Deprecated: The each() function is deprecated. This message will be suppressed on further calls in /home/zhenxiangba/zhenxiangba.com/public_html/phproxy-improved-master/index.php on line 456
JP7637372B2 - Carbon dioxide reduction photocatalyst particles - Google Patents
[go: Go Back, main page]

JP7637372B2 - Carbon dioxide reduction photocatalyst particles - Google Patents

Carbon dioxide reduction photocatalyst particles Download PDF

Info

Publication number
JP7637372B2
JP7637372B2 JP2020174222A JP2020174222A JP7637372B2 JP 7637372 B2 JP7637372 B2 JP 7637372B2 JP 2020174222 A JP2020174222 A JP 2020174222A JP 2020174222 A JP2020174222 A JP 2020174222A JP 7637372 B2 JP7637372 B2 JP 7637372B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
silver
particles
gallium oxide
photocatalyst
carbon dioxide
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2020174222A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2021137790A (en
Inventor
大夢 西本
能之 阿部
庸裕 田中
謙太郎 寺村
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Kyoto University NUC
Original Assignee
Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Kyoto University NUC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sumitomo Metal Mining Co Ltd, Kyoto University NUC filed Critical Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Publication of JP2021137790A publication Critical patent/JP2021137790A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP7637372B2 publication Critical patent/JP7637372B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Landscapes

  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)
  • Catalysts (AREA)

Description

本発明は、二酸化炭素還元光触媒粒子に関する。 The present invention relates to carbon dioxide reduction photocatalyst particles.

半導体光触媒粒子を用いた水分解及び二酸化炭素還元技術は、エネルギー問題や環境問題を解決できる技術として注目を集めている。この光触媒粒子に助触媒として銀(Ag)などからなるナノ粒子を担持させることで、光励起によって生成した電子をトラップして電荷分離を促進する効果や二酸化炭素還元生成物を選択する効果が期待できる。例えば通常の光触媒では光照射により水が水素(H)と酸素(O)とに分解する。これに対して銀粒子を担持した光触媒では、二酸化炭素(CO)の還元により一酸化炭素(CO)が水素(H)とともに生成する。このような二酸化炭素還元光触媒として、銀ナノ粒子を助触媒として担持した酸化ガリウム粒子(銀ナノ粒子担持酸化ガリウム粒子)が知られている。 Water splitting and carbon dioxide reduction technology using semiconductor photocatalyst particles has attracted attention as a technology that can solve energy problems and environmental problems. By supporting nanoparticles made of silver (Ag) or the like as a co-catalyst on these photocatalyst particles, it is expected that the effect of trapping electrons generated by photoexcitation to promote charge separation and the effect of selecting carbon dioxide reduction products can be expected. For example, in a normal photocatalyst, water is decomposed into hydrogen (H 2 ) and oxygen (O 2 ) by light irradiation. In contrast, in a photocatalyst supporting silver particles, carbon monoxide (CO) is generated together with hydrogen (H 2 ) by reduction of carbon dioxide (CO 2 ). As such a carbon dioxide reduction photocatalyst, gallium oxide particles supporting silver nanoparticles as a co-catalyst (gallium oxide particles supporting silver nanoparticles) are known.

一酸化炭素(CO)は化学工業や産業における重要な出発物質であり、これを水素と反応させて様々な燃料や化学物質を合成することが可能である。したがって二酸化炭素還元光触媒では、一酸化炭素の生成割合、すなわちCO選択率の高いことが望ましい。ここでCO選択率とは、下記(1)式に表されるように、還元反応により生じる水素(H)ガスの発生速度(発生量)と一酸化炭素(CO)ガスの発生速度の合計に対する一酸化炭素(CO)ガスの発生速度の割合である。 Carbon monoxide (CO) is an important starting material in the chemical and industrial industries, and can be reacted with hydrogen to synthesize various fuels and chemicals. Therefore, in a carbon dioxide reduction photocatalyst, it is desirable to have a high carbon monoxide production rate, i.e., a high CO selectivity. Here, the CO selectivity is the ratio of the carbon monoxide (CO) gas generation rate to the total of the hydrogen (H 2 ) gas generation rate (generation amount) and the carbon monoxide (CO) gas generation rate generated by the reduction reaction, as expressed by the following formula (1).

Figure 0007637372000001
Figure 0007637372000001

ところで金属ナノ粒子を担持させる方法として、含浸法や光電析法(光電着法)などの手法が従来から知られている。例えば特許文献1には二酸化炭素の還元方法に関して、COとHOと光触媒とに光を照射してCOを還元する反応によりCOを生成させる旨、光電着法又は含浸法で銀を酸化ガリウムに担持した触媒を用いる旨、光電着法では硝酸銀など銀前駆体を含むアルコール水溶液に酸化ガリウム粉末を入れて混合後、光照射を行って銀前駆体を還元処理する旨、含浸法では銀前駆体水溶液に酸化ガリウムを加えて攪拌し、水を除去した後に加熱乾燥し、更に空気中で焼成する旨が記載されている(特許文献1の請求項1、2及び[0015])。 Meanwhile, methods such as impregnation and photoelectrodeposition (photoelectrodeposition) have been known as methods for supporting metal nanoparticles. For example, Patent Document 1 describes a method for reducing carbon dioxide, which includes irradiating CO 2 , H 2 O, and a photocatalyst with light to generate CO by a reaction that reduces CO 2 , using a catalyst in which silver is supported on gallium oxide by photoelectrodeposition or impregnation, adding gallium oxide powder to an alcoholic aqueous solution containing a silver precursor such as silver nitrate and mixing the mixture, and then irradiating light to reduce the silver precursor, and impregnation adding gallium oxide to an aqueous silver precursor solution, stirring the mixture, removing water, and then heating and drying the mixture, and then calcining the mixture in air (claims 1, 2, and [0015] of Patent Document 1).

また二酸化炭素還元触媒に関するものではないが、特許文献2には超音波を照射して溶媒中に1種類以上の貴金属酸化物を分散させて貴金属酸化物分散液を得る工程と、前記貴金属酸化物分散液を加熱する工程とを含むことを特徴とする貴金属ナノ材料の製造方法が開示され、溶媒に貴金属担持用の担体を更に含有させる旨、担体の表面上に高度な分散性を持って担持された状態の貴金属ナノ材料を得ることが可能であるため、これを燃料電池用触媒、材料合成用触媒等に好適に利用することが可能となる旨が記載されている(特許文献2の請求項1、6及び[0014])。 Although not related to carbon dioxide reduction catalysts, Patent Document 2 discloses a method for producing a precious metal nanomaterial, which includes the steps of dispersing one or more types of precious metal oxide in a solvent by irradiating the solvent with ultrasonic waves to obtain a precious metal oxide dispersion, and heating the precious metal oxide dispersion. It also describes that the solvent further contains a carrier for supporting the precious metal, and that it is possible to obtain a precious metal nanomaterial supported on the surface of the carrier with high dispersibility, which can be suitably used as a catalyst for fuel cells, a catalyst for material synthesis, etc. (Claims 1, 6, and [0014] of Patent Document 2).

特開2012-192302号公報JP 2012-192302 A 特開2008-24968号公報JP 2008-24968 A

しかしながら本発明者らが調べたところ、特許文献1で提案される含浸法や光電析法で作製された光触媒には、一定の効果があるものの改良の余地があることが分かった。すなわち助触媒である銀(Ag)の効果を十分に発揮させるためには、その担持量をある程度に多くすることが望ましい。また銀の粒径が小さく、数十nmオーダー程度であることが望まれる。粒径が大きすぎると触媒活性が失われてしまうためである。しかしながら含浸法や光電析法で作製した光触媒粒子では、銀濃度(担持量)を高くすると銀粒子が凝集して粒径が大きくなってしまう問題がある。そのため粒径の小さい銀ナノ粒子を高担持量で担持させることは困難である。 However, the inventors' research revealed that the photocatalysts produced by the impregnation method and photoelectrodeposition method proposed in Patent Document 1 have a certain degree of effectiveness, but there is room for improvement. That is, in order to fully exert the effect of the promoter silver (Ag), it is desirable to increase the amount of silver supported to a certain extent. It is also desirable for the silver particle size to be small, on the order of several tens of nanometers. This is because catalytic activity is lost if the particle size is too large. However, with photocatalyst particles produced by the impregnation method or photoelectrodeposition method, there is a problem that if the silver concentration (supported amount) is increased, the silver particles aggregate and the particle size becomes large. For this reason, it is difficult to support a high amount of silver nanoparticles with a small particle size.

特許文献2は貴金属ナノ材料を二酸化炭素還元光触媒に用いることを意図しておらず、ましてやナノ材料の粒径を数十nmオーダーに小さくすることを目的とするものではない。実際、引用文献2では実施例において貴金属(Pt)ナノ微粒子担持球状カーボンや貴金属(Pt)ナノチューブを作製する旨、燃料電池用触媒、材料合成用触媒、医療や食品添加剤、導電性ペーストに好適である旨を教示するに過ぎない(特許文献2の[0043]~[0062])。 Patent Document 2 does not intend to use precious metal nanomaterials as carbon dioxide reduction photocatalysts, much less to reduce the particle size of nanomaterials to the order of several tens of nanometers. In fact, in the examples, Patent Document 2 merely teaches that precious metal (Pt) nanoparticle-supported spherical carbon and precious metal (Pt) nanotubes are produced, and that they are suitable for use as catalysts for fuel cells, catalysts for material synthesis, medical and food additives, and conductive pastes (Patent Document 2, [0043] to [0062]).

一方で金属ナノ粒子を合成する際に、原料濃度を低くするとともに多量の有機保護剤を用いて均一且つ微細な粒子を合成する手法が知られている。しかしながらこのような手法で光触媒粒子を作製すると、光触媒粒子の収率が低いとともに有機保護剤が粒子表面に付着するという問題がある。付着した有機保護剤は触媒活性を低下させてしまうため、これを分解除去するために触媒粒子を高温焼成する必要がある。このような焼成を経た触媒粒子では、金属ナノ粒子の粒径が大きくなってしまう。そのため従来の手法では微細な銀ナノ粒子を高分散且つ高担持量で担持させることは困難であり、触媒性能、特にCO選択率に優れた光触媒粒子を効率的に製造する上で限界があった。 On the other hand, when synthesizing metal nanoparticles, a method is known in which the raw material concentration is reduced and a large amount of organic protective agent is used to synthesize uniform and fine particles. However, when photocatalyst particles are produced using this method, there are problems in that the yield of photocatalyst particles is low and the organic protective agent adheres to the particle surface. Since the attached organic protective agent reduces the catalytic activity, the catalyst particles must be calcined at high temperatures to decompose and remove it. In catalyst particles that have been calcined in this way, the particle size of the metal nanoparticles becomes large. Therefore, using conventional methods, it is difficult to support fine silver nanoparticles in a high dispersion and loading amount, and there are limitations in efficiently producing photocatalyst particles with excellent catalytic performance, especially CO selectivity.

本発明者らは、このような従来の問題に鑑みて検討を行い、酸化ガリウム粒子と銀供給源とに超音波を照射するという簡易な手法により、助触媒たる銀ナノ粒子を高分散且つ高担持率で析出させることができ、それにより改良されたCO選択率を有する光触媒を得ることができるとの知見を得た。 The inventors have conducted research in light of these conventional problems and have discovered that by using a simple method of irradiating gallium oxide particles and a silver source with ultrasound, it is possible to precipitate silver nanoparticles as promoters with high dispersion and high loading, thereby obtaining a photocatalyst with improved CO selectivity.

本発明は、このような知見に基づき完成されたものであり、改良されたCO選択率を有する二酸化炭素還元光触媒粒子の提供を課題とする。 The present invention was completed based on these findings, and aims to provide carbon dioxide reduction photocatalyst particles with improved CO selectivity.

本発明は、下記の態様を包含する。なお本明細書において「~」なる表現は、その両端の数値を含む。すなわち「X~Y」は「X以上Y以下」と同義である。 The present invention encompasses the following aspects. In this specification, the expression "-" includes both ends of the expression. In other words, "X-Y" is synonymous with "X or more and Y or less."

酸化ガリウム(Ga)粒子と、前記酸化ガリウム粒子の表面に担持された金属銀(Ag)ナノ粒子と、を含み、
拡散反射スペクトルにおいて波長350~550nmの範囲内にピークを有する、二酸化炭素還元光触媒粒子。
The present invention relates to a gallium oxide (Ga 2 O 3 ) particle and a metallic silver (Ag) nanoparticle supported on the surface of the gallium oxide particle,
Carbon dioxide reducing photocatalyst particles having a diffuse reflectance spectrum peak within the wavelength range of 350 to 550 nm.

本発明によれば、改良されたCO選択率を有する二酸化炭素還元光触媒粒子が提供される。 The present invention provides carbon dioxide reduction photocatalyst particles with improved CO selectivity.

評価装置の一例を示す断面模式図である。FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing an example of an evaluation device. 光触媒反応のメカニズムを示す。The mechanism of photocatalytic reaction is shown. 銀ナノ粒子担持のメカニズムを示す。1 shows the mechanism of silver nanoparticle loading. 実施例サンプルの光学写真を示す。1 shows an optical photograph of an example sample. 実施例及び比較例サンプルのXRDパターンを示す。1 shows XRD patterns of the example and comparative sample. 実施例及び比較例サンプルのXRDパターン(拡大図)を示す。1 shows XRD patterns (enlarged views) of the example and comparative sample. 実施例及び比較例サンプルのXRDパターン(拡大図)を示す。1 shows XRD patterns (enlarged views) of the example and comparative sample. 実施例サンプル(実施例3)のSEM写真を示す。1 shows an SEM photograph of an example sample (Example 3). 比較例サンプル(比較例2)のSEM写真を示す。1 shows an SEM photograph of a comparative sample (Comparative Example 2). 実施例サンプル(実施例3)のSTEM写真を示す。1 shows an STEM photograph of an example sample (Example 3). 実施例サンプル(実施例4)のSTEM写真を示す。1 shows an STEM photograph of an example sample (Example 4). 比較例サンプル(比較例1)のSTEM写真を示す。1 shows an STEM photograph of a comparative sample (Comparative Example 1). 比較例サンプル(比較例2)のSTEM写真を示す。1 shows an STEM photograph of a comparative sample (Comparative Example 2). 実施例サンプル中銀ナノ粒子の粒径分布を示す。1 shows the particle size distribution of silver nanoparticles in example samples. 実施例及び比較例サンプル中銀ナノ粒子の粒径分布を示す。1 shows the particle size distribution of silver nanoparticles in the samples of the examples and comparative examples. 実施例及び比較例サンプルの拡散反射スペクトルを示す。1 shows the diffuse reflectance spectra of the example and comparative example samples. 銀担持量とCO選択率との関係を示す。1 shows the relationship between the amount of silver carried and the CO selectivity. 熱処理前後の実施例サンプルのSEM写真を示す。4 shows SEM photographs of the example sample before and after heat treatment. 熱処理前後の実施例サンプルのTG曲線を示す。TG curves of the example sample before and after heat treatment are shown. 熱処理前後の実施例サンプルのDTA曲線を示す。4 shows DTA curves of the example sample before and after heat treatment. 熱処理前後の実施例サンプルのXRDパターンを示す。4 shows XRD patterns of the example sample before and after heat treatment.

本発明の具体的な実施形態(以下、「本実施形態」という)について以下に説明する。ただし本発明は以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲において種々の変更が可能である。 A specific embodiment of the present invention (hereinafter referred to as "the present embodiment") is described below. However, the present invention is not limited to the following embodiment, and various modifications are possible within the scope that does not change the gist of the present invention.

1.光触媒粒子
本実施形態の二酸化炭素還元光触媒粒子(以下、「光触媒粒子」と総称する場合がある)は、酸化ガリウム(Ga)粒子と、この酸化ガリウム粒子の表面に担持された金属銀(Ag)ナノ粒子と、を含む。酸化ガリウム(Ga)粒子は主触媒として機能するものであり、光触媒に用いられるものであれば特に限定されない。Gaには、α型、β型、γ型、δ型及びε型が知られているが、いずれを用いてもよい。しかしながら安定な酸化物であるβ型(β-Ga)が好ましい。粒子の大きさも特に限定されない。例えば粒子の平均粒子径は0.3~5.0μmである。さらに粒子の形状も特に限定されない。例えば球状、不定形状、異方形状(ロッド又は板状等)が挙げられる。粒子がロッド状である場合、例えば長軸径が1.0~5.0μm、短軸径が0.3~1.0μmのものを用いることができる。
1. Photocatalyst particles The carbon dioxide reduction photocatalyst particles of this embodiment (hereinafter, may be collectively referred to as "photocatalyst particles") include gallium oxide (Ga 2 O 3 ) particles and metallic silver (Ag) nanoparticles supported on the surface of the gallium oxide particles. The gallium oxide (Ga 2 O 3 ) particles function as a main catalyst, and are not particularly limited as long as they are used for photocatalysis. Ga 2 O 3 is known to be of α type, β type, γ type, δ type, and ε type, and any of them may be used. However, β type (β-Ga 2 O 3 ), which is a stable oxide, is preferable. The size of the particles is also not particularly limited. For example, the average particle diameter of the particles is 0.3 to 5.0 μm. Furthermore, the shape of the particles is also not particularly limited. For example, spherical, irregular, anisotropic (rod or plate-like, etc.) can be mentioned. When the particles are rod-like, for example, those with a major axis diameter of 1.0 to 5.0 μm and a minor axis diameter of 0.3 to 1.0 μm can be used.

金属銀(Ag)ナノ粒子は、助触媒として機能するものであり、その平均粒子径がnmオーダーである。金属銀ナノ粒子を微細にすることで、光触媒の触媒性能が高くなる。これに対して銀ナノ粒子がnmオーダーより大きいと、触媒活性などの助触媒としての機能が失われたり、酸化ガリウム粒子の表面活性点が少なくなったりする恐れがある。 Metallic silver (Ag) nanoparticles function as a co-catalyst and have an average particle size on the order of nm. Refining metallic silver nanoparticles improves the catalytic performance of the photocatalyst. On the other hand, if silver nanoparticles are larger than the order of nm, there is a risk that they will lose their co-catalyst function, such as catalytic activity, or that the surface active sites of the gallium oxide particles will decrease.

本実施形態の光触媒粒子は、拡散反射スペクトルにおいて波長350~550nmの範囲内にピークを有する。これにより光触媒粒子の触媒性能が優れたものになる。拡散反射スペクトルは拡散反射法により得られる吸収スペクトルである。粉末などの固体試料に光を照射すると、散乱過程を経てその一部が試料外に出ていく。散乱過程では、照射した光の一部が試料表面で反射されて、残りは試料内に侵入する。侵入した入射光は試料の電子遷移状態により一部が吸収されて、残りが試料外に出ていく。紫外光や可視光の入射光強度と散乱過程後の光強度とから吸収スペクトルを得ることができる。 The photocatalyst particles of this embodiment have a peak in the wavelength range of 350 to 550 nm in the diffuse reflectance spectrum. This gives the photocatalyst particles excellent catalytic performance. The diffuse reflectance spectrum is an absorption spectrum obtained by the diffuse reflectance method. When light is irradiated onto a solid sample such as a powder, a portion of the light leaves the sample after a scattering process. In the scattering process, a portion of the irradiated light is reflected by the surface of the sample, and the remainder penetrates into the sample. A portion of the penetrating incident light is absorbed by the electronic transition state of the sample, and the remainder leaves the sample. The absorption spectrum can be obtained from the incident light intensity of ultraviolet or visible light and the light intensity after the scattering process.

本実施形態の光触媒粒子は、金属銀ナノ粒子の平均粒子径が10.0~50.0nmであることが好ましい。平均粒子径を10.0nm以上とすることで、Ag濃度(担持量)を低くしたり、有機表面保護剤を添加したりする必要は無く、銀ナノ粒子を形成することが可能になる。一方で平均粒子径を50.0nm以下とすることで、触媒活性などの助触媒としての機能が失われたり、酸化ガリウム粒子の表面活性点が少なくなったりするという問題を防ぐことが可能になる。平均粒子径は10.0~30.0nmがより好ましい。なお平均粒子径は、光触媒粒子を、透過型電子顕微鏡(TEM)を用いて観察することで求めることができる。一例として、目視又は画像解析ソフトウエアにより銀ナノ粒子の粒径分布を求め、この粒径分布から平均値を算出するという手法が挙げられる。 In the photocatalyst particles of this embodiment, the average particle diameter of the metallic silver nanoparticles is preferably 10.0 to 50.0 nm. By setting the average particle diameter to 10.0 nm or more, it is possible to form silver nanoparticles without the need to lower the Ag concentration (loading amount) or add an organic surface protective agent. On the other hand, by setting the average particle diameter to 50.0 nm or less, it is possible to prevent problems such as loss of function as a cocatalyst, such as catalytic activity, and a decrease in the number of surface active sites of gallium oxide particles. The average particle diameter is more preferably 10.0 to 30.0 nm. The average particle diameter can be determined by observing the photocatalyst particles using a transmission electron microscope (TEM). As an example, a method is given in which the particle size distribution of the silver nanoparticles is determined visually or by image analysis software, and the average value is calculated from this particle size distribution.

本実施形態の光触媒粒子は、金属銀ナノ粒子の担持量が酸化ガリウム粒子に対して0.3~10.0質量%であることが好ましい。担持量が過度に少ないと助触媒の効果を十分に発揮させることが困難になる。そのためCO還元に光触媒を用いたときにCOガス発生速度とCO選択率が低くなってしまう。一方で担持量が過度に多いとCOガス発生速度が低下する。銀供給源の配合量や超音波処理条件を制御することで担持量を調整することができる。銀ナノ粒子の担持量は0.5質量%以上であってよく、1.0質量%以上であってよく、3.0質量%以上であってよく、5.0質量%以上であってもよい。また担持量は7.5質量%以下であってよく、5.0質量%以下であってよく、3.0質量%以下であってよく、1.0質量%以下であってもよい。 In the photocatalyst particles of this embodiment, the amount of metallic silver nanoparticles supported is preferably 0.3 to 10.0% by mass relative to the gallium oxide particles. If the amount supported is too small, it becomes difficult to fully exert the effect of the cocatalyst. Therefore, when the photocatalyst is used for CO2 reduction, the CO gas generation rate and CO selectivity become low. On the other hand, if the amount supported is too large, the CO gas generation rate decreases. The amount supported can be adjusted by controlling the blending amount of the silver source and the ultrasonic treatment conditions. The amount of silver nanoparticles supported may be 0.5% by mass or more, 1.0% by mass or more, 3.0% by mass or more, or 5.0% by mass or more. The amount supported may be 7.5% by mass or less, 5.0% by mass or less, 3.0% by mass or less, or 1.0% by mass or less.

本実施形態の光触媒粒子は、触媒性能、特にCO選択率が優れている。例えばCO還元光触媒性能評価試験においてCO選択率が30%以上である。そのためCO還元により発生するCOガス量の割合を高くすることが可能になる。CO選択率は40%以上であってよく、50%以上であってよく、60%以上であってよく、70%以上であってもよい。CO選択率の上限は特に限定されるものではないが、典型的には90%以下、より典型的には80%以下である。 The photocatalyst particles of this embodiment have excellent catalytic performance, particularly CO selectivity. For example, in a CO2 reduction photocatalyst performance evaluation test, the CO selectivity is 30% or more. Therefore, it is possible to increase the proportion of CO gas generated by CO2 reduction. The CO selectivity may be 40% or more, 50% or more, 60% or more, or 70% or more. The upper limit of the CO selectivity is not particularly limited, but is typically 90% or less, more typically 80% or less.

CO還元光触媒性能評価試験は公知の評価装置を用いて行えばよい。評価装置の一例を図2に示す。評価装置(2)は槽(4)とこの槽(4)内部に設けられた高圧水銀(Hg)ランプ(6)とから構成されている。槽(4)の内部には評価用溶液(22)が入れられる。また槽(4)はガス導入管(8)、ガス排出管(10)、pH計(12)、ゴム栓(14)及びスターラー(16)を備えている。ガス導入管(8)の先端にはバブリングフィルター(18)が設けられている。水銀ランプ(6)は、その周囲に流れる冷却水(20)によって冷却される。 The CO2 reduction photocatalytic performance evaluation test may be performed using a known evaluation device. An example of the evaluation device is shown in FIG. 2. The evaluation device (2) is composed of a tank (4) and a high-pressure mercury (Hg) lamp (6) installed inside the tank (4). The tank (4) is filled with an evaluation solution (22). The tank (4) is also equipped with a gas inlet pipe (8), a gas outlet pipe (10), a pH meter (12), a rubber stopper (14), and a stirrer (16). A bubbling filter (18) is installed at the tip of the gas inlet pipe (8). The mercury lamp (6) is cooled by cooling water (20) flowing around it.

評価試験は次のようにして行えばよい。純水、炭酸水素ナトリウム(NaHCO)及びサンプル(光触媒粒子)を混合して評価用溶液(22)を作製する。この評価用溶液(22)を評価装置(2)の槽(4)に入れて、スターラー(16)で撹拌する。二酸化炭素(CO)ガス(30)をガス導入管(8)から吹き込み、それと同時に高圧Hgランプ(6)からUV光を評価用溶液(22)に照射する。所定時間照射した後に、発生したガス(32)をガス排出管(10)を通してガスクロマトグラフィー(34)に導入し、そこで分析する。この分析により水素(H)、酸素(O)及び一酸化炭素(CO)の発生速度(生成量)を求める。得られた発生速度を用いて、下記(1)式に基づきCO選択率を算出する。 The evaluation test may be performed as follows. Pure water, sodium bicarbonate (NaHCO 3 ), and a sample (photocatalyst particles) are mixed to prepare an evaluation solution (22). The evaluation solution (22) is placed in a tank (4) of an evaluation device (2) and stirred with a stirrer (16). Carbon dioxide (CO 2 ) gas (30) is blown in through a gas inlet pipe (8), and at the same time, UV light from a high-pressure Hg lamp (6) is irradiated onto the evaluation solution (22). After irradiation for a predetermined time, the generated gas (32) is introduced through a gas outlet pipe (10) into a gas chromatograph (34) and analyzed there. The generation rates (amounts) of hydrogen (H 2 ), oxygen (O 2 ), and carbon monoxide (CO) are determined by this analysis. Using the obtained generation rates, the CO selectivity is calculated based on the following formula (1).

Figure 0007637372000002
Figure 0007637372000002

拡散反射スペクトルにおいて特定波長域(350~550nm)にピークを有する本実施形態の光触媒粒子が、高いCO選択率を示す、そのメカニズムの詳細は不明である。しかしながら金属銀ナノ粒子の粒子サイズと電子遷移状態とが関係しているのではないかと推測している。すなわち拡散反射法により得られるスペクトル(拡散反射スペクトル)は種の価数、配位構造、配位子場といった試料の電子遷移状態を反映している。また試料が微粒子である場合には、その粒子サイズによって異なる吸収エネルギーを示す場合がある。例えば金属銀粒子が微粒子である場合には、プラズモン共鳴に対応する波長域に吸収帯を与えることが知られている。したがって特定波長域(350~550nm)にピークを有する本実施形態の光触媒粒子は、担持銀ナノ粒子が、微細で特有の電子遷移状態を有するものになっていると考えられる。 The details of the mechanism by which the photocatalyst particles of this embodiment, which have a peak in a specific wavelength range (350 to 550 nm) in the diffuse reflectance spectrum, show high CO selectivity are unknown. However, it is speculated that the particle size of the metallic silver nanoparticles and the electronic transition state are related. In other words, the spectrum obtained by the diffuse reflectance method (diffuse reflectance spectrum) reflects the electronic transition state of the sample, such as the valence of the species, the coordination structure, and the ligand field. In addition, when the sample is a fine particle, it may show different absorption energy depending on the particle size. For example, when the metallic silver particles are fine particles, it is known that they give an absorption band in the wavelength range corresponding to plasmon resonance. Therefore, it is thought that the photocatalyst particles of this embodiment, which have a peak in a specific wavelength range (350 to 550 nm), have fine and unique electronic transition states of the supported silver nanoparticles.

一方で銀ナノ粒子の粒子サイズと電子遷移状態は、光触媒の触媒性能、例えばCO選択率に影響を及ぼすことが予想される。このことを金属銀ナノ粒子担持酸化ガリウム粒子(光触媒粒子)のCO還元のメカニズム(図2)に基づき説明する。図2に示されるように、エネルギーhνをもつ光が粒子に照射されると、酸化ガリウム粒子(半導体光触媒粒子)中に電子(e)と正孔(h)とが生じる。この際、金属銀ナノ粒子(助触媒)は電荷分離(電子eと正孔hの分離)を促進する。正孔(h)が周囲の水分(HO)と反応する結果、下記(2)式に示す反応が右方向に進み、酸素(O)とプロトン(H)とが生成される。一方で電子(e)が二酸化炭素(CO)及びプロトン(H)と反応する結果、下記(3)及び(4)式に示す反応が右方向に進み、一酸化炭素(CO)と水(HO)と水素(H)が生成する。また下記(2)から(4)式の反応を合わせると、原理的には下記(5)式に示す反応が進む。 On the other hand, the particle size and electronic transition state of silver nanoparticles are expected to affect the catalytic performance of the photocatalyst, for example, the CO selectivity. This will be explained based on the mechanism of CO2 reduction of gallium oxide particles (photocatalyst particles) supported by metallic silver nanoparticles (Figure 2). As shown in Figure 2, when light having energy hν is irradiated to the particles, electrons (e-) and holes (h + ) are generated in the gallium oxide particles (semiconductor photocatalyst particles). At this time, the metallic silver nanoparticles (co-catalyst) promote charge separation (separation of electrons e- and holes h +) . As a result of the reaction of the holes (h+ ) with the surrounding moisture ( H2O ), the reaction shown in the following formula (2) proceeds to the right, and oxygen ( O2 ) and protons (H + ) are generated. On the other hand, as a result of electrons (e - ) reacting with carbon dioxide (CO 2 ) and protons (H + ), the reactions shown in the following formulas (3) and (4) proceed to the right, producing carbon monoxide (CO), water (H 2 O), and hydrogen (H 2 ). Furthermore, by combining the reactions in the following formulas (2) to (4), the reaction shown in the following formula (5) proceeds in principle.

Figure 0007637372000003
Figure 0007637372000003
Figure 0007637372000004
Figure 0007637372000004
Figure 0007637372000005
Figure 0007637372000005
Figure 0007637372000006
Figure 0007637372000006

上記(3)式の反応と(4)式の反応が同じ程度で起こると、上記式(5)に示されるようにCO選択率(CO発生速度/(H発生速度+CO発生速度))は一定である。しかしながら実際には、これらの反応が同じ程度に起こるとは限らない。上記(3)式の反応が優先的に起こることで、CO選択率が高くなる。 When the reactions of the above formulas (3) and (4) occur to the same extent, the CO selectivity (CO generation rate/( H2 generation rate+CO generation rate)) is constant as shown in the above formula (5). However, in reality, these reactions do not necessarily occur to the same extent. When the reaction of the above formula (3) occurs preferentially, the CO selectivity increases.

上記(3)式の反応では、二酸化炭素(CO)が炭酸塩種(carbonate species)として触媒表面に吸着し、光照射により反応中間体であるギ酸塩種(formate species)に変化した後に水分子と相互作用して一酸化炭素(CO)になるとの報告がある。またこの報告では銀助触媒が反応中間体の生成を促進することが示唆されている。したがって金属銀ナノ粒子(助触媒)による電荷分離の作用及び反応中間体生成の作用を高めることで、上記(3)式の反応が優先的に起こり、CO選択率がより一層に改善されると期待される。この点、本実施形態の光触媒粒子は、担持銀ナノ粒子が微細で特有の電子遷移状態を有するものになっているが故に、これらが複合的に作用して電荷分離の作用及び反応中間体生成の作用が高くなっているのではないかと推察している。 In the reaction of the above formula (3), it has been reported that carbon dioxide (CO 2 ) is adsorbed on the catalyst surface as a carbonate species, and is converted to a formate species, which is a reaction intermediate, by irradiation with light, and then interacts with water molecules to become carbon monoxide (CO). This report also suggests that the silver promoter promotes the generation of reaction intermediates. Therefore, it is expected that the reaction of the above formula (3) will occur preferentially and the CO selectivity will be further improved by enhancing the action of charge separation and the action of reaction intermediate generation by the metallic silver nanoparticles (promoter), in this regard. In this regard, it is speculated that the photocatalyst particles of this embodiment have a complex action of the supported silver nanoparticles, which are fine and have a unique electronic transition state, and therefore the action of charge separation and the action of reaction intermediate generation are enhanced.

2.光触媒粒子の製造方法
本実施形態の光触媒は、その製造方法が限定されない。しかしながら光触媒粒子(二酸化炭素還元光触媒粒子)が、酸化ガリウム(Ga)粒子と銀(Ag)イオン供給源とを還元溶液中で超音波を照射することで得られた複合粒子(金属銀担持酸化ガリウム粒子)であることが好ましい。また光触媒粒子(二酸化炭素還元光触媒粒子)が、酸化ガリウム(Ga)粒子と銀(Ag)イオン供給源とを還元溶液中で超音波を照射して得られた複合粒子を、さらに酸素含有雰囲気中100℃以上の温度で熱処理することで得られた加熱後複合粒子(加熱後金属銀担持酸化ガリウム粒子)であることが好ましい。好ましい製造方法の態様について以下に具体的に説明する。
る訳ではない。
2. Method for producing photocatalyst particles The photocatalyst of this embodiment is not limited in its production method. However, it is preferable that the photocatalyst particles (carbon dioxide reduction photocatalyst particles) are composite particles (metallic silver-supported gallium oxide particles) obtained by irradiating gallium oxide (Ga 2 O 3 ) particles and a silver (Ag) ion source with ultrasonic waves in a reduction solution. It is also preferable that the photocatalyst particles (carbon dioxide reduction photocatalyst particles) are heated composite particles (metallic silver-supported gallium oxide particles) obtained by further heat-treating the composite particles obtained by irradiating gallium oxide (Ga 2 O 3 ) particles and a silver (Ag) ion source with ultrasonic waves in a reduction solution at a temperature of 100° C. or higher in an oxygen-containing atmosphere. A preferred embodiment of the production method will be specifically described below.
This is not the case.

光触媒粒子の製造方法は、好ましくは以下の工程;酸化ガリウム(Ga)粒子と銀(Ag)供給源とを準備する工程(準備工程)、この酸化ガリウム粒子と銀供給源とを還元液に加えて反応液を作製する工程(混合工程)、及びこの反応液に超音波を照射して、金属銀ナノ粒子を担持した酸化ガリウム粒子を作製する工程(超音波処理工程)を含む。各工程の詳細について以下に説明する。 The method for producing photocatalyst particles preferably includes the following steps: a step of preparing gallium oxide (Ga 2 O 3 ) particles and a silver (Ag) supply source (preparation step), a step of adding the gallium oxide particles and the silver supply source to a reduction solution to prepare a reaction solution (mixing step), and a step of irradiating the reaction solution with ultrasonic waves to prepare gallium oxide particles carrying metallic silver nanoparticles (ultrasonic treatment step). Each step will be described in detail below.

<準備工程>
準備工程では、酸化ガリウム(Ga)粒子と銀(Ag)供給源とを準備する。酸化ガリウム(Ga)粒子は光触媒に用いられるものであれば特に限定されない。Gaには、α型、β型、γ型、δ型及びε型が知られているが、いずれを用いてもよい。しかしながら安定な酸化物であるβ型(β-Ga)が好ましい。粒子の大きさも特に限定されない。例えば粒子の平均粒子径は0.3~5.0μmである。さらに粒子の形状も特に限定されない。例えば球状、不定形状、異方形状(ロッド又は板状等)が挙げられる。粒子がロッド状である場合、例えば長軸径が1.0~5.0μm、短軸径が0.3~1.0μmのものを用いることができる。
<Preparation process>
In the preparation step, gallium oxide (Ga 2 O 3 ) particles and a silver (Ag) supply source are prepared. The gallium oxide (Ga 2 O 3 ) particles are not particularly limited as long as they are used in photocatalysis. Ga 2 O 3 is known to be of α-type, β-type, γ-type, δ-type, and ε-type, and any of them may be used. However, β-type (β-Ga 2 O 3 ), which is a stable oxide, is preferable. The size of the particles is also not particularly limited. For example, the average particle diameter of the particles is 0.3 to 5.0 μm. Furthermore, the shape of the particles is also not particularly limited. For example, spherical, irregular, and anisotropic shapes (rod or plate-like, etc.) can be mentioned. When the particles are rod-like, for example, those with a major axis diameter of 1.0 to 5.0 μm and a minor axis diameter of 0.3 to 1.0 μm can be used.

銀(Ag)供給源は、銀を供給できるものである限り限定されない。具体的には、酸化物、無機金属塩及び/又は有機金属化合物が挙げられる。無機金属塩として硝酸塩、塩化物及び/又は硫酸塩などが挙げられる。銀供給源は還元液に溶解するものであってもよいし、あるいは溶解しないものであってもよい。好ましくは銀供給源は酸化銀を含む。酸化銀は銀イオンと酸素イオンのみで構成されるため、ハンドリングが容易であり、廃棄物処理等の問題が無い。酸化銀には、銀の酸化数が異なるAgO、AgO及びAgが知られており、いずれも使用が可能である。しかしながら入手がより容易なAgOが好ましい。銀供給源の大きさも特に限定されない。例えば銀供給源の平均粒子径は0.3~3.0μmである。 The silver (Ag) supply source is not limited as long as it can supply silver. Specific examples include oxides, inorganic metal salts, and/or organic metal compounds. Examples of inorganic metal salts include nitrates, chlorides, and/or sulfates. The silver supply source may be soluble in the reducing solution, or may not be soluble in the reducing solution. Preferably, the silver supply source includes silver oxide. Since silver oxide is composed only of silver ions and oxygen ions, it is easy to handle and there is no problem with waste disposal. As silver oxide, Ag 2 O, AgO, and Ag 2 O 3, which have different oxidation numbers of silver, are known, and any of them can be used. However, Ag 2 O, which is more easily available, is preferable. The size of the silver supply source is also not particularly limited. For example, the average particle size of the silver supply source is 0.3 to 3.0 μm.

<混合工程>
混合工程では、準備した酸化ガリウム粒子と銀供給源とを還元液に加えて反応液を作製する。酸化ガリウム粒子と銀供給源の配合割合は、最終的に得られる光触媒中の銀担持量が所望の値となるように調整すればよい。銀担持量が過度に少ないと助触媒の効果を十分に発揮させることが困難になる。そのためCO還元に光触媒を用いたときにCOガス発生速度とCO選択率が低くなる。一方で銀担持量が過度に多いとCOガス発生速度が低下する。
<Mixing step>
In the mixing step, the prepared gallium oxide particles and silver source are added to the reduction solution to prepare a reaction solution. The mixing ratio of the gallium oxide particles and the silver source may be adjusted so that the amount of silver carried in the final photocatalyst is the desired value. If the amount of silver carried is too small, it becomes difficult to fully exert the effect of the co-catalyst. Therefore, when the photocatalyst is used for CO2 reduction, the CO gas generation rate and CO selectivity are low. On the other hand, if the amount of silver carried is too large, the CO gas generation rate is reduced.

還元液は、還元性を有する液体である限り限定されない。それ自体が還元性を有する液体であってもよく、あるいは還元性を有しない液体に還元剤を溶解させたものであってもよい。しかしながらそれ自体が還元性を有する液体であることが好ましい。また別個の還元剤を含まなくともよい。このような還元液として、毒性が低く入手が容易なエタノールやプロパノールなどのアルコール類が好ましい。またアルコール類と水との混合液も使用可能である。ただし混合液を用いる場合には、水の含有量が過度に多いと十分な還元作用を発揮させることが困難になる。したがって還元液中の水の含有量は、50容積%以下が好ましく、25容積%以下がより好ましい。水の含有量の下限値は特に限定されるものではなく、0容量%であってもよい。 The reducing liquid is not limited as long as it is a liquid having reducing properties. It may be a liquid having reducing properties by itself, or may be a liquid having no reducing properties in which a reducing agent is dissolved. However, it is preferable that the liquid has reducing properties by itself. It is also not necessary to contain a separate reducing agent. As such a reducing liquid, alcohols such as ethanol and propanol, which are less toxic and easily available, are preferable. A mixture of alcohols and water can also be used. However, when using a mixed liquid, if the water content is excessively high, it becomes difficult to exert a sufficient reducing effect. Therefore, the water content in the reducing liquid is preferably 50% by volume or less, and more preferably 25% by volume or less. The lower limit of the water content is not particularly limited, and may be 0% by volume.

<超音波処理工程>
超音波処理工程では、得られた反応液に超音波を照射して、金属銀ナノ粒子を担持した酸化ガリウム粒子を作製する。この際、反応液中の銀供給源の表面部が超音波還元されて、金属銀(Ag)ナノ粒子となり、これが酸化ガリウム粒子の表面に担持される。金属銀ナノ粒子を担持した酸化ガリウム粒子が光触媒粒子になる。
<Ultrasonic treatment process>
In the ultrasonic treatment step, the reaction solution is irradiated with ultrasonic waves to produce gallium oxide particles carrying metallic silver nanoparticles. At this time, the surface of the silver source in the reaction solution is ultrasonically reduced to become metallic silver (Ag) nanoparticles, which are carried on the surface of the gallium oxide particles. The gallium oxide particles carrying metallic silver nanoparticles become photocatalyst particles.

金属銀ナノ粒子担持のメカニズムを図3を用いて説明する。超音波が照射されると反応液中に粗密波が生じ、この粗密波により正負の繰り返し圧力が生じる。負圧サイクル時には蒸発により無数の微細な気泡が反応液中に生じる。正圧サイクル時に、この気泡は圧壊して強力な衝撃力を周囲に与える。この現象を超音波キャビテーションという。キャビテーションにより反応液中の酸化ガリウム粒子と銀供給源とが均一に分散されるとともに、その表面が清浄化される。またキャビテーションにより微小かつ高温且つ高圧のホットスポットが生成する。生成したホットスポットは、銀供給源を分解還元させるとともに、反応液に作用してラジカルが発生し、このラジカルが銀供給源の分解還元を促進する。このようにして銀供給源から金属銀ナノ粒子が生成する。 The mechanism of metallic silver nanoparticle support is explained using Figure 3. When ultrasonic waves are irradiated, compressional waves are generated in the reaction solution, which generates repeated positive and negative pressures. During negative pressure cycles, countless fine bubbles are generated in the reaction solution due to evaporation. During positive pressure cycles, these bubbles collapse and give a strong impact force to the surroundings. This phenomenon is called ultrasonic cavitation. Cavitation uniformly disperses the gallium oxide particles and silver source in the reaction solution and cleans its surface. Cavitation also generates tiny hot spots of high temperature and pressure. The generated hot spots decompose and reduce the silver source, and also act on the reaction solution to generate radicals, which promote the decomposition and reduction of the silver source. In this way, metallic silver nanoparticles are generated from the silver source.

例えば固体である酸化銀(AgO)を銀供給源に用いた場合には、酸化銀にホットスポットやラジカルが作用し、酸化銀が表面で分解及び還元されて銀ナノ粒子が析出する。この銀ナノ粒子は徐々に成長し、ある程度にまで成長すると酸化銀と銀ナノ粒子の界面応力が限界になり脱離する。あるいは超音波の作用により酸化銀から中間生成物が生成し、この中間生成物にホットスポットやラジカルが作用して銀ナノ粒子が反応液中に生成する。脱離又は生成した銀ナノ粒子は、超音波の物理的な作用により酸化ガリウム粒子表面に移動し、そこに吸着する。このようにして銀ナノ粒子を担持した酸化ガリウム粒子が得られる。超音波還元により生成した銀ナノ粒子は微小である。また有機保護剤や高温焼成が不要であるため、銀ナノ粒子を微細な状態を担持した酸化ガリウム粒子(光触媒粒子)の作製が可能である。 For example, when solid silver oxide (Ag 2 O) is used as a silver supply source, hot spots and radicals act on the silver oxide, and the silver oxide is decomposed and reduced on the surface to precipitate silver nanoparticles. The silver nanoparticles grow gradually, and when they grow to a certain extent, the interface stress between the silver oxide and the silver nanoparticles becomes a limit and they are detached. Alternatively, an intermediate product is generated from the silver oxide by the action of ultrasound, and hot spots and radicals act on this intermediate product to generate silver nanoparticles in the reaction solution. The detached or generated silver nanoparticles move to the surface of the gallium oxide particles by the physical action of ultrasound and are adsorbed there. In this way, gallium oxide particles carrying silver nanoparticles are obtained. The silver nanoparticles generated by ultrasonic reduction are minute. In addition, since no organic protective agent or high-temperature firing is required, it is possible to prepare gallium oxide particles (photocatalyst particles) carrying fine silver nanoparticles.

光触媒粒子が銀ナノ粒子以外の銀供給源を含むと、助触媒の効果を十分に発揮させることが困難になることがある。この点、超音波処理によれば、銀供給源(酸化銀等)を殆ど含まない光触媒粒子を得ることが可能である。例えばX線回折パターンにおいて、酸化銀(AgO)のピークが観察されない光触媒粒子とすることが可能である。 If the photocatalyst particles contain a silver source other than silver nanoparticles, it may be difficult to fully exert the effect of the co-catalyst. In this regard, by ultrasonic treatment, it is possible to obtain photocatalyst particles that contain almost no silver source (silver oxide, etc.). For example, it is possible to obtain photocatalyst particles in which no peak of silver oxide (Ag 2 O) is observed in the X-ray diffraction pattern.

超音波処理には特別な装置を用いる必要はなく、通常の超音波発振源を備えた装置を用いればよい。例えば市販の超音波洗浄機を使用してもよい。処理も通常の条件で行えばよい。例えば超音波の周波数は20~100kHzであってよく、28~45kHzであってよい。超音波処理を同一の周波数で継続して行ってもよく、あるいは周波数発振切替モードを用いて処理の途中で周波数を切り替えてもよい。周波数切り替えの回数は1回でもよく、あるいは複数回であってもよい。周波数発振切替モード(例えば28kHz/45kHzの2周波切替発振モード)で処理することで、酸化ガリウム粒子の液中での分散性をより一層に向上させることが可能になる。また超音波の出力は10~500Wであってよく、50~200Wであってよい。さらに処理時間は1~10時間であってよい。処理時間を長くすることで、銀供給源の全てを銀ナノ粒子に変換させて酸化ガリウム粒子に担持させることが可能である。一方で処理時間を短くすることで、銀ナノ粒子の担持量を調整することが可能である。 There is no need to use a special device for the ultrasonic treatment, and a device equipped with a normal ultrasonic oscillation source may be used. For example, a commercially available ultrasonic cleaner may be used. The treatment may be performed under normal conditions. For example, the frequency of the ultrasonic waves may be 20 to 100 kHz, or 28 to 45 kHz. The ultrasonic treatment may be performed continuously at the same frequency, or the frequency may be switched during the treatment using a frequency oscillation switching mode. The frequency may be switched once or multiple times. By performing the treatment in a frequency oscillation switching mode (for example, a two-frequency switching oscillation mode of 28 kHz/45 kHz), it is possible to further improve the dispersibility of the gallium oxide particles in the liquid. The output of the ultrasonic waves may be 10 to 500 W, or 50 to 200 W. Furthermore, the treatment time may be 1 to 10 hours. By extending the treatment time, it is possible to convert all of the silver source into silver nanoparticles and support them on the gallium oxide particles. On the other hand, by shortening the treatment time, it is possible to adjust the amount of silver nanoparticles supported.

超音波処理により得られた生成物(金属銀ナノ粒子を担持した酸化ガリウム粒子)は反応液中に分散又は沈殿した状態で存在する。したがって反応液から生成物を回収して、これを乾燥すればよい。回収では、ろ過や遠心分離等の公知の分離手段を用いればよい。また乾燥は、銀ナノ粒子が過度の粒成長を起こさない条件、例えば100℃以下で行えばよい。なお先述したように、金属銀ナノ粒子の担持量が酸化ガリウム粒子に対して0.3~10.0質量%であることが好ましい。担持量は、銀供給源の配合量や超音波処理条件を制御することで調整できる。 The product obtained by ultrasonic treatment (gallium oxide particles carrying metallic silver nanoparticles) exists in a dispersed or precipitated state in the reaction solution. Therefore, the product can be recovered from the reaction solution and dried. For recovery, known separation means such as filtration or centrifugation can be used. Drying can be performed under conditions that do not cause excessive particle growth of the silver nanoparticles, for example, at 100°C or less. As mentioned above, the amount of metallic silver nanoparticles carried is preferably 0.3 to 10.0% by mass relative to the gallium oxide particles. The amount carried can be adjusted by controlling the amount of silver source mixed and the ultrasonic treatment conditions.

<熱処理工程>
必要に応じて、金属銀ナノ粒子を担持した酸化ガリウム粒子に、酸素含有雰囲気中100℃以上の温度で熱処理を施してもよい。超音波担持法で作製した銀担持酸化ガリウム粒子に熱処理を施すと、粒子表面に残留したエタノール由来の有機物を除去でき、さらに銀(Ag)ナノ粒子の粒径を小さくすることができる。この熱処理の作用により、CO還元光触媒として利用した際にCOをより選択的に生成させることができる。
<Heat treatment process>
If necessary, the gallium oxide particles carrying metallic silver nanoparticles may be heat-treated at a temperature of 100°C or higher in an oxygen-containing atmosphere. By subjecting the silver-loaded gallium oxide particles produced by the ultrasonic loading method to heat treatment, the organic matter derived from ethanol remaining on the particle surface can be removed, and the particle size of the silver (Ag) nanoparticles can be reduced. Due to the action of this heat treatment, CO can be more selectively generated when used as a CO2 reduction photocatalyst.

熱処理は、酸素を含む雰囲気中100℃以上で行うことが好ましい。熱処理に特別な装置を用いる必要はなく、大気中での焼成が可能な一般的な電気炉を用いることができる。100℃未満の温度では、有機物の分解や銀(Ag)ナノ粒子の粒径へ与える影響が小さく、その効果を期待できない。 The heat treatment is preferably carried out at 100°C or higher in an oxygen-containing atmosphere. There is no need to use special equipment for the heat treatment; a general electric furnace capable of firing in air can be used. At temperatures below 100°C, the effect on the decomposition of organic matter and on the particle size of silver (Ag) nanoparticles is small, and no effect can be expected.

このようにして、金属銀ナノ粒子担持酸化ガリウム粒子からなる光触媒粒子を得ることができる。 In this way, photocatalyst particles consisting of gallium oxide particles carrying metallic silver nanoparticles can be obtained.

このような製造方法を採用することで、触媒性能、特にCO選択率が優れた触媒粒子を簡易に得ることが可能である。その詳細な理由は不明であるが、超音波還元により生成した担持銀ナノ粒子が微細で特有の電子遷移状態を有するためと推測している。すなわち超音波還元処理で生成した銀ナノ粒子(助触媒)は粒子サイズが小さい。また超音波処理時に発生した高温且つ高圧のホットスポットやラジカルの作用によって特有の電子遷移状態になっていると考えられる。実際、超音波により生じたホットスポットは5000℃近くの高温であるとの報告があり、このような高温のホットスポットが瞬間的にでも作用することで、電子遷移状態が変化することは容易に予想される。そしてこの微細な粒子サイズと特有の電子遷移状態とが複合的に作用して優れたCO選択率をもたらすと推測している。 By adopting this manufacturing method, it is possible to easily obtain catalyst particles with excellent catalytic performance, especially CO selectivity. Although the detailed reason is unknown, it is speculated that this is because the supported silver nanoparticles generated by ultrasonic reduction are fine and have a unique electronic transition state. In other words, the silver nanoparticles (co-catalyst) generated by ultrasonic reduction treatment have a small particle size. It is also thought that the unique electronic transition state is due to the action of high-temperature and high-pressure hot spots and radicals generated during ultrasonic treatment. In fact, it has been reported that hot spots generated by ultrasonic treatment are as high as nearly 5000°C, and it is easy to predict that the electronic transition state will change if such a high-temperature hot spot acts even momentarily. It is speculated that the combined action of this fine particle size and the unique electronic transition state results in excellent CO selectivity.

またこのような製造方法によれば、金属銀ナノ粒子を高分散且つ高担持率で析出させることが可能になる。実際、銀ナノ粒子を5質量%もの高濃度で担持でき、それによりCO選択率に優れた光触媒粒子を得られることが確認されている。これに対して、従来から提案されている含浸法や光電析法では金属銀ナノ粒子を高分散且つ高担持率で担持させることは困難である。例えば、特許文献1には銀の担持量に関して、光電着法による場合には酸化ガリウムに対して0.2~2質量%、含浸法による場合には0.05~2%である旨、最適範囲より多い場合には銀ナノ粒子の粒子径が大きくなり触媒活性などの効果が失われたり、酸化ガリウムの表面活性点を減らしたりする旨が記載されている(特許文献1の[0014]及び[0015])。 In addition, this manufacturing method makes it possible to deposit metallic silver nanoparticles with high dispersion and high loading rate. In fact, it has been confirmed that silver nanoparticles can be loaded at a high concentration of 5 mass%, thereby obtaining photocatalyst particles with excellent CO selectivity. In contrast, it is difficult to load metallic silver nanoparticles with high dispersion and high loading rate using the impregnation method and photoelectrodeposition method proposed in the past. For example, Patent Document 1 describes that the amount of silver loaded is 0.2 to 2 mass% of gallium oxide in the case of photoelectrodeposition method and 0.05 to 2% in the case of impregnation method, and that if the amount is more than the optimal range, the particle diameter of the silver nanoparticles becomes large, losing effects such as catalytic activity, and reducing the surface active sites of gallium oxide ([0014] and [0015] of Patent Document 1).

また特許文献2で提案される製造方法では超音波処理は貴金属酸化物を分散させるために行われるに過ぎず、超音波処理後の加熱工程で貴金属酸化物の還元を図っている(特許文献2の[0038])。したがって超音波処理により銀供給源(酸化銀等)の還元を行う本実施形態の方法とは明確に異なる。本実施形態の製造方法では、超音波処理後の加熱を行わなくとも、十分に還元された銀ナノ粒子を担持させることが可能である。 In addition, in the manufacturing method proposed in Patent Document 2, ultrasonic treatment is performed only to disperse the precious metal oxide, and the precious metal oxide is reduced in a heating step after ultrasonic treatment ([0038] of Patent Document 2). Therefore, it is clearly different from the method of the present embodiment in which the silver source (silver oxide, etc.) is reduced by ultrasonic treatment. In the manufacturing method of the present embodiment, it is possible to support sufficiently reduced silver nanoparticles without heating after ultrasonic treatment.

さらにこのような製造方法によれば、限定されるものではないが、反応液に溶解しない酸化銀などの化合物を固体状態のまま銀供給源に用いることが可能である。反応液に溶解しない化合物を用いた場合には、反応液がアニオン等の有害物を含んでおらず、廃液処理が容易である。これに対して特許文献1で提案される含浸法や光電析法では、硝酸銀を溶解させた水溶液などの前駆体溶液を用いている。このような前駆体溶液に含まれる硝酸イオンなどのアニオンは大気汚染の原因となる有害物質である。したがって含浸法や光電析法では有害物質を無毒化するための廃液処理が必要である。ただし本実施形態の製造方法は、反応液に溶解する化合物を用いることを排除するものではない。そのような場合であっても、金属銀ナノ粒子を高分散且つ高担持率で析出させる効果が得られる。 Furthermore, according to this manufacturing method, although not limited thereto, it is possible to use a compound such as silver oxide that does not dissolve in the reaction solution as a silver supply source in a solid state. When a compound that does not dissolve in the reaction solution is used, the reaction solution does not contain harmful substances such as anions, and waste liquid treatment is easy. In contrast, the impregnation method and photoelectrodeposition method proposed in Patent Document 1 use a precursor solution such as an aqueous solution in which silver nitrate is dissolved. Anions such as nitrate ions contained in such precursor solutions are harmful substances that cause air pollution. Therefore, the impregnation method and photoelectrodeposition method require waste liquid treatment to detoxify the harmful substances. However, the manufacturing method of this embodiment does not exclude the use of a compound that dissolves in the reaction solution. Even in such a case, the effect of precipitating metallic silver nanoparticles with high dispersion and high loading rate can be obtained.

本実施形態を、以下の例によってさらに具体的に説明する。しかしながら本発明は以下の実施例に限定されるものではない。 This embodiment will be described in more detail with reference to the following examples. However, the present invention is not limited to the following examples.

[実験例A]
(1)光触媒粒子の作製
実施例1
超音波処理により銀ナノ粒子を還元生成させて光触媒粒子(金属銀ナノ粒子担持酸化ガリウム粒子)を作製した。酸化ガリウムに対する銀濃度(担持量)を0.5質量%にした。具体的には以下のようにしてサンプルを作製した。
[Experimental Example A]
(1) Preparation of photocatalyst particles Example 1
Photocatalyst particles (metallic silver nanoparticle-supported gallium oxide particles) were produced by reducing silver nanoparticles using ultrasonic treatment. The silver concentration (supported amount) relative to gallium oxide was 0.5 mass%. Specifically, the sample was produced as follows.

<準備工程>
酸化ガリウム粒子(株式会社高純度化学研究所、Ga)と酸化銀(富士フィルム和光純薬株式会社、AgO)とを準備した。酸化ガリウム粒子は、純度が99.99%であり、平均粒子径は、長径が約3μm、短径が約1μmであった。また酸化銀は、純度が99%であり、1次粒子径が約2μmの凝集体であった。
<Preparation process>
Gallium oxide particles ( Ga2O3 , Kojundo Chemical Laboratory Co., Ltd.) and silver oxide ( Ag2O , Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) were prepared. The gallium oxide particles had a purity of 99.99% and an average particle size of about 3 μm in the long axis and about 1 μm in the short axis. The silver oxide particles had a purity of 99% and were aggregates with a primary particle size of about 2 μm.

<混合工程>
準備した酸化ガリウム粒子(1g)と酸化銀(5mg)とを還元液(50mL)に添加した。還元液としてエタノール(富士フィルム和光純薬株式会社)を用いた。これにより反応液を作製した。
<Mixing step>
The prepared gallium oxide particles (1 g) and silver oxide (5 mg) were added to a reducing solution (50 mL). Ethanol (Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was used as the reducing solution. This produced a reaction solution.

<超音波処理工程>
得られた反応液を超音波装置(本多電子株式会社、WT―100―M)に入れて超音波処理を施した。超音波処理は、28kHzと45kHzの2周波切替発振とし、出力100Wの条件で行った。また処理時間を0~3時間の間で変えた。この際、反応液の温度を40℃に維持した。この処理により、反応液中の酸化銀(AgO)を還元して銀(Ag)に変化させた。次いで処理により生成した生成物をろ過した後、エタノール(10mL)を用いて洗浄し、大気中60℃で0.5時間の条件で乾燥して、金属銀ナノ粒子担持酸化ガリウム粒子を光触媒粒子として得た。
<Ultrasonic treatment process>
The obtained reaction solution was placed in an ultrasonic device (Honda Electronics Co., Ltd., WT-100-M) and subjected to ultrasonic treatment. The ultrasonic treatment was performed under the condition of a two-frequency switching oscillation of 28 kHz and 45 kHz and an output of 100 W. The treatment time was changed between 0 and 3 hours. At this time, the temperature of the reaction solution was maintained at 40°C. By this treatment, silver oxide (Ag 2 O) in the reaction solution was reduced and changed to silver (Ag). Next, the product generated by the treatment was filtered, washed with ethanol (10 mL), and dried in the air at 60°C for 0.5 hours to obtain gallium oxide particles carrying metallic silver nanoparticles as photocatalyst particles.

実施例2
混合工程で添加する酸化銀の量を11mgに変えた以外は、実施例1と同様にして光触媒粒子を作製した。酸化ガリウムに対する銀濃度は1.0質量%であった。
Example 2
Except for changing the amount of silver oxide added in the mixing step to 11 mg, photocatalyst particles were produced in the same manner as in Example 1. The silver concentration relative to gallium oxide was 1.0 mass%.

実施例3
混合工程で添加する酸化銀の量を32mgに変えた以外は、実施例1と同様にして光触媒粒子を作製した。酸化ガリウムに対する銀濃度は3.0質量%であった。
Example 3
Except for changing the amount of silver oxide added in the mixing step to 32 mg, photocatalyst particles were produced in the same manner as in Example 1. The silver concentration relative to gallium oxide was 3.0 mass%.

実施例4
混合工程で添加する酸化銀の量を54mgに変えた以外は、実施例1と同様にして光触媒粒子を作製した。酸化ガリウムに対する銀濃度は5.0質量%であった。
Example 4
Except for changing the amount of silver oxide added in the mixing step to 54 mg, photocatalyst particles were produced in the same manner as in Example 1. The silver concentration relative to gallium oxide was 5.0 mass%.

比較例1
従来法である含浸法により銀ナノ粒子を還元生成させて光触媒粒子を作製した。まず超純水(20mL)と酸化ガリウム(1g)と硝酸銀水溶液(0.1M、2.8mL)とを混合し、得られた混合溶液をウォーターバスを用いて80℃で1時間加熱した。次に、加熱した混合溶液を大気中80℃で3時間乾燥し、得られた乾燥物を450℃で2時間焼成して光触媒粒子を得た。酸化ガリウムに対する銀濃度は3.0質量%であった。
Comparative Example 1
Photocatalyst particles were produced by reducing silver nanoparticles using the conventional impregnation method. First, ultrapure water (20 mL), gallium oxide (1 g), and silver nitrate aqueous solution (0.1 M, 2.8 mL) were mixed, and the resulting mixed solution was heated at 80 ° C. for 1 hour using a water bath. Next, the heated mixed solution was dried in air at 80 ° C. for 3 hours, and the resulting dried product was baked at 450 ° C. for 2 hours to obtain photocatalyst particles. The silver concentration relative to gallium oxide was 3.0 mass%.

比較例2
従来法である光電析法(光電着法)により銀ナノ粒子を還元生成させて光触媒粒子を作製した。まず超純水(1L)と酸化ガリウム(1g)と硝酸銀水溶液(0.1M、2.8mL)を混合し、得られた混合溶液にアルゴン(Ar)ガスを吹き込んでガス置換した。次にアルゴンガスを30mL/分の流量で吹き込みながら、400W高圧HgランプでUV光を5時間照射して銀(Ag)イオンを還元させた。光照射後の溶液をろ過し、粉末を回収した。回収した粉末を室温で乾燥して光触媒粒子を得た。酸化ガリウムに対する銀濃度は3.0質量%であった。
Comparative Example 2
Photocatalyst particles were produced by reducing and generating silver nanoparticles using the conventional photoelectrodeposition method. First, ultrapure water (1 L), gallium oxide (1 g), and silver nitrate aqueous solution (0.1 M, 2.8 mL) were mixed, and argon (Ar) gas was blown into the resulting mixed solution to replace the gas. Next, while blowing argon gas at a flow rate of 30 mL/min, UV light was irradiated from a 400 W high-pressure Hg lamp for 5 hours to reduce silver (Ag) ions. The solution after light irradiation was filtered, and the powder was collected. The collected powder was dried at room temperature to obtain photocatalyst particles. The silver concentration relative to gallium oxide was 3.0% by mass.

比較例3
混合工程で還元液(エタノール)の代わりに純水(50mL)を用いた以外は、実施例2と同様にして光触媒粒子を作製した。しかしながら超音波処理を3時間行っても、粒子の色に変化が見られなかった。水のみでは還元力が低く、酸化銀から銀への還元反応が進まないと考えられる。
Comparative Example 3
Photocatalyst particles were produced in the same manner as in Example 2, except that pure water (50 mL) was used instead of the reducing solution (ethanol) in the mixing process. However, even after 3 hours of ultrasonic treatment, no change in the color of the particles was observed. It is believed that water alone has a low reducing power and the reduction reaction from silver oxide to silver does not proceed.

比較例4
銀ナノ粒子の担持を行わず、酸化ガリウム粒子を単独で光触媒粒子とした。
Comparative Example 4
Without supporting silver nanoparticles, gallium oxide particles alone were used as photocatalyst particles.

(2)光触媒粒子の評価
実施例1~4、比較例1、2及び4で得られたサンプルについて、各種特性の評価を以下のとおり行った。なお実施例1~4では超音波処理を3時間行ったサンプルについて目視観察以外の評価を行った。また比較例3のサンプルは、酸化銀から銀への還元反応が進んでいないことから、評価を行わなかった。
(2) Evaluation of photocatalyst particles The samples obtained in Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1, 2, and 4 were evaluated for various properties as follows. In Examples 1 to 4, the samples that had been subjected to ultrasonic treatment for 3 hours were evaluated in a manner other than visual observation. In addition, the sample in Comparative Example 3 was not evaluated because the reduction reaction from silver oxide to silver had not progressed.

<目視観察>
サンプルを目視で観察してその色調を調べた。
<Visual Observation>
The samples were visually inspected for color.

<X線回折(XRD)>
サンプルをX線回折法により分析して、その結晶相を調べた。分析条件は以下のとおりにした。
<X-ray diffraction (XRD)>
The sample was analyzed by X-ray diffraction to examine its crystal phase. The analysis conditions were as follows:

‐X線回折装置:スペクトリス株式会社、X’Pert PRO MRD
‐線源:CuKα線
‐管電圧:45kV
‐管電流:40mA
‐スキャン速度:5.5°/分
‐スキャン範囲(2θ):20~60°
- X-ray diffraction equipment: Spectris Corporation, X'Pert PRO MRD
- Radiation source: CuKα radiation - Tube voltage: 45 kV
-Tube current: 40mA
- Scan speed: 5.5°/min - Scan range (2θ): 20 to 60°

<SEM観察>
サンプルを走査型電子顕微鏡(SEM;Carl ZEISS社、ULTRA55)を用いて観察した。観察は加速電圧1kVの条件で行った。
<SEM Observation>
The sample was observed using a scanning electron microscope (SEM; Carl ZEISS, ULTRA55) at an accelerating voltage of 1 kV.

<STEM観察>
サンプルを走査透過型電子顕微鏡(STEM;株式会社日立ハイテクノロジーズ、HD2700)を用いて観察し、銀ナノ粒子の平均粒子径を求めた。観察は、透過電子像で加速電圧200kVの条件で行った。また平均粒子径は次のようにして求めた。STEM像から70点以上の粒子径を測定し、その平均値を平均粒子径とした。
<STEM observation>
The sample was observed using a scanning transmission electron microscope (STEM; Hitachi High-Technologies Corporation, HD2700) to determine the average particle size of the silver nanoparticles. Observation was performed using a transmission electron image at an acceleration voltage of 200 kV. The average particle size was determined as follows. Particle sizes at 70 or more points were measured from the STEM image, and the average value was taken as the average particle size.

<拡散反射スペクトル>
サンプルの固体状態での拡散反射スペクトルは、紫外可視分光光度計(日本分光株式会社、V―650)を用いて、波長200~800nmの範囲の測定を行った。
<Diffuse reflectance spectrum>
The diffuse reflectance spectrum of the solid state sample was measured in the wavelength range of 200 to 800 nm using an ultraviolet-visible spectrophotometer (JASCO Corporation, V-650).

<CO還元光触媒性能>
サンプルのCO還元光触媒性能を図2に示す評価装置を用いて評価した。まず超純水(1L)、NaHCO(0.1M)及び光触媒粒子(0.5g)を混合して評価用溶液を作製した。次にこの評価用溶液を評価装置の槽に入れ、二酸化炭素(CO)ガスを30mL/分の流量で吹き込みながら、400W高圧HgランプでUV光を照射した。1時間照射後に発生したガスをガスクロマトグラフィー(島津製作所、GC-8A)を用いて分析して、H、O及びCO発生速度を求めた。そして下記(1)式に基づきCO選択率を算出した。
< CO2 reduction photocatalytic performance>
The CO2 reduction photocatalytic performance of the sample was evaluated using the evaluation device shown in Figure 2. First, ultrapure water (1 L), NaHCO3 (0.1 M) and photocatalyst particles (0.5 g) were mixed to prepare an evaluation solution. Next, this evaluation solution was placed in the tank of the evaluation device, and while blowing in carbon dioxide ( CO2 ) gas at a flow rate of 30 mL/min, UV light was irradiated from a 400 W high-pressure Hg lamp. The gas generated after 1 hour of irradiation was analyzed using gas chromatography (Shimadzu Corporation, GC-8A) to determine the H2 , O2 and CO generation rates. Then, the CO selectivity was calculated based on the following formula (1).

Figure 0007637372000007
Figure 0007637372000007

(3)評価結果
<目視観察>
図4に超音波照射時間及び銀担持量を変えて作製したサンプル(実施例1~4及び比較例4)の光学写真を示す。超音波照射時間が長くなるにつれて色調が白色から茶色に変化した。また銀担持量が多いほど濃い色調に変化した。
(3) Evaluation results <Visual observation>
Fig. 4 shows optical photographs of samples (Examples 1 to 4 and Comparative Example 4) prepared by changing the ultrasonic irradiation time and the amount of supported silver. As the ultrasonic irradiation time increased, the color changed from white to brown. Also, the color changed to a darker color as the amount of supported silver increased.

<X線回折(XRD)>
実施例1~4及び比較例4について得られたX線回折(XRD)パターンを、銀(Ag)及び酸化銀(AgO)のパターンと併せて図5~図7に示す。ここで図6及び図7は図5の拡大図である。超音波還元法で作製したサンプル(実施例1~4)では酸化銀(AgO)と一致するパターンは見られなかった。特に図6の拡大図に示されるように、銀担持量を5質量%と多くしたサンプル(実施例4)であっても2θ=32.7°近傍に見られる酸化銀(AgO)特有のピークは観察されなかった。このことから実施例1~4は酸化銀を含まないことが分かった。一方でこれらのサンプル(実施例1~4)では銀(Ag)と一致するパターンが観察された。特に図7の拡大図にて示されるように、銀担持量を3質量%又は5質量%としたサンプル(実施例3及び4)では2θ=44.5°近傍に見られる銀(Ag)特有のピークが観察され、その強度は担持量が多いほど高かった。このことから超音波還元法で作製したサンプルでは、原料たる銀供給源(酸化銀)の全てが銀に還元されていることが分かった。
<X-ray diffraction (XRD)>
The X-ray diffraction (XRD) patterns obtained for Examples 1 to 4 and Comparative Example 4 are shown in Figures 5 to 7 together with the patterns of silver (Ag) and silver oxide (Ag 2 O). Here, Figures 6 and 7 are enlarged views of Figure 5. In the samples (Examples 1 to 4) prepared by the ultrasonic reduction method, no pattern consistent with silver oxide (Ag 2 O) was observed. In particular, as shown in the enlarged view of Figure 6, even in the sample (Example 4) in which the amount of silver carried was increased to 5 mass%, no peak specific to silver oxide (Ag 2 O) was observed near 2θ = 32.7 °. From this, it was found that Examples 1 to 4 do not contain silver oxide. On the other hand, in these samples (Examples 1 to 4), a pattern consistent with silver (Ag) was observed. In particular, as shown in the enlarged view of Figure 7, in the samples (Examples 3 and 4) in which the amount of silver carried was 3 mass% or 5 mass%, a peak specific to silver (Ag) was observed near 2θ = 44.5 °, and the intensity was higher as the amount carried was larger. This indicates that in the samples prepared by the ultrasonic reduction method, the raw silver source (silver oxide) was entirely reduced to silver.

<SEM観察>
実施例3及び比較例2のサンプルについて得られたSEM写真のそれぞれを図8及び図9に示す。図中に存在する明るい(白い)粒子は銀ナノ粒子である。いずれのサンプルでも酸化ガリウム粒子の表面に銀ナノ粒子が担持していた。しかしながら超音波還元法で作製したサンプル(実施例3)では銀ナノ粒子の粒径が小さいのに対し、光電析法で作製したサンプル(比較例2)では粒径が大きかった。なお図では示さないが、超音波還元法で作製したサンプル(実施例1~4)では銀ナノ粒子が均一に生成しており凝集粒子は殆ど見られなかった。また担持量を多くすると、銀ナノ粒子の粒子数が増大するものの、その粒径には殆ど変化が見られなかった。
<SEM Observation>
SEM photographs obtained for the samples of Example 3 and Comparative Example 2 are shown in Figures 8 and 9, respectively. The bright (white) particles present in the figures are silver nanoparticles. In both samples, silver nanoparticles were supported on the surfaces of gallium oxide particles. However, the particle size of the silver nanoparticles was small in the sample prepared by the ultrasonic reduction method (Example 3), whereas the particle size was large in the sample prepared by the photoelectrodeposition method (Comparative Example 2). Although not shown in the figures, the silver nanoparticles were uniformly generated in the samples prepared by the ultrasonic reduction method (Examples 1 to 4), and almost no aggregated particles were observed. In addition, when the amount of silver nanoparticles supported was increased, the number of silver nanoparticles increased, but almost no change was observed in the particle size.

<STEM観察>
実施例3、実施例4、比較例1及び比較例2のサンプルについて得られたSTEM写真のそれぞれを図10~図13に示す。図中に存在する黒い粒子は銀ナノ粒子である。SEM写真の結果と同様に、いずれのサンプルでも酸化ガリウム粒子の表面に銀ナノ粒子が担持していた。また超音波還元法で作製したサンプル(実施例3及び実施例4)では銀ナノ粒子の粒径が小さいのに対し、含浸法又は光電析法で作製したサンプル(比較例1及び比較例2)では粒径が大きかった。
<STEM observation>
STEM photographs obtained for the samples of Example 3, Example 4, Comparative Example 1, and Comparative Example 2 are shown in Figures 10 to 13, respectively. The black particles present in the figures are silver nanoparticles. As in the results of the SEM photographs, silver nanoparticles were supported on the surfaces of gallium oxide particles in all samples. Furthermore, the silver nanoparticles had small particle sizes in the samples produced by the ultrasonic reduction method (Examples 3 and 4), whereas the particle sizes were large in the samples produced by the impregnation method or photoelectrodeposition method (Comparative Examples 1 and 2).

STEM写真に基づき求めた銀ナノ粒子の粒径分布を図14及び図15に示す。また粒径分布より算出した平均粒子径を表1に示す。超音波還元法で作製したサンプル(実施例1~4)は、いずれも平均粒子径が20.0±2.0nmの範囲内であり、銀担持量を変化させても平均粒子径は殆ど変化していなかった。また粒径分布は比較的シャープであった。これに対して含浸法や光電析法で作製したサンプル(比較例1及び比較例2)では平均粒子径が241nm又は276nmと大きく、また粒径分布がブロードであった。 Figures 14 and 15 show the particle size distribution of silver nanoparticles determined based on STEM photographs. Table 1 shows the average particle size calculated from the particle size distribution. The samples (Examples 1 to 4) produced by the ultrasonic reduction method all had an average particle size within the range of 20.0 ± 2.0 nm, and the average particle size hardly changed even when the amount of silver carried was changed. The particle size distribution was also relatively sharp. In contrast, the samples (Comparative Examples 1 and 2) produced by the impregnation method and photoelectrodeposition method had a large average particle size of 241 nm or 276 nm, and the particle size distribution was broad.

Figure 0007637372000008
Figure 0007637372000008

<拡散反射スペクトル>
実施例1~4、比較例1、比較例2及び比較例4について得られた拡散反射スペクトルを図16に示す。超音波還元法で作製したサンプル(実施例1~4)では波長350~550nmにピークが見られた。またこのピーク強度は銀担持量が多くなるほど高かった。これに対して含浸法又は光電析法で作製したサンプル(比較例1及び比較例2)及び銀担持無しのサンプル(比較例4)には波長350~550nmに明瞭なピークが見られなかった。このことから、波長350nm~550nmに観測されるピークは、超音波還元で生成した銀ナノ粒子に起因することが分かった。
<Diffuse reflectance spectrum>
The diffuse reflectance spectra obtained for Examples 1 to 4, Comparative Example 1, Comparative Example 2, and Comparative Example 4 are shown in FIG. 16. In the samples (Examples 1 to 4) prepared by the ultrasonic reduction method, a peak was observed at wavelengths of 350 to 550 nm. Furthermore, the intensity of this peak increased as the amount of supported silver increased. In contrast, no clear peak was observed at wavelengths of 350 to 550 nm in the samples (Comparative Examples 1 and 2) prepared by the impregnation method or the photoelectrodeposition method and the sample without supported silver (Comparative Example 4). From this, it was found that the peak observed at wavelengths of 350 nm to 550 nm was due to silver nanoparticles generated by ultrasonic reduction.

<CO還元光触媒性能>
実施例1~4、比較例1、比較例2及び比較例4について得られたCO還元光触媒性能(ガス発生速度及びCO選択率)を表2及び図17に示す。超音波還元法で銀ナノ粒子を担持したサンプル(実施例1~4)は、銀担持無しのサンプル(比較例4)に比べてCO選択率が顕著に高かった。また銀担持量が多いほどCO選択率が高かった。銀ナノ粒子の担持により電荷分離が促進されたものと推察される。特に担持量0.5質量%のサンプル(実施例1)ではCOガス発生速度も高く維持されていた。一方で含浸法や光電析法で作製したサンプル(比較例1及び比較例2)は、超音波還元法で作製した担持量が同じサンプル(実施例3)に比べてCO選択率が劣っていた。
< CO2 reduction photocatalytic performance>
The CO2 reduction photocatalytic performance (gas generation rate and CO selectivity) obtained for Examples 1 to 4, Comparative Example 1, Comparative Example 2, and Comparative Example 4 is shown in Table 2 and FIG. 17. The samples (Examples 1 to 4) in which silver nanoparticles were supported by the ultrasonic reduction method had a significantly higher CO selectivity than the sample without silver support (Comparative Example 4). In addition, the higher the amount of silver supported, the higher the CO selectivity. It is presumed that charge separation was promoted by supporting silver nanoparticles. In particular, the sample with a support amount of 0.5 mass% (Example 1) also maintained a high CO gas generation rate. On the other hand, the samples (Comparative Examples 1 and 2) prepared by the impregnation method and the photoelectrodeposition method had inferior CO selectivity compared to the sample with the same support amount prepared by the ultrasonic reduction method (Example 3).

Figure 0007637372000009
Figure 0007637372000009

[実験例B]
実験例Bでは、超音波処理により銀ナノ粒子を還元生成させて得た金属銀ナノ粒子担持酸化ガリウム粒子に、さらに熱処理を施して光触媒粒子を作製した。
[Experimental Example B]
In Experimental Example B, the silver nanoparticles were reduced and generated by ultrasonic treatment to obtain gallium oxide particles carrying metallic silver nanoparticles, which were then subjected to a heat treatment to produce photocatalyst particles.

(1)光触媒粒子の作製 (1) Preparation of photocatalyst particles

実施例5
実施例3で得た金属銀ナノ粒子担持酸化ガリウム粒子を大気中100℃で5分間熱処理して、光触媒粒子を作製した。
Example 5
The gallium oxide particles carrying metallic silver nanoparticles obtained in Example 3 were heat-treated in air at 100° C. for 5 minutes to prepare photocatalyst particles.

実施例6
実施例3で得た金属銀ナノ粒子担持酸化ガリウム粒子を大気中200℃で5分間熱処理して、光触媒粒子を作製した。
Example 6
The gallium oxide particles carrying metallic silver nanoparticles obtained in Example 3 were heat-treated in air at 200° C. for 5 minutes to prepare photocatalyst particles.

実施例7
実施例3で得た金属銀ナノ粒子担持酸化ガリウム粒子を大気中300℃で5分間熱処理して、光触媒粒子を作製した。
Example 7
The gallium oxide particles carrying metallic silver nanoparticles obtained in Example 3 were heat-treated in air at 300° C. for 5 minutes to prepare photocatalyst particles.

実施例8
実施例3で得た金属銀ナノ粒子担持酸化ガリウム粒子を大気中500℃で5分間熱処理して、光触媒粒子を作製した。
Example 8
The gallium oxide particles carrying metallic silver nanoparticles obtained in Example 3 were heat-treated in air at 500° C. for 5 minutes to produce photocatalyst particles.

(2)光触媒粒子の評価
得られた光触媒粒子について、各種特性の評価を以下のとおり行った。
(2) Evaluation of Photocatalyst Particles The obtained photocatalyst particles were evaluated for various properties as follows.

<SEM観察>
サンプルのSEM観察を実験例Aと同様にして行った。
<SEM Observation>
The sample was observed with an SEM in the same manner as in Experimental Example A.

<TG-MS分析>
サンプルの熱天秤-質量(TG-MS)分析を行った。分析は、TG-DTA(Bruker―AXS、2020SA/MS9600)を用いて、N-21%O雰囲気下で10℃/分の昇温速度で行った。
<TG-MS analysis>
Thermogravimetry-mass (TG-MS) analysis of the samples was performed using a TG-DTA (Bruker-AXS, 2020SA/MS9600) in a N 2 -21% O 2 atmosphere at a heating rate of 10°C/min.

<X線回折(XRD)>
X線回折装置(Bruker、D8 DISCOVER Vario-1)を用いて、サンプルを分析した。
<X-ray diffraction (XRD)>
The samples were analyzed using an X-ray diffraction apparatus (Bruker, D8 DISCOVER Vario-1).

<CO還元光触媒性能>
サンプルのCO還元光触媒性能を実験例Aと同様にして行った。
< CO2 reduction photocatalytic performance>
The CO2 reduction photocatalytic performance of the sample was carried out in the same manner as in Experimental Example A.

(3)評価結果
<熱処理後のSEM像>
光触媒粒子のSEM像を図18に示す。熱処理温度が200℃以下のサンプルではAgナノ粒子の粒径に大きな変化はなかった。一方で、300℃以上で熱処理したサンプルでは、やや粒径の小さい粒子が増加している。
(3) Evaluation results <SEM images after heat treatment>
SEM images of photocatalyst particles are shown in Figure 18. There was no significant change in the particle size of Ag nanoparticles in samples heat-treated at 200°C or less. On the other hand, in samples heat-treated at 300°C or more, the number of particles with slightly smaller particle sizes increased.

<熱処理による残留有機物の変化>
光触媒粒子のTG曲線及びDTA曲線のそれぞれを図19及び図20に示す。熱処理(加熱)前のサンプルでは180℃付近でCOが発生していた。このことから、この温度で有機物の分解が起きていると考えられる。一方で200℃以上の温度で熱処理(加熱)したサンプルでは180℃付近の急激なCO生成が見られなかった。熱処理により有機物が分解されたと考えられる。
<Changes in residual organic matter due to heat treatment>
The TG curve and DTA curve of the photocatalyst particles are shown in Figures 19 and 20, respectively. In the sample before heat treatment (heating), CO2 was generated at around 180°C. This suggests that decomposition of organic matter occurs at this temperature. On the other hand, in the sample heat-treated (heated) at a temperature of 200°C or higher, no sudden CO2 generation was observed at around 180°C. It is thought that the organic matter was decomposed by the heat treatment.

<熱処理によるAg化合物の変化>
光触媒粒子のX線回折パターンを図21に示す。200℃以上の温度で熱処理したサンプルではAgGaOの生成が確認された。先述したように、SEM観察では、300℃以上の温度で熱処理したサンプルでAgナノ粒子の粒径が小さくなっていた。Agナノ粒子の一部がAgGaOへ変化したことが、この原因と考えられる。
<Changes in Ag compounds due to heat treatment>
The X-ray diffraction pattern of the photocatalyst particles is shown in Figure 21. The generation of AgGaO2 was confirmed in the samples heat-treated at temperatures above 200°C. As mentioned above, SEM observation showed that the particle size of Ag nanoparticles was smaller in the samples heat-treated at temperatures above 300°C. This is thought to be due to the change of some of the Ag nanoparticles to AgGaO2 .

<熱処理による触媒活性の変化>
光触媒粒子のCO還元光触媒性能(ガス発生速度及びCO選択率)を表3に示す。熱処理によりCO選択率が向上することが確認された。
<Changes in catalytic activity due to heat treatment>
The CO2 reduction photocatalytic performance (gas generation rate and CO selectivity) of the photocatalyst particles is shown in Table 3. It was confirmed that the CO selectivity was improved by heat treatment.

Figure 0007637372000010
Figure 0007637372000010

2 評価装置
4 槽
6 水銀(Hg)ランプ
8 ガス導入管
10 ガス排出管
12 pH計
14 ゴム栓
16 スターラー
18 バブリングフィルター
20 冷却水
22 評価用溶液
30 COガス
32 発生ガス
34 ガスクロマトグラフィー

2 Evaluation device 4 Tank 6 Mercury (Hg) lamp 8 Gas inlet pipe 10 Gas outlet pipe 12 pH meter 14 Rubber plug 16 Stirrer 18 Bubbling filter 20 Cooling water 22 Evaluation solution 30 CO2 gas 32 Generated gas 34 Gas chromatography

Claims (4)

酸化ガリウム(Ga)粒子と、前記酸化ガリウム粒子の表面に担持された金属銀(Ag)ナノ粒子と、を含み、
拡散反射スペクトルにおいて波長350~550nmの範囲内にピークを有し、
前記金属銀ナノ粒子の平均粒子径が10.0~30.0nmであり、
前記金属銀ナノ粒子の担持量が酸化ガリウム粒子に対して3.0~10.0質量%である、二酸化炭素還元光触媒粒子。
The present invention relates to a gallium oxide (Ga 2 O 3 ) particle and a metallic silver (Ag) nanoparticle supported on the surface of the gallium oxide particle,
A diffuse reflectance spectrum having a peak in the wavelength range of 350 to 550 nm,
The average particle size of the metallic silver nanoparticles is 10.0 to 30.0 nm;
The carbon dioxide reduction photocatalyst particles, in which the amount of the metallic silver nanoparticles supported is 3.0 to 10.0 mass% relative to the gallium oxide particles.
還元光触媒性能評価試験において、CO選択率が60%以上である、請求項1に記載の二酸化炭素還元光触媒粒子。
ただし、前記CO還元光触媒性能評価試験は、超純水(1L)、NaHCO(0.1M)及び前記二酸化炭素還元光触媒粒子(0.5g)を混合して作製した評価用溶液を評価装置の槽に入れ、その後、二酸化炭素(CO)ガスを30mL/分の流量で吹き込みながら、400W高圧HgランプでUV光を照射し、1時間照射後に発生したガスをガスクロマトグラフィーを用いて分析して、H、O及びCOガス発生速度を求める条件で行い、下記(1)式に基づき前記CO選択率を算出する。
Figure 0007637372000011
The carbon dioxide reducing photocatalyst particle according to claim 1, which has a CO selectivity of 60% or more in a CO2 reduction photocatalyst performance evaluation test.
However, the CO2 reduction photocatalyst performance evaluation test is performed under conditions in which an evaluation solution prepared by mixing ultrapure water (1 L), NaHCO3 (0.1 M) and the carbon dioxide reduction photocatalyst particles (0.5 g) is placed in a tank of an evaluation device, carbon dioxide ( CO2 ) gas is then blown in at a flow rate of 30 mL/min while UV light is irradiated from a 400 W high-pressure Hg lamp, and the gas generated after one hour of irradiation is analyzed using gas chromatography to determine the H2 , O2 and CO gas generation rates, and the CO selectivity is calculated based on the following formula (1).
Figure 0007637372000011
化ガリウム(Ga)粒子と銀(Ag)イオン供給源とを還元溶液中で超音波を照射することで得られた複合粒子である、請求項1に記載の二酸化炭素還元光触媒粒子。 2. The carbon dioxide reducing photocatalyst particles according to claim 1 , which are composite particles obtained by irradiating gallium oxide (Ga 2 O 3 ) particles and a silver (Ag) ion source with ultrasonic waves in a reducing solution. 化ガリウム(Ga)粒子と銀(Ag)イオン供給源とを還元溶液中で超音波を照射して得られた複合粒子を、さらに酸素含有雰囲気中100℃以上の温度で熱処理することで得られた加熱後複合粒子である、請求項1に記載の二酸化炭素還元光触媒粒子。 The carbon dioxide reducing photocatalyst particles according to claim 1, which are composite particles obtained by irradiating gallium oxide (Ga 2 O 3 ) particles and a silver (Ag) ion source with ultrasonic waves in a reducing solution, and then heat-treating the composite particles at a temperature of 100° C. or higher in an oxygen-containing atmosphere, to obtain heated composite particles.
JP2020174222A 2020-02-28 2020-10-15 Carbon dioxide reduction photocatalyst particles Active JP7637372B2 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2020032970 2020-02-28
JP2020032970 2020-02-28

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2021137790A JP2021137790A (en) 2021-09-16
JP7637372B2 true JP7637372B2 (en) 2025-02-28

Family

ID=77667317

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2020174222A Active JP7637372B2 (en) 2020-02-28 2020-10-15 Carbon dioxide reduction photocatalyst particles

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP7637372B2 (en)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7659262B2 (en) * 2021-03-09 2025-04-09 住友金属鉱山株式会社 Method for producing carbon dioxide reducing photocatalyst particles
JP7606191B2 (en) * 2021-03-09 2024-12-25 住友金属鉱山株式会社 Carbon dioxide reduction photocatalyst particles

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006198568A (en) 2005-01-24 2006-08-03 Tokyo Electric Power Co Inc:The Method and apparatus for producing composite photocatalyst
JP2010065265A (en) 2008-09-10 2010-03-25 Hitachi Ltd Metal nanoparticle and method for producing the composite powder
JP2012192302A (en) 2011-03-14 2012-10-11 Toyota Motor Corp Method of reducing carbon dioxide
CN105060389A (en) 2015-07-16 2015-11-18 广西大学 Method for photocatalytic degradation of PFOA (perfluorooctanoic acid) in water through noble-metal-doped gallium oxide

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006198568A (en) 2005-01-24 2006-08-03 Tokyo Electric Power Co Inc:The Method and apparatus for producing composite photocatalyst
JP2010065265A (en) 2008-09-10 2010-03-25 Hitachi Ltd Metal nanoparticle and method for producing the composite powder
JP2012192302A (en) 2011-03-14 2012-10-11 Toyota Motor Corp Method of reducing carbon dioxide
CN105060389A (en) 2015-07-16 2015-11-18 广西大学 Method for photocatalytic degradation of PFOA (perfluorooctanoic acid) in water through noble-metal-doped gallium oxide

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
E-Journal of Surface Science and Nanotechnology,2014年,vol.12 , p.263 -268,DOI:10.1380/ejssnt.2014.263
Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B,2015年,vol.359, p.64 -68,DOI:10.1016/j.nimb.2015.07.031

Also Published As

Publication number Publication date
JP2021137790A (en) 2021-09-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Mousavi-Kamazani Facile sonochemical-assisted synthesis of Cu/ZnO/Al2O3 nanocomposites under vacuum: Optical and photocatalytic studies
Ghiyasiyan-Arani et al. Enhanced photodegradation of dye in waste water using iron vanadate nanocomposite; ultrasound-assisted preparation and characterization
Ghosh et al. The characteristic study and sonocatalytic performance of CdSe–graphene as catalyst in the degradation of azo dyes in aqueous solution under dark conditions
Asikin-Mijan et al. Synthesis of clamshell derived Ca (OH) 2 nano-particles via simple surfactant-hydration treatment
Ide et al. Hybridization of Au nanoparticle-loaded TiO 2 with BN nanosheets for efficient solar-driven photocatalysis
Yan et al. Urea-based hydrothermal growth, optical and photocatalytic properties of single-crystalline In (OH) 3 nanocubes
Mousavi-Kamazani Facile hydrothermal synthesis of egg-like BiVO4 nanostructures for photocatalytic desulfurization of thiophene under visible light irradiation
Bhuvaneswari et al. Enhanced photocatalytic activity of ethylenediamine-assisted tin oxide (SnO2) nanorods for methylene blue dye degradation
Qaraah et al. Facile route for C–N/Nb 2 O 5 nanonet synthesis based on 2-methylimidazole for visible-light driven photocatalytic degradation of Rhodamine B
Ribeiro et al. Rapid microwave-assisted hydrothermal synthesis of CuBi2O4 and its application for the artificial photosynthesis
JP7637372B2 (en) Carbon dioxide reduction photocatalyst particles
JP7619558B2 (en) Method for producing carbon dioxide reducing photocatalyst particles
JP3845720B2 (en) Potassium niobate photocatalyst and method for producing the same
CA3149140A1 (en) Materials comprising carbon-embedded cobalt nanoparticles, processes for their manufacture, and use as heterogeneous catalysts
JP2020157283A (en) Photocatalyst manufacturing method
Xiong et al. Effect of adding silver on photocatalytic properties of ZnAl2O4 nanopowder synthesized using microemulsion and polyacrylamide gel methods for recycled water
Luan et al. Facile synthesis of bismuth oxide nanoparticles by a hydrolysis solvothermal route and their visible light photocatalytic activity
Han et al. Controllable preparation of TiO2 nanoparticles using deep eutectic solvents and their photocatalytic degradation of dyeing wastewater
Sajid et al. Construction of novel an in-situ m-BiVO4/t-BiVO4 isotype heterojunction photocatalyst for improved visible light-dependent degradation of dye
JP7708396B2 (en) Method for producing carbon dioxide reducing photocatalyst particles
TWI641553B (en) Method for preparing hydrogen-producing material and method thereof for producing hydrogen from organic wastewater
CN114917932A (en) For CO 2 Photoreduction synthesis of CO and H 2 Catalyst, preparation method and application
JP7659262B2 (en) Method for producing carbon dioxide reducing photocatalyst particles
JP7606191B2 (en) Carbon dioxide reduction photocatalyst particles
JP7691696B2 (en) Carbon dioxide reduction photocatalyst particles

Legal Events

Date Code Title Description
AA64 Notification of invalidation of claim of internal priority (with term)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A241764

Effective date: 20201110

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20201105

A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20230721

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20240412

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20240507

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20240618

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20241001

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20241010

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20250107

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20250206

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 7637372

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150