JP2014205899A - Electrochemical reaction apparatus - Google Patents

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Akira Otomo
明 大友
孝仁 大島
Takahito Oshima
孝仁 大島
公平 佐々木
Kohei Sasaki
公平 佐々木
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electrochemical reaction apparatus capable of obtaining a stable photocatalytic function.SOLUTION: An electrochemical reaction apparatus 10 according to one embodiment of the present invention includes a photoelectrode 11, a counter electrode 12, and an electrolyte tank 14. The photoelectrode 11 is formed of a gallium oxide single crystal which generates electron-hole pairs by being irradiated with ultraviolet rays. The counter electrode 12 is electrically connected to the photoelectrode 11. The electrolyte tank 14 stores an electrolyte 13 which is in contact with the photoelectrode 11 and the counter electrode 12.

Description

本発明は、光触媒反応を利用した水の電気分解によって水素を発生させることが可能な電気化学反応装置に関する。   The present invention relates to an electrochemical reaction apparatus capable of generating hydrogen by electrolysis of water using a photocatalytic reaction.

光により物質を合成または分解できる光触媒には、通常、化学的に安定な半導体が用いられる。それらのなかでも酸化チタンや窒化ガリウムに代表されるワイドギャップ半導体は、高い酸化または還元能を有しており、水分解をはじめとして、幅広い有機・無機物質の合成または分解に応用できる。さらに、導電性半導体単結晶と電気的に接続した対電極を用いることで、酸化と還元の反応場を空間的に分離することができ、生成物質の回収が容易となる。   As a photocatalyst capable of synthesizing or decomposing a substance by light, a chemically stable semiconductor is usually used. Among these, wide gap semiconductors represented by titanium oxide and gallium nitride have high oxidation or reduction ability, and can be applied to synthesis or decomposition of a wide range of organic and inorganic substances including water decomposition. Furthermore, by using a counter electrode that is electrically connected to the conductive semiconductor single crystal, the oxidation and reduction reaction fields can be spatially separated, and the product can be easily recovered.

例えば特許文献1には、窒化ガリウム(GaN)からなる光触媒体と、その対電極としての金属電極と、これらを収容する電解液槽とを有する光触媒反応装置が記載されている。上記光触媒反応装置は、光触媒体に励起光が照射されることで、光触媒体側にて電解液(例えば水)の酸化反応により酸素を発生させ、金属電極側にて電解液の還元反応により水素を発生させるように構成されている。   For example, Patent Document 1 describes a photocatalytic reaction device having a photocatalyst body made of gallium nitride (GaN), a metal electrode as a counter electrode thereof, and an electrolytic solution tank for housing them. In the photocatalytic reaction device, when the photocatalyst body is irradiated with excitation light, oxygen is generated by an oxidation reaction of an electrolytic solution (for example, water) on the photocatalyst body side, and hydrogen is generated by a reduction reaction of the electrolytic solution on the metal electrode side. It is configured to generate.

一方、酸化ガリウム(Ga)は、化学的に安定であり、かつバンドギャップが約4.7eVと大きな半導体である。酸化ガリウムは、酸化チタンや窒化ガリウムと比較して、伝導帯(導電帯)底が最も高く、価電子帯頂上が最も低いエネルギ位置にあることから、これらの材料よりも高い還元力と酸化力を示すものと期待される。例えば非特許文献1には、酸化ガリウム粉末を用いた水分解が報告されている。 On the other hand, gallium oxide (Ga 2 O 3 ) is a semiconductor that is chemically stable and has a large band gap of about 4.7 eV. Compared to titanium oxide and gallium nitride, gallium oxide has the highest conduction band (conduction band) bottom and the lowest valence band top, so it has a higher reducing power and oxidation power than these materials. Is expected to show. For example, Non-Patent Document 1 reports water decomposition using gallium oxide powder.

特開2007−107043号公報JP 2007-107043 A

Takashi Hisatomi, et al. Chemical Physics Letters vol.486 (2010) pp.144-146Takashi Hisatomi, et al. Chemical Physics Letters vol.486 (2010) pp.144-146

しかしながら、一般に粉末材料は粒界や不純物の影響を除外することができず、高効率の光触媒反応が得られ難い。   However, in general, powder materials cannot exclude the influence of grain boundaries and impurities, and it is difficult to obtain a highly efficient photocatalytic reaction.

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、高効率の光触媒機能を得ることができる電気化学反応装置を提供することにある。   In view of the circumstances as described above, an object of the present invention is to provide an electrochemical reaction device capable of obtaining a highly efficient photocatalytic function.

上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る電気化学反応装置は、光電極と、対電極と、電解液槽とを具備する。
前記光電極は、紫外線の照射を受けることで電子−正孔対を生成する酸化ガリウム単結晶で構成される。
前記対電極は、前記光電極と電気的に接続される。
前記電解液槽は、前記光電極と前記対電極とに接触する電解液を収容する。
In order to achieve the above object, an electrochemical reaction device according to one embodiment of the present invention includes a photoelectrode, a counter electrode, and an electrolyte bath.
The photoelectrode is composed of a gallium oxide single crystal that generates electron-hole pairs when irradiated with ultraviolet rays.
The counter electrode is electrically connected to the photoelectrode.
The electrolytic bath contains an electrolytic solution that contacts the photoelectrode and the counter electrode.

β−Ga23と他のワイドギャップ半導体とのバンドアライメントを比較して表す図である。It is a diagram illustrating by comparing the band alignment of the β-Ga 2 O 3 and other wide-gap semiconductor. 本発明の一実施形態に係る電気化学反応装置を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows the electrochemical reaction apparatus which concerns on one Embodiment of this invention. 電解液に接触した光電極のバンドダイアグラムを示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the band diagram of the photoelectrode which contacted electrolyte solution. 3電極光電気化学セルの構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of a 3 electrode photoelectrochemical cell. pHが異なる複数の電解液から取得したGa23単結晶基板の容量と電位との関係を示す実験結果である。pH is an experimental result showing the relationship between the capacitance of the Ga 2 O 3 single crystal substrate obtained from different electrolyte and potential. 上記Ga23単結晶基板のフラットバンド電位、伝導帯底、価電子帯頂上の電解液のpHに対する依存性を示す実験結果である。Flat band potential of the Ga 2 O 3 single crystal substrate, the conduction band bottom, the experimental results showing the dependence on pH of the valence band top of the electrolyte solution. 上記Ga23単結晶基板の光電極特性を示す一実験結果である。It is an experimental result showing the photoelectrode characteristic of the Ga 2 O 3 single crystal substrate. 上記Ga23単結晶基板の光電極特性を示す一実験結果である。It is an experimental result showing the photoelectrode characteristic of the Ga 2 O 3 single crystal substrate. 本発明の実施形態に用いたガス収集システムの概略構成図である。It is a schematic block diagram of the gas collection system used for embodiment of this invention. 本発明の一実施形態における水の光電気分解の様子を示す写真である。It is a photograph which shows the mode of the photoelectrolysis of the water in one Embodiment of this invention. 上記Ga23単結晶基板の光電流の総和と発生ガス量との関係を示す一実験結果である。It is an experimental result showing the relationship between the total and the amount of generated gas of the Ga 2 O 3 single crystal substrate photocurrent. キャリア濃度の異なる2つのGa23単結晶基板の容量と電位との相関を示す実験結果である。The experimental results showing the correlation between the capacitance of the two different Ga 2 O 3 single crystal substrate carrier concentration and potential. Ga23単結晶基板の光電極特性を示す他の実験結果である。Ga 2 O 3 which is another experimental result showing a photoelectrode characteristics of the single crystal substrate.

本発明の一実施形態に係る電気化学反応装置は、光電極と、対電極と、電解液槽とを具備する。
上記光電極は、紫外線の照射を受けることで電子−正孔対を生成する酸化ガリウム単結晶で構成される。
上記対電極は、上記光電極と電気的に接続される。
上記電解液槽は、上記光電極と上記対電極とに接触する電解液を収容する。
An electrochemical reaction device according to an embodiment of the present invention includes a photoelectrode, a counter electrode, and an electrolyte bath.
The photoelectrode is composed of a gallium oxide single crystal that generates electron-hole pairs when irradiated with ultraviolet rays.
The counter electrode is electrically connected to the photoelectrode.
The electrolytic bath contains an electrolytic solution that contacts the photoelectrode and the counter electrode.

光電極に用いられる酸化ガリウム単結晶は、ガリウム(Ga)と酸素(O)との化学量論比が2:3の化合物半導体である。酸化ガリウムには、α、β、γ、δ、εの構造の異なる5つの形態が存在し、典型的には、最も安定な構造である単斜晶系のβ−Ga23が用いられる。 A gallium oxide single crystal used for a photoelectrode is a compound semiconductor having a stoichiometric ratio of gallium (Ga) and oxygen (O) of 2: 3. There are five forms of gallium oxide having different structures of α, β, γ, δ, and ε, and monoclinic β-Ga 2 O 3 , which is the most stable structure, is typically used. .

図1は、β−Ga23のバンド構造を他のワイドギャップ半導体のバンド構造と比較して表す図である。図中左側の縦軸は標準水素電極電位(SHE)、右側の縦軸は真空準位に対する相対電位を示している。 FIG. 1 is a diagram showing the band structure of β-Ga 2 O 3 in comparison with the band structure of other wide gap semiconductors. In the figure, the left vertical axis represents the standard hydrogen electrode potential (SHE), and the right vertical axis represents the relative potential with respect to the vacuum level.

β−Ga23のバンドギャップエネルギは約4.7eVであり、他のワイドギャップ半導体と比較して、バンドギャップが広い。さらにβ−Ga23の価電子帯のエッジバンド(価電子帯の頂上)は他の半導体材料のそれと酸素の酸化還元電位(O2/H2O)よりも低く(正の方向に大きく)、伝導帯のエッジバンド(伝導帯の底)は他の半導体材料のそれと水素の酸化還元電位(H/H2)よりも高い(負の方向に大きい)。このことからβ−Ga23は、他の半導体材料と比較して陰極及び陽極双方において水の電気分解に対してより大きな過電圧を有すると同時に、光電気分解に対して十分な能力を有している。 The band gap energy of β-Ga 2 O 3 is about 4.7 eV, which is wider than other wide gap semiconductors. Further, the edge band of the valence band of β-Ga 2 O 3 (the top of the valence band) is lower than that of other semiconductor materials and the redox potential (O 2 / H 2 O) of oxygen (largely in the positive direction). ), The edge band of the conduction band (bottom of the conduction band) is higher than that of other semiconductor materials and the redox potential (H + / H 2 ) of hydrogen (large in the negative direction). This indicates that β-Ga 2 O 3 has a greater overvoltage for water electrolysis at both the cathode and anode compared to other semiconductor materials, while at the same time having sufficient capacity for photoelectrolysis. doing.

酸化ガリウムは、上述のように約4.7eVのバンドギャップエネルギを有しており、このエネルギよりも高いエネルギの光が照射されることで光電流を誘起する電子−正孔対を生成する。このような光は、典型的には紫外線であり、さらに詳しくは深紫外領域の光の照射を受けることで光電変換機能が得られる。   Gallium oxide has a band gap energy of about 4.7 eV as described above, and generates an electron-hole pair that induces a photocurrent when irradiated with light having an energy higher than this energy. Such light is typically ultraviolet light, and more specifically, a photoelectric conversion function can be obtained by irradiation with light in the deep ultraviolet region.

本実施形態において光電極は酸化ガリウム単結晶で構成されているため、酸化ガリウム粉末で構成される光触媒と比較して粒界や不純物等の影響を受けにくい。したがって高効率の光触媒反応を得ることができる。   In this embodiment, since the photoelectrode is composed of a gallium oxide single crystal, it is less susceptible to grain boundaries, impurities, and the like than a photocatalyst composed of gallium oxide powder. Therefore, a highly efficient photocatalytic reaction can be obtained.

単結晶の育成方法は特に限定されず、例えば、FZ(Floating Zone)法、CZ(Czochralski)法、EFG(Edge-defined Film-fed Growth)法等が採用される。結晶の成長方向、引き上げ方向等は特に限定されない。EFG法によれば、ダイの上端部の形状で規定された単結晶が育成されるので、結晶成長界面での温度勾配を極めて小さくできる。さらに、酸化ガリウムの融液がスリットを通して供給されるので、酸化ガリウム融液中の成分の蒸発ならびに酸化ガリウム融液の組成変動を極めて小さくでき、高品質の単結晶を作製することができる。単結晶の成長面、引き上げ方向は任意に設定可能である。   The method for growing the single crystal is not particularly limited, and for example, a FZ (Floating Zone) method, a CZ (Czochralski) method, an EFG (Edge-defined Film-fed Growth) method, or the like is adopted. The crystal growth direction, the pulling direction, etc. are not particularly limited. According to the EFG method, since the single crystal defined by the shape of the upper end portion of the die is grown, the temperature gradient at the crystal growth interface can be extremely reduced. Furthermore, since the gallium oxide melt is supplied through the slit, the evaporation of components in the gallium oxide melt and the composition fluctuation of the gallium oxide melt can be extremely reduced, and a high-quality single crystal can be produced. The growth surface and pulling direction of the single crystal can be set arbitrarily.

対電極の構成材料は特に限定されず、広く金属材料一般が適用可能であり、典型的には白金(Pt)が用いられる。対電極は、光電極と電気的に接続され、光電極と共に電解液に浸漬される。典型的には、酸化ガリウム単結晶の光触媒機能で生成された電子は対電極(陰極)へ移動し、電解液を還元する。電解液が水系溶液の場合、対電極表面の電子による水の還元作用によって水素が生成される。   The constituent material of the counter electrode is not particularly limited, and metal materials in general can be widely applied. Typically, platinum (Pt) is used. The counter electrode is electrically connected to the photoelectrode and is immersed in the electrolyte together with the photoelectrode. Typically, the electrons generated by the photocatalytic function of the gallium oxide single crystal move to the counter electrode (cathode) and reduce the electrolyte. When the electrolytic solution is an aqueous solution, hydrogen is generated by the reducing action of water by electrons on the counter electrode surface.

光電極は、1×1016[cm−3]以上1×1019[cm−3]以下のキャリア濃度を有するn型酸化ガリウム単結晶基板で構成されてもよい。
キャリア濃度が1×1019[cm−3]を超えると、光の吸収効率の低下が顕著となり、その結果、電子−正孔対の生成効率も低下するため所望とする光触媒機能が得られなくなる。一方、キャリア濃度が1×1016[cm−3]未満であると、光の吸収効率は向上するものの生成された電子と正孔の再結合が起こりやすくなり、結局、光の吸収効率が頭打ちになる。
The photoelectrode may be composed of an n-type gallium oxide single crystal substrate having a carrier concentration of 1 × 10 16 [cm −3 ] to 1 × 10 19 [cm −3 ].
When the carrier concentration exceeds 1 × 10 19 [cm −3 ], the light absorption efficiency is significantly reduced. As a result, the generation efficiency of the electron-hole pairs is also reduced, so that a desired photocatalytic function cannot be obtained. . On the other hand, when the carrier concentration is less than 1 × 10 16 [cm −3 ], although the light absorption efficiency is improved, recombination of the generated electrons and holes is likely to occur, and the light absorption efficiency reaches its peak. become.

上記電気化学反応装置は、上記光電極と上記対電極との間に接続されたバイアス電源をさらに具備してもよい。
光電極と対電極との間に外部バイアスを印加することで、光電極の表面空乏層の大きさとその内部電界が調整可能となる。これにより光電極における触媒反応の促進を図ることができる。
The electrochemical reaction device may further include a bias power source connected between the photoelectrode and the counter electrode.
By applying an external bias between the photoelectrode and the counter electrode, the size of the surface depletion layer of the photoelectrode and its internal electric field can be adjusted. As a result, the catalytic reaction at the photoelectrode can be promoted.

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態に係る電気化学装置を説明する。本実施形態では、水の光電気分解による水素生成に本発明を適用した例について説明する。   Hereinafter, an electrochemical device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In this embodiment, an example in which the present invention is applied to hydrogen generation by photoelectrolysis of water will be described.

図2は、本発明の一実施形態に係る電気化学反応装置を示す概略構成図である。   FIG. 2 is a schematic configuration diagram showing an electrochemical reaction device according to an embodiment of the present invention.

本実施形態の電気化学反応装置10は、光電極11と、光電極11と電気的に接続された対電極12と、光電極11と対電極12とに接触する電解液13を収容する電解液槽14とを有する。   The electrochemical reaction device 10 of the present embodiment includes a photoelectrode 11, a counter electrode 12 electrically connected to the photoelectrode 11, and an electrolyte solution containing an electrolyte solution 13 that contacts the photoelectrode 11 and the counter electrode 12. And a tank 14.

光電極11は、典型的には、矩形、円形あるいは楕円形状等の適宜の形状、厚みのn型酸化ガリウム単結晶で構成される。特に本実施形態では、光電極11として、β−Ga単結晶基板が用いられる。光電極11の面方位は特に限定されないが、本実施形態では主面の面方位が(010)面とされている。 The photoelectrode 11 is typically composed of an n-type gallium oxide single crystal having an appropriate shape and thickness such as a rectangle, a circle, or an ellipse. In particular, in this embodiment, a β-Ga 2 O 3 single crystal substrate is used as the photoelectrode 11. The plane orientation of the photoelectrode 11 is not particularly limited, but in this embodiment, the plane orientation of the main surface is the (010) plane.

光電極11は、配線15を介して対電極12に接続される。配線15は、典型的には金属材料で構成され、光電極11との電気的接続がオーミックコンタクトとなる材料が好ましい。あるいは、光電極11と配線15との接続に上記オーミックコンタクトを確保できる適宜の材料(例えば金属インジウム(In))を介在させてもよい。   The photoelectrode 11 is connected to the counter electrode 12 via the wiring 15. The wiring 15 is typically made of a metal material, and is preferably a material whose electrical connection with the photoelectrode 11 is an ohmic contact. Alternatively, an appropriate material (for example, metal indium (In)) that can ensure the ohmic contact may be interposed between the photoelectrode 11 and the wiring 15.

対電極12は、白金(Pt)の板やワイヤ等で構成される。対電極12がワイヤで構成される場合、対電極12と配線15とは同一のワイヤ材で構成されてもよい。対電極12は、図示の例では光電極11と対向して配置されるが、勿論これに限られない。   The counter electrode 12 is composed of a platinum (Pt) plate, a wire, or the like. When the counter electrode 12 is composed of a wire, the counter electrode 12 and the wiring 15 may be composed of the same wire material. The counter electrode 12 is arranged to face the photoelectrode 11 in the illustrated example, but it is not limited to this.

電解液槽14は、光電極11と対電極12とに接触する電解液13を収容する。電解液13には適宜の水系電解液が用いられ、例えば、NaOH水溶液、H2SO4水溶液、Na2SO4水溶液等が適用可能である。 The electrolytic solution tank 14 stores an electrolytic solution 13 that contacts the photoelectrode 11 and the counter electrode 12. An appropriate aqueous electrolytic solution is used as the electrolytic solution 13, and for example, an aqueous NaOH solution, an aqueous H 2 SO 4 solution, an aqueous Na 2 SO 4 solution, or the like is applicable.

電解液槽14は、光電極11の主面と対向する側面に開口部14aを有し、開口部14aを介して電解液槽14の外部から光電極11へ光を照射可能に構成される。開口部14aはシールリング16を介して光透過性の窓部材17で被覆されている。   The electrolytic solution tank 14 has an opening 14a on the side surface facing the main surface of the photoelectrode 11, and is configured to be able to irradiate light to the photoelectrode 11 from the outside of the electrolytic solution tank 14 through the opening 14a. The opening 14 a is covered with a light transmissive window member 17 through a seal ring 16.

光電極11を構成するβ−Ga23は、約4.7eVのバンドギャップエネルギを有し、当該エネルギ以上の光エネルギを有する光の照射を受けることで、電子−正孔対を生成する。当該光エネルギを有する光(励起光)は、典型的には紫外線であり、例えば波長200nm〜260nmの深紫外線が好適である。 Β-Ga 2 O 3 constituting the photoelectrode 11 has a band gap energy of about 4.7 eV, and generates an electron-hole pair by being irradiated with light having a light energy higher than that energy. . The light having the light energy (excitation light) is typically ultraviolet light, and for example, deep ultraviolet light having a wavelength of 200 nm to 260 nm is suitable.

上記励起光は、太陽光に含まれる紫外線であってもよいが、本実施形態では紫外線光源18をさらに有する。これにより効率よく光電極11を励起することが可能となる。本実施形態では、光源18として、上記深紫外線領域の光を出射する光源が用いられる。   The excitation light may be ultraviolet light contained in sunlight, but in the present embodiment, the excitation light further includes an ultraviolet light source 18. As a result, the photoelectrode 11 can be efficiently excited. In the present embodiment, a light source that emits light in the deep ultraviolet region is used as the light source 18.

図3は、電解液13中の光電極11のバンド構造を示す模式図である。伝導帯エッジバンド(伝導帯の底部電位)は水素の酸化還元電位(H/H2)よりも高く(負の方向に大きく)、価電子帯エッジバンド(価電子帯の頂部電位)は酸素の酸化還元電位(O2/H2O)よりも低い(正の方向に大きい)。なお水素及び酸素の酸化還元電位は、図1に示したように標準水素電極(SHE:Standard Hydrogen Electrode)にてそれぞれ0V及び1.23Vである。 FIG. 3 is a schematic diagram showing a band structure of the photoelectrode 11 in the electrolytic solution 13. The conduction band edge band (bottom potential of the conduction band) is higher (larger in the negative direction) than the redox potential (H + / H 2 ) of hydrogen, and the valence band edge band (top potential of the valence band) is oxygen. Lower than the redox potential (O 2 / H 2 O) of (large in the positive direction). The redox potentials of hydrogen and oxygen are 0 V and 1.23 V, respectively, on a standard hydrogen electrode (SHE) as shown in FIG.

電解液13と接触する光電極11の表面付近には、バンドの曲がった領域すなわち空乏層(空間電荷層ともいう。)11dが形成される。この状態で光電極11に深紫外線が照射されると、空乏層に電子−正孔対が生成される。すなわち価電子帯の電子eが伝導帯へ励起され、励起された電子の元の位置に正孔(ホール)hが生成される。   In the vicinity of the surface of the photoelectrode 11 in contact with the electrolytic solution 13, a band bent region, that is, a depletion layer (also referred to as a space charge layer) 11 d is formed. In this state, when the photoelectrode 11 is irradiated with deep ultraviolet rays, electron-hole pairs are generated in the depletion layer. That is, an electron e in the valence band is excited to the conduction band, and a hole h is generated at the original position of the excited electron.

空乏層11dにおける電場勾配のため、電子eは光電極11の内部を拡散し、配線15を介して対電極12へ移動し、一方の正孔hは光電極11の表面へ移動する(電荷分離)。対電極12へ移動した電子eは、対電極12に接触する電解液13の水(H2O)を還元して水素を発生させる(下記(1)式参照)。一方、光電極11の表面に移動した正孔hは、電解液13の水酸化物イオン(OH)を酸化して酸素を発生させる(下記(2)式参照)。
2H2O+2e→H2+2OH …(1)
4OH+4h→2H2O+O2 …(2)
Due to the electric field gradient in the depletion layer 11d, the electrons e diffuse inside the photoelectrode 11, move to the counter electrode 12 through the wiring 15, and one hole h moves to the surface of the photoelectrode 11 (charge separation). ). The electrons e that have moved to the counter electrode 12 reduce the water (H 2 O) of the electrolyte solution 13 that contacts the counter electrode 12 to generate hydrogen (see the following formula (1)). On the other hand, the holes h that have moved to the surface of the photoelectrode 11 oxidize the hydroxide ions (OH ) of the electrolytic solution 13 to generate oxygen (see the following formula (2)).
2H 2 O + 2e → H 2 + 2OH (1)
4OH + 4h + → 2H 2 O + O 2 (2)

上述のようにして水の光電気分解が実現される。対電極12において水素を効率よく生成するには、光電極11の光吸収効率を高めることが必要である。光電極11の光吸収効率を高めるには、空乏層11dの厚み(深さ)の適正化が不可欠である。空乏層11dの厚みは、典型的には、光電極11を構成する酸化ガリウム単結晶のキャリア濃度で調整される。   As described above, photoelectrolysis of water is realized. In order to efficiently generate hydrogen at the counter electrode 12, it is necessary to increase the light absorption efficiency of the photoelectrode 11. In order to increase the light absorption efficiency of the photoelectrode 11, it is essential to optimize the thickness (depth) of the depletion layer 11d. The thickness of the depletion layer 11 d is typically adjusted by the carrier concentration of the gallium oxide single crystal constituting the photoelectrode 11.

すなわち、Ga23単結晶基板のキャリア濃度が光を効率的に吸収するのに最適値よりも高いと、空乏層が薄くなることで、光の吸収効率が低下する。 That is, when the carrier concentration of the Ga 2 O 3 single crystal substrate is higher than the optimum value for efficiently absorbing light, the depletion layer becomes thin, and the light absorption efficiency is lowered.

一方、上記基板のキャリア濃度が最適値よりも低い場合、空乏層がどんどん厚くなるが、表面の所定深さでしか光の吸収は起こらないので、光の吸収効率は頭打ちになる。さらに空乏層が厚すぎると、生成した電子と正孔が再結合する確率が増加し効率が低下する。   On the other hand, when the carrier concentration of the substrate is lower than the optimum value, the depletion layer becomes thicker, but light absorption occurs only at a predetermined depth on the surface, so that the light absorption efficiency reaches its peak. Furthermore, if the depletion layer is too thick, the probability that the generated electrons and holes are recombined increases and the efficiency decreases.

以上のような理由により、本実施形態では光電極11(酸化ガリウム単結晶)のキャリア濃度は、例えば、1×1016[cm−3]以上1×1019[cm−3]以下に調整される。これにより安定した水の光電気分解作用を得ることができる。空乏層の厚みに換算すると、外部バイアスが0[V]の場合、キャリア濃度が1×1016[cm−3]のときで462nm、キャリア濃度が1×1019[cm−3]のときで15nmとなる。すなわち本実施形態において光電極11の空乏層11dの厚みは、例えば15nm以上462nm以下の範囲とすることができる。 For the reasons described above, in this embodiment, the carrier concentration of the photoelectrode 11 (gallium oxide single crystal) is adjusted to, for example, 1 × 10 16 [cm −3 ] or more and 1 × 10 19 [cm −3 ] or less. The Thereby, the stable photoelectrolysis action of water can be obtained. In terms of the thickness of the depletion layer, when the external bias is 0 [V], the carrier concentration is 1 × 10 16 [cm −3 ] and the carrier concentration is 462 nm and the carrier concentration is 1 × 10 19 [cm −3 ]. 15 nm. That is, in this embodiment, the thickness of the depletion layer 11d of the photoelectrode 11 can be set in the range of, for example, 15 nm or more and 462 nm or less.

一方、光電極11と対電極12との間に外部バイアス(電位)を印加することによっても空乏層11dの深さを制御することができる。この場合、例えば空乏層11dに逆バイアス(逆方向電位)を印加することで光電極11及び対電極12においてそれぞれ酸素及び水素の生成量を向上させることができる。   On the other hand, the depth of the depletion layer 11 d can also be controlled by applying an external bias (potential) between the photoelectrode 11 and the counter electrode 12. In this case, for example, by applying a reverse bias (reverse potential) to the depletion layer 11d, the amounts of oxygen and hydrogen generated in the photoelectrode 11 and the counter electrode 12 can be improved.

そこで本実施形態の電気化学反応装置10は、光電極11と対電極12との間の配線15をバイアス電源19で置き換えることも可能である。バイアス電源19は、可変電源で構成される。バイアス電源19は、光電極11に対して所定の電圧範囲で逆バイアスを印加できるように構成されるが、光電極11に対して順方向にもバイアス電位を印加できるように構成されてもよい。この場合、バイアス電源19の可変電圧範囲は、例えば−数Vから+数Vの範囲に設定される。   Therefore, the electrochemical reaction device 10 of the present embodiment can replace the wiring 15 between the photoelectrode 11 and the counter electrode 12 with a bias power source 19. The bias power source 19 is a variable power source. The bias power source 19 is configured to apply a reverse bias to the photoelectrode 11 in a predetermined voltage range, but may be configured to apply a bias potential to the photoelectrode 11 also in the forward direction. . In this case, the variable voltage range of the bias power supply 19 is set, for example, to a range of −several V to + several V.

以下、本実施形態の電気化学反応装置10について、以下の実験例を通じて詳細に説明する。   Hereinafter, the electrochemical reaction device 10 of the present embodiment will be described in detail through the following experimental examples.

[実験例1]
本実験例では、キャリア濃度を1×1017cm−3台に制御したn型酸化ガリウム単結晶基板の光触媒機能を検証した。以下、その実験手順を説明する。
[Experimental Example 1]
In this experimental example, the photocatalytic function of an n-type gallium oxide single crystal substrate in which the carrier concentration was controlled to 1 × 10 17 cm −3 was verified. The experimental procedure will be described below.

検証には、図4に示す3電極光電気化学セルを用いた。このセルは、相互に対向する開口部H1及びH2を有する容器101と、作用電極WEと、対向電極CEと、参照電極REとを有する。作用電極WEにはn型酸化ガリウム(β−Ga23)単結晶基板を、対向電極CEにはPtワイヤを、そして参照電極REはAg/AgCl電極を用い、これらを容器101内の電解液に接触するように配置した。これら3電極WE、CE及びREをポテンショスタット104及び周波数応答解析器105に接続した。 For the verification, a three-electrode photoelectrochemical cell shown in FIG. 4 was used. This cell includes a container 101 having openings H1 and H2 facing each other, a working electrode WE, a counter electrode CE, and a reference electrode RE. An n-type gallium oxide (β-Ga 2 O 3 ) single crystal substrate is used for the working electrode WE, a Pt wire is used for the counter electrode CE, and an Ag / AgCl electrode is used for the reference electrode RE. The liquid was placed in contact with the liquid. These three electrodes WE, CE, and RE were connected to a potentiostat 104 and a frequency response analyzer 105.

参照電極REの標準水素電極(SHE)に対する電極電位は+2.03であり、電解液は、0.05M H2SO4水溶液(pH=1.91)、0.1M Na2SO4水溶液(pH=5.92)及び0.1M NaOH水溶液(pH=13.2)から選択した。 The electrode potential of the reference electrode RE with respect to the standard hydrogen electrode (SHE) is +2.03, and the electrolytes are 0.05 MH 2 SO 4 aqueous solution (pH = 1.91), 0.1 M Na 2 SO 4 aqueous solution (pH = 5.92) and 0.1 M aqueous NaOH (pH = 13.2).

Ga23基板は、FZ法で成長させた酸化ガリウム単結晶を楕円形状の(010)基板にスライスして作製した。Ga23基板の一方の面を開口部H1にシールリング102を介して固定し、Ga23基板の他方の面(背面)にIn端子107を設けた。Ga23基板へのInの接合は、窒素雰囲気下900℃で60秒間加熱することでオーミックコンタクトとした。 The Ga 2 O 3 substrate was prepared by slicing a gallium oxide single crystal grown by the FZ method into an elliptical (010) substrate. Ga 2 O 3 to one surface of the substrate was fixed through a seal ring 102 to the opening H1, it provided the In terminal 107 to the Ga 2 O 3 other surface of the substrate (back). The In bonding to the Ga 2 O 3 substrate was ohmic contact by heating at 900 ° C. for 60 seconds in a nitrogen atmosphere.

容器101の開口部H2にはシールリング103を介して水晶窓106を固定し、この窓106を介して光源(低圧水銀ランプ)から波長254nmの深紫外線を作用電極WE(Ga23基板)に照射し、その光電極特性を評価した。また、キセノンランプからの単色光を波長感度測定に用いた。電解液及び光源に対向する作用電極WEの露出面積は、0.162cmであった。 A crystal window 106 is fixed to the opening H2 of the container 101 through a seal ring 103, and deep ultraviolet light having a wavelength of 254 nm is applied to the working electrode WE (Ga 2 O 3 substrate) from the light source (low pressure mercury lamp) through the window 106. The photoelectrode characteristics were evaluated. Monochromatic light from a xenon lamp was used for wavelength sensitivity measurement. The exposed area of the working electrode WE facing the electrolytic solution and the light source was 0.162 cm 2 .

最初に、フラットバンド電位を下記(3)式に示すMott-Schottky相関によって決定した。
(1/Cs2)=2(E−Efb−(kT/e))/(ε・εr・ε0・ND) …(3)
ここで、Cs、e、εr、ε0、ND、E、Efb及びkTはそれぞれ、単位面積当たりの容量、電子電荷、β−Ga23の比誘電率(εr =10)、真空の誘電率、イオン化ドナー濃度(キャリア濃度)、電極電位、フラットバンド電位及び熱エネルギである。
First, the flat band potential was determined by the Mott-Schottky correlation shown in the following formula (3).
(1 / Cs 2) = 2 (E-Efb- (kT / e)) / (ε · ε r · ε 0 · N D) ... (3)
Here, Cs, e, ε r , ε 0 , N D , E, Efb, and kT are a capacity per unit area, an electronic charge, a relative dielectric constant of β-Ga 2 O 3r = 10), These are the dielectric constant of vacuum, ionized donor concentration (carrier concentration), electrode potential, flat band potential, and thermal energy.

図5にpHが異なる複数の電解液から取得した1/Cs2−Eプロットを示す。1/Cs2はEの減少と共に直線的に減少し、これは(3)式とよく一致する。プロットの傾きから、キャリア濃度NDは、電解液のpHに依存せず、約4.0×1017cm−3と算出された。 FIG. 5 shows 1 / Cs 2 -E plots obtained from a plurality of electrolytes having different pHs. 1 / Cs 2 decreases linearly as E decreases, which is in good agreement with equation (3). From the slope of the plot, the carrier concentration N D is independent of pH of the electrolyte solution was calculated to be about 4.0 × 10 17 cm -3.

このキャリア濃度の値に対応するGa23基板の外部印加電圧0Vにおける空乏層の厚み(d)は、73nmである。また、Ga23基板の光の吸収係数を2×105cm−5とすると、入射光の77%が空乏層で吸収される。 The thickness (d) of the depletion layer at an externally applied voltage of 0 V on the Ga 2 O 3 substrate corresponding to this carrier concentration value is 73 nm. If the light absorption coefficient of the Ga 2 O 3 substrate is 2 × 10 5 cm −5 , 77% of the incident light is absorbed by the depletion layer.

Efbは、プロットの線形外挿の横軸切片から得られる。図6にEfbのpH依存性を示す。EfbはpHの関数として一次従属(線形の依存)を有し、傾きは、−57mV/pHであった。その値は、下記(4)式で表される光電極表面でのプロトン溶解の平衡式から導かれる理論値である−59mV/pHとほぼ一致した。
Ga-OH ⇔ H+Ga-O2− …(4)
Efb is obtained from the horizontal intercept of the linear extrapolation of the plot. FIG. 6 shows the pH dependence of Efb. Efb had a first order dependence (linear dependence) as a function of pH and the slope was -57 mV / pH. The value almost coincided with -59 mV / pH which is a theoretical value derived from an equilibrium equation of proton dissolution on the photoelectrode surface represented by the following formula (4).
Ga—OH ⇔H + + Ga—O 2− (4)

伝導帯エッジバンド(Ec)及び価電子帯エッジバンド(Ev)を(5)〜(7)の基本式から算出した。
Nc=2Mc(2πme kT/h23/2 …(5)
Ec−Efb = kT ln(ND/Nc) …(6)
Ev−Ec = Eg …(7)
ここで、Nc、Mc、me及びhはそれぞれ、伝導帯における実効状態密度、伝導帯の等価な谷の数(Mc=1、Gaの4s軌道に関する伝導帯最小値はΓ点に位置する)、β−Ga23の実効電子質量(me=0.28m0、m0は電子の静止質量)及びプランク定数である。
The conduction band edge band (Ec) and the valence band edge band (Ev) were calculated from the basic formulas (5) to (7).
Nc = 2Mc (2πme kT / h 2 ) 3/2 (5)
Ec-Efb = kT ln (N D / Nc) ... (6)
Ev−Ec = Eg (7)
Here, Nc, Mc, me and h are the effective state density in the conduction band, the number of equivalent valleys in the conduction band (Mc = 1, the conduction band minimum value for the 4s orbit of Ga is located at the Γ point), The effective electron mass of β-Ga 2 O 3 (me = 0.28 m 0 , m 0 is the electron's static mass) and the Planck constant.

Ec及びEvはそれぞれ、H2/H+ 酸化還元電位より高い1.1V、及びH2O/O2酸化還元電位より低い2.4Vであった。 Ec and Ev were 1.1 V higher than the H 2 / H + redox potential and 2.4 V lower than the H 2 O / O 2 redox potential, respectively.

次に、光電流を測定することで光電気化学反応を評価した。図7は、0.1M NaOH水溶液中の電流密度(J)と電位Eとの関係を示している。陽極分極において、暗闇の中では100nmA/cm2未満の僅かな電流値であったのに対し、0.59mW/cm2の254nm光の照明時には10μA/cm2オーダの大きな光電流が観測された。光電流は、参照電極REに対する作用電極WEの電位の増加につれて単調に上昇しており、これはバンド曲がりの増大に起因する空乏層の拡張や空乏層内の電界の増大を反映しているものと推定される。 Next, the photoelectrochemical reaction was evaluated by measuring the photocurrent. FIG. 7 shows the relationship between the current density (J) and the potential E in a 0.1 M NaOH aqueous solution. In the anodic polarization, a small current value of less than 100 nmA / cm 2 was observed in the dark, but a large photocurrent of the order of 10 μA / cm 2 was observed when illuminated with 254 nm light at 0.59 mW / cm 2 . . The photocurrent increases monotonically as the potential of the working electrode WE increases with respect to the reference electrode RE, which reflects the expansion of the depletion layer and the increase of the electric field in the depletion layer due to the increase in band bending. It is estimated to be.

0.1M NaOH水溶液中で測定された波長感度特性を図8の黒丸に示す。比較のため、β−Ga23基板の吸光度スペクトルも同図の白丸に示した。波長感度特性の測定において、作用電極WEと対向電極CEとの間に外部バイアス(V)は印加しなかった。光電変換効率(IPCE:Incident Photon to Current conversion Efficiency)は深紫外線(フォトンエネルギ4.7eV以上)の照明下で大幅に増加し、その立ち上がり波長は基礎吸収端に相当する。IPCEは波長254nmで0.14あり、240nmで最大値0.36に到達した。図7に示す光電流が飽和していないことを考慮すると、結晶のキャリア濃度の制御によりバンド曲がりを制御することで効率は更に向上すると推定される。 Wavelength sensitivity characteristics measured in 0.1 M NaOH aqueous solution are shown in black circles in FIG. For comparison, the absorbance spectrum of the β-Ga 2 O 3 substrate is also shown by white circles in the figure. In the measurement of wavelength sensitivity characteristics, no external bias (V) was applied between the working electrode WE and the counter electrode CE. The photoelectric conversion efficiency (IPCE: Incident Photon to Current conversion Efficiency) greatly increases under illumination of deep ultraviolet rays (photon energy of 4.7 eV or more), and the rising wavelength corresponds to the fundamental absorption edge. IPCE was 0.14 at a wavelength of 254 nm, and reached a maximum value of 0.36 at 240 nm. Considering that the photocurrent shown in FIG. 7 is not saturated, it is estimated that the efficiency is further improved by controlling the band bending by controlling the carrier concentration of the crystal.

次に、図9に示すガス収集システムを用いてガス発生特性を評価した。すなわち、水晶製ビーカ111の中で、作用電極WEに用いた光電極116(Ga23基板)と対向電極CEに用いた対電極(Ptワイヤ)117を0.1M NaOH水溶液に浸し、ソースメータ115を介してそれらを接続した。 Next, gas generation characteristics were evaluated using the gas collection system shown in FIG. That is, in the quartz beaker 111, the photoelectrode 116 (Ga 2 O 3 substrate) used for the working electrode WE and the counter electrode (Pt wire) 117 used for the counter electrode CE are immersed in a 0.1M NaOH aqueous solution, and the source They were connected via a meter 115.

光電極116の背面とリード線及び対電極117のリード線(先端部を除く領域)は、それらを電気分解から保護するため樹脂114で被覆した。光電極116及び対電極117で生成されたガス量をこれら2つの電極の直上にそれぞれ配置されたメスシリンダ112,113によって測定し、さらに各々の電極で生成されたガスの種類をガスクロマトグラフィで分析した。水溶液中でのGa23の分解を見積もるため、GaについてICP-AES(Inductively Coupled Plasma Atomic Emission Spectroscopy)を実施した。上記すべての測定は、室温で行った。ソースメータ115は、光電極116への外部バイアスの印加と光電流の検出とが可能に構成される。 The back surface of the photoelectrode 116, the lead wires, and the lead wires of the counter electrode 117 (regions excluding the tip) were coated with a resin 114 to protect them from electrolysis. The amount of gas generated at the photoelectrode 116 and the counter electrode 117 is measured by the graduated cylinders 112 and 113 respectively disposed immediately above these two electrodes, and the type of gas generated at each electrode is analyzed by gas chromatography. did. In order to estimate the decomposition of Ga 2 O 3 in an aqueous solution, ICP-AES (Inductively Coupled Plasma Atomic Emission Spectroscopy) was performed on Ga. All the above measurements were performed at room temperature. The source meter 115 is configured to be able to apply an external bias to the photoelectrode 116 and detect a photocurrent.

図10は、図9に示したガス収集システムを用いて0.1M NaOH水溶液における水の光電気分解の実験を行ったときのガスの生成状態を示す写真である。室内照明の下では気泡は観測されなかった(図10(a))。波長254nmの光(深紫外線)を光電極116に照射したときは、外部バイアス無し(V=0)で対電極117及び光電極116から小さい気泡が発生した(図10(b))。対電極117及び光電極118から発生したガスはそれぞれ水素及び酸素と同定され、これは上記(1)及び(2)の反応式のようなn型光電極を用いた典型的な水の還元及び酸化を示している。一方、酸素ガス発生は、水素に対してわずかであった。1Vの外部バイアス(−1Vの逆方向バイアスと同義)を印加したとき、ガス生成量は両電極においていずれも増加した(図10(c))。   FIG. 10 is a photograph showing a gas generation state when an experiment of photoelectrolysis of water in a 0.1 M NaOH aqueous solution was performed using the gas collection system shown in FIG. Bubbles were not observed under room lighting (FIG. 10 (a)). When the photoelectrode 116 was irradiated with light having a wavelength of 254 nm (deep ultraviolet), small bubbles were generated from the counter electrode 117 and the photoelectrode 116 without an external bias (V = 0) (FIG. 10B). The gases generated from the counter electrode 117 and the photoelectrode 118 are identified as hydrogen and oxygen, respectively, which are typical water reduction and n-type photoelectrodes as in the reaction equations (1) and (2) above. Shows oxidation. On the other hand, oxygen gas generation was slight relative to hydrogen. When an external bias of 1V (synonymous with a reverse bias of -1V) was applied, the gas generation amount increased in both electrodes (FIG. 10 (c)).

バイアス電圧が0V及び−1Vでの光電流の総和に対するガスの量を図11(a),(b)にそれぞれ示す。各図において黒丸のプロットは水素ガス量を示し、黒四角のプロットは酸素ガス量を示す。またこのときの状態は図10(c)に相当する。   FIGS. 11A and 11B show the amounts of gas with respect to the sum of photocurrents when the bias voltages are 0 V and −1 V, respectively. In each figure, the black circle plot indicates the hydrogen gas amount, and the black square plot indicates the oxygen gas amount. The state at this time corresponds to FIG.

各々のバイアス状態では、水素ガスの量は、光電流の総和から算出された理論値と十分一致していた。このことは、陰極からの電子が上記(1)式のような水の還元に費やされたことを示している。酸化に関しては、発生したガスの量は、V=0Vで理論値よりもかなり小さかった(図11(a))。このことは、生成した正孔のほとんどが上記(2)式のような酸化に使用されなかったことを意味している。   In each bias state, the amount of hydrogen gas was in good agreement with the theoretical value calculated from the sum of photocurrents. This indicates that the electrons from the cathode were spent in the reduction of water as in the above formula (1). With respect to oxidation, the amount of gas generated was considerably smaller than the theoretical value at V = 0 V (FIG. 11 (a)). This means that most of the generated holes were not used for oxidation as in the above formula (2).

その一方で、酸素ガスの発生は、−1Vの外部バイアスで大幅に向上する(図11(b))。量論比での水素及び酸素の同時生成は明確に観測され、それらの量は、完全な水の電気分解を示す光電流から見積もられた量に相当する。水の酸化が改善する理由は不明であるが、外部バイアスが空乏層中の電界を強めて電解液への正孔の注入を増進させるということであると推定される。   On the other hand, the generation of oxygen gas is greatly improved by an external bias of -1 V (FIG. 11 (b)). Co-production of hydrogen and oxygen in stoichiometric ratio is clearly observed, and these amounts correspond to those estimated from the photocurrent indicating complete water electrolysis. The reason for the improvement of water oxidation is unknown, but it is presumed that an external bias enhances the electric field in the depletion layer and enhances the injection of holes into the electrolyte.

[実験例2]
実験例1とはキャリア濃度の異なるn型Ga23単結晶基板を作製し、これを図4に示した3電極光電気化学セルの作用電極WEに用いて、容量と電位の関係を測定した。その測定結果を図12に示す。プロットの傾きから、本実験例で使用したGa23基板のキャリア濃度は、4.7×1018cm−3と算出された。
[Experiment 2]
An n-type Ga 2 O 3 single crystal substrate having a carrier concentration different from that of Experimental Example 1 was prepared, and this was used as the working electrode WE of the three-electrode photoelectrochemical cell shown in FIG. did. The measurement results are shown in FIG. From the slope of the plot, the carrier concentration of the Ga 2 O 3 substrate used in this experimental example was calculated to be 4.7 × 10 18 cm −3 .

このキャリア濃度の値に対応するGa23基板の外部印加電圧0Vにおける空乏層の厚み(d)は、21nmである。また、Ga23基板の光の吸収係数を2×105cm−5とすると、入射光の34%が空乏層で吸収される。 The thickness (d) of the depletion layer at an externally applied voltage of 0 V on the Ga 2 O 3 substrate corresponding to this carrier concentration value is 21 nm. If the light absorption coefficient of the Ga 2 O 3 substrate is 2 × 10 5 cm −5 , 34% of the incident light is absorbed by the depletion layer.

次に、光電流を測定することで光電気化学反応を評価した。図13は、0.1M NaOH水溶液中の電流密度(J)と電位Eとの関係を示している。本実験例においても、実験例1と同様に、参照電極REに対する作用電極WEの電位の増加につれて光電流が増加することが確認された。   Next, the photoelectrochemical reaction was evaluated by measuring the photocurrent. FIG. 13 shows the relationship between the current density (J) and the potential E in the 0.1 M NaOH aqueous solution. Also in this experimental example, as in Experimental example 1, it was confirmed that the photocurrent increased as the potential of the working electrode WE with respect to the reference electrode RE increased.

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。   The embodiment of the present invention has been described above, but the present invention is not limited to the above-described embodiment, and it is needless to say that various modifications can be made without departing from the gist of the present invention.

例えば以上の実施形態では、水の電気分解により主として水素を生成するための電気化学反応装置を例に挙げて説明したが、これに限られず、例えば有機物質や無機物質を合成または分解するための電気化学反応装置にも本発明は適用可能である。   For example, in the above embodiment, an electrochemical reaction apparatus for mainly generating hydrogen by electrolysis of water has been described as an example. However, the present invention is not limited thereto, and for example, for synthesizing or decomposing organic substances and inorganic substances. The present invention can also be applied to an electrochemical reaction apparatus.

10…電気化学反応装置
11…光電極
12…対電極
13…電解液
14…電解液槽
19…バイアス電源
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Electrochemical reaction apparatus 11 ... Photoelectrode 12 ... Counter electrode 13 ... Electrolyte solution 14 ... Electrolyte tank 19 ... Bias power supply

Claims (5)

紫外線の照射を受けることで電子−正孔対を生成する酸化ガリウム単結晶で構成された光電極と、
前記光電極と電気的に接続された対電極と、
前記光電極と前記対電極とに接触する電解液を収容する電解液槽と
を具備する電気化学反応装置。
A photoelectrode composed of a gallium oxide single crystal that generates electron-hole pairs upon irradiation with ultraviolet rays; and
A counter electrode electrically connected to the photoelectrode;
An electrochemical reaction device comprising: an electrolytic solution tank containing an electrolytic solution in contact with the photoelectrode and the counter electrode.
請求項1に記載の電気化学反応装置であって、
前記光電極は、1×1016[cm−3]以上1×1019[cm−3]以下のキャリア濃度を有するn型酸化ガリウム単結晶基板で構成される
電気化学反応装置。
The electrochemical reaction device according to claim 1,
The said photoelectrode is an electrochemical reaction apparatus comprised with the n-type gallium oxide single crystal substrate which has a carrier concentration of 1 * 10 < 16 > [cm < -3 >] or more and 1 * 10 < 19 > [cm < -3 >] or less.
請求項1又は2に記載の電気化学反応装置であって、
前記電解液は、前記光電極への紫外光の照射により、前記対電極から水素を発生させることが可能な水系電解液である
電気化学反応装置。
The electrochemical reaction device according to claim 1 or 2,
The electrochemical reaction apparatus, wherein the electrolytic solution is an aqueous electrolytic solution capable of generating hydrogen from the counter electrode by irradiating the photoelectrode with ultraviolet light.
請求項1〜3のいずれか1項に記載の電気化学反応装置であって、
前記光電極と前記対電極との間に接続されたバイアス電源をさらに具備する
電気化学反応装置。
The electrochemical reaction device according to any one of claims 1 to 3,
An electrochemical reaction device further comprising a bias power source connected between the photoelectrode and the counter electrode.
請求項1〜4のいずれか1項に記載の電気化学反応装置であって、
前記光電極へ深紫外光を照射するように構成された光源をさらに具備する
電気化学反応装置。
The electrochemical reaction device according to any one of claims 1 to 4,
An electrochemical reaction device further comprising a light source configured to irradiate the photoelectrode with deep ultraviolet light.
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