JP4808976B2 - Method for producing photocatalyst, method for producing photo-electric energy conversion element, method for producing photo-chemical energy conversion element, and method for producing photovoltaic device - Google Patents
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Description
本発明は、光触媒体およびその製造方法、ならびに太陽電池、光センサー、光電変換原理に基づく光−電気エネルギー変換素子や、水素発生装置等の光−化学エネルギー変換素子に関するものである。 The present invention relates to a photocatalyst and a method for producing the same, as well as a solar cell, an optical sensor, an optical-electric energy conversion element based on a photoelectric conversion principle, and an optical-chemical energy conversion element such as a hydrogen generator.
近年、光触媒体を用いる試みが盛んとなり、大気浄化、防汚、抗菌、浄水および脱臭等の機能を有する商品から、エネルギー分野では水素発生装置や色素増感太陽電池の構成部材としてまで、幅広い応用展開が図られている。 In recent years, attempts to use photocatalysts have flourished, and they have a wide range of applications, from products with functions such as air purification, antifouling, antibacterial, water purification and deodorization, to components for hydrogen generators and dye-sensitized solar cells in the energy field. Development is planned.
光触媒反応では、光触媒が光を吸収して励起状態となり、その上に吸着した分子が活性化状態となることから、結果として様々な機能が発現する。この機能の大小は光触媒体の材料および照射光強度等の違いによって変化するが、照射光強度に対する依存性が太陽光に対する依存性である場合、光触媒体の材料を如何に設計するかが高機能化の鍵となる。 In the photocatalytic reaction, the photocatalyst absorbs light to be in an excited state, and molecules adsorbed thereon are activated, so that various functions are exhibited as a result. The size of this function varies depending on the photocatalyst material and irradiation light intensity. If the dependency on the irradiation light intensity is dependent on sunlight, how to design the photocatalyst material is highly functional. Is the key to
従来、光触媒体として用いられてきた代表的な材料は、化学的安定性が高く、かつ無毒性である酸化チタンであり、さらに本来のバンドギャップを狭幅化することによって可視光応答型とする試みが数多くなされている。一つの手法として、窒素原子を酸化チタン中に配位せしめる手法が挙げられ、この場合、窒素原子の存在により酸素原子の2p軌道よりも負側のポテンシャルを持つ価電子帯またはそれに準じる準位が形成されることにより、バンドギャップが狭幅化すると考えられている。具体的には、まずスパッタリング法により酸化チタン等の金属酸化物の酸素サイトの一部を窒素原子で置換、または格子間に窒素原子をドーピング、あるいは結晶粒界に窒素原子を含有させる方法が挙げられる(例えば、下記の特許文献1〜4参照)。
Conventionally, a typical material that has been used as a photocatalyst is titanium oxide that has high chemical stability and is non-toxic, and is made visible light responsive by narrowing the original band gap. Many attempts have been made. One method is to coordinate a nitrogen atom in titanium oxide. In this case, due to the presence of the nitrogen atom, a valence band having a potential on the negative side of the 2p orbit of the oxygen atom or a level equivalent thereto is present. The band gap is considered to be narrowed by being formed. Specifically, first, a method of substituting a part of oxygen sites of a metal oxide such as titanium oxide with nitrogen atoms by sputtering, doping nitrogen atoms between lattices, or adding nitrogen atoms to crystal grain boundaries is mentioned. (See, for example,
また、含窒素有機化合物を金属チタンに配位させたチタン錯体を焼成して得る手法がある(例えば、下記の特許文献5参照)。他には、水素と窒素を含むイオンビームまたは交流プラズマに酸化チタンを暴露することにより、窒素をドープした極薄層を形成する手法がある(例えば、下記の特許文献6参照)。また、エマルジョン燃焼法を用いたTi−O−N構成を有する酸化チタンの作製方法もある(例えば、下記の特許文献7参照)。さらには、四塩化チタンおよび酸素の混合ガスを気相において燃焼させて四塩化チタンの加水分解により酸化チタンを製造する方法において、上記混合ガスにNO、N2O、またはNOおよびN2Oを共存させることにより、窒素含有酸化チタンを作製する手法がある(例えば、下記の特許文献8参照)。また、窒素含有ガス雰囲気中でランプ加熱によって窒素を含有する可視光応答型の酸化チタンを作製する手法がある(例えば、下記の特許文献9参照)。
In addition, there is a technique obtained by firing a titanium complex in which a nitrogen-containing organic compound is coordinated to metal titanium (for example, see
また、可視光応答型の酸化チタンとするための手法として、金属酸化物内に酸素欠陥を形成せしめる方法がある。酸素欠陥が生じた際に、電気的中性を保つために酸素イオン空孔が生成するが、これによって4価のチタンイオンが3価イオンに還元され、これによって可視光を吸収するようになると考えられている。このような酸素欠陥含有型の酸化チタンの形成方法としては、還元性ガスを含む還元雰囲気にて酸化チタンを焼成する手法がある(例えば、下記の特許文献10参照)。また、酸化チタンに、水素プラズマ処理、希ガス類元素プラズマ処理、希ガス類元素イオン注入、または真空加熱のいずれかの処理を施すことによって、酸素欠損型とする手法がある(例えば、下記の特許文献11参照)。
Further, as a technique for obtaining visible light responsive titanium oxide, there is a method of forming an oxygen defect in a metal oxide. When oxygen defects occur, oxygen ion vacancies are generated to maintain electrical neutrality. When this occurs, tetravalent titanium ions are reduced to trivalent ions, thereby absorbing visible light. It is considered. As a method for forming such oxygen defect-containing titanium oxide, there is a method of firing titanium oxide in a reducing atmosphere containing a reducing gas (see, for example,
また、酸化チタンにCrやV等の金属元素をイオン注入することによって、光吸収端を長波長側にシフトさせ、可視光応答型とする手法もある。(例えば、下記の特許文献12参照)。
しかしながら、上述の各例においては、光触媒体の機能性および作製プロセスに関して、それぞれ下記の問題を有していた。 However, each of the above-described examples has the following problems with respect to the functionality and manufacturing process of the photocatalyst.
すなわち、特許文献1〜9に記載の光触媒体では、酸化チタン等の金属酸化物の酸素サイトの一部を窒素原子で置換、または格子間に窒素原子をドーピング、あるいは結晶粒界に窒素原子を含有させることによって可視光応答型としているが、挿入された窒素不純物によって形成された準位の状態密度が高くないことから、光吸収に伴うキャリアの励起形態は母材となる金属酸化物材料自体のバンド間遷移が支配的であり、窒素含有のみで可視光応答性は大きく向上しないといった問題を有している。
That is, in the photocatalysts described in
また、窒素を含有させる手法として上記のような様々な例があるが、各手法において下記の問題がある。すなわち、特許文献1〜4に記載のスパッタリングでは低製膜速度、プラズマによる基材へのダメージ、量産性の低さ等が問題となり、特許文献5に記載の含窒素有機化合物を金属チタンに配位させたチタン錯体を焼成して得る手法では、炭素混入によってストイキオメトリ制御が困難となることや、有機化合物中の不純物混入による品質低下が問題となる。また、特許文献6に記載の水素と窒素を含むイオンビームまたは交流プラズマに酸化チタンを暴露する手法では、イオンビームでは量産性の低さと均一形成の困難さ、交流プラズマへの暴露はプラズマによる基材へのダメージ、また大面積、大量処理の困難さが問題となる。さらに、特許文献7〜9に記載の形成方法では、特に高温プロセスであり、生産性が著しく劣るといった問題を有している。
Further, there are various examples as described above as methods for containing nitrogen, but each method has the following problems. That is, the sputtering described in
また、特許文献10,11に記載の光触媒体は、金属酸化物内に酸素欠陥を有するタイプのものであるが、酸素欠陥の存在は吸収端波長を低エネルギー側にシフトさせ、電子伝導性を向上させる反面、過度に含有された場合にはキャリアライフタイムの低下を招くといった問題を有している。また、形成プロセスについても高温処理が必要であることから、生産性が著しく劣るといった問題を有する。
Further, the photocatalysts described in
また、特許文献12に記載の光触媒体は、酸化チタンにCrやV等の金属元素をイオン注入することによって、光吸収端を長波長側にシフトさせるものであるが、イオン注入を用いていることから製造コストが高く、生産性に劣るといった問題を有している。
The photocatalyst described in
したがって、本発明は上述の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、高い光触媒機能を有する光触媒体を簡易かつ生産性良く製造し、これを用いた高変換効率の光−電気エネルギー変換素子や、光−化学エネルギー変換素子を提供することを目的とする。 Accordingly, the present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and the object thereof is to easily and efficiently produce a photocatalyst having a high photocatalytic function, and to use this to produce a high conversion efficiency photo-electric energy. It aims at providing a conversion element and a photochemical energy conversion element.
本発明の光触媒体の製造方法は、加熱触媒体と少なくとも分子内に窒素原子を有するガスとの接触によって形成された還元雰囲気において、前記加熱触媒体から離れた位置で金属酸化物を還元および窒化処理することにより、金属と窒素との化学結合および金属と酸素との化学結合を有するとともに酸素欠損を有する金属酸化物から成る光触媒体を製造することを特徴とする。 The method for producing a photocatalyst of the present invention comprises reducing and nitriding a metal oxide at a position away from the heating catalyst in a reducing atmosphere formed by contacting the heating catalyst with a gas having at least a nitrogen atom in the molecule. By the treatment, a photocatalyst composed of a metal oxide having a chemical bond between metal and nitrogen and a chemical bond between metal and oxygen and having an oxygen deficiency is produced.
本発明の光触媒体の製造方法において好ましくは、前記金属酸化物が酸化チタンまたは酸化亜鉛であることを特徴とする。
In the method for producing a photocatalyst of the present invention, preferably, the metal oxide is titanium oxide or zinc oxide.
本発明の光触媒体の製造方法において好ましくは、前記還元雰囲気がアンモニアを含んでいることを特徴とする。 In the method for producing a photocatalyst of the present invention, preferably, the reducing atmosphere contains ammonia.
また、本発明の光触媒体の製造方法において好ましくは、前記還元雰囲気が200℃以下であることを特徴とする。 In the method for producing a photocatalyst of the present invention, the reducing atmosphere is preferably 200 ° C. or lower.
本発明の光−電気エネルギー変換素子の製造方法は、一方電極となる導電性基体上に上記本発明の光触媒体の製造方法によって光触媒体を形成する工程と、該光触媒体に電気的に接続された光電変換体を形成する工程と、該光電変換体に電気的に接続され正孔を輸送する正孔輸送体を形成する工程と、該正孔輸送体に電気的に接続された他方電極を形成する工程とを備えたことを特徴とする。
The method for producing an optical-electrical energy conversion element of the present invention comprises a step of forming a photocatalyst body on a conductive substrate serving as one electrode by the photocatalyst body production method of the present invention, and an electrical connection to the photocatalyst body. Forming a photoelectric converter, forming a hole transporter that is electrically connected to the photoelectric converter and transporting holes, and the other electrode electrically connected to the hole transporter. And a forming step .
本発明の光−化学エネルギー変換素子の製造方法は、上記本発明の光触媒体の製造方法によって光触媒体を形成する工程と、該光触媒体を水または水溶液中に入れて、水素ガス
を発生するようになす工程とを備えたことを特徴とする。
The method for producing a photo-chemical energy conversion element of the present invention comprises a step of forming a photocatalyst by the above-described method for producing a photocatalyst of the present invention, and placing the photocatalyst in water or an aqueous solution,
And a step of generating the above .
本発明の光発電装置の製造方法は、上記本発明の光−電気エネルギー変換素子の製造方法によって作製した光−電気エネルギー変換素子の発電電力を負荷に供給するように成す工程を具備することを特徴とする。
The manufacturing method of the photovoltaic device of the present invention comprises the step of supplying the generated power of the photovoltaic-electric energy conversion element produced by the manufacturing method of the photovoltaic-electric energy conversion element of the present invention to a load. Features.
本発明の光触媒体の製造方法は、加熱触媒体と少なくとも分子内に窒素原子を有するガスとの接触によって形成された還元雰囲気において、金属酸化物を還元および窒化処理することにより上記本発明の光触媒体を製造することから、金属酸化物の周囲の気相中に生成された高密度の還元性ラジカルおよび窒化に寄与するラジカルの存在により、金属酸化物の還元と窒化の両反応が極めて迅速かつ急激に進行するため、短時間でかつ確実に金属酸化物を還元および窒化処理することが可能となる。また、本発明の光触媒体の製造方法は、光触媒体を、加熱触媒体とガスとの接触分解反応により生成された活性種を用いて低温形成することができ、基材への熱履歴が軽減され、変換効率に優れた光−電気エネルギー変換素子や光−化学エネルギー変換素子の作製が可能となる。
上記製造方法によって形成された光触媒体は、金属と窒素との化学結合および金属と酸素との化学結合を有するとともに酸素欠損を有する金属酸化物から成ることから、窒素原子の存在により酸素原子の2p軌道よりも負側(真空準位側)のポテンシャルを持つ価電子帯またはそれに準じる準位が形成されることにより、バンドギャップが狭幅化すると考えられ、また、酸素欠陥が生じた際に電気的中性を保つために酸素イオン空孔が生成するが、これによって金属イオンが還元され、可視光を吸収するようになると考えられる。したがって、エネルギーギャップの狭幅化を成すとともに電子の伝導性を向上させることが可能となるため、可視光領域において優れた光触媒効果を発現するものとなる。
The method for producing a photocatalyst of the present invention comprises reducing and nitriding a metal oxide in a reducing atmosphere formed by contacting a heated catalyst with a gas having at least a nitrogen atom in the molecule, thereby producing the photocatalyst of the present invention. In the gas phase around the metal oxide, both the reduction and nitridation reactions of the metal oxide are extremely rapid due to the presence of high-density reducing radicals and radicals that contribute to nitridation. Since the process proceeds rapidly, the metal oxide can be reduced and nitrided reliably in a short time. In addition, the method for producing a photocatalyst of the present invention can form a photocatalyst at a low temperature by using an active species generated by a catalytic decomposition reaction between a heated catalyst and a gas, thereby reducing the thermal history of the substrate. Thus, it is possible to produce a photoelectric-electric energy conversion element or a photoelectric-chemical energy conversion element having excellent conversion efficiency.
The photocatalyst formed by the above production method is composed of a metal oxide having a chemical bond between a metal and nitrogen and a chemical bond between the metal and oxygen and having an oxygen deficiency. The formation of a valence band with a potential on the negative side (vacuum level side) of the orbit or a level equivalent thereto is considered to narrow the band gap, and when an oxygen defect occurs, Oxygen ion vacancies are generated in order to maintain the neutrality, but this is thought to reduce the metal ions and absorb visible light. Accordingly, the energy gap can be narrowed and the conductivity of electrons can be improved, so that an excellent photocatalytic effect is exhibited in the visible light region.
本発明の光触媒体の製造方法において、金属酸化物が酸化チタンまたは酸化亜鉛である場合には、チタンおよび亜鉛は易酸化性の光触媒体用の金属であり、それらの酸化物は化学的に安定しているため、光触媒体が耐候性に比較的優れたものとなり、長期間安定して使用できるという利点がある。
In the method for producing a photocatalyst of the present invention , when the metal oxide is titanium oxide or zinc oxide , titanium and zinc are easily oxidizable metals for the photocatalyst, and these oxides are chemically stable. Therefore, the photocatalyst is relatively excellent in weather resistance, and there is an advantage that it can be used stably for a long period of time.
本発明の光触媒体の製造方法は好ましくは、還元雰囲気がアンモニア(NH3)を含んでいることから、ガスと加熱触媒体との接触分解反応によりアンモニアが容易に分解されて、還元反応に寄与する水素ラジカルおよび窒化反応に寄与する窒素−水素複合ラジカルが同時に生成され、金属酸化物の還元および窒化反応の制御性と再現性の確保を容易に行なうことが可能である。 In the photocatalyst production method of the present invention, preferably, since the reducing atmosphere contains ammonia (NH 3 ), ammonia is easily decomposed by the catalytic decomposition reaction between the gas and the heated catalyst body, thereby contributing to the reduction reaction. Thus, the hydrogen radical and the nitrogen-hydrogen complex radical contributing to the nitriding reaction are simultaneously generated, and the control and reproducibility of the reduction and nitriding reaction of the metal oxide can be easily performed.
また、本発明の光触媒体の製造方法は好ましくは、還元雰囲気が200℃以下と従来に比べてきわめて低温であることから、光触媒体の母材やこれを担持した基材への熱履歴の影響が低減され、母材や基材の変質を抑制することができる。 The method for producing a photocatalyst of the present invention preferably has a reducing atmosphere of 200 ° C. or lower, which is extremely low compared to the conventional method. Therefore, the influence of the thermal history on the base material of the photocatalyst and the substrate carrying the photocatalyst Can be reduced, and deterioration of the base material and the base material can be suppressed.
本発明の光−電気エネルギー変換素子の製造方法によれば、一方電極となる導電性基体上に上記本発明の光触媒体の製造方法によって光触媒体を形成する工程と、光触媒体に電気的に接続された光電変換体を形成する工程と、光電変換体に電気的に接続され正孔を輸送する正孔輸送体を形成する工程と、正孔輸送体に電気的に接続された他方電極を形成する工程とを備えたことから、電子輸送部となる光触媒体において、窒素原子の存在によりバンドギャップが狭幅化するとともに、酸素欠陥によって生じた酸素イオン空孔による電子密度変化によって可視光を吸収するようになるため、可視光領域において電子の伝導性を向上させることが可能な光−電気エネルギー変換素子とすることができる。したがって、このような光吸収特性および電子輸送特性の向上に伴って光−電気エネルギー変換素子の光電変換特性を向上させることができる。
According to the method for producing an optical-electrical energy conversion element of the present invention, a step of forming a photocatalyst body by the above-described method for producing a photocatalyst body on a conductive substrate serving as an electrode, and electrical connection to the photocatalyst body Forming a photoelectric converter, forming a hole transporter that is electrically connected to the photoelectric converter and transporting holes, and forming the other electrode electrically connected to the hole transporter In the photocatalyst that becomes the electron transport part, the band gap is narrowed by the presence of nitrogen atoms, and visible light is absorbed by the change in electron density due to oxygen ion vacancies caused by oxygen defects. Therefore, it is possible to provide a light-electric energy conversion element capable of improving electron conductivity in the visible light region. Accordingly, the photoelectric conversion characteristics of the light-electric energy conversion element can be improved with the improvement of the light absorption characteristics and the electron transport characteristics .
本発明の光−化学エネルギー変換素子の製造方法によれば、上記本発明の光触媒体の製造方法によって光触媒体を形成する工程と、光触媒体を水または水溶液中に入れて、水素ガスを発生するようになす工程とを備えたことから、従来に比して長波長領域における光触媒体の光吸収係数が増大することにより、光吸収部となる光触媒体の光吸収特性および電子輸送特性の向上に伴って、水素発生効率が向上した光−化学エネルギー変換素子とすることができる。
According to the method for producing a photo-chemical energy conversion element of the present invention, a step of forming a photocatalyst by the method for producing a photocatalyst of the present invention and a photocatalyst in water or an aqueous solution to generate hydrogen gas. Therefore, by increasing the light absorption coefficient of the photocatalyst in the long wavelength region as compared with the prior art, the light absorption characteristics and the electron transport characteristics of the photocatalyst that becomes the light absorption part are improved. Accordingly, a photochemical energy conversion element with improved hydrogen generation efficiency can be obtained .
本発明の光発電装置の製造方法によれば、上記本発明の光−電気エネルギー変換素子の製造方法によって作製した光−電気エネルギー変換素子の発電電力を負荷に供給するように成す工程を具備することから、光電変換後の電圧値および電流値の向上した光発電装置とすることができる。
According to the method for manufacturing a photovoltaic device of the present invention, the method comprises the step of supplying the load with the generated power of the photoelectric energy conversion element produced by the method for manufacturing the photoelectric energy conversion element of the present invention. Thus, a photovoltaic device with improved voltage value and current value after photoelectric conversion can be obtained .
本発明の光触媒体の製造方法、光−電気エネルギー変換素子の製造方法、光−化学エネ
ルギー変換素子の製造方法および光発電装置の製造方法の実施の形態を以下に詳細に説明する。なお、以下では、本発明の光触媒体の製造方法により作製した光触媒体を本発明の光触媒体と言い、本発明の光−電気エネルギー変換素子の製造方法により作製した光−電気エネルギー変換素子を本発明の光−電気エネルギー変換素子と言い、本発明の光−化学エネルギー変換素子の製造方法により作製した光−化学エネルギー変換素子を本発明の光−化学エネルギー変換素子と言い、本発明の光発電装置の製造方法により作製した光発電装置を本発明の光発電装置と言う。
Method for producing photocatalyst body of the present invention, method for producing photo-electric energy conversion element, photo-chemical energy
Embodiments of a method for manufacturing a rugie conversion element and a method for manufacturing a photovoltaic device will be described in detail below. In the following, the photocatalyst produced by the method for producing a photocatalyst of the present invention is referred to as the photocatalyst of the present invention, and the photo-electrical energy conversion device produced by the method for producing a photo-electric energy converter of the present invention is referred to as this photocatalyst. The light-chemical energy conversion element of the present invention, which is referred to as the light-chemical energy conversion element of the present invention, and the light-chemical energy conversion element produced by the method of manufacturing the light-chemical energy conversion element of the present invention is referred to as the light-chemical energy conversion element of the present invention. The photovoltaic device produced by the device manufacturing method is referred to as the photovoltaic device of the present invention.
本発明の光触媒体は、金属と窒素との化学結合および金属と酸素との化学結合を有するとともに酸素欠損を有する金属酸化物から成る。また、金属酸化物は好ましくは、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化錫、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、チタン酸ストロンチウム、チタン酸亜鉛、酸化タングステン、チタン酸バリウム、チタン酸鉄、酸化ビスマス、酸化鉄、酸化インジウムまたはこれらの複合物からなるが、特に強い光触媒作用を示すものとして、酸化チタンまたは酸化亜鉛が好ましい。以下、酸化チタンを例に用いて説明する。 The photocatalyst of the present invention comprises a metal oxide having a chemical bond between metal and nitrogen and a chemical bond between metal and oxygen and oxygen deficiency. The metal oxide is preferably titanium oxide, zinc oxide, tin oxide, hafnium oxide, zirconium oxide, strontium titanate, zinc titanate, tungsten oxide, barium titanate, iron titanate, bismuth oxide, iron oxide, oxide Although it consists of indium or a composite thereof, titanium oxide or zinc oxide is preferable as a material that exhibits a particularly strong photocatalytic action. Hereinafter, description will be made using titanium oxide as an example.
図1は、本発明の光触媒体をX線光電子分光法(XPS)により測定して得られたスペクトルであり、比較する従来例として二酸化チタン粉末(日本アエロジル(株)製「P25」)をアンモニア雰囲気中で600℃×10時間(hr)処理したサンプルのスペクトル結果を併せて記す。XPS測定にはX線光電子分光装置(PHI社製「Quantum2000」)を用いた。なお、図1は、チタンの2p電子に帰属されるピーク近傍を示しており、ケミカルシフト量よりTi−N結合、Ti−O結合等の有無を確認することができる。従来例においては、アンモニア処理によって生じたTi−N結合の存在が確認され、窒化されていることが分かる。これに対して、本発明例では、Ti−N結合、Ti−O結合およびTi原子に由来するピークが高レベルで出現しており、窒化とともに還元作用を受けて酸素欠陥が生成していることが分かる。特にTi原子に由来するピークは強度的には微弱であるが、アナターゼ型酸化チタンにおいてチタンに配位している酸素原子との4本の結合が実質的に切れていることを示しており、局所的に強い還元作用を受けたものと考えられる。 FIG. 1 is a spectrum obtained by measuring the photocatalyst of the present invention by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). As a conventional example for comparison, titanium dioxide powder (“P25” manufactured by Nippon Aerosil Co., Ltd.) is used as ammonia. The spectrum results of the sample treated at 600 ° C. for 10 hours (hr) in the atmosphere are also shown. An X-ray photoelectron spectrometer (“Quantum 2000” manufactured by PHI) was used for XPS measurement. FIG. 1 shows the vicinity of a peak attributed to 2p electrons of titanium, and the presence or absence of a Ti—N bond, a Ti—O bond, or the like can be confirmed from the amount of chemical shift. In the conventional example, the presence of Ti—N bonds generated by the ammonia treatment is confirmed, and it can be seen that nitriding has occurred. On the other hand, in the example of the present invention, peaks derived from Ti—N bonds, Ti—O bonds and Ti atoms appear at a high level, and oxygen defects are generated due to a reduction action together with nitriding. I understand. In particular, the peak derived from the Ti atom is weak in intensity, but the anatase-type titanium oxide shows that the four bonds with the oxygen atom coordinated to titanium are substantially broken, It is thought that it received a strong reducing action locally.
図2は、上記従来例および本発明の酸化チタンを、フッ素ドープした酸化錫膜を形成したガラス基板上に塗布、焼成を行なった試料の光の透過率を示す線図である。なお、塗布時には、酸化チタン粒子を界面活性剤を添加した蒸留水に分散させたペーストを用いて行なった。図2から、本発明の試料では、特に短波長(400nm程度)から中波長(800nm程度)の範囲において、従来例よりも透過率が減少しており、酸化チタン層での光吸収量が増大していることが分かる。 FIG. 2 is a diagram showing the light transmittance of a sample obtained by applying and baking the above conventional example and the titanium oxide of the present invention on a glass substrate on which a fluorine-doped tin oxide film is formed. The coating was performed using a paste in which titanium oxide particles were dispersed in distilled water to which a surfactant was added. From FIG. 2, the transmittance of the sample of the present invention is lower than that of the conventional example, particularly in the range of short wavelength (about 400 nm) to medium wavelength (about 800 nm), and the light absorption amount in the titanium oxide layer is increased. You can see that
特に短波長での吸収率増大は、酸化チタン中に窒素がドープされたことによって、酸化チタンが狭エネルギーギャップ化し、これに伴って吸収端波長がシフトしたことに起因しており、一方中波長での吸収率増大は、酸素欠陥の存在により生じた禁制帯中のエネルギー準位の存在と酸化チタン中のキャリア濃度増大によるフリーキャリア吸収に起因したものであると考えられる。このことから、単に窒化した酸化チタン、または単に酸素欠陥が存在する酸化チタンとは異なり、短波長から中波長にかけて光吸収率の高い酸化チタンが得られたといえる。これにより、光照射時における酸化チタンの正孔生成密度が増大し、結果として高い光触媒機能が得られる。 In particular, the increase in absorption rate at short wavelengths is caused by the fact that titanium oxide is doped with nitrogen, which narrows the energy gap of titanium oxide, and as a result, the absorption edge wavelength shifts. It is considered that the increase in the absorption rate due to the presence of energy levels in the forbidden band caused by the presence of oxygen defects and free carrier absorption due to an increase in the carrier concentration in titanium oxide. From this, it can be said that a titanium oxide having a high light absorption rate was obtained from a short wavelength to a medium wavelength, unlike a simply nitrided titanium oxide or a titanium oxide having oxygen defects. Thereby, the hole generation density of titanium oxide at the time of light irradiation increases, and as a result, a high photocatalytic function is obtained.
図3は、本発明の光触媒体を製造するための製造装置の例を示したものである。まず、チャンバー1はSUS(ステンレススチール)、石英等からなる真空容器であり、内部にガスを導入するためのガス導入口2が形成され、さらに電源3に接続された加熱触媒体4を具備している。電源3は、図3では直流電源を用いているが、交流電源を用いても何ら問題はない。加熱触媒体4は高融点かつ加工性に優れている材料を用いることが好ましく、W、Ta、C、Mo、Tiまたはこれらの化合物を用いることが好ましい。また、チャンバー1の底面に、ヒーター5上に金属酸化物層7を形成した基板6を固定し、本発明の光触媒体の形成を行なう。以下、形成方法について詳細を説明する。
FIG. 3 shows an example of a production apparatus for producing the photocatalyst body of the present invention. First, the
まず、基板6は支持体としての機能を有するものであればよく、金属基板、ガラス基板、樹脂基板、セラミック基板等を用いることができる。この基板6上に、酸化チタンまたは酸化亜鉛等の金属酸化物層7を形成する。具体的には、金属酸化物粉末を溶媒中に分散させたスラリーやゾルゲル法を用いて作製したペーストを塗布し、乾燥および焼成を行なう手法、気相成長法によって形成する方法、金属基板の表面を酸化して金属酸化物層7とする手法等が挙げられる。
First, the
この基板6をヒーター5上に設置し、200℃以下の温度に基板6温度を調整する。次に、チャンバー1内にガス導入口2から、水素原子および窒素原子を有するガスを導入して圧力調整を行なった後、電源3により加熱触媒体4を通電加熱する。導入ガスとしては、水素と窒素、水素とアンモニア、アンモニアのみ、三フッ化窒素と水素等が挙げられるが、少なくともアンモニアガスを含有することで、加熱触媒体4によって水素ラジカルとNH2ラジカルに一次反応として解離され、各々が金属酸化物に対して還元効果および窒化効果を有するため、簡易に処理が行なえるといったメリットがある。
The
ここで、加熱触媒体4の温度としては700〜1800℃が好ましく、700℃以下ではガスの分解効率が低下して金属酸化物の還元反応および窒化反応の進行が抑制されてしまう。また、1800℃以上の温度では、加熱触媒体4の成分が飛散して基板6上に付着、混入し金属酸化物層7の膜質を低下させてしまうという問題が生じる。
Here, the temperature of the
本発明の形成方法における大きな特徴は、加熱触媒体4の高いガス分解効率によって還元性ラジカルと窒化に寄与するラジカルがともに多量に生成される点にあり、これによって、200℃以下という低温においても金属酸化物の還元と窒化が迅速に行われる。本発明の光触媒体を以下に記すような受光型電子デバイスに用いる場合には、透明電極と合わせて処理する場合が多々考えられるが、ITO等の耐熱性を考慮すると200℃以下でかつ短時間で処理が可能な本発明の製造方法においては、透明電極の品質を低下させることなく高機能を有する光触媒体を形成することが可能となる。金属酸化物の還元および窒化は200℃よりも高い基板6温度においても可能であるが、透明電極の抵抗値の上昇や透過率の低下を招来し、結果としてデバイス特性を低下させてしまう。
A major feature of the formation method of the present invention is that a large amount of both reducing radicals and radicals contributing to nitriding are generated due to the high gas decomposition efficiency of the
一方、粉末状の金属酸化物のみを容器に入れて、上記の製造装置および条件を用いて処理を行なってもよい。容器は攪拌機能を有しているものが好ましく、処理中に攪拌を行なうことで均質な光触媒体を得ることが可能となる。 On the other hand, only the powdered metal oxide may be put in a container and the treatment may be performed using the above-described manufacturing apparatus and conditions. The container preferably has a stirring function, and a homogeneous photocatalyst can be obtained by stirring during the treatment.
次に、本発明の光触媒体を光−電気エネルギー変換素子に適用した例について図4に基づいて説明する。 Next, an example in which the photocatalyst body of the present invention is applied to a light-electric energy conversion element will be described with reference to FIG.
まず、基板8は支持体としての機能を有するものであればよく、例えば透明なガラス基板、ガラス基板表面にテクスチャー構造を形成して光の反射を防止したもの、半透明ガラス基板、透明プラスチック板、透明プラスチック膜、無機物透明結晶体などの光を透過する透光性材料、金属基板、金属フィルム、セラミック基板等の有色材料の基板を用いることができる。
First, the
基板8の上面に形成された電極9は、低抵抗材料からなり、例えば錫酸化物、インジウム酸化物またはその複合酸化物である。より具体的には、F(フッ素)またはSb(アンチモン)をドープしたSnO2、SnO2やMnやMoをドープしたIn2O3、In4Sn3O12のようなIn2O3−SnO2複合酸化物が挙げられる。錫酸化物、インジウム酸化物またはその複合酸化物は、透明導電性材料の中でも可視光域における透過率が高く、低抵抗のものが得られやすいために、光−電気エネルギー変換素子(光電変換装置)の受光面側の電極材料として特に好適に用いられる。また、電極9のシート抵抗は20Ω/□以下、好ましくは10Ω/□以下であり、これを達成するために、平面視形状が網目状の金属層等からなる取り出し電極を付加形成してもよい。取り出し電極の材料としては、Ag、Al、Cu、Ti、Ni、Fe、Zn、Mo、Wまたはその化合物を用いることができる。
The
なお、電極9の形成はスパッタリング法、蒸着法、イオンプレーティング法、CVD法等の真空成膜技術を用いる他、スプレー熱分解法、ペースト法、ディップコート法等によっても容易に形成することができる。
The
また、基板8が充分に低抵抗材料である場合、電極9を省いて基板8に電極機能を持たせてもよい。
Further, when the
電子輸送層10となるとともに光触媒体の母材となる金属酸化物としては、SnO2、ZnO、TiO2等が用いられる。また、上記の材料にバンドギャップ調整材、あるいは電荷輸送特性を向上させる目的で微量の不純物をドープしたものを用いてもよい。さらに、上記の材料を複合して用いてもよい。特に上記の材料の中では酸化チタン(TiO2)または酸化亜鉛(ZnO)を用いることが好ましい。これは、電子輸送層10として利用される金属酸化物の中において、特にキャリアの輸送特性に優れ、かつ製造プロセスが簡易であり、大面積の成膜が容易であるといった特長を有しているからである。
SnO 2 , ZnO, TiO 2 or the like is used as the metal oxide that becomes the
上記光触媒体は、母材となる金属酸化物を還元および窒化処理したものを電極9上に層状に形成してもよいし、母材となる金属酸化物を電極9上に層状に形成した後に還元および窒化処理してもよい。後者において、電極9が耐還元性の低い材料である場合、還元処理時に電極9の露出部にマスク等により被覆を施すことが好ましい。
The photocatalyst may be formed by reducing and nitriding a metal oxide serving as a base material in layers on the
以上のようにして形成した光−電気エネルギー変換素子は、本発明の光触媒体が上記のように特に中波長から短波長にかけて高い光吸収率を有するため、光触媒体内で励起されるキャリアの密度が増大し、結果として短絡電流密度が増加する。また、適度に存在する酸素欠陥(1×1018/cm3〜1×1022/cm3程度の濃度)により金属酸化物層のキャリア濃度が従来のものに比して増加しているため、同層における内部抵抗の低下と、光励起体との間の内部電界の増大に寄与し、結果として素子の短絡電流密度、開放電圧および曲線因子が向上する。 Since the photocatalyst of the present invention has a high light absorption rate from the middle wavelength to the short wavelength as described above, the density of carriers excited in the photocatalyst is high. As a result, the short circuit current density increases. In addition, since the oxygen concentration (concentration of about 1 × 10 18 / cm 3 to 1 × 10 22 / cm 3 ) due to moderately present oxygen concentration is increased compared to the conventional one, This contributes to a decrease in internal resistance in the same layer and an increase in the internal electric field between the photoexciters, and as a result, the short-circuit current density, open-circuit voltage, and fill factor of the device are improved.
なお、電極9および電子輸送層10間に緻密な層状の酸化物半導体層を挿入させてもよい。これによって素子のリーク電流が低減され開放電圧値が向上する。
Note that a dense layered oxide semiconductor layer may be inserted between the
光励起体11は光照射によってキャリアが励起される部位を指し示すものである。例えば、光励起体11は、ルテニウム錯体、フタロシアニン色素、シアニン色素、メロシアニン色素、ポルフィリン色素、ペリレン色素、アントラキノン色素、アゾ色素、キノフタロン色素、ナフトキノン色素、キナクリドン色素、トリフェニルメタン色素、キサンテン色素、ベリレン色素、インジゴ色素等の有機色素、または無機色素から構成されることが好ましい。 The photoexciter 11 indicates a portion where carriers are excited by light irradiation. For example, photoexciter 11 is a ruthenium complex, phthalocyanine dye, cyanine dye, merocyanine dye, porphyrin dye, perylene dye, anthraquinone dye, azo dye, quinophthalone dye, naphthoquinone dye, quinacridone dye, triphenylmethane dye, xanthene dye, berylene dye It is preferably composed of an organic dye such as an indigo dye or an inorganic dye.
また、電子輸送層10との吸着性および電荷輸送性を考慮すると、光励起体11の分子中にカルボキシル基、ヒドロキシル基、アルコキシ基、スルホン酸基、エステル基、ホスホニル基、ヒドロキシアルキル等のインターロック基を備えていることが好ましい。また、無機材料としてSi、Ge等の単体半導体、CdSe、CdS、InP、Bi2S3、PbS、ZnS、CuInS2、CuInSe2等の化合物半導体やこれらに不純物を適宜ドープしたものを用いてもよい。さらに、有機−無機ハイブリッド材料も同様に適用することが可能である。
In addition, considering the adsorptivity with the
対向基板12は支持体としての機能を有するものであればよく、例えばガラス基板、プラスチック基板、プラスチック膜、無機物透明結晶体など光を透過する透光性材料や金属基板、金属フィルム、セラミック基板等の有色材料の基板等を用いることができる。
The
対向電極13は高い導電性を有する材料から構成されることが好ましく、金属や透明導電層が好適に用いられる。具体的には、金属ではAg、Al、Cu、Ti、Ni、Fe、Zn、Mo、Wまたはその化合物、透明導電層ではFまたはSbをドープしたSnO2、SnO2やMnやMoをドープしたIn2O3、In4Sn3O12のようなIn2O3−SnO2複合酸化物が挙げられる。 The counter electrode 13 is preferably made of a material having high conductivity, and a metal or a transparent conductive layer is suitably used. Specifically, Ag, Al, Cu, Ti, Ni, Fe, Zn, Mo, W or a compound thereof is used for metals, and SnO 2 doped with F or Sb, SnO 2 , Mn, or Mo is used for transparent conductive layers. Examples thereof include In 2 O 3 —SnO 2 composite oxides such as In 2 O 3 and In 4 Sn 3 O 12 .
また、電解液を正孔輸送層14として用いる場合、電解液中のレドックスイオンの還元反応を充分な速度で行わせるために、対向電極13上に白金、カーボン、ロジウム、ルテニウム等の触媒層を形成することが好ましい。 Further, when using the electrolytic solution as the hole transport layer 14, a catalyst layer of platinum, carbon, rhodium, ruthenium or the like is formed on the counter electrode 13 in order to cause the reduction reaction of redox ions in the electrolytic solution at a sufficient rate. It is preferable to form.
なお、対向電極13のシート抵抗は20Ω/□以下、好ましくは10Ω/□以下であり、これを達成するために、網目状金属等からなる取り出し電極を付加形成してもよい。取り出し電極の材料としては、Ag、Al、Cu、Ti、Ni、Fe、Zn、Mo、Wまたはその化合物を用いることができる。 Note that the sheet resistance of the counter electrode 13 is 20Ω / □ or less, preferably 10Ω / □ or less, and in order to achieve this, an extraction electrode made of a mesh metal or the like may be additionally formed. As a material for the extraction electrode, Ag, Al, Cu, Ti, Ni, Fe, Zn, Mo, W or a compound thereof can be used.
また、対向基板12が充分に低抵抗材料である場合、対向電極13を省いて対向基板12に電極機能を持たせてもよい。
If the
正孔輸送層14は、電解液としては、例えば塩化カリウムまたは水酸化ナトリウムと、硫化ナトリウムまたは硫黄とを含有する材料を水溶液としたものが用いられる。また、他にはアセトニトリル、またはメトキシプロピオニトリルなどに、ヨウ化テトラプロピルアンモニウム、ヨウ化リチウム、ヨウ素などを混合し調製したものを用いることができる。 For the hole transport layer 14, as an electrolytic solution, for example, a solution containing a material containing potassium chloride or sodium hydroxide and sodium sulfide or sulfur as an aqueous solution is used. In addition, a mixture prepared by mixing tetrapropylammonium iodide, lithium iodide, iodine, or the like with acetonitrile, methoxypropionitrile, or the like can be used.
上記に代わる正孔輸送層14の材料としては、透明導電性酸化物、ゲル電解質や固体電解質などの電解質、有機正孔輸送剤、極薄膜金属などが挙げられる。 Examples of the material for the hole transport layer 14 instead of the above include transparent conductive oxides, electrolytes such as gel electrolytes and solid electrolytes, organic hole transport agents, and ultrathin metal films.
透明導電性酸化物としては、CuI、Cu2O、CuS、CuInSe、CuInS、CuSCN、CoO、NiO、FeO、MoO2およびCr2O3等が挙げられる。 Examples of the transparent conductive oxide include CuI, Cu 2 O, CuS, CuInSe, CuInS, CuSCN, CoO, NiO, FeO, MoO 2 and Cr 2 O 3 .
ゲル電解質は、大別して化学ゲルと物理ゲルに分けられる。化学ゲルは、架橋反応などにより化学結合でゲルを形成しているものであり、物理ゲルは、物理的な相互作用により室温付近でゲル化しているものである。ゲル電解質としては、アセトニトリル、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、またはそれらの混合物に対し、ポリエチレンオキサイド、ポリアクリロニトリル、ポリフッ化ビニリデン、ポリビニルアルコール、ポリアクリル酸、ポリアクリルアミドなどのホストポリマーを混入して重合させたゲル電解質が好ましい。なお、ゲル電解質や固体電解質を使用する場合、低粘度の前駆体を酸化物半導体層に含有させ、加熱、紫外線照射、電子線照射などの手段で二次元、三次元の架橋反応をおこさせることによってゲル化または固体化できる。 Gel electrolytes are roughly classified into chemical gels and physical gels. The chemical gel is a gel formed by a chemical bond by a cross-linking reaction or the like, and the physical gel is gelled near room temperature by a physical interaction. As the gel electrolyte, acetonitrile, ethylene carbonate, propylene carbonate, or a mixture thereof was polymerized by mixing a host polymer such as polyethylene oxide, polyacrylonitrile, polyvinylidene fluoride, polyvinyl alcohol, polyacrylic acid, polyacrylamide or the like. A gel electrolyte is preferred. When using a gel electrolyte or solid electrolyte, a low-viscosity precursor is included in the oxide semiconductor layer, and a two-dimensional or three-dimensional crosslinking reaction is caused by means such as heating, ultraviolet irradiation, or electron beam irradiation. Can be gelled or solidified.
イオン伝導性の固体電解質としては、ポリエチレンオキサイド、ポリエチレンオキサイドもしくはポリエチレンなどの高分子鎖にスルホンイミダゾリウム塩、テトラシアノキノジメタン塩、ジシアノキノジイミン塩などの塩をもつ固体電解質が好ましい。ヨウ化物の溶融塩としてはイミダゾリウム塩、第4級アンモニウム塩、イソオキサゾリジニウム塩、イソチアゾリジニウム塩、ピラゾリジウム塩、ピロリジニウム塩、ピリジニウム塩などのヨウ化物を用いることができる。 As the ion conductive solid electrolyte, a solid electrolyte having a polymer chain such as polyethylene oxide, polyethylene oxide or polyethylene having a salt such as sulfoimidazolium salt, tetracyanoquinodimethane salt or dicyanoquinodiimine salt is preferable. As the molten salt of iodide, iodides such as imidazolium salt, quaternary ammonium salt, isoxazolidinium salt, isothiazolidinium salt, pyrazolidium salt, pyrrolidinium salt, pyridinium salt can be used.
上述のヨウ化物の溶融塩としては、例えば、1,1−ジメチルイミダゾリウムアイオダイド、1,メチル−3−エチルイミダゾリウムアイオダイド、1−メチル−3−ペンチルイミダゾリウムアイオダイド、1−メチル−3−イソペンチルイミダゾリウムアイオダイド、1−メチル−3−ヘキシルイミダゾリウムアイオダイド、1−メチル−3−エチルイミダゾリウムアイオダイド、1,2−ジメチル−3−プロピルイミダゾールアイオダイド、1−エチル−3−イソプロピルイミダゾリウムアイオダイド、ピロリジニウムアイオダイド等を挙げることができる。 Examples of the molten salt of iodide include 1,1-dimethylimidazolium iodide, 1, methyl-3-ethylimidazolium iodide, 1-methyl-3-pentylimidazolium iodide, 1-methyl- 3-isopentylimidazolium iodide, 1-methyl-3-hexylimidazolium iodide, 1-methyl-3-ethylimidazolium iodide, 1,2-dimethyl-3-propylimidazole iodide, 1-ethyl- Examples thereof include 3-isopropylimidazolium iodide and pyrrolidinium iodide.
有機正孔輸送剤としては、トリフェニルジアミンやOMeTAD(2,2’,7,7’−tetrakis(N,N−di−p−methoxyphenyl−amine)9,9’−spirobifluorene)などが挙げられる。イミダゾリウム塩、トリアゾリウム塩およびピリジニウム塩等の溶融塩電解質や、LiI、NaI、KIおよびCaI2とI2の混合物、またはLiBr、NaBr、KBrおよびCaBr2とBr2の混合物をアルコール類、ニトリル化合物、カーボネート化合物に溶解させた電解液、有機ポリシランが好適に用いられる。 Examples of the organic hole transport agent include triphenyldiamine and OMeTAD (2,2 ′, 7,7′-tetrakis (N, N-di-p-methoxyphenyl-amine) 9,9′-spirobifluorene). Molten salt electrolytes such as imidazolium salts, triazolium salts and pyridinium salts, mixtures of LiI, NaI, KI and CaI 2 and I 2 , or mixtures of LiBr, NaBr, KBr and CaBr 2 and Br 2 with alcohols and nitrile compounds An electrolyte solution dissolved in a carbonate compound and organic polysilane are preferably used.
封止材15は、正孔輸送層材料に対する腐食耐性、吸湿防止機能を有し充分な接着強度を有するものがよく、EVA(エチレン酢酸ビニル共重合樹脂)、エチレン−アクリル酸エチル共重合体(EEA)、フッ素樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、飽和ポリエステル樹脂、アミノ樹脂、フェノール樹脂、ポリアミドイミド樹脂、UV硬化樹脂、シリコーン樹脂、フッ素樹脂、ウレタン樹脂またはその複合物などを用いることができる。
The sealing
以上によって、高光電変換効率を有する光−電気エネルギー変換素子を作製することができるが、さらにこの素子の発電電力を負荷に供給するように成した太陽電池等の光発電装置を構成することも可能である。この光発電装置は、本発明の光−電気エネルギー変換素子を用いていることから、特に光電変換されて得られた電圧および電流の値の向上した光電変換装置とすることが可能となる。 As described above, a photoelectric conversion element having a high photoelectric conversion efficiency can be manufactured. Further, a photovoltaic device such as a solar cell configured to supply the generated power of this element to a load may be configured. Is possible. Since this photovoltaic device uses the photoelectric energy conversion element of the present invention, it can be a photoelectric conversion device with improved voltage and current values obtained by photoelectric conversion.
次に、本発明の光触媒体を電気−化学エネルギー変換素子に適用した例として、水素発生装置について図5に基づいて説明する。まず、少なくとも一部に透光窓(不図示)を有した容器16内に支持電解質の添加等によって溶液抵抗を低下させた水溶液17を満たす。容器16の材質としては金属、セラミックス、ガラス、樹脂等を用いることができ、水溶液17と化学反応を起こさない材料を選定することが好ましい。水溶液17は、例えばNaHCO3水溶液、Na2SO4水溶液、NaOH水溶液、KOH水溶液、KCl水溶液、Ba(OH)2水溶液、HNO3水溶液、H2SO4水溶液等が挙げられる。これらの材料は、イオンの解離度が高く、イオン自体も比較的高い移動度を有するため好ましい。このときイオン濃度としては3〜4mol/L(リットル)程度とすると溶液抵抗が小さくなる。
Next, as an example in which the photocatalyst of the present invention is applied to an electro-chemical energy conversion element, a hydrogen generator will be described with reference to FIG. First, an
次に、陽極18と陰極19とを接続し、水溶液17中に浸漬させる。陽極18には本発明の光触媒体を用いることが好ましく、母材となる材料としては酸化チタン、チタン酸ストロンチウム、チタン酸バリウムが主として用いられる。光触媒体は、母材となる材料を還元処理および窒化処理したものを焼結させてもよいし、母材となる金属酸化物を板状に形成した後に還元処理および窒化処理してもよい。陰極19としては、白金、白金黒等の金属やp型半導体等を用いることができる。さらに、陽極18の上部には酸素収集容器20を、陰極19の上部には水素収集容器21をそれぞれ配設し、各々の電極によって発生したガスを収集する。なお、水溶液の酸化還元電位および電極の仕事関数との電位差を調整するために外部電源22によってバイアス電圧を印加してもよい。
Next, the anode 18 and the
以上のようにして構成される水素発生装置では、上記のように特に中波長から短波長にかけて高い光吸収率を有するため、光触媒体内での正孔生成密度が増大し、結果として水素および酸素の単位時間当たりの発生量が増加する。これは、窒化された金属酸化物の価電子帯が母材と比して高エネルギー側にシフトしたことに対応しており、酸化チタンのように水の還元電位と比較的近い位置にある伝導帯を有する金属酸化物に関しては、伝導帯の位置を大きくシフトさせることなく狭ギャップ化による光吸収量の増加を図れるため、効果的である。さらに、適度に存在する酸素欠陥により金属酸化物層のキャリア濃度が従来のものに比して増加しているため、同層における内部抵抗の低下に寄与し、上記と同様に水素および酸素の単位時間当たりの発生量が増加する。 As described above, the hydrogen generator configured as described above has a high light absorption rate from the middle wavelength to the short wavelength as described above. Therefore, the hole generation density in the photocatalyst increases, and as a result, hydrogen and oxygen The amount generated per unit time increases. This corresponds to the fact that the valence band of the nitrided metal oxide has shifted to a higher energy side as compared with the base material, and the conductivity is relatively close to the reduction potential of water like titanium oxide. A metal oxide having a band is effective because the amount of light absorption can be increased by narrowing the gap without greatly shifting the position of the conduction band. Furthermore, since the carrier concentration of the metal oxide layer is increased as compared with the conventional one due to moderately present oxygen defects, it contributes to the reduction of internal resistance in the same layer, and the unit of hydrogen and oxygen as described above The amount generated per hour increases.
さらに、以上の装置において発生した水素を燃料電池の水素供給源等として用いることにより、光−化学−電気エネルギー変換の機能を有するハイブリッドシステムを構築することも可能である。 Furthermore, it is possible to construct a hybrid system having a photo-chemical-electrical energy conversion function by using hydrogen generated in the above apparatus as a hydrogen supply source of the fuel cell.
アナターゼ型二酸化チタン粉末(日本アエロジル(株)製「P25」)5gを、10mlの水、0.1mlのアセチルアセトン、および0.1mlのポリオキシエチレンオクチルフェニルエーテルと混合し、攪拌装置によって攪拌し、二酸化チタン粒子が分散されたペーストを作製した。これをドクターブレード法によって、シート抵抗が10Ω/□程度のフッ素ドープ酸化錫膜が形成されたガラス基板上に塗布し、その後450℃、30分の熱処理を行なった。このとき、焼成後の二酸化チタン層は多孔質層となっており、その膜厚は9μmであった。 5 g of anatase-type titanium dioxide powder (“P25” manufactured by Nippon Aerosil Co., Ltd.) is mixed with 10 ml of water, 0.1 ml of acetylacetone and 0.1 ml of polyoxyethylene octylphenyl ether, and stirred with a stirrer. A paste in which particles were dispersed was prepared. This was applied by a doctor blade method onto a glass substrate on which a fluorine-doped tin oxide film having a sheet resistance of about 10Ω / □ was formed, and then heat-treated at 450 ° C. for 30 minutes. At this time, the titanium dioxide layer after firing was a porous layer, and the film thickness was 9 μm.
これを加熱触媒体を内部に配設した装置のチャンバー内にセットし、還元処理および窒化処理を行なった。この際、加熱触媒体としては0.5mmφ(直径)のW線をコイル状の形状に加工したものを用いた。チャンバー内にアンモニアガスを導入して、圧力は10Paに保持した後、加熱触媒体を通電加熱によって1650℃に加熱した。なお、基板温度は200℃以下となるように調整を行なった。基板と加熱触媒体との間のシャッターを開としてから約30秒で二酸化チタン層の表面が黄色化し始め、30分間まで処理を行なうと黒色化した。 This was set in a chamber of a device in which a heating catalyst body was disposed, and reduction treatment and nitriding treatment were performed. At this time, a heated catalyst body obtained by processing a 0.5 mmφ (diameter) W wire into a coil shape was used. After introducing ammonia gas into the chamber and maintaining the pressure at 10 Pa, the heated catalyst body was heated to 1650 ° C. by electric heating. The substrate temperature was adjusted to 200 ° C. or lower. The surface of the titanium dioxide layer started to turn yellow about 30 seconds after the shutter between the substrate and the heated catalyst body was opened, and turned black when the treatment was performed for 30 minutes.
図1には3分間の処理を行なったサンプルのXPSスペクトルを示しており、比較例(従来例)として、同じく二酸化チタン粉末(日本アエロジル(株)製「P25」)をアンモニア雰囲気にて600℃、10hr処理したサンプルのスペクトル結果を併せて示している。上述したように、本発明の二酸化チタンはTi−N結合、Ti−O結合およびTi原子に由来するピークが出現しており、窒化作用とともに還元作用を受けて酸素欠陥が生成していることが分かる。一方、従来例では、わずかにTi−N結合の存在が確認され、窒化されていることが分かる。 FIG. 1 shows an XPS spectrum of a sample treated for 3 minutes. As a comparative example (conventional example), titanium dioxide powder (“P25” manufactured by Nippon Aerosil Co., Ltd.) was similarly used at 600 ° C. in an ammonia atmosphere. The spectrum results of the sample processed for 10 hours are also shown. As described above, in the titanium dioxide of the present invention, peaks derived from Ti—N bonds, Ti—O bonds, and Ti atoms appear, and oxygen defects are generated due to a reduction action as well as a nitriding action. I understand. On the other hand, in the conventional example, the presence of a slight Ti—N bond is confirmed and it can be seen that nitriding has occurred.
本発明の窒化処理および還元処理の処理時間は、他の手法に比べて圧倒的に短時間(他の手法が2〜10時間程度で本発明の手法が5秒〜1分程度)であり、本発明の処理法の特徴である高いガス分解効率によってアンモニアが効果的に還元性ラジカルと窒化に寄与するラジカルに分解されたことが大きく寄与している。また図2に示したように、本発明の実施例では従来例に比して中波長から短波長にかけての領域において光吸収量が増大していることが分かる。この光吸収量増大に伴う光触媒機能の向上を確認するため、本発明の実施例と従来例の光触媒体をそれぞれメチレンブルーの水溶液に浸漬し、光照射を行なってメチレンブルーの分解能力を評価した。この際、メチレンブルー水溶液の濃度は5ppmとし、人工太陽照明灯(セリック(株)製「XC-100」)によって光照射を行なった。その結果、660nmにおける吸光度の変化量は本発明の実施例が従来例に比して約1.4倍程度であり、光触媒活性が大きく向上していることが確認された。 The treatment time of the nitriding treatment and the reduction treatment of the present invention is overwhelmingly short compared with other methods (the other method is about 2 to 10 hours and the method of the present invention is about 5 seconds to 1 minute), The fact that ammonia was effectively decomposed into reducing radicals and radicals contributing to nitriding contributed greatly due to the high gas decomposition efficiency characteristic of the treatment method of the present invention. In addition, as shown in FIG. 2, it can be seen that in the embodiment of the present invention, the light absorption amount is increased in the region from the medium wavelength to the short wavelength as compared with the conventional example. In order to confirm the improvement of the photocatalytic function accompanying the increase in the amount of light absorption, the photocatalysts of the examples of the present invention and the conventional examples were immersed in an aqueous solution of methylene blue, and irradiated with light to evaluate the ability to decompose methylene blue. At this time, the concentration of the methylene blue aqueous solution was 5 ppm, and light irradiation was performed with an artificial solar illumination lamp (“XC-100” manufactured by Celic Co., Ltd.). As a result, the amount of change in absorbance at 660 nm was about 1.4 times that in the example of the present invention compared to the conventional example, and it was confirmed that the photocatalytic activity was greatly improved.
酸化亜鉛粒子(和光純薬工業(株)製、粒径0.02μm、純度95.0%)5gを、10mlの水、0.2mlのアセチルアセトン、および0.1mlのポリオキシエチレンオクチルフェニルエーテルと混合し、攪拌装置によって攪拌し、酸化亜鉛粒子が分散されたペーストを作製した。これをドクターブレード法によって、シート抵抗が10Ω/□程度のフッ素ドープ酸化錫が形成されたガラス基板上に塗布し、その後400℃、30分の熱処理を行なった。このとき、焼成後の酸化亜鉛層は多孔質層となっており、その膜厚は6μmであった。 5 g of zinc oxide particles (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., particle size 0.02 μm, purity 95.0%) are mixed with 10 ml of water, 0.2 ml of acetylacetone, and 0.1 ml of polyoxyethylene octylphenyl ether, and stirred. To obtain a paste in which zinc oxide particles are dispersed. This was applied by a doctor blade method onto a glass substrate on which fluorine-doped tin oxide having a sheet resistance of about 10Ω / □ was formed, and then heat-treated at 400 ° C. for 30 minutes. At this time, the fired zinc oxide layer was a porous layer, and the film thickness was 6 μm.
これを実施例1と同様の装置のチャンバー内にセットし、還元処理および窒化処理を行なった。加熱触媒体を通電加熱によって1500℃に加熱し、その後チャンバー内にアンモニアガスを導入して、圧力は10Paに保持した。なお、基板温度は150℃となるように調整した。基板と加熱触媒体との間のシャッターを開としてから約25秒で酸化亜鉛層の表面が黄色化し始め、20分間まで処理を行なうと黒色化した。 This was set in the chamber of the same apparatus as in Example 1, and reduction treatment and nitriding treatment were performed. The heated catalyst body was heated to 1500 ° C. by electric heating, and then ammonia gas was introduced into the chamber and the pressure was maintained at 10 Pa. The substrate temperature was adjusted to 150 ° C. The surface of the zinc oxide layer started to turn yellow about 25 seconds after the shutter between the substrate and the heated catalyst body was opened, and turned black when treated for up to 20 minutes.
以上によって形成された酸化亜鉛層の光吸収量増大に伴う光触媒機能の向上を確認するため、上述の条件で25秒間の処理を行なった本実施例2の酸化亜鉛層付きの基板と、処理を行なわなかった酸化亜鉛層付きの基板をそれぞれメチレンブルーの水溶液に浸漬し、光照射を行なってメチレンブルーの分解能力を評価した。なお、評価条件は実施例1と同様である。その結果、660nmにおける吸光度の変化量は本実施例2が従来例に比して約1.3倍程度であり、光触媒活性が大きく向上していることが確認された。 In order to confirm the improvement of the photocatalytic function accompanying the increase in the light absorption amount of the zinc oxide layer formed as described above, the substrate with the zinc oxide layer of this Example 2 subjected to the treatment for 25 seconds under the above-mentioned conditions, and the treatment Substrates with a zinc oxide layer that were not used were each immersed in an aqueous solution of methylene blue, and irradiated with light to evaluate the ability to decompose methylene blue. The evaluation conditions are the same as in Example 1. As a result, the amount of change in absorbance at 660 nm was about 1.3 times that of Example 2 compared to the conventional example, and it was confirmed that the photocatalytic activity was greatly improved.
ルテニウム−トリス型の遷移金属錯体色素をアセトニトリルおよびt−ブタノールの溶媒に溶解させたものに、実施例1に記載の手法で3分間の処理を行なって形成した酸化チタン層付き基板を約15時間浸漬して、色素を酸化チタン層上に形成した。この間、溶液の温度は60℃〜80℃に保持した。 A substrate with a titanium oxide layer formed by dissolving a ruthenium-tris transition metal complex dye in a solvent of acetonitrile and t-butanol for 3 minutes according to the method described in Example 1 is about 15 hours. A dye was formed on the titanium oxide layer by immersion. During this time, the temperature of the solution was maintained at 60 ° C to 80 ° C.
次に、対向基板となるガラス基板上に、対向電極となるフッ素ドープ酸化錫膜およびPt層をパターン形成したものを、上記色素層まで形成した基板と、封止材となる熱可塑性エポキシ樹脂を介して対向配置させ、電解液注入孔を残して局部加熱により周囲を封止した。引き続き、対向基板に設けた注入孔より、ヨウ素0.1M、ヨウ化リチウム0.1M、1,2−ジメチル−3−プロピルイミダゾリウムアイオダイド0.7M、4−tertブチルピリジン8Mを混合し、メトキシアセトニトリルを溶媒として調製したものを用いた。最後に、電解液注入孔をエポキシ樹脂により封止した。 Next, a substrate in which a fluorine-doped tin oxide film and a Pt layer serving as a counter electrode are patterned on a glass substrate serving as a counter substrate, a substrate formed up to the dye layer, and a thermoplastic epoxy resin serving as a sealing material. The periphery was sealed by local heating, leaving the electrolyte injection hole. Then, iodine 0.1M, lithium iodide 0.1M, 1,2-dimethyl-3-propylimidazolium iodide 0.7M, 4-tertbutylpyridine 8M are mixed from the injection hole provided in the counter substrate, and methoxyacetonitrile is mixed. What was prepared as a solvent was used. Finally, the electrolyte injection hole was sealed with an epoxy resin.
以上の方法で作製した素子について、入射光強度が100mW/cm2に調整された擬似太陽光(人工太陽照明灯のセリック(株)製「XC-100」)の光)を照射し、特性評価を行なった。比較例として触媒CVD法によって処理を行なわなかった酸化チタン層についても同様の素子を作製し、特性評価を行なった。その結果、本発明の手法にて作製した素子は、従来型の素子に比して短絡電流値で1.27倍、開放電圧値で1.14倍、曲線因子が1.01倍に上昇し、変換効率として1.46倍に向上した。これは、本発明の光触媒体が高い光吸収率を有し、光触媒体内で励起されるキャリアの密度が増大したことや、適度に存在する酸素欠陥により同じく光触媒体内のキャリア濃度が増加して、酸化チタン層における内部抵抗が低下し、さらに色素との間の内部電界が増大したこと等が寄与しているものと考えられる。 The device manufactured by the above method is irradiated with simulated sunlight (light of artificial solar lighting “XC-100” manufactured by Celic Co., Ltd.) whose incident light intensity is adjusted to 100 mW / cm 2 to evaluate the characteristics. Was done. As a comparative example, a similar element was produced and evaluated for a titanium oxide layer that was not treated by the catalytic CVD method. As a result, the device manufactured by the method of the present invention has a short circuit current value of 1.27 times, an open circuit voltage value of 1.14 times, a fill factor of 1.01 times, and a conversion efficiency of 1.46 times that of a conventional device. Improved. This is because the photocatalyst of the present invention has a high light absorption rate, the density of carriers excited in the photocatalyst is increased, and the carrier concentration in the photocatalyst is also increased due to oxygen defects that are present appropriately. It is considered that the internal resistance in the titanium oxide layer is reduced and the internal electric field between the dye and the pigment is increased.
光触媒体の準備として、まずアナターゼ型二酸化チタン粉末(日本アエロジル(株)製「P25」)5gをSUS容器に入れ、これを実施例1と同様の装置のチャンバー内にセットし、還元処理および窒化処理を行なった。この際、処理条件は実施例1に記載の条件で3分間の処理を行なった。次に、同粉末を10mlの水、0.1mlのアセチルアセトン、および0.1mlのポリオキシエチレンオクチルフェニルエーテルと混合し、攪拌装置によって攪拌し、二酸化チタン粒子が分散されたペーストを作製した。 As a preparation of the photocatalyst, first, 5 g of anatase-type titanium dioxide powder (“P25” manufactured by Nippon Aerosil Co., Ltd.) was placed in a SUS container, and this was set in the chamber of the same apparatus as in Example 1 for reduction treatment and nitriding. Processing was performed. At this time, the treatment was performed under the conditions described in Example 1 for 3 minutes. Next, the powder was mixed with 10 ml of water, 0.1 ml of acetylacetone, and 0.1 ml of polyoxyethylene octylphenyl ether, and stirred with a stirrer to prepare a paste in which titanium dioxide particles were dispersed.
次に、アノードの準備として、白金メッキを施したガラス基板上に、上記の方法で作製した二酸化チタン粒子が分散されたペーストを塗布し、28GHzのマイクロ波にて5分間の焼結処理を行なった。このとき、焼結後の二酸化チタン層は多孔質層となっており、その膜厚は12μmであった。次に、二酸化チタン層を一部メカニカルエッチングして白金を露出させ、同部に白金リード線を固定した。白金リード線の他方の先にはカソードとなる白金板を接続し、電解液中に浸漬した。なお、アノード側の白金線を含む白金露出部には、エポキシ樹脂によって電解液と接触しないようにコーティングを行なった。また、電解液には1mol/Lの水酸化ナトリウム水溶液を用いた。さらに、アノードおよびカソードの直上には石英製の円柱状ガス捕集容器を配設した。 Next, as a preparation for the anode, a paste in which the titanium dioxide particles produced by the above method are dispersed is applied onto a platinum-plated glass substrate, and a sintering process is performed for 5 minutes in a 28 GHz microwave. It was. At this time, the sintered titanium dioxide layer was a porous layer, and its film thickness was 12 μm. Next, a part of the titanium dioxide layer was mechanically etched to expose platinum, and a platinum lead wire was fixed to the same part. A platinum plate serving as a cathode was connected to the other end of the platinum lead wire and immersed in the electrolytic solution. The platinum exposed part including the platinum wire on the anode side was coated with an epoxy resin so as not to come into contact with the electrolytic solution. Moreover, 1 mol / L sodium hydroxide aqueous solution was used for electrolyte solution. Further, a cylindrical gas collecting container made of quartz was disposed immediately above the anode and the cathode.
以上のようにして構成した水素発生装置において、アノードの二酸化チタン層が形成された面側より500Wのキセノンランプを用いて光照射を行なったところ、ガス捕集容器にガスが収集された。このとき、質量分析法にてガスの組成を分析したところ、アノード側には酸素、カソード側には水素が発生していることが確認された。ここで、アノード側に用いる二酸化チタンを上記の手法によって作製した本実施例4の光触媒体と、窒素雰囲気中で600℃、10時間の熱処理を行なった二酸化チタン粉末を光触媒体として用いた従来例とを比較した場合、各ガス捕集容器に収集されたガスの体積は本実施例4が従来例に比して約1.2倍大きいことが確認された。このことは、本発明の光触媒体が高い光吸収率を有し、光触媒体内で励起されるキャリアの密度が増大したことが大きく寄与しているものと考えられる。 In the hydrogen generator configured as described above, light irradiation was performed using a 500 W xenon lamp from the surface side of the anode on which the titanium dioxide layer was formed. As a result, gas was collected in the gas collection container. At this time, when the gas composition was analyzed by mass spectrometry, it was confirmed that oxygen was generated on the anode side and hydrogen was generated on the cathode side. Here, the photocatalyst of Example 4 in which titanium dioxide used on the anode side was produced by the above-described method, and a conventional example using titanium dioxide powder subjected to heat treatment at 600 ° C. for 10 hours in a nitrogen atmosphere as the photocatalyst. , It was confirmed that the volume of the gas collected in each gas collection container was about 1.2 times larger in Example 4 than in the conventional example. This is considered to be largely due to the fact that the photocatalyst of the present invention has a high light absorption rate and the density of carriers excited in the photocatalyst is increased.
なお、本発明は上記の実施の形態および実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更を施すことは何等差し支えない。 The present invention is not limited to the above-described embodiments and examples, and various modifications may be made without departing from the scope of the present invention.
4:加熱触媒体
6:基板
7:金属酸化物層
8:基板
9:電極
10:電子輸送層
11:光励起体
12:対向基板
13:対向電極
14:正孔輸送層
4: Heated catalyst body 6: Substrate 7: Metal oxide layer 8: Substrate 9: Electrode
10: Electron transport layer
11: Photoexciter
12: Counter substrate
13: Counter electrode
14: Hole transport layer
Claims (7)
該光触媒体に電気的に接続された光電変換体を形成する工程と、
該光電変換体に電気的に接続され正孔を輸送する正孔輸送体を形成する工程と、
該正孔輸送体に電気的に接続された他方電極を形成する工程と
を備えた光−電気エネルギー変換素子の製造方法。 On the other hand, a step of forming a photocatalyst body by the method for producing a photocatalyst body according to any one of claims 1 to 4 on a conductive substrate to be an electrode;
Forming a photoelectric conversion body electrically connected to the photocatalyst body;
Forming a hole transporter that is electrically connected to the photoelectric converter and transports holes;
And a step of forming the other electrode electrically connected to the hole transporter.
該光触媒体を水または水溶液中に入れて、水素ガスを発生するようになす工程と
を備えた光−化学エネルギー変換素子の製造方法。 Forming a photocatalyst by the method for producing a photocatalyst according to any one of claims 1 to 4,
And a step of putting the photocatalyst into water or an aqueous solution so as to generate hydrogen gas.
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