(57)【要約】可視光照射下において高い水分解活性を有する、水素発生用光触媒粒子と酸素発生用光触媒粒子とを含んでなる複合光触媒が開示されている。また、複合光触媒を含む光触媒層が基材に固定化されてなる光触媒材が開示されている。複合光触媒は、一次粒子径が１００ｎｍ以下である水素発生用可視光応答型光触媒粒子と、酸素発生用可視光応答型光触媒粒子とを含んでなり、前記水素発生用可視光応答型光触媒粒子と前記酸素発生用可視光応答型光触媒粒子とが互いに接触している。
2014046305.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一次粒子径が１００ｎｍ以下である水素発生用可視光応答型光触媒粒子と、酸素発生用可視光応答型光触媒粒子とを含み、前記水素発生用可視光応答型光触媒粒子と前記酸素発生用可視光応答型光触媒粒子とが互いに接触している、複合光触媒。
【請求項２】
前記水素発生用可視光応答型光触媒粒子が、その表面に水素発生用助触媒が担持されてなるものである、請求項１に記載の複合光触媒。
【請求項３】
前記酸素発生用可視光応答型光触媒粒子の一次粒子径が５００ｎｍ以下である、請求項１または２に記載の複合光触媒。
【請求項４】
前記水素発生用可視光応答型光触媒粒子の一次粒子径が７０ｎｍ以下である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の複合光触媒。
【請求項５】
前記水素発生用可視光応答型光触媒粒子が、ロジウムドープチタン酸ストロンチウム粒子である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の複合光触媒。
【請求項６】
前記ロジウムドープチタン酸ストロンチウム粒子が、拡散反射スぺクトルにより測定される、波長５７０ｎｍにおける光吸収率が０．６以上であり、かつ、波長１８００ｎｍにおける光吸収率が０．７以下である、請求項５に記載の複合光触媒。
【請求項７】
前記ロジウムドープチタン酸ストロンチウム粒子の、Ｍ（ロジウム）／Ｍ（チタン＋ロジウム）で表わされるモル比率が０．００１〜０．０３である、請求項５または６に記載の複合光触媒。
【請求項８】
前期ロジウムドープチタン酸ストロンチウムが、チタン化合物と、ストロンチウム化合物と、疎水性錯化剤とを水に溶解させた水溶液を用意し、これを乾燥および焼成することにより製造されるものである、請求項５〜７のいずれか一項に記載の複合光触媒。
【請求項９】
前記酸素発生用可視光応答型光触媒粒子が、ＷＯ３、ＢｉＶＯ４、Ｆｅ２Ｏ３、Ｂｉ２ＷＯ６、ＴａＯＮ、Ｔａ３Ｎ５、ＢａＴａＯ２ＮおよびＬａＴｉＯ２Ｎから選ばれる少なくとも１種である、請求項１〜８のいずれか一項に記載の複合光触媒。
【請求項１０】
前記酸素発生用可視光応答型光触媒粒子が、ＷＯ３、ＢｉＶＯ４およびＦｅ２Ｏ３から選ばれる少なくとも１種である、請求項１〜８のいずれか一項に記載の複合光触媒。
【請求項１１】
可視光による水の光分解反応に用いられる、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の複合光触媒。
【請求項１２】
基材と、当該基材に固定化されてなる光触媒層とを含んでなる光触媒材であって、
前記光触媒層が、一次粒子径が１００ｎｍ以下である水素発生用可視光応答型光触媒粒子と、酸素発生用可視光応答型光触媒粒子とを含み、前記水素発生用可視光応答型光触媒粒子と前記酸素発生用可視光応答型光触媒粒子とが互いに接触している、光触媒材。
【請求項１３】
前記光触媒層の細孔径が、２０ｎｍ以上１００ｎｍ以下である、請求項１２に記載の光触媒材。
【請求項１４】
前記基材が、２５０℃以上の加熱によって分解されない無機物からなるものである、請求項１２又は１３に記載の光触媒材。
【請求項１５】
可視光による水の光分解反応に用いられる、請求項１２〜１４のいずれか一項に記載の光触媒材。
【請求項１６】
請求項１５に記載の光触媒材を含んでなる、水分解用光触媒モジュール。
【請求項１７】
請求項１６に記載の水分解用光触媒モジュールを含んでなる、水素製造システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可視光による水の光分解反応が可能な水素発生用光触媒粒子および酸素発生用光触媒粒子を含む複合光触媒に関する。また本発明は、可視光による水の光分解反応が可能な水素発生用光触媒粒子および酸素発生用光触媒粒子を含む光触媒層が基材上に固定された光触媒材に関する。
【背景技術】
【０００２】
可視光応答型光触媒は、太陽光に多く含まれる可視光線を利用可能な光触媒である。この可視光応答型光触媒は、有機物の光分解や、水の光分解による水素製造への応用に期待されている。中でも、水素の製造を目的とした水分解用光触媒は、再生可能エネルギーを利用した水素製造方法に用いられる光触媒として注目されている。その結果、高い活性が得られる水分解用光触媒への要求が年々高まっている。【０００３】
可視光応答性がある水分解用光触媒として、ロジウムドープチタン酸ストロンチウム（Ｒｈ−ＳｒＴｉＯ３）は、水の光分解による水素発生能が非常に高いことが知られている。また、酸素発生用光触媒粒子とＲｈ−ＳｒＴｉＯ３粒子を組合せたＺスキーム型システムは、これら２つの粒子がｐＨ制御により互いに凝集させた状態である水懸濁液へ可視光線を照射することにより、完全水分解反応において水素および酸素を、０．１％以上の高いエネルギー変換効率で発生させることが知られている（Ｓａｓａｋｉら、Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｃｈｅｍ．Ｃ  １７５３６〜１７  ５４２ページ、２００９年（非特許文献１））。【０００４】
従来、上記Ｒｈ−ＳｒＴｉＯ３は、固相反応法や水熱合成法により作製され、これら方法においては１０００℃程度で焼成する高結晶化処理を行うことが知られている。これにより得られたＲｈ−ＳｒＴｉＯ３粒子は、一次粒子径が数百ｎｍ〜数μｍ程度のものであり、可視光照射下で高い水素発生能を示すことが知られている。一方、Ｒｈ−ＳｒＴｉＯ３粒子を更に高活性化させるため、Ｒｈ−ＳｒＴｉＯ３粒子の比表面積を増大させる、すなわち微細結晶のＲｈ−ＳｒＴｉＯ３粒子が求められている。また、高い水素発生能を有するＲｈ−ＳｒＴｉＯ３粒子と酸素発生用光触媒粒子とを複合化して、この複合光触媒を用いて完全水分解反応の変換効率の向上が求められている。【０００５】
また、特開２０１２−１８７５２０号公報（特許文献２）には、基材上に光触媒層を有する水分解用光触媒固定化物であって、前記光触媒層が、Ｇａ、Ｚｎ、Ｔｉ、Ｌａ、Ｔａ及びＢａ原子を含む窒化物又は酸窒化物である可視光応答型光半導体と、この光半導体に担持された助触媒と、シリカ、アルミナ及び酸化チタンからなる群より選ばれる少なくとも１つ以上の親水性無機材料とを含む、水分解用光触媒固定化物が記載されている。この文献によれば、光触媒層中に可視光応答型光触媒と親水性無機材料が共存することにより、水分解反応時に、光触媒層の表面近傍だけでなく内部にまで水を侵入させることができるとともに、親水性表面によって生成ガスが光触媒層に付着し難くなる結果、生成ガスの気相中への拡散が促進されるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１２−０５６９４７号公報
【特許文献２】特開２０１２−１８７５２０号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Ｓａｓａｋｉら、Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｃｈｅｍ．Ｃ  １７５３６〜１７  ５４２ページ、２００９年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明者らは、今般、高い結晶性と一次粒子の微細化を両立させた可視光応答型光触媒粒子の製造を実現し、このような微細な水素発生用可視光応答型光触媒粒子と、酸素発生用可視光応答型光触媒粒子とを組み合わせることにより、水素発生能の高い複合光触媒、好ましくは水分解用可視光応答型複合光触媒が得られるとの知見を得た。また、このような微細な水素発生用光触媒粒子と、酸素発生用光触媒粒子とを基材上に固定した結果、水素発生能の高い光触媒材が得られるとの知見を得た。本発明は斯かる知見に基づくものである。【０００９】
従って、本発明は、高い結晶性と一次粒子の微細化を両立させた、水素発生用可視光応答型光触媒粒子と酸素発生用可視光応答型光触媒粒子とを互いに接触させてなる、水素発生能の高い複合光触媒の提供をその目的としている。また、本発明は、高い結晶性と一次粒子の微細化を両立させた、水素発生用可視光応答型光触媒粒子と酸素発生用可視光応答型光触媒粒子とを基材上に固定した水素発生能の高い光触媒材の提供をその目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
そして、本発明による複合光触媒は、一次粒子径が１００ｎｍ以下である水素発生用可視光応答型光触媒粒子と、酸素発生用可視光応答型光触媒粒子とを含み、水素発生用可視光応答型光触媒粒子と酸素発生用可視光応答型光触媒粒子とが互いに接触していることを特徴とするものである。また、本発明による光触媒材は、基材と、当該基材に固定化されてなる光触媒層とを含んでおり、光触媒層が、一次粒子径が１００ｎｍ以下である水素発生用可視光応答型光触媒粒子と、酸素発生用可視光応答型光触媒粒子とを含み、水素発生用可視光応答型光触媒粒子と酸素発生用可視光応答型光触媒粒子とが互いに接触していることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明による複合光触媒、および光触媒材によれば、可視光照射下で高い光触媒活性を発現する水分解が可能な複合光触媒、および光触媒材を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明による水分解用可視光応答型光触媒材断面の模式図である。
【図２】本発明による水分解用可視光応答型複合光触媒に含まれるロジウムドープチタン酸ストロンチウム粒子の走査型電子顕微鏡写真である。
【図３】本発明による水分解用可視光応答型複合光触媒を陽極酸化アルミナフィルター上に固定化した光触媒材の走査型電子顕微鏡写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
定義
本明細書において、「可視光」とは、人間の目で視認可能な波長の電磁波（光）を意味する。好ましくは、波長３８０ｎｍ以上の可視光線を含む光、より好ましくは、波長４２０ｎｍ以上の可視光線を含む光を意味する。また、可視光線を含む光としては、太陽光、集光してエネルギー密度を高めた集光太陽光、あるいはキセノンランプ、ハロゲンランプ、ナトリウムランプ、蛍光灯、発光ダイオード等の人工光源を光源として用いることが可能である。好ましくは、地球上に無尽蔵に降り注いでいる太陽光を光源として用いることが可能である。これにより、太陽光線の６０％以上を占める可視光線を利用可能であるので、水から水素及び酸素を取り出せる指標となるエネルギー変換効率を高めることが可能となる。
【００１４】
複合光触媒
本発明による複合光触媒は、一次粒子径が１００ｎｍ以下である、可視光による水の光分解反応により水素を発生可能な光触媒粒子と、可視光による水の光分解反応により酸素を発生可能な光触媒粒子とを含み、水素発生用可視光応答型光触媒粒子と酸素発生用可視光応答型光触媒粒子とが互いに接触している複合光触媒である。本発明による複合光触媒、好ましくは水分解用可視光応答型複合光触媒（以下、これらを単に「複合光触媒」ともいう。）によれば、一次粒子径が１００ｎｍ以下である微細な水素発生用可視光応答型光触媒粒子（以下、単に「水素発生用光触媒粒子」ともいう。）を用いているため、水の完全光分解反応において律速となる水素発生用の光分解反応の効率を高めることが可能となる。また、本発明による複合光触媒は、このような水素発生能の高い水素発生用光触媒粒子と酸素発生用可視光応答型光触媒粒子（以下、単に「酸素発生用光触媒粒子」ともいう。）とを接触させて用いているため、これら２種の光触媒各々の能力を有効に発揮させることが可能となる。その結果、水の完全光分解を高い効率で実現することができる。
【００１５】
本発明による複合光触媒は、光学的バンドギャップを有する半導体物性を示し、可視光を吸収する。これにより、バンド間遷移等の電子遷移により、伝導帯（あるいはバンドギャップ内に存在する電子アクセプター準位）に励起電子が生じ、価電子帯（あるいはバンドギャップ内に存在する電子ドナー準位）に励起正孔が生じることで、それぞれ反応対象物を還元および酸化する。
【００１６】
また、本発明による複合光触媒は、水素発生用光触媒粒子と酸素発生用光触媒粒子が接触している。これにより、水素発生用光触媒粒子では水素発生反応を、酸素発生用光触媒粒子では酸素発生反応をそれぞれ行うことが可能となる。また、本発明による複合光触媒は、反応サイトが分離可能であることから、発生した水素と酸素が逆反応により水に再生され、水分解の反応速度を低下させること等を抑制することが可能である。
【００１７】
本発明による複合光触媒にあっては、これに含まれる水素発生用光触媒粒子と酸素発生用光触媒粒子の混合比率は、重量比で、水素発生用光触媒粒子：酸素発生用光触媒粒子＝１０：９０〜９０：１０であることが好ましく、２０：８０〜８０：２０であることがより好ましい。この範囲とすることで、複合光触媒粒子の接触界面における電荷再結合反応を促進することが可能となる。その結果、水分解効率を高めることが可能となる。
【００１８】
複合光触媒による水分解反応
本発明による複合光触媒にあっては、これに含まれる水素発生用光触媒粒子と酸素発生用光触媒粒子同士が接触していることで、これら２つの粒子間の荷電キャリア（電子および正孔）の移動が可能となる。水分解反応は、具体的には以下のように起こると考えられるが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００１９】
本発明による複合光触媒へ可視光を照射することにより、この複合光触媒に含まれる水素発生用光触媒粒子および酸素発生用光触媒粒子それぞれで光励起反応が起こり、これら２つの粒子それぞれの内部に励起電子と励起正孔が生成する。これらのうち、水素発生用光触媒粒子内で生成する励起正孔と、酸素発生用光触媒粒子内で生成する励起電子は、それぞれ各粒子の表面に拡散する。その結果、粒子界面で電荷再結合反応が起こることにより、これら荷電キャリアは消滅する。ここで、「電荷再結合反応」とは、励起電子と励起正孔が反応し、励起キャリアが消滅する反応である。
【００２０】
そして、水素発生用光触媒粒子に残った励起電子と、酸素発生用光触媒粒子に残った励起正孔は、それぞれ各粒子の表面に拡散し、粒子表面あるいは粒子表面に担持された助触媒の表面において、それぞれ水を還元および酸化することで、水素および酸素を発生させる。
【００２１】
複合光触媒における粒子の接触状態
本発明による複合光触媒にあっては、水素発生用光触媒粒子と酸素発生用光触媒粒子とが互いに接触しているが、この接触の状態として、水素発生用光触媒粒子の励起正孔と酸素発生用光触媒粒子の励起電子による電荷再結合反応が起こり得る状態であればよい。接触状態の具体例としては、物理的に接触している状態、化学的に結合して接触している状態、これら２つの状態が共に形成されている状態が挙げられる。
【００２２】
複合光触媒の製造方法
本発明による複合光触媒の製造方法は、水素発生用光触媒粒子の励起正孔と酸素発生用光触媒粒子の励起電子との電荷再結合反応が粒子界面において起こり得る状態を実現し得る工程を含むものであれば特に限定されない。この電荷再結合反応が起こり得る状態を実現するため、本発明による複合光触媒は水素発生用光触媒粒子と酸素発生用光触媒粒子とが互いに接触している。
【００２３】
水素発生用光触媒粒子と酸素発生用光触媒粒子同士が互いに接触している状態を形成するには、物理的な方法と化学的な方法とを用いることができる。物理的な方法としては、水素発生用光触媒粒子と酸素発生用光触媒粒子のそれぞれの粒子からなる粉体、あるいはこの粉体を液体に分散させたスラリーを、機械混練および手動混練等の混練法や、ボールミル、ビーズミルおよび遊星型ミル等の機械的ミリング法を用いて、水素発生用光触媒粒子と酸素発生用光触媒粒子を互いに衝突させる方法を好ましく用いることができる。
【００２４】
このように水素発生用光触媒粒子と酸素発生用光触媒粒子を分散・混合させた後、乾燥させることで、これらの粒子が強固に接触した、複合光触媒を得ることができる。
【００２５】
また、接触状態をさらに向上させるために、水素発生用光触媒粒子と酸素発生用光触媒粒子を接触させた状態で焼成することが好ましい。これにより、粒子同士の界面における接触面積を増加させることが可能となる。焼成温度としては、２００℃以上７００℃以下が好ましく、３００℃以上６００℃以下であることがより好ましい。この範囲の温度で焼成することで、接触状態を向上しつつ、水素発生用光触媒粒子と酸素発生用光触媒粒子との高温での反応による不純物生成を抑制することが可能となる。
【００２６】
化学的な方法としては、水素発生用光触媒粒子と酸素発生用光触媒粒子のいずれか、あるいは双方の表面に特定の官能基を付与して、それぞれの粒子を接触・反応させ、イオン結合、共有結合、水素結合等の化学結合形態を得る方法を好ましく用いることができる。
【００２７】
また、接触状態をさらに向上させるために、上記と同様に、水素発生用光触媒粒子と酸素発生用光触媒粒子同士を接触させた状態で焼成することが好ましい。焼成温度も上記と同様である。これにより、接触状態を向上しつつ、官能基を含む有機物を熱分解させることが可能となる。その結果、粒子界面における接触状態を良好にすることが可能となり、さらに水素発生用光触媒粒子と酸素発生用光触媒粒子との高温での反応による不純物生成を抑制することが可能となる。
【００２８】
本発明の好ましい態様によれば、水素発生用光触媒粒子と酸素発生用光触媒粒子それぞれの表面に官能基を付与することができる。官能基を付与する手段として、官能基を有するポリマー等の高分子化合物あるいは低分子化合物を、水素発生用光触媒粒子と酸素発生用光触媒粒子それぞれの表面に吸着させる方法を好ましく使用することができる。これにより、それぞれの粒子の液体媒体中での分散性を向上させることが可能となる。また、水素発生用光触媒粒子と酸素発生用光触媒粒子の一次粒子同士の接触が可能となる。その結果、これらの粒子の接触界面を増加させることができ、電荷再結合反応を速やかに促進することで、水分解反応の高効率化が可能となる。
【００２９】
前記ポリマーとしては、光触媒粒子の表面に吸着可能であり、焼成等の手段により複合光触媒から除去可能なものであれば特に制限はない。このようなポリマーの具体例としては、非イオン性、イオン性いずれのポリマーを利用することができる。
【００３０】
非イオン性ポリマーの具体例としては、水溶媒系では、ポリビニルアルコール、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、ポリビニルピロリドン、カルボキシルメチルセルロース、カルボキシプロピルセルロース、トリブロックコポリマー（例えば、ポリエチレンオキサイド−ポリプロピレンオキサイド−ポリエチレンオキサイド）等が利用可能であり、有機溶剤系では、エチルセルロース、ポリビニルブチラール等が利用可能である。
【００３１】
イオン性ポリマーの具体例としては、アニオン性ポリマーとして、ポリアクリル酸（アンモニウム塩、ナトリウム塩、カリウム塩を含む）等のカルボン酸付加ポリマーが利用可能であり、カチオン性ポリマーとして、ポリエチレンイミン、ポリアリルアミン、ポリジアリルジメチルアンモニウム等のアミン系化合物付加ポリマーが利用可能である。
【００３２】
本発明の好ましい態様によれば、本発明による複合光触媒の製造方法は、水素発生用光触媒粒子と酸素発生用光触媒粒子それぞれを、異なる電荷を有するポリマー（アニオン性ポリマーとカチオン性ポリマー）を含む溶液中で分散させて、一次粒子として単分散に近い状態とする工程を含む。その後、これらのスラリーを混合し、それぞれの粒子表面に吸着したポリマーの異なる電荷同士によるクーロン相互作用により、水素発生用光触媒粒子と酸素発生用光触媒粒子はそれぞれ互いに自発的に吸着し、接触することが可能となる。例えば、水素発生用光触媒粒子をアニオン性ポリマーを含む溶液中で分散させ、酸素発生用光触媒粒子をカチオン性ポリマーを含む水溶液中で分散させ、その後これらのスラリーを混合することにより、一次粒子同士が高密度に接触可能な状態とすることが可能となる。その後、一次粒子同士が高密度に接触した状態で焼成し、ポリマーを除去することで、複合光触媒として高活性な状態を実現できる。焼成温度は、上述したとおりである。
【００３３】
水素発生用光触媒粒子
本発明による複合光触媒に含まれる水素発生用光触媒粒子は、一次粒子径が１００ｎｍ以下である。また、可視光照射により水を分解して水素を生成可能なものであり、酸素発生用光触媒粒子と接触させて用いるものである。
【００３４】
本発明に用いられる水素発生用光触媒粒子は、光学的バンドギャップを有する半導体物性を示し、可視光を吸収することで、バンド間遷移等の電子遷移により、伝導帯（あるいはバンドギャップ内に存在する電子アクセプター準位）に励起電子、及び価電子帯（あるいはバンドギャップ内に存在する電子ドナー準位）に励起正孔が生じることで、それぞれ反応対象物を還元および酸化することが可能な光触媒粒子を用いることができる。つまり、本発明による複合光触媒に含まれる水素発生用光触媒粒子は、可視光線を照射することで生成する励起電子が、水を還元して水素を生成可能な光触媒粒子である。水素発生用光触媒粒子の伝導帯（あるいはバンドギャップ内に存在する電子アクセプター準位）は、水の還元電位（０Ｖ  ｖｓ．ＮＨＥ（標準水素電極電位））よりも卑な位置にあれば良く、また水素発生用光触媒粒子の価電子帯（あるいはバンドギャップ内に存在する電子ドナー準位）は、酸素発生用光触媒粒子の伝導帯位置よりも貴な位置にあれば良い。
【００３５】
このような水素発生用光触媒粒子の具体例としては、ＲｈドープＳｒＴｉＯ３（ＳｒＴｉ１−ｘＲｈｘＯ３：ｘ＝０．００２〜０．１）、ＩｒドープＳｒＴｉＯ３（ＳｒＴｉ１−ｘＩｒｘＯ３：ｘ＝０．００２〜０．１）、ＣｒドープＳｒＴｉＯ３（ＳｒＴｉ１−ｘＣｒｘＯ３：ｘ＝０．００２〜０．１）、Ｃｒ及びＴａドープＳｒＴｉＯ３（ＳｒＴｉ１−ｘ−ｙＣｒｘＴａｙＯ３：ｘ＝０．００２〜０．１、ｙ＝０．００２〜０．１）、Ｃｕ２Ｏ、ＣｕＯ、ＧａＮ−ＺｎＯ固溶体、ＬａＴｉＯ２Ｎ、ＢａＴａＯ２Ｎ、ＢａＮｂＯ２Ｎ、ＴａＯＮ、Ｔａ３Ｎ５、Ｇｅ３Ｎ４等の遷移金属あるいは典型金属を含有する酸窒化物あるいは窒化物、ＣｕＧａＳ２、ＣｕＩｎＳ２、Ｃｕ（Ｇａ，Ｉｎ）Ｓ２、ＣｕＧａＳｅ２、ＣｕＩｎＳｅ２、Ｃｕ（Ｇａ，Ｉｎ）Ｓｅ２、Ｃｕ２ＺｎＳｎＳ４（ＣＺＴＳ）、Ｃｕ２ＺｎＳｎ（Ｓ，Ｓｅ）４等のＧａ、Ｉｎ、Ａｌ等の典型金属を含む銅複合硫化物あるいは酸硫化物を好適に挙げることができる。
【００３６】
水素発生用光触媒粒子のより好ましい具体例は、ＲｈドープＳｒＴｉＯ３（ＳｒＴｉ１−ｘＲｈｘＯ３：ｘ＝０．００５〜０．０５）、ＩｒドープＳｒＴｉＯ３（ＳｒＴｉ１−ｘＩｒｘＯ３：ｘ＝０．００５〜０．０５）、ＣｒドープＳｒＴｉＯ３（ＳｒＴｉ１−ｘＣｒｘＯ３：ｘ＝０．００２〜０．１）、Ｃｒ及びＴａドープＳｒＴｉＯ３（ＳｒＴｉ１−ｘ−ｙＣｒｘＴａｙＯ３：ｘ＝０．００２〜０．１、ｙ＝０．００２〜０．１）、Ｃｕ２Ｏ、ＣｕＯ、ＧａＮ−ＺｎＯ固溶体、ＬａＴｉＯ２Ｎ、ＢａＴａＯ２Ｎ、ＢａＮｂＯ２Ｎ、ＴａＯＮ、Ｔａ３Ｎ５、Ｇｅ３Ｎ４、ＣｕＧａＳ２、ＣｕＩｎＳ２、Ｃｕ（Ｇａ，Ｉｎ）Ｓ２、ＣｕＧａＳｅ２、ＣｕＩｎＳｅ２、Ｃｕ（Ｇａ，Ｉｎ）Ｓｅ２、Ｃｕ２ＺｎＳｎＳ４（ＣＺＴＳ）、Ｃｕ２ＺｎＳｎ（Ｓ，Ｓｅ）４である。
【００３７】
水素発生用光触媒粒子の最も好ましい具体例は、ＲｈドープＳｒＴｉＯ３（ＳｒＴｉ１−ｘＲｈｘＯ３：ｘ＝０．０１〜０．０４）、ＣｒドープＳｒＴｉＯ３（ＳｒＴｉ１−ｘＣｒｘＯ３：ｘ＝０．００２〜０．１）、Ｃｒ及びＴａドープＳｒＴｉＯ３（ＳｒＴｉ１−ｘ−ｙＣｒｘＴａｙＯ３：ｘ＝０．００２〜０．１、ｙ＝０．００２〜０．１）である。
【００３８】
水素発生用光触媒粒子の一次粒子径
本発明による複合光触媒に含まれる水素発生用光触媒粒子の一次粒子径は１００ｎｍ以下であり、好ましくは７０ｎｍ以下である。このような微細な粒径を有することで、水素発生用光触媒粒子の単位重量当たりの水と接触可能な表面積が大きくなる。これにより、水の還元反応サイトが増加し、その結果、高効率な水素発生が可能となる。
【００３９】
また、本発明による複合光触媒に含まれる水素発生用光触媒粒子が微細な粒径を有することの利点は、可視光照射により、粒子内で生成する励起電子及び励起正孔が、粒子表面まで拡散する距離が短いことである。このため、励起電子及び励起正孔それぞれが拡散された粒子表面での、水の還元による水素発生反応と、酸素発生用光触媒粒子で生成する励起電子との電荷再結合反応とが高効率に起こることが可能である。
【００４０】
水素発生用光触媒粒子の一次粒子径の評価手法としては、例えば、走査型電子顕微鏡（株式会社日立製作所製、“Ｓ−４１００”、以下「ＳＥＭ」ともいう。）により、倍率４００００倍で観察した際の結晶粒子５０個の円形近似による平均値で定義することが可能である。
【００４１】
水素発生用光触媒粒子の結晶性
本発明による複合光触媒に含まれる水素発生用光触媒粒子は、高い結晶性、かつ微細な一次粒子径を有する。これにより、主に酸素欠陥準位が起点となる水素発生用光触媒粒子内での励起正孔と励起電子の再結合反応を抑制することが可能となる。その結果、水素発生用光触媒粒子の励起電子による水の還元、および水素発生用光触媒粒子の励起正孔と水素発生用光触媒粒子の励起電子の粒子界面での電荷再結合反応が促進されることで、効率的な水分解反応が可能となる。
【００４２】
水素発生用光触媒粒子への助触媒担持
本発明の好ましい態様によれば、本発明による複合光触媒に含まれる水素発生用光触媒粒子を用いて水を光分解する場合、水素発生用光触媒粒子表面に助触媒を担持させる。これにより、水素の発生が速やかに起こる。
【００４３】
水素発生用助触媒としては、白金、ルテニウム、イリジウム、ロジウム等の金属粒子から選ばれる少なくとも１種、あるいはこれらの金属粒子を混合させたものを好ましく用いることがでる。より好ましくは、白金、ルテニウムの金属粒子を用いることができる。この助触媒を、粒子形状で水素発生用光触媒粒子表面に担持させることにより、水の還元反応における活性化エネルギーを減少させることが可能となるため、速やかな水素の発生が可能となる。
【００４４】
助触媒の担持方法としては、含浸法や吸着法などが好ましく挙げられる。含浸法や吸着法は、光触媒粒子を助触媒前駆体が溶解した溶液に分散させて、光触媒表面に吸着させる方法である。助触媒前駆体としては、白金、ルテニウム、イリジウム、ロジウム等の金属の塩化物、硝酸塩、アミン塩等が挙げられる。
【００４５】
また、光触媒粒子の表面に助触媒前駆体を担持させた後、これを還元することが好ましい。助触媒前駆体を還元し、金属の状態とすることで活性が高くなる。助触媒前駆体の還元方法としては、光還元法、化学還元法等が好ましく用いられる。光還元法は、光触媒粒子への紫外光あるいは可視光の照射により、光触媒粒子内に生成する励起電子によって、光触媒に吸着した助触媒前駆体を還元させる方法である。また、化学還元法は、４００℃以下、好ましくは３００℃以下の水素ガス気流下で、助触媒前駆体を還元する方法である。このような方法で担持させた助触媒は粒子形状であり、水素発生用光触媒粒子表面に助触媒を粒子形状で担持させることにより、水の還元反応における活性化エネルギーを減少させることが可能となるため、速やかな水素の発生が可能となる。
【００４６】
以下、本発明による複合光触媒に含まれる水素発生用光触媒粒子の最も好ましい具体例の一つであるロジウムドープチタン酸ストロンチウムについて説明する。
【００４７】
ロジウムドープチタン酸ストロンチウム粒子の結晶性
本発明による複合光触媒に含まれる水素発生用光触媒粒子としてのロジウムドープチタン酸ストロンチウム（Ｒｈ−ＳｒＴｉＯ３）粒子は、高い結晶性、かつ微細な一次粒子径を有する。
【００４８】
本発明者らは、従来のロジウムドープチタン酸ストロンチウム粒子に比べて、結晶中のＲｈ４＋に由来する光吸収率が大きいことと、結晶中に存在する酸素欠陥に由来する光吸収率が小さいことを両立した粒子が、高い結晶性を有し、かつ高い光触媒活性を示すことを見出した。Ｒｈ−ＳｒＴｉＯ３において、高い結晶性と、比表面積の大きい、すなわち微細結晶であることを両立させることには困難が伴う。つまり、Ｒｈ−ＳｒＴｉＯ３は、結晶成長にあたり微細結晶のままで、高い結晶性を有する結晶となるように成長させることが難しい物質である。このようなＲｈ−ＳｒＴｉＯ３粒子において、結晶中のＲｈ４＋に由来する光吸収率と、結晶中に存在する酸素欠陥に由来する光吸収率とを指標とすることで、微細結晶でかつ高い結晶性を有する結晶を得ることが可能となった。
【００４９】
通常、金属酸化物の結晶性が低下する要因の一つとして、酸素欠陥の生成が考えられる。つまり、金属酸化物の酸素サイトの欠損部位が多い、すなわち酸素欠陥が多いほど、結晶としての周期性が乱れるため、金属酸化物の結晶化度が低下する、つまり結晶性が低下する。
【００５０】
本発明による複合光触媒に含まれるロジウムドープチタン酸ストロンチウム粒子の酸素欠陥量は、ロジウムドープチタン酸ストロンチウム粒子からなる粉末の紫外光、可視光、近赤外光領域における拡散反射スペクトル測定により定量評価できる光吸収率Ａ（＝１−分光反射率Ｒ）を指標として評価することが可能である。金属酸化物、例えば、酸化チタンの中に存在する酸素欠陥は、酸化チタンのバンド構造において、Ｔｉ−３ｄ軌道からなる伝導帯の下端から０．７５〜１．１８ｅＶ程度低い電子エネルギーの領域に、酸素欠陥により生成するＴｉ３＋からなるドナー準位を生じさせる。また、酸素欠陥を有する酸化チタンの吸収スペクトルは、可視光域から近赤外域に渡る幅広い領域でブロードな光吸収帯を持つことが知られている（Ｃｒｏｎｅｍｅｙｅｒら、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．１１３号、１２２２〜１２２５ページ、１９５９年）。今般、本発明者らは、ロジウムドープチタン酸ストロンチウム粒子の拡散反射スペクトルを測定することで、酸化チタンと同様に、可視光から近赤外光領域に渡って、ブロードな光吸収帯が生じることを確認した。さらに、焼成温度を上昇させることで、この近赤外光領域において光吸収率が減少することを確認した。これらのことから、可視光から近赤外域における光吸収を測定することで、焼成温度の上昇に伴う結晶性の向上を定量化できることを見出した。
【００５１】
また、本発明者らは、高い光触媒活性を有するロジウムドープチタン酸ストロンチウム粒子においては、ロジウムの状態も重要であり、チタン酸ストロンチウム結晶中の４価のロジウム（Ｒｈ４＋）に由来する光吸収が大きいほど、結晶性が高くなることを見出した。このロジウムの価数による結晶性への影響に関して、以下のメカニズムが予想されるが、本発明はこのメカニズムに限定されるものではない。
【００５２】
通常、ロジウムの価数は、２価、３価、４価および５価が知られている。これらの価数を有するロジウムのうち、室温及び大気中で最も安定なのは３価のロジウム（Ｒｈ３＋）である。３価のロジウムを含む出発原料を用いた場合、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）を高温で焼成し結晶化する際、４価のチタン（Ｔｉ４＋）のサイトにロジウムがドープされることが知られている。この際、Ｒｈ３＋がＴｉ４＋の結晶サイトに置換固溶した場合、電気的中性を保つために、酸素欠陥が生じてしまう。よって、本発明者らは、この酸素欠陥を減少させるためには、結晶の電気的中性を維持可能なＲｈ４＋が、Ｔｉ４＋の結晶サイトに置換固溶する必要があり、このことにより粒子の結晶性が向上することを見出した。
【００５３】
そこで、本発明者らは、以下の方法で粒子を測定することにより、本発明の高い光触媒活性を有するロジウムドープチタン酸ストロンチウム粒子の光学特性パラメータを明らかにできることを見出した。
【００５４】
本発明による複合光触媒に含まれるロジウムドープチタン酸ストロンチウム粒子の光学特性の測定方法として、例えば、積分球ユニットを装着した、紫外可視近赤外分光光度計（日本分光株式会社製、“Ｖ−６７０”）を用いることが可能である。具体的には、紫外可視近赤外分光光度計に、積分球ユニット（日本分光株式会社製、“ＩＳＶ−７２２”）を装着する。ここで、ベースライン測定には、アルミナ焼結ペレットを用いる。その上で、微量粉末セル（日本分光株式会社製、“ＰＳＨ−００３”）の窓部（φ５ｍｍ）に、充填率が５０％以上となるように粒子粉末３０ｍｇを詰めた際の拡散反射スペクトルを測定することで、分光反射率Ｒの測定が可能となる。ロジウムドープチタン酸ストロンチウム粒子の光学特性は、この装置を用いて、波長２００〜２５００ｎｍまでの範囲で、拡散反射スペクトルを測定することで示される。そして、本発明に含まれるロジウムドープチタン酸ストロンチウム粒子は、波長３１５ｎｍにおける光吸収率Ａ３１５（＝１−Ｒ３１５［波長３１５ｎｍにおける分光反射率］）が、０．８６〜０．８７の範囲になるような条件下で、チタン酸ストロンチウム結晶中のＲｈ４＋に由来する光吸収に帰属される、波長５７０ｎｍにおける光吸収率Ａ５７０（＝１−Ｒ５７０［波長５７０ｎｍにおける分光反射率］）が、０．６以上であり、かつ、結晶中の酸素欠陥に由来する光吸収に帰属される、波長１８００ｎｍにおける光吸収率Ａ１８００（＝１−Ｒ１８００［波長１８００ｎｍにおける分光反射率］）が、０．７以下であることを特徴とする。好ましい態様によれば、波長５７０ｎｍにおける光吸収率Ａ５７０は、０．６以上０．８未満である。また、別の好ましい態様によれば、波長１８００ｎｍにおける光吸収率Ａ１８００は、０．３以上０．７以下である。
【００５５】
ロジウムドープチタン酸ストロンチウム粒子の一次粒子径
本発明による複合光触媒に含まれる水素発生用光触媒粒子としてのロジウムドープチタン酸ストロンチウム粒子は、微細な一次粒子径を有している。一次粒子径は、７０ｎｍ以下であることが好ましい。これにより、ロジウムドープチタン酸ストロンチウム粒子は高い比表面積を有することができる。また、分解対象物質との接触面積が増加し、粒子の光触媒活性が向上する。好ましい一次粒子径は５０ｎｍ以下である。より好ましい一次粒子径は３０ｎｍ以上７０ｎｍ以下である。さらにより好ましい一次粒子径は３０ｎｍ以上５０ｎｍ以下である。ロジウムドープチタン酸ストロンチウム粒子の一次粒子径は、既に述べた評価方法により測定することができる。
【００５６】
ロジウムドープチタン酸ストロンチウム粒子の構造
本発明による複合光触媒に含まれる水素発生用光触媒粒子としてのロジウムドープチタン酸ストロンチウム粒子は、比表面積が大きいものである。本発明においては、ロジウムドープチタン酸ストロンチウム粒子のＲＳＰ値を指標として用いることで、表面積の大きいロジウムドープチタン酸ストロンチウム粒子又はこれが集合した多孔質度の高い粉体（二次粒子）を示すことが可能となった。
【００５７】
ＲＳＰ値は粒子表面に吸着した水分子の吸着量に相関する指標であり、水中に分散する粒子が水と接触している表面積に依存する指標である。本発明による複合光触媒に含まれるロジウムドープチタン酸ストロンチウム粒子は水分解用光触媒として利用されるため、この粒子は水と接触させて利用されるものである。この場合、水は一次粒子間の間隙あるいは二次粒子内の細孔に拡散し、粒子の表面に水が接触する状態となる。従って、本発明に含まれるロジウムドープチタン酸ストロンチウム粒子にあっては、水が吸着している粒子の表面積をＲＳＰ値を指標として正確に測定可能であることは、比表面積の大きい粒子を得る上で有効である。なお、粒子の比表面積を測定する方法として、従来主流である窒素吸脱着測定を元にしたＢＥＴ解析が挙げられるが、このＢＥＴ解析では、プローブとして窒素用いており、窒素の分子直径は小さいため、水が拡散できない細孔表面に窒素が吸着してしまう。従って、ＢＥＴ解析による比表面積測定方法は水が吸着している粒子を対象とする場合有効性に欠ける。
【００５８】
ＲＳＰ値は以下の式で表される。また、ＲＳＰ値は、パルスＮＭＲ粒子界面評価装置（例えば、“Ａｃｏｒｎ  ａｒｅａ”、日本ルフト製）により測定することが可能である。
ＲＳＰ＝（Ｒｂ−Ｒａｖ）／Ｒｂ      （１）
ここで、Ｒａｖは、平均緩和時定数である。緩和時定数は、粒子が水に分散している際に表面に接触あるいは吸着している水の緩和時間の逆数である。平均緩和時定数は得られた緩和時定数を平均した値である。
Ｒｂは、粒子が含まれていないブランクの水の緩和時定数である。
【００５９】
Ｒｓｐ値が大きいほど、粒子表面と水の相互作用が大きいことを示す。すなわち、粒子と水が接触している面積が大きく、粒子の比表面積が大きいことを示す。
【００６０】
本発明による複合光触媒に含まれるロジウムドープチタン酸ストロンチウム粒子のＲＳＰ値は、０．８６以上であることが好ましい。より好ましくは０．８８以上である。またＲＳＰ値は、１０以下であることが好ましい。
【００６１】
ロジウムドープチタン酸ストロンチウムの組成
本発明による複合光触媒に含まれる水素発生用光触媒粒子としてのロジウムドープチタン酸ストロンチウムの組成は、ＳｒＴｉ１−ｘＲｈｘＯ３で表わすことができる。ロジウムドープチタン酸ストロンチウム粒子の、Ｍ（ロジウム）／Ｍ（チタン＋ロジウム）で表わされるモル比率は、０．００１〜０．０３であることが好ましく、より好ましくは、０．０１〜０．０３である。モル比率をこの範囲とすることで、結晶中の酸素欠陥量の増加を抑制し、高い光触媒活性を実現することが可能である。
【００６２】
以上のように、本発明による複合光触媒に含まれるロジウムドープチタン酸ストロンチウム粒子は、上記に示す光吸収率と、ＳＥＭにより測定される微細な一次粒子形状を両立することで、高い光触媒活性の発現が可能となる。
【００６３】
ロジウムドープチタン酸ストロンチウム粒子の製造方法
本発明による複合光触媒に用いられる水素発生用光触媒粒子としてのロジウムドープチタン酸ストロンチウム粒子の製造方法として、湿式反応法を利用することが可能である。湿式反応法としては、ゾル−ゲル法、錯体重合法、水熱反応法等が挙げられる。例えば、ゾル−ゲル法による製造方法は、チタンのアルコキシドやチタンの塩化物を原料として用いる。この原料と水との加水分解反応によりチタンを含む水酸化物を生成させる。この水酸化物を６００℃以上で焼成し、結晶化させることでロジウムドープチタン酸ストロンチウム粒子を得ることができる。
【００６４】
ロジウムドープチタン酸ストロンチウム前駆体を含む水溶液を用いた粒子の製造
本発明による複合光触媒に含まれる水素発生用光触媒粒子としてのロジウムドープチタン酸ストロンチウム粒子の製造方法として、ストロンチウムイオン、チタンイオン、ロジウムイオンを含む水溶液を用いた熱分解法（水溶液熱分解法）を好ましく用いることが可能である。「水溶液熱分解法」とは、金属含有前駆体を原料として用い、この金属含有前駆体を含む水溶液を加熱することで、溶媒である水の蒸発に伴い、金属含有前駆体同士の脱水重縮合反応を起こす方法である。水との加水分解反応が速やかに起こる金属化合物（例えば、金属のアルコキシドや金属の塩化物等）を用いるゾル−ゲル法では、金属含有前駆体同士の加水分解により金属水酸化物が生成し、これらの脱水重縮合が速やかに起こることで、結晶核が粗大化しやすい。これに対して、水溶液熱分解法では、加水分解反応が緩やかな金属含有前駆体を原料として用いることで、水への安定な溶解が可能となる。また、このような金属含有前駆体を含む水溶液を加熱することで、溶媒である水の蒸発に伴い、金属含有前駆体同士の脱水重縮合反応が緩やかに起こり得る。これにより、熱分解時の結晶核の生成速度が遅くなり、結果的に結晶核の微細化が可能となる。
【００６５】
ロジウムドープチタン酸ストロンチウム粒子の製造方法の一つの態様によれば、チタン化合物、ストロンチウム化合物、ロジウム化合物と疎水性錯化剤を混合し、水に溶解させることでロジウムドープチタン酸ストロンチウム前駆体を含む水溶液を調製することが好ましい（これにより得られる水溶液を、以下、水溶液Ａという。）。ここで、「ロジウムドープチタン酸ストロンチウム前駆体」とは、チタン化合物が解離して生成するチタンイオンに疎水性錯化剤が配位して、形成される六員環構造を有する化合物と、ストロンチウム化合物が解離して生成するストロンチウムイオン及びロジウム化合物が解離して生成するロジウムイオンの混合物である。水溶液Ａを調製する方法は、まずチタン化合物と疎水性錯化剤を混合し水溶性チタン錯体を含む水溶液を調製する（これにより得られる水溶液を、以下、水溶液Ｂという。）。この水溶液Ｂにストロンチウム化合物及びロジウム化合物を混合し、ロジウムドープチタン酸ストロンチウム前駆体を含む水溶液、つまり水溶液Ａを調製する。ここで、水溶性チタン錯体とは、チタン化合物が解離して生成するチタンイオンに疎水性錯化剤が配位したものである。
【００６６】
ロジウムドープチタン酸ストロンチウム粒子の製造方法において、本来難水溶性であるＴｉ４＋を含むチタン化合物を水溶化させる方法として、原料としてチタン化合物の他に、疎水性錯化剤を添加することが好ましい。疎水性錯化剤をチタンイオンに配位させて、チタンイオンを錯化させることで、加水分解を抑制させることが可能となる。ここで、チタン化合物としては、チタンのアルコキシドやチタンの塩化物を用いることができる。チタンのアルコキシドとしては、チタンテトラメトキシド、チタンテトラエトキシド、チタンテトラｎ−プロポキシド、チタンテトライソプロポキシド、チタンテトラｎ−ブトキシド等を用いることができる。チタンの塩化物としては、四塩化チタン、四フッ化チタン、四臭化チタン等を用いることができる。
【００６７】
ロジウムドープチタン酸ストロンチウム粒子の製造方法において用いられる疎水性錯化剤は、チタンイオンに配位でき、チタンイオンに配位した際に溶媒相側に疎水部が露出するものである。このような疎水性錯化剤として、例えばジケトン類、カテコール類を好ましく用いることができる。ジケトン類としては、一般式：Ｚ１−ＣＯ−ＣＨ２−ＣＯ−Ｚ２（式中、Ｚ１およびＺ２は、独立して、アルキル基またはアルコキシ基である。）で表されるジケトン類を好ましく用いることができる。前記一般式で表されるジケトン類としては、アセチルアセトン、アセト酢酸エチル、アセト酢酸プロピル、アセト酢酸ブチル等を好ましく用いることができる。カテコール類としては、アスコルビン酸、ピロカテコール、ｔｅｒｔ−ブチルカテコール等を好ましく用いることができる。さらにより好ましくは、チタンへの水溶液中での錯化能が極めて高いアセチルアセトン、アセト酢酸エチルを用いることができる。これにより、親水部である水酸基が溶媒相側に露出した場合に起こる分子間の脱水重縮合による分子間重合を抑制できる。よって、熱分解時において結晶核の微細化や、熱分解反応後の粒子の微細化が可能となる。
【００６８】
また、ロジウムドープチタン酸ストロンチウム粒子の製造方法の好ましい態様によれば、疎水性錯化剤に加えて、親水性錯化剤を用いることができる。親水性錯化剤としては、好ましくはカルボン酸を用いることができ、より好ましくは、式Ｒ１−ＣＯＯＨ（式中、Ｒ１はＣ１−４アルキル基である）で表わされるカルボン酸、または炭素数１〜６のヒドロキシ酸またはジカルボン酸を用いることができる。このような親水性錯化剤の具体例としては、酢酸、乳酸、クエン酸、酪酸、リンゴ酸等の水溶性カルボン酸等が挙げられる。さらにより好ましい水溶性カルボン酸は、酢酸または乳酸である。これにより、チタン化合物の加水分解反応の抑制や水への溶解性を向上させることが可能となる。
【００６９】
また、錯体形成のための溶媒は水であってもよいが、別の好ましい態様によれば、溶媒として水溶性有機溶剤を用いても良い。これにより、遷移金属化合物の溶解性を向上させることができる。水溶性有機溶剤の具体例としては、メタノール、エタノール、ｎ−プロパノール、イソプロパノール、セロソルブ系溶媒、カルビトール系溶剤が挙げられる。
【００７０】
本発明の好ましい態様によれば、水溶性チタン錯体として特開２０１２−０５６９４７号公報に記載のものを用いることができる。具体的には、チタンイオンに対する配位数が６であるチタン錯体であって、チタンイオンと、それに配位してなる、一般式：Ｚ１−ＣＯ−ＣＨ２−ＣＯ−Ｚ２（式中、Ｚ１およびＺ２は、独立して、アルキル基またはアルコキシ基である。）で表され、二座配位子として機能する第１の配位子と、カルボキシラートである第２の配位子と、アルコキシドおよび水酸化物イオンからなる群から、独立してそれぞれ選択される第３の配位子および第４の配位子と、Ｈ２Ｏである第５の配位子とを含んでなるチタン錯体を用いることができる。
【００７１】
また、Ｓｒ２＋を含むストロンチウム化合物として、水溶性であり、加熱結晶化の際に、残渣としてアニオン成分が残らないものが好ましい。例えば、硝酸ストロンチウム、酢酸ストロンチウム、塩化ストロンチウム、臭化ストロンチウム、乳酸ストロンチウム、クエン酸ストロンチウム等が好ましく用いられる。
【００７２】
また、Ｒｈ３＋を含むロジウム化合物として、水溶性であり、加熱結晶化の際に、残渣としてアニオン成分が残らないものが好ましい。ロジウム化合物として、例えば、硝酸ロジウム、酢酸ロジウム、塩化ロジウム、臭化ロジウム、乳酸ロジウム、クエン酸ロジウム等が好ましく用いられる。また、ロジウム化合物として、Ｒｈ４＋を含む分子を用いても良い。ストロンチウム化合物あるいはロジウム化合物の水への溶解性を向上させるために、乳酸、酪酸、クエン酸等の親水性錯化剤を用いてもよい。
【００７３】
本発明による複合光触媒に用いられる水素発生用光触媒粒子としてのロジウムドープチタン酸ストロンチウム粒子の製造において、前記水溶液Ａにおける各種原料の好ましい混合比率としては、水１００グラムに対して、チタン１原子を含むチタン化合物は、０．０１〜０．２モル、より好ましくは０．０２〜０．１モルであり、ストロンチウム化合物は、チタン１原子を含むチタン化合物に対して１〜１．１倍のモル量であり、ロジウム化合物は、所望のドープ量であり、疎水性錯化剤は、０．００５〜０．４モル、より好ましくは０．０１５〜０．１５モルであり、親水性錯化剤は、０．０１〜０．２モル、より好ましくは０．０２５〜０．１５モルであることが好ましい。この比率で混合することで、チタン化合物が良好に水溶化し、熱分解後の粒子の高結晶化及び微細化が可能となる。また、チタン化合物に対する、疎水性錯化剤のモル比率としては、チタン１原子を含むチタン化合物１モルに対して、０．５〜２モルであることが好ましく、より好ましくは０．８〜１．２モルである。この範囲内では、チタン化合物の加水分解反応の進行や、分子の疎水性向上による水溶性の低下を抑制することが可能となる。また、チタン化合物に対する、親水性錯化剤のモル比率としては、チタン１原子を含むチタン化合物１モルに対して、０．２〜２モルであることが好ましく、より好ましくは０．３〜１．５モルである。この範囲内では、チタン化合物の加水分解反応の進行を抑制し、チタン化合物の水への溶解性を向上させることが可能となる。また、水溶液Ａにおいて、水溶液中での各イオンの安定性を維持し、結晶化後の粒子の微細化が可能なｐＨは、好ましくは、２〜６、より好ましくは、３〜５である。この範囲とすることで、強酸や強アルカリ雰囲気による加水分解重縮合の促進による結晶の粗大化を抑制できる。
【００７４】
また、本発明による複合光触媒に含まれる水素発生用光触媒粒子としてのロジウムドープチタン酸ストロンチウム粒子の製造においては、前記水溶液Ａに、水中分散型有機ポリマー粒子を添加することが好ましい（これにより得られる水溶液Ａに水中分散型有機ポリマー粒子を添加したものを、以下、分散体という。）。また、この分散体を加熱し結晶化することでロジウムドープチタン酸ストロンチウム粒子からなる粉体を得ることができる。水溶液Ａに水中分散型有機ポリマー粒子を添加することで、ロジウムドープチタン酸ストロンチウム粒子同士の凝集度を低減させ、ロジウムドープチタン酸ストロンチウム粒子からなる粉体の多孔質度や空隙率を向上させることが可能となる。
【００７５】
この水中分散型有機ポリマー粒子として、球状ラテックス粒子や、水中油滴分散型（Ｏ／Ｗ型）エマルジョンを用いることが可能である。この水中分散型有機ポリマー粒子の添加により、微細なロジウムドープチタン酸ストロンチウム粒子が得られ、このような粒子が集合した二次粒子は多孔質となる。このように微細な一次粒子が得られ、その結果それが集合した二次粒子の多孔質度が高くなるメカニズムは、以下のように考えられるが、本発明はこのメカニズムに限定されるものではない。水中分散型有機ポリマー粒子を添加することで、水中で極性を持つポリマー粒子表面に、同じく極性分子である水溶性チタン錯体、ストロンチウムイオンおよびロジウムイオンが吸着する。加熱結晶化の工程で、ポリマー粒子の表面にあるチタン錯体は加水分解され、ロジウムドープチタン酸ストロンチウムの結晶核が生じる。ここで、ポリマー粒子の表面にある結晶核は互いに物理的距離をもって存在するため、結晶核同士の結合の機会が少なく、結晶の成長は緩やかに進行すると考えられる。この結果、ロジウムドープチタン酸ストロンチウム粒子の一次粒子径が微細になるものと考えられる。さらに、生じたロジウムドープチタン酸ストロンチウム粒子は熱分解によるポリマー粒子の消失にともない互いに結着するが、ポリマー粒子の存在がロジウムドープチタン酸ストロンチウム粒子の凝集を抑制し、その結果、その集合体としての二次粒子の空隙率が高くなり、すなわち多孔質度が高くなるものと考えられる。
【００７６】
この水中分散型有機ポリマー粒子の水中での分散粒子径は、好ましくは１０〜１０００ｎｍであり、より好ましくは、３０〜３００ｎｍである。この範囲の分散粒子径とすることで、ロジウムドープチタン酸ストロンチウムの結晶核同士の物理的距離を大きくすることできる。よって、加熱結晶化後に、ロジウムドープチタン酸ストロンチウム粒子を微細化することが可能となる。また、水中分散型有機ポリマー粒子の材質としては、６００℃以上の加熱結晶化後に、有機ポリマー粒子の加熱残存物であるアモルファス状炭素等の残渣が残らないものが好ましい。例えば、スチレン、アクリル、ウレタン、エポキシ等のモノマーユニットが重合されたもの、もしくは複数種類のモノマーユニットを含むものが好適に用いられる。そして、水中分散型有機ポリマー粒子の添加量は、高温結晶化後のロジウムドープストロンチウムの重量に対して、好ましくは、１〜２０倍、より好ましくは、３〜１５倍量であり、この範囲の量のポリマー粒子を、水溶液Ａに添加することで、結晶化後の粒子の凝集を抑制でき、粒子の一次粒子径の微細化が可能となる。
【００７７】
ロジウムドープチタン酸ストロンチウム粒子の製造方法における、前記分散体から、ロジウムドープチタン酸ストロンチウム粒子を作製する方法として、以下の方法が好ましく用いられる。前記分散体を２００℃以下の低温で乾燥することで、まず乾燥粉体を得る。この乾燥粉体を結晶化する為に焼成することで、ロジウムドープチタン酸ストロンチウム粒子を製造することが可能である。また、この分散体の乾燥および焼成工程を、連続的に行っても良い。ロジウムドープチタン酸ストロンチウムの結晶化の際の焼成温度は、８００℃を超え１１００℃未満であり、より好ましくは、９００℃以上１０５０℃以下である。この温度範囲とすることで、水中分散型有機ポリマー粒子を熱分解しつつ、高純度なロジウムドープチタン酸ストロンチウム粒子を高度に結晶化することが可能となる。
【００７８】
酸素発生用光触媒粒子
本発明による複合光触媒に含まれる酸素発生用光触媒粒子は、可視光照射により水を分解して酸素を生成可能なものであり、水素発生用光触媒粒子と接触させて用いるものである。
【００７９】
本発明に用いられる酸素発生用光触媒粒子は、光学的バンドギャップを有する半導体物性を示し、可視光を吸収することで、バンド間遷移等の電子遷移により、伝導帯に励起電子、及び価電子帯に励起正孔が生じることで、それぞれ反応対象物を還元および酸化することが可能な光触媒材料を用いることができる。つまり、本発明による複合光触媒に含まれる酸素発生用光触媒粒子は、可視光線を照射することで生成する励起正孔が、水を酸化して酸素を生成可能な光触媒材料である。酸素発生用光触媒粒子の価電子帯は、水の酸化電位（＋１．２３Ｖ  ｖｓ．ＮＨＥ（標準水素電極電位））よりも貴な位置にあれば良く、また酸素発生用光触媒粒子の伝導帯は、水素発生用光触媒粒子の価電子帯位置よりも卑な位置にあれば良い。
【００８０】
このような酸素発生用光触媒粒子の具体例としては、ＢｉＶＯ４、ＷＯ３、Ｂｉ２ＷＯ６、Ｆｅ２Ｏ３、Ｂｉ２ＭｏＯ６、ＧａＮ−ＺｎＯ固溶体、ＬａＴｉＯ２Ｎ、ＢａＴａＯ２Ｎ、ＢａＮｂＯ２Ｎ、ＴａＯＮ、Ｔａ３Ｎ５、Ｇｅ３Ｎ４等の遷移金属あるいは典型金属を含有する酸窒化物あるいは窒化物、ＣｕＧａＳ２、ＣｕＩｎＳ２、Ｃｕ（Ｇａ，Ｉｎ）Ｓ２、ＣｕＧａＳｅ２、ＣｕＩｎＳｅ２、Ｃｕ（Ｇａ，Ｉｎ）Ｓｅ２、Ｃｕ２ＺｎＳｎＳ４（ＣＺＴＳ）、Ｃｕ２ＺｎＳｎ（Ｓ，Ｓｅ）４等のＧａ、Ｉｎ、Ａｌ等の典型金属を含む銅複合硫化物あるいは酸硫化物を好適に挙げることができる。
【００８１】
酸素発生用光触媒粒子のより好ましい具体例は、ＢｉＶＯ４、ＷＯ３、Ｂｉ２ＷＯ６、Ｂｉ２ＭｏＯ６、Ｆｅ２Ｏ３、ＧａＮ−ＺｎＯ固溶体、ＬａＴｉＯ２Ｎ、ＢａＴａＯ２Ｎ、ＢａＮｂＯ２Ｎ、ＴａＯＮ、Ｔａ３Ｎ５、Ｇｅ３Ｎ４、ＣｕＧａＳ２、ＣｕＩｎＳ２、Ｃｕ（Ｇａ，Ｉｎ）Ｓ２、ＣｕＧａＳｅ２、ＣｕＩｎＳｅ２、Ｃｕ（Ｇａ，Ｉｎ）Ｓｅ２、Ｃｕ２ＺｎＳｎＳ４（ＣＺＴＳ）、Ｃｕ２ＺｎＳｎ（Ｓ，Ｓｅ）４である。酸素発生用光触媒粒子の最も好ましい具体例は、ＢｉＶＯ４、ＷＯ３、Ｂｉ２ＷＯ６、Ｆｅ２Ｏ３である。
【００８２】
酸素発生用光触媒粒子の一次粒子径
本発明による複合光触媒に含まれる酸素発生用光触媒粒子の一次粒子径は、好ましくは５００ｎｍ以下であり、より好ましくは２００ｎｍ以下であり、さらにより好ましくは１００ｎｍ以下であり、最も好ましくは７０ｎｍ以下である。このような微細な粒径を有することで、酸素発生用光触媒粒子の単位重量当たりの水と接触可能な表面積が大きくなる。これにより、水の酸化反応サイトが増加し、その結果、高効率な酸素発生が可能となる。
【００８３】
また、本発明による複合光触媒に含まれる酸素発生用光触媒粒子が微細な粒径を有することの利点は、可視光照射により、粒子内で生成する励起正孔及び励起電子が、粒子表面まで拡散する距離が短いことである。このため、励起正孔及び励起電子それぞれが拡散された粒子表面での、水の酸化による酸素発生反応と、水素発生用光触媒粒子で生成する励起正孔との電荷再結合反応とが高効率に起こることが可能である。
【００８４】
酸素発生用光触媒粒子の一次粒子径の評価手法は、既に述べた水素発生用光触媒粒子の一次粒子径の評価手法と同様である。
【００８５】
酸素発生用光触媒粒子の結晶性
本発明による複合光触媒に用いられる酸素発生用光触媒粒子は、高い結晶性、かつ微細な一次粒子径を有する。これにより、主に酸素欠陥準位が起点となる酸素発生用光触媒粒子内での励起正孔と励起電子の再結合反応を抑制することが可能となる。その結果、酸素発生用光触媒粒子の励起正孔による水の酸化、および酸素発生用光触媒粒子の励起電子と水素発生用光触媒粒子の励起正孔の粒子界面での電荷再結合反応が促進されることで、効率的な水分解反応が可能となる。
【００８６】
酸素発生用光触媒粒子の製造方法
本発明による複合光触媒に含まれる酸素発生用光触媒粒子の製造方法は、ゾル−ゲル法、錯体重合法、水熱反応法等、各種湿式反応法を用いることができる。例えば、湿式反応法の１つであるゾル−ゲル法による製造方法としては、金属アルコキシドや金属塩化物を原料として、水との加水分解反応により金属水酸化物を生成し、これを６００℃以上で焼成することにより、結晶化させる方法がある。
【００８７】
本発明による複合光触媒に含まれる酸素発生用光触媒粒子の製造方法としては、前述の水溶液熱分解法を好ましく用いることができる。また、別の好ましい態様として、以下の方法が利用できる。例えば、酸素発生用光触媒粒子としてＢｉＶＯ４を用いる場合、エチレンジアミン四酢酸（ＥＤＴＡ）でＢｉ３＋を錯化した水溶性錯体と、カルボン酸を１分子あたり１〜２個含む、酒石酸や乳酸でＶ５＋を錯化した水溶性錯体を、水溶液中で混合、乾燥し、４００℃以上の焼成温度で焼成することで、高結晶性で一次粒子径１００ｎｍ以下の微細なＢｉＶＯ４を合成可能である。
【００８８】
光触媒材
本発明による光触媒材は、基材と、当該基材に固定化されてなる光触媒層とを含んでおり、光触媒層が、一次粒子径が１００ｎｍ以下である水素発生用光触媒粒子と、酸素発生用光触媒粒子を含み、前記水素発生用可視光応答型光触媒粒子と前記酸素発生用可視光応答型光触媒粒子とが互いに接触しているものである。本発明による光触媒材に含まれる光触媒層は、一次粒子径の小さい微細な構造の水素発生用光触媒粒子と酸素発生用光触媒粒子とを含み、これら微細粒子が集合して形成された集合体として存在する。このため、光触媒層の空隙率は高くなり、すなわち多孔質度は高くなり、光触媒層の比表面積は大きくなる。その結果、元々高い光触媒活性を有する水素発生用光触媒粒子と酸素発生用光触媒粒子とが集合して形成された光触媒層の光触媒活性は低くならない活性が発揮される。
【００８９】
また、本発明による光触媒材に含まれる光触媒層は、一次粒子径の小さい微細な構造の水素発生用光触媒粒子と酸素発生用光触媒粒子が集合して形成されてなるものであるため、これら粒子と基材との接触面積は大きくなる。これにより、基材と光触媒層との密着性が高い光触媒材を得ることが可能となる。
【００９０】
また、本発明による光触媒材に含まれる光触媒層は微細な光触媒粒子の集合体であるため、粒子同士の結着性が良好である。その結果、粒子は均一性をもって光触媒層を形成することが可能となる。また、基材に光触媒粒子が堆積した厚みのある状態の光触媒層を形成することが可能となる。
【００９１】
このような光触媒層の状態としては、基材表面に光触媒粒子が存在していれば、完全な層状または膜状に加え、例えば、部分的に膜状になっている状態も包含する。また、光触媒層は基材表面上に島状に離散して存在していてもよい。また、光触媒層はいわゆる層または膜の状態に加え、波状、くし型状、ファイバー状、メッシュ状などの状態であってもよい。本発明において「光触媒層」とは基材上に上記したような状態で存在する光触媒粒子の集合体を意味する。
【００９２】
本発明による光触媒材に担持される光触媒層の厚みは、０．１μｍ以上１００μｍ以下であることが好ましい。より好ましい光触媒層の厚みは０．２μｍ以上３０μｍ以下である。ここで、光触媒層の厚みは、光触媒材断面の走査型電子顕微鏡観察により求める。詳細には、基材表面のある点における水平方向の接線から、この接線に対する垂線における光触媒層の最上部までの距離である。例えば、基材が後述する図１に示されるような平板の場合、光触媒層の厚みは基材表面から鉛直方向に光触媒層の最上部までの距離である。また、基材の表面がファイバーのようなものである場合、光触媒層の厚みはファイバーの表面のある点における水平方向の接線から、この接線に対する垂線における光触媒層の最上部までの距離である。
【００９３】
本発明の好ましい態様によれば、本発明による光触媒材に含まれる光触媒層は、一次粒子径が１００ｎｍ以下である水素発生用可視光応答型光触媒粒子と、酸素発生用可視光応答型光触媒粒子とが互いに接触している複合光触媒粒子が複数集合して形成されたものである。本発明のより好ましい態様によれば、本発明による光触媒材に担持される光触媒層は、一次粒子径が小さい（１００ｎｍ以下、好ましくは７０ｎｍ以下）水素発生用光触媒粒子と、一次粒子径が小さい（好ましくは５００ｎｍ以下、より好ましくは２００ｎｍ以下、さらにより好ましくは１００ｎｍ以下、最も好ましくは７０ｎｍ以下）酸素発生用光触媒粒子とが接触している複合光触媒粒子が複数集合して形成されたものである。
【００９４】
また、本発明の別の好ましい態様によれば、本発明による光触媒材に含まれる光触媒層は、一次粒子径が１００ｎｍ以下である水素発生用可視光応答型光触媒粒子と、酸素発生用可視光応答型光触媒粒子とが混ざり合った状態で、さらにこれら粒子が互いに接触している状態で形成されたものである。本発明のより好ましい態様によれば、本発明による光触媒材に担持される光触媒層は、一次粒子径が小さい（１００ｎｍ以下、好ましくは７０ｎｍ以下）水素発生用光触媒粒子と、一次粒子径が小さい（好ましくは５００ｎｍ以下、より好ましくは２００ｎｍ以下、さらにより好ましくは１００ｎｍ以下、最も好ましくは７０ｎｍ以下）酸素発生用光触媒粒子とが混ざり合った状態で形成されるものである。
【００９５】
本発明による光触媒材の断面の模式図を図１に示す。図１において、光触媒材は、基材４上に、微細な水素発生用光触媒粒子１と酸素発生用光触媒粒子２との集合体からなる、粒子間空隙３および厚み５を有する光触媒層が固定化されている。
【００９６】
また、本発明のさらに別の好ましい態様によれば、本発明による光触媒材に含まれる光触媒層は、一次粒子径が１００ｎｍ以下である水素発生用可視光応答型光触媒粒子からなる層と、酸素発生用可視光応答型光触媒粒子からなる層とが交互に積層され、水素発生用可視光応答型光触媒粒子と酸素発生用可視光応答型光触媒粒子とが互いに接触しているものである。本発明のより好ましい態様によれば、本発明による光触媒材に担持される光触媒層は、一次粒子径が小さい（１００ｎｍ以下、好ましくは７０ｎｍ以下）水素発生用光触媒粒子からなる層と、一次粒子径が小さい（好ましくは５００ｎｍ以下、より好ましくは２００ｎｍ、さらにより好ましくは１００ｎｍ以下、最も好ましくは７０ｎｍ以下）酸素発生用光触媒粒子からなる層とが交互に積層されたものである。
【００９７】
本発明による光触媒材は、上述したような微細な光触媒粒子からなる光触媒層を担持しているため、水と接触可能な表面積を大きくすることができ、さらに粒子界面における電荷再結合反応を促進することができる。
【００９８】
また、本発明による光触媒材は、微細な光触媒粒子から形成される光触媒層を含んでいることにより、これら微細な光触媒粒子と基材との単位面積当たりの接触点が極めて多い。これにより、基板−粒子間、および粒子−粒子間の機械的強度が良好となり、基材と光触媒粒子との密着性、および光触媒粒子間の結着性を高めることが可能となる。また、光触媒材を、後述する水分解光触媒モジュールの内部に設置する際に、光触媒粒子が基材から脱離したり、基材上に偏析したりすることを抑制することが可能となる。その結果、本発明による光触媒材は、長期に安定した水素製造機能を維持することが可能である。このように、本発明による光触媒材は、可視光照射下で、長期間にわたり、安定に、かつ高効率で、水を水素と酸素に分解・生成することが可能となる。
【００９９】
本発明による光触媒材に含まれる、微細な光触媒粒子から形成される光触媒層は、粒子間空隙が細孔を形成した多孔質度の高い構造を有することで、膜外からの水の効率的な膜中への拡散と、膜中で生成した水素と酸素の膜外への脱離を可能とする。これにより、本発明による光触媒材は、高い効率で水分解反応による水素および酸素の高効率な生成が可能となる。本発明の好ましい態様によれば、本発明による光触媒材に含まれる光触媒層の細孔径は、１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることが好ましく、２０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることがより好ましい。
【０１００】
本発明において光触媒層の細孔径とは、光触媒層に含まれる光触媒粒子間に存在する細孔の細孔直径を意味する。この細孔径は、窒素ガス吸脱着による細孔分布測定により測定可能であり、ＢＪＨ法による解析により求められる。具体的には、例えば、ガス吸着細孔分布測定装置（“ＢＥＬＳＯＲＰ−ｍｉｎｉ”、日本ベル製）を用いて、窒素ガスの吸脱着等温線測定を行い、ＢＪＨ法による解析により細孔直径を得る。得られた細孔直径に対するＬｏｇ微分細孔容積をプロットすることにより、細孔容積分布を得る。この細孔容積分布において、ピーク位置の細孔直径を、細孔径とする。
【０１０１】
基材
本発明による光触媒材に含まれる基材は、焼成により光触媒層を固定化し得るものであれば特に限定されず用いることができる。基材の具体例としては、２５０℃以上の加熱によっても分解しない無機物が好ましい。さらに好ましくは、３００℃以上の加熱によっても分解しない無機物である。さらに具体的には、無機酸化物あるいは金属を好ましく用いることができる。より具体的には、ガラス（ソーダライムガラス、ホウケイ酸ガラス）、石英、酸化アルミニウム（アルミナ）、セラミックス等の無機酸化物や、チタン、アルミニウム、鉄、ステンレス等の金属を好ましく用いることができる。より好ましくは、ガラス、アルミナ、石英から選ばれる少なくとも１種である。
【０１０２】
また、基材は、その表面に焼成によって光触媒層を固定化し得る形状を有するものであれば特に限定されず用いることができる。このような基材の具体例としては、平滑表面を有する平板体（例えばガラス基板、アルミナ基板等）、あるいは表面多孔性の平板体（例えば陽極酸化アルミナ）、多孔体（例えばポーラスセラミックス）、繊維体（例えばガラスファイバー、炭素繊維）等を好ましく用いることができる。繊維体としては、より好ましくは、光透過性の高いガラスファイバーを用いることができる。これにより、繊維体の光照射面よりも膜内部への光透過が可能となり、光吸収量の増大が期待できる。また、基材の表面形状は、波打った形状、くし型の形状、繊維状、メッシュ状であってもよい。本発明の光触媒材は、これら基材上に上述した光触媒層が厚みを有する状態で密着して固定化されてなるものであるため、長期間安定に水を完全光分解することが可能となる。
【０１０３】
また、基材は、基材内部に開気孔である空孔を有することが好ましい。この空孔は、０．１〜３０μｍの空孔径を有することが好ましい。これにより、光触媒粒子の表面で水分解反応により生成した水素ガスが、光触媒層内部の細孔を拡散した後、この細孔より大きい開口部をもつ空孔を通して水中を浮上することが可能となり、より効率的な水素ガスの発生が可能となる。
【０１０４】
光触媒材の製造方法
本発明による光触媒材の製造方法は、基材に水素発生用光触媒粒子と酸素発生用光触媒粒子を固定化し得る工程を含むものであれば特に限定されない。本発明の好ましい態様によれば、本発明による光触媒材の製造方法は、水素発生用光触媒粒子と酸素発生用光触媒粒子とが接触している複合光触媒を湿式分散させたスラリーを、基材に塗布して、乾燥および焼成する方法である。
【０１０５】
本発明の別の好ましい態様によれば、本発明による光触媒材の製造方法は、水素発生用光触媒粒子と酸素発生用光触媒粒子を湿式分散させたスラリーを、基材に塗布して、乾燥および焼成する方法である。
【０１０６】
本発明のさらに別の好ましい態様によれば、本発明による光触媒材の製造方法は、水素発生用光触媒粒子を湿式分散させたスラリーと酸素発生用光触媒粒子を湿式分散させたスラリーを各々独立に用意して、基材にこれら各スラリーを交互に塗布（例えば、浸漬）して、乾燥および焼成させ、水素発生用光触媒粒子と酸素発生用光触媒粒子が基材上に交互に積層された光触媒層を作製する方法（いわゆる「交互吸着法」）である。
【０１０７】
前記３つの態様のうち後ろ２つの態様にあっては、水素発生用光触媒粒子と酸素発生用光触媒粒子を液体媒体中で分散させる方法として、水素発生用光触媒粒子と酸素発生用光触媒粒子のそれぞれの粒子の表面に、水や有機溶媒などの溶媒あるいは分散剤を吸着させる方法を好ましく使用することができる。これにより、水素発生用光触媒粒子と酸素発生用光触媒粒子が一次粒子に近い形態で均一に分散し、安定に混合して存在してなる状態を実現することが可能となる。その結果、水素発生用光触媒粒子同士、あるいは酸素発生用光触媒粒子同士の凝集を抑制することができる。従って、水素発生用光触媒粒子と酸素発生用光触媒粒子が互いに近い距離で存在でき、基材への塗布・乾燥後に、溶媒成分が揮発することで、水素発生用光触媒粒子と酸素発生用光触媒粒子が高密度に接触可能な光触媒材を得ることができる。
【０１０８】
上記湿式分散の方法としては、超音波照射、ボールミルおよびビーズミル等の機械分散法を好ましく用いることができる。
【０１０９】
溶媒としては、本発明による複合光触媒、または水素発生用光触媒粒子と酸素発生用光触媒粒子を分散することが可能な溶媒であれば、特に制限なく用いることができる。本発明の好ましい態様によれば、溶媒としては、水あるいはエタノール等の有機溶剤や、α−テルピネオール等の有機ビヒクル溶剤を用いることができる。また、本発明による複合光触媒、または水素発生用光触媒粒子と酸素発生用光触媒粒子の溶媒中での分散性を向上させるため、溶媒に分散剤を添加してもよい。
【０１１０】
水素発生用光触媒粒子と酸素発生用光触媒粒子とが接触している複合光触媒を湿式分散させたスラリー、または水素発生用光触媒粒子と酸素発生用光触媒粒子を湿式分散させたスラリーを基材へ塗布する方法としては、スピンコート法、ディップコート法、スプレー法、ドクターブレード法、電気泳動法、スクリーン印刷法等を好ましく利用することができる。また、塗布方法は、基材の形状や種類に応じて適宜選択することができる。
【０１１１】
上記した製造方法により、本発明による光触媒材は、これに含まれる光触媒層の厚みを０．１〜５０μｍとすることが可能となる。本発明の好ましい態様に寄れば、用いる光触媒材料の光吸収係数により、光触媒層の厚みを制御することが可能である。例えば、１μｍ以下の厚みを有する光触媒層を得る場合は、スピンコート法、ディップコート法、スプレー法等を用いることが好ましい。また、１μｍ以上の厚みを有する光触媒層を得る場合は、スクリーン印刷法、ドクターブレード法、電気泳動法等を用いることが好ましい。
【０１１２】
水素発生用光触媒粒子と酸素発生用光触媒粒子を液体媒体中で分散させる方法の別の好ましい態様によれば、水素発生用光触媒粒子と酸素発生用光触媒粒子それぞれを、異なる電荷を有するポリマー（アニオン性ポリマーとカチオン性ポリマー）を含む溶液中で分散させて、一次粒子として単分散に近い状態とする工程を含む。その後、これらのスラリーを混合し、それぞれの粒子表面に吸着したポリマーの異なる電荷同士によるクーロン相互作用により、水素発生用光触媒粒子と酸素発生用光触媒粒子はそれぞれ互いに自発的に吸着し、近接又は接触することが可能となる。例えば、水素発生用光触媒粒子をアニオン性ポリマーを含む溶液中で分散させ、酸素発生用光触媒粒子をカチオン性ポリマーを含む水溶液中で分散させ、その後これらのスラリーを混合することにより、一次粒子同士が高密度に近接又は接触可能な状態とすることが可能となる。その後、一次粒子同士が高密度に近接又は接触した状態で焼成し、ポリマーを除去することで、複合光触媒として高活性な状態を実現できる。
【０１１３】
本発明による複合光触媒、または水素発生用光触媒粒子と酸素発生用光触媒粒子を、基材へ固定化する際の焼成温度は、溶媒や分散剤等の加熱分解温度以上であり、さらに、基材と複合光触媒粒子、基材と水素発生用光触媒粒子および酸素発生用光触媒粒子、あるいは複合光触媒同士、水素発生用光触媒粒子および酸素発生用光触媒粒子同士の焼結が促進可能な温度であることが好ましい。具体的には、３００℃以上７００℃以下であり、より好ましくは、４００℃以上６００℃以下である。この範囲の温度で焼成することで、基材との密着性が高く、粒子間の結着性の高い、長期安定性の可視光応答型水分解用光触媒材を得ることが可能となる。
【０１１４】
本発明による光触媒材の製造における、水素発生用光触媒粒子と酸素発生用光触媒粒子の混合比率としては、重量比で、水素発生用光触媒粒子：酸素発生用光触媒粒子＝１０：９０〜９０：１０であることが好ましく、２０：８０〜８０：２０であることがより好ましい。この範囲で混合することで、粒子界面における電荷再結合反応を促進することが可能となる。その結果、本発明による光触媒材の水分解効率を高めることが可能となる。
【０１１５】
ＢｉＶＯ４などの光吸収係数が高い光触媒と、光吸収係数の低い光触媒とを用いる場合、光吸収係数が高い光触媒の混合比率を小さくしても、最適な光吸収特性が得られる。
【０１１６】
ロジウムドープチタン酸ストロンチウムなどの光吸収係数が低い光触媒と、光吸収係数の高い光触媒とを用いる場合、光吸収係数が低い光触媒の混合比率を高くすることで、最適な光吸収特性が得られる。
【０１１７】
水分解用光触媒モジュール
本発明による水分解用光触媒モジュールは、前記光触媒材を含む。本発明の好ましい態様によれば、本発明による水分解用光触媒モジュールは、概ね透明な光入射面を有し、モジュール内部に設置した光触媒材に光が入射する構造を有し、かつ光触媒材が常に水と接触可能なように、水を封入可能な密閉パネル形状を有するものである。また、本発明のより好ましい態様によれば、本発明による水分解用光触媒モジュールは、水分解反応の進行により減少する水を遂次的に追加供給可能な通水孔等の機構をさらに有することが好ましい。このような構成の水分解光触媒モジュールとすることで、実用的に利用可能な水素を製造することが可能となる。
【０１１８】
水素製造システム
本発明による水素製造システムは、前記水分解用光触媒モジュールを含む。本発明の好ましい態様によれば、本発明による水素製造システムは、水の供給装置、水中の不純物をある程度除去するためのろ過装置、水分解光触媒モジュール、水素分離装置、および水素貯蔵装置からなるものである。このような構成の水素製造システムとすることで、再生可能エネルギーである太陽光と水から水素を実用的に製造可能なシステムを実現することが可能となる。
【実施例】
【０１１９】
以下の実施例によって本発明をさらに詳細に説明する。なお、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。【０１２０】
水素発生用光触媒（ロジウムドープチタン酸ストロンチウム）粒子１の作製
２０ｍＬサンプル瓶に、疎水性錯化剤としてアセチルアセトン（和光純薬製）０．０２ｍｏｌ（２．００３ｇ）を添加し、室温で撹拌しながら、チタンテトライソプロポキシド（和光純薬製）０．０２ｍｏｌ（５．６８４ｇ）を添加して、黄色の水溶性チタン−アセチルアセトン錯体を含む溶液を調製した。この水溶性チタン−アセチルアセトン錯体を含む溶液を、０．３２ｍｏｌ／Ｌの酢酸水溶液５０ｍＬに、室温で攪拌しながら添加した。添加後、室温で約１時間攪拌を行い、更に６０℃で約１時間撹拌を行うことで、黄色透明な水溶性チタン錯体を含む水溶液を調製した。【０１２１】
次いで、上記で調製した水溶性チタン錯体を含む水溶液を１０ｇ分取した（金属チタン換算で、３．４１ｍｍｏｌのチタンを含有）。そして、この錯体水溶液に、蒸留水３．１６ｇに酢酸ストロンチウム・０．５水和物（和光純薬製）３．７５ｍｍｏｌ（０．８４ｇ）および親水性錯化剤として乳酸（和光純薬製）０．７０ｇを溶解したものを添加し、さらに、Ｍ（チタン＋ロジウム）に対するＭ（ロジウム）で表わされるモル比率が０．０２（モル％）となるように、三塩化ロジウム（和光純薬製）の５ｗｔ％水溶液を添加して、室温で３時間撹拌を行った。これにより、橙色透明なロジウムドープチタン酸ストロンチウム前駆体を含む水溶液を得た。この水溶液のｐＨは、おおよそ４であった。【０１２２】
さらに、前記水溶液に、水中分散型有機ポリマー粒子として、焼成後に得られるロジウムドープチタン酸ストロンチウムに対して、重量比で５倍の固形分となるように、アクリル−スチレン系Ｏ／Ｗ型エマルジョン（ＤＩＣ製、“ＥＣ−９０５ＥＦ”、分散粒子径１００〜１５０ｎｍ、ｐＨ：７〜９、固形分濃度４９〜５１％）を添加し、分散体を調製した。【０１２３】
以上のように調製した分散体を、８０℃で１時間乾燥させた後、１０００℃で１０時間焼成し、高温結晶化させることで、ロジウムドープチタン酸ストロンチウム粒子からなる粉末を作製した。【０１２４】
作製したロジウムドープチタン酸ストロンチウムのＸ線回折測定を行った結果、単相のペロブスカイト構造を有することが確認された。また、走査型電子顕微鏡観察からロジウムドープチタン酸ストロンチウムの一次粒子径を算出した。具体的には、走査型電子顕微鏡（株式会社日立製作所製、“Ｓ−４１００”）により、倍率４００００倍で観察した際の結晶粒子５０個の円形近似による平均値を一次粒子径とした。その結果、一次粒子径は５０ｎｍ以下であり、高温結晶化処理後も、微細化な粒子形状を維持することが確認された。ロジウムドープチタン酸ストロンチウム粒子１の走査型電子顕微鏡写真を図２に示した。【０１２５】
水素発生用光触媒（ロジウムドープチタン酸ストロンチウム）粒子２の作製
固相反応法によりロジウムドープチタン酸ストロンチウムを作製した。具体的には、炭酸ストロンチウム（関東化学製）、酸化チタン（添川理化学製、ルチル型）、および酸化ロジウム（Ｒｈ２Ｏ３：和光純薬製）の各粉末を、Ｓｒ：Ｔｉ：Ｒｈ＝１．０７：０．９８：０．０２のモル比率となるように混合し、１０００℃で１０時間焼成した。【０１２６】
作製したロジウムドープチタン酸ストロンチウム粗大粒子のＸ線回折測定を行った結果、単相のペロブスカイト構造を有することが確認された。また、走査型電子顕微鏡観察からロジウムドープチタン酸ストロンチウムの一次粒子径を算出した。その結果、一次粒子径は約５００ｎｍであった。【０１２７】
水素発生用光触媒（クロム及びタンタルドープチタン酸ストロンチウム）粒子３の作製
２０ｍＬサンプル瓶に、疎水性錯化剤としてアセチルアセトン（和光純薬製）０．０２ｍｏｌ（２．００３ｇ）を添加し、室温で撹拌しながら、チタンテトライソプロポキシド（和光純薬製）０．０２ｍｏｌ（５．６８４ｇ）を添加して、黄色の水溶性チタン−アセチルアセトン錯体を含む溶液を調製した。この水溶性チタン−アセチルアセトン錯体を含む溶液を、０．３２ｍｏｌ／Ｌの酢酸水溶液５０ｍＬに、室温で攪拌しながら添加した。添加後、室温で約１時間攪拌を行い、更に６０℃で約１時間撹拌を行うことで、黄色透明な水溶性チタン錯体を含む水溶液を調製した。【０１２８】
次いで、上記で調製した水溶性チタン錯体を含む水溶液を９．４ｇ分取した（金属チタン換算で、３．２１ｍｍｏｌのチタンを含有）。そして、この錯体水溶液に、蒸留水３．１６ｇに酢酸ストロンチウム・０．５水和物（和光純薬製）３．７５ｍｍｏｌ（０．８４ｇ）および親水性錯化剤として乳酸（和光純薬製）０．７０ｇを溶解したものを添加した。さらに、タンタル水溶液および硝酸クロム（ＩＩＩ）六水和物（和光純薬製）の５ｗｔ％水溶液をタンタル及びクロムのモル量がそれぞれ０．０９６ｍｍｏｌとなるように添加して、室温で３時間撹拌を行った。これにより、橙色透明なクロム及びタンタルドープチタン酸ストロンチウム前駆体を含む水溶液を得た。この水溶液のｐＨは、おおよそ４であった。ここで、タンタル水溶液は以下のように作製したものを用いた。アセチルアセトン（和光純薬製）０．０２ｍｏｌ（２．００３ｇ）とタンタルペンタエトキシド（和光純薬製）０．０２ｍｏｌ（８．１２５ｇ）を混合し、タンタル−アセチルアセトン錯体溶液を作製した。このタンタル−アセチルアセトン錯体溶液を０．１ｍｏｌクエン酸（和光純薬製）を添加した０．３２ｍｏｌ／Ｌの酢酸水溶液５０ｍＬに、室温で攪拌しながら添加した。その後、室温で約１時間攪拌を行うことにより、タンタル水溶液を作製した。【０１２９】
さらに、前記水溶液に、水中分散型有機ポリマー粒子として、焼成後に得られるクロム及びタンタルドープチタン酸ストロンチウムに対して、重量比で５倍の固形分となるように、アクリル−スチレン系Ｏ／Ｗ型エマルジョン（ＤＩＣ製、“ＥＣ−９０５ＥＦ”、分散粒子径１００〜１５０ｎｍ、ｐＨ：７〜９、固形分濃度４９〜５１％）を添加し、分散体を調製した。【０１３０】
以上のように調製した分散体を、８０℃で１時間乾燥させた後、１０００℃で１０時間焼成し、高温結晶化させることで、クロム及びタンタルドープチタン酸ストロンチウム粒子からなる粉末を作製した。【０１３１】
作製したクロム及びタンタルドープチタン酸ストロンチウム粒子のＸ線回折測定を行った結果、単相のペロブスカイト構造を有することが確認された。また、走査型電子顕微鏡観察からクロム及びタンタルドープチタン酸ストロンチウムの一次粒子径を算出した。その結果、一次粒子径は約５０ｎｍであった。【０１３２】
酸素発生用光触媒（バナジン酸ビスマス）粒子１の作製
２０ｍＬサンプル瓶に、水１０ｇと錯化剤であるＬ−（＋）酒石酸（和光純薬製）０．００１７ｍｏｌ（０．２５３６ｇ）を添加し、室温で撹拌しながら、メタバナジン酸アンモニウム（アルドリッチ製）０．００１７ｍｏｌ（０．２０ｇ）を添加し、５０℃で１時間撹拌して、赤茶色透明な水溶性バナジウム錯体を含む水溶液を調製した。また、２０ｍＬサンプル瓶に、水１０ｇと、錯化剤であるエチレンジアミン四酢酸（和光純薬製）０．０１７ｍｏｌ（０．４９４ｇ）を添加し、２５％アンモニア水を１ｇ滴下して水に溶解させた後、室温で撹拌しながら、硝酸ビスマス五水和物（和光純薬製）０．００１７ｍｏｌ（０．８２ｇ）を添加し、室温で１時間撹拌して、無色透明な水溶性ビスマス錯体を含む水溶液を作製した。【０１３３】
次いで、上記水溶性ビスマス錯体を含む水溶液に、上記水溶性バナジウム錯体を含む水溶液を添加して、室温で３時間撹拌を行った。これにより、金属含有前駆体であるＢｉＶＯ４前駆体を含む青色透明な水溶液を得た。この水溶液のｐＨは、およそ８であった。【０１３４】
以上のように作製した、ＢｉＶＯ４前駆体水溶液を、８０℃で１時間乾燥させた後、５００℃で２時間焼成することで、ＢｉＶＯ４粒子からなる粉末を作製した。【０１３５】
作製したＢｉＶＯ４粒子のＸ線回折測定を行った結果、単相の単斜晶シーライト構造を有することが確認された。また、走査型電子顕微鏡観察からＢｉＶＯ４粒子の一次粒子径を算出した。その結果、一次粒子径は約７０ｎｍであった。【０１３６】
酸素発生用光触媒（バナジン酸ビスマス）粒子２の作製
１００ｍＬサンプル瓶に、０．５Ｍ硝酸水溶液５０ｇを添加して、硝酸ビスマス五水和物（和光純薬製）０．００１６ｍｏｌ（０．７５ｇ）と、メタバナジン酸アンモニウム（アルドリッチ製）０．００１６ｍｏｌ（０．１４ｇ）を添加し、２５℃において２日間マグネティックスターラーで撹拌を行い、黄色懸濁液を作製した。この黄色懸濁液を、遠心分離により、固形分を回収し、４５℃で３時間乾燥させることで、ＢｉＶＯ４粒子からなる粉末を作製した。【０１３７】
作製したＢｉＶＯ４粒子のＸ線回折測定を行った結果、単相の単斜晶シーライト構造を有することが確認された。また、走査型電子顕微鏡観察からＢｉＶＯ４粒子の一次粒子径を算出した。その結果、一次粒子径は約２００ｎｍであった。【０１３８】
酸素発生用光触媒（バナジン酸ビスマス）粒子３の作製
固相反応法によりＢｉＶＯ４粒子からなる粉末を作製した。具体的には、酸化ビスマス（和光純薬製）、五酸化バナジウム（和光純薬製）の各粉末を、Ｂｉ：Ｖ＝１：１のモル比率となるように混合し、７００℃で８時間焼成し、ＢｉＶＯ４粒子からなる粉末を作製した。【０１３９】
作製したＢｉＶＯ４粒子のＸ線回折測定を行った結果、単相の単斜晶シーライト構造を有することが確認された。また、走査型電子顕微鏡観察からＢｉＶＯ４粒子の一次粒子径を算出した。その結果、一次粒子径は約２０００ｎｍであった。【０１４０】
酸素発生光触媒（酸化タングステン）粒子４の準備
酸化タングステン（ＷＯ３）（和光純薬製）を準備した。この酸化タングステンは、Ｘ線回折測定を行った結果、単相の単斜晶構造を有することが確認された。また、走査型電子顕微鏡観察からＷＯ３粒子の一次粒子径を算出した。その結果、一次粒子径は約２００ｎｍであった。【０１４１】
ドープチタン酸ストロンチウムへのルテニウム助触媒の光還元法による担持
パイレックス（登録商標）製窓付きのガラスフラスコに、上記のとおり作製した各水素発生用光触媒（ロジウムドープチタン酸ストロンチウム、あるいは、クロム及びタンタルドープチタン酸ストロンチウム）粒子０．１ｇと、助触媒原料となる塩化ルテニウム・ｎ水和物（和光純薬製）を１ｗｔ％含む水溶液０．２ｇと、酸化的犠牲試薬となるメタノールを１０ｖｏｌ％含む超純水２００ｍＬを入れた。この溶液をスターラーで撹拌しながら、アルゴン雰囲気下で、ＵＶカットフィルター（Ｌ−４２、ＨＯＹＡ製）を装着した３００Ｗキセノンランプ（Ｃｅｒｍａｘ製、ＰＥ−３００ＢＦ）により、可視光をパイレックス（登録商標）製窓側から、３時間照射することで、水素発生用光触媒粒子表面で塩化ルテニウムを還元して、ルテニウム微粒子を１ｗｔ％表面に担持させた水素発生用光触媒粒子をそれぞれ作製した。さらに、このルテニウム担持水素発生用光触媒粒子を、２００℃で２時間、水素気流中で焼成することで、ルテニウムの完全還元を実施した。【０１４２】
水素発生用光触媒粒子と酸素発生用光触媒粒子が接続している複合光触媒の作製
実施例１〜７、および比較例１
ルテニウムを１ｗｔ％担持させたロジウムドープチタン酸ストロンチウム粒子（１および２）あるいはルテニウムを１ｗｔ％担持させたクロム及びタンタルドープチタン酸ストロンチウム粒子（３）と、バナジン酸ビスマス粒子（１〜３）あるいは酸化タングステン粒子（４）を、表１に示す組合せで、かつ同表に示す重量ずつ、蒸留水０．５ｇに懸濁させて、超音波照射処理を５分行うことで、各粒子がほぼ一次粒子の状態で湿式分散したスラリーを作製した。その後、乳鉢で手動混練しながら、溶媒となる水を徐々に蒸発させて、水素発生用光触媒粒子と酸素発生用光触媒粒子が接触した複合光触媒粒子を作製した。その後、表１に示す温度で焼成することで、実施例１〜７、および比較例１各々の複合光触媒を作製した。【０１４３】
水素発生用光触媒粒子と酸素発生用光触媒粒子が接触している複合光触媒の水分解活性
パイレックス（登録商標）製窓付きのガラスフラスコに、複合光触媒０．０５ｇと超純水２００ｍｌを入れて、反応溶液とした。そして、この反応溶液を入れたガラスフラスコを閉鎖循環装置に装着し、反応系内の雰囲気をアルゴン置換した。そして、ＵＶカットフィルター（Ｌ−４２、ＨＯＹＡ製）を装着した３００Ｗキセノンランプ（Ｃｅｒｍａｘ製、ＰＥ−３００ＢＦ）により、可視光をパイレックス（登録商標）製窓側から照射した。そして、光触媒反応により、水が還元されて生成した水素の発生量を、ガスクロマトグラフ（島津製作所製、ＧＣ−８Ａ、ＴＣＤ検出器、ＭＳ−５Ａカラム）により経時的に調べ、照射開始後、３時間評価を行った。結果は表１に示されるとおりであった。【０１４４】
【表１】
2014046305.tif 000003
【０１４５】
水素発生用光触媒粒子と酸素発生用光触媒粒子を含む光触媒材の作製
実施例１〜５、および比較例１、２
α−テルピネオール（関東化学製）：２−（２−ブトキシエトキシ）エタノール（和光純薬製）：ポリビニルブチラール（東京化成製、分子量６００）＝６５：１５：２０（重量比）となるように混合し、ガラス製密閉容器中で、６０℃で１５時間加熱することで、有機ビヒクル溶液を作製した。この有機ビヒクル溶液０．４ｇと、α−テルピネオール０．２ｇに対して、水素発生用光触媒粒子であるルテニウムを１ｗｔ％担持させたロジウムドープチタン酸ストロンチウム粒子（１）０．１ｇと、酸素発生用光触媒粒子であるバナジン酸ビスマス粒子（１〜３）あるいは酸化タングステン粒子（４）０．１ｇを、表２に示す組合せで、３時間乳鉢にて手動混合することで、複合光触媒を含むスクリーン印刷用ペーストを作製した。このスクリーン印刷用ペーストを用いて、ホウケイ酸ガラス基板（５ｃｍ×５ｃｍ×１ｍｍ厚）に設けられた４ｃｍ×４ｃｍの開口部に、表２に示す塗布厚となるように、スクリーン印刷法で塗布した。その後、６０℃で１時間乾燥させた後、４５０℃で３０分焼成することで、実施例１〜５、および比較例１、２各々の可視光応答型水分解用光触媒材を作製した。【０１４６】
実施例６
上記実施例３で作製したスクリーン印刷用ペースト０．１ｇとエタノール０．９ｇを混合したものを、直径４７ｍｍの円形石英ガラス繊維フィルター（Ｗｈａｔｍａｎ製）に滴下しながら、吸引ろ過を行うことで、複合光触媒を吸着させた。その後、３５０℃で３０分焼成することで、上記複合光触媒をガラス繊維フィルターに担持させた光触媒材を作製した。【０１４７】
実施例７
上記実施例３で作製したスクリーン印刷用ペースト０．１ｇとエタノール０．９ｇを混合したものを、直径４７ｍｍの陽極酸化アルミナフィルター（Ｗｈａｔｍａｎ製）に滴下しながら、吸引ろ過を行うことで、複合光触媒を吸着させた。その後、３５０℃で３０分焼成することで、上記複合光触媒を陽極酸化アルミナフィルターに担持させた光触媒材を作製した。得られた光触媒材の走査型電子顕微鏡観察による写真を図３に示す。（Ａ）は光触媒材の表面を観察した写真であり、（Ｂ）は光触媒材の断面を観察した写真である。【０１４８】
走査型電子顕微鏡観察による光触媒層の厚みの測定
得られた各光触媒材断面の走査型電子顕微鏡観察による写真から、光触媒層の厚みを測定した。実施例１〜５の光触媒層の厚みは倍率２０００倍で測定した。また、実施例６及び７の光触媒層の厚みは、倍率１００００倍により測定した。ここで、光触媒層の厚みは基材表面から光触媒層の最上部までの高さとして測定した。結果は表２に示されるとおりであった。【０１４９】
平均細孔径の測定
各光触媒材の光触媒層における平均細孔径の測定は、窒素吸脱着測定法を用いて以下の手順で行った。まず、上記で作製したスクリーン印刷用ペーストをホウケイ酸ガラス基板上に、塗布厚１２０μｍで、８ｃｍ×８ｃｍの面積で、スクリーン印刷により製膜した。そして、６０℃で１時間乾燥させた後、４５０℃で３０分焼成することで、平均細孔径測定のための可視光応答型水分解用光触媒材を作製した。焼成後に得られた光触媒材を、樹脂製スキージを用いて、光触媒層のみホウケイ酸ガラス基板から剥離させ、光触媒層を粉体として回収した。この粉体０．１ｇを、窒素吸脱着測定装置（日本ベル製、“ＢＥＬＳＯＲＰ−ｍｉｎｉ”）を用いて、窒素ガスによる窒素吸脱着等温線を求めて、ＢＪＨ法による解析を行うことで、細孔直径を得た。この得られた細孔直径に対するＬｏｇ微分細孔容積をプロットすることにより、細孔容積分布を得た。この細孔容積分布において、ピーク位置の細孔直径を、各光触媒層における平均細孔径として求めた。結果は表２に示されるとおりであった。【０１５０】
密着試験
メンディングテープ（住友３Ｍ製、厚み６３μｍ）を基板上に設けられた光触媒層上に張り付けて、テープを剥離するテープ剥離試験により、基板と光触媒層との密着性を評価した。評価方法は以下のとおりとした。すなわち、メンディングテープを光触媒層上に張り付け、指の腹でテープを押しつけながら指を５往復摺動させた。１０秒後に、テープを一気に剥離させた。なお、判定基準は以下のとおりとした。結果は表２に示されるとおりであった。
○：テープ剥離後、基材に光触媒層が残存していた
×：テープ剥離後、基材から完全に光触媒層が剥離された【０１５１】
水素発生用光触媒粒子と酸素発生用光触媒粒子を含む光触媒材の水分解活性
パイレックス（登録商標）製窓付きのセパラブルガラスフラスコに、光触媒材を導入し、超純水２００ｍｌを入れて、反応溶液とした。そして、この反応溶液を入れたガラスフラスコを閉鎖循環装置に装着し、反応系内の雰囲気をアルゴン置換した。そして、ＵＶカットフィルター（Ｌ−４２、ＨＯＹＡ製）を装着した３００Ｗキセノンランプ（Ｃｅｒｍａｘ製、ＰＥ−３００ＢＦ）により、可視光をパイレックス（登録商標）製窓側から照射した。そして、光触媒反応により、水が還元されて生成する水素の発生量を、ガスクロマトグラフ（島津製作所製、ＧＣ−８Ａ、ＴＣＤ検出器、ＭＳ−５Ａカラム）により経時的に調べ、照射開始後、３時間評価を行った。結果は表２に示されるとおりであった。【０１５２】
【表２】
2014046305.tif 000004
【符号の説明】
【０１５３】
１  水素発生用光触媒粒子
２  酸素発生用光触媒粒子
３  粒子間空隙
４  基材
５  厚み
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【手続補正書】
【提出日】平成28年2月15日(2016.2.15)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一次粒子径が１００ｎｍ以下である水素発生用可視光応答型光触媒粒子と、
一次粒子径が２００ｎｍ以下である酸素発生用可視光応答型光触媒粒子とを含み、
前記水素発生用可視光応答型光触媒粒子と前記酸素発生用可視光応答型光触媒粒子とが互いに接触している、複合光触媒。
【請求項２】
前記水素発生用可視光応答型光触媒粒子が、その表面に水素発生用助触媒が担持されてなるものである、請求項１に記載の複合光触媒。
【請求項３】
前記水素発生用可視光応答型光触媒粒子の一次粒子径が７０ｎｍ以下である、請求項１または２に記載の複合光触媒。
【請求項４】
前記水素発生用可視光応答型光触媒粒子の一次粒子径が５０ｎｍ以下である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の複合光触媒。
【請求項５】
前記水素発生用可視光応答型光触媒粒子が、ロジウムドープチタン酸ストロンチウム粒子である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の複合光触媒。
【請求項６】
前記ロジウムドープチタン酸ストロンチウム粒子が、拡散反射スペクトルにより測定される、波長５７０ｎｍにおける光吸収率が０．６以上であり、かつ、波長１８００ｎｍにおける光吸収率が０．７以下である、請求項５に記載の複合光触媒。
【請求項７】
前記ロジウムドープチタン酸ストロンチウム粒子の、Ｍ（ロジウム）／Ｍ（チタン＋ロジウム）で表わされるモル比率が０．００１〜０．０３である、請求項５または６に記載の複合光触媒。
【請求項８】
前記酸素発生用可視光応答型光触媒粒子が、ＷＯ３、ＢｉＶＯ４、Ｆｅ２Ｏ３、Ｂｉ２ＷＯ６、ＴａＯＮ、Ｔａ３Ｎ５、ＢａＴａＯ２ＮおよびＬａＴｉＯ２Ｎから選ばれる少なくとも１種である、請求項１〜７のいずれか一項に記載の複合光触媒。
【請求項９】
前記酸素発生用可視光応答型光触媒粒子が、ＷＯ３、ＢｉＶＯ４およびＦｅ２Ｏ３から選ばれる少なくとも１種である、請求項１〜７のいずれか一項に記載の複合光触媒。
【請求項１０】
可視光による水の光分解反応に用いられる、請求項１〜９のいずれか一項に記載の複合光触媒。
【請求項１１】
基材と、当該基材に固定化されてなる光触媒層とを含んでなる光触媒材であって、
前記光触媒層が、
一次粒子径が１００ｎｍ以下である水素発生用可視光応答型光触媒粒子と、
一次粒子径が２００ｎｍ以下である酸素発生用可視光応答型光触媒粒子とを含み、
前記水素発生用可視光応答型光触媒粒子と前記酸素発生用可視光応答型光触媒粒子とが互いに接触している、光触媒材。
【請求項１２】
前記光触媒層の細孔径が、２０ｎｍ以上１００ｎｍ以下である、請求項１１に記載の光触媒材。
【請求項１３】
前記基材が、２５０℃以上の加熱によって分解されない無機物からなるものである、請求項１１又は１２に記載の光触媒材。
【請求項１４】
前記水素発生用可視光応答型光触媒粒子の一次粒子径が７０ｎｍ以下である、請求項１１〜１３のいずれか一項に記載の光触媒材。
【請求項１５】
前記水素発生用可視光応答型光触媒粒子の一次粒子径が５０ｎｍ以下である、請求項１１〜１４のいずれか一項に記載の光触媒材。
【請求項１６】
可視光による水の光分解反応に用いられる、請求項１１〜１５のいずれか一項に記載の光触媒材。
【請求項１７】
請求項５〜７のいずれか一項に記載の複合光触媒の製造方法であって、
チタン化合物と、ストロンチウム化合物と、疎水性錯化剤とを水に溶解させた水溶液を用意し、これを乾燥および焼成する工程を含む、複合光触媒の製造方法。
【請求項１８】
請求項１６に記載の光触媒材を含んでなる、水分解用光触媒モジュール。
【請求項１９】
請求項１８に記載の水分解用光触媒モジュールを含んでなる、水素製造システム。
【国際調査報告】
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2014046305.tif 000009
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