JP2015004120A - 二酸化炭素を還元する方法、二酸化炭素還元セル及び二酸化炭素還元装置 - Google Patents
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Abstract
Description
特許文献3は、所定の金属及び半導体から合成された光触媒材料を利用して二酸化炭素を還元する技術を開示している。
特許文献6は、太陽光を集光し、光合成微生物により二酸化炭素を還元する、光合成リアクターシステムが開示されている
第2電解液を収容するためのアノード槽と、
前記カソード槽と前記アノード槽との間に挟まれるプロトン透過膜と、
前記第1電解液に接するよう前記カソード槽の内部に設置され、銅、金、銀、インジウム、これらの合金、又はこれらの金属化合物を表面に具備するカソード電極と、
前記第2電解液に接するよう前記アノード槽の内部に設置され、AlxGa1−xN層(0≦x≦0.25)及びn型GaN層からなる窒化物半導体で構成される第1半導体層と、pn接合構造を有する半導体で構成され、かつ前記第1半導体層とp型半導体層で電気的に接続される第2半導体層と、を具備し、前記カソード電極と外部電源を介することなく電気的に接続されるアノード電極と、
を備える、二酸化炭素還元セルを用意する工程(a)と、
前記アノード電極に光を照射して、前記カソード電極で前記第1電解液に含有されている二酸化炭素を還元する工程(b)と、
を含む。
特許文献1〜12には、光触媒材料又は光化学電極への光照射により、二酸化炭素を還元できることが報告されている。すなわち、特許文献1〜12は、光照射によってアノード電極及びカソード電極で生成されたキャリア(電子及び正孔)を用いることにより、二酸化炭素よりギ酸又は炭化水素等の有機物が生成できることを開示している。
第2電解液を収容するためのアノード槽と、
前記カソード槽と前記アノード槽との間に挟まれるプロトン透過膜と、
前記第1電解液に接するよう前記カソード槽の内部に設置され、銅、金、銀、インジウム、これらの合金、又はこれらの金属化合物を表面に具備するカソード電極と、
前記第2電解液に接するよう前記アノード槽の内部に設置され、AlxGa1−xN層(0≦x≦0.25)及びn型GaN層からなる窒化物半導体で構成される第1半導体層と、pn接合構造を有する半導体で構成され、かつ前記第1半導体層とp型半導体層で電気的に接続される第2半導体層と、を具備し、前記カソード電極と外部電源を介することなく電気的に接続されるアノード電極と、
を備える、二酸化炭素還元セルを用意する工程(a)と、
前記アノード電極に光を照射して、前記カソード電極で前記第1電解液に含有されている二酸化炭素を還元する工程(b)と、
を含む。
前記二酸化炭素還元セルを固定するための架台部と、
前記二酸化炭素還元セルの向きを変化させるための駆動部と、
前記二酸化炭素還元セルの向きを太陽の動きに対して制御するための制御部と、
を具備し、
前記制御部によって、前記駆動部で前記架台部を動かし、前記二酸化炭素還元セルのアノード電極の表面領域を太陽光に正対させる、太陽光追尾装置を用意する工程(c)を、含んでもよい。
二酸化炭素を含有する第1電解液を収容するためのカソード槽と、
第2電解液を収容するためのアノード槽と、
前記カソード槽と前記アノード槽との間に挟まれるプロトン透過膜と、
前記第1電解液に接するよう前記カソード槽の内部に設置され、銅、金、銀、インジウム、これらの合金、又はこれらの金属化合物を表面に具備するカソード電極と、
前記第2電解液に接するよう前記アノード槽の内部に設置され、AlxGa1−xN層(0≦x≦0.25)及びn型GaN層からなる窒化物半導体で構成される第1半導体層と、pn接合構造を有する半導体で構成され、かつ前記第1半導体層とp型半導体層で電気的に接続される第2半導体層と、を具備し、前記カソード電極と外部電源を介することなく電気的に接続されるアノード電極と、
を備える。
太陽に対し、前記二酸化炭素還元セルの前記アノード電極の表面領域が正対するように、太陽の動きと前記二酸化炭素還元セルの向きを同期させるための太陽光追尾装置であって、
前記二酸化炭素還元セルを固定するための架台部と、
前記二酸化炭素還元セルの向きを変化させるための駆動部と、
前記二酸化炭素還元セルの向きを太陽の動きに対して制御するための制御部と、
を具備し、
前記制御部によって、前記駆動部で前記架台部を動かし、前記二酸化炭素還元セルのアノード電極の表面領域を太陽光に正対させる、太陽光追尾装置と、
備える。
実施の形態1に係る二酸化炭素還元セル、二酸化炭素還元装置及び二酸化炭素の還元方法について説明する。
図1A〜図1Dは、実施の形態1に係る二酸化炭素還元セルを構成する光化学電極(以下、「アノード電極」とも言う。)を示す断面図である。
アノード電極10Aの表面に、第1半導体層11で吸収可能な波長と第2半導体層12で吸収可能な波長とを有する光が照射されると、AlGaN層13からなる領域において第1半導体層11で吸収可能な波長を有する光が吸収され、光励起が生じる。なお、AlGaN層13からなる領域にて吸収可能な波長を有する光は、365nm以下の波長を有する光である。
本発明者らによって出願された米国特許出願13/453669の明細書は、本明細書に引用される。
図3は、二酸化炭素還元セル300を示す概略図である。二酸化炭素還元セル300は、カソード槽302、アノード槽305、およびプロトン透過膜306を具備する。
次に、二酸化炭素還元セルを用いて、二酸化炭素を還元する方法を説明する。
以下の実施例を参照して、本開示の実施の形態に係る二酸化炭素を還元する方法、及び二酸化炭素還元セルをより詳細に説明する。
導電性基材は、低抵抗な単結晶窒化ガリウム基材(厚み:約0.4mm)を用いた。
第2電解液:5.0mol/Lの濃度を有する水酸化ナトリウム水溶液
プロトン透過膜:ナフィオン膜(デュポン社製、ナフィオン117)
光源:キセノンランプ(出力:300W、光照射面積:約4cm2)
第1電解液には、ガス導入管309を通じて、二酸化炭素ガスが30分間供給された。アノード槽は光照射窓(図示せず)を具備していた。光照射窓を介して、光源303から放射された光がアノード電極の表面に一定時間照射された。この光は、250nm以上800nm以下の波長を有し、かつブロードなスペクトルを有していた。
アノード電極に第2半導体層を形成しなかったこと以外は、実施例1と同様の実験が行なわれた。
カソード電極としてグラッシーカーボン(登録商標)からなる基材上に複数の銅の微粒子を分散させ配置させた電極を用いた以外は、実施例1と同様の実験を行った。
第1電解液として炭酸水素カリウム水溶液に変えた以外は、実施例1と同様の実験を行った。
光源として疑似太陽光又は太陽光を照射したこと以外は、実施例1と同様の実験を行った。
第2半導体層としてガリウム砒素からなるpn接合構造とシリコン(Si)からなるpn接合構造とを積層した以外は、実施例1と同様の実験を行った。
カソード電極としてインジウム板を用いた以外は、実施例1と同様の実験を行った。
アノード電極に第2半導体層を形成しなかったこと以外は、実施例6と同様の実験を行った。
カソード電極として金板を用いた以外は、実施例6と同様の実験を行った。
<本開示の基礎となった知見>
本発明者らは、太陽光を追尾する機構を用いて、二酸化炭素還元セルを太陽光に正対させ、集光装置を用いて単位面積当たりに照射されるエネルギー密度を高めた光をアノード電極(光化学電極)に照射することで、その効果が増大することを見いだした。
本開示の実施の形態2に係る二酸化炭素を還元する方法は、かかる知見に基づいてなされたものである。
実施の形態2に係る二酸化炭素還元セルを構成するアノード電極(以下、「光化学電極」とも記す)30A、30B、30C、30D、35A、35Bは、実質的に実施の形態1に係る二酸化炭素還元セルを構成するアノード電極と同様の構成及び作用を有する。なお、アノード電極30A、30B、30C、30D、35A、35Bは、照射される光として、太陽光を受けることとしてもよい。
アノード電極30Aの表面領域に太陽光が照射されると、第1半導体層11を構成するAlGaN層13領域において吸収可能な波長を有する光が吸収され、光励起が生じる。なお、AlGaN層13領域にて吸収可能な光は、365nm以下の波長を有する光である。
さらに、アノード電極30C及び30Dの酸素生成効率及び耐久性を高めるために、図6C及び図6Dに示されるように、複数の酸化ニッケル微粒子18を、AlGaN層13の表面に分散してもよい。
図8は、二酸化炭素還元セル300Aを示す概略図である。二酸化炭素還元セル300Aは、カソード槽302、アノード槽305、及びプロトン透過膜306を具備する。
カソード槽302の内部には、第1電解液307が保持されていると共に、カソード槽302には、カソード電極301を具備している。カソード電極301は、第1電解液307に接している。具体的には、カソード電極301は、第1電解液307に浸漬されている。
第1電解液307は、二酸化炭素を含有する。二酸化炭素の濃度は限定されない。第1電解液307は、二酸化炭素が第1電解液307に溶解した状態において、酸性であってもよい。
カソード電極301は、上記の金属、合金、又は金属化合物によって構成してもよい。あるいは、上記の金属、合金、又は金属化合物を保持する基材によって構成してもよい。例えば、カソード電極301は、ガラス又はグラッシーカーボン(登録商標)等の基材上に所定の金属又は金属化合物を薄膜状に形成してもよい。また、カソード電極301は、導電性基板上に金属又は金属化合物からなる複数の微粒子を分散させることにより形成してもよい。図3に示すように、カソード電極301の少なくとも一部を、第1電解液307に浸漬してもよい。
アノード電極304は、AlGaN層及びn−GaN層を積層してなる窒化物半導体から構成される第1半導体層と、pn接合構造を有する半導体から構成される第2半導体層とを具備する。アノード電極304の構成は、例えば、アノード電極30Aである。アノード電極304は、第2電解液308に接している。具体的には、アノード電極304は第2電解液308に浸漬されている。
プロトン透過膜306は、ほぼプロトンのみがプロトン透過膜306を通過し、かつ他の物質がプロトン透過膜306を通過できないものであればよく、特に限定されない。プロトン透過膜306は、例えば、ナフィオン(登録商標)である。
後記されるように、第2電解液308に浸漬されているアノード電極304の表面領域に、集光装置によって集光された太陽光が照射される。その結果として、アノード電極304で発生した電子が、電気的に接続された導線312を通じてカソード電極301に供給され、カソード電極301の作用によって、第1電解液307中に含有されている二酸化炭素を還元する。
その際、ガス導入管309を通じて、第1電解液307に二酸化炭素を供給しながら、第1電解液307に含有される二酸化炭素を還元してもよい。また、光照射によって二酸化炭素の還元処理を開始する前に、ガス導入管309を通じて二酸化炭素を第1電解液307に供給し、充分な量の二酸化炭素を第1電解液307中に溶解しておいてもよい。
図9A及び図9Bは、二酸化炭素還元セル、太陽光追尾装置、並びに、集光装置を備えた二酸化炭素還元装置40の一例を示す側面概略図及び平面概略図である。図9Aは、二酸化炭素還元装置を側面から見た側面概略図である。図9Bは、上面から見た平面概略図である。二酸化炭素還元装置40は、二酸化炭素還元セル41、太陽光追尾装置42、及び集光装置43を具備する。図10の(a)、(b)、(c)は、実施の形態2に係る二酸化炭素還元装置が太陽光を追尾する様子を表した模式図である。図11は、実施の形態2に係る別例の二酸化炭素還元装置が太陽光を追尾する様子を表した模式図である。
太陽光追尾装置42は、二酸化炭素還元セル41を固定するための架台部44と、二酸化炭素還元セル41の向きを変化させるための駆動部45と、二酸化炭素還元セル41の向きを太陽の動きに対して制御するための制御部46と、を具備する。
次に、前記二酸化炭素還元装置40を用いて、二酸化炭素を還元する方法を説明する。
二酸化炭素還元装置40は、室温かつ大気圧下に置いてもよい。二酸化炭素還元装置40を構成する二酸化炭素還元セル41の第1電解液に二酸化炭素ガスを予め溶解させておくか、あるいは二酸化炭素ガスを第1電解液に供給しながら、集光装置43を介して、二酸化炭素還元セル41を構成するアノード電極48の表面に太陽光を照射する。そして、図10及び図11に示すように、時間経過と共に移動する太陽に合わせ、太陽光追尾装置42で二酸化炭素還元セル41の向きを制御し、ある一定時間、集光された太陽光47をアノード電極48に当てる。これによって、第1電解液306に含有される二酸化炭素は、カソード電極49、301で還元され、ギ酸、一酸化炭素、炭化水素類、及びアルコール類の少なくとも1種を生成する。
以下の実施例を参照して、本開示の実施の形態2に係る二酸化炭素を還元する方法、及び二酸化炭素還元装置をより詳細に説明する。
二酸化炭素還元セルのアノード電極を構成する導電性基材は、低抵抗な単結晶窒化ガリウム基材(厚み:約0.4mm)を用いた。この導電性基材に対し、第1半導体層を、以下の手順で形成した。
フレネルレンズからなる集光装置を用いない以外、すなわち、集光していない太陽光をアノード電極表面に照射した以外は、実施例8と同様の実験を行った。
その結果、集光装置を用いない場合の光起電力値(比較例3)は、Vopen〜−2.1V vs Ag/AgClであった。それに対し、集光装置を用いて太陽光を集光して、照射光のエネルギー密度を5倍に高めた場合の光起電力値(実施例8)は、Vopen〜−2.3V vs Ag/AgClに向上した。
アノード電極に実施例8と同じアノード電極を用い、カソード電極にインジウム板(厚み:0.5mm)を用いて、図8のような二酸化炭素還元セルを構成し、二酸化炭素の還元処理を行った。第1電解液に浸漬されているインジウム板の面積は、約20cm2であった。また、アノード電極とカソード電極間の距離は約8cmであった。
フレネルレンズからなる集光装置を用いない以外、すなわち、集光していない太陽光をアノード電極表面に照射した以外は、実施例9と同様の実験を行った。
以上より、アノード電極への太陽光照射により、カソード電極で二酸化炭素が還元される触媒反応が生じていることが見出された。
アノード電極に実施例8と同じアノード電極を用い、カソード電極に銅板(厚み:0.5mm)を用いて、実施例9と同様に実験を行った。なお、本実施例10で用いた第1電解液は、濃度が3.0mol/Lの塩化カリウム水溶液であり、第2電解液は、濃度が5.0mol/Lの水酸化ナトリウム水溶液である。
フレネルレンズからなる集光装置を用いない以外、すなわち、集光していない太陽光をアノード電極表面に照射した以外は、実施例10と同様の実験を行った。
以上より、アノード電極への太陽光照射により、カソード電極で二酸化炭素が還元される触媒反応が生じていることが見出された。
カソード電極として、グラッシーカーボン(登録商標)からなる基材上に多数の銅微粒子を分散配置させた電極を用いた以外は、実施例10と同様の実験を行った。
その結果、アノード電極に集光した太陽光を照射することにより、導線に反応電流が流れることが観測された。また、観測された反応電流量は、実施例10とほぼ同等の電流量が観測された。また、二酸化炭素の還元生成物は、実施例10と同様の反応生成物が得られることが確認された。
なお、銅微粒子の代わりに、銅ニッケル合金微粒子(Ni含有量:5%)で電極を作製した用いた場合も、電流量及び二酸化炭素の還元生成物は、銅微粒子のみの場合とほぼ同様の結果が得られた。
第1電解液として、塩化ナトリウム水溶液に変えた以外は、実施例10と同様の実験を行った。
その結果、アノード電極に光を照射することにより、導線に反応電流が流れることが観測された。また、観測された電流量は、実施例10とほぼ同等の反応電流量が観測された。
照射する太陽光の集光度を変えた以外は、実施例9と同様の実験を行った。
その結果、太陽光の集光度にほぼ比例して、反応電流が増加することが確認された。また、二酸化炭素の還元生成物として、ギ酸のみが選択的に生成していた。
第2半導体層として、ガリウム砒素からなるpn接合構造とシリコン(Si)からなるpn接合構造とを積層した以外は、実施例10と同様の実験を行った。
その結果、アノード電極に太陽光を照射することにより、導線に反応電流が流れることが観測された。また、観測された反応電位は、実施例10と比較して増加した。また、二酸化炭素の還元生成物は、実施例10と比較して、気体成分では炭化水素類が増加し、液体成分では、アルコール類の比率が増加した。
カソード電極として、金板を用いた以外は、実施例9と同様の実験を行った。
その結果、アノード電極に太陽光を照射することにより、導線に反応電流が流れることが観測された。また、観測された反応電流量は、実施例9とほぼ同等の反応電流量が観測された。
二酸化炭素の還元生成物は、大部分が一酸化炭素であった。つまり、カソード電極として金を用いることにより、一酸化炭素が選択的に生成されることが確認された。
なお、カソード電極として、金板の代わりに銀板を用いた場合も、一酸化炭素が選択的かつ高効率に生成されることが確認された。
集光装置として、フレネルレンズの代わりに、凸レンズあるいは凹面鏡を用いた以外は、実施例9と同様の実験を行った。
その結果、集光方法にかかわらず、集光された太陽光のエネルギー密度に依存して反応電流が増加し、単位時間当たりに得られる二酸化炭素の反応生成物量が増加することが確認された。
第1半導体層を構成するAlxGa1−xN層のAl量(x値)をx=0で作製したアノード電極、すなわち、GaN層とn−GaN層が積層されたアノード電極を用いた以外は、実施例9と同様の実験を行った。
その結果、アノード電極において吸収可能な太陽光の量が増加し、単位時間当たりのギ酸生成量が増加することが確認された。
第1半導体層を構成するAlxGa1−xN層のAl量(x値)をx=0〜0.25の間で変化させて作製したアノード電極、すなわち、Al組成が異なるAlGaN層とn−GaN層が積層されたアノード電極を用いた以外は、実施例10と同様の実験を行った。
カソード電極としてインジウムを用いた場合、二酸化炭素の還元生成物として、ギ酸が選択的に生成されることを見出した。
40、50、60 二酸化炭素還元装置
41、300、300A 二酸化炭素還元セル
48、304 アノード電極
49、301 カソード電極
Claims (20)
- 二酸化炭素を含有する第1電解液を収容するためのカソード槽と、
第2電解液を収容するためのアノード槽と、
前記カソード槽と前記アノード槽との間に挟まれるプロトン透過膜と、
前記第1電解液に接するよう前記カソード槽の内部に設置され、銅、金、銀、インジウム、これらの合金、又はこれらの金属化合物を表面に具備するカソード電極と、
前記第2電解液に接するよう前記アノード槽の内部に設置され、AlxGa1−xN層(0≦x≦0.25)及びn型GaN層からなる窒化物半導体で構成される第1半導体層と、pn接合構造を有する半導体で構成され、かつ前記第1半導体層とp型半導体層で電気的に接続される第2半導体層と、を具備し、前記カソード電極と外部電源を介することなく電気的に接続されるアノード電極と、
を備える、二酸化炭素還元セルを用意する工程(a)と、
前記アノード電極に光を照射して、前記カソード電極で前記第1電解液に含有されている二酸化炭素を還元する工程(b)と、
を含む、二酸化炭素を還元する方法。 - 前記工程(b)において、前記アノード電極に照射する光は、波長365nm以下の光と、波長365nm以上の光と、を含む、請求項1に記載の二酸化炭素を還元する方法。
- 前記工程(a)において、前記第1半導体層を構成するAlxGa1−xN層の前記xの値は、0.05以上、0.15以下である、請求項1に記載の二酸化炭素を還元する方法。
- 前記工程(a)において、前記第1半導体層を構成するn型GaN層は、n+型である、請求項1に記載の二酸化炭素を還元する方法。
- 前記工程(a)において、前記第2半導体層を構成する前記pn接合構造を有する半導体は、シリコン又はガリウム砒素である、請求項1に記載の二酸化炭素を還元する方法。
- 前記工程(a)において、前記AlxGa1−xN層の少なくとも一部が、酸化ニッケルの微粒子によって被膜されている、請求項1に記載の二酸化炭素を還元する方法。
- 前記工程(a)において、前記第1電解液は、炭酸水素カリウム水溶液、炭酸水素ナトリウム水溶液、塩化カリウム水溶液、又は塩化ナトリウム水溶液である、請求項1に記載の二酸化炭素を還元する方法。
- 前記工程(a)において、前記第2電解液は、水酸化ナトリウム水溶液である、請求項1に記載の二酸化炭素を還元する方法。
- 前記工程(b)において、前記二酸化炭素還元セルは、常温かつ大気圧下におかれる、請求項1に記載の二酸化炭素を還元する方法。
- 前記工程(b)において前記アノード電極を照射する光は、太陽光である、請求項1に記載の二酸化炭素を還元する方法。
- 前記工程(b)の前に行う工程であって、
前記二酸化炭素還元セルを固定するための架台部と、
前記二酸化炭素還元セルの向きを変化させるための駆動部と、
前記二酸化炭素還元セルの向きを太陽の動きに対して制御するための制御部と、
を具備し、
前記制御部によって、前記駆動部で前記架台部を動かし、前記二酸化炭素還元セルのアノード電極の表面領域を太陽光に正対させる、太陽光追尾装置を用意する工程(c)を、含む、請求項10に記載の二酸化炭素を還元する方法。 - 前記工程(b)において、太陽光を集光する集光装置を用いて、前記アノード電極に太陽光を集光して照射する、請求項10又は11に記載の二酸化炭素を還元する方法。
- 前記工程(b)において、前記集光装置によって集光された光の強度が、200mW/cm2以上、10W/cm2以下である、請求項12に記載の二酸化炭素を還元する方法。
- 前記工程(b)において、前記アノード電極に光を照射して、前記カソード電極で前記第1電解液に含有されている二酸化炭素を還元して、二酸化炭素を有機物に変換する、請求項1に記載の二酸化炭素を還元する方法。
- 前記工程(b)において、二酸化炭素を還元して、一酸化炭素、ギ酸、メタン、エチレン、メタノール、エタノール、イソプロパノール、アリルアルコールのうち少なくとも1種を得る、請求項14に記載の二酸化炭素を還元する方法。
- 光を用いて二酸化炭素を還元するための二酸化炭素還元セルであって、
二酸化炭素を含有する第1電解液を収容するためのカソード槽と、
第2電解液を収容するためのアノード槽と、
前記カソード槽と前記アノード槽との間に挟まれるプロトン透過膜と、
前記第1電解液に接するよう前記カソード槽の内部に設置され、銅、金、銀、インジウム、これらの合金、又はこれらの金属化合物を表面に具備するカソード電極と、
前記第2電解液に接するよう前記アノード槽の内部に設置され、AlxGa1−xN層(0≦x≦0.25)及びn型GaN層からなる窒化物半導体で構成される第1半導体層と、pn接合構造を有する半導体で構成され、かつ前記第1半導体層とp型半導体層で電気的に接続される第2半導体層と、を具備し、前記カソード電極と外部電源を介することなく電気的に接続されるアノード電極と、
を備える二酸化炭素還元セル。 - 請求項16に記載の前記二酸化炭素還元セルと、
太陽に対し、前記アノード電極の表面領域が正対するように、太陽の動きと前記二酸化炭素還元セルの向きの変化を同期させるための太陽光追尾装置であって、
前記二酸化炭素還元セルを固定するための架台部と、
前記二酸化炭素還元セルの向きを変化させるための駆動部と、
前記二酸化炭素還元セルの向きを太陽の動きに対して制御するための制御部と、
を具備し、
前記制御部によって、前記駆動部で前記架台部を動かし、前記二酸化炭素還元セルのアノード電極の表面領域を太陽光に正対させる、太陽光追尾装置と、
を備える、二酸化炭素還元装置。 - 前記アノード電極表面の所定の領域に対し、太陽光を集光して照射するための集光装置をさらに備える、請求項17に記載の二酸化炭素還元装置。
- 前記集光装置は、両凸レンズ、平凸レンズ、又はフレネルレンズである、請求項18に記載の二酸化炭素還元装置。
- 前記集光装置は、凹面鏡である、請求項18に記載の二酸化炭素還元装置。
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