JP2017160523A - Photochemical electrode - Google Patents

Photochemical electrode Download PDF

Info

Publication number
JP2017160523A
JP2017160523A JP2016048885A JP2016048885A JP2017160523A JP 2017160523 A JP2017160523 A JP 2017160523A JP 2016048885 A JP2016048885 A JP 2016048885A JP 2016048885 A JP2016048885 A JP 2016048885A JP 2017160523 A JP2017160523 A JP 2017160523A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
plate
conductor
photochemical electrode
oxygen
electrode
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2016048885A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP6694134B2 (en
Inventor
英之 天田
Hideyuki Amada
英之 天田
敏夫 眞鍋
Toshio Manabe
敏夫 眞鍋
今中 佳彦
Yoshihiko Imanaka
佳彦 今中
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fujitsu Ltd
Original Assignee
Fujitsu Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fujitsu Ltd filed Critical Fujitsu Ltd
Priority to JP2016048885A priority Critical patent/JP6694134B2/en
Publication of JP2017160523A publication Critical patent/JP2017160523A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP6694134B2 publication Critical patent/JP6694134B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/36Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis

Landscapes

  • Catalysts (AREA)
  • Electrodes For Compound Or Non-Metal Manufacture (AREA)
  • Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a photochemical electrode low in resistance between an oxygen generation material and a hydrogen generation material and in addition is easy to be manufactured.SOLUTION: There is provided a photochemical electrode having a first tabular body which has an oxidation reduction potential of O/HO between an upper limit of a valence band and a lower limit of a conduction band, is constituted by an oxygen generation light excitation material excited by absorbing light and is tabular, a second tabular body which has an oxidation reduction potential of H/Hbetween an upper limit of a valence band and a lower limit of a conduction band, is constituted by a hydrogen generation light excitation material excited by absorbing light and is tabular, and a conductor electrically connecting the first tabular body and the second tabular body.SELECTED DRAWING: Figure 3

Description

本発明は、人工光合成に使用可能な光化学電極に関する。   The present invention relates to a photochemical electrode that can be used for artificial photosynthesis.

地球温暖化が認知されて以来、産業活動に伴って大気中に排出される二酸化炭素を如何に削減するかが重要な課題となっている。   Since the recognition of global warming, how to reduce carbon dioxide emitted into the atmosphere with industrial activities has become an important issue.

大気中の二酸化炭素を減少させる方法として、人工光合成の技術が、近年、注目を集めている。人工光合成の技術では、太陽光のエネルギーによって水の酸化を行いつつ、水の酸化によって得られた電子とプロトンとを利用して二酸化炭素を還元する。二酸化炭素の還元により有機化合物が得られる。例えば、電解液の入った槽中で、アノードに置いた光励起材料に太陽光を照射することで水の酸化を行い、電子とプロトンとを発生させる。そして、発生した電子とプロトンとをカソードに置いた還元触媒に送り、二酸化炭素と反応させることで、ギ酸などの有機化合物を生成する。   Artificial photosynthesis technology has recently attracted attention as a method for reducing carbon dioxide in the atmosphere. In the technology of artificial photosynthesis, carbon dioxide is reduced by utilizing electrons and protons obtained by water oxidation while oxidizing water with sunlight energy. Organic compounds are obtained by reduction of carbon dioxide. For example, water is oxidized by irradiating the photoexcited material placed on the anode with sunlight in a tank containing an electrolytic solution to generate electrons and protons. Then, the generated electrons and protons are sent to a reduction catalyst placed on the cathode and reacted with carbon dioxide to generate an organic compound such as formic acid.

人工光合成のアノードにおいては、通常、一段階励起型又は二段階励起型で水の酸化が行われる。
二段階励起型の反応の一例は、図1に示すように行われる。図1に示すように、二段階励起型材料を用いた水の酸化分解は、電子供与体及び電子受容体として働く再生可能な電子伝達剤の存在下で、酸素生成材料及び水素生成材料を光励起させることにより行われる。用いる酸素生成材料及び水素生成材料は、一段階励起型のように、バンド構造にH/Hの酸化還元電位とO/HOの酸化還元電位とを挟む必要が無く、どちらか一方の反応に十分なポテンシャルを有していればよい。そのため、二段階励起型の反応に用いる酸素生成材料及び水素生成材料には、バンドギャップを狭くし、太陽光エネルギーを有効利用できる可能性がある。その際、水素生成材料のバンドギャップの価電子帯上端が酸素生成材料のバンドギャップの伝導帯下端より貴である必要がある。
In an artificial photosynthesis anode, water is usually oxidized in a single-stage excitation type or a two-stage excitation type.
An example of the two-stage excitation type reaction is performed as shown in FIG. As shown in FIG. 1, the oxidative decomposition of water using a two-stage excitation type material photoexcites an oxygen generating material and a hydrogen generating material in the presence of a reproducible electron transfer agent that acts as an electron donor and an electron acceptor. Is done. The oxygen generating material and the hydrogen generating material to be used do not need to sandwich the redox potential of H + / H 2 and the redox potential of O 2 / H 2 O in the band structure as in the one-step excitation type. It only needs to have sufficient potential for one reaction. Therefore, there is a possibility that the oxygen generating material and the hydrogen generating material used for the two-step excitation type reaction can narrow the band gap and effectively use solar energy. At this time, the upper end of the valence band of the band gap of the hydrogen generating material needs to be noble than the lower end of the conduction band of the band gap of the oxygen generating material.

しかし、二段階励起型の反応に用いる酸素生成材料及び水素生成材料の間の抵抗は一般的に高いため、酸素生成材料で生成した電子を水素生成材料に到達する効率が低いという問題がある。   However, since the resistance between the oxygen generating material and the hydrogen generating material used in the two-step excitation type reaction is generally high, there is a problem that the efficiency of reaching the hydrogen generating material with electrons generated from the oxygen generating material is low.

そこで、液固相法を用いて、酸素生成材料粒子と水素生成材料粒子とを隣接させる方法が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
しかし、この提案の技術では、酸素生成材料粒子と水素生成材料粒子とを隣接させた所定の構造を得るための制御が難しく、かつ製造が容易ではないという問題がある。
Therefore, a method of adjoining oxygen generating material particles and hydrogen generating material particles using a liquid solid phase method has been proposed (for example, see Patent Document 1).
However, this proposed technique has a problem that control for obtaining a predetermined structure in which oxygen-generating material particles and hydrogen-generating material particles are adjacent to each other is difficult and manufacturing is not easy.

特開2013−180245号公報JP2013-180245A

本発明は、酸素生成材料と水素生成材料との間の抵抗が低く、更に製造が容易な光化学電極を提供することを目的とする。   It is an object of the present invention to provide a photochemical electrode that has a low resistance between an oxygen generating material and a hydrogen generating material and is easy to manufacture.

一つの態様では、光化学電極は、
価電子帯の上端と伝導帯の下端との間にO/HOの酸化還元電位があり、かつ光を吸収して励起する酸素生成光励起材料から構成され、板状である第1の板状体と、
価電子帯の上端と伝導帯の下端との間にH/Hの酸化還元電位があり、かつ光を吸収して励起する水素生成光励起材料から構成され、板状である第2の板状体と、
前記第1の板状体と前記第2の板状体とを電気的に接続する導電体と、
を有する。
In one embodiment, the photochemical electrode is
There is a redox potential of O 2 / H 2 O between the upper end of the valence band and the lower end of the conduction band, and it is made of an oxygen-generating photoexcited material that absorbs and excites light, and has a plate shape. A plate-like body;
A second plate having a plate-like shape made of a hydrogen-generating photoexcited material that has a redox potential of H + / H 2 between the upper end of the valence band and the lower end of the conduction band and absorbs and excites light. And
A conductor that electrically connects the first plate-like body and the second plate-like body;
Have

一つの側面では、酸素生成材料と水素生成材料との間の抵抗が低く、更に製造が容易な光化学電極を提供できる。   In one aspect, it is possible to provide a photochemical electrode that has a low resistance between the oxygen generating material and the hydrogen generating material and that can be easily manufactured.

図1は、二段階励起型の反応の説明図である。FIG. 1 is an explanatory diagram of a two-stage excitation type reaction. 図2は、一般的な光励起材料のバンド構造を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing a band structure of a general photoexcitation material. 図3は、開示の光化学電極の一例の上面模式図である。FIG. 3 is a schematic top view of an example of the disclosed photochemical electrode. 図4は、開示の光化学電極の他の一例の上面模式図である。FIG. 4 is a schematic top view of another example of the disclosed photochemical electrode. 図5は、図4のA−A断面の一例の模式図である。FIG. 5 is a schematic diagram of an example of the AA cross section of FIG. 図6は、図4のA−A断面の他の一例の模式図である。FIG. 6 is a schematic diagram of another example of the AA cross section of FIG. 4. 図7は、図4のA−A断面の他の一例の模式図である。FIG. 7 is a schematic view of another example of the AA cross section of FIG. 図8は、図4のA−A断面の他の一例の模式図である。FIG. 8 is a schematic view of another example of the AA cross section of FIG. 図9は、開示の光化学電極の他の一例の上面模式図である。FIG. 9 is a schematic top view of another example of the disclosed photochemical electrode. 図10は、開示の光化学電極の他の一例の上面模式図である。FIG. 10 is a schematic top view of another example of the disclosed photochemical electrode. 図11は、開示の光化学電極の他の一例の断面模式図である。FIG. 11 is a schematic cross-sectional view of another example of the disclosed photochemical electrode. 図12は、開示の光化学電極の他の一例の断面模式図である。FIG. 12 is a schematic cross-sectional view of another example of the disclosed photochemical electrode. 図13は、開示の光化学電極の他の一例の断面模式図である。FIG. 13 is a schematic cross-sectional view of another example of the disclosed photochemical electrode. 図14は、開示の光化学電極の他の一例の断面模式図である。FIG. 14 is a schematic cross-sectional view of another example of the disclosed photochemical electrode. 図15は、実施例1の光化学電極の上面模式図である。FIG. 15 is a schematic top view of the photochemical electrode of Example 1. FIG. 図16は、実施例1の光化学電極1−Aにおける図15のA−A断面の模式図である。16 is a schematic diagram of the AA cross section of FIG. 15 in the photochemical electrode 1-A of Example 1. FIG. 図17は、実施例1の光化学電極1−Bにおける図15のA−A断面の模式図である。17 is a schematic diagram of the AA cross section of FIG. 15 in the photochemical electrode 1-B of Example 1. FIG. 図18は、実施例2の光化学電極の断面模式図である。FIG. 18 is a schematic cross-sectional view of the photochemical electrode of Example 2.

(光化学電極)
開示の光化学電極は、第1の板状体と、第2の板状体と、導電体とを有し、更に必要に応じてその他の部材を有する。
(Photochemical electrode)
The disclosed photochemical electrode includes a first plate-like body, a second plate-like body, and a conductor, and further includes other members as necessary.

<第1の板状体>
前記第1の板状体は、酸素生成光励起材料の板状体である。
<First plate-like body>
The first plate-like body is a plate-like body of an oxygen generation photoexcitation material.

前記第1の板状体の面の形状としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、多角形、円形、楕円形などが挙げられる。前記多角形としては、例えば、四角形などが挙げられる。前記四角形としては、例えば、長方形などが挙げられる。
前記第1の板状体の大きさとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
前記第1の板状体の面部分の面積としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、1mm〜100mmなどが挙げられる。
前記第1の板状体の厚みとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、0.01mm〜1.0mmなどが挙げられる。
There is no restriction | limiting in particular as a shape of the surface of a said 1st plate-shaped object, According to the objective, it can select suitably, For example, a polygon, circular, an ellipse etc. are mentioned. Examples of the polygon include a quadrangle. Examples of the quadrangle include a rectangle.
There is no restriction | limiting in particular as a magnitude | size of a said 1st plate-shaped object, According to the objective, it can select suitably.
As the area of the surface portion of the first plate-like member is not particularly limited and may be selected accordingly and examples thereof include 1 mm 2 100 mm 2.
There is no restriction | limiting in particular as thickness of the said 1st plate-shaped object, According to the objective, it can select suitably, For example, 0.01 mm-1.0 mm etc. are mentioned.

前記第1の板状体は、前記第1の板状体の面部分に溝を有することが好ましい。そうすることにより、表面積が増加し、水の酸素への酸化の効率が向上する。
前記溝の形状、大きさとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
The first plate-like body preferably has a groove in the surface portion of the first plate-like body. By doing so, the surface area is increased and the efficiency of oxidation of water to oxygen is improved.
There is no restriction | limiting in particular as a shape and a magnitude | size of the said groove | channel, According to the objective, it can select suitably.

前記光化学電極が有する前記第1の板状体は、一つであってもよいし、複数であってもよい。   The photochemical electrode may have one or a plurality of the first plate-like bodies.

<<酸素生成光励起材料>>
前記酸素生成光励起材料においては、価電子帯の上端(VBM;Valence Band Maximum)と伝導帯の下端(CBM;Conduction Band Minimum)との間にO/HOの酸化還元電位がある。
前記酸素生成光励起材料は、特定の範囲の波長の光を吸収して電子が励起する材料である。
<< Oxygen-generating photoexcitation material >>
In the oxygen generation photoexcitation material, there is an O 2 / H 2 O redox potential between the upper end of the valence band (VBM) and the lower end of the conduction band (CBM).
The oxygen-generating photoexcitation material is a material that excites electrons by absorbing light in a specific range of wavelengths.

一般的に知られている光励起材料は、図2に示すようなバンド構造を有する。
ここで、−5.73eV(vs VAC)は、真空準位におけるO/HOの酸化還元電位を表す。
−4.5eV(vs VAC)は、真空準位におけるH/Hの酸化還元電位を表す。
A generally known photoexcitation material has a band structure as shown in FIG.
Here, −5.73 eV (vs VAC) represents the redox potential of O 2 / H 2 O at the vacuum level.
−4.5 eV (vs VAC) represents the redox potential of H + / H 2 at the vacuum level.

前記酸素生成光励起材料としては、例えば、WO、SnO、Fe、TiO、BiVO、SrTiO、BaTiOなどが挙げられる。 Examples of the oxygen generating photoexcitation material include WO 3 , SnO 2 , Fe 2 O 3 , TiO 2 , BiVO 4 , SrTiO 3 , BaTiO 3 and the like.

前記酸素生成光励起材料のバンドギャップとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、可視光で光励起反応が行われる点から、1.8eV〜3.0eVが好ましく、1.8eV〜2.5eVがより好ましい。   There is no restriction | limiting in particular as a band gap of the said oxygen production | generation photoexcitation material, Although it can select suitably according to the objective, 1.8 eV-3.0 eV are preferable from the point which photoexcitation reaction is performed with visible light, 1 .8 eV to 2.5 eV is more preferable.

バンドギャップは、例えば、分光光度計(V−650、日本分光株式会社製)を用いて計算できる。
はじめに、各波長λに対して反射率R(%)を測定し、拡散反射スペクトルを得る。測定時のスキャン速度は200nm/分とする。
次に、反射率測定から取得した拡散反射スペクトルに対してKubelka−Munkの式を用いて、クベルカムンク関数F(R)を算出する。反射率R(%)と、クベルカムンク関数F(R)との関係式は、次の式で表される。
F(R)=(1−R)/(2R)
バンドギャップを求める際、TaucやDavis,Mottらが提案した関係式があり、以下に示す。
(hνα)(1/n)=A(hν−Eg) ・・・式(1)
h:プランク定数
ν:振動数
α:吸光係数
Eg:バンドギャップ
A:比例定数
n:試料の遷移の種類により決定する値
直接許容遷移 n=1/2
間接許容遷移 n=2
吸光係数αをKubelka−Munc関数F(R)に置き換えると、上記式(1)は下記の通りとなる。
(hνF(R))(1/n)=A(hν−Eg)
なお、hν(eV)と波長λ(nm)との間には、hν=1239.7/λの関係がある。
以上の結果から、横軸をhνとし、縦軸を(hνF(R))(直接許容遷移)又は(hνF(R))(1/2)(間接許容遷移)とするグラフを作成し、そのグラフにおける変曲点に接線を引いた場合に、横軸と接線との交点が、バンドギャップとなる。
The band gap can be calculated using, for example, a spectrophotometer (V-650, manufactured by JASCO Corporation).
First, the reflectance R (%) is measured for each wavelength λ to obtain a diffuse reflection spectrum. The scanning speed during measurement is 200 nm / min.
Next, the Kubelka-Munk function F (R) is calculated using the Kubelka-Munk equation for the diffuse reflectance spectrum obtained from the reflectance measurement. A relational expression between the reflectance R (%) and the Kubelka-Munk function F (R) is represented by the following expression.
F (R) = (1-R) 2 / (2R)
When obtaining the band gap, there is a relational expression proposed by Tauc, Davis, Mott et al.
(Hνα) (1 / n) = A (hν−Eg) (1)
h: Planck's constant ν: Frequency α: Absorption coefficient Eg: Band gap A: Proportional constant n: Value determined by the type of transition of the sample Direct allowable transition n = 1/2
Indirect permissible transition n = 2
When the extinction coefficient α is replaced with the Kubelka-Munc function F (R), the above equation (1) is as follows.
(HνF (R)) (1 / n) = A (hν−Eg)
Note that there is a relationship of hν = 1239.7 / λ between hν (eV) and the wavelength λ (nm).
From the above results, create a graph with the horizontal axis hν and the vertical axis (hνF (R)) 2 (direct permissible transition) or (hνF (R)) (1/2) (indirect permissible transition). When a tangent is drawn at the inflection point in the graph, the intersection of the horizontal axis and the tangent becomes a band gap.

前記第1の板状体の作製方法としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、物理蒸着法、化学蒸着法などが挙げられる。前記物理蒸着法としては、例えば、真空蒸着法、スパッタリング法などが挙げられる。   There is no restriction | limiting in particular as a preparation method of a said 1st plate-shaped object, According to the objective, it can select suitably, For example, a physical vapor deposition method, a chemical vapor deposition method, etc. are mentioned. Examples of the physical vapor deposition include vacuum vapor deposition and sputtering.

<第2の板状体>
前記第2の板状体は、水素生成光励起材料の板状体である。
<Second plate-like body>
The second plate-like body is a plate-like body of a hydrogen generation photoexcitation material.

前記第2の板状体の面の形状としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、多角形、円形、楕円形などが挙げられる。前記多角形としては、例えば、四角形などが挙げられる。前記四角形としては、例えば、長方形などが挙げられる。
前記第2の板状体の大きさとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
前記第2の板状体の面部分の面積としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、1mm〜100mmなどが挙げられる。
前記第2の板状体の厚みとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、0.01mm〜1.0mmなどが挙げられる。
There is no restriction | limiting in particular as a shape of the surface of a said 2nd plate-shaped object, According to the objective, it can select suitably, For example, a polygon, circular, an ellipse etc. are mentioned. Examples of the polygon include a quadrangle. Examples of the quadrangle include a rectangle.
There is no restriction | limiting in particular as a magnitude | size of a said 2nd plate-shaped object, According to the objective, it can select suitably.
As the area of the surface portion of the second plate-like member is not particularly limited and may be selected accordingly and examples thereof include 1 mm 2 100 mm 2.
There is no restriction | limiting in particular as thickness of the said 2nd plate-shaped object, According to the objective, it can select suitably, For example, 0.01 mm-1.0 mm etc. are mentioned.

前記第2の板状体は、前記第2の板状体の面部分に溝を有することが好ましい。そうすることにより、表面積が増加し、プロトン(H)の水素への還元の効率が向上する。
前記溝の形状、大きさとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
The second plate-like body preferably has a groove in the surface portion of the second plate-like body. By doing so, the surface area is increased and the efficiency of the reduction of protons (H + ) to hydrogen is improved.
There is no restriction | limiting in particular as a shape and a magnitude | size of the said groove | channel, According to the objective, it can select suitably.

前記光化学電極が有する前記第2の板状体は、一つであってもよいし、複数であってもよい。   The photochemical electrode may have one or a plurality of the second plate-like bodies.

<<水素生成光励起材料>>
前記水素生成光励起材料においては、価電子帯の上端と伝導帯の下端との間にH/Hの酸化還元電位がある。
前記水素生成光励起材料は、特定の範囲の波長の光を吸収して電子が励起する材料である。
なお、二段階励起を達成するために、前記水素生成光励起材料の価電子帯の上端は、前記酸素生成光励起材料の伝導帯の下端より貴である必要がある。
<< Hydrogen generation photoexcitation material >>
In the hydrogen generation photoexcitation material, there is a redox potential of H + / H 2 between the upper end of the valence band and the lower end of the conduction band.
The hydrogen generation photoexcitation material is a material that absorbs light in a specific range of wavelengths and excites electrons.
In order to achieve two-stage excitation, it is necessary that the upper end of the valence band of the hydrogen generation photoexcitation material is noble than the lower end of the conduction band of the oxygen generation photoexcitation material.

前記水素生成光励起材料としては、例えば、GaP、CdSe、CdS、CuAlOなどが挙げられる。 Examples of the hydrogen generation photoexcitation material include GaP, CdSe, CdS, and CuAlO 2 .

前記水素生成光励起材料のバンドギャップとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、可視光で光励起反応が行われる点から、1.8eV〜3.0eVが好ましく、1.8eV〜2.5eVがより好ましい。   There is no restriction | limiting in particular as a band gap of the said hydrogen production | generation photoexcitation material, Although it can select suitably according to the objective, 1.8 eV-3.0 eV are preferable from the point that photoexcitation reaction is performed with visible light, 1 .8 eV to 2.5 eV is more preferable.

前記第2の板状体の作製方法としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、物理蒸着法、化学蒸着法などが挙げられる。前記物理蒸着法としては、例えば、真空蒸着法、スパッタリング法などが挙げられる。   There is no restriction | limiting in particular as a preparation method of a said 2nd plate-shaped object, According to the objective, it can select suitably, For example, a physical vapor deposition method, a chemical vapor deposition method, etc. are mentioned. Examples of the physical vapor deposition include vacuum vapor deposition and sputtering.

<導電体>
前記導電体は、前記第1の板状体と前記第2の板状体とを電気的に接続する。
<Conductor>
The conductor electrically connects the first plate-like body and the second plate-like body.

前記導電体の材質としては、導電性を有する限り、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、銀(Ag)、金(Au)、銅(Cu)、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、タングステン(W)、ニッケル(Ni)、タンタル(Ta)、ビスマス(Bi)、鉛(Pb)、インジウム(In)、錫(Sn)、亜鉛(Zn)、チタン(Ti)、もしくはアルミニウム(Al)、またはこれらから選択された2以上の金属種からなる合金などが挙げられる。更には、カーボンナノチューブ、グラフェン等のナノカーボン系材料であってもよい。   The material of the conductor is not particularly limited as long as it has conductivity, and can be appropriately selected according to the purpose. For example, silver (Ag), gold (Au), copper (Cu), platinum (Pt ), Palladium (Pd), tungsten (W), nickel (Ni), tantalum (Ta), bismuth (Bi), lead (Pb), indium (In), tin (Sn), zinc (Zn), titanium (Ti ), Aluminum (Al), or an alloy made of two or more metal species selected from these. Further, it may be a nanocarbon material such as carbon nanotube or graphene.

前記導電体の材質としては、透明導電材料であることが好ましい。前記透明導電材料としては、例えば、スズドープ酸化インジウム(ITO)、フッ素ドープ酸化錫(FTO)、アンチモンドープ酸化スズ(ATO)、酸化亜鉛、酸化インジウム(In)、アルミニウムドープ酸化亜鉛(AZO)、ガリウムドープ酸化亜鉛(GZO)、酸化スズ、酸化亜鉛−酸化スズ系、酸化インジウム−酸化スズ系、酸化亜鉛−酸化インジウム−酸化マグネシウム系などの金属酸化物等が挙げられる。これらの中でも、導電性及び透光性が特に高い点で、フッ素ドープ酸化錫(FTO)が好ましい。 The material of the conductor is preferably a transparent conductive material. Examples of the transparent conductive material include tin-doped indium oxide (ITO), fluorine-doped tin oxide (FTO), antimony-doped tin oxide (ATO), zinc oxide, indium oxide (In 2 O 3 ), and aluminum-doped zinc oxide (AZO). ), Metal oxides such as gallium-doped zinc oxide (GZO), tin oxide, zinc oxide-tin oxide system, indium oxide-tin oxide system, and zinc oxide-indium oxide-magnesium oxide system. Among these, fluorine-doped tin oxide (FTO) is preferable in terms of particularly high conductivity and translucency.

前記導電体の形状としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、板状体、糸状体などが挙げられる。
前記導電体の大きさとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。
There is no restriction | limiting in particular as a shape of the said conductor, According to the objective, it can select suitably, A plate-like body, a thread-like body, etc. are mentioned.
There is no restriction | limiting in particular as a magnitude | size of the said conductor, According to the objective, it can select suitably.

ここで、図を用いて、開示の光化学電極の一例を説明する。
図3は、開示の光化学電極の一例の上面模式図である。
図3の光化学電極は、複数の第1の板状体1と、複数の第2の板状体2と、複数の導電体3とを有する。一つの第1の板状体1と、一つの第2の板状体2とは、一つの導電体3により電気的に接続されている。図3の光化学電極において、更に、複数の第1の板状体1同士は、第2の導電体4Aにより電気的に接続されている。更に、複数の第2の板状体2同士は、第3の導電体4Bにより電気的に接続されている。
第1の板状体1は、酸素生成光励起材料から構成される。
第2の板状体2は、水素生成光励起材料から構成される。
Here, an example of the disclosed photochemical electrode will be described with reference to the drawings.
FIG. 3 is a schematic top view of an example of the disclosed photochemical electrode.
The photochemical electrode in FIG. 3 includes a plurality of first plate-like bodies 1, a plurality of second plate-like bodies 2, and a plurality of conductors 3. One first plate-like body 1 and one second plate-like body 2 are electrically connected by one conductor 3. In the photochemical electrode of FIG. 3, the plurality of first plate-like bodies 1 are further electrically connected to each other by the second conductor 4A. Further, the plurality of second plate-like bodies 2 are electrically connected by a third conductor 4B.
The first plate 1 is made of an oxygen generation photoexcitation material.
The second plate-like body 2 is made of a hydrogen generation photoexcitation material.

図3の光化学電極に光が照射されると、第1の板状体1の酸素生成光励起材料では、電子(e)と、正孔(h)とが生成する。正孔により、周囲の水が酸化され、酸素を生成する。その際、電子が生成する。水の酸化は以下の式(1)で表される。
O + 2h → 2H + 1/2O ・・・式(1)
生成した電子は、導電体3を介して、第2の板状体2に供給される。
第2の板状体2の水素生成光励起材料では、光が照射されたことにより、電子(e)と、正孔(h)とを生成する。生成した電子は、プロトン(H)をHに還元する。プロトンの還元は以下の式(2)で表される。一方、正孔は、導電体3を介して第2の板状体2に供給された電子と一緒になって消滅する(再結合)。
+ e → 1/2H ・・・式(2)
式(1)と式(2)とをまとめると、以下の式(3)のようになり、光化学電極全体では、式(3)の現象が観察される。すなわち、水が分解し、水素と酸素とを生じる。
O → H + 1/2O ・・・式(3)
When light is irradiated to the photochemical electrode of FIG. 3, electrons (e ) and holes (h + ) are generated in the oxygen generation photoexcitation material of the first plate 1. The holes oxidize the surrounding water and generate oxygen. At that time, electrons are generated. The oxidation of water is represented by the following formula (1).
H 2 O + 2h + → 2H + + 1 / 2O 2 Formula (1)
The generated electrons are supplied to the second plate-like body 2 through the conductor 3.
In the hydrogen generation photoexcitation material of the second plate-like body 2, when irradiated with light, electrons (e ) and holes (h + ) are generated. The generated electrons reduce protons (H + ) to H 2 . The reduction of proton is represented by the following formula (2). On the other hand, the holes disappear together with the electrons supplied to the second plate 2 via the conductor 3 (recombination).
H + + e → 1 / 2H 2 Formula (2)
When formula (1) and formula (2) are put together, the following formula (3) is obtained, and the phenomenon of formula (3) is observed in the entire photochemical electrode. That is, water decomposes to produce hydrogen and oxygen.
H 2 O → H 2 + 1 / 2O 2 Formula (3)

ここで、通常は、酸素生成光励起材料と、水素生成光励起材料との間の抵抗は高い。しかし、開示の光化学電極では、酸素生成光励起材料と、水素生成光励起材料とを導電体を介して接続していることにより、酸素生成光励起材料と、水素生成光励起材料との間の抵抗を低くできる。また、酸素生成光励起材料と、水素生成光励起材料とは、それぞれ板状体により構成されている。板状体は、物理蒸着法、化学蒸着法などの方法で簡単に作製できる上に、導電体との接続も容易である。そのため、開示の光化学電極は、かかる構造を容易に造ることができ、その構造を得るための制御も簡単である。   Here, normally, the resistance between the oxygen generation photoexcitation material and the hydrogen generation photoexcitation material is high. However, in the disclosed photochemical electrode, the resistance between the oxygen generation photoexcitation material and the hydrogen generation photoexcitation material can be reduced by connecting the oxygen generation photoexcitation material and the hydrogen generation photoexcitation material via a conductor. . Moreover, the oxygen generation photoexcitation material and the hydrogen generation photoexcitation material are each configured by a plate-like body. The plate-like body can be easily produced by a method such as physical vapor deposition or chemical vapor deposition, and can be easily connected to a conductor. Therefore, the disclosed photochemical electrode can easily form such a structure, and the control for obtaining the structure is also simple.

なお、第2の導電体4A、及び第3の導電体4Bがあることにより、各部分で発生した光電流を一か所に集めることが可能となる。   Note that the presence of the second conductor 4A and the third conductor 4B makes it possible to collect the photocurrent generated in each portion in one place.

図4は、開示の光化学電極の他の一例の上面模式図である。
図4の光化学電極では、基板5の一の面上に図3に示す構造が配されている。
図4の光化学電極では、基板5上に、第1の板状体1、第2の板状体2、導電体3、第2の導電体4A、及び第3の導電体4Bをそれぞれ独立に、物理蒸着法と、フォトリソグラフィー法とを組み合わせて、簡単に作製することができる。なお、導電体3、第2の導電体4A、及び第3の導電体4Bは、同じ材質の場合には、同時に作製することもできる。
FIG. 4 is a schematic top view of another example of the disclosed photochemical electrode.
In the photochemical electrode of FIG. 4, the structure shown in FIG. 3 is arranged on one surface of the substrate 5.
In the photochemical electrode of FIG. 4, the first plate 1, the second plate 2, the conductor 3, the second conductor 4 </ b> A, and the third conductor 4 </ b> B are independently provided on the substrate 5. It can be easily produced by combining physical vapor deposition and photolithography. In addition, the conductor 3, the 2nd conductor 4A, and the 3rd conductor 4B can also be produced simultaneously, when it is the same material.

図5は、図4のA−A断面の一例の模式図である。
図5の模式図では、基板5上に、第1の板状体1が基板5に接して配されている。この一例では、不図示であるが、導電体3、及び第2の板状体2も、基板5に接して配されている。
FIG. 5 is a schematic diagram of an example of the AA cross section of FIG.
In the schematic diagram of FIG. 5, the first plate 1 is disposed on the substrate 5 in contact with the substrate 5. In this example, although not shown, the conductor 3 and the second plate-like body 2 are also arranged in contact with the substrate 5.

図6は、図4のA−A断面の他の一例の模式図である。
図6の模式図では、基板5上に、第1の板状体1が、導電体3を介して配されている。この一例では、不図示であるが、第2の板状体2も、導電体3を介して、基板5上に配されている。
FIG. 6 is a schematic diagram of another example of the AA cross section of FIG. 4.
In the schematic diagram of FIG. 6, the first plate-like body 1 is arranged on the substrate 5 via the conductor 3. In this example, although not shown, the second plate-like body 2 is also disposed on the substrate 5 via the conductor 3.

図7は、図4のA−A断面の他の一例の模式図である。
図7の模式図では、基板5上に、第4の導電体6が形成されており、第4の導電体6上に、第1の板状体5が、第4の導電体6に接して配されている。この一例では、不図示であるが、導電体3、及び第2の板状体2も、第4の導電体6に接して配されている。
FIG. 7 is a schematic view of another example of the AA cross section of FIG.
In the schematic diagram of FIG. 7, the fourth conductor 6 is formed on the substrate 5, and the first plate-like body 5 is in contact with the fourth conductor 6 on the fourth conductor 6. Are arranged. Although not shown in this example, the conductor 3 and the second plate-like body 2 are also arranged in contact with the fourth conductor 6.

図8は、図4のA−A断面の他の一例の模式図である。
図8の模式図では、基板5上に、第1の板状体1が基板5に接して配されている。この一例では、不図示であるが、導電体3、及び第2の板状体2も、基板5に接して配されている。また、第1の板状体1の面には溝が形成されている。この一例では、不図示であるが、第2の板状体2の面にも溝が形成されている。第1の板状体1の面に溝が形成されていることにより、表面積が大きくなり、水の酸素への酸化の効率が向上する。第2の板状体2の面に溝が形成されていることにより、表面積が大きくなり、プロトンの水素への還元の効率が向上する。
FIG. 8 is a schematic view of another example of the AA cross section of FIG.
In the schematic diagram of FIG. 8, the first plate 1 is disposed on the substrate 5 in contact with the substrate 5. In this example, although not shown, the conductor 3 and the second plate-like body 2 are also arranged in contact with the substrate 5. Further, a groove is formed on the surface of the first plate-like body 1. In this example, although not shown, a groove is also formed on the surface of the second plate-like body 2. Since the groove is formed on the surface of the first plate-like body 1, the surface area is increased and the efficiency of oxidation of water into oxygen is improved. Since the groove is formed on the surface of the second plate-like body 2, the surface area is increased, and the efficiency of proton reduction to hydrogen is improved.

図9は、開示の光化学電極の他の一例の上面模式図である。
図9の光化学電極では、第1の板状体1を構成する酸素生成光励起材料の光電流密度が、第2の板状体2を構成する水素生成光励起材料の光電流密度よりも小さい。
ここで、開示の光化学電極では、第1の板状体1における光電効果と、第2の板状体2における光電効果とのうち、光電流が少ないほうが、前記式(3)の反応を律速する。
そこで、図9の光化学電極では、第1の板状体1の面の面積を、第2の板状体2の面の面積よりも大きくしている。そうすることにより、前記式(3)の反応(すなわち水の分解、並びに酸素、及び水素の生成)を効率的に行うことができる。
FIG. 9 is a schematic top view of another example of the disclosed photochemical electrode.
In the photochemical electrode of FIG. 9, the photocurrent density of the oxygen-generating photoexcitation material constituting the first plate 1 is smaller than the photocurrent density of the hydrogen-generating photoexcitation material constituting the second plate 2.
Here, in the disclosed photochemical electrode, of the photoelectric effect in the first plate 1 and the photoelectric effect in the second plate 2, the smaller the photocurrent, the rate-limiting reaction of the formula (3). To do.
Therefore, in the photochemical electrode of FIG. 9, the area of the surface of the first plate 1 is larger than the area of the surface of the second plate 2. By doing so, the reaction of the formula (3) (that is, decomposition of water and generation of oxygen and hydrogen) can be performed efficiently.

図10は、開示の光化学電極の他の一例の上面模式図である。
図10の光化学電極では、第2の板状体2を構成する水素生成光励起材料の光電流密度が、第1の板状体1を構成する酸素生成光励起材料の光電流密度よりも小さい。
そこで、図10の光化学電極では、第2の板状体2の面の面積を、第1の板状体1の面の面積よりも大きくしている。そうすることにより、前記式(3)の反応(すなわち水の分解、並びに酸素、及び水素の生成)を効率的に行うことができる。
FIG. 10 is a schematic top view of another example of the disclosed photochemical electrode.
In the photochemical electrode of FIG. 10, the photocurrent density of the hydrogen generation photoexcitation material constituting the second plate 2 is smaller than the photocurrent density of the oxygen generation photoexcitation material constituting the first plate 1.
Therefore, in the photochemical electrode of FIG. 10, the area of the surface of the second plate-like body 2 is made larger than the area of the surface of the first plate-like body 1. By doing so, the reaction of the formula (3) (that is, decomposition of water and generation of oxygen and hydrogen) can be performed efficiently.

図11は、開示の光化学電極の他の一例の断面模式図である。
図11の光化学電極では、基板5上に、第1の板状体1と、板状の導電体3と、第2の板状体2とが、この順で積層されている。第1の板状体1と、第2の板状体2とは、導電体3を介して電気的に接続されている。
FIG. 11 is a schematic cross-sectional view of another example of the disclosed photochemical electrode.
In the photochemical electrode of FIG. 11, a first plate-like body 1, a plate-like conductor 3, and a second plate-like body 2 are laminated on a substrate 5 in this order. The first plate-like body 1 and the second plate-like body 2 are electrically connected via a conductor 3.

図12は、開示の光化学電極の他の一例の断面模式図である。
図12の光化学電極では、基板5上に、第4の導電体6が形成されており、第4の導電体6上に、第1の板状体1と、板状の導電体3と、第2の板状体2とが、この順で積層されている。複数の第2の板状体2は、第5の導電体4Cにより電気的に接続されている。
FIG. 12 is a schematic cross-sectional view of another example of the disclosed photochemical electrode.
In the photochemical electrode of FIG. 12, the 4th conductor 6 is formed on the board | substrate 5, The 1st plate-shaped body 1, the plate-shaped conductor 3 on the 4th conductor 6, The second plate-like body 2 is laminated in this order. The plurality of second plate-like bodies 2 are electrically connected by a fifth conductor 4C.

図11及び図12の光化学電極では、基板5は例えばガラス基板であり、図12の光化学電極では、第4の導電体6及び第5の導電体4Cは透明導電体である。そして、光は、上方、及び下方の両方から照射される。そうすることにより、第1の板状体1、及び第2の板状体2の両方に光が照射される。   In the photochemical electrode of FIGS. 11 and 12, the substrate 5 is, for example, a glass substrate, and in the photochemical electrode of FIG. 12, the fourth conductor 6 and the fifth conductor 4C are transparent conductors. Light is emitted from both above and below. By doing so, both the first plate-like body 1 and the second plate-like body 2 are irradiated with light.

図13は、開示の光化学電極の他の一例の断面模式図である。
図13の光化学電極では、基板5上に、第1の板状体1と、板状の導電体3と、第2の板状体2とが、この順で積層されている。
図13の光化学電極では、第1の板状体1を構成する酸素生成光励起材料の光電流密度が、第2の板状体2を構成する水素生成光励起材料の光電流密度よりも小さい。
そこで、図13の光化学電極では、第1の板状体1の面の面積を、第2の板状体2の面の面積よりも大きくしている。そうすることにより、前記式(3)の反応(すなわち水の分解、並びに酸素、及び水素の生成)を効率的に行うことができる。
FIG. 13 is a schematic cross-sectional view of another example of the disclosed photochemical electrode.
In the photochemical electrode of FIG. 13, a first plate-like body 1, a plate-like conductor 3, and a second plate-like body 2 are laminated on a substrate 5 in this order.
In the photochemical electrode of FIG. 13, the photocurrent density of the oxygen-generating photoexcitation material constituting the first plate 1 is smaller than the photocurrent density of the hydrogen-generating photoexcitation material constituting the second plate 2.
Therefore, in the photochemical electrode of FIG. 13, the area of the surface of the first plate 1 is made larger than the area of the surface of the second plate 2. By doing so, the reaction of the formula (3) (that is, decomposition of water and generation of oxygen and hydrogen) can be performed efficiently.

図14は、開示の光化学電極の他の一例の断面模式図である。
図14の光化学電極では、基板5上に、第2の板状体2と、板状の導電体3と、第1の板状体1とが、この順で積層されている。
図14の光化学電極では、第2の板状体2を構成する水素生成光励起材料の光電流密度が、第1の板状体1を構成する酸素生成光励起材料の光電流密度よりも小さい。
そこで、図14の光化学電極では、第2の板状体2の面の面積を、第1の板状体1の面の面積よりも大きくしている。そうすることにより、前記式(3)の反応(すなわち水の分解、並びに酸素、及び水素の生成)を効率的に行うことができる。
FIG. 14 is a schematic cross-sectional view of another example of the disclosed photochemical electrode.
In the photochemical electrode of FIG. 14, the second plate-like body 2, the plate-like conductor 3, and the first plate-like body 1 are laminated on the substrate 5 in this order.
In the photochemical electrode of FIG. 14, the photocurrent density of the hydrogen generation photoexcitation material constituting the second plate 2 is smaller than the photocurrent density of the oxygen generation photoexcitation material constituting the first plate 1.
Therefore, in the photochemical electrode of FIG. 14, the area of the surface of the second plate-like body 2 is made larger than the area of the surface of the first plate-like body 1. By doing so, the reaction of the formula (3) (that is, decomposition of water and generation of oxygen and hydrogen) can be performed efficiently.

<用途例>
前記光化学電極は、人工光合成を行う二酸化炭素還元装置のアノードに使用するアノード電極として有用である。
前記二酸化炭素還元装置は、アノード電極である前記光化学電極と、プロトン透過膜と、カソード電極とをこの順で有し、更に必要に応じて、その他の部材を有する。
<Application example>
The photochemical electrode is useful as an anode electrode used for an anode of a carbon dioxide reduction device that performs artificial photosynthesis.
The carbon dioxide reduction device has the photochemical electrode that is an anode electrode, a proton permeable membrane, and a cathode electrode in this order, and further includes other members as necessary.

以下、本発明の実施例について説明するが、本発明は下記実施例に何ら限定されるものではない。   Examples of the present invention will be described below, but the present invention is not limited to the following examples.

(実施例1)
<光化学電極の作製>
以下の材料を用いて、図15に示す光化学電極を作製した。
・基板:第4の導電体6としてのFTO膜が形成されたガラス製の基板5
・酸素生成光励起材料:WO
・水素生成光励起材料:GaP
・導電体3:金
・第2の導電体4A:金
・第3の導電体4B:金
Example 1
<Production of photochemical electrode>
A photochemical electrode shown in FIG. 15 was produced using the following materials.
Substrate: glass substrate 5 on which an FTO film as the fourth conductor 6 is formed
・ Oxygen-generating photoexcitation material: WO 3
・ Hydrogen generation photoexcitation material: GaP
-Conductor 3: Gold-Second conductor 4A: Gold-Third conductor 4B: Gold

まず、第4の導電体6としてのFTO膜が形成されたガラス製の基板5のFTO膜上に、WOをスパッタリング法により成膜し、フォトリソグラフィー法によりパターニングすることで、幅2mm、長さ10mm、厚み0.5mmの第1の板状体1を、図15に示すような配置で3つ作製した。
続いて、第4の導電体6としてのFTO膜が形成されたガラス製の基板5のFTO膜上に、GaPをスパッタリング法により成膜し、フォトリソグラフィー法によりパターニングすることで、幅2mm、長さ10mm、厚み0.5mmの第2の板状体2を、図15に示すような配置で3つ作製した。第1の板状体1と、第2の板状体との間隔は4mmとした。
続いて、第4の導電体6としてのFTO膜が形成されたガラス製の基板5のFTO膜上に、金を真空蒸着法により成膜し、フォトリソグラフィー法によりパターニングすることで、幅1mm、長さ4mm、厚み0.004mmの3つの導電体3と、幅1mm、厚み0.004mmの第2の導電体4Aと、幅1mm、厚み0.004mmの第3の導電体4Bとを、図15に示すような配置で3つ作製し、光化学電極1−Aを得た。光化学電極1−Aの断面模式図を図16に示す。
First, a WO 3 film is formed by sputtering on the FTO film of the glass substrate 5 on which the FTO film as the fourth conductor 6 is formed, and patterned by photolithography. Three first plate-like bodies 1 having a thickness of 10 mm and a thickness of 0.5 mm were produced in an arrangement as shown in FIG.
Subsequently, GaP is formed by sputtering on the FTO film of the glass substrate 5 on which the FTO film as the fourth conductor 6 is formed, and is patterned by photolithography to obtain a width of 2 mm and a long length. Three second plate-like bodies 2 having a thickness of 10 mm and a thickness of 0.5 mm were produced in an arrangement as shown in FIG. The distance between the first plate 1 and the second plate was 4 mm.
Subsequently, gold is deposited on the FTO film of the glass substrate 5 on which the FTO film as the fourth conductor 6 is formed by a vacuum deposition method and patterned by a photolithography method. Three conductors 3 having a length of 4 mm and a thickness of 0.004 mm, a second conductor 4A having a width of 1 mm and a thickness of 0.004 mm, and a third conductor 4B having a width of 1 mm and a thickness of 0.004 mm are illustrated. Three were prepared in the arrangement as shown in FIG. 15 to obtain a photochemical electrode 1-A. A schematic cross-sectional view of the photochemical electrode 1-A is shown in FIG.

<溝の形成>
続いて、光化学電極1−Aの第1の板状体1、及び第2の板状体2の表面の長さ方向に、図17に示すような、幅0.6mmの溝を形成し、光化学電極1−Bを得た。
溝の形成方法は以下のとおりである。
溝を形成する箇所以外の箇所にマスク材料を配した後に、フッ化水素酸を用いたエッチングを行った。
<Groove formation>
Subsequently, a groove having a width of 0.6 mm as shown in FIG. 17 is formed in the length direction of the surfaces of the first plate 1 and the second plate 2 of the photochemical electrode 1-A. Photochemical electrode 1-B was obtained.
The method for forming the groove is as follows.
Etching using hydrofluoric acid was performed after the mask material was disposed at a location other than the location where the groove was formed.

<ガス発生の確認>
作製した光化学電極1−A及び1−Bをそれぞれ、20〜25℃、30〜70%RHの密閉環境下に置いた。そして、光化学電極の上面から、疑似太陽光AM−1.5(朝日分光製、ソーラーシミュレータ、HAL−320)を100mW/cmで照射して、H、Oの発生量を調べた。H、Oの発生は、ガスクロマトグラフィ(島津製作所製、Tracera)を用いて確認した。
<Confirmation of gas generation>
The produced photochemical electrodes 1-A and 1-B were placed in a sealed environment of 20 to 25 ° C. and 30 to 70% RH, respectively. Then, from the upper surface of the photochemical electrode, pseudo-sunlight AM-1.5 (Asahi Spectroscopy, Solar Simulator, HAL-320) was irradiated at 100 mW / cm 2 to examine the generation amounts of H 2 and O 2 . The generation of H 2 and O 2 was confirmed using gas chromatography (manufactured by Shimadzu Corporation, Tracera).

その結果、以下のとおり、ガスの発生を確認した。
・光化学電極1−A:
:3.2μmol/m/h
:1.5μmol/m/h
・光化学電極1−B:
:3.6μmol/m/h
:1.8μmol/m/h
As a result, the generation of gas was confirmed as follows.
Photochemical electrode 1-A:
H 2 : 3.2 μmol / m 2 / h
O 2 : 1.5 μmol / m 2 / h
Photochemical electrode 1-B:
H 2 : 3.6 μmol / m 2 / h
O 2 : 1.8 μmol / m 2 / h

光化学電極1−A、及び1−Bともに、ガスの発生が確認でき、第1の板状体である酸素生成光励起材料と、第2の板状体である水素生成光励起材料とが、低抵抗で接続されていることが確認できた。
また、第1の板状体、及び第2の板状体に溝を形成したほうが、水の分解、酸素及び水素の生成の効率が向上した。
Gas generation can be confirmed in both photochemical electrodes 1-A and 1-B, and the oxygen-generating photoexcitation material as the first plate and the hydrogen-generating photoexcitation material as the second plate have low resistance. It was confirmed that it was connected with.
In addition, the formation of grooves in the first plate and the second plate improved the efficiency of water decomposition and oxygen and hydrogen generation.

<電流測定>
作製した光化学電極1−A及び1−Bそれぞれについて、光照射によって発生する電流を測定した。
作製した光化学電極1−A及び1−Bをそれぞれ、1MのKNO水溶液に浸漬させた。そして、光化学電極の上面から、疑似太陽光AM−1.5(朝日分光製、ソーラーシミュレータ、HAL−320)を100mW/cmで照射して、発生する電流を測定した。
電流の測定は、ポテンショスタット(東陽テクニカ製、SI1280B)を用い、参照電極、作用電極、対極を設置して電流値を評価した。
<Current measurement>
About each of produced photochemical electrode 1-A and 1-B, the electric current which generate | occur | produces by light irradiation was measured.
The produced photochemical electrodes 1-A and 1-B were each immersed in a 1M KNO 3 aqueous solution. And from the upper surface of the photochemical electrode, pseudo-sunlight AM-1.5 (Asahi Spectroscopy, solar simulator, HAL-320) was irradiated at 100 mW / cm 2 to measure the generated current.
The current was measured using a potentiostat (manufactured by Toyo Technica, SI1280B), and a reference electrode, a working electrode, and a counter electrode were installed to evaluate the current value.

その結果、以下のとおり、電流の発生を確認した。
・光化学電極1−A(1.23V):0.9×10−6
・光化学電極1−B(1.23V):2.6×10−6
As a result, the generation of current was confirmed as follows.
Photochemical electrode 1-A (1.23V): 0.9 × 10 −6 A
Photochemical electrode 1-B (1.23V): 2.6 × 10 −6 A

(実施例2)
<光化学電極の作製>
以下の材料を用いて、図18に示す光化学電極を作製した。
・基板:第4の導電体6としてのFTO膜が形成されたガラス製の基板5
・酸素生成光励起材料:WO
・水素生成光励起材料:GaP
・導電体3:金
・第5の導電体4C:透明導電材料
(Example 2)
<Production of photochemical electrode>
The photochemical electrode shown in FIG. 18 was produced using the following materials.
Substrate: glass substrate 5 on which an FTO film as the fourth conductor 6 is formed
・ Oxygen-generating photoexcitation material: WO 3
・ Hydrogen generation photoexcitation material: GaP
-Conductor 3: Gold-Fifth conductor 4C: Transparent conductive material

まず、第4の導電体6としてのFTO膜が形成されたガラス製の基板5のFTO膜上に、WOをスパッタリング法により成膜し、フォトリソグラフィー法によりパターニングすることで、10mm×10mm、厚み0.005mmの第1の板状体1を、図18に示すような配置で4つ作製した。
続いて、金を真空蒸着法により成膜し、フォトリソグラフィー法によりパターニングすることで、4mm×4mm、厚み0.004mmの導電体3を、4つの第1の板状体1上にそれぞれ作製した。
続いて、GaPをスパッタリング法により成膜し、フォトリソグラフィー法によりパターニングすることで、4mm×4mm、厚み0.005mmの第2の板状体2を、4つの導電体3上にそれぞれ作製した。
続いて、隙間に透明樹脂を埋めて、2つの第2の板状体2間をまたぐように、透明導電材料をスパッタリング法により4μmにより形成し、第5の導電体4Cを作製した。
以上により、光化学電極を得た。
First, on the FTO film of the glass substrate 5 on which the FTO film as the fourth conductor 6 is formed, WO 3 is formed by a sputtering method and patterned by a photolithography method to obtain 10 mm × 10 mm, Four first plate-like bodies 1 having a thickness of 0.005 mm were produced in an arrangement as shown in FIG.
Subsequently, a conductor 3 having a size of 4 mm × 4 mm and a thickness of 0.004 mm was formed on each of the four first plate-like bodies 1 by forming a gold film by vacuum deposition and patterning by photolithography. .
Subsequently, GaP was formed into a film by a sputtering method, and patterned by a photolithography method, thereby producing second plates 2 having a size of 4 mm × 4 mm and a thickness of 0.005 mm on the four conductors 3, respectively.
Subsequently, the transparent resin was filled in the gap, and a transparent conductive material was formed by 4 μm by a sputtering method so as to straddle between the two second plate-like bodies 2, thereby producing a fifth conductor 4 </ b> C.
Thus, a photochemical electrode was obtained.

<ガスの発生の確認>
作製した光化学電極を、20〜25℃、30〜70%RHの密閉環境下に置いた。そして、光化学電極の上面及び下面から、疑似太陽光AM−1.5(朝日分光製、ソーラーシミュレータ、HAL−320)を100mW/cmで照射して、H、Oの発生量を調べた。H、Oの発生は、ガスクロマトグラフィ(島津製作所製、Tracera)を用いて確認した。
その結果、以下のとおり、ガスの発生を確認した。
・H:1.8μmol/m/h
・O:0.8μmol/m/h
<Confirmation of gas generation>
The produced photochemical electrode was placed in a sealed environment of 20 to 25 ° C. and 30 to 70% RH. Then, from the upper and lower surfaces of the photochemical electrode, pseudo-sunlight AM-1.5 (manufactured by Asahi Spectroscope, solar simulator, HAL-320) is irradiated at 100 mW / cm 2 to examine the generation amount of H 2 and O 2. It was. The generation of H 2 and O 2 was confirmed using gas chromatography (manufactured by Shimadzu Corporation, Tracera).
As a result, the generation of gas was confirmed as follows.
H 2 : 1.8 μmol / m 2 / h
O 2 : 0.8 μmol / m 2 / h

<電流測定>
作製した光化学電極について、光照射によって発生する電流を測定した。
作製した光化学電極をそれぞれ、1MのKNO水溶液に浸漬させた。そして、光化学電極の上面及び下面から、疑似太陽光AM−1.5(朝日分光製、ソーラーシミュレータ、HAL−320)を100mW/cmで照射して、発生する電流を測定した。
電流の測定は、ポテンショスタット(東陽テクニカ製、SI1280B)を用い、参照電極、作用電極、対極を設置して電流値を評価した。
その結果、2.2×10−6A(1.23V)の電流の発生を確認した。
<Current measurement>
About the produced photochemical electrode, the electric current which generate | occur | produces by light irradiation was measured.
Each of the produced photochemical electrodes was immersed in a 1M KNO 3 aqueous solution. And from the upper surface and the lower surface of the photochemical electrode, pseudo sunlight AM-1.5 (Asahi Spectroscopy, solar simulator, HAL-320) was irradiated at 100 mW / cm 2 to measure the generated current.
The current was measured using a potentiostat (manufactured by Toyo Technica, SI1280B), and a reference electrode, a working electrode, and a counter electrode were installed to evaluate the current value.
As a result, generation of a current of 2.2 × 10 −6 A (1.23 V) was confirmed.

以上の実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。
(付記1)
価電子帯の上端と伝導帯の下端との間にO/HOの酸化還元電位があり、かつ光を吸収して励起する酸素生成光励起材料から構成され、板状である第1の板状体と、
価電子帯の上端と伝導帯の下端との間にH/Hの酸化還元電位があり、かつ光を吸収して励起する水素生成光励起材料から構成され、板状である第2の板状体と、
前記第1の板状体と前記第2の板状体とを電気的に接続する導電体と、
を有することを特徴とする光化学電極。
(付記2)
前記第1の板状体と前記第2の板状体とが、同一面上に配されている付記1に記載の光化学電極。
(付記3)
前記第1の板状体が溝を有し、前記第2の板状体が溝を有する付記2に記載の光化学電極。
(付記4)
前記第1の板状体と前記第2の板状体とが、板状である前記導電体を介在して積層されている付記1に記載の光化学電極。
(付記5)
前記第1の板状体を構成する前記酸素生成光励起材料の光電流密度が、前記第2の板状体を構成する前記水素生成光励起材料の光電流密度よりも小さく、
前記第1の板状体の面の面積が、前記第2の板状体の面の面積よりも大きい、
付記1から4のいずれかに記載の光化学電極。
(付記6)
前記第2の板状体を構成する前記水素生成光励起材料の光電流密度が、前記第1の板状体を構成する前記酸素生成光励起材料の光電流密度よりも小さく、
前記第2の板状体の面の面積が、前記第1の板状体の面の面積よりも大きい、
付記1から4のいずれかに記載の光化学電極。
Regarding the above embodiment, the following additional notes are disclosed.
(Appendix 1)
There is a redox potential of O 2 / H 2 O between the upper end of the valence band and the lower end of the conduction band, and it is made of an oxygen-generating photoexcited material that absorbs and excites light, and has a plate shape. A plate-like body;
A second plate having a plate-like shape made of a hydrogen-generating photoexcited material that has a redox potential of H + / H 2 between the upper end of the valence band and the lower end of the conduction band and absorbs and excites light. And
A conductor that electrically connects the first plate-like body and the second plate-like body;
A photochemical electrode comprising:
(Appendix 2)
The photochemical electrode according to supplementary note 1, wherein the first plate-like body and the second plate-like body are arranged on the same plane.
(Appendix 3)
The photochemical electrode according to supplementary note 2, wherein the first plate-like body has a groove and the second plate-like body has a groove.
(Appendix 4)
The photochemical electrode according to supplementary note 1, wherein the first plate-like body and the second plate-like body are laminated with the plate-like conductor interposed therebetween.
(Appendix 5)
The photocurrent density of the oxygen-generating photoexcitation material constituting the first plate is smaller than the photocurrent density of the hydrogen-generating photoexcitation material constituting the second plate,
The area of the surface of the first plate-like body is larger than the area of the surface of the second plate-like body,
The photochemical electrode according to any one of appendices 1 to 4.
(Appendix 6)
A photocurrent density of the hydrogen generating photoexcitation material constituting the second plate is smaller than a photocurrent density of the oxygen generating photoexcitation material constituting the first plate,
The area of the surface of the second plate-like body is larger than the area of the surface of the first plate-like body,
The photochemical electrode according to any one of appendices 1 to 4.

1 第1の板状体
2 第2の板状体
3 導電体
4A 第2の導電体
4B 第3の導電体
4C 第5の導電体
5 基板
6 第4の導電体
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 1st plate-like body 2 2nd plate-like body 3 Conductor 4A 2nd conductor 4B 3rd conductor 4C 5th conductor 5 Substrate 6 4th conductor

Claims (3)

価電子帯の上端と伝導帯の下端との間にO/HOの酸化還元電位があり、かつ光を吸収して励起する酸素生成光励起材料から構成され、板状である第1の板状体と、
価電子帯の上端と伝導帯の下端との間にH/Hの酸化還元電位があり、かつ光を吸収して励起する水素生成光励起材料から構成され、板状である第2の板状体と、
前記第1の板状体と前記第2の板状体とを電気的に接続する導電体と、
を有することを特徴とする光化学電極。
There is a redox potential of O 2 / H 2 O between the upper end of the valence band and the lower end of the conduction band, and it is made of an oxygen-generating photoexcited material that absorbs and excites light, and has a plate shape. A plate-like body;
A second plate having a plate-like shape made of a hydrogen-generating photoexcited material that has a redox potential of H + / H 2 between the upper end of the valence band and the lower end of the conduction band and absorbs and excites light. And
A conductor that electrically connects the first plate-like body and the second plate-like body;
A photochemical electrode comprising:
前記第1の板状体と前記第2の板状体とが、同一面上に配されている請求項1に記載の光化学電極。   The photochemical electrode according to claim 1, wherein the first plate-like body and the second plate-like body are arranged on the same plane. 前記第1の板状体と前記第2の板状体とが、板状である前記導電体を介在して積層されている請求項1に記載の光化学電極。   The photochemical electrode according to claim 1, wherein the first plate-like body and the second plate-like body are laminated with the plate-like conductor interposed therebetween.
JP2016048885A 2016-03-11 2016-03-11 Photochemical electrode Active JP6694134B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2016048885A JP6694134B2 (en) 2016-03-11 2016-03-11 Photochemical electrode

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2016048885A JP6694134B2 (en) 2016-03-11 2016-03-11 Photochemical electrode

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2017160523A true JP2017160523A (en) 2017-09-14
JP6694134B2 JP6694134B2 (en) 2020-05-13

Family

ID=59853960

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2016048885A Active JP6694134B2 (en) 2016-03-11 2016-03-11 Photochemical electrode

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP6694134B2 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109750311A (en) * 2017-11-07 2019-05-14 印度石油有限公司 Optical electro-chemistry water-splitting

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2011148683A1 (en) * 2010-05-27 2011-12-01 国立大学法人山梨大学 Photocatalyst composition and method for producing a photocatalyst composition
US20130168228A1 (en) * 2011-04-12 2013-07-04 Geoffrey A. Ozin Photoactive Material Comprising Nanoparticles of at Least Two Photoactive Constituents
JP2013530834A (en) * 2010-07-16 2013-08-01 ユニヴァシティート トウェンテ Water splitting using photocatalyst
JP2013180245A (en) * 2012-03-01 2013-09-12 Toyota Motor Corp Photocatalyst for water decomposition and hydrogen production method

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2011148683A1 (en) * 2010-05-27 2011-12-01 国立大学法人山梨大学 Photocatalyst composition and method for producing a photocatalyst composition
JP2013530834A (en) * 2010-07-16 2013-08-01 ユニヴァシティート トウェンテ Water splitting using photocatalyst
US20130168228A1 (en) * 2011-04-12 2013-07-04 Geoffrey A. Ozin Photoactive Material Comprising Nanoparticles of at Least Two Photoactive Constituents
JP2013180245A (en) * 2012-03-01 2013-09-12 Toyota Motor Corp Photocatalyst for water decomposition and hydrogen production method

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
"Scalable water splitting on particulate photocatalyst sheets with a solar-to-hydrogen energy convers", NATURE MATERIALS, vol. 15, JPN7019003275, 7 March 2016 (2016-03-07), pages 611 - 615, ISSN: 0004129504 *

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109750311A (en) * 2017-11-07 2019-05-14 印度石油有限公司 Optical electro-chemistry water-splitting
KR20190051783A (en) * 2017-11-07 2019-05-15 인디언 오일 코퍼레이션 리미티드 Photoelectrochemical water splitting
JP2019116681A (en) * 2017-11-07 2019-07-18 インディアン オイル コーポレーション リミテッド Photo-electrochemical water decomposition
KR102204022B1 (en) * 2017-11-07 2021-01-18 인디언 오일 코퍼레이션 리미티드 Photoelectrochemical water splitting
CN109750311B (en) * 2017-11-07 2022-01-25 印度石油有限公司 Photoelectrochemical water splitting

Also Published As

Publication number Publication date
JP6694134B2 (en) 2020-05-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Feng et al. Facile fabrication of sandwich structured WO3 nanoplate arrays for efficient photoelectrochemical water splitting
Li et al. Construction and nanoscale detection of interfacial charge transfer of elegant Z-scheme WO3/Au/In2S3 nanowire arrays
Sayama Production of high-value-added chemicals on oxide semiconductor photoanodes under visible light for solar chemical-conversion processes
Ding et al. Photoelectrocatalytic water splitting: significance of cocatalysts, electrolyte, and interfaces
Tang et al. Highly enhanced photoelectrochemical water oxidation efficiency based on triadic quantum dot/layered double hydroxide/BiVO4 photoanodes
Tan et al. Exploring the different roles of particle size in photoelectrochemical and photocatalytic water oxidation on BiVO4
Kafizas et al. Optimizing the activity of nanoneedle structured WO3 photoanodes for solar water splitting: direct synthesis via chemical vapor deposition
Kim et al. Improved photoelectrochemical activity of CaFe2O4/BiVO4 heterojunction photoanode by reduced surface recombination in solar water oxidation
Hsieh et al. TiO2 nanowire-supported sulfide hybrid photocatalysts for durable solar hydrogen production
Wang et al. Hydrogen-treated TiO2 nanowire arrays for photoelectrochemical water splitting
Torres et al. Photoelectrochemical study of nitrogen-doped titanium dioxide for water oxidation
Hou et al. Visible light-driven α-Fe2O3 nanorod/graphene/BiV1–x Mo x O4 core/shell heterojunction array for efficient photoelectrochemical water splitting
Haro et al. Plasmonic versus catalytic effect of gold nanoparticles on mesoporous TiO2 electrodes for water splitting
Kim et al. Fabrication of CaFe2O4/TaON heterojunction photoanode for photoelectrochemical water oxidation
Burnside et al. Nanocrystalline mesoporous strontium titanate as photoelectrode material for photosensitized solar devices: increasing photovoltage through flatband potential engineering
Barroso et al. The role of cobalt phosphate in enhancing the photocatalytic activity of α-Fe2O3 toward water oxidation
Park et al. Novel carbon-doped TiO2 nanotube arrays with high aspect ratios for efficient solar water splitting
Hu et al. Pt-doped α-Fe2O3 thin films active for photoelectrochemical water splitting
Li et al. Synergetic integration of passivation layer and oxygen vacancy on hematite nanoarrays for boosted photoelectrochemical water oxidation
Thimsen et al. Nanostructured TiO2 films with controlled morphology synthesized in a single step process: Performance of dye-sensitized solar cells and photo watersplitting
Wang et al. Plasmon-enhanced layered double hydroxide composite BiVO4 photoanodes: layering-dependent modulation of the water-oxidation reaction
Reyes-Gil et al. Comparison between the quantum yields of compact and porous WO3 photoanodes
Kalamaras et al. Electrodeposited Ti-doped hematite photoanodes and their employment for photoelectrocatalytic hydrogen production in the presence of ethanol
Lim et al. Silver/titania nanocomposite-modified photoelectrodes for photoelectrocatalytic methanol oxidation
KR101729888B1 (en) Photoelectrochemical Water Splitting System Using Porous Transition Metal Oxide Semiconductor

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20181210

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20190930

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20191008

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20191127

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20200317

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20200330

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6694134

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150