JP2016098419A - Hydrogen generation method, hydrogen generating apparatus and anode electrode for hydrogen generation - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は、水素の生成方法、水素生成装置および水素生成用のアノード電極に関する。 The present disclosure relates to a hydrogen generation method, a hydrogen generation apparatus, and an anode electrode for hydrogen generation.
従来、光触媒として機能する半導体材料の利用方法として、半導体材料に光を照射することにより、水を分解して水素を生成することが知られている。 Conventionally, as a method of using a semiconductor material that functions as a photocatalyst, it is known that hydrogen is generated by decomposing water by irradiating the semiconductor material with light.
特許文献1および2には、窒化物半導体をアノード電極(光化学電極)に用いた水素の生成方法が開示されている。 Patent Documents 1 and 2 disclose a method for generating hydrogen using a nitride semiconductor as an anode electrode (photochemical electrode).
しかしながら、更なる水素生成の効率化が望まれていた。 However, further efficiency in hydrogen production has been desired.
本開示の目的は、より高効率な水素の生成方法、水素生成装置および水素生成用のアノード電極を提供することである。 An object of the present disclosure is to provide a more efficient method for generating hydrogen, a hydrogen generator, and an anode electrode for hydrogen generation.
本開示に係る水素の生成方法は、第1電解液を保持するカソード槽と、第2電解液を保持するアノード槽と、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電解液に接し、白金または白金化合物を有するカソード電極と、前記第2電解液に接するアノード電極と、を備える水素生成装置を用意する工程(a)と、前記アノード電極に光を照射して、前記第1電解液に含有される水を前記カソード電極上で還元することにより水素を生成する工程(b)と、を含む。前記水素生成装置において、前記アノード電極は、InxGa1-xN層(0<x≦0.40)およびGaN層の積層構造を有する窒化物半導体により構成される第1半導体層と、pn接合構造を有する半導体により構成される第2半導体層とを有し、前記アノード電極において、前記第2電解液に接する側から、前記第1半導体層のInxGa1-xN層、前記第1半導体層のGaN層、前記第2半導体層のp形層、および前記第2半導体層のn形層がこの順に配置されており、前記カソード電極と前記アノード電極とが、外部電源を介することなく、互いに電気的に接続されている。 A method for generating hydrogen according to the present disclosure includes a cathode tank holding a first electrolyte, an anode tank holding a second electrolyte, a proton permeable membrane sandwiched between the cathode tank and the anode tank, A step (a) of preparing a hydrogen generator comprising a cathode electrode having platinum or a platinum compound in contact with the first electrolyte solution and an anode electrode in contact with the second electrolyte solution; and irradiating the anode electrode with light And (b) generating hydrogen by reducing water contained in the first electrolyte solution on the cathode electrode. In the hydrogen generation device, the anode electrode includes a first semiconductor layer formed of a nitride semiconductor having a stacked structure of an In x Ga 1-x N layer (0 <x ≦ 0.40) and a GaN layer; A second semiconductor layer composed of a semiconductor having a junction structure, and an In x Ga 1-x N layer of the first semiconductor layer from the side in contact with the second electrolytic solution in the anode electrode, A GaN layer of one semiconductor layer, a p-type layer of the second semiconductor layer, and an n-type layer of the second semiconductor layer are arranged in this order, and the cathode electrode and the anode electrode are through an external power source There is no electrical connection between them.
本開示に係る水素の生成方法では、高効率に水素を生成することができる。 In the method for generating hydrogen according to the present disclosure, hydrogen can be generated with high efficiency.
特許文献1および2は、光化学電極への光照射により生成されたキャリア(電子および正孔)を利用して水の酸化還元処理を行うことにより、水素を生成することを開示する。このような光エネルギーを用いた水素の生成反応において得られる水素生成量は、光励起によって得られるキャリアの生成量および光化学電極に生じる光起電力値に依存する。しかし、従来の方法では、光励起によって得られるキャリアの生成量および反応電流量が十分ではなく、これら生成量および反応電流量をさらに増加させ、水素生成量を増加させることが望まれていた。 Patent Documents 1 and 2 disclose that hydrogen is generated by performing a redox treatment of water using carriers (electrons and holes) generated by light irradiation on a photochemical electrode. The amount of hydrogen produced in the hydrogen production reaction using such light energy depends on the amount of carriers produced by photoexcitation and the value of the photovoltaic force generated at the photochemical electrode. However, in the conventional method, the amount of carriers generated and the amount of reaction current obtained by photoexcitation are not sufficient, and it has been desired to further increase the amount of generation and reaction current to increase the amount of hydrogen generated.
本発明者らは、アノード電極(光化学電極)として、InxGa1-xN層(0<x≦0.40)およびGaN層の積層構造を有する窒化物半導体により構成される第1半導体層と、pn接合構造を有する半導体により構成される第2半導体層とを有するアノード電極を用いることにより、水素の生成効率が高まることを見出した。本開示に係る水素の生成方法は、かかる知見に基づいてなされたものである。 The present inventors, as an anode electrode (photochemical electrode), a first semiconductor layer composed of a nitride semiconductor having a stacked structure of an In x Ga 1-x N layer (0 <x ≦ 0.40) and a GaN layer And an anode electrode having a second semiconductor layer composed of a semiconductor having a pn junction structure, it has been found that hydrogen generation efficiency is increased. The method for generating hydrogen according to the present disclosure has been made based on such knowledge.
上記の知見に基づき、本発明者らは、以下の発明の各態様を想到するに至った。 Based on the above findings, the inventors have come up with the following aspects of the invention.
本開示の第1態様に係る水素の生成方法は、第1電解液を保持するカソード槽と、第2電解液を保持するアノード槽と、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電解液に接し、白金または白金化合物を有するカソード電極と、前記第2電解液に接するアノード電極と、を備える水素生成装置を用意する工程(a)と、前記アノード電極に光を照射して、前記第1電解液に含有される水を前記カソード電極上で還元することにより水素を生成する工程(b)と、を含む。前記水素生成装置において、前記アノード電極は、InxGa1-xN層(0<x≦0.40)およびGaN層の積層構造を有する窒化物半導体により構成される第1半導体層と、pn接合構造を有する半導体により構成される第2半導体層とを有し、前記アノード電極において、前記第2電解液に接する側から、前記第1半導体層のInxGa1-xN層、前記第1半導体層のGaN層、前記第2半導体層のp形層、および前記第2半導体層のn形層がこの順に配置されており、前記カソード電極と前記アノード電極とが、外部電源を介することなく、互いに電気的に接続されている。 The method for generating hydrogen according to the first aspect of the present disclosure includes a cathode tank holding a first electrolyte, an anode tank holding a second electrolyte, and a proton sandwiched between the cathode tank and the anode tank. A step (a) of preparing a hydrogen generator comprising: a permeable membrane; a cathode electrode having platinum or a platinum compound in contact with the first electrolyte; and an anode electrode in contact with the second electrolyte; and And (b) generating hydrogen by irradiating light to reduce water contained in the first electrolytic solution on the cathode electrode. In the hydrogen generation device, the anode electrode includes a first semiconductor layer formed of a nitride semiconductor having a stacked structure of an In x Ga 1-x N layer (0 <x ≦ 0.40) and a GaN layer; A second semiconductor layer composed of a semiconductor having a junction structure, and an In x Ga 1-x N layer of the first semiconductor layer from the side in contact with the second electrolytic solution in the anode electrode, A GaN layer of one semiconductor layer, a p-type layer of the second semiconductor layer, and an n-type layer of the second semiconductor layer are arranged in this order, and the cathode electrode and the anode electrode are through an external power source There is no electrical connection between them.
上記第1態様によれば、アノード電極(光化学電極)に光を照射することによって、より高効率に水素を生成することができる。 According to the said 1st aspect, hydrogen can be produced | generated more efficiently by irradiating light to an anode electrode (photochemical electrode).
本開示の第2態様に係る水素の生成方法は、上記第1態様の特徴に加え、前記アノード電極に照射される光は、前記第1半導体層にて吸収可能な波長と、前記第2半導体層にて吸収可能な波長とを有する。 The method for generating hydrogen according to the second aspect of the present disclosure includes, in addition to the characteristics of the first aspect, the light applied to the anode electrode has a wavelength that can be absorbed by the first semiconductor layer, and the second semiconductor. A wavelength that can be absorbed by the layer.
上記第2態様によれば、様々な波長を有する光を有効に活用することができる。 According to the second aspect, it is possible to effectively use light having various wavelengths.
本開示の第3態様に係る水素の生成方法は、上記第2態様の特徴に加え、前記InxGa1-xN層のxの値が0.4のとき、前記第1半導体層にて吸収可能な波長が625nm以下の波長であり、前記第2半導体層にて吸収可能な波長が625nm以上の波長である。 In addition to the features of the second aspect, the method for generating hydrogen according to the third aspect of the present disclosure includes the first semiconductor layer when the value of x of the In x Ga 1-x N layer is 0.4. The wavelength that can be absorbed is 625 nm or less, and the wavelength that can be absorbed by the second semiconductor layer is 625 nm or more.
本開示の第4態様に係る水素の生成方法は、上記第2態様の特徴に加え、前記InxGa1-xN層のxの値が0.1のとき、前記第1半導体層にて吸収可能な波長が415nm以下の波長であり、前記第2半導体層にて吸収可能な波長が415nm以上の波長である。 The method for generating hydrogen according to the fourth aspect of the present disclosure includes, in addition to the characteristics of the second aspect, when the value of x of the In x Ga 1-x N layer is 0.1, The wavelength that can be absorbed is 415 nm or less, and the wavelength that can be absorbed by the second semiconductor layer is 415 nm or more.
本開示の第5態様に係る水素の生成方法は、上記第1から第4のいずれかの態様の特徴に加え、前記InxGa1-xN層のxの値が、0.05≦x≦0.15である。 In addition to the features of any one of the first to fourth aspects, the method for generating hydrogen according to the fifth aspect of the present disclosure is such that the value of x of the In x Ga 1-x N layer is 0.05 ≦ x ≦ 0.15.
本開示の第6態様に係る水素の生成方法は、上記第1から第5のいずれかの態様の特徴に加え、前記GaN層がn形である。 In the method for generating hydrogen according to the sixth aspect of the present disclosure, in addition to the characteristics of any one of the first to fifth aspects, the GaN layer is n-type.
上記第6態様によれば、光励起によって生成したキャリアが移動するGaN層の電気抵抗が小さくなり、オーミック損失が低減するため、光化学電極としてのアノード電極の性能を高めることができる。 According to the sixth aspect, the electrical resistance of the GaN layer to which carriers generated by photoexcitation move is reduced and the ohmic loss is reduced, so that the performance of the anode electrode as a photochemical electrode can be enhanced.
本開示の第7態様に係る水素の生成方法は、上記第1から第6のいずれかの態様の特徴に加え、前記第2半導体層が、Si、GaAs、GaPおよびGeのうち少なくとも1種から構成される。 According to a seventh aspect of the present disclosure, in addition to the features of any one of the first to sixth aspects, the second semiconductor layer is made of at least one of Si, GaAs, GaP, and Ge. Composed.
上記第7態様によれば、前記第1半導体層を透過して前記第2半導体層に到達した光を有効に利用することができる。 According to the said 7th aspect, the light which permeate | transmitted the said 1st semiconductor layer and arrived at the said 2nd semiconductor layer can be utilized effectively.
本開示の第8態様に係る水素の生成方法は、上記第1から第7のいずれかの態様の特徴に加え、前記第2半導体層の前記p形層と前記n形層とが、互いに異なる半導体により構成される。 In the hydrogen generation method according to the eighth aspect of the present disclosure, in addition to the features of any one of the first to seventh aspects, the p-type layer and the n-type layer of the second semiconductor layer are different from each other. It is composed of a semiconductor.
上記第8態様によれば、前記第1半導体層を透過して前記第2半導体層に到達した光をより有効利用することができる。また、アノード電極に生じる光起電力値を高めることもできる。 According to the eighth aspect, the light transmitted through the first semiconductor layer and reaching the second semiconductor layer can be used more effectively. In addition, the photovoltaic value generated in the anode electrode can be increased.
本開示の第9態様に係る水素の生成方法は、上記第1から第8のいずれかの態様の特徴に加え、前記InxGa1-xN層の前記第2電解液と接する側の表面に、NiOy(0<y≦1)が配置されている。 The method for generating hydrogen according to the ninth aspect of the present disclosure includes the surface of the In x Ga 1-x N layer on the side in contact with the second electrolytic solution, in addition to the characteristics of the first to eighth aspects. In addition, NiO y (0 <y ≦ 1) is arranged.
上記第9態様によれば、酸化ニッケルNiOyが有する助触媒的な作用により、アノード電極の酸素生成効率を高めることができる。 According to the ninth aspect, the oxygen production efficiency of the anode electrode can be increased by the promoter action of nickel oxide NiO y .
本開示の第10態様に係る水素の生成方法は、上記第1から第9のいずれかの態様の特徴に加え、前記アノード電極は複数の前記第2半導体層を有し、前記アノード電極には、一方の前記第2半導体層のn形層が他方の前記第2半導体層のp形層と電気的に接続した、隣り合う前記第2半導体層のペアが存在する。 According to a tenth aspect of the present disclosure, in addition to the characteristics of any one of the first to ninth aspects, the anode electrode includes a plurality of the second semiconductor layers, and the anode electrode includes There is a pair of adjacent second semiconductor layers in which the n-type layer of one of the second semiconductor layers is electrically connected to the p-type layer of the other second semiconductor layer.
上記第10態様によれば、前記第1半導体層を透過して前記第2半導体層に到達した光をさらに有効利用することができる。また、アノード電極に生じる光起電力値を高めることができる。 According to the tenth aspect, the light that has passed through the first semiconductor layer and reached the second semiconductor layer can be further effectively used. In addition, the photovoltaic value generated in the anode electrode can be increased.
本開示の第11態様に係る水素の生成方法は、上記第1から第10のいずれかの態様の特徴に加え、前記第1電解液が、炭酸水素カリウム、炭酸水素ナトリウム、塩化カリウム、塩化ナトリウム、硫酸カリウムおよび燐酸カリウムのうち少なくとも1種を含む水溶液である。 According to an eleventh aspect of the present disclosure, in addition to the characteristics of any one of the first to tenth aspects, the first electrolytic solution includes potassium hydrogen carbonate, sodium hydrogen carbonate, potassium chloride, sodium chloride. , An aqueous solution containing at least one of potassium sulfate and potassium phosphate.
上記第11態様によれば、これらの電解液は、カソード槽に収容される電解液として好適である。 According to the eleventh aspect, these electrolytic solutions are suitable as the electrolytic solution accommodated in the cathode chamber.
本開示の第12態様に係る水素の生成方法は、上記第1から第11のいずれかの態様の特徴に加え、前記第2電解液が、水酸化ナトリウムおよび水酸化カリウムのうち少なくとも1種を含む水溶液である。 In the hydrogen production method according to the twelfth aspect of the present disclosure, in addition to the characteristics of any one of the first to eleventh aspects, the second electrolytic solution contains at least one of sodium hydroxide and potassium hydroxide. It is an aqueous solution containing.
上記第12態様によれば、この電解液は、アノード槽に収容される電解液として好適である。 According to the twelfth aspect, this electrolytic solution is suitable as an electrolytic solution accommodated in the anode tank.
本開示の第13態様に係る水素の生成方法は、上記第1から第12のいずれかの態様の特徴に加え、前記工程(b)において、前記水素生成装置が室温かつ大気圧下に設置される。 In addition to the features of any one of the first to twelfth aspects, the method for generating hydrogen according to the thirteenth aspect of the present disclosure includes the hydrogen generation apparatus installed at room temperature and atmospheric pressure in the step (b). The
上記第13態様によれば、特殊な環境に設置することなく、光エネルギーによる水素生成が行われる。 According to the thirteenth aspect, hydrogen is generated by light energy without being installed in a special environment.
本開示の第14態様に係る水素生成装置は、第1電解液を保持可能なカソード槽と、第2電解液を保持可能なアノード槽と、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、水素生成時に前記第1電解液に接するように前記カソード槽の内部に設置された、白金または白金化合物を有するカソード電極と、水素生成時に前記第2電解液に接するように前記アノード槽の内部に設置されたアノード電極と、を備える。前記アノード電極は、InxGa1-xN層(0<x≦0.40)およびGaN層の積層構造を有する、窒化物半導体により構成される第1半導体層と、pn接合構造を有する半導体により構成される第2半導体層とを有し、前記アノード電極において、水素生成時に前記第2電解液に接する側から、前記第1半導体層のInxGa1-xN層、前記第1半導体層のGaN層、前記第2半導体層のp形層、および前記第2半導体層のn形層がこの順に配置されており、前記カソード電極と前記アノード電極とが、外部電源を介することなく、互いに電気的に接続されている。 A hydrogen generation device according to a fourteenth aspect of the present disclosure is sandwiched between a cathode tank capable of holding a first electrolyte, an anode tank capable of holding a second electrolyte, and the cathode tank and the anode tank. A proton permeable membrane; a cathode electrode having platinum or a platinum compound disposed inside the cathode chamber so as to be in contact with the first electrolyte during hydrogen generation; and the cathode so as to be in contact with the second electrolyte during hydrogen generation. And an anode electrode installed inside the anode tank. The anode electrode includes a first semiconductor layer made of a nitride semiconductor having a stacked structure of an In x Ga 1-x N layer (0 <x ≦ 0.40) and a GaN layer, and a semiconductor having a pn junction structure In the anode electrode, the In x Ga 1-x N layer of the first semiconductor layer, from the side in contact with the second electrolyte at the time of hydrogen generation, the first semiconductor The GaN layer of the layer, the p-type layer of the second semiconductor layer, and the n-type layer of the second semiconductor layer are arranged in this order, and the cathode electrode and the anode electrode do not pass through an external power source, They are electrically connected to each other.
本開示の第15態様に係る水素生成用のアノード電極は、上記第14態様の水素生成装置に用いられる前記アノード電極である。より具体的には、InxGa1-xN層(0<x≦0.40)およびGaN層の積層構造を有する、窒化物半導体により構成される第1半導体層と、pn接合構造を有する半導体により構成される第2半導体層と、を有し、前記第1半導体層のInxGa1-xN層、前記第1半導体層のGaN層、前記第2半導体層のp形層、および前記第2半導体層のn形層がこの順に配置されている、水素生成用のアノード電極である。 An anode electrode for hydrogen generation according to a fifteenth aspect of the present disclosure is the anode electrode used in the hydrogen generation apparatus according to the fourteenth aspect. More specifically, the semiconductor device includes a first semiconductor layer made of a nitride semiconductor having a stacked structure of an In x Ga 1-x N layer (0 <x ≦ 0.40) and a GaN layer, and a pn junction structure. A second semiconductor layer composed of a semiconductor, an In x Ga 1-x N layer as the first semiconductor layer, a GaN layer as the first semiconductor layer, a p-type layer as the second semiconductor layer, and An n-type layer of the second semiconductor layer is an anode electrode for hydrogen generation, which is arranged in this order.
以下、本開示の実施の形態に係る水素の生成方法および水素生成装置について、図面を参照しながら説明する。本発明は、以下に示す実施の形態に限定されない。 Hereinafter, a hydrogen generation method and a hydrogen generation apparatus according to embodiments of the present disclosure will be described with reference to the drawings. The present invention is not limited to the embodiments described below.
(実施の形態)
図1Aは、本開示に係る水素の生成処理に用いるアノード電極(光化学電極)10Aの構造の一例を示す概略図である。図1Aに示すアノード電極10Aは、光が照射される面(光照射面)の側から、窒化物半導体材料で構成される第1半導体層11と、pn接合構造を有する第2半導体層12とが積層された構造を有する。第1半導体層11は、窒化インジウムガリウム層(組成式InxGa1-xN;インジウム(In)組成量を表すx値は0<x≦0.40を満たす;以下、InGaN層とも記す)13および窒化ガリウム層(組成式GaN;以下GaN層とも記す)14から構成されている。第2半導体層12は、pn接合構造を有する半導体層である。第1半導体層11のGaN層14と、第2半導体層12のp形層とが電気的に接続されている。図1Aに示すように、第1および第2半導体層11および12は、導電性基材15および電極部16を介して、第1半導体層11のGaN層14側と第2半導体層12のp形層とが電気的に接続されている。
(Embodiment)
FIG. 1A is a schematic diagram illustrating an example of the structure of an anode electrode (photochemical electrode) 10A used in the hydrogen generation process according to the present disclosure. An
このようなアノード電極の作製方法として、ベースとなる基材上に、まずpn接合構造を有する第2半導体層12を形成し、さらに連続的に窒化物半導体材料から構成される第1半導体層11を形成する方法(方法A)がある。これとは別に、第1半導体層と第2半導体層とを個々に形成した後、それぞれの電極領域を接合する方法(方法B)がある。方法Bの方が簡便である。図1Aに示したアノード電極10Aは、方法Bに基づいて作製した構造を有しており、具体的には、導電性基材15上に窒化物半導体材料により構成される第1半導体層11を形成し、さらに別途作製した第2半導体層12を電極部16で接合した構造を有する。端子電極部17は、アノード電極10Aの接続端子であり、導線を介してカソード電極に接続される。端子電極部17は、例えば、透明導電材料または金属などにより構成される。透明導電材料は、例えば、ZnO、ITO(Indium Tin Oxide)、またはSnO2などである。金属は、例えば、アルミニウム、銅、ニッケルまたは銀などである。
As a method for manufacturing such an anode electrode, first, a
以下、方法Bによるアノード電極10Aの作製方法について、より具体的に説明する。
Hereinafter, the production method of the
第1半導体層11は、例えば、導電性基材15上に窒化物半導体層(InGaN層13およびGaN層14)を薄膜として製膜することにより形成される。そのためには、基材上への窒化物半導体の薄膜形成手法を、特に限定されることなく採用できる。当該手法は、例えば、有機金属気相エピタキシー法である。導電性基材15に用いる具体的な材料は、例えば、低抵抗な単結晶窒化ガリウム(GaN)基板、酸化ガリウム(Ga2O3)基板、または炭化シリコン(SiC)基板などである。
The
導電性基材15に配置される電極部16の形成方法も特に限定はされないが、通常の金属薄膜形成法として利用されている真空蒸着法(抵抗加熱蒸着、電子ビーム蒸着など)が好適である。図1Aに示す電極部16は、導電性基材15における第1半導体層11側の面とは反対側の面に配置される。
A method for forming the
第1半導体層11の基本的な機能は、InGaN層13からなる領域で光を吸収し、その光励起によって生成したキャリア(電子および正孔)の作用により、酸化還元反応に寄与することである。具体的には、InGaN層13内において光励起により生成した正孔は、アノード電極10Aの表面(InGaN層13側の表面)に移動し、アノード電極10Aと接している水を酸化して酸素を生成する。すなわち、アノード電極10A自体は酸素生成電極として機能する。
The basic function of the
InGaN層13での光吸収量を決めるのは、バンドギャップ値(禁制体幅)であり、その値はIn組成を増すことにより減少させることができる。このため、バンドギャップの値の制御により、InGaN層13が約365nm以上の波長を有する光を吸収できるように調整できる。しかしながら、InGaN層13による長波長の光吸収が過分に増大した場合には、第2半導体層12における光吸収が低下するので、結果的に第2半導体層12によって電流が律速され、アノード電極全体としての光起電力値が低下する。よって、光の有効利用の観点から、アノード電極10Aが有するInGaN層13のIn組成は、組成式InxGa1-xNにおけるxの値にして0<x≦0.40の範囲である。この場合、InGaN層13は、波長625nm以下の光を吸収する。InGaN層13のIn組成は、上記xの値にして0.05≦x≦0.15が望ましい。
The amount of light absorption in the
上記波長範囲の成分を有する光をInGaN層13の表面に照射した場合、その吸収領域は、InGaN層のバンドギャップの値にも依存するが、概ね光照射面から100nm程度である。このため、InGaN層13の厚さは、例えば70nm以上300nm以下であり、さらに望ましくは80nm以上150nm以下である。
When the surface of the
光励起によってInGaN層13内に生成された電子は、第1半導体層11のGaN層14を介して、第2半導体層12のp形層側に供給される。GaN層14はn形である(n形のGaNにより構成される)ことが望ましい。GaN層14がn形であると、GaN層14の電気抵抗成分が小さくなるため、キャリア輸送に伴うオーミック損失を低減できる。n形のGaN層14として、不純物元素(例えば、シリコン)が添加された低抵抗な窒化ガリウム層(n+形GaN層)を適用することが望ましい。実施例では、この構成を採用した。このシリコンが添加されたn+形GaN層14のキャリア濃度は、1×1018個/cm3以上が望ましく、さらに望ましくは2×1018〜8×1018個/cm3程度である。
Electrons generated in the
pn接合構造を有する第2半導体層12は、p形特性を示す材料(半導体材料)により構成されるp型層と、n形特性を示す材料(半導体材料)により構成されるn形層との接合構造を有する。p形層とn形層との間にi形特性を示す材料が含まれていてもよい。すなわち、第2半導体層12が有するpn接合構造には、pin接合構造も含まれる。同様に、第2半導体層12が有するpn接合構造には、pi層間、またはin層間といった接合界面に導入されるバッファ層を含む構造も含まれる。
The
一般的には、p形特性を示す材料とn形特性を示す材料とは同一材料で構成されるが、異種材料でpn接合構造を形成しても良い。すなわち、第2半導体層12のp形層とn形層とが互いに異なる半導体により構成されてもよい。第2半導体層12は、例えば、Si,GaAs、GaPおよびGeのうち少なくとも1種から構成される。
In general, a material exhibiting p-type characteristics and a material exhibiting n-type characteristics are made of the same material, but a pn junction structure may be formed of different materials. That is, the p-type layer and the n-type layer of the
pn接合構造を有する第2半導体層12では、第1半導体層11の透過光に含まれる吸収可能な光成分を吸収し、励起キャリアを生成すると共に、光起電力が生じる。結果として、光照射によって励起された正孔は、第1半導体層11側から供給されたキャリアと再結合するが、第2半導体層12で励起された電子は、アノード電極10Aに配された端子電極部17に集められ、電気的に接続された配線(導線)を通じて、水を還元するカソード電極側に供給される。カソード電極に印加される電位は、第1半導体層11に生じた光起電力と第2半導体層12に生じた光起電力との和となる。すなわち、第1半導体層11と第2半導体層12とを積層したアノード電極10Aを用いることにより、アノード電極全体としてのキャリアの再結合を抑制する。また、光照射によって生じる光起電力値を向上させることが可能になり、カソード電極における水の還元処理量を増加させることが可能になる。
In the
アノード電極は、複数の第2半導体層12を有していてもよい。この場合、アノード電極には、一方の第2半導体層12のn形層が、他方の第2半導体層のp形層と電気的に接続した、隣り合う第2半導体層12のペアが存在することが望ましく、アノード電極が有する全ての第2半導体層12が、そのn形層(またはp形層)と、隣接する第2半導体層12のp形層(またはn形層)と電気的に接続されていることがさらに望ましい。電気的な接続を達成するために、一方の第2半導体層12のn形層と他方の第2半導体層12のp形層とが直接接している必要は必ずしもない。例えば、導電層を介して(間に挟んだ状態で)一方の第2半導体層12のn形層と他方の第2半導体層12のp形層とが電気的に接続されていてもよい。導電層は、例えば、透明導電層19、中間反射層である。中間反射層は、例えば、低屈折率な材料により構成され、低屈折率な材料は、例えば、ZnO、SiOなどである。中間反射層を介して電気的に接続されている第2半導体層12のペアの一例は、「pn接合構造(あるいはpin接合構造)を有するアモルファスシリコン層/中間反射層/pn接合構造(あるいはpin接合構造)を有する微結晶シリコン層」である。
The anode electrode may have a plurality of second semiconductor layers 12. In this case, the anode electrode includes a pair of adjacent second semiconductor layers 12 in which the n-type layer of one
以上が、本実施の形態に係る水素の生成処理に用いるアノード電極の主要構成であるが、アノード電極の機能である酸素生成効率を高めると共に、アノード電極の耐久性を高める構成として、InGaN層13の表面(光照射面側の表面であって第2電解液と接する表面)、または当該表面の一部に酸化ニッケル(NiOy:0<y≦1)18を多数、分散配置することが望ましい。図1Aでは、微粒子状の酸化ニッケル18が配置されているが、これに代えて、酸化ニッケルを含んだ薄膜をInGaN層13への光照射が妨げられない範囲でInGaN層13の表面、または当該表面の一部に配置することも可能である。この場合、当該薄膜の厚みは、光照射が妨げられない程度に薄く、例えば10nm以下にすることが望ましい。また、酸化ニッケル層の形状は必ずしも均一である必要はなく、様々な形状またはサイズのものがInGaN層13の表面にランダムに分散配置されていても良い。これらの構成では、酸化ニッケルが有する助触媒的な作用により、アノード電極における酸素生成効率を高める効果があることを本発明者らは確認している。
The above is the main configuration of the anode electrode used in the hydrogen generation process according to the present embodiment. The
図1Bは、窒化物半導体により構成される第1半導体層11と、pn接合構造を有する第2半導体層12とを透明導電層19を介して接合した構成を有するアノード電極の例である。このように、第1半導体層11と第2半導体層12とが電気的に接続され、かつ第2半導体層12に第1半導体層11の透過光が照射される構成であれば、半導体層11,12の接続部の構成は特に限定されない。透明導電層19は、透明導電材料により構成される。透明導電材料は、例えば、ZnO、ITO、SnO2などである。
FIG. 1B is an example of an anode electrode having a configuration in which a
図2Aおよび図2Bは、本開示に係る水素の生成処理に用いるアノード電極であって、pn接合構造を有する複数の第2半導体層12を備える例(アノード電極20A、20B)を示す。図2Aおよび図2Bでは、2つの第2半導体層12が透明導電層19を介して互いに積層されている。
2A and 2B show an example (
第2半導体層12が有する具体的なpn接合構造の組み合わせとしては、ガリウムヒ素(GaAs)とシリコン(Si)、アモルファスシリコン(a−Si)と結晶シリコン(c−Si)、微結晶シリコン(μc−Si)、ガリウム燐(GaP)、またはゲルマニウム(Ge)などである。
Specific combinations of pn junction structures of the
第1半導体層11の透過光を有効に吸収可能なバンドギャップを有する材料の組み合わせであれば、第2半導体層12のpn接合は特に限定はされない。実施例においては、主にアモルファスシリコンで作製したpin接合構造と微結晶シリコンで作製したpin接合構造とを積層したものを第2半導体層12として用いた。
The pn junction of the
(光照射によって水素を生成処理するための装置)
図3は、光照射によって水素を生成処理するための装置の一例を表した概略図である。装置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。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。
(Device for generating and processing hydrogen by light irradiation)
FIG. 3 is a schematic view showing an example of an apparatus for generating and processing hydrogen by light irradiation. The
カソード槽に保持される第1電解液307は、一般的な電解液を使用することができるが、とりわけ、炭酸水素カリウム、炭酸水素ナトリウム、塩化カリウム、塩化ナトリウム、硫酸カリウムおよび燐酸カリウムのうち少なくとも1種を含む水溶液であることが望ましい。第1電解液307は、炭酸水素カリウム水溶液(KHCO3水溶液)、炭酸水素ナトリウム水溶液(NaHCO3水溶液)、塩化カリウム水溶液(KCl水溶液)、塩化ナトリウム水溶液(NaCl水溶液)、硫酸カリウム(K2SO4水溶液)水溶液、または燐酸カリウム水溶液(K3PO4水溶液)でありうる。第1電解液の濃度としては、いずれの場合も0.5mol/L以上の濃度が望ましく、とりわけ3mol/L以上の濃度であることが望ましい。第1電解液307は酸性であることが好ましい。
As the first
カソード電極301は白金を主成分とする材料からなる触媒層を表面に有している。またカソード電極301は、上記触媒層を構成する材料のみにより形成されていても良いが、上記触媒層と触媒層を保持する基材との積層構造を有していても良い。後者のカソード電極301の例は、ガラスまたはグラッシーカーボン(登録商標)などの基材上に触媒層を薄膜状に形成した電極、微粒子状の触媒層を導電性基板上に多数担持した電極である。水を還元する能力を有するカソード電極301であれば、その構成は限定されない。当該材料が第1電解液307に接する限り、カソード電極301の一部のみが第1電解液307に浸漬され得る。
The
アノード槽305の内部には、第2電解液308が保持されていると共に、アノード槽305はアノード電極304を具備している。アノード電極304は本開示のアノード電極であり、例えば上述したアノード電極10A〜20B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。
A second
アノード槽305に保持される第2電解液308の例は、水酸化ナトリウムおよび水酸化カリウムのうち少なくとも1種を含む水溶液である。第2電解液は、水酸化ナトリウム水溶液(NaOH水溶液)または水酸化カリウム水溶液(KOH水溶液)でありうる。第2電解液の濃度は、1mol/L以上が望ましく、とりわけ、5mol/L程度が望ましい。第2電解液308は塩基性であることが望ましい。
The example of the
後述するように、第2電解液308に浸漬されているアノード電極304の領域には、少なくとも第1半導体層11で吸収可能な波長を有する光と第2半導体層12で吸収可能な光とを含んだ光が光源303より照射される。光源303の具体例は、キセノンランプ、水銀ランプまたはハロゲンランプであり、これらを単独で、または組み合わせて使用できる。また、いわゆる疑似太陽光源または太陽光も光源303として利用可能である。
As will be described later, at least light having a wavelength that can be absorbed by the
第1電解液307と第2電解液308とを分離するために、プロトン透過膜306がカソード槽302とアノード槽305との間に挟まれている。すなわち、本装置では第1電解液307および第2電解液308は互いに混合しない。プロトン透過膜306はプロトン(H+)が透過し、かつ他物質の通過が抑制されるものであればよく、特に限定されない。プロトン透過膜306の具体例は、ナフィオン膜(登録商標)である。
In order to separate the
カソード電極301およびアノード電極304は、それぞれ電極端子310および311を有する。これら電極端子310および311はポテンショスタットなどの外部電源を介さずに、導線312により電気的に接続されている。すなわち、カソード電極301は外部電源を介することなく、導線312を介してアノード電極304と電気的に接続されている。
The
(光照射による水の還元処理方法)
次に、上記された装置を用いて、水素を生成処理する方法を説明する。
(Water reduction treatment method by light irradiation)
Next, a method for generating and processing hydrogen using the above-described apparatus will be described.
水素生成装置300は室温かつ大気圧下に置かれ得る。図3に示すように、光源303からアノード電極304に光が照射される。より具体的には、アノード電極304が有するInGaN層13に光が照射される。光源303の例はキセノンランプであり、光源303からの光は第1半導体層11で吸収可能な光と第2半導体層12で吸収可能な光とを有している。第2半導体層で吸収可能な光は、第1半導体層を透過した光であることが好ましい(第2半導体層は、第1半導体層を透過した光を吸収できる構成を有することが好ましい)。これにより、InGaN層13に照射された光を有効に利用することができる。具体的には、InxGa1-xN層13のxの値が0.4のとき、第1半導体層では625nm以下の波長の光が吸収されるため、第2半導体層は625nm以上の波長の光が吸収できる構成とすることが望ましい。また、InxGa1-xN層13のxの値が0.1のとき、第1半導体層では415nm以下の波長の光が吸収されるため、第2半導体層は415nm以上の波長の光が吸収できる構成とすることが望ましい。
The
カソード電極301に白金を主成分とする材料からなる触媒層を有する材料を具備した場合、アノード電極304への光照射によって、第1電解液307に含有される水は還元処理される。その結果、カソード電極301において水素が生成され得る。
When the
(実施例)
以下、実施例を参照して、本開示の水素の生成方法および水素生成装置をより詳細に説明する。
(Example)
Hereinafter, the hydrogen generation method and the hydrogen generation apparatus of the present disclosure will be described in more detail with reference to examples.
(実施例1)
本実施例では、図2Aに示すアノード電極20Aを用いた。アノード電極20Aは、以下のように作製した。
Example 1
In this example, the
アノード電極(光化学電極)を構成する導電性基材15として、低抵抗な単結晶窒化ガリウム基板(厚み:約0.4mm、サイズ:直径約50mm)を準備した。次に、当該単結晶窒化ガリウム基板上に、シリコンをドープしたn+形低抵抗GaN層14(厚み:3.0μm、シリコンドープ量:4.0×1018個/cm3)およびInGaN層13(組成式:In0.05Ga0.95N、厚み:70nm)を、有機金属気相エピタキシー法により成長させた。次に、アノード電極における酸素生成効率を高めるため、InGaN層の表面に、溶液反応を用いて酸化ニッケル微粒子18(微粒子サイズ:数10nm〜数μm)を多数、分散配置した。さらに、窒化ガリウム基板の裏面側(窒化物半導体層を形成していない側の面)に、チタン(Ti)/アルミニウム(Al)/金(Au)からなる電極層16(厚み:約500nm)を形成した。
A low-resistance single crystal gallium nitride substrate (thickness: about 0.4 mm, size: about 50 mm in diameter) was prepared as the
これとは別に、アモルファスシリコンpin層と微結晶シリコンpin層との積層構造を有する(すなわち、2つのpn接合構造を有する)第2半導体層12のペアを形成し、電極層16を介して、第1半導体層と第2半導体層のp形層とを電気的に接続した。このようにして、図2Aに示すようなアノード電極20Aが得られた。
Separately, a pair of second semiconductor layers 12 having a laminated structure of an amorphous silicon pin layer and a microcrystalline silicon pin layer (that is, having two pn junction structures) is formed, and the
一方、カソード電極には白金板(厚み:0.1mm)を用いた。白金板における第1電解液に浸漬されている面積は約13cm2であった。 On the other hand, a platinum plate (thickness: 0.1 mm) was used for the cathode electrode. The area immersed in the 1st electrolyte solution in the platinum plate was about 13 cm < 2 >.
これらのアノード電極およびカソード電極を用いて、図3に示すような水素生成装置を作製した。アノード電極およびカソード電極間の距離は約8cmとした。作成した水素生成装置におけるその他の構成を、表1に示す。 Using these anode and cathode electrodes, a hydrogen generator as shown in FIG. 3 was produced. The distance between the anode electrode and the cathode electrode was about 8 cm. Table 1 shows other configurations of the produced hydrogen generator.
アノード槽に設置された光照射窓(図示せず)を介して、光源303から紫外光成分と可視光成分とを有する光をアノード電極の表面に一定時間照射し、電荷量10C(クーロン)まで水の還元処理を行った。本実施例では、290nm以上840nm以下の波長域に亘る光を照射する光源303を用いた。
Through a light irradiation window (not shown) installed in the anode tank, the surface of the anode electrode is irradiated with light having an ultraviolet light component and a visible light component from the
(比較例1)
第2半導体層を有さないアノード電極を用いた以外は、実施例1と同様の実験を実施した。
(Comparative Example 1)
An experiment similar to that of Example 1 was performed except that an anode electrode having no second semiconductor layer was used.
キセノンランプからの光をアノード電極の表面(InGaN面)に照射すると、実施例1および比較例1のいずれの場合も、アノード電極とカソード電極とをつなぐ導線312に反応電流が流れることが観測された。一方、光照射を中断すると、実施例1および比較例1のいずれの場合も、導線312に反応電流が流れないことが観測された。これは、何らかの反応が、光照射によりアノード電極およびカソード電極において生じていることを意味する。その反応電流量を比較すると、表2に示すように、実施例1の方が比較例1よりも約37倍大きかった。この結果は、実施例1の反応量が比較例1よりも大きいことを示している。
When light from the xenon lamp is irradiated on the surface of the anode electrode (InGaN surface), it is observed that in both cases of Example 1 and Comparative Example 1, a reaction current flows through the
この結果より、各電極で生じている反応量を高めるためには、窒化物半導体からなる第1半導体層に加えて、pn接合構造を有する半導体からなる第2半導体層が必要であることが明らかとなった。 From this result, it is clear that in order to increase the amount of reaction occurring at each electrode, a second semiconductor layer made of a semiconductor having a pn junction structure is required in addition to the first semiconductor layer made of a nitride semiconductor. It became.
次に、本発明者らは、光照射により生じている反応、すなわち、水の酸化還元反応の様子を以下のように詳細に調査した。具体的には、カソード槽が密閉された状態において、実施例1および比較例1のそれぞれのアノード電極に同じ時間、光を照射した。この光照射により、カソード槽において水の還元反応が起こるが、生成された水素量をガスクロマトグラフィによりそれぞれ測定した。結果を表3に示す。 Next, the present inventors investigated in detail the reaction caused by light irradiation, that is, the state of the redox reaction of water as follows. Specifically, in the state where the cathode tank was sealed, each anode electrode of Example 1 and Comparative Example 1 was irradiated with light for the same time. This light irradiation causes a reduction reaction of water in the cathode chamber, and the amount of hydrogen produced was measured by gas chromatography. The results are shown in Table 3.
表3に示すように、実施例1における水素生成量(太陽光エネルギー100mW/cm2換算)は、145.9μmol/hであった。一方、比較例1の水素生成量は約3.0μmol/hであった。すなわち、実施例1の構成により、水素の生成量が大幅に向上することが見出された。すなわち、実施例1の構造により、短時間で効率的に水から水素を生成することが可能となることが見出された。 As shown in Table 3, the amount of hydrogen produced in Example 1 (converted to solar energy 100 mW / cm 2 ) was 145.9 μmol / h. On the other hand, the hydrogen production amount of Comparative Example 1 was about 3.0 μmol / h. That is, it was found that the amount of hydrogen generated was greatly improved by the configuration of Example 1. That is, it was found that the structure of Example 1 can efficiently generate hydrogen from water in a short time.
(実施例2)
第1半導体層を構成するInGaN層(InxGa1-xN層)のIn組成量を表すxの値をx=0.05からx=0.15に増加させた以外は、実施例1と同様の実験を行った。
(Example 2)
Example 1 except that the value of x representing the In composition amount of the InGaN layer (In x Ga 1-x N layer) constituting the first semiconductor layer was increased from x = 0.05 to x = 0.15. The same experiment was conducted.
その結果、実施例1と同様にカソード電極において効率的に水素生成がなされていることを確認した。 As a result, it was confirmed that hydrogen was efficiently generated at the cathode electrode as in Example 1.
(実施例3)
第1半導体層を構成するInGaN層(InxGa1-xN層)のIn組成量を表すxの値をx=0.05からx=0.40に増加させた以外は、実施例1と同様の実験を行った。
(Example 3)
Example 1 except that the value of x representing the In composition amount of the InGaN layer (In x Ga 1-x N layer) constituting the first semiconductor layer was increased from x = 0.05 to x = 0.40. The same experiment was conducted.
その結果、実施例1と同様にカソード電極において効率的に水素生成がなされていることを確認した。 As a result, it was confirmed that hydrogen was efficiently generated at the cathode electrode as in Example 1.
(比較例2)
第1半導体層のIn0.05Ga0.95N層の代わりに窒化ガリウム層(組成式:GaN、膜厚:100nm)を用いた以外は、実施例1と同様の構成にて実験を行った。
(Comparative Example 2)
An experiment was performed with the same configuration as in Example 1 except that a gallium nitride layer (composition formula: GaN, film thickness: 100 nm) was used instead of the In 0.05 Ga 0.95 N layer of the first semiconductor layer.
その結果、比較例2の反応電流量は、実施例1と比較して低かった。また、比較例2の水素生成量は、105.1μmol/hであった。 As a result, the amount of reaction current in Comparative Example 2 was lower than that in Example 1. Moreover, the hydrogen production amount of Comparative Example 2 was 105.1 μmol / h.
(比較例3)
第1半導体層のIn0.05Ga0.95N層の代わりに窒化アルミニウムガリウム層(組成式:Al0.10Ga0.90N、膜厚:100nm)を用いた以外は、実施例1と同様の構成にて実験を行った。
(Comparative Example 3)
The experiment was performed with the same configuration as in Example 1 except that an aluminum gallium nitride layer (composition formula: Al 0.10 Ga 0.90 N, film thickness: 100 nm) was used instead of the In 0.05 Ga 0.95 N layer of the first semiconductor layer. went.
その結果、比較例3の反応電流量は、実施例1と比較して低かった。また、比較例3の水素生成量は、34.9μmol/hであった。 As a result, the amount of reaction current in Comparative Example 3 was lower than that in Example 1. Moreover, the hydrogen production amount of Comparative Example 3 was 34.9 μmol / h.
本発明は、高効率に水素を生成する方法を提供する。 The present invention provides a method for producing hydrogen with high efficiency.
10A、10B、20A、20B アノード電極
11 第1半導体層
12 第2半導体層
13 窒化インジウムガリウム(InGaN)層
14 窒化ガリウム(GaN)層
15 導電性基材
16 電極部
17 端子電極部
18 酸化ニッケル(NiOy)
19 透明導電層
300 水素生成装置
301 カソード電極
302 カソード槽
303 光源
304 アノード電極
305 アノード槽
306 プロトン伝導膜
307 第1電解液
308 第2電解液
310、311 端子
312 導線
10A, 10B, 20A,
19 Transparent
Claims (15)
第1電解液を保持するカソード槽と、
第2電解液を保持するアノード槽と、
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電解液に接し、白金または白金化合物を有するカソード電極と、
前記第2電解液に接するアノード電極と、
を備える水素生成装置を用意する工程(a)と、
前記アノード電極に光を照射して、前記第1電解液に含有される水を前記カソード電極上で還元することにより水素を生成する工程(b)と、
を含み、
前記水素生成装置において、
前記アノード電極は、InxGa1-xN層(0<x≦0.40)およびGaN層の積層構造を有する、窒化物半導体により構成される第1半導体層と、pn接合構造を有する半導体により構成される第2半導体層と、を有し、
前記アノード電極において、前記第2電解液に接する側から、前記第1半導体層のInxGa1-xN層、前記第1半導体層のGaN層、前記第2半導体層のp形層、および前記第2半導体層のn形層がこの順に配置されており、
前記カソード電極と前記アノード電極とが、外部電源を介することなく、互いに電気的に接続されている、
水素の生成方法。 A method for producing hydrogen, comprising:
A cathode chamber holding a first electrolyte solution;
An anode tank holding a second electrolyte solution;
A proton permeable membrane sandwiched between the cathode cell and the anode cell;
A cathode electrode in contact with the first electrolyte and having platinum or a platinum compound;
An anode electrode in contact with the second electrolytic solution;
Preparing a hydrogen generator comprising: (a);
(B) generating hydrogen by irradiating the anode electrode with light and reducing water contained in the first electrolyte solution on the cathode electrode;
Including
In the hydrogen generator,
The anode electrode includes a first semiconductor layer made of a nitride semiconductor having a stacked structure of an In x Ga 1-x N layer (0 <x ≦ 0.40) and a GaN layer, and a semiconductor having a pn junction structure A second semiconductor layer configured by:
In the anode electrode, from the side in contact with the second electrolyte, the In x Ga 1-x N layer of the first semiconductor layer, the GaN layer of the first semiconductor layer, the p-type layer of the second semiconductor layer, and N-type layers of the second semiconductor layer are arranged in this order;
The cathode electrode and the anode electrode are electrically connected to each other without an external power source,
How to generate hydrogen.
請求項1に記載の水素の生成方法。 The light applied to the anode electrode has a wavelength that can be absorbed by the first semiconductor layer and a wavelength that can be absorbed by the second semiconductor layer.
The method for producing hydrogen according to claim 1.
請求項2に記載の水素の生成方法。 When the value of x of the In x Ga 1-x N layer is 0.4, the wavelength that can be absorbed by the first semiconductor layer is 625 nm or less, and the wavelength that can be absorbed by the second semiconductor layer Is a wavelength of 625 nm or more,
The method for producing hydrogen according to claim 2.
請求項2に記載の水素の生成方法。 When the value of x of the In x Ga 1-x N layer is 0.1, the wavelength that can be absorbed by the first semiconductor layer is 415 nm or less, and the wavelength that can be absorbed by the second semiconductor layer Is a wavelength of 415 nm or more,
The method for producing hydrogen according to claim 2.
請求項1から4のいずれか1つに記載の水素の生成方法。 X value of the In x Ga 1-x N layer is 0.05 ≦ x ≦ 0.15,
The method for producing hydrogen according to any one of claims 1 to 4.
請求項1から5のいずれか1つに記載の水素の生成方法。 The GaN layer is n-type;
The method for producing hydrogen according to any one of claims 1 to 5.
請求項1から6のいずれか1つに記載の水素の生成方法。 The second semiconductor layer is composed of at least one of Si, GaAs, GaP and Ge;
The method for producing hydrogen according to any one of claims 1 to 6.
請求項1から7のいずれか1つに記載の水素の生成方法。 The p-type layer and the n-type layer of the second semiconductor layer are composed of different semiconductors;
The method for producing hydrogen according to any one of claims 1 to 7.
請求項1から8のいずれか1つに記載の水素の生成方法。 NiO y (0 <y ≦ 1) is disposed on the surface of the In x Ga 1-x N layer on the side in contact with the second electrolyte solution.
The method for producing hydrogen according to any one of claims 1 to 8.
前記アノード電極には、一方の前記第2半導体層のn形層が他方の前記第2半導体層のp形層と電気的に接続した、隣り合う前記第2半導体層のペアが存在する、
請求項1から9のいずれか1つに記載の水素の生成方法。 The anode electrode has a plurality of the second semiconductor layers,
The anode electrode includes a pair of adjacent second semiconductor layers in which an n-type layer of one of the second semiconductor layers is electrically connected to a p-type layer of the other second semiconductor layer,
The method for producing hydrogen according to any one of claims 1 to 9.
請求項1から10のいずれか1つに記載の水素の生成方法。 The first electrolytic solution is an aqueous solution containing at least one of potassium hydrogen carbonate, sodium hydrogen carbonate, potassium chloride, sodium chloride, potassium sulfate and potassium phosphate.
The method for producing hydrogen according to any one of claims 1 to 10.
請求項1から11のいずれか1つに記載の水素の生成方法。 The second electrolytic solution is an aqueous solution containing at least one of sodium hydroxide and potassium hydroxide.
The method for producing hydrogen according to any one of claims 1 to 11.
請求項1から12のいずれか1つに記載の水素の生成方法。 In the step (b), the hydrogen generator is installed at room temperature and atmospheric pressure.
The method for producing hydrogen according to any one of claims 1 to 12.
第1電解液を保持可能なカソード槽と、
第2電解液を保持可能なアノード槽と、
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、
水素生成時に前記第1電解液に接するように前記カソード槽の内部に設置された、白金または白金化合物を有するカソード電極と、
水素生成時に前記第2電解液に接するように前記アノード槽の内部に設置されたアノード電極と、
を備え、
前記アノード電極は、InxGa1-xN層(0<x≦0.40)およびGaN層の積層構造を有する、窒化物半導体により構成される第1半導体層と、pn接合構造を有する半導体により構成される第2半導体層と、を有し、
前記アノード電極において、水素生成時に前記第2電解液に接する側から、前記第1半導体層のInxGa1-xN層、前記第1半導体層のGaN層、前記第2半導体層のp形層、および前記第2半導体層のn形層がこの順に配置されており、
前記カソード電極と前記アノード電極とが、外部電源を介することなく、互いに電気的に接続されている、
水素生成装置。 A hydrogen generator,
A cathode cell capable of holding a first electrolyte solution;
An anode tank capable of holding a second electrolyte solution;
A proton permeable membrane sandwiched between the cathode cell and the anode cell;
A cathode electrode having platinum or a platinum compound disposed inside the cathode chamber so as to be in contact with the first electrolyte during hydrogen generation;
An anode electrode installed inside the anode tank so as to be in contact with the second electrolyte during hydrogen generation;
With
The anode electrode includes a first semiconductor layer made of a nitride semiconductor having a stacked structure of an In x Ga 1-x N layer (0 <x ≦ 0.40) and a GaN layer, and a semiconductor having a pn junction structure A second semiconductor layer configured by:
In the anode electrode, from the side in contact with the second electrolyte during hydrogen generation, the In x Ga 1-x N layer of the first semiconductor layer, the GaN layer of the first semiconductor layer, and the p-type of the second semiconductor layer And the n-type layer of the second semiconductor layer are arranged in this order,
The cathode electrode and the anode electrode are electrically connected to each other without an external power source,
Hydrogen generator.
前記第1半導体層のInxGa1-xN層、前記第1半導体層のGaN層、前記第2半導体層のp形層、および前記第2半導体層のn形層がこの順に配置されている、水素生成用のアノード電極。 A first semiconductor layer made of a nitride semiconductor having a stacked structure of an In x Ga 1-x N layer (0 <x ≦ 0.40) and a GaN layer, and a first semiconductor layer made of a semiconductor having a pn junction structure Two semiconductor layers,
The In x Ga 1-x N layer of the first semiconductor layer, the GaN layer of the first semiconductor layer, the p-type layer of the second semiconductor layer, and the n-type layer of the second semiconductor layer are arranged in this order. An anode electrode for hydrogen generation.
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