JPH1085607A - 光触媒 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 光を照射することにより、水を水素と酸素に
分解できる層状構造を有する光触媒を提供する。 【解決手段】 光触媒を一般式（I）：ＡＢＣＯ₄ 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種以上の元素とし、
Ｂはランタンとし、ＣはIVａ元素から選択された１種以
上の元素とする。更に、前記ＡはＨ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、
Ｃｓから選択された１種以上の元素とし、前記ＣはＴ
ｉ、Ｚｒから選択された１種以上の元素とすることが好
ましい。

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、
水素と酸素の少なくとも一方を生成させる複合酸化物か
ら成る光触媒に関する。

【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
は酸性雨の原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。
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。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。従来、層
状構造をもち、高い触媒活性を示す物質としてＫＣａ₂
Ｎｂ₃ Ｏ₁₀やＫＳｒ₂ Ｎｂ₃ Ｏ₁₀などの物質が知られて
いたが、これらはいずれも水を水素と酸素に分解するこ
とはできなかった。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来の、層状構造を有
する物質の中で、水を水素と酸素に分解する触媒はあま
り知られていない。又、今まで、層状ぺロブスカイト構
造を取る物質で、水を水素と酸素に分解できる物質の存
在は認められていない。よって、本発明の目的は、層状
ぺロブスカイト構造をとり、光を用いて水を水素と酸素
に分解する光触媒を提供することにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明は、「光で水を分
解し、水素と酸素の少なくとも一方を生成させる複合酸
化物から成る光触媒であって、 一般式（Ｉ）：ＡＢＣＯ₄ 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はランタンであ
り、ＣはIVａ元素から選択された１種以上の元素であ
る」光触媒である。又、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が好まし
く（請求項２）、前記ＣがＴｉ、Ｚｒから選択された１
種以上の元素であることが好ましい（請求項３）。

【０００５】

【発明の実施の形態】本発明の光触媒は、前記一般式
（Ｉ）：ＡＢＣＯ₄ で表わされ、また層状構造を有す
る。ゆえに、従来の物質と同様、層間のアルカリ金属は
イオン交換可能であり、酸水溶液中でイオン交換を行え
ば層間のアルカリ金属をプロトンと交換できる。本発明
の光触媒は、通常の固相法、すなわち、原料たる各金属
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
或いは気相法で合成してもよい。また、前記一般式
（Ｉ）においいてＡが水素の場合は、先ずＡがアルカリ
金属である一般式（Ｉ）の複合酸化物を合成しておき、
その後、この複合酸化物を例えば硝酸等の酸水溶液中で
イオン交換することにより、アルカリ金属イオンを水素
イオンに交換して合成する。もちろん、Ａが水素以外の
アルカリ金属の場合でも、同様に目的組成の複合酸化物
をイオン交換反応で合成することができる。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〜 1μm 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。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。 以下、具体的に本発明を説明する
が、本発明はこれのみに限られたものではない。

【０００６】（光触媒の製造方法） 一般式（Ｉ）：ＡＢＣＯ₄ で表される具体的な物質とし
てＮａＬａＴｉＯ₄ について、固相法による製造方法を
説明する。先ずＮａ₂ ＣＯ₃ を8.85ｇ、Ｌａ₂Ｏ₃ を 2
0.90ｇ、ＴｉＯ₂ を 10.25ｇ秤量し、それぞれを白金ル
ツボに採取し、1200℃で10時間の焼成を行った。焼成
後、この試料を乳鉢で10μm 以下の大きさに粉砕した。
得られた粉末状試料を粉末Ｘ線回折により同定したとこ
ろ、目的物質であることが確認された。次に、この粉末
状試料に対してＮｉ担持処理を行った。粉末状試料 5ｇ
を採取し、これに対して３wt％相当のニッケルを含む硝
酸ニッケル水溶液中に約１時間侵した。その後、この含
侵した粉末状試料をウオーターバスで加熱し、水分が蒸
発してから直火でさらに加熱した。この粉末状試料から
蒸気が出なくなり、粉末状試料が黒色になったときに加
熱を中止した。

【０００７】次に、この試料を前処理用フラスコに入
れ、フラスコを閉鎖循環系に接続し、フラスコ内部を排
気した。排気後、水素を約 300Torr導入し、水素を循環
させながらフラスコの底部を 500℃で２時間加熱した。
その後、水素を排気し、酸素を約 150Torr導入し、再び
フラスコを 200℃で１時間加熱した。この処理は光触媒
の活性を高めるために行った。

【０００８】以上の工程を経て、Ｎｉ担持光触媒ＮａＬ
ａＴｉＯ₄ が完成した。 （触媒活性の評価）水分解用の光触媒の触媒活性の評価
には、閉鎖循環系触媒反応装置を用いた。上記の方法で
製造した、Ｎｉを担持した光触媒１ｇを純水 400ml中に
入れ、マグネチックスターラーで攪拌しながら光を照射
した。光源には 450Ｗ高圧水銀ランプを用いた。反応管
の材質として石英製のものを用いた。又、生成した水素
及び酸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、水素及び酸素の発生が認められ、水
素生成活性は９．８μmol/h、酸素生成活性は２．９μm
ol/h であった。

【０００９】本発明の複合酸化物ＮａＬａＴｉＯ₄ は、
光を照射して水を分解し、水素、酸素の両方を発生する
画期的な光触媒である。

【００１０】

【発明の効果】以上の通り、本発明の一般式ＡＢＣＯ₄
で表わされる光触媒は、水素、酸素の両方を発生させる
ことができる。また、本発明の物質は層構造を有するの
で、その層間を水分解反応の場として利用できるので、
バルク状の物質より多くの水素及び酸素を発生させるこ
とができる。

Claims (3)

【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
   も一方を生成させる複合酸化物から成る光触媒であっ
   て、 一般式（Ｉ）：ＡＢＣＯ₄ 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はランタンであ
   り、ＣはIVａ元素から選択された１種以上の元素である
   ことを特徴とする光触媒。
2. 【請求項２】 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。
3. 【請求項３】 前記ＣがＴｉ、Ｚｒ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。