即使在可见光范围内也具有催化活性的光催化剂制造技术

在可见光范围内具有高催化功能的本发明专利技术光催化剂包括一种包含ｐ－型氧化物半导体和ｎ－型氧化物半导体的具有异结面的氧化物复合物，所述ｐ－型氧化物半导体和ｎ－型氧化物半导体相互在一起具有光催化性能且至少一种即使在可见光范围内也具有光催化性能。即使在可见光范围内也具有光催化性能的ｐ－型氧化物半导体例如为钙钛矿型氧化物Ｃａ（Ｚｒ＃－［０．９５］Ｙ＃－［０．０５］）Ｏ＃－［３－δ］，且ｎ－型氧化物半导体例如为锐钛矿型氧化钛。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种由氧化物复合物构成的光催化剂，更尤其涉及一种即使在可见光范围内也具有催化活性的光催化剂。
技术介绍
近年来，通过真正利用光催化剂所带来的高氧化能力和还原能力，已对光催化剂进行研究和开发，这样它们可实际用于各种领域，从全球规模的环境净化如污染空气和污染水的净化，直至家庭规模的环境净化如脱臭，防污和抗微生物处理。因此在许多情况下，这些涉及对具有光催化作用的化合物的研究。如果结合使用能加速反应的促进剂或载体，贵金属如Pt和Rh和过渡金属氧化物如NiO已用于对常规催化剂的研究。以下为了更具体地说明情况，例如，锐钛矿型氧化钛已知用作具有光催化作用的最常见的氧化物，且已实际用作脱臭剂，抗微生物剂和防污剂。但只有对于仅占日光4％的紫外光，该氧化钛具有光催化剂的性能。因此，尝试各种改进，目的是如何使氧化钛在露天中变得高度功能性和在可见光范围内变得有响应。例如，在日本和国外已经进行了各种尝试，包括其中将电子由一种使氧化钛吸附着色物质并使着色物质吸收可见光而形成的处于其激发态的吸附着色物质注入氧化钛中的方法，其中金属离子如Cr，V，Mn，Fe或Ni离子化学注入氧化钛中的方法，其中通过等离子体照射而将氧缺乏作用引入氧化钛中的方法，和其中将不同物质的离子引入氧化钛中的方法。但所有这些方法的问题在于，难以进行均匀的分散，光催化活性可能因电子和空穴的复合而下降且需要高成本进行调节，因此在工业规模上没有投入使用。同时，钙钛矿型氧化物最近因具有高催化活性而受到关注。例如，日本专利申请延迟公开No.7-24329提出了表示为通式A3+B3+O3的LaFeO3和表示为通式A2+B3+Ox的SrMnOx。但实际上，尚未获得任何高催化活性。还积极地针对层状钙钛矿型氧化物进行研究。例如，日本专利申请延迟公开No.10-244164提出了层状钙钛矿型ABCO4。日本专利申请延迟公开No.8-196912提出了KLaCa2Nb3O10-体系配混物氧化物。另外，日本专利申请延迟公开No.11-139826提出了KCa2Nb3O10。但这些物质的原理和生产工艺复杂且所得氧化物的化学稳定性存在问题。因此，这些物质没有在工业规模上投入使用。为了加速这些具有光催化活性的氧化物在颗粒表面上发生的光催化反应，通常还加入作为促进剂的贵金属如前述的Pt和Rh和过渡金属氧化物如NiO和RuO2。但这些促进剂不具有光催化活性。这些物质不影响具有光催化作用的化合物本身所响应的光的任何波长范围。在NiO的情况下，问题还在于，它必须在复杂条件下使用，使得它首先被还原，然后氧化投入使用。本专利技术针对这些问题作出。本专利技术的一个目的是提供一种基于简单和新机理的在可见光范围内具有光催化活性的便宜的光催化剂。因此，为了解决以上问题，本专利技术人再三深入研究了光催化剂的性能。结果本专利技术人发现以下内容在一种表示为组成结构式A2+B41-xC3+xO3-δ(0＜x≤0.5和-0＜δ＜0.5)的作为p-型氧化物的钙钛矿型氧化物中，它能够通过用阳离子C作为受体在B离子位上掺杂而产生的空穴将氢溶解和保留成氢离子，所述阳离子C的化合价低于B离子，该氧化物半导体用作光催化剂的光的波长范围可通过利用阳离子掺杂所产生的受体水平和阳离子掺杂所加速产生的归因于外部气氛的杂质水平而控制，即使能带隙不同于掺杂阳离子之前并保持恒定，而且该氧化物半导体即使在可见光范围内也有效地具有光催化活性。本专利技术人还发现以下内容可以使以上的钙钛矿型氧化物粘附并结合到按照以往报道能够在近紫外范围内起作用的n-型氧化物半导体氧化钛，氧化锌，氧化锡，氧化锆，钛酸锶或类似物的颗粒上，形成p-n异结面，其中其中电子由p-型氧化物半导体至n-型氧化物半导体的流动和空穴由n-型氧化物半导体至p-型氧化物半导体的流动在p-n结面部位上产生，使得电子和空穴空间分离。这使得能够控制电子和空穴的复合并使得其中这些电子和空穴参与的光催化反应的反应位空间分离。因此，这些协同作用使得光催化剂最高在可见光范围内具有高催化活性。本专利技术人还发现以下内容在p-型氧化物半导体中光激发的电子移向p-型氧化物半导体的表面以加速参与光催化反应的分子和离子的吸附到该p-型氧化物半导体上，随后参与光催化反应的分子和离子塌陷地铺展到邻近p-n结面的n-型氧化物半导体表面上。这也是高催化活性。通过进一步研究光催化作用和p-n异结面之间的关系以及电子和空穴在p-n结面上的流动，它们进一步发现以下现象催化活性的协同增加而出现在一种由在可见光范围内具有光催化性能的n-型氧化物半导体和在较短波长光范围内具有光催化性能的p-型氧化物半导体组成的具有p-n异结面的氧化物复合物中。本专利技术人进一步发现具有广义概念结面(包括p-n结面)的广义上的氧化物复合物，即，具有通过氧化物半导体(I)和(II)形成的结面的氧化物复合物也如同以上具有p-n异结面的氧化物复合物发挥作用，所述氧化物半导体(I)和(II)相互在一起具有光催化性能且在能带结构的传导带底部的电子能级和在价带顶部的电子能级基于真空水平而相互不同。这在不同于本专利技术的专利申请中提出。顺便说说，从未进行任何研究以使具有两种类型光催化作用的化合物半导体变成一个复合物，这样可协同地提高光催化性能，其中所述化合物半导体在能带结构的传导带底部的电子能级和在价带顶部的电子能级基于真空水平而相互不同，而且根本没有进行任何研究以利用电子和空穴在p-n结面上的流动来制备高性能光催化剂。本专利技术已在以上技术发现的基础上完成。本专利技术的公开内容本专利技术是一种即使在可见光范围内也具有催化活性的光催化剂；所述光催化剂包含一种具有通过氧化物半导体(I)和(II)形成的结面的氧化物复合物，所述氧化物半导体(I)和(II)相互在一起具有光催化性能且在能带结构的传导带底部的电子能级和在价带顶部的电子能级基于真空水平而相互不同；至少一种即使在可见光范围内也具有光催化性能的氧化物半导体。所述氧化物复合物包括一种包含p-型氧化物半导体和n-型氧化物半导体的具有异结面的氧化物复合物。在包括包含p-型氧化物半导体和n-型氧化物半导体的具有异结面的氧化物复合物的本专利技术光催化剂中，如上所述，电子由p-型氧化物半导体至n-型氧化物半导体的流动和空穴由n-型氧化物半导体至p-型氧化物半导体的流动在p-n结面部位上产生，使得电子和空穴空间分离。这使得能够控制电子和空穴的复合并使得其中这些电子和空穴参与的光催化反应的反应位空间分离。因此，这些协同作用使得光催化剂最高在可见光范围内具有高催化活性。对于p-型氧化物半导体与n-型氧化物半导体的结合，它可以是即使在可见光范围内也具有光催化性能的n-型氧化物半导体与在短于该n-型氧化物半导体的波长范围内具有光催化性能的p-型氧化物半导体的结合，或可以是即使在可见光范围内也具有光催化性能的p-型氧化物半导体与在短于该n-型氧化物半导体的波长范围内具有光催化性能的n-型氧化物半导体的结合。即使在可见光范围内也具有光催化性能的n-型氧化物半导体或p-型氧化物半导体也可优选在光辐射时能够吸附参与光催化反应的分子和离子。以上包含p-型氧化物半导体和n-型氧化物半导体的具有异结面的氧化物复合物也可通过将p-型氧化物半导体和n-型氧化物半导体以重本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种即使在可见光范围内也具有催化活性的光催化剂；所述光催化剂光催化剂包含一种具有通过氧化物半导体（Ⅰ）和（Ⅱ）形成的结面的氧化物复合物，所述氧化物半导体（Ⅰ）和（Ⅱ）相互在一起具有光催化性能且在能带结构的传导带底部的电子能级和在价带顶部的电子能级基于真空水平而相互不同；至少一种即使在可见光范围内也具有光催化性能的氧化物半导体。

【技术特征摘要】
JP 2001-8-8 2001-2413871.一种即使在可见光范围内也具有催化活性的光催化剂；所述光催化剂光催化剂包含一种具有通过氧化物半导体(I)和(II)形成的结面的氧化物复合物，所述氧化物半导体(I)和(II)相互在一起具有光催化性能且在能带结构的传导带底部的电子能级和在价带顶部的电子能级基于真空水平而相互不同；至少一种即使在可见光范围内也具有光催化性能的氧化物半导体。2.根据权利要求1的即使在可见光范围内也具有催化活性的光催化剂，其中所述n-型氧化物半导体即使在可见光范围内也具有光催化性能且所述p-型氧化物半导体在短于n-型氧化物半导体的波长范围内具有光催化性。3.根据权利要求1的即使在可见光范围内也具有催化活性的光催化剂，其中所述p-型氧化物半导体即使在可见光范围内也具有光催化性能且所述n-型氧化物半导体在短于p-型氧化物半导体的波长范围内具有光催化性。4.根据权利要求2或3的即使在可见光范围内也具有催化活性的光催化剂，其中即使在可见光范围内也具有光催化性能的所述n-型氧化物半导体或p-型氧化物半导体在光辐射时能够吸附参与光催化反应的分子和离子。5.根据权利要求1，2，3或4的即使在可见光范围内也具有催化活性的光催化剂，其中所述氧化物复合物通过将p-型氧化物半导体或n-型氧化物半导体以重量比Z∶(1-Z)(前提是0＜Z＜1)共混，随后在条件300℃-1,200℃下烧制而得到。6.根据权利要求1，3，4或5的即使...

【专利技术属性】
技术研发人员：松尾伸也，小俣孝久，
申请(专利权)人：住友金属矿山株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]