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JPH0235037B2 - - Google Patents
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JPH0235037B2 - - Google Patents

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JPH0235037B2
JPH0235037B2 JP60196467A JP19646785A JPH0235037B2 JP H0235037 B2 JPH0235037 B2 JP H0235037B2 JP 60196467 A JP60196467 A JP 60196467A JP 19646785 A JP19646785 A JP 19646785A JP H0235037 B2 JPH0235037 B2 JP H0235037B2
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film
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hydrogen
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  • Electrodes For Compound Or Non-Metal Manufacture (AREA)
  • Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、水を可視光分解し、酸素と水素を得
る方法に関する。
〔従来の技術〕
従来n型の半導体電極に光照射して水を分解
し、半導体表面で酸素を、白金などの対極表面で
水素を発生させることは知られている。しかし、
水中で安定に使用できる半導体は酸化チタン、酸
化亜鉛などのようにバンドギヤツプ(Eg)の大
きい材料に限られ、有効な光は400nm以下の紫外
光領域のみに限られていた。400〜800nmの可視
光領域が利用できるn型半導体は全て水中光照射
条件下では不活性化してしまう。この理由は大別
として2つあり、1つはn−CdSやn−GaAsな
どのように界面に近いいわゆる欠乏層に生ずるホ
ールが半導体を酸化的に溶解してしまう場合であ
り、他はn−Siのように、ホールが酸化物皮膜を
作つてしまい、不活性化する場合である。このよ
うな可視域n型半導体を如何に安定化して使用す
るかは、この分野の重要な課題であつた。
〔発明が解決しようとする問題点〕
したがつて本発明の目的は、可視域n型半導体
を用いて水を可視光分解し、酸素と水素を得る方
法を提供することである。
〔問題点を解決するための手段〕
本発明者は、トリス(2、2′−ビピリジン)ル
テニウム錯体(以下Ru(bpy)2+ 3と略す)をペン
ダント基に持つような高分子錯体薄膜を、可視域
n型半導体表面に被覆すると、水中光照射条件下
でも半導体が安定化されることを見出した(参考
文献としてラジエシユウオー(Rajeshwar)、金
子、山田、ジヤーナル・オブ・エレルトロケミカ
ル・ソサテイ(J.Electrochem.Soc.)、130巻、38
頁(1983年)、ラジエシユウオー(Rajeshwar)、
金子、山田、ナウフイー(Noufi)、ジヤーナ
ル・オブ・フイジカル・ケミストリー(J.Phys.
Chem.)、89巻、806頁(1985年)。さらに、鋭意
研究の結果、この膜中に水を酸化するための触媒
を共存させて用いると、水の可視光分解が可能に
なることを見出し、本発明を完成するに至つた。
本発明は、可視域n型半導体電極の表面に、ト
リス(2、2′−ビピリジン)ルテニウム錯体を
ペンダント基として有する高分子錯体の膜を被覆
し、該膜内には媒質として周期律第族の金属ま
たは金属酸化物を共存せしめ、この修飾した可視
域n型半導体電極を電解質水溶液に浸漬し、電極
表面に可視光を照射することにより水を分解し、
型半導体電極上で酸素を発生せしめ、対極上で水
素を発生せしめる方法である。
以下本発明の詳細を説明する。
半導体を用いて水を可視光分解するためには、
半導体のEgは3eV以下でなければならず、かつ
その価電子帯、伝導帯の位置が、水の酸化還元電
位に適合している必要がある。このような理由
で、水の可視光分解が可能な半導体は限られてお
り、たとえばn型硫化カドミウム(n−CdS、
Eg=2.4eV)、n型セレン化カドミウム(n−
CdSe、Eg=1.7eV)、n型リン化ガリウム(n−
GaP、Eg=2.25eV)、n型リン化インジウム(n
−InP)などに限定される。前述のごとくこれら
の可視域半導体は全て、水中、光照射条件化では
劣化してしまうので、安定化することが必須条件
である。
このような可視域n型半導体を安定化するため
に膜として被覆する高分子錯体はRu(bpy)2+ 3錯体
構造をペンダント基に有するもので、その代表的
な例は構造式で表わされる。
たゞしここでMはスチレン、アクリル酸又はそ
の誘導体、N−ビニルピロリドン、4−ビニルピ
リジンなどの単量体、x、y、zはそれぞれの繰
り返し単位のモル分率で、xは0.01〜0.98の範
囲、yは0〜0.9の範囲、zは0〜0.98の範囲の
値を表わし、x+y+z=1である。この高分子
錯体は、4−メチル−4′−ビニル−2、2′−ビピ
リジンの単独重合体(z=0の場合)、または他
の単量体Mとの共重合体を、 cis−Ru(bpy)2Clと反応させることにより合成さ
れる。分子量は2000以上のものがよい。
Mがスチレンのように水と親和性がない方が、
水中で安定な膜として使えるので良好な結果を与
える。Mがアクリル酸やその誘導体、N−ビニル
ピロリドン、4−ビニルピリジンのような水と親
和性の強い共重合体の場合は、膜は水中で溶解し
易いが、分子量を10000以上と高くすれば使用に
耐える。Ru(bpy)2+ 3をペンダント基に持つこのほ
かの高分子錯体、たとえばポリスチレンに2、
2′−ビピリジル基を導入した買錯体化を行なつて
得られる、下記式の組成を持つ化合物なども膜
材料として用いることができる。
たゞしここでx、y、z、wは各繰り返し単位
のモル分率で、xは0.01〜0.5、yは0〜0.5、z
は0〜0.4、wは0.5〜0.9の範囲で、x+y+z+
w=1である。
上記高分子錯体は、特公昭59−8361号公報記載
の方法により合成することができる。
これらの高分子錯体膜を半導体に被覆するに
は、半導体の常法によりエツチングした後、高分
子錯体の溶液を塗布して乾燥するいわゆるキヤス
ト法によるか、あるいはスピンコーテイング法な
ど、通常用いられる方法なら何でよい。膜厚は
1000Å〜50μm程度が適当である。本発明におい
ては膜中のRu(bpy)2+ 3錯体部は、半導体の光励起
により界面近くに生ずるホールと反応することに
より、ホールを半導体から取り出して水の酸化の
ための触媒に伝達する、いわゆる電荷リレー体と
しての役割を有する。
本発明において用いられる触媒としての、周期
律表第族の金属または金属酸化物としては、
Rt、PtO2、Ru、RuO2、Ir、IrO2、Rh、RhO2
Ni、NiO2、Fe2O3などが挙げられる。この触媒
は、光照射により半導体表面に生じたホールを受
けて、水を酸化して酸素を発生するために用いる
ものである。RuO2やPtO2などの酸化物が特に良
好な結果を与える。これらの触媒を高分子錯体膜
中に共存させるには、予め半導体表面に該触媒粉
末をのせた後、高分子錯体膜を被覆するか、ある
いは高分子錯体溶液に触媒微粉末を懸濁させて被
覆膜を作つてもよい。また、化学反応によつても
これらの触媒を膜中に共存せしめることができ
る。たとえば、高分子錯体を半導体上に被覆した
後に、RuO4水溶液に、たとえば常温で、2秒〜
20分間浸漬すると、RuO4は膜中に吸着されると
同時に還元されてRuO2となり、微粒子として膜
中に分散する。触媒量は少量過ぎても効果が低い
が、多過ぎると光を吸収する結果半導体に到達す
る光量が低下するので、やはり効率が落ちる。し
たがつて触媒の量は高分子錯体膜中0.05〜5重量
%が適当である。
本発明に用いられる電解質水溶液としては、電
解質として硝酸塩、硫酸塩、過塩素酸塩等を0.01
〜2M濃度で含む水溶液が挙げられる。ハロゲン
化塩はハロゲンイオンが酸化されてしまうので、
この場合には水の光分解ではなく、ハロゲン化水
素の光分解ということになる。
上記のようにして作製した修飾半導体電極を、
電解質水溶液中に浸漬して作用極とし、対極とし
ては通常白金を用い、電極電位を制御するために
甘コウ、銀−塩化銀などの参照電極を用い、いわ
ゆる三極式で光反応を行なうことが望ましい。
光源としては可視光なら何でもよく、太陽光、
ケイ光灯、白熱電灯、ハロゲンランプ、プロジエ
クター、キセノンランプ、水銀灯などが挙げられ
る。
用いるセルも特に制限されないが、酸素と水素
を別々に採取する場合は、作用極側と対極側を分
離した二室型セルを用いる。
〔発明の効果〕
本発明によれば、可視域n型半導体を、水中光
照射条件下で安定に使用することができ、可視光
を照射して水を光分解し、酸素と水素を製造する
ことができる。
〔実施例〕
以下実施例を以て本発明を説明する。
実施例 1 n−CdS単結晶(表面積0.02cm2)の裏面にGa−
In合金を塗布し、ここに銅線を銀エポキシで接着
してオーミツクコンタクトをとる。電極表面以外
は絶縁性エポキシ樹脂で固め、CdS表面は濃塩酸
でエツチングする。高分子錯体において、Mが
スチレン、x=0.048、y=0.047、z=0.905の組
成の化合物をDMFに溶解し(濃度はRu錯体単位
で1mM)、この溶液を8μl/cm2の割合でCdSに滴
下し、拡げて風乾した後、温風にて乾燥し、膜と
する。この膜厚は約0.28μmと計算される。この
被覆CdSを、5mg/ml濃度のRuO4水溶液に浸
すと、RuO4が膜に吸着されると同時に還元され、
RuO2微粉末となつて膜中に分散される。このよ
うにして作製した修飾CdSを二室型セルに装着
し、セルには0.5M KNO3と0.1M HNO3を含む
水溶液を入れ、対極としては白金線を、参照電極
としては甘コウ電極を装着する。アルゴンガスを
1時間吹き込んでから密閉した後に、電極電位を
−0.4V(vs、SCE)に保ち、紫外および赤外光カ
ツトフイルターを附した500Wキセノンランプか
らの可視光をCdS表面に照射し、反応させた。光
反応にともなつてCdSおよび白金表面上に気泡が
発生するのが観察された。光電流は約400μA/cm2
の定常値を保つた。3時間反応後に、約7μlの水
素と3.5μlの酸素が発生した。流れた光電流に対
する水分解の効率は70%であつた。
実施例 2 実施例1において、n−CdSの代りにn−
CdSeを用い、500Wキセノンランプの代りに直射
太陽光を用いた他は実施例1と全く同様に光反応
を行ない、5時間反応後に10μlの水素と5μlの酸
素を得た。
実施例 3 実施例1において、RuO4水溶液の還元法によ
る代りにCdS電極の表面にRuO4粉末を強くこす
りつけてのせ、その上に実施例1と同様に高分子
錯体膜を被覆した電極を用い、0.5M KNO3のみ
を含む水溶液を用いたほかは実施例1と全く同様
に光反応を行ない。10時間反応後に16μlの水素と
8μlの酸素を得た。
実施例 4 実施例1において、表面積0.5cm2のn−GaPを
用い、Inにより銅線とオーミツク接触をとり、エ
ツチングは塩酸−硝酸混液にて行ない、高分子錯
体としては式においてx=0.04、y=0.01、z
=0.21、w=0.74の組成のものを用い、クロロホ
ルム溶液(濃度はRu錯体単位で1mM)を
16μl/cm2の割合で用いて被覆膜を作製した以外は
実施例1と全く同様に光反応させ、5時間後に水
素10μl、酸素5μlを得た。
実施例 5 実施例1において、高分子錯体としてMがメ
チルメタクリレート、x=0.1、y=0、z=0.9
のものを用い、電解質水溶液として1MK2SO4
0.01MH2SO4を含む水溶液を用い、電極電位を
0V(vs、SCE)にして150Wハロゲンランプを用
いたほかは実施例1と全く同様に光反応を行な
い、10時間反応後に水素18μl、酸素9μlを得た。
実施例 6 実施例3において、n−CdSとして0.2cm2の表
面積のものを用い、RuO2の代りにPtO2粉末を用
いたほかは実施例3と同様に光反応を行ない、5
時間反応後に水素48μlと酸素24μlを得た。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1 可視域n型半導体電極の表面に、トリス
    (2、2′−ビピリジン)ルテニウム錯体をペン
    ダント基として有する高分子錯体の膜を被覆し、
    該膜内には媒質として周期律表第族の金属また
    は金属酸化物を共存せしめ、この修飾した可視域
    n型半導体電極を電解質水溶液に浸漬し、電極表
    面に可視光を照射することにより水を分解し、半
    導体電極上で酸素を発生せしめ、対極上で水素を
    発生せしめる方法。
JP60196467A 1985-09-05 1985-09-05 水を可視光で分解する方法 Granted JPS6256588A (ja)

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