JPH11500660A - 光触媒化合物及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （ｉ）ＴｉＯ₂、ＷＯ₃及びこれらの混合物からなる群から選ばれた光触媒であって、結晶質のＴｉＯ₂、ＷＯ₃及びこれらの混合物に対応する角度において、尖った狭い帯域のＸ線反射が実質的にない光触媒と、（ii）多孔質で結晶質の吸着性担持材料とを含む光触媒化合物。この光触媒化合物を製造する方法も開示されている。この方法は、（ｉ）非イオン性チタン化合物を加水分解して、約２５０Åより小さい平均粒子サイズを有するコロイド懸濁液を製造し、（ii）多孔質で結晶質の吸着性担持材料を該コロイド懸濁液に接触させて含浸担持体を製造し、（iii）該含浸担持体を焼成してＴｉＯ₂光触媒を含む光触媒化合物を製造する各ステップを含む。この光触媒化合物は、特に有機汚染物質を含む流体の処理に適している。

Description

【発明の詳細な説明】 光触媒化合物及びその製造方法 技術分野 本発明は、光触媒化合物（photocatalyst compound）及びその製造方法に関す る。 背景技術 光触媒作用（photocatalysis）は公知であり、汚染物質（pollutants）を含有 する水等の流体（fluid）の処理に利用されている。 従来、二酸化チタン（ＴｉＯ₂）等の光触媒は、スラリーを形成するように、 被処理流体に添加される。このスラリーは、次に電磁放射線に暴露されて、流体 中の汚染物質を触媒作用によって破壊又は分解する。ＴｉＯ₂の場合、約３８０ ｎｍ以下の波長を有する放射線が、流体中の汚染物質を触媒作用によって破壊又 は分解する。 特定の場所でのＴｉＯ₂の回収を容易にするために、ＴｉＯ₂を担持体（spport ）に担持させることは公知である。しかし、公知のように、ＴｉＯ₂は、特に有 機化合物に対しては比較的吸収性に乏しく、従来は殆ど注目されていなかった。 実際、多くの先行技術は、ＴｉＯ₂光触媒を直接に担持材料（support mate-ri al）上に固定する方法に焦点が絞られていた。一般に、この技術は、シリカゲル 、エッチング加工されたガラスビーズ、ガラスチューブの内部、テフロンチュー ブ、ガラスメッシュ織物、砂等の担持材料へのＴｉＯ₂の熱融着を包含している 。例えば、次に掲げる先行技術文献を参照されたい。 １．サーポン（Ｓｅｒｐｏｎｅ）他，ソーラ エナヂィ マター（Ｓｏｌａｒ Ｅｎｅｒｇｙ．Ｍａｔｅｒ．）１４，１２１（１９８６）、 ２．マシューズ（Ｍａｔｔｈｅｗｓ）他，Ａｎａｌ．Ｃｈｉｍ．Ａｃｔａ．２ ２３，１７１（１９９０）、 ３．マシューズ（Ｍａｔｔｈｅｗｓ），ソウラァ エナヂィ マター（Ｓｏｌ ａｒ Ｅｎｅｒｇｙ Ｍａｔｅｒ．）３８，４０５（１９９０）、 ４．米国特許第５，１８２，０３０号（Ｃｒｉｔｔｅｎｄｅｎ他）、 ５．オーストラリア特許出願第ＰＨ７０７４号（マテュス（Ｍａｔｔｅｗｓ） ） ６．スタクヘーヴ（Ｓｔａｋｈｅｅｖ）他，Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｃｈｅｍ．９７ ，５６６８（１９９３）、 ７．マシューズ（Ｍａｔｔｈｅｗｓ），Ｗａｔ．Ｒｅｓ．２５，１１６９（１ ９９１）、 ８．ヨネヤマ（Ｙｏｎｅｙａｍａ）他，Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｃｈｅｍ．９３，４８ ３３（１９８９）、 ９．ヤマナカ（Ｙａｍａｎａｋａ）他，Ｍａｔｅｒ．Ｃｈｅｍ．Ｐｈｙｓ．１ ７，８７（１９８７）、 １０．ミネロ（Ｍｉｎｅｒｏ）他，ラングミュア（Ｌａｎｇｍｕｉｒ）８，４ ８１（１９９２）、及び １１．米国特許第４，４９５，０４１号（ゴールドシュタイン（Ｇｏｌｄｓｔ ｅｉｎ））。 これらの文献の内容は、その表題を引用することによって本明細書中に組み込 まれる。 水中の汚染物質の破壊又は分解のためのＴｉＯ₂をベースとする光触媒に対し て経済的関心が存在するかに見えるが、公知のシステムは多くの不利な点が欠点 となっている。 詳しくは、現在までの作業の不利な点の一つは、担持体に担持された殆どのＴ ｉＯ₂光触媒の場合、担持体に担持されていないＴｉＯ₂光触媒に比べて、光触媒 の光活性が低いことである。 別の不利な点は、担持体に担持されたＴｉＯ₂光触媒の殆どの場合、ＴｉＯ₂の 不利な吸着特性のために、本質的に、担持体の材料の吸着特性に比べて、光触媒 による汚染物質の吸着が劣ることである。 先行技術の前記不利な点の少なくとも一つでも緩和させる光触媒化合物を得る ことが望まれている。 発明の開示 本発明の目的は、先行技術の前記不利な点の少なくとも一つを取り除き又は緩 和する新規な光触媒化合物を提供することにある。 本発明の別の目的は、光触媒化合物を製造する新規な方法を提供することにあ る。 本発明の一つの態様において、本発明は、（ｉ）ＴｉＯ₂、ＷＯ₃及びこれらの 混合物からなる群から選ばれた光触媒であって、結晶質ＴｉＯ₂、ＷＯ₃及びこれ らの混合物に対応する角度において、シャープな狭い帯域のＸ線反射を実質的に 含まない光触媒と、（ii）多孔質で結晶質の吸着性担持材料（adsorbent suppor t material）とを含む光触媒化合物を提供する。 別の態様において、本発明は、 （ｉ） 非イオン性チタン化合物を加水分解して、約２５０Åより小さい平均 粒子サイズを有するコロイド懸濁液を製造する段階、 （ii） 多孔質で結晶質の吸着性担持材料を該コロイド懸濁液と接触させて含 浸担持体（impregnated support）を製造する段階、及び （iii） 該含浸担持体を焼成して、結晶質ＴｉＯ₂に対応する角度においてシ ャープな狭い帯域のＸ線反射を実質的に含まないＴｉＯ₂光触媒からなる光触媒 化合物を製造する段階 を包含する光触媒化合物の製造方法を提供する。 図面の簡単な説明 添付の図面を参照して本発明の実施態様を説明する。 図１は、多数の担持されていないＴｉＯ₂光触媒のＸ線回折のパターンを示す 。 図２（ａ）は、ＴｉＯ₂とＺＳＭ５ゼオライトをベースとした種々の光触媒化 合物のＸ線回折のパターンを示す。 図２（ｂ）は、ＴｉＯ₂とゼオライトＡをベースとした種々の光触媒化合物の Ｘ線回折のパターンを示す。 図３（ａ）は、ＴｉＯ₂とアルミナをベースとした種々の光触媒化合物のＸ線 回折のパターンを示す。 図３（ｂ）は、ＴｉＯ₂とシリカをベースとした種々の光触媒化合物のＸ線回 折のパターンを示す。 図４は、ＴｉＯ２光触媒並びにＴｉＯ₂／アルミナ及びＴｉＯ₂／シリカをベー スとした光触媒化合物の種々のラマンスペクトルを示す。 図５は、ＺＳＭ５ゼオライト、並びにＴｉＯ₂／ＺＳＭ５ゼオライトをベース とする種々の光触媒のラマンスペクトルを示す。 図６は、ゼオライトＡ、及びＴｉＯ₂／ゼオライトＡをベースとする種々の光 触媒化合物のラマンスペクトルを示す。 図７は、二つのＴｉＯ₂光触媒の光活性を示す。 図８は、ＴｉＯ₂／シリカ及びＴｉＯ₂／アルミナをベースとする種々の光触媒 化合物の光活性を示す。 図９は、照明の際にＵＶカットフィルターを使用した場合と使用しない場合の 、ＴｉＯ₂及びゼオライトＡをベースとする種々の光触媒の光活性を示す。 図１０は、４−クロロフェノールの光酸化におけるＴｉＯ₂／ＺＳＭ５をベー スとする光触媒とＴｉＯ₂／ゼオライトＡをベースとする他の光触媒化合物との 間の光活性の比較を示す。 図１１は、暗黒状態でのＺＳＭ５へのアセトフェノンの吸着の経時変化図（ti me profile）を示す。 図１２は、ＴｉＯ₂及びゼオライトＡをベースとする光触媒化合物のアセトフ ェノン酸化における光活性に及ぼすゼオライトの結晶化度（christallinity）の 影響（effect）を示す。 発明を実施するための最良の態様 本発明の一態様において、本発明は、（ｉ）ＴｉＯ₂、ＷＯ₃及びこれらの混合 物を包含する群から選ばれ、結晶質のＴｉＯ₂、ＷＯ₃及びこれらの混合物に対応 する角度においてシャープな狭い帯域のＸ線反射を実質的に含まない光触媒と、 （ii）多孔質で結晶質の吸着性担持材料とを含む光触媒化合物に関連している。 この光触媒は、最近の分析技術を用いて「非結晶質（non-cristalline）」と して分類することのできるＴｉＯ₂、ＷＯ₃又はそれらの混合物である。本明細書 で使用されている用語「非結晶質」は、ＴｉＯ₂、ＷＯ₂又はそれらの混合物に関 して使用される場合には、当該物質が、結晶質のＴｉＯ₂、ＷＯ₃及びこれらの混 合物に対応する角度においてシャープな狭い帯域のＸ線反射を示さないことを意 味している。即ち、本光触媒化合物に有用な光触媒は、アモルファスで長距離秩 序（long range order）を持たないものと考えられる。例えば、ＴｉＯ₂の場合 、本光触媒化合物は、アナターゼ型結晶質（anatase crystlline）のＴｉＯ₂の 存在の特徴である反射を示す角度（約２５．２の２θ）においてシャープな狭い 帯域のＸ線反射を示さないＴｉＯ₂を含んでいる。更に、本光触媒化合物におい ては、ルチル型（rutile）（約２７．３の２θ）又はブルッカイト型（brookite ）結晶質（約３０．８の２θ）のＴｉＯ₂の場合に通常見られる特徴的なＸ線反 射が明らかではない。 本光触媒化合物のラマンスペクトルは、アモルファス状態のＴｉＯ₂、ＷＯ₃ま たはそれらの混合物の存在のもう一つの特徴である。特に結晶質ＴｉＯ₂とＷＯ₃ のラマンスペクトルは、エム．エイ．ヴルマン（M.A.Vuurman）による「担持型 酸化金属触媒（supported metal oxide catalysts）の分光学的特徴付け（spect oscopic characterization）」（１９９２ 年のアムステルダム大学で発表され た博士研究論文）に述べられている。この内容は、参考文献（ref-erence）を引 用することによって本明細書中に組み込まれる。詳しくは、このヴルマンの第６ 章に関し、第５図は、アルミナ上に種々のＷＯ₃を担持させた場合のラマンスペ クトルを示している。ヴルマンは、結晶質のＷＯ₃粒子は、８０８、７１１、３ ２１及び２７３ｃｍ^-1に、特徴帯域即ち「主」帯域を有することを教えている（ ９７頁参照）。さらにヴルマンの第６章に関し、第６図は、アルミナ上に種々の レベルでＴｉＯ₂を担持させた場合のラマンスペクトルを示している。ヴルマン は、結晶質のＴｉＯ₂粒子が、６４３、５２０、３９４及び１４４ｃｍ^-1に特徴 帯域即ち「主」帯域を有することを教えている。上に述べたように、本発明の光 触媒化合物は、アモルファス状態のＴｉＯ₂、ＷＯ₃又はそれらの混合物を含む。 この状態において、本光触媒化合物におけるＴｉＯ₂、ＷＯ₃及びそれらの混合物 は、特に、そのような特徴帯域即ち「主」帯域を示さないラマンスペク トルを与える。 本光触媒化合物において、光触媒（即ち、ＴｉＯ₂、ＷＯ₃及びそれらの混合物 ）は、吸着性担持材料の外表面を実質的に完全に被覆する非常に薄いアモルファ ス層を形成する。この特徴は、ＴｉＯ₂、ＷＯ₃及びそれらの混合物の比較的低い 担持レベル（例えば光触媒化合物の約１０重量％未満）において、特に強く現れ 、また、本光触媒化合物のこの好適例の高められた光活性の原因の少なくとも一 部をなすと考えられる。 本光触媒化合物に使用するのに適した吸着性担持材料は、多孔質で且つ結晶質 である。この担持材料は、約５Å乃至約１５Å、好ましくは約７Å乃至約１２Å の範囲内の平均孔サイズ（average pore size）を有することが望ましい。 この吸着性担持材料の結晶化度は、重要な特徴である。詳しくは、吸着性担持 材料は、少なくとも約５０％、好ましくは少なくとも約６０％、更に好ましくは 少なくとも約７０％、最も好ましくは少なくとも約８５％の結晶化度を持つ必要 がある。担持材料の結晶化度は、当業者であれば、例えば、所与の吸着性材料（ given adsorbent support material）についてのＸ線回折反射（diffraction re flections）の強度を、標準プロセスで準備された結晶質材料のそれと比較する ことによって、容易に求めることが可能である。 この吸着性材料は、ゼオライト（例えばゼオライトＡ）であることが望ましく 、更に好ましくは比較的シリコン含量の高い疎水性ゼオライト、最も好ましくは 、シリコン対アルミニウムの重量比が約１０：１から約１００：１のものである 。本発明に有用なゼオライトの例としては、ＺＳＭ５、ゼオライトＡ及びこれら の混合物であるが、これに限定されるものではない。当技術分野において公知の ように、所与のゼオライト材料についてのシリコン対アルミニウムの重量比率の 変更のための若干の許容度がある。この許容度は、他のＺＳＭゼオライト類、ゼ オライトＹ、ゼオライトＸ等の他のゼオライト類を改質して本光触媒化合物に有 用なものにすることができる。 本光触媒化合物における吸着性材料として使用するのに、ゼオライトは好まし いが、非ゼオライト材料も使用可能である。このような材料の好ましい部類には 、分子篩があるが、疎水性分子篩は更に好ましい。好適な分子篩の例としては 、珪酸チタン類（ＴＳ１等）、燐酸アルミニウム類（ＡＬＰＯ′ｓとしても公知 である）及びＭＣＭ系の化合物（例えば、ＭＣＭ−１０）が挙げられるが、これ らに限定はされない。勿論、選ばれるゼオライトは、上に述べたように結晶質の ものであることが重要である。 ＴｉＯ₂及び／又はＷＯ₃の一部を、周期律表の少なくとも一つの遷移金属と代 替してもよい。この代替は、光触媒化合物に対して約５重量％まで、好ましくは 約２％までに止めるべきである。 遷移金属は周期律表の第４周期から選ばれることが更に好ましい。遷移金属は 、鉄、バナジウム、クロム及びそれらの混合物からなる群から選ばれることが最 も好ましい。本発明の光触媒化合物に使用するのに好ましい光触媒は、実質的に 非結晶質のＴｉＯ₂である。広義には、光触媒化合物中のＴｉＯ₂の配合は一般的 に云って何の制限もないが、本発明者等は、実質的に非結晶質のＴｉＯ₂の特徴 的な配合が、光触媒化合物の重量に対して、約０．５％〜約１０％、好ましくは 約２％〜約９％、最も好ましくは約２％〜約６％の範囲内にある場合に、特に有 用な光触媒化合物の部類を発見した。この部類の光触媒化合物は、次の一つ以上 を使用した光触媒化合物に比べて、驚異的且つ予測を超えた優れた活性を有する ことが判った。（ｉ）１０重量％を超えるＴｉＯ₂、（ii）担持材料に担持され ない結晶質のＴｉＯ₂、及び（iii）非結晶質の吸着性担持材料（例えば種々のア ルミナやシリカ等）に担持された光触媒。 上で検討したように、本発明の一態様は、 （ｉ）非イオン性チタン化合物を加水分解して、約２５０Åより小さい平均粒 子サイズ（average particle size）を有するコロイド懸濁液を製造する段階、 （ii）多孔質で結晶質の吸着性担持材料を該コロイド懸濁液と接触させて、含 浸担持体（impregnated support）を製造する段階、及び （iii）該含浸担持体を焼成して、結晶質のＴｉＯ₂に相応する角度において、 尖った（sharp）狭い帯域のＸ線反射が実質的にないＴｉＯ₂光触媒を包含する触 媒化合物を製造する段階 を含む光触媒化合物の製造方法である。 この方法の段階（step）（ｉ）は、非イオン性のチタン化合物、タングステン 化合物又はそれらの混合物を出発原料として開始される。この出発原料は、非イ オン性チタン化合物及びタングステン化合物のいずれかであることが好ましい。 この非イオン性チタン化合物は、ＴｉＣｌ₄、Ｔｉ（ＯＲ）₄及びこれらの混合物 からなる群から選ばれることが好ましく、ここでＲは、Ｃ₁〜Ｃ₁₀のアルキル基 である。好ましくはＲはプロピル基である。この出発原料は、加水分解を受け、 約２５０Å未満の平均粒子サイズを有するコロイド状懸濁液を形成する。平均粒 子サイズが約２５０Åを超えると、光触媒が凝集を生じる傾向が高くなる。出発 原料は、加水分解を受ける前に、最初に適宜な水混和性有機溶剤中に溶解せしめ られることが好ましい。これは、例えば加水分解反応の速度よりも長い時間をか けて、理論量の水を出発原料にゆっくりと添加することによって行われる。即ち 、添加した水が充分に加水分解を起こすように、水の添加速度を低い値に制御す ることによって行われる。その結果、平均粒子サイズが約２５０Å、好ましくは 約２０Å乃至約１００Åの範囲、更に好ましくは約２０Å〜約７５Åの範囲のコ ロイド状懸濁液が得られる。この懸濁液はゾルであると考えられる。ゾルの一般 的な準備についての詳しい情報は、その内容が参考文献を引用することによって 本明細書中に組み込まれているＪ．Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｓｃｉ．，１９８８，３ ９，２４３（アンダスン（Anderson）他）に記載されている。 この方法の段階（ii）においては、このコロイド状懸濁液が、吸着性担持材料 を含浸させるのに使用される。一般的には、吸着性材料を段階（ｉ）で製造され たコロイド状懸濁液に接触させる。この接触は混合によって行うのが好ましい。 コロイド状懸濁液と吸着性材料との接触時間は特には限定されていないが、少な くとも約１時間が好ましい。コロイド状懸濁液と吸着性材料とが長時間をかけて 接触して、後者を充分に含浸した後、この含浸担持材料は通常の物理的分離技術 （例えば重力濾過等）によって隔離される。その後、この含浸担持材料は乾燥さ れることが好ましい。乾燥は、約２０°乃至１５０℃の範囲の温度で空気乾燥に よって行われる。 この方法の段階（iii）において、含浸担持材料は、焼成されて、ＴｉＯ₂、Ｗ Ｏ₃及びこれらの混合物からなる群から選ばれた光触媒を含む光触媒化合物とな るが、この光触媒は、結晶質ＴｉＯ₂、ＷＯ₃及びこれらの混合物に対応する角 度においてシャープ（sharp）な狭い帯域のＸ線反射がない。焼成の条件には特 に限定はなく、一般的に当業者が公知の範囲のものである。焼成は、約２５０℃ 〜約５００℃の範囲の温度で少なくとも約１２時間行うことが好ましい。 ＷＯ₃を担持した光触媒化合物を製造したい場合には、担持物質をタングステ ン化合物、好ましくはメタタングステン酸化合物、更に好ましくはアンモニウム ・メタタングステン酸（（ＮＨ₄）６Ｈ₂Ｗ₁₂Ｏ₄₀）と接触させることが好ましい 。これによって、担持材料に含浸が行われ、次に前述のように分離、乾燥及び焼 成される。 本発明の光触媒化合物は、特に有機汚染物質を含有する流体の処理に有用であ る。一般的に、この光触媒化合物は汚染物質の光酸化を触媒作用によって促進す るのに使用できる。これは、光触媒化合物を被処理流体中に入れ、該流体に適宜 な波長の放射線を照射することによって行われる。この処理プロセスは連続式で もバッチ式でもよい。本発明の光触媒化合物を組み入れて好適な流体処理システ ムを設計することは、当業者のなし得る範囲のことである。 本発明の具体例を次の実施例を参照して述べるが、本発明はこれらに限定され るものではない。 実施例１ １ｍＬの硝酸と２８．１ｍＬのチタン（ＩＶ）テトライソプロポキサイド（純 度９７％，アルドリッチ（Aldrich））とを含有する２００ｍＬの反応性組成物 を、１０ｍＬのエタノールに溶解した。得られたスラリーを、８時間の間解凝固 させ、ＴｉＯ₂ゾルを得た。このプロセスに関する更に詳しい情報はＪ．Ｍｅｍ ｂｒａｎｅ Ｓｃｉ．，１９８８，３９，２４３（アンダスン（Anderson）他） に記載されており、その内容は参考文献を引用することによって本明細書中に組 み込まれている。 ＴｉＯ₂光触媒は次の材料に担持された。 記号 担持材料 Ａ ＺＳＭ５ゼオライト Ｂ ゼオライトＡ Ｃ アルミナ Ｄ シリカ ＺＳＭ５ゼオライトは、米国特許第３，７０２，８６６号に記載されたプロセ スを用いて、テフロンでコーティングされたオートクレーブ中で熱水条件下で合 成された。この文献の内容は参考文献を引用することよって本明細書中に組み込 まれている。得られたゲルの分子的化学組成は、次の通りである。 ２．８Ｎａ₂Ｏ：Ａｌ₂Ｏ₃：３７ＳｉＯ₂：４４８Ｈ₂Ｏ：８．３ＴＰＡＢ（Ｔ ＰＡＢはテトラプロピルアンモニウムブロマイドのことである。）結晶化は１７ ４℃で１０日間静置して行われた。得られた結晶質固体は濾過され、水洗され、 １２０℃で一晩乾燥され、５５０℃で１２時間乾燥空気で焼成された。ＺＳＭ５ ゼオライトの構造は、公知のゼオライト構造との比較分析によって確認された。 「ゼオライトに対するシミュレートされたＸＲＤ粉末パターンのコレクション。 ゼオライト特集」Ｉｎｔ．Ｊ．Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｓｉｅｖｅｓ，１９９０， １０（５），３２３−５２０（ボールムース（Ballmoos）他）を参照のこと。こ れの内容は参考文献を引用することによって本明細書中に組み込まれている。 ゼオライトＡは、オールドリッチ（Aldrich）から得られた。このゼオライト は次の化学組成を持ち、 ０．２Ｎａ₂Ｏ：０．８ＣａＯ：Ａｌ₂Ｏ₃：２ＳｉＯ₂：ｘＨ₂Ｏ ３〜５μｍの平均粒子サイズに特徴を有するものであった。 アルミナは、ビー ディー エイチ（ＢＤＨ）から得られた酸タイプのもので あった。 シリカは、イー エム サイエンス（EM Science）社から得られたシリカゲル １００であった。このシリカゲルは０．０６３〜０．２００ｍｍの範囲の粒子径 、１００Åの平均孔径、４２０ｍ²／ｇの比表面積、１．０５ｍＬの孔容積を持 っていた。このシリカゲルの１０％水懸濁液のｐＨは７．０〜７．５に調整され た。 このＴｉＯ₂を担持材料に担持させる一般的な技術は、次の通りであった。１ ０ｍＬの水で飽和させた４．５ｇの担持材料の懸濁液が、３０分間混合された。 この懸濁液は次に５ｍＬのＴｉＯ₂ゾルと攪拌しながら混合された。混合物を２ 乃至３時間にわたって５０℃で蒸発させた。その後、乾燥した混合物を１２０℃ で一晩加熱し、４５０℃で１１〜１２時間焼成した。この一般的技術を使用して 、表１〜４に示すように、それぞれの担持材料上のＴｉＯ₂の含量が異なる光触 媒化合物の種々のサンプルを調製した。（ここでＡ，Ｂ，Ｃ及びＤは上に述べた 記号である）。 当業者であれば明らかなように、サンプルＣ−１乃至Ｃ−７（アルミナ製担持 材料）及びＤ−１乃至Ｄ−６（シリカ担持材料）は比較の目的だけのものであり 、本発明の範囲ではない。 更に比較の目的で、ＴｉＯ₂のサンプルがＰ２５の商品名で、デグサ コーポ レイション（Degussa Corporation）から入手され、ＣＯＮ−１の符号が付され た。更に比較の目的で、（前述の）ＴｉＯ₂ゾル中の溶剤を蒸発させて白色粉末 を得ることによって、非担持型ＴｉＯ₂光触媒が製造された。この白色粉末は次 いで１２０℃で一晩加熱された。乾燥した製品はＣＯＮ−３の符号を付された。 次にこの乾燥製品は４５０℃で１１〜１２時間焼成されて焼成製品となり、これ にはＣＯＮ−２の符号が付された。これらの種々の非担持型ＴｉＯ₂光触媒は、 図１に示されている。 ＣｕＫα放射線（λ＝１．５４０５９）を使用して、Ｘ線粉末回折パターンが Ｓｃｉｎｔａｇ ＸＤＳ ２０００Ｘ線回折計上に記録された。回折パターンは５ 〜５０°の２θの範囲にわたって採取され、その結果はＸＲＤパターン処理のた めのＪａｄｅのプログラム（マティリアル ディタ インコーポレイテッド（Ma terial Data,Inc.）によって処理された。ゼオライトＡの結晶化度は、５°乃至 ３５°の２θ範囲にわたる８つの主たるピークの下の全ピーク面積を測定して求 められた。 図１を参照すれば、当業者であれば、ＣＯＮ−１，ＣＯＮ−２及びＣＯ−３の それぞれの主たる構成物質がアナターゼ（Ａ）型ＴｉＯ₂結晶質であることは明 らかであろう。ルチル（Ｒ）とブルッカイト（Ｂ）型ＴｉＯ₂結晶質は比較的少 量存在している。 図３を参照すると、当業者であれば、図１に見られるアナターゼ、ルチル及び ブルッカイトに起因する特性ピークが担持材料としてアルミナを用いて製造され たサンプル（図３（ａ））及びシリカを用いて製造されたサンプル（図３（ｂ） ）にも現れていることが判るであろう。このことは、担持材料としてアルミナと シリカを使用すると、比較的高い結晶化度を有するＴｉＯ₂が担持されることを 示す有力な証拠である。 これとは対照的に、図２を見ると、当業者であれば、各サンプルのパターンの 重なった特徴部分はＴｉＯ₂の存在を示しているが、図１に見られるようなアナ ターゼ、ルチル及びブルッカイトに起因する狭いシャープな特徴的なピークは見 られないことが判るであろう。このことは、特に約１０％未満の低いＴｉＯ₂担 持レベルを有するサンプル（即ちＡ−１乃至Ａ−４及びＢ−１乃至Ｂ−４）の場 合に当てはまる。このことは、選択されたゼオライトを担持材料として使用した 場合、充分に形成された相を持たない（換言すれば、ＴｉＯ₂がアモルファス又 は微結晶質の形で存在している）ＴｉＯ₂が担持されていることを示す有力な証 拠である。 種々のサンプルの結晶化度は、アナターゼ（Ａ）、ルチル（Ｒ）及びブルッカ イト（Ｂ）のそれぞれに対して、２５．２、２７．３及び３０．８の２θ値にお いて選ばれたピーク位置のピーク面積の比率を計算することによって、評価され た。この結果は表５に報告されているが、報告されたピーク巾は２５．２の２θ 値におけるアナターゼのピークの半分の高さにおいて測定され、ピーク面積比率 は、所与のサンプルに対するパラメーターと２５．２の２θ値におけるＴｉＯ₂ （ＣＯＮ−１）のパラメーターとの比率で表されている。 表５に報告されているように、サンプルＢ−７とＺＳＭ５に担持された３６． ４％のＴｉＯ₂を含むサンプルのピーク巾は、非常に広くて弱いものであった。 これから、これらの各サンプルにおけるＴｉＯ２はアモルファスであるとの結論 が得られる。これとは逆に、サンプルＣＯＮ−１，ＣＯＮ−２，ＣＯＮ−３，Ｃ −７（アルミナ製担持材料）及びＤ−６（ シリカ製担持材料）においては、Ｔ ｉＯ₂は、アナターゼ型結晶質の形で非常に多く存在しているとの結論が得られ た。以下に示すように、ＴｉＯ₂におけるこの結晶の存在は、光活性が弱いこと に関連している。実際、表５に報告された最後のサンプルを見ると、該サンプル の結晶性が破壊されているにも関わらず、狭いピーク巾が残っていることに気付 くであろう。これとは逆に、サンプルＢ−７とＺＳＭ５上に３６．４重量％のＴ ｉＯ₂を含むサンプルのピーク巾は、非常に広く且つ弱いものであった。これに よって、これらのサンプルにおけるＴｉＯ２とゼオライトの相互作用は、ＴｉＯ₂ とゼオライトの機械的な混合におけるそれとは異なるものであるとの結論が得 られる。 種々のサンプルのラマンスペクトルが、マイクロコンピュータに接続されたＪ ａｒｒｅｌ−Ａｓｈ Ｍｏｄｅｌ ２５−１００ スペクトロメータ上に得られた 。このマイクロコンピュータ上のソフトウエアによって、複数のスキャンが可能 となった。図４〜６にこのラマンスペクトルが示されている。 図４は次のサンプルのラマンスペクトルを示している。ＣＯＮ−１，Ｃ−１， Ｃ−２，Ｃ−３，Ｄ−１，Ｄ−２及びＤ−３。当業者であれば判るように、ＣＯ Ｎ−１の場合のスペクトルは文献に報告されている例に比べて優れた結果を示し ている（例えば、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃ．，１９７２，２６，５ ３７（キャップウェル（Capwell）他）を参照のこと。この内容は表題を引用す ることによって本明細書中に組み込まれている）。このスペクトルは、ＴｉＯ₂ がアナターゼ型結晶質の形で多く存在していることを示している。当業者であれ ば判るように、サンプルＣ−１乃至Ｃ−３及びＤ−１乃至Ｄ−３のスペクトルは 、ＴｉＯ₂がアナターゼ型結晶質の形で多く存在していることの確かな証拠であ る。 図５は、ＴｉＯ₂を担持していない光触媒と、ＺＳＭ５ゼオライトからなる担 持材料にＴｉＯ₂を担持した光触媒のサンプルの種々のラマンスペクトルが示さ れている。ＺＳＭ５上に１．９％未満のＴｉＯ₂を担持した場合、新たな帯域が ３８０ｃｍ^-1に出現する。このピークは３７４ｃｍ^-1におけるＺＳＭ５の帯域と は異なり、その強度は、通常アナターゼ型結晶質の形のＴｉＯ₂の存在に起因し て現れる６３６ｃｍ^-1よりも大きい。ＴｉＯ₂の担持量が増加すると、この新規 なピークは、典型的なアナターゼ型結晶質の形のＴｉＯ₂の特徴である３９６ｃ ｍ^-1の周波数の方に移動する。同時に、６３８ｃｍ^-1におけるピーク強度の３８ ０〜３９６ｃｍ−１におけるピーク強度に対する比が増加する。ＴｉＯ₂が９． ７重量％担持された場合、スペクトルはＴｉＯ₂粉末のそれに近づく 図６はゼ オライトＡである担持材料上にＴｉＯ₂を担持しない光触媒とＴｉＯ₂を担持した 光触媒のラマンスペクトルを示す。図６には、種々の量のＴｉＯ₂を担持した場 合が示されている。これらのスペクトルは、図５の場合と非常に類似しており、 ゼオライトに担持されたＴｉＯ₂光触媒とアルミナ及びシリカに担持された光触 媒（図４）とを区別するのに役立つ。 実施例２ この実施例では、実施例１で言及した種々のサンプルの光触媒活性を評価した 。光触媒活性をテストするために選んだ二つの基質は、アセトフェノンと４−ク ロロフェノールであった。光触媒活性は、制御された実験の際の基質の減量を測 定することで評価された。 光触媒活性の評価の際の手順は次の通りであった。照射を開始する前に、０． ５グラムの光触媒と約５０ｐｐｍのアセトフェノン又は４−クロロフェノール１ ００ｍＬを含有する懸濁液を連続的に１時間攪拌した。この時点での溶液全体の 基質濃度が、引き続く光分解プロセスの機械的処理のための初期値として使用さ れた。１時間内の基質濃度の減少が、特定の光触媒上への基質吸着の程度の計算 に使用された。 使用された反応装置は照射のための平らな窓を具えたガラス容器であった。こ の反応装置は水の循環によって各実験の際に２０℃に冷却された。照射源は、ピ ーティ アイ（PTI）から入手してＡ１０１０ランプハウジングに入れられた２ ００Ｗのキセノンランプであり、ＰＴＩから入手した２５０ＬＰＳの電源によっ て１８５ｍＷの電力を得た。赤外線フィルターとしてウォーターセルを使用し、 熱を遮断した。基質としてアセトフェノンを使用する各実験には３２０ｎｍ遮断 フィルターをウォーターフィルターの端に設け、４−クロロフェノールを使用す る実験には３５０ｎｍ遮断フィルターを設けた。 全照射時間は各実験当たり３時間であった。反応容器には酸素を添加せず、又 内部空気も除去しなかった。１５〜２０分の間隔で、２ｍＬずつのサンプルが注 射器によって被照射懸濁液から取り出され、適宜な濾過膜を通じて濾過された。 濾液は、水素炎イオン化検出器と３％のＣｈｒｏｍｏｓｏｒｂ^TMのＯＢ−２２５ を充填した銅製のコイルカラムとを具えたＨＰ ５８８０ ＧＣ装置を使用して分 析され、アセトフェノンを検出した。４−クロロフェノールとその酸化の際の中 間体の分析検出は、ＵＶ−ＶＩＳ検出器と逆相Ｃ１８カラム（ＭＣＨ１０ Ｖａ ｒｉａｎ Ａｓｓｏｃｉａｔｅｓ Ｉｎｃ．）とを具えたＷａｔｅｒｓ ＨＰＬ Ｃを使用して行われた。使用された溶離剤は、水、アセトニトリル及び酢酸（７ ０：３０：０．２ｖ／ｖ）の混合物であった（ラングミュア（Ｌａｎｇｍｕｉｒ ），１９８９，５，２５０（Ａｌ−Ｅｋａｂｉ他、参照））。この内容は参考文 献を引用することによって本明細書中に組み込まれている。 テスト対象の光触媒が存在すると、アセトフェノンと４−クロロフェノールの 光分解プロセスは疑似一次運動に従う傾向がある。基質の減量は対応する次の対 数式に適合する。 Ｌｏｇ［Ｃ］_t＝−ｋ_appｔ＋Ｌｏｇ［Ｃ］₀ ここで、［Ｃ］_t と［Ｃ］₀は、時刻０と照射中の時刻ｔにおける溶液中の基質 の濃度（ｐｐｍ）をそれぞれ表し、ｋ_appは見掛けの速度定数で、以後は「ｋ」 で表す。 サンプルが基質の最長スペクトルより長い帯域（アセトフェノンの場合には、 λ＞３２０ｎｍ、４−クロロフェノールの場合にはλ＞３５０ｎｍ）の波長で照 射された場合、担持材料（即ちシリカ、アルミナ及びゼオライト）のいずれかが 存在しても、アセトフェノンと４−クロロフェノールの光分解は見られなかった 。それぞれにおいて使用された担持材料は、観察可能な光触媒作用を示さなかっ た。上に述べたように、基質の光分解が観察されたＴｉＯ₂光触媒を使用したす べての実験において、分解傾向は一次速度法則に完全に合致した。結果として、 この傾向に関連して測定された相対的反応性は、上に述べたように、一定の照射 の下で得られた一次速度定数ｋ_appである。このようにして、ｋ_appの増加は光活 性の増加の指標となる。 図７は、ＣＯＮ−１（○）とＣＯＮ−２（●）の場合のＴｉＯ₂濃度に対する ｋの変化を示すグラフである。図示のように、定数ｋはＴｉＯ₂の濃度と共に増 加するが、濃度が約１ｇ／Ｌ に達すると、限界になってそれ以上は増加しない 。この傾向は以前から観察されており、ＴｉＯ₂が多量に担持されるとすべての 光がＴｉＯ₂に吸収されてしまい、それ以上触媒を添加しても反応は進まないこ とを示している。図に示されているように、ＣＯＮ−２は光触媒としてＣＯＮ− １よりも作用が弱い。 図８は、シリカに担持されたＴｉＯ₂のサンプル（○）とアルミナに担持され たＴｉＯ₂のサンプル（●）の場合のＴｉＯ₂の重量に対するｋの変化を示すグラ フである。照射前の暗黒時に、５．０ｇ／Ｌのシリカ担持触媒の存在によってア セトフェノンの濃度は３％減少している。アルミナ担持触媒へのアセトフェノン の暗黒時の吸着は、同じ条件下では見いだせなかった。図示のように、同じ全チ タン担持量（図８の５ｇ／Ｌの担持触媒は０．５ｇ／ＬのＴｉＯ₂に対応する） の場合、シリカ担持光触媒は、図７と８のテスト材料の中で最も大きいｋの値を 有し、したがって最も効率がよい。 図９は、照射の際にＵＶ遮断フィルターを使用しなかった場合（○）と、３２ ０ｎｍ遮断フィルターを使用した場合（□）における種々のＴｉＯ₂／ゼオライ トＡの光触媒化合物のＴｉＯ₂の重量に対するｋの変化を示すグラフである。酸 化に使用した基質はアセトフェノンである。ゼオライトを担持材料として使用す ると、特にＴｉＯ₂の濃度が低い場合に、図７と８に示された光活性に比べて光 活性が増加していることが判る。基質を４−クロロフェノールに変えた場合、図 １０に示す同じように好ましい結果が得られる。図１０は、種々のＴｉＯ₂／Ｚ ＳＭ５光触媒化合物（○）とＴｉＯ₂／ゼオライトＡ光触媒化合物（●）の場合 のＴｉＯ₂の重量に対するｋの変化を示すグラフである。 図１１は、時間経過に対する基質濃度の変化を示すグラフである。２００ｐｐ ｍのアセトフェノン溶液（○）と１００ｐｐｍ のアセトフェノン溶液（●）の 二つの基質が使用された。こうして、ＺＳＭ５ゼオライトのみの場合に、暗黒状 態でのＺＳＭ５ゼオライト上へのアセトフェノンの吸着の時間に対する変化を調 べた。上に述べたように、ＺＳＭ５ゼオライトにＴｉＯ₂を担持させても、この 光触媒化合物の吸着性には大きな減少は無い。 実施例３ この実施例では、本発明の光触媒化合物用の担持材料としてのゼオライトの結 晶化度の効果を示す。この実施例で使用されたゼオライトは、ゼオライトＡであ る。一定量のＴｉＯ₂を担持し結晶化度が異なる一連のサンプルが、硝酸の濃度 を変化させて光触媒を処理することによって準備された。 ゼオライトの結晶化度は、ゼオライトＡの８個の主たるＸ線回折（XRD）ピー ク（２θ５°乃至３５°）の下の面積を求めて、これを標準品としての酸処理し ないサンプルと比較することによって計算された。この実施例で使用された基質 は、ゼオライトＡへ吸着されにくいアセトフェノンであった。暗黒時に、溶液中 のアセトフェノンの濃度は、５ｇ／Ｌの光触媒の存在下で２〜４％減少した。結 晶化度の減少による大きな吸着損失は見られなかった。 図１２は、光触媒の担持材料の結晶化度に対するｋの変化のグラフを示す。担 持材料の結晶化度が約５０％以上になると、光活性が著しく増加することが判っ た。これは予期しない驚くべきことである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．（ｉ） ＴｉＯ₂、ＷＯ₃及びこれらの混合物からなる群から選ばれる光触媒 であって、結晶質のＴｉＯ₂、結晶質のＷＯ₃及びこれらの混合物に対応する角度 において、尖った狭い帯域のＸ線反射が実質的にない光触媒と、（ii）多孔質で 結晶質の吸着性担持材料とを含むことを特徴とする光触媒化合物。 ２．前記光触媒がＴｉＯ₂であることを特徴とする請求項１に記載の光触媒化合 物。 ３．前記担持材料が少なくとも約５０％の結晶化度を有することを特徴とする請 求項１に記載の光触媒化合物。 ４．前記担持材料が少なくとも約６０％の結晶化度を有することを特徴とする請 求項１に記載の光触媒化合物。 ５．前記担持材料が少なくとも約７０％の結晶化度を有することを特徴とする請 求項２に記載の光触媒化合物。 ６．前記担持材料が少なくとも約８５％の結晶化度を有することを特徴とする請 求項２に記載の光触媒化合物。 ７．前記担持材料が約５Å〜約１５Åの範囲の平均孔サイズを有することを特徴 とする請求項１に記載の光触媒化合物。 ８．前記担持材料が約７Å〜約１２Åの範囲の平均孔サイズを有することを特徴 とする請求項１に記載の光触媒化合物。 ９．前記担持材料がゼオライトであることを特徴とする請求項１に記載の光触媒 化合物。 １０．前記担持材料が疎水性ゼオライトであることを特徴とする請求項１に記載 の光触媒化合物。 １１．前記担持材料が、シリコン対アルミニウムの重量比が約１０：１乃至１０ ０：１の範囲の疎水性ゼオライトであることを特徴とする請求項２に記載の光触 媒化合物。 １２．前記ゼオライトが、ＺＳＭ５、ゼオライトＡ及びこれらの混合物からなる 群から選ばれることを特徴とする請求項２に記載の光触媒化合物。 １３．前記光触媒が、更に、周期律表の遷移金属の少なくとも一つを約５重量％ まで含有していることを特徴とする請求項１に記載の光触媒化合物。 １４．前記光触媒が、更に、周期律表の遷移金属の少なくとも一つを約２重量％ まで含有していることを特徴とする請求項１に記載の光触媒化合物。 １５．前記光触媒が、更に、周期律表の第４周期から選ばれた少なくとも一つの 遷移金属を約２重量％まで含有していることを特徴とする請求項１に記載の光触 媒化合物。 １６．前記遷移金属が、チタン、鉄、バナジウム、クロム、及びこれらの混合物 からなる群から選ばれることを特徴とする請求項１３に記載の光触媒化合物。 １７．前記担持材料が分子篩であることを特徴とする請求項１に記載の光触媒化 合物。 １８．前記担持材料が、チタン、珪酸、燐酸、ＭＣＭ系化合物及びこれらの混合 物からなる群から選ばれる分子篩であることを特徴とする請求項１に記載の光触 媒化合物。 １９．前記ＴｉＯ₂が、前記光触媒化合物の重量で、約０．５乃至約１０％の量 で存在することを特徴とする請求項２に記載の光触媒化合物。 ２０．前記ＴｉＯ₂が、前記光触媒化合物の重量で、約２乃至約８％の量で存在 することを特徴とする請求項２に記載の光触媒化合物。 ２１．前記ＴｉＯ₂が、前記光触媒化合物の重量で、約２乃至約６％の量で存在 することを特徴とする請求項２に記載の光触媒化合物。 ２２．（ｉ）非イオン性チタン化合物を加水分解して、約２５０Åより小さい平 均粒子サイズを有するコロイド懸濁液を製造し、 （ii）多孔質で結晶質の吸着性担持材料を該コロイド懸濁液に接触させて、含 浸担持体を製造し、 （iii）該含浸担持体を焼成して、結晶質のＴｉＯ₂に対応する角度において、 尖った狭い帯域のＸ線反射が実質的にないＴｉＯ₂光触媒からなる触媒化合物を 製造することを特徴とする光触媒化合物の製造方法。