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公開番号2024119081
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-09-03
出願番号2023025695
出願日2023-02-22
発明の名称光触媒及びその製造方法
出願人日本製鉄株式会社
代理人個人,個人,個人,個人,個人,個人
主分類B01J 35/39 20240101AFI20240827BHJP(物理的または化学的方法または装置一般)
要約【課題】優れた水分解活性を有する光触媒を開示する。
【解決手段】本開示の光触媒は、光半導体粒子及び助触媒を有し、前記光半導体粒子が、炭化ケイ素を含み、前記炭化ケイ素が、5.00%以下の積層欠陥密度を有し、前記助触媒が、前記光半導体粒子に担持されているものである。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
光触媒であって、光半導体粒子及び助触媒を有し、
前記光半導体粒子が、炭化ケイ素を含み、
前記炭化ケイ素が、５．００％以下の積層欠陥密度を有し、
前記助触媒が、前記光半導体粒子に担持されている、
光触媒。
続きを表示（約 1,100 文字）【請求項２】
請求項１に記載の光触媒であって、
前記炭化ケイ素が、１．００％以下の積層欠陥密度を有する、
光触媒。
【請求項３】
請求項１に記載の光触媒であって、
前記助触媒が、酸素発生用助触媒を含む、
光触媒。
【請求項４】
請求項１～３のいずれか１項に記載の光触媒であって、
前記光半導体粒子が、０．０１ｍ
２
／ｇ以上２０．０ｍ
２
／ｇ以下のＢＥＴ比表面積を有する、
光触媒。
【請求項５】
請求項１～３のいずれか１項に記載の光触媒であって、
前記光半導体粒子が、５．０×１０
１５
ａｔｏｍ／ｃｍ
３
以上の窒素を含有する、
光触媒。
【請求項６】
請求項１～３のいずれか１項に記載の光触媒であって、
前記光半導体粒子が、５．０×１０
１６
ａｔｏｍ／ｃｍ
３
以上のアルミニウムを含有する、
光触媒。
【請求項７】
請求項１～３のいずれか１項に記載の光触媒であって、
前記光半導体粒子が、第１ファセット面と、前記第１ファセット面を囲む少なくとも１種以上の第２ファセット面とを有する、
光触媒。
【請求項８】
光触媒の製造方法であって、
光半導体粒子を得ること、及び
前記光半導体粒子に助触媒を担持すること、を含み、
前記光半導体粒子が、炭化ケイ素を含み、
前記炭化ケイ素が、５．００％以下の積層欠陥密度を有する、
光触媒の製造方法。
【請求項９】
請求項８に記載の製造方法であって、
ケイ素源（Ｓ１）を加熱して融液（Ｌ１）を得ること、
前記融液（Ｌ１）に炭素（Ｃ１）を溶解させて前記融液（Ｌ１）に含まれるケイ素と前記炭素（Ｃ１）とを液相反応させることにより固体の炭化ケイ素（ＳＣ１）を得ること、及び
前記固体の炭化ケイ素（ＳＣ１）を砕いて前記光半導体粒子を得ること、を含み、
前記助触媒として、酸素発生用助触媒及び水素発生用助触媒のうちの一方又は両方を用いる、
製造方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の製造方法であって、
前記融液（Ｌ１）が、添加元素源（Ｍ１）を含み、かつ
前記添加元素源（Ｍ１）が、金属単体及び金属元素を含む化合物からなる群より選ばれる少なくとも１種である、
製造方法。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本願は、特に光照射による水の分解に適した光触媒及びその製造方法を開示する。
続きを表示（約 3,100 文字）【背景技術】
【０００２】
光触媒による有機物分解あるいは水分解の技術は広く知られているところである。従来からこの用途に用いる半導体材料として酸化チタン（ＴｉＯ
２
）などが広く知られているところであるが、エネルギー変換効率が低いという問題があるため、他の候補材料に注目が集まっている。特に、太陽光の有効利用においては、太陽光の成分のうち、可視光に応答する光触媒が求められている。例えば、炭化ケイ素（ＳｉＣ）は、入手が容易な元素で構成されており、化学的安定性も期待が持てるため、光触媒として有望な材料と考えられる。ＳｉＣには、３Ｃ－ＳｉＣ、４Ｈ－ＳｉＣ、６Ｈ－ＳｉＣなどの多形が存在する。中でも３Ｃ－ＳｉＣはバンドギャップが２．２３ｅＶと小さく、高い太陽光エネルギー変換効率を達成し得る材料と考えられる。一方で、炭化ケイ素は光照射により生成した正孔によって自身を酸化する、自己酸化現象を示すことが報告されており、例えば水から酸素を生成することは困難と考えられている。
【０００３】
非特許文献１には、ゾルゲル法で合成された６Ｈ－ＳｉＣを含む３Ｃ－ＳｉＣ粒子を、水、酸素生成用犠牲試薬、水素生成用犠牲試薬の各溶液中に浸漬しつつ光を照射した場合に生成する気体の分析を行っている。しかしながら、非特許文献１に開示された３Ｃ－ＳｉＣ粒子は、バンドギャップよりも長波長において光の吸収が大きく、光照射における酸素生成量が少ない。非特許文献２には、４Ｈ－ＳｉＣウエハを加工して、Ｃｏ
３
Ｏ
４
を助触媒として担持したＳｉＣ光触媒ワイヤが開示されている。ここで、ウエハはコストが高く、実用化には適していない。また、４Ｈ－ＳｉＣはバンドギャップが大きく、高い太陽光エネルギー変換効率が期待できない。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
ＡｐｐｌｉｅｄＮａｎｏｓｃｉｅｎｃｅ８（２０１８）９８７－９９９
ＭａｔｅｒＴｏｄａｙＥｎｅｒｇｙ７（２０１８）３７－４３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
以上の通り、従来のＳｉＣ光触媒は、水分解活性に関して、改善の余地がある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本願は上記課題を解決するための手段として、以下の複数の態様を開示する。
＜態様１＞
光触媒であって、光半導体粒子及び助触媒を有し、
前記光半導体粒子が、炭化ケイ素を含み、
前記炭化ケイ素が、５．００％以下の積層欠陥密度を有し、
前記助触媒が、前記光半導体粒子に担持されている、
光触媒。
＜態様２＞
態様１の光触媒であって、
前記炭化ケイ素が、１．００％以下の積層欠陥密度を有する、
光触媒。
＜態様３＞
態様１又は２の光触媒であって、
前記助触媒が、酸素発生用助触媒を含む、
光触媒。
＜態様４＞
態様１～３のいずれかの光触媒であって、
前記光半導体粒子が、０．０１ｍ
２
／ｇ以上２０．０ｍ
２
／ｇ以下のＢＥＴ比表面積を有する、
光触媒。
＜態様５＞
態様１～４のいずれかの光触媒であって、
前記光半導体粒子が、５．０×１０
１５
ａｔｏｍ／ｃｍ
３
以上の窒素を含有する、
光触媒。
＜態様６＞
態様１～４のいずれかの光触媒であって、
前記光半導体粒子が、５．０×１０
１６
ａｔｏｍ／ｃｍ
３
以上のアルミニウムを含有する、
光触媒。
＜態様７＞
態様１～６のいずれかの光触媒であって、
前記光半導体粒子が、第１ファセット面と、前記第１ファセット面を囲む少なくとも１種以上の第２ファセット面とを有する、
光触媒。
＜態様８＞
光触媒の製造方法であって、
光半導体粒子を得ること、及び
前記光半導体粒子に助触媒を担持すること、を含み、
前記光半導体粒子が、炭化ケイ素を含み、
前記炭化ケイ素が、５．００％以下の積層欠陥密度を有する、
光触媒の製造方法。
＜態様９＞
態様８の製造方法であって、
ケイ素源（Ｓ１）を加熱して融液（Ｌ１）を得ること、
前記融液（Ｌ１）に炭素（Ｃ１）を溶解させて前記融液（Ｌ１）に含まれるケイ素と前記炭素（Ｃ１）とを液相反応させることにより固体の炭化ケイ素（ＳＣ１）を得ること、及び
前記固体の炭化ケイ素（ＳＣ１）を砕いて前記光半導体粒子を得ること、を含み、
前記助触媒として、酸素発生用助触媒及び水素発生用助触媒のうちの一方又は両方を用いる、
【発明の効果】
【０００７】
本開示の光触媒は、優れた水分解活性を有する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
一実施形態に係る光触媒の構成を概略的に示している。
ファセット面の概念を概略的に示している。
溶液成長法でＳｉＣ光半導体を製造する際に用いられる装置の一例を概略的に示している。
溶液成長法で光半導体粒子を製造する際の溶液の温度と冷却速度の測定に用いられる装置の一例を概略的に示している。
光触媒の水分解活性を評価する際に用いられる装置の一例を概略的に示している。
実施例１～４および比較例１で用いたＳｉＣのＳＥＭ像を示している。
実施例５～６で用いたＳｉＣのＳＥＭ像を示している。
実施例１～６、比較例１及び２の各々の光半導体粒子のＸ線回折パターンを示している。
実施例１～６、比較例１及び２の各々の光半導体粒子の拡散反射スペクトルを示している。
実施例１に係る光触媒の水分解活性（酸素生成能力）を示している。
実施例２に係る光触媒の水分解活性（酸素生成能力）を示している。
実施例３に係る光触媒の水分解活性（酸素生成能力）を示している。
実施例４に係る光触媒の水分解活性（酸素生成能力）を示している。
実施例５に係る光触媒の水分解活性（酸素生成能力）を示している。
実施例６に係る光触媒の水分解活性（酸素生成能力）を示している。
比較例１に係る光触媒の水分解活性（酸素生成能力）を示している。
比較例２に係る光触媒の水分解活性（酸素生成能力）を示している。
実施例７及び比較例３の各々の光触媒の水分解活性（水素生成能力）を示している。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の一実施形態について詳しく説明するが、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。
【００１０】
１．光触媒
図１に示されるように、一実施形態に係る光触媒１０は、光半導体粒子１０ａ及び助触媒１０ｂを有する。ここで、前記光半導体粒子１０ａは、炭化ケイ素（ＳｉＣ）を含む。前記炭化ケイ素は、５．００％以下の積層欠陥密度を有する。前記助触媒１０ｂは、前記光半導体粒子１０ａに担持されている。
（【００１１】以降は省略されています）

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