JP7548499B2 - Photocatalyst and method for producing hydrogen peroxide using the photocatalyst - Google Patents
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Description
本発明は、光触媒およびその製造方法、ならびに光触媒を用いた過酸化水素の製造方法に関する。 The present invention relates to a photocatalyst and a method for producing the same, as well as a method for producing hydrogen peroxide using a photocatalyst.
過酸化水素は、取扱い性や、貯蔵性、環境への安全性に優れる強力な酸化剤であり、漂白剤や、洗浄剤、殺菌剤等の用途で幅広く利用されている。 Hydrogen peroxide is a powerful oxidizing agent that is easy to handle, easy to store, and environmentally safe, and is widely used as a bleaching agent, cleaning agent, disinfectant, etc.
近年、過酸化水素の製造方法としては、アントラキノン法が主に用いられている(特許文献1)。アントラキノン法とは、溶媒に溶解させたアントラヒドロキノンを酸素と反応させ、アントラヒドロキノンを酸化し、酸素を還元させることにより、アントラキノンとともに過酸化水素水を発生させる方法である。しかしながら、アントラキノン法においては、有機溶媒を除去する必要があること、及び副反応を起こしたアントラキノンの再生が必要であること等により、製造工程が複雑化してしまう問題がある。
また、アントラキノン法以外では、水素と酸素とを直接反応させて過酸化水素を製造する直接合成法が研究されている(非特許文献1)。しかしながら、この直接合成法においては、水素と酸素との反応に伴う爆発の危険という問題がある。
In recent years, the anthraquinone method has been mainly used as a method for producing hydrogen peroxide (Patent Document 1). The anthraquinone method is a method in which anthrahydroquinone dissolved in a solvent is reacted with oxygen to oxidize the anthrahydroquinone and reduce the oxygen, thereby generating hydrogen peroxide water together with anthraquinone. However, the anthraquinone method has problems such as the need to remove the organic solvent and the need to regenerate the anthraquinone that has undergone a side reaction, which makes the production process complicated.
Besides the anthraquinone method, a direct synthesis method for producing hydrogen peroxide by directly reacting hydrogen with oxygen has been studied (Non-Patent Document 1). However, this direct synthesis method has a problem of the risk of explosion associated with the reaction between hydrogen and oxygen.
上記の2つの方法における問題点を回避することができる過酸化水素の製造方法として、光触媒による過酸化水素合成を用いた方法に関する研究が行われている。
しかしながら、この光触媒による過酸化水素合成においては、原料として安価な水を用いた場合、収率が低くなるため、酢酸溶液や2-プロパノール水溶液等の有機溶液を用いることが必要となる、という問題がある(特許文献2)。また、過酸化水素の高い酸化能により触媒が酸化されてしまうため、収率の低下や製造工程の複雑化が生じてしまうという問題がある。
As a method for producing hydrogen peroxide that can avoid the problems associated with the above two methods, research is being conducted on a method using photocatalyst-based hydrogen peroxide synthesis.
However, when using inexpensive water as a raw material in the synthesis of hydrogen peroxide using this photocatalyst, the yield is low, making it necessary to use an organic solution such as an acetic acid solution or an aqueous 2-propanol solution (
水と酸素とを原料とする過酸化水素の製造用の光触媒としては、C3N4が注目されている。
例えば、分子で修飾したC3N4(非特許文献2及び3)、及びNaBH4を用いて還元したC3N4(非特許文献4)を光触媒として用いて、水と酸素とを原料として過酸化水素を生成する方法が報告されているが、いずれの方法においても非常に収率が低く効率が悪い、という問題がある。
C3N4 has attracted attention as a photocatalyst for producing hydrogen peroxide from water and oxygen as raw materials.
For example, methods have been reported in which hydrogen peroxide is generated from water and oxygen as raw materials by using, as a photocatalyst, C 3 N 4 modified with molecules (
上述した問題を解決するため、本発明は、有機溶媒等を使用することなく、かつ、連続的に高効率で過酸化水素を製造する方法を提供することのできる光触媒及びその製造方法、並びに該触媒を用いた過酸化水素の製造方法を提供することを課題とする。 In order to solve the above problems, the present invention aims to provide a photocatalyst and a method for producing the same that can provide a method for producing hydrogen peroxide continuously and with high efficiency without using organic solvents, and a method for producing hydrogen peroxide using the catalyst.
本発明者らは、光触媒に特定の元素を担持させることにより、上記の課題を解決できることを見出し、本発明に到達した。
即ち、本発明の要旨は以下の通りである。
[1] 窒化炭素に、窒素を除く第15族元素、炭素とケイ素を除く第14族元素、及びホウ素とアルミニウムを除く第13族元素、から選ばれる少なくとも1種の元素を担持する、光触媒。
[2] 前記窒化炭素100重量%に対する前記元素の含有量が、1重量%以上80重量%以下である、[1]に記載の光触媒。
[3] 前記元素が、リン、砒素、及びアンチモンから選ばれる少なくとも1種の元素である、[1]又は[2]に記載の光触媒。
[4] 原料として水と酸素とを用い、かつ、触媒として[1]~[3]のいずれかに記載の光触媒を用い、光照射により前記水と前記酸素とを反応させる工程を含む、過酸化水素の製造方法。
[5] 前記原料が酸素を含む水である、[4]に記載の過酸化水素の製造方法。
[6] 酸素を含むガスを水中に放出する工程を含む、[5]に記載の過酸化水素の製造方法。
[7] [1]~[3]のいずれかに記載の光触媒の製造方法であって、
窒素と、炭素と、窒素を除く第15族元素、炭素とケイ素を除く第14族元素、及びホウ素とアルミニウムを除く第13族元素、から選ばれる少なくとも1種の元素と、を含む原料を反応させて前記窒化炭素を生成する反応工程を有し、
前記反応工程において、前記原料中の窒素を除く第15族元素、炭素とケイ素を除く第14族元素、及びホウ素とアルミニウムを除く第13族元素、から選ばれる少なくとも1種の元素の含有量が、前記窒化炭素100重量%に対して、1重量%以上80重量%以下である、光触媒の製造方法。
[8] 前記原料が、窒素及び炭素を含む化合物と、窒素を除く第15族元素、炭素とケイ素を除く第14族元素、及びホウ素とアルミニウムを除く第13族元素、から選ばれる少なくとも1種の元素を含む化合物とを含む、[7]に記載の光触媒の製造方法。
The present inventors have found that the above problems can be solved by supporting a specific element on a photocatalyst, and have arrived at the present invention.
That is, the gist of the present invention is as follows.
[1] A photocatalyst comprising carbon nitride carrying at least one element selected from the group consisting of Group 15 elements excluding nitrogen, Group 14 elements excluding carbon and silicon, and Group 13 elements excluding boron and aluminum.
[2] The photocatalyst according to [1], wherein the content of the element relative to 100% by weight of the carbon nitride is 1% by weight or more and 80% by weight or less.
[3] The photocatalyst according to [1] or [2], wherein the element is at least one element selected from phosphorus, arsenic, and antimony.
[4] A method for producing hydrogen peroxide, comprising the steps of: using water and oxygen as raw materials; and using the photocatalyst according to any one of [1] to [3] as a catalyst; and reacting the water and the oxygen by light irradiation.
[5] The method for producing hydrogen peroxide according to [4], wherein the raw material is water containing oxygen.
[6] The method for producing hydrogen peroxide according to [5], further comprising a step of releasing an oxygen-containing gas into water.
[7] A method for producing a photocatalyst according to any one of [1] to [3],
a reaction step of reacting a raw material containing nitrogen, carbon, and at least one element selected from the group consisting of Group 15 elements excluding nitrogen, Group 14 elements excluding carbon and silicon, and Group 13 elements excluding boron and aluminum to produce the carbon nitride,
a content of at least one element selected from Group 15 elements excluding nitrogen, Group 14 elements excluding carbon and silicon, and Group 13 elements excluding boron and aluminum in the raw material is 1% by weight or more and 80% by weight or less with respect to 100% by weight of the carbon nitride.
[8] The method for producing a photocatalyst according to [7], wherein the raw material contains a compound containing nitrogen and carbon, and a compound containing at least one element selected from Group 15 elements excluding nitrogen, Group 14 elements excluding carbon and silicon, and Group 13 elements excluding boron and aluminum.
本発明により、有機溶媒等を使用することなく、かつ、連続的に高効率で過酸化水素を製造する方法を提供することのできる光触媒及びその製造方法、並びに該触媒を用いた過酸化水素の製造方法を提供することができる。 The present invention provides a photocatalyst and a method for producing the same that can provide a method for producing hydrogen peroxide continuously and with high efficiency without using organic solvents, etc., as well as a method for producing hydrogen peroxide using the catalyst.
以下に本発明の実施の形態を詳細に説明するが、これら説明は本発明の実施形態の一例(代表例)であり、本発明はその要旨を超えない限りこれらの内容に限定されない。 The following describes in detail the embodiments of the present invention, but these descriptions are merely examples (representative examples) of the embodiments of the present invention, and the present invention is not limited to these contents as long as they do not exceed the gist of the invention.
<1.光触媒>
本発明の一実施形態である光触媒(以下、単に「光触媒」とも称する)は、窒化炭素に、窒素を除く第15族元素、炭素とケイ素を除く第14族元素、及びホウ素とアルミニウムを除く第13族元素、から選ばれる少なくとも1種の元素を担持する、光触媒である。
光触媒とは、光によって励起状態になり、化学反応を促進できる物質である。
<1. Photocatalyst>
A photocatalyst (hereinafter, also simply referred to as "photocatalyst") according to one embodiment of the present invention is a photocatalyst in which at least one element selected from Group 15 elements excluding nitrogen, Group 14 elements excluding carbon and silicon, and Group 13 elements excluding boron and aluminum are supported on carbon nitride.
A photocatalyst is a substance that can be excited by light and promote chemical reactions.
窒化炭素とは、主構造がC3N4の化学式で表される化合物である。この主構造がC3N4の化学式で表される化合物とは、本発明の効果が奏される範囲で、C3N4の結晶格子の一部が欠落している構造、他の元素により置換された構造、C3N4の構造以外の構造等を有していてもよいという意味である。 Carbon nitride is a compound whose main structure is represented by the chemical formula C3N4 . This compound whose main structure is represented by the chemical formula C3N4 means that the compound may have a structure in which a part of the C3N4 crystal lattice is missing, a structure in which a part is replaced by another element, a structure other than the C3N4 structure , or the like, within the scope of the effects of the present invention.
窒化炭素の形態は、特段制限されず、例えば、グラファイト状窒化炭素(黒鉛状C3N4、g-C3N4)や、α-C3N4、立方晶C3N4、擬立方晶C3N4等の高分子状窒化炭素を用いることができ、特に、可視光、近紫外光の吸収効率の高さ、製造の容易さの観点から、グラファイト状窒化炭素であることが好ましい。
上述の窒化炭素に、後述の元素が担持されると活性点が形成され、本発明の効果が奏される、つまり、過酸化水素の生成効率が向上すると考えられる。ここで、担持とは、例えば単独の陽イオンとして、塩として、または錯体として母材である窒化炭素に付着させることであり、あらかじめ付着させておいてもよいし、母材と元素を別々に反応容器に加え、反応容器内で付着させてもよい。
The form of carbon nitride is not particularly limited, and for example, graphite carbon nitride (graphite C 3 N 4 , g-C 3 N 4 ), α-C 3 N 4 , cubic C 3 N 4 , pseudo-cubic C 3 N 4 or other polymeric carbon nitride can be used. In particular, graphite carbon nitride is preferable from the viewpoints of high absorption efficiency of visible light and near-ultraviolet light and ease of production.
When the above-mentioned carbon nitride is supported with an element described below, active sites are formed, and the effect of the present invention is achieved, that is, the efficiency of generating hydrogen peroxide is thought to be improved. Here, "supporting" refers to, for example, attaching the element as a single cation, as a salt, or as a complex to the base material carbon nitride. The element may be attached in advance, or the base material and the element may be added separately to a reaction vessel and attached within the reaction vessel.
窒化炭素に担持される、窒素(N)を除く第15族元素とは、リン(P)、砒素(As)、アンチモン(Sb)、ビスマス(Bi)であり、炭素(C)とケイ素(Si)を除く第14族元素とは、ゲルマニウム(Ge)、錫(Sn)、鉛(Pb)であり、及びホウ素(B)とアルミニウム(Al)を除く第13族元素とは、ガリウム(Ga)、インジウム(In)、タリウム(Tl)であり、P、As、Sbであることが好ましく、特に、Sbであることが好ましい。Sbは、最外殻電子配置がd10となっているSb5+もしくはSb3+の状態で、特に高い活性を持つと考えられる。
窒化炭素に担持される元素は、これらの元素から選ばれる1種で用いてもよく、2種以上を任意の組合せ及び比率で用いてもよい。
The group 15 elements other than nitrogen (N) supported on carbon nitride are phosphorus (P), arsenic (As), antimony (Sb), and bismuth (Bi), the group 14 elements other than carbon (C) and silicon (Si) are germanium (Ge), tin (Sn), and lead (Pb), and the group 13 elements other than boron (B) and aluminum (Al) are gallium (Ga), indium (In), and thallium (Tl), with P, As, and Sb being preferred, and Sb being particularly preferred. Sb is considered to have particularly high activity in the state of Sb 5+ or Sb 3+ , in which the outermost shell electron configuration is d10.
The element supported on the carbon nitride may be one selected from these elements, or two or more of them may be used in any combination and ratio.
上記の担持される元素の含有量は、例えば、g-C3N4に担持されていない元素を除去するため、元素担持ずみ光触媒60mgに対し、80~100℃の熱水100mLで洗浄を3~5回繰り返した後に、誘導結合プラズマ(ICP)発光分光分析を行うことで評価できる。窒化炭素(上記の担持される元素等を除く窒化炭素自体)を100重量%とした場合に、上記の担持される元素の含有量は、活性点の密度は高い方がよいこと、一方で、光触媒(窒化炭素)を覆うことによる光触媒に達する光量の減少は抑える必要があるという観点から、通常1重量%以上であり、5重量%以上であることが好ましく、20重量%以上であることがより好ましく、40重量%以上であることがさらに好ましく、また、通常200重量%以下であり、120重量%以下であることが好ましく、80重量%以下であることがより好ましい。g-C3N4に担持されていない元素を除去するための洗浄として、5回以上熱水で実施する代わりに、常温水で3回繰り返して実施してもよい。常温水で洗浄した場合、熱水で洗浄した場合よりも、金属担持量が若干多く計測されることがある。なお、添加元素の存在量に関しては、大量に添加しない限り、仕込みとほぼ同量であると推測される。
The content of the above- mentioned supported elements can be evaluated, for example, by performing inductively coupled plasma (ICP) emission spectroscopy after washing 60 mg of the element-supported photocatalyst with 100 mL of hot water at 80 to 100° C. 3 to 5 times in order to remove elements not supported on g-C 3
窒化炭素は、上記の元素以外の元素を担持していてもよく、該元素としては、例えば、ホウ素、酸素、ケイ素、アルミニウムが挙げられる。 Carbon nitride may support elements other than those listed above, such as boron, oxygen, silicon, and aluminum.
光触媒の形状は、特段制限されず、例えば、粒子状、膜状、ネット状、繊維状等の形状とすることができるが、単独で使用してもよく、凝集させたものを使用してもよい。また、支持体に固定させて使用してもよい。 The shape of the photocatalyst is not particularly limited and can be, for example, particulate, film, net, fiber, etc. It may be used alone or in aggregate. It may also be fixed to a support.
光触媒が粒子状である場合、その平均粒子径は、特段制限されないが、光の散乱を抑えるためには高い結晶性が有利であり、そのために平均粒子径は大きくなるが、一方で活性点を増やすためには比表面積を大きくすることが有利であり、平均粒子径は小さいことが望まれる。この観点から、通常0.02μm以上であり、0.05μm以上であることが好ましく、0.1μm以上であることがより好ましく、0.3μm以上であることがさらに好ましく、また、通常30μm以下であり、10μm以下であることが好ましく、3μm以下であることがより好ましく、1μm以下であることがさらに好ましい。
平均粒子径は、走査型電子顕微鏡(SEM)を用いた観察により測定することができる。具体的には、粒子が確認できる倍率、例えば10000~100000倍の倍率の写真で、水平方向の直線に対する粒子の左右の境界線による切片の最長の値を、任意の50個の一次粒子について求め、平均値をとることにより求められる。
When the photocatalyst is particulate, its average particle size is not particularly limited, but high crystallinity is advantageous in suppressing light scattering, and therefore the average particle size is large, but on the other hand, it is advantageous to increase the specific surface area in order to increase the active sites, and therefore it is desirable for the average particle size to be small. From this viewpoint, it is usually 0.02 μm or more, preferably 0.05 μm or more, more preferably 0.1 μm or more, and even more preferably 0.3 μm or more, and is usually 30 μm or less, preferably 10 μm or less, more preferably 3 μm or less, and even more preferably 1 μm or less.
The average particle size can be measured by observation using a scanning electron microscope (SEM). Specifically, in a photograph at a magnification at which the particles can be confirmed, for example, at a magnification of 10,000 to 100,000 times, the longest intercept value of a horizontal line formed by the left and right boundary lines of the particles is determined for any 50 primary particles, and the average value is calculated.
光触媒の比表面積は、特段制限されないが、上記の平均粒子径の好適範囲の理由と同様の理由から、通常0.1m2/g以上であり、1m2/g以上であることが好ましく、3m2/g以上であることがより好ましく、5m2/g以上であることがさらに好ましく、また、通常500m2/g以下であり、200m2/g以下であることが好ましく、100m2/g以下であることがより好ましく、50m2/g以下であることがさらに好ましい。
比表面積は、公知の方法により測定することができる。
The specific surface area of the photocatalyst is not particularly limited, but for reasons similar to those for the preferred range of the average particle diameter described above, it is usually 0.1 m 2 /g or more, preferably 1 m 2 /g or more, more preferably 3 m 2 /g or more, and even more preferably 5 m 2 /g or more, and is usually 500 m 2 /g or less, preferably 200 m 2 /g or less, more preferably 100 m 2 /g or less, and even more preferably 50 m 2 /g or less.
The specific surface area can be measured by a known method.
光触媒の製造方法は、特段制限されず、窒化炭素に特定の元素を担持させることのできる公知の方法を利用することができ、例えば、以下に示す本願発明の別の実施形態である光触媒の製造方法により製造することができる。
本発明の別の実施形態である光触媒の製造方法(単に「光触媒の製造方法」とも称する)は、窒素と、炭素と、窒素を除く第15族元素、炭素とケイ素を除く第14族元素、及びホウ素とアルミニウムを除く第13族元素、から選ばれる少なくとも1種の元素(「担持される元素」又は「担持元素」とも称する)と、を含む原料を反応させて前記窒化炭素を生成する反応工程を有し、
前記反応工程において、前記原料中の窒素を除く第15族元素、炭素とケイ素を除く第14族元素、及びホウ素とアルミニウムを除く第13族元素、から選ばれる少なくとも1種の元素の含有量が、前記窒化炭素100重量%に対して、1重量%以上80重量%以下である、製造方法である。該製造方法は、上記の反応工程以外の任意の工程を含み得る。
以下、上記の製造方法を詳細に説明するが、具体的には、例えば、上記の担持される元素を含む化合物、及び窒素及び炭素を含むメラミン等の化合物等を含む原料をエタノール等の有機溶媒に溶解させ、混合した後、500℃以上570℃以下で、好ましくは530℃以上570℃以下で焼成することにより、光触媒を製造することができる。
The method for producing the photocatalyst is not particularly limited, and any known method capable of supporting a specific element on carbon nitride can be used. For example, the photocatalyst can be produced by the photocatalyst production method described below, which is another embodiment of the present invention.
A method for producing a photocatalyst (also simply referred to as a "method for producing a photocatalyst") according to another embodiment of the present invention includes a reaction step of producing the carbon nitride by reacting a raw material containing nitrogen, carbon, and at least one element selected from Group 15 elements excluding nitrogen, Group 14 elements excluding carbon and silicon, and Group 13 elements excluding boron and aluminum (also referred to as a "supported element" or a "supported element");
In the reaction step, the content of at least one element selected from Group 15 elements excluding nitrogen, Group 14 elements excluding carbon and silicon, and Group 13 elements excluding boron and aluminum in the raw material is 1% by weight or more and 80% by weight or less, based on 100% by weight of the carbon nitride. The production method may include any step other than the reaction step.
The above-mentioned manufacturing method will be described in detail below. Specifically, for example, raw materials including a compound containing the above-mentioned supported element and a compound containing nitrogen and carbon such as melamine are dissolved in an organic solvent such as ethanol, mixed, and then calcined at 500° C. or higher and 570° C. or lower, preferably 530° C. or higher and 570° C. or lower, to produce a photocatalyst.
光触媒の製造方法は、原料を準備する原料準備工程を含んでいてよい。原料は、窒素と、炭素と、担持元素とを少なくとも含んでいれば特段制限されず、通常2種類以上の化合物を含む。例えば、原料として、窒素及び炭素を含む化合物と担持元素を含む化合物とを用いる(含む)態様であってよく、また、窒素及び炭素を含む化合物と、1種類の担持元素を含む化合物と、該炭素元素とは異なる他の担持元素を含む化合物とを用いる(含む)態様であってもよい。 The photocatalyst manufacturing method may include a raw material preparation step of preparing raw materials. The raw materials are not particularly limited as long as they contain at least nitrogen, carbon, and a supporting element, and usually contain two or more types of compounds. For example, the raw materials may be in an embodiment in which a compound containing nitrogen and carbon and a compound containing a supporting element are used (included), or the raw materials may be in an embodiment in which a compound containing nitrogen and carbon, a compound containing one type of supporting element, and a compound containing another supporting element different from the carbon element are used (included).
<2.過酸化水素の製造方法>
本発明の別の実施形態である過酸化水素(H2O2)の製造方法(以下、単に「過酸化水素の製造方法」とも称する)は、原料として水と酸素とを用い、触媒として上述の光触媒を用い、光照射により前記水と前記酸素とを反応させる工程(反応工程)を含む、過酸化水素の製造方法である。なお、前記酸素は、その一部として、光触媒反応により水から生成する酸素も利用することができる。
なお、反応工程において、上述の光触媒を用いることは必須であるが、他の触媒を同時に用いることもできる。
2. Method for producing hydrogen peroxide
Another embodiment of the present invention, a method for producing hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) (hereinafter also referred to simply as a "method for producing hydrogen peroxide"), is a method for producing hydrogen peroxide that uses water and oxygen as raw materials, and the above-mentioned photocatalyst as a catalyst, and includes a step (reaction step) of reacting the water and the oxygen by light irradiation. Note that oxygen generated from water by a photocatalytic reaction can also be used as part of the oxygen.
In the reaction step, it is essential to use the above-mentioned photocatalyst, but other catalysts can also be used at the same time.
原料としての水の態様は、特段制限されないが、光触媒と接触する分子の数を多くするの観点から、液体であることが好ましい。
原料としての酸素の態様は、特段制限されないが、常温での保存、搬送、導入の便の観点から、気体(ガス)であることが好ましい。
また、上記の反応工程より前に、酸素を含むガスを水中に放出する工程(水中への酸素放出工程)を有していてもよい。該工程を導入することにより、原料として、酸素を含む水を用いることができ、有利である。酸素を含むガスに含まれる酸素以外のガスとしては、後述の雰囲気ガスとして用い得るガスを用いることができる。
酸素を含むガスを水中に放出する際の酸素の流量は、特段制限されないが、光触媒と接触する分子の数を多くする観点から、1Lの水に対し、標準状態換算で、通常0.1L/分以上であり、0.3L/分以上であることが好ましく、1L/分以上であることがより好ましく、3L/分以上であることがさらに好ましく、また、通常150L/分以下であり、50L/分以下であることが好ましく、20L/分以下であることがより好ましく、12.5L/分以下であることがさらに好ましい。
The form of the water as a raw material is not particularly limited, but it is preferably a liquid from the viewpoint of increasing the number of molecules that come into contact with the photocatalyst.
The form of oxygen as a raw material is not particularly limited, but is preferably in the form of a gas from the viewpoint of convenience of storage, transportation, and introduction at room temperature.
In addition, a step of releasing an oxygen-containing gas into water (oxygen releasing step into water) may be included prior to the above reaction step. By introducing this step, water containing oxygen can be used as a raw material, which is advantageous. As a gas other than oxygen contained in the oxygen-containing gas, a gas that can be used as an atmospheric gas, which will be described later, can be used.
The flow rate of oxygen when releasing oxygen-containing gas into water is not particularly limited, but from the viewpoint of increasing the number of molecules that come into contact with the photocatalyst, the flow rate is usually 0.1 L/min or more, preferably 0.3 L/min or more, more preferably 1 L/min or more, and even more preferably 3 L/min or more, per 1 L of water, calculated under standard conditions, and is usually 150 L/min or less, preferably 50 L/min or less, more preferably 20 L/min or less, and even more preferably 12.5 L/min or less.
水は、pH調整剤等によりpHが調整されていてもよい。この場合、pH調整された水溶液の触媒を懸濁させた状態でのpHは、特段制限されないが、過酸化水素の生成量の増加の観点、および反応器に用いる部材の自由度の観点から、通常1~14であり、5~11であることが好ましく、6~8であることがより好ましく、7~8であることがさらに好ましい。なお、上記pH調整剤等には、pHの調整を目的に添加された材料のみならず、他の目的で添加されるものであって、添加された結果としてpHが変化されるような材料も含まれる。 The pH of the water may be adjusted with a pH adjuster or the like. In this case, the pH of the pH-adjusted aqueous solution in which the catalyst is suspended is not particularly limited, but from the viewpoint of increasing the amount of hydrogen peroxide produced and from the viewpoint of the degree of freedom in the materials used in the reactor, it is usually 1 to 14, preferably 5 to 11, more preferably 6 to 8, and even more preferably 7 to 8. The above pH adjusters and the like include not only materials added for the purpose of adjusting the pH, but also materials added for other purposes that change the pH as a result of their addition.
反応器は、水と酸素とを反応させることができ、光を透過させることができるものであれば特段制限されず、一般的な反応器を用いることができる。光の透過については、反応器の全体が透過性を有するものであっても、一部分が透過性を有するものであってもよい。
反応時の水及び酸素の扱いは、特段制限されず、反応時において水及び/又は酸素を反応器外部から反応器内に常時流入させる態様でもよく、また、反応前に反応器内に水及び酸素を封入したものを反応させる態様でもよい。
反応時における反応器内の温度は、特段制限されないが、通常0℃以上であり、5℃以上であることが好ましく、10℃以上であることがより好ましく、20℃以上であることがさらに好ましく、また、通常100℃以下であり、90℃以下であることが好ましく、60℃以下であることがより好ましく、40℃以下であることがさらに好ましい。
反応時における反応器内の圧力は、特段制限されないが、安全性の観点から、通常0.001Pa以上であり、0.01Pa以上であることが好ましく、0.03Pa以上であることがより好ましく、0.1Pa以上であることがさらに好ましく、また、通常0.9Pa以下であり、0.5Pa以下であることが好ましく、0.3Pa以下であることがより好ましく、0.2Pa以下であることがさらに好ましい。
The reactor is not particularly limited as long as it can react water and oxygen and can transmit light, and a general reactor can be used. Regarding the transmission of light, the reactor may be entirely or partially transparent.
The handling of water and oxygen during the reaction is not particularly limited, and may be an embodiment in which water and/or oxygen are constantly flowed into the reactor from the outside of the reactor during the reaction, or an embodiment in which water and oxygen are sealed in the reactor before the reaction and then reacted.
The temperature inside the reactor during the reaction is not particularly limited, but is usually 0° C. or higher, preferably 5° C. or higher, more preferably 10° C. or higher, and even more preferably 20° C. or higher, and is usually 100° C. or lower, preferably 90° C. or lower, more preferably 60° C. or lower, and even more preferably 40° C. or lower.
The pressure in the reactor during the reaction is not particularly limited, but from the viewpoint of safety, it is usually 0.001 Pa or more, preferably 0.01 Pa or more, more preferably 0.03 Pa or more, and even more preferably 0.1 Pa or more, and is usually 0.9 Pa or less, preferably 0.5 Pa or less, more preferably 0.3 Pa or less, and even more preferably 0.2 Pa or less.
反応時において酸素を反応器外部から反応器内に常時流入させる態様において、酸素をガスとして用いる場合、反応器内への酸素ガスの流量は、特段制限されないが、1Lの水に対し、標準状態換算で、通常0.1L/分以上であり、0.3L/分以上であることが好ましく、1L/分以上であることがより好ましく、3L/分以上であることがさらに好ましく、また、通常150L/分以下であり、50L/分以下であることが好ましく、20L/分以下であることがより好ましく、12.5L/分以下であることがさらに好ましい。 In a mode in which oxygen is constantly flowed into the reactor from outside the reactor during the reaction, when oxygen is used as a gas, the flow rate of oxygen gas into the reactor is not particularly limited, but is usually 0.1 L/min or more, preferably 0.3 L/min or more, more preferably 1 L/min or more, and even more preferably 3 L/min or more, per 1 L of water, calculated under standard conditions, and is usually 150 L/min or less, preferably 50 L/min or less, more preferably 20 L/min or less, and even more preferably 12.5 L/min or less.
反応器内の雰囲気は、特段制限されず、大気であってもよく、酸素ガスで充填されていてもよく、また、酸素ガス以外の雰囲気ガスを導入してもよい。雰囲気ガスとしては、アルゴンガス等の不活性ガスが好ましい。 The atmosphere in the reactor is not particularly limited, and may be air or may be filled with oxygen gas, or an atmospheric gas other than oxygen gas may be introduced. As the atmospheric gas, an inert gas such as argon gas is preferable.
反応容器内における光触媒に対する水の比率は、特段制限されないが、一定容積の反応器から効率よく過酸化水素を得る観点から、重量比率で、通常10以上であり、30以上であることが好ましく、100以上であることがより好ましく、200以上であることがさらに好ましく、また、通常30000以下であり、10000以下であることが好ましく、5000以下であることがより好ましく、2000以下であることがさらに好ましい。 The ratio of water to photocatalyst in the reaction vessel is not particularly limited, but from the viewpoint of efficiently obtaining hydrogen peroxide from a reactor of a fixed volume, the weight ratio is usually 10 or more, preferably 30 or more, more preferably 100 or more, and even more preferably 200 or more, and is usually 30,000 or less, preferably 10,000 or less, more preferably 5,000 or less, and even more preferably 2,000 or less.
反応容器に対する水の体積比率は、特段制限されないが、酸素をガスとして用いた場合、一定容積の反応器から効率よく過酸化水素を得る観点から、通常10体積%以上であり、20体積%以上であることが好ましく、40体積%以上であることがより好ましく、60体積%以上であることがさらに好ましく、また、通常99.9体積%以下であり、99体積%以下であることが好ましく、95体積%以下であることがより好ましく、90体積%以下であることがさらに好ましい。 The volume ratio of water to the reaction vessel is not particularly limited, but when oxygen is used as the gas, from the viewpoint of efficiently obtaining hydrogen peroxide from a reactor of a certain volume, it is usually 10 vol.% or more, preferably 20 vol.% or more, more preferably 40 vol.% or more, and even more preferably 60 vol.% or more, and is usually 99.9 vol.% or less, preferably 99 vol.% or less, more preferably 95 vol.% or less, and even more preferably 90 vol.% or less.
光照射に用いる光線の種類は、特段限定されず、例えば、紫外線、可視光線等を用い得る。
光源の種類も特段制限されないが、紫外線、可視光線を用いる場合、例えば、太陽光、キセノンランプ、超高圧UVランプ、超高圧水銀UVランプ、メタルハライドUVランプ、低圧水銀UVランプ、UV-LED、エキシマランプ等を用いることができる。また、光源は、1種類で用いてもよく、2種類以上を組み合わせて用いてもよい。
The type of light used for the light irradiation is not particularly limited, and for example, ultraviolet light, visible light, etc. may be used.
The type of light source is not particularly limited, but when ultraviolet light or visible light is used, for example, sunlight, a xenon lamp, an ultra-high pressure UV lamp, an ultra-high pressure mercury UV lamp, a metal halide UV lamp, a low pressure mercury UV lamp, a UV-LED, an excimer lamp, etc. Furthermore, the light source may be used alone or in combination of two or more types.
光線の波長は、特段制限されないが、g-C3N4の光吸収の吸収端が450nmにあることから、通常250nm以上であり、300nm以上であることが好ましく、375nm以上であることがより好ましく、また、通常600nm以下であり、500nm以下であることが好ましく、450nm以下であることがより好ましい。 The wavelength of the light is not particularly limited, but since the optical absorption edge of g-C 3 N 4 is at 450 nm, it is usually 250 nm or more, preferably 300 nm or more, and more preferably 375 nm or more, and is usually 600 nm or less, preferably 500 nm or less, and more preferably 450 nm or less.
光線の強度は、特段制限されないが、通常10mW/cm2以上であり、30mW/cm2以上であることが好ましく、80mW/cm2以上であることがより好ましく、また、通常5000mW/cm2以下であり、1000mW/cm2以下であることが好ましく、200mW/cm2以下であることがより好ましい。
光線の強度は、過酸化水素の生成反応の進行に応じて、適宜変更することもできる。
The intensity of the light beam is not particularly limited, but is usually 10 mW/ cm2 or more, preferably 30 mW/ cm2 or more, and more preferably 80 mW/ cm2 or more, and is usually 5000 mW/cm2 or less , preferably 1000 mW/ cm2 or less, and more preferably 200 mW/ cm2 or less.
The intensity of the light can be appropriately changed depending on the progress of the hydrogen peroxide production reaction.
過酸化水素の製造方法は、反応工程の後に、過酸化水素を回収する工程(回収工程)を有していてもよく、該工程により、反応工程で製造された過酸化水素をそのまま回収することができる。
反応工程での反応が終わった後、未反応の水及び酸素、並びに光触媒は、回収して別の反応系で再利用することができる。
The method for producing hydrogen peroxide may include a step of recovering hydrogen peroxide (recovery step) after the reaction step, and the hydrogen peroxide produced in the reaction step can be recovered as it is by this step.
After the reaction in the reaction step is completed, the unreacted water and oxygen, as well as the photocatalyst, can be recovered and reused in another reaction system.
<3.過酸化水素の製造システム>
本発明の別の実施形態である過酸化水素の製造システムは、上述の光触媒を用い、水と酸素とを光照射により反応させることのできる、過酸化水素の製造システムである。
システムの態様は、特段制限されないが、例えば、原料として水と酸素とを用い、触媒として上述の光触媒を用い、光照射により前記水と前記酸素とを反応させることのできるシステムが挙げられる。
原料や反応器、反応条件に関する態様は、上述の<2.過酸化水素の製造方法>で示した態様を採用することができる。
<3. Hydrogen peroxide production system>
A hydrogen peroxide production system according to another embodiment of the present invention is a hydrogen peroxide production system that uses the above-mentioned photocatalyst and is capable of reacting water and oxygen by irradiation with light.
The embodiment of the system is not particularly limited, but an example of the system is a system that uses water and oxygen as raw materials and the above-mentioned photocatalyst as a catalyst, and can react the water and oxygen by irradiating them with light.
The raw materials, reactor, and reaction conditions may be the same as those described above in <2. Method for producing hydrogen peroxide>.
以下に、実施例及び比較例を挙げて本発明をさらに具体的に説明するが、本発明は、これらの実施例に限定されるものではない。 The present invention will be explained in more detail below with reference to examples and comparative examples, but the present invention is not limited to these examples.
<光触媒の製造>
[実施例1]
0.5mmolのNaSbF6をエタノール(50mL)に溶解し1時間超音波処理を行った後、4gのメラミンを溶液中に添加した。さらに1時間超音波処理した後、回転蒸発により溶媒を除去し、窒素雰囲気中で20℃から560℃まで2.2℃/分の温度上昇率で昇温し、560℃で4時間保持した。調製した黄色の生成物を脱塩水で3回洗浄した後、真空乾燥炉で一晩乾燥させ、光触媒を得た。以下の実施例2、3、4及び比較例1について、g-C3N4が形成されていることをX線回折により確認しており、実施例5~9及び比較例2、3についても、g-C3N4が形成されていると推測される。
<Production of photocatalyst>
[Example 1]
0.5 mmol of NaSbF 6 was dissolved in ethanol (50 mL) and ultrasonicated for 1 hour, and then 4 g of melamine was added to the solution. After ultrasonication for another hour, the solvent was removed by rotary evaporation, and the temperature was raised from 20 ° C to 560 ° C at a temperature increase rate of 2.2 ° C / min in a nitrogen atmosphere, and held at 560 ° C for 4 hours. The prepared yellow product was washed three times with demineralized water and then dried overnight in a vacuum drying oven to obtain a photocatalyst. For the following Examples 2, 3, 4 and Comparative Example 1, it was confirmed by X-ray diffraction that g-C 3 N 4 was formed, and it is presumed that g-C 3 N 4 was also formed for Examples 5 to 9 and Comparative Examples 2 and 3.
NaSbF6の量を1mmolに変更したこと以外は、実施例1と同様に光触媒を製造した。 A photocatalyst was produced in the same manner as in Example 1, except that the amount of NaSbF6 was changed to 1 mmol.
[実施例3]
NaSbF6の量を3mmolに変更したこと以外は、実施例1と同様に光触媒を製造した。
[Example 3]
A photocatalyst was produced in the same manner as in Example 1, except that the amount of NaSbF6 was changed to 3 mmol.
[実施例4]
NaSbF6の量を5mmolに変更したこと以外は、実施例1と同様に光触媒を製造した。
[Example 4]
A photocatalyst was produced in the same manner as in Example 1, except that the amount of NaSbF6 was changed to 5 mmol.
[実施例5]
NaSbF6の量を15mmolに変更したこと以外は、実施例1と同様に光触媒を製造した。
[Example 5]
A photocatalyst was produced in the same manner as in Example 1, except that the amount of NaSbF6 was changed to 15 mmol.
[実施例6]
0.5mmolのNaSbF6を、15mmolのNaAsF6に変更したこと以外は、実施例1と同様に光触媒を製造した。
[Example 6]
A photocatalyst was produced in the same manner as in Example 1, except that 0.5 mmol of NaSbF 6 was changed to 15 mmol of NaAsF 6 .
[実施例7]
0.5mmolのNaSbF6を、15mmolのNaPF6に変更したこと以外は、実施例1と同様に光触媒を製造した。
[Example 7]
A photocatalyst was produced in the same manner as in Example 1, except that 0.5 mmol of NaSbF 6 was changed to 15 mmol of NaPF 6 .
[実施例8]
NaSbF6の量を10mmolに変更したこと以外は、実施例1と同様に光触媒を製造した。
[Example 8]
A photocatalyst was produced in the same manner as in Example 1, except that the amount of NaSbF6 was changed to 10 mmol.
[実施例9]
NaSbF6の量を20mmolに変更したこと以外は、実施例1と同様に光触媒を製造した。
[Example 9]
A photocatalyst was produced in the same manner as in Example 1, except that the amount of NaSbF6 was changed to 20 mmol.
[比較例1]
4gのメラミンを窒素雰囲気中で20℃から560℃まで2.2℃/分の温度上昇率で昇温し、560℃で4時間保持した。調製した生成物を脱塩水で3回洗浄した後、真空乾燥炉で一晩乾燥させた。
[Comparative Example 1]
4 g of melamine was heated in a nitrogen atmosphere from 20° C. to 560° C. at a temperature increase rate of 2.2° C./min and held at 560° C. for 4 hours. The prepared product was washed three times with demineralized water and then dried overnight in a vacuum drying oven.
[比較例2]
0.5mmolのNaSbF6を、15mmolのNaFに変更したこと以外は、実施例1と同様に光触媒を製造した。
[Comparative Example 2]
A photocatalyst was produced in the same manner as in Example 1, except that 0.5 mmol of NaSbF6 was changed to 15 mmol of NaF.
[比較例3]
0.5mmolのNaSbF6を、15mmolのNaCuF6に変更したこと以外は、実施例1と同様に光触媒を製造した。
[Comparative Example 3]
A photocatalyst was produced in the same manner as in Example 1, except that 0.5 mmol of NaSbF 6 was changed to 15 mmol of NaCuF 6 .
<Sb担持量の評価>
実施例1、実施例2、実施例3、実施例4、実施例8、実施例5、比較例1、比較例2の光触媒60mgに対し、80~100℃の熱水100mLで洗浄を3~5回以上繰り返した後に、誘導結合プラズマ(ICP)発光分光分析を行い、窒化炭素に対するSb担持量を評価した。触媒全重量に対するSbの重量、および担体である窒化炭素に対するSbの重量は以下の表1の通りであった。なお、上記の3~5回以上の洗浄により、光触媒の表面に残存している遊離のSbイオンは除去されている。
<Evaluation of Sb Support Amount>
60 mg of the photocatalysts of Examples 1, 2, 3, 4, 8, 5, Comparative Example 1, and Comparative Example 2 were washed 3 to 5 times or more with 100 mL of hot water at 80 to 100°C, and then inductively coupled plasma (ICP) emission spectrometry was performed to evaluate the amount of Sb supported on the carbon nitride. The weight of Sb relative to the total weight of the catalyst and the weight of Sb relative to the carbon nitride carrier were as shown in Table 1 below. Note that free Sb ions remaining on the surface of the photocatalyst were removed by washing 3 to 5 times or more as described above.
<過酸化水素の製造>
石英製の反応器(容量50ml)内で、水、もしくはpH調整した水(40ml)に触媒(60mg)を加え、ゴムセプタムで反応器を密閉した。pH調整については後述する。触媒を超音波処理により15分間分散させた後、酸素ガスによる反応器内の水のバブリングを30分間実施した。酸素ガスは0.5L/分の流量で導入し、30分間での全導入量は15Lであった。その後、酸素ガス導入を停止し、キセノンランプの光(フィルター透過前の強度は100mW/cm2)を長波長透過(780nm>λ>420nm)フィルターを介して反応器に導入し、水と酸素を反応させて過酸化水素を生成した。反応器内の圧力は1気圧、温度は室温(20~30℃)で反応を実施した。過酸化水素の定量は、KMnO4を用いた酸化還元滴定、及び4-アミノアンチピリンを用いた比色分析により実施した。
<Production of Hydrogen Peroxide>
In a quartz reactor (volume 50 ml), a catalyst (60 mg) was added to water or pH-adjusted water (40 ml), and the reactor was sealed with a rubber septum. The pH adjustment will be described later. After dispersing the catalyst by ultrasonic treatment for 15 minutes, the water in the reactor was bubbled with oxygen gas for 30 minutes. Oxygen gas was introduced at a flow rate of 0.5 L/min, and the total amount introduced in 30 minutes was 15 L. Thereafter, the introduction of oxygen gas was stopped, and light from a xenon lamp (intensity before passing through the filter was 100 mW/cm 2 ) was introduced into the reactor through a long-wavelength transmission (780 nm>λ>420 nm) filter to react water and oxygen to generate hydrogen peroxide. The reaction was carried out at a pressure of 1 atmosphere and at room temperature (20 to 30° C.) in the reactor. The amount of hydrogen peroxide was quantified by oxidation-reduction titration using KMnO 4 and colorimetric analysis using 4-aminoantipyrine.
<実験1-1>
実施例1~4、及び比較例1の光触媒を用いて、過酸化水素の生成量の光照射開始時からの経時変化を調べる実験を行った。この実験の結果を図1に示す。
上記のpH調整した水として、水に0.1MのNaOH水溶液及び0.1MHCl水溶液を加えて、触媒を懸濁させた水溶液がpHを1.7となるよう調整したものを用いた。
図1から、本願実施形態に係る元素が担持された光触媒を用いた実施例1~4は、該元素で担持されていない光触媒を用いた比較例1よりも、過酸化水素の生成量が増加することが分かった。
また、実施例1~4の比較から、NaSbF6の仕込み量の増加、つまり、窒化炭素へのSbの担持量の増加に伴い、過酸化水素の生成量が増加することが分かった。
<Experiment 1-1>
An experiment was carried out to examine the change over time in the amount of hydrogen peroxide produced from the start of light irradiation using the photocatalysts of Examples 1 to 4 and Comparative Example 1. The results of this experiment are shown in FIG.
The pH-adjusted water used was prepared by adding a 0.1 M NaOH aqueous solution and a 0.1 M HCl aqueous solution to water so that the pH of the aqueous solution in which the catalyst was suspended was adjusted to 1.7.
From FIG. 1, it can be seen that in Examples 1 to 4, which used a photocatalyst carrying an element according to the present application, the amount of hydrogen peroxide produced was greater than in Comparative Example 1, which used a photocatalyst not carrying the element.
Furthermore, a comparison of Examples 1 to 4 revealed that the amount of hydrogen peroxide produced increased with an increase in the amount of NaSbF6 charged, that is, with an increase in the amount of Sb supported on carbon nitride.
<実験1-2>
実施例5、8、9の光触媒を用いて、光照射下の過酸化水素生成量がNaSbF6の仕込み量にどのように依存するかを調べた。ただし、過酸化水素の製造において、水溶液は純水を用いた。光照射を120分行った後の過酸化水素生成量は下記の表2のようになった。この結果から、過酸化水素生成に最適なNaSbF6の仕込み量は、4gのメラミンに対して15mmol程度のNaSbF6であることが分かった。
<Experiment 1-2>
Using the photocatalysts of Examples 5, 8, and 9, we investigated how the amount of hydrogen peroxide generated under light irradiation depends on the amount of NaSbF6 added. However, pure water was used as the aqueous solution in producing hydrogen peroxide. The amount of hydrogen peroxide generated after 120 minutes of light irradiation is as shown in Table 2 below. From these results, it was found that the optimal amount of NaSbF6 to generate hydrogen peroxide is about 15 mmol of NaSbF6 per 4 g of melamine.
<実験2>
実施例1~4、及び比較例1の光触媒を用いて、過酸化水素の生成量の光照射開始時からの経時変化を調べる実験を行った。この実験の結果を図2に示す。
上記のpH調整した水として、水に0.1MのNaOH水溶液及び0.1MHCl水溶液を加えて、触媒を懸濁させた水溶液のpHを7に調整したものを用いた。
図2から、実験1と同様に、本願実施形態に係る元素が担持された光触媒を用いた実施例1~4は、該元素で担持されていない光触媒を用いた比較例1よりも、過酸化水素の生成量が増加することが分かった。
また、実験1と同様に実施例1~4の比較から、NaSbF6の仕込み量の増加、つまり、窒化炭素へのSbの担持量の増加に伴い、過酸化水素の生成量が増加することが分かった。
実験1と2とを比較すると、NaSbF6の仕込み量が0.5mmolのときは、pHの相違による過酸化水素の生成量の相違は見られなかったが、NaSbF6の仕込み量が1~5mmolのときは、pH=7の方がpH=1よりも過酸化水素の生成量が多かった。また、比較例1については、pHの相違による過酸化水素の生成量の相違は見られなかった。
<
An experiment was carried out to examine the change over time in the amount of hydrogen peroxide produced from the start of light irradiation using the photocatalysts of Examples 1 to 4 and Comparative Example 1. The results of this experiment are shown in FIG.
The pH-adjusted water used was prepared by adding a 0.1 M NaOH aqueous solution and a 0.1 M HCl aqueous solution to water to adjust the pH of the aqueous solution containing the catalyst suspended therein to 7.
As seen from FIG. 2, similarly to
Moreover, as in
Comparing
<実験3>
実施例3及び比較例1の光触媒を用いて、過酸化水素の生成量の光照射開始時からの経時変化を調べる実験を行った。この実験の結果を図3に示す。
上記のpH調整した水として、水に0.1MのNaOH水溶液及び0.1MHCl水溶液を加えて、pHを7及び13に調整したものを用いた。
図3から、実施例3におけるpH=7とpH=13との比較から、pH=7の方がpH=13よりも過酸化水素の生成量が多かった。
上記の実験1と2との比較結果を参照すると、pH=1.7及びpH=13よりも、pH=7の方が過酸化水素の生成量が多かった。つまり、pH調整した水は、酸性やアルカリ性であるよりも、中性である方が好ましいことが分かった。
<
An experiment was carried out to examine the change over time in the amount of hydrogen peroxide produced from the start of light irradiation using the photocatalysts of Example 3 and Comparative Example 1. The results of this experiment are shown in FIG.
As the pH-adjusted water, water whose pH was adjusted to 7 and 13 by adding a 0.1 M aqueous NaOH solution and a 0.1 M aqueous HCl solution was used.
From FIG. 3, a comparison of pH=7 and pH=13 in Example 3 shows that the amount of hydrogen peroxide produced was greater at pH=7 than at pH=13.
Referring to the comparison results between
<実験4>
実施例5~7、及び比較例1~3の光触媒を用いて、過酸化水素の生成量の光照射開始時からの経時変化を調べる実験を行った。この実験の結果を図4に示す。
ただし、過酸化水素の製造において、水溶液は純水を用いた。
図4から、実験1と同様に、本願実施形態に係る元素が担持された光触媒を用いた実施例1~4は、該元素で担持されていない光触媒を用いた比較例1よりも、過酸化水素の生成量が増加することが分かった。
また、実施例5~7の比較から、窒化炭素に担持される元素について、P、As、Sbの順に多くなることが分かった。
<
An experiment was carried out to examine the change over time in the amount of hydrogen peroxide produced from the start of light irradiation using the photocatalysts of Examples 5 to 7 and Comparative Examples 1 to 3. The results of this experiment are shown in FIG.
However, in producing hydrogen peroxide, pure water was used as the aqueous solution.
As seen from FIG. 4, similarly to
Furthermore, a comparison of Examples 5 to 7 revealed that the elements supported on carbon nitride were most abundant in the order P, As, and Sb.
<実験5>
光触媒として実施例5の光触媒を用いて、過酸化水素の生成量のpH依存性を調べる実験を行った。ただし、過酸化水素の製造において、純水に0.1MのNaOH水溶液および0.1MのHCl水溶液を加えて水溶液のpHを調整した。光照射を120分間行った後の過酸化水素生成量は下記の表3のようになった。この結果から、上述の過酸化水素の製造方法の説明における記載の通り、本触媒での過酸化水素製造において、pHは6~11であることが好ましいことが確認された。
<
An experiment was carried out to examine the pH dependency of the amount of hydrogen peroxide produced, using the photocatalyst of Example 5 as the photocatalyst. However, in the production of hydrogen peroxide, a 0.1 M aqueous NaOH solution and a 0.1 M aqueous HCl solution were added to pure water to adjust the pH of the aqueous solution. The amount of hydrogen peroxide produced after 120 minutes of light irradiation is shown in Table 3 below. From this result, it was confirmed that, as described in the above description of the method for producing hydrogen peroxide, a pH of 6 to 11 is preferable in the production of hydrogen peroxide with this catalyst.
<実験6>
光触媒として実施例5の光触媒を用い、水溶液としてリン酸緩衝溶液、もしくは0.1M NaHCO3 水溶液を用いて実験を行った。光照射を120分行った後の過酸化水素生成量は下記の表4のようになった。この結果から、リン酸緩衝溶液は本光触媒を用いた過酸化水素製造において好適であることが分かった。
<Experiment 6>
An experiment was carried out using the photocatalyst of Example 5 as the photocatalyst and a phosphate buffer solution or a 0.1M NaHCO3 aqueous solution as the aqueous solution. The amount of hydrogen peroxide produced after 120 minutes of light irradiation is shown in Table 4 below. From this result, it was found that a phosphate buffer solution is suitable for producing hydrogen peroxide using this photocatalyst.
上記実験1~6から、本願実施形態に係る光触媒を用いることにより、有機溶媒等を使用することなく、かつ、連続的に高効率で過酸化水素を製造することができることが分かった。
From
Claims (10)
前記光触媒は、窒化炭素に、窒素を除く第15族元素、炭素とケイ素を除く第14族元
素、及びホウ素とアルミニウムを除く第13族元素、から選ばれる少なくとも1種の元素を担持し、
窒素と、炭素と、窒素を除く第15族元素、炭素とケイ素を除く第14族元素、及びホウ素とアルミニウムを除く第13族元素、から選ばれる少なくとも1種の元素と、を含む原料を反応させて前記窒化炭素を生成する反応工程を有し、
前記反応工程において、前記原料中の窒素を除く第15族元素、炭素とケイ素を除く第14族元素、及びホウ素とアルミニウムを除く第13族元素、から選ばれる少なくとも1種の元素の含有量が、前記窒化炭素100重量%に対して、1重量%以上80重量%以下である、光触媒の製造方法。 A method for producing a photocatalyst , comprising the steps of:
The photocatalyst is a carbon nitride having a group 15 element other than nitrogen and a group 14 element other than carbon and silicon.
and at least one element selected from the group consisting of boron, aluminum, and group 13 elements excluding boron and aluminum;
a reaction step of reacting a raw material containing nitrogen, carbon, and at least one element selected from the group consisting of Group 15 elements excluding nitrogen, Group 14 elements excluding carbon and silicon, and Group 13 elements excluding boron and aluminum to produce the carbon nitride,
a content of at least one element selected from Group 15 elements excluding nitrogen, Group 14 elements excluding carbon and silicon, and Group 13 elements excluding boron and aluminum in the raw material is 1% by weight or more and 80% by weight or less with respect to 100% by weight of the carbon nitride.
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