発明の酸化還元装置は、このような酸化還元反応を行うためのものである。
[Redox device]
Hereinafter, the oxidation-reduction device of the present invention will be described.
The photocatalyst of the present invention can be used after being formed into a plate by a known method such as cold pressing, hot pressing, or isostatic pressing. Further, a layer containing the photocatalyst of the present invention can be formed on a conductive substrate by a known method such as loading, coating, and baking.
A molded article containing the photocatalyst of the present invention (hereinafter, referred to as “photocatalyst molded article”) is subjected to oxidation (hereinafter, referred to as “oxidized substance”) and reduction substance (hereinafter, referred to as “substance to be reduced”). (Hereinafter, referred to as a “medium containing an oxidation-reduction substance”) to constitute an apparatus.
Such an apparatus composed of the photocatalyst molded body, the substance to be oxidized, the substance to be reduced, and the medium containing the substance to be redox is the oxidation-reduction apparatus of the present invention.
In the oxidation-reduction device of the present invention, when the photocatalyst molded body is irradiated with light, the substance to be oxidized is oxidized on the photocatalyst molded body and the substance to be reduced is reduced.
For example, when the photocatalyst molded article of the present invention is immersed in water and irradiated with sunlight, water is oxidized to generate oxygen, and water is reduced to generate hydrogen. In this case, water is the substance to be oxidized, the substance to be reduced, and the medium containing the substance to be oxidized and reduced.
When water is decomposed using the photocatalyst of the present invention, a substance that ionizes in water, such as sodium hydroxide or potassium hydroxide, may be added.
The redox apparatus of the present invention is for performing such a redox reaction.

以下の実施例により本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれら実施例によって限定されるものではない。   The present invention will be described in more detail with reference to the following examples, but the present invention is not limited to these examples.

(実施例1)
5Lのビーカーに蒸留水2Lを入れ、この蒸留水に、四塩化チタン1モルと水酸化ナトリウム水溶液(1モル/L)1Lを、撹拌しつつ、pHが6〜8の範囲に入るように制御しつつ、徐々に四塩化チタンと水酸化ナトリウム水溶液とを滴下し、生成物を得た。得られた生成物をろ過した後、約80℃の熱水2Lに加えて撹拌して洗浄した。このろ過と熱水洗浄を3回繰り返して、含水率93のゲル状のオルトチタン酸1モルを得た。
得られたオルトチタン酸を、80℃で3時間乾燥後、300℃で1時間焼成して粉末を得て、これを水0.5Lに分散して、酸化チタンを含む水スラリーを得た。
一方、硝酸コバルト水溶液(1モル/L)15mLと硝酸リチウム水溶液(1モル/L)0.1mLを室温で混合して、硝酸コバルトと硝酸リチウムとの混合液を調整した。
酸化チタンを含む水スラリーを撹拌しつつ、硝酸ルテニウム水溶液(0.1モル/L)10mLを添加した後、硝酸コバルトと硝酸リチウムとの前記混合液を添加し、さらにアンモニア水を加えてpHを8〜8.5に調整して、さらに撹拌しつつヒーターで加熱して室温から80℃まで温度を上げ、80℃で6時間撹拌した後、室温まで放冷し、撹拌を止めて、12時間放置した。その後、ろ過と水洗とを3回繰り返して、光触媒前駆体を得た。
得られた光触媒前駆体を空気中110℃で3時間乾燥後、空気中800℃で1時間焼成して酸化コバルトをp型半導体化した後、室温まで冷却して、光触媒の粉末を得た。
得られた光触媒0.2gを水400mLに分散し、内部照射反応セルに入れて、450Wの水銀ランプの光を5時間照射したところ、水素2.2mmol、酸素1.1mmolが得られた。
(Example 1)
2 L of distilled water is placed in a 5 L beaker, and 1 mol of titanium tetrachloride and 1 L of an aqueous sodium hydroxide solution (1 mol / L) are stirred into the distilled water so that the pH falls within the range of 6 to 8 while stirring. Then, titanium tetrachloride and an aqueous solution of sodium hydroxide were gradually added dropwise to obtain a product. After the obtained product was filtered, it was added to 2 L of hot water at about 80 ° C., stirred, and washed. This filtration and hot water washing were repeated three times to obtain 1 mol of gel-form orthotitanic acid having a water content of 93.
The obtained orthotitanic acid was dried at 80 ° C. for 3 hours and calcined at 300 ° C. for 1 hour to obtain a powder, which was dispersed in 0.5 L of water to obtain a water slurry containing titanium oxide.
On the other hand, 15 mL of an aqueous solution of cobalt nitrate (1 mol / L) and 0.1 mL of an aqueous solution of lithium nitrate (1 mol / L) were mixed at room temperature to prepare a mixed solution of cobalt nitrate and lithium nitrate.
While stirring the aqueous slurry containing titanium oxide, 10 mL of an aqueous ruthenium nitrate solution (0.1 mol / L) was added, and then the above-mentioned mixture of cobalt nitrate and lithium nitrate was added. The temperature was adjusted from 8 to 8.5 by heating with a heater while further stirring, and the temperature was increased from room temperature to 80 ° C. After stirring at 80 ° C for 6 hours, the mixture was allowed to cool to room temperature, and stopped stirring for 12 hours. I left it. Thereafter, filtration and washing were repeated three times to obtain a photocatalyst precursor.
The obtained photocatalyst precursor was dried in air at 110 ° C. for 3 hours, calcined in air at 800 ° C. for 1 hour to convert the cobalt oxide into a p-type semiconductor, and then cooled to room temperature to obtain a photocatalyst powder.
0.2 g of the obtained photocatalyst was dispersed in 400 mL of water, put into an internal irradiation reaction cell, and irradiated with light from a 450 W mercury lamp for 5 hours. As a result, 2.2 mmol of hydrogen and 1.1 mmol of oxygen were obtained.

(実施例2)
硝酸ルテニウム水溶液の代わりに硝酸ロジウム水溶液を用いた以外は、実施例1と同様の方法で、光触媒を得た。
この光触媒を実施例1と同様の方法で水分解に供したところ、水素約2.4mmol、酸素1.2mmolが得られた。
(Example 2)
A photocatalyst was obtained in the same manner as in Example 1, except that a rhodium nitrate aqueous solution was used instead of the ruthenium nitrate aqueous solution.
When this photocatalyst was subjected to water splitting in the same manner as in Example 1, about 2.4 mmol of hydrogen and 1.2 mmol of oxygen were obtained.

(実施例3)
硝酸リチウムを用いず、且つ空気中800℃で1時間の焼成の代わりに窒素中800℃で1時間焼成した以外は、実施例1と同様の方法で、光触媒を得た。
実施例1と同様の方法で、水分解に供したところ、水素3mmol、酸素1.5mmolが得られた。
(Example 3)
A photocatalyst was obtained in the same manner as in Example 1 except that lithium nitrate was not used, and firing was performed at 800 ° C. for 1 hour in nitrogen instead of firing at 800 ° C. for 1 hour in air.
When subjected to water splitting in the same manner as in Example 1, 3 mmol of hydrogen and 1.5 mmol of oxygen were obtained.

(実施例4)
硝酸ルテニウム水溶液の代わりに硝酸パラジウム水溶液を用いた以外は、実施例1と同様の方法で、光触媒を得た。
実施例1と同様の方法で、水分解に供したところ、水素2mmol、酸素1mmolが得られた。
(Example 4)
A photocatalyst was obtained in the same manner as in Example 1, except that an aqueous solution of palladium nitrate was used instead of the aqueous solution of ruthenium nitrate.
When subjected to water splitting in the same manner as in Example 1, 2 mmol of hydrogen and 1 mmol of oxygen were obtained.

(実施例5)
硝酸コバルトの代わりに硝酸ニッケルを用いた以外は、実施例1と同様の方法で、光触媒を得た。
実施例1と同様の方法で、水分解に供したところ、水素1.8mmol、酸素0.6mmolが得られた。
(Example 5)
A photocatalyst was obtained in the same manner as in Example 1, except that nickel nitrate was used instead of cobalt nitrate.
When subjected to water splitting in the same manner as in Example 1, 1.8 mmol of hydrogen and 0.6 mmol of oxygen were obtained.

(実施例6)
実施例1の方法で得られた光触媒を錠剤成形機を用いて直径8mmφ、厚さ1mmのペレットに成形した。
この成形体を1100℃で3時間焼成して、光触媒の円板状焼結体を得た。
この光触媒を直径60mmφ、高さ15mmのシャーレーに入れ、水2.5ccと水酸化ナトリウム(1モル/L)0.3mLを加えて、水の酸化還元装置を作製した。
この酸化還元装置をホットプレートの上に置き、加熱して温度を60℃に保持しつつ、太陽光に曝したところ、光触媒の円板状焼結体から気体が発生し、これをガスクロマトグラフィーで分析したところ、酸素と水素の混合比率が1:2の混合気体であることが判った。
(Example 6)
The photocatalyst obtained by the method of Example 1 was formed into pellets having a diameter of 8 mm and a thickness of 1 mm using a tableting machine.
This molded body was fired at 1100 ° C. for 3 hours to obtain a disc-shaped sintered body of the photocatalyst.
This photocatalyst was placed in a petri dish having a diameter of 60 mmφ and a height of 15 mm, and 2.5 cc of water and 0.3 mL of sodium hydroxide (1 mol / L) were added to prepare a redox apparatus for water.
When this oxidation-reduction device was placed on a hot plate and heated to maintain the temperature at 60 ° C. and exposed to sunlight, a gas was generated from the disc-shaped sintered body of the photocatalyst. As a result, it was found that the mixed gas was a mixture of oxygen and hydrogen at a mixing ratio of 1: 2.

(比較例1)
酸化コバルトをp型半導体化するための空気中800℃での焼成を行わなかった以外は、実施例1と同様の方法で、光触媒を得た。
この光触媒を、実施例1と同様の方法で水分解に供したところ、水素1.0mmol、酸素0.5mmolが得られた。
(Comparative Example 1)
A photocatalyst was obtained in the same manner as in Example 1, except that firing at 800 ° C. in air for converting cobalt oxide into a p-type semiconductor was not performed.
When this photocatalyst was subjected to water splitting in the same manner as in Example 1, 1.0 mmol of hydrogen and 0.5 mmol of oxygen were obtained.

(比較例2)
硝酸ルテニウム水溶液の代わりに塩化金酸水溶液を用いた以外は、実施例1と同様の方法で、光触媒を得た。
この光触媒を実施例1と同様の方法で水分解に供したところ、水素0.8mmol、酸素0.4mmolが得られた。
(Comparative Example 2)
A photocatalyst was obtained in the same manner as in Example 1, except that an aqueous solution of chloroauric acid was used instead of the aqueous solution of ruthenium nitrate.
When this photocatalyst was subjected to water splitting in the same manner as in Example 1, 0.8 mmol of hydrogen and 0.4 mmol of oxygen were obtained.

本発明の光触媒を用いれば、物質を高活性で酸化及び還元することができる。また、本発明の酸化還元装置を用いれば、物質の分解を工業的に行うことが可能になる。
そのため、例えば、水を太陽光で分解して水素と酸素を得るための光触媒として、産業上の利用が期待できる。
By using the photocatalyst of the present invention, the substance can be oxidized and reduced with high activity. In addition, the use of the oxidation-reduction apparatus of the present invention makes it possible to decompose substances industrially.
Therefore, for example, industrial use can be expected as a photocatalyst for obtaining hydrogen and oxygen by decomposing water with sunlight.

11 n型半導体
12 白金族金属等
13 p型半導体
21 半導体粒子
22 金属(酸化物)コア
23 酸化物シェル
31 n型半導体
32 白金族金属等
33 p型半導体
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 n-type semiconductor 12 platinum group metal etc. 13 p-type semiconductor 21 semiconductor particle 22 metal (oxide) core 23 oxide shell 31 n-type semiconductor 32 platinum group metal etc. 33 p-type semiconductor

Claims (9)

n型半導体と、
p型半導体と、
ラジウム、び白金の群の中から選ばれる少なくとも一種類の金属と、を含む光触媒であって、
n型半導体とp型半導体とが前記金属を介して接続されている構成を有することを特徴とする光触媒。



an n-type semiconductor;
a p-type semiconductor;
Palladium, a photocatalyst comprising at least one metal, a member selected from the group consisting of beauty platinum,
A photocatalyst having a configuration in which an n-type semiconductor and a p-type semiconductor are connected via the metal.



n型半導体からなる担体の表面の一部に、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、及び白金の群の中から選ばれる少なくとも一種類の金属が担持され、前記金属の表面の一部又は全部に、p型半導体が担持されている構成を有することを特徴とする光触媒。   Part of the surface of the carrier made of the n-type semiconductor, ruthenium, rhodium, palladium, osmium, iridium, and at least one metal selected from the group of platinum is supported, part or all of the surface of the metal A photocatalyst comprising a p-type semiconductor supported thereon. 前記n型半導体及び前記p型半導体の少なくとも一方が酸化物半導体であることを特徴とする請求項1又は2に記載の光触媒。   The photocatalyst according to claim 1, wherein at least one of the n-type semiconductor and the p-type semiconductor is an oxide semiconductor. 前記n型半導体が酸化チタンであることを特徴とする請求項3に記載の光触媒。   The photocatalyst according to claim 3, wherein the n-type semiconductor is titanium oxide. 前記p型半導体が酸化コバルト又は酸化ニッケルであることを特徴とする請求項3又は請求項4に記載の光触媒。   The photocatalyst according to claim 3, wherein the p-type semiconductor is cobalt oxide or nickel oxide. n型酸化物半導体からなる担体に、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、及び白金の群の中から選ばれる少なくとも一種類の金属を担持し、さらにp型酸化物半導体を担持することを特徴とする光触媒の製造方法。   Supporting at least one metal selected from the group consisting of ruthenium, rhodium, palladium, osmium, iridium, and platinum on a carrier made of an n-type oxide semiconductor, and further supporting a p-type oxide semiconductor. A method for producing a photocatalyst. n型酸化物半導体からなる担体に、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、及び白金の群の中から選ばれる少なくとも一種類の金属又はその前駆体を担持し、さらにp型酸化物半導体又はその前駆体を担持して500℃以上1200℃以下の温度で熱処理することを特徴とする光触媒の製造方法。   On a carrier made of an n-type oxide semiconductor, ruthenium, rhodium, palladium, osmium, iridium, and at least one metal selected from the group of platinum or a precursor thereof, and further a p-type oxide semiconductor or A method for producing a photocatalyst, comprising supporting a precursor and heat-treating the precursor at a temperature of 500 ° C to 1200 ° C. 前記n型酸化物半導体が酸化チタンであり、前記p型酸化物半導体が酸化コバルト又は酸化ニッケルであることを特徴とする請求項6又は請求項7に記載の光触媒の製造方法。   The method according to claim 6, wherein the n-type oxide semiconductor is titanium oxide, and the p-type oxide semiconductor is cobalt oxide or nickel oxide. 請求項1〜5のいずれか1項に記載の光触媒を含む光触媒成形体と、被酸化物質と、被還元物質と、被酸化還元物質含有媒体とから構成される酸化還元装置。
An oxidation-reduction device comprising a photocatalyst molded article containing the photocatalyst according to any one of claims 1 to 5, an oxidized substance, a reduced substance, and a medium containing a redox substance.
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