酸化チタン光触媒におけるドープ剤の分布に関する考察

Structural characterization for N-doped titanium dioxide

山口 大輔; 長谷川 良雄*

Yamaguchi, Daisuke; Hasegawa, Yoshio*

酸化チタン(TiO)は、環境浄化等の応用が期待されている光触媒物質であり、用途の拡大を図るために触媒効率の向上が求められている。その有力な方法として、TiO触媒に窒素(N)をドープすることにより、光触媒反応が活性化される波長領域が紫外-近紫外光から可視光へシフトすることが報告されている。しかしながら、窒素ドープされたTiO触媒に含まれる窒素量は微量であり、広角X線回折でもTiとNの結合を示唆する回折線は観測されず、可視光応答をもたらす構造におけるN原子の位置(分布)については未知な部分が存在する。本研究では2種類の異なる製法により作製されたNドープTiO触媒に対して、中性子小角-広角散乱(J-PARC BL-15「大観」により測定)で得られた、結晶格子ナノ微粒子径にわたるスケールの構造に対して考察を行った。2種類の製法のうち、一方はTiO多孔体焼成後、NH雰囲気下に置くことでN原子を導入し、他方は焼成前の粘稠なチタンアルコキシド溶液を架橋剤(NHCHCHNH)で架橋することにより、N原子を導入しているため、Nの位置に関して、前者ではTiO多孔体構造を摸倣した分布が、後者では多孔体構造よりもむしろ焼成前の架橋剤の分布に従っていることが予想されるが、測定結果はその傾向を示した。現在、TiOの散乱を軽減するためのコントラスト変調測定を行った結果について、部分散乱関数を得るための解析を進めている。

Anion doped titanium dioxide (TiO), which is expected to exhibit an improved photo-catalytic property due to the effect of narrowing in the band gap, was investigated by small-angle neutron scattering (SANS). Among wide variety of photo-catalytic products, TiO is one of the most promising and various improvements have been done. On the functional aspect it has been confirmed that for instance, nitrogen (N) doped TiO can be activated not only by the photons of which wavelength is corresponding to ultraviolet but also by those of visible light and thereby an enhancement of the efficiency is attained. However, the difference in structure between bare TiO and N-doped TiO has not yet definitively clarified despite the considerable structural analyses by using X-ray probes such as X-ray diffraction or X-ray photoemission spectroscopy. With profiting from an enhanced scattering length of N atoms to the neutron beam, an attempt to capture the distribution of N atoms in the N-doped TiO by SANS is presented here. Specimens prepared by different protocols were compared. One is that the precursor gel solution is extended on the surface of water and two-dimensional porous object, so-called "nanosheet" was fabricated. Then the N-doping was conducted after calcination by putting the specimen under NH atmosphere. The other type of specimen was produced by a simple sol-gel method which led to a granular type specimen. On the granular type specimens contrast variation measurement was carried out, where the specimens were soaked in mixed water of HO/DO = 55/45, 45/55, 35/65, and revealed that the distribution of doped N atom is different from those of nanosheets.