説明

白金コロイド溶液及びその製造方法

【解決課題】保護剤を含まない白金コロイド溶液に関し、高濃度であっても、凝集や沈殿を生じにくく、長期間安定性に優れるものを提供する。
【解決手段】本発明は、白金粒子からなる白金コロイドと、水又は水及び有機溶媒の混合溶媒よりなる溶媒とからなる保護剤を含まない白金コロイド溶液において、白金コロイド溶液中の白金含有量が300〜20000ppm、かつ、溶液はpH5.0〜12.0、電気伝導度100mS/m以下である白金コロイド溶液である。本発明に係る白金コロイド溶液は、白金塩溶液中の白金イオンを還元して白金粒子を形成することにより製造可能であるが、還元工程前に白金塩溶液のpH、溶存酸素濃度を調整する工程、及び、還元工程後に得られた白金コロイド溶液を限外ろ過して電気伝導度を調整すると共にpHを調整する工程、を有することが必要である。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、白金コロイド溶液及びその製造方法に関する。特に、高分子保護剤を含まない白金コロイド溶液及びその製造方法を提供する。
【背景技術】
【0002】
白金コロイドは、触媒として自動車排ガス処理用途等に利用されており、燃料電池の電極としても使用されている。また、近年では、白金の光学特性を利用したバイオセンサーへの利用や、抗酸化性を利用した食料品、化粧品等への利用も行われている。
【0003】
このような白金コロイドとしては、溶媒中に1〜100nm程度の白金微粒子を分散、懸濁し、溶媒として液体を用いた白金コロイド溶液が通常用いられている。これら白金コロイド溶液としては、高分子や界面活性剤等の保護剤を含むものが一般的である。保護剤を含むコロイド溶液では、コロイド粒子の表面に保護剤が吸着することにより、白金粒子同士の直接接触が抑制され、コロイドの凝集や沈殿を防ぐことができる。特許文献1には、保護剤としてポリ(アクリル酸エステル)を用いた白金コロイド溶液が記載されている。ポリ(アクリル酸エステル)を用いた場合、白金粒子の凝集を抑制できることに加え、粒子の粒径制御も可能となる。
【特許文献1】特開2005−2389号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかしながら、保護剤を含む白金コロイド溶液では、食料品や化粧品等の抗酸化剤用途において、人体に与える安全面での影響が問題となる場合がある。また、バイオセンサー用途に用いる場合、保護剤の種類によって、測定の検出感度が低下する場合があった。また、触媒用途では、白金表面が保護剤で被覆されることにより、触媒性能が充分には発揮されないことがあった。
【0005】
このため、白金コロイドの用途により、保護剤を含まない白金コロイド溶液の提供が求められる場合があるが、保護剤を含む白金コロイド溶液と比較すると、製造時に凝集や沈殿を生じやすいものであり、製造後に白金コロイド溶液を保管する際も、長期の保存が困難であった。また、白金コロイド溶液を用いて加工した食品等を、白金濃度の高いものとしたい場合、添加剤となる白金コロイド溶液の白金濃度も高いことが好ましい。しかし、保護剤を含まない白金コロイド溶液は、白金濃度の高いものとすると、特に白金粒子の凝集による沈殿を生じやすい傾向があった。
【0006】
そして、白金コロイド溶液を製造する際も、保護剤を含まない場合は、白金イオンの還元による白金粒子の形成が進行しにくい傾向があった。また、白金粒子の形成が進行した場合でも、白金粒子の凝集による沈殿が発生し、層分離等を生じやすいものであった。
【0007】
そこで、本発明は、保護剤を含まない白金コロイド溶液に関し、高濃度であっても、凝集や沈殿を生じにくく、長期間安定性に優れるものを提供することを目的とする。また、保護剤を含まない白金コロイド溶液の製造方法であって、白金イオンの還元が安定して進行し、凝集による沈殿を防いで、層分離等の発生を抑制できる方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本発明者等は、上記課題を解決するため、保護剤を含まず、かつ、白金濃度も高い白金コロイド溶液について鋭意検討を行った。そして、白金コロイド溶液を保存する際のpHに着目したところ、凝集による沈殿を生じやすい白金コロイド溶液は、保存中にpHが低下する傾向にあることが分かった。また、pHが低下しにくい白金コロイド溶液でも、電気伝導度が一定の値以上であると、長期間の保存中に、凝集による沈殿を生じる場合があった。その結果、pH及び電気伝導度が所定の範囲内である場合には、長期間、凝集による沈殿を生じにくい白金コロイド溶液となることを見出し、本発明に想到した。
【0009】
すなわち、本発明は、白金粒子からなる白金コロイドと、水又は水及び有機溶媒の混合溶媒よりなる溶媒とからなる保護剤を含まない白金コロイド溶液において、白金コロイド溶液中の白金含有量が300〜20000ppm、かつ、pH5.0〜12.0、電気伝導度100mS/m以下である白金コロイド溶液に関する。
【0010】
本発明の白金コロイド溶液は、保護剤を含まないため、食料品、化粧品、又はバイオセンサー等の用途に好適である。また、保護剤を含まない高濃度の白金コロイド溶液であるにもかかわらず、凝集や沈殿を生じにくく、30日以上安定して保存可能となる。このように、本発明の白金コロイド溶液の安定性が高いものとなるのは、pH及び電気伝導度が上記範囲内であることにより、溶液中で正又は負の電荷を帯びた白金粒子について、粒子間の斥力や引力のバランスが良好となるためと考えられる。
【0011】
この白金コロイド溶液は、白金含有量が300〜20000ppmと高濃度であるため、添加剤として用いた場合、加工後の製品を白金濃度の高いものとすることが容易となる。白金濃度は、20000ppmを超えると、凝集による沈殿が生じやすくなり、300ppm未満であると、添加剤として用いる場合、加工時の取り扱い性が不十分となる。白金含有量は、好ましくは600〜10000ppmである。
【0012】
本発明の白金コロイド溶液は、pH5.0〜12.0であるとともに、電気伝導度は、100mS/m以下であることにより、保護剤を含まないにもかかわらず、凝集や沈殿が発生しにくいものとなる。後述する製造方法において説明するように、白金コロイド溶液は、還元処理直後(製造から2日以内)はpH7.0〜12.0の範囲内であり、pH7.5〜10.5の範囲内であることが好ましい。pH7.0未満の場合や、pH12.0を超えると、凝集による沈殿が発生しやすくなる。
【0013】
還元処理後、保管中に白金コロイド溶液のpHは低下する場合があるが、低下後(製造から2日経過後)のpHが5.0〜11.0の範囲内であれば、凝集による沈殿が発生しにくいものとなる。pH5.0未満の場合や、pH11.0を超えると、凝集による沈殿が発生しやすくなる。この低下後のpHは、5.0〜10.5の範囲内であることが好ましい。
【0014】
電気伝導度は、溶液が電気を通しやすいかどうかの指標となる値であり、電気伝導度が大きいと、無機イオン等の電解質が多く含まれる傾向となり、白金粒子の分散性が低下するものと考えられる。無機イオンは、白金粒子の周りに集中しやすく、白金粒子間の斥力を低下させる要因となるためである。無機イオンとしては、白金コロイド溶液の製造過程において、ナトリウムイオンやカルシウムイオン等が含まれやすいことが知られている。電気伝導度は100mS/mを超えると、長期間保存した場合に、凝集による沈殿を生じる場合がある。電気伝導度は、低いほどpHの変動が少なく、長期安定性に優れた白金コロイド溶液となるため下限値は限定されない。但し、長期安定性と製造効率とのバランスを考慮する場合には、電気伝導度5mS/m以上とする。
【0015】
本発明の白金コロイド溶液の溶媒は、水又は水及び有機溶媒の混合溶媒よりなる。特に、溶媒が水であると、食料品や化粧品用途にも好適なものとなる。
【0016】
次に、白金コロイド溶液の製造方法について説明する。従来の白金コロイド溶液では、保護剤を含むものが一般的であり、溶媒中に白金塩と保護剤とを添加した後、還元処理等を行って製造するものであった。この方法では、製造工程の初期段階で保護剤を添加するため、溶液の安定性が向上し、製造工程で多少のpHや温度変化があっても、白金粒子の凝集や沈殿を生じることが少なかった。
【0017】
そして、本発明の保護剤を含まない白金コロイド溶液の製造方法は、基本的に、上記した従来の保護剤を含む白金コロイド溶液の製造方法と同様の還元方法を採用するものである。しかし、保護剤を含む場合と比べ、還元工程において、白金粒子の形成が良好に進行しない場合や、白金粒子の形成が進行しても、凝集による沈殿が発生して層分離を生じる場合があった。このような問題を解決すべく、本発明者等は、還元工程前の白金塩溶液の調製条件に着目したところ、pH及び溶存酸素濃度を調整することにより、白金粒子の形成を良好に進行させることができることを見出した。
【0018】
さらに、保護剤を含まない場合、還元工程後も、白金粒子の凝集による沈殿を生じやすかった。このため、本発明者等は、還元工程後の白金コロイド溶液の保存条件についても鋭意検討した。そして、還元工程後、得られた白金コロイド溶液の電気伝導度及びpHを一定範囲内に保持することにより、長期間安定して保存可能となる白金コロイド溶液が得られることを見出した。
【0019】
すなわち、本発明の白金コロイド溶液は、白金イオンの還元工程前に白金塩溶液のpH及び溶存酸素濃度を調整し、還元処理後には、得られた白金コロイド溶液の電気伝導度及びpHを調整する方法により製造できる。より具体的には、白金塩溶液中の白金イオンを還元し、白金粒子からなる白金コロイドを形成する還元工程を含む白金コロイド溶液の製造方法であって、還元工程前に、白金塩溶液のpHを7.0〜8.5に調整し、不活性ガスのバブリングにより溶存酸素濃度を1.0ppm以下に調整する工程を有し、還元工程後、得られた白金コロイド溶液を、限外ろ過により電気伝導度100mS/m以下、白金含有量300〜20000ppmの範囲内とし、pHを7.0〜12.0に調整する工程を有する白金コロイド溶液の製造方法である。
【0020】
以上説明したように、この製造方法によれば、保護剤を含まない白金コロイド溶液であっても、白金イオンの還元工程において、白金粒子の凝集沈殿による層分離等の発生を抑制できるとともに、還元工程後も、白金粒子を、4週間以上、凝集による沈殿を生じることなく保存できる。
【0021】
以下、本発明の白金コロイド溶液の製造方法について詳細に説明する。原料となる白金塩溶液には、ジニトロジアンミン白金塩、塩化白金酸、塩化第二白金、ヘキサヒドロキソ白金酸、テトラアンミン白金等のいずれか1種以上を使用できる。好ましくは、ジニトロジアンミン白金塩を用いる。また、これら白金塩を添加する溶媒としては、水又は水及び有機溶媒の混合溶媒を使用できる。尚、白金塩溶液中の白金濃度は、0.1〜10.0wt%のものを使用することが好ましい。白金塩溶液中の白金濃度を調整することにより、得られた白金コロイド溶液中における白金含有量の絶対量を調整できる。0.1wt%よりも濃度が薄いと全体の液量が増えてしまい、製造が困難になる。10.0wt%よりも濃度が濃いと白金塩が溶解しにくい傾向となる。
【0022】
白金塩溶液は、あらかじめpH及び溶存酸素濃度を調整してから、還元処理を行うものとする。このように、還元工程前の条件管理を厳格に行うことにより、保護剤を使用しなくとも、還元工程において白金コロイド粒子を安定して形成できる。具体的には、還元工程前にpHを7.0〜8.5に調整する。pHがこの範囲内であると、白金粒子の凝集による沈殿の発生等を抑制し、白金コロイド粒子を安定して形成できる。pH7.0未満や、8.5を超えると、白金粒子の凝集が生じやすい傾向がある。好ましくは、pH7.5〜7.9に調整する。
【0023】
上記した、白金塩溶液のpH調製は、水酸化ナトリウム及び/又は炭酸水素ナトリウムを用いて行うことが好ましい。これらのアルカリ性溶液を用いると、還元処理において層分離等が発生することなく安定して白金粒子を形成できる。また、pH調整は水酸化ナトリウムを添加した後、炭酸水素ナトリウムを添加することがさらに好ましい。pHの正確な調整が可能になるとともに、高濃度の白金コロイド溶液とすることも可能となる。
【0024】
また、還元工程の前には、上記pHの調整とともに溶存酸素濃度を調整する。溶存酸素濃度は、不活性ガスのバブリングによって、濃度1.0ppm以下となるように調整する。溶存酸素濃度が高くなると、還元工程において白金イオンの還元が進行しにくくなり、白金コロイドが不安定で凝集しやすい傾向となる。溶存酸素濃度が1.0ppmを超えると、白金コロイド溶液の液面に浮遊する凝集体が発生する場合がある。尚、バブリングに用いるガスとしては、アルゴンや窒素等を使用できる。
【0025】
pH及び溶存酸素濃度を調整した後、白金コロイドを形成するための還元処理を行う。この還元工程においては、還元剤として、水素、メタノール、エタノール、プロパノール、エチレングリコール、水素化ホウ素ナトリウム、ヒドラジン等の一般的な還元剤を使用できる。還元剤は、好ましくはエタノールを使用する。還元反応中の雰囲気ガスとしては、アルゴンガス、窒素ガス等を使用できる。酸化反応を抑制し、還元反応を充分に進行させることができるからである。
【0026】
還元反応は、加熱還流や、マイクロウェーブ等により行うことができる。還元反応の処理時間は、マイクロウェーブを用いる場合は0.2〜3時間、加熱還流による場合は3〜10時間とすることが好ましい。処理時間が短すぎると、白金粒子の形成が充分に進行せず、処理時間が長すぎると、凝集による沈殿が生じやすくなる。また、還元処理における液温は、70〜100℃とすることが好ましく、80〜92℃とすることがより好ましい。70℃未満では、還元反応が進行しにくい傾向があり、100℃より高温では、沈殿が生じやすくなる。
【0027】
還元処理後は、限外ろ過を行い、電気伝導度を100mS/m以下、白金含有量は、300〜20000ppmとする。白金含有量は、600〜10000ppmであると好ましい。限外ろ過によれば、未反応成分や、ナトリウムイオン、塩素、硝酸イオン等を取り除くことができ、製造した白金コロイド溶液の保存中における凝集沈殿を抑制できる。白金含有量は、限外ろ過時に溶媒を供給する量を調整することにより、容易に調整できる。白金含有量は、300ppm未満であると同じ白金量とするために多くの液量が必要なため、加工性に劣る傾向となり、20000ppmを超えると凝集による沈殿を生じやすくなる。限外ろ過には、分画分子量(MWCO:Molecular Weight Cut Off)が5000〜50000の限外ろ過膜(UF膜)を用いるのが好ましく、MWCOが7000〜20000のUF膜を用いることがより好ましい。MWCOが5000未満であると、限外ろ過時に目詰まりが生じやすい傾向となり、50000を超えると白金コロイドがUF膜を透過してしまう場合がある。尚、この限外ろ過の処理は少なくとも1回行うが、複数回繰返し行っても良い。また、複数回の限外ろ過を行う場合、ろ過毎に溶媒添加量を適宜に変更しながら調整して白金含有量を調整しても良い。
【0028】
そして、還元処理後は、限外ろ過を行うとともに、得られた白金コロイド溶液のpHを7.0〜12.0に調整する。pHは7.5〜10.0に調整することが好ましい。pH調整には、アルカリ性のpH調整剤、例えば、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化カルシウム、アンモニア等を用いることができ、好ましくは水酸化ナトリウムを用いる。白金コロイドを形成した後、速やかにpH調整することにより、長期間、凝集や沈殿を生じにくい白金コロイド溶液とすることができる。また、限外ろ過処理後、pHを調整した白金コロイド溶液を保存している間にpHが変動した場合、再度pHを7.0〜12.0に調整することが好ましい。このとき、pH7.5〜10.0に調整すると、より好ましい。
【0029】
還元処理後、白金コロイド溶液のpHがやや低下する場合があるが、上記したようにpH調整を数回繰り返す方法によれば、保存中にpHが低下した白金コロイド溶液であっても、pH調整を数回繰り返すことにより、pHの変動しにくい白金コロイド溶液となることが分かった。
【発明の効果】
【0030】
以上で説明したように、本発明に係る白金コロイド溶液は、長期間凝集による沈殿が発生しにくく、分散性の高いものであり、保護剤を含まないため食品や化粧品用途にも好適である。また、白金濃度が300〜20000ppmであるため、添加剤として用いた場合に、製品に加工した後の白金濃度を高めることも容易となる。さらに、本発明の白金コロイドの製造方法によれば、白金イオンの還元が安定して進行し、層分離等の発生を抑制できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0031】
以下、本発明における最良の実施形態について説明する。
【0032】
実施例1:Pt濃度4.53wt%のジニトロジアンミン白金6.62g(Pt含有量300mg)を、水300mL中に添加し白金塩溶液を調整した。この白金塩溶液に、1%水酸化ナトリウムを添加してpH7.56に調整した後、4%炭酸水素ナトリウムを添加してpH7.80に調整した。次に、還元剤としてエタノール60gを添加した後、2L/minの速度でArガスによるバブリングを10分間行った。蛍光式酸素計(オートマチックシステムリサーチ社製、FO−960)を用いて酸素濃度を測定したところ、酸素濃度は検出限界以下(0.1ppm以下)であった。そして、1L/minでArガスを供給しながら、マイクロウェーブにて、2450MHz、120〜130Wとして、87℃で100分間還元処理を行い、白金粒子からなる白金コロイドを形成した。
【0033】
得られた溶液は、放冷し、3μmのフィルターによりろ過処理を行い、凝集のないことを確認した。その後、ロータリーエバポレーターを用いて、過剰なエタノールを取り除いた。このときの白金コロイド溶液は、電気伝導度457mS/m、pH8.37であった。その後、水酸化ナトリウムを用いて、白金コロイド溶液をpH11に調整した。調整後の電気伝導度は、469mS/mであった。
【0034】
pH調整後、分画分子量が10000の限外ろ過膜を用いて、4kgf/cmの加圧条件で限外ろ過を行った。純水を加えて更に限外ろ過を行った。これを3回繰り返した。3回目の限外ろ過終了後の電気伝導度は、10mS/mであった。限外ろ過後、水酸化ナトリウムを用いてpH9.50に調整し白金コロイド溶液を得た。得られた白金コロイド溶液については、以下に示すような安定性の評価を行った。尚、この時の白金コロイド溶液は、質量13.2g、Pt濃度12140ppm、pH9.50、電気伝導度23mS/mであった。
【0035】
実施例2〜7:表1に示すようにpHや電気電導度等の製造条件を変化させて得られた白金コロイド溶液について、実施例1と同様に安定性の評価を行った。実施例7は、86℃で4時間、加熱還流させることにより還元反応させた。また、これらの実施例では、限外ろ過後に添加する純水量を調整して種々の粒子濃度のコロイド溶液とした。
【0036】
比較例1〜6:比較例1、2は、還元処理前のpHを6.50と、9.30に調整し、比較例5では、Arのバブリングを行わなかった。比較例2、6は、還元工程後にpHを12.3と、5.93に調整し、比較例4は、電気伝導度を307mS/mに調整した。また、比較例3については、還元処理後の限外ろ過において、白金粒子濃度を21000ppmまで濃縮して得られた白金コロイド溶液について、安定性の評価を行った。
【0037】
[安定性の評価]
得られた白金コロイド溶液は、室温において、保存容器を密封した状態で静置して安定性の評価を行った。白金コロイド製造直後の数日間は、24時間ごとにpHを測定し、この測定をpHが安定するまで行った。また、得られた白金コロイド溶液は、凝集や沈殿が発生するまで評価を行った。安定性の評価は、最大で1ヶ月行った。
【0038】
【表1】

【0039】
以上より、実施例1〜7のように、白金含有量が300〜20000ppm、pH5.0〜12.0、電気伝導度100mS/m以下である白金コロイド溶液は、1ヶ月以上、凝集や沈殿を生じない白金コロイド溶液となった。一方、比較例1〜6のように、上記いずれかの条件を満たさない場合には、凝集や沈殿を生じてしまい、長期間保存をすることができなかった。
【0040】
また、実施例1〜7のように、白金塩溶液をpH7.0〜8.5、溶存酸素濃度1.0ppm以下とした後に還元処理を行い、得られた白金コロイド溶液をpH7.0〜12.0、電気伝導度100mS/m以下とした場合、1ヶ月以上、凝集や沈殿を生じない白金コロイド溶液を得ることができた。一方、比較例1〜6のように、いずれかの条件を満たさない場合には、得られた白金コロイド溶液を保存すると凝集や沈殿を生じるものとなった。
【0041】
[抗酸化性試験]
上記により得られた実施例2の白金コロイド溶液について、超純水で希釈し約200ppmに調整後、ヒドロキシルラジカル消去活性の評価を行った。比較として、ポリビニルピロリドン(PVP)を保護剤として含む白金コロイド溶液(従来例1)、及びポリアクリル酸(PAA)を保護剤として含む白金コロイド溶液(従来例2)についても、同様の活性測定を行った。
【0042】
ヒドロキシルラジカル消去活性
DMPOを用いたスピントラッピング法により、過酸化水素−Fe2+系で発生させたヒドロキシルラジカルを捕捉して、白金コロイド溶液による消去活性を測定した。活性は、マンニトールの相当量で表す。
【0043】
【表2】

【0044】
以上より、実施例2の白金コロイド溶液の抗酸化活性は、低濃度のコロイド溶液であっても、従来例1、2の保護剤を用いた白金コロイド溶液より高い抗酸化活性を有することが分かった。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
白金粒子からなる白金コロイドと、水又は水及び有機溶媒の混合溶媒よりなる溶媒とからなる保護剤を含まない白金コロイド溶液において、
白金コロイド溶液中の白金含有量が300〜20000ppm、かつ、pH5.0〜12.0、電気伝導度100mS/m以下である白金コロイド溶液。
【請求項2】
白金塩溶液中の白金イオンを還元し、白金粒子からなる白金コロイドを形成する還元工程を含む請求項1に記載した白金コロイド溶液の製造方法であって、
還元工程前に、白金塩溶液のpHを7.0〜8.5に調整し、不活性ガスのバブリングにより溶存酸素濃度を1.0ppm以下に調整する工程を有し、
還元工程後、得られた白金コロイド溶液を、限外ろ過により電気伝導度100mS/m以下、白金含有量300〜20000ppmの範囲内とし、pHを7.0〜12.0に調整する工程を有する白金コロイド溶液の製造方法。
【請求項3】
白金塩として、ジニトロジアンミン白金塩を用いる請求項2に記載の白金コロイド溶液の製造方法。
【請求項4】
白金塩溶液のpH調製は、水酸化ナトリウム及び/又は炭酸水素ナトリウムにより行う請求項2又は請求項3に記載の白金コロイド溶液の製造方法。
【請求項5】
還元処理後のpH調整は、水酸化ナトリウムにより行う請求項2〜請求項4のいずれかに記載の白金コロイド溶液の製造方法。

【公開番号】特開2009−228067(P2009−228067A)
【公開日】平成21年10月8日(2009.10.8)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2008−75305(P2008−75305)
【出願日】平成20年3月24日(2008.3.24)
【出願人】(000217228)田中貴金属工業株式会社 (146)
【Fターム(参考)】