JP7606138B2 - Oxidation-reduction reactor - Google Patents
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Description
本発明は、酸化還元反応装置に関する。 The present invention relates to an oxidation-reduction reaction device.
従来、水溶液内で酸化還元反応を進行させて、水の分解反応を生じさせる酸化還元反応装置が知られている。従来の酸化還元反応装置は、一般に半導体光電極と光発電素子を組み合わせて構成される。 Conventionally, there is known an oxidation-reduction reaction device that causes a water decomposition reaction by promoting an oxidation-reduction reaction in an aqueous solution. Conventional oxidation-reduction reaction devices are generally configured by combining a semiconductor photoelectrode and a photovoltaic element.
半導体光電極による水の分解反応は、水の酸化反応とプロトンの還元反応からなる。半導体光電極を構成する光触媒材料に光を照射すると、光触媒材料内で正孔(h+)と電子(e-)が生成されて分離する。正孔は、半導体光電極の表面に移動し、式(1)に示すように、水の酸化反応に寄与する。一方、電子は、半導体光電極と同じ水溶液内に挿入された還元電極へ導線を介して移動し、式(2)に示すように、プロトン(H+)の還元反応に寄与する。 The water splitting reaction by a semiconductor photoelectrode consists of a water oxidation reaction and a proton reduction reaction. When light is irradiated onto the photocatalytic material that constitutes the semiconductor photoelectrode, holes (h + ) and electrons ( e- ) are generated and separated within the photocatalytic material. The holes move to the surface of the semiconductor photoelectrode and contribute to the water oxidation reaction as shown in equation (1). Meanwhile, the electrons move via a conductor to a reduction electrode inserted in the same aqueous solution as the semiconductor photoelectrode and contribute to the proton (H + ) reduction reaction as shown in equation (2).
2H2O+4h+→O2+4H+ …(1)
4H++4e-→2H2 …(2)
上記酸化反応及び還元反応が進行することで、水の分解反応が生じ、目的生成物である水素が生成される。
2H 2 O+4h + →O 2 +4H + …(1)
4H + +4e - → 2H 2 … (2)
As the above oxidation and reduction reactions proceed, a water decomposition reaction occurs, producing hydrogen, which is the target product.
光発電素子は、半導体光電極の受光面の裏側に配置され、半導体光電極と還元電極との間を接続する導線上に接続される。光発電素子は、半導体光電極を透過した光を受光して正孔と電子を生成し、それぞれを半導体光電極と還元電極に供給する。また、光発電素子は、受光した光により発電して半導体光電極と還元電極との間を昇圧し、酸化還元反応系の起電力を増加させ、酸化還元反応の効率を向上させる。 The photovoltaic element is placed on the back side of the light-receiving surface of the semiconductor photoelectrode and is connected to a conductor that connects the semiconductor photoelectrode and the reduction electrode. The photovoltaic element receives light that has passed through the semiconductor photoelectrode, generates holes and electrons, and supplies them to the semiconductor photoelectrode and the reduction electrode, respectively. The photovoltaic element also generates electricity from the received light, increasing the voltage between the semiconductor photoelectrode and the reduction electrode, increasing the electromotive force of the redox reaction system and improving the efficiency of the redox reaction.
従来の酸化還元反応装置では、光発電素子で起電力を増加させ、酸化還元反応の効率を向上させる。しかしながら、酸化反応を含む半導体光電極の抵抗は光発電素子の抵抗に比べて大きいため、光発電素子で生じた正孔が目的とする水の酸化反応に必要な分量よりも過剰に半導体光電極に供給された場合、半導体光電極の発熱や劣化反応の促進に繋がり、半導体光電極が劣化し、水の分解反応の長時間駆動を阻害する要因となる。半導体光電極として窒化ガリウム(GaN)系薄膜を用いた場合、式(3)に示すような劣化反応が生じる。In conventional redox reaction devices, the photovoltaic element increases the electromotive force and improves the efficiency of the redox reaction. However, the resistance of the semiconductor photoelectrode, which involves the oxidation reaction, is greater than the resistance of the photovoltaic element. Therefore, if holes generated by the photovoltaic element are supplied to the semiconductor photoelectrode in excess of the amount required for the target water oxidation reaction, this leads to heat generation and accelerated degradation reactions in the semiconductor photoelectrode, causing the semiconductor photoelectrode to deteriorate and hindering the long-term operation of the water decomposition reaction. When a gallium nitride (GaN)-based thin film is used as the semiconductor photoelectrode, the degradation reaction shown in formula (3) occurs.
2GaN+3H2O+6h+→Ga2O3+6H++N2 …(3)
一方、光発電素子で生じた正孔が目的反応に必要な分量よりも少ない場合、水の分解反応が抑制されてしまう可能性があり、光発電素子の発熱や劣化の促進に繋がるおそれもある。
2GaN+3H 2 O+6h + →Ga 2 O 3 +6H + +N 2 …(3)
On the other hand, if the number of holes generated in the photovoltaic element is less than the amount required for the target reaction, the water splitting reaction may be suppressed, which may lead to heat generation and accelerated deterioration of the photovoltaic element. .
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、半導体光電極の劣化を抑制し、光エネルギーを利用した酸化還元反応を長時間駆動可能な技術を提供することである。The present invention has been made in consideration of the above circumstances, and the object of the present invention is to provide a technology that suppresses deterioration of semiconductor photoelectrodes and enables an oxidation-reduction reaction using light energy to be driven for a long period of time.
本発明の一態様の酸化還元反応装置は、光により水溶液と酸化反応を進行する半導体光電極と、前記半導体光電極から導線を介して移動した電子により水溶液又は気体と還元反応を進行する還元電極と、前記半導体光電極の受光面の裏側に配置され、前記導線上に接続され、前記半導体光電極を透過した光により発電する光発電素子と、前記半導体光電極と前記光発電素子との間の光路上に配置され、前記半導体光電極を透過して前記光発電素子に到達する光の所定波長域を取り除き、又は光の強度を弱めるカットフィルタと、を備える。 One embodiment of the redox reaction device of the present invention comprises a semiconductor photoelectrode that undergoes an oxidation reaction with an aqueous solution in response to light, a reduction electrode that undergoes a reduction reaction with an aqueous solution or gas using electrons transferred from the semiconductor photoelectrode via a conductor, a photovoltaic element that is arranged on the back side of the light-receiving surface of the semiconductor photoelectrode and connected to the conductor and generates electricity using light that has passed through the semiconductor photoelectrode, and a cut filter that is arranged on the optical path between the semiconductor photoelectrode and the photovoltaic element and removes a predetermined wavelength range of light that has passed through the semiconductor photoelectrode to reach the photovoltaic element or reduces the intensity of the light.
本発明によれば、半導体光電極の劣化を抑制し、光エネルギーを利用した酸化還元反応を長時間駆動可能な技術を提供できる。 The present invention provides a technology that suppresses the deterioration of semiconductor photoelectrodes and enables oxidation-reduction reactions using light energy to be driven for long periods of time.
以下、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。図面の記載において同一部分には同一符号を付し説明を省略する。Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In the description of the drawings, the same parts are given the same reference numerals and the description will be omitted.
[発明の概要]
本発明は、半導体光電極と光発電素子との間の光路上に、半導体光電極を透過した光の所定波長域を取り除く、又は光の強度を弱めるカットフィルタを設ける。光発電素子の前段にカットフィルタを設けることで、光発電素子から生じる光電流を半導体光電極から生じる光電流と同じになるように制御する。つまり、カットフィルタにより、半導体光電極と光発電素子を組合せて水の分解反応の効率を最大化させつつ、光発電素子で生じた正孔数を半導体光電極で生じる電子数と同程度になるように制御する。これにより、半導体光電極の発熱や劣化を抑制し、光エネルギーを利用した酸化還元による水の分解反応の長時間駆動、酸化還元反応装置の長寿命化を実現する。
Summary of the Invention
In the present invention, a cut filter is provided on the optical path between the semiconductor photoelectrode and the photovoltaic element to remove a specific wavelength range of light transmitted through the semiconductor photoelectrode or to weaken the intensity of the light. By providing a cut filter in front of the photovoltaic element, the photocurrent generated by the photovoltaic element is controlled to be the same as the photocurrent generated by the semiconductor photoelectrode. In other words, the cut filter maximizes the efficiency of the water splitting reaction by combining the semiconductor photoelectrode and the photovoltaic element, while controlling the number of holes generated in the photovoltaic element to be approximately the same as the number of electrons generated in the semiconductor photoelectrode. This suppresses heat generation and deterioration of the semiconductor photoelectrode, and realizes long-term operation of the water splitting reaction by oxidation-reduction using light energy and a long life for the oxidation-reduction reaction device.
なお、水の分解反応は、目的反応の一例である。還元電極の金属の種類や還元電極側の槽内の雰囲気を変えることで、水の分解反応以外の反応、つまり水素以外の目的生成物にも適用可能である。すなわち、本発明は、酸化還元反応を進行させる任意の酸化還元反応装置に適用可能である。The water decomposition reaction is one example of a target reaction. By changing the type of metal in the reduction electrode or the atmosphere in the tank on the reduction electrode side, the present invention can be applied to reactions other than water decomposition reactions, that is, target products other than hydrogen. In other words, the present invention can be applied to any oxidation-reduction reaction device that advances an oxidation-reduction reaction.
[酸化還元反応装置の構成]
図1は、本実施形態に係る酸化還元反応系の構成を示す図である。
[Configuration of the oxidation-reduction reaction device]
FIG. 1 is a diagram showing the configuration of an oxidation-reduction reaction system according to this embodiment.
当該酸化還元反応系は、酸化還元反応装置1と、光源2と、を備える。光源2は、例えば、キセノンランプ、水銀ランプ、ハロゲンランプ、疑似太陽光源、太陽光、又はこれらを組み合わせた光源である。The redox reaction system includes an
酸化還元反応装置1は、槽11と、水溶液12と、半導体光電極13と、還元電極14と、光発電素子15と、カットフィルタ16と、導線17と、を備える。The
水溶液12は、例えば、水酸化ナトリウム水溶液、水酸化カリウム水溶液、塩化ナトリウム水溶液、塩化カリウム水溶液、塩酸である。
The
半導体光電極13は、例えば、窒化ガリウム、窒化物半導体である。光触媒機能を有する酸化チタン、酸化タングステン、酸化ガリウム等の金属酸化物、硫化カドミウム等の化合物半導体でもよい。半導体光電極13は、槽11内の水溶液12に挿入され、光発電素子15及び導線17を通じて同じ水溶液12内の還元電極14に接続される。半導体光電極13は、自身を構成する光触媒材料に光源2から光が照射されると、光触媒材料内で正孔と電子を生成して分離する。正孔は、半導体光電極13の表面に移動し、その表面で水の酸化反応を進行する。そのため、半導体光電極13は、酸化電極として機能する。一方、電子は、光発電素子15及び導線17を介して還元電極14へ移動する。The
還元電極14は、金属、金属化合物であり、例えば、ニッケル、鉄、金、白金、銀、銅、インジウム、チタンである。還元電極14の形状は、例えば、線体、板体、金網、導電性基板の上に金属粒子が塗布された電極基板である。還元電極14は、光発電素子15及び導線17を介して半導体光電極13から移動してきた電子により、表面でプロトンの還元反応を進行する。これにより、目的生成物である水素が生成される。The
光発電素子15は、例えば、シリコン系素子、セレン化銅インジウムガリウム系素子、III-V族系素子、テルル化カドミウム系素子、色素増感系素子、有機半導体系素子である。光発電素子15は、半導体光電極13の受光面の裏側で更にカットフィルタ16の裏側に配置され、導線17上に接続される。光発電素子15は、半導体光電極13及びカットフィルタ16を透過した光を受光して正孔と電子を生成し、それぞれを半導体光電極13と還元電極14に供給する。また、光発電素子15は、受光した光により発電して半導体光電極13と還元電極14との間を昇圧し、酸化還元反応系の起電力を増加させ、酸化還元反応の効率を向上させる。The
カットフィルタ16は、例えば、所定の波長域を取り除く除去フィルタ、光強度を一様に減衰させる減光フィルタである。市中に流通しているフィルタを流用してもよい。カットフィルタ16は、半導体光電極13と光発電素子15との間の光路上に配置され、半導体光電極13を透過して光発電素子15に到達する光の所定波長域を取り除き、又は光の強度を弱める。例えば、カットフィルタ16は、半導体光電極13及び自身を透過した光により光発電素子15で生じる電流値(光発電素子で生じる正孔数)が、光源2の光により半導体光電極13で生じる電流値(半導体光電極で生じる電子数)と同じになるように、半導体光電極13を透過して光発電素子15に到達する光の所定波長域を取り除き、又は光の強度を弱める。The
なお、水の分解反応は、目的反応の一例である。酸化還元反応装置1は、水素以外の目的生成物にも適用可能である。具体的には、還元電極14の金属の種類(例えば、Ni、Fe、Au、Pt、Ag、Cu、In、Ti、Co、Ru)を変更したり、半導体光電極13と還元電極14の各槽を分けて還元電極14の槽内の雰囲気を気体に変更したり、その気体や水溶液の種類を変更したりすることで、例えば、二酸化炭素の還元反応による炭素化合物の生成、窒素の還元反応によるアンモニアの生成も可能である。The water decomposition reaction is an example of a target reaction. The
[実施例1]
[半導体光電極の作製]
GaN基板上にn-GaNの半導体薄膜を有機金属気相成長法(MOCVD:Metal Organic Chemical Vapor Deposition)によりエピタキシャル成長させた。n-GaNの膜厚は、2μmとした。キャリア密度は、3×1018cm-3であった。その後、インジウム(In)の組成比を5%としたInGaNを成長させた。InGaNの膜厚は、光を十分に吸収するに足る100nmとした。InGaNの表面に膜厚が約1nmのNiを真空蒸着した。この半導体薄膜を空気中、300℃で1時間熱処理することで、NiOを形成した。NiOの断面を透過型電子顕微鏡(TEM:Transmission Electron Microscope)で観察すると、その膜厚は2nmであった。NiOの光透過率を測定すると、太陽光のうち約400nm以下の光を吸収していることがわかった。
[Example 1]
[Fabrication of semiconductor photoelectrode]
A semiconductor thin film of n-GaN was epitaxially grown on a GaN substrate by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD). The thickness of the n-GaN was 2 μm. The carrier density was 3×10 18 cm -3 . Then, InGaN with a composition ratio of indium (In) of 5% was grown. The thickness of the InGaN was 100 nm, which is enough to absorb light. Ni with a thickness of about 1 nm was vacuum-deposited on the surface of the InGaN. This semiconductor thin film was heat-treated in air at 300°C for 1 hour to form NiO. When the cross section of the NiO was observed with a transmission electron microscope (TEM), the thickness was 2 nm. When the optical transmittance of NiO was measured, it was found that it absorbed sunlight of about 400 nm or less.
[酸化還元反応試験]
InGaNの表面をけがき、露出したn-GaN表面の一部に導線を接続し、Inを用いてはんだ付けした。その後、Inの表面が露出しないようにエポキシ樹脂で被覆した。これを半導体光電極13として水溶液12内に設置した。水溶液12には、1mol/lの水酸化ナトリウム水溶液を用いた。還元電極14には、白金を用いた。光発電素子15には、Si系p-n接合半導体からなるものを用いた。
[Oxidation-reduction reaction test]
The surface of the InGaN was scribed, and a conductor was connected to a part of the exposed n-GaN surface, and soldered using In. The In surface was then covered with epoxy resin so that it would not be exposed. This was placed in an
光発電素子15は、半導体光電極13を透過した約400nm以上の光のうち約1100nmまでの光を吸収可能であり、自身が生み出す電流は、半導体光電極13が生み出す電流に比べて大きい。光発電素子15単体の短絡電流は、約10mAであった。それぞれの起電力は、光発電素子15では0.6V、半導体光電極13では1.2Vであった。The
光発電素子15と半導体光電極13との間の光路上に、960nm以下の波長領域の光をカットするカットフィルタ16を設置した。SIX960のような長波長カットフィルタでもよい。カットフィルタ16を用いることで、光発電素子15から生じる光電流値を、事前に測定していた半導体光電極13と還元電極14との間の光電流値(1.0mA(0.6V印加時))と等しくした。A
槽11内に窒素ガスを10ml/minで流し込み、半導体光電極13の受光面積を1cm2とし、撹拌子とスターラーを用いて250rpmの回転速度で槽底の中心位置で水溶液12を攪拌した。槽11内が窒素ガスに十分に置換された後、光源2を上述の手順で作製した半導体光電極13のNiO形成面に向くように固定した。光源2には300Wの高圧キセノンランプを用い、半導体光電極13及び光発電素子15に対して光を均一に照射した。光照射してから10時間後、50時間後、100時間後、200時間後、300時間後に、槽11内のガスを採取し、ガスクロマトグラフで反応生成物を分析した。その結果、酸素と水素が生成していることを確認した。
Nitrogen gas was flowed into the
[実施例2]
[半導体光電極の作製]
GaN基板上にn-GaNの半導体薄膜をMOCVD法によりエピタキシャル成長させた。n-GaNの膜厚は、2μmとした。キャリア密度は、3×1018cm-3であった。その後、金属タンタル又は酸化タンタルをスパッタリング成膜して窒化処理することで、Ta3N5薄膜を形成した。Ta3N5の膜厚は、光を十分に吸収するに足る500nmとした。Ta3N5の表面に膜厚が約1nmのNiを真空蒸着した。この半導体薄膜を空気中、300℃で1時間熱処理することで、NiOを形成した。NiOの断面をTEMで観察すると、その膜厚は2nmであった。NiOの光透過率を測定すると、太陽光のうち約600nm以下の光を吸収していることがわかった。
[Example 2]
[Fabrication of semiconductor photoelectrode]
A semiconductor thin film of n-GaN was epitaxially grown on a GaN substrate by MOCVD. The thickness of the n-GaN was 2 μm. The carrier density was 3×10 18 cm −3 . Then, a Ta 3 N 5 thin film was formed by sputtering tantalum metal or tantalum oxide and nitriding. The thickness of the Ta 3 N 5 was 500 nm, which is sufficient for absorbing light. Ni was vacuum-deposited on the surface of the Ta 3 N 5. This semiconductor thin film was heat-treated in air at 300° C. for 1 hour to form NiO. When the cross section of the NiO was observed with a TEM, the thickness was 2 nm. When the light transmittance of NiO was measured, it was found that it absorbed sunlight of about 600 nm or less.
[酸化還元反応試験]
Ta3N5の表面をけがき、露出したn-GaN表面の一部に導線を接続し、Inを用いてはんだ付けした。その後、In表面が露出しないようにエポキシ樹脂で被覆した。これを半導体光電極13として水溶液12内に設置した。
[Oxidation-reduction reaction test]
The surface of the Ta3N5 was scratched, and a conductor was connected to a part of the exposed n-GaN surface, and soldered using In. After that, it was covered with epoxy resin so that the In surface was not exposed. This was placed in an
光発電素子15は、半導体光電極13を透過した約600nm以上の光のうち約1100nmまでの光を吸収可能であり、自身が生み出す電流は、半導体光電極13が生み出す電流に比べて大きい。光発電素子15単体の短絡電流は、約10mAであった。それぞれの起電力は、光発電素子15では0.6V、半導体光電極13では0.8Vであった。この光発電素子15を半導体光電極13と還元電極14との間に2つ直列接続した。The
光発電素子15と半導体光電極13との間の光路上に、840nm以下の波長領域の光をカットするカットフィルタ16を設置した。SIX840のような長波長カットフィルタでもよい。カットフィルタ16を用いることで、光発電素子15から生じる光電流値を、事前に測定していた半導体光電極13と還元電極14との間の光電流値(2.0mA(1.2V印加時))と等しくした。A
以降は、実施例1と同様に行った。 The rest of the procedure was the same as in Example 1.
[比較対象例1]
比較対象例1では、光発電素子15とカットフィルタ16を用いないこととした。以降は、実施例1と同様に行った。
[Comparative Example 1]
In Comparative Example 1, the
[比較対象例2]
比較対象例2では、カットフィルタ16を用いないこととした。以降は、実施例1と同様に行った。
[Comparative Example 2]
In Comparative Example 2, the
[比較対象例3]
比較対象例3では、カットフィルタ16を用いて、光発電素子15から生じる光電流値を、事前に測定していた半導体光電極13と還元電極14との間の光電流値(1.0mA)よりも小さくなるように、0.5mAに制御した。以降は、実施例1と同様に行った。
[Comparative Example 3]
In Comparative Example 3, the
[比較対象例4]
比較対象例4では、光発電素子15とカットフィルタ16を用いないこととした。以降は、実施例2と同様に行った。
[Comparative Example 4]
In Comparative Example 4, the
[比較対象例5]
比較対象例5では、カットフィルタ16を用いないこととした。以降は、実施例2と同様に行った。
[Comparative Example 5]
In Comparative Example 5, the
[比較対象例6]
比較対象例6では、カットフィルタ16を用いて、光発電素子15から生じる光電流値を、事前に測定していた半導体光電極13と還元電極14との間の光電流値(2.0mA)よりも小さくなるように、1.0mAに制御した。以降は、実施例2と同様に行った。
[Comparative Example 6]
In Comparative Example 6, the
[実験結果]
実施例及び比較対象例における、光照射時間に対する酸素・水素ガスの生成量を表1に示す。
[Experimental Results]
Table 1 shows the amounts of oxygen and hydrogen gas produced versus the light irradiation time in the examples and comparative examples.
各ガスの生成量は、半導体光電極13の表面積で規格化して示した。どの例でも、光照射時に酸素と水素が生成していることがわかった。The amount of each gas produced is shown normalized by the surface area of the
実施例1と比較対象例1、2を比較すると、光発電素子15を組み合わせることでガス生成量が著しく向上することがわかった。
Comparing Example 1 with Comparative Examples 1 and 2, it was found that the amount of gas generated was significantly improved by combining the
また、実施例1と比較対象例1、3を比較すると、比較対象例3のガス生成量は、実施例1と同様に光発電素子15を組み合わせているにも関わらず、実施例1とは異なり、比較対象例1と同程度であった。これは、カットフィルタ16によって、光発電素子15から生じる電流量を半導体光電極13から生じるものよりも低下させているため、比較対象例3では光発電素子15による酸化還元反応の効率向上の効果が発現されなかったものと考えられる。
In addition, when comparing Example 1 with Comparative Examples 1 and 3, the amount of gas generated in Comparative Example 3 was similar to that of Comparative Example 1, unlike Example 1, despite the incorporation of a
また、実施例1と比較対象例2を比較すると、光照射から10時間後のガス生成量に違いはなかった。一方で、実施例1の場合では300時間後も同様の特性を維持できたにも関わらず、比較対象例2では10時間以降徐々に水素生成量が低下していき、100時間以降にはほぼ失活した。酸素生成量も100時間後にほぼ失活した。比較対象例2の光照射50時間後及び100時間後の水素と酸素の生成比は2:1ではなかった。これは、半導体光電極13の表面で、水の酸化反応ではなく、半導体の劣化反応が同時に進行しているためだと考えられる。これより、比較対象例2では、半導体光電極13に過剰に電荷が供給され、半導体光電極13の発熱や劣化反応を促進したことで、光照射時間の経過とともに反応場が減少したと考えられる。
In addition, when comparing Example 1 and Comparative Example 2, there was no difference in the amount of gas generated 10 hours after light irradiation. On the other hand, in the case of Example 1, the same characteristics were maintained even after 300 hours, but in Comparative Example 2, the amount of hydrogen generated gradually decreased after 10 hours and was almost inactivated after 100 hours. The amount of oxygen generated was also almost inactivated after 100 hours. The hydrogen to oxygen generation ratio after 50 hours and 100 hours of light irradiation in Comparative Example 2 was not 2:1. This is thought to be because the semiconductor degradation reaction, rather than the oxidation reaction of water, is progressing simultaneously on the surface of the
また、実施例2と比較対象例4、5を比較すると、光発電素子15を組み合わせることでガス生成量が著しく向上することがわかった。実施例2と比較対象例4、5により、半導体光電極13にTa3N5のようなバンドギャップが狭く、かつ水の酸化反応準位と水素生成準位を跨いでいない半導体を用いた場合、光発電素子15を組み合わせて昇圧しないと目的の反応がしないことがわかる。
Furthermore, comparing Example 2 with Comparative Examples 4 and 5, it was found that the amount of gas generated was significantly improved by combining the
また、実施例2と比較対象例6を比較すると、比較対象例6の200時間後までのガス生成量は、実施例2と同様に光発電素子15を組み合わせているにも関わらず、実施例2の1/2程度であった。これは、カットフィルタ16によって、光発電素子15から生じる電流量を光電極から生じるものよりも低下させているため、比較対象例6では光発電素子15による酸化還元反応の効率向上の効果が発現されなかったものと考えられる。
In addition, when comparing Example 2 and Comparative Example 6, the amount of gas generated up to 200 hours in Comparative Example 6 was about half that of Example 2, despite the incorporation of a
また、実施例2と比較対象例5を比較すると、光照射から10時間後のガス生成量に違いはなかった。一方で、実施例2の場合では200時間後も同様の特性を維持できたにも関わらず、比較対象例5では100時間以降にはほぼ失活した。比較対象例5の光照射50時間後の水素と酸素の生成比は2:1ではなかった。これは、半導体光電極13の表面で、水の酸化反応ではなく、半導体の劣化反応が同時に進行しているためだと考えられる。これより、比較対象例6では、半導体光電極13に過剰に電荷が供給され、半導体光電極13の発熱や劣化反応を促進したことで、光照射時間の経過とともに反応場が減少したと考えられる。
In addition, when comparing Example 2 and Comparative Example 5, there was no difference in the amount of gas generated 10 hours after light irradiation. On the other hand, in the case of Example 2, similar characteristics were maintained even after 200 hours, but Comparative Example 5 was almost inactivated after 100 hours. The hydrogen to oxygen generation ratio after 50 hours of light irradiation in Comparative Example 5 was not 2:1. This is thought to be because, on the surface of the
以上より、半導体光電極13と光発電素子15との組み合わせに対してカットフィルタ16を組み合わせることで、水の分解反応による水素・酸素生成量(光エネルギー変換効率)の長寿命化を実現できる。
From the above, by combining a
[効果]
本実施形態によれば、半導体光電極13と光発電素子15との間の光路上に、半導体光電極13を透過して光発電素子15に到達する光の所定波長域を取り除き、又は光の強度を弱めるカットフィルタ16を配置するので、光発電素子15から生じる光電流を半導体光電極13から生じる光電流と同じになるように制御できる。これにより、半導体光電極13の発熱や劣化を抑制し、光エネルギーを利用した酸化還元による水の分解反応の長時間駆動、酸化還元反応装置の長寿命化を実現できる。
[effect]
According to this embodiment, a
1:酸化還元反応装置
11:槽
12:水溶液
13:半導体光電極
14:還元電極
15:光発電素子
16:カットフィルタ
17:導線
2:光源
1: Oxidation-reduction reaction device 11: Tank 12: Aqueous solution 13: Semiconductor photoelectrode 14: Reduction electrode 15: Photovoltaic element 16: Cut filter 17: Conductor 2: Light source
Claims (2)
前記半導体光電極から導線を介して移動した電子により水溶液又は気体と還元反応を進行する還元電極と、
前記半導体光電極の受光面の裏側に配置され、前記導線上に接続され、前記半導体光電極を透過した光により発電する光発電素子と、
前記半導体光電極と前記光発電素子との間の光路上に配置され、前記半導体光電極を透過して前記光発電素子に到達する光の所定波長域を取り除き、又は光の強度を弱めるカットフィルタと、を備え、
前記カットフィルタは、
前記半導体光電極及び自身を透過した光により前記光発電素子で生じる電流値が、光により前記半導体光電極で生じる電流値と同じになるように、前記半導体光電極を透過して前記光発電素子に到達する光の所定波長域を取り除き、又は光の強度を弱める酸化還元反応装置。 a semiconductor photoelectrode that undergoes an oxidation reaction with an aqueous solution by light;
a reduction electrode that performs a reduction reaction with an aqueous solution or a gas by electrons transferred from the semiconductor photoelectrode via a conductor;
a photovoltaic element that is disposed on the back side of the light-receiving surface of the semiconductor photoelectrode, connected to the conductive wire, and generates electricity using light that has passed through the semiconductor photoelectrode;
a cut filter that is disposed on an optical path between the semiconductor photoelectrode and the photovoltaic element and that removes a predetermined wavelength range of light that passes through the semiconductor photoelectrode and reaches the photovoltaic element or reduces the intensity of the light ;
The cut filter is
An oxidation-reduction reaction device that removes a predetermined wavelength range of light that passes through the semiconductor photoelectrode and reaches the photovoltaic element, or attenuates the intensity of the light, so that the current value generated in the photovoltaic element by light transmitted through the semiconductor photoelectrode and itself becomes the same as the current value generated in the semiconductor photoelectrode by the light .
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