JP7464963B2 - Visible light responsive titanium oxide supporting material, method for decomposing organic matter, and method for producing visible light responsive titanium oxide supporting material - Google Patents
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Description
本発明は、可視光応答型酸化チタン担持材料、有機物の分解方法、及び可視光応答型酸化チタン担持材料の製造方法に関する。 The present invention relates to a visible light responsive titanium oxide-supported material, a method for decomposing organic matter, and a method for producing a visible light responsive titanium oxide-supported material.
従来から、木炭や活性炭等を活用した空気・水浄化材等が利用されているが、木炭や活性炭等は、吸着飽和に達すると空気・水浄化能が急激に低下するという問題があった。そこで、酸化チタン等の光触媒を担持させた空気・水浄化材等が提案されている。 Conventionally, air and water purification materials using charcoal, activated carbon, etc. have been used, but there is a problem that the air and water purification ability of charcoal and activated carbon drops rapidly when the adsorption saturation is reached. Therefore, air and water purification materials that support photocatalysts such as titanium oxide have been proposed.
しかしながら、酸化チタン等の光触媒は、紫外光によってのみ、有機物の酸化分解等の光触媒活性を発揮するため、効率が悪いという問題があった。 However, photocatalysts such as titanium oxide only exhibit photocatalytic activity, such as the oxidative decomposition of organic matter, when exposed to ultraviolet light, which means they are inefficient.
そこで、近年は、可視光応答型の酸化チタンが開発されている。非特許文献1には、図6に示されるように、チタン(IV)n-ブトキシドを所要の液中で混合し、窒素源であるトリエチルアミンを添加して撹拌し、酸化チタン懸濁液を形成した後、活性炭を添加して撹拌し、濾過後真空乾燥し、焼成することにより、可視光応答型酸化チタン担持活性炭を製造する方法が開示されている。
In recent years, therefore, visible light responsive titanium oxide has been developed. Non-Patent
しかしながら、非特許文献1の方法は操作が比較的煩雑であり、原料のチタン(IV)n-ブトキシドが高価であるという問題があった。また、光が到達しにくい、活性炭の孔(例えば、ミクロ孔やメソ孔)の中に酸化チタンが入り込んでしまうために、光を利用することに向いていないという問題もあった。更に、活性炭の孔に入りきらなかったり等で吸着しなかった酸化チタンは、活性炭に担持できずに溶液中に残ったまま濾過工程で廃棄しているという実情もあった。また、活性炭は、その孔等によって比表面積が大きくなることで、有機物を大量に吸着できるものであるのに、非特許文献1の方法では、活性炭の孔に既に酸化チタンが担持され、比表面積を減少させるため、分解しようとする有機物を活性炭に大量に吸着させるのが困難であるという問題もあった。
However, the method of Non-Patent
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、優れた有機物保持能及び分解能を有する可視光応答型酸化チタン担持材料を提供することを目的とする。また、本発明は、前記可視光応答型酸化チタン担持材料を、より簡便な工程で製造する方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in consideration of the above circumstances, and aims to provide a visible light responsive titanium oxide-supported material that has excellent organic matter retention and resolution capabilities. In addition, the present invention aims to provide a method for producing the visible light responsive titanium oxide-supported material in a simpler process.
本発明は、以下の態様を含む。
[1]担体の表面に、可視光応答型酸化チタン微粒子が担持され、前記担体は、ミクロ孔及びメソ孔のいずれか一方又は両方を有し、前記可視光応答型酸化チタン微粒子は、前記担体のうち、前記ミクロ孔と前記メソ孔とのいずれにも該当しない領域の表面に担持されている、可視光応答型酸化チタン担持材料。
[2]前記可視光応答型酸化チタン微粒子の粒子径が、前記ミクロ孔及びメソ孔の内径よりも大きい、[1]に記載の可視光応答型酸化チタン担持材料。
[3]前記担体が炭素材料である、[1]又は[2]に記載の可視光応答型酸化チタン担持材料。
[4]前記炭素材料がスギおが屑由来物である、[3]に記載の可視光応答型酸化チタン担持材料。
[5]前記可視光応答型酸化チタン微粒子が、非金属元素がドープされた酸化チタン微粒子である、[1]~[4]のいずれか一つに記載の可視光応答型酸化チタン担持材料。
[6]前記非金属元素が、窒素又は硫黄である、[5]に記載の可視光応答型酸化チタン担持材料。
[7][1]~[6]のいずれか一つに記載の可視光応答型酸化チタン担持材料に有機物を保持させて可視光を照射し、前記有機物を分解する、有機物の分解方法。
The present invention includes the following aspects.
[1] A visible light responsive titanium oxide supporting material, in which visible light responsive titanium oxide fine particles are supported on the surface of a support, the support having either micropores or mesopores or both, and the visible light responsive titanium oxide fine particles are supported on the surface of the support in an area that does not correspond to either the micropores or the mesopores.
[2] The visible light responsive titanium oxide supporting material according to [1], wherein the particle diameter of the visible light responsive titanium oxide fine particles is larger than the inner diameter of the micropores and mesopores.
[3] The visible light responsive titanium oxide-supporting material according to [1] or [2], wherein the support is a carbon material.
[4] The visible light responsive titanium oxide supporting material according to [3], wherein the carbon material is derived from cedar sawdust.
[5] The visible light responsive titanium oxide support material according to any one of [1] to [4], wherein the visible light responsive titanium oxide fine particles are titanium oxide fine particles doped with a nonmetallic element.
[6] The visible light responsive titanium oxide-supporting material according to [5], wherein the nonmetallic element is nitrogen or sulfur.
[7] A method for decomposing an organic matter, comprising carrying an organic matter on the visible light responsive titanium oxide supporting material according to any one of [1] to [6] and irradiating the organic matter with visible light to decompose the organic matter.
[8]可視光応答型酸化チタン微粒子を担体原料に担持させる担持工程と、前記担持工程で可視光応答型酸化チタン微粒子が担持された担体原料を加熱処理する工程と、を有する、可視光応答型酸化チタン担持材料の製造方法。
[9]前記担持工程は、ボールミル装置内に前記担体原料と前記可視光応答型酸化チタン微粒子を投入して行われるものである、[8]に記載の製造方法。
[10]前記担体原料が炭素前駆体である、[8]又は[9]に記載の製造方法。
[11]前記炭素前駆体がスギおが屑である、[10]に記載の製造方法。
[12]前記担持工程の前に、酸化チタン微粒子に非金属元素をドープさせて前記可視光応答型酸化チタン微粒子を得るドーピング工程を含む、[8]~[11]のいずれか一つに記載の製造方法。
[13]前記ドーピング工程は、ボールミル装置内に酸化チタン微粒子と非金属元素又は非金属元素を含む化合物を投入して行われるものである、[12]に記載の製造方法。
[14]前記非金属元素が、窒素又は硫黄である、[13]に記載の製造方法。
[15]前記ドーピング工程と前記担持工程の間に、前記可視光応答型酸化チタン微粒子を400℃未満の温度で加熱処理するか、又は加熱処理をしない、[12]~[14]のいずれか一つに記載の製造方法。
[16][8]~[15]のいずれか一つに記載の方法によって製造された可視光応答型酸化チタン担持材料。
[8] A method for producing a visible light responsive titanium oxide support material, comprising: a supporting step of supporting visible light responsive titanium oxide microparticles on a support raw material; and a heat treatment step of the support raw material on which the visible light responsive titanium oxide microparticles are supported in the supporting step.
[9] The manufacturing method according to [8], wherein the supporting step is carried out by putting the support raw material and the visible light responsive titanium oxide fine particles into a ball mill device.
[10] The method according to [8] or [9], wherein the carrier raw material is a carbon precursor.
[11] The method according to [10], wherein the carbon precursor is cedar sawdust.
[12] The method according to any one of [8] to [11], further comprising a doping step, prior to the supporting step, of doping titanium oxide fine particles with a nonmetallic element to obtain the visible light responsive titanium oxide fine particles.
[13] The method according to [12], wherein the doping step is carried out by putting titanium oxide fine particles and a nonmetallic element or a compound containing a nonmetallic element into a ball mill.
[14] The manufacturing method according to [13], wherein the nonmetallic element is nitrogen or sulfur.
[15] The method according to any one of [12] to [14], wherein the visible light responsive titanium oxide microparticles are heat-treated at a temperature of less than 400° C. or are not heat-treated between the doping step and the supporting step.
[16] A visible light responsive titanium oxide-supporting material produced by the method according to any one of [8] to [15].
本発明は、優れた有機物保持能及び分解能を有する可視光応答型酸化チタン担持材料を提供することができる。また、本発明は、前記可視光応答型酸化チタン担持材料を、より簡便な工程で製造する方法を提供することができる。 The present invention can provide a visible light responsive titanium oxide-supported material that has excellent organic matter retention and resolution capabilities. The present invention can also provide a method for producing the visible light responsive titanium oxide-supported material in a simpler process.
[可視光応答型酸化チタン担持材料]
以下、本実施形態に係る可視光応答型酸化チタン担持材料について説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の形状や寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。
[Visible light responsive titanium oxide supporting material]
The visible light responsive titanium oxide supporting material according to this embodiment will be described below. Note that the drawings used in the following description may show characteristic parts in an enlarged scale for the sake of convenience in order to make the characteristics easier to understand, and the shapes and dimensional ratios of each component element may not necessarily be the same as in reality.
図1は、本実施形態に係る可視光応答型酸化チタン担持材料1を示す概略図である。
Figure 1 is a schematic diagram showing a visible light responsive titanium oxide-supported
可視光応答型酸化チタン担持材料1は、担体3’の表面に、可視光応答型酸化チタン微粒子2が担持され、担体3’は、ミクロ孔及びメソ孔のいずれか一方又は両方(以下、ミクロ孔等31と呼ぶことがある。)を有し、可視光応答型酸化チタン微粒子2は、担体3’のうち、前記ミクロ孔と前記メソ孔とのいずれにも該当しない領域の表面に担持されている。
In the visible light responsive titanium
本明細書において、「ミクロ孔」とは、内径0nm超2nm未満の細孔を指し、「メソ孔」とは、内径2nm以上50nm以下の細孔を指す。 In this specification, "micropore" refers to a pore with an inner diameter of more than 0 nm and less than 2 nm, and "mesopore" refers to a pore with an inner diameter of 2 nm or more and 50 nm or less.
担体3’は、ミクロ孔等31を有している。ミクロ孔等31は、分解しようとする有機物4を効率良く保持することができる。有機物4は、ミクロ孔等31にどのような形式で保持されていてもよいが、具体的には、例えば、有機物4がミクロ孔等31に吸着していてもよいし、有機物4がミクロ孔等31に結合していてもよい。
The carrier 3' has
担体3’のミクロ孔等31には、可視光応答型酸化チタン微粒子2が担持されていないことが好ましい。これにより、より多くの有機物4をミクロ孔等31に保持することができる。
It is preferable that the visible light responsive
可視光応答型酸化チタン微粒子2は、担体3’のうち、前記ミクロ孔と前記メソ孔とのいずれにも該当しない領域の表面に担持されている。これにより、ミクロ孔等31の中に可視光応答型酸化チタン微粒子2が入り込んでいる場合よりも効率良く光を利用することができる。
The visible light responsive
可視光応答型酸化チタン担持材料1中の、可視光応答型酸化チタン微粒子2の担持量は、可視光応答型酸化チタン担持材料1の量を基準として、10.0~25.0質量%であることが好ましく、12.0~22.0質量%であることがより好ましく、15.0~20.0質量%であることがさらに好ましい。
The amount of visible light responsive
可視光応答型酸化チタン担持材料1中の、可視光応答型酸化チタン微粒子2の担持量を上記下限値以上とすることで、有機物分解能をより向上させることができる。また、可視光応答型酸化チタン担持材料1中の、可視光応答型酸化チタン微粒子2の担持量を上記上限値以下とすることで、有機物分解能をより向上させるとともに、有機物保持量をより向上させることができる。
By setting the amount of visible light responsive
可視光応答型酸化チタン微粒子2は、担体3’に直接的に担持されていてもよいし、他の物質又はリンカーを介して、担体3’に間接的に担持されていてもよい。
The visible light responsive
可視光応答型酸化チタン担持材料1を、より簡便な工程で製造する観点から、可視光応答型酸化チタン微粒子2は、担体3’に直接的に担持されていることが好ましい。
From the viewpoint of producing the visible light responsive titanium
可視光応答型酸化チタン微粒子2は、どのような形式で担体3’に担持されていてもよいが、具体的には、例えば、嵌入、溶着、吸着、共有結合、イオン結合、金属結合、分子間力による結合等が挙げられる。
The visible light responsive
可視光応答型酸化チタン微粒子2が、担体3’に直接的に担持されている例としては、担体3’が、前記ミクロ孔と前記メソ孔とのいずれにも該当しない領域の表面にマクロ孔32を有しており、マクロ孔32に可視光応答型酸化チタン微粒子2が嵌入している場合等が挙げられる。
An example of a case in which the visible light responsive
本明細書において、「マクロ孔」とは、内径50nm超の細孔を指す。 In this specification, "macropore" refers to a pore with an inner diameter of more than 50 nm.
担体3’に形成されている、ミクロ孔及びメソ孔の容積の合計は、可視光応答型酸化チタン担持材料1の単位質量あたり、0.01~0.70cm3/gであることが好ましく、0.02~0.50cm3/gであることがより好ましく、0.05~0.40cm3/gであることがさらに好ましい。
The total volume of the micropores and mesopores formed in the carrier 3' is preferably 0.01 to 0.70 cm 3 /g, more preferably 0.02 to 0.50 cm 3 /g, and even more preferably 0.05 to 0.40 cm 3 /g, per unit mass of the visible light responsive titanium
担体3’の表面に担持されている可視光応答型酸化チタン微粒子2の粒子径は、ミクロ孔等31の内径よりも大きい(換言すると、ミクロ孔等31の内径が、担体3’の表面に担持されている可視光応答型酸化チタン微粒子2の粒子径よりも小さい)ことが好ましい。可視光応答型酸化チタン微粒子2の粒子径がミクロ孔等31の内径よりも大きいことにより、可視光応答型酸化チタン微粒子2がミクロ孔等31に入り込まず、より多くの有機物4をミクロ孔等31に保持させることができる。
It is preferable that the particle diameter of the visible light responsive
可視光応答型酸化チタン微粒子2の平均粒子径は、具体的には、例えば、50nm超5000nm以下であることが好ましく、60nm以上1000nm以下であることがより好ましく、70nm以上500nm以下であることがさらに好ましい。
Specifically, the average particle diameter of the visible light responsive
可視光応答型酸化チタン微粒子2の平均粒子径が上記下限値以上であることで、可視光応答型酸化チタン微粒子2がミクロ孔等31に入り込まず、より多くの有機物4をミクロ孔等31に保持させることができる。一方、可視光応答型酸化チタン微粒子2の平均粒子径が上記上限値以下であることで、有機物の分解効率をより向上させることができる。
When the average particle diameter of the visible light responsive
担体3’は、担体原料3由来物であることが好ましい。担体原料3由来物とは、担体原料3に対して何らかの化学的処理を行うことによって得られた処理物をいう。由来物の例としては、加熱処理物が挙げられ、加熱処理物の例としては、焼成物が挙げられる。
The carrier 3' is preferably a material derived from the carrier
担体3’は、ミクロ孔等31を有していれば、どのような物質であってもよいが、担体3’の製造原料である担体原料(例えば、後述する担体原料3)を加熱処理することによりミクロ孔等31を有する担体3’を製造し易い点で、炭素材料、アルミナ、シリカ等であることが好ましい。
The carrier 3' may be any material as long as it has
担体3’が炭素材料である場合、担体原料3として用いる炭素前駆体は、とりわけクッション性を有する軟らかい物質が好ましい。クッション性を有する軟らかい物質を使用することにより、可視光応答型酸化チタン微粒子2を担体原料3(ひいては担体3’)に容易に担持することができる。このような炭素前駆体の例としては、スギ、クヌギ、マツ、ヒノキ等の木材のおが屑、タケ、もみ殻等が挙げられる。
When the carrier 3' is a carbon material, the carbon precursor used as the carrier
酸化チタンは、いわゆる“光触媒”の典型的な物質である。光触媒の原理は、物質にそのバンドギャップ以上のエネルギーを持つ光を照射することにより、電荷分離を生じさせ、生成した電子と正孔が固体表面で酸化・還元反応を引き起こし、有機物等を分解することができる。 Titanium oxide is a typical example of a so-called "photocatalyst." The principle of photocatalysis is that when a substance is irradiated with light with energy equal to or greater than its band gap, charge separation occurs, and the resulting electrons and holes cause an oxidation/reduction reaction on the solid surface, which can decompose organic matter, etc.
可視光応答型酸化チタン微粒子2としては、具体的には、例えば、鉄がドープされた酸化チタン微粒子21、非金属元素22がドープされた酸化チタン微粒子21等が挙げられる。
Specific examples of visible light responsive
酸化チタン微粒子21自体はバンドギャップが大きく、紫外光にしか応答しないが、鉄や非金属元素22をドープすることにより新たなエネルギー準位を生成させ、バンド構造を変化させることができ、可視光領域に吸収を持つ可視光応答型酸化チタン微粒子2が形成される。これにより、太陽エネルギー等、光の利用率を向上させることができる。
The
酸化チタン微粒子21のバンドギャップを低下させるための非金属元素22としては、具体的には、例えば、窒素ドープ、硫黄ドープ、ヨウ素と窒素の共ドープ、又はフッ素と窒素の共ドープなどが挙げられ、これらのうち窒素ドープが好ましい。酸化チタン微粒子21の酸素サイトを窒素又は硫黄で置換すると黄色を呈する酸化チタン微粒子が得られ、バンドギャップが小さくなって、可視光照射により光触媒活性を示す。
Specific examples of the
可視光応答型酸化チタン担持材料1の比表面積は、10~1000m2/gであることが好ましく、50~800m2/gであることがより好ましく、100~700m2/gであることがさらに好ましい。
The specific surface area of the visible light responsive titanium
可視光応答型酸化チタン担持材料1の比表面積が上記範囲内であることにより、有機物保持能をより向上させることができる。なお、比表面積は、BET法により求めることができる。
By having the specific surface area of the visible light responsive titanium
[可視光応答型酸化チタン担持材料の製造方法]
次に、可視光応答型酸化チタン担持材料1の製造方法について説明する。図2は、可視光応答型酸化チタン担持材料1の製造方法を示す概略図である。
[Method of producing visible light responsive titanium oxide supporting material]
Next, a description will be given of a method for producing the visible light responsive titanium
(ドーピング工程)
可視光応答型酸化チタン担持材料1の製造方法では、図2(a)及び(b)に示されるドーピング工程を行うことが好ましい。ドーピング工程では、酸化チタン微粒子21に非金属元素22をドープさせて可視光応答型酸化チタン微粒子2を得る。
(Doping process)
2(a) and 2(b) is preferably carried out in the method for producing the visible light responsive titanium
ドーピング工程は、ボールミル装置内に酸化チタン微粒子21と、非金属元素22又は非金属元素22を含む化合物とを投入して行われることが好ましい。
The doping process is preferably carried out by putting titanium oxide
ドーピング工程におけるボールミル装置の回転数は、特に限定されないが、100~800rpmであることが好ましく、200~700rpmであることがより好ましく、300~600rpmであることがさらに好ましい。また、ドーピング工程におけるボールミル装置の回転時間は、0.1~5時間であることが好ましく、0.3~4時間であることがより好ましく、0.5~3時間であることがさらに好ましい。 The rotation speed of the ball mill device in the doping process is not particularly limited, but is preferably 100 to 800 rpm, more preferably 200 to 700 rpm, and even more preferably 300 to 600 rpm. In addition, the rotation time of the ball mill device in the doping process is preferably 0.1 to 5 hours, more preferably 0.3 to 4 hours, and even more preferably 0.5 to 3 hours.
ドーピング工程におけるボールミル装置の回転数及び回転時間を上記下限値以上とすることで、酸化チタン微粒子21により充分な量の非金属元素22をドープすることができる。一方、ドーピング工程におけるボールミル装置の回転数を上記上限値以下とすることで、酸化チタン微粒子21の粒子径が過度に小さくなることをより抑制することができる。
By setting the rotation speed and rotation time of the ball mill device in the doping process to be equal to or greater than the above lower limit, a sufficient amount of
ボールの1個あたりの質量や、使用個数は特に限定されないが、例えば、250ccのボールミル容器(ポット)を用いる場合、ドーピング工程におけるボールミル装置で使用するボール1個あたりの質量は、1~3gであることが好ましい。また、ドーピング工程におけるボールミル装置で使用するボールの個数は、40~60個であることが好ましい。ボールとボールミル容器(ポット)の材質は特に限定されないが、例えば、アルミナ製、ステンレス製、ジルコニア製などを使用することができる。 The mass of each ball and the number of balls used are not particularly limited, but for example, when a 250 cc ball mill container (pot) is used, the mass of each ball used in the ball mill device in the doping process is preferably 1 to 3 g. In addition, the number of balls used in the ball mill device in the doping process is preferably 40 to 60. The material of the balls and ball mill container (pot) is not particularly limited, but for example, alumina, stainless steel, zirconia, etc. can be used.
ドーピング工程で非金属元素22を使用する場合、酸化チタン微粒子21と、非金属元素22との使用量は、特に限定されるものではなく、希望するドープ量にあわせて設定すればよいが、酸化チタン微粒子21の100質量部に対して、非金属元素22を、0.1~20質量部使用することが好ましく、0.5~10質量部使用することがより好ましく、1~5質量部使用することがさらに好ましい。
When using a
ドーピング工程で非金属元素22を含む化合物を使用する場合、酸化チタン微粒子21と、非金属元素22を含む化合物との使用量は、特に限定されるものではなく、希望するドープ量にあわせて設定すればよいが、酸化チタン微粒子21の100質量部に対して、非金属元素22を含む化合物を、その化合物に含まれる非金属元素22の量が、0.1~20質量部となるように使用することが好ましく、0.5~10質量部となるように使用することがより好ましく、1~5質量部となるように使用することがさらに好ましい。
When a compound containing a
ボールミル装置に投入する酸化チタン微粒子21の平均粒子径は、具体的には、例えば、50nm超5000nm以下であることが好ましく、60nm以上1000nm以下であることがより好ましく、70nm以上500nm以下であることがさらに好ましい。
Specifically, the average particle size of the
非金属元素22は、窒素又は硫黄であることが好ましく、窒素であることがより好ましい。
The
非金属元素22が窒素である場合、ドーピング工程は、ボールミル装置内に酸化チタン微粒子21と、窒素含有化合物を投入して行われることが好ましい。窒素含有化合物とは、構成原子として窒素原子を有する化合物であり、その具体例としては、アンモニア、尿素、炭酸アンモニウム、トリエチルアミン等が挙げられる。
When the
非金属元素22が硫黄である場合、ドーピング工程は、ボールミル装置内に酸化チタン微粒子21と、硫黄又は硫黄含有化合物とを投入して行われることが好ましい。硫黄含有化合物とは、構成原子として硫黄原子を有する化合物である。
When the
(担持工程)
可視光応答型酸化チタン担持材料1の製造方法では、図2(b)及び(c)に示される担持工程を行う。担持工程では、可視光応答型酸化チタン微粒子2を担体原料3に担持させる。
(Supporting process)
In the method for producing the visible light responsive titanium
担体原料3は、担体3’を製造可能であれば、どのような物質であってもよいが、加熱処理によりミクロ孔等31を形成し易い点で、炭素前駆体、アルミナ、シリカ等であることが好ましい。
The carrier
担体原料3として用いる炭素前駆体は、とりわけクッション性を有する軟らかい物質が好ましい。クッション性を有する軟らかい物質を使用することにより、可視光応答型酸化チタン微粒子2を担体原料3(ひいては担体3’)に容易に担持することができる。このような炭素前駆体の例としては、スギ、クヌギ、マツ、ヒノキ等の木材のおが屑、タケ、もみ殻等が挙げられる。
The carbon precursor used as the carrier
担持工程は、どのような方法で行ってもよいが、ボールミル装置内に担体原料3と可視光応答型酸化チタン微粒子2を投入して行われることが好ましい。
The loading step may be carried out by any method, but is preferably carried out by placing the carrier
担持工程におけるボールミル装置の回転数は、特に限定されないが、50~500rpmであることが好ましく、70~400rpmであることがより好ましく、100~300rpmであることがさらに好ましい。また、担持工程におけるボールミル装置の回転時間は、5~120分であることが好ましく、10~60分であることがより好ましく、10~30分であることがさらに好ましい。 The rotation speed of the ball mill device in the loading step is not particularly limited, but is preferably 50 to 500 rpm, more preferably 70 to 400 rpm, and even more preferably 100 to 300 rpm. The rotation time of the ball mill device in the loading step is preferably 5 to 120 minutes, more preferably 10 to 60 minutes, and even more preferably 10 to 30 minutes.
担持工程におけるボールミル装置の回転数及び回転時間を上記下限値以上とすることで、可視光応答型酸化チタン微粒子2を担体原料3に強固に担持することができる。一方、担持工程におけるボールミル装置の回転数を上記上限値以下とすることで、担体原料3の過度な粉砕等を抑制することができる。
By setting the rotation speed and rotation time of the ball mill device in the loading process to the above lower limit values or more, the visible light responsive
ボールの1個あたりの質量や、使用個数は特に限定されないが、例えば、250ccのボールミル容器(ポット)を用いる場合、担持工程におけるボールミル装置で使用するボール1個あたりの質量は、1~3gであることが好ましい。また、担持工程におけるボールミル装置で使用するボールの個数は、40~60個であることが好ましい。ボールとボールミル容器(ポット)の材質は特に限定されないが、例えば、アルミナ製、ステンレス製、ジルコニア製などを使用することができる。 The mass of each ball and the number of balls used are not particularly limited, but for example, when a 250 cc ball mill container (pot) is used, the mass of each ball used in the ball mill device in the loading process is preferably 1 to 3 g. In addition, the number of balls used in the ball mill device in the loading process is preferably 40 to 60. The material of the balls and ball mill container (pot) is not particularly limited, but for example, alumina, stainless steel, zirconia, etc. can be used.
担持工程における、可視光応答型酸化チタン微粒子2と、担体原料3との使用量は、特に限定されるものではなく、希望する可視光応答型酸化チタン微粒子の担体3‘への担持量にあわせて設定すればよいが、両者の使用量のバランスを取る観点等から、可視光応答型酸化チタン微粒子2の100質量部に対して、担体原料3を100~5000質量部使用することが好ましく、200~4000質量部使用することがより好ましく、300~3000質量部使用することがさらに好ましい。
The amounts of visible light responsive
(前段加熱処理工程)
可視光応答型酸化チタン担持材料1の製造方法においては、ドーピング工程と担持工程の間に、可視光応答型酸化チタン微粒子2を加熱処理してもよい。これにより、酸化チタン微粒子21にドープされなかった非金属元素22を取り除くことができる。
(Preliminary heat treatment process)
In the method for producing the visible light responsive titanium
加熱温度は、0℃超500℃未満であることが好ましく、100~450℃であることがより好ましく、200~400℃であることがさらに好ましい。また、加熱時間は、0.1~5時間であることが好ましく、0.2~3時間であることがより好ましく、0.5~2時間であることがさらに好ましい。 The heating temperature is preferably greater than 0°C and less than 500°C, more preferably 100 to 450°C, and even more preferably 200 to 400°C. The heating time is preferably 0.1 to 5 hours, more preferably 0.2 to 3 hours, and even more preferably 0.5 to 2 hours.
加熱温度及び加熱時間を上記下限値以上とすることで、酸化チタン微粒子21にドープされなかった非金属元素22をより効率よく取り除くことができる。一方、加熱処理の温度及び加熱時間を上記上限値以下とすることで、ドープされた非金属元素22が酸化チタン微粒子21から外れることをより抑制することができる。
By setting the heating temperature and heating time to the above lower limit values or more, the
ドーピング工程と担持工程の間には、上述のように可視光応答型酸化チタン微粒子2を加熱処理してもよいし、加熱処理しなくてもよいが、可視光応答型酸化チタン微粒子2を400℃未満の温度で加熱処理するか、又は加熱処理をしないことが好ましい。
Between the doping step and the supporting step, the visible light responsive
可視光応答型酸化チタン微粒子2を400℃未満の温度で加熱処理するか、又は加熱処理をしないことにより、可視光応答型酸化チタン担持材料1の有機物保持能及び分解能をより向上させることができる。
By heat-treating the visible light responsive
(加熱処理工程)
可視光応答型酸化チタン担持材料1の製造方法では、図2(c)及び(d)に示される加熱処理工程を行う。加熱処理工程では、担持工程で可視光応答型酸化チタン微粒子2が担持された担体原料を加熱処理する。これにより、担体原料3はミクロ孔等31が形成された担体3’となり、可視光応答型酸化チタン担持材料1が形成される。
(Heat treatment process)
2(c) and 2(d) is performed in the manufacturing method of the visible light responsive titanium
加熱処理により、担体原料3にミクロ孔等31が形成されることを、具体例を挙げて説明する。例えば、担体原料3が炭素前駆体である場合、炭素前駆体をるつぼに入れ、空気が入らないように蓋をして加熱処理(以降、焼成ということもある。)すると、炭素前駆体が熱分解して炭素化し、ミクロ孔等31が形成し発達した炭が形成される。
The formation of micropores, etc. 31 in the carrier
担体原料3が炭素前駆体である場合、焼成温度は、400~1000℃であることが好ましく、400~800℃であることがより好ましく、400~700℃であることがさらに好ましい。
When the carrier
また、焼成時間は、0.1~5時間であることが好ましく、0.2~3時間であることがより好ましく、0.5~2時間であることがさらに好ましい。 The firing time is preferably 0.1 to 5 hours, more preferably 0.2 to 3 hours, and even more preferably 0.5 to 2 hours.
焼成温度及び焼成時間を上記下限値以上とすることで、担体3’に十分な量のミクロ孔等31を形成することができる。一方、焼成温度及び焼成時間を上記上限値以下とすることで、ドープされた非金属元素22が酸化チタン微粒子21から外れることをより抑制することができる。
By setting the firing temperature and firing time to the above lower limit values or more, a sufficient amount of micropores, etc. 31 can be formed in the carrier 3'. On the other hand, by setting the firing temperature and firing time to the above upper limit values or less, it is possible to further suppress the doped
可視光応答型酸化チタン担持材料1は、担持工程によって可視光応答型酸化チタン微粒子2が担体原料3に担持された後、加熱処理工程によってミクロ孔等31が担体原料3に形成されて担体3’となるため、加熱処理工程直後のミクロ孔等31には、可視光応答型酸化チタン微粒子2が担持されていない。
In the visible light responsive titanium
ミクロ孔等31に可視光応答型酸化チタン微粒子2が担持されていないことにより、より多くの有機物4をミクロ孔等31に保持させることができる。
Since the visible light responsive
[有機物の分解方法]
本実施形態に係る有機物の分解方法について説明する。図3は、本実施形態に係る有機物の分解方法を示す概略図である。
[Method of decomposing organic matter]
The organic matter decomposition method according to the present embodiment will now be described with reference to Fig. 3, which is a schematic diagram showing the organic matter decomposition method according to the present embodiment.
本実施形態に係る有機物の分解方法は、可視光応答型酸化チタン担持材料1に有機物4を保持させて可視光を照射し、有機物4を分解する。
In the method for decomposing organic matter according to this embodiment,
有機物4は、可視光応答型酸化チタン担持材料1のうち、ミクロ孔等31に保持されていてもよいし、ミクロ孔とメソ孔とのいずれにも該当しない領域の表面に保持されていてもよいが、ミクロ孔等31にはより多くの有機物4を保持することができる。
The
有機物4は、可視光応答型酸化チタン担持材料1にどのような形式で保持されていてもよいが、具体的には、例えば、有機物4が可視光応答型酸化チタン担持材料1の表面の官能基(例えば、カルボキシル基やフェノール性水酸基等)に吸着または結合している場合等が挙げられる。
The
図3(a)に示されるように、可視光応答型酸化チタン担持材料1に有機物4を保持させる。保持方法としては、例えば、気体状態の有機物4が含まれる空間に、可視光応答型酸化チタン担持材料1を配置する方法、有機物4を溶媒に溶解させた溶液に、可視光応答型酸化チタン担持材料1を添加する方法等が挙げられる。有機物4を溶解させる溶媒としては、水、メタノール、エタノール等が挙げられる。
As shown in FIG. 3(a), an
本実施形態に係る有機物の分解方法における、可視光応答型酸化チタン担持材料1と、有機物4との使用量は、特に限定されるものではないが、両者の使用量のバランスを取る観点から、可視光応答型酸化チタン担持材料1の100質量部に対して、有機物4を、0~20質量部使用することが好ましく、0~10質量部使用することがより好ましく、0~5質量部使用することがさらに好ましい。
In the organic matter decomposition method according to this embodiment, the amounts of visible light responsive titanium
有機物4は、可視光応答型酸化チタン担持材料1で分解できる有機物であればどのような物質であってもよい。可視光応答型酸化チタン担持材料1の性能を評価する際には、酸化チタン微粒子による有機物の分解試験で通常用いられる有機物、例えば、メチレンブルー(青色色素)、メチルオレンジ、ローダミンB等を使用することができる。
The
次に、図3(b)に示されるように、有機物4を保持させた可視光応答型酸化チタン担持材料1に可視光Lを照射することにより、ラジカル種や活性酸素種(以下、ラジカル種等と呼ぶことがある。)Rを発生させ、有機物4を分解する。
Next, as shown in FIG. 3(b), visible light L is irradiated onto the visible light responsive titanium
可視光Lの波長領域は、350~700nmであることが好ましく、350~600nmであることがより好ましく、350~550nmであることがさらに好ましい。 The wavelength region of visible light L is preferably 350 to 700 nm, more preferably 350 to 600 nm, and even more preferably 350 to 550 nm.
以下、本発明の効果を実施例及び比較例を用いて詳細に説明するが、本発明は下記の実施例に限定されるものではない。 The effects of the present invention will be described in detail below using examples and comparative examples, but the present invention is not limited to the following examples.
[可視光応答型酸化チタン担持材料の作製]
以下に示すようにして、可視光応答型酸化チタン担持材料を作製した。
[Preparation of visible light responsive titanium oxide supporting material]
A visible light responsive titanium oxide supporting material was prepared as follows.
(実施例1)
[ドーピング工程]
酸化チタン微粒子(アナターゼ型、平均粒径0.3~0.4μm、純正化学社製)5.4g、炭酸アンモニウム0.6gを、直径10mm、2gのアルミナ製粉砕ボールを50個装填した遊星ボールミル装置(FRITSCH社製、P-6、ボールミルポット:アルミナ製)に投入し、500rpmで2時間回転させて、酸化チタン微粒子に窒素をドープした可視光応答型酸化チタン微粒子(平均粒径0.1~0.2μm)を作製した。酸化チタン微粒子は、ドーピング工程によって白色から黄色に変色した。
Example 1
[Doping process]
5.4 g of titanium oxide fine particles (anatase type, average particle size 0.3-0.4 μm, Junsei Chemical Co., Ltd.) and 0.6 g of ammonium carbonate were placed in a planetary ball mill (Fritsch, P-6, ball mill pot: made of alumina) loaded with 50 alumina grinding balls, each 10 mm in diameter and 2 g in weight, and rotated at 500 rpm for 2 hours to produce visible light responsive titanium oxide fine particles (average particle size 0.1-0.2 μm) in which the titanium oxide fine particles were doped with nitrogen. The titanium oxide fine particles changed color from white to yellow by the doping process.
[担持工程]
ドーピング工程後の装置内にスギおが屑25gを投入し、200rpmで20分間回転させて、可視光応答型酸化チタン微粒子をスギおが屑に担持させた。得られた微粒子をふるい分けして、粒子径が106μm超の微粒子を回収した。
[Supporting step]
After the doping step, 25 g of cedar sawdust was put into the device and rotated at 200 rpm for 20 minutes to support the visible light responsive titanium oxide microparticles on the cedar sawdust. The obtained microparticles were sieved to collect microparticles with a particle size of more than 106 μm.
[焼成工程]
担持工程で得られた、すぎおが屑に可視光応答型酸化チタン微粒子が担持された粒子径が106μm超の微粒子をるつぼに入れ、空気が入らないように蓋をし、5℃/分で400℃まで昇温した。その後、400℃で1時間焼成(炭素化)して、可視光応答型酸化チタン担持材料を作製した。
[Firing process]
The fine particles having a particle diameter of more than 106 μm, in which the visible light responsive titanium oxide fine particles were supported on the sawdust obtained in the supporting step, were placed in a crucible, covered with a lid to prevent air from entering, and heated to 400° C. at a rate of 5° C./min. Thereafter, the material was fired (carbonized) at 400° C. for 1 hour to produce a visible light responsive titanium oxide supporting material.
(実施例2)
担持工程で得られた、すぎおが屑に可視光応答型酸化チタン微粒子が担持された粒子径が106μm超の微粒子をるつぼに入れ、空気が入らないように蓋をし、5℃/分で700℃まで昇温し、その後、700℃で1時間焼成(炭素化)したことを除いては、実施例1と同様にして、実施例2の可視光応答型酸化チタン担持材料を作製した。
Example 2
The visible light responsive titanium oxide supported material of Example 2 was prepared in the same manner as in Example 1, except that the fine particles with a particle diameter of more than 106 μm, in which visible light responsive titanium oxide fine particles were supported on sawdust obtained in the supporting process, were placed in a crucible, covered with a lid to prevent air from entering, and heated to 700°C at a rate of 5°C/min, and then fired (carbonized) at 700°C for 1 hour.
実施例2で得られた可視光応答型酸化チタン担持材料を、走査電子顕微鏡(SEM)(日本電子社製、JSM-6380LANV)で観察した写真を図4に示す。 Figure 4 shows a photograph of the visible light responsive titanium oxide-supported material obtained in Example 2, observed with a scanning electron microscope (SEM) (JSM-6380LANV, manufactured by JEOL Ltd.).
図4(a)は走査電子顕微鏡(SEM)の倍率を1000倍としたものであり、スギの道管に可視光応答型酸化チタン微粒子が担持していることが確認できた。図4(b)は走査電子顕微鏡(SEM)の倍率を20000倍としたものであり、スギの道管に担持している可視光応答型酸化チタン微粒子の粒径が約100~200nmであることが確認できた。 Figure 4(a) shows a scanning electron microscope (SEM) at a magnification of 1000x, which confirms that visible light responsive titanium oxide microparticles are supported in the vessels of the cedar. Figure 4(b) shows a scanning electron microscope (SEM) at a magnification of 20,000x, which confirms that the particle size of the visible light responsive titanium oxide microparticles supported in the vessels of the cedar is approximately 100-200 nm.
(実施例3)
ドーピング工程で得られた可視光応答型酸化チタン微粒子をるつぼに入れ、空気が入らないように蓋をし、5℃/分で400℃まで昇温し、その後、400℃で1時間加熱処理してから担持工程を行ったことを除いては、実施例1と同様にして、実施例3の可視光応答型酸化チタン担持材料を作製した。
Example 3
The visible light responsive titanium oxide microparticles obtained in the doping process were placed in a crucible, covered to prevent air from entering, and heated to 400°C at a rate of 5°C/min., and then heat-treated at 400°C for 1 hour before carrying out the supporting process. Except for this, the visible light responsive titanium oxide supporting material of Example 3 was prepared in the same manner as in Example 1.
[メチレンブルー分解試験]
メチレンブルー(シグマアルドリッチ社製)を純水に溶解させて、所定の濃度(実施例1及び3:80μmol/L、実施例2:180μmol/L)のメチレンブルー溶液(50mL)を調製した。
[Methylene blue decomposition test]
Methylene blue (Sigma-Aldrich) was dissolved in pure water to prepare a methylene blue solution (50 mL) having a predetermined concentration (Examples 1 and 3: 80 μmol/L, Example 2: 180 μmol/L).
このメチレンブルー溶液に、実施例1~3の可視光応答型酸化チタン担持材料0.1gを添加し、暗室内で、空気(100mL/分)を吹き込みながら20℃で20~24時間撹拌すると、メチレンブルー溶液の濃度が平衡状態に達し、約10μmol/L(=C0)となった。なお、メチレンブルー溶液の濃度は、波長664nmにおける吸光度測定の方法により測定した。 To this methylene blue solution, 0.1 g of the visible light responsive titanium oxide-supported material of Examples 1 to 3 was added, and the mixture was stirred in a dark room at 20° C. for 20 to 24 hours while blowing in air (100 mL/min), until the concentration of the methylene blue solution reached equilibrium, becoming approximately 10 μmol/L (=C 0 ). The concentration of the methylene blue solution was measured by a method for measuring absorbance at a wavelength of 664 nm.
フィルタをかけたLEDランプの光を照射することにより、上記のメチレンブルー溶液に10万ルクスの照射条件下で、可視光(350~700nm、中心波長450nm)を照射して、再度、メチレンブルー溶液の濃度(=C[μmol/L])を経時的に測定した。 The methylene blue solution was irradiated with visible light (350-700 nm, central wavelength 450 nm) under irradiation conditions of 100,000 lux by irradiating it with light from a filtered LED lamp, and the concentration of the methylene blue solution (= C [μmol/L]) was measured again over time.
縦軸をC/C0、横軸を時間(分)として得られたグラフを図5に示す。なお、「ブランク」は、可視光応答型酸化チタン担持材料を添加せずに、上記のメチレンブルー分解試験を行った場合を表す。 The graph obtained, with the vertical axis representing C/ C0 and the horizontal axis representing time (min), is shown in Figure 5. Note that "blank" indicates the case where the above methylene blue decomposition test was carried out without adding the visible light responsive titanium oxide supporting material.
図5に示すように、可視光応答型酸化チタン担持材料を添加しないと、メチレンブルーはほとんど分解しなかった。これに対し、実施例1~3の可視光応答型酸化チタン担持材料を添加すると、メチレンブルーが効率良く分解されることが確認された。 As shown in Figure 5, methylene blue was hardly decomposed when the visible light responsive titanium oxide support material was not added. In contrast, it was confirmed that methylene blue was efficiently decomposed when the visible light responsive titanium oxide support material of Examples 1 to 3 was added.
更に、ドーピング工程と担持工程の間に、可視光応答型酸化チタン微粒子を加熱処理しなかった場合(実施例1及び2)の方が、400℃で加熱処理した場合(実施例3)よりも優れた有機物保持能及び分解能を有していることが確認された。 Furthermore, it was confirmed that when the visible light responsive titanium oxide microparticles were not heat-treated between the doping process and the supporting process (Examples 1 and 2), they had better organic matter retention and decomposition capabilities than when they were heat-treated at 400°C (Example 3).
以上のとおり、本発明の可視光応答型酸化チタン担持材料は、優れた有機物保持能及び分解能を有する。また、本発明の可視光応答型酸化チタン担持材料の製造方法は、前記可視光応答型酸化チタン担持材料を、より簡便な工程で製造することができる。 As described above, the visible light responsive titanium oxide-supported material of the present invention has excellent organic matter retention and resolution capabilities. Furthermore, the method for producing a visible light responsive titanium oxide-supported material of the present invention can produce the visible light responsive titanium oxide-supported material in a simpler process.
本発明の可視光応答型酸化チタン担持材料は、空気・水浄化材、脱臭材、浄水器材料等として好適に用いることができる。 The visible light responsive titanium oxide-supported material of the present invention can be suitably used as an air and water purifier, deodorizer, water purifier material, etc.
1…可視光応答型酸化チタン担持材料
2…可視光応答型酸化チタン微粒子
21…酸化チタン微粒子
22…非金属元素
3…担体原料
3’…担体
31…ミクロ孔等
32…マクロ孔
4…有機物
L…可視光
R…ラジカル種等
Reference Signs List 1: Visible light responsive titanium oxide support material 2: Visible light responsive titanium oxide fine particles 21: Titanium oxide fine particles 22: Non-metallic element 3: Carrier raw material 3': Carrier 31: Micropores, etc. 32: Macropores 4: Organic matter L: Visible light R: Radical species, etc.
Claims (12)
前記担体は、ミクロ孔及びメソ孔のいずれか一方又は両方を有し、
前記可視光応答型酸化チタン微粒子は、前記担体のうち、前記ミクロ孔と前記メソ孔とのいずれにも該当しない領域の表面に嵌入しており、
前記担体は、炭素材料であり、
前記可視光応答型酸化チタン微粒子の平均粒子径は、50nm超5000nm以下である、可視光応答型酸化チタン担持材料。 Visible light responsive titanium oxide fine particles are supported on the surface of the carrier,
The support has either or both of micropores and mesopores,
the visible light responsive titanium oxide fine particles are embedded in the surface of the carrier in a region that does not correspond to either the micropores or the mesopores,
The support is a carbon material,
The visible light responsive titanium oxide fine particles have an average particle diameter of more than 50 nm and not more than 5,000 nm .
前記担持工程で可視光応答型酸化チタン微粒子が担持された担体原料を加熱処理する工程と、
を有する、可視光応答型酸化チタン担持材料の製造方法であって、
前記担持工程は、ボールミル装置内に前記担体原料と前記可視光応答型酸化チタン微粒子を投入して行われるものであり、
前記担体原料は、炭素前駆体である、可視光応答型酸化チタン担持材料の製造方法。 a supporting step of supporting visible light responsive titanium oxide fine particles on a support material;
a step of heat-treating the carrier raw material on which the visible light responsive titanium oxide fine particles have been supported in the supporting step;
A method for producing a visible light responsive titanium oxide-supporting material comprising the steps of:
The supporting step is carried out by putting the support raw material and the visible light responsive titanium oxide fine particles into a ball mill device,
The method for producing a visible light responsive titanium oxide supporting material, wherein the support raw material is a carbon precursor.
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