JP7779087B2 - Coated oxide particles, photocatalyst, and method for producing coated oxide particles - Google Patents
Coated oxide particles, photocatalyst, and method for producing coated oxide particlesInfo
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Description
本発明は、被覆酸化物粒子、光触媒、及び被覆酸化物粒子の製造方法に関する。 The present invention relates to coated oxide particles, photocatalysts, and methods for producing coated oxide particles.
従来から、粒子を複合化させて機能性を付与した機能性複合粒子の研究開発が進んでいる。また機能性複合粒子として、コア粒子の表面に被膜を形成した被覆粒子が提案されている。被覆粒子たる機能性複合粒子は、電気特性などの諸特性が、単独の粒子では得られないほど優れる可能性があり、様々な応用で期待されている。 Research and development of functional composite particles, which are particles that have been combined to impart functionality, has been progressing. Coated particles, in which a coating is formed on the surface of a core particle, have also been proposed as functional composite particles. Coated functional composite particles may have superior electrical and other properties that cannot be achieved with single particles, and are expected to be used in a variety of applications.
例えば、特許文献1には、コーティングしようとする金属のアルコキシドのベンゼン溶液内に、粉体粒子を加えて懸濁し、これに水を加えて加水分解し、乾燥させた後仮焼する粉体粒子の処理方法が開示されている(特許文献1の特許請求の範囲)。また特許文献1には、担体表面に触媒作用を有するような酸化物をコーティングする場合にも適用できること、比較的簡単な工程で、微小粒子表面に均一厚さでコーティングできることが記載されている(特許文献1の第2頁左欄17行目~右欄2行目)。 For example, Patent Document 1 discloses a powder particle processing method in which powder particles are added and suspended in a benzene solution of the alkoxide of the metal to be coated, water is added to the suspension, the suspension is hydrolyzed, dried, and then calcined (claims of Patent Document 1). Patent Document 1 also describes that the method can be applied to coating oxides that have catalytic properties on the surface of a support, and that a uniform thickness can be coated onto the surface of fine particles using a relatively simple process (page 2, left column, line 17 to right column, line 2 of Patent Document 1).
特許文献2には、水系媒質中にて、微粒子及び金属アルコキシドを混合し、該微粒子表面に、金属アルコキシドの加水分解反応により生成する金属酸化物を析出させることを特徴とする酸化物膜被覆微粒子の製造方法が開示されている(特許文献2の請求項1)。また特許文献2には、当該酸化物被覆微粒子について、膜の平滑性や純度が要求される用途で使用できることが記載されている(特許文献2の[0017])。 Patent Document 2 discloses a method for producing oxide-coated microparticles, which comprises mixing microparticles and a metal alkoxide in an aqueous medium and precipitating a metal oxide produced by a hydrolysis reaction of the metal alkoxide on the surface of the microparticles (Claim 1 of Patent Document 2). Patent Document 2 also describes that the oxide-coated microparticles can be used in applications requiring film smoothness and purity (paragraph [0017] of Patent Document 2).
このように、コア粒子の表面に被膜を形成した被覆粒子からなる機能性粒子が従来から提案されるものの、従来の被覆粒子は、改良の余地があった。 As such, functional particles consisting of coated particles in which a coating is formed on the surface of a core particle have been proposed in the past, but there was room for improvement in conventional coated particles.
すなわち、用途によっては、機能性粒子が微細で且つその結晶性の高いことが要望される。例えば、固体酸化物燃料電池は、電解質として働く酸素イオン伝導体と、電極触媒と、を備えており、動作時には電解質と電極触媒と反応ガス(H2)との三相界面で反応が活性化される。微細化した電解質たる酸素イオン伝導体や電極触媒は、界面での接触面積が大きいことから好ましい。また結晶性に劣る酸素イオン伝導体や電極触媒は、イオン伝導特性や触媒特性に劣る場合がある。したがって結晶性に優れることが望ましい。 That is, depending on the application, it is desirable that the functional particles be fine and have high crystallinity. For example, a solid oxide fuel cell comprises an oxygen ion conductor that functions as an electrolyte and an electrode catalyst, and during operation, the reaction is activated at the three-phase interface between the electrolyte, the electrode catalyst, and the reactant gas (H 2 ). Finely divided electrolyte oxygen ion conductors and electrode catalysts are preferred because they have a large contact area at the interface. Furthermore, oxygen ion conductors and electrode catalysts with poor crystallinity may have poor ion conduction properties and catalytic properties. Therefore, excellent crystallinity is desirable.
太陽光エネルギーを使って水を水素と酸素とに分解する光触媒材料でも、粒径と結晶性は重要である。光触媒粒子の結晶性を高めると、光照射により生成した電子と正孔との再結合中心となる欠陥構造が少なくなり、分解効率が高くなる。また光触媒粒子を微細化することで、水との接触面積を大きくすることができ、水の分解を効率的に進めることが可能になる。光触媒粒子を用いた水分解技術は、化石燃料の代替となるクリーンなエネルギーである水素を製造できる技術として注目を集めており、クリーンエネルギー推進を図る上でも、光触媒粒子の微細化及び高結晶化を進めることが重要である。 Particle size and crystallinity are also important for photocatalytic materials that use solar energy to split water into hydrogen and oxygen. Increasing the crystallinity of photocatalytic particles reduces the number of defect structures that serve as recombination centers for the electrons and holes generated by light irradiation, increasing the splitting efficiency. Furthermore, by miniaturizing photocatalytic particles, the contact area with water can be increased, making it possible to split water more efficiently. Water splitting technology using photocatalytic particles is attracting attention as a technology that can produce hydrogen, a clean energy source that can replace fossil fuels. Therefore, miniaturizing photocatalytic particles and increasing their crystallinity are important in promoting clean energy.
従来の技術では、機能性粒子の微細化と高結晶化の両立を図ることは困難であった。例えば、粒子の結晶性を高めるためには、高温で長時間の熱処理を施すことが有効である。しかしながら、機能性粒子に高温及び長時間の熱処理を施すと、粒子間にネッキングが生じるととともに、ネッキングが成長してしまう。その結果、粒子同士が焼結して、粒子が粗大化してしまう。従来の技術では、微細で且つ結晶性に優れた被覆粒子を機能性粒子として作製することは困難であった。 With conventional technology, it has been difficult to achieve both fine and highly crystalline functional particles. For example, heat treatment at high temperatures for a long period of time is effective in increasing the crystallinity of particles. However, when functional particles are heat treated at high temperatures for a long period of time, necking occurs between the particles and the necking grows. As a result, the particles sinter together, causing the particles to become coarse. With conventional technology, it has been difficult to produce fine, highly crystalline coated particles as functional particles.
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、微細で且つ結晶性に優れた被覆酸化物粒子、及びその製造方法の提供を目的とする。 The present invention was completed based on this knowledge, and aims to provide fine, highly crystalline coated oxide particles and a method for producing them.
本発明は、下記(1)~(18)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 (1) to (18). Note that in this specification, the expression "to" includes both ends of the expression. In other words, "X to Y" is synonymous with "X or greater and Y or less."
(1)コア粒子と、前記コア粒子の表面を被覆する被膜と、を備える被覆酸化物粒子であって、
前記コア粒子が結晶質金属酸化物から構成され、
前記被膜が、金属の酸化物、酸窒化物及び窒化物の少なくとも一つからなる結晶質化合物を主成分として含み、
前記被膜及び前記コア粒子の界面において、前記結晶質化合物が前記結晶質金属酸化物と格子整合している、被覆酸化物粒子。
(1) Coated oxide particles comprising a core particle and a coating covering the surface of the core particle,
the core particle is composed of a crystalline metal oxide;
the coating contains, as a main component, a crystalline compound consisting of at least one of a metal oxide, an oxynitride, and a nitride,
A coated oxide particle, wherein the crystalline compound is lattice-matched to the crystalline metal oxide at the interface between the coating and the core particle.
(2)前記被膜及び前記コア粒子の界面から前記被膜の表面にわたって結晶粒界を有さない領域を前記結晶質化合物が有する、上記(1)の被覆酸化物粒子。 (2) The coated oxide particle of (1) above, wherein the crystalline compound has a region that does not have grain boundaries from the interface between the coating and the core particle to the surface of the coating.
(3)前記コア粒子を構成する結晶質金属酸化物が単結晶状態にある、上記(1)又は(2)の被覆酸化物粒子。 (3) Coated oxide particles according to (1) or (2) above, in which the crystalline metal oxide constituting the core particle is in a single crystal state.
(4)前記コア粒子を構成する結晶質金属酸化物が、酸化アルミニウム(Al2O3)、酸化ジルコニウム(ZrO2)、アルミン酸ランタン(LaAlO3)、アルミン酸イットリウム(YAlO3)、アルミン酸スカンジウム(ScAlO3)、アルミン酸ランタン・ストロンチウム(LaSrAlO4)、ガリウム酸ランタン・ストロンチウム(LaSrGaO4)、チタン酸ストロンチウム(SrTiO3)、タンタル酸カリウム(KTaO3)、ニオブ酸カリウム(KNbO3)、タンタル酸リチウム(LiTaO3)、ニオブ酸リチウム(LiNbO3)、スカンジウム酸ジスプロスイム(DyScO3)、スカンジウム酸ガドリニウム(GdScO3)、スカンジウム酸ネオジム(NdScO3)、アルミン酸マグネシウム(MgAl2O4)、酸化マグネシウム(MgO)、酸化チタン(TiO2)、ガーネット型アルミン酸イットリウム(Y3Al5O12;YAG)、及びチタン酸アルミニウム(Al2TiO5)からなる群から選択される少なくとも一種である、上記(1)~(3)のいずれかの被覆酸化物粒子。 (4) The crystalline metal oxide constituting the core particle is aluminum oxide (Al 2 O 3 ), zirconium oxide (ZrO 2 ), lanthanum aluminate (LaAlO 3 ), yttrium aluminate (YAlO 3 ), scandium aluminate (ScAlO 3 ), lanthanum-strontium aluminate (LaSrAlO 4 ), lanthanum-strontium gallate (LaSrGaO 4 ), strontium titanate (SrTiO 3 ), potassium tantalate (KTaO 3 ), potassium niobate (KNbO 3 ), lithium tantalate (LiTaO 3 ), lithium niobate (LiNbO 3 ), dysprosium scandate (DyScO 3 ), gadolinium scandate (GdScO 3 ), neodymium scandate (NdScO 3 The coated oxide particles according to any one of (1) to ( 3 ) above, which are at least one selected from the group consisting of magnesium aluminate (MgAl 2 O 4 ), magnesium oxide (MgO), titanium oxide (TiO 2 ) , garnet-type yttrium aluminate (Y 3 Al 5 O 12 ; YAG), and aluminum titanate (Al 2 TiO 5 ).
(5)前記コア粒子の平均粒径が10nm以上50μm以下である、上記(1)~(4)のいずれかの被覆酸化物粒子。 (5) Coated oxide particles according to any one of (1) to (4) above, wherein the average particle size of the core particles is 10 nm or more and 50 μm or less.
(6)前記被膜に含まれる結晶質化合物は、Williamson-Hall法で求めた結晶子径が50Å以上である、上記(1)~(5)のいずれかの被覆酸化物粒子。 (6) Coated oxide particles according to any one of (1) to (5) above, wherein the crystalline compound contained in the coating has a crystallite diameter of 50 Å or more as determined by the Williamson-Hall method.
(7)前記被膜に含まれる結晶質化合物が、タンタル(Ta)、ニオブ(Nb)、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、ハフニウム(Hf)、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)、鉄(Fe)、銅(Cu)、タングステン(W)、モリブデン(Mo)、ガリウム(Ga)、ゲルマニウム(Ge)、インジウム(In)、スズ(Sn)、アンチモン(Sb)、及び亜鉛(Zn)からなる群から選択される少なくも一種の金属を含む、上記(1)~(6)のいずれかの被覆酸化物粒子。 (7) Coated oxide particles according to any one of (1) to (6) above, wherein the crystalline compound contained in the coating contains at least one metal selected from the group consisting of tantalum (Ta), niobium (Nb), titanium (Ti), zirconium (Zr), hafnium (Hf), nickel (Ni), cobalt (Co), iron (Fe), copper (Cu), tungsten (W), molybdenum (Mo), gallium (Ga), germanium (Ge), indium (In), tin (Sn), antimony (Sb), and zinc (Zn).
(8)前記被膜の厚さが1nm以上1μm以下である、上記(1)~(7)のいずれかの被覆酸化物粒子。 (8) Coated oxide particles according to any one of (1) to (7) above, wherein the thickness of the coating is 1 nm or more and 1 μm or less.
(9)前記コア粒子が酸化アルミニウム(Al2O3)及び/又はチタン酸アルミニウム(Al2TiO5)から構成され、前記被膜に含まれる結晶質化合物が、酸化タンタル(Ta2O5)、タンタル酸窒化物(TaON)及びタンタル窒化物(Ta3N5)の少なくとも一つである、上記(1)~(8)のいずれかの被覆酸化物粒子。 (9) Coated oxide particles according to any one of (1) to (8 ) above, wherein the core particle is composed of aluminum oxide (Al 2 O 3 ) and/or aluminum titanate (Al 2 TiO 5 ), and the crystalline compound contained in the coating is at least one of tantalum oxide (Ta 2 O 5 ), tantalum oxynitride (TaON), and tantalum nitride (Ta 3 N 5 ).
(10)前記コア粒子がアルミン酸ランタン(LaAlO3)、アルミン酸イットリウム(YAlO3)、アルミン酸スカンジウム(ScAlO3)、アルミン酸ランタン・ストロンチウム(LaSrAlO4)、ガリウム酸ランタン・ストロンチウム(LaSrGaO4)、チタン酸ストロンチウム(SrTiO3)、タンタル酸カリウム(KTaO3)、ニオブ酸カリウム(KNbO3)、スカンジウム酸ジスプロスイム(DyScO3)、スカンジウム酸ガドリニウム(GdScO3)、及びスカンジウム酸ネオジム(NdScO3)からなる群から選択される少なくとも一種のペロブスカイト型化合物から構成され、前記被膜に含まれる結晶質化合物が、ペロブスカイト型構造を有する酸化物及び酸窒化物の少なくとも一つである、上記(1)~(8)のいずれかの被覆酸化物粒子。 (10) Coated oxide particles according to any one of ( 1 ) to ( 8 ) above, wherein the core particle is composed of at least one perovskite compound selected from the group consisting of lanthanum aluminate (LaAlO 3 ), yttrium aluminate (YAlO 3 ), scandium aluminate (ScAlO 3 ), lanthanum-strontium aluminate (LaSrAlO 4 ), lanthanum-strontium gallate (LaSrGaO 4 ) , strontium titanate (SrTiO 3 ), potassium tantalate (KTaO 3 ), potassium niobate (KNbO 3 ), dysprosium scandate (DyScO 3 ), gadolinium scandate (GdScO 3 ), and neodymium scandate (NdScO 3 ), and the crystalline compound contained in the coating is at least one of an oxide and an oxynitride having a perovskite structure.
(11)前記コア粒子が酸化マグネシウム(MgO)から構成され、前記被膜に含まれる結晶質化合物が、アナターゼ型の酸化チタン(TiO2)、もしくはペロブスカイト型構造を有する酸化物及び酸窒化物の少なくとも一つである、上記(1)~(8)のいずれかの被覆酸化物粒子。 (11) Coated oxide particles according to any one of (1) to (8) above, wherein the core particle is made of magnesium oxide (MgO), and the crystalline compound contained in the coating is at least one of anatase-type titanium oxide (TiO 2 ) or an oxide and oxynitride having a perovskite structure.
(12)前記被膜に含まれる結晶質化合物が、ランタン酸鉄(LaFeO3)、ジルコニウム酸カルシウム(CaZrO3)、ジルコニウム酸ストロンチウム(SrZrO3)、ジルコニウム酸バリウム(BaZrO3)、ハフニウム酸カルシウム(CaHfO3)、ハフニウム酸ストロンチウム(SrHfO3)、ハフニウム酸バリウム(BaHfO3)、カルシウム・チタン酸窒化物(CaTiON2)、ストロンチウム・チタン酸窒化物(SrTiON2)、バリウム・チタン酸窒化物(BaTiON2)、ランタン・チタン酸窒化物(LaTiO2N)、カルシウム・ジルコニウム酸窒化物(CaZrON2)、ストロンチウム・ジルコニウム酸窒化物(SrZrON2)、バリウム・ジルコニウム酸窒化物(BaZrON2)、ランタン・ジルコニウム酸窒化物(LaZrO2N)、ランタン・タンタル酸窒化物(LaTaON2)、カルシウム・タンタル酸窒化物(CaTaO2N)、ストロンチウム・タンタル酸窒化物(SrTaO2N)、バリウム・タンタル酸窒化物(BaTaO2N)、ランタン・ニオブ酸窒化物(LaNbON2)、カルシウム・ニオブ酸窒化物(CaNbO2N)、ストロンチウム・ニオブ酸窒化物(SrNbO2N)、及びバリウム・ニオブ酸窒化物(BaNbO2N)、及びこれらの固溶体からなる群から選択される少なくとも一種である、上記(10)又は(11)の被覆酸化物粒子。 (12) The crystalline compound contained in the coating is iron lanthanate (LaFeO 3 ), calcium zirconate (CaZrO 3 ), strontium zirconate (SrZrO 3 ), barium zirconate (BaZrO 3 ), calcium hafnate (CaHfO 3 ), strontium hafnate (SrHfO 3 ), barium hafnate (BaHfO 3 ), calcium titanium oxynitride (CaTiON 2 ), strontium titanium oxynitride (SrTiON 2 ), barium titanium oxynitride (BaTiON 2 ), lanthanum titanium oxynitride (LaTiO 2 N), calcium zirconium oxynitride (CaZrON 2 ), strontium zirconium oxynitride (SrZrON 2 ), barium zirconium oxynitride (BaZrON 2 ), lanthanum zirconium oxynitride (LaZrO 2 N), lanthanum tantalum oxynitride (LaTaON 2 ), calcium tantalum oxynitride (CaTaO 2 N), strontium tantalum oxynitride (SrTaO 2 N), barium tantalum oxynitride (BaTaO 2 N), lanthanum niobium oxynitride (LaNbON 2 ), calcium niobium oxynitride (CaNbO 2 N), strontium niobium oxynitride (SrNbO 2 N), barium niobium oxynitride (BaNbO 2 N), and solid solutions thereof.
(13)前記被覆酸化物粒子の比表面積が0.5m2/g以上である、上記(1)~(12)のいずれかの被覆酸化物粒子。 (13) The coated oxide particles according to any one of (1) to (12) above, wherein the specific surface area of the coated oxide particles is 0.5 m 2 /g or more.
(14)上記(1)~(13)のいずれかの被覆酸化物粒子を含む光触媒。 (14) A photocatalyst containing coated oxide particles according to any one of (1) to (13) above.
(15)上記(1)~(13)のいずれかの被覆酸化物粒子を製造する方法であって、以下の工程;
金属酸化物粒子と有機金属化合物とを含むアルコール系反応液を調整する準備工程、
前記アルコール系反応液に水を添加して前記有機金属化合物を加水分解し、それにより被膜前駆体が金属酸化物粒子の表面に析出した被覆前駆体粒子を含む分散液を作製する分散液作製工程、
前記被覆前駆体粒子を分散液から取り出す分離工程、及び
取り出した被覆前駆体粒子を焼成して被覆酸化物粒子を得る焼成工程、
を備え、
前記金属酸化物粒子は、Williamson-Hall法で求めた結晶子径が1000Å以上であり、前記準備工程で調整するアルコール系反応液の含水量は0.1質量%以下である、方法。
(15) A method for producing coated oxide particles according to any one of (1) to (13) above, comprising the following steps:
a preparation step of preparing an alcohol-based reaction liquid containing metal oxide particles and an organometallic compound;
a dispersion preparation step of adding water to the alcohol-based reaction solution to hydrolyze the organometallic compound, thereby preparing a dispersion containing coated precursor particles in which coating precursors are precipitated on the surfaces of metal oxide particles;
a separation step of extracting the coated precursor particles from the dispersion; and a firing step of calcining the extracted coated precursor particles to obtain coated oxide particles.
Equipped with
The metal oxide particles have a crystallite diameter of 1000 Å or more as determined by the Williamson-Hall method, and the water content of the alcohol-based reaction liquid prepared in the preparation step is 0.1% by mass or less.
(16)前記被覆前駆体粒子の焼成を酸素含有雰囲気中で行い、それにより金属の酸化物を主成分として含む被膜を形成する、上記(15)の方法。 (16) The method according to (15) above, in which the coated precursor particles are calcined in an oxygen-containing atmosphere, thereby forming a coating containing a metal oxide as a main component.
(17)前記被覆前駆体粒子の焼成をアンモニア分解ガス含有雰囲気中で行い、それにより金属の酸窒化物及び/又は窒化物を主成分として含む被膜を形成する、上記(15)の方法。 (17) The method according to (15) above, in which the coated precursor particles are calcined in an atmosphere containing an ammonia decomposition gas, thereby forming a coating containing metal oxynitride and/or nitride as a main component.
(18)前記被覆前駆体粒子の焼成を600℃以上1100℃以下の温度で行う、上記(15)~(17)のいずれかの方法。 (18) Any of the methods (15) to (17) above, wherein the coated precursor particles are calcined at a temperature of 600°C or higher and 1100°C or lower.
本発明によれば、微細で且つ結晶性に優れた被覆酸化物粒子、及びその製造方法が提供される。 The present invention provides fine, highly crystalline coated oxide particles and a method for producing the same.
本発明の具体的な実施形態(以下、「本実施形態」という)について説明する。なお本発明は、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") will be described. Note that the present invention is not limited to the following embodiment, and various modifications are possible within the scope of the gist of the present invention.
<<1.被覆酸化物粒子>>
本実施形態の被覆酸化物粒子は、コア粒子と、このコア粒子の表面を被覆する被膜と、を備える。すなわち被覆酸化物粒子は、被膜の支持体として働くコア粒子と、このコア粒子の表面の少なくとも一部を被覆する被膜と、を有する。被膜は、コア粒子の表面の一部のみを被覆してもよく、あるいは全面を被覆してもよい。しかしながら、被膜による機能を十分に発揮させるためには、コア粒子の全表面積に対する被膜の被覆面積(被覆割合)は高いほうが好ましい。被覆割合は、50面積%以上が好ましく、80面積%以上がより好ましい。なお、本明細書において、「粒子」とは、単一の粒子のみならず、複数の粒子の集合体を含む概念である。複数の粒子の集合体を意味する場合には、「粒子」を「粉末」と言い換えることもできる。また、本明細書において、「高い結晶性」とは、単結晶に近くなる状態を意味する。すなわち、多結晶であっても、各結晶が大きくなる状態を「結晶性が高くなる」という。
<<1. Coated oxide particles >>
The coated oxide particles of this embodiment include a core particle and a coating covering the surface of the core particle. That is, the coated oxide particles include a core particle that functions as a support for the coating and a coating that covers at least a portion of the surface of the core particle. The coating may cover only a portion of the surface of the core particle, or the entire surface. However, to fully utilize the function of the coating, it is preferable that the coating cover a high area (coverage ratio) relative to the total surface area of the core particle. The coverage ratio is preferably 50 area% or more, and more preferably 80 area% or more. In this specification, the term "particle" refers not only to a single particle but also to an aggregate of multiple particles. When referring to an aggregate of multiple particles, "particle" can be replaced with "powder." In this specification, "high crystallinity" refers to a state close to a single crystal. In other words, even in the case of polycrystals, the state in which each crystal is large is referred to as "high crystallinity."
本実施形態の被覆酸化物粒子において、コア粒子は、結晶化した金属酸化物(結晶質金属酸化物)から構成される。結晶質金属酸化物でコア粒子を構成することで、その表面に設けられる被膜の結晶性を高めることが可能になる。コア粒子を構成する金属酸化物が結晶化されているか否かは、X線回折分析で明瞭な回折ピークが観察されるか否かで判断することができる。 In the coated oxide particles of this embodiment, the core particle is composed of a crystallized metal oxide (crystalline metal oxide). By constructing the core particle from a crystalline metal oxide, it is possible to increase the crystallinity of the coating formed on its surface. Whether the metal oxide constituting the core particle is crystallized can be determined by whether a clear diffraction peak is observed in X-ray diffraction analysis.
本実施形態の被覆酸化物粒子において、被膜は、結晶質化合物を主成分として含む。結晶質化合物は、金属元素の酸化物、酸窒化物及び窒化物の少なくとも一つである。ここで金属は半金属を包含する概念である。具体的には、金属元素は、周期律表における第1~12族に属する水素(H)以外の全ての元素、並びに第13~16族に属するアルミニウム(Al)、ガリウム(Ga)、インジウム(In)、タリウム(Tl)、ゲルマニウム(Ge)、スズ(Sn)、鉛(Pb)、アンチモン(Sb)、ビスマス(Bi)、及びポロニウム(Po)の総称である。金属は、主として遷移金属であるが、遷移金属以外であってもよい。また酸化物は金属及び酸素を主として含む化合物であり、酸窒化物は金属、酸素及び窒素を主として含む化合物であり、窒化物は金属及び窒素を主として含む化合物である。 In the coated oxide particles of this embodiment, the coating contains a crystalline compound as a primary component. The crystalline compound is at least one of an oxide, oxynitride, and nitride of a metal element. Here, the concept of metal encompasses metalloids. Specifically, metal elements are a collective term for all elements in Groups 1 to 12 of the periodic table except for hydrogen (H), as well as aluminum (Al), gallium (Ga), indium (In), thallium (Tl), germanium (Ge), tin (Sn), lead (Pb), antimony (Sb), bismuth (Bi), and polonium (Po) in Groups 13 to 16. The metal is primarily a transition metal, but may be a non-transition metal. Furthermore, oxides are compounds primarily containing a metal and oxygen, oxynitrides are compounds primarily containing a metal, oxygen, and nitrogen, and nitrides are compounds primarily containing a metal and nitrogen.
被膜は、被覆酸化物粒子の最表面に設けられる層であり、表面特性に基づく機能発現に寄与する。金属の酸化物、酸窒化物及び/又は窒化物である結晶質化合物を主成分として含むことで、酸素イオン伝導特性、電極触媒特性、及び光触媒特性を始めとする様々な特性を被覆酸化物粒子に付与することができる。なお、主成分とは、その含有量が50質量%以上の成分である。金属の酸化物、酸窒化物及び/又は窒化物に基づく機能を十分に発現させる観点からは、結晶質化合物の含有量は多いほど好ましい。含有量は、80質量%以上が好ましく、90質量%以上がより好ましく、95質量%以上がさらに好ましく、99質量%以上が特に好ましい。 The coating is a layer formed on the outermost surface of the coated oxide particles, and contributes to the expression of functions based on surface properties. By containing a crystalline compound that is a metal oxide, oxynitride, and/or nitride as the main component, the coated oxide particles can be endowed with a variety of properties, including oxygen ion conductivity, electrocatalytic properties, and photocatalytic properties. The main component is a component whose content is 50% by mass or more. From the perspective of fully expressing the functions based on the metal oxide, oxynitride, and/or nitride, the higher the crystalline compound content, the better. The content is preferably 80% by mass or more, more preferably 90% by mass or more, even more preferably 95% by mass or more, and particularly preferably 99% by mass or more.
結晶質化合物が酸化物である場合には、結晶質化合物は金属及び酸素のみを含んでもよい。結晶質化合物が酸窒化物である場合には、結晶質化合物は、金属、酸素及び窒素のみを含んでもよい。結晶質化合物が窒化物である場合には、結晶質化合物は、金属及び窒素のみを含んでもよい。あるいは、結晶質化合物は、金属、酸素及び窒素以外の他の元素を含んでもよい。他の元素を含む場合には、この元素を複合化合物の形態で含んでもよく、あるいは固溶体の形態で含んでもよい。さらに不純物金属がドーピングされていてもよい。 If the crystalline compound is an oxide, it may contain only metal and oxygen. If the crystalline compound is an oxynitride, it may contain only metal, oxygen, and nitrogen. If the crystalline compound is a nitride, it may contain only metal and nitrogen. Alternatively, the crystalline compound may contain elements other than metal, oxygen, and nitrogen. If it contains other elements, these elements may be contained in the form of a complex compound or in the form of a solid solution. It may also be doped with an impurity metal.
本実施形態の被覆酸化物粒子において、被膜及びコア粒子の界面において、被膜に含まれる結晶質化合物が、コア粒子を構成する結晶質金属酸化物と格子整合している。単結晶状態にあるコア粒子を用いるとともに、金属酸化物の格子定数と近似する格子定数を有する結晶質化合物を選択し、さらに特定の条件下で被膜を形成すると、被膜がエピタキシャル成長する。その結果、被膜とコア粒子は、両者の界面において結晶格子の乱れが少ない格子整合した状態で結合する。格子整合した状態で結合することで、コア粒子の高結晶状態を引き継いだ被膜が形成されるため、光触媒特性などの諸特性に優れた被覆酸化物粒子を得ることが可能になる。なお格子整合しているか否かは、被膜及びコア粒子の界面を、透過型電子顕微鏡(TEM)で観察することで調べることができる。界面において結晶構造の明確な乱れが見られず、結晶質化合物及び結晶質金属酸化物の結晶構造が界面で連続的に変化している場合を、格子整合していると判断することができる。被膜とコア粒子とが全ての界面で格子整合していることが最も好ましい。しかしながら少なくとも一部の界面で格子整合していれば、本実施形態の効果が発現される。そのため、一部の界面で格子整合している態様も本実施形態に含まれる。 In the coated oxide particles of this embodiment, the crystalline compound contained in the coating is lattice-matched with the crystalline metal oxide constituting the core particle at the interface between the coating and the core particle. When a single-crystalline core particle is used, a crystalline compound with a lattice constant similar to that of the metal oxide is selected, and a coating is formed under specific conditions, the coating grows epitaxially. As a result, the coating and core particle are bonded together in a lattice-matched state with minimal crystal lattice disorder at their interface. Bonding in a lattice-matched state results in the formation of a coating that inherits the highly crystalline state of the core particle, making it possible to obtain coated oxide particles with excellent properties, including photocatalytic properties. Whether or not lattice matching is achieved can be determined by observing the interface between the coating and core particle with a transmission electron microscope (TEM). Lattice matching can be determined when no clear crystal structure disorder is observed at the interface and the crystal structures of the crystalline compound and the crystalline metal oxide change continuously at the interface. It is most preferable that the coating and core particle are lattice-matched at all interfaces. However, the effects of this embodiment are realized as long as there is lattice matching at at least some of the interfaces. Therefore, this embodiment also includes the case where there is lattice matching at some of the interfaces.
好ましくは、被膜及びコア粒子の界面から被膜の表面にわたって結晶粒界を有さない領域を結晶質化合物が有する。すなわち、被膜の下面、即ちコア粒子との界面から、被膜の上面、即ち被膜表面にわたって、被膜を構成する結晶構造が結晶粒界を介さずに連続していることが好ましい。結晶粒界を介さずに連続して形成される被膜は、その結晶性が高い。そのため、被覆酸化物粒子の諸特性をより一層優れたものにすることが可能になる。 Preferably, the crystalline compound has a region that does not have grain boundaries from the interface between the coating and the core particle to the surface of the coating. In other words, it is preferable that the crystalline structure that makes up the coating is continuous without grain boundaries from the lower surface of the coating, i.e., the interface with the core particle, to the upper surface of the coating, i.e., the surface of the coating. A coating that is formed continuously without grain boundaries has high crystallinity. This makes it possible to further improve the properties of the coated oxide particles.
好ましくは、コア粒子を構成する結晶質金属酸化物は単結晶状態にある。コア粒子を単結晶状態にすることで、その上に設けられる被膜の結晶性をより一層高めることが可能になる。なお単結晶状態とは、単結晶のみならず、複数個の単結晶の凝集体をも含む概念である。すなわち単結晶の一次粒子が緩く結合して凝集二次粒子を形成している状態や、数個の単結晶が結合している状態も、単結晶状態に含まれる。コア粒子が単結晶状態にあるか否かは、電子線回折図形を調べることで決定できる。 Preferably, the crystalline metal oxide constituting the core particle is in a single crystal state. By making the core particle in a single crystal state, it is possible to further increase the crystallinity of the coating formed thereon. The concept of a single crystal state includes not only single crystals but also aggregates of multiple single crystals. In other words, the single crystal state also includes a state in which single crystal primary particles are loosely bonded to form aggregated secondary particles, and a state in which several single crystals are bonded together. Whether or not a core particle is in a single crystal state can be determined by examining the electron beam diffraction pattern.
単結晶状態にあるコア粒子(単結晶コア粒子)の製造方法は、単結晶状態の粒子が得られる限り限定されない。しかしながら、水熱合成法やフラックス合成法で、金属を含む溶液からコア粒子を合成する手法が有望である。また共沈法やアルコキシド法などの湿式法、あるいは火炎噴霧法やCVD法などの気相法であってもよい。さらに合成後の粒子を酸素含有雰囲気下で加熱焼成して結晶化を促進させてもよい。またチョクラルスキー法、ブリッジマン法、ベルヌーイ法、フローティングゾーン法などの手法で単結晶又は多結晶インゴットを作製し、得られたインゴットから粉末化する手法も有効である。粉末化は、インゴットを切断及び/又は機械的粉砕等の処理に供することで実現される。 The method for producing single-crystalline core particles (single-crystalline core particles) is not limited as long as it produces single-crystalline particles. However, promising methods include hydrothermal synthesis and flux synthesis, which synthesize core particles from a metal-containing solution. Other methods include wet methods such as coprecipitation and alkoxide methods, and gas-phase methods such as flame spray and CVD. Furthermore, the synthesized particles may be heated and fired in an oxygen-containing atmosphere to promote crystallization. Another effective method is to produce a single-crystalline or polycrystalline ingot using methods such as the Czochralski method, Bridgman method, Verneuil method, or floating zone method, and then pulverize the resulting ingot. Powdering can be achieved by subjecting the ingot to processing such as cutting and/or mechanical crushing.
コア粒子を構成する金属酸化物の材質は、結晶質である限り、限定されない。しかしながら、好ましくは、結晶質金属酸化物が、酸化アルミニウム(Al2O3)、酸化ジルコニウム(ZrO2)、アルミン酸ランタン(LaAlO3)、アルミン酸イットリウム(YAlO3)、アルミン酸スカンジウム(ScAlO3)、アルミン酸ランタン・ストロンチウム(LaSrAlO4)、ガリウム酸ランタン・ストロンチウム(LaSrGaO4)、チタン酸ストロンチウム(SrTiO3)、タンタル酸カリウム(KTaO3)、ニオブ酸カリウム(KNbO3)、タンタル酸リチウム(LiTaO3)、ニオブ酸リチウム(LiNbO3)、スカンジウム酸ジスプロスイム(DyScO3)、スカンジウム酸ガドリニウム(GdScO3)、スカンジウム酸ネオジム(NdScO3)、アルミン酸マグネシウム(MgAl2O4)、酸化マグネシウム(MgO)、酸化チタン(TiO2)、ガーネット型アルミン酸イットリウム(Y3Al5O12;YAG)、及びチタン酸アルミニウム(Al2TiO5)からなる群から選択される少なくとも一種である。 The material of the metal oxide constituting the core particle is not limited as long as it is crystalline. However, preferably the crystalline metal oxide is aluminum oxide ( Al2O3 ), zirconium oxide ( ZrO2 ), lanthanum aluminate ( LaAlO3 ), yttrium aluminate ( YAlO3 ), scandium aluminate ( ScAlO3 ), lanthanum strontium aluminate ( LaSrAlO4 ), lanthanum strontium gallate ( LaSrGaO4 ), strontium titanate ( SrTiO3 ), potassium tantalate ( KTaO3 ), potassium niobate ( KNbO3 ), lithium tantalate ( LiTaO3 ), lithium niobate ( LiNbO3 ), dysprosium scandate ( DyScO3 ) , gadolinium scandate ( GdScO3 ), neodymium scandate (NdScO3 ) ), magnesium aluminate (MgAl 2 O 4 ), magnesium oxide (MgO), titanium oxide (TiO 2 ), garnet-type yttrium aluminate (Y 3 Al 5 O 12 ; YAG), and aluminum titanate (Al 2 TiO 5 ).
コア粒子の平均粒径は10nm以上50μm以下が好ましく、50nm以上10μm以下がより好ましく、100nm以上1μm以下がさらに好ましい。平均粒径が10nm以上のとき、コア粒子を凝集させることなく均一にコートできる。また平均粒径が50μm以下のとき、比表面積の大きな粒子を得ることができる。なお平均粒径は、コア粒子を走査電子顕微鏡(SEM)で観察して求めることができる。またコア粒子の形状は限定されない。球状、板状、及び棒状などの定形であってよく、あるいは不定形であってもよい。球以外の形状を有するコア粒子の平均粒径は、様々な方向から粒径を求め、その平均値を算出することで求めることができる。 The average particle size of the core particles is preferably 10 nm or more and 50 μm or less, more preferably 50 nm or more and 10 μm or less, and even more preferably 100 nm or more and 1 μm or less. When the average particle size is 10 nm or more, the core particles can be uniformly coated without agglomeration. When the average particle size is 50 μm or less, particles with a large specific surface area can be obtained. The average particle size can be determined by observing the core particles with a scanning electron microscope (SEM). The shape of the core particles is not limited. They may be regular shapes such as spherical, plate-like, or rod-like, or they may be irregular. The average particle size of core particles having a shape other than spherical can be determined by measuring the particle size from various directions and calculating the average value.
好ましくは、被膜に含まれる結晶質化合物は、Williamson-Hall法で求めた結晶子径が50Å以上である。Williamson-Hall法は、X線回折におけるピーク形状から結晶状態を見積もる手法であり、結晶子径と格子歪のそれぞれを分離して求めることができる。結晶質化合物の結晶子径を大きくすることで、機能発現の主体となる被膜の結晶性を高めることができ、その結果、光触媒特性などの諸特性のより一層の向上を図ることが可能になる。結晶子径は100Å以上がより好ましく、200Å以上がさらに好ましい。結晶子径の上限は限定されない。 Preferably, the crystalline compound contained in the coating has a crystallite diameter of 50 Å or more as determined by the Williamson-Hall method. The Williamson-Hall method is a technique for estimating the crystalline state from the peak shape in X-ray diffraction, and allows for the crystallite diameter and lattice distortion to be determined separately. Increasing the crystallite diameter of the crystalline compound increases the crystallinity of the coating, which is the main factor in functional expression, and as a result, it becomes possible to further improve various properties such as photocatalytic properties. A crystallite diameter of 100 Å or more is more preferable, and 200 Å or more is even more preferable. There is no upper limit to the crystallite diameter.
好ましくは、被膜に含まれる結晶質化合物は、タンタル(Ta)、ニオブ(Nb)、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、ハフニウム(Hf)、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)、鉄(Fe)、銅(Cu)、タングステン(W)、モリブデン(Mo)、ガリウム(Ga)、ゲルマニウム(Ge)、インジウム(In)、スズ(Sn)、アンチモン(Sb)、及び亜鉛(Zn)からなる群から選択される少なくも一種の金属を含む。これらの金属を含む結晶質化合物は、光触媒特性などの諸特性に特に優れている。例えば、酸化タンタルや酸化チタンは、紫外線照射下で活性を示す光触媒機能を有している。またタンタル酸窒化物やタンタル窒化物は、可視光応答性を示す活性の高い光触媒機能を有している。 Preferably, the crystalline compound contained in the coating contains at least one metal selected from the group consisting of tantalum (Ta), niobium (Nb), titanium (Ti), zirconium (Zr), hafnium (Hf), nickel (Ni), cobalt (Co), iron (Fe), copper (Cu), tungsten (W), molybdenum (Mo), gallium (Ga), germanium (Ge), indium (In), tin (Sn), antimony (Sb), and zinc (Zn). Crystalline compounds containing these metals have particularly excellent properties, including photocatalytic properties. For example, tantalum oxide and titanium oxide possess photocatalytic activity under ultraviolet light irradiation. Tantalum oxynitride and tantalum nitride possess highly active photocatalytic activity that is responsive to visible light.
また被膜に含まれる結晶質化合物は、上記の群から選択される金属と他の金属との複合化合物でも構わない。他の金属とは、例えば、ナトリウム(Na)、カリウム(K)、リチウム(Li)、マグネシウム(Mg)、カルシウム(Ca)、ストロンチウム(Sr)、バリウム(Ba)、ランタン(La)、イットリウム(Y)、スカンジウム(Sc)からなる群から選択される少なくとも一種の金属が例示される。複合化合物は、酸化物、酸窒化物、及び/又は窒化物であり、ペロブスカイト型構造、イルメナイト型構造、又はパイロクロア型構造のような結晶構造を有する。このような化合物からなる被膜を表面に備えた被覆酸化物粒子は、光触媒特性などの諸特性に特に優れている。 The crystalline compound contained in the coating may also be a composite compound of a metal selected from the above group with another metal. Examples of the other metal include at least one metal selected from the group consisting of sodium (Na), potassium (K), lithium (Li), magnesium (Mg), calcium (Ca), strontium (Sr), barium (Ba), lanthanum (La), yttrium (Y), and scandium (Sc). The composite compound is an oxide, oxynitride, and/or nitride, and has a crystalline structure such as a perovskite structure, an ilmenite structure, or a pyrochlore structure. Coated oxide particles having a coating made of such a compound on their surface have particularly excellent properties, including photocatalytic properties.
好ましくは、コア粒子がアルミン酸ランタン(LaAlO3)、アルミン酸イットリウム(YAlO3)、アルミン酸スカンジウム(ScAlO3)、アルミン酸ランタン・ストロンチウム(LaSrAlO4)、ガリウム酸ランタン・ストロンチウム(LaSrGaO4)、チタン酸ストロンチウム(SrTiO3)、タンタル酸カリウム(KTaO3)、ニオブ酸カリウム(KNbO3)、スカンジウム酸ジスプロスイム(DyScO3)、スカンジウム酸ガドリニウム(GdScO3)、及びスカンジウム酸ネオジム(NdScO3)からなる群から選択される少なくとも一種のペロブスカイト型化合物から構成され、被膜に含まれる結晶質化合物が、ペロブスカイト型構造を有する酸化物及び酸窒化物の少なくとも一つである。 Preferably, the core particles are composed of at least one perovskite compound selected from the group consisting of lanthanum aluminate (LaAlO 3 ), yttrium aluminate (YAlO 3 ), scandium aluminate (ScAlO 3 ), lanthanum-strontium aluminate (LaSrAlO 4 ), lanthanum-strontium gallate (LaSrGaO 4 ), strontium titanate (SrTiO 3 ), potassium tantalate (KTaO 3 ), potassium niobate (KNbO 3 ), dysprosium scandate (DyScO 3 ), gadolinium scandate (GdScO 3 ), and neodymium scandate (NdScO 3 ), and the crystalline compound contained in the coating is at least one of an oxide and an oxynitride having a perovskite structure.
コア粒子が上述したペロブスカイト型化合物(LaAlO3等)で構成される場合には、被膜に含まれる結晶質化合物がペロブスカイト型構造の複合化合物であると、コア粒子に対して被膜をエピタキシャル形成できるため、良質の結晶被膜が成長する。そのため、より優れた光触媒特性を発揮させることが可能である。被覆に含まれる結晶質化合物は、コア粒子を構成するペロブスカイト型化合物と同じ組成であってもよく、あるいは異なる組成であってもよい。 When the core particle is composed of the above-mentioned perovskite-type compound (such as LaAlO3 ), if the crystalline compound contained in the coating is a composite compound with a perovskite structure, the coating can be epitaxially formed on the core particle, resulting in the growth of a high-quality crystalline coating. This makes it possible to exhibit better photocatalytic properties. The crystalline compound contained in the coating may have the same composition as the perovskite-type compound that constitutes the core particle, or it may have a different composition.
被膜に含まれる結晶質化合物としては、例えば、ランタン酸鉄(LaFeO3)、ジルコニウム酸カルシウム(CaZrO3)、ジルコニウム酸ストロンチウム(SrZrO3)、ジルコニウム酸バリウム(BaZrO3)、ハフニウム酸カルシウム(CaHfO3)、ハフニウム酸ストロンチウム(SrHfO3)、ハフニウム酸バリウム(BaHfO3)、カルシウム・チタン酸窒化物(CaTiON2)、ストロンチウム・チタン酸窒化物(SrTiON2)、バリウム・チタン酸窒化物(BaTiON2)、ランタン・チタン酸窒化物(LaTiO2N)、カルシウム・ジルコニウム酸窒化物(CaZrON2)、ストロンチウム・ジルコニウム酸窒化物(SrZrON2)、バリウム・ジルコニウム酸窒化物(BaZrON2)、ランタン・ジルコニウム酸窒化物(LaZrO2N)、ランタン・タンタル酸窒化物(LaTaON2)、カルシウム・タンタル酸窒化物(CaTaO2N)、ストロンチウム・タンタル酸窒化物(SrTaO2N)、バリウム・タンタル酸窒化物(BaTaO2N)、ランタン・ニオブ酸窒化物(LaNbON2)、カルシウム・ニオブ酸窒化物(CaNbO2N)、ストロンチウム・ニオブ酸窒化物(SrNbO2N)、及びバリウム・ニオブ酸窒化物(BaNbO2N)、及びこれらの固溶体からなる群から選択される少なくとも一種が挙げられる。 Examples of crystalline compounds contained in the coating include iron lanthanate (LaFeO 3 ), calcium zirconate (CaZrO 3 ), strontium zirconate (SrZrO 3 ), barium zirconate (BaZrO 3 ), calcium hafnate (CaHfO 3 ), strontium hafnate (SrHfO 3 ), barium hafnate (BaHfO 3 ), calcium titanium oxynitride (CaTiON 2 ), strontium titanium oxynitride (SrTiON 2 ), barium titanium oxynitride (BaTiON 2 ), lanthanum titanium oxynitride (LaTiO 2 N), calcium zirconium oxynitride (CaZrON 2 ), strontium zirconium oxynitride (SrZrON 2 ), barium zirconium oxynitride (BaZrON 2 ), lanthanum zirconium oxynitride (LaZrO 2 N), lanthanum tantalum oxynitride (LaTaON 2 ), calcium tantalum oxynitride (CaTaO 2 N), strontium tantalum oxynitride (SrTaO 2 N), barium tantalum oxynitride (BaTaO 2 N), lanthanum niobium oxynitride (LaNbON 2 ), calcium niobium oxynitride (CaNbO 2 N), strontium niobium oxynitride (SrNbO 2 N), barium niobium oxynitride (BaNbO 2 N), and solid solutions thereof.
これらの化合物(LaFeO3等)を用いることで、コア粒子上に形成した被膜の結晶性が向上し、光触媒性能等の諸特性が跳躍的に向上する。特に、これら化合物(LaFeO3等)は、いずれもペロブスカイト型構造をとるので、化合物間で固溶体を形成しやすい。固溶体の組成を調整することで、被膜がエピタキシャル成長しやすいようにコア粒子の格子定数を最適な値に制御することができるので好都合である。また、これらの化合物に異種金属をドーピングすることでも、格子定数を制御することが可能である。 The use of these compounds (such as LaFeO3 ) improves the crystallinity of the coating formed on the core particles, dramatically improving various properties such as photocatalytic performance. In particular, since these compounds (such as LaFeO3 ) all have a perovskite structure, they are prone to form solid solutions. Adjusting the composition of the solid solution is advantageous because it allows the lattice constant of the core particles to be controlled to an optimal value so that the coating can easily grow epitaxially. Furthermore, the lattice constant can also be controlled by doping these compounds with different metals.
好ましくは、コア粒子が、酸化マグネシウム(MgO)から構成され、被膜に含まれる結晶質化合物が、アナターゼ型の酸化チタン(TiO2)、もしくはペロブスカイト型構造を有する酸化物及び酸窒化物の少なくとも一つである。ペロブスカイト型構造を有する酸化物及び酸窒化物として、上述した結晶質化合物(LaFeO3等)が挙げられる。 Preferably, the core particle is made of magnesium oxide (MgO), and the crystalline compound contained in the coating is at least one of anatase titanium oxide (TiO 2 ) or an oxide and oxynitride having a perovskite structure, such as the above-mentioned crystalline compounds (LaFeO 3 , etc.).
ペロブスカイト型構造の複合化合物(酸化物、酸窒化物)やこれらの固溶体を基本組成としたペロブスカイト型化合物はエピタキシャル成長しやすく、被膜の光触媒性能を跳躍的に向上させることができる。さらに酸化マグネシウム(MgO)のコア粒子表面に酸化チタン膜をエピタキシャル成長させると光触媒性能に優れたアナターゼ型の結晶構造が得られやすい。従来の合成法では、得られた酸化チタンが、光触媒性能に劣るルチル型になり傾向がある。したがって、酸化マグネシウムをコア粒子に用いる方法は、光触媒性能を高める上で有効である。 Perovskite-structured composite compounds (oxides, oxynitrides) and perovskite-structure compounds based on these solid solutions are prone to epitaxial growth, dramatically improving the photocatalytic performance of coatings. Furthermore, epitaxial growth of a titanium oxide film on the surface of magnesium oxide (MgO) core particles readily results in an anatase-type crystal structure with excellent photocatalytic performance. Conventional synthesis methods tend to produce titanium oxide with a rutile structure, which has poor photocatalytic performance. Therefore, using magnesium oxide for the core particles is effective in improving photocatalytic performance.
好ましくは、コア粒子が、チタン酸アルミニウム(Al2TiO5)から構成され、被膜に含まれる結晶質化合物が窒化チタン(Ti3N5)である。Ti3N5は、Al2TiO5と同じアノソバイト型構造を有しており、それ故、コア粒子に対してエピタキシャル形成しやすく結晶性の良好な被膜を得ることができる。 Preferably, the core particles are made of aluminum titanate ( Al2TiO5 ), and the crystalline compound contained in the coating is titanium nitride ( Ti3N5 ). Ti3N5 has the same anosovite structure as Al2TiO5 , and therefore can be easily epitaxially formed on the core particles , resulting in a coating with good crystallinity.
好ましくは、コア粒子が酸化アルミニウム(Al2O3)から構成され、被膜に含まれる結晶質化合物が、酸化タンタル(Ta2O5)、タンタル酸窒化物(TaON)及びタンタル窒化物(Ta3N5)の少なくとも一つである。酸化タンタルは紫外線照射下で活性を示す光触媒材料であり、またタンタル酸窒化物やタンタル窒化物は可視光応答性を示す活性の高い光触媒材料である。そのため酸化タンタル、タンタル酸窒化物及びタンタル窒化物の少なくとも一つで被膜を構成することで、紫外光又は可視光での光触媒機能を付与することが可能になる。 Preferably, the core particle is composed of aluminum oxide (Al 2 O 3 ), and the crystalline compound contained in the coating is at least one of tantalum oxide (Ta 2 O 5 ), tantalum oxynitride (TaON), and tantalum nitride (Ta 3 N 5 ). Tantalum oxide is a photocatalytic material that is active under ultraviolet light irradiation, and tantalum oxynitride and tantalum nitride are highly active photocatalytic materials that are responsive to visible light. Therefore, by forming a coating from at least one of tantalum oxide, tantalum oxynitride, and tantalum nitride, it is possible to impart photocatalytic function to ultraviolet light or visible light.
なお被膜に含まれる酸化タンタル(Ta2O5)、タンタル酸窒化物(TaON)及びタンタル窒化物(Ta3N5)は、その組成比が化学量論組成比からずれていても構わない。すなわち酸化タンタル(Ta2O5)の場合には、O/Ta原子比が5/2から外れていたり、あるいはOの一部が格子欠陥で置換されていたりしてもよい。またタンタル酸窒化物(TaON)の場合には、O/N原子比が1から外れていたり、あるいはOまたはNの一部が格子欠陥に置換されていたりしてもよい。さらにタンタル窒化物(Ta3N5)の場合には、Nの一部がOや格子欠陥に置換されていても構わない。 The composition ratios of tantalum oxide ( Ta2O5 ), tantalum oxynitride (TaON), and tantalum nitride ( Ta3N5 ) contained in the coating may deviate from the stoichiometric composition ratio. That is, in the case of tantalum oxide ( Ta2O5 ), the O/Ta atomic ratio may deviate from 5/2, or some of the O may be substituted by lattice defects. In the case of tantalum oxynitride (TaON), the O / N atomic ratio may deviate from 1, or some of the O or N may be substituted by lattice defects. Furthermore, in the case of tantalum nitride ( Ta3N5 ), some of the N may be substituted by O or lattice defects.
好ましくは、被膜の厚さは1nm以上10μm以下である。膜厚が過度に小さいと、金属を含む被膜の優れた特性を十分に活かすことが困難になる恐れがある。一方で被膜が過度に厚いと、厚い被膜が粒子同士を連結させてしまい、比表面積が低下する恐れがある。膜厚は1nm以上1μm以下がより好ましく、5nm以上100nm以下がさらに好ましく、10nm以上50nm以下が特に好ましい。 Preferably, the coating thickness is 1 nm or more and 10 μm or less. If the coating thickness is too small, it may be difficult to fully utilize the excellent properties of the metal-containing coating. On the other hand, if the coating is too thick, the thick coating may connect the particles together, reducing the specific surface area. The coating thickness is more preferably 1 nm or more and 1 μm or less, even more preferably 5 nm or more and 100 nm or less, and particularly preferably 10 nm or more and 50 nm or less.
好ましくは、被膜の量は、コア粒子の量に対して10質量%以上500質量%以下である。被膜量が過度に少ないと、被膜の優れた特性を十分に活かすことが困難になる恐れがあり、また被膜量が過度に多いと、比表面積が低下する恐れがある。被膜量は30質量%以上300質量%以下がより好ましく、50質量%以上150質量%以下がさらに好ましい。 Preferably, the amount of coating is 10% by mass or more and 500% by mass or less relative to the amount of core particles. If the amount of coating is too small, it may be difficult to fully utilize the excellent properties of the coating, and if the amount of coating is too large, the specific surface area may decrease. A coating amount of 30% by mass or more and 300% by mass or less is more preferable, and 50% by mass or more and 150% by mass or less is even more preferable.
好ましくは、被覆酸化物粒子の比表面積は0.5m2/g以上である。比表面積を大きくすることで、表面特性に基づく機能を十分に発揮させることが可能になる。比表面積は1.0m2/g以上が好ましく、2.0m2/g以上がより好ましく、3.0m2/g以上がさらに好ましい。比表面積の上限は限定されない。しかしながら、典型的には10.0m2/g以下である。 Preferably, the specific surface area of the coated oxide particles is 0.5 m 2 /g or more. By increasing the specific surface area, it becomes possible to fully exert functions based on the surface characteristics. The specific surface area is preferably 1.0 m 2 /g or more, more preferably 2.0 m 2 /g or more, and even more preferably 3.0 m 2 /g or more. There is no upper limit to the specific surface area. However, it is typically 10.0 m 2 /g or less.
<<2.光触媒>>
本実施形態の光触媒は、上述した被覆酸化物粒子を含む。この光触媒は、微細で且つ結晶性に優れた被覆酸化物粒子を備える。したがって、高い触媒性能を備えることが期待される。例えば、アナターゼ型酸化チタン(TiO2)、酸化タングステン(WO3)、酸化タンタル(Ta2O5)、タンタル酸窒化物(TaON)及びタンタル窒化物(Ta3N5)からなる群から選択される少なくとも一種を被膜に備える被覆酸化物粒子は、水分解反応を示す。そのため、この被覆酸化物粒子を含む光触媒は、水分解の用途に有用である。光触媒は、被覆酸化物粒子のみを含んでもよく、あるいはその他の成分を含んでもよい。その他の成分として、白金(Pt)、ロジウム(Rh)、酸化ルテニウム(RuO2)などの助触媒を挙げることができる。
<<2. Photocatalyst >>
The photocatalyst of this embodiment includes the coated oxide particles described above. This photocatalyst comprises fine coated oxide particles with excellent crystallinity. Therefore, it is expected to have high catalytic performance. For example, coated oxide particles having a coating film containing at least one selected from the group consisting of anatase titanium oxide (TiO 2 ), tungsten oxide (WO 3 ), tantalum oxide (Ta 2 O 5 ), tantalum oxynitride (TaON), and tantalum nitride (Ta 3 N 5 ) exhibit a water splitting reaction. Therefore, a photocatalyst containing this coated oxide particle is useful for water splitting applications. The photocatalyst may contain only the coated oxide particles, or may contain other components. Examples of other components include promoters such as platinum (Pt), rhodium (Rh), and ruthenium oxide (RuO 2 ).
<<3.被覆酸化物粒子の製造方法>>
本実施形態の被覆酸化物粒子は、上述した要件を満足する限り、その製造方法は限定されない。しかしながら好適な製造方法は、以下の工程;金属酸化物粒子と有機金属化合物とを含むアルコール系反応液を調整する準備工程、アルコール系反応液に水を添加して有機金属化合物を加水分解し、それにより被膜前駆体が金属酸化物粒子の表面に析出した被覆前駆体粒子を含む分散液を作製する分散液作製工程、被覆前駆体粒子を分散液から取り出す分離工程、及び取り出した被覆前駆体粒子を焼成して被覆酸化物粒子を得る焼成工程、を備える。また金属酸化物粒子は、Williamson-Hall法で求めた結晶子径が1000Å以上である。さらに準備工程で調整するアルコール系反応液の含水量は0.1質量%以下である。各工程の詳細について、以下に説明する。
<<3. Method for producing coated oxide particles>>
The coated oxide particles of this embodiment can be produced by any method as long as they satisfy the above-mentioned requirements. However, a preferred production method includes the following steps: a preparation step of preparing an alcohol-based reaction solution containing metal oxide particles and an organometallic compound; a dispersion preparation step of adding water to the alcohol-based reaction solution to hydrolyze the organometallic compound, thereby preparing a dispersion containing coated precursor particles in which a coating precursor is precipitated on the surfaces of the metal oxide particles; a separation step of extracting the coated precursor particles from the dispersion; and a calcination step of calcining the extracted coated precursor particles to obtain coated oxide particles. The metal oxide particles have a crystallite diameter of 1000 Å or more as determined by the Williamson-Hall method. Furthermore, the water content of the alcohol-based reaction solution prepared in the preparation step is 0.1% by mass or less. Details of each step are described below.
<反応液準備工程>
反応液準備工程では、金属酸化物粒子と有機金属化合物とを含むアルコール系反応液を準備する。ここでアルコール系反応液は、アルコールに金属の有機金属化合物を溶解し、金属酸化物粒子を分散させた液体である。金属酸化物粒子は、結晶質酸化物から構成され、被覆酸化物粒子のコア部になる原料である。また有機金属化合物は、金属と炭素の結合を有する化合物であり、被膜の原料である。
<Reaction solution preparation step>
In the reaction solution preparation step, an alcohol-based reaction solution containing metal oxide particles and an organometallic compound is prepared. The alcohol-based reaction solution is a liquid in which a metal organometallic compound is dissolved in alcohol and metal oxide particles are dispersed. The metal oxide particles are composed of crystalline oxide and are the raw material that will become the core of the coated oxide particles. The organometallic compound is a compound that has a metal-carbon bond and is the raw material for the coating.
金属酸化物粒子は、Williamson-Hall法で求めた結晶子径が1000Å以上である。このように結晶子径の大きい金属酸化物粒子を用いることで、その上に形成される被膜の結晶性を高めることができる。すなわち、後続する分散液作製工程で、金属の水酸化物及び/又は酸化物からなる被膜前駆体が金属酸化物粒子の表面に析出する。また焼成工程で、被膜前駆体は被膜に変化する。被膜を構成する酸化物、酸窒化物及び/又は窒化物は、その構成元素(金属、酸素、窒素)が金属酸化物粒子の格子面にしたがって配列しやすい。結晶性の高い金属酸化物粒子を下地に用いることで、その表面に形成される被膜の結晶性を高めることが可能になる。 The metal oxide particles have a crystallite diameter of 1000 Å or greater, as determined by the Williamson-Hall method. Using metal oxide particles with such a large crystallite diameter can enhance the crystallinity of the coating formed thereon. Specifically, in the subsequent dispersion preparation process, a coating precursor consisting of metal hydroxide and/or oxide precipitates on the surface of the metal oxide particles. Furthermore, in the firing process, the coating precursor transforms into a coating. The oxides, oxynitrides, and/or nitrides that make up the coating tend to have their constituent elements (metal, oxygen, nitrogen) aligned along the lattice planes of the metal oxide particles. Using highly crystalline metal oxide particles as a base can enhance the crystallinity of the coating formed on its surface.
金属酸化物粒子は、その結晶子径が1000Å以上である限り、その材質や粒径は限定されない。しかしながら、酸化アルミニウム(Al2O3)、酸化ジルコニウム(ZrO2)、アルミン酸ランタン(LaAlO3)、アルミン酸イットリウム(YAlO3)、アルミン酸スカンジウム(ScAlO3)、アルミン酸ランタン・ストロンチウム(LaSrAlO4)、ガリウム酸ランタン・ストロンチウム(LaSrGaO4)、チタン酸ストロンチウム(SrTiO3)、タンタル酸カリウム(KTaO3)、ニオブ酸カリウム(KNbO3)、タンタル酸リチウム(LiTaO3)、ニオブ酸リチウム(LiNbO3)、スカンジウム酸ジスプロスイム(DyScO3)、スカンジウム酸ガドリニウム(GdScO3)、スカンジウム酸ネオジム(NdScO3)、アルミン酸マグネシウム(MgAl2O4)、酸化マグネシウム(MgO)、酸化チタン(TiO2)、ガーネット型アルミン酸イットリウム(Y3Al5O12:YAG)、及びチタン酸アルミニウム(Al2TiO5)からなる群から選択される少なくとも一種で構成されることが好ましい。また金属酸化物粒子の平均粒径は、10nm以上50μm以下が好ましく、50nm以上10μm以下がより好ましく、100nm以上1μm以下がさらに好ましい。金属酸化物粒子の形状は限定されない。球状、板状、及び棒状などの定形であってよく、あるいは不定形であってもよい。 There are no limitations on the material or particle size of the metal oxide particles, so long as the crystallite diameter is 1000 Å or more. However, aluminum oxide (Al 2 O 3 ), zirconium oxide (ZrO 2 ), lanthanum aluminate (LaAlO 3 ), yttrium aluminate (YAlO 3 ), scandium aluminate (ScAlO 3 ), lanthanum strontium aluminate (LaSrAlO 4 ), lanthanum strontium gallate (LaSrGaO 4 ), strontium titanate (SrTiO 3 ), potassium tantalate (KTaO 3 ), potassium niobate (KNbO 3 ), lithium tantalate (LiTaO 3 ), lithium niobate (LiNbO 3 ), dysprosium scandate (DyScO 3 ), gadolinium scandate (GdScO 3 ), neodymium scandate (NdScO 3 ), magnesium aluminate (MgAl 2 O 3 ), It is preferable that the metal oxide particles are composed of at least one material selected from the group consisting of magnesium oxide ( MgO ), titanium oxide (TiO 2 ), garnet-type yttrium aluminate (Y 3 Al 5 O 12 :YAG), and aluminum titanate (Al 2 TiO 5 ). The average particle size of the metal oxide particles is preferably 10 nm or more and 50 μm or less, more preferably 50 nm or more and 10 μm or less, and even more preferably 100 nm or more and 1 μm or less. The shape of the metal oxide particles is not limited. They may be regular shapes such as spherical, plate-like, and rod-like, or may be irregular.
有機金属化合物に含まれる金属の種類は、限定されない。しかしながら、タンタル(Ta)、ニオブ(Nb)、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、ハフニウム(Hf)、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)、鉄(Fe)、銅(Cu)、タングステン(W)、モリブデン(Mo)、ガリウム(Ga)、ゲルマニウム(Ge)、インジウム(In)、スズ(Sn)、アンチモン(Sb)、及び亜鉛(Zn)からなる群から選択される少なくとも一種が好ましい。また有機金属化合物の種類は、アルコールに溶解する化合物(アルコール可溶化合物)である限り、限定されない。典型的には、金属のアルコキシド、アセテート、及び/又はアセチルアセトネートである。アルコキシドが好ましく、その中でもメトキシド、エトキシド、プロポキシド、及びブトキシドからなる群から選択される少なくとも一種がより好ましい。 The type of metal contained in the organometallic compound is not limited. However, at least one metal selected from the group consisting of tantalum (Ta), niobium (Nb), titanium (Ti), zirconium (Zr), hafnium (Hf), nickel (Ni), cobalt (Co), iron (Fe), copper (Cu), tungsten (W), molybdenum (Mo), gallium (Ga), germanium (Ge), indium (In), tin (Sn), antimony (Sb), and zinc (Zn) is preferred. The type of organometallic compound is also not limited, as long as it is a compound that dissolves in alcohol (alcohol-soluble compound). Typically, it is a metal alkoxide, acetate, and/or acetylacetonate. Alkoxides are preferred, and at least one metal selected from the group consisting of methoxide, ethoxide, propoxide, and butoxide is more preferred.
アルコールは、有機金属化合物が溶解する限り、限定されない。しかしながら入手が容易なメタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール、及びイソプロピルアルコールからなる群から選択される少なくとも一種が好ましい。アルコールは、一種のみを単独で用いてもよく、あるいは複数種を混合して用いてもよい。また反応液は、金属酸化物及び有機金属化合物の他に、pH調整剤及び触媒などの添加剤を含んでもよい。 There are no limitations on the alcohol, as long as it dissolves the organometallic compound. However, at least one alcohol selected from the group consisting of easily available methanol, ethanol, propanol, butanol, and isopropyl alcohol is preferred. A single alcohol may be used alone, or multiple alcohols may be mixed. In addition to the metal oxide and organometallic compound, the reaction solution may also contain additives such as a pH adjuster and a catalyst.
アルコール系反応液の作製手法は限定されない。例えば、金属酸化物粒子及び有機金属化合物をアルコールに添加及び混合して作製することができる。有機金属化合物はアルコールに溶解して溶液になる。一方で金属酸化物粒子はアルコールには溶解しない。そのため有機金属化合物が溶解したアルコール溶液に金属酸化物粒子が分散したスラリー状の反応液が得られる。この際、金属酸化物粒子と有機金属化合物の添加順序は限定されない。有機金属化合物のアルコール溶液を準備した後に、この溶液に金属酸化物粒子を分散させてもよい。あるいはアルコールに金属酸化物粒子を分散し、得られた分散液に有機金属化合物を溶解させてもよい。有機金属化合物のアルコール溶液は、有機金属化合物をアルコールに溶解して調整してもよい。あるいは金属の塩化物や水酸化物などの塩をアルコールと反応させて、有機金属化合物を含むアルコール溶液を調整することもできる。例えば、塩化タンタル(TaCl5)をアルコールに溶解させると、塩酸を放出してタンタルアルコキシドが溶解したアルコール溶液を得ることができる。 The method for preparing the alcohol-based reaction solution is not limited. For example, it can be prepared by adding and mixing metal oxide particles and an organometallic compound with alcohol. The organometallic compound dissolves in alcohol to form a solution. On the other hand, metal oxide particles do not dissolve in alcohol. Therefore, a slurry-like reaction solution is obtained in which metal oxide particles are dispersed in an alcohol solution in which the organometallic compound is dissolved. In this case, the order of adding the metal oxide particles and the organometallic compound is not limited. An alcohol solution of the organometallic compound may be prepared first, and then the metal oxide particles may be dispersed in this solution. Alternatively, the metal oxide particles may be dispersed in alcohol, and the organometallic compound may be dissolved in the resulting dispersion. The alcohol solution of the organometallic compound may be prepared by dissolving the organometallic compound in alcohol. Alternatively, an alcohol solution containing the organometallic compound can be prepared by reacting a salt such as a metal chloride or hydroxide with alcohol. For example, dissolving tantalum chloride (TaCl 5 ) in alcohol releases hydrochloric acid, resulting in an alcohol solution in which tantalum alkoxide is dissolved.
本実施形態の製造方法において、有機金属化合物が溶解している反応液の含水量を0.1質量%以下に限定することが重要である。反応液の含水量を抑えることで、最終的に得られる被膜の結晶性を高めることができる。そのメカニズムの詳細は不明であるが、次のように考えている。すなわち金属酸化物粒子は、その表面に水酸基(OH-)を有している。反応液の含水量が少ないと、金属酸化物粒子の表面水酸基に有機金属化合物がまず吸着する。後続する分散液作製工程で水が添加されると、表面に吸着した有機金属化合物と反応液中の有機化合物との間に加水分解反応が連続的に進行していく。そのため、金属酸化物粒子表面を核として、金属水酸化物や酸化物のネットワークが形成され、これが被膜前駆体になる。金属酸化物粒子は結晶性が高いため、その表面を核として形成されたネットワーク(被覆前駆体)は、その結晶方位が比較的揃っており、またこの被膜前駆体を焼成して得た被膜は、その結晶性が高くなる。これに対して、反応液中に水分が多量に含まれていると、溶解した有機金属化合物が直ちに加水分解されて、反応液中に金属の水酸化物や酸化物が生じる。この水酸化物や酸化物は、反応液中で浮遊しているが故に、その結晶方位がランダムである。後続する分散液作製工程で水を添加すると、結晶方位がランダムな初期核を中心として結晶成長が進行し、その結果、得られる被膜が微細多結晶状になってしまう。 In the manufacturing method of this embodiment, it is important to limit the water content of the reaction solution in which the organometallic compound is dissolved to 0.1% by mass or less. Reducing the water content of the reaction solution can improve the crystallinity of the resulting coating. While the details of this mechanism are unclear, it is believed to be as follows: Specifically, metal oxide particles have hydroxyl groups (OH − ) on their surfaces. When the reaction solution has a low water content, the organometallic compound first adsorbs to the hydroxyl groups on the surface of the metal oxide particles. When water is added in the subsequent dispersion preparation process, a hydrolysis reaction continuously occurs between the organometallic compound adsorbed on the surface and the organic compound in the reaction solution. As a result, a network of metal hydroxides or oxides is formed around the metal oxide particle surfaces, which then becomes the coating precursor. Because metal oxide particles have high crystallinity, the network (coating precursor) formed around the surface has a relatively uniform crystal orientation, and the coating obtained by calcining this coating precursor has high crystallinity. On the other hand, if the reaction solution contains a large amount of water, the dissolved organometallic compound is immediately hydrolyzed, producing metal hydroxides or oxides in the reaction solution. Because these hydroxides and oxides are suspended in the reaction solution, their crystal orientation is random. When water is added in the subsequent dispersion preparation process, crystal growth proceeds around the initial nuclei with random crystal orientation, resulting in a fine polycrystalline coating.
反応液の含水量は、0.01質量%以下が好ましく、0.005質量%以下がより好ましい。含水量は、脱水アルコールを用いることで調整できる。例えば、通常のエタノールの含水量は0.2質量%程度と高いのに対し、超脱水エタノールの含水量は0.001質量%以下である。 The water content of the reaction solution is preferably 0.01% by mass or less, and more preferably 0.005% by mass or less. The water content can be adjusted by using dehydrated alcohol. For example, while the water content of regular ethanol is high at around 0.2% by mass, the water content of ultra-dehydrated ethanol is 0.001% by mass or less.
<分散液作製工程>
分散液作製工程では、アルコール系反応液に水を添加して有機金属化合物を加水分解する。これにより金属酸化物粒子の表面に被覆前駆体が析出した被覆前駆体粒子を含む分散液が作製される。反応液に水を添加すると、有機金属化合物が加水分解され、さらに重縮合反応を経て、金属の水酸化物及び/又は酸化物を含むゾルとなり、これが被膜前駆体として酸化物粒子の表面に析出する。
<Dispersion liquid preparation process>
In the dispersion preparation step, water is added to the alcohol-based reaction solution to hydrolyze the organometallic compound. This produces a dispersion containing coated precursor particles, in which the coating precursor is precipitated on the surfaces of metal oxide particles. When water is added to the reaction solution, the organometallic compound is hydrolyzed and then undergoes a polycondensation reaction to form a sol containing the metal hydroxide and/or oxide, which precipitates on the surfaces of the oxide particles as the coating precursor.
水の添加量は、有機金属化合物を加水分解するのに必要な量(当量)に対して、2倍以上50倍にすることが好ましい。添加量が過度に少ないと、加水分解反応が十分に進行せず、被膜の形成不良などの問題が生じる恐れがある。添加量が過度に多いと、加水分解速度が速くなり被膜が不均一になるという問題が生じる恐れがある。また水の添加は少しずつ行うことが好ましい。例えば、ビュレットを用いて少量の水分を間欠的に滴下する手法や、霧状にした水分を反応液に噴霧する手法が挙げられる。滴下する場合には、滴下速度を5mL/分以下にすることが好ましい。さらに水を添加する際に反応液を撹拌することが好ましい。反応液中の金属酸化物粒子が分散した状態で加水分解反応が起こるため、金属酸化物粒子の表面に均一に被膜前駆体を形成することができるからである。 The amount of water added is preferably between 2 and 50 times the amount (equivalent) required to hydrolyze the organometallic compound. If the amount added is too small, the hydrolysis reaction may not proceed sufficiently, resulting in problems such as poor coating formation. If the amount added is too large, the hydrolysis rate may be too fast, resulting in problems such as an uneven coating. It is also preferable to add water little by little. For example, a burette may be used to intermittently add small amounts of water dropwise, or mist water may be sprayed onto the reaction solution. When adding water dropwise, it is preferable to set the dropwise addition rate to 5 mL/min or less. It is also preferable to stir the reaction solution when adding water. This is because the hydrolysis reaction occurs while the metal oxide particles in the reaction solution are dispersed, allowing for the formation of a uniform coating precursor on the surface of the metal oxide particles.
<分離工程>
分離工程では、被覆前駆体粒子を分散液から取り出す。被覆前駆体粒子は固体であるため、固液分離により分散液から取り出すことができる。分離手法は限定されない。ろ過又は遠心分離などの公知の手法を採用すればよい。また必要に応じて、分散液から取り出した被覆前駆体粒子に洗浄処理及び乾燥処理を施してもよい。分散液中では、金属酸化物粒子表面の被膜前駆体は、金属水酸化物及び/又は酸化物からなるゾルである。乾燥処理を施すと、このゾルはゲル化し、さらに乾燥を進めて液体を完全に除去すると、固形化する。なお被膜前駆体には、結晶水、炭素、塩素、窒素、及び/又は硫黄などの成分が含まれることがある。後続する焼成工程で揮発除去されるため、これらの成分が被膜前駆体に含まれていても問題はない。
<Separation process>
In the separation step, the coated precursor particles are removed from the dispersion. Because the coated precursor particles are solid, they can be removed from the dispersion by solid-liquid separation. The separation method is not limited. Known methods such as filtration or centrifugation may be used. If necessary, the coated precursor particles removed from the dispersion may be washed and dried. In the dispersion, the coating precursor on the surface of the metal oxide particles is a sol consisting of a metal hydroxide and/or oxide. When subjected to a drying process, this sol gels, and when further drying is continued to completely remove the liquid, it solidifies. The coating precursor may contain components such as water of crystallization, carbon, chlorine, nitrogen, and/or sulfur. These components are removed by volatilization in the subsequent firing step, so there is no problem even if they are present in the coating precursor.
<焼成工程>
焼成工程では、取り出した被覆前駆体粒子を焼成する。これにより被膜前駆体の脱水及び結晶化が進行して、酸化物、酸窒化物及び/又は窒化物からなる被膜が形成される。焼成条件は、求められる被膜の種類に応じて決めればよい。例えば、被覆前駆体粒子の焼成を酸素含有雰囲気中で行ってもよい。これにより金属の酸化物を主成分として含む被膜を形成することができる。酸素含有雰囲気として、大気、または酸素含有不活性雰囲気(Ar等)などの雰囲気を用いることができる。
<Firing process>
In the calcination step, the extracted coated precursor particles are calcined. This causes dehydration and crystallization of the coating precursor, resulting in the formation of a coating composed of oxide, oxynitride, and/or nitride. The calcination conditions can be determined depending on the type of coating desired. For example, the coated precursor particles may be calcined in an oxygen-containing atmosphere. This allows the formation of a coating containing a metal oxide as a main component. The oxygen-containing atmosphere may be air or an oxygen-containing inert atmosphere (e.g., Ar).
被覆前駆体粒子の焼成をアンモニア分解ガス含有雰囲気中で行ってもよい。これにより金属の酸窒化物及び/又は窒化物を主成分として含む被膜を形成することができる。所望の被覆酸化物粒子が得られる限り、水素や不活性ガス(N2、Ar、He等)をアンモニア分解ガスに加えてもよい。アンモニア分解ガスは、アンモニアガス(NH3)を500℃以上の温度で分解させたときに生成するガスであり、窒素(N2)、水素(H2)、及び水酸化窒素(NH、NH2、及びこれらのラジカル)を含む。 The coated precursor particles may be calcined in an atmosphere containing an ammonia decomposition gas. This allows the formation of a coating containing metal oxynitride and/or nitride as a main component. Hydrogen or an inert gas (N 2 , Ar, He, etc.) may be added to the ammonia decomposition gas as long as the desired coated oxide particles are obtained. The ammonia decomposition gas is a gas produced when ammonia gas (NH 3 ) is decomposed at a temperature of 500°C or higher, and contains nitrogen (N 2 ), hydrogen (H 2 ), and nitrogen hydroxide (NH , NH 2 , and their radicals).
ところで、被膜前駆体は酸素を多く含む。そのためアンモニア分解ガスが被膜前駆体を酸窒化又は窒化する際に、副生成物として水が発生する。高結晶性の酸窒化物及び/又は窒化物を得る上で、発生する水が悪影響を及ぼす場合がある。アンモニア分解ガスを用いる場合には、これを十分に流通させて、水分を排出しながら焼成することが望ましい。 Incidentally, the coating precursor contains a large amount of oxygen. Therefore, when ammonia decomposition gas oxidizes or nitrides the coating precursor, water is generated as a by-product. The generated water can have a negative effect on obtaining highly crystalline oxynitrides and/or nitrides. When using ammonia decomposition gas, it is desirable to circulate it sufficiently to remove moisture during firing.
いずれの雰囲気で焼成を行っても、焼成温度は600℃以上1100℃以下が好ましい。焼成温度が600℃未満では、結晶性の高い被膜を得ることが困難になる。一方で焼成温度が1100℃超では、製造コストが増大するとともに、得られる被覆酸化物粒子が粒成長し、比表面積が大きくなる恐れがある。焼成時の保持時間は、所望の被覆酸化物粒子が得られる限り、限定されない。例えば0.5時間以上20時間以下であってよい。保持時間を短くすることで酸窒化物被膜を得ることができ、また長くすることで窒化物被膜を得ることができる。 Regardless of the atmosphere in which firing is performed, the firing temperature is preferably 600°C or higher and 1100°C or lower. If the firing temperature is lower than 600°C, it becomes difficult to obtain a highly crystalline coating. On the other hand, if the firing temperature is higher than 1100°C, production costs will increase and the resulting coated oxide particles may grow, increasing their specific surface area. The holding time during firing is not limited as long as the desired coated oxide particles are obtained. For example, it may be 0.5 hours or higher and 20 hours or lower. A shorter holding time will result in an oxynitride coating, while a longer holding time will result in a nitride coating.
上述した製造方法で、本実施形態の被覆酸化物粒子を作製することができる。しかしながら、本実施形態の被覆酸化物粒子の製造方法は、有機金属化合物のアルコール溶液を用いる方法に限定される訳ではない。例えば、有機金属化合物のアルコール溶液の代わりに塩化物の水溶液を被膜原料に用いてもよい。この場合、水溶液のpHを調整することで金属の水酸化物を析出させ、それにより被膜前駆体を形成することができる。 The coated oxide particles of this embodiment can be produced using the manufacturing method described above. However, the manufacturing method of the coated oxide particles of this embodiment is not limited to using an alcohol solution of an organometallic compound. For example, an aqueous solution of a chloride may be used as the coating raw material instead of an alcohol solution of an organometallic compound. In this case, the pH of the aqueous solution can be adjusted to precipitate a metal hydroxide, thereby forming a coating precursor.
本発明を以下の実施例を用いてさらに詳細に説明する。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。 The present invention will be described in more detail using the following examples. However, the present invention is not limited to the following examples.
[実験例A]
実験例Aでは、酸化アルミニウムコア粒子を用い、その表面を酸化タンタル(Ta2O5)、タンタル酸窒化物(TaON)、又はタンタル窒化物(Ta3N5)で被覆して被覆酸化物粒子を作製し、その評価を行った。また比較のため、酸化タンタルのみからなる粒子の作製及び評価を行った。
[Experimental Example A]
In Experimental Example A, aluminum oxide core particles were used, and their surfaces were coated with tantalum oxide ( Ta2O5 ), tantalum oxynitride ( TaON ), or tantalum nitride ( Ta3N5 ) to produce coated oxide particles, which were then evaluated. For comparison, particles consisting only of tantalum oxide were also produced and evaluated.
(1)被覆酸化物粒子の作製
[実施例1]
実施例1では、酸化アルミニウム粉末とタンタル(V)エトキシドとを用いて酸化タンタル(Ta2O5)で被覆された酸化アルミニウム(Al2O3)粒子を作製した。
(1) Preparation of coated oxide particles [Example 1]
In Example 1, aluminum oxide (Al 2 O 3 ) particles coated with tantalum oxide (Ta 2 O 5 ) were prepared using aluminum oxide powder and tantalum (V) ethoxide.
<準備工程>
原料として、酸化アルミニウム粉末(住友化学株式会社)とタンタル(V)エトキシド(Sigma-Aldrich社)と超脱水エタノール(富士フィルム和光純薬株式会社)とを準備した。酸化アルミニウム粉末は、多面体球状様のα-Al2O3単結晶粒子から構成され、その平均粒径は0.3μmであった。また超脱水エタノールの含水量は0.001質量%以下であった。
<Preparation process>
The raw materials used were aluminum oxide powder (Sumitomo Chemical Co., Ltd.), tantalum (V) ethoxide (Sigma-Aldrich), and ultra-dehydrated ethanol (Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, Ltd.). The aluminum oxide powder consisted of polyhedral spherical α-Al 2 O 3 single crystal particles with an average particle size of 0.3 μm. The water content of the ultra-dehydrated ethanol was 0.001% by mass or less.
1.0gの酸化アルミニウム粉末と1.84gのタンタル(V)エトキシドを、100mLの超脱水エタノールに添加及び混合して、反応液を得た。反応液中のタンタルの量は、酸化タンタル量に換算して、酸化アルミニウムに対して100質量%であった。次いで、超音波洗浄機を用いて反応液に超音波を1分間照射して、酸化アルミニウム粉末を分散させた。 1.0 g of aluminum oxide powder and 1.84 g of tantalum(V) ethoxide were added to 100 mL of ultra-dehydrated ethanol and mixed to obtain a reaction solution. The amount of tantalum in the reaction solution, converted to tantalum oxide, was 100% by mass relative to the aluminum oxide. Next, ultrasonic waves were irradiated onto the reaction solution using an ultrasonic cleaner for 1 minute to disperse the aluminum oxide powder.
<被覆工程>
次いで、得られた分散液を、マグネチックスターラーを用いて500rpmの回転数で撹拌した。そして撹拌しながら、3.1mLの超純水を1mL/分の速度で分散液に滴下した。このとき水の添加量は15当量とした。滴下終了後に撹拌を1時間続行して分散液を得た。分散液の滴下及び撹拌により、分散液中に沈殿物が生成した。
<Coating process>
The resulting dispersion was then stirred at 500 rpm using a magnetic stirrer. While stirring, 3.1 mL of ultrapure water was added dropwise to the dispersion at a rate of 1 mL/min. The amount of water added was 15 equivalents. After the addition was complete, stirring was continued for 1 hour to obtain a dispersion. A precipitate formed in the dispersion due to the addition and stirring of the dispersion.
<固液分離工程>
生成した沈殿物をろ過により分散液から取り出した後に、水洗浄し、さらに大気中110℃×2.5時間の条件で乾燥した。
<Solid-liquid separation process>
The resulting precipitate was removed from the dispersion by filtration, washed with water, and then dried in air at 110° C. for 2.5 hours.
<焼成工程>
乾燥後の沈殿物を大気中1000℃×1時間の条件で焼成して被覆酸化物粒子を作製した。得られた被覆酸化物粒子は、酸化タンタル(Ta2O5)で被覆された酸化アルミニウム(Al2O3)粒子であった。
<Firing process>
The dried precipitate was fired in air at 1000°C for 1 hour to produce coated oxide particles. The obtained coated oxide particles were aluminum oxide ( Al2O3 ) particles coated with tantalum oxide ( Ta2O5 ).
[実施例2]
反応液中のタンタルの量を、酸化タンタル量に換算して、酸化アルミニウムに対して200質量%とし、超純水添加量を6.1mLとした。それ以外は実施例1と同じ条件で被覆酸化物粒子を作製した。得られた被覆酸化物粒子は、酸化タンタル(Ta2O5)で被覆された酸化アルミニウム(Al2O3)粒子であった。
[Example 2]
The amount of tantalum in the reaction solution was converted to the amount of tantalum oxide and was 200 mass % relative to the amount of aluminum oxide, and the amount of ultrapure water added was 6.1 mL. Except for this, coated oxide particles were produced under the same conditions as in Example 1. The obtained coated oxide particles were aluminum oxide (Al 2 O 3 ) particles coated with tantalum oxide (Ta 2 O 5 ).
[実施例3]
反応液中のタンタルの量を、酸化タンタル量に換算して、酸化アルミニウムに対して300質量%とし、超純水添加量を9.2mLとした。それ以外は実施例1と同じ条件で被覆酸化物粒子を作製した。得られた被覆酸化物粒子は、酸化タンタル(Ta2O5)で被覆された酸化アルミニウム(Al2O3)粒子であった。
[Example 3]
The amount of tantalum in the reaction solution was converted to the amount of tantalum oxide and was 300 mass % relative to the amount of aluminum oxide, and the amount of ultrapure water added was 9.2 mL. Except for this, coated oxide particles were produced under the same conditions as in Example 1. The obtained coated oxide particles were aluminum oxide (Al 2 O 3 ) particles coated with tantalum oxide (Ta 2 O 5 ).
[実施例4]
アンモニアガスを0.2L/分の流量で流した雰囲気下で900℃×1時間の条件で焼成を行った。それ以外は実施例1と同様にして被覆酸化物粒子を作製した。得られた被覆酸化物粒子は、タンタル酸窒化物(TaON)で被覆された酸化アルミニウム(Al2O3)粒子であった。
[Example 4]
The particles were fired at 900°C for 1 hour in an atmosphere where ammonia gas was flowing at a flow rate of 0.2 L/min. Except for this, the coated oxide particles were produced in the same manner as in Example 1. The obtained coated oxide particles were aluminum oxide (Al 2 O 3 ) particles coated with tantalum oxynitride (TaON).
[実施例5]
アンモニアガスを0.2L/分の流量で流した雰囲気下で900℃×8時間の条件で焼成を行った。それ以外は実施例1と同様にして被覆酸化物粒子を作製した。得られた被覆酸化物粒子は、タンタル窒化物(Ta3N5)で被覆された酸化アルミニウム(Al2O3)粒子であった。
[Example 5]
The particles were fired at 900°C for 8 hours in an atmosphere where ammonia gas was flowing at a flow rate of 0.2 L / min. Except for this, the coated oxide particles were produced in the same manner as in Example 1. The obtained coated oxide particles were aluminum oxide ( Al2O3 ) particles coated with tantalum nitride ( Ta3N5 ).
[比較例1]
被膜成分たる酸化タンタル(Ta2O5)のみからなる粒子を合成した。具体的には、酸化アルミニウム粉末を添加しなかった以外は実施例1と同様の条件で、タンタル(V)エトキシドを溶解させたエタノール溶液を作製し、このエタノール溶液に水を添加して沈殿物を得、この沈殿物を洗浄、乾燥及び焼成して酸化タンタル粒子を作製した。
[Comparative Example 1]
Particles consisting solely of tantalum oxide (Ta 2 O 5 ), a coating component, were synthesized. Specifically, an ethanol solution containing tantalum (V) ethoxide was prepared under the same conditions as in Example 1, except that aluminum oxide powder was not added. Water was added to this ethanol solution to obtain a precipitate, which was then washed, dried, and calcined to produce tantalum oxide particles.
(2)評価
実施例1~5、及び比較例1で用いたコア粒子原料(酸化アルミニウム粉末)、及び得られた生成物(被覆酸化物粒子、酸化タンタル粒子)について、各種特性の評価を以下のとおり行った。
(2) Evaluation The core particle raw material (aluminum oxide powder) used in Examples 1 to 5 and Comparative Example 1, and the resulting products (coated oxide particles, tantalum oxide particles) were evaluated for various properties as follows.
<比表面積>
コア粒子原料及び生成物のBET比表面積を、N2ガス吸着法を用いて以下の手順で測定した。すなわち、試料を200℃で2時間真空脱気した後、77.35Kで窒素ガスを吸着させ、BET多点法により比表面積を求めた。
<Specific surface area>
The BET specific surface areas of the core particle raw material and the product were measured using the N gas adsorption method as follows: After vacuum degassing the sample at 200°C for 2 hours, nitrogen gas was adsorbed at 77.35K, and the specific surface area was determined by the BET multipoint method.
<XRD>
コア粒子原料及び生成物をX線回折(XRD)法で分析して、結晶相の同定を行った。分析は以下の条件で行った。
<XRD>
The core particle raw material and the product were analyzed by X-ray diffraction (XRD) to identify the crystalline phase. The analysis was performed under the following conditions.
‐X線回折装置:Malvern Panalytical社、
X’Pert Pro MRD
‐線源:CuKα
‐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: Malvern Panalytical,
X'Pert Pro MRD
-Radiation source: CuKα
-Tube voltage: 45 kV
-Tube current: 40mA
- Scan speed: 5.5°/min - Scan range (2θ): 20 to 60°
また得られた回折パターンを用いて、Williamson-Hall法により結晶子径を求めた。具体的には、各回折角θ[rad]における半価幅β[rad]を測定し、βcosθとsinθの関係をプロットした。そして、この関係を用いて、下記(1)式により結晶子径Dを算出した。なお下記(1)式において、εは格子ひずみ、λはX線波長(CuKα1:1.540598Å)である。 The crystallite diameter was determined using the obtained diffraction pattern by the Williamson-Hall method. Specifically, the half-width β [rad] at each diffraction angle θ [rad] was measured, and the relationship between β cos θ and sin θ was plotted. This relationship was then used to calculate the crystallite diameter D using the following equation (1). In equation (1), ε is the lattice strain, and λ is the X-ray wavelength (CuKα1: 1.540598 Å).
<SEM>
生成物を、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>
The product was observed using a scanning electron microscope (SEM; Carl Zeiss, ULTRA55) at an accelerating voltage of 1 kV.
<HR-TEM>
生成物を、高分解能透過型電子顕微鏡(HR-TEM;株式会社日立ハイテク、HT-TEM H9500)を用いて観察した。観察は加速電圧300kVの条件で行った。
<HR-TEM>
The product was observed using a high-resolution transmission electron microscope (HR-TEM; Hitachi High-Tech Corporation, HT-TEM H9500) at an accelerating voltage of 300 kV.
<Cs-TEM>
コア粒子原料及び生成物を、球面収差補正透過型電子顕微鏡(Cs-TEM)を用いて観察した。まず試料を包埋した熱硬化性樹脂をイオンミリング装置(日本電子株式会社製クライオイオンスライサIB-09060CIS)を用いて加工して、厚さ100nm未満の断面薄片試料を作製した。その後、この薄片試料について、Cs-TEM(日本電子株式会社、JEM-ARM200F)を用いて、加速電圧200kVの条件で観察を行った。
<Cs-TEM>
The core particle raw material and the product were observed using a spherical aberration corrected transmission electron microscope (Cs-TEM). First, the thermosetting resin in which the sample was embedded was processed using an ion milling device (Cryo-ion slicer IB-09060CIS manufactured by JEOL Ltd.) to prepare a cross-sectional thin section sample with a thickness of less than 100 nm. Then, this thin section sample was observed using a Cs-TEM (JEOL Ltd., JEM-ARM200F) at an accelerating voltage of 200 kV.
<TEM>
コア粒子原料及び生成物を透過型電子顕微鏡(STEM;株式会社日立ハイテク、HD2700)を用いて観察した。観察は加速電圧200kVの条件で行った。
<TEM>
The core particle raw material and the product were observed using a transmission electron microscope (STEM; Hitachi High-Tech Corporation, HD2700) at an accelerating voltage of 200 kV.
<色素分解光触媒評価>
メチルオレンジ水溶液の脱色率を測定することで、生成物の光触媒活性の定量的評価を行った。具体的には、濃度0.001w/v%のメチルオレンジ水溶液15gを秤量し、シャーレに入れた。次に、触媒粉末(被覆酸化物粒子、酸化タンタル粒子)15mgを秤量し、このメチルオレンジ水溶液に投入した。底面を超音波洗浄器に入れて触媒粉末を5分間分散させ懸濁液を作製した。この懸濁液を暗所に1時間静置させ、粉末表面を水溶液と平衡状態にした。このシャーレの上にUV透過フィルタ(渋谷光学株式会社、UVF260、合成石英製)2枚を乗せて紫外線照射装置(セン特殊光源株式会社、PL17-110、低圧水銀ランプSUV110GS-36)を用いて紫外線照射を行った。紫外線照射は、照射距離7cmの条件で、0、10、20、30、又は40分間行った。用いた低圧水銀ランプは主に波長185nmと254nmの紫外光を発生した。一方でUV透過フィルタは、254nmの光を70%以上透過し、185nmの光をほとんど遮蔽した。そのため、主として254nmの紫外光をサンプルに照射した。
<Evaluation of dye decomposition photocatalyst>
The photocatalytic activity of the product was quantitatively evaluated by measuring the decolorization rate of the methyl orange aqueous solution. Specifically, 15 g of a 0.001 w/v% methyl orange aqueous solution was weighed and placed in a petri dish. Next, 15 mg of catalyst powder (coated oxide particles, tantalum oxide particles) was weighed and placed in the methyl orange aqueous solution. The bottom of the dish was placed in an ultrasonic cleaner to disperse the catalyst powder for 5 minutes to prepare a suspension. This suspension was then left in a dark place for 1 hour to allow the powder surface to reach equilibrium with the aqueous solution. Two UV-transmitting filters (Shibuya Optical Co., Ltd., UVF260, synthetic quartz) were placed on the petri dish, and ultraviolet irradiation was performed using an ultraviolet irradiation device (Sen Special Light Sources Co., Ltd., PL17-110, low-pressure mercury lamp SUV110GS-36). UV irradiation was performed for 0, 10, 20, 30, or 40 minutes at an irradiation distance of 7 cm. The low-pressure mercury lamp used generated UV light mainly at wavelengths of 185 nm and 254 nm. On the other hand, the UV transmission filter transmitted over 70% of the 254 nm light and blocked most of the 185 nm light. Therefore, the sample was irradiated mainly with UV light of 254 nm.
所定時間の紫外線照射後、紫外線照射中の蒸発水を秤量し、重量減少分の超純水を秤量し、反応した懸濁液に添加して重量を紫外線照射前の初期重量に調整した。次に、吸引ろ過器を用いて懸濁液の固液分離を行い、ろ過液をチューブに移しLEDライトを照射して完全な固液分離を確認した。すなわち、ディンダル効果による散乱光がろ過液から観察されると、これは固液分離が不十分であることを意味する。そのため、ろ過液からのLED散乱光が観察されなくなるまで、吸引ろ過による固液分離を繰り返した。次に、これらの溶液の吸光度の波長依存性をUV-VIS分光光度計(株式会社日立ハイテクファイールディング、分光光度計UH4150)を用いて調べた。具体的には、溶液を10mmのセル(ジーエルサイエンス株式会社、S10-G-10)に入れて、波長464nmの吸光度を測定した。メチルオレンジの濃度は波長464nmの吸光度から求めることができる。したがって、波長464nmの吸光度から、光触媒活性によるメチルオレンジの分解速度を評価できる。このプロセスにより、生成物(被覆酸化物粒子、酸化タンタル粒子)の光触媒活性を評価した。 After the specified time of UV irradiation, the water evaporated during UV irradiation was weighed, and the amount of ultrapure water equivalent to the weight loss was weighed and added to the reacted suspension to adjust the weight to the initial weight before UV irradiation. Next, the suspension was subjected to solid-liquid separation using a suction filter. The filtrate was transferred to a tube and illuminated with an LED light to confirm complete solid-liquid separation. In other words, if scattered light due to the Dindal effect was observed in the filtrate, this indicated insufficient solid-liquid separation. Therefore, solid-liquid separation using suction filtration was repeated until scattered light from the LED was no longer observed in the filtrate. Next, the wavelength dependence of the absorbance of these solutions was examined using a UV-VIS spectrophotometer (Hitachi High-Tech Fielding Corporation, Spectrophotometer UH4150). Specifically, the solutions were placed in a 10 mm cell (GL Sciences Inc., S10-G-10) and the absorbance at a wavelength of 464 nm was measured. The concentration of methyl orange could be determined from the absorbance at a wavelength of 464 nm. Therefore, the rate at which methyl orange is decomposed due to photocatalytic activity can be evaluated from the absorbance at a wavelength of 464 nm. This process was used to evaluate the photocatalytic activity of the products (coated oxide particles, tantalum oxide particles).
(3)評価結果
<比表面積(原料酸化アルミニウム粉末及び被覆酸化物粒子)>
実施例1~5で用いた原料酸化アルミニウム粉末の比表面積は5.7m2/gであった。また実施例1で得られた被覆酸化物粒子の比表面積は3.99m2/gであった。被覆酸化物粒子は、比表面積が大きく、微細であることが分かった。
(3) Evaluation Results <Specific Surface Area (Raw Aluminum Oxide Powder and Coated Oxide Particles)>
The specific surface area of the raw aluminum oxide powder used in Examples 1 to 5 was 5.7 m 2 /g. The specific surface area of the coated oxide particles obtained in Example 1 was 3.99 m 2 /g. It was found that the coated oxide particles had a large specific surface area and were fine.
<XRD(原料酸化アルミニウム粉末及び被覆酸化物粒子)>
実施例1で得られた被覆酸化物粒子のX線回折(XRD)パターンを図1に示す。図1では、原料酸化アルミニウム粉末の回折パターン及び酸化タンタルの標準回折パターン(PDF 00-025-0922)を併せて示す。被覆酸化物粒子の回折パターンでは、酸化タンタル及び酸化アルミニウムのパターンと一致するピークが検出されていた。このことから酸化タンタルの結晶相が生成していることが分かった。
<XRD (raw aluminum oxide powder and coated oxide particles)>
The X-ray diffraction (XRD) pattern of the coated oxide particles obtained in Example 1 is shown in Figure 1. Figure 1 also shows the diffraction pattern of the raw aluminum oxide powder and the standard diffraction pattern of tantalum oxide (PDF 00-025-0922). In the diffraction pattern of the coated oxide particles, peaks matching the patterns of tantalum oxide and aluminum oxide were detected. This indicated that a tantalum oxide crystalline phase had been formed.
<結晶子径(原料酸化アルミニウム粉末及び被覆酸化物粒子)>
実施例1で得られた被覆酸化物粒子に含まれる酸化物粒子(Al2O3粒子)と被膜(Ta2O5膜)のそれぞれの結晶子径を、原料酸化アルミニウム粉末の結晶子径と併せて、表1に示す。原料酸化アルミニウム粉末の結晶子径は1000Å以上であり、また被膜(Ta2O5膜)の結晶子径は280Åと大きかった。
<Crystallite size (raw aluminum oxide powder and coated oxide particles)>
The crystallite diameters of the oxide particles ( Al2O3 particles ) and coating ( Ta2O5 film) contained in the coated oxide particles obtained in Example 1, together with the crystallite diameter of the raw aluminum oxide powder, are shown in Table 1. The crystallite diameter of the raw aluminum oxide powder was 1000 Å or more, and the crystallite diameter of the coating ( Ta2O5 film ) was as large as 280 Å.
<SEM(被覆酸化物粒子)>
実施例1で得られた被覆酸化物粒子のSEM反射電子像を図2に示す。図2において、明部はタンタル(Ta)が存在する領域であり、暗部はアルミニウム(Al)が存在する領域である。酸化アルミニウム粒子が酸化タンタルで均一に被覆されていることが確認された。
<SEM (coated oxide particles)>
Figure 2 shows an SEM backscattered electron image of the coated oxide particles obtained in Example 1. In Figure 2, the bright areas are regions where tantalum (Ta) is present, and the dark areas are regions where aluminum (Al) is present. It was confirmed that the aluminum oxide particles were uniformly coated with tantalum oxide.
<HR-TEM(被覆酸化物粒子)>
実施例1で得られた被覆酸化物粒子のHR-TEM像を図3に示す。図3において、暗部はタンタル(Ta)が存在する領域であり、明部はアルミニウム(Al)が存在する領域である。酸化アルミニウム粒子の表面が酸化タンタルでほぼ均一に被覆されていることが確認された。また酸化タンタルの膜厚は14~17nmであり、均一であった。酸化タンタルの膜厚(14~17nm)が結晶子径(280Å)より小さいことから、酸化タンタル膜は、膜厚方向に粒界が存在しない単結晶状態にあると考えられた。
<HR-TEM (coated oxide particles)>
An HR-TEM image of the coated oxide particles obtained in Example 1 is shown in Figure 3. In Figure 3, the dark areas are regions where tantalum (Ta) is present, and the light areas are regions where aluminum (Al) is present. It was confirmed that the surfaces of the aluminum oxide particles were almost uniformly coated with tantalum oxide. The tantalum oxide film had a uniform thickness of 14 to 17 nm. Since the tantalum oxide film thickness (14 to 17 nm) was smaller than the crystallite diameter (280 Å), it was thought that the tantalum oxide film was in a single crystal state with no grain boundaries present in the film thickness direction.
酸化物粒子(Al2O3粒子)と被膜(Ta2O5膜)の界面近傍における高倍率HR-TEM像を図4に示す。図4では酸化タンタル結晶及び酸化アルミニウム結晶の格子縞が明瞭に観察された。このことから、酸化タンタル被膜及び酸化アルミニウム粒子のいずれも結晶性に優れることが分かった。 A high-magnification HR-TEM image of the vicinity of the interface between the oxide particles (Al 2 O 3 particles) and the coating (Ta 2 O 5 film) is shown in Figure 4. Lattice fringes of tantalum oxide crystals and aluminum oxide crystals were clearly observed in Figure 4. This indicates that both the tantalum oxide coating and the aluminum oxide particles have excellent crystallinity.
<Cs-TEM(被覆酸化物粒子)>
実施例1で得られた被覆酸化物粒子のCs-TEM像を図5に示す。図5において、暗部はタンタル(Ta)が存在する領域であり、明部はアルミニウム(Al)が存在する領域である。酸化アルミニウム粒子の表面のほぼ全てが酸化タンタル被膜で被覆されていることが確認された。
<Cs-TEM (coated oxide particles)>
A Cs-TEM image of the coated oxide particles obtained in Example 1 is shown in Figure 5. In Figure 5, the dark areas are regions where tantalum (Ta) is present, and the light areas are regions where aluminum (Al) is present. It was confirmed that almost the entire surface of the aluminum oxide particles was coated with a tantalum oxide coating.
図5に示される丸印の領域Aについて得られた制限視野電子線回折図形を図6に示す。この領域Aは、被覆酸化物粒子に含まれる酸化アルミニウム粒子に相当する箇所である。図6に示されるように、周期的な回折スポットが明瞭に観察された。この回折スポットのパターンは、α型酸化アルミニウム(α-Al2O3)の電子回折シミュレーション図形に近似していた。このことから、被覆酸化物粒子に含まれる酸化アルミニウム粒子は、α型酸化アルミニウムの単結晶であることが分かった。 The selected area electron diffraction pattern obtained for the circled region A in Figure 5 is shown in Figure 6. This region A corresponds to the aluminum oxide particles contained in the coated oxide particles. As shown in Figure 6, periodic diffraction spots were clearly observed. The pattern of these diffraction spots was similar to the electron diffraction simulation pattern of α-type aluminum oxide (α-Al 2 O 3 ). This indicated that the aluminum oxide particles contained in the coated oxide particles were single crystals of α-type aluminum oxide.
酸化物粒子(Al2O3粒子)と被膜(Ta2O5膜)の界面近傍における高倍率Cs-TEM像を図7に示す。酸化アルミニウム粒子から酸化タンタル膜にわたって結晶構造が連続的に変化していた。このことから、酸化アルミニウム粒子の結晶格子と酸化タンタル膜の結晶格子とが整合していることが分かった。 A high-magnification Cs-TEM image of the vicinity of the interface between the oxide particles (Al 2 O 3 particles) and the coating (Ta 2 O 5 film) is shown in Figure 7. The crystal structure changed continuously from the aluminum oxide particles to the tantalum oxide film. This indicated that the crystal lattice of the aluminum oxide particles and that of the tantalum oxide film were matched.
実施例4及び5で得られた被覆酸化物粒子について評価を行ったところ、実施例1と同様の結果が得られた。このことから、酸窒化物膜(TaON膜)や窒化物(Ta3N5膜)を形成した場合でも、酸化物粒子(Al2O3粒子)及び被膜(TaON膜、Ta3N5膜)は、いずれも結晶性に優れることが分かった。 The coated oxide particles obtained in Examples 4 and 5 were evaluated, and the same results as in Example 1 were obtained. This shows that even when an oxynitride film (TaON film) or nitride ( Ta3N5 film ) is formed, the oxide particles ( Al2O3 particles ) and coating films (TaON film, Ta3N5 film ) both have excellent crystallinity.
<TEM(被覆酸化物粒子断面)>
実施例1~3で得られた被覆酸化物粒子の断面TEM像のそれぞれを図8~10に示す。酸化タンタル量を100質量%(図8、実施例1)、200質量%(図9、実施例2)、及び300質量%(図10、実施例3)と増やした場合に、被覆層が厚くなっている様子が観察された。タンタル量を300質量%とした場合(図10、実施例3)には、被覆層以外にTa2O5粒子の生成が観察された。
<TEM (Covered oxide particle cross section)>
Cross-sectional TEM images of the coated oxide particles obtained in Examples 1 to 3 are shown in Figures 8 to 10, respectively. When the amount of tantalum oxide was increased to 100 mass% (Figure 8, Example 1), 200 mass% (Figure 9, Example 2), and 300 mass% (Figure 10, Example 3), it was observed that the coating layer became thicker. When the amount of tantalum was increased to 300 mass% (Figure 10, Example 3), the generation of Ta2O5 particles was observed in addition to the coating layer.
比較例1で得られた酸化タンタル粒子のTEM像を図11に示す。1次粒子の粒径は300nm程度であった。 Figure 11 shows a TEM image of the tantalum oxide particles obtained in Comparative Example 1. The particle size of the primary particles was approximately 300 nm.
<色素分解光触媒評価>
実施例1~3で得られた被覆酸化物粒子、比較例1で得られた酸化タンタル粒子、及び原料酸化アルミニウム粒子の光触媒活性を図12に示す。図12は、紫外(UV)光照射時間とC/C0の関係を示すグラフであり、実測データとともに近似直線を示している。このグラフにおいて、UV照射時間に対するC/C0減少率が大きいほど、光触媒活性が高いことを意味する。
<Evaluation of dye decomposition photocatalyst>
The photocatalytic activities of the coated oxide particles obtained in Examples 1 to 3, the tantalum oxide particles obtained in Comparative Example 1, and the raw aluminum oxide particles are shown in Figure 12. Figure 12 is a graph showing the relationship between ultraviolet (UV) light irradiation time and C/C0, and shows an approximate straight line along with actual measured data. In this graph, a larger C/C0 reduction rate with respect to UV irradiation time indicates higher photocatalytic activity.
酸化アルミニウム粒子では、UV照射時間を40分としてもC/C0の減少、すなわち触媒活性は見られなかった。一方で、被覆酸化物粒子の場合には、酸化タンタル量を100質量%(実施例1)、200質量%(実施例2)、及び300質量%(実施例3)と増やした場合のいずれであっても触媒活性があり、これは酸化タンタル(比較例1)の触媒活性よりも大きかった。特に酸化タンタル量が100質量%の場合(実施例1)には、Ta2O5被覆量が少ないにも関わらず最も触媒性能が高かった。 With aluminum oxide particles, no decrease in C/C0, i.e., no catalytic activity, was observed even when the UV irradiation time was 40 minutes. On the other hand, in the case of coated oxide particles, catalytic activity was observed even when the amount of tantalum oxide was increased to 100 mass% (Example 1), 200 mass% (Example 2), and 300 mass% (Example 3), and this catalytic activity was greater than the catalytic activity of tantalum oxide (Comparative Example 1). In particular , when the amount of tantalum oxide was 100 mass% (Example 1), the highest catalytic performance was achieved despite the small amount of Ta2O5 coating.
[実験例B]
実験例Bでは、アルミン酸ランタン(LaAlO3)又は酸化マグネシウム(MgO)をコア粒子として用いた。またその表面をランタン・タンタル酸窒化物(LaTaON2)又は酸化チタン(TiO2)で被覆して被覆酸化物粒子を作製し、その評価を行った。さらに比較のため、ランタン・タンタル酸窒化物又は酸化チタンのみからなる粒子の作製及び評価を行った。
[Experimental Example B]
In Experimental Example B, lanthanum aluminate (LaAlO 3 ) or magnesium oxide (MgO) was used as the core particle. The surface of the core particle was coated with lanthanum-tantalum oxynitride (LaTaON 2 ) or titanium oxide (TiO 2 ) to produce coated oxide particles, which were then evaluated. For comparison, particles consisting only of lanthanum-tantalum oxynitride or titanium oxide were also produced and evaluated.
[実施例6]
実施例6では、アルミン酸ランタン(LaAlO3)粉末と硝酸ランタンとタンタル(V)エトキシドを原料に用いて、ランタン・タンタル酸窒化物(LaTaON2)で被覆されたアルミン酸ランタン(LaAlO3)粒子を作製した。
[Example 6]
In Example 6, lanthanum aluminate (LaAlO 3 ) particles coated with lanthanum-tantalum oxynitride (LaTaON 2 ) were produced using lanthanum aluminate (LaAlO 3 ) powder, lanthanum nitrate, and tantalum (V) ethoxide as raw materials.
まず、原料として、アルミン酸ランタン粉末、硝酸ランタン(III)六水和物(関東化学株式会社)、タンタル(V)エトキシド(Sigma-Aldrich社)、及び超脱水エタノール(富士フィルム和光純薬株式会社)を準備した。このうちアルミン酸ランタン粉末は、単結晶基板(有限会社クリスタルベース製)を購入し、これを機械的粉砕して作製した。購入した単結晶基板は、両面鏡面、方位(100)、寸法:10×10×0.5mmであった。また、粉砕は、メノウ乳鉢による手粉砕の後にボールミル粉砕して行った。作製したアルミン酸ランタン粉末は単結晶粉末であり、その平均粒径は0.5μmであった。また、超脱水エタノールの含水量は0.001質量%以下であった。 First, the raw materials used were lanthanum aluminate powder, lanthanum(III) nitrate hexahydrate (Kanto Chemical Co., Inc.), tantalum(V) ethoxide (Sigma-Aldrich), and ultra-dehydrated ethanol (Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, Ltd.). The lanthanum aluminate powder was prepared by mechanically grinding a purchased single crystal substrate (manufactured by Crystal Base Co., Ltd.). The purchased single crystal substrate had a double-sided mirror finish, a (100) orientation, and dimensions of 10 x 10 x 0.5 mm. The substrate was manually ground in an agate mortar and then ball milled. The resulting lanthanum aluminate powder was single crystal with an average particle size of 0.5 μm. The water content of the ultra-dehydrated ethanol was less than 0.001% by mass.
次いで、1.0gのアルミン酸ランタン粉末と、0.98gの硝酸ランタン(III)六水和物と0.92gのタンタル(V)エトキシドを100mLの超脱水エタノールに添加及び混合して、反応液を得た。得られた反応液に、超音波洗浄機を用いて超音波を1分間照射して、アルミン酸ランタン粉末を分散させた。 Next, 1.0 g of lanthanum aluminate powder, 0.98 g of lanthanum (III) nitrate hexahydrate, and 0.92 g of tantalum (V) ethoxide were added to 100 mL of ultra-dehydrated ethanol and mixed to obtain a reaction solution. The resulting reaction solution was irradiated with ultrasound for 1 minute using an ultrasonic cleaner to disperse the lanthanum aluminate powder.
次いで、得られた分散液を、マグネチックスターラーを用いて500rpmの回転数で撹拌した。そして撹拌しながら、3.1mLの超純水を1mL/分の速度で分散液に滴下した。このとき水の添加量は15当量とした。滴下終了後に撹拌を1時間続行して分散液を得た。分散液の滴下及び撹拌により、分散液中に沈殿物が生成した。 The resulting dispersion was then stirred at 500 rpm using a magnetic stirrer. While stirring, 3.1 mL of ultrapure water was added dropwise to the dispersion at a rate of 1 mL/min. The amount of water added was 15 equivalents. After the addition was complete, stirring was continued for 1 hour to obtain a dispersion. A precipitate formed in the dispersion as a result of the addition and stirring of the dispersion.
乾燥後の沈殿物を、0.2L/分の流量で流したアンモニアガス雰囲気下で900℃×10時間の条件で焼成し、被覆酸化物粒子を得た。 The dried precipitate was calcined at 900°C for 10 hours in an ammonia gas atmosphere flowing at a flow rate of 0.2 L/min to obtain coated oxide particles.
実施例6で得られた被覆酸化物粒子について、実施例1と同様に、X線回折法による評価、及び高分解能透過型電子顕微鏡と球面収差補正透過型電子顕微鏡を用いた評価を行った。その結果、ランタン・タンタル酸窒化物(LaTaON2)で被覆されたアルミン酸ランタン(LaAlO3)粒子が合成されていることが確認された。被膜の平均膜厚は22nmであり、得られた被覆酸化物粒子の比表面積1.3m2/gであった。また、コア粒子と被膜の間の界面の殆どの領域において、アルミン酸ランタンコア粒子とランタン・タンタル酸窒化物被膜とが格子整合していることが確認された。このことから、被膜がコア粒子上にエピタキシャル成長していることが分かった。 The coated oxide particles obtained in Example 6 were evaluated using X-ray diffraction and a high-resolution transmission electron microscope and a spherical aberration-corrected transmission electron microscope, as in Example 1. The results confirmed that lanthanum aluminate (LaAlO 3 ) particles coated with lanthanum-tantalum oxynitride (LaTaON 2 ) were synthesized. The average thickness of the coating was 22 nm, and the specific surface area of the obtained coated oxide particles was 1.3 m 2 /g. It was also confirmed that the lanthanum aluminate core particles and the lanthanum-tantalum oxynitride coating were lattice-matched over most of the interface between the core particles and the coating. This indicated that the coating had grown epitaxially on the core particles.
[比較例2]
比較例2では、被膜成分たるランタン・タンタル酸窒化物(LaTaON2)のみからなる粒子を合成した。具体的には、アルミン酸ランタン粉末を添加しなかった以外は実施例6と同様の条件で粒子を合成した。すなわち、硝酸ランタン(III)六水和物及びタンタル(V)エトキシドを溶解したエタノール溶液を作製し、このエタノール溶液に水を添加して沈殿物を得た。そして、この沈殿物を洗浄、乾燥させてから、アンモニアガス雰囲気下でランタン・タンタル酸窒化物(LaTaON2)粒子を作製した。焼成は実施例6と同様の条件で行った。
[Comparative Example 2]
In Comparative Example 2, particles consisting only of lanthanum-tantalum oxynitride (LaTaON 2 ), a coating component, were synthesized. Specifically, the particles were synthesized under the same conditions as in Example 6, except that lanthanum aluminate powder was not added. That is, an ethanol solution containing lanthanum (III) nitrate hexahydrate and tantalum (V) ethoxide was prepared, and water was added to this ethanol solution to obtain a precipitate. The precipitate was then washed and dried, and lanthanum-tantalum oxynitride (LaTaON 2 ) particles were then produced under an ammonia gas atmosphere. Firing was performed under the same conditions as in Example 6.
実施例6及び比較例2で用いた原料、及び得られた生成物について、各種特性の評価を実施例1と同様の手順で実施した。アルミン酸ランタンコア粒子の比表面積は1.5m2/gであるのに対して、ランタン・タンタル酸窒化物で被覆した粒子(実施例6)の比表面積は1.3m2/gであった。一方、ランタン・タンタル酸窒化物のみからなる粒子(比較例2)の比表面積は0.9m2/gであった。 The raw materials used in Example 6 and Comparative Example 2 and the resulting products were evaluated for various properties in the same manner as in Example 1. The specific surface area of the lanthanum aluminate core particles was 1.5 m 2 /g, while the specific surface area of the particles coated with lanthanum-tantalum oxynitride (Example 6) was 1.3 m 2 /g. On the other hand, the specific surface area of the particles consisting only of lanthanum-tantalum oxynitride (Comparative Example 2) was 0.9 m 2 /g.
ランタン・タンタル酸窒化物の重量を同一にして、波長455nmのLEDランプ(OptiLED社、2.5W)を用いた色素分解光触媒評価を行った。実施例6の粒子は比較例1及び比較例2の粒子に比べて、1.5倍の活性があることが確認された。 The dye-decomposing photocatalyst was evaluated using the same weight of lanthanum-tantalum oxynitride and an LED lamp (OptiLED, 2.5W) with a wavelength of 455 nm. It was confirmed that the particles of Example 6 were 1.5 times more active than the particles of Comparative Examples 1 and 2.
[実施例7]
実施例7では、アルミン酸ランタン(LaAlO3)粉末の代わりに酸化マグネシウム(MgO)粉末をコア粒子原料に用いた。それ以外は、実施例6と同様の方法及び条件で、被覆酸化物粒子を作製した。
[Example 7]
In Example 7, coated oxide particles were produced by the same method and under the same conditions as in Example 6, except that magnesium oxide (MgO) powder was used as the core particle raw material instead of lanthanum aluminate (LaAlO 3 ) powder.
コア粒子原料として用いた酸化マグネシウム(MgO)粉末は、単結晶基板(有限会社クリスタルベース製)を機械的粉砕して作製した。購入した単結晶基板は、両面鏡面、方位(100)、寸法:10×10×0.5mmであった。また、粉砕は、メノウ乳鉢による手粉砕の後にボールミル粉砕して行った。作製した酸化マグネシウム粉末は単結晶粉末であり、その平均粒径は0.4μmであった。 The magnesium oxide (MgO) powder used as the core particle raw material was prepared by mechanically pulverizing a single crystal substrate (manufactured by Crystal Base Co., Ltd.). The purchased single crystal substrate had a double-sided mirror finish, a (100) orientation, and dimensions of 10 x 10 x 0.5 mm. The substrate was manually pulverized in an agate mortar and then ball milled. The magnesium oxide powder prepared was a single crystal powder with an average particle size of 0.4 μm.
得られた被覆酸化物粒子は、ランタン・タンタル酸窒化物(LaTaON2)で被覆された酸化マグネシウム(MgO)粒子であり、その被膜の平均膜厚は17nm、比表面積は2.2m2/gであった。 The obtained coated oxide particles were magnesium oxide (MgO) particles coated with lanthanum-tantalum oxynitride (LaTaON 2 ), and the average thickness of the coating was 17 nm and the specific surface area was 2.2 m 2 /g.
ランタン・タンタル酸窒化物の重量を同一にして、波長455nmのLEDランプ(OptiLED社、2.5W)を用いた色素分解光触媒評価を行った。その結果、実施例7の粒子は比較例2の粒子と比べて1.9倍の活性があることが確認された。 The dye-decomposing photocatalytic activity of the lanthanum-tantalum oxynitride was evaluated using an LED lamp (OptiLED, 2.5W) with a wavelength of 455 nm, with the same weight of lanthanum-tantalum oxynitride. As a result, it was confirmed that the particles of Example 7 were 1.9 times more active than the particles of Comparative Example 2.
[実施例8]
実施例8では、酸化マグネシウム(MgO)粉末とチタンテトライソプロポキシドを原料に用いて、酸化チタン(TiO2)で被覆された酸化マグネシウム(MgO)粒子を作製した。
[Example 8]
In Example 8, magnesium oxide (MgO) particles coated with titanium oxide (TiO 2 ) were produced using magnesium oxide (MgO) powder and titanium tetraisopropoxide as raw materials.
原料として、酸化マグネシウム粉末、チタンテトライソプロポキシド(富士フィルム和光純薬株式会社)、及び超脱水エタノール(富士フィルム和光純薬株式会社)を準備した。酸化マグネシウム粉末として、実施例7と同様の手順で作製した平均粒径0.5μmのものを用いた。また、上述した原料を用いた以外は、実施例1と同様の方法及び条件で被覆酸化物粒子を作製した。 Magnesium oxide powder, titanium tetraisopropoxide (Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), and ultra-dehydrated ethanol (Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) were prepared as raw materials. The magnesium oxide powder used had an average particle size of 0.5 μm and was prepared using the same procedure as in Example 7. Furthermore, coated oxide particles were prepared using the same method and conditions as in Example 1, except for using the above-mentioned raw materials.
得られた被覆酸化物粒子は、被膜の平均膜厚が23nmであり、比表面積が2.3m2/gであった。被膜を構成する酸化チタンはアナターゼ型の結晶構造を保持していた。また、コア粒子に対してエピタキシャルに形成されており。良質の結晶性を有していた。 The obtained coated oxide particles had an average coating thickness of 23 nm and a specific surface area of 2.3 m 2 /g. The titanium oxide constituting the coating maintained an anatase crystal structure. The coating was also formed epitaxially with respect to the core particles, and had good crystallinity.
[比較例3]
被膜成分たる酸化チタン(TiO2)のみからなる粒子を合成した。具体的には、酸化マグネシウム粉末を添加しなかった以外は実施例8と同様の条件で、チタンテトライソプロポキシドを溶解したエタノール溶液を作製し、このエタノール溶液に水を添加して沈殿物を得、この沈殿物を洗浄、乾燥させてから、大気雰囲気下で、実施例8と同様の条件で焼成して酸化チタン(TiO2)粒子を作製した。
[Comparative Example 3]
Particles consisting solely of titanium oxide (TiO 2 ), a coating component, were synthesized. Specifically, an ethanol solution of titanium tetraisopropoxide was prepared under the same conditions as in Example 8, except that magnesium oxide powder was not added. Water was added to this ethanol solution to obtain a precipitate. This precipitate was washed and dried, and then fired in an air atmosphere under the same conditions as in Example 8 to produce titanium oxide (TiO 2 ) particles.
酸化チタン粒子が合成されていることは、X線回折法、高分解能透過型電子顕微鏡と球面収差補正透過型電子顕微鏡を用いて確認された。しかしながら、実施例8とは異なり、合成された酸化チタン粒子はルチル型であった。また、得られた酸化チタン粉末(粒子)の平均粒径は700nmであり、比表面積は0.9m2/gであった。 The synthesis of titanium oxide particles was confirmed using X-ray diffraction, a high-resolution transmission electron microscope, and a spherical aberration-corrected transmission electron microscope. However, unlike Example 8, the synthesized titanium oxide particles were of the rutile type. The obtained titanium oxide powder (particles) had an average particle size of 700 nm and a specific surface area of 0.9 m2 /g.
実施例8と比較例3のUV照射による色素分解光触媒特性の評価を、実施例1と同様の手順及び条件で行った。酸化チタンの重量を同一にした比較によると、実施例8の粒子は比較例3の粒子と比べて3.5倍の活性があることが確認された。
The dye decomposition photocatalytic properties of Example 8 and Comparative Example 3 by UV irradiation were evaluated using the same procedures and conditions as in Example 1. When the weight of titanium oxide was the same, it was confirmed that the particles of Example 8 had 3.5 times the activity of the particles of Comparative Example 3.
Claims (12)
前記コア粒子が結晶質金属酸化物から構成され、
前記被膜が、金属の酸化物、酸窒化物及び窒化物の少なくとも一つからなる結晶質化合物を主成分として含み、
前記被膜及び前記コア粒子の界面において、前記結晶質化合物が前記結晶質金属酸化物と格子整合しており、
前記コア粒子を構成する結晶質金属酸化物が酸化アルミニウム(Al 2 O 3 )であり、且つ前記被膜に含まれる結晶質化合物が酸化タンタル(Ta 2 O 5 )、タンタル酸窒化物(TaON)及びタンタル窒化物(Ta 3 N 5 )からなる群から選択される少なくとも一つである、または
前記コア粒子を構成する結晶質金属酸化物がアルミン酸ランタン(LaAlO 3 )であり、且つ前記被膜に含まれる結晶質化合物がペロブスカイト型構造のランタン・タンタル酸窒化物(LaTaON 2 )である、または
前記コア粒子を構成する結晶質金属坂物が酸化マグネシウム(MgO)であり、且つ前記被膜に含まれる結晶質酸化物がアナターゼ型酸化チタン(TiO 2 )及びペロブスカイト型構造のランタン・タンタル酸窒化物(LaTaON 2 )からなる群から選択される少なくとも一種である、被覆酸化物粒子。 A coated oxide particle comprising a core particle and a coating covering the surface of the core particle,
the core particle is composed of a crystalline metal oxide;
the coating contains, as a main component, a crystalline compound consisting of at least one of a metal oxide, an oxynitride, and a nitride,
the crystalline compound is lattice-matched with the crystalline metal oxide at the interface between the coating and the core particle;
the crystalline metal oxide constituting the core particle is aluminum oxide (Al 2 O 3 ), and the crystalline compound contained in the coating is at least one selected from the group consisting of tantalum oxide (Ta 2 O 5 ), tantalum oxynitride (TaON), and tantalum nitride (Ta 3 N 5 ); or
the crystalline metal oxide constituting the core particle is lanthanum aluminate (LaAlO 3 ), and the crystalline compound contained in the coating is lanthanum tantalum oxynitride (LaTaON 2 ) having a perovskite structure; or
Coated oxide particles, wherein the crystalline metal oxide constituting the core particle is magnesium oxide (MgO), and the crystalline oxide contained in the coating is at least one selected from the group consisting of anatase-type titanium oxide (TiO 2 ) and lanthanum-tantalum oxynitride (LaTaON 2 ) having a perovskite structure.
金属酸化物粒子と有機金属化合物とを含むアルコール系反応液を調整する準備工程、
前記アルコール系反応液に水を添加して前記有機金属化合物を加水分解し、それにより被膜前駆体が金属酸化物粒子の表面に析出した被覆前駆体粒子を含む分散液を作製する分散液作製工程、
前記被覆前駆体粒子を分散液から取り出す分離工程、及び
取り出した被覆前駆体粒子を焼成して被覆酸化物粒子を得る焼成工程、
を備え、
前記金属酸化物粒子は、Williamson-Hall法で求めた結晶子径が1000Å以上であり、前記準備工程で調整するアルコール系反応液の含水量は0.1質量%以下である、方法。 A method for producing the coated oxide particles according to any one of claims 1 to 7 , comprising the following steps:
a preparation step of preparing an alcohol-based reaction liquid containing metal oxide particles and an organometallic compound;
a dispersion preparation step of adding water to the alcohol-based reaction solution to hydrolyze the organometallic compound, thereby preparing a dispersion containing coated precursor particles in which coating precursors are precipitated on the surfaces of metal oxide particles;
a separation step of extracting the coated precursor particles from the dispersion; and a firing step of calcining the extracted coated precursor particles to obtain coated oxide particles.
Equipped with
The metal oxide particles have a crystallite diameter of 1000 Å or more as determined by the Williamson-Hall method, and the water content of the alcohol-based reaction liquid prepared in the preparation step is 0.1% by mass or less.
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|---|---|---|---|---|
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|---|---|---|---|---|
| JP2007210811A (en) | 2006-02-07 | 2007-08-23 | Tdk Corp | Dielectric particle, method for producing the same, and circuit board |
| JP2010189215A (en) | 2009-02-17 | 2010-09-02 | Sumitomo Osaka Cement Co Ltd | Rutile-type composite microparticle, rutile-type composite microparticle dispersion liquid, and manufacturing method for rutile-type composite microparticle |
| JP2011206614A (en) | 2010-03-26 | 2011-10-20 | Jx Nippon Oil & Energy Corp | Catalyst, process for producing the same, and process for producing para-xylene using the same |
| JP2015048251A (en) | 2013-08-29 | 2015-03-16 | 国立大学法人名古屋大学 | Method for producing surface Nb-containing La-STO cubic crystal particle film |
| JP2018206747A (en) | 2016-07-05 | 2018-12-27 | 株式会社半導体エネルギー研究所 | Positive electrode active material, method for manufacturing positive electrode active material, and secondary battery |
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