Name: TiOにおける界面化学結合の影響 2 -SiO 2光触媒NOx低減性能に関する複合材料 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-07-04T15:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 47 s
Description: 学ぼうTiO₂-SiO₂複合材料の界面化学結合が光触媒NOx低減性能に与える影響について。ソルゲル法で合成した複合体のTi-O-Si結合と光触媒活性の相関を評価し、都市大気質管理への応用可能性を示す。

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著者らは、英国工学・物理科学研究評議会（Grant Ref：EP / M003299 / 1）と中国の自然科学財団（No 51461135005）国際共同研究プロジェクト（EPSRC-NSFC）からの資金援助を感謝している。

1. TiO 2 -SiO 2複合材料の合成<ol><li> 市販の石英をベースにしたサンプル 注：20〜100μmの範囲の粒子サイズを有する石英は、市販の石英をボールミルして15分間篩い分けすることによって得られた。次いで、粉末を2つの異なる方法によってTiO 2で改質した。 <ol><li> QT1 <ol><li> TBOT（2.6mL）をエタノール（29.6mL）に溶解することにより、エタノール中のチタン（IV）ブトキシド（TBOT; 97％）の10％溶液をTiO 2前駆体9として調製する。 </li><li>新たに調製したチタン前駆体溶液30g中に3gの石英粉末を連続的に撹拌して懸濁させる。 </li><li> 0.3mLの塩酸（32％）を加える。得られた懸濁液を5分間撹拌する。 </li><li> 30mLの脱イオン水を加え、混合物を一晩連続して撹拌する。 </li><li>粘性懸濁液の全てをペトリ皿に移し、周囲条件の下で保存する。溶媒が完全に蒸発した。 </li><li>処理された石英を脱イオン水で数回洗浄した後、90℃で一晩乾燥させる。 </li><li> 400℃で20時間熱処理する。 </li><li>空気中の粉体を冷却し、再びふるい分けて20μm以上の粒子を集める。これは、修正された石英を緩やかにまたは非結合のTiO 2から分離することであった。 </li></ol></li><li> QT2 注記：テトラエチルオルトシリケート（TEOS）から誘導されたシリカゲルバインダーを介して石英上の市販の光触媒（PC105）を以下のように支持する。 <ol><li> TEOS（23.2mL）をエタノール（29.2mL）に溶解してTEOS母液を調製する。次いで、脱イオン水（7.2mL）およびHCl（0.4mL; 3.6重量％）を加えて最終エタノール：水：HCl混合物（1：0.84：0.78×10 -3モル比）を得る。混合物を室温で10日間撹拌する。 </li><li>得られた溶液の正確な容量を100mLのエタノールに添加し、0.2gのTiO 2を懸濁させ、TiO 2 ：TEOSを1：1にする。 </li><li>室温で一晩穏やかに撹拌し、次いで80℃で減圧下で連続的に攪拌しながら懸濁液を2gの石英に滴下する。 </li><li>得られた粉末を90℃で一晩乾燥させた後、200℃で4時間加熱処理する。 </li></ol></li></ol></li><li> 合成シリカベースのサンプル <ol><li> ST1 注記：加水分解制御ゾルゲル技術によって調製された沈降SiO 2の表面上にTiO 2ナノ粒子を堆積させる。 <ol><li> Stoeber-Bohn-Fink法14 により単分散シリカ微小球を合成する。 </li><li> TEOS（5mL）をエタノール（40mL）に溶解し、30分間撹拌する（溶液A）。 </li><li>アンモニア溶液（8mL; 25重量％）を脱イオン水（30mL）およびエタノール（18mL）と30分間連続的に撹拌しながら混合して溶液Bを調製する。 </li><li>すばやく追加するlの溶液Aを溶液Bに添加し、室温で3時間撹拌する。 </li><li>得られたSiO 2を遠心分離（1,252×g）により集める。無水エタノールで3回洗浄し、105℃で48時間乾燥する。 </li><li> 30mLのエタノールに1gを超音波浴中で10分間懸濁させることにより、生成したSiO 2の懸濁液を調製する。懸濁液をさらに30分間撹拌する。 </li><li>エタノール性SiO 2懸濁液に1mLのTBOT（97％）を慎重に加える。 </li><li>混合物を室温で撹拌しながら24時間撹拌する。 </li><li>脱イオン水（2mL）およびエタノール（8mL）を添加し、次いで混合物をさらに2時間撹拌する。 </li><li>遠心分離によって改質粉末を回収し、エタノールで3回洗浄する。 105℃で48時間乾燥させた後、500℃で3時間熱処理する。 注：T1：比較のために、TiO 2をシリカの不存在下で同じ方法で調製した。 </li></ol></li><li> ST2 </stロング&gt; 注：これらのサンプルでは、​​SiとTiの前駆体としてテトラエチルオルトシリケート（TEOS）とチタンテトライソプロポキシド（TTIP）の化学量論的混合物からSiO 2 / TiO 2モル比0.25の均質ゲルを次のように合成します。 <ol><li>必要量のTEOS（0.89mL）をエタノール：水：HCl混合物（73.6mL; 1：0.84：0.78×10 -3のモル比）に滴下する。 </li><li>室温で1時間撹拌する。 </li><li>所望の量のTTIP（4.74mL）を添加し、混合物を室温で一晩さらに撹拌する。 </li><li> 80℃で1時間撹拌することによりゾル - ゲル変換を達成する。 </li><li>得られたゲルを以下のように熱処理する：90℃、450℃で5時間、500℃で5時間、一晩乾燥する。 注：T2 ：純粋なTiO 2も、同じゾル - ゲル法によって調製されたが、TEOSの不存在下で調製された。 </li></ol></li></ol></li></ol> 2.特性n <ol><li> UATR（Single Reflection Diamond） 15を備えた分光光度計を使用してIRスペクトルを記録する。 </li><li> CuKa11.54ÅX線源16を備えたPAN分析回折計を用いてX線回折（XRD）パターンを得る。 </li><li> ED X線分析装置およびBSE検出器を備えた走査型電子顕微鏡（SEM）により、10〜20kVの動作電圧で試料の形態を分析する。エネルギー分散型X線分析を使用し、デジタル画像取得システムで画像を取り込みます。 </li><li> 200 kVの加速電圧で作動する顕微鏡で透過型電子顕微鏡（TEM）を行う。カメラで画像を取り込みます。 </li><li>光ファイバー結合器を備えたUV-Vis分光光度計を使用して、サンプルのUV-Vis拡散反射スペクトルを記録する。 250〜600 nmの範囲で硫酸バリウムを参考にしてください。得られた反射スペクトルを見かけ上の吸収に変換するKubelka-Munk関数F（R∞）=（1 - R∞） 2 /2R∞17を用いて、 </li></ol> 3.光触媒性能試験<ol><li>汚染された空気からのNOxの除去を使用して、調製された材料の光触媒活性を試験する18 。 <ol><li>加湿器（2）、ガスフローコントローラ（1）、光触媒反応器（3）、UV（A）光源（4）、およびガス供給源からなる空気浄化試験装置（ 図1参照） NOx分析装置5とを備えている。ガス供給は、N 2中でNO（100ppm）および合成空気（BOC）であった。 </li><li>マスフローコントローラー（1）を使用して、1ppmv（ST1およびT1サンプルの場合は0.5ppmv）でNOを与え、ca. 5×10 -5 m 3 * s -1 （1.675×10 -5 m）の体積流で、層流反応器（3）に、ロトロニック・ハイグロパルム（Rotronic hygropalm）によって確認された40％ <suST1およびT1サンプルの場合、p&gt; 3 * s -1 ）。 </li><li> PMMA（ポリメタクリル酸メチル）から光反応器を構成し、ホウケイ酸ガラスで覆う。測定サンプル（6）が測定されたλ&lt;420 nmで10 Wm -2の光強度を受け取るように1.5 AMフィルターを備えたSS0.5 kW、500 W完全反射ソーラーシミュレーターからの出力の下に配置しますブロードバンドサーモパイル検出器によって検出される。 </li><li> NO-NO 2 -NOx分析器を使用して、出口ガス流中のNO、NO 2および全NOxの濃度を監視する。 </li></ol></li></ol><img alt="図1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56070/56070fig1.jpg" /> 図1： 光触媒試験に使用される実験装置：（1）マスフローコントローラ（2）加湿器（3）光触媒反応器（4） UV（A）光源<stron（5）NOx分析器（6）試験サンプル（7）および（8）バルブ、および（9）ガス流出口を含む。 <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56070/56070fig1large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を見るには、ここをクリックしてください。</a> <ol start="2"><li>材料の0.8g（ST1とT1サンプルの場合は0.3g）を長方形のPMMAホルダー（高さ0.2cm、幅3cm、長さ8cm）に押し付けることによってテストサンプルを準備します。 <ol><li>得られたブリケットを2.4×10 -3 m 2の幾何学的表面積で一晩UV（320nm）で照射して、その表面に吸着した有機汚染物質を除去する。 </li></ol></li></ol>

<ol><li>Folli, A., et al. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/j.1551-2916.2010.03838.x/abstract">Understanding TiO2 Surface Chemistry to Control and Modulate Photocatalytic Performances.</a> J Am Ceram Soc. 93 (10), 3360-3369 (2010).</li>
<li>Wang, F. Z., Yang, L., Sun, G. X., Guan, L. Y., Hu, S. G. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0950061814003900">The Hierarchical Porous Structure of Substrate Enhanced Photocatalytic Activity of TiO2/Cementitious Materials.</a> Constr Build Mater. 64, 488-495 (2014).</li>
<li>Fateh, R., Dillert, R., Bahnemann, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Preparation+and+Characterization+of+Transparent+Hydrophilic+Photocatalytic+TiO2%2FSiO2+Thin+Films+on+Polycarbonate%5BTitle%5D)+AND+%22Langmuir%22%5BJournal%5D)">Preparation and Characterization of Transparent Hydrophilic Photocatalytic TiO2/SiO2 Thin Films on Polycarbonate.</a> Langmuir. 29 (11), 3730-3739 (2013).</li>
<li>Dillert, R., Engel, A., Grosse, J., Lindner, P., Bahnemann, D. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Light+Intensity+Dependence+of+the+Kinetics+of+the+Photocatalytic+Oxidation+of+Nitrogen%28II%29+Oxide+at+the+Surface+of+TiO2%5BTitle%5D)+AND+%22Phys+Chem+Chem+Phys%22%5BJournal%5D)">Light Intensity Dependence of the Kinetics of the Photocatalytic Oxidation of Nitrogen(II) Oxide at the Surface of TiO2.</a> Phys Chem Chem Phys. 15, 20876-20886 (2013).</li>
<li>Shi, H. B., Magaye, R., Castranova, V., Zhao, J. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Titanium+Dioxide+Nanoparticles%3A+A+Review+of+Current+Toxicological+Data%5BTitle%5D)+AND+%22Part+Fibre+Toxicol%22%5BJournal%5D)">Titanium Dioxide Nanoparticles: A Review of Current Toxicological Data.</a> Part Fibre Toxicol. 10, (2013).</li>
<li>Freitag, J., et al. <a target="_blank" href="http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jp5108069">Nitrogen(II) Oxide Charge Transfer Complexes on TiO2: A New Source for Visible-Light Activity.</a> J Phys Chem C. 119 (9), 4488-4501 (2015).</li>
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<li>Macphee, D. E., Folli, A. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0008884615301150">Photocatalytic Concretes - the Interface Between Photocatalysis and Cement Chemistry.</a> Cement Concrete Res. 85, 48-54 (2016).</li>
<li>Yang, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0169433216318918">The Influence of Zeolites Fly Ash Bead/TiO2 Composite Material Surface Morphologies on Their Adsorption and Photocatalytic Performance.</a> Appl Surf Sci. 392, 687-696 (2017).</li>
<li>Pinho, L., Elhaddad, F., Facio, D. S., Mosquera, M. J. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0169433212018831">A Novel TiO2-SiO2 Nanocomposite Converts a Very Friable Stone into a Self-Cleaning Building Material.</a> Appl Surf Sci. 275, 389-396 (2013).</li>
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<li>Yamashita, H., et al. <a target="_blank" href="http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jp981343a">Characterization of Titanium-Silicon Binary Oxide Catalysts Prepared by the Sol-Gel Method and Their Photocatalytic Reactivity for The Liquid-Phase Oxidation of 1-Octanol.</a> J Phys Chem B. 102 (30), 5870-5875 (1998).</li>
<li>Tokarský, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894713002222">A Low-Cost Photoactive Composite Quartz Sand/TiO2.</a> Chem Eng J. 222, 488-497 (2013).</li>
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<li>Kisch, H., Bahnemann, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Best+Practice+in+Photocatalysis%3A+Comparing+Rates+or+Apparent+Quantum+Yields%3F%5BTitle%5D)+AND+%22J+Phys+Chem+Lett%22%5BJournal%5D)">Best Practice in Photocatalysis: Comparing Rates or Apparent Quantum Yields?</a> J Phys Chem Lett. 6 (10), 1907-1910 (2015).</li>
</ol>

著者は何も開示することはありません。

図8は、各光触媒材料のNO光効率間のかなり大きな差異を示す。光触媒を支持して反応性表面への接近性を高める利点は既に確立されており、処理された石英（QT2）に支持されたPC105およびPC105について測定されたNO酸化の光効率の差に注目することは重要である。 ξNO（QT2）はPC105の73％で測定されたが、QT2は6.5％のTiO 2充填量しか有していなかった。明らかに、サポートされているシステムではアクティビティの改善が重要ですが、形態的に大きな違いがある測定値を解釈する場合は注意が必要です。 測定に影響を及ぼすことが予想される光触媒試験システムの重要な特徴は、光触媒反応器に支持された試料の表面組織である。これは有効表面積に影響します。計算ξの領域は領域項を含むが、これは反応器サンプルホルダーによって規定される2次元照明領域である。 TiO 2粉末、すなわちPC105、T1およびT2の粒度分布は、TiO 2粉末が直径0.4〜50μmのSiO 2上に担持されている複合材とは全く異なる。これは、光触媒表面のテクスチャが非常に変化し、報告された光効率に影響を及ぼすことが期待されることを意味する。それはまた、反応器の流れ特性に影響を与える。充填特性のため、テクスチャが粗くなればなるほど、必要とされる層流状態がより乱れる可能性が高くなる。これは、表面へのガス分子の拡散率、ひいてはフォトニック効率測定に影響を与えることが予想される。 これらの効果の結果として、光触媒タイプの最も有用な比較は、個々の触媒の測定値に由来する特性に基づいていなければならない。この研究では、同じサンプルで測定されたξNOおよびξNO 2に基づく硝酸塩選択性は、後の議論で使用される。 <img alt="式3" src="/files/ftp_upload/56070/56070eq3.jpg" /> （10） <img alt="図9" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56070/56070fig9.jpg" /> 図9：異なるTiO 2およびTiO 2 -SiO 2複合粉末に対して記録されたNOxの全除去、 すなわち硝酸塩選択性に対する選択性。直接比較可能なシステムは、サポートされていない対とサポートされていない対で、同じシンボルで識別されます。 <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56070/56070fig9large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を見るには、ここをクリックしてください。</a> 硝酸塩選択性を制御する因子は、複雑で関連する変数incluTiO 2の多形性、欠陥状態、水分の利用可能性などが含まれますが、しばしば光触媒性能に有利であると考えられる基質結合の役割も考慮することができます。それゆえ、非結合系と結合系、すなわち独立型光触媒対光触媒 - 担体複合体（ 例えば、 PC105 対 QT2）との間の硝酸塩選択性の差異について議論することは有益である。 QT2は、石英上のケイ酸塩コーティングで支持されたPC105を表す。これらの硝酸塩選択性の相違を表1に要約する。 <table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always"><tbody><tr><td> 光触媒 </td><td> 光触媒サポート </td><td> DSelectivity（％）; （相対選択率減少（％）） </td><td> FTIRピーク面積比; （Ti-O-Si）/ SiO2 </td><td> Ti-O-Si peakセンター（cm -1 ） </td></tr><tr><td> PC105 </td><td> QT2 </td><td> （38.8-28.3）= 10.5; （-27） </td><td> 0.0088 </td><td> 960 </td></tr><tr><td> T1 </td><td> ST1 </td><td> （16.0~10.6）= 5.4; （-34） </td><td> 0.0184 </td><td> 960 </td></tr><tr><td> T2 </td><td> ST2 </td><td> （33.4-0）= 33.4; （-100） </td><td> 0.6566 </td><td> 920 </td></tr><tr><td> T1 </td><td> QT1 </td><td> （16.0~15.6）= 0.4; （-3） </td><td> 0.0014 </td><td> 930 </td></tr></tbody></table> 表1：複合体形成およびTi-O-Si結合が光触媒性能に及ぼす影響 Ti-O-Si（920〜960cm -1 ）およびSiO 2 （990〜1230cm -1 ）に割り当てられたピークのバックグラウンド補正されたFTIRピーク面積は、Origin Peak Analyzesソフトウェアを使用して図5から得られた。無次元領域r表1に示されるatioは、複合系におけるTi-O-Si結合の程度の尺度とされる。また、Ti-O-Si結合に関連するピーク中心位置も示されている。これらのデータは図10に要約されています 。 <img alt="図10" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56070/56070fig10.jpg" /> 図10： 光触媒 - 担体複合材料におけるTi-O-Si結合の機能としてのSiO 2と組み合わせた異なるTiO 2材料の硝酸塩選択性の相対的減少。 <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56070/56070fig10large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を見るには、ここをクリックしてください。</a> 複合体形成における最大の選択性低下、 すなわち周囲大気の質に最も大きな負の影響を示す選択性は、それが結合されたときに光触媒T2に対して示されるシリケート前駆体を用いる。 Ti-O-Si結合が最大化された高度に分散したゲルが生成される。ピーク面積分析は、約65モル％のTiO 2が、TiO-Si結合を介してSiO 2と結合しており、これは調製物の化学量論的TiO 2 ：SiO 2比（80％）に近づき、ピーク面積比分析。また、Ti-O-Siのピーク中心が複合体について観察された最も低い波数に位置し、組成情報がTi-O-Siピーク特性に埋め込まれていることを示唆している。他の全ての複合材料はかなり低い（Ti-O-Si）/ SiO 2ピーク面積比を示し、Ti-O-Si結合のレベルが低いことを示している。図10は、このレベルの結合が、自立触媒選択性からのパーセンテージの減少として表される選択性と相関しており、Ti-O-Si結合が光触媒性NOx除害に負の影響を有することを示している。 これらの知見の結果は、光触媒性能を著しく損なうことなく結合システムの物理的耐久性を確保するために妥協が必要であることである。考えられるアプローチには、（i）「独立型」光触媒の固有の光触媒特性を規定する有益なTi-O-Ti結合がTi-O-Siによって希釈されないように、担持TiO粒子サイズを増大させることおよび/または（ii）光触媒が反応ガス分子および照明に接近可能な細孔内に閉じ込められるように、基材のための薄くて多孔質で耐久性のある表面コーティングを工夫する。 石英砂または反応性シリカ球の形態のシリカは、シリケート系バインダーを利用する市販のTiO 2光触媒（PC105）を結合することによって、または異なるTi前駆体の加水分解 - 縮合反応によってTiO 2でうまく修飾されている。光触媒得られた複合材料の高性能化は、高レベルのTi-O-Si結合を促進するゾル - ゲル誘導複合酸化物システムの性能と比較されている。重要な知見は、（i）混合酸化物調製物中のTiO 2 -SiO 2結合の程度は予想通り高く（65％）、調製物中の化学量論的TiO 2 ：SiO 2比に近づくことを示す。この複合ゲル系は、33％の選択率を示した匹敵するゾル - ゲル誘導TiO（T2）と比較して硝酸塩選択性を示さず、（ii）シリケート表面の反応性が低下するにつれて、Ti-O-Si結合の程度減少する; （ST1）&gt;石英（QT2）&gt;裸石英上のシリケートゲル層、および（iii）TiO 2の硝酸塩選択性は、Ti-O-Si結合のレベルによって悪影響を受ける。

コンクリート構造は私たちの社会のどこにでもあります。典型的には、私たちの都市中心部に関連して、それらの顕著な表面積は都市の雰囲気との重要な境界を表している1,2 。都市の大気質の悪化による経済的および健康的な影響に対する懸念が高まるにつれて、この境界面は大気浄化の重要な機会となる。 TiO 2ベースの光触媒は、NOx汚染空気の浄化においてしばらく利用されており、これらの高表面積コンクリート構造に対するそれらの支持は、以前に光触媒材料に関連した付加的な機能性をコンクリートに提供する：（i）汚れを表面に結合させる物質は光触媒で分解され、雨水3による汚れを容易に洗い流すことができる。 （ii）光誘起親水性は、自己洗浄効果も高める3; （iii）都市環境の浄化は、今日では、特にNOx 4に関して、最大許容レベルを著しく超えるレベルでの車両排出物によって典型的に汚染される。 TiO 2は、化学的安定性、比較的低価格、高い光触媒活性、およびより重要なことに、現在利用可能なTiO 2毒物学データ5に示されるような環境保護のために、環境用途において最も一般的に使用される光触媒である。 光触媒コンクリートは、ヨーロッパやその他の地域の試験場での大気浄化の可能性をすでに示しています。過去20年間の光触媒セメント質材料に関する多くの研究では、触媒活性が支配的に扱われており、しばしばNOx濃度の低下に関して表されている1,6,7 <sup&gt;、 8,9 。しかしながら、活性だけでは、光触媒有効性の指標としては不十分である。大気中の窒素酸化物の濃度の合計として定義されるNOx濃度の低下は、構成ガスの相対的な毒性が同等ではないため、大気中の窒素濃度に有益な影響を与えるものではない10 。 NOxガスの光触媒酸化はシーケンスに従う NO→HONO→NO 2 →HONO 2 （NO 3 - ） NOに対するNO 2のより高い毒性（保存的に3 10倍）は、NOの硝酸塩への酸化的変換（ すなわち 、 硝酸塩選択性 ）を最大限にしなければならないことを意味する。その結果、高活性および高硝酸塩の両方を送達する手段<html>選択性をターゲットにする必要があります。 一般に、触媒作用に関しては、反応する分子の吸着には高い表面積が必要である。ナノパーティクルTiO 2は、粒子が適切に分散されていることを条件に、高い光触媒活性に必要な高い比表面積を保証します9 。しかし、セメントバインダーに混合することによってコンクリートに適用すると、凝集が起こり、有効表面積が減少し、セメント水和反応が光触媒閉塞を引き起こし、接近可能な表面積をさらに減少させ、太陽光を活性化させないようにする。 したがって、より効率的な光触媒構造において、接近可能な触媒表面積がより良好に保存されている場合、著しく改善された性能が期待できる。これらには、コンクリート表面露出凝集体およびゼオライト構造体に担持された触媒が含まれているass = &quot;xref&quot;&gt; 2,12。これらの構造の耐久性は、触媒が様々な支持体にどの程度良好に結合しているかに大きく依存する。 TiO 2を基板に化学的に結合させることの利点は文献8,13でよく参照されているが、結合度を特徴付ける手段はあいまいである。それにもかかわらず、物理的アトラクションに対する化学結合の完全性は、コンクリートの表面上に強固な構造を開発する機会を提供する。しかし、TiO 2と支持体、 例えば石英との間の化学結合の影響は、TiO-Si結合を、担持されたTiO 2の光学的特性および光触媒特性に与えることは以前には研究されていない。したがって、本研究の焦点は、Ti-O-Si結合のレベルを生成および定量し、これらを光触媒と相関させる手段を確立することにある担持されたTiO 2の特性。この目的のために、市販のTiO 2と合成されたTiO 2は、様々な方法で石英SiO 2砂（Q;骨材の単純な例として）上に結合されている。

<table><tbody><tr><td>石英</td><td>Aldrich</td><td>31623</td><td></td></tr><tr><td>テトラブチルオルトチタニア (TBOT)</td><td>Aldrich</td><td>244112</td><td></td></tr><tr><td>エタノール</td><td>Aldrich</td><td></td><td>無塩</td></tr><tr><td>アルコール 塩酸</td><td>Aldrich</td><td></td><td></td></tr><tr><td>脱イオン水</td><td></td><td></td><td>18.2 MW&Omega;.cm</td></tr><tr><td>seives</td><td>Endecott</td><td></td><td></td></tr><tr><td>テトラエチルオルトケイ酸塩 (TEOS)</td><td>Aldrich</td><td>86578</td><td></td></tr><tr><td>PC105 (TiO2)</td><td>Cristal グローバル</td><td></td><td></td></tr><tr><td>アンモニア溶液</td><td>Aldrich</td><td></td><td></td></tr><tr><td>テトライソプロポキシド チタン (TTIP)</td><td>Aldrich</td><td>87560</td><td></td></tr><tr><td>硫酸バリウム</td><td>Aldrich</td><td></td><td></td></tr><tr><td>N2&nbsp; の NO</td><td>BOC</td><td></td><td>100 ppm</td></tr><tr><td>FTIR 分光光度計</td><td>Perkin Elmer</td><td>Spectrum Two&nbsp;</td><td>UATR搭載</td></tr><tr><td>X線回折計</td><td>PAN analytical&nbsp;</td><td>X'Pert3 Powder</td><td>はCuKa1 1.54 &Aringを装備しています。X線源</td></tr><tr><td>走査型電子顕微鏡</td><td>ISI</td><td>ABT55</td><td>ED用X線分析装置およびリンク分析用BSE検出器&nbsp;</td></tr><tr><td>透過型電子顕微鏡</td><td>全円(チョル</td>) <td>JEM-2000EX&nbsp;</td><td>Gatan Erlangshen ES500Wカメラを使用</td></tr><tr><td>紫外可視拡散反射分光光度計</td><td>Agilent Technology</td><td>Cary 60&nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>マスフローコントローラー</td><td>ブロンコスト</td><td></td><td></td></tr><tr><td>湿度モニター</td><td>ロトロニック</td><td>ハイグロパーム</td><td></td></tr><tr><td>ソーラーシミュレーター</td><td>サイエンステック</td><td>SS0.5kW</td><td>1.5 AMフィルター使用</td></tr><tr><td>広帯域サーモパイル検出器</td><td>ジェンテック EO</td><td>XLP12-3S-H2-D0</td><td></td></tr><tr><td>NOx分析器</td><td>エアモニター株式会社</td><td>サーモサイエンティフィックモデル42i-HL</td><td></td></tr></tbody></table>

tioにおける界面化学結合の影響<sub&gt; 2</sub&gt; -sio<sub&gt; 2</sub&gt;光触媒nox低減性能に関する複合材料

The Effect of Interfacial Chemical Bonding in TiO2-SiO2 Composites on Their Photocatalytic NOx Abatement Performance

粒状光触媒の支持材料表面への化学結合は、より効率的かつ実用的な光触媒構造を設計する上で非常に重要である。しかしながら、このような化学結合が光触媒の光学的および表面特性に及ぼす影響、したがってその光触媒活性/反応選択性挙動は系統的に研究されていない。この研究では、TiO 2は、（i）テトラブチルオルソチタン（TBOT）を用いたゾル - ゲル法による砂石英の存在下でのTiO 2の その場形成により、 ）; （ii）市販のTiO 2粉末を、石英とテトラエチルオルトシリケート（TEOS）との反応から形成された表面シリカゲル層上の石英に結合させることによって製造することができる。比較のために、TiO 2ナノ粒子をまた、より反応性の高いSiO 2の表面上に堆積させたTiO 2及びSiO 2前駆体からのゾル - ゲル経路を通じたものである。界面Ti-O-Si結合によるTiO 2とSiO 2との組み合わせをFTIR分光法により確認し、得られた複合体の光触媒活性をISO標準法（ISO 22197-1）に従って光触媒分解について試験した。 。得られた材料の電子顕微鏡画像は、支持体表面の可変光触媒被覆率が首尾よく達成されることを示したが、NO除去に対する光触媒活性は調製方法によって影響され、硝酸塩選択性はTi-O-Siボンディング。

X線回折（XRD） 未被覆石英砂（Q）のXRDパターン、調製されたTiO 2 -SiO 2複合体および石英のないTiO 2を図2に示す。ピーク位置は、明確なTiO 2ピークが観察されない400℃（QT1）での調製を除いて、TiO 2のみの試料およびTiO 2 -SiO 2複合体におけるアナターゼの存在を確認する。他の場合には、ピーク強度および幅における異なるサンプル間の差は、粒径および結晶化度の差に起因する。 QT1の場合、TiO 2ピークの欠如は、これらの調製条件下で結晶度が低いか、または石英に装填された非常に少量のTiO 2に起因する可能性がある。しかし、透過型電子顕微鏡法（ 図3 ）は、QT1高倍率下で凝集ナノスフェアであることが示されているナノ粒子TiO 2粒子で装飾される。 <img alt="図2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56070/56070fig2.jpg" /> 図2： 異なる方法で調製した純粋なTiO 2およびTiO 2 -SiO 2複合体のXRDパターン。 <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56070/56070fig2large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を見るには、ここをクリックしてください。</a> <img alt="図3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56070/56070fig3.jpg" /> 図3： チタニア被覆SiO 2サンプルのTEM画像。 （a） QT1 （b） QT2および（c）低（1）および高（2）の magnifi<html>カチオン画像。 <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56070/56070fig3large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を見るには、ここをクリックしてください。</a> 拡散反射分光法 図4は、間接半導体に必要とされる入射光子エネルギーの関数としてプロットされた修正Kubelka-Munk関数[F（ R∞ ）hν] 1/2として表された、調製されたサンプルのUV-vis吸収スペクトルを示す。スペクトルはTiO 2の存在と一致しており、SiO 2表面上のTiO 2担持量はバンドギャップにほとんど影響しないことを示している。しかし、バンドギャップ拡大効果を示す混合酸化物サンプル（ST2）では、より高いエネルギーレベル（約3.3eV）への小さなシフトが観察される。 tp_upload / 56070 / 56070fig4.jpg &quot;/&gt; 図4： TiO 2およびTiO 2 -SiO 2複合材料の変形拡散反射スペクトル（Taucプロット）。 <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56070/56070fig4large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を見るには、ここをクリックしてください。</a> フーリエ変換赤外分光法（FTIR） 図5は、SiO 2 / TiO 2混合酸化物試料およびTiO 2 -Q複合体のFTIRスペクトルを示す。 SiO 2へのTiO 2の化学結合の証拠は、900〜960cm -1の範囲でSi-O-Ti伸縮振動モード15に帰属することができる。予想通り、このモードによる吸収ピークはSiO 2またはTiO 2に対しては観察されなかった。 図5： TiO 2 （T1）、SiO 2 、TiO 2 （ST1）、SiO 2 -TiO 2混合酸化物で修飾された反応性シリカのFTIRスペクトルゾル - ゲル法（ST2）、石英（Q）およびTiO 2 -修正された石英サンプル（QT1、QT2） 。分かりやすくするために、T2のスペクトルは示されていないが、T1と同一である。 <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56070/56070fig5large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を見るには、ここをクリックしてください。</a> TiO 2 -石英複合材料 Tokarsky らによる分子モデリング16は砂石英上にTi-O-Siの可能性を示したが、実験的にTi-O-Siの熱加水分解後の明確な証拠を観察することはできなかった。石英の存在下で硫酸チタニルで処理する。しかしながら、 図5から分かるように、この研究では、Ti-O-Si結合の少量を示す、この研究における匹敵するQT1複合体の920〜960cm -1の範囲で非常に低いIR吸収が認められる。 QT2は、TiO 2と石英表面を被覆するより反応性の高いTEOSとの相互作用に関連すると思われるより顕著な吸光度を示す。 TiO 2は、石英表面ではなく、結果として生じるシリケートベースのゲルと関連している可能性が高い。 混合酸化物システム この研究で測定された最も高いFTIR吸収は、有機前駆体の反応から誘導されたST2について観察された。このようなシステムは、FTIRデータと一致する反応物質の分散および混合を最大にすることが期待される。 ST1は予備沈降シリカを利用したが、その反応表面にもかかわらず、得られたFTIR吸収i比較的低い結合レベルを示す。 走査型電子顕微鏡（SEM） TiO 2の効率的な支持のためのケイ酸塩ベースの膜の石英（QT2）に対する有効性は、SEMによって調べられている。フィルム自体が石英基板をどれくらいうまく覆うかによって多くのことが決まります。 図6は 、TEOSから誘導されたこのフィルム内に分散された市販のTiO 2 （PC105）のSEM-EDSを、TiO 2と1：1のモル比（QT2）で比較する。シリケート皮膜は、シリケート皮膜から明らかな一部の領域が残っているため、粒子上に不均一に固定化されていることが判明した。したがって、この場合、シリケート系ゲル相に付随するTiO 2も不均一に分布し、石英表面に直接結合しない。これは、 図 3b（2）のTEM像と一致する。シリケートコーティング（画像の右上）は、EDS図6 （d）に報告されたものと匹敵する分析であり、TiO 2とケイ酸塩層との関連を示している。 <img alt="図6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56070/56070fig6.jpg" /> 図6： （a）裸石英および（b）サンプルQT2のSEM画像対応するEDSデータは、それぞれcおよびdで示される。 <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56070/56070fig6large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を見るには、ここをクリックしてください。</a> 光触媒性能 図7は、ガス流中のNO、NOx、およびNO 2の濃度の変化の例を、暗黒下のTiO 2 （PC105）上を流れるイルミネーション。光がスイッチオンされると、最初のNO濃度はca. 48％であり、同時にNO 2が生成される。その結果、主としてNOおよびNO 2濃度の合計を表すNOxの濃度は、照射時間中に低減される。 提案されたNOの、照射されたTiO 2ベースの光触媒への吸着後の変換経路は、以下のスキームに要約することができる： NO→HONO→NO 2 →HONO 2 （NO 3 - ） 図7から、全照射時間中にNOの濃度がわずかにかつ連続的に増加したことに気付くこともできる。これは定常状態条件へのアプローチを示しており、利用可能な状態での蓄積に起因する可能性があります光触媒的に生成されたNO酸化生成物の活性部位、 すなわち HNO 2 / NO 2 - ; NO 2 ; HNO 3 / NO 3 - は 、NO吸着速度に影響する可能性がある。 Blohらこのシステムで定常状態を達成するには数時間の照明が必要であると報告している。 <img alt="図7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56070/56070fig7.jpg" /> 図7：時間の関数としてのNO、NO 2 、およびNOxの濃度変化： （a）光触媒または担体なしの（b）石英のみ、および（c） PC105。 <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56070/56070fig7large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を見るには、ここをクリックしてください。</a> 得られたTiOの活性を測定し比較するために<suNO x還元のための光子効率（ξ）が計算され、 図8に示されている。 <img alt="図8" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56070/56070fig8.jpg" /> 図8： NOおよびNO X除去およびNO 2形成のための異なるTiO 2およびTiO 2 -SiO 2複合粉末の光効率。直接比較可能なシステムは、サポートされていない対とサポートされていない対で、同じシンボルで識別されます。 <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56070/56070fig8large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を見るには、ここをクリックしてください。</a> ξは反応速度と入射光子束の比として定義され、c式（9）に従って計算され、ここで、 <img alt="式1" src="/files/ftp_upload/56070/56070eq1v2.jpg" />体積流量です。 c dは暗条件下におけるNO、NOxまたはNO 2の濃度、 c iは照明下の同じガスの濃度である。圧力。 N Aはアボガドロ定数である。 hはプランク定数である。 cは光速である。 Iは入射光強度、λは単色光（365nm）を仮定した使用波長、Aは照射面積、 Rはガス定数である。 Tは絶対温度である。 <img alt="式2" src="/files/ftp_upload/56070/56070eq2.jpg" /> （9）

本研究の焦点は、Ti-O-Si結合のレベルを生成および定量し、これらを担持TiOの光触媒特性と相関させる手段を確立することである。

TiOにおける界面化学結合の影響<sub&gt; 2</sub&gt; -SiO<sub&gt; 2</sub&gt;光触媒NOx低減性能に関する複合材料

The chemical bonding of particulate photocatalysts to supporting material surfaces is of great importance in engineering more efficient and practical ...

本手順の全体的な目的は、環境アプリケーションにおける担持光触媒の利点を定量的に評価し、触媒と担体の間の化学結合が品質管理のDeNOx（窒素酸化物除去）側面に与える影響を理解することです。担持光触媒によって提供されるより広い有効表面積は、大気中のNOx濃度の低減能力をより効率的に向上させることを示唆しています。しかし、担体が触媒の性能および特性に及ぼす影響については、ほとんど分かっていません。NOxは主にNOとNO2で構成されています。より毒性の強いNO2は大気質に最大の影響を及ぼすため、光触媒はNOxを硝酸塩に酸化させる非常に高い選択性を示す必要があります。ここでの技術的記述子は、コンクリート構造物の表面への光触媒担持など、都市大気質管理のためのエンジニアリングおよび対策ソリューションに利用可能な知見を提供します。QT1複合材料を調製するには、まず市販の石英を15分間ボールミルで粉砕します。粉砕した石英粉末をふるいにかけ、粒子径が20から100ミクロンの石英粒子を得ます。次に、2.6 mLの97%チタンブトキシドを29.6 mLの無水エタノールと混合し、チタン前駆体溶液を作製します。粉砕し篩い分けした石英粉末3 gを、チタン前駆体溶液30 gに懸濁させます。この懸濁液に32%塩酸0.3 mLを加え、5分間撹拌します。その後、脱イオン水30 mLを加え、懸濁液を一晩撹拌します。次に、粘性懸濁液をペトリ皿に移します。室温条件下で一晩放置し、残りの溶媒を蒸発させます。その後、チタン処理した石英を脱イオン水に繰り返し懸濁させ、遠心分離して上清をデカンテーションすることで、チタン処理した石英を洗浄します。粉末を90 °Cで一晩乾燥させ、その後、乾燥した粉末を400 °Cで20時間熱処理します。熱処理した複合粉末を空冷し、20 µm未満の粒子を取り除くために粉末を篩い分けます。粉末は密閉容器に保存してください。QT2複合体を調製するには、まず23.3 millilitersのTEOSを29.2 millilitersの絶対エタノールと混合します。この溶液に7.2 millilitersの脱イオン水と0.4 millilitersの3.6 weight percent塩酸を加え、室温で10日間撹拌します。次に、0.2 gramsの光触媒アナターゼ型二酸化チタンを100 millilitersの絶対エタノールに懸濁させます。これにTEOS溶液を1.46 milliliters加え、チタニアとTEOSのモル比を1:1にします。懸濁液を室温で一晩、穏やかに撹拌します。次に、粉砕しふるい分けした市販の石英2 gramsを丸底フラスコに入れます。フラスコに凝縮器、撹拌子、およびウォーターアスピレーターを装着します。減圧下、80 °Cで、TEOSチタニア混合液を石英に滴下し始めます。石英を懸濁させるのに十分な量が添加されたら、懸濁液の撹拌を開始してください。添加が完了するまで攪拌を続けます。得られた粉末を90°Cで一晩乾燥させ、続いて200°Cで4時間の熱処理を行います。粉末を風冷し、ふるいにかけて微粒子を除去します。ST1複合体を調製するには、まず5 mLのTEOSを40 mLの無水エタノールに加え、溶液を30分間撹拌します。別の容器で、25重量%のアンモニア8 mLに脱イオン水30 mLと無水エタノール18 mLを混ぜ合わせ、同様に30分間撹拌します。TEOS溶液をアンモニア溶液に加え、室温で3時間撹拌してシリカマイクロ球を得ます。シリカ懸濁液を1,252 ×gで30分間遠心分離し、上清を捨てます。絶対エタノール40 mLを用いて遠心分離による洗浄を3回行い、その後、シリカを105 °Cで48時間乾燥させます。次に、乾燥させたシリカマイクロスフェア1 gを絶対エタノール30 mLに懸濁させます。懸濁液を超音波バスで10分間ソニケーションし、その後30分間攪拌します。シリカ懸濁液に97%チタンブトキシドを1 mL慎重に加え、室温で24時間攪拌します。次に、脱イオン水2 mLと無水エタノール8 mLを混合液に加え、さらに2時間攪拌を続けます。混合物を遠心分離し、上澄み液を除去した後、絶対エタノール40 mLを用いて粉末を3回洗浄する。粉末を105 °Cで48時間乾燥させ、次いで500 °Cで3時間熱処理を行う。その後、粉末を冷却し、篩にかける。ST2複合体を調製するには、まず58.4 millilitersの無水エタノール、14.4 millilitersの脱イオン水、および0.8 millilitersの3.6 weight percent塩酸を混合します。この溶液に0.89 millilitersのTEOSを滴下し、室温で1時間攪拌します。その後、4.74 millilitersのチタンテトライソプロポキシドを加え、室温で一晩攪拌します。次に、混合物を80 °Cまで加熱し、1時間撹拌してゾル-ゲル転移させます。得られたゲルを90 °Cで一晩乾燥させます。その後、ゲルを450 °Cおよび500 °Cでそれぞれ5時間熱処理し、複合粉末を得ます。複合粉末を空気中で冷却し、ふるいにかけて微粒子を取り除きます。光触媒活性試験を行うには、目的の複合粉末を光触媒試験装置のサンプルホルダーに充填します。サンプルに320 nanometerのUV光を一夜の間照射してください。各サンプルは、Heraeusリアクターに挿入する前に放射線に曝露させる必要があります。これにより、あらかじめ吸着した汚染物質が光触媒性能に及ぼす影響を排除できます。また、必要な流動条件を得るためには、サンプルの配置も極めて重要です。照射した試料をホウケイ酸ガラスで覆います。試料をソーラーシミュレーターの下に配置し、光反応器を試験装置のガス入口および出口ラインに接続します。次に、湿度40%の圧縮空気中でNOおよびN2を試料上に流します。出口ガス流中のNO、NO2およびNOxの濃度をモニタリングし、記録します。純粋なチタニアおよび未コーティングの石英の複合体のX線回折の結果、ほぼすべての複合体において、チタニアがさまざまな程度でアナターゼとして存在していることが示されました。透過電子顕微鏡により、すべての複合体試料に凝集したチタニアナノ球が存在することが確認されました。複合材料のFTIRスペクトルでは、シリコン-酸素-チタン伸縮振動モードに割り当てられるピークが認められた。シリカとチタニアの間の化学結合度は、シリコン-酸素-チタンピークの面積と、対応するシリカピークの面積の比から、各複合材料について推定した。光効率については、NOおよびNOxの転換率ならびにNO2生成量の測定から、複合材料、支持体である石英、およびチタニア粉末について算出した。チタニア担持量に対する効率は、すべての複合材料においてより高くなりました。特に、QT2材料は、光触媒の質量のわずか6.5%であるにもかかわらず、対応する光触媒のNO酸化性能の73%を達成しました。各複合材料の硝酸塩選択性を、対応する前駆体チタニア粉末の選択性と比較しました。選択率の最大の低下はT2とST2の間で観察されました。ST2複合体はチタン-酸素-シリコン結合の比率が比較的高く、結合レベルが硝酸塩選択性に影響を与えることが示唆されました。この手順は、高効率な光触媒複合構造を設計し検証するための効率的な手段を提供します。これらの光触媒は、車両排ガスによるNOx汚染が極めて深刻な都市部のコンクリート構造物に担持させることができます。

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TiOにおける界面化学結合の影響

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