特許 7586108 光触媒

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-11-11

(45)【発行日】2024-11-19

(54)【発明の名称】光触媒

(51)【国際特許分類】

   B01J 35/39 20240101AFI20241112BHJP

   B01J 23/86 20060101ALI20241112BHJP

【ＦＩ】

B01J35/39

B01J23/86 M

【請求項の数】 2

(21)【出願番号】P 2022016887

(22)【出願日】2022-02-07

(65)【公開番号】P2023114537

(43)【公開日】2023-08-18

【審査請求日】2023-09-19

(73)【特許権者】

【識別番号】000006231

【氏名又は名称】株式会社村田製作所

(74)【代理人】

【識別番号】110001195

【氏名又は名称】弁理士法人深見特許事務所

(74)【代理人】

【識別番号】100130638

【弁理士】

【氏名又は名称】野末 貴弘

(74)【代理人】

【氏名又は名称】西澤 均

(72)【発明者】

【氏名】新見 秀明

【審査官】安齋 美佐子

(56)【参考文献】

【文献】特表２００５－５２１５５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】Chemistry Letters，2016年， vol.45，p.967-969，DOI:10.1246/cl.160428

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ０１Ｊ ２１／００－３８／７４

Ｃ０１Ｂ ３／０４

Ｃ０１Ｇ ２３／００，２３／０４７

Ｃ２５Ｂ １／５５，３／２１

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０／ＪＳＴＣｈｉｎａ（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

ＣＡｐｌｕｓ／ＲＥＧＩＳＴＲＹ（ＳＴＮ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

チタン酸化物にＦｅＣｒ酸化物が担持されており、
前記チタン酸化物は、ＢａＴｉ _４ Ｏ _９ を主成分として含み、
前記ＦｅＣｒ酸化物に含まれるＦｅとＣｒの合計含有量に対するＦｅの含有量の原子比Ｆｅ／（Ｆｅ＋Ｃｒ）は、０．６０以上０．９０以下であることを特徴とする光触媒。

【請求項2】

前記原子比Ｆｅ／（Ｆｅ＋Ｃｒ）は、０．７０以上０．９０以下であることを特徴とする請求項１に記載の光触媒。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光触媒に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、光エネルギーを用いて水を分解し、水素を得るために用いられる光触媒の研究が進められている。より多くの水素を得るため、光触媒は、水の分解活性が高いことが好ましい。

【0003】

特許文献１には、水の分解活性を高めることを目的として、希土類元素、アルカリ土類金属元素、チタン属元素のうちのいずれかの元素を組み込んだチタン酸バリウム塩に、酸化ルテニウム、酸化イリジウムまたは酸化タンタルの単独酸化物または少なくとも２種類の上記酸化物の混合物を担持させた光触媒が記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開７－８８３７０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、特許文献１に記載の光触媒は、酸化ルテニウムや酸化イリジウムなどの希少金属を使用するものであるため、コストがかかるとともに、環境保全の観点から好ましくない。

【0006】

本発明は、上記課題を解決するものであり、希少金属を使用することなく、水の分解活性が高い光触媒を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の光触媒は、チタン酸化物にＦｅＣｒ酸化物が担持されており、
前記ＦｅＣｒ酸化物に含まれるＦｅとＣｒの合計含有量に対するＦｅの含有量の原子比Ｆｅ／（Ｆｅ＋Ｃｒ）は、０．６０以上０．９０以下であることを特徴とする。

【発明の効果】

【0008】

本発明の光触媒は、希少金属が含まれていないが活性が高い。したがって、水の分解により、多くの水素を発生させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本発明の光触媒の構造を模式的に示す図である。

【図2】光触媒の活性を評価するために用いた装置の構成を模式的に示す図である。

【図3】第１の実施形態における光触媒の助触媒であるＦｅＣｒ酸化物に含まれるＦｅとＣｒの含有量に対するＦｅの含有量の原子比Ｆｅ／（Ｆｅ＋Ｃｒ）と、混合ガス中の水素の含有割合との関係を示す図である。

【図4】第２の実施形態における光触媒の助触媒であるＦｅＣｒ酸化物に含まれるＦｅとＣｒの含有量に対するＦｅの含有量の原子比Ｆｅ／（Ｆｅ＋Ｃｒ）と、混合ガス中の水素の含有割合との関係を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

図１は、本発明の光触媒１０の構造を模式的に示す図である。本発明による光触媒１０は、チタン酸化物１１にＦｅＣｒ酸化物１２が担持された構造を有し、酸化ルテニウムや酸化イリジウムなどの希少金属を含まない。ＦｅＣｒ酸化物１２に含まれるＦｅとＣｒの合計含有量に対するＦｅの含有量の原子比Ｆｅ／（Ｆｅ＋Ｃｒ）は、０．６０以上０．９０以下である。

【0011】

以下に本発明の実施形態を示して、本発明の特徴を具体的に説明する。

【0012】

＜第１の実施形態＞
第１の実施形態における光触媒１０において、チタン酸化物１１は、ＴｉＯ₂を主成分として含む。ＴｉＯ₂を主成分として含むとは、モル比で５０％以上の成分がＴｉＯ₂であることを意味し、ＴｉＯ₂以外の成分が含まれていてもよい。

【0013】

助触媒であるＦｅＣｒ酸化物１２は、ＦｅとＣｒが主成分の酸化物である。

【0014】

（実施例１）
硝酸Ｆｅ水溶液および硝酸Ｃｒ水溶液を所望の組成比および量で配合した水溶液に、ＴｉＯ₂の原料粉を浸漬して攪拌した後、１５０℃に設定したホットプレートで加熱して乾燥物を得た。その後、乾燥物を、大気中５００℃で熱処理することによって硝酸を揮発させてＦｅＣｒ酸化物を結晶化させることにより、チタン酸化物であるＴｉＯ₂に、助触媒であるＦｅＣｒ酸化物を担持させた光触媒の粉体を作製した。なお、ＦｅＣｒ酸化物の担持量は、ＴｉＯ₂に対して１重量％とした。

【0015】

作製した光触媒の活性を、以下の方法により評価した。

【0016】

図２は、光触媒の活性を評価するために用いた装置の構成を模式的に示す図である。シャーレ２１に、作製した光触媒の粉体０．３ｇと純水１ｇを混合して得られるスラリーを入れた。そして、そのシャーレ２１を密封容器２２内に入れた後、石英ガラスからなる蓋２３をして密封した。なお、石英ガラスからなる蓋２３は、紫外線を透過させる。

【0017】

続いて、１リットルのアルゴンガスを満たしたパック２４から、送風ポンプ２５を用いて、アルゴンガスを送出させて、１ｃｃ／分の量のアルゴンガスを循環させた。すなわち、パック２４内のアルゴンガスを、密封容器２２内を通過して、再びパック２４内へと戻るように循環させた。なお、アルゴンガスは、水の分解により発生した水素が酸素等と反応することを抑制するために、密封容器２２内に導入させた。

【0018】

続いて、石英ガラスからなる蓋２３を介して、シャーレ２１内のスラリーに紫外線を照射した。スラリーに紫外線を照射することによって水の分解が生じ、水素が発生する。この状態を１時間継続し、１時間後の混合ガス中の水素の含有割合をガスクロマトグラフィーにより求めた。混合ガス中の水素の含有割合は、アルゴンと水素の混合ガス中の水素の含有割合を意味する。

【0019】

なお、紫外線の照射源として、２００Ｗの水銀キセノンランプを用いた。この水銀キセノンランプは、４ｃｍ□の範囲に均一に紫外線を照射することができるので、平面視で直径が３ｃｍの円形のシャーレ２１の全体に紫外線を照射することが可能である。

【0020】

ここでは、光触媒の助触媒であるＦｅＣｒ酸化物に含まれるＦｅとＣｒの含有量に対するＦｅの含有量の原子比Ｆｅ／（Ｆｅ＋Ｃｒ）を変更したときの水素の発生量を調べた。上記原子比Ｆｅ／（Ｆｅ＋Ｃｒ）と、混合ガス中の水素の割合との関係を表１に示す。また、上記原子比Ｆｅ／（Ｆｅ＋Ｃｒ）を横軸に、混合ガス中の水素の含有割合を縦軸にとったグラフを図３に示す。

【0021】

【表1】

【0022】

表１および図３に示すように、ＦｅＣｒ酸化物に含まれるＦｅとＣｒの含有量に対するＦｅの含有量の原子比Ｆｅ／（Ｆｅ＋Ｃｒ）が０．６０以上０．９０以下の場合に、混合ガス中の水素の割合は、０．００５％以上となった。

【0023】

すなわち、チタン酸化物であるＴｉＯ₂に、ＦｅとＣｒの合計含有量に対するＦｅの含有量の原子比Ｆｅ／（Ｆｅ＋Ｃｒ）が０．６０以上０．９０以下であるＦｅＣｒ酸化物を助触媒として担持させた第１の実施形態における光触媒１０は、触媒活性が高く、水の分解により発生する水素の量が多い。

【0024】

また、表１および図３に示すように、上記原子比Ｆｅ／（Ｆｅ＋Ｃｒ）が０．７０以上０．９０以下の場合に、混合ガス中の水素の割合は、０．００７８％以上とさらに高くなった。したがって、第１の実施形態における光触媒１０において、上記原子比Ｆｅ／（Ｆｅ＋Ｃｒ）は、０．７０以上０．９０以下であることが好ましい。

【0025】

＜第２の実施形態＞
第２の実施形態における光触媒１０も、チタン酸化物１１にＦｅＣｒ酸化物１２が助触媒として担持された構造を有する。本実施形態において、チタン酸化物１１は、ＢａＴｉ₄Ｏ₉を主成分として含む。ＢａＴｉ₄Ｏ₉を主成分として含むとは、モル比で５０％以上の成分がＢａＴｉ₄Ｏ₉であることを意味し、ＢａＴｉ₄Ｏ₉以外の成分が含まれていてもよい。また、チタン酸化物１１に、ＢａＴｉ₄Ｏ₉とは異なる組成比のチタン酸バリウムが含まれていてもよい。

【0026】

（実施例２）
ＢａＣＯ₃とＴｉＯ₂の原料粉を、ＢａＣＯ₃：ＴｉＯ₂＝１：４のモル比で配合し、水とジルコニアビーズとともにポットミルの中に入れて５時間混合して乾燥させた後、大気中１１００℃で熱処理することによって、ＢａＴｉ₄Ｏ₉の粉体を得た。

【0027】

続いて、硝酸Ｆｅ水溶液および硝酸Ｃｒ水溶液を所望の組成比および量で配合した水溶液に、ＢａＴｉ₄Ｏ₉の粉体を浸漬して攪拌した後、１５０℃に設定したホットプレートで加熱して乾燥物を得た。その後、乾燥物を、大気中５００℃で熱処理することによって硝酸を揮発させてＦｅＣｒ酸化物を結晶化させることにより、チタン酸化物であるＢａＴｉ₄Ｏ₉に、助触媒であるＦｅＣｒ酸化物を担持させた光触媒の粉体を作製した。なお、ＦｅＣｒ酸化物の担持量は、ＢａＴｉ₄Ｏ₉に対して１重量％とした。

【0028】

作製した実施例２の光触媒の活性を、実施例１の光触媒の活性を評価した方法と同じ方法で評価した。実施例２の光触媒のＦｅＣｒ酸化物に含まれるＦｅとＣｒの合計含有量に対するＦｅの含有量の原子比Ｆｅ／（Ｆｅ＋Ｃｒ）と、混合ガス中の水素の割合との関係を表２に示す。また、上記原子比Ｆｅ／（Ｆｅ＋Ｃｒ）を横軸に、混合ガス中の水素の含有割合を縦軸にとったグラフを図４に示す。

【0029】

【表2】

【0030】

表２および図４に示すように、ＦｅＣｒ酸化物に含まれるＦｅとＣｒの含有量に対するＦｅの含有量の原子比Ｆｅ／（Ｆｅ＋Ｃｒ）が０．６０以上０．９０以下の場合に、混合ガス中の水素の割合は、０．０２１％以上となった。

【0031】

すなわち、チタン酸化物であるＢａＴｉ₄Ｏ₉に、ＦｅとＣｒの合計含有量に対するＦｅの含有量の原子比Ｆｅ／（Ｆｅ＋Ｃｒ）が０．６０以上０．９０以下であるＦｅＣｒ酸化物を助触媒として担持させた第２の実施形態における光触媒１０は、触媒活性が高く、水の分解により発生する水素の量が多い。

【0032】

また、表２および図４に示すように、上記原子比が０．７０以上０．９０以下の場合に、混合ガス中の水素の割合は、０．０３１％以上とさらに高くなった。したがって、第２の実施形態における光触媒１０において、上記原子比Ｆｅ／（Ｆｅ＋Ｃｒ）は、０．７０以上０．９０以下であることが好ましい。

【0033】

上記原子比Ｆｅ／（Ｆｅ＋Ｃｒ）を同一として、第１の実施形態における光触媒１０と、第２の実施形態における光触媒１０を比較すると、第２の実施形態における光触媒１０の方が水の分解により発生する水素の量は多い。したがって、チタン酸化物１１として、ＢａＴｉ₄Ｏ₉を主成分として含むことが好ましい。

【0034】

本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内において、種々の応用、変形を加えることが可能である。例えば、チタン酸化物１１として、ＴｉＯ₂を主成分として含むもの、および、ＢａＴｉ₄Ｏ₉を主成分として含むものを例に挙げたが、チタン酸化物１１がそれらに限定されることはない。例えば、チタン酸化物１１は、ＢａＴｉ₄Ｏ₉とは異なる組成比のチタン酸バリウムを主成分として含むものであってもよいし、チタン酸ストロンチウムを主成分として含むものであってもよい。

【符号の説明】

【0035】

１０ 光触媒
１１ チタン酸化物
１２ ＦｅＣｒ酸化物
２１ シャーレ
２２ 密封容器
２３ 蓋
２４ パック
２５ 送風ポンプ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】