JP2012148920A - Low valence titanium oxide composition, and method for producing the same - Google Patents
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Abstract
【課題】スパッタ時に異常放電が発生することがない低原子価酸化チタンドープ酸化亜鉛ターゲットを作製するのに好適な微粒の低原子価酸化チタン組成物、および該低原子価酸化チタン組成物を極めて安価に作製することが可能な製造方法を提供する。
【解決手段】X線回折プロファイルにおいて、チタンの原子価が4価より低い複数の低原子価酸化チタンのピークを有し、一次粒子径が50nm〜1μmである微粒子状の低原子価酸化チタン組成物であり、二酸化チタンと、カーボンとの混合物を、内圧上昇時に内部の気体を外部に放出できる機能を有する閉鎖系容器中において、大気気流中1000〜1500℃で焼成する工程を経て製造することができる。
【選択図】図1Disclosed is a finely divided low-valent titanium oxide composition suitable for producing a low-valent titanium oxide-doped zinc oxide target that does not cause abnormal discharge during sputtering, and the low-valent titanium oxide composition Provided is a manufacturing method that can be manufactured at low cost.
In an X-ray diffraction profile, a fine low-valent titanium oxide composition having a plurality of low-valent titanium oxide peaks whose titanium valence is lower than tetravalent and a primary particle diameter of 50 nm to 1 μm. A mixture of titanium dioxide and carbon is manufactured through a step of firing at 1000 to 1500 ° C. in an air current in a closed container having a function of releasing the internal gas to the outside when the internal pressure is increased. Can do.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、微粒子状の低原子価酸化チタン組成物およびその製造方法に関し、さらに詳しくは、安価に酸化亜鉛系透明導電性材料のドーパント源として利用できる微粒子状の低原子価酸化チタン組成物およびその量産可能な製造方法に関する。 The present invention relates to a particulate low-valent titanium oxide composition and a method for producing the same, and more specifically, a particulate low-valent titanium oxide composition that can be used as a dopant source for a zinc oxide-based transparent conductive material at low cost, and It relates to a production method capable of mass production.
導電性と光透過性とを兼ね備えた透明導電膜は、これまでから、太陽電池、液晶表示素子、その他各種受光素子における電極などとして利用されているほか、自動車窓や建築用の熱線反射膜、帯電防止膜、冷凍ショーケース等における防曇用透明発熱体など、幅広い用途に利用されている。特に、低抵抗で導電性に優れた透明導電膜は、太陽電池や、液晶、有機エレクトロルミネッセンス、無機エレクトロルミネッセンスなどの液晶表示素子や、タッチパネルなどに好適であることが知られている。 Transparent conductive films that combine electrical conductivity and light transmission have been used as electrodes in solar cells, liquid crystal display elements, and other various light receiving elements, as well as automotive window and heat ray reflective films for buildings, It is used for a wide range of applications such as anti-static films and transparent heating elements for anti-fogging in frozen showcases. In particular, it is known that a transparent conductive film having low resistance and excellent conductivity is suitable for a solar cell, a liquid crystal display element such as a liquid crystal, organic electroluminescence, and inorganic electroluminescence, a touch panel, and the like.
従来、透明導電膜としては、例えば、アンチモンドープ酸化スズ(ATO)膜などの酸化スズ(SnO2)系の薄膜、アルミニウムドープ酸化亜鉛(AZO)膜などの酸化亜鉛(ZnO)系の薄膜、スズドープ酸化インジウム(ITO;Indium Tin Oxide)膜などの酸化インジウム(In2O3)系の薄膜などが知られている。
中でも、最も工業的に利用されているのは酸化インジウム系の透明導電膜であり、とりわけITO膜は、低抵抗で導電性に優れることから、幅広く実用化されている。
Conventionally, as the transparent conductive film, for example, a tin oxide (SnO 2 ) -based thin film such as an antimony-doped tin oxide (ATO) film, a zinc oxide (ZnO) -based thin film such as an aluminum-doped zinc oxide (AZO) film, tin-doped An indium oxide (In 2 O 3 ) -based thin film such as an indium oxide (ITO) film is known.
Among them, the most industrially used is an indium oxide-based transparent conductive film, and in particular, an ITO film is widely used because of its low resistance and excellent conductivity.
しかし、ITO膜の如き酸化インジウム系の透明導電膜は、その必須原料であるIn(インジウム)が、希少金属であるため高価で且つ資源枯渇のおそれがあり、しかも毒性を有し環境や人体に対して悪影響を及ぼす可能性がある。そのため、近年、ITO膜に代替し得る工業的に汎用可能な透明導電膜が要望されている。そのような中、スパッタリング法による工業的製造も可能である酸化亜鉛系透明導電膜が注目されており、その導電性能を高めるべく研究が進められている。 However, an indium oxide-based transparent conductive film such as an ITO film is expensive and may be depleted of resources because In (indium), which is an essential raw material, is a rare metal, and has toxicity and is harmful to the environment and the human body. It may have an adverse effect on it. Therefore, in recent years, an industrially versatile transparent conductive film that can be substituted for an ITO film has been demanded. Under such circumstances, a zinc oxide-based transparent conductive film that can be industrially manufactured by a sputtering method has attracted attention, and research is being conducted to improve its conductive performance.
非特許文献1には、導電性を高めるべくZnOに種々のドーパントをドープさせる試みが報告されている。
Non-Patent
また、本発明者らは、酸化チタン(II)、酸化チタン(III)等の低原子価酸化チタンが酸化亜鉛系透明導電膜に有効なドーパントであることを新規に見出している。この低原子価酸化チタンをドープした酸化亜鉛系透明導電膜は、低抵抗を実現し、化学的耐久性に優れ、太陽電池用透明導電膜に好適な近赤外領域の高透過性という特長を有している。 Further, the present inventors have newly found that low-valent titanium oxides such as titanium (II) oxide and titanium (III) oxide are effective dopants for the zinc oxide-based transparent conductive film. This zinc oxide-based transparent conductive film doped with low-valent titanium oxide realizes low resistance, excellent chemical durability, and high transmittance in the near infrared region suitable for transparent conductive films for solar cells. Have.
このような酸化亜鉛系透明導電膜に用いるドーパントには、TiO(II)、Ti2O3(III)、Ti6O11、Ti5O9、Ti8O15などの低原子価酸化チタンが用いられるが、現在までのところ、微粒子状の酸化チタン(II)、酸化チタン(III)などの低原子価酸化チタンは、工業的規模では得られていない。これは、以下に示すように、二酸化チタン(TiO2)を還元して微粒子状の低原子価酸化チタンを工業的に製造することが難しいことに基づいている。 Low-valent titanium oxides such as TiO (II), Ti 2 O 3 (III), Ti 6 O 11 , Ti 5 O 9 and Ti 8 O 15 are used as dopants for such zinc oxide-based transparent conductive films. Although used, to date, low-valent titanium oxides such as particulate titanium (II) oxide and titanium (III) oxide have not been obtained on an industrial scale. This is based on the fact that it is difficult to industrially produce fine particulate low-valent titanium oxide by reducing titanium dioxide (TiO 2 ) as described below.
これまでの低原子価酸化チタンを工業的に製造するための二酸化チタン(TiO2)の還元方法として、次の(A)〜(D)の各種方法が知られている。
(A)二酸化チタン粉体を水素気流中で高温焼成する水素還元法(例えば、特許文献1参照)。
(B)二酸化チタン粉体をアンモニア(+水素)気流中で高温焼成するアンモニア還元法(例えば、特許文献2参照)。
(C)金属チタン粉体と二酸化チタン粉体を均一に混合した後、還元雰囲気で高温焼成する金属チタン粉体との均一化反応(例えば、特許文献3参照)。
(D)二酸化チタンを水素化ホウ素ナトリウムなどの水素化物と共に還元焼成する方法(例えば、特許文献4参照)。
The following various methods (A) to (D) are known as conventional methods for reducing titanium dioxide (TiO 2 ) for industrially producing low-valent titanium oxide.
(A) A hydrogen reduction method in which titanium dioxide powder is fired at a high temperature in a hydrogen stream (see, for example, Patent Document 1).
(B) An ammonia reduction method in which titanium dioxide powder is calcined at a high temperature in an ammonia (+ hydrogen) stream (see, for example, Patent Document 2).
(C) A homogenization reaction with metal titanium powder that is uniformly mixed with metal titanium powder and titanium dioxide powder and then fired at a high temperature in a reducing atmosphere (see, for example, Patent Document 3).
(D) A method of reducing and firing titanium dioxide together with a hydride such as sodium borohydride (see, for example, Patent Document 4).
しかしながら、これらの方法は、それぞれ下記のような問題点を有している。
(A)水素還元法では、水素気流中高温で還元処理するため、安全性面での問題が大きく、製造プロセスとして高価となる。
(B)アンモニア還元法では、高温雰囲気で分解反応により生成するアクティブな水素、窒素、ラジカルによる還元処理方法であるため、その還元処理により生じる酸素空孔が窒素に置換された、酸窒化チタン(TiOXNY)が生成する。また、アンモニアの分解が約500℃から開始されるため、その生成物は、未還元の二酸化チタンとの混合物となる。そのため、低原子価酸化チタンと酸窒化チタンとの混合物となることを避けられない。
(C)金属チタンとの均一化反応では、超微粒子状の二酸化チタン粉体を入手することは可能であるが、金属チタンは二酸化チタン粉体に比べて大きい粒子径のものしか得られないため、結果的に微粒子状の一酸化チタンを得ることが難しい。
(D)水素化物による還元反応では、気体の水素と比較して取り扱い性に優れた水素化物を用いるため、安全性は高いものの、数百℃程度から水素化物の分解が始まるため、還元力が弱く、そのため、還元して得られた低原子価酸化チタンと未還元の二酸化チタンとの混合物となることが避けられない。
However, each of these methods has the following problems.
(A) In the hydrogen reduction method, since the reduction treatment is performed at a high temperature in a hydrogen stream, the problem in terms of safety is great and the manufacturing process becomes expensive.
(B) Since the ammonia reduction method is a reduction treatment method using active hydrogen, nitrogen, and radicals generated by a decomposition reaction in a high-temperature atmosphere, the oxygen vacancies generated by the reduction treatment are replaced with nitrogen, titanium oxynitride ( TiO x N y ) is produced. In addition, since the decomposition of ammonia starts at about 500 ° C., the product becomes a mixture with unreduced titanium dioxide. Therefore, it is inevitable that the mixture becomes a mixture of low-valent titanium oxide and titanium oxynitride.
(C) In the homogenization reaction with titanium metal, it is possible to obtain ultrafine titanium dioxide powder, but metal titanium can only be obtained with a particle size larger than titanium dioxide powder. As a result, it is difficult to obtain fine particle titanium monoxide.
(D) The hydride reduction reaction uses a hydride that is easier to handle than gaseous hydrogen, so it is highly safe, but the hydride starts decomposing at about several hundred degrees Celsius. Therefore, it is unavoidable to be a mixture of low-valent titanium oxide obtained by reduction and unreduced titanium dioxide.
また、上記(A)〜(D)のいずれの方法も、雰囲気を還元雰囲気にする必要があり、高コストプロセスになってしまうという問題点もある。
従って、工業的規模で微粒子状の低原子価酸化チタンを得ることは難しく、微粒子状の低原子価酸化チタン組成物を工業的規模で製造することはいまだ行われていない。
In addition, any of the above methods (A) to (D) has a problem that the atmosphere needs to be a reducing atmosphere, resulting in a high-cost process.
Therefore, it is difficult to obtain fine particle low-valent titanium oxide on an industrial scale, and production of a fine particle low-valent titanium oxide composition on an industrial scale has not yet been performed.
前記した低原子価酸化チタンをドーパントとして用いた酸化亜鉛系透明導電膜は、酸化亜鉛粉と低原子価酸化チタンを膜原料としたターゲット(焼結体)を用いて各種真空プロセス(スパッタリング法、イオンプレーティング法、パルスレーザー堆積(PLD)法、エレクトロンビーム(EB)蒸着法など)で作製される。
しかし、膜原料である酸化亜鉛粉と従来の製造方法で得られる低原子価酸化チタンを焼結すると、酸化亜鉛粉の一次粒子径は数十nmのナノ粒子から1μm程度であるのに対して、従来の製造方法で得られる低原子価酸化チタンの一次粒子径は少なくとも10μm以上であり、双方の一次粒径のオーダーが異なるため、膜原料が均一に固相焼結しない。そのため、焼結して得られるターゲットには、焼結密度が低いため生成する空孔が存在してしまう。
このような焼結密度が低く空孔が存在するターゲットを用いたスパッタリングでは、ターゲットを含む放電系のインピーダンスがスパッタリング中に変動することに起因して発生するため、スパッタリング装置内で異常放電が多発し、酸化亜鉛系透明導電膜を安定に成膜するのが困難であった。
この異常放電を抑制するには、膜原料を均一に固相焼結し、空孔の生成を抑制する必要があり、そのためには、酸化亜鉛粉と低原子価酸化チタンの一次粒子径ができるだけ差がない、すなわち同じサイズであることが好ましい。
The above-described zinc oxide-based transparent conductive film using low-valent titanium oxide as a dopant uses various vacuum processes (sputtering method, sputtering) using a target (sintered body) using zinc oxide powder and low-valent titanium oxide as film raw materials. The ion plating method, the pulse laser deposition (PLD) method, the electron beam (EB) vapor deposition method, etc.).
However, when zinc oxide powder, which is a film raw material, and low-valent titanium oxide obtained by a conventional manufacturing method are sintered, the primary particle diameter of zinc oxide powder is from about several tens of nanometers to about 1 μm. The primary particle diameter of the low-valent titanium oxide obtained by the conventional production method is at least 10 μm or more, and the order of the primary particle diameters of both are different, so that the film raw material is not uniformly solid-phase sintered. Therefore, in the target obtained by sintering, voids are generated because the sintered density is low.
In sputtering using a target having such a low sintered density and voids, the impedance of the discharge system including the target changes due to fluctuations during sputtering, so abnormal discharge frequently occurs in the sputtering apparatus. However, it has been difficult to stably form a zinc oxide-based transparent conductive film.
In order to suppress this abnormal discharge, it is necessary to solid-phase-sinter the film raw material uniformly to suppress the generation of vacancies. For this purpose, the primary particle diameter of zinc oxide powder and low-valent titanium oxide can be as small as possible. It is preferred that there is no difference, ie the same size.
そこで、本発明の課題は、スパッタ時に異常放電が発生することがない低原子価酸化チタンドープ酸化亜鉛ターゲットを作製するのに好適な微粒子状の低原子価酸化チタン組成物と、該酸化チタン組成物を安価に、工業的レベルで作製することが可能な製造方法とを提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a particulate low-valent titanium oxide composition suitable for producing a low-valent titanium oxide-doped zinc oxide target that does not cause abnormal discharge during sputtering, and the titanium oxide composition. An object of the present invention is to provide a production method capable of producing a product at an industrial level at low cost.
本発明者は、上記問題を解決すべく種々検討した結果、本発明を完成するに到った。 As a result of various studies to solve the above problems, the present inventors have completed the present invention.
すなわち、本発明は、以下の構成からなる。
(1)X線回折プロファイルにおいて、チタンの原子価が4価より低い複数の低原子価酸化チタンのピークを有し、一次粒子径が50nm〜1μmであることを特徴とする、微粒子状の低原子価酸化チタン組成物。
(2)一般式:TiO2-X(X=0.1〜1)で表される複数の低原子価酸化チタンの混合物からなる前記(1)に記載の低原子価酸化チタン組成物。
(3)TiO(II)、Ti2O3(III)、Ti3O5、Ti4O7、Ti6O11、Ti5O9およびTi8O15からなる群より選ばれる少なくとも2種の酸化チタンの混合物からなる前記(1)または(2)に記載の低原子価酸化チタン組成物。
(4)二酸化チタンと、カーボンとの混合物を、内圧上昇時に内部の気体を外部に放出できる機能を有する閉鎖系容器中において、酸素含有ガス気流中1000〜1500℃で焼成する工程を含む、前記(1)〜(3)のいずれかに記載の微粒子状の低原子価酸化チタン組成物を製造することを特徴とする低原子価酸化チタン組成物の製造方法。
(5)前記カーボンが、粒径50nm〜150μmのカーボン粉である(4)に記載の低原子価酸化チタン組成物の製造方法。
That is, this invention consists of the following structures.
(1) The X-ray diffraction profile has a plurality of low-valent titanium oxide peaks whose titanium valence is lower than tetravalent, and the primary particle diameter is 50 nm to 1 μm, and the particulate low Valence titanium oxide composition.
(2) The low valence titanium oxide composition according to (1), comprising a mixture of a plurality of low valence titanium oxides represented by the general formula: TiO 2-X (X = 0.1-1).
(3) At least two kinds selected from the group consisting of TiO (II), Ti 2 O 3 (III), Ti 3 O 5 , Ti 4 O 7 , Ti 6 O 11 , Ti 5 O 9 and Ti 8 O 15 The low-valent titanium oxide composition according to the above (1) or (2), comprising a mixture of titanium oxide.
(4) including a step of firing a mixture of titanium dioxide and carbon at 1000 to 1500 ° C. in an oxygen-containing gas stream in a closed container having a function of releasing an internal gas to the outside when the internal pressure is increased. (1) A method for producing a low-valent titanium oxide composition, comprising producing the particulate low-valent titanium oxide composition according to any one of (1) to (3).
(5) The method for producing a low-valent titanium oxide composition according to (4), wherein the carbon is carbon powder having a particle diameter of 50 nm to 150 μm.
本発明の低原子価酸化チタン組成物を用いると、スパッタリング法、イオンプレーティング法、PLD法、EB蒸着法等によって異常放電の発生がなく、安定に成膜をすることができるターゲットを作製することが可能になる。
また、本発明の製造方法によれば、上記低原子価酸化チタン組成物を安価に作製できるという利点も有するので、工業的規模で製造(量産)することが可能となり、工業的に極めて有用である。
When the low-valence titanium oxide composition of the present invention is used, a target capable of stably forming a film without causing abnormal discharge by sputtering, ion plating, PLD, EB vapor deposition or the like is produced. It becomes possible.
In addition, according to the production method of the present invention, since the low-valent titanium oxide composition can be produced at a low cost, it can be produced (mass produced) on an industrial scale and is extremely useful industrially. is there.
以下、本発明の一実施形態を詳細に説明するが、本発明の要旨を外れない限り、本発明は以下の記載により制限を受けるものではない。 Hereinafter, although one embodiment of the present invention is described in detail, the present invention is not limited by the following description unless it departs from the gist of the present invention.
本発明の低原子価酸化チタン組成物は、X線回折プロファイルにおいて、複数の低原子価酸化チタンのピークを有し、一次粒子径が所定範囲のものであり、二酸化チタン(IV)とカーボンとの混合物を、所定の閉鎖系容器中で、所定条件のもとで焼成する、カーボンによる二酸化チタンの還元工程を経て得られる。 The low-valent titanium oxide composition of the present invention has a plurality of low-valent titanium oxide peaks in the X-ray diffraction profile, and has a primary particle diameter in a predetermined range, and includes titanium (IV), carbon, Is obtained through a reduction process of titanium dioxide with carbon, which is baked under a predetermined condition in a predetermined closed system container.
出発原料となる二酸化チタン(IV)としては、アナターゼ型二酸化チタン、ルチル型二酸化チタン、アモルファス二酸化チタンなどのいずれも用いることができるが、反応性の高さから、特にアナターゼ型二酸化チタンおよびアモルファス二酸化チタンのいずれか、またはそれらの混合物を用いるのが好ましい。 As starting material titanium dioxide (IV), any of anatase type titanium dioxide, rutile type titanium dioxide, amorphous titanium dioxide, etc. can be used. It is preferred to use any of titanium or a mixture thereof.
二酸化チタンの粒子径は、特に限定されないが、粒径の小さい微粒子状の低原子価酸化チタン組成物を得るには、二酸化チタンも粒径の小さいものほど好ましく、例えば、レーザー回折・散乱法等による粒度分布の測定から平均一次粒子径で1μm以下のものが好ましく、また、取扱い性を考慮すると、上記のような平均一次粒子径が50nm以上で800nm以下のものが好ましい。 The particle diameter of titanium dioxide is not particularly limited, but in order to obtain a fine particle low-valence titanium oxide composition having a small particle diameter, titanium dioxide having a smaller particle diameter is preferable. For example, laser diffraction / scattering method, etc. From the measurement of the particle size distribution, the average primary particle size is preferably 1 μm or less, and the above-mentioned average primary particle size is preferably 50 nm or more and 800 nm or less in consideration of handleability.
また、本発明におけるカーボンとしては、カーボンからなるものであればよく、例えば、カーボンブラック、カーボンダイヤモンド、グラファイト、ロンズデーライト、フラーレン、無定形炭素(活性炭、カーボンブラック)、カーボンナノチューブ、グラフェン、カーボンファイバー等のカーボンが主成分である材料であれば、いずれも適用可能である。なかでも、安価に入手可能な無定形炭素(活性炭、カーボンブラック)、黒鉛等を用いるのが好ましい。 Further, the carbon in the present invention may be any carbon as long as it is made of carbon, for example, carbon black, carbon diamond, graphite, ronsdaylite, fullerene, amorphous carbon (activated carbon, carbon black), carbon nanotube, graphene, carbon Any material can be applied as long as the material is mainly composed of carbon such as fiber. Among these, it is preferable to use amorphous carbon (activated carbon, carbon black), graphite or the like that can be obtained at a low cost.
カーボンは、粉末状態であるものが好ましく、粒径が50nm〜150μm、好ましくは100nm〜100μm、より好ましくは200nm〜50μmであるのがよい。粒径が小さすぎると、取り扱い性が悪くなるので、上記範囲内となる適度な粒径であることが望ましい。
また、粒径が150μmを超える粒状のカーボンを用いることは好ましくない。粒状のカーボンを使用しても二酸化チタンの還元反応を進行させることは可能であるが、二酸化チタンを十分に被覆することができないため、一部空気に触れて二酸化チタンを十分に還元できないおそれがあるためである。
上記粉末状態のカーボンの粒度分布は特に指定はないが、すべて上記粒径範囲になくても、その80質量%以上、特に90質量%以上が上記範囲内にあればよい。
The carbon is preferably in a powder state, and the particle size may be 50 nm to 150 μm, preferably 100 nm to 100 μm, more preferably 200 nm to 50 μm. When the particle size is too small, the handleability is deteriorated, so that it is desirable that the particle size is within the above range.
Moreover, it is not preferable to use granular carbon having a particle size exceeding 150 μm. Although it is possible to proceed the reduction reaction of titanium dioxide even if granular carbon is used, there is a possibility that titanium dioxide cannot be sufficiently reduced by touching part of the air because titanium dioxide cannot be sufficiently coated. Because there is.
The particle size distribution of the powdered carbon is not particularly specified, but even if it is not all in the above particle size range, 80% by mass or more, particularly 90% by mass or more may be in the above range.
本発明では、上記二酸化チタンとカーボンとをあらかじめ混合する。使用する二酸化チタンは、粉状であってもよいが、カーボン粉末との分離を容易に行ううえで、二酸化チタン粉末をあらかじめ加圧などによって所定の形状に成形しておくのが好ましい。形状は、錠剤型など任意な形状であればよい。また、成形物の大きさもカーボン粉末で覆うことができる程度の大きさであれば、特に制限されない。 In the present invention, the titanium dioxide and carbon are mixed in advance. The titanium dioxide to be used may be in powder form, but it is preferable that the titanium dioxide powder is preliminarily formed into a predetermined shape by pressurization or the like for easy separation from the carbon powder. The shape may be any shape such as a tablet shape. Further, the size of the molded product is not particularly limited as long as it can be covered with carbon powder.
二酸化チタンに対するカーボンの混合割合は、還元力に影響を与えるため、カーボンで二酸化チタンをできるだけ覆うように、重量比で二酸化チタン:カーボン=1:10〜1:1000であるのがよい。カーボンの混合量が少なすぎると、充分に二酸化チタンの還元反応が進行せず目的とする低原子価酸化チタン組成物が得られにくくなるおそれがあり、カーボンの混合量が多すぎると、二酸化チタンの還元反応がいきすぎ、金属チタンが生成したり、未反応のカーボンが残存したりすることになり、経済的でなくなるおそれがある。 Since the mixing ratio of carbon with respect to titanium dioxide affects the reducing power, it is preferable that titanium dioxide: carbon = 1: 10 to 1: 1000 in weight ratio so as to cover the titanium dioxide with carbon as much as possible. If the mixing amount of carbon is too small, the reduction reaction of titanium dioxide does not proceed sufficiently, and the target low-valent titanium oxide composition may be difficult to obtain. If the mixing amount of carbon is too large, titanium dioxide This reduction reaction is too rapid, and metal titanium is produced or unreacted carbon remains, which may be not economical.
混合物におけるカーボンの混合割合が上記範囲内であれば、カーボンで二酸化チタンを十分被覆できるので、二酸化チタンの還元反応の際、カーボンは、還元反応または空気中の酸素と反応することによって消費されるが、二酸化チタンの還元反応終了後も十分酸化チタンを被覆されている量が存在すればよい。なお、予め、カーボンが還元反応によって消費されることを想定して多量に加えておくことが好ましい。このようにすることによって、大気中で焼成しても、二酸化チタンは酸化されずに、低原子価酸化チタンを作製することが可能になる。そのため、通常の大気雰囲気の炉で、カーボン粉を二酸化チタン(IV)で緻密に覆うことによって、大がかりな不活性雰囲気炉やで還元性ガスを用いずに二酸化チタン(IV)を還元できるので、低コストで低原子価酸化チタンを製造することが可能となる。 If the mixing ratio of carbon in the mixture is within the above range, the carbon dioxide can be sufficiently covered with carbon. Therefore, during the titanium dioxide reduction reaction, the carbon is consumed by the reduction reaction or by reacting with oxygen in the air. However, it suffices that an amount sufficiently coated with titanium oxide is present even after the reduction reaction of titanium dioxide is completed. It is preferable to add a large amount in advance assuming that carbon is consumed by the reduction reaction. In this way, even when baked in the atmosphere, titanium dioxide is not oxidized and low-valent titanium oxide can be produced. Therefore, titanium dioxide (IV) can be reduced without using reducing gas in a large inert atmosphere furnace by covering carbon powder densely with titanium dioxide (IV) in a normal atmospheric furnace. It becomes possible to produce low-valence titanium oxide at low cost.
本発明では、混合物を反応容器に入れて二酸化チタンの還元反応を進行させる。反応容器としては、容器内部の圧力が上昇したときに容器内部の気体を外部に放出して容器内部の圧力を下げる機能を有する閉鎖系容器を使用するのがよい。このように、内圧上昇時に容器内部の気体を外部に放出する機能を有する閉鎖系容器を用いるのは、カーボンによる二酸化チタンの還元反応が始まると急激に反応が進行し、それに伴って温度が上昇して、容器内部の気体が膨張し、それによって、容器の破裂が生じて危険を招くおそれがあることから、容器内部の圧力が上昇したときに容器内部の気体を外部に放出して容器内部の圧力を下げ、安全性を確保するためである。
なお、二酸化チタンの還元反応中に閉鎖系容器内に発生する気体は、後述する還元メカニズムの考察により、主として二酸化炭素および一酸化炭素であると考えられる。
In the present invention, the mixture is placed in a reaction vessel and the reduction reaction of titanium dioxide proceeds. As the reaction vessel, it is preferable to use a closed vessel having a function of lowering the pressure inside the vessel by releasing the gas inside the vessel to the outside when the pressure inside the vessel rises. As described above, the use of a closed container having a function of releasing the gas inside the container to the outside when the internal pressure is increased is because the reaction rapidly proceeds when the reduction reaction of titanium dioxide by carbon starts, and the temperature rises accordingly. Then, the gas inside the container expands, which may cause a risk of rupture of the container, and when the pressure inside the container rises, release the gas inside the container This is to reduce the pressure and secure safety.
In addition, it is thought that the gas generated in the closed vessel during the reduction reaction of titanium dioxide is mainly carbon dioxide and carbon monoxide based on the consideration of the reduction mechanism described later.
また、閉鎖系容器は、反応物が積極的に大気中の酸素と反応して、還元され生成した低原子価酸化チタンが、さらに酸化され、元の二酸化チタンに戻ることを防ぐ機能、すなわち閉鎖系容器内への酸素の流入を抑制する機能を有する。
閉鎖系容器における閉鎖系とは、完全に密閉化していてもよいし、また、完全に密閉化されていなくても、大気に触れるのをある程度抑制できればよいという意味であり、また、必要時に閉鎖系になっていればよいという意味であって、当然、混合物の充填や反応物の取出しにあたっては、その閉鎖系が解除できるものである。
このように、本発明では、混合物を焼成する工程において、閉鎖系容器中でカーボンが二酸化チタン(IV)を緻密に覆い、かつ閉鎖系容器により容器内への酸素の流入を抑制できるので、大気中で混合物を焼成しても、還元された二酸化チタンがさらに酸化されるのを防ぐことができる。
In addition, the closed system container is a function that prevents the reactant from reacting with oxygen in the atmosphere and reducing and reducing low-valent titanium oxide to be further oxidized and returned to the original titanium dioxide. It has a function of suppressing the inflow of oxygen into the system container.
The closed system in a closed container means that the container may be completely sealed, or even if it is not completely sealed, it is only necessary to suppress exposure to the air to some extent, and it is closed when necessary. In other words, the closed system can be canceled when filling the mixture or taking out the reactant.
Thus, in the present invention, in the step of firing the mixture, the carbon covers titanium dioxide (IV) densely in the closed container, and the closed container can suppress the inflow of oxygen into the container. Even if the mixture is fired therein, the reduced titanium dioxide can be prevented from being further oxidized.
本発明における焼成は、混合物が充填された所定の閉鎖系容器を、焼成炉内に入れて行なう。焼成炉としては、特に限定されず、例えば、電気炉など各種焼成炉が挙げられる。
低原子価酸化チタン組成物を生成させるための焼成温度、すなわちカーボンによる二酸化チタンの還元反応(以下、簡略化して、「上記還元反応」または「還元反応」という場合がある)時の温度は、1000℃以上1500℃以下、好ましくは1100℃以上1400℃以下であるのがよい。焼成温度が1000℃より低いと、カーボンの還元作用が発現しないおそれがあり、焼成温度が1500℃より高いと、焼結が進んで緻密化し、得られた低原子価酸化チタンは機械的粉砕では解砕することができず、微粒子が得られなくなるとなるおそれがある。
焼成時間、すなわち還元反応時間は、焼成温度や二酸化チタンの量などによって適宜調整すればよく、通常30分〜4時間、より好ましくは1時間〜2時間程度であるのがよい。
The firing in the present invention is performed by placing a predetermined closed system container filled with the mixture in a firing furnace. It does not specifically limit as a baking furnace, For example, various baking furnaces, such as an electric furnace, are mentioned.
The firing temperature for generating the low-valent titanium oxide composition, that is, the temperature at the time of the reduction reaction of titanium dioxide with carbon (hereinafter sometimes simply referred to as “the above reduction reaction” or “reduction reaction”), The temperature is 1000 ° C. or higher and 1500 ° C. or lower, preferably 1100 ° C. or higher and 1400 ° C. or lower. When the firing temperature is lower than 1000 ° C, there is a possibility that the reduction action of carbon may not be exhibited. When the firing temperature is higher than 1500 ° C, the sintering proceeds and becomes dense, and the obtained low-valent titanium oxide is not mechanically pulverized. There is a possibility that it cannot be crushed and fine particles cannot be obtained.
The firing time, that is, the reduction reaction time, may be appropriately adjusted depending on the firing temperature, the amount of titanium dioxide and the like, and is usually 30 minutes to 4 hours, more preferably about 1 hour to 2 hours.
還元メカニズムとしては、カーボンが直接、二酸化チタン(IV)と反応して、二酸化チタン(IV)を還元し、カーボンは二酸化炭素となる反応と、カーボンが大気中の酸素に酸化され、生成した一酸化炭素が酸化チタン(IV)と反応して、二酸化チタン(IV)を還元する反応との2種類の反応が主に進行していると考えられる。
また、後者の反応は、一酸化炭素の還元能力を利用しており、カーボンを一酸化炭素にするために、大気雰囲気で行う必要がある。
As a reduction mechanism, carbon directly reacts with titanium dioxide (IV) to reduce titanium dioxide (IV), carbon becomes carbon dioxide, and carbon is oxidized to oxygen in the atmosphere. It is considered that two types of reactions, ie, a reaction in which carbon oxide reacts with titanium oxide (IV) and titanium dioxide (IV) is reduced, mainly proceed.
Further, the latter reaction utilizes the reducing ability of carbon monoxide, and it is necessary to perform it in an air atmosphere in order to convert carbon to carbon monoxide.
得られた反応物は、反応容器から取り出し、最終的には室温まで冷却した後、カーボンと低原子価酸化チタンを分離する。
カーボンと低原子価酸化チタンを分離する方法としては、特に限定されず、例えば、二酸化チタンを錠剤状とした混合物を用いた場合には錠剤を選択的に取り出す方法;篩による方法;乾燥機に送風した気流により微粉を分離しサイクロン、バッグフィルターなどで回収する風力分級による方法などが挙げられる。
The obtained reactant is taken out from the reaction vessel and finally cooled to room temperature, and then carbon and low-valent titanium oxide are separated.
The method for separating carbon and low-valent titanium oxide is not particularly limited. For example, when a mixture of titanium dioxide in tablet form is used, a method for selectively removing tablets; a method using a sieve; For example, a method by air classification in which fine powder is separated by a blown air flow and collected by a cyclone, a bag filter, or the like.
分離した低原子価酸化チタンは、粉砕処理が施されてもよい。
粉砕処理する方法としては、後述する低原子価酸化チタンの一次粒子径の範囲内に粉砕することができれば特に限定されず、例えば、粉砕機としては、例えば、メディアを使用する場合、ビーズミル、ボールミル、遊星ミル、サンドグラインダー、振動ミルまたはアトライター等の装置を備えた粉砕機による方法、メディアを使用しないジェットミル、ナノマイザー、スターバースト等の湿式超高圧微粒化装置による方法などが挙げられる。
The separated low valence titanium oxide may be subjected to a grinding treatment.
The pulverization method is not particularly limited as long as it can be pulverized within the range of the primary particle diameter of low-valent titanium oxide described later. For example, as a pulverizer, for example, when using media, a bead mill, a ball mill And a method using a pulverizer equipped with an apparatus such as a planetary mill, a sand grinder, a vibration mill or an attritor, and a method using a wet ultrahigh pressure atomizer such as a jet mill without using media, a nanomizer, or a starburst.
このようにして、得られた低原子価酸化チタンは、X線回折プロファイルにおいて、複数の低原子価酸化チタンのピークを有する。
前記した低原子価酸化チタンとは、TiO2(IV)は含まれず、TiO(II)、Ti2O3(III)という整数の原子価を有するものばかりでなく、Ti3O5、Ti4O7、Ti6O11、Ti5O9、Ti8O15等も含む、一般式TiO2-X(X=0.1〜1)で表される範囲のものである。
本発明における低原子価酸化チタンは、一般式TiO2-Xの化学式で表される新規な低原子価酸化チタンである。この低原子価酸化チタンの結晶構造は、X線回折装置(X-Ray Diffraction、XRD)、X線光電子分光装置(X-ray Photoelectron Spectroscopy、XPS)などの機器分析の結果によって確認することができる。
Thus, the obtained low valence titanium oxide has a plurality of low valence titanium oxide peaks in the X-ray diffraction profile.
The above-mentioned low-valence titanium oxide does not include TiO 2 (IV), and includes not only those having an integer valence of TiO (II) and Ti 2 O 3 (III), but also Ti 3 O 5 and Ti 4. O 7, Ti 6 O 11, Ti 5 O 9, Ti 8 O 15 and the like including, but in the range represented by the general formula TiO 2-X (X = 0.1~1 ).
The low-valent titanium oxide in the present invention is a novel low-valent titanium oxide represented by a chemical formula of the general formula TiO 2 -X . The crystal structure of this low-valence titanium oxide can be confirmed by the results of instrumental analysis using an X-ray diffraction device (X-Ray Diffraction, XRD), an X-ray photoelectron spectrometer (XPS), or the like. .
本発明において、その対象を微粒子状の低原子価酸化チタン組成物としているのは、チタンの原子価が等しい酸化物のみからなる単成分酸化物でなく、チタンの原子価が異なる酸化物の混合物、すなわち低原子価酸化チタンの混合物であるからである。 In the present invention, the target is a fine particle low-valence titanium oxide composition, which is not a single-component oxide consisting only of oxides having the same titanium valence, but a mixture of oxides having different titanium valences. That is, it is a mixture of low-valent titanium oxide.
本発明の低原子価酸化チタン組成物の一次粒子径は、レーザー回折・散乱法による粒度分布の測定から50nm〜1μm、好ましくは100nm〜700nmのサイズである。一次粒子径が50nmよりも小さい場合は、原料である二酸化チタンの一次粒子径を50nmより小さくする必要があり、カーボンによる還元反応の工程において二酸化チタンの焼結が進行し緻密化するため、機械的粉砕等で砕くことも不可能な実質的に粗大粒子である焼結体となってしまう。そのため、本発明では、一次粒子径を50nmより小さい微粒子状の低原子価酸化チタンを得ることはできない。
一次粒子径が1μmより大きいと、ドーパントとして用いた際に、焼結して得られるターゲット(焼結体)の焼結密度が低下するおそれがある。
一次粒子径が上記範囲内であれば、機械的粉砕が可能となる。
The primary particle diameter of the low-valent titanium oxide composition of the present invention is 50 nm to 1 μm, preferably 100 nm to 700 nm, as measured by particle size distribution by a laser diffraction / scattering method. When the primary particle size is smaller than 50 nm, it is necessary to make the primary particle size of titanium dioxide, which is a raw material, smaller than 50 nm. It becomes a sintered body that is substantially coarse particles that cannot be crushed by mechanical pulverization or the like. Therefore, in the present invention, it is not possible to obtain a fine particle low-valence titanium oxide having a primary particle diameter of less than 50 nm.
If the primary particle diameter is larger than 1 μm, the sintering density of the target (sintered body) obtained by sintering may be reduced when used as a dopant.
If the primary particle diameter is within the above range, mechanical pulverization is possible.
本発明の低原子価酸化チタン組成物は、スパッタ時に異常放電が発生することがない低原子価酸化チタンドープ酸化亜鉛系透明導電膜ターゲットを作製するのに、好適な微粒であり、上述したように二酸化チタンを原料として極めて安価に、工業的レベルで製造することできる。
また、本発明の低原子価酸化チタンは、黒色顔料として黒色の塗料や、液晶カラーフィルターのブラックマトリクス(BM)等にも好適に用いられる。
The low-valent titanium oxide composition of the present invention is a fine particle suitable for producing a low-valent titanium oxide-doped zinc oxide-based transparent conductive film target in which abnormal discharge does not occur during sputtering, as described above. In addition, it can be manufactured at an industrial level at a very low cost using titanium dioxide as a raw material.
The low-valent titanium oxide of the present invention is also suitably used for black paint as a black pigment, black matrix (BM) for liquid crystal color filters, and the like.
つぎに、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。ただし、本発明は実施例に例示のものに限られることはない。 Next, the present invention will be described more specifically with reference to examples. However, the present invention is not limited to the examples illustrated in the examples.
実施例および比較例における各物性の測定については、以下の方法で行った。 About the measurement of each physical property in an Example and a comparative example, it carried out with the following method.
(比表面積)
比表面積は、日本ベル(株)製の「BELSORP−mini」を用い、窒素吸着法により測定した。
(Specific surface area)
The specific surface area was measured by a nitrogen adsorption method using “BELSORP-mini” manufactured by Nippon Bell Co., Ltd.
(X線回折分析)
X線回折プロファイルを求めるためのX線回折分析は、スペクトリス(株)製のX線回折装置「X'Pert PRO」(商品名)により、CuK痾線を用いて印加電圧45kV,印加電流40mAで、θ−2θ法で行った。
(X-ray diffraction analysis)
X-ray diffraction analysis for obtaining an X-ray diffraction profile was performed using an X-ray diffractometer “X'Pert PRO” (trade name) manufactured by Spectris Co., Ltd. using a CuK X-ray with an applied voltage of 45 kV and an applied current of 40 mA. , Θ-2θ method.
(一次粒子径測定)
低原子価酸化チタンの一次粒子径は、マイクロトラック粒度分布計(日機装(株)製の「MT−3000II」)にて、低原子価酸化チタンをヘキサメタリン酸ナトリウム溶液中に入れ、ホモジナイザで10分間分散した試料にレーザー光線を照射し、その回折(散乱)を測定して求めた。
(Primary particle size measurement)
The primary particle size of the low valent titanium oxide was determined by placing the low valent titanium oxide in a sodium hexametaphosphate solution with a Microtrac particle size distribution meter (“MT-3000II” manufactured by Nikkiso Co., Ltd.) and using a homogenizer for 10 minutes. The dispersed sample was irradiated with a laser beam and its diffraction (scattering) was measured.
(実施例1)
比表面積の測定値から粒径換算した平均一次粒子径370nmのルチル型二酸化チタン(和光純薬工業(株)製)20gを金型に入れ、1MPaで軽く加圧し、直径30mmで厚み10mmの円盤型の錠剤を得た。
該円盤型の錠剤20gと、活性炭〔大平化学産業(株)製、平均粒径20〜30μm〕100gをステンレス鋼製容器に入れ、該容器を電気炉に入れた後、大気雰囲気中、1200℃で2時間加熱処理を行った。
加熱処理後、室温まで自然放冷を行った。その後、錠剤を取り出し、該錠剤と2mmΦジルコニア製ボールと溶媒としてエタノールを入れ、錠剤の粉砕を行い、粉末状の酸化チタンを得た。次いで、得られた酸化チタンのX線回折プロファイルを求めた。その結果を図1および図2に示す。
Example 1
20 g of rutile type titanium dioxide (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) having an average primary particle diameter of 370 nm converted from the measured value of the specific surface area is placed in a mold, lightly pressurized at 1 MPa, a disk having a diameter of 30 mm and a thickness of 10 mm Molded tablets were obtained.
20 g of the disk-shaped tablet and 100 g of activated carbon (manufactured by Ohira Chemical Industry Co., Ltd., average particle size 20-30 μm) are placed in a stainless steel container, and the container is placed in an electric furnace, and then 1200 ° C. in an air atmosphere. For 2 hours.
After the heat treatment, it was naturally cooled to room temperature. Then, the tablet was taken out, ethanol was added as the tablet, 2 mmΦ zirconia balls and solvent, and the tablet was pulverized to obtain powdered titanium oxide. Next, an X-ray diffraction profile of the obtained titanium oxide was obtained. The results are shown in FIG. 1 and FIG.
なお、上記ステンレス鋼製容器は、加熱により容器内部の気体が膨張して圧力が上昇したときに、フタがその圧力によって持ち上がり、容器内部の気体を外部に放出し、容器内部の圧力が低下すると、フタの自重で容器本体を覆うので、内圧上昇時に容器内部の気体を外部に放出できる機能を有する閉鎖系容器である。 In addition, when the gas inside the container expands due to heating and the pressure rises due to the heating, the lid lifts by the pressure, releases the gas inside the container to the outside, and the pressure inside the container decreases. Since the container body is covered with its own weight, it is a closed container having a function of releasing the gas inside the container to the outside when the internal pressure is increased.
図1(a)実施例1で得られた酸化チタンのX線回折測定結果を示した図であり、(b)は、上から該測定結果、Ti6O11、Ti5O9、Ti8O15のそれぞれのピークリストを示した図である。図2は、実施例1で得られた酸化チタンの同定パターンリストである。
図1および図2のX線回折プロファイルに示すように、実施例1の酸化チタン組成物は、Ti6O11、Ti5O9、Ti8O15の混合物、すなわち低原子価酸化チタン組成物であることが確認された。
また、上記のようにして得られた実施例1の低原子価酸化チタン組成物の一次粒子径を測定したところ、0.5μmであった。
FIG. 1 (a) is a view showing the result of X-ray diffraction measurement of titanium oxide obtained in Example 1, and FIG. 1 (b) shows the result of measurement from above, Ti 6 O 11 , Ti 5 O 9 , Ti 8. is a diagram showing respective peak list O 15. FIG. 2 is an identification pattern list of titanium oxide obtained in Example 1.
As shown in the X-ray diffraction profiles of FIGS. 1 and 2, the titanium oxide composition of Example 1 is a mixture of Ti 6 O 11 , Ti 5 O 9 and Ti 8 O 15 , that is, a low-valence titanium oxide composition. It was confirmed that.
Moreover, it was 0.5 micrometer when the primary particle diameter of the low valence titanium oxide composition of Example 1 obtained as mentioned above was measured.
粒子サイズも小さく(0.5μm)、低原子価酸化チタン組成物を大気雰囲気にて、活性炭を用いるという極めてシンプルかつ安価な方法で得ることができた。酸化亜鉛のドーパントとして好適な粒子サイズであった。 The particle size was small (0.5 μm), and a low-valent titanium oxide composition could be obtained by an extremely simple and inexpensive method using activated carbon in the air atmosphere. The particle size was suitable as a zinc oxide dopant.
(比較例1)
比表面積の測定値から粒径換算した平均一次粒径340nmのルチル型二酸化チタン(和光純薬工業(株)製、平均粒径0.37μm)10gを金型に入れ、1MPaで軽く加圧し、円盤型の錠剤を得、該円盤型の錠剤をステンレス鋼製容器に入れた他は実施例1と同様にして、粉末状の酸化チタンを得た。
大気中で焼成のため、ルチル型二酸化チタンのままで変化なかった。
(Comparative Example 1)
10 g of rutile type titanium dioxide (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., average particle size 0.37 μm) having an average primary particle size of 340 nm converted from the measured value of the specific surface area was placed in a mold and lightly pressurized at 1 MPa, A disk-shaped tablet was obtained, and powdered titanium oxide was obtained in the same manner as in Example 1 except that the disk-shaped tablet was placed in a stainless steel container.
Due to firing in the air, the rutile type titanium dioxide remained unchanged.
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を外れない限りにおいて、種々の改良や変更が可能であることはいうまでもない。 As mentioned above, although embodiment of this invention was described, it cannot be overemphasized that this invention is not limited to the said embodiment, A various improvement and change are possible unless it deviates from the summary of this invention. Absent.
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| CN104973622A (en) * | 2015-02-12 | 2015-10-14 | 四川大学 | A preparation method of photoinduced phase change storage powder material λ-Ti3O5 |
| CN105692694A (en) * | 2016-02-29 | 2016-06-22 | 西安电子科技大学 | Preparation method of Ti3O5/TiO2 mixed crystal nanofiber |
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