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JP2011233507A - Substrate with porous titanium oxide coating film formed thereon - Google Patents

Substrate with porous titanium oxide coating film formed thereon Download PDF

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JP2011233507A
JP2011233507A JP2011037190A JP2011037190A JP2011233507A JP 2011233507 A JP2011233507 A JP 2011233507A JP 2011037190 A JP2011037190 A JP 2011037190A JP 2011037190 A JP2011037190 A JP 2011037190A JP 2011233507 A JP2011233507 A JP 2011233507A
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JP
Japan
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titanium oxide
titania
coating film
substrate
porous titanium
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Pending
Application number
JP2011037190A
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Japanese (ja)
Inventor
Hitoshi Nishino
仁 西野
Hiroichi Sasaki
博一 佐々木
Hiroaki Matsuyoshi
弘明 松好
Hiroki Sakamoto
浩規 阪本
Haruo Tomita
晴雄 富田
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Osaka Gas Co Ltd
Original Assignee
Osaka Gas Co Ltd
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    • Y02E10/542Dye sensitized solar cells

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a porous titanium oxide coating film, which allows ions and electrons to travel efficiently while suppressing reverse electron transfer and facilitates light diffusion, thereby making possible to produce a dye-sensitized solar cell with a large conversion efficiency.SOLUTION: A porous titanium oxide coating film includes rod-like, tubular or fibrous titanium oxide structures (A) and titania nanoparticles (B), and has continuous or gradual concentration gradients of the titanium oxide structures (A) and titania nanoparticles (B) in a thickness direction thereof. When formed on a substrate, it is preferable that the porous titanium oxide coating film has a continuous or gradual concentration gradient such that the concentration of the titanium oxide structures (A) at a point away from the interface of the coating film and the substrate in the coating film becomes higher as the point becomes closer to the top surface of the coating film in the thickness direction of the coating film.

Description

本発明は、色素増感太陽電池等の光電変換素子に用いられる多孔質酸化チタン塗膜が形成された基板及びそれを用いた色素増感太陽電池に関する。   The present invention relates to a substrate on which a porous titanium oxide coating film used for a photoelectric conversion element such as a dye-sensitized solar cell is formed, and a dye-sensitized solar cell using the same.

太陽電池は、環境にやさしい発電デバイスとして注目されており、pn接合を利用したシリコン系半導体が広く知られている。しかし、シリコン系太陽電池は製造に際して高真空・高温が必要であり、低コスト化が難しく、普及が妨げられていた。   Solar cells are attracting attention as environmentally friendly power generation devices, and silicon-based semiconductors using pn junctions are widely known. However, silicon-based solar cells require a high vacuum and a high temperature during production, and it is difficult to reduce the cost, which has hindered their spread.

より低コストの太陽電池の開発が待たれる中、色素を修飾した二酸化チタン等を活性電極に用いた色素増感太陽電池がグレッツェルらによって報告された(特許文献1参照)。色素増感太陽電池は、安価で容易に製造できる太陽電池として注目を集めている。   While development of a lower cost solar cell is awaited, a dye-sensitized solar cell using a titanium dioxide modified with a dye as an active electrode has been reported by Gretzel et al. (See Patent Document 1). Dye-sensitized solar cells are attracting attention as solar cells that can be easily manufactured at low cost.

この色素増感太陽電池に用いられる多孔質酸化チタン塗膜としては、高アスペクト比のチタニアナノチューブとチタニアナノ粒子とを含むものは、チタニアナノチューブが高導電性のため、発電した電子を高速で輸送することができることから、変換効率の向上が期待されている。   As the porous titanium oxide coating used in this dye-sensitized solar cell, those containing high-aspect-ratio titania nanotubes and titania nanoparticles transport the generated electrons at high speed because the titania nanotubes are highly conductive. Therefore, improvement in conversion efficiency is expected.

しかし、チタニアナノチューブは高導電性であるが、電解液への逆電子移動が生じ、開放電圧の低下を招くことがあり、短絡電流の向上と開放電圧の低下が相殺するという問題があった。また、高アスペクト比のチタニアナノチューブは可視光の光散乱効果及びイオンパスを確保する機能を有していると考えられるが、チタニアナノ粒子との適切な濃度配分がなされないためその機能が充分発現されず、変換効率の向上は充分ではなかった。   However, although titania nanotubes have high conductivity, reverse electron transfer to the electrolytic solution occurs, which may cause a decrease in open circuit voltage, and there is a problem that an increase in short circuit current and a decrease in open circuit voltage are offset. In addition, high-aspect-ratio titania nanotubes are thought to have the function of ensuring the light scattering effect of visible light and ion paths, but their functions are not fully expressed because appropriate concentration distribution with titania nanoparticles is not achieved. The conversion efficiency was not improved sufficiently.

特公平8−15097号公報Japanese Patent Publication No. 8-15097

本発明は、逆電子移動を抑制するとともに、イオンと電子の効率的な移動を可能とし、且つ、光拡散を容易にすることで、変換効率の大きい色素増感太陽電池を製造できる多孔質酸化チタン塗膜が形成された基板を提供することを目的とする。   The present invention provides a porous oxidation capable of producing a dye-sensitized solar cell with high conversion efficiency by suppressing reverse electron transfer, enabling efficient transfer of ions and electrons, and facilitating light diffusion. It aims at providing the board | substrate with which the titanium coating film was formed.

上記目的を鑑み、鋭意検討した結果、棒状、管状、繊維状又は板状の酸化チタン構造体(A)と、チタニアナノ粒子(B)とを含む多孔質酸化チタン塗膜が形成された基板において、前記多孔質酸化チタン塗膜を、基板との界面から塗膜最表面へ向かうにしたがい、酸化チタン構造体(A)の濃度が高くし、且つ、チタニアナノ粒子(B)の濃度が低くすることで、上記課題を解決した多孔質酸化チタン塗膜が得られることを見出し、本発明を完成させた。すなわち、本発明は以下の構成からなる。
項1.棒状、管状、繊維状又は板状の酸化チタン構造体(A)と、チタニアナノ粒子(B)とを含む多孔質酸化チタン塗膜が形成された基板であって、
前記多孔質酸化チタン塗膜は、基板との界面から塗膜最表面へ向かうにしたがい、酸化チタン構造体(A)の濃度が高くなり、且つ、チタニアナノ粒子(B)の濃度が低くなることを特徴とする、
多孔質酸化チタン塗膜が形成された基板。
項2.前記多孔質酸化チタン塗膜は、
最表面から塗膜の厚みの0〜10%の範囲の深さにおける酸化チタン構造体(A)の濃度が20〜100重量%であり、
最表面から塗膜の厚みの90〜100%の範囲の深さにおける酸化チタン構造体(A)の濃度が0〜80重量%である、
項1に記載の多孔質酸化チタン塗膜が形成された基板。
項3.酸化チタン構造体(A)の平均アスペクト比が3〜200000である、項1又は2に記載の多孔質酸化チタン塗膜が形成された基板。
項4.酸化チタン構造体(A)が、チタニア被覆ナノスケールカーボンチューブ(A1)、チタニアナノチューブ(A2)及びチタニアナノロッド(A3)よりなる群から選ばれる少なくとも1種である、項1〜3のいずれかに記載の多孔質酸化チタン塗膜が形成された基板。
項5.チタニアナノチューブ(A2)が、チタニアナノ粒子が連なってなるチタニアナノチューブ(A2b)である、項4に記載の多孔質酸化チタン塗膜が形成された基板。
項6.チタニアナノチューブ(A2)が、マグネリ相構造の結晶形態を有するチタニアを30%以上含むチタニアナノチューブ(A2c)である、項4に記載の多孔質酸化チタン塗膜が形成された基板。
項7.酸化チタン構造体(A)の表面に絶縁性酸化物膜を有する、項1〜6のいずれかに記載の多孔質酸化チタン塗膜が形成された基板。
項8.多孔質酸化チタン塗膜が、表面に、絶縁性酸化物膜を有する、項1〜7のいずれかに記載の多孔質酸化チタン塗膜が形成された基板。
項9.項1〜8のいずれかに記載の多孔質酸化チタン塗膜が形成された基板を備えた電極基板であって、
前記基板が、樹脂基板又はガラス基板と透明導電膜とが一体化した構造を有しており、
前記多孔質酸化チタン塗膜は透明導電膜上に形成されており、且つ、
前記多孔質酸化チタン塗膜に色素が担持されている、電極基板。
項10.項1〜8のいずれかに記載の多孔質酸化チタン塗膜が形成された基板と、前記多孔質酸化チタン塗膜が形成された基板上に形成されたメッシュ状電極とを備えた電極基板であって、
前記メッシュ状電極は、前記多孔質酸化チタン塗膜と接し、且つ、覆うように形成されており、
前記基板は樹脂基板又はガラス基板であり、
前記多孔質酸化チタン塗膜に色素が担持されている、電極基板。
項11.前記メッシュ状電極が、ヨウ素イオン及び臭素イオンと反応せず、又は、ヨウ素イオン及び臭素イオンに対する耐腐食性を有する、項10に記載の電極基板。
項12.前記メッシュ状電極が、チタン、金、白金、タングステン、ニオブ、タンタル、炭素、ステンレス及びマグネリ相構造の結晶形態を有するチタニアよりなる群から選ばれる少なくとも1種からなる、項10又は11に記載の電極基板。
項13.項9〜12のいずれかに記載の電極基板を備える、色素増感太陽電池。
項14.棒状、管状、繊維状又は板状の酸化チタン構造体(A)と、チタニアナノ粒子(B)とを含む多孔質酸化チタン塗膜であって、
一表面から他表面へ向かうにしたがい、酸化チタン構造体(A)の濃度が高くなり、且つ、チタニアナノ粒子(B)の濃度が低くなることを特徴とする、
多孔質酸化チタン塗膜。
In view of the above-mentioned object, as a result of intensive studies, in a substrate on which a porous titanium oxide coating film including a rod-like, tubular, fibrous or plate-like titanium oxide structure (A) and titania nanoparticles (B) is formed, By increasing the concentration of the titanium oxide structure (A) and decreasing the concentration of titania nanoparticles (B) as the porous titanium oxide coating film moves from the interface with the substrate toward the outermost surface of the coating film. The present inventors have found that a porous titanium oxide coating film that solves the above problems can be obtained, and has completed the present invention. That is, the present invention has the following configuration.
Item 1. A substrate on which a porous titanium oxide coating film containing a rod-like, tubular, fibrous or plate-like titanium oxide structure (A) and titania nanoparticles (B) is formed,
As the porous titanium oxide coating film moves from the interface with the substrate toward the outermost surface of the coating film, the concentration of the titanium oxide structure (A) increases and the concentration of titania nanoparticles (B) decreases. Features
A substrate on which a porous titanium oxide coating film is formed.
Item 2. The porous titanium oxide coating film is
The concentration of the titanium oxide structure (A) at a depth in the range of 0 to 10% of the thickness of the coating film from the outermost surface is 20 to 100% by weight,
The concentration of the titanium oxide structure (A) at a depth in the range of 90 to 100% of the thickness of the coating film from the outermost surface is 0 to 80% by weight.
A substrate on which the porous titanium oxide coating film according to Item 1 is formed.
Item 3. Item 3. The substrate on which the porous titanium oxide coating film according to Item 1 or 2 is formed, wherein the average aspect ratio of the titanium oxide structure (A) is 3 to 200,000.
Item 4. Any one of Items 1 to 3, wherein the titanium oxide structure (A) is at least one selected from the group consisting of a titania-coated nanoscale carbon tube (A1), a titania nanotube (A2), and a titania nanorod (A3). A substrate on which the described porous titanium oxide coating film is formed.
Item 5. Item 5. The substrate on which the porous titanium oxide coating film according to Item 4 is formed, wherein the titania nanotube (A2) is a titania nanotube (A2b) in which titania nanoparticles are continuous.
Item 6. Item 5. The substrate on which the porous titanium oxide coating film according to Item 4 is formed, wherein the titania nanotube (A2) is a titania nanotube (A2c) containing 30% or more of titania having a crystal form of a magnetic phase structure.
Item 7. Item 7. A substrate on which a porous titanium oxide coating film according to any one of Items 1 to 6 having an insulating oxide film on the surface of a titanium oxide structure (A) is formed.
Item 8. Claim | item 8. The board | substrate with which the porous titanium oxide coating film in any one of claim | item 1 -7 in which a porous titanium oxide coating film has an insulating oxide film on the surface was formed.
Item 9. An electrode substrate comprising a substrate on which the porous titanium oxide coating film according to any one of Items 1 to 8 is formed,
The substrate has a structure in which a resin substrate or a glass substrate and a transparent conductive film are integrated,
The porous titanium oxide coating film is formed on a transparent conductive film, and
An electrode substrate in which a pigment is supported on the porous titanium oxide coating film.
Item 10. An electrode substrate comprising: a substrate on which the porous titanium oxide coating film according to any one of Items 1 to 8 is formed; and a mesh electrode formed on the substrate on which the porous titanium oxide coating film is formed. There,
The mesh electrode is formed so as to contact and cover the porous titanium oxide coating film,
The substrate is a resin substrate or a glass substrate,
An electrode substrate in which a pigment is supported on the porous titanium oxide coating film.
Item 11. Item 11. The electrode substrate according to Item 10, wherein the mesh electrode does not react with iodine ions and bromine ions, or has corrosion resistance against iodine ions and bromine ions.
Item 12. Item 12. The item 10 or 11, wherein the mesh electrode comprises at least one selected from the group consisting of titanium, gold, platinum, tungsten, niobium, tantalum, carbon, stainless steel, and titania having a crystalline form of a Magneli phase structure. Electrode substrate.
Item 13. Claim | item 9-12 A dye-sensitized solar cell provided with the electrode substrate in any one of.
Item 14. A porous titanium oxide coating film comprising a rod-like, tubular, fibrous or plate-like titanium oxide structure (A) and titania nanoparticles (B),
The concentration of the titanium oxide structure (A) increases and the concentration of the titania nanoparticles (B) decreases as it goes from one surface to the other surface.
Porous titanium oxide coating.

本発明によれば、逆電子移動を抑制するとともに、イオンと電子の効率的な移動を可能とし、且つ、光拡散を容易にすることで、変換効率の大きい色素増感太陽電池を製造できる多孔質酸化チタン塗膜を提供できる。   According to the present invention, a porous material capable of producing a dye-sensitized solar cell with high conversion efficiency by suppressing reverse electron transfer, enabling efficient movement of ions and electrons, and facilitating light diffusion. A quality titanium oxide coating film can be provided.

特開2002−338220号公報の実施例1で得られた炭素質材料を構成する鉄−炭素複合体1本の電子顕微鏡(TEM)写真である。It is an electron microscope (TEM) photograph of one iron-carbon complex which comprises the carbonaceous material obtained in Example 1 of Unexamined-Japanese-Patent No. 2002-338220. 特開2002−338220号公報の実施例1で得られた炭素質材料における鉄−炭素複合体の存在状態を示す電子顕微鏡(TEM)写真である。It is an electron microscope (TEM) photograph which shows the presence state of the iron-carbon composite in the carbonaceous material obtained in Example 1 of Unexamined-Japanese-Patent No. 2002-338220. 特開2002−338220号公報の実施例1で得られた鉄―炭素複合体1本を輪切り状にした電子顕微鏡(TEM)写真である。なお、図3の写真中に示されている黒三角(▲)は、組成分析のためのEDX測定ポイントを示している。It is the electron microscope (TEM) photograph which made the iron-carbon composite_body | complex obtained in Example 1 of Unexamined-Japanese-Patent No. 2002-338220 into the shape of a ring. In addition, the black triangle ((triangle | delta)) shown in the photograph of FIG. 3 has shown the EDX measurement point for composition analysis. カーボンチューブのTEM像の模式図を示し、(a−1)は、円柱状のナノフレークカーボンチューブのTEM像の模式図であり、(a−2)は、入れ子構造の多層カーボンナノチューブのTEM像の模式図である。The schematic diagram of the TEM image of a carbon tube is shown, (a-1) is a schematic diagram of the TEM image of a cylindrical nano flake carbon tube, (a-2) is the TEM image of the multi-layer carbon nanotube of a nested structure FIG. 棒状又は繊維状のカーボンの表面が、チタニアナノ粒子が連なってなる被覆層で被覆されたチタニア被覆ナノスケールカーボンチューブ(A1)の表面形状を示す電子顕微鏡(SEM)写真である。It is an electron microscope (SEM) photograph which shows the surface shape of the titania covering nanoscale carbon tube (A1) by which the surface of rod-like or fibrous carbon was coat | covered with the coating layer which a titania nanoparticle continues. 棒状又は繊維状のカーボンの表面が、チタニアナノ粒子が連なってなる被覆層で被覆されたチタニア被覆ナノスケールカーボンチューブ(A1)における電子の移動を説明する模式図である。It is a schematic diagram explaining the movement of electrons in a titania-coated nanoscale carbon tube (A1) in which the surface of a rod-like or fibrous carbon is coated with a coating layer in which titania nanoparticles are continuous. チタニアナノ粒子が連なってなる被覆層で充分に被覆されていない場合におけるチタニア被覆ナノスケールカーボンチューブの表面形状を示す電子顕微鏡(SEM)写真である。It is an electron microscope (SEM) photograph which shows the surface shape of the titania-coated nanoscale carbon tube when it is not sufficiently covered with a coating layer composed of continuous titania nanoparticles. チタニアナノ粒子が連なってなる被覆層で充分に被覆されていない場合におけるチタニア被覆ナノスケールカーボンチューブ内の電子の移動を説明する模式図である。It is a schematic diagram explaining the movement of electrons in the titania-coated nanoscale carbon tube when it is not sufficiently covered with a coating layer composed of continuous titania nanoparticles. チタニアナノ粒子が連なってなるチタニアナノチューブ(A2b)の表面形状を示す電子顕微鏡(SEM)写真である。It is an electron microscope (SEM) photograph which shows the surface shape of the titania nanotube (A2b) which a titania nanoparticle becomes continuous. チタニアナノ粒子が連なってなるチタニアナノチューブ(A2b)における電子の移動を説明する模式図である。It is a schematic diagram explaining the movement of the electron in the titania nanotube (A2b) which a titania nanoparticle becomes continuous. (a)公知のチタニアナノチューブ、及び(b)チタニアナノ粒子が連なってなるチタニアナノチューブの概念を示す模式図である。なお、(a)はチタニアのナノシートがロール状になったものも含む。It is a schematic diagram which shows the concept of the titania nanotube in which (a) well-known titania nanotube and (b) titania nanoparticle continue. Note that (a) includes a roll of titania nanosheets. チタニアナノロッド(A3b)について、(a)一部が結晶化したものを複数含有するもの、(b)長さが短い結晶(長さが50nm以下)を複数種含有するもの、及び(c)主結晶(長さが50nmより大きい)中に長さが短い結晶(長さが50nm以下)を含有するものの概念を示す模式図である。As for titania nanorods (A3b), (a) one containing a plurality of crystallized parts, (b) one containing a plurality of short crystals (length of 50 nm or less), and (c) main It is a schematic diagram which shows the concept of what contains a short crystal | crystallization (length is 50 nm or less) in a crystal | crystallization (length is larger than 50 nm). 本発明の態様1(フロントコンタクト構造)の電極基板の一例を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows an example of the electrode substrate of aspect 1 (front contact structure) of this invention. 本発明の態様1(フロントコンタクト構造)において、酸化チタン構造体(A)の表面に絶縁性酸化物膜を有する場合の電極基板の一例を示す概略断面図である。なお、酸化チタン構造体(A)の表面に絶縁性酸化物膜が被覆しており、さらにその表面に、色素が吸着している場合を示す。In aspect 1 (front contact structure) of this invention, it is a schematic sectional drawing which shows an example of the electrode substrate in the case of having an insulating oxide film on the surface of a titanium oxide structure (A). In addition, the case where the insulating oxide film coat | covers the surface of a titanium oxide structure (A), and also the pigment | dye is adsorb | sucking to the surface is shown. 本発明の態様1(フロントコンタクト構造)において、酸化チタン構造体(A)及びチタニアナノ粒子(B)の表面に絶縁性酸化物膜を有する場合の電極基板の一例を示す概略断面図である。なお、酸化チタン構造体(A)及びチタニアナノ粒子(B)の表面に絶縁性酸化物膜が被覆しており、さらにその表面に、色素が吸着している場合を示す。In aspect 1 (front contact structure) of this invention, it is a schematic sectional drawing which shows an example of an electrode substrate in case it has an insulating oxide film on the surface of a titanium oxide structure (A) and a titania nanoparticle (B). In addition, the case where the insulating oxide film coat | covers the surface of a titanium oxide structure (A) and a titania nanoparticle (B), and also the pigment | dye is adsorb | sucking to the surface is shown. 本発明の態様2(バックコンタクト構造)の電極基板の一例を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows an example of the electrode substrate of aspect 2 (back contact structure) of this invention. 本発明の態様2(バックコンタクト構造)において、酸化チタン構造体(A)の表面に絶縁性酸化物膜を有する場合の電極基板の一例を示す概略断面図である。なお、酸化チタン構造体(A)の表面に絶縁性酸化物膜が被覆しており、さらにその表面に、色素が吸着している場合を示す。In aspect 2 (back contact structure) of this invention, it is a schematic sectional drawing which shows an example of the electrode substrate in the case of having an insulating oxide film on the surface of a titanium oxide structure (A). In addition, the case where the insulating oxide film coat | covers the surface of a titanium oxide structure (A), and also the pigment | dye is adsorb | sucking to the surface is shown. 本発明の態様2(バックコンタクト構造)において、酸化チタン構造体(A)及びチタニアナノ粒子(B)の表面に絶縁性酸化物膜を有する場合の電極基板の一例を示す概略断面図である。なお、酸化チタン構造体(A)及びチタニアナノ粒子(B)の表面に絶縁性酸化物膜が被覆しており、さらにその表面に、色素が吸着している場合を示す。In aspect 2 (back contact structure) of this invention, it is a schematic sectional drawing which shows an example of an electrode substrate in the case of having an insulating oxide film on the surface of a titanium oxide structure (A) and a titania nanoparticle (B). In addition, the case where the insulating oxide film coat | covers the surface of a titanium oxide structure (A) and a titania nanoparticle (B), and also the pigment | dye is adsorb | sucking to the surface is shown. 実施例1で作製したチタニアナノチューブ(A2b)の端部の電子顕微鏡(TEM)写真である。2 is an electron microscope (TEM) photograph of an end portion of a titania nanotube (A2b) produced in Example 1. FIG. 実施例1で作製したチタニアナノチューブ(A2b)の中央部の電子顕微鏡(TEM)写真である。2 is an electron microscope (TEM) photograph of the central part of the titania nanotube (A2b) produced in Example 1. FIG. 実施例3で作製したチタニア被覆ナノスケールカーボンチューブ(A1)の電子顕微鏡(TEM)写真である。4 is an electron microscope (TEM) photograph of the titania-coated nanoscale carbon tube (A1) produced in Example 3. FIG. 実施例4で作製したチタニアナノチューブ(A2c)の表面形状を示す電子顕微鏡(SEM)写真である。6 is an electron microscope (SEM) photograph showing the surface shape of a titania nanotube (A2c) produced in Example 4. FIG. 実施例4で作製したチタニアナノチューブ(A2c)の中央部の電子顕微鏡(TEM)写真である。4 is an electron microscope (TEM) photograph of a central portion of a titania nanotube (A2c) produced in Example 4. 実施例4で作製したチタニアナノチューブ(A2c)の端部の電子顕微鏡(TEM)写真である。4 is an electron microscope (TEM) photograph of an end portion of a titania nanotube (A2c) produced in Example 4.

1.多孔質酸化チタン塗膜が形成された基板
本発明の多孔質酸化チタン塗膜が形成された基板は、棒状、管状、繊維状又は板状の酸化チタン構造体(A)と、チタニアナノ粒子(B)とを含む多孔質酸化チタン塗膜が形成された基板である。さらに、前記多孔質酸化チタン塗膜は、基板との界面から塗膜最表面へ向かうにしたがい、酸化チタン構造体(A)の濃度が高くなり、且つ、チタニアナノ粒子(B)の濃度が低くなるものである。
1. Substrate on which a porous titanium oxide coating film is formed A substrate on which the porous titanium oxide coating film of the present invention is formed comprises a rod-like, tubular, fibrous or plate-like titanium oxide structure (A) and titania nanoparticles (B Is a substrate on which a porous titanium oxide coating film is formed. Furthermore, as the porous titanium oxide coating film moves from the interface with the substrate to the outermost surface of the coating film, the concentration of the titanium oxide structure (A) increases and the concentration of the titania nanoparticles (B) decreases. Is.

本発明において、「酸化チタン」又は「チタニア」とは、二酸化チタンのみを指すものではなく、三酸化二チタン(Ti);一酸化チタン(TiO);Ti、Ti等に代表される二酸化チタンから酸素欠損した組成のもの等も含むものである。また、末端OH基に代表されるように一部酸化チタンの合成に起因するTi−O−Ti以外の基を含んでいても良い。 In the present invention, “titanium oxide” or “titania” does not mean only titanium dioxide, but dititanium trioxide (Ti 2 O 3 ); titanium monoxide (TiO); Ti 4 O 7 , Ti 5 O. It includes those having a composition deficient in oxygen from titanium dioxide represented by 9 etc. Further, as represented by the terminal OH group, a group other than Ti—O—Ti resulting from the synthesis of titanium oxide may be included.

1−1.酸化チタン構造体(A)
本発明において使用される酸化チタン構造体(A)は、棒状、管状、繊維状又は板状のものであれば特に制限されない。具体的には、チタニア被覆ナノスケールカーボンチューブ(A1)、チタニアナノチューブ(A2)、及びチタニアナノロッド(A3)のいずれでもよい。
1-1. Titanium oxide structure (A)
The titanium oxide structure (A) used in the present invention is not particularly limited as long as it is rod-shaped, tubular, fibrous, or plate-shaped. Specifically, any of titania-coated nanoscale carbon tube (A1), titania nanotube (A2), and titania nanorod (A3) may be used.

また、酸化チタン構造体(A)の形状も特に制限されるわけではないが、充分な表面積を有しつつ、効率よく電子を伝達する点から、長軸に直交する平均直径が5〜500nm、長軸の平均長さが0.1〜1000μm、平均アスペクト比(長軸の平均長さ/長軸に直交する平均直径)が3〜200000が好ましく、長軸に直交する平均直径が7〜300nm、長軸の平均長さが1〜50μm、平均アスペクト比(長軸の平均長さ/長軸に直交する平均直径)が10〜3000がより好ましい。なお、本発明において、酸化チタン構造体(A)として管状のものを使用する場合、その直径とは、外径のことを言う。また、酸化チタン構造体(A)の平均直径、平均長さ及び平均アスペクト比は、例えば、電子顕微鏡(SEM又はTEM)観察等により測定することができる。   Further, the shape of the titanium oxide structure (A) is not particularly limited, but the average diameter orthogonal to the major axis is 5 to 500 nm from the viewpoint of efficiently transmitting electrons while having a sufficient surface area. The average length of the major axis is preferably from 0.1 to 1000 μm, and the average aspect ratio (average length of the major axis / average diameter perpendicular to the major axis) is preferably 3 to 200,000, and the average diameter perpendicular to the major axis is 7 to 300 nm. The average length of the major axis is preferably 1 to 50 μm, and the average aspect ratio (average length of major axis / average diameter perpendicular to the major axis) is more preferably 10 to 3,000. In addition, in this invention, when using a tubular thing as a titanium oxide structure (A), the diameter means an outer diameter. Moreover, the average diameter, average length, and average aspect ratio of the titanium oxide structure (A) can be measured, for example, by observation with an electron microscope (SEM or TEM).

さらに、酸化チタン構造体(A)は、表面に絶縁性酸化物膜を有することが好ましい。絶縁性酸化物膜に使用できる酸化物としては、特に制限されるわけではないが、電子伝導帯エネルギー準位が酸化チタン構造体(A)の電子伝導帯エネルギー準位より真空エネルギー準位側にあり、色素から酸化チタン構造体(A)へ電子をトンネル伝導させることが可能であるものを使用すればよい。例えば、酸化マグネシウム、酸化アルミニウム、酸化ケイ素、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、酸化イットリウム、酸化ニッケル、酸化クロム、酸化マンガン、酸化銅、酸化ゲルマニウム、酸化ガリウム等を使用すればよく、なかでも、酸化マグネシウム、酸化アルミニウムが好ましい。これらの酸化物は、1種単独又は2種以上で使用できる。   Furthermore, the titanium oxide structure (A) preferably has an insulating oxide film on the surface. The oxide that can be used for the insulating oxide film is not particularly limited, but the electron conduction band energy level is closer to the vacuum energy level than the electron conduction band energy level of the titanium oxide structure (A). There may be used one that can tunnel electrons from the dye to the titanium oxide structure (A). For example, magnesium oxide, aluminum oxide, silicon oxide, zirconium oxide, hafnium oxide, yttrium oxide, nickel oxide, chromium oxide, manganese oxide, copper oxide, germanium oxide, gallium oxide, etc. may be used. Aluminum oxide is preferred. These oxides can be used alone or in combination of two or more.

絶縁性酸化物膜の厚みは、特に制限されないが、逆電子移動の防止のため、0.1〜100nm、特に0.1〜10nm、さらに0.5〜5nmとすることが好ましい。   The thickness of the insulating oxide film is not particularly limited, but is preferably 0.1 to 100 nm, particularly 0.1 to 10 nm, and more preferably 0.5 to 5 nm in order to prevent reverse electron transfer.

なお、酸化チタン構造体(A)の表面に絶縁性酸化物膜を形成する方法としては、特に制限されないが、例えば、スパッタリング法、浸漬法、スプレー法、蒸着法、イオンプレーティング法、プラズマCVD法等が挙げられる。これらのなかで、酸化チタン構造体(A)の細部まで絶縁性酸化物膜を形成できるため浸漬法が好ましく、具体的には、絶縁性酸化物の前駆体を0.001〜1mol/L程度含む溶液中に酸化チタン構造体(A)を浸漬し、その後焼成すればよい。   The method for forming the insulating oxide film on the surface of the titanium oxide structure (A) is not particularly limited. For example, sputtering, dipping, spraying, vapor deposition, ion plating, plasma CVD Law. Among these, since the insulating oxide film can be formed up to the details of the titanium oxide structure (A), the dipping method is preferable. Specifically, the precursor of the insulating oxide is about 0.001 to 1 mol / L. What is necessary is just to immerse a titanium oxide structure (A) in the solution to contain, and to bake after that.

絶縁性酸化物の前駆体としては、例えば、該酸化物を構成する金属のアルコキシド、ハロゲン化物、オキソハロゲン化物、カルボニル、有機錯体等が挙げられる。具体的には、例えば、マグネシウムエトキシド、アルミニウムイソプロポキシド、アルミニウムブトキシド、イットリウムイソプロポキシド等を使用すればよい。   Examples of the precursor of the insulating oxide include an alkoxide, a halide, an oxo halide, a carbonyl, an organic complex, and the like of a metal constituting the oxide. Specifically, for example, magnesium ethoxide, aluminum isopropoxide, aluminum butoxide, yttrium isopropoxide or the like may be used.

焼成条件は、特に制限されるわけではないが、300〜600℃程度、特に450〜550℃程度にて1〜60分程度、特に10〜30分程度とすればよい。   The firing conditions are not particularly limited, but may be about 300 to 600 ° C., particularly about 450 to 550 ° C., about 1 to 60 minutes, particularly about 10 to 30 minutes.

<(A1)チタニア被覆ナノスケールカーボンチューブ>
チタニア被覆ナノスケールカーボンチューブ(A1)としては、例えば、特開2010−24133号公報に記載のものが使用できる。具体的には、棒状又は繊維状のカーボンの表面が、チタニアナノ粒子が連なってなる被覆層で被覆されてなるものである。
<(A1) Titania-coated nanoscale carbon tube>
As the titania-coated nanoscale carbon tube (A1), for example, those described in JP 2010-24133 A can be used. Specifically, the surface of rod-like or fibrous carbon is coated with a coating layer composed of continuous titania nanoparticles.

「連なってなる」とは、チタニアナノ粒子が、隣接するチタニアナノ粒子と密接に接し、全体として被覆層を形成していることを言い、これにより、色素を担持させるのに適度な表面が形成される。なお、ほぼ平滑な表面を有する酸化チタン層を有するわけではない。   “Continuous” means that the titania nanoparticles are in close contact with the adjacent titania nanoparticles to form a coating layer as a whole, thereby forming an appropriate surface for supporting the dye. . It does not have a titanium oxide layer having a substantially smooth surface.

棒状又は繊維状のカーボン
棒状又は繊維状のカーボンとしては、特に制限はないが、ナノスケールカーボンチューブを使用することが好ましい。このナノスケールカーボンチューブは、導電性を有する物質で形成されているのが好ましい。
The rod-like or fibrous carbon rod-like or fibrous carbon is not particularly limited, but it is preferable to use a nanoscale carbon tube. The nanoscale carbon tube is preferably formed of a conductive material.

また、この棒状又は繊維状のカーボンは、後にできるだけ微細で表面積が大きく、酸化チタンが長く連続した酸化チタン被覆炭素材料を製造できる点から、長軸に直交する平均直径が1〜100nm程度、長軸の平均長さが0.1〜1000μm程度、平均アスペクト比(長軸の平均長さ/長軸に直交する平均直径)が5〜1000000程度のものが好ましく、長軸に直交する平均直径が1〜100nm程度、長軸の平均長さが0.1〜1000μm程度、平均アスペクト比(長軸の平均長さ/長軸に直交する平均直径)が5〜10000程度のものがより好ましい。なお、長軸に直交する平均直径、長軸の平均長さ及び平均アスペクト比は、例えば、10000倍以上の電子顕微鏡(SEM又はTEM)観察により測定できる。   In addition, this rod-like or fibrous carbon has a mean diameter perpendicular to the long axis of about 1 to 100 nm, since it can produce a titanium oxide-coated carbon material that is as fine as possible, has a large surface area, and has a long and continuous titanium oxide. It is preferable that the average length of the shaft is about 0.1 to 1000 μm and the average aspect ratio (average length of the long axis / average diameter perpendicular to the long axis) is about 5 to 1000000, and the average diameter orthogonal to the long axis is More preferably, the average length of the major axis is about 0.1 to 1000 μm, and the average aspect ratio (average length of the major axis / average diameter perpendicular to the major axis) is about 5 to 10,000. In addition, the average diameter orthogonal to the long axis, the average length of the long axis, and the average aspect ratio can be measured, for example, by observation with an electron microscope (SEM or TEM) of 10,000 times or more.

ナノスケールカーボンチューブとしては、ナノサイズの直径を有するカーボンチューブを指し、該カーボンチューブのチューブ内空間部には鉄等が内包されていてもよい。   The nano-scale carbon tube refers to a carbon tube having a nano-sized diameter, and iron or the like may be included in the inner space of the carbon tube.

かかるナノスケールカーボンチューブとしては、
(I)単層カーボンナノチューブ又は多層カーボンナノチューブ、
(II)本出願人が開発したアモルファスナノスケールカーボンチューブ、
(III)ナノフレークカーボンチューブ、
(IV)(a)ナノフレークカーボンチューブ及び入れ子構造の多層カーボンナノチューブよりなる群から選ばれるカーボンチューブと(b)炭化鉄又は鉄とからなり、該カーボンチューブ(a)のチューブ内空間部の10〜90%の範囲に(b)の炭化鉄又は鉄が充填されている鉄−炭素複合体、
(V)これらの2種以上の混合物
等を例示することができる。
As such a nanoscale carbon tube,
(I) single-walled carbon nanotubes or multi-walled carbon nanotubes,
(II) an amorphous nanoscale carbon tube developed by the present applicant,
(III) Nano flake carbon tube,
(IV) (a) a carbon tube selected from the group consisting of nano-flake carbon tubes and nested multi-walled carbon nanotubes and (b) iron carbide or iron, and 10 of the space in the tube of the carbon tube (a) An iron-carbon composite filled with iron carbide or iron of (b) in a range of -90%;
(V) These 2 or more types of mixtures etc. can be illustrated.

カーボンナノチューブ(I)は、黒鉛シート(即ち、黒鉛構造の炭素原子面ないしグラフェンシート)がチューブ状に閉じた中空炭素物質であり、その直径はナノメートルスケールであり、壁構造は黒鉛構造を有している。カーボンナノチューブ(I)のうち、壁構造が一枚の黒鉛シートでチューブ状に閉じたものは単層カーボンナノチューブと呼ばれ、複数枚の黒鉛シートがそれぞれチューブ状に閉じて、入れ子状になっているものは入れ子構造の多層カーボンナノチューブと呼ばれている。本発明では、これら単層カーボンナノチューブ及び入れ子構造の多層カーボンナノチューブがいずれも使用できる。   The carbon nanotube (I) is a hollow carbon material in which a graphite sheet (that is, a carbon atom plane or graphene sheet having a graphite structure) is closed like a tube, its diameter is nanometer scale, and the wall structure has a graphite structure. is doing. Among the carbon nanotubes (I), those whose wall structure is closed in a tube shape with a single graphite sheet are called single-walled carbon nanotubes, and each of a plurality of graphite sheets is closed in a tube shape and is nested. What is present is called a nested multi-walled carbon nanotube. In the present invention, both of these single-walled carbon nanotubes and nested multi-walled carbon nanotubes can be used.

単層カーボンナノチューブとしては、長軸に直交する平均直径が1〜10nm程度、長軸の平均長さが0.1〜500μm程度、平均アスペクト比が10〜500000程度のものが好ましく、長軸に直交する平均直径が1〜10nm程度、長軸の平均長さが0.1〜500μm程度、平均アスペクト比が10〜50000程度のものがより好ましい。   The single-walled carbon nanotube preferably has an average diameter orthogonal to the major axis of about 1 to 10 nm, an average length of the major axis of about 0.1 to 500 μm, and an average aspect ratio of about 10 to 500,000. More preferably, the average diameter orthogonal to each other is about 1 to 10 nm, the average length of the major axis is about 0.1 to 500 μm, and the average aspect ratio is about 10 to 50,000.

また、入れ子構造の多層カーボンナノチューブとしては、長軸に直交する平均直径が1〜100nm程度、長軸の平均長さが0.1〜500μm程度、平均アスペクト比が1〜500000程度のものが好ましく、長軸に直交する平均直径が1〜100nm程度、長軸の平均長さが0.1〜500μm程度、平均アスペクト比が5〜10000程度のものがより好ましい。   The nested multi-wall carbon nanotubes preferably have an average diameter orthogonal to the major axis of about 1 to 100 nm, an average length of the major axis of about 0.1 to 500 μm, and an average aspect ratio of about 1 to 500,000. More preferably, the average diameter orthogonal to the major axis is about 1 to 100 nm, the average length of the major axis is about 0.1 to 500 μm, and the average aspect ratio is about 5 to 10,000.

また、アモルファスナノスケールカーボンチューブ(II)は、WO00/40509(日本国特許第3355442号)に記載されており、カーボンからなる主骨格を有し、直径が0.1〜1000nmであり、アモルファス構造を有するナノスケールカーボンチューブであって、直線状の形態を有し、X線回折法(入射X線:CuKα)において、ディフラクトメーター法により測定される炭素網平面(002)の平面間隔(d002)が3.54Å以上、特に3.7Å以上であり、回折角度(2θ)が25.1度以下、特に24.1度以下であり、2θバンドの半値幅が3.2度以上、特に7.0度以上であることを特徴とするものである。   The amorphous nanoscale carbon tube (II) is described in WO00 / 40509 (Japanese Patent No. 3355442), has a main skeleton made of carbon, has a diameter of 0.1 to 1000 nm, and has an amorphous structure. A nanoscale carbon tube having a linear shape and having a plane interval (d002) of a carbon network plane (002) measured by a diffractometer method in an X-ray diffraction method (incident X-ray: CuKα) ) Is 3.54 mm or more, particularly 3.7 mm or more, the diffraction angle (2θ) is 25.1 degrees or less, particularly 24.1 degrees or less, and the full width at half maximum of the 2θ band is 3.2 degrees or more, particularly 7 .0 degrees or more.

該アモルファスナノスケールカーボンチューブ(II)は、マグネシウム、鉄、コバルト、ニッケル等の金属の塩化物の少なくとも1種からなる触媒の存在下で、分解温度が200〜900℃である熱分解性樹脂、例えば、ポリテトラフルオロエチレン、ポリ塩化ビニリデン、ポリフッ化ビニリデン、ポリビニルアルコール等を、励起処理することにより得られる。   The amorphous nanoscale carbon tube (II) is a thermally decomposable resin having a decomposition temperature of 200 to 900 ° C. in the presence of a catalyst comprising at least one metal chloride such as magnesium, iron, cobalt, nickel, etc. For example, it can be obtained by exciting polytetrafluoroethylene, polyvinylidene chloride, polyvinylidene fluoride, polyvinyl alcohol or the like.

出発原料としての熱分解性樹脂の形状は、フィルム状乃至シート状、粉末状、塊状等の任意の形状であって良い。例えば、基板上に薄膜化アモルファスナノスケールカーボンチューブを形成させた炭素材料を得る場合には、基板上に熱分解性樹脂を塗布あるいは載置した状態で、適切な条件下に励起処理すればよい。   The shape of the thermally decomposable resin as a starting material may be any shape such as a film shape, a sheet shape, a powder shape, or a lump shape. For example, when obtaining a carbon material in which a thin amorphous nanoscale carbon tube is formed on a substrate, excitation treatment may be performed under appropriate conditions with a thermally decomposable resin applied or placed on the substrate. .

該励起処理としては、例えば、不活性雰囲気中、好ましくは450〜1800℃程度の温度域でかつ原料の熱分解温度以上で加熱する、室温〜3000℃程度の温度域でかつ原料の熱分解温度以上でプラズマ処理する等の処理が例示できる。   As the excitation treatment, for example, heating is performed in an inert atmosphere, preferably in a temperature range of about 450 to 1800 ° C. and at or above the thermal decomposition temperature of the raw material, and in a temperature range of about room temperature to about 3000 ° C. and the thermal decomposition temperature of the raw material. The process of plasma processing etc. can be illustrated by the above.

アモルファスナノスケールカーボンチューブ(II)は、アモルファス構造(非晶質構造)を有するナノスケールのカーボンナノチューブで、中空直線状であり、細孔が高度に制御されている。その形状は、主に円柱、四角柱などであり、先端の少なくとも一方が、キャップを有していない(開口している)場合が多い。先端が閉口している場合には、形状がフラット状である場合が多い。   The amorphous nanoscale carbon tube (II) is a nanoscale carbon nanotube having an amorphous structure (amorphous structure), has a hollow linear shape, and has a highly controlled pore. The shape is mainly a cylinder, a quadrangular prism, etc., and at least one of the tips often has no cap (open). When the tip is closed, the shape is often flat.

該アモルファスナノスケールカーボンチューブ(II)としては、平均外径が1〜100nm程度、平均長さが0.1〜1000μm程度、平均アスペクト比が1〜1000000程度のものが好ましく、平均外径が1〜100nm程度、平均長さが0.1〜1000μm程度、平均アスペクト比が5〜10000程度のものがより好ましい。   The amorphous nanoscale carbon tube (II) preferably has an average outer diameter of about 1 to 100 nm, an average length of about 0.1 to 1000 μm, an average aspect ratio of about 1 to 1000000, and an average outer diameter of 1. It is more preferable that the average length is about 0.1 to 1000 μm, and the average aspect ratio is about 5 to 10,000.

ここで、「アモルファス構造」とは、規則的に配列した炭素原子の連続的な炭素層からなる黒鉛質構造ではなく、不規則な炭素網平面からなる炭素質構造を意味し、多数の微細なグラフェンシートが不規則に配列している。代表的な分析手法である透過型電子顕微鏡による像からは、本発明による非晶質構造のナノスケールカーボンチューブは、炭素網平面の平面方向の広がりがアモルファスナノスケールカーボンチューブ(II)の直径の1倍より小さい。このように、アモルファスナノスケールカーボンチューブ(II)は、その壁部が黒鉛構造ではなく多数の微細なグラフェンシート(炭素網面)が不規則に分布したアモルファス構造を有しているため、最外層を構成する炭素網面は、チューブ長手方向の全長にわたって連続しておらず、不連続となっている。特に、最外層を構成する炭素網面の長さは、20nm未満、特に5nm未満である。   Here, “amorphous structure” means a carbonaceous structure consisting of an irregular carbon network plane, not a graphite structure consisting of a continuous carbon layer of regularly arranged carbon atoms. The graphene sheets are irregularly arranged. From an image obtained by a transmission electron microscope, which is a typical analysis technique, the nanoscale carbon tube having an amorphous structure according to the present invention has a planar extent of the carbon network plane of the diameter of the amorphous nanoscale carbon tube (II). Less than 1 time. As described above, the amorphous nanoscale carbon tube (II) has an amorphous structure in which a large number of fine graphene sheets (carbon network surface) are irregularly distributed instead of a graphite structure on the wall portion. Is not continuous over the entire length in the tube longitudinal direction, but is discontinuous. In particular, the length of the carbon network surface constituting the outermost layer is less than 20 nm, particularly less than 5 nm.

非晶質炭素は一般的にはX線回折を示さないが、ブロードな反射を示す。黒鉛質構造では、炭素網平面が規則的に積み重なっているので、炭素網平面間隔(d002)が狭くなり、ブロードな反射は高角側(2θ)に移行して、次第に鋭くなり(2θバンドの半値幅が狭くなり)、d002回折線として観測できるようになる(黒鉛的位置関係で規則正しく積み重なっている場合はd002=3.354Åである)。 Amorphous carbon generally does not exhibit X-ray diffraction, but exhibits broad reflection. In the graphitic structure, the carbon mesh planes are regularly stacked, so the carbon mesh plane spacing (d 002 ) is narrowed, and the broad reflection shifts to the high angle side (2θ) and becomes gradually sharper (in the 2θ band). The full width at half maximum becomes narrower), and it can be observed as a d 002 diffraction line (d 002 = 3.354 mm when regularly stacked due to the graphite positional relationship).

これに対し、非晶質構造は、上記のように一般的にはX線による回折を示さないが、部分的に非常に弱い干渉性散乱を示す。X線回折法(入射X線=CuKα)において、ディフラクトメーター法により測定される本発明によるアモルファスナノスケールカーボンチューブ(II)の理論的な結晶学的特性は、以下の様に規定される:炭素網平面間隔(d002)は、3.54Å以上であり、より好ましくは3.7Å以上である;回折角度(2θ)は、25.1度以下であり、より好ましくは24.1度以下である;前記2θバンドの半値幅は、3.2度以上であり、より好ましくは7.0度以上である。 In contrast, an amorphous structure generally does not exhibit X-ray diffraction as described above, but partially exhibits very weak coherent scattering. The theoretical crystallographic characteristics of the amorphous nanoscale carbon tube (II) according to the present invention measured by the diffractometer method in the X-ray diffraction method (incident X-ray = CuKα) are defined as follows: The carbon mesh plane spacing (d 002 ) is 3.54 mm or more, more preferably 3.7 mm or more; the diffraction angle (2θ) is 25.1 degrees or less, more preferably 24.1 degrees or less. The half width of the 2θ band is 3.2 degrees or more, more preferably 7.0 degrees or more.

典型的には、アモルファスナノスケールカーボンチューブ(II)は、X線回折による回折角度(2θ)が18.9〜22.6度の範囲内にあり、炭素網平面間隔(d002)は3.9〜4.7Åの範囲内にあり、2θバンドの半値幅は7.6〜8.2度の範囲内にある。 Typically, the amorphous nanoscale carbon tube (II) has a diffraction angle (2θ) by X-ray diffraction in the range of 18.9 to 22.6 degrees, and the carbon network plane spacing (d 002 ) is 3. The half-width of the 2θ band is in the range of 7.6 to 8.2 degrees.

アモルファスナノスケールカーボンチューブ(II)の形状を表す一つの用語である「直線状」なる語句は、次のように定義される。すなわち、透過型電子顕微鏡によるアモルファスナノスケールカーボンチューブ(II)像の長さをLとし、そのアモルファスナノスケールカーボンチューブ(II)を伸ばした時の長さをLとした場合に、L/Lが0.9以上となる形状特性を意味するものとする。 The term “straight” which is one term representing the shape of the amorphous nanoscale carbon tube (II) is defined as follows. That is, when the length of a transmission electron microscope according amorphous nanoscale carbon tubes (II) image is L, the length of time that extended the amorphous nanoscale carbon tubes (II) was L 0, L / L It shall mean a shape characteristic in which 0 is 0.9 or more.

かかるアモルファスナノスケールカーボンチューブ(II)のチューブ壁部分は、あらゆる方向に配向した複数の微細な炭素網平面(グラフェンシート)からなる非晶質構造であり、これらの炭素網平面の炭素平面間隔により活性点を有するためか、樹脂との親和性に優れているという利点を有する。   The tube wall portion of the amorphous nanoscale carbon tube (II) has an amorphous structure composed of a plurality of fine carbon network planes (graphene sheets) oriented in all directions. It has an advantage that it has an active point or is excellent in affinity with the resin.

また、鉄−炭素複合体(IV)は、特開2002−338220号公報(特許第3569806号)に記載されており、(a)ナノフレークカーボンチューブ及び入れ子構造の多層カーボンナノチューブよりなる群から選ばれるカーボンチューブと(b)炭化鉄又は鉄とからなり、該カーボンチューブ(a)のチューブ内空間部の10〜90%の範囲に(b)の炭化鉄又は鉄が充填されている。即ち、チューブ内空間部の100%の範囲に完全に充填されているものではなく、上記炭化鉄又は鉄がそのチューブ内空間部の10〜90%の範囲に充填されている(即ち、部分的に充填されている)ことを特徴とするものである。壁部は、パッチワーク状ないし張り子状(いわゆるpaper mache状)のナノフレークカーボンチューブである。   Further, the iron-carbon composite (IV) is described in JP-A No. 2002-338220 (Patent No. 3569806), and is selected from the group consisting of (a) nano-flake carbon tubes and nested multi-layer carbon nanotubes. And (b) iron carbide or iron. The carbon tube (a) is filled with iron carbide or iron (b) in a range of 10 to 90% of the space in the tube. That is, 100% of the space in the tube is not completely filled, and the iron carbide or iron is filled in the range of 10 to 90% of the space in the tube (that is, partially). It is characterized in that it is filled in). The wall portion is a patchwork-like or machete-like (so-called paper match-like) nanoflake carbon tube.

本明細書において、「ナノフレークカーボンチューブ」とは、フレーク状の黒鉛シートが複数枚(通常は多数)パッチワーク状ないし張り子状(paper mache状)に集合して構成されている、黒鉛シートの集合体からなる炭素製チューブを指す。   In this specification, the “nano flake carbon tube” is a graphite sheet composed of a plurality of (usually many) flake-like graphite sheets assembled in a patchwork shape or a papier-like shape. It refers to a carbon tube made of aggregate.

かかる鉄−炭素複合体(IV)は、特開2002−338220号公報に記載の方法に従って、
(1)不活性ガス雰囲気中、圧力を10−5Pa〜200kPaに調整し、反応炉内の酸素濃度を、反応炉容積をA(リットル)とし酸素量をB(Ncc)とした場合の比B/Aが1×10−10〜1×10−1となる濃度に調整した反応炉内でハロゲン化鉄を600〜900℃まで加熱する工程、及び
(2)上記反応炉内に不活性ガスを導入し、圧力10−5Pa〜200kPaで熱分解性炭素源を導入して600〜900℃で加熱処理を行う工程
を包含する製造方法により製造される。
Such iron-carbon composite (IV) is obtained according to the method described in JP-A-2002-338220.
(1) Ratio when the pressure is adjusted to 10 −5 Pa to 200 kPa in an inert gas atmosphere, the oxygen concentration in the reactor is A (liter), and the oxygen amount is B (Ncc). A step of heating the iron halide to 600 to 900 ° C. in a reaction furnace adjusted to a concentration at which B / A is 1 × 10 −10 to 1 × 10 −1 ; and (2) an inert gas in the reaction furnace. And a heat decomposable carbon source is introduced at a pressure of 10 −5 Pa to 200 kPa and a heat treatment is performed at 600 to 900 ° C.

ここで、酸素量Bの単位である「Ncc」は、気体の25℃での標準状態に換算したときの体積(cc)という意味である。   Here, “Ncc”, which is a unit of the oxygen amount B, means a volume (cc) when converted to a standard state of gas at 25 ° C.

該鉄−炭素複合体(IV)は、(a)ナノフレークカーボンチューブ及び入れ子構造の多層カーボンナノチューブよりなる群から選ばれるカーボンチューブと(b)炭化鉄又は鉄とからなるものであって、該カーボンチューブ内空間部(即ち、チューブ壁で囲まれた空間)の実質上全てが充填されているのではなく、該空間部の一部、より具体的には10〜90%程度、特に30〜80%程度、好ましくは40〜70%程度が炭化鉄又は鉄により充填されている。   The iron-carbon composite (IV) is composed of (a) a carbon tube selected from the group consisting of nano flake carbon tubes and nested multi-walled carbon nanotubes, and (b) iron carbide or iron, The space inside the carbon tube (that is, the space surrounded by the tube wall) is not completely filled, but a part of the space, more specifically about 10 to 90%, especially 30 to About 80%, preferably about 40 to 70%, is filled with iron carbide or iron.

鉄−炭素複合体(IV)においては、特開2002−338220号公報に記載されているように、炭素部分は、製造工程(1)及び(2)を行った後、特定の速度で冷却するとナノフレークカーボンチューブとなり、製造工程(1)及び(2)を行った後、不活性気体中で加熱処理を行い、特定の冷却速度で冷却することにより、入れ子構造の多層カーボンナノチューブとなる。   In the iron-carbon composite (IV), as described in JP-A-2002-338220, the carbon portion is cooled at a specific rate after the production steps (1) and (2) are performed. It becomes a nano flake carbon tube, and after performing manufacturing process (1) and (2), it heat-processes in inert gas, and becomes a multi-layer carbon nanotube of a nested structure by cooling with a specific cooling rate.

ナノフレークカーボンチューブ(a−1)と炭化鉄又は鉄(b)からなる鉄−炭素複合体(IV)は、典型的には円柱状であるが、そのような円柱状の鉄−炭素複合体(特開2002−338220号公報の実施例1で得られたもの)の長手方向にほぼ垂直な断面の透過型電子顕微鏡(TEM)写真を図3に示し、側面のTEM写真を図1に示す。   The iron-carbon composite (IV) composed of the nano flake carbon tube (a-1) and iron carbide or iron (b) is typically cylindrical, but such a cylindrical iron-carbon composite. FIG. 3 shows a transmission electron microscope (TEM) photograph of a cross section substantially perpendicular to the longitudinal direction (obtained in Example 1 of JP-A-2002-338220), and FIG. 1 shows a side TEM photograph. .

また、図4の(a−1)にそのような円柱状のナノフレークカーボンチューブのTEM像の模式図を示す。図4の(a−1)において、100は、ナノフレークカーボンチューブの長手方向のTEM像を模式的に示しており、200は、ナノフレークカーボンチューブの長手方向にほぼ垂直な断面のTEM像を模式的に示している。   Moreover, the schematic diagram of the TEM image of such a cylindrical nano flake carbon tube is shown to (a-1) of FIG. In (a-1) of FIG. 4, 100 schematically shows a TEM image in the longitudinal direction of the nano flake carbon tube, and 200 shows a TEM image in a cross section substantially perpendicular to the longitudinal direction of the nano flake carbon tube. This is shown schematically.

鉄−炭素複合体(IV)を構成するナノフレークカーボンチューブ(a−1)は、代表的には、中空円筒状の形態を有し、その断面をTEM観察した場合、弧状グラフェンシート像が同心円状に集合しており、個々のグラフェンシート像は、不連続な環を形成しており、その長手方向をTEMで観察した場合、略直線状のグラフェンシート像が、長手方向にほぼ並行に多層状に配列しており、個々のグラフェンシート像は、長手方向全長にわたって連続しておらず、不連続となっているという特徴を有している。   The nano flake carbon tube (a-1) constituting the iron-carbon composite (IV) typically has a hollow cylindrical shape, and when the cross section is observed by TEM, the arc-shaped graphene sheet image is concentric. Each graphene sheet image forms a discontinuous ring. When the longitudinal direction of the graphene sheet image is observed with a TEM, a substantially straight graphene sheet image has many parallel to the longitudinal direction. The graphene sheet images are arranged in layers, and each graphene sheet image has a feature that it is not continuous over the entire length in the longitudinal direction but is discontinuous.

より詳しくは、鉄−炭素複合体(IV)を構成しているナノフレークカーボンチューブ(a−1)は、図3及び図4の(a−1)の200から明らかなように、その長手方向に垂直な断面をTEM観察した場合、多数の弧状グラフェンシート像が同心円状(多層構造のチューブ状)に集合しているが、個々のグラフェンシート像は、例えば210、214に示すように、完全に閉じた連続的な環を形成しておらず、途中で途切れた不連続な環を形成している。一部のグラフェンシート像は、211に示すように、分岐している場合もある。不連続点においては、一つの不連続環を構成する複数の弧状TEM像は、図4の(a−1)の222に示すように、層構造が部分的に乱れている場合もあれば、223に示すように隣接するグラフェンシート像との間に間隔が存在している場合もあるが、TEMで観察される多数の弧状グラフェンシート像は、全体として、多層状のチューブ構造を形成している。   More specifically, the nano flake carbon tube (a-1) constituting the iron-carbon composite (IV) has a longitudinal direction as apparent from 200 in FIGS. 3 and 4 (a-1). When the cross section perpendicular to the TEM is observed by a TEM, a large number of arc-shaped graphene sheet images are concentrically (multi-layered tube shape), but each graphene sheet image is a complete image as shown in 210 and 214, for example. A closed ring is not formed, but a discontinuous ring is formed. Some graphene sheet images may be branched as indicated by 211. At the discontinuity point, the plurality of arc-shaped TEM images constituting one discontinuous ring may have a partially disturbed layer structure as indicated by 222 in FIG. As shown in 223, there may be a gap between adjacent graphene sheet images, but a large number of arc-shaped graphene sheet images observed by TEM form a multilayer tube structure as a whole. Yes.

また、図1及び図4の(a−1)の100から明らかなように、ナノフレークカーボンチューブ(a−1)の長手方向をTEMで観察した場合、多数の略直線状のグラフェンシート像が本発明で使用する鉄−炭素複合体(IV)の長手方向にほぼ並行に多層状に配列しているが、個々のグラフェンシート像110は、鉄−炭素複合体(IV)の長手方向全長にわたって連続しておらず、途中で不連続となっている。一部のグラフェンシート像は、図4の(a−1)の111に示すように、分岐している場合もある。また、不連続点においては、層状に配列したTEM像のうち、一つの不連続層のTEM像は、図4の(a−1)の112に示すように、隣接するグラフェンシート像と少なくとも部分的に重なり合っている場合もあれば、113に示すように隣接するグラフェンシート像と少し離れている場合もあるが、多数の略直線状のTEM像が、全体として多層構造を形成している。   Further, as apparent from 100 of FIGS. 1 and 4 (a-1), when the longitudinal direction of the nano flake carbon tube (a-1) is observed with a TEM, a large number of substantially linear graphene sheet images are obtained. The graphene sheet images 110 are arranged over the entire length in the longitudinal direction of the iron-carbon composite (IV), although the graphene sheet images 110 are arranged in multiple layers substantially parallel to the longitudinal direction of the iron-carbon composite (IV) used in the present invention. It is not continuous and is discontinuous along the way. Some graphene sheet images may be branched as indicated by reference numeral 111 in FIG. Further, at the discontinuous point, among the TEM images arranged in a layered manner, the TEM image of one discontinuous layer is at least partly adjacent to the adjacent graphene sheet image as indicated by 112 in (a-1) of FIG. In some cases, they may overlap each other or may be slightly separated from adjacent graphene sheet images as indicated by 113, but a large number of substantially linear TEM images form a multilayer structure as a whole.

かかるナノフレークカーボンチューブ(a−1)の構造は、従来の多層カーボンナノチューブと大きく異なっている。即ち、図4の(a−2)の400に示すように、入れ子構造の多層カーボンナノチューブ(a−2)は、その長手方向に垂直な断面のTEM像が、410に示すように、実質上完全な円形のTEM像となっている同心円状のチューブであり、且つ、図4の(a−2)の300に示すように、その長手方向の全長にわたって連続する直線状グラフェンシート像310等が平行に配列している構造(同心円筒状ないし入れ子状の構造)である。   The structure of the nano flake carbon tube (a-1) is greatly different from the conventional multi-walled carbon nanotube. That is, as indicated by reference numeral 400 in FIG. 4A-2, the multi-walled carbon nanotube (a-2) having a nested structure has substantially a TEM image of a cross section perpendicular to the longitudinal direction, as indicated by reference numeral 410. As shown by 300 in FIG. 4 (a-2), a straight graphene sheet image 310, etc., which is a concentric tube that is a complete circular TEM image, is continuous over the entire length in the longitudinal direction. It is a structure arranged in parallel (concentric cylindrical or nested structure).

以上より、詳細は未だ完全には解明されていないが、鉄−炭素複合体(IV)を構成するナノフレークカーボンチューブ(a−1)は、フレーク状のグラフェンシートが多数パッチワーク状ないし張り子状に重なり合って全体としてチューブを形成しているようにみえる。   Although the details have not been fully elucidated yet, the nano-flake carbon tube (a-1) constituting the iron-carbon composite (IV) has a large number of flake-like graphene sheets in the form of patchwork or tension. It seems to form a tube as a whole.

このようなナノフレークカーボンチューブ(a−1)とそのチューブ内空間部に内包された炭化鉄又は鉄(b)からなる鉄−炭素複合体(IV)は、特許第2546114号に記載されているような入れ子構造の多層カーボンナノチューブ(a−2)のチューブ内空間部に金属が内包された複合体に比し、カーボンチューブの構造において大きく異なっている。   Such a nano flake carbon tube (a-1) and an iron-carbon composite (IV) made of iron carbide or iron (b) encapsulated in the space in the tube are described in Japanese Patent No. 2546114. The structure of the carbon tube is greatly different from that of the composite in which the metal is included in the space in the tube of the multi-walled carbon nanotube (a-2) having such a nested structure.

鉄−炭素複合体(IV)を構成しているナノフレークカーボンチューブ(a−1)をTEM観察した場合において、その長手方向に配向している多数の略直線状のグラフェンシート像に関し、個々のグラフェンシート像の長さは、通常、2〜500nm程度、特に10〜100nm程度である。即ち、図4の(a−1)の100に示されるように、110で示される略直線状のグラフェンシートのTEM像が多数集まってナノフレークカーボンチューブ(a−1)の壁部のTEM像を構成しており、個々の略直線状のグラフェンシート像の長さは、通常、2〜500nm程度、特に10〜100nm程度である。   When the nano-flake carbon tube (a-1) constituting the iron-carbon composite (IV) is observed with a TEM, each of the substantially linear graphene sheet images oriented in the longitudinal direction is individually The length of the graphene sheet image is usually about 2 to 500 nm, particularly about 10 to 100 nm. That is, as indicated by 100 in (a-1) of FIG. 4, a large number of TEM images of the substantially linear graphene sheet indicated by 110 are gathered to obtain a TEM image of the wall portion of the nanoflake carbon tube (a-1). The length of each substantially linear graphene sheet image is usually about 2 to 500 nm, particularly about 10 to 100 nm.

このように、鉄−炭素複合体(IV)においては、その壁部を構成するナノフレークカーボンチューブ(a−1)の最外層は、チューブ長手方向の全長にわたって連続していない不連続なグラフェンシートから形成されており、その最外面の炭素網面の長さは、通常、2〜500nm程度、特に10〜100nm程度である。   Thus, in the iron-carbon composite (IV), the outermost layer of the nano flake carbon tube (a-1) constituting the wall portion is a discontinuous graphene sheet that is not continuous over the entire length in the tube longitudinal direction. The length of the outermost carbon network surface is usually about 2 to 500 nm, particularly about 10 to 100 nm.

鉄−炭素複合体(IV)を構成するナノフレークカーボンチューブ(a−1)の壁部の炭素部分は、上記のようにフレーク状のグラフェンシートが多数長手方向に配向して全体としてチューブ状となっているが、X線回折法により測定した場合に、炭素網面間の平均距離(d002)が0.34nm以下の黒鉛質構造を有するものである。 The carbon portion of the wall portion of the nano-flake carbon tube (a-1) constituting the iron-carbon composite (IV) has a tube-like shape as a whole with a plurality of flake-shaped graphene sheets oriented in the longitudinal direction as described above. However, when measured by the X-ray diffraction method, the carbon fiber has an average distance (d 002 ) between the carbon network surfaces of 0.34 nm or less.

また、鉄−炭素複合体(IV)のナノフレークカーボンチューブ(a−1)からなる壁部の厚さは、49nm以下、特に0.1〜20nm程度、好ましくは1〜10nm程度であって、全長に亘って実質的に均一である。   Further, the thickness of the wall portion made of the nano-flake carbon tube (a-1) of the iron-carbon composite (IV) is 49 nm or less, particularly about 0.1 to 20 nm, preferably about 1 to 10 nm, It is substantially uniform over the entire length.

前記のように、工程(1)及び(2)を行った後、特定の加熱工程を行うことにより、得られる鉄−炭素複合体(IV)を構成するカーボンチューブは、入れ子構造の多層カーボンナノチューブ(a−2)となる。   As described above, the carbon tube constituting the iron-carbon composite (IV) obtained by performing the specific heating step after performing the steps (1) and (2) is a multi-layer carbon nanotube having a nested structure. (A-2).

こうして得られる入れ子構造の多層カーボンナノチューブ(a−2)は、図4の(a−2)の400に示すように、その長手方向に垂直な断面のTEM像が実質的に完全な円を構成する同心円状のチューブであり、且つ、その長手方向の全長にわたって連続したグラフェンシート像が平行に配列している構造(同心円筒状ないし入れ子状の構造)である。   In the nested multi-walled carbon nanotube (a-2) thus obtained, a TEM image of a cross section perpendicular to the longitudinal direction forms a substantially complete circle, as indicated by 400 in FIG. 4 (a-2). And a graphene sheet image that is continuous over the entire length in the longitudinal direction thereof is arranged in parallel (a concentric cylindrical or nested structure).

鉄−炭素複合体(IV)を構成する入れ子構造の多層カーボンナノチューブ(a−2)の壁部の炭素部分は、X線回折法により測定した場合に、炭素網面間の平均距離(d002)が0.34nm以下の黒鉛質構造を有するものである。 The carbon portion of the wall portion of the multi-walled carbon nanotube (a-2) having a nested structure constituting the iron-carbon composite (IV) has an average distance (d 002) between the carbon network surfaces when measured by an X-ray diffraction method. ) Has a graphite structure of 0.34 nm or less.

また、鉄−炭素複合体(IV)の入れ子構造の多層カーボンナノチューブ(a−2)からなる壁部の厚さは、49nm以下、特に0.1〜20nm程度、好ましくは1〜10nm程度であって、全長に亘って実質的に均一である。   Further, the thickness of the wall portion composed of the multi-walled carbon nanotube (a-2) having a nested structure of the iron-carbon composite (IV) is 49 nm or less, particularly about 0.1 to 20 nm, preferably about 1 to 10 nm. And substantially uniform over the entire length.

本明細書において、上記ナノフレークカーボンチューブ(a−1)及び入れ子構造の多層カーボンナノチューブ(a−2)よりなる群から選ばれるカーボンチューブ内空間部の炭化鉄又は鉄(b)による充填率(10〜90%)は、鉄−炭素複合体(IV)を透過型電子顕微鏡で観察し、各カーボンチューブの空間部(即ち、カーボンチューブのチューブ壁で囲まれた空間)の像の面積に対する、炭化鉄又は鉄(b)が充填されている部分の像の面積の割合である。   In the present specification, the filling ratio of the space portion in the carbon tube selected from the group consisting of the nano flake carbon tube (a-1) and the multi-layer carbon nanotube (a-2) with a nested structure by iron carbide or iron (b) ( 10 to 90%), the iron-carbon composite (IV) is observed with a transmission electron microscope, and the area of the image of the space of each carbon tube (that is, the space surrounded by the tube wall of the carbon tube), It is the ratio of the area of the image of the part filled with iron carbide or iron (b).

炭化鉄又は鉄(b)の充填形態は、カーボンチューブ内空間部に連続的に充填されている形態、カーボンチューブ内空間部に断続的に充填されている形態等があるが、基本的には断続的に充填されている。従って、鉄−炭素複合体(IV)は、金属内包炭素複合体ないし鉄化合物内包炭素複合体、炭化鉄又は鉄内包炭素複合体とも言うべきものである。   As for the filling form of iron carbide or iron (b), there are a form in which the space in the carbon tube is continuously filled, a form in which the space in the carbon tube is intermittently filled, etc. Filled intermittently. Therefore, the iron-carbon composite (IV) should also be referred to as a metal-encapsulated carbon complex, an iron compound-encapsulated carbon complex, iron carbide, or an iron-encapsulated carbon complex.

また、鉄−炭素複合体(IV)に内包されている炭化鉄又は鉄(b)は、カーボンチューブの長手方向に配向しており、結晶性が高く、炭化鉄又は鉄(b)が充填されている範囲のTEM像の面積に対する、結晶性炭化鉄又は鉄(b)のTEM像の面積の割合(以下「結晶化率」という)は、一般に、90〜100%程度、特に95〜100%程度である。   The iron carbide or iron (b) included in the iron-carbon composite (IV) is oriented in the longitudinal direction of the carbon tube, has high crystallinity, and is filled with iron carbide or iron (b). The ratio of the area of the TEM image of crystalline iron carbide or iron (b) to the area of the TEM image in the range (hereinafter referred to as “crystallization rate”) is generally about 90 to 100%, particularly 95 to 100%. Degree.

内包されている炭化鉄又は鉄(b)の結晶性が高いことは、鉄−炭素複合体(IV)の側面からTEM観察した場合、内包物のTEM像が格子状に配列していることから明らかであり、電子線回折において明確な回折パターンが得られることからも明らかである。   The high crystallinity of the iron carbide or iron (b) encapsulated means that the TEM images of the inclusions are arranged in a lattice when observed from the side of the iron-carbon composite (IV). It is clear, and it is also clear from the fact that a clear diffraction pattern is obtained in electron beam diffraction.

また、鉄−炭素複合体(IV)に炭化鉄又は鉄(b)が内包されていることは、電子顕微鏡、EDX(エネルギー分散型X線検出器)により容易に確認することができる。   Further, the inclusion of iron carbide or iron (b) in the iron-carbon composite (IV) can be easily confirmed by an electron microscope and EDX (energy dispersive X-ray detector).

本発明で使用できる鉄−炭素複合体(IV)は、湾曲が少なく、直線状であり、壁部の厚さが全長に亘ってほぼ一定の均一厚さを有しているので、全長に亘って均質な形状を有している。その形状は、柱状で、主に円柱状である。   The iron-carbon composite (IV) that can be used in the present invention is less curved, linear, and has a uniform thickness over the entire length of the wall portion. And has a homogeneous shape. The shape is columnar and mainly cylindrical.

該鉄−炭素複合体(IV)としては、平均外径が1〜100nm程度、平均長さが0.1〜1000μm程度、平均アスペクト比が1〜1000000程度のものが好ましく、平均外径が1〜100nm程度、平均長さが0.1〜1000μm程度、平均アスペクト比が5〜10000程度のものがより好ましい。   The iron-carbon composite (IV) preferably has an average outer diameter of about 1 to 100 nm, an average length of about 0.1 to 1000 μm, an average aspect ratio of about 1 to 1000000, and an average outer diameter of 1. It is more preferable that the average length is about 0.1 to 1000 μm, and the average aspect ratio is about 5 to 10,000.

鉄−炭素複合体(IV)の形状を表す一つの用語である「直線状」なる語句は、次のように定義される。即ち、透過型電子顕微鏡により鉄−炭素複合体(IV)を含む炭素質材料を200〜2000nm四方の範囲で観察し、像の長さをWとし、該像を直線状に伸ばした時の長さをWoとした場合に、比W/Woが、0.8以上、特に、0.9以上となる形状特性を意味するものとする。   The term “linear”, which is one term representing the shape of the iron-carbon composite (IV), is defined as follows. That is, a carbonaceous material containing an iron-carbon composite (IV) is observed in a range of 200 to 2000 nm by a transmission electron microscope, the length of the image is W, and the length when the image is linearly extended When the thickness is Wo, it means a shape characteristic in which the ratio W / Wo is 0.8 or more, particularly 0.9 or more.

鉄−炭素複合体(IV)は、バルク材料としてみた場合、次の性質を有する。即ち、本発明では、上記のようなナノフレークカーボンチューブ(a−1)及び入れ子構造の多層カーボンナノチューブ(a−2)から選ばれるカーボンチューブのチューブ内空間部の10〜90%の範囲に鉄または炭化鉄(b)が充填されている鉄−炭素複合体(IV)は、顕微鏡観察によりかろうじて観察できる程度の微量ではなく、多数の該鉄−炭素複合体(IV)を含むバルク材料であって、鉄−炭素複合体(IV)を含む炭素質材料、或いは、炭化鉄又は鉄内包炭素質材料ともいうべき材料の形態で大量に得られる。   The iron-carbon composite (IV) has the following properties when viewed as a bulk material. That is, in the present invention, iron is contained in a range of 10 to 90% of the space in the tube of the carbon tube selected from the nano flake carbon tube (a-1) and the multi-walled carbon nanotube (a-2) having the nested structure as described above. Alternatively, the iron-carbon composite (IV) filled with iron carbide (b) is not a trace amount that can be barely observed by microscopic observation, but is a bulk material containing a large number of the iron-carbon composite (IV). Thus, it is obtained in a large amount in the form of a carbonaceous material containing an iron-carbon composite (IV), or a material to be called iron carbide or an iron-containing carbonaceous material.

特開2002−338220号公報の実施例1で製造されたナノフレークカーボンチューブ(a−1)とそのチューブ内空間部に充填された炭化鉄(b)からなる炭素質材料の電子顕微鏡写真を、図2に示す。   An electron micrograph of a carbonaceous material composed of the nano-flake carbon tube (a-1) produced in Example 1 of JP-A-2002-338220 and iron carbide (b) filled in the space in the tube, As shown in FIG.

図2から判るように、鉄−炭素複合体(IV)を含む炭素質材料においては、基本的にはほとんど全ての(特に99%又はそれ以上の)カーボンチューブにおいて、その空間部(即ち、カーボンチューブのチューブ壁で囲まれた空間)の10〜90%の範囲に炭化鉄又は鉄(b)が充填されており、空間部が充填されていないカーボンチューブは実質上存在しないのが通常である。但し、場合によっては、炭化鉄又は鉄(b)が充填されていないカーボンチューブも微量混在することがある。   As can be seen from FIG. 2, in the carbonaceous material containing the iron-carbon composite (IV), basically, in almost all (particularly 99% or more) carbon tubes, the space portion (that is, carbon) It is normal that 10 to 90% of the space (space surrounded by the tube wall of the tube) is filled with iron carbide or iron (b), and there is substantially no carbon tube in which the space is not filled. . However, in some cases, a small amount of carbon tubes not filled with iron carbide or iron (b) may be present.

また、鉄−炭素複合体(IV)を含む炭素質材料においては、上記のようなカーボンチューブ内空間部の10〜90%に鉄又は炭化鉄(b)が充填されている鉄−炭素複合体(IV)が主要構成成分であるが、鉄−炭素質複合体(IV)以外に、スス等が含まれている場合がある。そのような場合は、鉄−炭素質複合体(IV)以外の成分を除去して、炭素質材料中の鉄−炭素質複合体(IV)の純度を向上させ、実質上鉄−炭素複合体(IV)のみからなる炭素質材料を得ることもできる。   Moreover, in the carbonaceous material containing iron-carbon composite (IV), the iron-carbon composite in which iron or iron carbide (b) is filled in 10 to 90% of the space in the carbon tube as described above. Although (IV) is a main component, soot may be included in addition to the iron-carbonaceous complex (IV). In such a case, components other than the iron-carbonaceous complex (IV) are removed to improve the purity of the iron-carbonaceous complex (IV) in the carbonaceous material, and the iron-carbon complex is substantially improved. A carbonaceous material consisting only of (IV) can also be obtained.

また、従来の顕微鏡観察で微量確認し得るに過ぎなかった材料とは異なり、鉄−炭素複合体(IV)を含む炭素質材料は大量に合成できるので、その重量を容易に1mg以上とすることができる。   Also, unlike materials that could only be confirmed in microscopic amounts by conventional microscopic observation, a carbonaceous material containing iron-carbon composite (IV) can be synthesized in large quantities, and its weight should be easily set to 1 mg or more. Can do.

炭素質材料は、該炭素質材料1mgに対して25mm以上の照射面積で、CuKαのX線を照射した粉末X線回折測定において、内包されている鉄又は炭化鉄(b)に帰属される40°<2θ<50°のピークの中で最も強い積分強度を示すピークの積分強度をIaとし、カーボンチューブの炭素網面間の平均距離(d002)に帰属される26°<2θ<27°のピークの積分強度Ibとした場合に、IaのIbに対する比R(=Ia/Ib)が、0.35〜5程度、特に0.5〜4程度であるのが好ましく、より好ましくは1〜3程度である。 The carbonaceous material is attributed to iron or iron carbide (b) contained in powder X-ray diffraction measurement in which X-rays of CuKα are irradiated with an irradiation area of 25 mm 2 or more with respect to 1 mg of the carbonaceous material. Of the peaks at 40 ° <2θ <50 °, the peak showing the strongest integrated intensity is Ia, and 26 ° <2θ <27 attributed to the average distance (d 002 ) between the carbon network surfaces of the carbon tubes. In the case of the integrated intensity Ib of the peak at °, the ratio R (= Ia / Ib) of Ia to Ib is preferably about 0.35 to 5, particularly about 0.5 to 4, more preferably 1 It is about ~ 3.

本明細書において、上記Ia/Ibの比をR値と呼ぶ。このR値は、鉄−炭素複合体(IV)を含む炭素質材料を、X線回折法において25mm以上のX線照射面積で観察した場合に、炭素質材料全体の平均値としてピーク強度が観察されるために、TEM分析で測定できる1本の鉄−炭素複合体(IV)における内包率ないし充填率ではなく、鉄−炭素複合体(IV)の集合物である炭素質材料全体としての、炭化鉄又は鉄(b)充填率ないし内包率の平均値を示すものである。 In this specification, the ratio of Ia / Ib is referred to as an R value. When the carbonaceous material containing the iron-carbon composite (IV) is observed with an X-ray irradiation area of 25 mm 2 or more in the X-ray diffraction method, this R value has a peak intensity as an average value of the entire carbonaceous material. In order to be observed, it is not the inclusion rate or filling rate in one iron-carbon composite (IV) that can be measured by TEM analysis, but the entire carbonaceous material that is an aggregate of iron-carbon composite (IV). The average value of iron carbide or iron (b) filling rate or inclusion rate is shown.

尚、多数の鉄−炭素複合体(IV)を含む炭素質材料全体としての平均充填率は、TEMで複数の視野を観察し、各視野で観察される複数の鉄−炭素複合体(IV)における炭化鉄又は鉄(b)の平均充填率を測定し、更に複数の視野の平均充填率の平均値を算出することによっても求めることができる。かかる方法で測定した場合、本発明で使用する鉄−炭素複合体(IV)からなる炭素質材料全体としての炭化鉄又は鉄(b)の平均充填率は、10〜90%程度、特に40〜70%程度である。   In addition, the average filling rate as the whole carbonaceous material containing many iron-carbon composites (IV) observes a several visual field by TEM, and the several iron-carbon composite (IV) observed in each visual field. The average filling rate of iron carbide or iron (b) can be measured, and the average filling rate of a plurality of visual fields can be calculated. When measured by such a method, the average filling rate of iron carbide or iron (b) as a whole carbonaceous material composed of the iron-carbon composite (IV) used in the present invention is about 10 to 90%, particularly 40 to 40%. About 70%.

上記の鉄又は炭化鉄(b)がナノフレークカーボンチューブ(a−1)のチューブ内空間に部分内包されている鉄−炭素複合体(IV)を酸処理することにより、内包されている鉄又は炭化鉄(b)が溶解除去され、チューブ内空間部に鉄又は炭化鉄(b)が存在しない中空のナノフレークカーボンチューブ(III)を得ることができる。   The iron or iron carbide (b) is iron-encapsulated by acid treatment of the iron-carbon composite (IV) partially encapsulated in the inner space of the nanoflake carbon tube (a-1). Iron carbide (b) is dissolved and removed, and a hollow nanoflake carbon tube (III) in which iron or iron carbide (b) is not present in the space in the tube can be obtained.

上記酸処理に使用する酸としては、塩酸、硫酸、硝酸、フッ酸等を例示でき、その濃度は0.1〜2N程度のものが好ましい。酸処理方法としては、種々の方法により行うことが可能であるが、例えば、1Nの塩酸100mlに対して、1gの鉄内包ナノフレークカーボンチューブを分散し、室温で6時間撹拌処理し、ろ過分離した後、さらに、2回1Nの塩酸100mlで同様の処理を行なうことで、中空のナノフレークカーボンチューブ(III)を得ることができる。   Examples of the acid used for the acid treatment include hydrochloric acid, sulfuric acid, nitric acid, hydrofluoric acid, and the like, and the concentration is preferably about 0.1 to 2N. As an acid treatment method, various methods can be used. For example, 1 g of iron-encapsulated nanoflake carbon tube is dispersed in 100 ml of 1N hydrochloric acid, and stirred at room temperature for 6 hours, followed by filtration and separation. Thereafter, the same treatment is performed twice with 100 ml of 1N hydrochloric acid to obtain a hollow nanoflake carbon tube (III).

この酸処理によってもナノフレークカーボンチューブ(III)の基本的構成は特に変化を受けない。よって、チューブ内空間部に鉄又は炭化鉄(b)が存在しない中空のナノフレークカーボンチューブ(III)においても、その最外面を構成する炭素網面の長さは、500nm以下であり、特に2〜500nm、特に10〜100nmである。   The basic configuration of the nano flake carbon tube (III) is not particularly changed by this acid treatment. Therefore, also in the hollow nano flake carbon tube (III) in which iron or iron carbide (b) does not exist in the inner space of the tube, the length of the carbon network surface constituting the outermost surface is 500 nm or less, particularly 2 ~ 500 nm, in particular 10-100 nm.

被覆層
被覆層は、チタニアナノ粒子が連なってなる。
Covering layer The covering layer is composed of a series of titania nanoparticles.

チタニアナノ粒子の結晶構造としては、とくに制限されるわけではないが、アナターゼ型酸化チタン、ルチル型酸化チタン及びブルッカイト型酸化チタンよりなる群から選ばれる少なくとも1種を含むものが好ましく、光に対する活性が高い点から、アナターゼ型酸化チタンを含むものがより好ましい。なお、チタニアナノ粒子の結晶構造は、例えば、X線回折法、ラマン分光分析等により測定することができる。   The crystal structure of the titania nanoparticles is not particularly limited, but preferably contains at least one selected from the group consisting of anatase-type titanium oxide, rutile-type titanium oxide and brookite-type titanium oxide, and has activity against light. From a high point, what contains anatase type titanium oxide is more preferable. The crystal structure of titania nanoparticles can be measured by, for example, X-ray diffraction method, Raman spectroscopic analysis or the like.

チタニアナノ粒子の平均粒子径は、より多くの色素を吸着し、光を吸収できる点から、1〜200nmが好ましく、1〜50nmがより好ましい。ただし、電池内部への光閉じ込め効果の観点から、光散乱の大きい酸化チタン粒子を併用してもよい。なお、平均粒子径は、例えば、電子顕微鏡(SEM)観察等により測定することができる。   The average particle diameter of the titania nanoparticles is preferably 1 to 200 nm, more preferably 1 to 50 nm from the viewpoint that more dye can be adsorbed and light can be absorbed. However, from the viewpoint of the light confinement effect inside the battery, titanium oxide particles having a large light scattering may be used in combination. In addition, an average particle diameter can be measured by electron microscope (SEM) observation etc., for example.

被覆層の厚みは、漏れ電流を防止する点から、2〜500nmが好ましく、5〜200nmがより好ましい。なお、被覆層の厚みは、例えば、電子顕微鏡(SEM又はTEM)観察等により測定することができる。   The thickness of the coating layer is preferably 2 to 500 nm, more preferably 5 to 200 nm, from the viewpoint of preventing leakage current. In addition, the thickness of a coating layer can be measured by electron microscope (SEM or TEM) observation etc., for example.

チタニア被覆ナノスケールカーボンチューブ(A1)
チタニア被覆ナノスケールカーボンチューブ(A1)は、棒状又は繊維状のカーボンの表面が、チタニアナノ粒子が連なってなる被覆層で被覆されている。これにより、図5に示すように、棒状又は繊維状の酸化チタン被覆炭素材料の表面には、微細な凹凸が存在している。表面に微細な凹凸を有する酸化チタン被覆炭素材料を色素増感太陽電池用として使用することで、色素を多量に担持し、入射した光を効率よく吸収できる。そして、効率よく電子を発生させ、図6に示すように、芯材となるカーボンを通して、電子を効率よく透明電極に運ぶことができる。
Titania-coated nanoscale carbon tube (A1)
In the titania-coated nanoscale carbon tube (A1), the surface of rod-like or fibrous carbon is covered with a coating layer in which titania nanoparticles are connected. Thereby, as shown in FIG. 5, the fine unevenness | corrugation exists in the surface of a rod-shaped or fibrous titanium oxide covering carbon material. By using a titanium oxide-coated carbon material having fine irregularities on the surface for a dye-sensitized solar cell, a large amount of the dye can be supported and incident light can be efficiently absorbed. Then, electrons can be efficiently generated, and as shown in FIG. 6, the electrons can be efficiently transported to the transparent electrode through the carbon as the core material.

なお、図7で示されるような、被覆層で充分に被覆されておらず、カーボンの露出面積が大きいチタニア被覆ナノスケールカーボンチューブ(A1)を使用すると、図8に示すように、光を吸収することにより発生した電子が、カーボンから電解液中に逆電子移動を起こすため、電子を効率的に運ぶことができない。このような観点から、チタニア被覆ナノスケールカーボンチューブ(A1)は、棒状又は繊維状のカーボンの表面のチタニアナノ粒子の被覆率は、70〜100%が、特には85〜100%が好ましい。また、カーボン/チタンの表面元素比率は、0/100〜70/30(原子比)が好ましく、0/100〜50/50(原子比)がより好ましい。なお、表面被覆率(カーボンの表面上の、チタニアナノ粒子が連なってなる被覆層で覆われている箇所の割合)は、例えば、電子顕微鏡(SEM又はTEM)観察等により、また、カーボン/チタンの表面元素比率は、例えば、X線光電子分光分析等により、測定することができる。   When a titania-coated nanoscale carbon tube (A1) that is not sufficiently covered with a coating layer and has a large exposed carbon area as shown in FIG. 7 is used, light is absorbed as shown in FIG. The electrons generated by this cause reverse electron transfer from the carbon into the electrolyte solution, so that the electrons cannot be carried efficiently. From such a viewpoint, in the titania-coated nanoscale carbon tube (A1), the coverage of the titania nanoparticles on the surface of the rod-like or fibrous carbon is preferably 70 to 100%, particularly preferably 85 to 100%. The surface element ratio of carbon / titanium is preferably 0/100 to 70/30 (atomic ratio), more preferably 0/100 to 50/50 (atomic ratio). In addition, the surface coverage (ratio of the portion covered with the coating layer on which the titania nanoparticles are continuous on the surface of the carbon) can be determined by observation with an electron microscope (SEM or TEM), etc. The surface element ratio can be measured, for example, by X-ray photoelectron spectroscopy.

チタニア被覆ナノスケールカーボンチューブ(A1)は、より大きな電流を得られる点から、10MPa下での粉体抵抗が10Ω・m以下であるものが好ましく、5Ω・m以下であるものがより好ましく、1Ω・m以下であるものがさらに好ましい。粉体抵抗は、小さいほうが好ましく、下限値は特に制限されないが、0.0001Ω・m程度である。なお、酸化チタン被覆炭素材料の測定方法は、特に限定されないが、例えば、10MPaの圧力で厚さ0.3mmの平板状に加工し、ペレット間に電圧1Vを印加して流れる電流値を測ることにより測定できる。   The titania-coated nanoscale carbon tube (A1) preferably has a powder resistance of 10 Ω · m or less, more preferably 5 Ω · m or less, more preferably 1Ω from the point of obtaining a larger current. -What is m or less is still more preferable. The powder resistance is preferably smaller, and the lower limit is not particularly limited, but is about 0.0001 Ω · m. The method for measuring the titanium oxide-coated carbon material is not particularly limited. For example, the titanium oxide-coated carbon material is processed into a flat plate having a thickness of 0.3 mm at a pressure of 10 MPa, and a current value flowing by applying a voltage of 1 V between pellets is measured. Can be measured.

チタニア被覆ナノスケールカーボンチューブ(A1)は、表面積を大きくし、色素を多量に担持し、入射した光を効率よく吸収する点から、比表面積が50m/g以上であるものが好ましく、比表面積が70m/g以上であるものがより好ましく、80m/g以上であるものがさらに好ましい。比表面積は、大きいほうが好ましく、上限値は特に制限されないが、3000m/g程度である。なお、比表面積は、BET法等により測定できる。 The titania-coated nanoscale carbon tube (A1) preferably has a specific surface area of 50 m 2 / g or more from the viewpoint of increasing the surface area, carrying a large amount of dye, and efficiently absorbing incident light. Is more preferably 70 m 2 / g or more, more preferably 80 m 2 / g or more. The specific surface area is preferably larger, and the upper limit is not particularly limited, but is about 3000 m 2 / g. The specific surface area can be measured by the BET method or the like.

製造方法
また、チタニア被覆ナノスケールカーボンチューブ(A1)は、棒状又は繊維状のカーボンの表面に、チタンフルオロ錯体からの析出反応により、チタニアナノ粒子が連なってなる被覆層を形成する工程を含む方法により、チタニアナノ粒子からなる被覆層を形成して得られる。
Production method In addition, the titania-coated nanoscale carbon tube (A1) is formed by a method including a step of forming a coating layer in which titania nanoparticles are continuous on a surface of a rod-like or fibrous carbon by precipitation reaction from a titanium fluoro complex. It is obtained by forming a coating layer composed of titania nanoparticles.

チタンアルコキシドを原料とするゾルゲル法又は四塩化チタン等を原料とする湿式法でも、棒状又は繊維状のカーボンの表面に、チタニアナノ粒子が連なってなる被覆層を形成させることができるが、チタンフルオロ錯体からの析出反応によりチタニアナノ粒子を析出させる方法が好ましい。   Even a sol-gel method using titanium alkoxide as a raw material or a wet method using titanium tetrachloride or the like as a raw material can form a coating layer in which titania nanoparticles are continuous on the surface of rod-like or fibrous carbon. A method of depositing titania nanoparticles by a precipitation reaction from is preferred.

具体的には、例えば、棒状又は繊維状のカーボンを、硝酸、硫酸、塩酸等の酸で処理した後、分散剤を含む溶媒中に分散させ、その後、チタンフルオロ錯体及びホウ酸、塩化アルミニウム等のフッ化物イオン補足剤等を加えて酸化チタンを析出させる方法である。その後、酸化チタン同士の結合を強化するために300〜550℃で熱処理してもよい。   Specifically, for example, rod-like or fiber-like carbon is treated with an acid such as nitric acid, sulfuric acid, hydrochloric acid, and then dispersed in a solvent containing a dispersant, and then titanium fluorocomplex and boric acid, aluminum chloride, etc. In this method, titanium oxide is precipitated by adding a fluoride ion scavenger or the like. Thereafter, heat treatment may be performed at 300 to 550 ° C. in order to strengthen the bond between titanium oxides.

ここで、チタンフルオロ錯体としては、特に制限されるわけではないが、例えば、ヘキサフルオロチタン酸アンモニウム、ヘキサフルオロチタン酸、ヘキサフルオロチタン酸カリウム等が挙げられる。   Here, the titanium fluoro complex is not particularly limited, and examples thereof include ammonium hexafluorotitanate, hexafluorotitanic acid, and potassium hexafluorotitanate.

前記溶媒としては、特に制限されるものではないが、例えば、水、水とアルコールとの混合溶媒等、チタンフルオロ錯体が溶解する溶媒等が挙げられる。   Although it does not restrict | limit especially as said solvent, For example, the solvent etc. which a titanium fluoro complex melt | dissolves, such as water, the mixed solvent of water and alcohol, etc. are mentioned.

また、分散剤としては、ナフタレンスルホン酸ナトリウムホルマリン縮合物系分散剤、
ポリカルボン酸塩系分散剤、マレイン酸α−オレフィン共重合体塩系分散剤、アニオン性界面活性剤等の陰イオン性分散剤;四級アンモニウム塩系分散剤、アルキルアミン塩等の陽イオン性分散剤;セルロース系分散剤、ポリビニルアルコール系分散剤、ポリエーテル系分散剤等の非イオン性分散剤;両性界面活性剤等のその他の分散剤等が挙げられる。これらのなかでも、非イオン性分散剤が好ましく、ポリエーテル系分散剤がより好ましい。
Further, as the dispersant, sodium naphthalene sulfonate formalin condensate-based dispersant,
Anionic dispersants such as polycarboxylate-based dispersants, maleic acid α-olefin copolymer salt-based dispersants, anionic surfactants; cationic properties such as quaternary ammonium salt-based dispersants and alkylamine salts Dispersants; Nonionic dispersants such as cellulose dispersants, polyvinyl alcohol dispersants, and polyether dispersants; and other dispersants such as amphoteric surfactants. Among these, nonionic dispersants are preferable, and polyether dispersants are more preferable.

上記では、チタニア被覆ナノスケールカーボンチューブ(A1)としては、棒状又は繊維状のカーボンの表面が、チタニアナノ粒子が連なってなる被覆層で被覆されてなるものを説明したが、その他の形態、例えば、棒状又は繊維状のカーボンの表面が、平滑なチタニア層で被覆されたもの等も使用することができる。   In the above, as the titania-coated nanoscale carbon tube (A1), the rod-like or fibrous carbon surface has been described as being coated with a coating layer in which titania nanoparticles are continuous, but other forms, for example, A material in which the surface of a rod-like or fibrous carbon is coated with a smooth titania layer can also be used.

<(A2)チタニアナノチューブ>
チタニアナノチューブ(A2)としては、公知のチタニアナノチューブ(A2a)でもよいし、チタニアナノ粒子が連なってなるチタニアナノチューブ(A2b)、マグネリ相の結晶形態を有する酸化チタンを30%以上含むチタニアナノチューブ(A2c)等でもよい。
<(A2) Titania nanotube>
The titania nanotube (A2) may be a known titania nanotube (A2a), a titania nanotube (A2b) in which titania nanoparticles are linked, or a titania nanotube (A2c) containing 30% or more of titanium oxide having a crystal form of a magneli phase. Etc.

公知のチタニアナノチューブ(A2a)
公知のチタニアナノチューブを使用する場合は、例えば、特許第3513738号、特許第3983533号に記載のものを使用すればよい。
Known titania nanotube (A2a)
When known titania nanotubes are used, for example, those described in Japanese Patent Nos. 3513738 and 398533 may be used.

チタニアナノ粒子が連なってなるチタニアナノチューブ(A2b)
チタニアナノ粒子が連なってなるチタニアナノチューブ(A2b)としては、例えば、特開2010−24132号公報に記載のものが使用できる。具体的には、以下に説明するものが使用できる。
Titania nanotubes composed of a series of titania nanoparticles (A2b)
As the titania nanotube (A2b) in which titania nanoparticles are connected, for example, those described in JP 2010-24132 A can be used. Specifically, those described below can be used.

「連なってなる」とは、チタニアナノ粒子が、隣接するチタニアナノ粒子と密接に接していることを言い、これにより、色素を担持させるのに適度な表面が形成される。なお、公知のチタニアナノチューブ(A2a)のように、ほぼ平滑な表面を有するチタニアナノチューブではない。   “Continuous” means that titania nanoparticles are in intimate contact with adjacent titania nanoparticles, thereby forming an appropriate surface for supporting the dye. In addition, it is not a titania nanotube which has a substantially smooth surface like a well-known titania nanotube (A2a).

チタニアナノ粒子が連なってなるチタニアナノチューブ(A2b)では、チタニアナノ粒子が、管状を形成するように連なって、チタニアナノチューブを形成している。これにより、図9に示すように、チタニアナノ粒子が連なってなるチタニアナノチューブ(A2b)の表面には、微細な凹凸が存在している。これにより、色素を多量に担持し、入射した光を効率よく吸収できる。そして、効率よく電子を発生させ、図10に示すように、隣接するチタニアナノ粒子同士が密接に接触しているため、隣接するチタニアナノ粒子を通して、電子を効率よく透明電極に運ぶことができる。   In the titania nanotube (A2b) in which the titania nanoparticles are connected, the titania nanoparticles are connected so as to form a tubular shape to form the titania nanotube. Accordingly, as shown in FIG. 9, fine irregularities exist on the surface of the titania nanotube (A2b) in which the titania nanoparticles are continuous. As a result, a large amount of dye is supported and incident light can be efficiently absorbed. Then, electrons are generated efficiently, and the adjacent titania nanoparticles are in intimate contact with each other as shown in FIG. 10. Therefore, the electrons can be efficiently transferred to the transparent electrode through the adjacent titania nanoparticles.

チタニアナノ粒子の結晶構造としては、とくに制限されるわけではないが、アナターゼ型酸化チタン、ルチル型酸化チタン及びブルッカイト型酸化チタンよりなる群から選ばれる少なくとも1種を含むものが好ましく、光に対する活性が高い点から、アナターゼ型酸化チタンを含むものがより好ましい。なお、チタニアナノ粒子の結晶構造は、例えば、X線回折法やラマン分光分析等により測定することができる。また、チタニアナノ粒子としては、アナターゼ型酸化チタン、ルチル型酸化チタン及びブルッカイト型酸化チタンに加えて、さらに、3価チタンの酸化物及び4価チタンの酸化物よりなる群から選ばれる少なくとも1種を含むことが好ましい。   The crystal structure of the titania nanoparticles is not particularly limited, but preferably contains at least one selected from the group consisting of anatase-type titanium oxide, rutile-type titanium oxide and brookite-type titanium oxide, and has activity against light. From a high point, what contains anatase type titanium oxide is more preferable. The crystal structure of titania nanoparticles can be measured by, for example, X-ray diffraction or Raman spectroscopic analysis. In addition to anatase-type titanium oxide, rutile-type titanium oxide, and brookite-type titanium oxide, titania nanoparticles further include at least one selected from the group consisting of trivalent titanium oxide and tetravalent titanium oxide. It is preferable to include.

チタニアナノ粒子としては、他にも、マグネリ相構造の結晶形態を有するチタニアを含むことが好ましい。このマグネリ相構造の結晶形態を有するチタニアは、具体的な構成は明らかではないが、組成式:Ti2n−1(n:4〜10)で表され、金属と同程度の導電性を有するものである。このマグネリ相構造の結晶形態を有するチタニアを含むことで、チタニアナノチューブ(A2b)の導電性を向上させることができる。 In addition to the above, the titania nanoparticles preferably include titania having a crystal form of a Magneli phase structure. Although the specific configuration of the titania having the crystal form of the Magneli phase structure is not clear, it is represented by a composition formula: Ti n O 2n-1 (n: 4 to 10) and has a conductivity equivalent to that of a metal. I have it. By including titania having a crystal form of this magnetic phase structure, the conductivity of the titania nanotube (A2b) can be improved.

チタニアナノ粒子の平均粒子径は、より多くの色素を吸着し、光を吸収できる点から、1〜200nmが好ましく、1〜50nmがより好ましい。なお、平均粒子径は、例えば、電子顕微鏡(SEM又はTEM)観察等により測定することができる。   The average particle diameter of the titania nanoparticles is preferably 1 to 200 nm, more preferably 1 to 50 nm from the viewpoint that more dye can be adsorbed and light can be absorbed. In addition, an average particle diameter can be measured by electron microscope (SEM or TEM) observation etc., for example.

チタニアナノチューブ(A2b)は、色素を多量に担持し、入射した光を効率よく吸収する点から、比表面積が20m/g以上であるものが好ましく、比表面積が70m/g以上であるものがより好ましく、80m/g以上であるものがさらに好ましい。比表面積は、大きいほうが好ましく、上限値は特に制限されないが、3000m/g程度である。なお、比表面積は、BET法等により測定できる。 The titania nanotube (A2b) preferably has a specific surface area of 20 m 2 / g or more, and has a specific surface area of 70 m 2 / g or more from the viewpoint of carrying a large amount of dye and efficiently absorbing incident light. Is more preferable, and more preferably 80 m 2 / g or more. The specific surface area is preferably larger, and the upper limit is not particularly limited, but is about 3000 m 2 / g. The specific surface area can be measured by the BET method or the like.

チタニアナノチューブ(A2b)は、より大きな電流が得られる点から、10MPa下での粉体抵抗が3×10Ω・m以下であるものが好ましく、1×10Ω・m以下であるものがより好ましい。粉体抵抗は、小さいほうが好ましく、下限値は特に制限されないが、0.1Ω・m程度である。なお、チタニアナノチューブ(A2b)の粉体抵抗の測定方法は、特に限定されないが、例えば、10MPaの圧力で厚さ0.3mmの平板状に加工し、ペレット間に電圧1Vを印加して流れる電流値を測ることにより測定することができる。 The titania nanotube (A2b) preferably has a powder resistance of 3 × 10 6 Ω · m or less, preferably 1 × 10 5 Ω · m or less, from the point of obtaining a larger current. More preferred. The powder resistance is preferably as small as possible, and the lower limit is not particularly limited, but is about 0.1 Ω · m. The method for measuring the powder resistance of the titania nanotube (A2b) is not particularly limited. For example, a current flowing by applying a voltage of 1 V between the pellets processed into a plate having a thickness of 0.3 mm at a pressure of 10 MPa. It can be measured by measuring the value.

チタニアナノチューブ(A2b)の肉厚は漏れ電流を防止する点から、2〜500nm程度が好ましく、5〜200nm程度がより好ましい。なお、肉厚とは、チタニアナノチューブ(A2b)における外径と内径の差のことを言う。また、チタニアナノチューブ(A2b)の肉厚は、例えば、電子顕微鏡(SEM又はTEM)観察等により測定することができる。   The thickness of the titania nanotube (A2b) is preferably about 2 to 500 nm, more preferably about 5 to 200 nm from the viewpoint of preventing leakage current. The wall thickness means the difference between the outer diameter and inner diameter of the titania nanotube (A2b). Moreover, the thickness of the titania nanotube (A2b) can be measured, for example, by observation with an electron microscope (SEM or TEM).

上記のようなチタニアナノチューブ(A2b)は、例えば、チタニア被覆ナノスケールカーボンチューブ(A1)中に存在するナノスケールカーボンを消失させる方法により得られる。これにより、チタニアがアナターゼ型結晶構造になるとともに密着性が増す利点がある。なお、ここでは、ナノスケールカーボンチューブを消失させればよく、その手法は特に限定されるものではないが、酸化消失させるのが簡便である。例えば、空気中で加熱して酸化消失させる場合には、その加熱温度は、好ましくは450℃以上、より好ましくは550℃以上、さらに好ましくは600〜750℃、特に好ましくは600〜700℃である。   The titania nanotube (A2b) as described above can be obtained, for example, by a method of eliminating nanoscale carbon existing in the titania-coated nanoscale carbon tube (A1). This has the advantage that titania has an anatase type crystal structure and adhesion is increased. Here, the nanoscale carbon tube may be eliminated, and the method is not particularly limited, but it is easy to eliminate the oxidation. For example, in the case of heating in air to cause oxidation to disappear, the heating temperature is preferably 450 ° C. or higher, more preferably 550 ° C. or higher, further preferably 600 to 750 ° C., particularly preferably 600 to 700 ° C. .

マグネリ相の結晶形態を有するチタニアを30%以上含むチタニアナノチューブ(A2c)
チタニアナノチューブ(A2c)は、チタニアナノ粒子からなり、前記酸化チタン微粒子の30%以上が、マグネリ相構造の結晶形態を有するチタニアである。なお、チタニアナノチューブ(A2b)も、マグネリ相構造の結晶形態を有するチタニアを含むが、その量は少なく、30%以上とはならない。
Titania nanotube (A2c) containing 30% or more of titania having a crystalline form of the magnetic phase
The titania nanotube (A2c) is composed of titania nanoparticles, and 30% or more of the titanium oxide fine particles are titania having a crystalline form of a Magneli phase structure. The titania nanotube (A2b) also includes titania having a crystal form of a magnetic phase structure, but the amount is small and does not exceed 30%.

チタニアナノチューブ(A2c)を構成するチタニアナノ粒子の平均粒子径は、1〜100nm、好ましくは30〜80nmである。このように、チタニアナノ粒子の平均粒子径を上記範囲内とすることで、活性比表面積を大きくすることができるため、より多くの色素を吸着し、光を吸収しやすくできる。なお、チタニアナノ粒子の平均粒子径は、例えば、電子顕微鏡(SEM又はTEM)観察等により測定することができる。   The average particle diameter of the titania nanoparticles constituting the titania nanotube (A2c) is 1 to 100 nm, preferably 30 to 80 nm. Thus, by setting the average particle diameter of titania nanoparticles within the above range, the active specific surface area can be increased, so that more dye can be adsorbed and light can be easily absorbed. In addition, the average particle diameter of a titania nanoparticle can be measured by electron microscope (SEM or TEM) observation etc., for example.

チタニアナノチューブ(A2c)では、チタニアナノ粒子の30%以上、好ましくは50%以上、さらに好ましくは70%以上が、マグネリ相構造の結晶形態を有する酸化チタンである。チタニアナノ粒子の30%以上を、マグネリ相構造の結晶形態を有するチタニアとすることで、導電性を向上させることができる。   In the titania nanotube (A2c), 30% or more, preferably 50% or more, and more preferably 70% or more of the titania nanoparticles are titanium oxide having a crystalline form of a Magneli phase structure. Conductivity can be improved by using 30% or more of the titania nanoparticles as titania having a crystal form of a magnetic phase structure.

チタニアナノチューブ(A2c)中に含まれるマグネリ相構造の結晶形態を有するチタニアは、一般式(1):
TiOx
(式中、xは1.75〜1.95である)
で示され、なかでもxが1.75〜1.85のものは金属と同程度の導電性を有するものである。具体的には、例えば、Ti、Ti、Ti11、Ti15等が挙げられる。中でも、より導電性の高いTが好ましい。これらのマグネリ相構造の結晶形態を有するチタニアは、1種のみを使用してもよいし、2種以上を使用してもよい。
The titania having the crystal form of the magnetic phase structure contained in the titania nanotube (A2c) is represented by the general formula (1):
TiOx
(Wherein x is 1.75 to 1.95)
Among them, those having x of 1.75 to 1.85 have the same degree of conductivity as metal. Specifically, for example, Ti 4 O 7, Ti 5 O 9, Ti 6 O 11, Ti 8 O 15 and the like. Among these, T 4 O 7 having higher conductivity is preferable. These titanias having the crystal form of the Magneli phase structure may be used alone or in combination of two or more.

チタニアナノチューブ(A2c)には、上記のマグネリ相構造の結晶形態を有する酸化チタン以外にも、アナターゼ型チタニア、ルチル型チタニア、ブルッカイト型チタニア等を含んでいてもよい。マグネリ相構造の結晶形態を有するチタニア以外のチタニアを含む場合には、上記の3種類のなかでも、光に対する活性が高い点から、アナターゼ型チタニアが好ましい。なお、上記3種類のうち、1種のみを使用してもよいし、2種以上を使用してもよい。   The titania nanotube (A2c) may contain anatase-type titania, rutile-type titania, brookite-type titania and the like in addition to the titanium oxide having the crystal form of the above-mentioned magnetic phase structure. In the case of containing titania other than titania having a crystalline form of the magnetic phase structure, among the above three types, anatase titania is preferable because of its high activity against light. Of the above three types, only one type may be used, or two or more types may be used.

チタニアナノ粒子の結晶構造は、例えば、X線回折、電子線回折、ラマン分光分析等により測定することができる。   The crystal structure of titania nanoparticles can be measured by, for example, X-ray diffraction, electron beam diffraction, Raman spectroscopic analysis, or the like.

チタニアナノチューブ(A2c)の肉厚は漏れ電流を防止する点から、1〜250nm程度が好ましく、5〜200nm程度がより好ましい。なお、肉厚とは、チタニアナノチューブ(A2c)における外径と内径の差のことを言う。また、チタニアナノチューブ(A2c)の肉厚は、例えば、電子顕微鏡(SEM又はTEM)観察等により測定することができる。   The thickness of the titania nanotube (A2c) is preferably about 1 to 250 nm, more preferably about 5 to 200 nm from the viewpoint of preventing leakage current. The wall thickness means the difference between the outer diameter and the inner diameter of the titania nanotube (A2c). Moreover, the thickness of the titania nanotube (A2c) can be measured, for example, by observation with an electron microscope (SEM or TEM).

また、チタニアナノチューブ(A2c)は、その表面が平滑なものであってもよいし、凹凸を有していてもよい。表面に凹凸を有している場合は、チタニアナノチューブ(A2c)は、チタニアナノ粒子が連なってなるものを使用することが好ましい。   Moreover, the titania nanotube (A2c) may have a smooth surface or may have irregularities. When the surface has irregularities, it is preferable to use titania nanotubes (A2c) in which titania nanoparticles are connected.

チタニアナノチューブ(A2c)を、チタニアナノ粒子が連なってなるものとすれば、チタニアナノチューブ(A2c)の表面に、微細な凹凸を形成させることができる。このように、表面に微細な凹凸を有するチタニアナノチューブ(A2c)を色素増感太陽電池用として使用すれば、色素を多量に担持し、入射した光を効率よく吸収し、効率よく電子を発生させることができる。また、チタニアナノチューブ(A2c)は、マグネリ相構造の結晶形態を有するチタニアを多く含んでいるため、隣接するチタニアを通して、電子を効率よく透明電極に運ぶことができる。   If the titania nanotube (A2c) is made of a series of titania nanoparticles, fine irregularities can be formed on the surface of the titania nanotube (A2c). Thus, if titania nanotubes (A2c) having fine irregularities on the surface are used for a dye-sensitized solar cell, a large amount of the dye is supported, incident light is efficiently absorbed, and electrons are efficiently generated. be able to. In addition, since the titania nanotube (A2c) contains a large amount of titania having a crystal form of a magnetic phase structure, electrons can be efficiently transferred to the transparent electrode through the adjacent titania.

チタニアナノチューブ(A2c)は、色素を多量に担持し、入射した光を効率よく吸収する点から、比表面積が20m/g以上であるものが好ましく、比表面積が70m/g以上であるものがより好ましく、80m/g以上であるものがさらに好ましい。比表面積は、大きいほうが好ましく、上限値は特に制限されないが、3000m/g程度である。なお、比表面積は、BET法等により測定できる。 The titania nanotube (A2c) preferably has a specific surface area of 20 m 2 / g or more, and has a specific surface area of 70 m 2 / g or more, from the viewpoint of carrying a large amount of dye and absorbing incident light efficiently. Is more preferable, and more preferably 80 m 2 / g or more. The specific surface area is preferably larger, and the upper limit is not particularly limited, but is about 3000 m 2 / g. The specific surface area can be measured by the BET method or the like.

チタニアナノチューブ(A2c)は、より大きな電流が得られる点から、10MPa下での粉体抵抗が3×10Ω・m以下であるものが好ましく、1×10Ω・m以下であるものがより好ましい。粉体抵抗は、小さいほうが好ましく、下限値は特に制限されないが、1×10−6Ω・m以下Ω・m程度である。なお、チタニアナノチューブ(A2c)の粉体抵抗の測定方法は、特に限定されないが、例えば、10MPaの圧力で厚さ0.3mmの平板状に加工し、ペレット間に電圧1Vを印加して流れる電流値を測ることにより測定することができる。 The titania nanotube (A2c) preferably has a powder resistance of 3 × 10 6 Ω · m or less, preferably 1 × 10 5 Ω · m or less, from the point of obtaining a larger current. More preferred. The powder resistance is preferably as small as possible, and the lower limit is not particularly limited, but is about 1 × 10 −6 Ω · m or less Ω · m. The method for measuring the powder resistance of the titania nanotube (A2c) is not particularly limited. For example, a current flowing by applying a voltage of 1 V between the pellets processed into a plate having a thickness of 0.3 mm at a pressure of 10 MPa. It can be measured by measuring the value.

チタニアナノチューブ(A2c)は、例えば、チタニア被覆ナノスケールカーボンチューブ(A1)を、還元雰囲気下、950℃以下で熱処理する方法により製造できる。つまり、チタニアナノチューブ(A2b)の製造方法において、熱処理の雰囲気を還元雰囲気とすればよい。これにより、比表面積が大きく、チタニアナノ粒子中のマグネリ相の結晶形態を有するチタニアの量が多いチタニアナノチューブ(A2c)が得られる。   The titania nanotube (A2c) can be produced, for example, by a method in which the titania-coated nanoscale carbon tube (A1) is heat-treated at 950 ° C. or lower in a reducing atmosphere. That is, in the method for producing titania nanotubes (A2b), the heat treatment atmosphere may be a reducing atmosphere. Thereby, a titania nanotube (A2c) having a large specific surface area and a large amount of titania having a crystalline form of a Magneli phase in titania nanoparticles can be obtained.

還元雰囲気としては、特に制限されるわけではないが、還元性ガスを有する雰囲気とすればよい。還元性ガスとしては、例えば、水素、一酸化炭素、一酸化窒素、不飽和炭化水素性ガス(アセチレン、エチレン等)、飽和炭化水素性ガス(メタン、エタン、プロパン等)等が挙げられ、水素、一酸化炭素及びアセチレンよりなる群から選ばれる少なくとも1種が好ましい。このように、還元雰囲気下で熱処理することで、得られるチタニアナノチューブ(A2c)におけるマグネリ相構造の結晶形態を有するチタニアの含有量を大きくすることができる。   The reducing atmosphere is not particularly limited, but may be an atmosphere having a reducing gas. Examples of the reducing gas include hydrogen, carbon monoxide, nitric oxide, unsaturated hydrocarbon gases (acetylene, ethylene, etc.), saturated hydrocarbon gases (methane, ethane, propane, etc.), hydrogen , At least one selected from the group consisting of carbon monoxide and acetylene is preferable. As described above, by performing the heat treatment in a reducing atmosphere, it is possible to increase the content of titania having a crystal form of the magnetic phase structure in the obtained titania nanotube (A2c).

なお、本発明では、還元雰囲気とは、必ずしも、上記還元性ガスのみからなる雰囲気とする必要はなく、例えば、窒素、アルゴン等の不活性ガスを含んでいてもよい。不活性ガスを含む雰囲気とする場合には、還元性ガスは、50モル%以上含んでいればよい。   In the present invention, the reducing atmosphere does not necessarily need to be an atmosphere made of only the reducing gas, and may contain, for example, an inert gas such as nitrogen or argon. When setting it as the atmosphere containing an inert gas, the reducing gas should just contain 50 mol% or more.

また、還元雰囲気で熱処理した場合でも、後述の熱処理温度を満たさない場合、つまり高温で熱処理した場合は、チタニアナノ粒子同士が凝集してしまい、平均粒子径が1μm以上程度となってしまう。このため、活性比表面積を大きくすることができず、充分な導電性が得られない。   Even when heat treatment is performed in a reducing atmosphere, when the heat treatment temperature described later is not satisfied, that is, when heat treatment is performed at a high temperature, titania nanoparticles are aggregated, and the average particle diameter is about 1 μm or more. For this reason, the active specific surface area cannot be increased, and sufficient conductivity cannot be obtained.

熱処理温度は950℃以下、好ましくは650〜850℃である。上述のように、熱処理温度が高すぎると、酸化チタン微粒子同士が凝集してしまい、平均粒子径が1μm以上程度となってしまうためである。   The heat treatment temperature is 950 ° C. or lower, preferably 650 to 850 ° C. As described above, when the heat treatment temperature is too high, the titanium oxide fine particles are aggregated and the average particle diameter is about 1 μm or more.

なお、950℃以下で熱処理した場合でも、還元雰囲気でない場合、例えば大気中、不活性雰囲気下等で熱処理した場合は、得られるチタニアナノチューブ(A2c)におけるマグネリ相構造の結晶形態を有するチタニアの含有量を充分に大きくできない。   In addition, even when heat-treated at 950 ° C. or lower, when it is not in a reducing atmosphere, for example, when heat-treated in the air or under an inert atmosphere, the titania nanotube (A2c) obtained contains titania having a crystalline form of the magnetic phase structure. The amount cannot be large enough.

<(A3)チタニアナノロッド>
チタニアナノロッド(A3)としては、公知のチタニアナノロッド(A3a)でもよいし、アスペクト比が大きなチタニアナノロッド(A3b)でもよい。
<(A3) Titania nanorods>
The titania nanorod (A3) may be a known titania nanorod (A3a) or a titania nanorod (A3b) having a large aspect ratio.

アスペクト比が大きなチタニアナノロッド(A3b)
チタニアナノロッド(A3b)は、複数の酸化チタン結晶を含有する、アスペクト比が10以上の板状の構造体である。また、長手方向側面の算術平均粗さ(Ra)が平均幅の10%未満である。
Titania nanorods with large aspect ratio (A3b)
The titania nanorod (A3b) is a plate-like structure having a plurality of titanium oxide crystals and an aspect ratio of 10 or more. Moreover, the arithmetic average roughness (Ra) of the side surface in the longitudinal direction is less than 10% of the average width.

「板状」とは、幅(短辺)に対して長さ(長辺)が大きければよく、必ずしも完全な平面である必要はなく、曲面であってもよい。ただし、筒状(チューブ状)のものは除く。   “Plate” means that the length (long side) is larger than the width (short side), and it does not necessarily have to be a complete plane, and may be a curved surface. However, cylinders (tubes) are excluded.

「複数の酸化チタン結晶を含有する酸化チタン構造体」は、通常は多結晶体である。本発明では、チタニアナノロッド(A3b)が、複数の板状の結晶からなることを意図している。つまり、チタニアナノロッド(A3b)は、図11(a)に示されるように、筒状で長手方向に結晶面が酸化チタン構造体の端から端まで続くような、従来公知の酸化チタンナノチューブでもないし、図11(b)に示されるように、粒子状結晶が連なってなるものではない。   The “titanium oxide structure containing a plurality of titanium oxide crystals” is usually a polycrystalline body. In the present invention, the titania nanorod (A3b) is intended to be composed of a plurality of plate-like crystals. That is, as shown in FIG. 11A, the titania nanorod (A3b) is not a conventionally known titanium oxide nanotube having a cylindrical shape and a crystal plane extending from end to end of the titanium oxide structure in the longitudinal direction. As shown in FIG. 11B, the particulate crystals are not continuous.

チタニアナノロッド(A3b)は、直線的で折れ曲がりの少ないものが、チタニアナノロッド(A3b)同士が絡み合いにくく、分散性を向上させる観点から好ましい。具体的には、電子顕微鏡観察(SEM又はTEM)による酸化チタン構造体像の長さをLとし、その酸化チタン構造体を伸ばした時の長さをLとした場合に、L/Lが0.7以上となる形状特性が好ましい。 The titania nanorods (A3b) are preferably linear and less bent from the viewpoint of improving the dispersibility because the titania nanorods (A3b) are not easily entangled with each other. Specifically, when the length of the titanium oxide structure image by electron microscope observation (SEM or TEM) is L and the length when the titanium oxide structure is stretched is L 0 , L / L 0 A shape characteristic with a value of 0.7 or more is preferable.

また、チタニアナノロッド(A3b)は、向かい合う長辺同士が平行であることが好ましい。本明細書において、「平行」とは、完全に平行である必要はなく、略平行であるものも含まれる。具体的には、チタニアナノロッド(A3b)の端部100nmを除いて、向かい合う長辺のなす角が0〜10°であることが好ましい。   The titania nanorods (A3b) preferably have parallel long sides facing each other. In this specification, the term “parallel” does not need to be completely parallel, and includes those that are substantially parallel. Specifically, it is preferable that the angle formed by the long sides facing each other is 0 to 10 ° except for the end 100 nm of the titania nanorod (A3b).

チタニアナノロッド(A3b)の形状(L/L及び向かい合う長辺のなす角)は、例えば、電子顕微鏡(SEM又はTEM)観察等により測定することができる。 The shape of the titania nanorod (A3b) (L / L 0 and the angle formed between the long sides facing each other) can be measured, for example, by observation with an electron microscope (SEM or TEM).

また、チタニアナノロッド(A3b)は、長手方向側面の算術平均粗さ(Ra)が平均幅の10%未満、好ましくは0〜5%程度である。具体的には、長手方向側面の算出平均粗さ(Ra)は、5nm未満、好ましくは0〜3nm程度とすればよい。なお、長手方向側面の算術平均粗さは、例えば、TEMの電子顕微鏡写真から画像解析装置を用いて、チタニアナノロッド(A3b)の表面の直線状又は曲線状を測定することにより測定できる。   Moreover, the titania nanorod (A3b) has an arithmetic average roughness (Ra) of the side surface in the longitudinal direction of less than 10%, preferably about 0 to 5% of the average width. Specifically, the calculated average roughness (Ra) of the longitudinal side surface is less than 5 nm, preferably about 0 to 3 nm. In addition, the arithmetic mean roughness of the side surface in the longitudinal direction can be measured, for example, by measuring the linear shape or curved shape of the surface of the titania nanorod (A3b) using an image analyzer from an electron micrograph of TEM.

チタニアナノロッド(A3b)は、複数のチタニア結晶を含有する。本明細書において、「複数のチタニア結晶を含有する」とは、具体的には、図12(a)に示すように、一部が結晶化したものを複数含有するもの、図12(b)に示すように、複数種の長さが短い結晶(長さが50nm以下)を複数種含有するもの、図12(c)に示すように、主結晶(長さが50nmより大きい)中に長さが短い結晶(長さが50nm以下)を含有するもののいずれも包含する概念である。   The titania nanorod (A3b) contains a plurality of titania crystals. In this specification, “containing a plurality of titania crystals” specifically includes, as shown in FIG. 12 (a), those containing a plurality of partially crystallized ones, as shown in FIG. 12 (b). As shown in Fig. 12 (c), a long crystal in a main crystal (longer than 50 nm) contains a plurality of types of short crystals (longer than 50 nm). It is a concept including any of those containing short crystals (length is 50 nm or less).

より詳細には、長手方向の長さが50nm以下である結晶を30%以上、特に50%以上含むことが好ましい。このように、長手方向の長さが50nm以下の結晶を30%以上含むことで、強度、導電性、比表面積を両立しながらも、凝集が起こりにくい。   More specifically, it is preferable to contain 30% or more, particularly 50% or more of crystals having a length in the longitudinal direction of 50 nm or less. Thus, by containing 30% or more of crystals having a length in the longitudinal direction of 50 nm or less, aggregation is unlikely to occur while achieving both strength, conductivity, and specific surface area.

チタニアナノロッド(A3b)の具体的な結晶構造は、特に制限されるわけではないが、アナターゼ型、ブルッカイト型、TiO−B型のうち少なくとも1種を含むことが好ましく、アナターゼ型及び/又はTiO−B型を含むことがより好ましく、少なくともアナターゼ型を含むことがさらに好ましい。チタニアナノロッド(A3b)の結晶構造は、例えば、X線回折、電子線回折、ラマン分光分析等により測定することができる。 The specific crystal structure of the titania nanorod (A3b) is not particularly limited, but preferably contains at least one of anatase type, brookite type, and TiO 2 -B type, and includes anatase type and / or TiO 2. It is more preferable to include 2- B type, and it is more preferable to include at least anatase type. The crystal structure of the titania nanorod (A3b) can be measured by, for example, X-ray diffraction, electron beam diffraction, Raman spectroscopic analysis, or the like.

チタニアナノロッド(A3b)は、色素を多量に担持し、入射した光を効率よく吸収できる点から、比表面積は15m/g以上が好ましく、20m/g以上がより好ましい。比表面積は、大きいほうが好ましく、上限値は特に制限されないが、3000m/g程度である。比表面積は、BET法等により測定できる。 The titania nanorod (A3b) has a specific surface area of preferably 15 m 2 / g or more, more preferably 20 m 2 / g or more, from the viewpoint that it can carry a large amount of dye and can absorb incident light efficiently. The specific surface area is preferably larger, and the upper limit is not particularly limited, but is about 3000 m 2 / g. The specific surface area can be measured by the BET method or the like.

チタニアナノロッド(A3b)中のアルカリ金属の含有量は、活性を確保する点から、2000ppm以下が好ましく、500ppm以下がより好ましい。なお、耐熱性を必要とする場合は、Naが多いほうが好ましいことがあるため、アルカリ金属含有量は、目的等に応じて適宜設定すればよい。アルカリ金属の含有量は、イオンクロマトグラフ法、ICP発光分光分析法等により測定できる。   The content of the alkali metal in the titania nanorod (A3b) is preferably 2000 ppm or less, more preferably 500 ppm or less, from the viewpoint of ensuring activity. In addition, when heat resistance is required, since it may be preferable that there is much Na, alkali metal content should just be set suitably according to the objective. The alkali metal content can be measured by ion chromatography, ICP emission spectroscopic analysis, or the like.

チタニアナノロッド(A3b)は、より大きな電流が得られる点から、10MPa下での粉体抵抗は3×10Ω・m以下が好ましく、1×10Ω・m以下がより好ましい。粉体抵抗は、小さいほうが好ましく、下限値は特に制限されないが、0.1Ω・m程度である。なお、チタニアナノロッド(A3b)の粉体抵抗の測定方法は、特に限定されないが、例えば、10MPaの圧力で厚さ0.3mmの平板状に加工し、ペレット間に電圧1Vを印加して流れる電流値を測ることにより測定することができる。 In the titania nanorod (A3b), the powder resistance under 10 MPa is preferably 3 × 10 6 Ω · m or less and more preferably 1 × 10 5 Ω · m or less from the viewpoint of obtaining a larger current. The powder resistance is preferably as small as possible, and the lower limit is not particularly limited, but is about 0.1 Ω · m. The method for measuring the powder resistance of the titania nanorod (A3b) is not particularly limited. For example, a current flowing by applying a voltage of 1 V between the pellets processed into a plate having a thickness of 0.3 mm at a pressure of 10 MPa. It can be measured by measuring the value.

チタニアナノロッド(A3b)は、500〜900℃程度の高温領域でも形状が崩れず、比表面積及びアスペクト比を維持できる。つまり、チタニアナノロッド(A3b)は、高温においても、高比表面積、溶液中への分散性及び高強度を維持できる。   The titania nanorod (A3b) does not lose its shape even in a high temperature region of about 500 to 900 ° C., and can maintain a specific surface area and an aspect ratio. That is, the titania nanorod (A3b) can maintain a high specific surface area, dispersibility in a solution, and high strength even at a high temperature.

チタニアナノロッド(A3b)の製造方法は、例えば、
(1)3〜20mol/Lのアルカリ水溶液と、平均粒子径が50nm以下のチタニアナノ粒子とを、160℃より高い温度で接触させる工程
を備える。
The manufacturing method of the titania nanorod (A3b) is, for example,
(1) A step of bringing a 3 to 20 mol / L aqueous alkali solution into contact with titania nanoparticles having an average particle diameter of 50 nm or less at a temperature higher than 160 ° C.

工程(1)では、具体的には、これに限定されるわけではないが、3〜20mol/Lのアルカリ水溶液中に、平均粒子径が50nm以下のチタニアナノ粒子を添加し、その後、160℃より高い温度に加熱すればよい。   In the step (1), specifically, although not limited thereto, titania nanoparticles having an average particle diameter of 50 nm or less are added to an alkaline aqueous solution of 3 to 20 mol / L, and then from 160 ° C. What is necessary is just to heat to high temperature.

アルカリ水溶液としては、原料の酸化チタンの表面を溶解し、反応を促進する点から、アルカリ金属の水酸化物の水溶液が好ましい。なお、アルカリとして、2種類以上のアルカリを含む水溶液としてもよく、水酸化ナトリウムを50重量%以上含む水溶液とするのがより好ましい。アルカリとして水酸化ナトリウム以外のアルカリを含む場合は、例えば、水酸化カリウム、水酸化リチウム等を水酸化ナトリウムと併用させればよい。   As the alkaline aqueous solution, an aqueous solution of an alkali metal hydroxide is preferable from the viewpoint of dissolving the surface of the raw material titanium oxide and promoting the reaction. In addition, it is good also as an aqueous solution containing 2 or more types of alkalis as an alkali, and it is more preferable to set it as the aqueous solution which contains 50 weight% or more of sodium hydroxide. When an alkali other than sodium hydroxide is included as the alkali, for example, potassium hydroxide, lithium hydroxide or the like may be used in combination with sodium hydroxide.

アルカリ水溶液の濃度は、原料の酸化チタンの表面を溶解し、かつ反応液の流動性を保つことにより、アスペクト比の大きい板状チタニア結晶からなるチタニアナノロッド(A3b)を、長時間かけることなく作製できる点から、3〜20mol/L、好ましくは5〜15mol/L程度である。なお、2種類以上のアルカリを含む水溶液を使用する場合には、アルカリ水溶液の濃度は、全アルカリの濃度の総和である。   The concentration of the alkaline aqueous solution is such that the titania nanorods (A3b) composed of plate-like titania crystals having a large aspect ratio are produced without taking a long time by dissolving the surface of the raw material titanium oxide and maintaining the fluidity of the reaction solution. From the point which can be performed, it is 3-20 mol / L, Preferably it is about 5-15 mol / L. In addition, when using the aqueous solution containing 2 or more types of alkalis, the density | concentration of aqueous alkali solution is the sum total of the density | concentration of all the alkalis.

使用するチタニアナノ粒子の形態は、特に制限はない。公知又は市販のチタニアナノ粒子をそのまま使用してもよいし、粒径が大きい場合は遊星ボールミル、ペイントシェーカー等を用いて乾式又は湿式で粉砕して用いても良い。   The form of titania nanoparticles used is not particularly limited. Known or commercially available titania nanoparticles may be used as they are, or when the particle size is large, they may be used by dry or wet pulverization using a planetary ball mill, paint shaker or the like.

また、チタニアナノ粒子は、少なくともアナターゼ型を示すものが好ましい。   Moreover, it is preferable that the titania nanoparticles exhibit at least anatase type.

使用するチタニアナノ粒子の平均粒子径は、より低温、より短時間で本発明のチタニアナノロッド(A3b)を製造できる点から、50nm以下、好ましくは30nm以下である。使用するチタニアナノ粒子の平均粒子径が大きすぎると、チタニアナノロッド(A3b)を製造するのが困難である。チタニアナノ粒子の平均粒子径は、小さいほうが好ましく、下限値は特に設定されないが、通常3nm程度である。チタニアナノ粒子の平均粒子径は、例えば、電子顕微鏡(SEM又はTEM)観察等により測定することができる。   The average particle diameter of the titania nanoparticles to be used is 50 nm or less, preferably 30 nm or less from the viewpoint that the titania nanorod (A3b) of the present invention can be produced at a lower temperature and in a shorter time. If the average particle diameter of the titania nanoparticles used is too large, it is difficult to produce titania nanorods (A3b). The average particle size of the titania nanoparticles is preferably small, and the lower limit is not particularly set, but is usually about 3 nm. The average particle diameter of titania nanoparticles can be measured, for example, by observation with an electron microscope (SEM or TEM).

アルカリ水溶液中に添加するチタニアナノ粒子の量は、特に制限されないが、反応液の流動性と生産性とのバランスを取る観点から、0.01〜1mol/L程度、好ましくは0.05〜0.5mol/Lとすればよい。   The amount of titania nanoparticles added to the aqueous alkaline solution is not particularly limited, but is about 0.01 to 1 mol / L, preferably 0.05 to 0.00, from the viewpoint of balancing the fluidity and productivity of the reaction solution. What is necessary is just 5 mol / L.

アルカリ水溶液とチタニアナノ粒子とを接触させる温度は、160℃より高い温度である。接触温度の上限値は、特に制限はないが、通常水の臨界点である370℃である。好ましくは、180〜370℃程度、より好ましくは200〜300℃程度とすればよい。接触温度が低すぎるとチタニアナノロッド(A3b)を製造することはできず、チタニアナノ粒子が凝集した塊状の構造体、又は幅が非常に小さいチタニアナノロッドが絡み合い、全体として塊状の構造体しか製造できない。つまり、高アスペクト比かつ高分散性のチタニアナノロッドは得られない。特許第3513738号及び特許第3983533号では、160℃以上とするとチューブ状のものが生成されにくくなる(特許第3513738号の[0024]及び特許第3983533号の[0024])とされているが、逆に、低温で接触させると、チタニアナノロッド同士が絡み合ってしまうため、高アスペクト比且つ高分散性のチタニアナノロッドは得られない。また、接触温度が高すぎると、使用するエネルギー量と安全性の面で望ましくない。   The temperature at which the aqueous alkali solution and the titania nanoparticles are brought into contact is a temperature higher than 160 ° C. The upper limit of the contact temperature is not particularly limited, but is usually 370 ° C., which is the critical point of water. The temperature is preferably about 180 to 370 ° C, more preferably about 200 to 300 ° C. If the contact temperature is too low, titania nanorods (A3b) cannot be produced, and a massive structure in which titania nanoparticles are aggregated or an extremely small titania nanorod is entangled to produce only a massive structure as a whole. That is, a titania nanorod having a high aspect ratio and high dispersibility cannot be obtained. In Patent No. 3513738 and Patent No. 3985533, it is difficult to produce a tube-shaped product at 160 ° C. or higher (Patent No. 3513738 [0024] and Patent No. 3985533 [0024]). On the other hand, when the contact is made at a low temperature, the titania nanorods are entangled with each other, so that a high aspect ratio and high dispersibility titania nanorod cannot be obtained. Further, if the contact temperature is too high, it is not desirable in terms of the amount of energy used and safety.

アルカリ水溶液とチタニアナノ粒子とを接触させる時間は、特に制限はなく、1〜24時間程度とすればよい。   The time for contacting the aqueous alkali solution with the titania nanoparticles is not particularly limited, and may be about 1 to 24 hours.

チタニアナノ粒子の平均粒子径、接触温度及び接触時間の好ましい範囲には相関関係があり、平均粒子径が大きめのチタニアナノ粒子を使用する場合には、接触温度を高めとすることが好ましい。例えば、平均粒子径7nmのチタニアナノ粒子を用いて接触時間を12時間とした場合には、接触温度を160℃より高い温度とすればよいが、平均粒子径25nmのチタニアナノ粒子を用いて接触時間を12時間とした場合には、接触温度を185℃以上とすることが好ましい。   The preferred range of the average particle diameter, contact temperature, and contact time of the titania nanoparticles has a correlation, and when using titania nanoparticles having a larger average particle diameter, it is preferable to increase the contact temperature. For example, when the titania nanoparticles having an average particle diameter of 7 nm are used and the contact time is 12 hours, the contact temperature may be set to a temperature higher than 160 ° C., but the contact time is determined using titania nanoparticles having an average particle diameter of 25 nm. In the case of 12 hours, the contact temperature is preferably 185 ° C. or higher.

チタニアナノロッド(A3b)の製造方法においては、上記の工程(1)の後、さらに、
(2)工程(1)で得られたチタニアナノロッド(A3b)を水、酸及びイオン交換樹脂よりなる群から選ばれる少なくとも1種と接触させる工程
を備えることが好ましい。
In the method for producing titania nanorods (A3b), after the above step (1),
(2) It is preferable to include a step of bringing the titania nanorod (A3b) obtained in the step (1) into contact with at least one selected from the group consisting of water, an acid, and an ion exchange resin.

具体的には、水又は酸を使用する場合には、例えば、工程(1)で得られたチタニアナノロッド(A3b)を、水又は酸性水溶液中に添加すればよく、イオン交換樹脂を使用する場合には、イオン交換樹脂を充填したカラムに生成物を含む液を通過させてもよく、イオン交換樹脂と混合して撹拌するだけでもよい。   Specifically, when water or acid is used, for example, the titania nanorod (A3b) obtained in step (1) may be added to water or an acidic aqueous solution, and an ion exchange resin is used. For this, the liquid containing the product may be passed through a column filled with an ion exchange resin, or only mixed with the ion exchange resin and stirred.

アルカリ水溶液としてアルカリ金属の水酸化物を用いた場合には、工程(1)で得られるチタニアナノロッド中に、アルカリ金属が含まれることがあるが、この工程により、チタニアナノロッド中に含まれるアルカリ金属を取り除くことができる。   When an alkali metal hydroxide is used as the alkaline aqueous solution, an alkali metal may be contained in the titania nanorods obtained in the step (1). By this step, the alkali metal contained in the titania nanorods may be contained. Can be removed.

酸としては、アルカリ金属イオンとプロトンを交換できるプロトン酸が好ましい。具体的には、塩酸、硝酸、硫酸、リン酸、フッ酸、酢酸、クエン酸、ギ酸、シュウ酸等の一般的な無機酸又は有機酸が挙げられる。これらの酸は、1種単独で用いてもよいし、2種以上を組合せて用いてもよい。   The acid is preferably a protonic acid capable of exchanging protons with alkali metal ions. Specific examples include general inorganic acids or organic acids such as hydrochloric acid, nitric acid, sulfuric acid, phosphoric acid, hydrofluoric acid, acetic acid, citric acid, formic acid, and oxalic acid. These acids may be used individually by 1 type, and may be used in combination of 2 or more type.

イオン交換樹脂としては、例えば、ダイヤイオン(三菱化学(株)製;登録商標)、アンバーライト(ローム・アンド・ハース社製)等の陽イオン交換樹脂等が挙げられる。これらのイオン交換樹脂は、1種単独で用いてもよいし、2種以上を組合せて用いてもよい。   Examples of the ion exchange resin include cation exchange resins such as Diaion (manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation; registered trademark) and Amberlite (made by Rohm and Haas). These ion exchange resins may be used individually by 1 type, and may be used in combination of 2 or more type.

水、酸及びイオン交換樹脂のなかでも、工程(1)で得られたチタニアナノロッド(A3b)中に含まれるアルカリ金属を短時間で取り除くことができる点から、酸を用いることが好ましく、塩酸、硝酸、酢酸、シュウ酸等がより好ましい。ただし、酸を用いる場合には、工程(1)で得られたチタニアナノロッド(A3b)を酸と接触させた後、チタニアナノロッド(A3b)を水洗して酸を除去することが好ましい。   Among water, acid, and ion exchange resin, it is preferable to use an acid from the viewpoint that the alkali metal contained in the titania nanorod (A3b) obtained in step (1) can be removed in a short time. Nitric acid, acetic acid, oxalic acid and the like are more preferable. However, when using an acid, after making the titania nanorod (A3b) obtained at the process (1) contact with an acid, it is preferable to wash the titania nanorod (A3b) with water to remove the acid.

工程(1)で得られたチタニアナノロッド(A3b)と水、酸及びイオン交換樹脂よりなる群から選ばれる少なくとも1種とを接触させる時間は、1〜48時間程度とすればよく、充分にアルカリ金属を除去する必要がある場合は8時間以上がより望ましい。   The time for contacting the titania nanorod (A3b) obtained in the step (1) with at least one selected from the group consisting of water, acid and ion exchange resin may be about 1 to 48 hours, and is sufficiently alkaline. If it is necessary to remove the metal, 8 hours or more is more desirable.

チタニアナノロッド(A3b)の製造方法においては、上記の工程(2)の後、さらに、
(3)工程(2)で得られたチタニアナノロッド(A3b)を150℃以上で焼成する工程
を備えることが好ましい。
In the method for producing titania nanorods (A3b), after the above step (2),
(3) It is preferable to include a step of firing the titania nanorod (A3b) obtained in step (2) at 150 ° C. or higher.

工程(2)で得られたチタニアナノロッド(A3b)は、一般的に行われる熱風乾燥、減圧乾燥等により乾燥を行ってもよいが、加熱して焼成することが好ましい。これにより、チタニアナノロッド(A3b)に残存するTi−OH基の脱水反応を行わせることができる。   The titania nanorod (A3b) obtained in the step (2) may be dried by hot air drying, reduced pressure drying or the like that is generally performed, but is preferably heated and fired. Thereby, the dehydration reaction of the Ti—OH group remaining in the titania nanorod (A3b) can be performed.

焼成温度は、チタニアナノロッド(A3b)に残存するTi−OH基の脱水反応を行わせることができる点から150℃以上が好ましく、チタニアナノロッド(A3b)の結晶性を向上させられる点から300℃以上がより好ましい。なお、焼成温度の上限値は特に制限はないが、通常1000℃程度である。   The firing temperature is preferably 150 ° C. or higher from the viewpoint that the Ti—OH group remaining in the titania nanorod (A3b) can be dehydrated, and 300 ° C. or higher from the point that the crystallinity of the titania nanorod (A3b) can be improved. Is more preferable. The upper limit of the firing temperature is not particularly limited, but is usually about 1000 ° C.

1−2.チタニアナノ粒子(B)
チタニアナノ粒子(B)としては、特に制限はなく、公知又は市販のものを使用すればよい。
1-2. Titania nanoparticles (B)
There is no restriction | limiting in particular as a titania nanoparticle (B), What is necessary is just to use a well-known or commercially available thing.

チタニアナノ粒子(B)の結晶構造としては、とくに制限されるわけではないが、アナターゼ型酸化チタン、ルチル型酸化チタン及びブルッカイト型酸化チタンよりなる群から選ばれる少なくとも1種を含むものが好ましく、光に対する活性が高い点から、アナターゼ型酸化チタンを含むものがより好ましい。なお、チタニアナノ粒子(B)の結晶構造は、例えば、X線回折法、ラマン分光分析等により測定することができる。   The crystal structure of the titania nanoparticle (B) is not particularly limited, but preferably contains at least one selected from the group consisting of anatase-type titanium oxide, rutile-type titanium oxide and brookite-type titanium oxide. Those containing anatase-type titanium oxide are more preferred because of their high activity against. The crystal structure of the titania nanoparticle (B) can be measured by, for example, an X-ray diffraction method, Raman spectroscopic analysis, or the like.

チタニアナノ粒子(B)の平均粒子径は、より多くの色素を吸着し、光を吸収できる点から、1〜500nmが好ましく、5〜100nmがより好ましい。ただし、電池内部への光閉じ込め効果の観点から、粒径が大きく光散乱の大きい酸化チタン粒子を併用してもよい。なお、チタニアナノ粒子(B)の平均粒子径は、例えば、電子顕微鏡(SEM)観察等により測定することができる。   The average particle diameter of the titania nanoparticles (B) is preferably 1 to 500 nm, more preferably 5 to 100 nm, from the viewpoint that more dye can be adsorbed and light can be absorbed. However, from the viewpoint of the light confinement effect inside the battery, titanium oxide particles having a large particle size and large light scattering may be used in combination. In addition, the average particle diameter of a titania nanoparticle (B) can be measured by electron microscope (SEM) observation etc., for example.

1−3.多孔質酸化チタン塗膜
本発明の多孔質酸化チタン塗膜は、上記の酸化チタン構造体(A)及びチタニアナノ粒子(B)を含み、一表面から他表面へ向かうにしたがい、酸化チタン構造体(A)の濃度が高くなり、且つ、チタニアナノ粒子(B)の濃度が低くなるものである。
1-3. Porous titanium oxide coating film The porous titanium oxide coating film of the present invention comprises the above-described titanium oxide structure (A) and titania nanoparticles (B), and the titanium oxide structure ( The concentration of A) increases and the concentration of titania nanoparticles (B) decreases.

多孔質酸化チタン塗膜は、具体的には、酸化チタン構造体(A)の含有量が高い側の最表面から塗膜の厚みの0〜10%の範囲の深さにおける酸化チタン構造体(A)の含有量を20〜100重量%、特に70〜100重量%、酸化チタン構造体(A)の含有量が高い側の最表面から塗膜の厚みの90〜100%の範囲の深さにおける酸化チタン構造体(A)の含有量を0〜80重量%、特に0〜30重量%とするのが好ましい。なお、本発明の多孔質酸化チタン塗膜全体におけるそれぞれの含有量は、特に制限されるわけではないが、酸化チタン構造体(A)を5〜80重量%程度、好ましくは10〜50重量%程度とし、チタニアナノ粒子(B)を20〜95重量%程度、好ましくは50〜90重量%程度とすればよい。   Specifically, the porous titanium oxide coating film has a titanium oxide structure (at a depth in the range of 0 to 10% of the thickness of the coating film from the outermost surface on the side where the content of the titanium oxide structure (A) is high. The content of A) is 20 to 100% by weight, particularly 70 to 100% by weight, and the depth is in the range of 90 to 100% of the thickness of the coating film from the outermost surface on the side where the content of titanium oxide structure (A) is high. The content of the titanium oxide structure (A) in is preferably 0 to 80% by weight, more preferably 0 to 30% by weight. In addition, each content in the whole porous titanium oxide coating film of the present invention is not particularly limited, but the titanium oxide structure (A) is about 5 to 80% by weight, preferably 10 to 50% by weight. The titania nanoparticles (B) may be about 20 to 95% by weight, preferably about 50 to 90% by weight.

本発明の多孔質酸化チタン塗膜は、太陽電池電極として用いる場合にはより多くの入射光を吸収できるよう、なるべく厚い方が良いが、電解質が電極膜深部まで浸透するため、あるいは、均質で良好な成膜性の確保の点からは、なるべく薄い方が良く、これらの相反する現象の効果から、厚みは1〜80μm程度、特に5〜50μm程度が好ましい。   The porous titanium oxide coating film of the present invention is preferably as thick as possible so that it can absorb more incident light when used as a solar cell electrode, but the electrolyte penetrates deep into the electrode film or is homogeneous. From the standpoint of securing good film formability, it is better to be as thin as possible. From the effects of these contradictory phenomena, the thickness is preferably about 1 to 80 μm, particularly about 5 to 50 μm.

1−4.多孔質酸化チタン塗膜が形成された基板
本発明の多孔質酸化チタン塗膜が形成された基板は、基板上に本発明の多孔質酸化チタン塗膜が形成されたものである。ここでは、多孔質酸化チタン塗膜は、基板との界面から塗膜最表面へ向かうにしたがい、酸化チタン構造体(A)の濃度が高くなり、且つ、チタニアナノ粒子(B)の濃度が低くなるものである。
1-4. Substrate on which the porous titanium oxide coating film is formed The substrate on which the porous titanium oxide coating film of the present invention is formed is one in which the porous titanium oxide coating film of the present invention is formed on the substrate. Here, as the porous titanium oxide coating film moves from the interface with the substrate toward the outermost surface of the coating film, the concentration of the titanium oxide structure (A) increases and the concentration of the titania nanoparticles (B) decreases. Is.

このように、基板との界面から最表面に近づくにしたがい、酸化チタン構造体(A)の濃度が高くなる濃度勾配を有することで、塗膜の表面近傍には酸化チタン構造体(A)を多く、基板との界面近傍にはチタニアナノ粒子(B)を多くすることができる。これにより、基板との界面近傍ではチタニアナノ粒子(B)が多いため、光をより効率よく吸収することができる。また、表面近傍では、酸化チタン構造体(A)が多いため、電極近傍までイオン及び電子をより効率よく運ぶことができる。さらに、基板との界面近傍ではチタニアナノ粒子(B)が多く、表面近傍では酸化チタン構造体(A)が多いという構成をとることにより、基板側から入射する光を表面近傍の酸化チタン構造体(A)が反射し、塗膜内に光を閉じ込めることができるため、効率的に光を利用することができる。   Thus, the titanium oxide structure (A) is formed near the surface of the coating film by having a concentration gradient in which the concentration of the titanium oxide structure (A) increases as it approaches the outermost surface from the interface with the substrate. Many titania nanoparticles (B) can be increased in the vicinity of the interface with the substrate. Thereby, since there are many titania nanoparticles (B) in the interface vicinity with a board | substrate, light can be absorbed more efficiently. Moreover, since there are many titanium oxide structures (A) in the vicinity of the surface, ions and electrons can be more efficiently carried to the vicinity of the electrode. Furthermore, by adopting a configuration in which there are many titania nanoparticles (B) in the vicinity of the interface with the substrate and many titanium oxide structures (A) in the vicinity of the surface, the light incident from the substrate side is irradiated with the titanium oxide structure ( Since A) is reflected and light can be confined in the coating film, light can be used efficiently.

多孔質酸化チタン塗膜は、具体的には、最表面(基板と反対側)から塗膜の厚みの0〜10%の範囲の深さにおける酸化チタン構造体(A)の濃度を20〜100重量%、特に70〜100重量%、最表面(基板と反対側)から塗膜の厚みの90〜100%の範囲の深さにおける酸化チタン構造体(A)の濃度を0〜80重量%、特に0〜30重量%とするのが好ましい。   Specifically, the porous titanium oxide coating film has a titanium oxide structure (A) concentration of 20 to 100 at a depth ranging from 0 to 10% of the thickness of the coating film from the outermost surface (the side opposite to the substrate). % By weight, particularly 70 to 100% by weight, the concentration of the titanium oxide structure (A) at a depth ranging from the outermost surface (opposite side of the substrate) to 90 to 100% of the thickness of the coating film, 0 to 80% by weight, In particular, the content is preferably 0 to 30% by weight.

本発明の多孔質酸化チタン塗膜を基板上に製造する際には、特に制限されるわけではないが、酸化チタン構造体(A)及びチタニアナノ粒子(B)からなり、その濃度が異なる組成物を何種類か用意しておき、酸化チタン構造体(A)の濃度が小さいものから順に適当な基板上に塗布及び乾燥をすればよい。この際、組成物を塗布する度に乾燥してもよいし、すべての組成物を塗布してからまとめて乾燥してもよい。なお、多孔質酸化チタン塗膜の総膜厚が1〜80μm、好ましくは、5〜50μm程度となるようにすればよい。   When producing the porous titanium oxide coating film of the present invention on a substrate, a composition comprising a titanium oxide structure (A) and titania nanoparticles (B) having different concentrations is not particularly limited. May be prepared and applied and dried on an appropriate substrate in order from the one with the lowest concentration of the titanium oxide structure (A). At this time, the composition may be dried each time it is applied, or all the compositions may be applied and then dried together. The total thickness of the porous titanium oxide coating film may be 1 to 80 μm, preferably about 5 to 50 μm.

基板としては、特に制限はなく、常温において平滑な面を有するものであり、その面は平面あるいは曲面であってもよく、また応力によって変形するものであってもよい。使用できる基板の具体例としては、例えば、各種ガラス、及びPET(ポリエチレンテレフタレート)、PEN(ポリエチレンナフタレート)等の透明樹脂等に透明導電機能が付与されたものが挙げられる。また、色素増感太陽電池用の負極材料として本発明の多孔質酸化チタン塗膜を用い、かつ表面側から集電する(バックコンタクト)構造の場合は必ずしも基板に透明導電機能が付与されている必要はなく、導電性のあるアルミニウム、チタン、クロム、ステンレス等を集電部材として使用した上で、各種ガラスや透明樹脂等の単なる透明基板を用いても良い。ただし、後述の絶縁性酸化物膜の形成工程等、300℃以上の温度で焼成する場合は、ガラス基板を用いるのが好ましい。   There is no restriction | limiting in particular as a board | substrate, It has a smooth surface at normal temperature, The surface may be a plane or a curved surface, and may deform | transform by stress. Specific examples of the substrate that can be used include various glasses, and transparent resins such as PET (polyethylene terephthalate) and PEN (polyethylene naphthalate) that have a transparent conductive function. Moreover, in the case of using the porous titanium oxide coating film of the present invention as a negative electrode material for a dye-sensitized solar cell and collecting current from the surface side (back contact), the substrate is necessarily provided with a transparent conductive function. There is no need to use conductive aluminum, titanium, chromium, stainless steel or the like as a current collecting member, and a simple transparent substrate such as various types of glass or transparent resin may be used. However, it is preferable to use a glass substrate when firing at a temperature of 300 ° C. or higher, such as a step of forming an insulating oxide film described later.

塗布方法は特に制限はなく、スクリーン印刷、ディップコート、スプレーコート、スピンコート、スキージ法等の常法を採用すればよい。   There are no particular restrictions on the application method, and conventional methods such as screen printing, dip coating, spray coating, spin coating, and squeegee method may be employed.

乾燥条件は、特に制限されないが、100〜500℃、好ましくは200〜300℃にて1〜10時間、好ましくは1〜3時間とすればよい。   The drying conditions are not particularly limited, but may be 100 to 500 ° C., preferably 200 to 300 ° C. for 1 to 10 hours, preferably 1 to 3 hours.

さらに、本発明の多孔質酸化チタン塗膜が形成された基板において、多孔質酸化チタン塗膜は、表面に絶縁性酸化物膜を有することが好ましい。絶縁性酸化物膜に使用できる酸化物としては、特に制限されるわけではないが、電子伝導帯エネルギー準位が酸化チタン構造体(A)の電子伝導帯エネルギー準位より真空エネルギー準位側にあり、色素から酸化チタン構造体(A)へ電子をトンネル伝導させることが可能であるものを使用すればよい。例えば、酸化マグネシウム、酸化アルミニウム、酸化ケイ素、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、酸化イットリウム、酸化ニッケル、酸化クロム、酸化マンガン、酸化銅、酸化ゲルマニウム、酸化ガリウム等を使用すればよく、なかでも、酸化マグネシウム、酸化アルミニウムが好ましい。これらの酸化物は、1種単独又は2種以上で使用できる。   Furthermore, in the substrate on which the porous titanium oxide coating film of the present invention is formed, the porous titanium oxide coating film preferably has an insulating oxide film on the surface. The oxide that can be used for the insulating oxide film is not particularly limited, but the electron conduction band energy level is closer to the vacuum energy level than the electron conduction band energy level of the titanium oxide structure (A). There may be used one that can tunnel electrons from the dye to the titanium oxide structure (A). For example, magnesium oxide, aluminum oxide, silicon oxide, zirconium oxide, hafnium oxide, yttrium oxide, nickel oxide, chromium oxide, manganese oxide, copper oxide, germanium oxide, gallium oxide, etc. may be used. Aluminum oxide is preferred. These oxides can be used alone or in combination of two or more.

絶縁性酸化物膜の厚みは、特に制限されないが、逆電子移動の防止のため、0.1〜100nm、特に0.1〜10nm、さらに0.5〜5nmとすることが好ましい。   The thickness of the insulating oxide film is not particularly limited, but is preferably 0.1 to 100 nm, particularly 0.1 to 10 nm, and more preferably 0.5 to 5 nm in order to prevent reverse electron transfer.

なお、多孔質酸化チタン塗膜の表面に絶縁性酸化物膜を形成する方法としては、特に制限されないが、例えば、スパッタリング法、浸漬法、スプレー法、蒸着法、イオンプレーティング法、プラズマCVD法等が挙げられる。これらのなかで、酸化チタン構造体(A)の細部まで絶縁性酸化物膜を形成できるため浸漬法が好ましく、具体的には、絶縁性酸化物の前駆体を0.001〜1mol/L程度含む溶液中に、基板上に形成された本発明の多孔質酸化チタン塗膜を浸漬し、その後焼成すればよい。   The method for forming the insulating oxide film on the surface of the porous titanium oxide coating film is not particularly limited. For example, sputtering method, dipping method, spray method, vapor deposition method, ion plating method, plasma CVD method, etc. Etc. Among these, since the insulating oxide film can be formed up to the details of the titanium oxide structure (A), the dipping method is preferable. Specifically, the precursor of the insulating oxide is about 0.001 to 1 mol / L. What is necessary is just to immerse the porous titanium oxide coating film of this invention formed on the board | substrate in the solution to contain, and to bake after that.

絶縁性酸化物の前駆体としては、例えば、該酸化物を構成する金属のアルコキシド、ハロゲン化物、オキソハロゲン化物、カルボニル、有機錯体等が挙げられる。具体的には、例えば、マグネシウムエトキシド、アルミニウムイソプロポキシド、アルミニウムブトキシド、イットリウムイソプロポキシドを使用すればよい。   Examples of the precursor of the insulating oxide include an alkoxide, a halide, an oxo halide, a carbonyl, an organic complex, and the like of a metal constituting the oxide. Specifically, for example, magnesium ethoxide, aluminum isopropoxide, aluminum butoxide, or yttrium isopropoxide may be used.

焼成条件は、特に制限されるわけではないが、300〜600℃程度、特に450〜550℃程度にて1〜60分程度、特に10〜30分程度とすればよい。   The firing conditions are not particularly limited, but may be about 300 to 600 ° C., particularly about 450 to 550 ° C., about 1 to 60 minutes, particularly about 10 to 30 minutes.

2.電極基板
色素増感太陽電池用の電極基板を形成する際には、本発明の多孔質酸化チタン塗膜を、樹脂基板又はガラス基板(特に、樹脂基板又はガラス基板からなる透明基板)の上に形成し、色素を担持させる。ただし、後述の絶縁性酸化物膜の形成工程等、300℃以上の温度で焼成する場合は、ガラス基板を用いるのが好ましい。
2. When forming an electrode substrate for an electrode substrate dye-sensitized solar cell, the porous titanium oxide coating film of the present invention is formed on a resin substrate or a glass substrate (particularly, a transparent substrate made of a resin substrate or a glass substrate). Form and carry the dye. However, it is preferable to use a glass substrate when firing at a temperature of 300 ° C. or higher, such as a step of forming an insulating oxide film described later.

樹脂基板としては、透明であれば特に制限されないが、例えば、ポリエチレンナフタレート樹脂基板(PEN樹脂基板)、ポリエチレンテレフタレート樹脂基板(PET樹脂基板)等のポリエステル;ポリアミド;ポリスルホン;ポリエーテルサルホン;ポリエーテルエーテルケトン;ポリフェニレンサルファイド;ポリカーボネート;ポリイミド;ポリメチルメタクリレート;ポリスチレン;トリ酢酸セルロース;ポリメチルペンテン等が挙げられる。   The resin substrate is not particularly limited as long as it is transparent. For example, polyester such as polyethylene naphthalate resin substrate (PEN resin substrate) and polyethylene terephthalate resin substrate (PET resin substrate); polyamide; polysulfone; polyethersulfone; Examples include ether ether ketone, polyphenylene sulfide, polycarbonate, polyimide, polymethyl methacrylate, polystyrene, cellulose triacetate, and polymethylpentene.

ガラス基板としても特に制限はなく、公知又は市販のものを使用すればよく、無色又は有色ガラス、網入りガラス、ガラスブロック等のいずれでもよい。   There is no restriction | limiting in particular also as a glass substrate, What is necessary is just to use a well-known or commercially available thing, and any of colorless or colored glass, meshed glass, a glass block etc. may be sufficient.

この樹脂基板又はガラス基板としては、板厚が0.05〜10mm程度のものを使用すればよい。   As this resin substrate or glass substrate, one having a thickness of about 0.05 to 10 mm may be used.

本発明では、多孔質酸化チタン塗膜は、樹脂基板又はガラス基板の表面上に直接形成されていてもよいが、透明導電膜を介して形成されていてもよい。   In the present invention, the porous titanium oxide coating film may be directly formed on the surface of the resin substrate or the glass substrate, but may be formed via a transparent conductive film.

透明導電膜としては、例えば、スズドープ酸化インジウム膜(ITO膜)、フッ素ドープ酸化スズ膜(FTO膜)、アンチモンドープ酸化スズ膜(ATO膜)アルミニウムドープ酸化亜鉛膜(AZO膜)、ガリウムドープ酸化亜鉛膜(GZO膜)等が挙げられる。これらの透明導電膜を介することで、樹脂基板又はガラス基板側から集電する(フロントコンタクト)構造の場合には、発生した電流を外部にとりだすことが容易となる。これらの透明導電膜の膜厚は、0.02〜10μm程度とするのが好ましい。   Examples of the transparent conductive film include a tin-doped indium oxide film (ITO film), a fluorine-doped tin oxide film (FTO film), an antimony-doped tin oxide film (ATO film), an aluminum-doped zinc oxide film (AZO film), and a gallium-doped zinc oxide. Examples include a film (GZO film). By passing through these transparent conductive films, in the case of a structure for collecting current from the resin substrate or glass substrate side (front contact), it becomes easy to take out the generated current to the outside. The film thickness of these transparent conductive films is preferably about 0.02 to 10 μm.

本発明の電極としては、例えば、以下に示す2態様が挙げられる。   Examples of the electrode of the present invention include the following two embodiments.

<態様1:フロントコンタクト構造(図13A〜C)>
樹脂基板又はガラス基板上に、本発明の多孔質酸化チタン塗膜を、透明導電膜を介して形成し、本発明の電極とすることができる(例えば、図13A)。つまり、態様1では、基板として、樹脂基板又はガラス基板(特に、樹脂基板又はガラス基板からなる透明基板)と透明導電膜とが一体化した構造を有する基板を用い、本発明の多孔質酸化チタン塗膜が、透明導電膜上に形成されている。なお、樹脂基板、ガラス基板及び透明導電膜は上述したとおりのものである。そして、本発明の多孔質酸化チタン塗膜において、酸化チタン構造体(A)及びチタニアナノ粒子(B)の少なくとも1つの表面に、絶縁性酸化物膜を有していてもよい(図13B及びC)。なお、酸化チタン構造体(A)及びチタニアナノ粒子(B)の両方の表面に絶縁性酸化物膜を形成すれば、全体として、表面に絶縁性酸化物膜を有する多孔質酸化チタン塗膜とすることができる。
<Aspect 1: Front contact structure (FIGS. 13A to 13C)>
The porous titanium oxide coating film of the present invention can be formed on a resin substrate or a glass substrate via a transparent conductive film to form the electrode of the present invention (for example, FIG. 13A). That is, in aspect 1, the substrate having a structure in which a resin substrate or a glass substrate (in particular, a transparent substrate made of a resin substrate or a glass substrate) and a transparent conductive film are integrated is used as the substrate, and the porous titanium oxide of the present invention is used. A coating film is formed on the transparent conductive film. The resin substrate, the glass substrate and the transparent conductive film are as described above. The porous titanium oxide coating film of the present invention may have an insulating oxide film on at least one surface of the titanium oxide structure (A) and titania nanoparticles (B) (FIGS. 13B and C). ). In addition, if an insulating oxide film is formed on the surfaces of both the titanium oxide structure (A) and the titania nanoparticles (B), a porous titanium oxide coating film having an insulating oxide film on the surface as a whole. be able to.

具体的には、以下のように、電極を形成すればよい。   Specifically, an electrode may be formed as follows.

まず、樹脂基板又はガラス基板上に、真空蒸着法、イオンプレーティング法、CVD法、スパッタリング法、ゾル−ゲル法、ナノ粒子コンポジット等により透明導電膜を形成する。これにより得られる基板の表面抵抗は、50Ω/sq.以下とすることが好ましい。   First, a transparent conductive film is formed on a resin substrate or a glass substrate by a vacuum deposition method, an ion plating method, a CVD method, a sputtering method, a sol-gel method, a nanoparticle composite, or the like. The surface resistance of the substrate thus obtained is 50 Ω / sq. The following is preferable.

そして、その上に、本発明の多孔質酸化チタン塗膜を形成させればよい。なお、多孔質酸化チタン塗膜を形成させる方法は、上述した方法と同様の方法を採用すればよい。また、酸化チタン構造体(A)及びチタニアナノ粒子(B)の表面に、上述したのと同様の絶縁性酸化物膜を形成させた場合にも、同様に多孔質酸化チタン塗膜を形成すればよい。絶縁性酸化物膜の形成方法も上述した方法を採用すればよい。その後、さらに、色素を吸着させればよい。   And what is necessary is just to form the porous titanium oxide coating film of this invention on it. In addition, what is necessary is just to employ | adopt the method similar to the method mentioned above as the method of forming a porous titanium oxide coating film. Further, when the same insulating oxide film as described above is formed on the surface of the titanium oxide structure (A) and the titania nanoparticle (B), a porous titanium oxide coating film is similarly formed. Good. The above-described method may be adopted as a method for forming the insulating oxide film. Thereafter, a dye may be further adsorbed.

<態様2:バックコンタクト構造(図14A〜C)>
樹脂基板又はガラス基板上に、本発明の多孔質酸化チタン塗膜を直接形成し、さらにその上に、多孔質導電膜又はメッシュ状電極を形成して本発明の電極基板としてもよい(例えば、図14A)。なお、樹脂基板及びガラス基板は上述したとおりのものである。また、樹脂基板又はガラス基板上に、本発明の多孔質酸化チタン塗膜を形成する際には、上記態様1と同様の方法を採用することができる。そして、態様1と同様に、本発明の多孔質酸化チタン塗膜において、酸化チタン構造体(A)及びチタニアナノ粒子(B)の少なくとも1つの表面に、絶縁性酸化物膜を有していてもよい(図14B及びC)。
<Aspect 2: Back contact structure (FIGS. 14A to 14C)>
A porous titanium oxide coating film of the present invention is directly formed on a resin substrate or a glass substrate, and a porous conductive film or a mesh electrode may be further formed thereon to form the electrode substrate of the present invention (for example, FIG. 14A). The resin substrate and the glass substrate are as described above. Moreover, when forming the porous titanium oxide coating film of this invention on a resin substrate or a glass substrate, the method similar to the said aspect 1 is employable. And like the aspect 1, in the porous titanium oxide coating film of this invention, even if it has an insulating oxide film in the at least 1 surface of a titanium oxide structure (A) and a titania nanoparticle (B), Good (FIGS. 14B and C).

態様2で使用できる多孔質導電膜としては、ヨウ素イオン、臭素イオン等の電解液中に含まれるイオンに侵されない(反応しない)、又は、ヨウ素イオン、臭素イオン等の電解液中に含まれるイオンに対する耐腐食性を有する導電性材料であれば特に限定されないが、例えば、チタン、金、白金、タングステン、ニオブ、タンタル、炭素、ステンレス、マグネリ相構造の結晶形態を有するチタニア等が挙げられる。これらの多孔質導電膜を形成することで、多孔質酸化チタン塗膜の表面(樹脂基板又はガラス基板と反対側の面)側から集電する(バックコンタクト)構造の場合において、発生した電流を外部にとりだすことが容易となる。これらの多孔質導電膜の表面抵抗は、特に限定されないが、10Ω/sq.以下であれば良く、膜厚も特に限定されないが、150nm以上とするのが好ましい。   As the porous conductive film that can be used in the aspect 2, ions that are not affected by (do not react with) ions contained in the electrolyte such as iodine ions and bromine ions, or ions contained in the electrolyte such as iodine ions and bromine ions. Although it will not specifically limit if it is the electroconductive material which has the corrosion resistance with respect to, For example, the titania etc. which have the crystal form of titanium, gold | metal | money, platinum, tungsten, niobium, tantalum, carbon, stainless steel, and a Magneli phase structure are mentioned. By forming these porous conductive films, in the case of a current collecting (back contact) structure from the surface (surface opposite to the resin substrate or glass substrate) of the porous titanium oxide coating film, the generated current is It is easy to take out outside. The surface resistance of these porous conductive films is not particularly limited, but is 10 Ω / sq. The film thickness is not particularly limited, but is preferably 150 nm or more.

樹脂基板又はガラス基板上に形成された多孔質酸化チタン塗膜のさらに上に、多孔質導電膜は、スパッタ法などの薄膜形成法により形成すればよい。   What is necessary is just to form a porous electrically conductive film by thin film formation methods, such as a sputtering method, further on the porous titanium oxide coating film formed on the resin substrate or the glass substrate.

また、態様2で使用できるメッシュ状電極を構成する材質としては、ヨウ素イオン、臭素イオン等の電解液中に含まれるイオンに侵されない(反応しない)、あるいはヨウ素イオン、臭素イオン等の電解液中に含まれるイオンに対する耐腐食性を有する導電性材料であれば特に限定されない。具体的には、チタン、金、白金、タングステン、ニオブ、タンタル、炭素、ステンレス、マグネリ相構造の結晶形態を有するチタニア等が挙げられる。これらの材質からなるメッシュ状電極を積層させることで、多孔質導電膜の場合と同様に、多孔質酸化チタン塗膜の表面(樹脂基板又はガラス基板と反対側の面)側から集電する(バックコンタクト)構造の場合において、発生した電流を外部にとりだすことが容易となる。これらのメッシュ状電極は、多孔質酸化チタン塗膜との電気的な接触を低抵抗で有し、機械的にも強固に接着していることが好ましく、また、同時に、電解液側からのイオンの進入を阻害しないものが好ましい。   Moreover, as a material which comprises the mesh electrode which can be used in aspect 2, it is not attacked by the ion contained in electrolyte solutions, such as an iodine ion and a bromine ion (it does not react), or in electrolyte solutions, such as an iodine ion and a bromine ion If it is an electroconductive material which has the corrosion resistance with respect to the ion contained in, it will not specifically limit. Specific examples include titanium, gold, platinum, tungsten, niobium, tantalum, carbon, stainless steel, titania having a crystalline form of a Magneli phase structure, and the like. By laminating mesh electrodes made of these materials, current is collected from the surface of the porous titanium oxide coating film (surface opposite to the resin substrate or glass substrate) as in the case of the porous conductive film ( In the case of a back contact structure, it is easy to take out the generated current to the outside. These mesh electrodes preferably have electrical contact with the porous titanium oxide coating film with low resistance, and are also firmly bonded mechanically, and at the same time, ions from the electrolyte side Those that do not hinder the entry of are preferable.

樹脂基板又はガラス基板上に形成された多孔質酸化チタン塗膜のさらに上に、メッシュ状電極は、例えば、樹脂基板又はガラス基板上に上記に記載した方法で多孔質酸化チタン塗膜を形成する際に、チタニア材料を印刷法等によって塗布した後、多孔質酸化チタン塗膜が溶媒等によって柔らかい状態で、かつ、寸法安定性を保持している状態のときに、多孔質酸化チタン塗膜の上に、電極の取りしろを残したメッシュ状電極を保持し、乾燥処理やネッキング処理、あるいは焼結処理を施すことで、多孔質酸化チタン塗膜との電気的な接触を低抵抗で有し、機械的にも強固に接着しているバックコンタクト構造のメッシュ状電極を得ることができる。   Further on the porous titanium oxide coating film formed on the resin substrate or the glass substrate, for example, the mesh electrode forms the porous titanium oxide coating film on the resin substrate or the glass substrate by the method described above. In this case, after the titania material is applied by a printing method or the like, the porous titanium oxide coating film is in a soft state with a solvent or the like and in a state in which dimensional stability is maintained. On top of this, holding the mesh electrode that leaves the electrode margin, and applying a drying treatment, necking treatment, or sintering treatment, it has low resistance to electrical contact with the porous titanium oxide coating film. Further, it is possible to obtain a mesh electrode having a back contact structure that is firmly bonded mechanically.

なお、態様1(フロントコンタクト構造)を採用する場合には、酸化チタン構造体(A)としては、チタニアナノチューブ(A2)、特にチタニアナノ粒子が連なってなるチタニアナノチューブ(A2b)を用いることが好ましい。これらは、光透過性が高く、結果的に得られる色素増感太陽電池の変換効率が向上するためである。   In the case of adopting aspect 1 (front contact structure), it is preferable to use titania nanotubes (A2), particularly titania nanotubes (A2b) in which titania nanoparticles are connected, as the titanium oxide structure (A). These are because the light transmittance is high and the conversion efficiency of the resulting dye-sensitized solar cell is improved.

一方、態様2を採用する場合には、多孔質導電膜及びメッシュ状電極のなかでも、メッシュ状電極を形成するのが好ましい。メッシュ状電極は、一般に入手し易く、また、網目が粗いため電解質イオンの透過を妨げにくく、多孔質酸化チタン塗膜との良好な電気的コンタクトが確保できれば、態様2の電極として好ましい。つまり、樹脂基板又はガラス基板(特に、樹脂基板又はガラス基板からなる透明基板)上に本発明の多孔質酸化チタン塗膜を形成し、さらにその上に、多孔質酸化チタン塗膜と接し、且つ覆うようにメッシュ状電極を形成するのが好ましい。このような構造をとることで、多孔質酸化チタン塗膜の樹脂基板又はガラス基板側に近い側には可視光を吸収しやすい酸化チタン構造体(A)の量を減らすことで活物質へのロスの少ない光到達を可能とし、また、メッシュ状電極に近い側には導電性の高い酸化チタン構造体(A)の量を増やすことでメッシュ状電極側からスムーズな電子移動を可能とすることができる。これにより、得られる色素増感太陽電池の変換効率を向上させることができる。   On the other hand, when Aspect 2 is adopted, it is preferable to form a mesh electrode among the porous conductive film and the mesh electrode. A mesh-like electrode is preferred as the electrode of aspect 2 if it is generally easily available and has a coarse network so that it does not hinder the permeation of electrolyte ions and can ensure good electrical contact with the porous titanium oxide coating film. That is, the porous titanium oxide coating film of the present invention is formed on a resin substrate or a glass substrate (in particular, a transparent substrate made of a resin substrate or a glass substrate), and is further in contact with the porous titanium oxide coating film. It is preferable to form a mesh electrode so as to cover it. By taking such a structure, the amount of the titanium oxide structure (A) that easily absorbs visible light is reduced on the side close to the resin substrate or glass substrate side of the porous titanium oxide coating film. Light arrival with less loss is possible, and the amount of highly conductive titanium oxide structure (A) is increased on the side close to the mesh electrode to enable smooth electron transfer from the mesh electrode side. Can do. Thereby, the conversion efficiency of the dye-sensitized solar cell obtained can be improved.

また、態様2を採用する場合には、構造上、活物質へのロスの少ない光到達が可能となるので、使用する酸化チタン構造体(A)の光透過性を考慮する必要はなく、導電性やイオン伝導性等、他の物性に優れたものを広く選択できる。つまり、酸化チタン構造体(A)としては、チタニア被覆ナノスケールカーボンチューブ(A1)、マグネリ相構造の結晶形態を有するチタニアを30%以上含むチタニアナノチューブ(A2c)等、特にチタニア被覆ナノスケールカーボンチューブ(A1)等を用いるのが好ましい。   In addition, in the case of adopting the aspect 2, since it is possible to reach light with little loss to the active material due to the structure, it is not necessary to consider the light transmittance of the titanium oxide structure (A) to be used. Can be widely selected from other excellent physical properties such as properties and ion conductivity. That is, examples of the titanium oxide structure (A) include titania-coated nanoscale carbon tubes (A1), titania nanotubes (A2c) containing 30% or more of titania having a crystalline form of a Magneli phase structure, and particularly titania-coated nanoscale carbon tubes. It is preferable to use (A1) or the like.

以上のように、使用する酸化チタン構造体(A)の種類によって、チタニアナノ粒子が連なってなるチタニアナノチューブ(A2b)等を使用する場合には態様1を、チタニア被覆ナノスケールカーボンチューブ(A1)、マグネリ相構造の結晶形態を有するチタニアを30%以上含むチタニアナノチューブ(A2c)等、着色があるものの電気伝導性やイオン伝導性等の他物性に優れる材料を使用する場合には態様2を採用すればよい。ただし、酸化チタン構造体(A)としてチタニア被覆ナノスケールカーボンチューブ(A1)を使用し、態様2を採用するのが最も好ましい。   As described above, when using titania nanotubes (A2b) or the like in which titania nanoparticles are connected, depending on the type of titanium oxide structure (A) to be used, embodiment 1 is designated as titania-coated nanoscale carbon tube (A1), When using materials with excellent physical properties such as electrical conductivity and ionic conductivity, such as titania nanotubes (A2c) containing 30% or more of titania having a crystalline form of the magnetic phase structure, use Mode 2 That's fine. However, it is most preferable that the titania-coated nanoscale carbon tube (A1) is used as the titanium oxide structure (A) and the mode 2 is adopted.

上述のように、樹脂基板又はガラス基板上に本発明の多孔質酸化チタン塗膜を形成した後、色素を吸着させればよい。また、酸化チタン構造体(A)及びチタニアナノ粒子(B)の表面に、上述したのと同様の絶縁性酸化物膜を用いて塗膜を形成した場合にも同様に、塗膜を形成した後に色素を吸着させればよい。なお、態様2(バックコンタクト構造)の場合、多孔質酸化チタン塗膜と多孔質導電膜又はメッシュ状電極との電気的コンタクトが確保され、かつ、透過光が多孔質酸化チタン塗膜中の色素に充分に吸収される膜厚位置にあれば、特に作製手順に制約はないが、多孔質酸化チタン塗膜の成膜後、色素添着前で、多孔質酸化チタン塗膜が印刷工程後の湿潤している状態でメッシュ状電極を堆積させてから昇温することが好ましい。すなわち、多孔質酸化チタン塗膜印刷後の湿潤している状態でメッシュ状電極を堆積させてから昇温することで、溶媒等が蒸発、あるいは、分解除去され、かつ、チタニアナノ粒子同士がネッキング、あるいは、焼結され、これら過程に伴う堆積収縮と分子間結合に電極材料が取り込まれるため、多孔質酸化チタン塗膜と電極材料との強固なコンタクトが形成でき、電気的なコンタクトも良好に形成される。また、酸化チタン構造体(A)及びチタニアナノ粒子(B)の表面に、上述したのと同様の絶縁性酸化物膜を形成させた場合には、塗膜を形成し、印刷工程後の湿潤している状態でメッシュ状電極を堆積させた後、同様に昇温、乾燥して色素を吸着させればよい。   As described above, the dye may be adsorbed after the porous titanium oxide coating film of the present invention is formed on the resin substrate or the glass substrate. In addition, when a coating film is formed on the surfaces of the titanium oxide structure (A) and the titania nanoparticles (B) using the same insulating oxide film as described above, What is necessary is just to adsorb | suck a pigment | dye. In the case of aspect 2 (back contact structure), electrical contact between the porous titanium oxide coating and the porous conductive film or mesh electrode is ensured, and the transmitted light is a dye in the porous titanium oxide coating. If the film thickness is sufficiently absorbed, there are no particular restrictions on the production procedure, but the porous titanium oxide coating film is wetted after the printing process after the porous titanium oxide coating film is formed and before the dye is attached. It is preferable that the temperature is increased after the mesh electrode is deposited in a state where the mesh electrode is in a state of being heated. That is, by depositing the mesh electrode in a wet state after printing the porous titanium oxide coating, the solvent is evaporated or decomposed and removed, and the titania nanoparticles are necked together. Alternatively, it is sintered and electrode material is taken into the deposition shrinkage and intermolecular bonds that accompany these processes, making it possible to form a strong contact between the porous titanium oxide coating and the electrode material, and good electrical contact Is done. In addition, when an insulating oxide film similar to that described above is formed on the surfaces of the titanium oxide structure (A) and the titania nanoparticles (B), a coating film is formed and wetted after the printing process. Then, after depositing the mesh-like electrode, the temperature may be raised and dried in the same manner to adsorb the dye.

色素は、可視域や近赤外域に吸収特性を有し、多孔質酸化チタン塗膜の光吸収効率を向上(増感)させる色素であれば特に限定されないが、金属錯体色素、有機色素、天然色素、半導体等が好ましい。また、多孔質酸化チタン塗膜への吸着性を付与するために、色素の分子中にカルボキシル基、ヒドロキシル基、スルホニル基、ホスホニル基、カルボキシルアルキル基、ヒドロキシアルキル基、スルホニルアルキル基、ホスホニルアルキル基等の官能基を有するものが好ましい。   The dye is not particularly limited as long as it has absorption characteristics in the visible region and the near infrared region and improves (sensitizes) the light absorption efficiency of the porous titanium oxide coating film. Dyes, semiconductors and the like are preferable. In addition, in order to give adsorptivity to the porous titanium oxide coating film, carboxyl group, hydroxyl group, sulfonyl group, phosphonyl group, carboxylalkyl group, hydroxyalkyl group, sulfonylalkyl group, phosphonylalkyl in the dye molecule Those having a functional group such as a group are preferred.

金属錯体色素としては、例えば、ルテニウム、オスミウム、鉄、コバルト、亜鉛、水銀の錯体(例えば、メリクルクロム等)や、金属フタロシアニン、クロロフィル等を用いることができる。また、有機色素としては、例えば、シアニン系色素、ヘミシアニン系色素、メロシアニン系色素、キサンテン系色素、トリフェニルメタン系色素、金属フリーフタロシアニン系色素等が挙げられるが、これらに限定されない。色素として用いることができる半導体としては、i型の光吸収係数が大きなアモルファス半導体や直接遷移型半導体、量子サイズ効果を示し、可視光を効率よく吸収する微粒子半導体等が好ましい。通常、各種の半導体や金属錯体色素や有機色素の一種、又は光電変換の波長域をできるだけ広くし、かつ変換効率を上げるため、二種類以上の色素を混合することができる。また、目的とする光源の波長域と強度分布に合わせるように、混合する色素とその割合を選ぶことができる。   As the metal complex dye, for example, a ruthenium, osmium, iron, cobalt, zinc, mercury complex (for example, mellicle chromium), metal phthalocyanine, chlorophyll, or the like can be used. Examples of organic dyes include, but are not limited to, cyanine dyes, hemicyanine dyes, merocyanine dyes, xanthene dyes, triphenylmethane dyes, metal-free phthalocyanine dyes, and the like. As a semiconductor that can be used as a dye, an amorphous semiconductor having a large i-type light absorption coefficient, a direct transition semiconductor, a fine particle semiconductor that exhibits a quantum size effect and efficiently absorbs visible light, and the like are preferable. Usually, one of various semiconductors, metal complex dyes and organic dyes, or two or more kinds of dyes can be mixed in order to make the wavelength range of photoelectric conversion as wide as possible and increase the conversion efficiency. Moreover, the pigment | dye to mix and its ratio can be selected so that it may match with the wavelength range and intensity distribution of the target light source.

色素を多孔質酸化チタン塗膜に吸着させる方法としては、例えば、溶媒に色素を溶解させた溶液を、多孔質酸化チタン塗膜上にスプレーコートやスピンコート等により塗布した後、乾燥する方法により形成することができる。この場合、適当な温度に基板を加熱しても良い。また、多孔質酸化チタン塗膜を溶液に浸漬して吸着させる方法を用いることもできる。浸漬する時間は色素が充分に吸着すれば特に制限されることはないが、好ましくは10分〜30時間、より好ましくは1〜20時間である。また、必要に応じて浸漬する際に溶媒や基板を加熱しても良い。溶液にする場合の色素の濃度としては、0.01〜100mmol/L、好ましくは0.1〜10mmol/L程度である。   As a method for adsorbing the dye to the porous titanium oxide coating, for example, a method in which a solution in which the dye is dissolved in a solvent is applied on the porous titanium oxide coating by spray coating or spin coating and then dried. Can be formed. In this case, the substrate may be heated to an appropriate temperature. Moreover, the method of immersing and adsorbing a porous titanium oxide coating film in a solution can also be used. The immersion time is not particularly limited as long as the dye is sufficiently adsorbed, but is preferably 10 minutes to 30 hours, more preferably 1 to 20 hours. Moreover, you may heat a solvent and a board | substrate when immersing as needed. The concentration of the dye in the case of a solution is about 0.01 to 100 mmol / L, preferably about 0.1 to 10 mmol / L.

用いる溶媒は特に制限されるものではないが、水及び有機溶媒が好ましく用いられる。有機溶媒としては、例えば、メタノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノール、1−ブタノール、2−ブタノール、t−ブタノール等のアルコール類;アセトニトリル、プロピオニトリル、メトキシプロピオニトリル、グルタロニトリル等のニトリル類;ベンゼン、トルエン、o−キシレン、m−キシレン、p−キシレン等の芳香族炭化水素;ペンタン、ヘキサン、ヘプタン等の脂肪族炭化水素;シクロヘキサン等の脂環式炭化水素;アセトン、メチルエチルケトン、ジエチルケトン、2−ブタノン等のケトン類;ジエチルエーテル、テトラヒドロフラン等のエーテル類;エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ニトロメタン、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、ヘキサメチルホスホアミド、ジメトキシエタン、γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン、スルホラン、ジメトキシエタン、アジポニトリル、メトキシアセトニトリル、ジメチルアセトアミド、メチルピロリジノン、ジメチルスルホキシド、ジオキソラン、スルホラン、リン酸トリメチル、リン酸トリエチル、リン酸トリプロピル、リン酸エチルジメチル、リン酸トリブチル、リン酸トリペンチル、リン酸トリへキシル、リン酸トリヘプチル、リン酸トリオクチル、リン酸トリノニル、リン酸トリデシル、リン酸トリス(トリフフロロメチル)、リン酸トリス(ペンタフロロエチル)、リン酸トリフェニルポリエチレングリコール、ポリエチレングリコール等が挙げられる。   The solvent to be used is not particularly limited, but water and an organic solvent are preferably used. Examples of the organic solvent include alcohols such as methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, 1-butanol, 2-butanol, and t-butanol; acetonitrile, propionitrile, methoxypropionitrile, glutaronitrile, and the like. Nitriles; aromatic hydrocarbons such as benzene, toluene, o-xylene, m-xylene, p-xylene; aliphatic hydrocarbons such as pentane, hexane, heptane; alicyclic hydrocarbons such as cyclohexane; acetone, methyl ethyl ketone Ketones such as diethyl ketone and 2-butanone; ethers such as diethyl ether and tetrahydrofuran; ethylene carbonate, propylene carbonate, nitromethane, dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, hexamethylphosphoamide, dimethoxy Ethane, γ-butyrolactone, γ-valerolactone, sulfolane, dimethoxyethane, adiponitrile, methoxyacetonitrile, dimethylacetamide, methylpyrrolidinone, dimethylsulfoxide, dioxolane, sulfolane, trimethyl phosphate, triethyl phosphate, tripropyl phosphate, ethyl phosphate Dimethyl, tributyl phosphate, tripentyl phosphate, trihexyl phosphate, triheptyl phosphate, trioctyl phosphate, trinonyl phosphate, tridecyl phosphate, tris phosphate (trifluoromethyl), tris phosphate (pentafluoroethyl), Examples thereof include triphenyl polyethylene glycol phosphate and polyethylene glycol.

色素間の凝集等の相互作用を低減するために、界面活性剤としての性質を持つ無色の化合物を色素吸着液に添加し、半導体層に共吸着させてもよい。このような無色の化合物の例としては、カルボキシル基やスルホ基を有するコール酸、デオキシコール酸、ケノデオキシコール酸、タウロデオキシコール酸等のステロイド化合物やスルホン酸塩類等が挙げられる。   In order to reduce the interaction such as aggregation between the dyes, a colorless compound having properties as a surfactant may be added to the dye adsorption liquid and co-adsorbed to the semiconductor layer. Examples of such colorless compounds include steroid compounds such as cholic acid having a carboxyl group or sulfo group, deoxycholic acid, chenodeoxycholic acid, taurodeoxycholic acid, sulfonates, and the like.

未吸着の色素は、吸着工程後、速やかに洗浄により除去するのが好ましい。洗浄は湿式洗浄槽中でアセトニトリル、アルコール系溶媒等を用いて行うのが好ましい。   It is preferable to remove the unadsorbed dye by washing immediately after the adsorption step. Washing is preferably performed using acetonitrile, an alcohol solvent or the like in a wet washing tank.

色素を吸着させた後、アミン類、4級アンモニウム塩、少なくとも1つのウレイド基を有するウレイド化合物、少なくとも1つのシリル基を有するシリル化合物、アルカリ金属塩、アルカリ土類金属塩等を用いて、半導体層の表面を処理してもよい。好ましいアミン類の例としては、ピリジン、4−t−ブチルピリジン、ポリビニルピリジン等が挙げられる。好ましい4級アンモニウム塩の例としては、テトラブチルアンモニウムヨージド、テトラヘキシルアンモニウムヨージド等が挙げられる。これらは有機溶媒に溶解して用いてもよく、液体の場合はそのまま用いてもよい。   After adsorbing the dye, a semiconductor using an amine, a quaternary ammonium salt, a ureido compound having at least one ureido group, a silyl compound having at least one silyl group, an alkali metal salt, an alkaline earth metal salt, etc. The surface of the layer may be treated. Examples of preferred amines include pyridine, 4-t-butylpyridine, polyvinylpyridine and the like. Examples of preferred quaternary ammonium salts include tetrabutylammonium iodide, tetrahexylammonium iodide and the like. These may be used by dissolving in an organic solvent, or may be used as they are in the case of a liquid.

3.色素増感太陽電池
本発明では、本発明の電極の多孔質酸化チタン塗膜の上に対向電極(対極)を形成し、これら電極間を電解液で満たすことにより光電変換素子を形成する。
3. Dye-sensitized solar cell In the present invention, a counter electrode (counter electrode) is formed on the porous titanium oxide coating film of the electrode of the present invention, and a photoelectric conversion element is formed by filling between these electrodes with an electrolytic solution.

対極は、導電性材料からなる単層構造でもよいし、導電層と基板とから構成されていてもよい。基板としては、特に限定されず、材質、厚さ、寸法、形状等は目的に応じて適宜選択することができ、例えば、金属、無色又は有色ガラス、網入りガラス、ガラスブロック等が用いられる他、樹脂でもよい。かかる樹脂としては、ポリエチレンテレフタレート等のポリエステル、ポリアミド、ポリスルホン、ポリエーテルサルホン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリフェニレンサルファイド、ポリカーボネート、ポリイミド、ポリメチルメタクリレート、ポリスチレン、トリ酢酸セルロース、ポリメチルペンテン等が挙げられる。また、電荷輸送層上に直接導電性材料を塗布、メッキ又は蒸着(PVD、CVD)して対極を形成しても良い。   The counter electrode may have a single layer structure made of a conductive material, or may be composed of a conductive layer and a substrate. The substrate is not particularly limited, and the material, thickness, dimensions, shape, and the like can be appropriately selected according to the purpose. For example, metal, colorless or colored glass, meshed glass, glass block, etc. are used. Resin may be used. Examples of such resins include polyesters such as polyethylene terephthalate, polyamide, polysulfone, polyether sulfone, polyether ether ketone, polyphenylene sulfide, polycarbonate, polyimide, polymethyl methacrylate, polystyrene, cellulose triacetate, and polymethylpentene. Alternatively, the counter electrode may be formed by applying, plating, or vapor-depositing (PVD, CVD) a conductive material directly on the charge transport layer.

導電性材料としては、白金、金、ニッケル、チタン、アルミニウム、銅、銀、タングステン等の金属;炭素材料;導電性有機物等の比抵抗の小さな材料が用いられる。   As the conductive material, a metal having a small specific resistance, such as a metal such as platinum, gold, nickel, titanium, aluminum, copper, silver, or tungsten; a carbon material; or a conductive organic material is used.

また、対極の抵抗を下げる目的で金属リードを用いても良い。金属リードは白金、金、ニッケル、チタン、アルミニウム、銅、銀、タングステン等の金属からなるのが好ましく、アルミニウム又は銀からなるのが特に好ましい。   A metal lead may be used for the purpose of reducing the resistance of the counter electrode. The metal lead is preferably made of a metal such as platinum, gold, nickel, titanium, aluminum, copper, silver or tungsten, and particularly preferably made of aluminum or silver.

本発明では、対極を形成する前に、本発明の電極の光吸収効率を向上すること等を目的として、多孔質酸化チタン塗膜に色素を担持(吸着、含有など)させることが好ましい。色素及び色素の担持方法は、上述したとおりである。   In the present invention, before forming the counter electrode, for the purpose of improving the light absorption efficiency of the electrode of the present invention, it is preferable to support (adsorb, contain, etc.) the dye on the porous titanium oxide coating film. The dye and the method for supporting the dye are as described above.

本発明の色素増感太陽電池は、上記の光電変換素子をモジュール化するとともに、所定の電気配線を設けることによって製造することができる。   The dye-sensitized solar cell of the present invention can be manufactured by modularizing the photoelectric conversion element and providing predetermined electrical wiring.

実施例に基づいて、本発明を具体的に説明するが、本発明は、これらのみに限定されるものではない。   The present invention will be specifically described based on examples, but the present invention is not limited to these examples.

実施例1
<チタニアナノチューブ(A2b)の作製>
特開2010−24132号公報の実施例1と同様の方法で、チタニアナノチューブ(A2b)を作製した。具体的には、以下の通りである。
Example 1
<Preparation of titania nanotube (A2b)>
A titania nanotube (A2b) was produced in the same manner as in Example 1 of JP2010-24132A. Specifically, it is as follows.

ナノスケールカーボンチューブ(平均直径:35nm、平均長さ:5μm、平均アスペクト比:143)0.96gに69%硝酸150gを加え、90〜95℃にて6時間保持した。これをろ過し、蒸留水にてろ液がpH6〜7になるまで洗浄した後、乾燥させた。   To 0.96 g of nanoscale carbon tube (average diameter: 35 nm, average length: 5 μm, average aspect ratio: 143), 69 g of nitric acid 150 g was added and held at 90 to 95 ° C. for 6 hours. This was filtered, washed with distilled water until the filtrate reached pH 6-7, and then dried.

これを、ポリエーテル系分散剤3.7gを含む蒸留水100gに超音波ホモジナイザーを用いて分散させた。このナノスケールカーボン分散液に1.0Mに希釈したヘキサフルオロチタン酸アンモニウム及び1.0Mに希釈したホウ酸をそれぞれの濃度が0.20M及び0.4Mとなるように加え、35℃にて16時間放置した後、ろ過し、乾燥してナノスケールカーボンチューブの表面に酸化チタンが被覆した構造体を得た。   This was dispersed in 100 g of distilled water containing 3.7 g of a polyether dispersant using an ultrasonic homogenizer. To this nanoscale carbon dispersion liquid, ammonium hexafluorotitanate diluted to 1.0 M and boric acid diluted to 1.0 M were added so that the respective concentrations would be 0.20 M and 0.4 M. After standing for a period of time, it was filtered and dried to obtain a structure in which the surface of the nanoscale carbon tube was coated with titanium oxide.

この構造体をX線光電子分光分析で測定したところ、カーボン/チタンの原子比は0.1でわずかのカーボンしか検出されなかった。また、電子顕微鏡(SEM)で観察を行ったところ、酸化チタンの表面被覆率は98%程度であった。なお、1nm以上の凹凸がない平滑な部分(カーボンチューブの酸化チタンで被覆されていない部分)が5nm以上連続して存在する部分を、被覆されずカーボンチューブが露出している部分とみなし、表面被覆率を測定した。   When this structure was measured by X-ray photoelectron spectroscopy, the carbon / titanium atomic ratio was 0.1 and only a small amount of carbon was detected. When observed with an electron microscope (SEM), the surface coverage of titanium oxide was about 98%. In addition, the surface where the smooth portion without unevenness of 1 nm or more (the portion of the carbon tube not covered with titanium oxide) is continuously present for 5 nm or more is regarded as the portion where the carbon tube is not covered and the surface is exposed. The coverage was measured.

X線回折法やラマン分光分析が数マイクロメートルの深さまでの情報を反映するのに対し、X線光電子分光分析は、表面の数ナノメートルの部分の分析なのでナノスケールカーボンチューブが露出せず、酸化チタンが被覆されていることがわかる。   Whereas X-ray diffraction and Raman spectroscopy reflect information down to a depth of a few micrometers, X-ray photoelectron spectroscopy does not expose nanoscale carbon tubes because it is an analysis of a few nanometers on the surface, It can be seen that titanium oxide is coated.

この酸化チタン被覆ナノスケールカーボンチューブを空気中で600℃にて1時間焼成し、ナノスケールカーボンチューブを消失させることで、粒子状酸化チタンが連なってなるチタニアナノチューブ(A2b)を得た。   This titanium oxide-coated nanoscale carbon tube was baked in air at 600 ° C. for 1 hour, and the nanoscale carbon tube disappeared to obtain a titania nanotube (A2b) in which particulate titanium oxide was continuous.

焼成後の構造体についてX線回折法及びラマン分光分析により結晶相を同定したところ、アナターゼ型が主であった。   When the crystal phase of the structure after firing was identified by X-ray diffraction and Raman spectroscopy, the anatase type was mainly used.

また、ナノスケールカーボンチューブに由来するグラファイトのピークは観測されなかった。   Further, no graphite peak derived from the nanoscale carbon tube was observed.

また、電子顕微鏡(SEM及びTEM)にて構造を観察したところ、図9、図15及び図16のような結果になり、5〜20nmの酸化チタン微粒子が集合して肉厚が30〜50nm程度、平均直径が80〜150nm、平均長さが1000〜10000nm程度、平均アスペクト比が10〜100程度の管状であった。   Further, when the structure was observed with an electron microscope (SEM and TEM), the results shown in FIGS. 9, 15 and 16 were obtained. Titanium oxide fine particles having a thickness of 5 to 20 nm gathered and the thickness was about 30 to 50 nm. The tube had an average diameter of 80 to 150 nm, an average length of about 1000 to 10000 nm, and an average aspect ratio of about 10 to 100.

なお、図15(酸化チタン構造体の端部)のA〜C、図16(酸化チタン構造体の中央部)のD〜Fの各点において、電子線回折測定をしたところ、以下の表1のような構造が確認された。   In addition, when electron beam diffraction measurement was performed at points A to C in FIG. 15 (end portion of the titanium oxide structure) and D to F in FIG. 16 (center portion of the titanium oxide structure), the following Table 1 was obtained. The following structure was confirmed.

Figure 2011233507
Figure 2011233507

また、BET法により比表面積を測定したところ、95m/gの大きな比表面積であった。 Moreover, when the specific surface area was measured by BET method, it was a large specific surface area of 95 m < 2 > / g.

<光電変換素子の製造>
[ペーストの作製]
日本アエロジル(株)製チタニアナノ粒子(P−25)4.8gをpH0.7の硝酸水溶液2.1gに懸濁させ、 増粘剤としてポリエチレングリコール(分子量50万)0.105gを添加し、さらに、界面活性剤としてTriton−X100(ポリ(オキシエチレン)=オクチルフェニルエーテル;ロシュ・ダイアグノスティックス(株)製) を10倍に希釈して、0.14gを添加して、これらを、メノウ乳鉢で混練し1回目塗布用のペーストを作成した。
<Manufacture of photoelectric conversion elements>
[Preparation of paste]
4.8 g of titania nanoparticles (P-25) manufactured by Nippon Aerosil Co., Ltd. are suspended in 2.1 g of an aqueous nitric acid solution having a pH of 0.7, 0.105 g of polyethylene glycol (molecular weight 500,000) is added as a thickener, and Triton-X100 (poly (oxyethylene) = octylphenyl ether; manufactured by Roche Diagnostics Co., Ltd.) as a surfactant was diluted 10-fold, 0.14 g was added, and these were added to agate A paste for the first application was prepared by kneading in a mortar.

2回目塗布用のペーストは、チタニアナノ粒子(P−25)4.8gの代わりに、チタニアナノ粒子(P−25)3.6g及びチタニアナノチューブ(A2b)1.2gを使用したこと以外は1回目塗布用のペーストと同様に作製した。   The paste for the second application was applied for the first time except that 3.6 g of titania nanoparticles (P-25) and 1.2 g of titania nanotubes (A2b) were used instead of 4.8 g of titania nanoparticles (P-25). It was produced in the same manner as the paste for use.

3回目〜5回目塗布用のペーストも同様に、チタニアナノ粒子(P−25)とチタニアナノチューブ(A2b)の混合比率を変え、ペーストを作製した。1回目〜5回目塗布用のペーストの各混合比率を表2に示す。   Similarly, pastes for the third to fifth coatings were prepared by changing the mixing ratio of titania nanoparticles (P-25) and titania nanotubes (A2b). Table 2 shows the mixing ratios of the pastes for the first to fifth coatings.

Figure 2011233507
Figure 2011233507

[成膜]
上述の1回目塗布用のペーストをスクリーン印刷機にて透明電極付透明ガラス基板に順次塗布した。1回目の膜厚は約3μmとなった。2回目〜5回目塗布用のペーストについても同様に塗布した。得られた塗膜を500℃で1時間焼成し、15μmの膜厚の電極膜を作製した。
[Film formation]
The above-mentioned paste for the first application was sequentially applied to a transparent glass substrate with a transparent electrode using a screen printer. The first film thickness was about 3 μm. It applied similarly about the paste for the 2nd time-the 5th time application. The obtained coating film was baked at 500 ° C. for 1 hour to produce an electrode film having a thickness of 15 μm.

[光電変換素子の製造]
上述によって得られた15μmの膜厚の電極膜を、5×10−5mol/lのルテニウム錯体(RuL(NCS))色素(N3Dye)の無水エタノール溶液に室温にて18時間浸漬した後、乾燥し、酸化物多孔質電極を作製した。
[Manufacture of photoelectric conversion elements]
After the electrode film having a film thickness of 15 μm obtained as described above was immersed in an absolute ethanol solution of 5 × 10 −5 mol / l ruthenium complex (RuL 2 (NCS) 2 ) dye (N3Dye) at room temperature for 18 hours. And dried to produce an oxide porous electrode.

次に、透明電極付透明ガラス基板に白金めっきした対向電極をスペーサーを介して貼りあわせ、その間に電解液として、0.6mol/lのヨウ化リチウムと0.06mol/lのヨウ素、0.5mol/lの4−ターシャルブチルピリジンを含むアセトニトリル溶液を注入し、光電変換素子を作製した。   Next, a counter electrode plated with platinum is attached to a transparent glass substrate with a transparent electrode through a spacer, and 0.6 mol / l lithium iodide, 0.06 mol / l iodine, 0.5 mol are used as an electrolyte in the meantime. An acetonitrile solution containing / l 4-tert-butylpyridine was injected to prepare a photoelectric conversion element.

比較例1
実施例1において作製した5回目塗布用のペースト(チタニアナノチューブ(A2b)100重量%)を連続で5回塗り、チタニアナノチューブ(A2b)のみからなる15μmの膜厚の塗膜を得、他は、実施例1と同様に光電変換素子を作製した。
Comparative Example 1
The paste for the fifth application (titania nanotube (A2b) 100% by weight) prepared in Example 1 was continuously applied 5 times to obtain a coating film having a film thickness of 15 μm composed of only titania nanotubes (A2b). A photoelectric conversion element was produced in the same manner as in Example 1.

比較例2
実施例1において作製した1回目塗布用のペースト(チタニアナノ粒子(P−25)100重量%)を連続で5回塗り、チタニアナノ粒子(P−25)のみからなる15μmの膜厚の塗膜を得、他は、実施例1と同様に光電変換素子を作製した。
Comparative Example 2
The first application paste (titania nanoparticles (P-25) 100% by weight) prepared in Example 1 was applied five times in succession to obtain a coating film having a film thickness of 15 μm composed of only titania nanoparticles (P-25). Other than that, a photoelectric conversion element was fabricated in the same manner as in Example 1.

比較例3
実施例1において作製した3回目塗布用のペースト(チタニアナノ粒子(P−25)50重量%+チタニアナノチューブ(A2b)50重量%)を連続で5回塗り、組成傾斜のない15μmの膜厚の塗膜を得、他は、実施例1と同様に光電変換素子を作製した。
Comparative Example 3
The paste for the third coating prepared in Example 1 (50% by weight of titania nanoparticles (P-25) + 50% by weight of titania nanotubes (A2b)) was applied five times in succession, and the coating thickness was 15 μm with no composition gradient. A film was obtained, and a photoelectric conversion element was produced in the same manner as in Example 1 except for the above.

実施例2
<チタニアナノチューブ(A2a)の作製>
平均粒子径が7nmの酸化チタン微粒子0.5gを40gの蒸留水を加え撹拌した後、16gのNaOHを加えさらに5分間撹拌した(酸化チタンの濃度:0.16mol/L、アルカリ水溶液の濃度:10mol/L)。この混合液をPTFEライニングしたSUS316製圧力容器に入れて250℃加熱炉中で12時間静置したところ、白色の沈殿が得られた。
Example 2
<Preparation of titania nanotube (A2a)>
After adding 40 g of distilled water to 0.5 g of titanium oxide fine particles having an average particle diameter of 7 nm and stirring, 16 g of NaOH was added and further stirred for 5 minutes (concentration of titanium oxide: 0.16 mol / L, concentration of alkaline aqueous solution: 10 mol / L). When this mixed solution was placed in a PTFE-lined SUS316 pressure vessel and allowed to stand in a 250 ° C. heating furnace for 12 hours, a white precipitate was obtained.

この沈殿を500mlの蒸留水中で激しく撹拌した後、減圧濾過するという操作を3回繰り返した後、1Mの塩酸500g中で24時間撹拌した。さらに得られた物質を500mlの蒸留水中で撹拌した後減圧濾過するという操作を5回繰り返し、得られた白色のケーキを150℃で減圧乾燥し、さらに500℃で熱処理(焼成)したところ、0.4gの白色の物質が得られた。   The precipitate was vigorously stirred in 500 ml of distilled water and then filtered under reduced pressure three times, and then stirred in 500 g of 1M hydrochloric acid for 24 hours. Further, the operation of stirring the obtained substance in 500 ml of distilled water and then filtering under reduced pressure was repeated 5 times. The resulting white cake was dried under reduced pressure at 150 ° C. and further heat-treated (fired) at 500 ° C. .4 g of white material was obtained.

この物質をSEM及びTEMで観察したところ、酸化チタン多結晶からなる、平均幅65nm、平均長さ5μmの大きいアスペクト比(平均アスペクト比:77)を有する直線的で折れ曲がりの少なく(L/L:0.7以上)、向かい合う長辺同士が平行(なす角が0〜10°)の板状の物質であることがわかった。 When this material was observed by SEM and TEM, it was made of titanium oxide polycrystal and had a large aspect ratio (average aspect ratio: 77) with an average width of 65 nm and an average length of 5 μm (L / L 0). : 0.7 or more), it was found that the long sides facing each other are parallel (the angle formed is 0 to 10 °) and is a plate-like substance.

また、得られた酸化チタン構造体をTEM写真の画像処理を用いて、長手方向側面の算術平均粗さを測定したところ、0.6nm(平均幅の0.9%)であった。   Moreover, when the arithmetic average roughness of the side surface in the longitudinal direction was measured for the obtained titanium oxide structure using image processing of a TEM photograph, it was 0.6 nm (0.9% of the average width).

得られた酸化チタン構造体をBET法にて比表面積を測定したところ30m/gであり、ICP発光分光分析法にてアルカリ含有量を測定したところ検出限界以下(500ppm以下)であった。 When the specific surface area of the obtained titanium oxide structure was measured by the BET method, it was 30 m 2 / g, and when the alkali content was measured by ICP emission spectrometry, it was below the detection limit (500 ppm or less).

得られた酸化チタン構造体を800℃で焼成したところ、平均長さが3μmとなったが、大きいアスペクト比を有する形状(平均アスペクト比:46)を維持しており、耐熱性に優れることが見出された。また、X線結晶構造解析を行ったところ、アナターゼ型であることがわかった。   When the obtained titanium oxide structure was baked at 800 ° C., the average length was 3 μm, but the shape having a large aspect ratio (average aspect ratio: 46) was maintained, and the heat resistance was excellent. It was found. Moreover, when X-ray crystal structure analysis was performed, it turned out that it is an anatase type.

<光電変換素子の製造>
チタニアナノチューブ(A2b)の代わりにチタニアナノチューブ(A2a)を用いること以外は実施例1と同様に、15μmの膜厚の電極膜を作製した。また、さらに実施例1と同様に光電変換素子を作製した。
<Manufacture of photoelectric conversion elements>
An electrode film having a thickness of 15 μm was prepared in the same manner as in Example 1 except that titania nanotube (A2a) was used instead of titania nanotube (A2b). Further, a photoelectric conversion element was produced in the same manner as in Example 1.

実施例3
<チタニア被覆ナノスケールカーボンチューブ(A1)の作製>
ナノスケールカーボンチューブ(平均直径:35nm、平均長さ:5000nm、平均アスペクト比:143)0.96gに69%硝酸150gを加え、90〜95℃にて6時間保持した。これをろ過し、蒸留水にてろ液がpH6〜7になるまで洗浄した後、乾燥させた。
Example 3
<Production of titania-coated nanoscale carbon tube (A1)>
To 0.96 g of nanoscale carbon tube (average diameter: 35 nm, average length: 5000 nm, average aspect ratio: 143), 69 g of nitric acid 150 g was added and held at 90-95 ° C. for 6 hours. This was filtered, washed with distilled water until the filtrate reached pH 6-7, and then dried.

これを、ポリエーテル系分散剤3.7gを含む蒸留水100gに超音波ホモジナイザーを用いて分散させた。このナノスケールカーボン分散液に1.0Mに希釈したヘキサフルオロチタン酸アンモニウム及び1.0Mに希釈したホウ酸をそれぞれの濃度が0.20M及び0.4Mとなるように加え、35℃にて16時間放置した後、ろ過し、乾燥してナノスケールカーボンチューブの表面に酸化チタンが被覆した構造体を得た。   This was dispersed in 100 g of distilled water containing 3.7 g of a polyether dispersant using an ultrasonic homogenizer. To this nanoscale carbon dispersion liquid, ammonium hexafluorotitanate diluted to 1.0 M and boric acid diluted to 1.0 M were added so that the respective concentrations would be 0.20 M and 0.4 M. After standing for a period of time, it was filtered and dried to obtain a structure in which the surface of the nanoscale carbon tube was coated with titanium oxide.

TG−DTA測定したところ、ナノスケールカーボンチューブが550℃付近で激しく燃焼するのに対し、作製したナノスケールカーボンチューブ表面に酸化チタンが被覆した構造体は、550℃以降から700℃にかけて緩やかに燃焼した。これは、ナノスケールカーボンチューブが酸化チタンで被覆され、燃焼が抑制されたと考えられる。   When the TG-DTA measurement was performed, the nanoscale carbon tube burned violently around 550 ° C, whereas the manufactured nanoscale carbon tube surface covered with titanium oxide burned slowly from 550 ° C to 700 ° C. did. This is considered that the nanoscale carbon tube was covered with titanium oxide and combustion was suppressed.

作製した構造体及びこの構造体を500℃で1時間焼成した構造体についてX線回折法及びラマン分光分析により結晶相を同定したところ、アナターゼ型であった。また、ナノスケールカーボンチューブに由来するグラファイトのピークも観測された。   When the crystal phase was identified by the X-ray diffraction method and the Raman spectroscopic analysis about the produced structure and the structure which baked this structure at 500 degreeC for 1 hour, it was an anatase type. A graphite peak derived from the nanoscale carbon tube was also observed.

一方、X線光電子分光分析では、カーボン/チタンの原子比は0.1でわずかのカーボンしか検出されなかった。また、電子顕微鏡(SEM)で観察を行ったところ、酸化チタンの表面被覆率は98%程度であった。なお、1nm以上の凹凸がない平滑な部分(カーボンチューブの酸化チタンで被覆されていない部分)が5nm以上連続して存在する部分を、被覆されずカーボンチューブが露出している部分とみなし、表面被覆率を測定した。   On the other hand, in the X-ray photoelectron spectroscopic analysis, the atomic ratio of carbon / titanium was 0.1 and only a small amount of carbon was detected. When observed with an electron microscope (SEM), the surface coverage of titanium oxide was about 98%. In addition, the surface where the smooth portion without unevenness of 1 nm or more (the portion of the carbon tube not covered with titanium oxide) is continuously present for 5 nm or more is regarded as the portion where the carbon tube is not covered and the surface is exposed. The coverage was measured.

X線回折法やラマン分光分析が数マイクロメートルの深さまでの情報を反映するのに対し、X線光電子分光分析は、表面の数ナノメートルの部分の分析なのでナノスケールカーボンチューブが露出せず、酸化チタンが被覆されていることがわかる。   Whereas X-ray diffraction and Raman spectroscopy reflect information down to a depth of a few micrometers, X-ray photoelectron spectroscopy does not expose nanoscale carbon tubes because it is an analysis of a few nanometers on the surface, It can be seen that titanium oxide is coated.

SEM及びTEMにて構造を観察したところ図5及び図17のような結果となり、5〜20nmの酸化チタン微粒子が集合して厚みが30〜50nm程度被覆しており、平均直径が80〜150nm、平均長さが1000〜10000nm程度、平均アスペクト比が10〜100程度の繊維状であった。   When the structure was observed with SEM and TEM, the results shown in FIGS. 5 and 17 were obtained, and the titanium oxide fine particles of 5 to 20 nm gathered to cover the thickness of about 30 to 50 nm, and the average diameter was 80 to 150 nm. The fiber had an average length of about 1000 to 10000 nm and an average aspect ratio of about 10 to 100.

BET法により比表面積を測定したところ、73m/gの大きな比表面積であった。 When the specific surface area was measured by the BET method, it was a large specific surface area of 73 m 2 / g.

<光電変換素子の製造>
チタニアナノチューブ(A2b)の代わりにチタニア被覆ナノスケールカーボンチューブ(A1)を用いること以外は実施例1と同様に、15μmの膜厚の電極膜を作製した。また、さらに実施例1と同様に光電変換素子を作製した。
<Manufacture of photoelectric conversion elements>
An electrode film having a thickness of 15 μm was prepared in the same manner as in Example 1 except that the titania-coated nanoscale carbon tube (A1) was used instead of the titania nanotube (A2b). Further, a photoelectric conversion element was produced in the same manner as in Example 1.

実施例4
<チタニアナノチューブ(A2c)の作製>
ナノスケールカーボンチューブ(平均直径:35nm、平均長さ:5μm、平均アスペクト比:143)0.96gに69%硝酸150gを加え、90〜95℃にて6時間保持した。これをろ過し、蒸留水にてろ液がpH6〜7になるまで洗浄した後、乾燥させた。
Example 4
<Production of titania nanotube (A2c)>
To 0.96 g of nanoscale carbon tube (average diameter: 35 nm, average length: 5 μm, average aspect ratio: 143), 69 g of nitric acid 150 g was added and held at 90 to 95 ° C. for 6 hours. This was filtered, washed with distilled water until the filtrate reached pH 6-7, and then dried.

これを、ポリエーテル系分散剤3.7gを含む蒸留水100gに超音波ホモジナイザーを用いて分散させた。このナノスケールカーボン分散液に1.0Mに希釈したヘキサフルオロチタン酸アンモニウム及び1.0Mに希釈したホウ酸をそれぞれの濃度が0.20M及び0.4Mとなるように加え、35℃にて16時間放置した後、ろ過し、乾燥してナノスケールカーボンチューブの表面に酸化チタンが被覆した構造体を得た。   This was dispersed in 100 g of distilled water containing 3.7 g of a polyether dispersant using an ultrasonic homogenizer. To this nanoscale carbon dispersion liquid, ammonium hexafluorotitanate diluted to 1.0 M and boric acid diluted to 1.0 M were added so that the respective concentrations would be 0.20 M and 0.4 M. After standing for a period of time, it was filtered and dried to obtain a structure in which the surface of the nanoscale carbon tube was coated with titanium oxide.

この構造体をX線光電子分光分析で測定したところ、カーボン/チタンの原子比は0.1でわずかのカーボンしか検出されなかった。また、電子顕微鏡(SEM)で観察を行ったところ、酸化チタンの表面被覆率は98%程度であった。なお、1nm以上の凹凸がない平滑な部分(カーボンチューブの酸化チタンで被覆されていない部分)が5nm以上連続して存在する部分を、被覆されずカーボンチューブが露出している部分とみなし、表面被覆率を測定した。   When this structure was measured by X-ray photoelectron spectroscopy, the carbon / titanium atomic ratio was 0.1 and only a small amount of carbon was detected. When observed with an electron microscope (SEM), the surface coverage of titanium oxide was about 98%. In addition, the surface where the smooth portion without unevenness of 1 nm or more (the portion of the carbon tube not covered with titanium oxide) is continuously present for 5 nm or more is regarded as the portion where the carbon tube is not covered and the surface is exposed. The coverage was measured.

X線回折法及びラマン分光分析が数マイクロメートルの深さまでの情報を反映するのに対し、X線光電子分光分析は、表面の数ナノメートルの部分の分析なのでナノスケールカーボンチューブが露出せず、酸化チタンが被覆されていることがわかる。   Whereas X-ray diffraction and Raman spectroscopy reflect information down to a depth of a few micrometers, X-ray photoelectron spectroscopy does not expose nanoscale carbon tubes because it is an analysis of a few nanometer parts of the surface, It can be seen that titanium oxide is coated.

この酸化チタン被覆ナノスケールカーボンチューブを、750℃で2時間焼成し、ナノスケールカーボンチューブを消失させることで、マグネリ相構造の結晶形態を有するチタニアを30%以上含むチタニアナノチューブ(A2c)を得た。なお、焼成雰囲気は、水素ガスを0.1L/minで導入し、水素ガスのみからなる雰囲気とした。   This titanium oxide-coated nanoscale carbon tube was baked at 750 ° C. for 2 hours to eliminate the nanoscale carbon tube, thereby obtaining a titania nanotube (A2c) containing 30% or more of titania having a crystalline form of a Magneli phase structure. . Note that the firing atmosphere was an atmosphere made of only hydrogen gas by introducing hydrogen gas at 0.1 L / min.

製造したチタニアナノチューブ(A2c)について、X線回折法及びラマン分光分析により結晶相を同定したところ、約50%がマグネリ相(Ti)であった。 Manufacturing titania nanotubes (A2c), was identified crystalline phase by X-ray diffractometry and Raman spectroscopic analysis, about 50% were Magneli phase (Ti 4 O 7).

また、ナノスケールカーボンチューブに由来するグラファイトのピークは観測されなかった。   Further, no graphite peak derived from the nanoscale carbon tube was observed.

また、電子顕微鏡(SEM及びTEM)にて構造を観察したところ、図18〜20のような結果になり、平均粒子径30〜60nmの酸化チタン微粒子が集合して肉厚が30〜200nm程度、平均直径が50〜300nm程度、平均長さが1000〜10000nm程度、平均アスペクト比が20〜200程度の管状であった。   Moreover, when the structure was observed with an electron microscope (SEM and TEM), the results were as shown in FIGS. 18 to 20, and titanium oxide fine particles having an average particle diameter of 30 to 60 nm were assembled to have a thickness of about 30 to 200 nm. It was a tube having an average diameter of about 50 to 300 nm, an average length of about 1000 to 10,000 nm, and an average aspect ratio of about 20 to 200.

なお、図19(酸化チタン構造体の中央部)のA〜C、図20(酸化チタン構造体の端部)のD〜Fの各点において、電子線回折測定をしたところ、以下の表3のような構造が確認された。   In addition, when electron beam diffraction measurement was performed at points A to C in FIG. 19 (center portion of the titanium oxide structure) and D to F in FIG. 20 (end portions of the titanium oxide structure), the following Table 3 was obtained. The following structure was confirmed.

Figure 2011233507
Figure 2011233507

<光電変換素子の製造>
チタニアナノチューブ(A2b)の代わりにチタニアナノチューブ(A2c)を用いること以外は実施例1と同様に、15μmの膜厚の電極膜を作製した。また、さらに実施例1と同様に光電変換素子を作製した。
<Manufacture of photoelectric conversion elements>
An electrode film having a thickness of 15 μm was prepared in the same manner as in Example 1 except that titania nanotube (A2c) was used instead of titania nanotube (A2b). Further, a photoelectric conversion element was produced in the same manner as in Example 1.

実施例5
<チタニアナノチューブ(A2b)への絶縁性酸化物膜の形成>
チタニアナノチューブ(A2b)としては、実施例1で作製したチタニアナノチューブ(A2b)を用いた。
Example 5
<Formation of insulating oxide film on titania nanotube (A2b)>
The titania nanotube (A2b) produced in Example 1 was used as the titania nanotube (A2b).

チタニアナノチューブ(A2b)3.0g、エチルセルロース1.5g及びα−テルピネオール10gを混合して得られる酸化チタンペーストを、FTO(フッ素ドープ酸化スズ)ガラス(日本板硝子(株)製、抵抗:10Ω/sq)上に、厚みが14μmとなるように塗布した。   A titanium oxide paste obtained by mixing 3.0 g of titania nanotubes (A2b), 1.5 g of ethyl cellulose and 10 g of α-terpineol was prepared from FTO (fluorine-doped tin oxide) glass (manufactured by Nippon Sheet Glass Co., Ltd., resistance: 10Ω / sq). It was applied so that the thickness was 14 μm.

その後、125℃で乾燥し、500℃で1時間焼成することで、チタニア電極を作製した。このチタニア電極を、マグネシウムエトキシド0.61gを2−プロパノール20mLの溶解させた溶液(マグネシウムエトキシド:0.15mol/L)に60℃で30分間浸漬した。その後チタニア電極を80℃の湯に1分間浸漬し、その後450℃で20分間焼成することで、チタニア電極のチタニア層上に厚み1nmの酸化マグネシウム膜が被覆された絶縁被覆チタニア電極を得た。なお、この絶縁被覆チタニア電極は、チタニア層中のチタニアナノチューブ(A2b)の表面にも、厚さ1nmの酸化マグネシウム膜が被覆されていた。   Then, the titania electrode was produced by drying at 125 degreeC and baking at 500 degreeC for 1 hour. This titania electrode was immersed in a solution in which 0.61 g of magnesium ethoxide was dissolved in 20 mL of 2-propanol (magnesium ethoxide: 0.15 mol / L) at 60 ° C. for 30 minutes. Thereafter, the titania electrode was immersed in hot water at 80 ° C. for 1 minute and then baked at 450 ° C. for 20 minutes to obtain an insulation-coated titania electrode in which a 1 nm thick magnesium oxide film was coated on the titania layer of the titania electrode. In this insulating coated titania electrode, the surface of the titania nanotube (A2b) in the titania layer was also coated with a magnesium oxide film having a thickness of 1 nm.

<光電変換素子の製造>
上述の絶縁被覆チタニア電極のFTOガラスから、酸化マグネシウム膜が被覆されたチタニアナノチューブ(A2b)を剥がし取った。
<Manufacture of photoelectric conversion elements>
The Titania nanotube (A2b) coated with the magnesium oxide film was peeled off from the FTO glass of the above-described insulation-coated titania electrode.

チタニアナノチューブ(A2b)の代わりに剥がし取った酸化マグネシウム膜が被覆されたチタニアナノチューブ(A2b)を用いること以外は実施例1と同様に、15μmの膜厚の電極膜を作製した。また、さらに実施例1と同様に光電変換素子を作製した。   An electrode film having a thickness of 15 μm was prepared in the same manner as in Example 1 except that the titania nanotube (A2b) coated with the peeled magnesium oxide film was used instead of the titania nanotube (A2b). Further, a photoelectric conversion element was produced in the same manner as in Example 1.

実施例6
<光電変換素子の製造>
[ペースト]
酸化チタン構造体として、実施例4で作製したチタニアナノチューブ(A2c)を使用した。そして、多孔質酸化チタン塗膜作製用のペーストとしては、実施例4で用いたものと同じ1回目〜5回目のペーストを使用した。
Example 6
<Manufacture of photoelectric conversion elements>
[paste]
As the titanium oxide structure, the titania nanotube (A2c) produced in Example 4 was used. And as a paste for porous titanium oxide coating film preparation, the same 1st-5th paste as what was used in Example 4 was used.

[成膜]
1回目塗布用のペーストをスクリーン印刷機にてガラス基板に順次塗布した。1回目の膜厚は約3μmとなった。2回目〜5回目塗布用のペーストについても同様に塗布した。
[Film formation]
The paste for the first application was sequentially applied to a glass substrate with a screen printer. The first film thickness was about 3 μm. It applied similarly about the paste for the 2nd time-the 5th time application.

[電極基板の作製]
5回の塗布が完了後昇温し、200℃で10分間保持することで、湿潤状態を保ちつつ、寸法安定性も保持できる膜形態として、その上に、メッシュ状チタンを、電極しろを確保した上でのせた。得られたバックコンタクト電極付き塗膜を500℃で1時間焼成し、15μmの膜厚の電極膜を作製した。
[Production of electrode substrate]
After coating 5 times, the temperature is raised and held at 200 ° C. for 10 minutes. As a film form that can maintain the dimensional stability while maintaining a wet state, mesh titanium is secured on it, and an electrode margin is secured. And put it on. The obtained coating film with back contact electrode was baked at 500 ° C. for 1 hour to prepare an electrode film having a thickness of 15 μm.

[色素の吸着]
上述によって得られた15μmの膜厚の電極膜を、5×10−5mol/lのルテニウム錯体(RuL(NCS))色素(N3Dye)の無水エタノール溶液に室温にて18時間浸漬した後、乾燥し、多孔質酸化チタン塗膜に色素を吸着させた。
[Dye adsorption]
After the electrode film having a film thickness of 15 μm obtained as described above was immersed in an absolute ethanol solution of 5 × 10 −5 mol / l ruthenium complex (RuL 2 (NCS) 2 ) dye (N3Dye) at room temperature for 18 hours. And dried to adsorb the dye to the porous titanium oxide coating film.

[光電変換素子の製造]
透明電極付透明ガラス基板に白金めっきした対向電極をスペーサーを介して貼りあわせ、その間に電解液として、0.6mol/lのヨウ化リチウムと0.06mol/lのヨウ素、0.5mol/lの4−ターシャルブチルピリジンを含むアセトニトリル溶液を注入し、光電変換素子を作製した。
[Manufacture of photoelectric conversion elements]
A platinum-plated counter electrode is bonded to a transparent glass substrate with a transparent electrode through a spacer, and 0.6 mol / l lithium iodide, 0.06 mol / l iodine, 0.5 mol / l An acetonitrile solution containing 4-tert-butylpyridine was injected to produce a photoelectric conversion element.

実施例7
チタニアナノチューブ(A2c)の代わりに実施例3で作製したチタニア被覆ナノスケールカーボンチューブ(A1)を使用すること以外は実施例6と同様に、15μmの膜厚の多孔質酸化チタン塗膜を有する電極基板を作製した。また、さらに実施例6と同様に光電変換素子を作製した。
Example 7
An electrode having a porous titanium oxide coating film having a thickness of 15 μm, as in Example 6, except that the titania-coated nanoscale carbon tube (A1) produced in Example 3 was used instead of the titania nanotube (A2c). A substrate was produced. Further, a photoelectric conversion element was produced in the same manner as in Example 6.

実験例
実施例1〜7及び比較例1〜3の光電変換素子に疑似太陽光(1kW/m)を照射し、電流電圧特性を測定したところ、以下の表4のような結果が得られた。
Experimental Example When the photoelectric conversion elements of Examples 1 to 7 and Comparative Examples 1 to 3 were irradiated with pseudo-sunlight (1 kW / m 2 ) and the current-voltage characteristics were measured, the results shown in Table 4 below were obtained. It was.

Figure 2011233507
Figure 2011233507

Claims (14)

棒状、管状、繊維状又は板状の酸化チタン構造体(A)と、チタニアナノ粒子(B)とを含む多孔質酸化チタン塗膜が形成された基板であって、
前記多孔質酸化チタン塗膜は、基板との界面から塗膜最表面へ向かうにしたがい、酸化チタン構造体(A)の濃度が高くなり、且つ、チタニアナノ粒子(B)の濃度が低くなることを特徴とする、
多孔質酸化チタン塗膜が形成された基板。
A substrate on which a porous titanium oxide coating film containing a rod-like, tubular, fibrous or plate-like titanium oxide structure (A) and titania nanoparticles (B) is formed,
As the porous titanium oxide coating film moves from the interface with the substrate toward the outermost surface of the coating film, the concentration of the titanium oxide structure (A) increases and the concentration of titania nanoparticles (B) decreases. Features
A substrate on which a porous titanium oxide coating film is formed.
前記多孔質酸化チタン塗膜は、
最表面から塗膜の厚みの0〜10%の範囲の深さにおける酸化チタン構造体(A)の濃度が20〜100重量%であり、
最表面から塗膜の厚みの90〜100%の範囲の深さにおける酸化チタン構造体(A)の濃度が0〜80重量%である、
請求項1に記載の多孔質酸化チタン塗膜が形成された基板。
The porous titanium oxide coating film is
The concentration of the titanium oxide structure (A) at a depth in the range of 0 to 10% of the thickness of the coating film from the outermost surface is 20 to 100% by weight,
The concentration of the titanium oxide structure (A) at a depth in the range of 90 to 100% of the thickness of the coating film from the outermost surface is 0 to 80% by weight.
A substrate on which the porous titanium oxide coating film according to claim 1 is formed.
酸化チタン構造体(A)の平均アスペクト比が3〜200000である、請求項1又は2に記載の多孔質酸化チタン塗膜が形成された基板。 The board | substrate with which the porous titanium oxide coating film of Claim 1 or 2 in which the average aspect-ratio of a titanium oxide structure (A) is 3-200000 was formed. 酸化チタン構造体(A)が、チタニア被覆ナノスケールカーボンチューブ(A1)、チタニアナノチューブ(A2)及びチタニアナノロッド(A3)よりなる群から選ばれる少なくとも1種である、請求項1〜3のいずれかに記載の多孔質酸化チタン塗膜が形成された基板。 The titanium oxide structure (A) is at least one selected from the group consisting of titania-coated nanoscale carbon tubes (A1), titania nanotubes (A2), and titania nanorods (A3). A substrate on which the porous titanium oxide coating described in 1 is formed. チタニアナノチューブ(A2)が、チタニアナノ粒子が連なってなるチタニアナノチューブ(A2b)である、請求項4に記載の多孔質酸化チタン塗膜が形成された基板。 The substrate on which the porous titanium oxide coating film according to claim 4 is formed, wherein the titania nanotube (A2) is a titania nanotube (A2b) in which titania nanoparticles are continuous. チタニアナノチューブ(A2)が、マグネリ相構造の結晶形態を有するチタニアを30%以上含むチタニアナノチューブ(A2c)である、請求項4に記載の多孔質酸化チタン塗膜が形成された基板。 The substrate on which the porous titanium oxide coating film according to claim 4 is formed, wherein the titania nanotube (A2) is a titania nanotube (A2c) containing 30% or more of titania having a crystal form of a magnetic phase structure. 酸化チタン構造体(A)の表面に絶縁性酸化物膜を有する、請求項1〜6のいずれかに記載の多孔質酸化チタン塗膜が形成された基板。 The board | substrate with which the porous titanium oxide coating film in any one of Claims 1-6 which has an insulating oxide film on the surface of a titanium oxide structure (A) was formed. 多孔質酸化チタン塗膜が、表面に、絶縁性酸化物膜を有する、請求項1〜7のいずれかに記載の多孔質酸化チタン塗膜が形成された基板。 The board | substrate with which the porous titanium oxide coating film in any one of Claims 1-7 in which a porous titanium oxide coating film has an insulating oxide film on the surface was formed. 請求項1〜8のいずれかに記載の多孔質酸化チタン塗膜が形成された基板を備えた電極基板であって、
前記基板が、樹脂基板又はガラス基板と透明導電膜とが一体化した構造を有しており、
前記多孔質酸化チタン塗膜は透明導電膜上に形成されており、且つ、
前記多孔質酸化チタン塗膜に色素が担持されている、電極基板。
An electrode substrate comprising a substrate on which the porous titanium oxide coating film according to claim 1 is formed,
The substrate has a structure in which a resin substrate or a glass substrate and a transparent conductive film are integrated,
The porous titanium oxide coating film is formed on a transparent conductive film, and
An electrode substrate in which a pigment is supported on the porous titanium oxide coating film.
請求項1〜8のいずれかに記載の多孔質酸化チタン塗膜が形成された基板と、前記多孔質酸化チタン塗膜が形成された基板上に形成されたメッシュ状電極とを備えた電極基板であって、
前記メッシュ状電極は、前記多孔質酸化チタン塗膜と接し、且つ、覆うように形成されており、
前記基板は樹脂基板又はガラス基板であり、
前記多孔質酸化チタン塗膜に色素が担持されている、電極基板。
An electrode substrate comprising: a substrate on which the porous titanium oxide coating film according to claim 1 is formed; and a mesh electrode formed on the substrate on which the porous titanium oxide coating film is formed. Because
The mesh electrode is formed so as to contact and cover the porous titanium oxide coating film,
The substrate is a resin substrate or a glass substrate,
An electrode substrate in which a pigment is supported on the porous titanium oxide coating film.
前記メッシュ状電極が、ヨウ素イオン及び臭素イオンと反応せず、又は、ヨウ素イオン及び臭素イオンに対する耐腐食性を有する、請求項10に記載の電極基板。 The electrode substrate according to claim 10, wherein the mesh electrode does not react with iodine ions and bromine ions, or has corrosion resistance against iodine ions and bromine ions. 前記メッシュ状電極が、チタン、金、白金、タングステン、ニオブ、タンタル、炭素、ステンレス及びマグネリ相構造の結晶形態を有するチタニアよりなる群から選ばれる少なくとも1種からなる、請求項10又は11に記載の電極基板。 The mesh electrode is made of at least one selected from the group consisting of titanium, gold, platinum, tungsten, niobium, tantalum, carbon, stainless steel, and titania having a crystalline form of a magnetic phase structure. Electrode substrate. 請求項9〜12のいずれかに記載の電極基板を備える、色素増感太陽電池。 A dye-sensitized solar cell comprising the electrode substrate according to claim 9. 棒状、管状、繊維状又は板状の酸化チタン構造体(A)と、チタニアナノ粒子(B)とを含む多孔質酸化チタン塗膜であって、
一表面から他表面へ向かうにしたがい、酸化チタン構造体(A)の濃度が高くなり、且つ、チタニアナノ粒子(B)の濃度が低くなることを特徴とする、
多孔質酸化チタン塗膜。
A porous titanium oxide coating film comprising a rod-like, tubular, fibrous or plate-like titanium oxide structure (A) and titania nanoparticles (B),
The concentration of the titanium oxide structure (A) increases and the concentration of the titania nanoparticles (B) decreases as it goes from one surface to the other surface.
Porous titanium oxide coating.
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