JP2014240538A - Method for manufacturing composite of metal nanoparticles and cellulose-based fiber - Google Patents
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Abstract
【課題】セルロース系ファイバー表面に金属ナノ粒子を担持させるコストの低く、環境負荷の少ない方法の提供。【解決手段】表面にアルデヒド基を有するセルロース系ファイバーと金属化合物水溶液とを接触させ、アルデヒド基によって金属化合物を還元して、ファイバー表面に金属ナノ粒子を形成させる。セルロース系ファイバーの表面に存在するアルデヒド基によって金属化合物を還元することができるので、ファイバー表面に金属ナノ粒子を担持させるに際して還元剤溶液の使用量を大幅に低減させることができ、又は還元剤溶液を使用しなくてもよい。【選択図】図2An object of the present invention is to provide a low-cost and environmentally friendly method for supporting metal nanoparticles on the surface of a cellulose fiber. A cellulosic fiber having an aldehyde group on the surface is brought into contact with an aqueous metal compound solution, and the metal compound is reduced by the aldehyde group to form metal nanoparticles on the fiber surface. Since the metal compound can be reduced by the aldehyde group present on the surface of the cellulosic fiber, the amount of the reducing agent solution used can be greatly reduced when supporting the metal nanoparticles on the fiber surface, or the reducing agent solution. May not be used. [Selection] Figure 2
Description
本発明は、金属ナノ粒子とセルロース系ファイバーとの複合体の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing a composite of metal nanoparticles and cellulosic fibers.
金属ナノ粒子は、環境に調和した物質製造プロセスにおける高機能触媒等としての適用が期待されている。しかし、金属ナノ粒子は取り扱いが困難であるため、実用的な触媒等とするには金属ナノ粒子を保持しうる材料が不可欠である。従来、高分子材料で金属ナノ粒子を保持しようとする研究がなされており、例えば、金属ナノ粒子と高分子材料を混練する方法が知られている。しかしながら、このようにして得られた複合体は、高分子材料の内部にも金属ナノ粒子を含有しており、内部に含有された金属ナノ粒子は触媒反応には関与できないため、触媒活性が十分でないという問題があった。 Metal nanoparticles are expected to be applied as highly functional catalysts in material production processes that are in harmony with the environment. However, since metal nanoparticles are difficult to handle, a material capable of holding metal nanoparticles is indispensable for a practical catalyst or the like. Conventionally, studies have been made to hold metal nanoparticles with a polymer material. For example, a method of kneading metal nanoparticles and a polymer material is known. However, the composite obtained in this manner contains metal nanoparticles inside the polymer material, and the metal nanoparticles contained therein cannot participate in the catalytic reaction, so that the catalytic activity is sufficient. There was a problem of not.
このため、セルロースナノファイバー表面に金属ナノ粒子を担持させる方法が開発されている(特許文献1)。具体的には、ナノファイバーのカルボキシル基に結合させた金属イオンを、水素による気相還元法、および水素化ホウ素ナトリウム水溶液などの還元剤を用いた液相還元法によって金属ナノ粒子に還元する方法が開示されている。 For this reason, a method for supporting metal nanoparticles on the surface of cellulose nanofibers has been developed (Patent Document 1). Specifically, a method of reducing metal ions bonded to carboxyl groups of nanofibers to metal nanoparticles by a gas phase reduction method using hydrogen and a liquid phase reduction method using a reducing agent such as a sodium borohydride aqueous solution. Is disclosed.
しかしながら、特許文献1に記載されているセルロースナノファイバーに金属ナノ粒子を担持させた複合体の製造方法は、セルロースナノファイバーに金属ナノ粒子を担持させるために還元剤溶液を使用しており、環境的にも負荷が大きく、工業的にもコストがかかることが課題となっていた。 However, the method for producing a composite in which metal nanoparticles are supported on cellulose nanofibers described in Patent Document 1 uses a reducing agent solution to support metal nanoparticles on cellulose nanofibers. The problem is that the load is large and the cost is industrially high.
本発明は、セルロース系ファイバー表面に金属ナノ粒子を担持させる環境負荷の少ない
方法を提供することを目的とする。すなわち:
1.表面にアルデヒド基を有するセルロース系ファイバーを準備する工程1、及び
前記セルロース系ファイバーと金属化合物水溶液とを接触させて、前記セルロース系ファイバー表面のアルデヒド基によって前記金属化合物を還元し、前記セルロース系ファイバー表面に金属ナノ粒子を形成する工程2
を含む、金属ナノ粒子とセルロース系ファイバーとの複合体の製造方法。
2.前記金属ナノ粒子は、前記アルデヒド基が酸化されることにより生じたカルボキシル基またはカルボキシレート基、前記工程1における前記セルロース系ファイバーの表面にさらに含まれるカルボキシル基またはカルボキシレート基、あるいはこれらの両方に結合している、上記1に記載の製造方法。
3.前記金属ナノ粒子は周期表における8〜12族に属する元素を含む、上記1または2に記載の製造方法。
4.前記金属ナノ粒子の透過型電子顕微鏡像から求められる平均粒子径は、1〜50nmである、上記1〜3のいずれか1項に記載の製造方法。
5.前記セルロース系ファイバーは、パルプである、上記1〜4のいずれか1項に記載の製造方法。
6.前記セルロース系ファイバーは、セルロースナノファイバーである、上記1〜4のいずれか1項に記載の製造方法。
7.前記セルロースナノファイバーは結晶性である、上記6に記載の製造方法。
8.前記セルロースナノファイバーの透過型電子顕微鏡像から求められる平均繊維径は、2.5〜20nmである、上記6または7に記載の製造方法。
9.前記セルロース系ファイバーは、水中にてN−オキシル化合物を用いてセルロースを酸化して得られたセルロース系ファイバーである、上記1〜8のいずれか1項に記載の製造方法。
10.上記1〜9のいずれか1項に記載の製造方法で製造された複合体。
It is an object of the present invention to provide a method with a low environmental load for supporting metal nanoparticles on the surface of a cellulosic fiber. Ie:
1. Step 1 of preparing a cellulosic fiber having an aldehyde group on the surface, and contacting the cellulosic fiber with an aqueous metal compound solution to reduce the metal compound with an aldehyde group on the surface of the cellulosic fiber; Step 2 of forming metal nanoparticles on the surface
The manufacturing method of the composite_body | complex of a metal nanoparticle and a cellulose fiber containing this.
2. The metal nanoparticles may include carboxyl groups or carboxylate groups generated by oxidation of the aldehyde groups, carboxyl groups or carboxylate groups further included on the surface of the cellulose fiber in the step 1, or both of them. 2. The production method according to 1 above, which is bonded.
3. The said metal nanoparticle is a manufacturing method of said 1 or 2 containing the element which belongs to 8-12 group in a periodic table.
4). The average particle diameter calculated | required from the transmission electron microscope image of the said metal nanoparticle is a manufacturing method of any one of said 1-3 which is 1-50 nm.
5. The said cellulosic fiber is a manufacturing method of any one of said 1-4 which is a pulp.
6). The said cellulosic fiber is a manufacturing method of any one of said 1-4 which is a cellulose nanofiber.
7). 7. The production method according to 6 above, wherein the cellulose nanofiber is crystalline.
8). The average fiber diameter calculated | required from the transmission electron microscope image of the said cellulose nanofiber is a manufacturing method of said 6 or 7 which is 2.5-20 nm.
9. The said cellulose fiber is a manufacturing method of any one of said 1-8 which is a cellulose fiber obtained by oxidizing a cellulose using N-oxyl compound in water.
10. The composite_body | complex manufactured with the manufacturing method of any one of said 1-9.
本発明の製造方法によれば、セルロース系ファイバーの表面に存在するアルデヒド基によって金属化合物を還元することができるので、ファイバー表面に金属ナノ粒子を担持させるに際して還元剤溶液の使用量を大幅に低減させることができ、または還元剤溶液を使用しなくてもよい。 According to the production method of the present invention, the metal compound can be reduced by the aldehyde group present on the surface of the cellulosic fiber, so that the amount of the reducing agent solution used is greatly reduced when the metal nanoparticle is supported on the fiber surface. Or a reducing agent solution may not be used.
本発明の複合体の製造方法は、(工程1)表面にアルデヒド基を有するセルロース系ファイバーを準備する工程、及び(工程2)前記セルロース系ファイバーと金属化合物水溶液とを接触させて、前記セルロース系ファイバー表面のアルデヒド基によって前記金属化合物を還元し、前記セルロース系ファイバー表面に金属ナノ粒子を形成する工程を含む。 The method for producing a composite according to the present invention comprises (Step 1) a step of preparing a cellulose fiber having an aldehyde group on the surface, and (Step 2) contacting the cellulose fiber with an aqueous metal compound solution to form the cellulose A step of reducing the metal compound by an aldehyde group on the surface of the fiber to form metal nanoparticles on the surface of the cellulosic fiber.
1.工程1
(1)セルロース系ファイバー
セルロース系ファイバーとは、グルコースがβ−1,4−グリコシド結合した多糖類であるセルロースまたはその誘導体を主成分としたファイバー(繊維)である。セルロース系ファイバーには、セルロースのファイバーの他に、部分メチル化セルロース、部分アセチル化セルロース、部分カルボキシメチル化セルロースなどの各種セルロース誘導体のファイバーが含まれ、また、セルロースに構造が類似しているキチン・キトサンのファイバーを含んでもよい。
1. Process 1
(1) Cellulose-based fiber Cellulose-based fiber is a fiber (fiber) mainly composed of cellulose, which is a polysaccharide in which glucose is β-1,4-glycosidically bonded, or a derivative thereof. Cellulose fibers include fibers of various cellulose derivatives such as partially methylated cellulose, partially acetylated cellulose, and partially carboxymethylated cellulose in addition to cellulose fibers, and chitin that is similar in structure to cellulose. -Chitosan fiber may be included.
本発明のセルロース系ファイバーは、その表面に少なくともアルデヒド基を有する。さらに、カルボキシル基及び/またはカルボキシレート基を有していてもよい。カルボキシル基とは−COOHで表される基をいい、カルボキシレート基とは−COO−で表される基をいい、アルデヒド基とは−CHOで表される基をいう。カルボキシレート基のカウンターイオンは特に限定されない。後述するように金属化合物がカルボキシレート基との間でイオン結合を形成する場合にはこの金属イオンがカウンターとなる。カルボキシル基及びカルボキシレート基を合わせて「酸基」ともいう。 The cellulosic fiber of the present invention has at least an aldehyde group on its surface. Furthermore, you may have a carboxyl group and / or a carboxylate group. Refers to a group represented by -COOH and carboxyl groups, -COO the carboxylate groups - refers to a group represented by, it refers to a group represented by -CHO the aldehyde group. The counter ion of the carboxylate group is not particularly limited. As will be described later, when the metal compound forms an ionic bond with the carboxylate group, this metal ion serves as a counter. The carboxyl group and the carboxylate group are collectively referred to as an “acid group”.
セルロース系ファイバーにおける酸基及びアルデヒド基の含有量は、次の方法で測定することができる:
精秤した乾燥セルロース系ファイバー試料を用いて0.5〜1質量%のスラリー60mLを調製し、0.1mol/Lの塩酸水溶液によってpHを約2.5とする。その後、0.05mol/Lの水酸化ナトリウム水溶液を滴下して電気伝導度測定を行う。測定はpHが約11になるまで続ける。電気伝導度の変化が緩やかな弱酸の中和段階を示すまでに消費された水酸化ナトリウム量(V)から、下式を用いて酸基量X1を求める:
X1(mmol/g)=V(mL)×0.05/セルロース系ファイバーの質量(g)
酸基量X1は、セルロース系ファイバー1gにおけるカルボキシル基量およびカルボキシレート基量の合計(すなわち、「酸基」量)を示す。
The content of acid groups and aldehyde groups in the cellulosic fiber can be measured by the following method:
Using a precisely weighed dry cellulose fiber sample, 60 mL of 0.5-1 mass% slurry is prepared, and the pH is adjusted to about 2.5 with 0.1 mol / L hydrochloric acid aqueous solution. Then, 0.05 mol / L sodium hydroxide aqueous solution is dripped and electrical conductivity measurement is performed. The measurement is continued until the pH is about 11. From the amount of sodium hydroxide consumed (V) until the change in electrical conductivity shows a mild acid neutralization stage, the acid group amount X1 is determined using the following equation:
X1 (mmol / g) = V (mL) × 0.05 / mass of cellulose fiber (g)
The acid group amount X1 represents the total amount of carboxyl groups and carboxylate groups in 1 g of cellulose fiber (that is, the amount of “acid groups”).
続いて、前記試料のpHを酢酸で4〜5に調整し、2質量%亜塩素酸ナトリウム水溶液を用いて常温でさらに48時間酸化反応を行う。得られた試料について前記同様に酸基量X2を求める。アルデヒド基の量は、X2とX1との差により求められる。 Subsequently, the pH of the sample is adjusted to 4 to 5 with acetic acid, and an oxidation reaction is further performed at room temperature for 48 hours using a 2 mass% aqueous sodium chlorite solution. The acid group amount X2 is obtained in the same manner as described above for the obtained sample. The amount of aldehyde group is determined by the difference between X2 and X1.
本発明においては、アルデヒド基の量は、0.1〜1.0mmol/gが好ましく、0.2〜0.6mmol/gがより好ましい。酸基の量は、特に限定されないが、0.2〜2.2mmol/g程度であり、0.2〜2.0mmol/gが好ましい。 In the present invention, the amount of aldehyde groups is preferably from 0.1 to 1.0 mmol / g, more preferably from 0.2 to 0.6 mmol / g. The amount of the acid group is not particularly limited, but is about 0.2 to 2.2 mmol / g, and preferably 0.2 to 2.0 mmol / g.
セルロース系ファイバーは、表面に高密度でアルデヒド基が存在することが好ましい。ファイバー表面におけるアルデヒド基の密度は、単位面積あたりのアルデヒド基量で表せる。ファイバー表面にアルデヒド基が高密度で均一に分散していると、金属化合物の還元が促進される。また、アルデヒド基は、金属化合物を還元することにより自身がカルボキシル基に酸化され、そこが金属ナノ粒子の担持接点となる可能性があるから、ファイバー上に高密度で均一にアルデヒド基が分散していれば、高密度で均一な金属ナノ粒子の形成が促進されると考えられる。ファイバー上に金属ナノ粒子を微小形態を維持したまま高分散できると、触媒としたときの活性に優れると考えられる。 Cellulose fibers preferably have high-density aldehyde groups on the surface. The density of aldehyde groups on the fiber surface can be expressed by the amount of aldehyde groups per unit area. When the aldehyde groups are uniformly dispersed at a high density on the fiber surface, the reduction of the metal compound is promoted. In addition, the aldehyde group itself is oxidized to a carboxyl group by reducing the metal compound, which may become a supporting point for the metal nanoparticles, so that the aldehyde group is uniformly dispersed at high density on the fiber. If so, the formation of high-density and uniform metal nanoparticles is considered to be promoted. If the metal nanoparticles can be highly dispersed on the fiber while maintaining a fine form, it is considered that the activity when used as a catalyst is excellent.
また、セルロース系ファイバーの表面における酸基は、金属化合物の担持接点となる可能性があるから、アルデヒド基に加えてさらに酸基が高密度で存在することも好ましい。ファイバー表面における酸基の密度は、単位面積あたりの酸基量で表すことができ、さらに単位面積あたりの酸基量は、単位面積あたりの荷電量で表すことができる。その範囲は0.01〜0.6C/m2が好ましい。荷電量は、セルロース系ファイバーの酸基の量、表面積およびファラデー定数により求めることができる。表面積は、BET法等の公知の方法で求められる。 In addition, since the acid groups on the surface of the cellulosic fiber may become a supporting contact point for the metal compound, it is also preferable that the acid groups exist in high density in addition to the aldehyde groups. The density of acid groups on the fiber surface can be represented by the amount of acid groups per unit area, and the amount of acid groups per unit area can be represented by the amount of charge per unit area. Its range is preferably 0.01~0.6C / m 2. The amount of charge can be determined from the amount of acid groups, surface area, and Faraday constant of the cellulosic fiber. The surface area is determined by a known method such as the BET method.
セルロース系ファイバーは、結晶性のセルロース由来であることが好ましい。結晶性のセルロースは、強度が高い、溶媒に溶解しにくいなどの利点がある。天然のセルロースを原料として得られるセルロース系ファイバーは結晶性である。天然セルロースの例には、植物、バクテリア、藻類、および動物由来の天然セルロースが含まれる。中でも植物由来または動物由来(特にホヤ由来)の天然セルロースが好ましい。結晶構造は公知の結晶構造であればよく、特に限定されない。公知の結晶構造の例には、セルロースIβ型が含まれる。 The cellulosic fiber is preferably derived from crystalline cellulose. Crystalline cellulose has advantages such as high strength and difficulty in dissolving in a solvent. Cellulosic fibers obtained from natural cellulose as a raw material are crystalline. Examples of natural cellulose include natural cellulose from plants, bacteria, algae, and animals. Of these, natural cellulose derived from plants or animals (particularly from sea squirts) is preferred. The crystal structure is not particularly limited as long as it is a known crystal structure. Examples of known crystal structures include cellulose type Iβ.
表面にアルデヒド基を有するセルロース系ファイバーは、公知の方法で得てよい。例えば、セルロースをN−オキシル化合物、及び、臭化物、ヨウ化物若しくはこれらの混合物からなる群から選択される化合物の存在下で酸化剤を用いて水中で酸化することにより、得ることができる。この酸化反応により、セルロース表面のグルコピラノース環のC6位の一級水酸基が選択的に酸化され、表面にアルデヒド基と、カルボキシル基またはカルボキシレート基を有するセルロース系ファイバーを得ることができる。反応時のセルロースの濃度は特に限定されないが、5質量%以下が好ましい。 Cellulose fibers having an aldehyde group on the surface may be obtained by a known method. For example, it can be obtained by oxidizing cellulose in water using an oxidizing agent in the presence of a compound selected from the group consisting of N-oxyl compounds and bromides, iodides, or mixtures thereof. By this oxidation reaction, the primary hydroxyl group at the C6 position of the glucopyranose ring on the cellulose surface is selectively oxidized, and a cellulose fiber having an aldehyde group and a carboxyl group or a carboxylate group on the surface can be obtained. The concentration of cellulose during the reaction is not particularly limited, but is preferably 5% by mass or less.
N−オキシル化合物とは、ニトロキシラジカルを発生しうる化合物をいう。N−オキシル化合物としては、目的の酸化反応を促進する化合物であれば、いずれの化合物も使用できる。 The N-oxyl compound refers to a compound that can generate a nitroxy radical. As the N-oxyl compound, any compound can be used as long as it promotes the target oxidation reaction.
N−オキシル化合物の使用量は、原料となるセルロースを酸化できる触媒量であれば特に制限されない。例えば、絶乾1gのセルロースに対して、0.01〜10mmolが好ましく、0.01〜1mmolがより好ましく、0.05〜0.5mmolがさらに好ましい。また、反応系に対し0.1〜4mmol/L程度がよい。 The amount of the N-oxyl compound used is not particularly limited as long as it is a catalytic amount that can oxidize cellulose as a raw material. For example, 0.01 to 10 mmol is preferable, 0.01 to 1 mmol is more preferable, and 0.05 to 0.5 mmol is more preferable with respect to 1 g of absolutely dry cellulose. Moreover, about 0.1-4 mmol / L with respect to a reaction system is good.
臭化物とは臭素を含む化合物であり、その例には、水中で解離してイオン化可能な臭化アルカリ金属が含まれる。また、ヨウ化物とはヨウ素を含む化合物であり、その例には、ヨウ化アルカリ金属が含まれる。臭化物またはヨウ化物の使用量は、酸化反応を促進できる範囲で選択できる。臭化物およびヨウ化物の合計量は、例えば、絶乾1gのセルロースに対して、0.1〜100mmolが好ましく、0.1〜10mmolがより好ましく、0.5〜5mmolがさらに好ましい。 Bromide is a compound containing bromine, examples of which include alkali metal bromides that can dissociate and ionize in water. Further, an iodide is a compound containing iodine, and examples thereof include alkali metal iodide. The amount of bromide or iodide used can be selected as long as the oxidation reaction can be promoted. The total amount of bromide and iodide is, for example, preferably 0.1 to 100 mmol, more preferably 0.1 to 10 mmol, and still more preferably 0.5 to 5 mmol with respect to 1 g of absolutely dry cellulose.
酸化剤としては、公知のものを使用でき、例えば、ハロゲン、次亜ハロゲン酸、亜ハロゲン酸、過ハロゲン酸またはそれらの塩、ハロゲン酸化物、過酸化物などを使用できる。中でも、安価で環境負荷の少ない次亜塩素酸ナトリウムは好ましい。酸化剤の適切な使用量は、例えば、絶乾1gのセルロースに対して、0.5〜500mmolが好ましく、0.5〜50mmolがより好ましく、1〜25mmolがさらに好ましく、3〜10mmolが最も好ましい。また、例えば、N−オキシル化合物1molに対して1〜40molが好ましい。 As the oxidizing agent, known ones can be used, and for example, halogen, hypohalous acid, halous acid, perhalogen acid or salts thereof, halogen oxide, peroxide and the like can be used. Of these, sodium hypochlorite is preferable because it is inexpensive and has a low environmental impact. The appropriate amount of the oxidizing agent used is, for example, preferably 0.5 to 500 mmol, more preferably 0.5 to 50 mmol, further preferably 1 to 25 mmol, and most preferably 3 to 10 mmol with respect to 1 g of absolutely dry cellulose. . For example, 1-40 mol is preferable with respect to 1 mol of N-oxyl compounds.
セルロースの酸化工程は、比較的温和な条件であっても反応を効率よく進行させられる。よって、反応温度は4〜40℃が好ましく、また15〜30℃程度の室温であってもよい。反応の進行に伴ってセルロース中にカルボキシル基が生成するため、反応液のpHの低下が認められる。酸化反応を効率よく進行させるためには、水酸化ナトリウム水溶液などのアルカリ性溶液を添加して、反応液のpHを8〜12、好ましくは10〜11程度に維持することが好ましい。反応媒体は、取扱い性の容易さや、副反応が生じにくいこと等から、水が好ましい。 The cellulose oxidation process allows the reaction to proceed efficiently even under relatively mild conditions. Therefore, the reaction temperature is preferably 4 to 40 ° C, and may be room temperature of about 15 to 30 ° C. As the reaction proceeds, a carboxyl group is generated in the cellulose, so that the pH of the reaction solution is reduced. In order to advance the oxidation reaction efficiently, an alkaline solution such as an aqueous sodium hydroxide solution is added to maintain the pH of the reaction solution at about 8 to 12, preferably about 10 to 11. The reaction medium is preferably water because it is easy to handle and hardly causes side reactions.
酸化反応における反応時間は、酸化の進行の程度に従って適宜設定することができ、通常は0.5〜6時間、例えば、0.5〜4時間程度である。 The reaction time in the oxidation reaction can be appropriately set according to the degree of progress of oxidation, and is usually 0.5 to 6 hours, for example, about 0.5 to 4 hours.
また、酸化反応は、2段階に分けて実施してもよい。例えば、1段目の反応終了後に濾別して得られた酸化セルロースを、再度、同一または異なる反応条件で酸化させることにより、1段目の反応で副生する食塩による反応阻害を受けることなく、効率よく酸化させることができる。 The oxidation reaction may be performed in two stages. For example, by oxidizing the oxidized cellulose obtained by filtration after the completion of the first-stage reaction again under the same or different reaction conditions, the efficiency is not affected by the reaction inhibition by the salt generated as a by-product in the first-stage reaction. Can be oxidized well.
セルロース系ファイバーのカルボキシル基、カルボキシレート基、アルデヒド基の量は、上記した酸化剤の添加量、反応時間をコントロールすることで調整することができる。 The amount of the carboxyl group, carboxylate group, and aldehyde group of the cellulose fiber can be adjusted by controlling the amount of the oxidizing agent added and the reaction time.
このようにして得たセルロース系ファイバーは、アルデヒド基や酸基がその表面に存在し、内部にはほとんど存在しない。これは酸化剤がファイバーの内部にまで拡散しにくいためと考えられる。 The cellulosic fiber thus obtained has aldehyde groups and acid groups on the surface and hardly exists inside. This is presumably because the oxidant hardly diffuses into the fiber.
セルロース系ファイバーの繊維長、繊維幅は特に限定されず、上記で得られたセルロース系ファイバーを解繊することにより繊維長0.1〜10μm、繊維径1〜100nm程度、好ましくは2.5〜20nm程度としてもよいし(セルロースナノファイバーに相当する)、繊維長0.1〜10mm、繊維径1〜100μmであってもよいし(パルプに相当する)、あるいはセルロースナノファイバーとパルプとの間の繊維径、繊維幅であってもよい。 The fiber length and fiber width of the cellulosic fiber are not particularly limited, and the fiber length of 0.1 to 10 μm and the fiber diameter of about 1 to 100 nm, preferably 2.5 to It may be about 20 nm (corresponding to cellulose nanofiber), fiber length 0.1 to 10 mm, fiber diameter 1 to 100 μm (corresponding to pulp), or between cellulose nanofiber and pulp Fiber diameter and fiber width.
セルロース系ファイバーの平均繊維径は走査型または透過型電子顕微鏡像(SEMまたはTEM)、あるいは原子間力顕微鏡像(AFM)から求められる。走査型または透過型電子顕微鏡像から求めることが好ましい。 The average fiber diameter of the cellulosic fiber is determined from a scanning or transmission electron microscope image (SEM or TEM) or an atomic force microscope image (AFM). It is preferably obtained from a scanning or transmission electron microscope image.
2.工程2
工程2では、表面にアルデヒド基を有するセルロース系ファイバーに金属化合物水溶液を接触させて、当該金属化合物をセルロース系ファイバーのアルデヒド基によって還元して、セルロース系ファイバー表面に金属ナノ粒子を形成する。
2. Process 2
In step 2, the metal compound aqueous solution is brought into contact with a cellulose fiber having an aldehyde group on the surface, and the metal compound is reduced by the aldehyde group of the cellulose fiber to form metal nanoparticles on the surface of the cellulose fiber.
(1)セルロース系ファイバーと金属化合物水溶液との接触
セルロース系ファイバーと金属化合物水溶液とを接触させてセルロース系ファイバーのアルデヒド基または酸基に金属化合物を結合させる。金属化合物はこれらの基と配位結合や水素結合を形成すると考えられる。また、金属化合物に由来する金属イオンが、カルボキシレート基とイオン結合を形成すると考えられる。この段階では金属化合物が原子レベルまたは分子レベルでこれらの基と結合していると考えられるため、金属ナノ粒子は形成されていない。
(1) Contact between Cellulose Fiber and Metal Compound Aqueous Solution Cellulosic fiber and metal compound aqueous solution are contacted to bond the metal compound to the aldehyde group or acid group of the cellulose fiber. Metal compounds are thought to form coordinate bonds and hydrogen bonds with these groups. Moreover, it is thought that the metal ion derived from a metal compound forms an ionic bond with a carboxylate group. At this stage, the metal compound is considered to be bonded to these groups at the atomic level or the molecular level, and thus metal nanoparticles are not formed.
金属化合物水溶液とは、金属塩または有機金属化合物の水溶液である。金属は、周期表8〜12族に属する元素であることが好ましい。金属塩の例には、錯体(錯イオン)、ハロゲン化物、硝酸塩、硫酸塩、および酢酸塩が含まれる。金属塩は水溶性であることが好ましい。また貴金属のこれらの塩は水溶性が低い場合があるため、塩化白金酸(H2PtCl6)や塩化金酸(HAuCl4)を用いることが好ましい。 The metal compound aqueous solution is an aqueous solution of a metal salt or an organometallic compound. The metal is preferably an element belonging to Group 8-12 of the periodic table. Examples of metal salts include complexes (complex ions), halides, nitrates, sulfates, and acetates. The metal salt is preferably water-soluble. Moreover, since these salts of precious metals may have low water solubility, it is preferable to use chloroplatinic acid (H 2 PtC 16 ) or chloroauric acid (HAuCl 4 ).
接触方法に関しては、予め調製しておいたセルロース系ファイバー分散液と金属化合物水溶液とを混合して行えばよい。または、セルロース系ファイバーを含む分散液を基材の上に塗布して膜とし、当該膜に金属化合物水溶液を滴下して含浸させてもよい。このとき、膜は基板上に固定されたままであってもよいし、基板から剥離された状態であってもよい。また、シート状にしたセルロース系ファイバーに金属化合物水溶液を含浸させてもよい。このとき、本発明のセルロース系ファイバーと公知の繊維とを混合したシートを金属化合物水溶液に含浸させることもできる。 Regarding the contact method, a cellulose fiber dispersion prepared in advance and a metal compound aqueous solution may be mixed. Alternatively, a dispersion containing cellulosic fibers may be applied onto a substrate to form a film, and the metal compound aqueous solution may be dropped and impregnated into the film. At this time, the film may remain fixed on the substrate or may be peeled from the substrate. Moreover, you may make a cellulose fiber made into a sheet form impregnated with an aqueous metal compound solution. At this time, the metal compound aqueous solution can be impregnated with a sheet obtained by mixing the cellulose fiber of the present invention and a known fiber.
金属化合物水溶液の濃度は特に限定されないが、セルロース系ファイバーのアルデヒド基量または酸基量に対して0.1〜10倍モル量が好ましく、0.5〜2倍モル量がさらに好ましい。例えば、0.1〜10mM程度の金属化合物水溶液を用いることができる。 Although the density | concentration of metal compound aqueous solution is not specifically limited, 0.1-10 times mole amount is preferable with respect to the amount of aldehyde groups or acid groups of a cellulose fiber, and 0.5-2 times mole amount is more preferable. For example, an aqueous metal compound solution of about 0.1 to 10 mM can be used.
接触させる時間は濃度や温度に応じて適宜調整してよい。例えば、1分〜24時間程度、例えば1分〜12時間程度、または2〜12時間程度、あるいは2〜3時間程度が挙げられる。接触させる際の温度は特に限定されないが20〜40℃が好ましい。また、接触させる際の液のpHは2.5〜13が好ましい。 You may adjust suitably the time to contact according to a density | concentration and temperature. For example, about 1 minute to 24 hours, for example, about 1 minute to 12 hours, or about 2 to 12 hours, or about 2 to 3 hours. Although the temperature at the time of making it contact is not specifically limited, 20-40 degreeC is preferable. In addition, the pH of the liquid at the time of contact is preferably 2.5 to 13.
(2)アルデヒド基による還元
セルロース系ファイバーと接触した金属化合物は、セルロース系ファイバーに含有されるアルデヒド基により還元される。この還元反応によって金属ナノ粒子が形成される。この機構は明らかでないが、以下のように推察される。イオン交換反応等により酸基と結合していた金属化合物または金属化合物由来のイオンは還元されて金属となる。このとき、生成した金属は、セルロース系ファイバーの表面に担持される。同様に生成した近隣の金属同士は一体化するので、粒子が成長してナノ粒子が形成される。一方、セルロース系ファイバーの近傍に存在するもののファイバー表面に結合していない金属化合物等も還元されて金属を生成する。この金属は、速やかにセルロース系ファイバー表面の金属と一体化して金属ナノ粒子を形成する。
(2) Reduction by aldehyde group The metal compound which contacted the cellulose fiber is reduced by the aldehyde group contained in the cellulose fiber. Metal nanoparticles are formed by this reduction reaction. Although this mechanism is not clear, it is guessed as follows. A metal compound or an ion derived from a metal compound that has been bonded to an acid group by an ion exchange reaction or the like is reduced to a metal. At this time, the produced metal is supported on the surface of the cellulosic fiber. Similarly, the generated neighboring metals are integrated with each other, so that the particles grow to form nanoparticles. On the other hand, metal compounds that are present in the vicinity of the cellulosic fiber but not bound to the fiber surface are also reduced to produce a metal. This metal quickly integrates with the metal on the surface of the cellulosic fiber to form metal nanoparticles.
このようにして形成された金属ナノ粒子は、セルロース系ファイバー表面に存在するアルデヒド基または酸基を足場として合成されたといえる。 It can be said that the metal nanoparticles thus formed were synthesized using aldehyde groups or acid groups present on the surface of the cellulosic fiber as a scaffold.
(3)金属ナノ粒子
金属ナノ粒子を構成する元素は特に限定されないが、周期表における8〜12族に属する元素であることが好ましい。周期表とは、1998年に改訂されたIUPAC無機化学命名法の周期表を意味する。この中でも、Ru、Fe、Co、Rh、Ni、Pd、Pt、Cu、Ag、Au、またはZnが好ましい。本発明の複合体は、多数の金属ナノ粒子を含むが、総ての金属ナノ粒子が単一の元素で構成されている必要はない。例えば、全金属ナノ粒子数の50%はある元素1のみから構成される粒子であって、残りの50%は別の元素2のみから構成される粒子であってよい。また、全金属ナノ粒子の一部は、元素1と2との合金で構成され、残りは単一元素から構成されていてもよい。触媒の用途に応じて、単一あるいは複数の元素からなる触媒を適宜調製することが好ましい。
(3) Metal nanoparticle The element which comprises a metal nanoparticle is although it does not specifically limit, It is preferable that it is an element which belongs to 8-12 group in a periodic table. By periodic table is meant the periodic table of the IUPAC inorganic chemical nomenclature revised in 1998. Among these, Ru, Fe, Co, Rh, Ni, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, or Zn are preferable. The composite of the present invention includes a large number of metal nanoparticles, but it is not necessary that all the metal nanoparticles are composed of a single element. For example, 50% of the total number of metal nanoparticles may be composed of only one element 1, and the remaining 50% may be composed of only another element 2. Moreover, a part of all metal nanoparticles may be comprised with the alloy of the elements 1 and 2, and the remainder may be comprised from the single element. It is preferable to appropriately prepare a catalyst composed of a single element or a plurality of elements according to the application of the catalyst.
金属ナノ粒子の平均粒子径は、走査型または透過型電子顕微鏡像(SEMまたはTEM)、原子間力顕微鏡像(AFM)、あるいはX線回折から求められる。本発明においては、金属ナノ粒子の平均粒子径は走査型または透過型電子顕微鏡像から求めた場合に、平均粒子径が1〜50nmの範囲にあることが好ましい。具体的に平均粒子径は、本発明の複合体の走査型または透過型電子顕微鏡像を準備し、その像から、複数の金属ナノ粒子の一次粒子の円相当径を求め、これらの値を平均して求められる。平均粒子径は、本発明の複合体の触媒特性等に影響する。そのため、金属の種類によりその好適な範囲が異なる。例えば、金属ナノ粒子がPtの場合、平均粒子径は1〜50nmが好ましいが、金属ナノ粒子がAuの場合、平均粒子径は1〜10nmが好ましい。 The average particle diameter of the metal nanoparticles is determined from a scanning or transmission electron microscope image (SEM or TEM), an atomic force microscope image (AFM), or X-ray diffraction. In the present invention, the average particle size of the metal nanoparticles is preferably in the range of 1 to 50 nm when determined from a scanning or transmission electron microscope image. Specifically, for the average particle diameter, a scanning or transmission electron microscope image of the complex of the present invention is prepared, and from the image, the equivalent circle diameter of primary particles of a plurality of metal nanoparticles is obtained, and these values are averaged. Is required. The average particle size affects the catalyst characteristics and the like of the composite of the present invention. Therefore, the suitable range varies depending on the type of metal. For example, when the metal nanoparticles are Pt, the average particle diameter is preferably 1 to 50 nm, but when the metal nanoparticles are Au, the average particle diameter is preferably 1 to 10 nm.
金属ナノ粒子は、セルロース系ファイバー表面上に、均一に分散していることが好ましい。触媒としたときの活性に優れるからである。金属ナノ粒子の分散状態は、金属ナノ粒子の平均粒子径と、セルロース系ファイバー単位質量あたりの金属ナノ粒子の量で表すことができる。すなわち、金属ナノ粒子の分散状態は、D=「セルロース系ファイバー単位質量あたりの金属ナノ粒子の量」/「金属ナノ粒子の平均粒子径」で定義できる。金属ナノ粒子の平均粒子径は前記のとおり1〜50nmが好ましい。一方、セルロース系ファイバー単位質量あたりの金属ナノ粒子の量は、「金属ナノ粒子中の金属元素のmol数」/「セルロース系ファイバー質量」で表せる。その範囲は、0.001mmol/gセルロース〜10mol/gセルロースが好ましく、0.01mmol/gセルロース〜5mol/gセルロースがより好ましく、0.1mmol/gセルロース〜1mol/gセルロースがさらに好ましい。よって、Dは、0.00002mmol/gセルロース/nm〜10mol/gセルロース/nmが好ましく、0.0002mmol/gセルロース/nm〜5mol/gセルロース/nmがより好ましく、0.002mmol/gセルロース/nm〜1mol/gセルロース/nmがさらに好ましい。 It is preferable that the metal nanoparticles are uniformly dispersed on the cellulosic fiber surface. This is because it has excellent activity when used as a catalyst. The dispersion state of the metal nanoparticles can be represented by the average particle diameter of the metal nanoparticles and the amount of the metal nanoparticles per unit mass of the cellulose fiber. That is, the dispersion state of the metal nanoparticles can be defined by D = “amount of metal nanoparticles per unit mass of cellulose fiber” / “average particle diameter of metal nanoparticles”. As described above, the average particle diameter of the metal nanoparticles is preferably 1 to 50 nm. On the other hand, the amount of metal nanoparticles per unit mass of cellulose fiber can be expressed by “mol number of metal element in metal nanoparticle” / “mass of cellulose fiber”. The range is preferably 0.001 mmol / g cellulose to 10 mol / g cellulose, more preferably 0.01 mmol / g cellulose to 5 mol / g cellulose, and still more preferably 0.1 mmol / g cellulose to 1 mol / g cellulose. Therefore, D is preferably 0.00002 mmol / g cellulose / nm to 10 mol / g cellulose / nm, more preferably 0.0002 mmol / g cellulose / nm to 5 mol / g cellulose / nm, and 0.002 mmol / g cellulose / nm. More preferably, ˜1 mol / g cellulose / nm.
本発明の複合体は、金属ナノ粒子がセルロース系ファイバー表面に存在する酸基またはアルデヒド基が酸化されて生じた酸基を接点として、セルロース系ファイバー表面に担持されている。すなわち、金属ナノ粒子は、セルロース系ファイバー表面に存在する酸基を介してセルロース系ファイバー表面に固定されている。固定化に係る化学結合は、配位結合、水素結合、またはイオン結合が挙げられる。結合の状態は、X線光電子分光分析もしくは赤外分光分析により解析できる。 The composite of the present invention is supported on the surface of the cellulosic fiber by using, as a contact point, an acid group generated by oxidizing an acid group or an aldehyde group present on the surface of the cellulosic fiber. That is, the metal nanoparticles are fixed to the cellulosic fiber surface via acid groups present on the cellulosic fiber surface. The chemical bond for immobilization includes a coordination bond, a hydrogen bond, or an ionic bond. The bonding state can be analyzed by X-ray photoelectron spectroscopy or infrared spectroscopy.
金属Mのナノ粒子がセルロース系ファイバー表面に担持されている場合、本発明の複合体を「M複合体」と称することがある。例えば、金属Mが白金である複合体は、「白金複合体」と称される。 When the nanoparticles of the metal M are supported on the surface of the cellulosic fiber, the composite of the present invention may be referred to as “M composite”. For example, a complex in which the metal M is platinum is referred to as a “platinum complex”.
3.本発明の複合体の用途
本発明の複合体は、種々の反応の触媒として使用できる。特に本発明の複合体は、化合物の酸化または還元触媒として使用することが好ましい。化合物の例には、4−ニトロフェノールおよびメタノール等の有機物や、一酸化窒素等の無機物が含まれる。本発明の複合体は、水および有機溶媒に親和性を有するセルロースを含むため、溶媒に分散させて分散液とすることができる。この分散液中に化合物を装入し、触媒反応を行うことができる。触媒反応の条件は、対象となる化合物により適宜調整してよい。
3. Use of the complex of the present invention The complex of the present invention can be used as a catalyst for various reactions. In particular, the complex of the present invention is preferably used as a compound oxidation or reduction catalyst. Examples of the compound include organic substances such as 4-nitrophenol and methanol, and inorganic substances such as nitric oxide. Since the composite of the present invention contains cellulose having affinity for water and an organic solvent, it can be dispersed in a solvent to form a dispersion. A compound can be charged into this dispersion to conduct a catalytic reaction. The conditions for the catalytic reaction may be appropriately adjusted depending on the target compound.
また、本発明の複合体を含む分散液をガラス等の基板上に塗布してフィルムとしたものを反応系に装入して触媒反応を行ってもよい。あるいは、このフィルムに反応液を通過させて触媒反応を行ってもよい。 Alternatively, the dispersion containing the composite of the present invention may be applied on a substrate such as glass to form a film, and the reaction may be carried out by charging the reaction system. Alternatively, a catalytic reaction may be performed by passing a reaction solution through the film.
次に、本発明を実施例により更に詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。 EXAMPLES Next, although an Example demonstrates this invention still in detail, this invention is not limited to this.
<アルデヒド基を有するセルロース系ファイバー(パルプ)の製造>
漂白済み針葉樹未叩解パルプ(日本製紙製)5g(絶乾)を、N−オキシル化合物である2,2,6,6−テトラメチルピペリジン−1−オキシル(TEMPO、Sigma Aldrich社)78mg(0.5mmol)と、臭化ナトリウム754mg(7.4mmol)とを溶解した水溶液500mlに加え、パルプが均一に分散するまで撹拌した。反応系に2M次亜塩素酸ナトリウム水溶液8ml添加した後、0.5N塩酸水溶液でpHを10.3に調整し、酸化反応を開始した(酸化処理)。反応中は系内のpHは低下するが、0.5N水酸化ナトリウム水溶液を逐次添加し、pH10に調整した。2時間反応させた後、ガラスフィルターで濾過し、十分に水洗することでカルボキシル基量1.18mmol/g、アルデヒド量0.349mmol/gのセルロース系ファイバー(酸化パルプ)を得た。
<Manufacture of cellulose fiber (pulp) having an aldehyde group>
Bleached softwood unbeaten pulp (manufactured by Nippon Paper Industries Co., Ltd.) 5 g (absolutely dried) was converted to N-oxyl compound 2,2,6,6-tetramethylpiperidine-1-oxyl (TEMPO, Sigma Aldrich) 78 mg (0. 5 mmol) and 754 mg (7.4 mmol) of sodium bromide were dissolved, and the mixture was stirred until the pulp was uniformly dispersed. After adding 8 ml of 2M aqueous sodium hypochlorite solution to the reaction system, the pH was adjusted to 10.3 with 0.5N aqueous hydrochloric acid solution to start the oxidation reaction (oxidation treatment). During the reaction, the pH in the system was lowered, but a 0.5N aqueous sodium hydroxide solution was successively added to adjust the pH to 10. After reacting for 2 hours, the mixture was filtered through a glass filter and washed thoroughly with water to obtain a cellulose fiber (oxidized pulp) having a carboxyl group amount of 1.18 mmol / g and an aldehyde amount of 0.349 mmol / g.
(酸化パルプのカルボキシル基量)
酸化パルプの0.5質量%スラリーを60ml調製し、0.1M塩酸水溶液を加えてpH2.5とした後、0.05Nの水酸化ナトリウム水溶液を滴下してpHが11になるまで電気伝導度を測定し、電気伝導度の変化が緩やかな弱酸の中和段階において消費された水酸化ナトリウム量(a)から、下式を用いて算出した。
カルボキシル基量〔mmol/gパルプ〕= a〔ml〕× 0.05/酸化パルプ質量〔g〕。
(Carboxyl group content of oxidized pulp)
Prepare 60 ml of 0.5% by weight slurry of oxidized pulp, add 0.1 M hydrochloric acid aqueous solution to pH 2.5, then add 0.05 N aqueous sodium hydroxide solution dropwise until the pH is 11 Was calculated from the amount (a) of sodium hydroxide consumed in the neutralization step of the weak acid where the change in electrical conductivity was gradual, using the following equation.
Amount of carboxyl group [mmol / g pulp] = a [ml] × 0.05 / oxidized pulp mass [g].
(酸化パルプのアルデヒド基量)
酸化パルプを、亜塩素酸ナトリウム水溶液を用いて、アルデヒド基をカルボキシル基に変換した。変換前と変換後のカルボキシル基量の差を測定する事で、酸化パルプのアルデヒド基量を測定した。
(Aldehyde group content of oxidized pulp)
The oxidized pulp was converted from aldehyde groups to carboxyl groups using an aqueous sodium chlorite solution. By measuring the difference in the amount of carboxyl groups before and after conversion, the amount of aldehyde groups in the oxidized pulp was measured.
<酸化パルプシートの製造>
得られた酸化パルプを水道水にて0.1%に希釈し、丸型手漉き装置(東西精器製)を用い手漉きシートを作成した。作成したシートを送風乾燥機にて105℃20minで乾燥させて酸化パルプシートを完成させた。
<Manufacture of oxidized pulp sheet>
The obtained oxidized pulp was diluted to 0.1% with tap water, and a handmade sheet was prepared using a round handmade device (manufactured by Tozai Seiki). The prepared sheet was dried at 105 ° C. for 20 minutes by a blower dryer to complete an oxidized pulp sheet.
<実施例1>
上記で得られた酸化パルプシートを0.5mMのHAuCl4に12時間浸漬させた結果、浸漬後の酸化パルプシートは、白色から赤紫色へと変化した(図1(b))。また走査型電子顕微鏡(FESEM)による観察の結果、ファイバー表面に粒径10nm程度のナノ粒子が分散している状態で合成している事が示された(図2(b))。また金属担持された酸化パルプシートをX線回折(XRD)にて確認したところ、2θ=38°の位置にAu結晶のピークが得られた(図3(b))。さらに、エネルギー分散型X線分析(EDX)にてAu由来の特性X線のピークが確認された(図4)。また、本シートの触媒性能を4−ニトロフェノール(NP)から4−アミノフェノール(AP)への水系還元反応を、紫外・可視分光(UV−vis)分析で追跡することで評価した(図5) 。その結果、時間の経過に伴って、4−ニトロフェノールが減少し、4−アミノフェノールが増加することが確認された。
<Example 1>
As a result of immersing the oxidized pulp sheet obtained above in 0.5 mM HAuCl 4 for 12 hours, the oxidized pulp sheet after the immersion changed from white to reddish purple (FIG. 1B). Further, as a result of observation with a scanning electron microscope (FESEM), it was shown that synthesis was performed with nanoparticles having a particle size of about 10 nm dispersed on the fiber surface (FIG. 2B). Further, when the metal-supported oxidized pulp sheet was confirmed by X-ray diffraction (XRD), a peak of Au crystal was obtained at a position of 2θ = 38 ° (FIG. 3B). Furthermore, a characteristic X-ray peak derived from Au was confirmed by energy dispersive X-ray analysis (EDX) (FIG. 4). Further, the catalytic performance of this sheet was evaluated by following the aqueous reduction reaction from 4-nitrophenol (NP) to 4-aminophenol (AP) by ultraviolet / visible spectroscopy (UV-vis) analysis (FIG. 5). ) As a result, it was confirmed that 4-nitrophenol decreased and 4-aminophenol increased with the passage of time.
<比較例1>
上記で得られた酸化パルプシート(金属担持していないアルデヒド基とカルボキシル基を含むシート)の色は白色であった(図1(a))。また走査型電子顕微鏡による観察の結果、シートに金属ナノ粒子の付着は確認されなかった(図2(a))。またX線回折を確認したところ、2θ=38°の位置にAu結晶のピークは確認されなかった(図3(a))。
<Comparative Example 1>
The color of the oxidized pulp sheet obtained above (a sheet containing an aldehyde group and a carboxyl group not carrying a metal) was white (FIG. 1 (a)). Further, as a result of observation with a scanning electron microscope, adhesion of metal nanoparticles to the sheet was not confirmed (FIG. 2 (a)). Further, when X-ray diffraction was confirmed, a peak of Au crystal was not confirmed at a position of 2θ = 38 ° (FIG. 3 (a)).
<比較例2>
上記で得られた酸化パルプシートのアルデヒド基を全て酸化させてカルボキシル基に変換させた後、HAuCl4に12時間浸漬させた結果、シートの色の変化は見られなかった(図1(c))。
<Comparative example 2>
After all the aldehyde groups of the oxidized pulp sheet obtained above were oxidized and converted to carboxyl groups, the sheet was immersed in HAuCl 4 for 12 hours. As a result, no change in sheet color was observed (FIG. 1 (c)). ).
<実施例2>
漂白済み針葉樹未叩解パルプ(日本製紙製)5g(絶乾)を、TEMPO(Sigma Aldrich社)78mg(0.5mmol)と臭化ナトリウム754mg(7.4mmol)を溶解した水溶液500mlに加え、パルプが均一に分散するまで撹拌した。反応系に2M次亜塩素酸ナトリウム水溶液15.6ml(30mmol)添加した後、0.5N塩酸水溶液でpHを10.3に調整し、酸化反応を開始した(酸化処理)。反応中は系内のpHは低下するが、0.5N水酸化ナトリウム水溶液を逐次添加し、pH10に調整した。2時間反応させた後、ガラスフィルターで濾過し、十分に水洗することでカルボキシル基量1.65mmol/g、アルデヒド基量0.23mmol/gのセルロース系ファイバー(酸化パルプ)を得た。
<Example 2>
5 g (absolutely dried) of bleached softwood unbeaten pulp (made by Nippon Paper Industries Co., Ltd.) was added to 500 ml of an aqueous solution in which 78 mg (0.5 mmol) of TEMPO (Sigma Aldrich) and 754 mg (7.4 mmol) of sodium bromide were dissolved. Stir until evenly dispersed. After adding 15.6 ml (30 mmol) of 2M aqueous sodium hypochlorite solution to the reaction system, the pH was adjusted to 10.3 with 0.5N aqueous hydrochloric acid solution to start the oxidation reaction (oxidation treatment). During the reaction, the pH in the system was lowered, but a 0.5N aqueous sodium hydroxide solution was successively added to adjust the pH to 10. After reacting for 2 hours, the mixture was filtered through a glass filter and washed thoroughly with water to obtain a cellulose fiber (oxidized pulp) having a carboxyl group amount of 1.65 mmol / g and an aldehyde group amount of 0.23 mmol / g.
上記で得られた酸化パルプ5gを32mMのCuCl2・2H2O溶液0.25L中で1時間撹拌させた後、余分なCuCl2を脱水・洗浄により除去し、固形分20%の状態で12時間放置し、金属ナノ粒子を生成させた。 5 g of the oxidized pulp obtained above was stirred in 0.25 L of a 32 mM CuCl 2 .2H 2 O solution for 1 hour, and then excess CuCl 2 was removed by dehydration and washing. Allowed to stand for a period of time to generate metal nanoparticles.
<金属ナノ粒子担持酸化パルプシート>
上記で得られた金属ナノ粒子担持酸化パルプを水道水にて0.1%に希釈し、丸型手漉き装置(東西精器製)を用い手漉きシートを作成した。作成したシートを送風乾燥機にて105℃20minで乾燥させてシートを完成させた。このシートの走査型電子顕微鏡(FESEM)による観察の結果、ファイバー表面に粒径30nm程度のCuナノ粒子が分散している状態で合成している事が示された(図6)。
<Metal nanoparticle-supported oxidized pulp sheet>
The metal nanoparticle-supported oxidized pulp obtained above was diluted to 0.1% with tap water, and a handmade sheet was prepared using a round handmade device (manufactured by Tozai Seiki). The prepared sheet was dried at 105 ° C. for 20 minutes by a blow dryer to complete the sheet. As a result of observing the sheet with a scanning electron microscope (FESEM), it was shown that the sheet was synthesized with Cu nanoparticles having a particle size of about 30 nm dispersed on the fiber surface (FIG. 6).
<実施例3>
16mMのCuCl2溶液を用いた以外は、実施例2と同様に行った結果、ファイバー表面に粒子径30nm程度のCuナノ粒子が分散している状態で合成されている事が示された。
<Example 3>
As a result of carrying out in the same manner as in Example 2 except that a 16 mM CuCl 2 solution was used, it was shown that synthesis was performed in a state where Cu nanoparticles having a particle diameter of about 30 nm were dispersed on the fiber surface.
<実施例4>
32mMのAgNO3溶液を用いた以外は、実施例2と同様に行った結果、ファイバー表面に粒子径30nm程度のAgナノ粒子が分散している状態で合成されている事が示された。
<Example 4>
As a result of carrying out in the same manner as in Example 2 except that 32 mM AgNO 3 solution was used, it was shown that Ag nanoparticles having a particle diameter of about 30 nm were synthesized on the fiber surface.
<実施例5>
32mMのAgNO3溶液を用い、1時間の撹拌後に、還元剤としてアスコルビン酸を1.41g添加した以外は、実施例2と同様に行った結果、ファイバー表面に粒径30nmのAgナノ粒子が分散している状態で合成されていることが示された。
<Example 5>
As a result of carrying out in the same manner as in Example 2 except that 1.41 g of ascorbic acid was added as a reducing agent after stirring for 1 hour using a 32 mM AgNO 3 solution, Ag nanoparticles having a particle size of 30 nm were dispersed on the fiber surface. It was shown that it was synthesized in the state.
<実施例6>
実施例2と同様にして得た酸化パルプを固形濃度1質量%のスラリーとし、高圧ホモジナイザーにより20℃、140MPaの圧力で5回処理して透明なセルロースナノファイバー分散液を得た。上記で得られたセルロースナノファイバー分散液500gにCuCl2・2H2Oを8mmol加えて1時間撹拌させた後、24時間放置し、金属ナノ粒子を生成させた。その結果、粒子径30nm程度のCuナノ粒子が分散している状態で合成されていることが示された。
<Example 6>
The oxidized pulp obtained in the same manner as in Example 2 was made into a slurry having a solid concentration of 1% by mass, and treated with a high-pressure homogenizer at 20 ° C. and a pressure of 140 MPa five times to obtain a transparent cellulose nanofiber dispersion. To 500 g of the cellulose nanofiber dispersion obtained above, 8 mmol of CuCl 2 .2H 2 O was added and stirred for 1 hour, and then allowed to stand for 24 hours to produce metal nanoparticles. As a result, it was shown that Cu nanoparticles with a particle diameter of about 30 nm were synthesized in a dispersed state.
<実施例7>
8mmolのAgNO3を用いた以外は、実施例6と同様に行った結果、粒子径30nm程度のAgナノ粒子が分散している状態で合成されていることが示された。
<Example 7>
As a result of carrying out in the same manner as in Example 6 except that 8 mmol of AgNO 3 was used, it was shown that Ag nanoparticles having a particle diameter of about 30 nm were synthesized in a dispersed state.
<比較例3>
漂白済み針葉樹未叩解パルプ(日本製紙製)を酸化処理しなかったこと以外は、実施例2と同様に行った。ファイバー表面にはCuナノ粒子は観察されなかった(図7)。
<Comparative Example 3>
The same procedure as in Example 2 was conducted except that bleached softwood unbeaten pulp (manufactured by Nippon Paper Industries Co., Ltd.) was not oxidized. Cu nanoparticles were not observed on the fiber surface (FIG. 7).
Claims (10)
前記セルロース系ファイバーと金属化合物水溶液とを接触させて、前記セルロース系ファイバー表面のアルデヒド基によって前記金属化合物を還元し、前記セルロース系ファイバー表面に金属ナノ粒子を形成する工程2
を含む、金属ナノ粒子とセルロース系ファイバーとの複合体の製造方法。 Step 1 of preparing a cellulosic fiber having an aldehyde group on the surface, and contacting the cellulosic fiber with an aqueous metal compound solution to reduce the metal compound with an aldehyde group on the surface of the cellulosic fiber; Step 2 of forming metal nanoparticles on the surface
The manufacturing method of the composite_body | complex of a metal nanoparticle and a cellulose fiber containing this.
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