JP2009505927A - 水から水素と酸素を生成する方法、及びケイ素化合物を用いた水素と酸素の貯蔵方法 - Google Patents
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Abstract
本発明は、ケイ素化合物、ケイ素化合物と同種の組成物、ケイ化金属、ボロシリサイド、カーボシリサイド及びニトロシリサイドといった非金属のケイ素化合物の存在下、水から水素及び/または酸素を光化学的及び熱化学的に生成させる方法に関する。
【解決手段】
前記物質は全てケイ素を含有し、分子式RSix及び/またはRSixOyで表され、Rは有機の、金属の、有機金属の、生化学由来の及び/または無機の残基であり、Siはケイ素であり、特にXは1以上、Oは酸素であり、Yは0以上である。前記物質のケイ素化合物の部分は、ケイ素原子の部分で高い電子密度を示し、前記物質は、酸化されていてもよい。ケイ素化合物、ケイ素化合物と同種の組成物及び/またはその酸化物は、光の有無に関係なく、触媒的に反応する。しかし、太陽光でも人口光でも光の照射があれば、ガス発生量は増加する。温度は高温が好ましい。ケイ素化合物、ケイ素化合物と同種の組成物及び/またはその酸化物は、ほとんど半導体型材料である。さらに、前記物質は、酸素及び水素を可逆的に吸収/脱離でき、酸素の吸収と脱離は好ましいが、同時に水素も吸収/脱離される。水素と酸素の脱離は、大気温または高温で生じ、特に水素に関しては、ケイ素化合物、ケイ素化合物と同種の組成物及び/またはその酸化物の種類による。さらに、ペリレン、ペリレン色素、ペリレン同属体/類似体といった色素を、ケイ素化合物、ケイ素化合物と同種の組成物及び/またはその酸化物にカップリング/錯化させると、光を吸収させるのに好ましく、従って、ケイ素化合物、ケイ素化合物と同種の組成物及び/またはその酸化物の反応性向上に好ましい。さらに、水を還元及び/または酸化して水素及びまたは酸素を生成させるための、ケイ素化合物、ケイ素化合物と同種の組成物及び/またはその酸化物を使用する反応は、ケイ素化合物、ケイ素化合物と同種の組成物及び/またはその酸化物を固定させて、つまり、前記物質をガラスまたはガラス様材料や、高分子表面または高分子材料(特に、高分子材料及び/またはガラス類の材料が導電性のとき)に付着させて、実施してもよい。同じことが、前記ガスを貯蔵及び放出する場合にもあてはまる。さらに、酸素は、On(n>3)で示されるポリ酸素及び/またはH2On(n>2)で示されるポリ過酸化水素に可逆的に変化する。
【選択図】なし
Description
RSixOy
(式中、Rは有機の、金属の、有機金属のまたは無機の残基を表し、Siはケイ素、特にXが1以上のケイ素化合物の部分を表し、Oは酸素であってYは0以上である。)である。なお、以下の文中で、上記ケイ素化合物型組成物は、ケイ素化合物、ケイ素化合物と同種の組成物及び/またはその酸化物と記載した。これら組成物のケイ素化合物部分は、ケイ素の部分にて、特に高い電子密度を示す。つまり、前記ケイ素原子の部分は、元のケイ素原子よりも電子密度が高い。
(式中、Rは有機の、金属の、有機金属の、生化学由来の及び/または無機の残基であり、Siはケイ素、特にXが1以上のケイ素化合物の部分であり、Oは酸素であり、Yは0以上である)のケイ素化合物がある。Rはリチウム、ベリリウム、ナトリウム、カリウム、カルシウム、銅、亜鉛、ロジウム、スカンジウム、ルビジウム、ガリウム、セレン、パラジウム、カドミウム、鉛、オスミウム、アンチモン、イリジウム、タングステン、スズ、ストロンチウム、バリウム、チタニウム、ニッケル、鉄、タリウム、ホウ素、コバルト、白金、マンガン、チタニウム、ケイ素、炭素、ナノチューブ状の炭素、イリジウム、モリブデン、窒素、ジルコニウム、タンタル、バナジウム、クロム、銀、金、ランタニド、アクチニド、染料(つまりペリレン)やアルコキシ残基といった有機残基、及び/またはこれらの酸化物であり、そのほかに前記Rの混合物もまた含まれる。このうち、ケイ化チタニウム(TiSi2、Ti5Si3)、ケイ化ニッケル(Ni2Si)、ケイ化鉄(FeSi2、FeSi)、ケイ化タリウム(ThSi2)、ホウ化ケイ素または4ホウ化ケイ素(B4Si)、ケイ化コバルト(CoSi2)、ケイ化白金(PtSi、Pt2Si)、ケイ化マンガン(MnSi2)、炭化ケイ素チタニウム(Ti3C2Si)、炭化ケイ素/ポリ炭化ケイ素若しくはシリコンカーバイド/ポリシリコンカーバイド(CSi/ポリCSiまたはSiC/ポリSiC)、ケイ化イリジウム(IrSi2)、ニトロシリサイド若しくは窒化ケイ素(N4Si3)、ケイ化ジルコニウム(ZrSi2)、ケイ化タンタル(TaSi2)、ケイ化バナジウム(Va2Si)、ケイ化クロム(CrSi2)、ペリレンケイ化チタニウム若しくはバナジウム、またはメトキシ若しくはエトキシケイ化チタニウム、バナジウム若しくは鉄またはこれらの酸化物が好ましい。
全ての実施例に係るケイ素化合物、ケイ素化合物と同種の組成物は、反応条件に応じて水及び/または酸素により様々な酸化状態(0〜100%)となった。ほとんどの場合、触媒を更なる(急激な)酸化から防御する深さ1〜5nmの層となったところで酸化を停止させた。このような結果は、例えば、温度、pH、他の物理的及び化学的条件によりコントロールされる。同一のまたは類似した結果は、反応前に、触媒組成物のうちの酸化された(0〜100%)元素及び成分と、おのおの接触させることでも達成できた。触媒と各成分の酸化状態の分析は、XRD及びXPS分光法で実施された。
Claims (26)
- 水をケイ素化合物、ケイ素化合物と同種の組成物及び/またはその酸化物と接触させることを特徴とする光化学的及び熱化学的な酸素及び/または水素の製造方法。
- 前記ケイ素化合物、ケイ素化合物と同種の組成物及び/またはその酸化物が、
式:RSixOy
(式中、Rは有機の、金属の、有機金属の、生化学由来の及び/または無機の残基であり、Siはケイ素であり、特にXは1以上、Oは酸素であり、Yは0以上である。Rはリチウム、ベリリウム、ナトリウム、カリウム、カルシウム、銅、亜鉛、ロジウム、スカンジウム、ルビジウム、ガリウム、セレン、パラジウム、カドミウム、鉛、オスミウム、アンチモン、イリジウム、タングステン、スズ、ストロンチウム、バリウム、チタニウム、ニッケル、鉄、タリウム、ホウ素、コバルト、白金、マンガン、チタニウム、ケイ素、炭素、ナノチューブ状の炭素、イリジウム、モリブデン、窒素、ジルコニウム、タンタル、バナジウム、クロム、銀、金、ランタニド、アクチニド、有機残基、生化学由来の残基及びこれらRの混合物であって、部分的酸化状態、完全な酸化状態及び非酸化状態の前記Rからなる群から選択された少なくとも1つであり、前記ケイ素化合物、ケイ素化合物と同種の組成物の集合体が、ケイ素化合物、ケイ素化合物と同種の組成物及び/またはその酸化物である。)
の金属シリサイドまたは非金属シリサイドから選択されることを特徴とする光化学的及び熱化学的な酸素及び/または水素の製造方法。 - 前記ケイ素化合物、ケイ素化合物と同種の組成物及び/またはその酸化物が、親ケイ素原子と比較して電子密度が高いケイ素原子を少なくとも1つ有することを特徴とする請求項1または2に記載の光化学的及び熱化学的な酸素及び/または水素の製造方法。
- 前記ケイ素化合物、ケイ素化合物と同種の組成物及び/またはその酸化物が、触媒的に用いられることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1項に記載の光化学的及び熱化学的な酸素及び/または水素の製造方法。
- 光を用いまたは光を用いずに行われることを特徴とする請求項1ないし4のいずれか1項に記載の光化学的及び熱化学的な酸素及び/または水素の製造方法。
- 前記ケイ素化合物、ケイ素化合物と同種の組成物及び/またはその酸化物の存在下、前記水から前記水素及び/または酸素を生成させる光化学的反応が、集中した形態または拡散した形態の人口光及び/または太陽光でおこなわれることを特徴とする請求項1ないし5のいずれか1項に記載の光化学的及び熱化学的な酸素及び/または水素の製造方法。
- 前記光及び/または熱のエネルギー源が、200〜20000nmの領域でエネルギーを放出することを特徴とする請求項6に記載の光化学的及び熱化学的な酸素及び/または水素の製造方法。
- 前記ケイ素化合物、ケイ素化合物と同種の組成物及び/またはその酸化物の光吸収が、染料または染料の凝集物にカップリング/複合/付着/結合されることで高められることを特徴とする請求項6または7に記載の光化学的及び熱化学的な酸素及び/または水素の製造方法。
- 前記染料として、ペリレンまたはペリレン類似体が使用されることを特徴とする請求項8に記載の光化学的及び熱化学的な酸素及び/または水素の製造方法。
- 高温状態でおこなわれることを特徴とする請求項1ないし9のいずれか1項に記載の光化学的及び熱化学的な酸素及び/または水素の製造方法。
- 前記ケイ素化合物、ケイ素化合物と同種の組成物及び/またはその酸化物の存在下における、前記水からの前記水素及び/または酸素の熱化学的な生成は、光化学的光源、人口光の光源及び太陽光の光源由来の熱エネルギー、電気炉、マイクロ波システム及び地熱エネルギーといった熱エネルギー製造装置並びに他のエネルギー源からなる群から選択された少なくとも1つのエネルギー源によりおこなわれることを特徴とする請求項1ないし10のいずれか1項に記載の熱化学的な酸素及び/または水素の製造方法。
- 前記水素及び/または酸素の貯蔵/吸収及び/または放出/脱離が、前記ケイ素化合物、ケイ素化合物と同種の組成物及び/またはその酸化物でおこなわれることを特徴とする請求項1ないし11のいずれか1項に記載の光化学的及び熱化学的な酸素及び/または水素の製造方法。
- 前記酸素の貯蔵/吸収が、前記水素の貯蔵/吸収に付随して生じ、その比率は可変であることを特徴とする請求項12に記載の光化学的及び熱化学的な酸素及び/または水素の製造方法。
- 前記水素の放出/脱離が、前記酸素の放出/脱離に付随して生じ、その比率は可変であることを特徴とする請求項12に記載の光化学的及び熱化学的な酸素及び/または水素の製造方法。
- 前記ケイ素化合物、ケイ素化合物と同種の組成物及び/またはその酸化物を使用した前記水素及び/または酸素の貯蔵/放出及び/または吸収/脱離が、前記ケイ素化合物、ケイ素化合物と同種の組成物及び/またはその酸化物の前記水との接触を中断または中止させたときに、活性化されることを特徴とする請求項12に記載の光化学的及び熱化学的な酸素及び/または水素の製造方法。
- 1種の前記ケイ素化合物、ケイ素化合物と同種の組成物及び/若しくはその酸化物、または2種以上の前記ケイ素化合物、ケイ素化合物と同種の組成物及び/若しくはその酸化物に、二酸化ルテニウム(RuO2)、二酸化マンガン(MnO2)、三酸化タングステン(WO3)、その他の半導体材料といった非ケイ素化物構造の半導体材料を添加して、反応性を高めることを特徴とする請求項1ないし15のいずれか1項に記載の光化学的及び熱化学的な酸素及び/または水素の製造方法。
- 前記ケイ素化合物、ケイ素化合物と同種の組成物及び/またはその酸化物が、固定された状態、つまり、前記材料が、特に、高分子材料及び/またはガラス状材料が導電性/電子導電性/電荷伝導性のときに、ポリアミド、マクロロン、プレキシガラスといった前記高分子材料または前記ガラス若しくはガラス様材料の表面に付着/固定、または前記高分子材料または前記ガラス若しくはガラス様材料に内在させて使用されることを特徴とする請求項1ないし16のいずれか1項に記載の光化学的及び熱化学的な酸素及び/または水素の製造方法。
- 前記ケイ素化合物、ケイ素化合物と同種の組成物及び/またはその酸化物が、特に、高分子材料及び/またはガラス状材料が導電性/電子導電性/電荷伝導性のときに、ポリアミド、マクロロン、プレキシガラスといった前記高分子材料または前記ガラス若しくはガラス様材料で表面をコーティングした後に使用されることを特徴とする請求項1ないし17のいずれか1項に記載の光化学的及び熱化学的な酸素及び/または水素の製造方法。
- 前記ケイ素化合物、ケイ素化合物と同種の組成物及び/またはその酸化物が、リチウム、ベリリウム、ナトリウム、カリウム、カルシウム、銅、亜鉛、ロジウム、スカンジウム、ルビジウム、ガリウム、セレン、パラジウム、カドミウム、鉛、オスミウム、アンチモン、イリジウム、タングステン、スズ、ストロンチウム、バリウム、チタニウム、ニッケル、鉄、タリウム、ホウ素、コバルト、白金、マンガン、チタニウム、ケイ素、炭素、ナノチューブ状の炭素、イリジウム、モリブデン、窒素、ジルコニウム、タンタル、バナジウム、クロム、銀、金、ランタニド、アクチニド、並びに有機残基、生化学由来の残基及びこれらの混合物であって、イオン及びラジカルとして帯電した状態でも存在できる残基からなる群から選択された少なくとも1つを含有した金属及び/または非金属の組成物を、接触、ドープ及び/または混合して使用されることを特徴とする請求項1ないし18のいずれか1項に記載の光化学的及び熱化学的な酸素及び/または水素の製造方法。
- 0〜100%の酸化の程度を有する前記ケイ素化合物及びケイ素化合物と同種の組成物の酸化物形成が、温度といった反応条件、空気及び/または他のガスの存在、反応媒体のpH、反応媒体の攪拌、振とう、ポンピング、移動、静置といった物理的条件、並びに他の物理的、化学的及び/または生化学的手段により、酸化物形成のスピードをコントロールできる他の酸化剤の必要に応じた存在下にて、水中、含水媒体中及び/または酸素含有媒体中でおこなわれることを特徴とする請求項1ないし19のいずれか1項に記載の光化学的及び熱化学的な酸素及び/または水素の製造方法。
- 前記ケイ素化合物、ケイ素化合物と同種の組成物及び/またはその酸化物が、溶液中、懸濁液中、固体中、液体中またはその他の態様中にて、あらゆる比率で、完全に若しくはある程度酸化された形態または酸化されていない形態で、前記各元素、その酸化物及び/または前記各元素の他の誘導体と接触させて調製されることを特徴とする請求項1ないし20のいずれか1項に記載の光化学的及び熱化学的な酸素及び/または水素の製造方法。
- 前記酸素が、On(n>3)であるポリ酸素及び/またはH2On(n>2)であるポリ過酸化水素に変化し、前記ポリ酸素及び前記ポリ過酸化水素が、溶媒中、並びに/または金属内、金属上、金属酸化物内及び/若しくは金属酸化物上にて安定していることを特徴とする請求項1ないし21のいずれか1項に記載の光化学的及び熱化学的な酸素及び/または水素の製造方法。
- 前記On(n>3)であるポリ酸素及び/または前記H2On(n>2)であるポリ過酸化水素が、エネルギー放出によって前記酸素に変化することを特徴とする請求項1ないし22のいずれか1項に記載の光化学的及び熱化学的な酸素及び/または水素の製造方法。
- 前記水から前記水素及び/または酸素を生成/製造する工程と該水素及び/または酸素を貯蔵/放出及び/または吸収/脱離させる工程とが、一般的な工程内に組み込まれて、前記ケイ素化合物、ケイ素化合物と同種の組成物及び/またはその酸化物が、通則の一部として使用されることを特徴とする請求項1ないし23のいずれか1項に記載の光化学的及び熱化学的な酸素及び/または水素の製造方法。
- 前記水素及び/または酸素の生成/製造及び/または吸収/脱離を用いることで、加熱装置、燃料電池または他の電力及びエネルギー依存技術に用いられる電力を生成させてエネルギーを供給し、前記エネルギーが、生活、ビジネス及び健康を含む人間に有益な機器だけでなく、地球上及び地球外における交通用構造物及び機器並びに静的構造物及び機器に用いられることを特徴とする請求項1ないし24のいずれか1項に記載の光化学的及び熱化学的な酸素及び/または水素の製造方法。
- 化石燃料を使用した機器により駆動される構造物及び機器を動かすためのエネルギーが、代替、支援及び/または補完されることを特徴とする請求項25に記載の光化学的及び熱化学的な酸素及び/または水素の製造方法。
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