(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
キレート剤の存在下、Ｔｉ分濃度が０．０７〜５ｍｏｌ／Ｌであるチタン化合物の水溶液のｐＨを−１〜３の範囲で保持して得られるルチル型酸化チタン超微粒子。
【請求項２】
請求項１記載のキレート剤がヒドロキシカルボン酸類、ジケトン類、ケトエステル類、ジカルボン酸類から選ばれる一種以上のものである、請求項１記載のルチル型酸化チタン超微粒子。
【請求項３】
請求項２記載のヒドロキシカルボン酸類がグリコール酸または乳酸またはクエン酸または酒石酸またはそれらの塩である、請求項２記載のルチル型酸化チタン超微粒子。
【請求項４】
請求項２記載のジケトン類がアセチルアセトンまたはその塩である、請求項２記載のルチル型酸化チタン超微粒子。
【請求項５】
チタンに対するモル比が０．０００５〜０．０５のキレート剤を添加する請求項１〜４記載のルチル型酸化チタン超微粒子。
【請求項６】
請求項１〜５記載のルチル型酸化チタン超微粒子を含有する光触媒。
【請求項７】
１００〜８００℃でか焼された請求項６記載の光触媒。
【請求項８】
キレート剤の存在下、Ｔｉ分濃度が０．０７〜５ｍｏｌ／Ｌであるチタン化合物の水溶液のｐＨを−１〜３の範囲で保持するルチル型酸化チタン超微粒子の製造方法。
【請求項９】
キレート剤がヒドロキシカルボン酸類、ジケトン類、ケトエステル類またはジカルボン酸類から選ばれる一種以上のものである、請求項８記載の製造方法。
【請求項１０】
ヒドロキシカルボン酸類がグリコール酸、乳酸、クエン酸、酒石酸またはそれらの塩である、請求項９記載の製造方法。
【請求項１１】
ジケトン類がアセチルアセトンまたはその塩である、請求項９記載の製造方法。
【請求項１２】
チタンに対するモル比が０．０００５〜０．０５のキレート剤を添加する請求項８〜１１のいずれか一項に記載の製造方法。
【請求項１３】
キレート剤の存在下、Ｔｉ分濃度が０．０７〜５ｍｏｌ／Ｌであるチタン化合物の水溶液のｐＨを−１〜３の範囲で保持して得られるルチル型酸化チタン超微粒子からなる凝集体。
【請求項１４】
キレート剤がヒドロキシカルボン酸類、ジケトン類、ケトエステル類または、ジカルボン酸類から選ばれる一種以上のものである、請求項１３記載のルチル型酸化チタン超微粒子からなる凝集体。
【請求項１５】
ヒドロキシカルボン酸類がグリコール酸、乳酸、クエン酸、酒石酸またはそれらの塩である、請求項１４記載のルチル型酸化チタン超微粒子からなる凝集体。
【請求項１６】
ジケトン類がアセチルアセトンまたはその塩である、請求項１４記載のルチル型酸化チタン超微粒子からなる凝集体。
【請求項１７】
チタンに対するモル比が０．０００５〜０．０５のキレート剤を添加する請求項１３〜１６記載のいずれか一項に記載のルチル型酸化チタン超微粒子からなる凝集体。
【請求項１８】
請求項１３〜１７のいずれか一項に記載の凝集体を含有する光触媒。
【請求項１９】
１００〜８００℃でか焼された請求項１８記載の光触媒。
【請求項２０】
キレート剤の存在下、Ｔｉ分濃度が０．０７〜５ｍｏｌ／Ｌであるチタン化合物の水溶液のｐＨを−１〜３の範囲で保持するルチル型酸化チタン超微粒子からなる凝集体の製造方法。
【請求項２１】
キレート剤がヒドロキシカルボン酸類、ジケトン類、ケトエステル類またはジカルボン酸類から選ばれる一種以上のものである、請求項２０記載の製造方法。
【請求項２２】
ヒドロキシカルボン酸類がグリコール酸、乳酸、クエン酸、酒石酸またはそれらの塩である、請求項２１記載の製造方法。
【請求項２３】
ジケトン類がアセチルアセトンまたはその塩である、請求項２１記載の製造方法。
【請求項２４】
チタンに対するモル比が０．０００５〜０．０５のキレート剤を添加する請求項２０〜２３のいずれか一項に記載の製造方法。
【請求項２５】
請求項６、請求項７、請求項１８または請求項１９のいずれか一項に記載の、有機化合物分解用光触媒。
【請求項２６】
請求項６、請求項７、請求項１８または請求項１９のいずれか一項に記載の光触媒を使用する、有機化合物の分解方法。
【請求項２７】
有機化合物がアルデヒド、トルエンまたは有機色素である、請求項２５に記載の光触媒または請求項２６に記載の分解方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光触媒、高屈折率材料、紫外線吸収材料などに用いられるルチル型酸化チタン超微粒子に関する。
【背景技術】
【０００２】
酸化チタンは代表的な光酸化触媒として知られており、これまで抗菌剤や超親水性をいかした防曇剤などに応用されてきている。酸化チタンの結晶型にはアナターゼ型、ルチル型、ブルッカイト型が知られており、このうちアナターゼ型が光触媒活性がもっとも高いとされてきたが、近年においては一部ルチル型成分がアナターゼ型成分と接触混入していることがさらに光触媒活性を高めていることが知られるようになってきた。そのためにルチル型酸化チタン超微粒子をアナターゼ型酸化チタンと混合して用いることが提案されている。またルチル型酸化チタン超微粒子を単独で用いることで高活性が発現されることが合わせて期待されるところとなっている。ところが、従来のように気相法で製造するルチル型酸化チタンは高温で処理されるために焼結により大粒子径になり、表面積の低下から必然的に光触媒活性が低下してしまうという難点があった。
【０００３】
一方、ルチル型酸化チタンを低温湿式法で合成する方法が、Ｈ．Ｄ．Ｎａｍらにより報告されている（非特許文献１）。しかし、この方法によれば、長繊維状のルチル型酸化チタンが寄せ集まった凝集粒子径２００〜４００ｎｍの凝集体が生成し、同様に光触媒活性低下の問題点があった。これらの難点の克服は透明性の要求される高屈折率材料や紫外線吸収材料に必要な高分散性のルチル超微粒子の提供をも可能にする。
【非特許文献１】Ｊｐｎ．  Ｊ．  Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．，  ３７，  ４６０３（１９９８）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、光触媒、高屈折率材料、紫外線吸収材料などに用いられるルチル型酸化チタン超微粒子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者らは上記課題を解決するために鋭意検討を行った結果、ルチル型酸化チタン製造時にキレート剤が存在すると結晶径の増大が抑止されると共に結晶の凝集も抑止されることを発見し、本発明を完成させた。
【０００６】
即ち、本発明は、キレート剤の存在下、Ｔｉ分濃度が０．０７〜５ｍｏｌ／Ｌであるチタン化合物の水溶液のｐＨを−１〜３の範囲で保持して得られるルチル型酸化チタン超微粒子に関するものである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、新規なルチル型酸化チタン超微粒子および該ルチル型酸化チタン超微粒子を含有する光触媒を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明のルチル型酸化チタン超微粒子は、キレート剤の存在下、Ｔｉ分濃度が０．０７〜５ｍｏｌ／Ｌであるチタン化合物の水溶液のｐＨを−１〜３の範囲に保持することにより得られる。
【０００９】
本発明のルチル型酸化チタン超微粒子の製造に用いられるキレート剤としては、チタンカチオンに対して配位能力を有する少なくとも２個の官能基を有する化合物であれば特に制限されない。
【００１０】
チタンカチオンに対して配位能力を有する少なくとも２個の官能基を有する化合物としては、例えば、ヒドロキシカルボン酸類、ジケトン類、ケトカルボン酸、ケトエステル類、ジカルボン酸類が挙げられる。
【００１１】
本発明のルチル型酸化チタン超微粒子の製造には、ヒドロキシカルボン酸類、ジケトン類、ケトエステル類、ジカルボン酸類から選択される一種以上のものを用いることができる。
【００１２】
ヒドロキシカルボン酸類としては、例えば、グリコール酸、乳酸、クエン酸、酒石酸、サリチル酸およびこれらの塩、例えばクエン酸ナトリウムなどが挙げられる。ジケトン類としては、例えば、アセチルアセトンやプロピオニルアセトンおよびこれらの塩、例えばアルミニウムアセチルアセトネートなどが挙げられる。
【００１３】
ケトエステル類としては、例えば、エチルアセトアセテートやエチルマロネートなどが挙げられる。
【００１４】
ジカルボン酸類としては、例えば、マロン酸や琥珀酸などが挙げられる。
【００１５】
キレート剤のチタン化合物に対する使用量は、チタン化合物中のＴｉ分に対するキレート剤のモル比が０．０００５〜０．０５の範囲から選択される量を使用する。キレート剤の使用量がこの範囲であるとルチル型酸化チタン超微粒子が凝集して巨大な凝集体となりにくくなるので好ましい。
【００１６】
本発明に用いられるチタン化合物としては、化学反応により酸化チタンを生成するものであれば制限はなく、例えば、四塩化チタン、塩化酸化チタン、硫酸チタン、硝酸チタン、チタンアルコキシド、水和酸化チタン（あらかじめチタン化合物をアルカリ条件で加水分解させたものも含む）などから選ばれるチタン化合物等が好ましいものとして挙げられる。
【００１７】
本発明に用いられるチタン化合物の水溶液において、該水溶液中のチタン化合物の濃度は、該チタン化合物中のＴｉ分の濃度（以下、「Ｔｉ分濃度」と略記する。）として０．０７〜５ｍｏｌ／Ｌ、好ましくは０．１ｍｏｌ／Ｌから１ｍｏｌ／Ｌであることが望ましい。
【００１８】
Ｔｉ分濃度が０．０７ｍｏｌ／Ｌより低い場合はアナターゼ型酸化チタンが生成し、Ｔｉ分濃度が５ｍｏｌ／Ｌより高い場合は水濃度が低下するために酸化チタンの生成が阻害される。
【００１９】
前記のチタン化合物を含む水溶液のｐＨは、使用するキレート剤およびチタン化合物の種類により異なる。そのため、チタン化合物を含む水溶液のｐＨ調整は、必要に応じて塩酸や硝酸などを用いて行う。
【００２０】
チタン化合物を含む水溶液のｐＨは−１〜３に調整するが、ｐＨが３より大きい条件で反応させると、酸化チタン結晶生成が阻害されるので好ましくない。
【００２１】
前記のキレート剤およびチタン化合物を含むｐＨ調整後の水溶液は、通常、その水溶液の温度が−１０〜１００℃から選択される温度で保持されるが、好ましくは２０〜６０℃の範囲内の温度が推奨される。
前記の温度範囲内の水溶液は、通常、０．５〜１０時間の間、前記の温度範囲内に保持される。
【００２２】
前記のように、キレート剤の存在下、Ｔｉ分濃度が０．０７〜５ｍｏｌ／Ｌであるチタン化合物の水溶液のｐＨを−１〜３の範囲に保持することにより、該水溶液中にルチル型酸化チタン超微粒子が析出する。なお、該水溶液中にはルチル型酸化チタン超微粒子が凝集した凝集体が少量含まれる。
【００２３】
前記水溶液中に析出する超微粒子がルチル型酸化チタンであることは、Ｘ線回折測定により確認することができる。また、該ルチル型酸化チタン超微粒子の平均粒径は、デバイ−シェラー式からも求めることができる。
【００２４】
前記の水溶液中に析出するルチル型酸化チタン超微粒子の平均粒径は超微粒子の短軸、長軸の範囲でいえば、それぞれ２〜１０ｎｍ、１５〜３０ｎｍであり、該ルチル型酸化チタン超微粒子同士が凝集した凝集体の平均粒径は１０〜１００ｎｍである。
【００２５】
ルチル型酸化チタン超微粒子およびルチル型酸化チタン超微粒子が凝集した凝集体は、これを含む水溶液から濾過などの方法で分離し、必要に応じて、水および／またはアルコールなどの溶媒への分散、限外濾過、再沈殿などの手法により洗浄する。
【００２６】
このようにして回収されるルチル型酸化チタン超微粒子（ルチル型酸化チタン超微粒子が凝集した凝集体を含む）は乾燥することにより、または１００℃〜８００℃でか焼することにより粉末として得ることができるが、所望により、ゾルとして調製することもできる。
【００２７】
以上のようにして得られるルチル型酸化チタン超微粒子は光分解反応などの触媒として作用するため、これを含有する光触媒として有用である。光分解反応としては、例えば、有機色素、ホルマリン、芳香族炭化水素などの有機化合物を分解する反応などが挙げられる。
【００２８】
以下、実施例により本発明をさらに詳しく説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【００２９】
なお、光触媒としての活性評価は次の方法に依った。
酸化チタンＴｉＯ２を６ｍｇ採り（ゾル液の場合は相当のＴｉＯ２を含むゾル液）、１ｃｍキュベットセルに入れ、２ｘ１０−５ｍｏｌ／Ｌのメチレンブルー水溶液を加え、磁気回転子で攪拌する。高圧キセノンランプからの光を５ｃｍ長さの水フィルターを通し、セルに側面より照射する。セル前面での光量を測定し、１２０ｍＷ／ｃｍ２に調節した。１０分毎に試料液を取り出し、遠心分離し濾液の可視紫外吸収スペクトルを測定しメチレンブルーの吸光度変化から光触媒活性を評価した。
【実施例１】
【００３０】
１００ｍＬナス型フラスコを用い、イオン交換水５０ｍＬにＴｉ  ２５ｍｍｏｌの０．００１モル比すなわち０．０２５ｍｍｏｌのグリコール酸を添加した。次いで、フルカ社製ＴｉＯＣｌ２・ＨＣＬ溶液５ｍＬ（Ｔｉ分２５ｍｍｏｌ）を加え、０．４５Ｍ  ＴｉＯＣｌ２溶液を調製した。これを５０℃、１ｈ反応させた。得られた沈殿をイオン交換水に再分散させ、電子顕微鏡観察を行ったところ、平均粒径は長軸２５ｎｍ、短軸１０ｎｍである超微粒子および平均粒径が５０ｎｍである超微粒子の凝集体を少量含む混合物を得た。得られた沈殿をアセトニトリルで洗浄し、風乾した粉末のＸ線回折スペクトルを測定したところルチル型酸化チタンと同定された。
【００３１】
風乾した粉末のＸ線回折スペクトルおよび赤外線吸収スペクトルをそれぞれ図１および図２に示した。また、デバイシェラー式から評価される超微粒子の長軸、短軸の計算値は電顕観察の結果に対応した。
【００３２】
風乾した粉末とそれをルツボに入れ４００℃で２時間か焼して得られた粉末についてそれぞれ光触媒活性試験を行った結果、高活性を示した。結果を図３に示した。
【実施例２】
【００３３】
グリコール酸の代わりに乳酸を用いる以外は実施例１と同様に実施した。その結果、平均粒径は長軸で２０ｎｍ、短軸で８ｎｍである超微粒子および少量の平均粒径が３０ｎｍの超微粒子の凝集体の混合物を得た。
【実施例３】
【００３４】
グリコール酸の代わりにアセチルアセトンを用いる以外は実施例１と同様に実施した。その結果、平均粒径は長軸２０ｎｍ、短軸７ｎｍである超微粒子および平均粒径が２５ｎｍの超微粒子の凝集体を少量含む混合物を得た。
【実施例４】
【００３５】
グリコール酸の代わりに琥珀酸を用いる以外は実施例１と同様に実施した。その結果、平均粒径は長軸２５ｎｍ、短軸１２ｎｍである超微粒子および平均粒径が４０ｎｍの超微粒子の凝集体を少量含む混合物を得た。
【実施例５】
【００３６】
アセトアルデヒド分解試験用試料板Ａ作製
実施例１で４００℃で２時間か焼して得られたルチル型酸化チタン超微粒子光触媒５．０ｇを、１００ｍＬポリエチレン製広口瓶に入れ、直径１ｍｍのガラスビーズ５０．０ｇ、エタノール４４．０ｇ、１規定塩酸０．５ｇ、ノニオン系界面活性剤ＴｒｉｔｏｎＸ−１００（ユニオンカーバイド社登録商標）０．５ｇを加え、密封した。これを、内容積３００ｍＬのステンレス製ボールミルポットに入れ、広口瓶がボールミルポットの中央になるように、隙間に布を詰めた。そして、ボールミルポットを密封した後、ボールミル回転台に載せて、毎分６０回転の速度で１８時間分散化処理を施した。処理後、広口瓶を取り出し、ナイロン製メッシュシートでガラスビーズをろ別して、ルチル型酸化チタン超微粒子光触媒のエタノール分散液を得た。次に、予め重量を測定したスライドガラス（２．６ｃｍ×７．６ｃｍ，厚さ１ｍｍ）を、この分散液に、９０秒毎に、毎秒０．４ｃｍの速度で４２回、浸漬および引き上げを行なって、スライドガラス表面にルチル型酸化チタン超微粒子光触媒を固定化した。２．６ｃｍ幅の一方の面を除き、他の面に付着した光触媒は、全て拭き取った。これを、電気炉で空気雰囲気下，４００℃，３時間焼成処理を行い、光触媒塗布試料板Ａを作製した。光触媒固定化の前後の重量測定、並びにルチル型酸化チタン超微粒子光触媒を固定化した部分の丈の計測より、この試料板は、ルチル型酸化チタン超微粒子光触媒の塗布重量６．６ｍｇ、ルチル型酸化チタン超微粒子光触媒の塗布面積１２．２ｃｍ２、面積当りの塗布重量、５．４ｇ／ｍ２であった。
【００３７】
アセトアルデヒド分解試験
光触媒塗布試料板Ａに、空気雰囲気下、５．４ｍＷ／ｃｍ２の紫外線を３時間照射した。光源には２７Ｗのブラックライトブルー灯（三共電気、ＦＰＬ２７ＢＬＢ）を、紫外線強度測定には、ＵＶＡ−３６５（カスタム社製）を用いた。
照射処理後の光触媒塗布試料板Ａを、シリコンパッキン付きコネクターおよびミニコックが一つずつ付属した容積１リットルのテドラー（デュポン社登録商標）バッグ内部の中央に、５ｍｍ角の両面テープで貼り付けた。その際、バッグの一辺を一度切り取って、貼付の後に、切除部分をヒートシーラーで密封した。続いて、真空ポンプを用いてミニコックから内部の空気を抜き出してからコックを閉じ、真空パックされた状態で暗所に一晩放置した。
次に、酸素２０％、窒素８０％の混合ガスを１５℃のイオン交換水を潜らせた湿潤混合ガスと、１％アセトアルデヒド／窒素混合ガスとを、混合して、アセトアルデヒド濃度９６ｐｐｍのガスを調製した。このガスを６００ｍＬ採取して、上記の光触媒塗布試料板Ａを内部に貼付したバッグに、注入した。その後、バッグを暗所に２０時間放置した。その後、バッグ内部のガスのアセトアルデヒド濃度および二酸化炭素濃度を測定した。濃度測定には、メタナイザー付きのガスクロマトグラフ（島津社製ＧＣ−１０Ａ）を使用した。分析後、光触媒塗布試料板Ａを内部に貼付したバッグを、光触媒塗布試料板Ａの塗布面が、白色蛍光灯（松下電工製、１０Ｗ、ＦＬ１０Ｎ）から４ｃｍの距離で光が垂直に当たるように置いた。そして、蛍光灯による光照射２時間毎にバッグ内部のガスの分析を行った。この時、バッグと同じフィルム１枚をフィルターとして塗布面と同一の場所で測定した紫外線強度は、１１μＷ／ｃｍ２であった。ここで、紫外線強度測定には、ＵＶＡ−３６５（カスタム社製）を用いた。二酸化炭素の濃度推移は、（図４）に示した。蛍光灯の光を照射することにより、アセトアルデヒドを分解して二酸化炭素を生成することが確認できた。
【実施例６】
【００３８】
トルエン分解試験用試料板Ｂ作製
浸漬および引き上げを４０回にした以外は実施例５と同様にして、光触媒塗布試料板Ｂを作製した。この試料板は、ルチル型酸化チタン超微粒子光触媒の塗布重量５．８ｍｇ、ルチル型酸化チタン超微粒子光触媒の塗布面積１２．３ｃｍ２、面積当りの塗布重量４．７ｇ／ｍ２であった。
【００３９】
トルエン分解試験
光触媒塗布試料板Ａの代わりに光触媒塗布試料板Ｂを、アセトアルデヒドの代わりにトルエンを、アセトアルデヒド濃度９６ｐｐｍの混合ガスの代わりにトルエン濃度３１ｐｐｍの混合ガスを用いた以外は、実施例５と同様にして。蛍光灯の光照射によるトルエンの分解反応を行った。二酸化炭素の濃度推移は（図５）に示した。蛍光灯の光を照射することにより、トルエンを分解して二酸化炭素を生成することが確認できた。
【００４０】
（比較例１）
グリコール酸を添加せずに実施例１と同様に行ったところ、沈殿濾過後、再分散困難なルチル型酸化チタン超微粒子の凝集体が得られた。Ｘ線回折のデバイシェラー式から求めた超微粒子の平均粒径は実施例１と同様であったが、超微粒子の凝集体の平均粒径は２７０ｎｍと巨大であった。
【００４１】
（比較例２）
アナターゼ型酸化チタンを次のように調製した。
２５０ｍＬイオン交換水にフルカ社製ＴｉＯＣｌ２・ＨＣｌ溶液２．５ｍＬを加え、０．０５Ｍ  ＴｉＯＣｌ２溶液とし、６０℃、５ｈ加熱してゾル液を得た。アセトニトリル添加により、沈殿を得、これを乾燥して粉末を得た。Ｘ線回折の結果、得られた粉末はアナターゼ型結晶であった。電顕観察によると球状の超微粒子の平均粒径は５ｎｍで凝集はほとんどみられなかった。
【００４２】
得られた粉末について、光触媒活性試験を行った結果を図３に示した。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】実施例１で得られた風乾した粉末のエックス線回折スペクトルを示す図である。
【図２】実施例１で得られた風乾した粉末の赤外線吸収スペクトルを示す図である。
【図３】実施例１で得られた風乾したルチル型酸化チタンの粉末、これを４００℃でか焼したルチル型酸化チタンの粉末、比較例２で得られたアナターゼ型酸化チタンの粉末の光触媒活性試験結果を示す図である。
【図４】実施例５のアセトアルデヒド分解試験の結果を示す図である。
【図５】実施例６のトルエン分解試験の結果を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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