(57)【要約】【課題】白金代替触媒であって、金属オキシナイトライド電極触媒と比べて触媒能をさらに向上させた金属酸化物触媒を提供することにある。【解決手段】金属酸化物触媒であって、第一の遷移金属と、第二の遷移金属と、酸素に対してｐ型のドーパントとなるｐ型ドーパント材とを含有し、第一の遷移金属を、ｐ型ドーパント材に対してｎ型のドーパントとなる元素とする。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属酸化物触媒であって、
第一の遷移金属と、
第二の遷移金属と、
酸素に対してｐ型のドーパントとなるｐ型ドーパント材とを含有し、
前記第一の遷移金属が、前記ｐ型ドーパント材に対してｎ型のドーパントとなる元素である
ことを特徴とする金属酸化物触媒。
【請求項２】
請求項１に記載された金属酸化物触媒であって、
前記ｐ型ドーパント材が、窒素、炭素、ケイ素、またはゲルマニウムである
ことを特徴とする金属酸化物触媒。
【請求項３】
請求項２に記載された金属酸化物触媒であって、
前記第一の遷移金属が第５族元素または第７族元素であり、
前記第一の遷移金属が第５族元素であるときに前記第二の遷移金属が第４族元素であり、前記第一の遷移金属が第７族元素であるときに前記第二の遷移金属が第５族元素である
ことを特徴とする金属酸化物触媒。
【請求項４】
請求項３に記載された金属酸化物触媒であって、
前記第一の遷移金属がＶ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｎの何れかであり、
前記第一の遷移金属がＶ、Ｎｂ、Ｔａの何れかであるときに、前記第二の遷移金属がＴｉまたはＺｒであり、前記第一の遷移金属がＭｎであるときに、前記第二の遷移金属がＶ、Ｎｂ、Ｔａの何れかである
ことを特徴とする金属酸化物触媒。
【請求項５】
請求項４に記載された金属酸化物触媒であって、
前記第一の遷移金属がＴａまたはＭｎであり、
前記第一の遷移金属がＴａであるときに前記第二の遷移金属がＺｒであり、前記第一の遷移金属がＭｎであるときに前記第二の遷移金属がＮｂである
ことを特徴とする金属酸化物触媒。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５の何れか一項に記載された金属酸化物触媒を含有する
ことを特徴とする排ガス処理触媒。
【請求項７】
請求項１乃至請求項５の何れか一項に記載された金属酸化物触媒を含有する
ことを特徴とする電極。
【請求項８】
請求項１乃至請求項５の何れか一項に記載された金属酸化物触媒を含有する
ことを特徴とする光触媒。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属酸化物触媒に関し、特に排ガス処理触媒や電極や光触媒に適用すると有効である。
【背景技術】
【０００２】
各種の反応に高い触媒能を示す物質として貴金属である白金が知られている。そして、この白金を基材に担持させた触媒が種々開発されている。しかし、この白金自体が高価であり、この白金の担持量に比例して触媒の製造コストが増大してしまう。そのため、白金の担持量を低減した触媒や、白金の代替材料を基材に担持した白金代替触媒に関する研究開発が種々行われている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、白金代替触媒の酸素還元触媒として、ＴａＯＮなどの遷移金属のオキシナイトライドからなる金属オキシナイトライド電極触媒が提案されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−１６１２０３号公報（明細書の段落［００２１］〜［００２７］、［図１］〜［図４］等参照）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上述した特許文献１に記載の金属オキシナイトライド電極触媒にて、導電性のさらなる向上が望まれていた。すなわち、白金代替触媒の金属酸化物触媒であって、触媒能のさらなる向上が望まれていた。
【０００６】
そこで、本発明は、前述した問題に鑑み提案されたもので、白金代替触媒であって、金属オキシナイトライド電極触媒と比べて触媒能をさらに向上させた金属酸化物触媒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】
【０００７】
上述した課題を解決する第１の発明に係る金属酸化物触媒は、
金属酸化物触媒であって、
第一の遷移金属と、
第二の遷移金属と、
酸素に対してｐ型のドーパントとなるｐ型ドーパント材とを含有し、
前記第一の遷移金属が、前記ｐ型ドーパント材に対してｎ型のドーパントとなる元素である
ことを特徴とする。
【０００８】
上述した課題を解決する第２の発明に係る金属酸化物触媒は、第１の発明に係る金属酸化物触媒であって、
前記ｐ型ドーパント材が、窒素、炭素、ケイ素、またはゲルマニウムである
ことを特徴とする。
【０００９】
上述した課題を解決する第３の発明に係る金属酸化物触媒は、第２の発明に係る金属酸化物触媒であって、
前記第一の遷移金属が第５族元素または第７族元素であり、
前記第一の遷移金属が第５族元素であるときに前記第二の遷移金属が第４族元素であり、前記第一の遷移金属が第７族元素であるときに前記第二の遷移金属が第５族元素である
ことを特徴とする。
【００１０】
上述した課題を解決する第４の発明に係る金属酸化物触媒は、第３の発明に係る金属酸化物触媒であって、
前記第一の遷移金属がＶ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｎの何れかであり、
前記第一の遷移金属がＶ、Ｎｂ、Ｔａの何れかであるときに、前記第二の遷移金属がＴｉまたはＺｒであり、前記第一の遷移金属がＭｎであるときに、前記第二の遷移金属がＶ、Ｎｂ、Ｔａの何れかである
ことを特徴とする。
【００１１】
上述した課題を解決する第５の発明に係る金属酸化物触媒は、第４の発明に係る金属酸化物触媒であって、
前記第一の遷移金属がＴａまたはＭｎであり、
前記第一の遷移金属がＴａであるときに前記第二の遷移金属がＺｒであり、前記第一の遷移金属がＭｎであるときに前記第二の遷移金属がＮｂである
ことを特徴とする。
【００１２】
上述した課題を解決する第６の発明に係る排ガス処理触媒は、第１乃至第５の発明の何れか一つに係る金属酸化物触媒を含有する
ことを特徴とする。
【００１３】
上述した課題を解決する第７の発明に係る電極は、第１乃至第５の発明の何れか一つに係る金属酸化物触媒を含有する
ことを特徴とする。
【００１４】
上述した課題を解決する第８の発明に係る光触媒は、第１乃至第５の発明の何れか一つに係る金属酸化物触媒を含有する
ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係る金属酸化物触媒によれば、第一の遷移金属と、第二の遷移金属と、酸素に対してｐ型のドーパントとなるｐ型ドーパント材とを含有し、第一の遷移金属が、ｐ型ドーパント材に対してｎ型のドーパントとなる元素であることにより、この第一の遷移金属を含有することで、前記第一の遷移金属を含有しない金属オキシナイトライド電極触媒と比べてｐ型ドーパント材の含有量を増やすことができる。これにより、金属酸化触媒のバンド構造の禁制帯を狭くできる。その結果、活性化エネルギーが小さくなり、触媒能が向上する。すなわち、金属オキシナイトライド電極触媒と比べて触媒能をさらに向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明に係る金属酸化物触媒の最良の形態につき、実施形態に具体的に説明する。
【００１７】
［第一の実施形態］
本発明に係る金属酸化物触媒の第一の実施形態につき以下に説明する。
【００１８】
本実施形態に係る金属酸化物触媒は、第一の遷移金属と、第二の遷移金属と、酸素に対してｐ型のドーパントとなるｐ型ドーパント材とを含有する触媒である。ｐ型ドーパント材は、窒素、炭素、ケイ素、またはゲルマニウムである。第一の遷移金属は、ｐ型ドーパント材に対してｎ型のドーパントとなる元素である。第一の遷移金属が第５族元素または第７族元素である。そして、第一の遷移金属が第５族元素であるときに第二の遷移金属が第４族元素であり、第一の遷移金属が第７族元素であるときに第二の遷移金属が第５族元素である。
【００１９】
具体的には、上述した第一の遷移金属がＶ（バナジウム）、Ｎｂ（ニオブ）、Ｔａ（タンタル）、Ｍｎ（マンガン）の何れかである。そして、第一の遷移金属がＶ、Ｎｂ、Ｔａの何れかであるときに、第二の遷移金属がＴｉ（チタン）またはＺｒ（ジルコニウム）である。第一の遷移金属がＭｎであるときに、第二の遷移金属がＶ、Ｎｂ、Ｔａの何れかである。好適には、第一の遷移金属がＴａであるときに第二の遷移金属がＺｒであり、第一の遷移金属がＭｎであるときに第二の遷移金属がＮｂである。
【００２０】
ここで、上述した金属酸化物触媒の作製方法としては例えば以下の２つの手法が挙げられる。
［第一番目の金属酸化物触媒の作製方法］
遷移金属Ｍ、Ｎを含む化合物ＭＸｙ、ＮＸｙ（式中ＭとＮは第４族元素と第５族元素を示す、または第５族元素と第７族元素を示す。Ｘは窒素、炭素、ケイ素、またはゲルマニウムを示す。ｙは化学量論を示す値であり任意である。）の混合物を、酸素濃度３０モル％以下の雰囲気にて、４００℃−８００℃の温度で焼成して上述した金属酸化物触媒が得られる。例えば、ＺｒＮ、ＴａＮの粉末各々１ｇずつをアルミナ製坩堝に入れ、管状型電気炉中で露点−１０℃の大気を１Ｌ／分で流通させながら昇温速度１００℃／時間で５００℃まで昇温し、１時間焼成することで、ＺｒＴａＯＮからなる金属酸化物触媒が得られる。
【００２１】
［第二番目の金属酸化物触媒の作製方法］
触媒担体材料を２００℃以上に加熱した状態とし、アルゴン分圧１×１０-1Ｐａ、窒素分圧４×１０-1Ｐａ、酸素分圧１×１０-1Ｐａの雰囲気とする。スパッタターゲットとして２種類の金属（例えば、ＺｒとＴａ）を用いる、あるいは目的とする２種類の金属を含む合金（例えばＺｒＴａ）を用いて、触媒担体材料上に５０ｎｍ程度の薄膜を作製する。これをナイフで剥ぎ取ることで上述した金属酸化物触媒（ＺｒＴａＯＮ）が得られる。
【００２２】
したがって、本実施形態に係る金属酸化物触媒によれば、ｐ型ドーパント材に対してｎ型のドーパントとなる元素である第一の遷移金属を含有することで、この第一の遷移金属を含有しない金属オキシナイトライド電極触媒と比べてｐ型ドーパント材の含有量を増やすことができる。これにより、金属酸化物触媒のバンド構造の禁制帯を狭くできる。その結果、活性化エネルギーが小さくなり、触媒能が向上する。すなわち、金属オキシナイトライド電極触媒と比べて触媒能をさらに向上させることができる。さらに、第一の遷移金属がｐ型ドーパント材に対してｎ型のドーパントとなる元素であるため、金属酸化物触媒は、高温度域にてｐ型ドーパント材の脱離を防止できる。
【実施例１】
【００２３】
本発明に係る金属酸化物触媒の第１の実施例につき図１〜９を用いて具体的に説明する。
図１はＺｒＴａＯＮのバンド構造を示す図である。図２はＺｒＯ2のバンド構造を示す図であり、図３はＺｒ2Ｎ2Ｏのバンド構造を示す図であり、図４はＴａＯのバンド構造を示す図であり、図５はＴａＯＮのバンド構造を示す図であり、図６はＰｔＯ2のバンド構造を示す図である。図７は金属酸化物触媒のＣＯ除去率と排ガス温度との関係を示す図であり、図８は金属酸化物触媒のＨＣ除去率と排ガス温度との関係を示す図であり、図９は金属酸化物触媒のＮＯ除去率と排ガス温度との関係を示す図である。図１〜６に示すバンド構造は、バンド計算（例えば、全電子手法やタイトバインディング法）により求められたバンド構造である。図１〜６にて、縦軸はエネルギー状態を示し、横軸は各電子殻を示す。Ｅｃは伝導帯を示し、Ｅｖは価電子帯を示し、Ｅｇは禁制帯を示す。
【００２４】
［金属酸化物触媒］
本発明の第１の実施例に係る金属酸化物触媒は、ＺｒＴａＯＮからなる触媒である。すなわち、金属酸化物触媒は、Ｔａ（タンタル）の第一の遷移金属と、Ｚｒ（ジルコニウム）の第二の遷移金属と、酸素に対してｐ型のドーパントとなるｐ型ドーパント材の窒素とを含有する。そして、Ｔａは、窒素に対してｎ型のドーパントとなる元素である。
【００２５】
［金属酸化物触媒の調製］
上述した金属酸化物触媒は、スパッタリング装置を用いて製造される。具体的には、スパッタするときに、ＣｅＯ2粉末の圧粉体を２００℃以上に加熱した状態とし、アルゴン分圧を１×１０-1Ｐａ、窒素分圧を４×１０-1Ｐａ、酸素分圧を１×１０-1Ｐａの雰囲気とした。スパッタターゲットとしてＺｒとＴａの二つのターゲットを用い、担持材（圧粉体）上に５０ｎｍ程度の薄膜を作製した。そして、この薄膜をタングステンナイフでこそぎとり、粉末化した。
【００２６】
得られた粉末をＸ線光電子分光法により、表面汚染除去後の表面組成分析をした。その結果、金属酸化物触媒の組成は、Ｔａ：１７％、Ｚｒ：２１％、Ｏ：３５％、Ｎ：１８％、Ｃｅ：９％であった。ここで、Ｃｅは圧粉体より検出されるものであり、ＣｅＯ2と考えられる。よって、この測定結果からＣｅＯ2分を引くと、金属酸化物触媒の組成は、Ｔａ：１７％、Ｚｒ：２１％、Ｏ：１７％、Ｎ：１８％となった。そして、Ｔａ：Ｚｒ：Ｏ：Ｎの比が２３：２９：２３：２５であり、これらの比がほぼ１：１：１：１となることが分かった。すなわち、Ｔａ：Ｚｒ：Ｏ：Ｎの比が１：１：１：１となる粉体（金属酸化物触媒）を得たことが分かった。
【００２７】
得られたＺｒＴａＯＮ＋ＣｅＯ2を１．１ｇ採取する（ＺｒＴａＯＮが０．７ｇ分）。そして、採取した粉体とエタノール２０ｃｃと分散剤とを混合しボールミルにより２４時間粉砕し、得られたスラリーにさらにエタノールを添加して、１００ｃｃの溶液とした。この溶液に、セリア（ＣｅＯ2）粉末を９９ｇとＰｔ量０．３ｇ分を含んだジニトロジアミン白金酸水溶液を入れて混合する。続いて、この混合溶液を十分に攪拌しつつ、蒸発乾固（乾燥、固化）して粉末とする。得られた粉末を５００℃で２時間、空気中で焼成して本実施例に係る金属酸化物触媒（Ｐｔ（０．３ｗｔ％）−ＺｒＴａＯＮ（０．７ｗｔ％）／ＣｅＯ2）（実施例１）を得た。
【００２８】
ここで、上述した本実施例に係る金属酸化物触媒が含有するＺｒＴａＯＮのバンド構造について図１を参照して説明する。
この図１に示すように、約−２．６ｅＶより上方の領域Ｅｃが伝導帯となる一方、約−３．３ｅＶより下方の領域Ｅｖが価電子帯となることが分かった。これらの領域の間の禁制帯（バンドギャップ）Ｅｇの大きさが約０．７となることが分かった。
【００２９】
そして、図２に示すＺｒＯ2のバンド構造では、約３．６ｅＶよりも上方の領域Ｅｃが伝導帯となる一方、０．０ｅＶよりも下方の領域Ｅｖが価電子帯となることが分かった。これらの領域の間の禁制帯Ｅｇの大きさが約３．６となることが分かった。図１および図２に示すバンド構造から、本実施例に係る金属酸化物触媒は、ジルコニウムの酸化物に窒素およびタンタルをドープした触媒であることで、ジルコニウムの酸化物からなる触媒と比べてバンドギャップが小さくなることが分かった。
【００３０】
また、図３に示すＺｒ2Ｎ2Ｏのバンド構造では、約１．２ｅＶよりも上方の領域Ｅｃが伝導帯となる一方、０．０ｅＶよりも下方の領域Ｅｄが価電子帯となることが分かった。これらの領域の間の禁制帯Ｅｇの大きさが約１．２となることが分かった。図１および図３に示すバンド構造から、本実施例に係る金属酸化物触媒は、ジルコニウムの酸窒化物にタンタルをドープした触媒であることで、ジルコニウムの酸窒化物からなる触媒よりもバンドギャップが小さくなることが分かった。
【００３１】
図４に示すＴａＯのバンド構造では、約−１．０ｅＶよりも上方の領域Ｅｃが伝導帯となる一方、−４．０ｅＶよりも下方の領域Ｅｄが価電子帯となることが分かった。このＴａＯは導電性であるため禁制帯が無いが、伝導帯Ｅｃの底部と価電子体Ｅｖの頂部との間の大きさが約３となることが分かった。図１および図４に示すバンド構造から、本実施例に係る金属酸化物触媒は、タンタルの酸化物に窒素およびジルコニウムをドープした触媒であることで、タンタルの酸化物からなる触媒よりも伝導帯の底部と価電子体の頂部との間の大きさが小さくなることが分かった。
【００３２】
図５に示すＴａＯＮのバンド構造では、約２．０ｅＶよりも上方の領域Ｅｃが伝導帯となる一方、０．０ｅＶよりも下方の領域Ｅｖが価電子帯となることが分かった。これらの領域の間の禁制帯Ｅｇの大きさが約２．０ｅＶとなることが分かった。図１および図５に示すバンド構造から、本実施例に係る金属酸化物触媒は、タンタルの酸窒化物にジルコニウムをドープした触媒であることで、タンタルの酸窒化物からなる触媒よりもバンドギャップが小さくなることが分かった。
【００３３】
図６に示すＰｔＯ2のバンド構造では、約０．４ｅＶよりも上方の領域Ｅｃが伝導帯となる一方、０．０ｅＶよりも下方の領域Ｅｖが価電子帯となることが分かった。これらの領域の間の禁制帯Ｅｇの大きさが約０．４となることが分かった。図１および図６に示すバンド構造から、本実施例に係る金属酸化物触媒はＰｔＯ2と比べてバンドギャップの大きさが少し大きいもののほぼ同じ大きさとなることが分かった。
【００３４】
［触媒能の評価］
ここで、上述した本実施例に係る金属酸化物触媒（Ｐｔ（０．３ｗｔ％）−ＺｒＴａＯＮ（０．７ｗｔ％）／ＣｅＯ2）と下記比較触媒の触媒能（ＣＯ除去特性、ＨＣ除去特性、ＮＯｘ除去特性）について評価を行った。これら評価結果を図７，８，９に示す。
【００３５】
［比較触媒］
比較触媒として以下の作製方法で作製された触媒を使用した。
エタノール１００ｃｃの溶液に、セリア（ＣｅＯ2）粉末を９９ｇとＰｔ量１．０ｇ分含んだジニトロジアミン白金酸水溶液を入れて混合する。続いて、この混合溶液を十分に攪拌しつつ、蒸発乾固（蒸発、固化）して粉末とする。得られた粉末を５００℃で２時間、空気中で焼成して比較触媒（Ｐｔ（１ｗｔ％）／ＣｅＯ2）（比較例１）を得た。
【００３６】
［金属酸化物触媒のＣＯ除去特性の評価］
上述した本実施例に係る金属酸化物触媒および比較触媒のそれぞれに下記表１に示す条件で模擬排ガスを流通させて、ＣＯ除去性能を測定した。この測定結果を図７に示す。表１において、ＳＶは空間速度（流体の流量／触媒の体積）を示している。図７において、丸印は第１の実施例に係る金属酸化物触媒の場合を示し、三角印は比較触媒の場合を示す。
【００３７】
［表１］
2009213991.tif 000002
【００３８】
図７に示すように、本実施例に係る金属酸化物触媒は、５０℃より高く３００℃未満の温度範囲にて比較触媒と比べてＣＯ除去率が高くなることが分かった。この金属酸化物触媒は、３００℃以上４００℃以下の温度範囲にて比較触媒と同じＣＯ除去率を示すことが分かった。よって、本実施例に係る金属酸化物触媒は、５０℃より高く３００℃未満の温度範囲で比較触媒よりもＣＯを除去する触媒能が向上する。
【００３９】
［金属酸化物触媒のＨＣ除去特性の評価］
上述した本実施例に係る金属酸化物触媒および比較触媒のそれぞれに上記表１に示す条件で模擬排ガスを流通させて、ＨＣ除去性能を測定した。この測定結果を図８に示す。図８において、丸印は第１の実施例に係る金属酸化物触媒の場合を示し、三角印は比較触媒の場合を示す。
【００４０】
図８に示すように、本実施例に係る金属酸化物触媒は、５０℃より高く３００℃未満の温度範囲にて比較触媒と比べてＨＣ除去率が高くなることが分かった。この金属酸化物触媒は、３００℃以上４００℃以下の温度範囲にて比較触媒と同じＨＣ除去率を示すことが分かった。よって、本実施例に係る金属酸化物触媒は、５０℃より高く３００℃未満の温度範囲で比較触媒よりもＨＣを除去する触媒能が向上する。
【００４１】
［金属酸化物触媒のＮＯｘ除去特性の評価］
上述した本実施例に係る金属酸化物触媒および比較触媒のそれぞれに下記表２に示す条件で模擬排ガスを流通させて、ＮＯｘ除去性能を測定した。この測定結果を図９に示す。表２において、ＳＶは空間速度（流体の流量／触媒の体積）を示している。図９において、丸印は第１の実施例に係る金属酸化物触媒の場合を示し、三角印は比較触媒の場合を示す。
【００４２】
［表２］
2009213991.tif 000003
【００４３】
図９に示すように、本実施例に係る金属酸化物触媒は、１００℃より高く４００℃未満の温度範囲にて比較触媒と比べてＮＯｘ除去率が高くなることが分かった。この金属酸化物触媒は、５０℃以上１００℃以下の温度範囲および４００℃にて比較触媒と同じＮＯｘ除去率を示すことが分かった。よって、本実施例に係る金属酸化物触媒は、１００℃より高く４００℃未満の温度範囲で比較触媒よりもＮＯｘを除去する触媒能が向上する。
【００４４】
したがって、本実施例に係る金属酸化物触媒によれば、白金触媒の代替であって、窒素に対してｎ型のドーパントとなる元素を含有しない金属オキシナイトライド電極触媒と比べて、触媒能をさらに向上させることができる。すなわち、Ｔａを含有することによって窒素を多量に含有できる。その結果、前記金属オキシナイトライド電極触媒と比べて金属酸化物触媒のバンドギャップを小さくできる。さらに、ＰｔＯ2からなる触媒と同程度まで金属酸化物触媒のバンドギャップを小さくできる。これにより、活性化エネルギーが小さくなり、触媒能が向上する。また、高温度域にてｐ型ドーパント材の脱離を防止できる。バンドギャップが小さいことにより、導電性も向上する。よって、１次電池、２次電池、燃料電池の何れかにて、金属酸化物触媒を含有する電極として利用することができる。その上、光を吸収したときに励起し易くなり、金属酸化物触媒を含有する光触媒としても利用することができる。
【００４５】
なお、本実施例では、ＴａとＺｒとを含有する金属酸化物触媒を用いて説明したが、Ｚｒの代わりに周期律表にてＺｒと同じ族となるＴｉ（チタン）を含有する金属酸化物触媒や、Ｔａの代わりに周期律表にてＴａと同じ族となるＶ（バナジウム）またはＮｂ（ニオブ）を含有する金属酸化物触媒や、ＺｒおよびＴａの代わりに、ＴｉおよびＶを含有する金属酸化物触媒、またはＴｉおよびＮｂを含有する金属酸化物触媒とすることも可能である。これらのような金属酸化物触媒であっても、上述した第一の実施例に係る金属酸化物触媒と同様な作用効果を奏する。
【実施例２】
【００４６】
本発明に係る金属酸化物触媒の第二の実施例につき図１０を用いて具体的に説明する。
図１０は金属酸化物触媒（ＭｎＮｂ4ＮＯ4）のバンド構造を示す図である。図１０に示すバンド構造は、バンド計算（例えば、全電子手法やタイトバインディング法）により求められたバンド構造である。図１０にて、縦軸はエネルギー状態を示し、横軸は各電子殻を示す。Ｅｃは伝導帯を示し、Ｅｖは価電子帯を示し、Ｅｇは禁制帯を示す。
【００４７】
本実施例に係る金属酸化物触媒は、上述した第一の実施例に係る金属酸化物触媒の組成の一部（第一の遷移金属および第二の遷移金属）を変えたものである。
本実施例に係る金属酸化物触媒は、ＭｎＮｂ4ＮＯ4からなる触媒である。すなわち、金属酸化物触媒は、Ｎｂ（ニオブ）の第一の遷移金属と、Ｍｎ（マンガン）の第二の遷移金属と、酸素に対してｐ型のドーパントとして作用するｐ型ドーパント材の窒素とを含有する。そして、Ｍｎは、ｐ型ドーパント材に対してｎ型のドーパントとなる元素である。
【００４８】
上述した金属酸化物触媒のバンド構造について図１０を参照して説明する。
この図１０に示すように、約−４．９ｅＶよりも上方の領域Ｅｃが伝導帯となる一方、約−５．６よりも下方の領域Ｅｖが価電子帯となることが分かった。これらの領域の間の禁制帯Ｅｇの大きさが約０．７となることが分かった。すなわち、本実施例に係る金属酸化物触媒は、上述した第一の実施例に係る金属酸化物触媒と同様、バンドギャップが小さいものであることが分かった。
【００４９】
したがって、本実施例に係る金属酸化物触媒によれば、上述した第一の実施例に係る金属酸化物触媒と同様にバンドギャップが小さいことから、白金触媒の代替であって、窒素に対してｎ型のドーパントとなる元素を含有しない金属オキシナイトライド電極触媒と比べて、触媒能をさらに向上させることができる。すなわち、Ｍｎを含有することによって窒素を多量に含有できる。その結果、前記金属オキシナイトライド電極触媒と比べて金属酸化物触媒のバンドギャップを小さくできる。さらに、ＰｔＯ2からなる触媒と同程度まで金属酸化物触媒のバンドギャップを小さくできる。これにより、活性化エネルギーを小さくでき、触媒能が向上する。また、高温度域にてｐ型ドーパント材の脱離を防止できる。
【００５０】
さらに、バンドギャップが小さいことにより、導電性も向上する。よって、１次電池、２次電池、燃料電池の何れかにて、金属酸化物触媒を含有する電極として利用することができる。その上、光を吸収したときに励起し易くなり、金属酸化物触媒を含有する光触媒としても利用することができる。
【００５１】
なお、本実施例では、ＮｂとＭｎとを含有する金属酸化物触媒を用いて説明したが、Ｎｂの代わりに周期律表にてＮｂと同じ族となるＶ（バナジウム）またはＴａ（タンタル）を含有する金属酸化物触媒とすることも可能である。このような金属酸化物触媒であっても、上述した第二の実施例に係る金属酸化物触媒と同様な作用効果を奏する。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明に係る金属酸化物触媒は、自動車やプラントから排出される排ガスを処理する排ガス処理触媒や、電池に使用される電極や、光を吸収して物質の反応を促進する光触媒などに利用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】ＺｒＴａＯＮのバンド構造を示す図である。
【図２】ＺｒＯ2のバンド構造を示す図である。
【図３】Ｚｒ2Ｎ2Ｏのバンド構造を示す図である。
【図４】ＴａＯのバンド構造を示す図である。
【図５】ＴａＯＮのバンド構造を示す図である。
【図６】ＰｔＯ2のバンド構造を示す図である。
【図７】金属酸化物触媒のＣＯ除去率と排ガス温度との関係を示す図である。
【図８】金属酸化物触媒のＨＣ除去率と排ガス温度との関係を示す図である。
【図９】金属酸化物触媒のＮＯｘ除去率と排ガス温度との関係を示す図である。
【図１０】本発明に係る金属酸化物触媒の第２の実施例のバンド構造を示す図である。
【図１】
2009213991.tif 000004
【図２】
2009213991.tif 000005
【図３】
2009213991.tif 000006
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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