JPH1015394A - 光触媒 - Google Patents

光触媒

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JPH1015394A
JPH1015394A JP8178851A JP17885196A JPH1015394A JP H1015394 A JPH1015394 A JP H1015394A JP 8178851 A JP8178851 A JP 8178851A JP 17885196 A JP17885196 A JP 17885196A JP H1015394 A JPH1015394 A JP H1015394A
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JP
Japan
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photocatalyst
elements
hydrogen
band gap
present
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Pending
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JP8178851A
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English (en)
Inventor
Kiyoaki Shinohara
清晃 篠原
Akira Tanaka
彰 田中
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Nikon Corp
Original Assignee
Nikon Corp
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Publication date
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    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/36Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis

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  • Catalysts (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 複合酸化物から成る光触媒であって、連続的
に任意に光学的バンドギャップを調節することのできる
光触媒を提供する。 【解決手段】 光触媒を一般式(I):ABX 2-X
3-X X 10-Xで表した場合、式(I)において、Aは
アルカリ金属元素及び水素から成る群から選択された1
種以上の元素であり、Bは3価の元素から選択された1
種以上の元素であり、Cは2価の元素から選択された1
種以上の元素であり、Mは遷移金属元素から成る群から
選択された1種以上の元素であり、xは0<x≦2の任
意の数である組成とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、光で水を分解して
水素と酸素の少なくともどちらか一方を生成させる際に
使用される水分解用の光触媒に関するものである。
【0002】
【従来の技術】現在、エネルギー源としては様々なもの
が用いられている。石油や石炭等の化石燃料は、その埋
蔵量は無限ではなく、燃焼させた際に二酸化炭素、窒素
酸化物、硫黄酸化物等が排出される。その結果、二酸化
炭素は地球の温暖化をもたらし窒素酸化物や硫黄酸化物
は酸性雨の要因となって環境破壊をもたらしている。
又、新しいエネルギー源として原子力発電が実用化され
ているが、安全性や廃棄物処理等の問題を抱えている。
【0003】このような状況の下で、エネルギー資源や
地球環境の問題を解決する一方法としてクリーンなエネ
ルギー源の一つである水素が注目されている。水素は燃
焼させても水になるのみであり、環境汚染を引き起こさ
ない。しかし、水素を発生させるために化石燃料等を用
いたのでは意味がなくなってしまう。太陽光は無尽蔵に
あり、水も地球には大量にある。太陽光のエネルギーを
利用して水を分解すれば水素が得られるが、この手段の
一つとして水分解用の光触媒がある。光触媒は一種の半
導体であり、そのバンドギャップ以上のエネルギーを吸
収すると、ホールとエレクトロンを生成し、ホールが水
と反応して酸素と水素イオンを生じ、この水素イオンが
エレクトロンと反応して水素を発生する。
【0004】光触媒の中でも層状構造をもつ物質はバル
ク状の物質と違い、層状構造の層間を水分解反応の場と
して利用することで高い触媒活性が得られるため、有用
な物質として知られている。換言すれば、層状構造の物
質はバルク状の物質と比べてより多数の触媒活性点を有
している。更に、層状構造をもたない物質と比較して、
ホール及びエレクトロンの移動距離は、特にその移動方
向が層面に垂直な場合には短くなり、その結果、ホール
及びエレクトロンの再結合の割合が減少し、高い触媒活
性が得られるのである。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の光触媒
は構成元素の組成比が固定されており、任意にバンドギ
ャップを調節することができなかった。そのために使用
する光源に適したバンドギャップを有する光触媒として
利用することができなかった。そこで本発明の目的は、
連続的に任意にバンドギャップを調節することができる
光触媒を提供することにある。すなわち、使用波長に即
したバンドギャップを有するように、光触媒の組成比を
容易に制御できるような光触媒を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、光触媒の
組成系を研究した結果、以下の組成系を有する光触媒が
連続的に任意にバンドギャップをコントロールできるも
のであることを見出し本発明を成すに到った。即ち、
「光で水を分解し、水素と酸素の少なくともどちらか一
方を発生させる複合酸化物から成る光触媒であって、一
般式(I):ABX 2-X 3-X X 10-Xで表され、
前記一般式(I)において、Aはアルカリ金属元素及び
水素から成る群から選択された1種以上の元素であり、
Bは3価の元素から選択された1種以上の元素であり、
Cは2価の元素から選択された1種以上の元素であり、
Mは2価の元素から選択された1種以以上の元素であ
り、xは0<x≦2の任意の数である光触媒(請求項
1)」である。
【0007】
【発明の実施の形態】本発明の一般式(I)において、
xが0で表される層状ペロブスカイト構造をもつ複合酸
化物AC2 3 10は高い触媒活性をもつことがすでに
知られている。本発明は、一般式(I)において、x=
0のAC2 3 10とは異なり、xが0<x≦2の任意
の数である複合酸化物たる光触媒である。すなわち、本
発明の複合酸化物たる光触媒は、5価の元素Dの一部を
2価の元素Mで置換し、電気的な中性を保つように、2
価の元素Cの一部を3価の元素Bで置換し、さらに 酸
素の量を減らすことで化合物全体の電荷バランスをとっ
ている。この置換によって、複合酸化物のバンド構造、
バンドギャップが変わる。しかも、xの値は連続的に変
えることができるので、バンドギャップの大きさも連続
的に変化させることができる。
【0008】又、本発明の複合化合物たる光触媒は、可
視光に対する吸収能が高い1種類以上の遷移金属元素を
構成元素の一部として含むことができる。そのため、可
視光領域の光を効率良く利用でき、より長波長側にバン
ドギャップを有する光触媒を得ることが可能となる。本
発明の一般式(I):ABX 2-X 3-X X 10-X
ついて、さらに説明を加える。Aは一価の元素であり、
例えばアルカリ金属元素(Li、Na、K、Rb、C
s)及びHの中から選ばれた1種以上の元素である。B
は3価の元素であり、例えば希土類元素から選ばれた1
種以上の元素であるが、La(ランタン)が安定性の上
から最も望ましい。Cは2価の元素であり、例えばアル
カリ土類元素(Mg、Ca、Sr、Ba)及びPbから
選ばれた一種以上の元素である。Dは5a族元素から選
ばれた一種以上の元素であり、例えばNb、Ta、V等
が当てはまるが、Nbは光触媒活性が高いことから好ま
しい元素である。Mは遷移金属元素から選ばれた1種以
上の元素であり、例えばCu、Fe、Ni、Mn、C
o、Cr等があげられる。
【0009】xの値は0<x≦2の範囲の任意の数値で
ある。本発明者らは、xの値により、複合酸化物のバン
ドギャップを連続的に変化させることができることを分
光学的測定から初めて見い出した。このように、バンド
ギャップが調整可能な光触媒においては、光源の種類等
の使用条件に即した光触媒の選択ができる。又、置換す
る元素数を増やすことにより、バンドギャップの調整が
一層容易になる。
【0010】本発明の光触媒は、通常の固相法、すなわ
ち原料となる各金属成分の酸化物又は炭酸塩や硝酸塩等
の塩類を目的組成比で混合し焼成することで合成する
が、それ以外の湿式法あるいは気相法で合成してもかま
わない。本発明の光触媒の形状は、光を有効に利用する
ために表面積の大きい粒子であることが望ましく、一般
には粒子の大きさは、 0.1〜10μm 好ましくは 0.1〜 1
μm が適当である。このような粒径を得る慣用的な手段
には、例えば、ボールミルによる粉砕がある。
【0011】更に、本発明の光触媒に対しても、助触媒
であるPtやNiOの担持等の光触媒製造に通常用いら
れるような修飾を行うことができる。又、水分解反応の
場となる層間を有効に利用するために無機物質の柱を立
てたり、アルキルアンモニウムのイオン交換で層間距離
を広げることにより、触媒活性を高めることもできる。
【0012】本発明の光触媒により水分解反応を行う際
に、水は純水に限らず、一般の水の分解反応によく用い
られるように、アルコールや銀イオン等の犠牲試薬を用
いても一向に差し支えないし、炭酸塩や炭酸水素塩等の
塩類を混ぜた水を用いてもよい。以下、実施例により本
発明を具体的に説明するが、本発明はこれに限られたも
のではない。
【0013】
【実施例】
(光触媒の製造方法)本発明の一般式(I):ABX
2-X 3-X X 10-Xにおいて、Aとして元素Cs、B
としてLa、CとしてSr、DとしてNb、MとしてM
nを用い、x=1として、複合酸化物CsLaSrNb
2 MnO9 を合成した。合成は、各成分の酸化物又は炭
酸塩を化学量論比で調合し、固相法により行った。すな
わち、Cs2 CO3 を7.63g、La2 3 を7.63g、S
rCO3 を6.91g、Nb2 5を 12.45g及びMnCO
3 を5.38gをそれぞれ秤量し白金ルツボに入れて、空気
中で1200℃で10時間焼成を行った。焼成後、この焼成物
を乳鉢で10μm 以下に粉砕し、得られた粒子を粉末X線
回折により同定したところ、目的とする層状ペロブスカ
イト構造をもつ化合物(複合酸化物)が得られた。
【0014】更に、この複合酸化物 5gを5規定の硝酸
100ml中で3日間撹拌し、プロトン交換を行い、プロト
ン交換体を得た。 (触媒活性の評価)水分解用の光触媒の触媒活性の評価
は、閉鎖循環系触媒反応装置を用い、犠牲試薬としてメ
タノールを添加したメタノール水溶液から水素を生成さ
せることで行った。上記の方法で製造したプロトン交換
体1gをメタノール水溶液 350ml(水が 300ml、メタノー
ルが50ml)中に入れ、マグネチックスターラーで攪拌し
ながら外部から光を照射した。光源として 500Wキセノ
ンランプを用い、反応管としてパイレックスガラス製の
ものを用いた。又、生成した水素の検出及び定量はガス
クロマトグラフィーで行った。測定の結果、水素の発生
が認められ、触媒活性は1.33μmol/hourであった。
【0015】又、分光光度計で光触媒の拡散反射スペク
トルを測定し、光学的バンドギャップエネルギーを求め
たところ、その値は 2.7eVであった。尚、本発明の光
触媒は、水の分解反応だけではなく、他の化学反応、例
えば、有機物の分解反応や貴金属イオンの還元反応にも
適用することができる。
【0016】
【発明の効果】以上の通り、本発明の光触媒は、一般式
(I)においてxの値を0<x≦2の範囲で連続的に任
意に選ぶことができるので、使用光源に適するようにバ
ンドギャップを細かく調節することができる。又、バン
ドギャップの値を、太陽光スペクトル中に多く含まれる
可視光の波長域に対応するように調整することができる
ので、紫外光領域の光にしか触媒活性を示さない光触媒
よりも太陽光エネルギーの使用効率を格段に向上させる
ことができる。
【0017】又、この光触媒は層状構造を有するため、
層間を修飾することによって触媒活性を高めることもで
きる。

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 光で水を分解し、水素と酸素の少なくと
    もどちらか一方を発生させる複合酸化物から成る光触媒
    であって、 一般式(I):ABX 2-X 3-X X 10-Xで表さ
    れ、前記一般式(I)において、Aはアルカリ金属元素
    及び水素から成る群から選択された1種以上の元素であ
    り、Bは3価の元素から選択された1種以上の元素であ
    り、Cは2価の元素から選択された1種以上の元素であ
    り、Mは遷移金属元素から成る群から選択された1種以
    上の元素であり、xは0<x≦2の任意の数であること
    を特徴とする、光触媒。
  2. 【請求項2】 前記MがFe、Cu、Ni、Mn、C
    o、Crから選択された1種以上の元素であることを特
    徴とする、請求項1に記載の光触媒。
  3. 【請求項3】 前記AがH、Na、K、Rb、Csから
    選択された1種以上の元素であることを特徴とする、請
    求項1に記載の光触媒。
  4. 【請求項4】 前記BがLaであることを特徴とする、
    請求項1に記載の光触媒。
  5. 【請求項5】 前記Cがアルカリ土類金属元素から成る
    群から選択された1種以上の元素からなることを特徴と
    する、請求項1に記載の光触媒。
  6. 【請求項6】 前記DがV、Nb、Taから選択された
    1種以上の元素であることを特徴とする、請求項1に記
    載の光触媒。
JP8178851A 1996-07-09 1996-07-09 光触媒 Pending JPH1015394A (ja)

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JP (1) JPH1015394A (ja)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100301281B1 (ko) * 1999-06-18 2001-09-13 김충섭 수소발생용 황화카드뮴계 광촉매의 제조방법 및 이를 이용한수소의 제조방법
JP2003033662A (ja) * 2001-07-23 2003-02-04 Sumitomo Metal Mining Co Ltd 可視光領域で触媒活性を有する光触媒

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