JP7141095B2 - photocatalyst - Google Patents
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Description
本発明は、光触媒およびその製造技術に関する。 The present invention relates to a photocatalyst and its production technology.
特許文献1には、直径が0.5nm~2.0nmの細孔を有する多孔質シリカに関する技術が記載されている。 Patent Document 1 describes a technique relating to porous silica having pores with a diameter of 0.5 nm to 2.0 nm.
特許文献2には、光触媒機能を発現し得る第1物質と、この第1物質より小さいバンドギャップを有する第2物質とが、互いに接合されて、第1物質単独の場合に比べ光触媒能力を高めることができる技術が記載されている。
In
光触媒の活性を向上させるために、光触媒粒子を0.5nm~2.0nmの量子ドットから構成することが有効であると期待されているが、現状では、光触媒粒子を量子ドット単独から構成しても、期待されるような活性向上が見られない。したがって、光触媒の活性を向上するために有効とされている量子ドットに対する工夫が必要とされている。 In order to improve the activity of the photocatalyst, it is expected that it is effective to configure the photocatalyst particles from quantum dots of 0.5 nm to 2.0 nm. However, the expected improvement in activity was not observed. Therefore, it is necessary to devise quantum dots that are effective in improving the activity of photocatalysts.
その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。 Other problems and novel features will become apparent from the description of the specification and the accompanying drawings.
一実施の形態における光触媒は、量子サイズ効果が生じる径の量子ドットの鋳型となる径の細孔が形成された担体と、細孔に挿入された第1部分と、この第1部分と接触し、かつ、細孔の外部にはみ出た第2部分とを有する触媒材料とを含む。 The photocatalyst in one embodiment includes a support having pores having a diameter that serves as a template for quantum dots having a diameter that causes the quantum size effect, a first portion inserted into the pores, and the first portion. and a second portion protruding outside the pores.
また、一実施の形態における光触媒は、量子サイズ効果が生じる径の量子ドットの鋳型となる径の細孔が形成された担体と、細孔に挿入された量子ドットと、量子ドットと接触し、かつ、細孔の外部に配置されるナノ粒子とを有する触媒材料とを含む。 In one embodiment, the photocatalyst is in contact with a carrier formed with pores having a diameter that serves as a template for quantum dots having a diameter that causes the quantum size effect, the quantum dots inserted into the pores, and the quantum dots, and a catalyst material having nanoparticles disposed outside the pores.
一実施の形態における光触媒の製造方法は、(a)量子サイズ効果が生じる径を有する細孔が形成された担体を容器に入れる工程と、(b)容器に光触媒材料の前駆体を注入する工程と、(c)前駆体が注入された容器の内部を減圧乾燥する工程とを備える。 A method for producing a photocatalyst according to one embodiment includes (a) a step of placing a carrier having pores having a diameter that causes a quantum size effect in a container, and (b) a step of injecting a precursor of a photocatalyst material into the container. and (c) drying the inside of the container into which the precursor has been injected under reduced pressure.
また、一実施の形態における光触媒の製造方法は、(a)量子サイズ効果が生じる径を有する第1細孔と、前記第1細孔の径よりも大きく、かつ、量子サイズ効果が生じない径を有する第2細孔とが形成された構造体を光触媒材料の前駆体に浸漬する工程と、(b)(a)工程の後、構造体を乾燥させる工程と、(c)(b)工程の後、構造体を焼成する工程とを備える。 In one embodiment, the method for producing a photocatalyst includes (a) a first pore having a diameter that causes the quantum size effect, and a diameter that is larger than the diameter of the first pore and does not cause the quantum size effect. (b) a step of drying the structure after the step (a); and (c) a step of (b) and then firing the structure.
一実施の形態によれば、光触媒の活性向上を図ることができる。 According to one embodiment, it is possible to improve the activity of the photocatalyst.
実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。なお、図面をわかりやすくするために平面図であってもハッチングを付す場合がある。 In principle, the same members are denoted by the same reference numerals throughout the drawings for describing the embodiments, and repeated description thereof will be omitted. In order to make the drawing easier to understand, even a plan view may be hatched.
(実施の形態1)
<光触媒>
光触媒は、例えば、太陽光等の光によって、窒素酸化物(NOX)、硫黄酸化物(SOX)、メタンガスなどの温室効果ガス、大気汚染物質、揮発性有機化合物(VOC)、油脂などの脂肪酸、臭気物質、ダイオキシンなどの無害化処理や、水の分解による水素製造に使用することが可能である。このことから、光触媒は、大気清浄化、温暖化防止、防汚、消臭、殺菌等の観点から注目されている。光触媒は、半導体材料から構成されており、伝導帯の下端と価電子帯の上端との電位差(バンドギャップ)以上のエネルギーを有する光が照射されると、価電子帯から伝導帯に電子が励起されて、伝導帯に電子を生じるとともに、価電子帯に正孔(ホール)を生じる。そして、光触媒では、光の照射によって生成された電子と正孔が光触媒活性を誘発することになる。具体的に、半導体材料からなる光触媒においては、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ことにより、価電子帯から電子が伝導帯に励起される。この結果、光触媒にバンドギャップ以上のエネルギーを有する光が照射された場合、価電子帯に正孔(ホール)が形成されるとともに、伝導帯に電子が励起されて、電子正孔対(励起子)が生成されることになる。この後起こる反応として種々の過程が考えられるが、一例としては次のような反応が起こる。例えば、価電子帯に形成された正孔の準位が、水酸化物イオン(OH-)の酸化準位よりも低い位置にあると、正孔が水酸化物イオン(OH-)から電子を奪い取ることによって(水酸化物イオンから正孔に電子が移動することによって)、水酸化物イオンは、ラジカル(・OH)になる。このラジカルは、強力な酸化力(電子を奪い取る性質)を有しているため、光触媒に接触してくる有機化合物をラジカルの持つ強力な酸化力によって、二酸化炭素などに分解することができる。このようにして、光触媒が機能することになる。このような性質を有する光触媒の適応範囲を拡大するためにも、高活性を示す触媒材料が求められている。
(Embodiment 1)
<Photocatalyst>
Photocatalysts, for example, emit nitrogen oxides (NO x ), sulfur oxides (SO x ), greenhouse gases such as methane gas, air pollutants, volatile organic compounds (VOC), oils and fats, etc. by light such as sunlight. It can be used for the detoxification treatment of fatty acids, odorants, dioxins, etc., and for the production of hydrogen by decomposing water. For this reason, photocatalysts are attracting attention from the viewpoints of air purification, prevention of global warming, antifouling, deodorization, sterilization, and the like. Photocatalysts are composed of semiconductor materials, and when irradiated with light having energy greater than the potential difference (bandgap) between the lower end of the conduction band and the upper end of the valence band, electrons are excited from the valence band to the conduction band. As a result, electrons are generated in the conduction band and holes are generated in the valence band. In the photocatalyst, electrons and holes generated by light irradiation induce photocatalytic activity. Specifically, in a photocatalyst made of a semiconductor material, electrons are excited from the valence band to the conduction band by irradiation with light having energy equal to or greater than the bandgap. As a result, when the photocatalyst is irradiated with light having energy higher than the bandgap, holes are formed in the valence band and electrons are excited in the conduction band, resulting in electron-hole pairs (excitons). ) will be generated. Various processes are conceivable as reactions occurring after this, but the following reaction occurs as an example. For example, if the level of holes formed in the valence band is lower than the oxidation level of hydroxide ions (OH - ), the holes transfer electrons from the hydroxide ions (OH - ). By robbing (by transferring an electron from the hydroxide ion to a hole), the hydroxide ion becomes a radical (.OH). Since these radicals have a strong oxidizing power (the property of taking electrons), organic compounds that come into contact with the photocatalyst can be decomposed into carbon dioxide and the like by the strong oxidizing power of the radicals. Thus, the photocatalyst will function. In order to expand the application range of photocatalysts having such properties, catalyst materials exhibiting high activity are desired.
例えば、市場で利用されている代表的な光触媒としては、酸化チタン(TiO2)を挙げることができる。この酸化チタンは、外壁への塗布によるセルフクリーニングや空気清浄装置による悪臭浄化等に利用されている。 For example, titanium oxide (TiO 2 ) can be mentioned as a representative photocatalyst used on the market. This titanium oxide is used for self-cleaning by coating on the outer wall, odor purification by an air purifying device, and the like.
ただし、市販されている高活性な光触媒は、微粉末であり、壁への塗布や機材への組み込みを実現するためには、バインダを使用する必要がある。しかしながら、光触媒自身の分解力でバインダも分解されてしまうことが懸念され、分解が進行すると、光触媒の剥離を招いて、光触媒の性能悪化や微粉末の飛散による健康被害が起こることが想定される。また、十分な付着性を確保するためには、バインダ量を増やす必要があり、触媒量の低下による活性低下を招きやすい。 However, commercially available highly active photocatalysts are fine powders, and it is necessary to use a binder in order to apply them to walls or incorporate them into equipment. However, there is concern that the binder will also be decomposed by the decomposing power of the photocatalyst itself, and as decomposition progresses, it is assumed that the detachment of the photocatalyst will lead to deterioration of the performance of the photocatalyst and health hazards due to the scattering of fine powder. . In addition, in order to ensure sufficient adhesion, it is necessary to increase the amount of binder, which tends to cause a decrease in activity due to a decrease in the amount of catalyst.
<多孔質シリカの有用性>
このような課題に対し、触媒活性が発現せず、可視領域から紫外領域の光に対して透光性を有する担体に形成された細孔の内部に光触媒を固定する構成が考えられる。例えば、このような構成を実現する材料として、多孔質シリカが有望である。そして、多孔質シリカは、吸着材の役割も果たすことから、多孔質シリカを使用することで、吸着材と光触媒を複合化すること可能となる。すなわち、多孔質シリカを使用することにより、多孔質シリカの吸着機能で悪臭物質等の有機物を効率よく集めることができるとともに、多孔質シリカに設けられた細孔に埋め込まれた光触媒への有機物の接触確率を高めることができるため、光触媒の活性向上を図ることができるものと期待される。
<Usefulness of porous silica>
In order to solve such a problem, it is conceivable to fix a photocatalyst inside pores formed in a carrier that does not exhibit catalytic activity and is transparent to light in the visible region to the ultraviolet region. For example, porous silica is promising as a material that realizes such a configuration. Since porous silica also serves as an adsorbent, the use of porous silica makes it possible to combine an adsorbent and a photocatalyst. That is, by using porous silica, organic substances such as malodorous substances can be efficiently collected by the adsorption function of the porous silica, and the organic substances can be transferred to the photocatalyst embedded in the pores provided in the porous silica. Since the probability of contact can be increased, it is expected that the activity of the photocatalyst can be improved.
<量子ドットの適用>
ここで、光触媒を商業ベースに乗せるためには効率が重要である。この点に関し、光触媒の活性を向上させるためには、触媒粒子のサイズを小さくして、比表面積を増大させることが有用である。また、多くの揮発性有機化合物(VOC)の分子サイズが1nm以下であることから、悪臭等の原因となる揮発性有機化合物の吸着には1nm前後の細孔を有する多孔質シリカが有効である。本発明者は、これまでに、直径が0.5nm~2.0nm程度の細孔(スーパーミクロ孔)を有する多孔質シリカ(スーパーマイクロポーラスシリカ:SMPS)を開発して、高いVOC吸着能を示すことを報告している。
<Application of quantum dots>
Here, efficiency is important for putting photocatalysts on a commercial basis. In this regard, it is useful to reduce the size of the catalyst particles to increase the specific surface area in order to improve the activity of the photocatalyst. In addition, since the molecular size of many volatile organic compounds (VOCs) is 1 nm or less, porous silica with pores of around 1 nm is effective for adsorbing volatile organic compounds that cause offensive odors. . The present inventor has so far developed porous silica (super microporous silica: SMPS) having pores (super micropores) with a diameter of about 0.5 nm to 2.0 nm, and has a high VOC adsorption capacity. It is reported that
そこで、この多孔質シリカ(SMPS)と光触媒とを組み合わせて、光触媒粒子の直径を0.5n~2.0nm程度まで低下させた量子ドットによる活性向上を目指すことも、量子サイズ効果による酸化還元準位の拡大や比表面積の増大などの利点があるため有効であると考えられる。さらには、多孔質シリカ(SMPS)の細孔の内部に光触媒材料を導入することにより、バインダと光触媒材料との間には、担体である多孔質シリカが介在することから、光触媒材料とバインダとの直接接触が抑制される。この結果、光触媒材料とバインダとの直接接触に起因するバインダの分解を抑制できる観点からも有効であると考えられる。 Therefore, by combining this porous silica (SMPS) and a photocatalyst, aiming to improve the activity by quantum dots in which the diameter of the photocatalyst particle is reduced to about 0.5 nm to 2.0 nm, it is also possible It is considered to be effective because it has advantages such as expansion of the site and increase in specific surface area. Furthermore, by introducing the photocatalyst material into the pores of the porous silica (SMPS), the porous silica as a carrier is interposed between the binder and the photocatalyst material, so that the photocatalyst material and the binder direct contact is suppressed. As a result, it is considered effective from the viewpoint of suppressing decomposition of the binder due to direct contact between the photocatalyst material and the binder.
本発明者は、以前に多孔質シリカ(SMPS)の細孔を利用して、酸化タングステンや酸化チタンなどの光触媒材料を0.5nm~2.0nm程度の量子ドットで形成することに成功している。例えば、酸化タングステンからなる光触媒材料を量子ドットで形成する場合においては、バルク状態の光触媒材料では進行しない酸素の光還元やプロトンの光還元反応が、量子ドットの光触媒材料では進行するようになることを見出した。すなわち、酸化タングステンの場合、バルクからなる光触媒材料では、正孔に起因して生成されるラジカル(・OH等)の持つ強力な酸化力によって、光触媒機能が実現されるが、励起電子のもつエネルギー準位がプロトンや酸素の還元準位を下回るため励起電子を有効に用いることができない。これに対し、量子ドットからなる光触媒材料では、価電子帯に形成された正孔に起因して生成されるラジカル(・OH等)の持つ強力な酸化力によって実現される光触媒機能だけでなく、伝導帯に励起された電子が酸素に結合することによって生成される反応性の高いスーパーオキシドアニオンラジカル(O2 -・等)で実現される光触媒機能も発現する。この結果、量子ドットからなる光触媒材料では、正孔に起因する光触媒機能と電子に起因する光触媒機能との相乗効果が高まり、光触媒の活性を向上できることができると期待されている。すなわち、量子ドットからなる光触媒材料では、量子サイズ効果に起因するバンドギャップの拡大によって、例えば、価電子帯の上端の準位が、バルクからなる光触媒材料の価電子帯の上端の準位よりも低くなる。このことは、バルクからなる光触媒材料よりも量子ドットからなる光触媒材料のほうが、例えば、水酸化物イオンの酸化準位よりも価電子帯に形成される正孔の準位がより低くなることを意味する。そして、このことは、水酸化物イオンから正孔に電子が移動しやすくなることを意味し、これは、バルクからなる光触媒材料よりも量子ドットからなる光触媒材料のほうが、強力な酸化力を有するラジカル(・OH等)が形成されやすくなることを意味する(利点1)。さらに、量子ドットからなる光触媒材料では、量子サイズ効果に起因するバンドギャップの拡大によって、例えば、伝導帯の下端の準位が、バルクからなる光触媒材料の伝導帯の下端の準位よりも高くなる。この結果、例えば、バルクからなる光触媒材料の伝導帯の下端と酸素の還元準位との間のエネルギー差よりも、量子ドットからなる光触媒材料の伝導帯の下端と酸素の還元準位との間のエネルギー差が大きくなる。このことは、バルクからなる光触媒材料において、伝導帯に励起された電子が酸素の還元準位に遷移して、酸素が還元される現象が生じる確率よりも、量子ドットからなる光触媒材料において、伝導帯に励起された電子が酸素の還元準位に遷移して、酸素が還元される現象が生じる確率のほうが高くなることを意味する。この結果、量子ドットからなる光触媒材料では、伝導帯に励起された電子が酸素に供給されて、酸素が還元される結果、反応性の高いスーパーオキシドアニオンラジカル(O2-・等)が生成されやすくなる。したがって、量子サイズ効果に起因するバンドギャップの拡大によって、バルクからなる光触媒材料よりも、量子ドットからなる光触媒材料のほうが、スーパーオキシドアニオンラジカル(O2-・等)で実現される光触媒機能も発現しやすくなるのである(利点2)。 The present inventor has previously succeeded in forming photocatalyst materials such as tungsten oxide and titanium oxide with quantum dots of about 0.5 nm to 2.0 nm using the pores of porous silica (SMPS). there is For example, when a photocatalyst material made of tungsten oxide is formed with quantum dots, photoreduction of oxygen and photoreduction of protons, which do not proceed with the photocatalyst material in the bulk state, proceed with the photocatalyst material of the quantum dots. I found That is, in the case of tungsten oxide, the photocatalytic function of bulk photocatalytic materials is realized by the strong oxidizing power of radicals (.OH, etc.) generated by holes, but the energy of excited electrons Excited electrons cannot be effectively used because the level is lower than the reduction level of protons and oxygen. In contrast, the photocatalyst material composed of quantum dots not only has a photocatalytic function realized by the strong oxidizing power of radicals (OH, etc.) generated due to holes formed in the valence band, but also A photocatalytic function realized by highly reactive superoxide anion radicals (O 2 - , etc.) generated by binding of electrons excited in the conduction band to oxygen is also exhibited. As a result, it is expected that the photocatalyst material composed of quantum dots will enhance the synergistic effect between the photocatalyst function caused by holes and the photocatalyst function caused by electrons, and can improve the activity of the photocatalyst. That is, in the photocatalyst material composed of quantum dots, due to the expansion of the bandgap due to the quantum size effect, for example, the upper end level of the valence band is lower than the upper end level of the valence band of the bulk photocatalyst material. lower. This means that, for example, the level of holes formed in the valence band is lower than the oxidation level of hydroxide ions in a photocatalytic material composed of quantum dots than in a photocatalytic material composed of a bulk. means. This means that electrons are more likely to move from hydroxide ions to holes, and this is because the photocatalyst material composed of quantum dots has a stronger oxidizing power than the bulk photocatalyst material. This means that radicals (.OH, etc.) are easily formed (advantage 1). Furthermore, in a photocatalyst material composed of quantum dots, due to the expansion of the bandgap due to the quantum size effect, for example, the bottom level of the conduction band becomes higher than the bottom level of the conduction band of the bulk photocatalyst material. . As a result, for example, the energy difference between the lower end of the conduction band of the photocatalytic material made of quantum dots and the reduced level of oxygen is higher than the energy difference between the lower end of the conduction band of the photocatalytic material made of bulk and the reduced level of oxygen. energy difference increases. In the photocatalyst material consisting of quantum dots, the probability of occurrence of a phenomenon in which the electron excited in the conduction band transitions to the reduction level of oxygen and the oxygen is reduced in the photocatalyst material consisting of the quantum dots is higher than that of the conduction band. This means that the electrons excited in the band are more likely to transition to the reduction level of oxygen and reduce oxygen. As a result, in the photocatalyst material composed of quantum dots, electrons excited in the conduction band are supplied to oxygen, and oxygen is reduced, resulting in generation of highly reactive superoxide anion radicals (O 2 -, etc.). easier. Therefore, due to the expansion of the bandgap due to the quantum size effect, the photocatalyst material composed of quantum dots exhibits a photocatalytic function realized by superoxide anion radicals (O 2 -, etc.) more than the bulk photocatalyst material. (advantage 2).
以上のことから、量子ドットからなる光触媒材料では、上述した(利点1)と(利点2)との相乗効果によって、光触媒の活性を向上できると考えられている。 From the above, it is considered that the photocatalyst material composed of quantum dots can improve the activity of the photocatalyst due to the synergistic effect of the above-mentioned (advantage 1) and (advantage 2).
そして、量子ドットからなる光触媒材料と多孔質シリカ(SMPS)との複合材料は、上述したように、高性能吸着材と光触媒材料との複合体となっており、揮発性有機化合物の吸着や光分解などに代表される種々の光触媒反応に有効であると考えられている。 As described above, the composite material of the photocatalyst material composed of quantum dots and the porous silica (SMPS) is a composite of the high-performance adsorbent and the photocatalyst material. It is considered to be effective for various photocatalytic reactions such as decomposition.
<改善の余地>
ところが、研究の中で、多孔質シリカ(SMPS)の細孔の内部に酸化チタンからなる量子ドットを形成する場合、バルク状態の酸化チタンやナノ粒子の酸化チタンと比較して、光触媒活性が大幅に低下することが判明した。すなわち、上述したように、量子ドットからなる光触媒材料では、正孔に起因する光触媒機能と電子に起因する光触媒機能との相乗効果によって、光触媒の活性を向上できることができると期待されているのに対し、現実には、光触媒活性が大幅に低下する現象が生じている。
<Room for improvement>
However, in our research, when forming quantum dots made of titanium oxide inside the pores of porous silica (SMPS), the photocatalytic activity is significantly higher than that of bulk titanium oxide or nanoparticle titanium oxide. was found to decrease to That is, as described above, in a photocatalytic material composed of quantum dots, it is expected that the photocatalytic activity can be improved by the synergistic effect of the photocatalytic function caused by holes and the photocatalytic function caused by electrons. On the other hand, in reality, a phenomenon occurs in which the photocatalytic activity is greatly reduced.
この光触媒活性低下の原因は、以下のように考えられる。すなわち、量子ドットからなる光触媒材料の場合、粒子サイズが非常に小さくなる結果、粒子サイズが励起子のボーア半径よりも小さくなってしまうのである。このことは、光の照射で発生した電子正孔対が再結合する確率が高くなることを意味する。すなわち、量子ドットからなる光触媒材料では、光の照射で発生した電子正孔対の間の距離が安定的な励起子を形成する距離よりも短くなるため、電子正孔対が励起子として安定的に存在することができず、お互いに近づいて再結合してしまう確率が高くなるのである。つまり、量子ドットからなる光触媒材料の場合、粒子サイズが非常に小さくなることから、光の照射で発生した電子正孔対において、電子と正孔の空間的な電荷分離が困難となるのである。このことから、量子ドットからなる光触媒材料では、電子正孔対の再結合確率の増大によって、光触媒活性の低下が生じると考えられている。このように、量子ドットからなる光触媒材料は、正孔に起因する光触媒機能と電子に起因する光触媒機能との相乗効果によって、光触媒の活性を大幅に向上できるポテンシャルを秘めているにも関わらず、粒子サイズの小さな量子ドットに特有の要因によって、かえって光触媒活性の低下が生じてしまうのである。 The cause of this decrease in photocatalytic activity is considered as follows. That is, in the case of a photocatalyst material composed of quantum dots, the particle size becomes very small, and as a result, the particle size becomes smaller than the Bohr radius of excitons. This means that the electron-hole pairs generated by light irradiation are more likely to recombine. In other words, in photocatalyst materials composed of quantum dots, the distance between electron-hole pairs generated by light irradiation is shorter than the distance at which stable excitons are formed, so the electron-hole pairs are stable as excitons. are unable to exist within each other and are more likely to recombine as they approach each other. In other words, in the case of a photocatalyst material composed of quantum dots, since the particle size is extremely small, spatial charge separation of electrons and holes in electron-hole pairs generated by light irradiation becomes difficult. For this reason, it is believed that photocatalytic activity decreases in photocatalytic materials composed of quantum dots due to an increase in the recombination probability of electron-hole pairs. Thus, the photocatalytic material composed of quantum dots has the potential to significantly improve the activity of the photocatalyst due to the synergistic effect of the photocatalytic function caused by the holes and the photocatalytic function caused by the electrons. Factors unique to quantum dots with small particle sizes actually reduce the photocatalytic activity.
したがって、多孔質シリカ(SMPS)の細孔の内部に形成した量子ドットからなる光触媒材料において、電子正孔対の空間的な電荷分離を実現できれば、光触媒活性を飛躍的に向上することができるものと考えられる。そこで、本実施の形態1では、光触媒の活性を大幅に向上できるポテンシャルを秘めている量子ドットからなる光触媒材料において、電子正孔対の空間的な電荷分離を実現するための工夫を施している。以下では、この工夫を施した本実施の形態1における技術的思想について説明する。 Therefore, in a photocatalyst material composed of quantum dots formed inside the pores of porous silica (SMPS), if spatial charge separation of electron-hole pairs can be realized, the photocatalytic activity can be dramatically improved. it is conceivable that. Therefore, in Embodiment 1, a photocatalyst material composed of quantum dots, which has the potential to significantly improve photocatalytic activity, is devised to achieve spatial charge separation of electron-hole pairs. . In the following, the technical idea of the first embodiment with this contrivance will be described.
<光触媒の構造>
図1は、本実施の形態1における光触媒20の模式的な構造を示す図である。図1において、本実施の形態1における光触媒20は、例えば、多孔質シリカ(SiO2)10からなる担体を有しており、この担体には、量子サイズ効果が生じる径の量子ドットの鋳型となる径の細孔11が形成されている。例えば、多孔質シリカ10からなる担体に形成されている細孔11の径は、0.5nm以上2.0nm以下であり、1.0nm程度であることが望ましい。
<Structure of photocatalyst>
FIG. 1 is a diagram showing a schematic structure of a
そして、図1に示すように、多孔質シリカに形成された細孔11には、例えば、量子ドットの酸化チタン12aが埋め込まれている。すなわち、多孔質シリカに形成された細孔11には、量子サイズ効果が発現する量子ドットが埋め込まれており、この量子ドットは、光触媒材料である酸化チタン12aから構成されている。
As shown in FIG. 1, the
さらに、図1に示す本実施の形態1における光触媒20は、細孔11に埋め込まれた量子ドットからなる酸化チタン12aだけでなく、担体(多孔質シリカ10)の表面に形成されている細孔11からはみ出したナノ粒子からなる酸化チタン12bが形成されている。このとき、図1に示すように、量子ドットからなる酸化チタン12aと、ナノ粒子からなる酸化チタン12bとは一体的に形成されている。このように、本実施の形態1における光触媒20は、多孔質シリカに形成された細孔11に埋め込まれた量子ドットからなる酸化チタン12a(第1部分)と、細孔11の外部にはみ出たナノ粒子からなる酸化チタン12bとを含むように構成されている。
Furthermore, the
ここで、量子ドットを構成する酸化チタン12aの粒子径は、ナノ粒子を構成する酸化チタン12bの粒子径よりも小さくなっている。言い換えれば、ナノ粒子を構成する酸化チタン12bの粒子径は、量子ドットを構成する酸化チタン12aの粒子径よりも大きくなっている。例えば、量子ドットを構成する酸化チタン12aの粒子径は、0.5nm以上2.0nm以下である。一方、例えば、ナノ粒子を構成する酸化チタン12bの粒子径は、5nm以上50nm以下である。
Here, the particle size of the
<空間的な電荷分離のメカニズム>
続いて、図1に示す構造を有する光触媒20によれば、光触媒20に光を照射することにより発生する電子正孔対の空間的な電荷分離を実現できることについて説明する。
<Mechanism of spatial charge separation>
Next, the fact that the
図2は、図1に示す構造を有する光触媒20のバンドを示す図である。図2において、多孔質シリカ10からなる担体に隣接して、細孔11に埋め込まれた量子ドットからなる酸化チタン12aのバンドが示されており、この量子ドットからなる酸化チタン12aに隣接してナノ粒子からなる酸化チタン12bのバンドが示されている。
FIG. 2 is a diagram showing bands of the
図2において、量子ドットからなる酸化チタン12aにおいては、バンドギャップが拡大するという量子サイズ効果が生じる。これに対し、ナノ粒子からなる酸化チタン12bにおいては、量子サイズ効果を発現せずに、バンドギャップの拡大は生じない。この結果、図2に示すように、量子ドットからなる酸化チタン12aとナノ粒子からなる酸化チタン12bとの境界領域において、バンドが傾斜する。具体的には、量子ドットからなる酸化チタン12aのバンドギャップが拡大するため、量子ドットからなる酸化チタン12aの伝導帯は、ナノ粒子からなる酸化チタン12bの伝導帯よりもエネルギーの高い位置に存在する。これにより、図2に示すように、量子ドットからなる酸化チタン12aからナノ粒子からなる酸化チタン12bに向って、下降するように伝導帯のバンドが傾斜する。
In FIG. 2, in the
ここで、量子ドットからなる酸化チタン12aにおいて、光が照射されると、価電子帯から伝導帯に電子が励起されるが、伝導帯に励起された電子は、量子ドットからなる酸化チタン12aからナノ粒子からなる酸化チタン12bに向って下降するように傾斜する伝導帯に沿って移動する。すなわち、図2に示すように、量子ドットからなる酸化チタン12aの伝導帯に励起された電子は、よりエネルギーの低いナノ粒子からなる酸化チタン12bの伝導帯に移動する。これによって、量子ドットからなる酸化チタン12aの価電子帯に生成されている正孔と、量子ドットからなる酸化チタン12aの伝導帯からナノ粒子からなる酸化チタン12bの伝導帯に移動した電子との間の空間的な距離が増大する。このことは、光の照射で発生した電子正孔対の再結合確率が減少することを意味する。したがって、本実施の形態1における光触媒20によれば、量子ドットからなる光触媒材料に特有の構造(サイズ縮小構造)に起因した電子正孔対の再結合確率の増大を抑制できる結果、正孔に起因する光触媒機能と電子に起因する光触媒機能との相乗効果を得ることができ、これによって、光触媒の活性を大幅に向上することができる。
Here, when the
本実施の形態1における基本思想は、基本的に、正孔に起因する光触媒機能と電子に起因する光触媒機能との相乗効果を得ることができる量子ドットからなる光触媒材料を採用することを前提とする。そして、本実施の形態1における基本思想は、電子正孔対の空間的な電荷分離が困難であるという量子ドットで顕在化する課題を、例えば、図1に示すように、量子ドットからなる酸化チタン12aと一体化するように、ナノ粒子からなる酸化チタン12bを形成することで解決する思想である。すなわち、本実施の形態1における基本思想は、量子ドットからなる酸化チタン12aとナノ粒子からなる酸化チタン12bとを一体的に接続する思想である。この本実施の形態1における基本思想によれば、量子サイズ効果によって、バンドギャップが拡大した量子ドットからなる酸化チタン12aの伝導帯から、量子サイズ効果が顕在化しないナノ粒子からなる酸化チタン12bの伝導帯との間に傾斜を生じさせることができる。この結果、本実施の形態1における基本思想によれば、量子ドットからなる酸化チタン12aで発生した電子を伝導帯の傾斜を利用して、ナノ粒子からなる酸化チタン12bに移動できることから、量子ドットからなる酸化チタン12aに局在している正孔と、ナノ粒子からなる酸化チタン12bに移動した電子との空間的な距離を増大させることができる。したがって、本実施の形態1における基本思想によれば、電子正孔対の空間的な電荷分離が困難であるという量子ドットで顕在化する課題を解決できる結果、量子ドットからなる光触媒材料に特有の正孔に起因する光触媒機能と電子に起因する光触媒機能との相乗効果を得ることができる。つまり、本実施の形態1における基本思想によれば、量子ドットからなる光触媒材料が本来持つ優れた光触媒機能を引き出すことができる結果、大幅な光触媒活性の向上を図ることができる。
The basic concept of the first embodiment is basically based on the premise that a photocatalyst material composed of quantum dots capable of obtaining a synergistic effect between the photocatalyst function caused by holes and the photocatalyst function caused by electrons is adopted. do. The basic idea of the first embodiment is to solve the problem of the difficulty of spatial charge separation of electron-hole pairs, which is manifested in quantum dots, by, for example, oxidizing quantum dots as shown in FIG. The idea is to solve the problem by forming the
このように、本実施の形態1では、例えば、図1に示すように、多孔質シリカ10に形成されている細孔11に、0.5nm以上2.0nm以下の径を有する量子ドットからなる酸化チタン12aを形成する一方、多孔質シリカ10の表面にナノ粒子からなる光触媒材料を形成して、複合体からなる光触媒20を得ている。これにより、光照射によって生成される電子正孔対を量子ドットとナノ粒子とに空間的に分離することができる。これにより、例えば、市販されている酸化チタンに比べて、数十倍から数百倍の光触媒活性を得ることができる。そして、本実施の形態1における光触媒20では、複合体からなる光触媒材料は、多孔質シリカ10からなる担体に形成されているため、多孔質シリカによる高い吸着能と、複合体からなる光触媒材料の高い光触媒活性との相乗効果によって、例えば、揮発性有機化合物(VOC)などの光分解反応に対して、非常に高い活性が得られる。
Thus, in Embodiment 1, for example, as shown in FIG. While forming the
<光触媒の製造方法>
次に、本実施の形態1における光触媒の製造方法について説明する。
<Method for producing photocatalyst>
Next, a method for producing a photocatalyst according to Embodiment 1 will be described.
図3は、本実施の形態1における光触媒の製造工程の流れを説明するフローチャートである。図3に示すように、まず、既知の方法で、量子サイズ効果が生じる径の量子ドットの鋳型となる径の細孔が形成された担体を形成した後、この担体を容器に入れる(S101)。次に、担体が入れられた容器に光触媒材料の前駆体を注入する(S102)。そして、前駆体が注入された容器の内部を減圧乾燥する(S103)。続いて、容器から担体を取り出した後(S104)、担体を焼成する(S105)。以上のようにして、光触媒を製造することができる。 FIG. 3 is a flow chart for explaining the flow of the photocatalyst manufacturing process according to the first embodiment. As shown in FIG. 3, first, a carrier having pores having a diameter that serves as a template for quantum dots having a diameter that causes the quantum size effect is formed by a known method, and then the carrier is placed in a container (S101). . Next, the precursor of the photocatalyst material is injected into the container containing the carrier (S102). Then, the inside of the container into which the precursor is injected is dried under reduced pressure (S103). Subsequently, after taking out the carrier from the container (S104), the carrier is calcined (S105). A photocatalyst can be produced as described above.
<<実施例1>>
以下では、光触媒の製造方法の具体的な実施例1について説明する。
<<Example 1>>
Specific Example 1 of the method for producing a photocatalyst will be described below.
図4(a)~(d)は、実施例1における光触媒の製造工程の流れを示す模式図である。図5(a)~(c)は、図4(a)~(d)に示す光触媒の製造工程を経ることによって、細孔を有する多孔質シリカに量子ドットからなる光触媒材料とナノ粒子からなる光触媒材料とを含む複合体が形成される過程を模式的に示す図である。 4(a) to (d) are schematic diagrams showing the flow of the photocatalyst manufacturing process in Example 1. FIG. FIGS. 5(a) to (c) show photocatalyst materials composed of quantum dots in porous silica having pores and nanoparticles by going through the photocatalyst manufacturing process shown in FIGS. 4(a) to (d). FIG. 4 is a diagram schematically showing the process of forming a composite containing a photocatalyst material.
まず、平均径が1.0nmの細孔を有する多孔質シリカ10(SMPS)を既知の方法で作製する。具体的には、ポリプロピレン製容器に、シリカ源としてテトラエトキシシラン(TEOS)を8g(0.038mol;1eq)入れる。続いて、界面活性剤であるヘキシルトリメチルアンモニウムブロミド(C6TAB)(0.0075mol~0.038mol)を分散させて撹拌する。そして、ここに塩酸を用いてpH2に調整した水を2.74g(0.152mol;4eq)入れて、室温で撹拌することにより、ゲル化させる。このゲルを60℃で乾燥させ、かつ、600℃で3時間焼成し、界面活性剤を除去する。これにより、平均径が1.0nmの細孔(スーパミクロ孔)を有する多孔質シリカ10を得ることができる。
First, porous silica 10 (SMPS) having pores with an average diameter of 1.0 nm is produced by a known method. Specifically, 8 g (0.038 mol; 1 eq) of tetraethoxysilane (TEOS) as a silica source is placed in a polypropylene container. Subsequently, hexyltrimethylammonium bromide (C6TAB) (0.0075 mol to 0.038 mol), which is a surfactant, is dispersed and stirred. Then, 2.74 g (0.152 mol; 4 eq) of water adjusted to
次に、このようにして作製した多孔質シリカ10を使用して、実施例1における光触媒を作製する。本実施例1では、光触媒材料として酸化チタンを使用し、この酸化チタンの前駆体として塩化チタン(III)水溶液(20重量%)を使用する。本実施例1では、光触媒の合成方法として、真空含漬法を使用する。
Next, the photocatalyst in Example 1 is produced using the
具体的には、まず、平均径が1.0nmの細孔を有する多孔質シリカ10を乳鉢で粉砕して粉末状にする。続いて、図4(a)に示すように、粉末状の多孔質シリカ10を容器(ナスフラスコ)30に入れる。その後、粉末状の多孔質シリカ10を一昼夜減圧乾燥することにより、多孔質シリカ10に吸着している吸着水を除去する。この多孔質シリカ10に形成されている細孔11が図5(a)に示されている。
Specifically, first,
その後、図4(b)に示すように、容器30を減圧した状態で、多孔質シリカ10に形成されている細孔11の容積と等しい量の塩化チタン水溶液をシリンジにて注入した後、紛体を撹拌することにより、塩化チタン水溶液の一部を多孔質シリカ10の細孔11に浸み込ませる。図5(b)には、細孔11の内部に塩化チタン水溶液からなる前駆体31が浸み込み、かつ、細孔11の外部にも塩化チタン水溶液からなる前駆体31が存在する状態が示されている。
After that, as shown in FIG. 4(b), in a state where the
続いて、例えば、真空ポンプを使用して、徐々に容器30の内部に真空引きを実施する。このとき、真空ポンプの能力は、0.5Pa以上の能力があれば充分であり、真空引きの時間は、例えば、30分以内である。その後、容器30の内部を真空状態に維持したまま、3日未満の時間範囲で、前駆体31が浸み込んだ多孔質シリカ10を乾燥させる。ここで、乾燥時間は、1日程度が望ましく、真空度によっては、5時間程度でも充分である。この工程を経ることにより、はみ出したままの状態を保持したまま(図5(c))前駆体31が乾燥する。
Subsequently, the interior of the
次に、容器30から乾燥した多孔質シリカ10を取り出した後、空気中で、かつ、450℃で焼成することにより、実施例1における光触媒20を作製することができる。具体的に、図5(c)には、多孔質シリカ10の細孔11に量子ドットからなる酸化チタンの前駆体の乾燥体12a’が形成されるとともに、細孔11からはみ出すようにナノ粒子の前駆体の乾燥体12b’が形成されている光触媒の前駆体20’が示されている。
Next, after taking out the dried
図6は、実施例1における光触媒のTEM画像である。図6から、直径0.5nm~2.0nmの量子ドットからなる第1部分(「(a)」)と、直径5nm~50nmのナノ粒子からなる第2部分(「(b)」)とを含む複合体から光触媒が構成されていることがわかる。 6 is a TEM image of the photocatalyst in Example 1. FIG. From FIG. 6, the first part (“(a)”) consisting of quantum dots with a diameter of 0.5 nm to 2.0 nm and the second part (“(b)”) consisting of nanoparticles with a diameter of 5 nm to 50 nm It can be seen that the photocatalyst is composed of the complex containing
<比較例1>
比較例1における光触媒は、市販されているdegussa製p25酸化チタン(0.1g)である。
<Comparative Example 1>
The photocatalyst in Comparative Example 1 is a commercially available p25 titanium oxide (0.1 g) manufactured by degussa.
<比較例2>
比較例2における光触媒は、平均径が3nmの細孔を有する多孔質シリカ(以下、メソポーラスシリカという)に酸化チタンからなる光触媒材料を加えた光触媒である。具体的に、比較例2における光触媒は、以下のようにして作製される。すなわち、メソポーラスシリカの粉末をナスフラスコ内で一昼夜減圧乾燥し、メソポーラスシリカに吸着している吸着水を除去する。その後、減圧下で、メソポーラスシリカの細孔容積と等しい量の塩化チタン水溶液をシリンジにて注入し、紛体を撹拌して塩化チタン水溶液を細孔内に浸みこませる。そして、再度、一昼夜減圧乾燥した後、乾燥した試料を空気中で、かつ、450℃で焼成することにより、比較例2における光触媒を得ることができる。
<Comparative Example 2>
The photocatalyst in Comparative Example 2 is a photocatalyst in which a photocatalyst material made of titanium oxide is added to porous silica having pores with an average diameter of 3 nm (hereinafter referred to as mesoporous silica). Specifically, the photocatalyst in Comparative Example 2 is produced as follows. That is, the mesoporous silica powder is dried under reduced pressure in an eggplant flask for a whole day and night to remove the water adsorbed on the mesoporous silica. Then, under reduced pressure, an aqueous solution of titanium chloride in an amount equal to the pore volume of the mesoporous silica is injected with a syringe, and the powder is stirred to allow the aqueous titanium chloride solution to permeate into the pores. Then, the photocatalyst in Comparative Example 2 can be obtained by drying again under reduced pressure for one day and night, and then calcining the dried sample in the air at 450°C.
<比較例3>
比較例3における光触媒は、多孔質シリカの細孔内にのみ光触媒材料を形成した光触媒である。具体的に、比較例3における光触媒は、以下のようにして作製される。すなわち、平均1.1nmの径を有する多孔質シリカを塩化チタン(III)水溶液(20重量%)に浸漬する。そして、多孔質シリカの表面をエタノールで洗浄する。次に、減圧乾燥した後、600℃で3時間焼成することにより、比較例3における光触媒を得ることができる。
<Comparative Example 3>
The photocatalyst in Comparative Example 3 is a photocatalyst in which a photocatalyst material is formed only in the pores of porous silica. Specifically, the photocatalyst in Comparative Example 3 is produced as follows. That is, porous silica having an average diameter of 1.1 nm is immersed in an aqueous titanium (III) chloride solution (20% by weight). Then, the surface of the porous silica is washed with ethanol. Next, after drying under reduced pressure, the photocatalyst in Comparative Example 3 can be obtained by firing at 600° C. for 3 hours.
この比較例3における光触媒のスペクトルの吸収端は、3.5eVであり、かつ、バンドギャップから計算した粒径は、約1.1nmである。このことから、比較例3における光触媒では、多孔質シリカに形成されている細孔の径と同程度の大きさを有する量子ドットが形成されていることがわかる。一方、比較例3における光触媒では、バルクの酸化チタンに起因する3.2eVの吸収は見られなかったことから、細孔外部にはバルクの酸化チタンは存在せず、比較例3における光触媒では、多孔質シリカに形成されている細孔の内部にのみ存在する酸化チタンからなる量子ドットが形成されていることがわかる。 The spectral absorption edge of the photocatalyst in Comparative Example 3 is 3.5 eV, and the particle size calculated from the bandgap is about 1.1 nm. From this, it can be seen that in the photocatalyst of Comparative Example 3, quantum dots having approximately the same size as the diameter of the pores formed in the porous silica are formed. On the other hand, in the photocatalyst of Comparative Example 3, since no absorption of 3.2 eV due to bulk titanium oxide was observed, bulk titanium oxide did not exist outside the pores. It can be seen that quantum dots made of titanium oxide are formed only inside the pores formed in the porous silica.
<比較例4>
比較例4における光触媒は、前駆体である塩化チタン水溶液の濃度を20重量%から5重量%に低下させること以外は、実施例1における光触媒と同様な方法で作製した光触媒である。
<Comparative Example 4>
The photocatalyst in Comparative Example 4 was prepared in the same manner as the photocatalyst in Example 1, except that the concentration of the precursor titanium chloride aqueous solution was reduced from 20% by weight to 5% by weight.
<効果の検証>
次に、上述した実施例1と比較例1~4とを比較することにより、実施例1における光触媒の優位性について説明する。特に、実施例1における光触媒の優位性は、犠牲試薬を含む水分解による水素生成で行なっている。具体的には、0.1gのサンプル(光触媒)を犠牲試薬(エタノール)が20体積%含まれる水に投入した後、撹拌しながらアルゴンガスを一時間バブリングして、溶存気体とヘッドスペースの気体をアルゴンで置換する。その後、超高圧水銀ランプを使用して、紫外線を照射する。ヘッドスペースのガス成分の経時変化をガスクロマトグラフで分析することにより、系内の水素の量を測定する。
<Verification of effect>
Next, the superiority of the photocatalyst in Example 1 will be described by comparing Example 1 and Comparative Examples 1 to 4 described above. In particular, the predominance of the photocatalyst in Example 1 is carried out in hydrogen production by water splitting containing a sacrificial reagent. Specifically, 0.1 g of the sample (photocatalyst) was put into water containing 20% by volume of the sacrificial reagent (ethanol), and then argon gas was bubbled for one hour while stirring to remove the dissolved gas and the gas in the headspace. is replaced with argon. After that, an ultra-high pressure mercury lamp is used to irradiate ultraviolet rays. The amount of hydrogen in the system is measured by analyzing the change over time of the gas components in the headspace with a gas chromatograph.
なお、多孔質シリカ中の酸化チタンの量は、蛍光X線装置のバルクFP法を使用して割り出している。また、多孔質シリカに形成されている細孔の平均径は、N2吸着法のGCMC解析法によって割り出している。 The amount of titanium oxide in the porous silica is determined using the bulk FP method of a fluorescent X-ray device. Also, the average diameter of the pores formed in the porous silica is determined by the GCMC analysis method of the N 2 adsorption method.
図7は、紫外線の照射時間と水素発生量との関係を示すグラフである。図7のグラフ(a)は、実施例1における光触媒を使用した場合の結果を示している。一方、図7のグラフ(b)は、比較例1における光触媒を使用した場合の結果を示しており、グラフ(c)は、比較例2における光触媒を使用した場合の結果を示している。また、図7のグラフ(d)は、比較例3における光触媒を使用した場合の結果を示しており、グラフ(e)は、比較例4における光触媒を使用した場合の結果を示している。 FIG. 7 is a graph showing the relationship between the irradiation time of ultraviolet rays and the amount of hydrogen generated. Graph (a) in FIG. 7 shows the results when the photocatalyst in Example 1 was used. On the other hand, graph (b) in FIG. 7 shows the results when the photocatalyst in Comparative Example 1 is used, and graph (c) shows the results when the photocatalyst in Comparative Example 2 is used. Graph (d) in FIG. 7 shows the results when the photocatalyst in Comparative Example 3 is used, and graph (e) shows the results when the photocatalyst in Comparative Example 4 is used.
図7に示すように、実施例1における光触媒を使用した場合の水素発生量は、比較例1~4における光触媒を使用した場合の水素発生量よりも大幅に多いことがわかる。これは、実施例1における光触媒の性能が、比較例1~4における光触媒の性能よりも優れていることを意味している。さらに、詳細に検討すると、比較例2における光触媒は、平均径が3nmの細孔を有する多孔質シリカに酸化チタンからなる光触媒材料を加えた光触媒であり、酸化チタンの粒子サイズが大きくなっているため、顕著な量子サイズ効果は発現しない。この比較例2における光触媒では、図7のグラフ(c)に示すように、水素の発生はほとんど見られない。このことから、実施例1の光触媒のように、量子サイズ効果が顕著に発現する0.5nm以上2.0nm以下の量子ドットからなる光触媒材料と、直径が5nm以上50nm以下のナノ粒子からなる光触媒材料とを複合化させることが、光触媒活性を向上する観点から重要であることがわかる。また、比較例3における光触媒は、平均径が1.1nmの細孔を有する多孔質シリカの細孔の内部にのみ酸化チタンからなる量子ドットが形成されている光触媒である。この比較例3における光触媒では、図7のグラフ(e)に示すように、水素の発生がほとんどないことがわかる。したがって、比較例3における光触媒のように、平均径が1.1nmの細孔を有する多孔質シリカの細孔の内部にのみ酸化チタンからなる量子ドットが形成されている光触媒では、水素の発生に寄与する光触媒機能はほとんどないことがわかる。このことから、実施例1の光触媒のように、量子サイズ効果が顕著に発現する0.5nm以上2.0nm以下の量子ドットからなる光触媒材料と、直径が5nm以上50nm以下のナノ粒子からなる光触媒材料とを複合化させた場合に水素の発生に寄与する高い光触媒機能を実現できることがわかる。 As shown in FIG. 7, the amount of hydrogen generated when the photocatalyst in Example 1 is used is significantly larger than the amount of hydrogen generated when the photocatalysts in Comparative Examples 1-4 are used. This means that the performance of the photocatalyst in Example 1 is superior to the performance of the photocatalysts in Comparative Examples 1-4. Furthermore, when examined in detail, the photocatalyst in Comparative Example 2 is a photocatalyst in which a photocatalyst material made of titanium oxide is added to porous silica having pores with an average diameter of 3 nm, and the particle size of titanium oxide is large. Therefore, no significant quantum size effect occurs. In the photocatalyst of Comparative Example 2, as shown in the graph (c) of FIG. 7, almost no hydrogen was generated. From this, like the photocatalyst of Example 1, a photocatalyst material composed of quantum dots of 0.5 nm or more and 2.0 nm or less in which the quantum size effect is remarkably expressed, and a photocatalyst composed of nanoparticles having a diameter of 5 nm or more and 50 nm or less From the viewpoint of improving the photocatalytic activity, it is important to form a composite with the material. The photocatalyst in Comparative Example 3 is a photocatalyst in which quantum dots made of titanium oxide are formed only inside pores of porous silica having pores with an average diameter of 1.1 nm. With the photocatalyst in Comparative Example 3, as shown in the graph (e) of FIG. 7, it can be seen that almost no hydrogen is generated. Therefore, like the photocatalyst in Comparative Example 3, in a photocatalyst in which quantum dots made of titanium oxide are formed only inside pores of porous silica having pores with an average diameter of 1.1 nm, hydrogen is generated. It can be seen that there is almost no contributing photocatalytic function. From this, like the photocatalyst of Example 1, a photocatalyst material composed of quantum dots of 0.5 nm or more and 2.0 nm or less in which the quantum size effect is remarkably expressed, and a photocatalyst composed of nanoparticles having a diameter of 5 nm or more and 50 nm or less It can be seen that a high photocatalyst function that contributes to the generation of hydrogen can be realized when it is combined with a material.
なお、比較例4における光触媒では、前駆体である塩化チタン水溶液の濃度を5重量%まで低下させており、この場合も、図7のグラフ(e)に示すように、水素の発生はほとんど消失している。さらに詳細には、塩化チタン水溶液の濃度を20重量%から10重量%まで低下させた場合であっても、量子ドットとナノ粒子との接合が観測されたが、塩化チタン水溶液の濃度を5重量%にすると、量子ドットとナノ粒子との接合が観測されない。そして、塩化チタン水溶液の濃度を20重量%から10重量%まで低下させても水素は多く発生している一方、塩化チタン水溶液の濃度を5重量%までさらに低下させると、水素の発生はほとんどなくなるという結果がでている。これは、前駆体が不足したため、量子ドットとナノ粒子との接合が起こらず、効果的な電子正孔対の電荷分離が起こらなかったためと考えることができる。 In addition, in the photocatalyst of Comparative Example 4, the concentration of the titanium chloride aqueous solution, which is the precursor, was lowered to 5% by weight, and in this case as well, as shown in the graph (e) of FIG. is doing. More specifically, even when the concentration of the titanium chloride aqueous solution was decreased from 20% by weight to 10% by weight, the bonding between the quantum dots and the nanoparticles was observed. %, no bonding between quantum dots and nanoparticles is observed. A large amount of hydrogen is generated even when the concentration of the aqueous titanium chloride solution is decreased from 20% by weight to 10% by weight, while hydrogen is hardly generated when the concentration of the aqueous titanium chloride solution is further decreased to 5% by weight. The result is that This can be attributed to the fact that due to the lack of precursors, the bonding between the quantum dots and the nanoparticles did not occur, and effective charge separation of the electron-hole pairs did not occur.
以上のことから、実施例1における光触媒は、比較例1~4における光触媒よりも光触媒活性の向上を図ることができていることが裏付けられている。すなわち、図7に示す結果から、実施例1における光触媒は、比較例1~4における光触媒よりも光触媒活性の向上を図る観点から優位性を有していることがわかる。 From the above, it is confirmed that the photocatalyst in Example 1 can improve the photocatalytic activity more than the photocatalysts in Comparative Examples 1-4. That is, from the results shown in FIG. 7, it can be seen that the photocatalyst in Example 1 is superior to the photocatalysts in Comparative Examples 1 to 4 from the viewpoint of improving the photocatalytic activity.
さらに、前駆体である塩化チタン水溶液の濃度を変化させた場合において、紫外線の照射時間と水素発生量との関係について詳細に説明する。 Further, the relationship between the irradiation time of ultraviolet rays and the amount of hydrogen generated will be described in detail when the concentration of the titanium chloride aqueous solution, which is the precursor, is changed.
図8は、塩化チタン水溶液の濃度を5重量%から20重量%まで変化させた場合において、紫外線の照射時間と水素発生量との関係を示すグラフである。図8において、グラフ(a)は、塩化チタン水溶液の濃度が10重量%の場合における紫外線照射時間と水素発生量との関係を示すグラフであり、グラフ(b)は、塩化チタン水溶液の濃度が20重量%の場合における紫外線照射時間と水素発生量との関係を示すグラフである。また、図8において、グラフ(c)は、塩化チタン水溶液の濃度が15重量%の場合における紫外線照射時間と水素発生量との関係を示すグラフであり、グラフ(d)は、塩化チタン水溶液の濃度が7重量%の場合における紫外線照射時間と水素発生量との関係を示すグラフである。そして、グラフ(e)は、塩化チタン水溶液の濃度が5重量%の場合における紫外線照射時間と水素発生量との関係を示すグラフである。 FIG. 8 is a graph showing the relationship between the ultraviolet irradiation time and the amount of hydrogen generated when the concentration of the titanium chloride aqueous solution is varied from 5% by weight to 20% by weight. In FIG. 8, graph (a) is a graph showing the relationship between the ultraviolet irradiation time and the amount of hydrogen generated when the concentration of the titanium chloride aqueous solution is 10% by weight, and the graph (b) is a graph showing the relationship between the concentration of the titanium chloride aqueous solution It is a graph which shows the relationship between ultraviolet irradiation time and the amount of hydrogen generation in the case of 20 weight%. In FIG. 8, graph (c) is a graph showing the relationship between the ultraviolet irradiation time and the amount of hydrogen generated when the concentration of the titanium chloride aqueous solution is 15% by weight, and graph (d) is the titanium chloride aqueous solution. 4 is a graph showing the relationship between the UV irradiation time and the amount of hydrogen generated when the concentration is 7% by weight. Graph (e) is a graph showing the relationship between the ultraviolet irradiation time and the amount of hydrogen generated when the concentration of the titanium chloride aqueous solution is 5% by weight.
図8に示すように、塩化チタン水溶液の濃度が10重量%以上の場合(グラフ(a)~(c))に比べて、塩化チタン水溶液の濃度が10重量%を下回る場合(グラフ(d)~(e))は、水素発生量が少ないことがわかる。したがって、光触媒活性の向上を図る観点からは、前駆体である塩化チタン水溶液の濃度は、10重量%以上であることが望ましいことがわかる。ここで、図9は、図8の紫外線照射時間が「270分」の場合における水素発生量と塩化チタン水溶液の濃度との関係を示すグラフである。 As shown in FIG. 8, when the concentration of the titanium chloride aqueous solution is less than 10% by weight (graph (d)), compared to when the concentration of the titanium chloride aqueous solution is 10% by weight or more (graphs (a) to (c)) ~ (e)), it can be seen that the amount of hydrogen generation is small. Therefore, from the viewpoint of improving the photocatalytic activity, it is desirable that the concentration of the precursor titanium chloride aqueous solution is 10% by weight or more. Here, FIG. 9 is a graph showing the relationship between the amount of hydrogen generated and the concentration of the titanium chloride aqueous solution when the ultraviolet irradiation time in FIG. 8 is "270 minutes".
図8および図9においては、水素発生量は、光触媒の単位グラム当たりの値である。そして、塩化チタン水溶液の濃度が10重量%以上の場合の水素発生量は、ほぼ同等であるが、図9では、塩化チタン水溶液の濃度が10重量%以上になると、光触媒の重量が増加することから、見かけ上、光触媒の単位グラム当たりの水素発生量は、減少するように見える。このことから、塩化チタン水溶液の濃度が10%重量以上の場合の水素発生量は多いことがわかる。一方、図9において、塩化チタン水溶液の濃度が10重量%を下回ると、急激に水素発生量が減少することがわかる。これは、前駆体が不足したため、量子ドットとナノ粒子との接合が起こらず、効果的な電子正孔対の電荷分離が起こらないためであると考えることができる。実際に、図10は、塩化チタン水溶液の濃度が10重量%の場合において、多孔質シリカの細孔の内外に酸化チタンが形成されている状態を示すTEM画像である。図10において、ドット状の領域は、酸化チタンが存在する領域を示しており、図10に示すように、多孔質シリカの細孔の内外に酸化チタンが形成されて、細孔内部の量子ドットと細孔外部のナノ粒子との接合(「クラゲ構造」)が生じていることがわかる。 8 and 9, the amount of hydrogen generated is a value per unit gram of photocatalyst. When the concentration of the aqueous titanium chloride solution is 10% by weight or more, the amount of hydrogen generated is almost the same. However, in FIG. Therefore, apparently, the amount of hydrogen generated per unit gram of photocatalyst appears to decrease. From this, it can be seen that the amount of hydrogen generated is large when the concentration of the titanium chloride aqueous solution is 10% by weight or more. On the other hand, it can be seen from FIG. 9 that when the concentration of the aqueous titanium chloride solution falls below 10% by weight, the amount of hydrogen generated decreases sharply. This can be attributed to the fact that due to the lack of precursors, no bonding between the quantum dots and nanoparticles occurs, and effective electron-hole pair charge separation does not occur. Actually, FIG. 10 is a TEM image showing a state in which titanium oxide is formed inside and outside the pores of porous silica when the concentration of the titanium chloride aqueous solution is 10% by weight. In FIG. 10, the dot-shaped regions indicate regions where titanium oxide exists. As shown in FIG. 10, titanium oxide is formed inside and outside the pores of the porous silica, resulting in quantum dots inside the pores. and nanoparticles outside the pores (“jellyfish structure”).
これに対し、図11は、塩化チタン水溶液の濃度が5重量%の場合において、多孔質シリカの細孔の内外に「クラゲ構造」が形成されていない状態を示すTEM画像である。図11において、ドット状の領域は、酸化チタンが存在する領域を示しており、図11に示すように、塩化チタン水溶液の濃度が5重量%になると、細孔内部の量子ドットと細孔外部のナノ粒子との接合構造である「クラゲ構造」が生じていないことがわかる。 In contrast, FIG. 11 is a TEM image showing a state in which no "jellyfish structure" is formed inside and outside the pores of the porous silica when the concentration of the titanium chloride aqueous solution is 5% by weight. In FIG. 11, the dot-shaped regions indicate regions where titanium oxide exists. As shown in FIG. It can be seen that a “jellyfish structure”, which is a bonding structure with nanoparticles, does not occur.
したがって、図8~図11の結果を総合して見ると、前駆体である塩化チタン水溶液の濃度が10重量%以上になると、細孔内部の量子ドットと細孔外部のナノ粒子との接合構造である「クラゲ構造」が形成されて、この「クラゲ構造」に起因する効果的な電子正孔対の電荷分離が引き起こされる結果、飛躍的な光触媒活性の向上を図ることができるということが裏付けられていることがわかる。 Therefore, looking at the results of FIGS. 8 to 11 together, when the concentration of the precursor titanium chloride aqueous solution is 10% by weight or more, the bonding structure between the quantum dots inside the pores and the nanoparticles outside the pores is formed, and as a result of effective charge separation of electron-hole pairs caused by this "jellyfish structure", it is possible to achieve a dramatic improvement in photocatalytic activity. It can be seen that
さらに、図12は、紫外線照射時間と、紫外線を照射することによって、イソプロピルアルコールを分解することで発生する二酸化炭素(CO2)の発生量との関係を示すグラフである。図12において、グラフ(a)は、実施例1における光触媒を使用した場合の結果であり、グラフ(b)は、比較例1における光触媒を使用した場合の結果である。 Furthermore, FIG. 12 is a graph showing the relationship between the ultraviolet irradiation time and the amount of carbon dioxide (CO 2 ) produced by decomposing isopropyl alcohol upon irradiation with ultraviolet rays. In FIG. 12, graph (a) is the result when the photocatalyst in Example 1 is used, and graph (b) is the result when the photocatalyst in Comparative Example 1 is used.
図12に示すように、実施例1における光触媒を使用した場合の二酸化炭素発生量は、比較例1における光触媒を使用した場合の二酸化炭素発生量よりも大幅に多いことがわかる。これは、実施例1における光触媒の性能が、比較例1における光触媒の性能よりも優れていることを意味している。この図12からも、実施例1における光触媒は、比較例1における光触媒よりも光触媒活性の向上を図ることができていることが裏付けられている。すなわち、図12に示す結果から、実施例1における光触媒は、比較例1における光触媒よりも光触媒活性の向上を図る観点から優位性を有していることがわかる。 As shown in FIG. 12, the amount of carbon dioxide generated when the photocatalyst in Example 1 is used is significantly greater than the amount of carbon dioxide generated when the photocatalyst in Comparative Example 1 is used. This means that the performance of the photocatalyst in Example 1 is superior to the performance of the photocatalyst in Comparative Example 1. This FIG. 12 also confirms that the photocatalyst in Example 1 can improve the photocatalytic activity more than the photocatalyst in Comparative Example 1. That is, it can be seen from the results shown in FIG. 12 that the photocatalyst in Example 1 is superior to the photocatalyst in Comparative Example 1 from the viewpoint of improving photocatalytic activity.
<変形例>
続いて、実施の形態1の変形例について説明する。
<Modification>
Next, a modified example of Embodiment 1 will be described.
図13は、実施の形態1の変形例における光触媒を模式的に示す図である。 FIG. 13 is a diagram schematically showing a photocatalyst in a modified example of Embodiment 1. FIG.
図13に示すように、本変形例における光触媒20は、例えば、多孔質シリカ10からなる担体を有しており、この担体には、量子サイズ効果が生じる径の細孔11が形成されている。そして、図13に示すように、多孔質シリカに形成された細孔11には、例えば、量子ドットからなる酸化チタン12aと酸化タングステン40とが埋め込まれている。
As shown in FIG. 13, the
すなわち、多孔質シリカに形成された細孔11には、量子サイズ効果が発現する量子ドットが埋め込まれており、この量子ドットは、光触媒材料である酸化チタン12aと酸化タングステン40から構成されている。つまり、本変形例における光触媒20では、細孔11の内部に、酸化チタン12aに加えて、さらに、酸化チタン12aとは種類が異なり、かつ、酸化チタン12aと接触する触媒材料が挿入されている。具体的に、この触媒材料は、酸化タングステン40である。この点が、本変形例における光触媒20と実施の形態1における光触媒との相違点である。
That is, the
さらに、図13に示す本変形例における光触媒20でも、実施の形態1における光触媒20と同様に、細孔11に埋め込まれた量子ドットからなる酸化チタン12aだけでなく、細孔11からはみ出した担体(多孔質シリカ10)の表面にナノ粒子からなる酸化チタン12bも形成されている。このとき、図13に示すように、量子ドットからなる酸化チタン12aと、ナノ粒子からなる酸化チタン12bとは一体的に形成されている。このように、本変形例における光触媒20では、多孔質シリカに形成された細孔11に埋め込まれた量子ドットからなる酸化チタン12aおよび酸化タングステン40と、細孔11の外部にはみ出たナノ粒子からなる酸化チタン12bとを含むように構成されている。
Furthermore, in the
このように構成されている本変形例における光触媒20によれば、実施の形態1における光触媒よりもさらなる光触媒活性の向上を図ることができる。
According to the
以下に、この点について説明する。例えば、本変形例における光触媒20でも、実施の形態1における光触媒20と同様に、量子ドットからなる酸化チタン12aにおいて、光が照射されると、価電子帯から伝導帯に電子が励起されるが、伝導帯に励起された電子は、量子ドットからなる酸化チタン12aからナノ粒子からなる酸化チタン12bに向って下降するように傾斜する伝導帯に沿って移動する。すなわち、量子ドットからなる酸化チタン12aの伝導帯に励起された電子は、よりエネルギーの低いナノ粒子からなる酸化チタン12bの伝導帯に移動する(図2参照)。さらに、酸化タングステン40において光照射によって生成した電子も量子ドットからなる酸化チタン12aを経由してよりエネルギーの低いナノ粒子からなる酸化チタン12bの伝導帯に移動する。これにより、量子ドットからなる酸化チタン12aおよび酸化タングステン40の価電子帯に生成されている正孔と、量子ドットからなる酸化チタン12a並びに酸化タングステン40の伝導帯からナノ粒子からなる酸化チタン12bの伝導帯に移動した電子との間の空間的な距離が増大する。そして、さらに、本変形例では、図13に示すように、量子サイズ効果が発現するサイズの細孔11の内部に酸化チタン12aだけでなく、酸化タングステン40も埋め込まれている。ここで、酸化タングステン40における正孔の移動度は、酸化チタン12aにおける正孔の移動度よりも大きい。また、酸化タングステンにおける量子サイズ効果は、主に伝導体下端の上昇をもたらす。一方で、酸化チタンの場合には、伝導体と価電子帯がそれぞれ上昇、下降する。そのため、酸化タングステン40の価電子帯の上端は、酸化チタン12aの価電子帯の上端よりも高い位置に存在する。この結果、光の照射によって、酸化チタン12aの価電子帯に発生した正孔は、酸化タングステン40に向って移動する。なぜなら、酸化タングステン40は、酸化チタン12aよりも正孔の移動度が高く、かつ、酸化タングステン40の価電子帯の上端が、酸化チタン12aの価電子帯の上端よりもマイナス側の位置に存在するからである。このことから、本変形例における光触媒20では、光(紫外線あるいは可視光)の照射によって、量子ドットからなる酸化チタン12aに発生した電子正孔対のうち、電子は、伝導帯の傾斜によって、細孔11の外部にはみ出たナノ粒子からなる酸化チタン12b側に移動する。一方、電子正孔対のうち、正孔は、上述した要因によって、酸化タングステン40側に移動する。したがって、本変形例における光触媒20では、正孔が酸化タングステン40側に移動する分だけ、実施の形態1における光触媒20よりも電子と正孔の空間的な電荷分離が大きくなる。このことから、本変形例における光触媒20によれば、実施の形態1における光触媒20よりも、光の照射で発生した電子正孔対の再結合確率を減少させることができる。したがって、本変形例における光触媒20によれば、量子ドットからなる光触媒材料に特有の構造(サイズ縮小構造)に起因した電子正孔対の再結合確率の増大をさらに抑制することが可能であり、実施の形態1における光触媒20よりも、光触媒の活性を向上できる。
This point will be described below. For example, in the
図14は、紫外線の照射時間と水素発生量との関係を示すグラフである。図14のグラフ(a)は、変形例における光触媒を使用した場合の結果を示している。一方、図7のグラフ(b)は、実施例1における光触媒を使用した場合の結果を示している。 FIG. 14 is a graph showing the relationship between the irradiation time of ultraviolet rays and the amount of hydrogen generated. Graph (a) in FIG. 14 shows the results when the photocatalyst in the modified example is used. On the other hand, graph (b) in FIG. 7 shows the results when the photocatalyst in Example 1 was used.
図14に示すように、変形例における光触媒を使用した場合の水素発生量は、実施例1における光触媒を使用した場合の水素発生量よりも大幅に多いことがわかる。これは、変形例における光触媒の性能が、実施例1における光触媒の性能よりも優れていることを意味している。すなわち、図14に示す結果から、図13に示す細孔11に酸化チタン12aの他に酸化タングステン40を形成することによって、電子と正孔との空間的な電気分離を大きくすることができる結果、実施の形態1よりも、光触媒の活性を大幅に向上できることが裏付けられているということができる。
As shown in FIG. 14, the amount of hydrogen generated when the photocatalyst in the modified example is used is significantly larger than the amount of hydrogen generated when the photocatalyst in Example 1 is used. This means that the performance of the photocatalyst in the modified example is superior to the performance of the photocatalyst in the first example. That is, from the results shown in FIG. 14, by forming the
(実施の形態2)
<光触媒の構造>
図15は、本実施の形態2における光触媒25の模式的な構造を示す図である。図15において、本実施の形態2における光触媒25は、例えば、量子サイズ効果が発現する径の細孔51を有する多孔質シリカナノ粒子50を担体として備える。そして、本実施の形態2における光触媒25は、多孔質シリカナノ粒子50の細孔51の内部に量子ドットからなる酸化チタン52と、この酸化チタン52と接触し、かつ、多孔質シリカナノ粒子50の周囲の粒子間空隙に配置されるナノ粒子からなる酸化チタン53とを有する。
(Embodiment 2)
<Structure of photocatalyst>
FIG. 15 is a diagram showing a schematic structure of the
<光触媒の製造方法>
次に、本実施の形態2における光触媒の製造方法について説明する。
<Method for producing photocatalyst>
Next, a method for producing a photocatalyst according to
図16は、本実施の形態2における光触媒の製造工程の流れを説明するフローチャートである。図16に示すように、まず、既知の方法で、量子サイズ効果が生じる径を有する第1細孔と、第1細孔の径よりも大きく、かつ、量子サイズ効果が生じない径を有する第2細孔とが形成された構造体を準備する(S201)。次に、この構造体を光触媒材料の前駆体に浸漬する(S202)。そして、この構造体を乾燥させた後(S203)、構造体を焼成する(S204)。以上のようにして、光触媒を製造することができる。 FIG. 16 is a flow chart for explaining the flow of the photocatalyst manufacturing process according to the second embodiment. As shown in FIG. 16, first, by a known method, a first pore having a diameter that causes the quantum size effect and a second pore having a diameter that is larger than the diameter of the first pore and does not cause the quantum size effect. A structure having two pores is prepared (S201). Next, this structure is immersed in a precursor of a photocatalyst material (S202). After drying the structure (S203), the structure is fired (S204). A photocatalyst can be produced as described above.
<<実施例2>>
以下では、光触媒の製造方法の具体的な事例である実施例2について説明する。
<<Example 2>>
Example 2, which is a specific example of the method for producing a photocatalyst, will be described below.
図17(a)~(c)は、実施例2における光触媒の製造時の形態変化を示す模式図である。まず、ポリプロピレン製容器に、シリカ源としてテトラエトキシシラン(TEOS)を8g(0.038mol;1eq)入れる。続いて、界面活性剤であるヘキシルトリメチルアンモニウムブロミド(C6TAB)(0.0075mol~0.038mol)と、ポリエチレングリコール(平均分子量:1000)(0.0075mol~0.038mol)を分散させて撹拌する。そして、ここに塩酸を用いてpH2に調整した水を2.74g(0.152mol;4eq)入れて、室温で撹拌することにより、前駆体ゾルを得ることができる。次に、この前駆体ゾルを20%のアンモニア水溶液にシリンジを用いて注入する。このとき、前駆体ゾルは、アンモニア水に接触した瞬間にゲル化する。その後、このゲルを60℃で乾燥させ、かつ、600℃で3時間焼成し、界面活性剤およびポリエチレングリコールを除去する。これにより、平均径が1.0nmの細孔(スーパミクロ孔)と平均径が10nm~50nmの細孔(メソ孔)を有する多孔質シリカナノ粒子50を得ることができる(図17(a)参照)。
FIGS. 17(a) to 17(c) are schematic diagrams showing morphological changes during production of the photocatalyst in Example 2. FIG. First, a container made of polypropylene is charged with 8 g (0.038 mol; 1 eq) of tetraethoxysilane (TEOS) as a silica source. Subsequently, hexyltrimethylammonium bromide (C6TAB) (0.0075 mol to 0.038 mol) as a surfactant and polyethylene glycol (average molecular weight: 1000) (0.0075 mol to 0.038 mol) are dispersed and stirred. Then, 2.74 g (0.152 mol; 4 eq) of water adjusted to
次に、このようにして作製した多孔質シリカナノ粒子50を使用して、実施例2における光触媒を作製する。具体的には、まず、モノリス状の多孔質シリカナノ粒子50を塩化チタン(III)水溶液(20%)に浸漬する。この操作により、平均径が1.0nmの細孔(スーパミクロ孔)と平均径が10nm~50nmの細孔(メソ孔)にそれぞれ塩化チタン水溶液54が浸み込んだ試料を作ることができる(図17(b)参照)。そして、試料を減圧乾燥させた後、600℃で3時間焼成することにより、多孔質シリカナノ粒子50の細孔の内部に量子ドットからなる酸化チタンと、この酸化チタンと接触し、かつ、多孔質シリカナノ粒子50の周囲に配置されるナノ粒子からなる酸化チタン53とを有する光触媒25を作製することができる(図17(c)参照)。この光触媒25において、蛍光エックス線分析によるシリコン(Si)とチタン(Ti)との比(Si:Ti)は、例えば、60:40である。
Next, the photocatalyst in Example 2 is produced using the
図18および図19は、本実施の形態2における光触媒のSEM画像である。図18および図19から、多孔質シリカナノ粒子は、約50nmの粒子から構成されていることがわかる。また、本実施の形態2における光触媒では、図18および図19から、多孔質シリカナノ粒子の表面に10nm~20nm程度のサイズを有する酸化チタン(ナノ粒子)が生成していることがわかる。 18 and 19 are SEM images of the photocatalyst in the second embodiment. From Figures 18 and 19, it can be seen that the porous silica nanoparticles consist of particles of approximately 50 nm. In addition, in the photocatalyst according to the second embodiment, it can be seen from FIGS. 18 and 19 that titanium oxide (nanoparticles) having a size of about 10 nm to 20 nm is produced on the surfaces of the porous silica nanoparticles.
<比較例5>
比較例5における光触媒は、前駆体である塩化チタン水溶液の濃度を20%から2%に低下させること以外は、実施例2における光触媒と同様な方法で作製した光触媒である。
<Comparative Example 5>
The photocatalyst in Comparative Example 5 was prepared in the same manner as the photocatalyst in Example 2, except that the concentration of the precursor titanium chloride aqueous solution was reduced from 20% to 2%.
<効果の検証>
図20は、紫外線の照射時間と水素発生量との関係を示すグラフである。図20のグラフ(a)は、実施例1における光触媒を使用した場合の結果を示している。一方、図20のグラフ(b)は、実施例2における光触媒を使用した場合の結果を示しており、グラフ(c)は、比較例1における光触媒を使用した場合の結果を示している。また、図20のグラフ(d)は、比較例5における光触媒を使用した場合の結果を示している。
<Verification of effect>
FIG. 20 is a graph showing the relationship between the irradiation time of ultraviolet rays and the amount of hydrogen generated. Graph (a) in FIG. 20 shows the results when the photocatalyst in Example 1 was used. On the other hand, graph (b) in FIG. 20 shows the results when the photocatalyst in Example 2 is used, and graph (c) shows the results when the photocatalyst in Comparative Example 1 is used. Graph (d) in FIG. 20 shows the results when the photocatalyst in Comparative Example 5 was used.
図20に示すように、実施例2における光触媒を使用した場合の水素発生量は、比較例1における光触媒や比較例5における光触媒を使用した場合の水素発生量よりも大幅に多いことがわかる。これは、実施例2における光触媒の性能が、比較例1における光触媒や比較例5における光触媒の性能よりも優れていることを意味している。さらに、詳細に検討すると、比較例5における光触媒では、前駆体である塩化チタン水溶液の濃度を2%まで低下させており、この場合は、図20のグラフ(d)に示すように、水素の発生はほとんど消失している。これは、前駆体が不足したため、量子ドットとナノ粒子との接触が起こらず、効果的な電子正孔対の電荷分離が起こらなかったためと考えることができる。 As shown in FIG. 20, the amount of hydrogen generated when the photocatalyst in Example 2 is used is significantly greater than the amount of hydrogen generated when the photocatalyst in Comparative Example 1 and the photocatalyst in Comparative Example 5 are used. This means that the performance of the photocatalyst in Example 2 is superior to the performance of the photocatalyst in Comparative Example 1 and the photocatalyst in Comparative Example 5. Furthermore, when examined in detail, in the photocatalyst of Comparative Example 5, the concentration of the precursor titanium chloride aqueous solution was reduced to 2%. In this case, as shown in the graph (d) of FIG. outbreak has almost disappeared. This can be attributed to the lack of precursors, which prevented contact between the quantum dots and the nanoparticles, resulting in ineffective electron-hole pair charge separation.
以上のことから、実施例2における光触媒は、比較例1における光触媒や比較例5における光触媒よりも光触媒活性の向上を図ることができていることが裏付けられている。すなわち、図20に示す結果から、実施例2における光触媒は、比較例1における光触媒や比較例5における光触媒よりも光触媒活性の向上を図る観点から優位性を有していることがわかる。 From the above, it is supported that the photocatalyst in Example 2 can improve the photocatalytic activity more than the photocatalyst in Comparative Example 1 and the photocatalyst in Comparative Example 5. That is, from the results shown in FIG. 20, it can be seen that the photocatalyst in Example 2 is superior to the photocatalyst in Comparative Example 1 and the photocatalyst in Comparative Example 5 from the viewpoint of improving the photocatalytic activity.
以上、本発明者によってなされた発明をその実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。 Although the invention made by the present inventor has been specifically described based on the embodiment, the invention is not limited to the above embodiment, and can be variously modified without departing from the gist of the invention. Needless to say.
前記実施の形態では、光触媒材料として、酸化チタンを例に挙げて説明したが、前記実施の形態における技術的思想は、これに限らない。例えば、光触媒材料としては、酸化銅、酸化タングステン、酸化ジルコニウム、酸化亜鉛、酸化ガリウム、酸化スズ、酸化タンタル、酸化ニオブ、リン酸銀、炭化珪素、ガリウム燐、ガリウム砒素、硫化カドニウム、カドミウムセレン、酸化ゲルマニウム、酸化ストロンチウム、硫化モリブデン、酸化インジウム、酸化ビスマス、酸化バリウム、酸化ルテニウム、酸化ハフニウム、酸化スカンジウム、酸化イットリウム、酸化ランタンなども使用することができる。 Although titanium oxide has been described as an example of the photocatalyst material in the above embodiment, the technical idea of the above embodiment is not limited to this. For example, photocatalyst materials include copper oxide, tungsten oxide, zirconium oxide, zinc oxide, gallium oxide, tin oxide, tantalum oxide, niobium oxide, silver phosphate, silicon carbide, gallium phosphide, gallium arsenide, cadmium sulfide, cadmium selenium, Germanium oxide, strontium oxide, molybdenum sulfide, indium oxide, bismuth oxide, barium oxide, ruthenium oxide, hafnium oxide, scandium oxide, yttrium oxide, lanthanum oxide, and the like can also be used.
さらに、上述した光触媒材料に白金、金、銀、銅などの金属粒子を補助触媒として担持させることもできる。 Furthermore, metal particles such as platinum, gold, silver, and copper can be supported as an auxiliary catalyst on the photocatalytic material described above.
前記実施の形態は、以下の形態を含む。 The embodiment includes the following modes.
(付記)
量子サイズ効果が生じる径を有する細孔が形成された担体と、
前記細孔に挿入された量子ドットと、前記量子ドットと接触し、かつ、前記細孔の外部に配置されるナノ粒子とを有する触媒材料と、
を含む、光触媒。
(Appendix)
a carrier formed with pores having a diameter that causes the quantum size effect;
a catalyst material having quantum dots inserted into the pores and nanoparticles in contact with the quantum dots and positioned outside the pores;
Photocatalyst, including
10 多孔質シリカ
11 細孔
12a 酸化チタン
12b 酸化チタン
20 光触媒
25 光触媒
30 容器
31 前駆体
40 酸化タングステン
50 多孔質シリカナノ粒子
51 細孔
52 酸化チタン
53 酸化チタン
10
Claims (7)
前記細孔に挿入された量子ドットと、前記量子ドットと接触し、かつ、前記細孔の外部にはみ出たナノ粒子とを有する第1触媒材料と、
を含み、
前記細孔は、0.5nm以上1.0nm以下の径を有し、
前記量子ドットを構成する粒子の粒子径は、前記ナノ粒子を構成する粒子の粒子径より小さい、光触媒。 a carrier formed with pores having a diameter that causes the quantum size effect;
a first catalyst material having quantum dots inserted into the pores and nanoparticles in contact with the quantum dots and protruding outside the pores;
including
The pores have a diameter of 0.5 nm or more and 1.0 nm or less,
The photocatalyst , wherein the particle diameter of the particles constituting the quantum dots is smaller than the particle diameter of the particles constituting the nanoparticles .
前記担体は、多孔質シリカである、光触媒。 In the photocatalyst according to claim 1,
The photocatalyst, wherein the carrier is porous silica.
前記第1触媒材料は、酸化チタンである、光触媒。 In the photocatalyst according to claim 1,
The photocatalyst, wherein the first catalyst material is titanium oxide.
前記量子ドットを構成する粒子の粒子径は、0.5nm以上であり、
前記ナノ粒子を構成する粒子の粒子径は、5nm以上50nm以下である、光触媒。 In the photocatalyst according to claim 1 ,
The particle diameter of the particles constituting the quantum dots is 0.5 nm or more ,
The photocatalyst, wherein the particles constituting the nanoparticles have a particle diameter of 5 nm or more and 50 nm or less.
前記量子ドットのバンドギャップは、前記ナノ粒子のバンドギャップより大きい、光触媒。 In the photocatalyst according to claim 1,
A photocatalyst, wherein the bandgap of the quantum dots is larger than the bandgap of the nanoparticles .
前記細孔には、さらに、前記第1触媒材料とは種類が異なり、かつ、前記第1触媒材料の前記量子ドットと接触する第2触媒材料が挿入されている、光触媒。 In the photocatalyst according to claim 1,
A photocatalyst, wherein a second catalyst material different in type from the first catalyst material and in contact with the quantum dots of the first catalyst material is further inserted into the pores.
前記第2触媒材料は、酸化タングステンである、光触媒。 In the photocatalyst according to claim 6 ,
The photocatalyst, wherein the second catalyst material is tungsten oxide.
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