JP2022151848A - Photocatalytic material production method and photocatalytic material - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光触媒材料の製造方法、及び光触媒材料に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a method for producing a photocatalyst material and a photocatalyst material.
光触媒材料は、光(紫外光)が当たることによる超親水性の発現及び/又は活性酸素種の生成により、汚れ分解機能及び窒素酸化物除去機能等の重要な機能(光触媒活性)を発現する。 A photocatalytic material exhibits important functions (photocatalytic activity) such as a stain decomposition function and a nitrogen oxide removal function by developing superhydrophilicity and/or generating active oxygen species when exposed to light (ultraviolet light).
この機能を活用し、光触媒材料を配合した塗料やコーティング膜等が提案され、防汚塗料、環境浄化塗料、又はコーティング製品等として実用化されている。近年では、消費者に健康を害する有害な物質及び微生物、特に、細菌やカビ等の微生物を除去する機能への需要が高まっており、光触媒材料には、上記有害物質及び/又は微生物の除去性能が期待されている。 Utilizing this function, paints, coating films, etc. containing photocatalyst materials have been proposed and put into practical use as antifouling paints, environment-cleaning paints, coating products, and the like. In recent years, there is an increasing demand for a function to remove harmful substances and microorganisms that are harmful to the health of consumers, especially microorganisms such as bacteria and mold. is expected.
そして、光触媒材料として、様々な材料が知られている(特許文献1参照)。また、光触媒材料を構成する粒子の大きさがナノサイズであると、粒成長による多孔性の低下が最小限に抑えられ、粒子の大きさがマイクロサイズの光触媒材料に比べて高い光触媒機能を示すことが知られている(特許文献2参照)。また、光触媒材料がドープ化された粒子であると、ドープ化されていない粒子に比べて高い光触媒機能を示すことが知られている(特許文献3参照)。 Various materials are known as photocatalyst materials (see Patent Document 1). In addition, when the size of the particles constituting the photocatalyst material is nano-sized, the decrease in porosity due to grain growth is minimized, and the photocatalytic function is higher than that of the photocatalyst material with micro-sized particles. is known (see Patent Document 2). In addition, it is known that particles doped with a photocatalytic material exhibit higher photocatalytic functions than non-doped particles (see Patent Document 3).
ところで、光触媒反応は、粒子表面で生じるから、単位体積(重量)当たりの触媒活性を向上させるには、触媒粒子サイズを小さくし比表面積を大きくすることが望ましい。光触媒反応の原理は、光で励起された電子(正孔)を、電極を介してエネルギーとして回収する太陽電池システムを、界面での酸化・還元反応を生じさせるものと理解することができる。したがって、太陽電池材料開発において課題であった材料内および界面での欠陥・ダングリングボンドの低減化は同様に重要となる。またドーピングによる光応答のバンドギャップ制御も重要となる。すなわち、ドーピングも可能なナノ単結晶の合成が重要となる。それに対し、超臨界技術を用いて金属酸化物ナノ粒子を合成できることが知られており、得られるナノ粒子が単結晶粒子であることも知られている。また、これにより、ドープ量を増大させ得ることや、有機分子を共存させることでナノ粒子の露出面を制御できることも知られている。加えて、超臨界技術によって得られた金属酸化物ナノ粒子は、ケミカルループ法における酸素キャリア粒子として優れることが知られている(国際公開2015/025941号パンフレット)。そのため、超臨界技術によって得られた金属酸化物ナノ粒子を光触媒材料として活用し得る。 By the way, since the photocatalytic reaction occurs on the particle surface, it is desirable to reduce the catalyst particle size and increase the specific surface area in order to improve the catalytic activity per unit volume (weight). The principle of the photocatalytic reaction can be understood as generating an oxidation/reduction reaction at the interface in a solar cell system in which electrons (holes) excited by light are recovered as energy through electrodes. Therefore, the reduction of defects and dangling bonds in the material and at the interface, which has been an issue in the development of solar cell materials, is equally important. Bandgap control of photoresponse by doping is also important. In other words, it is important to synthesize nano-single crystals that can be doped. On the other hand, it is known that metal oxide nanoparticles can be synthesized using supercritical technology, and the nanoparticles obtained are also known to be single crystal particles. It is also known that this can increase the doping amount and that the exposed surface of the nanoparticles can be controlled by allowing organic molecules to coexist. In addition, metal oxide nanoparticles obtained by supercritical technology are known to be excellent as oxygen carrier particles in the chemical loop method (International Publication No. 2015/025941 pamphlet). Therefore, metal oxide nanoparticles obtained by supercritical technology can be utilized as a photocatalyst material.
しかしながら、光触媒技術は、先に述べたように、光エネルギーによって電子状態を変化させる技術である。すなわち、光触媒技術は、電子と正孔を、再結合を抑制して分離させ、それぞれが界面で化学反応をさせる技術である。超臨界技術を用いて光触媒材料をナノ粒子化、露出面制御することで、受光し電子状態を変化させることとつながり、電子正孔の移動、界面での反応性について、超臨界技術を用いたナノ粒子化技術が有効であること、すなわち、超臨界技術によって得られる金属酸化物ナノ粒子が高い光触媒活性を有するかどうかは、明らかでない。また、非平衡系の大きな超臨界反応場において欠陥の少ない光触媒単結晶材料を合成させうるかは自明ではない。 However, the photocatalyst technology is a technology for changing the electronic state by light energy, as described above. In other words, the photocatalyst technology is a technology that separates electrons and holes by suppressing their recombination and causes chemical reactions between them at the interface. Nanoparticulation of the photocatalyst material using supercritical technology and control of the exposed surface lead to changes in the electronic state of the received light. It is not clear whether the nanoparticle technology is effective, ie whether the metal oxide nanoparticles obtained by supercritical technology have high photocatalytic activity. Moreover, it is not obvious whether a photocatalyst single crystal material with few defects can be synthesized in a non-equilibrium system with a large supercritical reaction field.
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、超臨界技術を用いて得た金属酸化物ナノ粒子が従来より知られている光触媒材料に比べて高い光触媒活性を有することを実験的に明らかにすることで、光触媒活性に顕著に優れた光触媒材料を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such problems, and experiments have shown that metal oxide nanoparticles obtained using supercritical technology have higher photocatalytic activity than conventionally known photocatalytic materials. It is an object of the present invention to provide a photocatalyst material that is remarkably excellent in photocatalytic activity by clarifying the photocatalytic activity.
本発明者らは、上記の課題を達成するために鋭意研究を重ねた結果、超臨界等の反応場において有機分子の共存下で金属酸化物粒子を処理して金属酸化物ナノ粒子を得ることで、上記の課題を解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。具体的に、本発明では、以下のようなものを提供する。 The inventors of the present invention have made intensive studies to achieve the above problems, and as a result, obtained metal oxide nanoparticles by processing metal oxide particles in the presence of organic molecules in a reaction field such as supercritical. Thus, the inventors have found that the above problems can be solved, and have completed the present invention. Specifically, the present invention provides the following.
第1の特徴に係る発明は、超臨界、亜臨界の水系溶媒の急速昇温を伴う流通系反応場で、金属酸化物ナノ粒子を得るナノ化工程を含む、光触媒材料の製造方法を提供する。 The invention according to a first feature provides a method for producing a photocatalyst material, including a nano-ization step of obtaining metal oxide nanoparticles in a flow system reaction field accompanied by a rapid temperature rise of a supercritical or subcritical aqueous solvent. .
この手法により、従来の液相法、気相法と比較して、極めて高い過飽和度を得ることができ、それによって、粒子のナノサイズ化すなわち、単位体積(重量)当たりの比表面積を極めて大きくすることができる。その結果、従来より知られている光触媒材料に比べて顕著に優れた光触媒活性を有する光触媒材料を提供できる。 By this method, it is possible to obtain an extremely high degree of supersaturation compared to the conventional liquid-phase method and gas-phase method. can do. As a result, it is possible to provide a photocatalyst material having significantly superior photocatalytic activity compared to conventionally known photocatalyst materials.
第2の特徴に係る発明は、超臨界、亜臨界、又は気相の水系溶媒の反応場で金属酸化物を有機修飾して表面が有機修飾された金属酸化物ナノ粒子を得るナノ化工程を含む、光触媒材料の製造方法を提供する。 The invention according to a second feature comprises a nano-ization step of organically modifying a metal oxide in a reaction field of a supercritical, subcritical, or gas phase aqueous solvent to obtain metal oxide nanoparticles having an organically modified surface. A method for producing a photocatalytic material is provided, comprising:
第2の特徴に係る発明によると、従来より知られている光触媒材料に比べて顕著に優れた光触媒活性を有する光触媒材料を提供できる。 According to the second aspect of the invention, it is possible to provide a photocatalyst material having significantly superior photocatalytic activity compared to conventionally known photocatalyst materials.
超臨界等の反応場で有機分子をキャッピングさせながら反応させることで金属酸化物のさらなるナノ化を図ることができる。また、親水性表面を有する金属酸化物ナノ粒子を炭化水素といった有機基等の疎水性基でその表面を有機修飾することで、水性媒質から回収したりすることが困難な粒子を簡単に且つ確実に有機性の媒質側に移行させて分離・回収することができる。そして、この有機修飾により、結晶の露出面が制御されたナノ粒子を、その形状を変化させることなく回収できる。また、光触媒デバイスの製造は塗布型プロセスで行われることから、溶媒との親和性が高く、高濃度でナノ粒子を分散させつつ、低粘性を発現させることが可能となる。 Metal oxides can be further nano-sized by reacting them while capping organic molecules in a supercritical reaction field. In addition, by organically modifying the surface of metal oxide nanoparticles having a hydrophilic surface with a hydrophobic group such as an organic group such as a hydrocarbon, particles that are difficult to recover from an aqueous medium can be easily and reliably collected. It can be separated and recovered by moving to the organic medium side. This organic modification allows the nanoparticles with controlled exposed crystal surfaces to be recovered without changing their shape. In addition, since the photocatalyst device is manufactured by a coating process, it has a high affinity with the solvent, and it is possible to develop low viscosity while dispersing the nanoparticles at a high concentration.
第3の特徴に係る発明は、第1又は第2の特徴に係る発明において、前記ナノ化工程は、遷移元素の共存下で行われ、表面が有機修飾され、かつ、前記遷移元素によってドープ化された金属酸化物ナノ粒子を得る工程を含む方法を提供する。 The invention according to a third feature is the invention according to the first or second feature, wherein the nano-forming step is performed in the presence of a transition element, and the surface is organically modified and doped with the transition element. A method is provided comprising the step of obtaining a sintered metal oxide nanoparticle.
第3の特徴に係る発明によると、他の手法によってドープ化する場合に比べて高いドープ量を有する金属酸化物ナノ粒子を用いることができ、結果として、よりいっそう優れた光触媒活性を有する光触媒材料を提供できる。 According to the invention according to the third feature, it is possible to use metal oxide nanoparticles having a higher doping amount than in the case of doping by other methods, and as a result, a photocatalytic material having even better photocatalytic activity. can provide
第4の特徴に係る発明は、第1から第3のいずれかの特徴に係る発明において、前記金属酸化物ナノ粒子が準安定形の単結晶性である方法を提供する。 The invention according to a fourth aspect provides the method according to any one of the first to third aspects, wherein the metal oxide nanoparticles are metastable and monocrystalline.
第5の特徴に係る発明は、第1から第4のいずれかの特徴に係る発明において、前記金属酸化物ナノ粒子が八面体及び/又は六面体の酸化セリウムナノ粒子を含む方法を提供する。 A fifth aspect of the invention provides a method according to any one of the first to fourth aspects, wherein the metal oxide nanoparticles include octahedral and/or hexahedral cerium oxide nanoparticles.
第4及び第5の特徴に係る発明によると、金属酸化物ナノ粒子が準安定形の単結晶性であるため、結果として、よりいっそう優れた光触媒活性を有する光触媒材料を提供できる。 According to the inventions according to the fourth and fifth characteristics, the metal oxide nanoparticles are metastable and single-crystalline, and as a result, a photocatalytic material having even better photocatalytic activity can be provided.
第6の特徴に係る発明は、第1から第5のいずれかの特徴に係る発明において、前記金属酸化物ナノ粒子の平均粒子径が100nm以下である方法を提供する。 A sixth aspect of the invention provides a method according to any one of the first to fifth aspects, wherein the metal oxide nanoparticles have an average particle size of 100 nm or less.
第6の特徴に係る発明によると、平均粒子径が100nm以下であるため、結果として、よりいっそう優れた光触媒活性を有する光触媒材料を提供できる。 According to the sixth aspect of the invention, since the average particle size is 100 nm or less, it is possible to provide a photocatalyst material having even better photocatalytic activity.
第7の特徴に係る発明は、第1から第6のいずれかの特徴に係る発明において、前記ナノ化工程によって得られた金属酸化物ナノ粒子をさらに超臨界又は亜臨界の反応場で水熱処理することで、高結晶化、低欠陥化を施こす工程をさらに含む方法を提供する。 The invention according to a seventh feature is the invention according to any one of the first to sixth features, wherein the metal oxide nanoparticles obtained by the nanoization step are further hydrothermally treated in a supercritical or subcritical reaction field. By doing so, a method is provided which further includes a step of applying high crystallization and low defects.
第8の特徴に係る発明は、第1から第7のいずれかの特徴に係る発明において、前記ナノ化工程によって得られた金属酸化物ナノ粒子を水熱条件下で酸素を共存させることで、低酸素欠陥化させる工程をさらに含む方法を提供する。 The invention according to an eighth feature is the invention according to any one of the first to seventh features, wherein the metal oxide nanoparticles obtained by the nanoization step are allowed to coexist with oxygen under hydrothermal conditions, A method is provided further comprising the step of hypoxic depletion.
超臨界等に例示される反応場での非平衡合成では、粒子のナノ化、粒子表面の有機修飾及び粒子の露出面制御により、歪が大きくなり、この歪が結晶の電子状態に影響を与え、顕著に大きな光触媒能に繋がることが考え得る。 In non-equilibrium synthesis in a reaction field exemplified by supercriticality, the strain increases due to nanoization of particles, organic modification of the particle surface, and control of the exposed surface of the particles, and this strain affects the electronic state of the crystal. , leading to remarkably large photocatalytic activity.
第7及び第8の特徴に係る発明によると、ナノ結晶光触媒を合成した後、超臨界あるいは亜臨界場での水熱処理を行うことで、結晶成長が生じる。これにより、歪、欠陥を低減し、完全結晶性を高めることが可能となる。 According to the invention according to the seventh and eighth characteristics, crystal growth occurs by performing hydrothermal treatment in a supercritical or subcritical field after synthesizing the nanocrystalline photocatalyst. This makes it possible to reduce distortion and defects and improve perfect crystallinity.
中でも、水熱処理において、特に臨界点近傍ではあれば、任意の割合で酸素ガスと均一相を形成する。それを利用した高い酸化効果が得られる。 Above all, in hydrothermal treatment, it forms a homogeneous phase with oxygen gas at any ratio, especially if it is near the critical point. A high oxidation effect can be obtained by using it.
第9の特徴に係る発明は、第1から第8のいずれかの特徴に係る発明において、前記有機修飾された金属酸化物ナノ粒子をか焼するか焼工程をさらに含む、光触媒材料を提供する。 A ninth aspect of the invention provides a photocatalyst material according to any one of the first to eighth aspects, further comprising a calcination step of calcining the organically modified metal oxide nanoparticles. .
ナノサイズ化と露出面制御により歪が大きくなると、酸素空孔を生じやすくなる。これが光触媒の活性種の再結合を生む原因となる。実際、測定してみると三価のセリウムが多く存在する。 Oxygen vacancies are more likely to occur when strain increases due to nano-sizing and exposed surface control. This causes recombination of active species of the photocatalyst. In fact, when measured, trivalent cerium is abundant.
第9の特徴に係る発明によると、合成後、酸素雰囲気下で粒子の酸化処理を行い、三価のセリウムを四価のセリウムとする。このように、完全CeO2化する処理を行うことで、よりいっそう優れた光触媒活性を有する光触媒材料を提供できる。 According to the ninth aspect of the invention, after synthesis, the particles are oxidized in an oxygen atmosphere to convert trivalent cerium to tetravalent cerium. In this way, a photocatalyst material having even better photocatalytic activity can be provided by performing the treatment for complete CeO 2 conversion.
第10の特徴に係る発明は、準安定形の単結晶性であり、八面体及び/又は六面体である酸化セリウムナノ粒子を含み、平均粒子径が100nm以下であり、表面が疎水性基により有機修飾されている、光触媒材料を提供する。 The invention according to a tenth aspect comprises metastable, single-crystalline, octahedral and/or hexahedral cerium oxide nanoparticles, having an average particle size of 100 nm or less, and having a surface organically modified with a hydrophobic group. Provide a photocatalyst material.
第11の特徴に係る発明は、準安定形の単結晶性であり、八面体及び/又は六面体である酸化セリウムナノ粒子を含み、平均粒子径が100nm以下であり、前記ナノ粒子をアゾ染料AO7溶液に分散させて波長365nmの紫外光を2時間照射したとき照射後の前記溶液に含まれる前記アゾ染料AO7の濃度が照射前の前記濃度に比べて5%以上減少する、光触媒材料を提供する。 The invention according to an eleventh feature comprises metastable single-crystalline octahedral and/or hexahedral cerium oxide nanoparticles having an average particle size of 100 nm or less, and the nanoparticles being an azo dye AO7 solution. A photocatalyst material is provided in which the concentration of the azo dye AO7 contained in the solution after irradiation decreases by 5% or more compared to the concentration before irradiation when the azo dye AO7 is dispersed in the solution and irradiated with ultraviolet light having a wavelength of 365 nm for 2 hours.
第10及び第11の特徴に係る発明によると、従来より知られている光触媒材料に比べて顕著に優れた光触媒活性を有する光触媒材料を提供できる。 According to the tenth and eleventh aspects of the invention, it is possible to provide a photocatalyst material having significantly superior photocatalytic activity compared to conventionally known photocatalyst materials.
平均粒子径が100nm以下であること、粒子表面の有機修飾及び粒子の露出面制御により、歪が大きくなり、この歪が結晶の電子状態に影響を与え、顕著に大きな光触媒能に繋がったものと推測される。 The average particle size of 100 nm or less, the organic modification of the particle surface, and the control of the exposed surface of the particles increase the strain, and this strain affects the electronic state of the crystal, leading to a significantly high photocatalytic ability. guessed.
第12の特徴に係る発明は、第10又は第11の特徴に係る発明において、Hall法で解析される格子ひずみが0.5%以下である光触媒材料を提供する。 A twelfth aspect of the invention provides a photocatalyst material according to the tenth or eleventh aspect, wherein the lattice strain analyzed by the Hall method is 0.5% or less.
第12の特徴に係る発明によると、歪、欠陥を低減した完全結晶性の光触媒材料が得られるため、結果としてより優れた光触媒活性を有する光触媒材料を提供できる。 According to the invention according to the twelfth feature, a completely crystalline photocatalyst material with reduced distortion and defects can be obtained, and as a result, a photocatalyst material with superior photocatalytic activity can be provided.
本発明によると、光触媒活性に顕著に優れた光触媒材料を提供できる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the photocatalyst material remarkably excellent in photocatalytic activity can be provided.
以下、本発明の具体的な実施形態について、詳細に説明するが、本発明は、以下の実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の目的の範囲内において、適宜変更を加えて実施することができる。 Hereinafter, specific embodiments of the present invention will be described in detail, but the present invention is not limited to the following embodiments at all, and can be implemented with appropriate modifications within the scope of the purpose of the present invention. can do.
<光触媒材料の製造方法>
本実施形態に係る方法は、超臨界、亜臨界の水系溶媒の急速昇温を伴う流通系反応場で、金属酸化物ナノ粒子を得るナノ化工程を含む。あるいは、超臨界、亜臨界、又は気相の水系溶媒の反応場で金属酸化物を有機修飾して表面が有機修飾された金属酸化物ナノ粒子を得るナノ化工程を含む。この手法により、従来の液相法、気相法と比較して、極めて高い過飽和度を得ることができ、それによって、粒子のナノサイズ化すなわち、単位体積(重量)当たりの比表面積を極めて大きくすることができる。その結果、従来より知られている光触媒材料に比べて顕著に優れた光触媒活性を有する光触媒材料を提供できる。
<Method for producing photocatalyst material>
The method according to the present embodiment includes a nanoization step of obtaining metal oxide nanoparticles in a flow system reaction field accompanied by a rapid temperature rise of a supercritical or subcritical aqueous solvent. Alternatively, it includes a nanoization step of organically modifying a metal oxide in a reaction field of a supercritical, subcritical, or gas phase aqueous solvent to obtain metal oxide nanoparticles having an organically modified surface. By this method, it is possible to obtain an extremely high degree of supersaturation compared to the conventional liquid-phase method and gas-phase method. can do. As a result, it is possible to provide a photocatalyst material having significantly superior photocatalytic activity compared to conventionally known photocatalyst materials.
〔反応場〕
微粒子、特にナノ粒子の表面を有機修飾する場合には、高温高圧の条件を達成できる装置であれば特に限定されず、当該分野で当業者に広く知られている装置から選択して使用できるが、例えば、回分式装置、流通式装置のいずれをも使用できる。代表的なリアクターとしては、図1で示されるようなものが挙げられ、図2のような系を構成してよいが、必要に応じて適宜適切な反応装置を構成できる。
[Reaction field]
In the case of organically modifying the surface of fine particles, particularly nanoparticles, there is no particular limitation as long as the device can achieve high temperature and high pressure conditions. For example, either a batch system or a flow system can be used. Typical reactors include those shown in FIG. 1, and a system such as that shown in FIG. 2 may be constructed, but if necessary, an appropriate reactor can be constructed.
本発明の反応において用いられる水は、超臨界水(SCW)であってもよいし、臨界前の水であってもよい。臨界前の水は、気相の水又は水蒸気(もしくはスチーム)と称される状態の水を含む。また、臨界前の水は、亜臨界水と称される状態の水を含む。臨界前の水である場合、液体状態の水(液相)、あるいは液相を主相として包含していることが好ましい。このような水熱条件下では、比較的重質な炭化水素と共に単一相を形成する能力を有し、また臨界点近傍では温度圧力によって溶媒効果(誘電率、水和構造形成にともなう反応平衡・速度に与える影響)を大幅に制御できる。 The water used in the reaction of the present invention may be supercritical water (SCW) or pre-critical water. Pre-critical water includes water in a gaseous phase or a state referred to as water vapor (or steam). In addition, pre-critical water includes water in a state called subcritical water. In the case of water before criticality, it is preferable that water in a liquid state (liquid phase) or a liquid phase is included as a main phase. Under such hydrothermal conditions, it has the ability to form a single phase with relatively heavy hydrocarbons.・Influence on speed) can be greatly controlled.
本発明による「水熱条件」は、以下の反応温度を有する水共存条件として定義される。ここでの「水熱条件」は、上述のとおり、気相の水又は水蒸気(もしくはスチーム)と称される状態の水が共存する条件を含む。 "Hydrothermal conditions" according to the present invention are defined as water coexistence conditions with the following reaction temperatures: As described above, the "hydrothermal conditions" here include conditions in which gas phase water or water in a state called water vapor (or steam) coexists.
特に限定されるものではないが、反応温度の下限は、150℃以上であることが好ましく、200℃以上であることがより好ましく、250℃以上であることがさらに好ましく、300℃以上であることが特に好ましい。 Although not particularly limited, the lower limit of the reaction temperature is preferably 150° C. or higher, more preferably 200° C. or higher, even more preferably 250° C. or higher, and 300° C. or higher. is particularly preferred.
また、反応温度の上限は、1000℃以下であることが好ましく、600℃以下であることがより好ましく、500℃以下であることがさらに好ましく、450℃以下であることが特に好ましい。 The upper limit of the reaction temperature is preferably 1000° C. or lower, more preferably 600° C. or lower, even more preferably 500° C. or lower, and particularly preferably 450° C. or lower.
本発明の反応圧力は、特に限定されるものではないが、大気圧以上であり、50MPa以下であってよい。反応圧力は、より好ましくは5MPa以上であり、40MPa以下であってよい。 The reaction pressure in the present invention is not particularly limited, but may be above atmospheric pressure and below 50 MPa. The reaction pressure is more preferably 5 MPa or higher and may be 40 MPa or lower.
また、本発明の反応時間は、特に限定されるものではないが、例えば1分以上48時間以内であってよく、より一般的には5分以上24時間以内であってよく、より典型的には10分以上12時間以内であってよい。 The reaction time of the present invention is not particularly limited, but may be, for example, 1 minute or more and 48 hours or less, more generally 5 minutes or more and 24 hours or less, and more typically may be from 10 minutes to 12 hours.
[反応機構]
水中では、一般に金属酸化物表面には水酸基が存在する。これは、以下の反応平衡によるものである。
MO+H2O=M(OH) (1)
[Reaction mechanism]
Hydroxyl groups generally exist on the surface of metal oxides in water. This is due to the following reaction equilibrium.
MO+ H2O =M(OH) (1)
一般に、本反応は発熱であり、高温側では平衡は左側にシフトする。また、用いた表面修飾剤による反応は、以下の通りであり、脱水反応によるものである。 Generally, the reaction is exothermic and the equilibrium shifts to the left at higher temperatures. Further, the reaction by the used surface modifier is as follows, and is due to dehydration reaction.
左向きの反応(逆反応)は、アルコキシド等の加水分解でよく知られる反応であり、室温付近でも水の添加により容易に生じる反応である。この逆反応は、一般に発熱反応であるから高温側では抑制され、右向きの反応がより有利となる。これは(1)式の金属水酸化物の脱水反応の温度依存性と同様である。 The leftward reaction (reverse reaction) is a well-known reaction for hydrolysis of alkoxides and the like, and is a reaction that easily occurs by adding water even at around room temperature. Since this reverse reaction is generally an exothermic reaction, it is suppressed on the high temperature side, making the rightward reaction more advantageous. This is the same as the temperature dependence of the dehydration reaction of metal hydroxide in formula (1).
また、右向きの反応(脱水)は、反応原系と比較して生成物の極性が低いため、生成物の水中での安定性は、溶媒の極性が低いほど有利となる。水の誘電率は、高温ほど低く、350℃以下では誘電率は15以下に、特に臨界点近傍以上では誘電率は1-10程度と急激に低くなる。このため、通常の温度効果以上に脱水反応が加速されることとなる。 In addition, in the rightward reaction (dehydration), the polarity of the product is lower than that of the reactant system, so the lower the polarity of the solvent, the more advantageous the stability of the product in water. The dielectric constant of water decreases as the temperature rises. At 350° C. or less, the dielectric constant drops to 15 or less. Therefore, the dehydration reaction is accelerated more than the normal temperature effect.
M(OH)+RCOOH=M(OCOR)+H2O=MR+H2O+CO2
M(OH)+RCHO=M(OH)CR+H2O=MC=R+2H2O,MCR+2H2O,MR+H2+CO2 (これらの式を(2) とする)
M(OH)+RCOOH=M(OCOR)+ H2O =MR+ H2O + CO2
M(OH)+RCHO=M(OH)CR+ H2O =MC=R + 2H2O, MCR + 2H2O, MR+H2+ CO2 (these formulas are defined as ( 2 ))
アミンによる水酸基の攻撃は、室温付近では強力な酸の共存下やClによる置換を介して進行することが知られているが、高温高圧水中ではOHとの交換が生じている。有機物質については、ヘキサンアミドとヘキサノール間でカルボン酸を触媒してヘキサノールのアミノ化が進行することは確認しているが、類似の反応が進行しているものと推察される。 Attack of hydroxyl groups by amines is known to proceed in the presence of a strong acid or through substitution with Cl at around room temperature, but exchange with OH occurs in high-temperature, high-pressure water. With regard to organic substances, it has been confirmed that hexanamide and hexanol catalyze carboxylic acid to promote amination of hexanol, and it is presumed that a similar reaction is proceeding.
一般に、加水分解反応を利用して生成させた微粒子は、例えば、Fe(OH)3のような水酸化物であり、高温ほどFeO(OH)、Fe2O3へと平衡はシフトする。分子配列状態は、高温ほどランダムなアモルファス状態から整列した結晶状態へとシフトする。本実施形態に記載の技術を利用すれば、高い結晶性のナノ粒子であって有機修飾されたものを得ることが可能である。 In general, fine particles produced using a hydrolysis reaction are hydroxides such as Fe(OH) 3 , and the equilibrium shifts to FeO(OH) and Fe 2 O 3 as the temperature rises. The molecular arrangement state shifts from a random amorphous state to an ordered crystalline state at higher temperatures. Using the techniques described in this embodiment, it is possible to obtain highly crystalline nanoparticles that are organically modified.
高い結晶性は、電子回折法、電子顕微鏡写真の解析、エックス線回折、熱重量分析等により確認できる。例えば、電子回折では、単結晶であれば回折干渉像としてドットがえられ、多結晶ではリング、そしてアモルファスではハローが得られる。電子顕微鏡写真では、単結晶であれば結晶面がしっかり出ており、粒子の上からさらに結晶が現れるような形状であれば、多結晶である。多結晶の一次粒子が小さく多くの粒子が凝集して二次粒子をつくっている場合球状になる。アモルファスであれば必ず球状である。エックス線回折では単結晶であればシャープなピークが得られる。Sherreの式を利用してX線のピークの1/2高さの幅から結晶子サイズを評価できる。該評価により得られた結晶子サイズが電子顕微鏡像から評価される粒子径と同一であれば、単結晶と評価される。熱重量分析では、熱天秤により、乾燥不活性ガス中で加熱すると、100℃付近で吸着していた水分の蒸発による重量減少が、また、さらに250℃程度までで粒子内からの脱水による重量減少がみられる。有機物質を含む場合には、250~400℃においてさらに大きな重量減少が観察される。本発明の技術で得られた粒子の場合、400℃まで昇温しても、結晶内部からの脱水による重量減少は最大10%以下であり、低温で合成された金属酸化物微粒子の場合と大きく異なる。かくして、本実施形態にしたがって得られる有機修飾金属酸化物微粒子の特徴としては、高い結晶性、例えば、X線回折でシャープなピークを有している、電子線回折でドットあるいはリングが観察される、熱重量分析で結晶水の脱水が乾粒子あたり10%以下、及び/又は電子顕微鏡写真で一次粒子が結晶面を持っている等が挙げられる。 High crystallinity can be confirmed by electron diffraction, electron micrograph analysis, X-ray diffraction, thermogravimetric analysis, and the like. For example, in electron diffraction, a dot is obtained as a diffraction interference image for a single crystal, a ring is obtained for a polycrystal, and a halo is obtained for an amorphous material. In electron micrographs, if it is a single crystal, the crystal planes are clearly visible, and if it is in a shape in which crystals are visible from above the particles, it is polycrystalline. When polycrystalline primary particles are small and many particles aggregate to form secondary particles, they become spherical. If it is amorphous, it is always spherical. In X-ray diffraction, if it is a single crystal, a sharp peak is obtained. The Sherre equation can be used to estimate the crystallite size from the half-height width of the X-ray peak. If the crystallite size obtained by the evaluation is the same as the particle size evaluated from the electron microscope image, it is evaluated as a single crystal. In thermogravimetric analysis, when heated in a dry inert gas with a thermobalance, the weight decreases due to the evaporation of the adsorbed water around 100°C, and the weight decreases due to dehydration from the inside of the particles up to about 250°C. is seen. An even greater weight loss is observed at 250-400° C. when organic matter is involved. In the case of the particles obtained by the technology of the present invention, even if the temperature is raised to 400° C., the weight loss due to dehydration from the inside of the crystal is 10% or less at maximum, which is larger than that of metal oxide fine particles synthesized at low temperatures. different. Thus, the organically modified metal oxide fine particles obtained according to the present embodiment are characterized by high crystallinity, for example, sharp peaks in X-ray diffraction and dots or rings in electron diffraction. , the dehydration of water of crystallization is 10% or less per dry particle in a thermogravimetric analysis, and/or the primary particles have a crystal face in an electron micrograph.
微粒子においては粒子径に関連して、表面エネルギーと重力、電場等の外部エネルギーとが拮抗する、すなわち、遠心力や重力沈降、電気泳動等で粒子を分離したり、分散操作を行う場合、粒子径が数100nmサイズ以下となると大きな外場力を与えないと分散しない。50nm以下となると、表面エネルギーの影響がさらに大きくなり、表面性状を制御したり、溶媒の物性を制御する等をしないと、外場エネルギーだけでは極めて困難となる。本実施形態の技術ではこの問題を解決可能である。 In fine particles, the surface energy and the external energy such as gravity and electric field compete with each other in relation to the particle size. If the diameter is less than several hundred nanometers, it will not disperse unless a large external force is applied. When the thickness is 50 nm or less, the effect of the surface energy is further increased, and it is extremely difficult to use only the external energy unless the surface properties are controlled and the physical properties of the solvent are not controlled. The technology of this embodiment can solve this problem.
特に粒子の大きさを10nm以下とすると、量子状態の重なりがなくなり、また表面の電子状態の影響がバルク物性にも大きく影響する。そのため、バルクの粒子と全く異なる物性が得られること、すなわち量子サイズ効果(久保効果)が現れることがわかってきた。10nm程度以下のサイズの粒子では、特に全く異なる物質とも考えることができるが、本実施形態に記載の技術では好適に該微細なナノ粒子を有機修飾可能である。 In particular, when the particle size is 10 nm or less, there is no overlapping of quantum states, and the influence of surface electronic states greatly affects bulk physical properties. Therefore, it has been found that physical properties completely different from those of bulk particles can be obtained, that is, the quantum size effect (Kubo effect) appears. Particles with a size of about 10 nm or less can be considered to be a completely different substance, but the technique described in this embodiment can suitably organically modify the fine nanoparticles.
[条件の設定方法]
(反応平衡)
有機修飾の生じる反応条件については、金属種、修飾剤により異なるが、以下のように整理される。
[How to set conditions]
(reaction equilibrium)
Although the reaction conditions for organic modification vary depending on the metal species and the modifier, they are organized as follows.
(1)式の平衡が右側にあり、(2)式の平衡が右側にある場合に、反応が進行する。それぞれの平衡が金属種、修飾剤により異なるために、最適な反応条件が異なる。温度を上げると、(2)式の平衡は、右にシフトし、特に350℃以上では急激に進行側にシフトするが、その一方で(1)式の平衡は左にシフトする。反応条件については(1)式及び(2)式のDBを参考にする。 The reaction proceeds when the equilibrium of equation (1) is on the right side and the equilibrium of equation (2) is on the right side. Since each equilibrium differs depending on the metal species and modifier, the optimum reaction conditions differ. When the temperature is increased, the equilibrium of equation (2) shifts to the right, especially above 350° C., and shifts rapidly to the advancing side, while the equilibrium of equation (1) shifts to the left. Regarding the reaction conditions, refer to the DB of formulas (1) and (2).
塩基や酸を共存させれば、金属酸化物の表面官能基をOHとすることが可能であるから、その条件下で修飾剤との脱水反応を進行させることが可能である。その場合、酸の存在下で脱水反応が生じやすいから、高温で若干の酸を共存させることで反応を進行させることができる。 If a base or an acid is present, the surface functional group of the metal oxide can be OH, so that the dehydration reaction with the modifier can proceed under these conditions. In that case, since the dehydration reaction is likely to occur in the presence of an acid, the reaction can be advanced by allowing a small amount of acid to coexist at a high temperature.
(相平衡)
比較的短鎖の炭化水素のアルコール、アルデヒド、カルボン酸、アミンであれば水に可溶であるので、例えば、メタノールによる金属酸化物の表面修飾等は可能である。しかし、より長鎖の炭化水素の場合には、水相と相分離するため、上記の反応平衡が進行側であったとしても、実際には水相にある金属酸化物と有機修飾剤は反応しない場合もある。すなわち、親油基の導入は比較的容易であるが、C3以上の長鎖の炭化水素を対象とする場合には、相挙動を考慮する必要がある。
(phase equilibrium)
Alcohols, aldehydes, carboxylic acids, and amines that are relatively short-chain hydrocarbons are soluble in water, so surface modification of metal oxides with methanol, for example, is possible. However, in the case of longer-chain hydrocarbons, phase separation occurs with the aqueous phase, so even if the above reaction equilibrium is on the advancing side, the metal oxide and the organic modifier in the aqueous phase actually do not react. sometimes not. That is, although introduction of a lipophilic group is relatively easy, phase behavior must be taken into consideration when targeting long-chain hydrocarbons of C3 or higher.
炭化水素と水との相挙動については、すでに報告があり、それを参考とすることができる。一般に気液の臨界軌跡以上であれば、任意の割合で均一相を形成するから、そのような温度圧力条件を設定することで、良好な反応条件を設定できる。 The phase behavior of hydrocarbons and water has already been reported and can be used as a reference. In general, if the gas-liquid critical trajectory is exceeded, a homogeneous phase is formed at an arbitrary ratio. Therefore, by setting such temperature and pressure conditions, favorable reaction conditions can be set.
また、最適な反応温度をより低温としたい場合には、水と有機物とを均一相とするための第3成分を共存させることも可能である。例えば、ヘキサノールと水との共存領域は、水と低温においても均一相を形成するエタノールやエチレングリコールの共存により、より低温で形成させうることは公知である。それを利用して、金属酸化物と有機物質との反応を行わせることができる。ただし、この場合、第3成分による表面修飾反応が生じないように、第3成分の選択が重要となる。
以上、本手法によって、初めて、水中での長鎖の有機修飾が可能となる。
Further, when the optimum reaction temperature is desired to be lower, it is possible to coexist with a third component for making the water and the organic substance into a homogeneous phase. For example, it is known that the coexistence region of hexanol and water can be formed at a lower temperature by the coexistence of water and ethanol or ethylene glycol, which form a homogeneous phase even at low temperatures. By utilizing it, the reaction between the metal oxide and the organic substance can be carried out. However, in this case, the selection of the third component is important so that the surface modification reaction by the third component does not occur.
As described above, this technique enables long-chain organic modification in water for the first time.
〔有機修飾:水熱合成中でのin-situ表面修飾〕
上述のように(1)式の金属酸化物表面の水酸基生成と、(2)式以下の有機修飾反応の温度依存性は、逆方向にある。そのため、特に(1)式の反応が左側、すなわち脱水側にある場合、修飾反応を生じさせるために、酸の共存等、反応条件の設定が極めて重要となるし、困難な場合もある。
[Organic modification: in-situ surface modification during hydrothermal synthesis]
As described above, the temperature dependence of the formation of hydroxyl groups on the metal oxide surface in formula (1) and the organic modification reaction in formulas (2) and below are in opposite directions. Therefore, especially when the reaction of formula (1) is on the left side, that is, on the dehydration side, setting reaction conditions such as the coexistence of an acid is extremely important and sometimes difficult in order to cause the modification reaction.
それに対し、水熱合成in-situ表面修飾は、それを可能とする方法である。 In contrast, hydrothermal synthesis in-situ surface modification is an enabling method.
水熱合成は、下記の反応経路で進行する。
Al(NO3)3+3H2O=Al(OH)3+3HNO3
nAl(OH)3=nAlO(OH)+nH2O
nAlO(OH)=n/2Al2O3+n/2H2O
Hydrothermal synthesis proceeds through the following reaction pathway.
Al( NO3 ) 3 + 3H2O =Al(OH) 3 + 3HNO3
nAl(OH) 3 = nAlO(OH) + nH2O
nAlO (OH)=n/2Al2O3+ n / 2H2O
こうした反応経路で進行することは、他の金属種及び硫酸塩、塩酸塩等を用いた場合も同様である。さらに水熱合成は例えば、図2に示すような装置を使用してそれを高温高圧の水を反応場として行うと、より粒子径の微細な粒子とすることができるから、in-situ表面修飾技法ではより微細な有機修飾粒子を得ることが可能である。また温度や圧力を調節することで、粒子のサイズをコントロールできる。 Proceeding along such a reaction route is the same when using other metal species, sulfates, hydrochlorides, and the like. Furthermore, hydrothermal synthesis, for example, can be performed using an apparatus such as that shown in FIG. The technique makes it possible to obtain finer organically modified particles. Also, by adjusting the temperature and pressure, the particle size can be controlled.
ここに示したように、最終的に脱水反応により表面から水酸基が脱水反応によって脱離したとしても、反応前駆体として生成物、あるいはその表面に多くの水酸基が生成する。この反応場に有機修飾剤が共存していれば、水酸基が存在する条件で反応を行わせることが可能である。また、反応場には、脱水反応を進行させるための触媒でもある酸が共存するため、修飾反応は加速される。これにより、酸化物に対して行うことができなかった表面修飾を行うことが可能となる。 As shown here, even if hydroxyl groups are finally eliminated from the surface by the dehydration reaction, many hydroxyl groups are formed on the product or its surface as reaction precursors. If an organic modifier coexists in this reaction field, it is possible to carry out the reaction under conditions where hydroxyl groups are present. In addition, since an acid, which is also a catalyst for advancing the dehydration reaction, coexists in the reaction field, the modification reaction is accelerated. This makes it possible to perform surface modification that could not be performed on oxides.
本実施形態に記載の技術では、前駆体を一旦合成し、それを加水分解等により金属酸化物、金属水酸化物を合成する等という高温場を達成して酸化物への平衡を前提としたものでなく,さらにラジカル重合基質といった,例えば、酸化性物質、温度、光等に感受性のものを使用することなく、微粒子の表面を有機修飾できる。したがって、金属粒子や酸化還元状態の異なる粒子の有機修飾もできる。 In the technique described in the present embodiment, the precursor is synthesized once, and then hydrolyzed to synthesize metal oxides and metal hydroxides in a high temperature field to achieve equilibrium to oxides. Furthermore, the surface of fine particles can be organically modified without using radical polymerization substrates, which are sensitive to, for example, oxidizing substances, temperature, light, and the like. Therefore, metal particles and particles with different redox states can be organically modified.
本実施形態では、水と有機物質とが均一相を形成するような相状態を使い、しかも、無機-有機複合物質合成を試みるものであり、数nmから50nm以下のサイズの、高結晶性の金属、金属酸化物ナノ粒子を合成しつつ、その表面を有機分子で修飾する。 In the present embodiment, a phase state in which water and an organic substance form a uniform phase is used, and the synthesis of an inorganic-organic composite substance is attempted. While synthesizing metal and metal oxide nanoparticles, their surfaces are modified with organic molecules.
超臨界等の反応場で有機分子をキャッピングさせながら反応させることで金属酸化物のさらなるナノ化を図ることができる。また、親水性表面を有する金属酸化物ナノ粒子を炭化水素といった有機基等の疎水性基でその表面を有機修飾することで、水性媒質から回収したりすることが困難な粒子を簡単に且つ確実に有機性の媒質側に移行させて分離・回収することができる。そして、この有機修飾により、結晶の露出面が制御されたナノ粒子を、その形状を変化させることなく回収できる。また、光触媒デバイスの製造は塗布型プロセスで行われることから、溶媒との親和性が高く、高濃度でナノ粒子を分散させつつ、低粘性を発現させることが可能となる。 Metal oxides can be further nano-sized by reacting them while capping organic molecules in a supercritical reaction field. In addition, by organically modifying the surface of metal oxide nanoparticles having a hydrophilic surface with a hydrophobic group such as an organic group such as a hydrocarbon, particles that are difficult to recover from an aqueous medium can be easily and reliably collected. It can be separated and recovered by moving to the organic medium side. This organic modification allows the nanoparticles with controlled exposed crystal surfaces to be recovered without changing their shape. In addition, since the photocatalyst device is manufactured by a coating process, it has a high affinity with the solvent, and it is possible to develop low viscosity while dispersing the nanoparticles at a high concentration.
金属酸化物の種類は、光触媒として活用されているものであれば特に限定されないが、酸化セリウムが好ましい。 The type of metal oxide is not particularly limited as long as it is used as a photocatalyst, but cerium oxide is preferred.
有機修飾剤としては、微粒子の表面に炭化水素を強結合せしめることのできるものであれば特には限定されず、有機化学の分野、無機材料分野、高分子化学の分野を含めてナノ粒子の応用が期待されている分野で広く知られている有機物質から選択することができる。該有機修飾剤としては、例えば、エーテル結合、エステル結合、N原子を介した結合、S原子を介した結合、金属-C-の結合、金属-C=の結合及び金属-(C=O)-の結合等の強結合を形成することを許容するものが挙げられる。該炭化水素としては、その炭素数は特に限定されず、炭素数1や2のものも使用できるが、本発明の特徴を生かす観点からは、炭素数3あるいはそれ以上の鎖を有する長鎖炭化水素であるものは好ましく、例えば、炭素数3~20の直鎖又は分岐鎖、あるいは環状の炭化水素等が挙げられる。該炭化水素は、置換されていてもよいし、非置換のものであってもよい。該置換基としては、有機化学の分野、無機材料分野、高分子化学の分野等で広く知られた官能基の中から選択されたものであってよく、該置換基は1又はそれ以上が存在していてもよいし、複数の場合互いは同じでも異なっていてもよい。 The organic modifier is not particularly limited as long as it is capable of strongly bonding hydrocarbons to the surface of the fine particles, and applications of nanoparticles include the fields of organic chemistry, inorganic materials, and polymer chemistry. can be selected from organic substances that are widely known in fields where The organic modifier includes, for example, an ether bond, an ester bond, a bond via an N atom, a bond via an S atom, a metal-C- bond, a metal-C= bond and a metal-(C=O) Examples include those that allow the formation of a strong bond such as a - bond. The number of carbon atoms of the hydrocarbon is not particularly limited, and those having 1 or 2 carbon atoms can also be used. Hydrogen is preferred, and examples thereof include straight-chain or branched-chain or cyclic hydrocarbons having 3 to 20 carbon atoms. The hydrocarbon may be substituted or unsubstituted. The substituent may be selected from functional groups widely known in the fields of organic chemistry, inorganic materials, polymer chemistry, etc., and one or more substituents may be present. In the case of plural, they may be the same or different.
有機修飾剤としては、例えば、アルコール類、アルデヒド類、ケトン類、カルボン酸類、エステル類、アミン類、チオール類、アミド類、オキシム類、ホスゲン、エナミン類、アミノ酸類、ペプチド類、糖類等が挙げられる。 Examples of organic modifiers include alcohols, aldehydes, ketones, carboxylic acids, esters, amines, thiols, amides, oximes, phosgene, enamines, amino acids, peptides, sugars, and the like. be done.
代表的な修飾剤としては、例えば、ペンタノール、ペンタナール、ペンタン酸、ペンタンアミド、ペンタンチオール、ヘキサノール、ヘキサナール、ヘキサン酸、ヘキサンアミド、ヘキサンチオール、ヘプタノール、ヘプタナール、ヘプタン酸、ヘプタンアミド、ヘプタンチオール、オクタノール、オクタナール、オクタン酸、オクタンアミド、オクタンチオール、デカノール、デカナール、デカン酸、デカンアミド、デカンチオール等が挙げられる。 Representative modifiers include, for example, pentanol, pentanal, pentanoic acid, pentanamide, pentanethiol, hexanol, hexanal, hexanoic acid, hexaamide, hexanethiol, heptanol, heptanal, heptanoic acid, heptanamide, heptanethiol, octanol, octanal, octanoic acid, octanamide, octanethiol, decanol, decanal, decanoic acid, decanamide, decanthiol and the like.
上記炭化水素基としては,置換されていてもよい直鎖又は分岐鎖のアルキル基、置換されていてもよい環式アルキル基、置換されていてもよいアリール基、置換されていてもよいアラルキル基、置換されていてもよい飽和又は不飽和の複素環式基等が挙げられる。置換基としては、例えば、カルボキシ基、シアノ基,ニトロ基、ハロゲン、エステル基、アミド基、ケトン基、ホルミル基、エーテル基、水酸基、アミノ基、スルホニル基、-O-、-NH-、-S-等が挙げられる。 Examples of the hydrocarbon group include optionally substituted linear or branched alkyl groups, optionally substituted cyclic alkyl groups, optionally substituted aryl groups, and optionally substituted aralkyl groups. , an optionally substituted saturated or unsaturated heterocyclic group, and the like. Examples of substituents include carboxy group, cyano group, nitro group, halogen, ester group, amide group, ketone group, formyl group, ether group, hydroxyl group, amino group, sulfonyl group, -O-, -NH-, - and S-.
色素増感太陽電池(グレッツェルセル)は、可視光を吸収し、そのエネルギーを無機太陽電池に渡すことで、広い波長の光を利用できるシステムである。ここで得られる有機無機分子は、可視光吸収を行うべく設計できる。一般的にグレッツェルセルでは色素を吸着させるが、本手法によれば化学結合が可能であり、さらには電子共役系をとることも可能となるため、より有効な電子移行が可能である。 A dye-sensitized solar cell (Grötzel cell) is a system that can utilize light in a wide range of wavelengths by absorbing visible light and transferring its energy to an inorganic solar cell. The organic-inorganic molecules obtained herein can be designed to absorb visible light. In general, a Grätzel cell adsorbs a dye, but this technique enables chemical bonding and an electron conjugated system, enabling more effective electron transfer.
〔さらなる水熱処理〕
本実施形態に係る方法では、ナノ化工程によって得られた金属酸化物ナノ粒子をさらに超臨界又は亜臨界の反応場で水熱処理することで、高結晶化、低欠陥化を施す工程をさらに含むことが好ましい。また、ナノ化工程によって得られた金属酸化物ナノ粒子を水熱条件下で酸素を共存させることで、低酸素欠陥化させる工程をさらに含むことが好ましい。
[Further hydrothermal treatment]
The method according to the present embodiment further includes a step of subjecting the metal oxide nanoparticles obtained by the nano-forming step to a hydrothermal treatment in a supercritical or subcritical reaction field to increase crystallization and reduce defects. is preferred. Moreover, it is preferable to further include a step of making the metal oxide nanoparticles obtained by the nano-forming step coexist with oxygen under hydrothermal conditions to reduce oxygen defects.
超臨界等に例示される反応場での非平衡合成では、粒子のナノ化、粒子表面の有機修飾及び粒子の露出面制御により、歪が大きくなり、この歪が結晶の電子状態に影響を与え、顕著に大きな光触媒能に繋がることが考え得る。 In non-equilibrium synthesis in a reaction field exemplified by supercriticality, the strain increases due to nanoization of particles, organic modification of the particle surface, and control of the exposed surface of the particles, and this strain affects the electronic state of the crystal. , leading to remarkably large photocatalytic activity.
ナノ結晶光触媒を合成した後、超臨界あるいは亜臨界場での水熱処理を行うことで、結晶成長が生じる。これにより、歪、欠陥を低減し、完全結晶性を高めることが可能となる。中でも、水熱処理において、特に臨界点近傍ではあれば、任意の割合で酸素ガスと均一相を形成する。それを利用した高い酸化効果が得られる。 After synthesizing the nanocrystalline photocatalyst, crystal growth occurs by performing hydrothermal treatment in a supercritical or subcritical field. This makes it possible to reduce distortion and defects and improve perfect crystallinity. Above all, in hydrothermal treatment, it forms a homogeneous phase with oxygen gas at any ratio, especially if it is near the critical point. A high oxidation effect can be obtained by using it.
〔表面が有機修飾された金属酸化物ナノ粒子の回収〕
親水性表面を有する金属酸化物ナノ粒子を炭化水素といった有機基等の疎水性基でその表面を有機修飾することで、水性媒質から回収したりすることが困難な粒子を簡単に且つ確実に有機性の媒質側に移行させて分離・回収することができる。そして、この有機修飾により、結晶の露出面が制御されたナノ粒子を、その形状を変化させることなく回収できる。
[Recovery of metal oxide nanoparticles whose surfaces are organically modified]
By organically modifying the surface of metal oxide nanoparticles having a hydrophilic surface with a hydrophobic group such as an organic group such as a hydrocarbon, particles that are difficult to recover from an aqueous medium can be easily and reliably organically treated. It can be separated and recovered by moving to the side of the organic medium. This organic modification allows the nanoparticles with controlled exposed crystal surfaces to be recovered without changing their shape.
本実施形態に記載の方法は、金属酸化物の表面を有機修飾した後、凍結乾燥または超臨界処理を行ってから、有機修飾された炭素材料を回収することが好ましい。亜臨界水または超臨界水を用いて有機修飾を行った場合には、有機修飾後の炭素材料は疎水化されているため、自動的に水から相分離する。このため、若干の有機溶媒を添加することにより、良好に回収することができる。しかし、有機修飾の際に有機溶媒を使用した場合には、溶媒を乾燥除去する必要があり、その乾燥工程でキャピラリー力が働き、炭素材料が凝集してしまう。そこで、凍結乾燥または超臨界処理を行うことにより、そのキャピラリー力を抑制して凝集を防ぐことができ、有機修飾された炭素材料を高効率で回収することができる。特に、超臨界二酸化炭素乾燥を行うことにより、有機溶媒の完全回収も可能となり、その再利用も可能となる。また、利用されなかった修飾剤との分離も可能となる。 In the method according to the present embodiment, it is preferable to organically modify the surface of the metal oxide, and then freeze-dry or supercritically treat the surface, and then recover the organically modified carbon material. When organic modification is performed using subcritical water or supercritical water, the carbon material after the organic modification is hydrophobized, and therefore phase-separates automatically from water. Therefore, it can be recovered well by adding a small amount of organic solvent. However, when an organic solvent is used in the organic modification, the solvent must be removed by drying, and the drying process causes capillary force to agglomerate the carbon material. Therefore, by performing freeze-drying or supercritical treatment, the capillary force can be suppressed to prevent aggregation, and the organically modified carbon material can be recovered with high efficiency. In particular, by performing supercritical carbon dioxide drying, it is possible to completely recover the organic solvent and reuse it. In addition, it becomes possible to separate modifiers that have not been used.
そして、乾燥後の金属酸化物ナノ粒子をさらにか焼することがより好ましい。ナノサイズ化と露出面制御により歪が大きくなると、酸素空孔を生じやすくなる。これが光触媒の活性種の再結合を生む原因となる。実際、測定してみると三価のセリウムが多く存在する。合成後、酸素雰囲気下で粒子の酸化処理を行い、三価のセリウムを四価のセリウムとする。このように、完全CeO2化する処理を行うことで、よりいっそう優れた光触媒活性を有する光触媒材料を提供できる。 It is more preferable to further calcine the metal oxide nanoparticles after drying. Oxygen vacancies are more likely to occur when strain increases due to nano-sizing and exposed surface control. This causes recombination of active species of the photocatalyst. In fact, when measured, trivalent cerium is abundant. After synthesis, the particles are oxidized in an oxygen atmosphere to convert trivalent cerium to tetravalent cerium. In this way, a photocatalyst material having even better photocatalytic activity can be provided by performing a treatment for complete CeO 2 conversion.
〔平均一次粒子径〕
金属酸化物ナノ粒子の平均一次粒子径の上限は、特に限定されないが、反応物質との暴露表面積(接触可能性)の最大化、また格子歪による酸素空孔易形成性の観点から、1μm以下であることが好ましく、100nm以下であることがより好ましく、50nm以下であることがさらに好ましく、30nm以下であることがよりさらに好ましく、20nm以下であることが特に好ましい。
[Average primary particle size]
The upper limit of the average primary particle size of the metal oxide nanoparticles is not particularly limited, but from the viewpoint of maximizing the exposed surface area (possibility of contact) with the reactant and easy formation of oxygen vacancies due to lattice strain, it is 1 μm or less. is preferably 100 nm or less, more preferably 50 nm or less, even more preferably 30 nm or less, and particularly preferably 20 nm or less.
金属酸化物ナノ粒子の平均一次粒子径の下限も特に限定されない。一般には、ナノ粒子は、圧粉成型によって二次粒子化され、二次粒子を、サイクリックオペレーション用の充填層リアクターで用いられるか、あるいは循環流動層粒子として用いられる。 The lower limit of the average primary particle size of the metal oxide nanoparticles is also not particularly limited. Generally, the nanoparticles are secondaryized by compaction and the secondary particles are used in packed bed reactors for cyclic operation or as circulating fluidized bed particles.
本実施形態において、金属酸化物ナノ粒子の平均一次粒子径は、TEM(透過型電子顕微鏡)により酸素キャリア粒子の画像を撮像し、そのTEM像を画像解析・画像計測ソフトウェアにより解析して求めた値であるものとする。その際、粒子径分布が広い場合には、視野内に入った粒子が全粒子を代表しているか否かに注意を払う必要がある。 In the present embodiment, the average primary particle size of the metal oxide nanoparticles is determined by taking an image of the oxygen carrier particles with a TEM (transmission electron microscope) and analyzing the TEM image using image analysis/image measurement software. shall be a value. At that time, if the particle size distribution is wide, it is necessary to pay attention to whether the particles within the field of view represent all the particles.
〔比表面積〕
金属酸化物ナノ粒子の比表面積は、反応活性の観点から、5m2/g以上かつ1000m2/g以下であってよく、より一般的には10m2/g以上かつ500m2/g以下であってよく、典型的には20m2/g以上かつ400m2/g以下であってよく、好ましくは30m2/g以上かつ300m2/g以下であってよい。
〔Specific surface area〕
From the viewpoint of reaction activity, the specific surface area of the metal oxide nanoparticles may be 5 m 2 /g or more and 1000 m 2 /g or less, more generally 10 m 2 /g or more and 500 m 2 /g or less. typically 20 m 2 /g or more and 400 m 2 /g or less, preferably 30 m 2 /g or more and 300 m 2 /g or less.
〔結晶型〕
金属酸化物ナノ粒子の形状は、光触媒機能発現の最良化の観点から、最も活性な面を露出させることが必要であり、それによって粒子形状が決まる。最活性面は金属酸化物ナノ粒子の種類によって異なるが、熱力学的に最も不安定な面であり、その情報は材料データベース等から容易に入手できる。例えばCeO2の場合の酸素キャリアの形状は、略立方体であり、(100)面を主な露出面とすることが好ましい。
[Crystal form]
From the viewpoint of optimizing the expression of the photocatalytic function, the shape of the metal oxide nanoparticles is required to expose the most active surface, which determines the particle shape. Although the most active surface differs depending on the type of metal oxide nanoparticles, it is the most thermodynamically unstable surface, and information on it can be easily obtained from materials databases and the like. For example, in the case of CeO 2 , the shape of the oxygen carrier is approximately cubic, and the (100) plane is preferably the main exposed surface.
金属酸化物の粒子形態は、準安定形の単結晶性であることが好ましい。中でも、八面体及び/又は六面体の酸化セリウムナノ粒子が好ましい。 The particle morphology of the metal oxide is preferably metastable and monocrystalline. Among them, octahedral and/or hexahedral cerium oxide nanoparticles are preferred.
CeO2のナノ粒子触媒は、八面体又は立方体の形態をとりうる。また、このとき、CeO2のナノ粒子触媒は、(111)面、(110)面及び/又は(100)面を主な露出面として有する。 Nanoparticle catalysts of CeO 2 can take the form of octahedrons or cubes. Also, at this time, the nanoparticle catalyst of CeO 2 has (111) plane, (110) plane and/or (100) plane as the main exposed plane.
ここで、金属酸化物ナノ粒子としては、粒子表面の30%以上に活性面が露出している粒子が好ましい。なお、活性面とは、エネルギー的に最も不安定な面であり、CeO2では(100)面である。それにより、低温での酸素移動が可能となる。 Here, the metal oxide nanoparticles are preferably particles having an active surface exposed to 30% or more of the particle surface. The active plane is the most energetically unstable plane, which is the (100) plane in CeO 2 . This allows oxygen transfer at low temperatures.
CeO2ナノ粒子の表面における(100)面が露出している割合は、30%以上が好ましく、50%以上がより好ましく、70%以上がさらに好ましい。なお、CeO2ナノ粒子の表面における(100)面が露出している割合は、TEMにより測定される。 The proportion of the surface of the CeO 2 nanoparticles where the (100) plane is exposed is preferably 30% or more, more preferably 50% or more, and even more preferably 70% or more. In addition, the ratio of the (100) plane exposed on the surface of the CeO 2 nanoparticles is measured by TEM.
活性を高めるため、CeO2ナノ粒子には、遷移元素がドープされていることが好ましい。CeO2ナノ粒子にドープされる遷移元素としては、Cr、Eu、Co、Y、Ce、Gd、Zr等を例示できる。中でも、Cr、Euが好ましい。 The CeO2 nanoparticles are preferably doped with a transition element to enhance activity. Cr, Eu, Co, Y, Ce, Gd, Zr, etc. can be exemplified as the transition elements doped into the CeO2 nanoparticles. Among them, Cr and Eu are preferable.
CeO2ナノ粒子における遷移元素のドープ量は、CeO2の総質量に対して、0.1mol%以上が好ましく、4mol%以上がより好ましく、10mol%以上がさらに好ましく、15mol%以上がよりさらに好ましく、20mol%以上がいっそう好ましく、25mol%以上が特に好ましい。遷移元素のドープ量は、多ければ多いほどよいが、ドープであるには50mol%までである。 The doping amount of the transition element in the CeO2 nanoparticles is preferably 0.1 mol% or more, more preferably 4 mol% or more, still more preferably 10 mol% or more, and even more preferably 15 mol% or more, relative to the total mass of CeO2. , 20 mol % or more is more preferable, and 25 mol % or more is particularly preferable. The doping amount of the transition element is preferably as large as possible, but the doping amount is up to 50 mol %.
CeO2のナノ構造について、6つの(100)面が低インデックスの結晶面の中でも最も大きな表面エネルギーを有することが明らかにされている。この高い表面エネルギーは、セリウムイオン間の架橋位置になる頂部層の酸素の不安定性に起因するものである。この酸素の不安定性によって、有機物の高い転化率が達成されると考えられる。立方体CeO2の頂部層の酸素が、温度及び圧力に依存して放出される。この酸素種は、反応物に移動し、これを生成物に分解することが可能である。4+価状態のCeは3+価状態のCeへと転化され、不安定になる。Ce3+によってセリア酸素の空位が発生し、この還元されたセリア表面にて形成された空位が水分子との反応を引き起こし、酸素と結合して4+価状態のCeになる。これにより、光触媒機能を継続的に発現できる。
For CeO2 nanostructures, the six (100) planes have been shown to have the highest surface energy among the low-index crystallographic planes. This high surface energy is due to the lability of oxygen in the top layer, which acts as a bridging site between the cerium ions. It is believed that this oxygen lability contributes to the high conversion of organics. Oxygen in the top layer of cubic CeO 2 is released in a temperature and pressure dependent manner. This oxygen species can be transferred to the reactants and decompose them into products. The 4+ valence state of Ce is converted to the 3+ valence state of Ce and becomes unstable. Ceria oxygen vacancies are generated by
〔格子ひずみ〕
ナノサイズ化と露出面制御により歪が大きくなると、酸素空孔を生じやすくなる。そのため、格子ひずみは小さい方が好ましく、Hall法で解析される格子ひずみは、0.5%以下であることが好ましく、0.2%以下であることがより好ましく、0.1%以下であることがさらに好ましい。
[Lattice strain]
Oxygen vacancies are more likely to occur when strain increases due to nano-sizing and exposed surface control. Therefore, the lattice strain is preferably small, and the lattice strain analyzed by the Hall method is preferably 0.5% or less, more preferably 0.2% or less, and 0.1% or less. is more preferred.
〔メソポーラス材料〕
金属酸化物ナノ粒子は、通常光の透過が問題となるメソポーラス材料担持となっても、光触媒機能を発現できることがわかる。
[Mesoporous materials]
It can be seen that the metal oxide nanoparticles can exhibit a photocatalytic function even when supported by a mesoporous material, which normally poses a problem of light transmission.
[メソポーラス材料の製造方法]
例えば、メソポーラス材料としてメソポーラスCeO2を得る場合、図3に示すように、メソポーラスCeO2は3つのステップでナノキャストされる。まず、セリウムを含む前駆体溶液を直径約7nmのSBA-15メソ孔に浸潤させる(図3における「Ce-precursor-SBA-15」)。続いて、Ce-precursor-SBA-15を空気中450℃で焼成し、Ce前駆体を分解してCeO2を生成させる(図3における「CeO2-SBA-15」)。そして、CeO2-SBA-15中のシリカをNaOH水溶液(pH12)に溶解させ、メソポーラスCeO2構造を残存させる(図3における「Mesoporous CeO2」)。
[Method for producing mesoporous material]
For example, when obtaining mesoporous CeO2 as the mesoporous material, mesoporous CeO2 is nanocast in three steps, as shown in Fig. 3. First, a precursor solution containing cerium is infiltrated into SBA-15 mesopores with a diameter of about 7 nm (“Ce-precursor-SBA-15” in FIG. 3). Subsequently, the Ce-precursor-SBA-15 is calcined in air at 450° C. to decompose the Ce precursor to produce CeO 2 (“CeO 2 -SBA-15” in FIG. 3). Then, the silica in CeO 2 -SBA-15 is dissolved in an aqueous NaOH solution (pH 12) to leave the mesoporous CeO 2 structure (“Mesoporous CeO 2 ” in FIG. 3).
<光触媒材料の使用例>
特に限定されるものではないが、本実施形態に記載の光触媒材料は、大気浄化、脱臭、浄水、抗菌及び防汚等の用途に活用できる。
<Example of use of photocatalyst material>
Although not particularly limited, the photocatalyst material described in this embodiment can be used for air purification, deodorization, water purification, antibacterial and antifouling applications.
〔大気浄化〕
自動車の排ガス等から排出される窒素酸化物(NOx)や硫黄酸化物(SOx)等の環境汚染物質によって空気が汚されている。本実施形態に記載の光触媒材料を、建物外壁、道路遮音壁、及び工場排気設備等に用いることで大気を浄化し得る。
[Air purification]
Air is polluted by environmental pollutants such as nitrogen oxides (NOx) and sulfur oxides (SOx) emitted from automobile exhaust gas. The atmosphere can be purified by using the photocatalyst material described in this embodiment for building outer walls, road noise barriers, factory exhaust equipment, and the like.
〔消臭〕
本実施形態に記載の光触媒材料を、空気清浄機、介護用品、壁紙、及びカーテン等に用いることで、アンモニア、アセトアルデヒド(タバコ臭)、硫化水素(腐卵臭)、メチルメルカプタン(にんにく臭)等を除去し得る。
〔deodorize〕
By using the photocatalyst material according to the present embodiment in air cleaners, nursing care products, wallpaper, curtains, etc., ammonia, acetaldehyde (cigarette odor), hydrogen sulfide (rotten egg odor), methyl mercaptan (garlic odor), etc. can be removed.
〔浄水〕
本実施形態に記載の光触媒材料を、浄水器、及び排水処理等に用いることで、水に含まれるテトラクロロエチレンやトリハロメタン等の有機塩素化合物を分解除去し得る。
[Purified water]
By using the photocatalyst material according to the present embodiment for water purifiers, wastewater treatment, and the like, it is possible to decompose and remove organic chlorine compounds such as tetrachlorethylene and trihalomethane contained in water.
〔抗菌〕
本実施形態に記載の光触媒材料を、タイル、トイレ、及び台所用品等に用いることで、これらの表面にある細菌を殺し、その死骸を分解し得る。
〔antibacterial〕
The photocatalyst materials described in this embodiment can be used in tiles, toilets, kitchen utensils and the like to kill bacteria on these surfaces and decompose their dead bodies.
〔防汚〕
本実施形態に記載の光触媒材料を、建物外壁、ランプカバー、及び窓ガラス等に用いることで、これらの表面についた油分を分解することによってこれらが汚れるのを防止できる。
[Anti-fouling]
By using the photocatalyst material according to the present embodiment for the outer walls of buildings, lamp covers, window glass, and the like, it is possible to prevent these from becoming soiled by decomposing the oil on their surfaces.
〔合成例:CeO2ナノ粒子の合成〕
以下、代表的な金属酸化物触媒であるCeO2のナノ粒子の合成について、説明する。
[Synthesis Example: Synthesis of CeO2 nanoparticles]
The synthesis of nanoparticles of CeO 2 , which is a representative metal oxide catalyst, is described below.
八面体CeO2のナノ粒子は、公知の方法で合成されうる。 Octahedral CeO 2 nanoparticles can be synthesized by known methods.
立方体CeO2のナノ粒子は、(1)トルエン中にて原料溶液を調製すること、(2)有機改質剤及び必要に応じて遷移元素を使用し、超臨界水条件下で立方体CeO2ナノ粒子を合成すること、及び(3)立方体CeO2の形態を変化させずに有機改質剤を除去することを含む方法によって合成される。 Cubic CeO2 nanoparticles were prepared by (1) preparing a raw material solution in toluene, ( 2 ) using organic modifiers and, if necessary, transition elements, to produce cubic CeO2 nanoparticles under supercritical water conditions. and ( 3 ) removing the organic modifier without changing the morphology of the cubic CeO2.
具体的には、立方体CeO2のナノ粒子の調製は、以下のように行うことができる。これは非限定的な例である。 Specifically, the preparation of nanoparticles of cubic CeO 2 can be carried out as follows. This is a non-limiting example.
トルエン中に、有機改質剤であるヘキサン酸と、ドーピング剤である遷移元素と、Ce(OH)4とを溶解させることにより、立方体酸化セリウムのナノ粒子前駆体溶液を調製する。その後、前駆体溶液を、清澄な溶液を得るために連続的に攪拌しつつ混合する。前駆体溶液を、脱イオン水と混合し、炉の使用により600~700Kに急速に加熱する。次いで、その混合物を冷却する。立方体酸化セリウムのナノ粒子が、水、トルエン及び未反応の原料の混合物中の分散物として得られる。トルエン相中のナノ粒子に、エタノールを加え、遠心分離と傾瀉により精製し、それによって未反応の有機分子を除去する。この粒子をシクロヘキサンの中で分散させた後、真空下で冷凍乾燥する。粒子の表面からいかなる有機配位子も取り除くために、収集したナノ粒子を、空気中で数時間にわたり、300℃程度の高温でか焼する。か焼されたナノ粒子を、遠心分離と傾瀉によって清浄化し、次いで減圧乾燥し、それによって立方体CeO2のナノ粒子を得ることができる。 A cubic cerium oxide nanoparticle precursor solution is prepared by dissolving an organic modifier, hexanoic acid, a doping agent, a transition element, and Ce(OH) 4 in toluene. The precursor solution is then mixed with continuous stirring to obtain a clear solution. The precursor solution is mixed with deionized water and rapidly heated to 600-700K using a furnace. The mixture is then cooled. Cubic cerium oxide nanoparticles are obtained as a dispersion in a mixture of water, toluene and unreacted raw materials. The nanoparticles in the toluene phase are added with ethanol and purified by centrifugation and decantation, thereby removing unreacted organic molecules. The particles are dispersed in cyclohexane and freeze-dried under vacuum. The collected nanoparticles are calcined in air at temperatures as high as 300° C. for several hours in order to remove any organic ligands from the surface of the particles. The calcined nanoparticles can be cleaned by centrifugation and decantation, and then dried under reduced pressure, thereby obtaining cubic CeO 2 nanoparticles.
以下、本実施形態での試験例により本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。 The present invention will be specifically described below with reference to test examples of the present embodiment, but the present invention is not limited to these.
<試験例1> 面制御その1:有機修飾の有無による比較
〔試験例1-1〕表面が有機修飾された立方体酸化セリウム
[酸化セリウムの合成]
酸化セリウムのナノ粒子を、以下の方法により合成した。
この方法は、簡潔には3工程として述べられる:
(i)トルエン中にて前駆体(原料)溶液を調製する工程、
(ii)有機改質剤及び必要に応じて遷移元素を使用して超臨界水条件下、立方体CeO2ナノ粒子を合成する工程、及び
(iii)立方体CeO2の形態を変化させずに有機改質剤を除去する工程。
<Test Example 1> Surface Control Part 1: Comparison with and without Organic Modification [Test Example 1-1] Cubic Cerium Oxide with Surface Organically Modified [Synthesis of Cerium Oxide]
Cerium oxide nanoparticles were synthesized by the following method.
This method is briefly described as three steps:
(i) preparing a precursor (raw material) solution in toluene;
( ii ) synthesizing cubic CeO2 nanoparticles under supercritical water conditions using organic modifiers and optionally transition elements, and ( iii) organic modification without changing the morphology of cubic CeO2 The step of removing the pesticide.
(i)トルエン中にて前駆体(原料)溶液を調製
トルエン(99.5%、和光ケミカルズ)中に、有機改質剤としてヘキサン酸(99%、和光ケミカルズ)、及びCe(OH)4(アルドリッチ・ケミカルズ)を溶解させることにより、前駆体溶液を調製した。前駆体溶液に含まれるヘキサン酸の濃度は0.30mol/Lであり、Ce(OH)4の濃度は0.050mol/Lである。この前駆体を、清澄な溶液を得るために40分間、連続的に攪拌させつつ混合した。
(i) Precursor (raw material) solution prepared in toluene In toluene (99.5%, Wako Chemicals), hexanoic acid (99%, Wako Chemicals) as an organic modifier, and Ce(OH) 4 ( Aldrich Chemicals) was prepared by dissolving the precursor solution. The concentration of hexanoic acid contained in the precursor solution is 0.30 mol/L, and the concentration of Ce(OH) 4 is 0.050 mol/L. The precursors were mixed with continuous stirring for 40 minutes to obtain a clear solution.
(ii)CeO2ナノ粒子の合成
前駆体溶液を、7.0mL/分の流量で高圧ポンプ(日本精密科学、NP-KX540)を使用して供給した。同時に、脱イオン水を、3.0mL/分の流量で別のポンプを使用して供給した。前駆体溶液を、ジャンクションで脱イオン水と混合し、炉の使用により653Kに急速に加熱した。加熱帯での滞留時間は、およそ95秒であったが、これは、反応器容積、全流量、混合点での水及びトルエン混合物の密度、並びに反応温度及び圧力から見積もられた。次いで、その混合物を、ウォーター・ジャケットを使用して冷却した。背圧調整装置(TESCOM、26-1700シリーズ)によって、システムの圧力を30MPaに維持した。酸化セリウムのナノ粒子は、水、トルエン及び未反応の原料の混合物中の分散物として得られた。
(ii) Synthesis of CeO 2 nanoparticles The precursor solution was supplied using a high-pressure pump (Nippon Seimitsu Kagaku, NP-KX540) at a flow rate of 7.0 mL/min. At the same time, deionized water was supplied using another pump at a flow rate of 3.0 mL/min. The precursor solution was mixed with deionized water at the junction and rapidly heated to 653 K using a furnace. The residence time in the heating zone was approximately 95 seconds and was estimated from the reactor volume, total flow rate, density of the water and toluene mixture at the mixing point, and reaction temperature and pressure. The mixture was then cooled using a water jacket. The system pressure was maintained at 30 MPa by a back pressure regulator (TESCOM, 26-1700 series). Cerium oxide nanoparticles were obtained as a dispersion in a mixture of water, toluene and unreacted raw materials.
(iii)有機改質剤の除去
サンプルを、水とトルエンの相とが分離するように一晩放置した。次いで、トルエン相中にエタノールを加え、その混合物を遠心分離と傾瀉の3サイクルにかけて精製し、未反応の有機分子を除去した。この粒子をシクロヘキサン中に分散させ、8時間、真空下で冷凍乾燥した。
(iii) Removal of Organic Modifiers Samples were left overnight to separate the water and toluene phases. Ethanol was then added into the toluene phase and the mixture was purified by three cycles of centrifugation and decantation to remove unreacted organic molecules. The particles were dispersed in cyclohexane and freeze dried under vacuum for 8 hours.
〔試験例1-2〕表面が有機修飾されていない酸化セリウム
有機改質剤を加えないで前駆体(原料)溶液を調製したこと以外は、試験例1-1と同じ手法にてCeO2ナノ粒子を合成した。
[Test Example 1-2] CeO 2 nanoparticles whose surface is not organically modified In the same manner as in Test Example 1-1, except that a precursor (raw material) solution was prepared without adding an organic modifier. Particles were synthesized.
〔評価〕
[ナノ粒子の形態及びサイズ]
ナノ粒子の形態及びサイズは、100kVの加速電圧で透過電子顕微鏡(TEM、日立H7650)により観察した。ナノ粒子の表面上の化学結合及び官能基を調査するため、JASCO FT/IR-680分光計を使用してフーリエ変換赤外分光(FTIR)スペクトルを得た。透過IRスペクトルを、400から4000cm-1で収集した。粒子の結晶度及び純度を、2θ-θセットアップにてCu Kα放射線によるX線回折(XRD、Rigaku Ultima IV)を使用して同定した。2θ角度を、20°と70°の間で走査した。
〔evaluation〕
[Nanoparticle form and size]
The morphology and size of the nanoparticles were observed by a transmission electron microscope (TEM, Hitachi H7650) at an accelerating voltage of 100 kV. Fourier transform infrared (FTIR) spectra were obtained using a JASCO FT/IR-680 spectrometer to investigate the chemical bonds and functional groups on the surface of the nanoparticles. Transmission IR spectra were collected from 400 to 4000 cm −1 . Crystallinity and purity of the particles were identified using X-ray diffraction with Cu Kα radiation (XRD, Rigaku Ultima IV) in a 2θ-θ setup. The 2θ angle was scanned between 20° and 70°.
そして、ナノ粒子のXRDパターンを、International Center for Diffraction Data(00-034-0394)から得られるJoint Committee on Powder Diffraction Standardsの(JCPDS)のカードと比べることによって、得られたナノ粒子が、CeO2結晶構造を有することが分かった。また、シェレル(Scherrer)の式によって評価された結晶のサイズは、試験例1-1の手法によって得られたサイズがおよそ8nmであり、試験例1-2の手法によって得られたサイズがおよそ50nmであった。 Then, by comparing the XRD pattern of the nanoparticles with the card of the Joint Committee on Powder Diffraction Standards (JCPDS) obtained from the International Center for Diffraction Data (00-034-0394), the nanoparticles obtained are CeO 2 It was found to have a crystalline structure. In addition, the size of the crystals evaluated by the Scherrer's formula is about 8 nm for the size obtained by the method of Test Example 1-1, and about 50 nm for the size obtained by the method of Test Example 1-2. Met.
また、TEMを使用して分析した結果から、試験例1-1の手法によって得られたナノ粒子は、6つの{100}面によって囲まれた立方体の粒子であり、試験例1-2の手法によって得られたナノ粒子は、8つの{111}面によって囲まれた八面体の粒子であることが確認された。八面体から立方体への粒子形状の発展は、ヘキサン酸配位子分子と、先端が切り取られた形の八面体の{001}面との優先的な相互作用によるものであり、それによって、{001}方向における結晶の成長速度が大幅に減少し、{111}方向の結晶成長が優勢になり、終局的にはナノ立方体の形成につながったと考えられる。 Further, from the results of analysis using TEM, the nanoparticles obtained by the method of Test Example 1-1 are cubic particles surrounded by six {100} planes, and the method of Test Example 1-2 was confirmed to be an octahedral particle surrounded by eight {111} faces. The evolution of the grain shape from octahedral to cubic is due to the preferential interaction of the hexanoic acid ligand molecule with the {001} faces of the truncated octahedron, thereby resulting in { It is believed that the growth rate of crystals in the 001} direction decreased significantly and crystal growth in the {111} direction became dominant, ultimately leading to the formation of nanocubes.
立方体CeO2ナノ粒子の両面に化学結合した有機分子の存在を証するため、FTIRスペクトルを得た。図4に示すように、表面改質ナノ粒子において、2900-2970cm-1の領域に伸縮ピークが現われた。これらのピークは、ヘキサン酸中のメチル基及びメチレン基のC-H伸縮モードに割り当てられ、その正味の改質剤のFTIRスペクトルに存在するものであり、ナノ粒子の表面上の有機分子の存在を示している。ヘキサン酸で改質されたナノ粒子のスペクトルでは、1531及び1444cm-1の2つの主要なピークが、それぞれ、カルボキシレート基の非対称及び対称モードにそれぞれ割り当てられた。これは、そのカルボキシレート基によって酸化セリウムのナノ粒子の表面にヘキサン酸が化学的に結合していることを示す。 FTIR spectra were obtained to prove the presence of organic molecules chemically bonded to both sides of the cubic CeO2 nanoparticles. As shown in FIG. 4, a stretching peak appeared in the region of 2900-2970 cm −1 in the surface-modified nanoparticles. These peaks are assigned to the C—H stretching modes of the methyl and methylene groups in hexanoic acid and are present in the FTIR spectrum of the net modifier and the presence of organic molecules on the surface of the nanoparticles. is shown. In the spectrum of the hexanoic acid-modified nanoparticles, two major peaks at 1531 and 1444 cm −1 were assigned to the asymmetric and symmetric modes of the carboxylate groups, respectively. This indicates that hexanoic acid is chemically bound to the surface of the cerium oxide nanoparticles through its carboxylate groups.
[光触媒活性]
アゾ染料AO7:0.0002mol/L,3mLに実施例1又は比較例1のナノ粒子0.01gを加え、波長365nmのUVを所定時間照射した。所定時間経過後、遠心分離10000rpm,15minによりナノ粒子を分離し、AO7残存濃度をUV-visスペクトルの484nmの強度により測定した。照射時間0hは、吸着の影響を調べるため、触媒添加した後、UV光を照射せずにすぐに遠心分離し、測定を行った。結果を図5に示す。
[Photocatalytic activity]
Azo dye AO7: 0.0002 mol/L, 0.01 g of the nanoparticles of Example 1 or Comparative Example 1 was added to 3 mL, and irradiated with UV at a wavelength of 365 nm for a predetermined time. After a predetermined period of time, the nanoparticles were separated by centrifugation at 10,000 rpm for 15 minutes, and the residual AO7 concentration was measured by UV-vis spectrum intensity at 484 nm. For the irradiation time of 0 h, measurement was performed by immediately centrifuging without UV light irradiation after addition of the catalyst in order to examine the effect of adsorption. The results are shown in FIG.
図5に示す通り、表面が有機修飾された光触媒ナノ粒子(試験例1-1)は、表面が有機修飾されていない場合(試験例1-2)に比べて高い光触媒活性を有することが確認された。 As shown in FIG. 5, it was confirmed that the photocatalyst nanoparticles whose surfaces were organically modified (Test Example 1-1) had higher photocatalytic activity than those whose surfaces were not organically modified (Test Example 1-2). was done.
<試験例2> 面制御その2:ナノ化後のさらなる水熱処理の有無による比較
「(ii)CeO2ナノ粒子の合成」の後、さらに水熱処理した後で「(iii)有機改質剤の除去」を行ったサンプル(試験例2)と、試験例1-1のサンプルとの間で光触媒活性を測定した。結果を図6に示す。
<Test Example 2> Surface control 2: Comparison with and without further hydrothermal treatment after nanoization The photocatalytic activity was measured between the sample (Test Example 2) subjected to "removal" and the sample of Test Example 1-1. The results are shown in FIG.
図6に示す通り、「(ii)CeO2ナノ粒子の合成」の後、さらに水熱処理した光触媒ナノ粒子(試験例2)は、追加の水熱処理を行っていない場合(試験例1-1)に比べて高い光触媒活性を有することが確認された。 As shown in FIG. 6, after “( ii ) Synthesis of CeO nanoparticles”, the photocatalyst nanoparticles that were further hydrothermally treated (Test Example 2) were not subjected to additional hydrothermal treatment (Test Example 1-1). It was confirmed to have a high photocatalytic activity compared to.
超臨界等に例示される反応場での非平衡合成では、粒子のナノ化、粒子表面の有機修飾及び粒子の露出面制御により、歪が大きくなり、この歪が結晶の電子状態に影響を与え、顕著に大きな光触媒能に繋がることが考え得る。 In non-equilibrium synthesis in a reaction field exemplified by supercriticality, the strain increases due to nanoization of particles, organic modification of the particle surface, and control of the exposed surface of the particles, and this strain affects the electronic state of the crystal. , leading to remarkably large photocatalytic activity.
ナノ結晶光触媒を合成した後、超臨界あるいは亜臨界場での水熱処理を行うことで、結晶成長が生じる。これにより、歪、欠陥を低減し、完全結晶性を高めることが可能となる。実際に、XRDデータの解析からHall法での格子ひずみを求めたところ、試験例2のナノ粒子では0.1%未満であり、試験例1-1のナノ粒子では約0.2%であった。 After synthesizing the nanocrystalline photocatalyst, crystal growth occurs by performing hydrothermal treatment in a supercritical or subcritical field. This makes it possible to reduce distortion and defects and improve perfect crystallinity. Actually, when the lattice strain by the Hall method was obtained from the XRD data analysis, it was less than 0.1% for the nanoparticles of Test Example 2 and about 0.2% for the nanoparticles of Test Example 1-1. rice field.
したがって、さらなる水熱処理を施すことで歪、欠陥を低減でき、その結果、より顕著な光触媒活性を示したものと考えられる。 Therefore, it is considered that further hydrothermal treatment could reduce distortion and defects, resulting in more remarkable photocatalytic activity.
<試験例3> ドーピングの有無による比較
〔試験例3-1〕クロムドープ酸化セリウム(Cr-CeO2)
クロムドープ酸化セリウム(Cr-CeO2)は、報告されている流通式超臨界水熱合成法により合成した。Cr-CeO2の合成にあたっては、図7に示す装置30を用いた。
<Test Example 3> Comparison with and without doping [Test Example 3-1] Chromium-doped cerium oxide (Cr—CeO 2 )
Chromium-doped cerium oxide (Cr—CeO 2 ) was synthesized by a reported flow-through supercritical hydrothermal synthesis method. In synthesizing Cr--CeO 2 , an
装置30は、原料供給部31と、超臨界水供給部32と、原料及び超臨界水を混合する混合部33と、原料及び超臨界水の混合液を冷却し、容器に収容する冷却部34とを備える。
The
原料供給部31は、原料が収容される原料収容容器31Aと、原料収容容器31Aに収容された原料を混合部33に向かって汲み上げるポンプ31Bとを有する。原料収容容器31Aとポンプ31Bとの間、ポンプ31Bと混合部33との間は、それぞれ配管で接続されている。
The raw
原料収容容器31Aには、0.010mol/lのCe(OH)4/Cr(OH)3(Ce:Cr=9:1(モル比))を含有する水溶液が収容されている。また、ナノ粒子の表面を修飾し、それらの異方性成長を誘導するため、原料収容容器31Aには、0.13gのデカン酸も収容されている。
The raw
超臨界水供給部32は、水が収容される水収容容器32Aと、水収容容器32Aに収容された水を混合部33に向かって汲み上げるポンプ32Bと、ポンプ32Bと混合部33との間に設けられ、水を超臨界状態にする加熱部32Cとを有する。水収容容器32Aとポンプ32Bとの間、ポンプ32Bと加熱部32Cとの間、加熱部32Cと混合部33との間は、それぞれ配管で接続されている。
The supercritical
本試験例では、水を超臨界状態にし、その後、超臨界水を混合部33に供給するため、原料と水との混合物を徐々に加熱して最終的に超臨界状態にするのではなく、原料に超臨界水を直接接触させることで、極めて短時間、混合の速度で原料を超臨界状態にまで昇温させることで、昇温中の粒子生成、成長を抑制し、超臨界場での高い過飽和度でナノ粒子を合成することができる。
In this test example, in order to bring water into a supercritical state and then supply the supercritical water to the mixing
混合部33では、温度及び圧力を制御可能である。
The temperature and pressure can be controlled in the
本試験例では、超臨界水供給部32にて予め加熱した超臨界水を、原料収容容器31Aに設けられた配管とは別の別配管から混合部33に供給し、原料と超臨界水とを急速混合させることで、原料を超臨界状態にまで昇温した。原料には有機分子であるデカン酸が含まれているにも関わらず、超臨界状態では有機分子も無機水溶液も均一相を形成し、そこで粒子合成が生じる。混合部33における反応管出口では、冷却部34に設けられた外部水冷装置34Aにより急速冷却し、圧力はその後背圧弁(図示せず)により制御した。混合部33での反応温度は400℃、反応圧力は30MPa、反応時間は2秒以下であった。水熱反応後、反応後液が収容された容器34Bを水浴中室温で冷却した。5mlのヘキサンを用い、デカン酸変性生成物からナノ粒子(ヘキサン相)を抽出した。そして、ヘキサン相に、貧溶媒試薬として10mlのエタノールを添加し、ヘキサン相から沈殿物を沈殿させた。そして、遠心分離を行い、立方晶CrドープCeO2ナノ粒子を得た。
In this test example, supercritical water preheated in the supercritical
この非平衡系の合成法により、通常の低速昇温でのオートクレーブによる平衡系合成では数mol%しかドープできないCrを、数10mol%まで増大させることができた。 By this non-equilibrium system synthesis method, it was possible to increase Cr, which can be doped only by several mol % in equilibrium system synthesis using an autoclave at a slow temperature rise, to several tens of mol %.
〔試験例3-2〕ユーロピウムドープ酸化セリウム(Eu-CeO2)
ドーピング剤を構成する遷移元素をEuにしたこと以外は、試験例3-1と同様の手法にてユーロピウムドープ酸化セリウム(Eu-CeO2)を得た。
[Test Example 3-2] Europium-doped cerium oxide (Eu—CeO 2 )
Europium-doped cerium oxide (Eu—CeO 2 ) was obtained in the same manner as in Test Example 3-1, except that Eu was used as the transition element constituting the doping agent.
〔評価〕
これら試験例3-1及び3-2に係るナノ粒子について、試験例1と同じ手法にて光触媒活性を測定した。また、対照として、試験例1-2で得た、ドーピング剤を用いていないCeO2ナノ粒子についても光触媒活性を測定した。結果を図8に示す。
〔evaluation〕
The photocatalytic activity of the nanoparticles according to Test Examples 3-1 and 3-2 was measured in the same manner as in Test Example 1. In addition, as a control, the photocatalytic activity of the CeO 2 nanoparticles obtained in Test Example 1-2 without using a doping agent was also measured. The results are shown in FIG.
図8に示す通り、遷移元素によってドーピングされた光触媒ナノ粒子(試験例3-1及び3-2)は、ドーピングされていない場合(試験例1-2)に比べて高い光触媒活性を有することが確認された。 As shown in FIG. 8, the photocatalytic nanoparticles doped with transition elements (Test Examples 3-1 and 3-2) can have higher photocatalytic activity than those without doping (Test Examples 1-2). confirmed.
<試験例4> か焼の有無による比較
試験例1-2と同様の手法によってCeO2ナノ粒子を合成して凍結乾燥した後、さらにか焼した場合(試験例4-1)と、か焼しなかった場合(試験例4-2)とによって光触媒活性を比較した。か焼では、収集したナノ粒子を、空気中にて400℃で2時間か焼した。か焼されたナノ粒子を、エタノール中で数回清浄化し、そしていかなる未反応の分子をも、遠心分離と傾瀉によって除去した。最後に、粒子を6時間減圧乾燥し、その後に、か焼されたナノ粒子について光触媒活性を測定した。結果を図9に示す。
<Test Example 4> Comparison with and without calcination CeO 2 nanoparticles were synthesized by the same method as in Test Example 1-2, freeze-dried, and then calcined (Test Example 4-1). The photocatalytic activity was compared with the case without (Test Example 4-2). For calcination, the collected nanoparticles were calcined at 400° C. for 2 hours in air. The calcined nanoparticles were cleaned several times in ethanol and any unreacted molecules were removed by centrifugation and decantation. Finally, the particles were vacuum dried for 6 hours, after which the photocatalytic activity was measured for the calcined nanoparticles. The results are shown in FIG.
図9に示す通り、凍結乾燥後後、さらにか焼した光触媒ナノ粒子(試験例4)は、か焼しなかった光触媒ナノ粒子(試験例1-2)に比べて高い光触媒活性を有することが確認された。 As shown in FIG. 9, the photocatalyst nanoparticles that were calcined after freeze-drying (Test Example 4) had higher photocatalytic activity than the photocatalyst nanoparticles that were not calcined (Test Example 1-2). confirmed.
ナノサイズ化と露出面制御により歪が大きくなると、酸素空孔を生じやすくなる。これが光触媒の活性種の再結合を生む原因となる。実際、測定してみると三価のセリウムが多く存在する。合成後、酸素雰囲気下で粒子の酸化処理を行い、三価のセリウムを四価のセリウムとする。このように、完全CeO2化する処理を行うことで、よりいっそう優れた光触媒活性を有する光触媒材料を提供できる。 Oxygen vacancies are more likely to occur when strain increases due to nano-sizing and exposed surface control. This causes recombination of active species of the photocatalyst. In fact, when measured, trivalent cerium is abundant. After synthesis, the particles are oxidized in an oxygen atmosphere to convert trivalent cerium to tetravalent cerium. In this way, a photocatalyst material having even better photocatalytic activity can be provided by performing a treatment for complete CeO 2 conversion.
<試験例5> 表面の酸化状態に着目した検討
〔SBA-15メソポーラスシリカの合成〕
構造指向剤(structure directing agent)としてのプルロニック(登録商標)P123(トリブロックポリ(エチレンオキシド)-bポリ(プロピレンオキシド)-b-ポリ(エチレンオキシド)コポリマー,平均分子量5800,Sigma-Aldrich社製)5.14gを144mLの水に溶解し、37%HCl水溶液30.96gと混合した。この溶液に、シリカ前駆体としてのテトラエチルオルソシリケート(TEOS,Sigma-Aldrich社製)11.12gをゆっくりと添加した後、40℃で20時間、攪拌しながらエイジングさせた。この溶液をオートクレーブに移し、100℃で24時間加熱した。冷却後、白色固体生成物を濾過により集め、60℃の空気中で乾燥させた。乾燥した試料を、空気中550℃で5時間焼成した。焼成中にプルロニックP123を除去し、SBA-15メソポーラスシリカを得た。
<Test Example 5> Study focusing on surface oxidation state [Synthesis of SBA-15 mesoporous silica]
Pluronic® P123 (triblock poly(ethylene oxide)-bpoly(propylene oxide)-b-poly(ethylene oxide) copolymer, average molecular weight 5800, Sigma-Aldrich) as structure directing agent5 .14 g was dissolved in 144 mL of water and mixed with 30.96 g of 37% HCl aqueous solution. After slowly adding 11.12 g of tetraethyl orthosilicate (TEOS, manufactured by Sigma-Aldrich) as a silica precursor to this solution, the solution was aged with stirring at 40° C. for 20 hours. This solution was transferred to an autoclave and heated at 100° C. for 24 hours. After cooling, the white solid product was collected by filtration and dried in air at 60°C. The dried samples were calcined in air at 550°C for 5 hours. Pluronic P123 was removed during calcination to yield SBA-15 mesoporous silica.
〔ナノキャスティングによるCeO2の合成〕
上記のように調製したSBA-15メソポーラスシリカを固体テンプレートとして、所望のメソポーラスCeO2の合成を行った。0.50gのSBA-15メソポーラスシリカを5.0mLのエタノール(富士フイルム和光純薬社製)に分散させた。これを室温で60分間攪拌した。次に、セリウム源として、硝酸アンモニウムセリウム(Ce(NH4)2(NO3)6,関東化学社製)0.50gを分散液に溶解させた。50℃で攪拌してエタノールを除去した。乾燥した試料を空気中450℃で5時間焼成した。その後、SBA-15テンプレートを2.0MのNaOH水溶液(富士フイルム和光純薬社製)に溶解し、水で繰り返し洗浄した後、60℃で乾燥させて生成物(メソポーラスCeO2)を得た。
[Synthesis of CeO2 by nanocasting ]
Synthesis of the desired mesoporous CeO 2 was carried out using the SBA-15 mesoporous silica prepared as described above as a solid template. 0.50 g of SBA-15 mesoporous silica was dispersed in 5.0 mL of ethanol (manufactured by Fuji Film Wako Pure Chemical Industries, Ltd.). This was stirred at room temperature for 60 minutes. Next, as a cerium source, 0.50 g of ammonium cerium nitrate (Ce(NH 4 ) 2 (NO 3 ) 6 , manufactured by Kanto Kagaku Co., Ltd.) was dissolved in the dispersion. Ethanol was removed by stirring at 50°C. The dried samples were calcined in air at 450°C for 5 hours. After that, the SBA-15 template was dissolved in a 2.0 M NaOH aqueous solution (manufactured by Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), washed repeatedly with water, and dried at 60° C. to obtain a product (mesoporous CeO 2 ).
〔評価〕
[顕微鏡画像]
ナノキャストされたメソポーラスCeO2について、透過電子顕微鏡(TEM:Transmission Electron Microscope)による画像、及び走査電子顕微鏡(SEM:Scanning Electron Microscope)による画像を撮影した。TEMは、日立製作所社製H-7650を使用した。SEMは、日本電子社製JSM-7800FPrimeを使用した。結果を図10A及び図10Bに示す。
〔evaluation〕
[Microscope image]
Transmission Electron Microscope (TEM) and Scanning Electron Microscope (SEM) images were taken of the nanocast mesoporous CeO 2 . As the TEM, H-7650 manufactured by Hitachi, Ltd. was used. As the SEM, JSM-7800F Prime manufactured by JEOL Ltd. was used. Results are shown in FIGS. 10A and 10B.
図10A及び図10Bは、ナノキャストされたメソポーラスCeO2のTEMおよびSEM画像である。どちらの画像からも、メソポーラスCeO2はナノワイヤー状構造の集合体であることが分かる。これは、SBA-15の六方配列の細孔のレプリカであることを示唆しているが、集合体は元のSBA-15のそれよりも小さかった。すべての集合体は、互いに孤立した高アスペクト比の形態を示し、その平均長軸長は約250nmであった。また、これらの集合体は平均粒径約7nmのCeO2ナノ粒子で構成されている。 Figures 10A and 10B are TEM and SEM images of nanocast mesoporous CeO2. Both images reveal that the mesoporous CeO2 is an assembly of nanowire-like structures. This suggests that it is a replica of the hexagonal pores of SBA-15, but the aggregates were smaller than those of the original SBA-15. All aggregates exhibited mutually isolated high-aspect-ratio morphologies with an average major axis length of about 250 nm. These aggregates are also composed of CeO2 nanoparticles with an average particle size of about 7 nm.
図10Cは、メソポーラスCeO2中のCeO2ナノ粒子をHR-TEMで観察したときの原子像である。HR-TEM像では、{100}、{111}、{110}格子縞がそれぞれ0.28、0.32、0.20nmの面間スペースで鮮明に現れ、CeO2ナノ結晶が広い面積の{100}面を露出することが示唆されている。 FIG. 10C is an atomic image of CeO 2 nanoparticles in mesoporous CeO 2 observed by HR-TEM. In the HR-TEM image, the {100}, {111}, and {110} lattice fringes clearly appear at interplanar spaces of 0.28, 0.32, and 0.20 nm, respectively , indicating that the CeO2 nanocrystals have a large area of {100 } face is exposed.
[光触媒活性]
試験例5で得られたメソポーラスCeO2と、試験例1-1で得られた立方体酸化セリウムとのそれぞれについて、光触媒活性を評価した。
[Photocatalytic activity]
Photocatalytic activity was evaluated for each of the mesoporous CeO 2 obtained in Test Example 5 and the cubic cerium oxide obtained in Test Example 1-1.
図11に示す通り、メソポーラス材料からなる光触媒ナノ粒子(試験例5)であっても、立方体形状の光触媒ナノ粒子(試験例1-1)と同様に光触媒活性を有することが確認された。
As shown in FIG. 11, it was confirmed that photocatalytic nanoparticles made of a mesoporous material (Test Example 5) have the same photocatalytic activity as cubic photocatalytic nanoparticles (Test Example 1-1).
Claims (12)
平均粒子径が100nm以下であり、
表面が疎水性基により有機修飾されている、光触媒材料。 comprising metastable, monocrystalline, octahedral and/or hexahedral cerium oxide nanoparticles,
an average particle size of 100 nm or less,
A photocatalytic material whose surface is organically modified with a hydrophobic group.
平均粒子径が100nm以下であり、
前記ナノ粒子をアゾ染料AO7溶液に分散させて波長365nmの紫外光を2時間照射したとき照射後の前記溶液に含まれる前記アゾ染料AO7の濃度が照射前の前記濃度に比べて5%以上減少する、光触媒材料。 comprising metastable, monocrystalline, octahedral and/or hexahedral cerium oxide nanoparticles,
an average particle size of 100 nm or less,
When the nanoparticles are dispersed in an azo dye AO7 solution and irradiated with ultraviolet light having a wavelength of 365 nm for 2 hours, the concentration of the azo dye AO7 contained in the solution after irradiation decreases by 5% or more compared to the concentration before irradiation. photocatalyst material.
12. The photocatalyst material according to claim 10 or 11, having a lattice strain of 0.5% or less as analyzed by the Hall method.
Applications Claiming Priority (2)
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JP2021054435 | 2021-03-27 | ||
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN118356960A (en) * | 2024-04-10 | 2024-07-19 | 常州工程职业技术学院 | In situ preparation of high-concentration oxygen vacancy CeO2/g-C3N4 photocatalyst by hydrothermal method and its photocatalytic application |
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2022
- 2022-03-24 JP JP2022049088A patent/JP2022151848A/en active Pending
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN118356960A (en) * | 2024-04-10 | 2024-07-19 | 常州工程职业技术学院 | In situ preparation of high-concentration oxygen vacancy CeO2/g-C3N4 photocatalyst by hydrothermal method and its photocatalytic application |
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