JP5707773B2 - Composite photoelectrode and photoelectrochemical reaction system - Google Patents
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Description
本発明は、光励起電子を生じる半導体電極と、二酸化炭素の還元作用を呈する触媒とが共存する複合光電極および光電気化学反応システムに関する。 The present invention relates to a composite photoelectrode and a photoelectrochemical reaction system in which a semiconductor electrode that generates photoexcited electrons and a catalyst that exhibits a reducing action of carbon dioxide coexist.
非特許文献1には、TiO2などの半導体触媒の粉末を水に懸濁させ、二酸化炭素を通しながらキセノンランプや高圧水銀灯のような人工光源からの光照射を行うと、ホルムアルデヒド、ギ酸、メタン、メタノールなどが生成する技術が開示されている。
In
特許文献1には、酸化ジルコニウム半導体の存在下に水に光照射し、光エネルギーを利用して水から効率的に水素と酸素を製造する方法、並びに水及び二酸化炭素から水の光分解触媒用触媒の存在下に光エネルギーを利用して水素、酸素と同時に一酸化炭素を製造しうる方法に関する技術が開示されている。
特許文献2には、水酸化塩溶液中のTiO2などの半導体電極と、炭酸水素溶液中のPd−Ru合金触媒を担持したガス拡散電極を短絡し、半導体電極側に光を照射してガス拡散電極側で二酸化炭素をギ酸に還元生成する技術が開示されている。
In
特許文献3には、可視光応答型光触媒である酸化第一銅と電子供与剤であるトリエタノールアミンの存在下で光を照射することで、水中の反応でメタノールを、アセトニトリル中の反応でギ酸を選択的に生成する技術が開示されている。
In
また、非特許文献2には、高圧(40atm)で二酸化炭素を溶解させたメタノール溶媒中でp−InP光電極に光を照射して50mAの定電流を流すことで、一酸化炭素が89%の電流効率で生成する技術が開示されている。
また非特許文献3には、二酸化炭素を溶解させたメタノール溶媒中で、鉛修飾したp−InP光電極に光照射することによりファラデー効率29.9%でギ酸が、銀修飾したp−InP光電極に光照射することによりファラデー効率80.4%で一酸化炭素が生成する技術が開示されている。
In
また特許文献4には、金属−配位子間の電荷吸収バンドを紫外部から可視部に有する金属錯体から選ばれる光触媒と有機アミンから選ばれる電子供与剤とを溶解させた有機溶媒中に0.2−7.5MPaの高圧で二酸化炭素を導入し、その圧力下において光照射して二酸化炭素を選択的に一酸化炭素に還元することを特徴とする二酸化炭素の光還元方法が開示されている。
前記非特許文献1ではホルムアルデヒド、ギ酸、メタン、メタノールなどの同時生成が、特許文献1では、水素のみ、あるいは水素と同時に一酸化炭素を生成する例が開示されている。光照射により水素を生成する、あるいは2種類以上の二酸化炭素還元物を同時に生成するのは無機半導体光触媒の特徴であるが、工業的な利用を考えた場合、生成物が高い選択性で得られることは重要である。特許文献2では酸化チタンへの光照射により生じた光電流の32%がギ酸に変換されており高い変換効率を示しているが、酸化チタンは紫外光応答型半導体であり、太陽光の利用効率が低いことが問題である。特許文献3は可視光応答型光触媒を利用しているが、二酸化炭素の還元反応と対になる酸化反応を促進させるために電子供与剤を必要とする。非特許文献2では、可視光応答型の光電極を用いて二酸化炭素を還元しているが、反応性を高めるために高圧で二酸化炭素を溶解させる必要がある。
Non-Patent
非特許文献3においても、可視光応答型の光電極を用いて二酸化炭素を還元し、高いファラデー効率でギ酸や一酸化炭素を生成しているが、−2.5V(vs Ag/AgCl)と高いバイアス電圧を印加しており、光電極材料を用いるメリットが生かされていない。
Also in
特許文献4では、レニウム錯体を用いた例のみが示されている。レニウム錯体を用いた場合には、選択的に一酸化炭素が生成され易いという特徴はこの特許文献4が出願される以前から学術論文で報告されよく知られる。またレニウム錯体の場合、光触媒的な二酸化炭素還元反応を実現する場合には可視光の吸収域が可視光のうちでも450nm以下の比較的短波長側に限定されることも知られる。特許文献4では、その他の金属を用いた錯体についても記載されているが可能性のある金属元素の羅列にとどまり、これらについて実現されたという報告はない。また、ルテニウム錯体はその構成によっては、より長波長の光吸収が可能なことは色素増感型太陽電池において周知であるが、ルテニウム錯体のみでは光触媒的な化学反応は生じておらず、現状では通電した際の電気化学的な触媒反応のみが実現されている。このようにルテニウム錯体では光化学反応は生じず、電気化学的な反応しか実現されていない。しかし、この系では、高い生成物選択性で二酸化炭素からギ酸が生成されるという特徴がある。
In
半導体光触媒上での反応生成物選択性が低い理由については以下のように推察される。半導体膜や粉体の表面は均一ではなく、多くの欠陥や原子レベルの構造的な段差などが存在する。従って表面上のサイトによって局所的な表面エネルギーが異なる結果、被反応物である二酸化炭素、プロトンや溶媒、ガス、ならびに反応中間体などの吸着性能が異なる。したがって、これらの物質に電子が渡される確率、速度などのプロセスは一定でないために、種々の反応生成物が生成するものと考えられる。 The reason why the selectivity of the reaction product on the semiconductor photocatalyst is low is assumed as follows. The surface of the semiconductor film or powder is not uniform, and there are many defects and structural steps at the atomic level. Accordingly, the local surface energy differs depending on the site on the surface, and as a result, the adsorption performance of carbon dioxide, protons, solvent, gas, and reaction intermediates that are reactants differs. Accordingly, it is considered that various reaction products are generated because processes such as a probability and a speed of passing electrons to these substances are not constant.
また、錯体光触媒でより長波長の可視光の利用、ならびに光触媒的な制限が多い理由についても確定的ではないが、光励起された電子の寿命が短いため、錯体上の反応場に移動する確率が低く、光吸収しても反応までに至らないなどの理由が考えられる。 In addition, the use of visible light with a longer wavelength in complex photocatalysts and the reason for many photocatalytic limitations are not definitive, but the lifetime of photoexcited electrons is short, so the probability of moving to a reaction field on the complex is low. The reason is that it is low and does not lead to reaction even if it absorbs light.
本発明に係る複合光電極は、半導体電極と、二酸化炭素の還元作用を呈する金属錯体触媒とが、半導体電極に金属錯体触媒が接合されること、または金属錯体触媒の電解液中で半導体電極に金属錯体触媒が接触することで、電子のやり取りが可能な状態で共存し、前記半導体の伝導帯最下端エネルギー準位の値から前記金属錯体触媒の最低空軌道のエネルギー準位の値を引いた値はプラス0.2電子ボルト以下であり、半導体電極に光照射するとともに、バイアス電圧を印加することにより生じた励起電子が金属錯体触媒に移動することにより、金属錯体触媒を利用して二酸化炭素の還元作用を呈する。 In the composite photoelectrode according to the present invention, a semiconductor electrode and a metal complex catalyst exhibiting a carbon dioxide reducing action are bonded to the semiconductor electrode, or in the electrolyte solution of the metal complex catalyst. By contacting the metal complex catalyst, it coexists in a state where electrons can be exchanged, and the value of the lowest empty orbital energy level of the metal complex catalyst is subtracted from the value of the lowest energy level of the conduction band of the semiconductor. value is less than plus 0.2 eV, while the light irradiated on the semiconductor electrode, by excited electrons generated by applying a bias voltage moves the metal complex catalyst, by using a metal complex catalyst carbon dioxide Exhibits a reducing action.
また、前記金属錯体触媒の金属は、周期律表第VII族金属、第VIII族金属から選ばれる少なくとも一種の金属であることが好適である。 The metal of the metal complex catalyst is preferably at least one metal selected from Group VII metal and Group VIII metal of the Periodic Table .
また、前記の半導体電極が、二酸化炭素の還元作用を呈する金属錯体触媒と比較して、より長い波長の光を吸収できることが好適である。 In addition, it is preferable that the semiconductor electrode can absorb light having a longer wavelength than a metal complex catalyst that exhibits a carbon dioxide reducing action.
また、本発明に係る光電気化学反応システムは、半導体電極と、二酸化炭素の還元作用を呈する金属錯体触媒とが接合した構造を有し、前記半導体の伝導帯最下端エネルギー準位の値から前記金属錯体触媒の最低空軌道のエネルギー準位の値を引いた値はプラス0.2電子ボルト以下であり、半導体電極に光照射することにより生じた励起電子が金属錯体触媒に移動することにより、金属錯体触媒を利用して二酸化炭素の還元作用を呈する複合光電極と、前記半導体電極にバイアス電圧を印加するバイアス電圧源と、を有する。また、前記金属錯体触媒の金属は、周期律表第VII族金属、第VIII族金属から選ばれる少なくとも一種の金属であることが好適である。 In addition, the photoelectrochemical reaction system according to the present invention has a structure in which a semiconductor electrode and a metal complex catalyst exhibiting a carbon dioxide reducing action are joined, and from the value of the lowest energy level of the conduction band of the semiconductor, The value obtained by subtracting the energy level of the lowest empty orbit of the metal complex catalyst is plus 0.2 eV or less, and the excited electrons generated by irradiating the semiconductor electrode with light move to the metal complex catalyst. A composite photoelectrode that exhibits a carbon dioxide reduction action using a metal complex catalyst; and a bias voltage source that applies a bias voltage to the semiconductor electrode. The metal of the metal complex catalyst is preferably at least one metal selected from Group VII metal and Group VIII metal of the Periodic Table.
このように、本発明によれば、半導体電極を用いて光エネルギーを利用して、触媒を利用した二酸化炭素の還元が行える。従って、比較的低電圧での還元反応が行える。また、触媒は、半導体電極から励起電子を受け取ることができるため、錯体自体が光触媒である必要はなく、電気的な錯体触媒を含む広い範囲から触媒を選択することが可能であり、高い反応生成物選択性で二酸化炭素から還元物を生成することが可能となる。また、半導体電極に電源から電子を供給することで、還元剤が不要となる。 Thus, according to the present invention, carbon dioxide can be reduced using a catalyst using light energy using a semiconductor electrode. Therefore, the reduction reaction can be performed at a relatively low voltage. In addition, since the catalyst can receive excited electrons from the semiconductor electrode, the complex itself does not need to be a photocatalyst, and the catalyst can be selected from a wide range including an electric complex catalyst, resulting in high reaction generation. It becomes possible to produce a reduced product from carbon dioxide with substance selectivity. Moreover, a reducing agent becomes unnecessary by supplying electrons from the power source to the semiconductor electrode.
以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1には、実施形態に係る光電気化学反応システムの構成を示している。バイアス電源10には、半導体電極12と、その対極である対極14が接続され、バイアス電源10が両者間の所定のバイアス電圧を印加する。また、図1の例では、バイアス電源10として、ポテンショスタットを利用しており、バイアス電源10には参照電極16も接続されており、参照電極16を基準として半導体電極12に電圧を印加できる。このように、このシステムでは、半導体電極12を作用極として、光電気化学測定を行うことができる。なお、参照電極16を設けなくても、所期の反応を生起することができるため、実際の装置においては、参照電極16を設ける必要はなく、対極14と半導体電極12の間の印加電圧を制御すればよい。
In FIG. 1, the structure of the photoelectrochemical reaction system which concerns on embodiment is shown. The
そして、半導体電極12には、基材18が電子のやり取りができる状態で接触する。図示の例では、金属錯体(ルテニウム錯体)が基材18として利用されている。
Then, the
このようなシステムにおいて、半導体電極12に光が照射されると、ここで光励起電子e−が発生し、この光励起電子e−が基材18の還元触媒反応に利用される。この例では、二酸化炭素CO2がギ酸(HCOOH)に還元される。一方、対極14においては、水(H2O)を酸素((1/2)O2)に酸化する反応が生じ、ここで生じた電子e−がバイアス電圧により半導体電極12に移動し、光励起電子の対として発生したホールと結合する。
In such a system, when light is irradiated to the
このように、本実施形態では、光照射により半導体電極12内部で生じた光励起電子e−が、二酸化炭素の還元作用を呈する基材18の反応サイトに移動することにより二酸化炭素の還元反応が行われる。特に、光励起電子を利用するために非半導体電極材料よりも低電圧で二酸化炭素を還元し、有用な有機化合物を高効率かつ高い反応生成物選択性で合成できる。
As described above, in this embodiment, the photoexcited electrons e − generated inside the
「半導体」
ここで、半導体電極12に用いる半導体は、その伝導帯の最下端のエネルギー準位の値から、後に記載される基材の電子によって占有されていない分子軌道のうち最もエネルギーの低い準位の値を引いた値が0.2電子ボルト以下である材料とする。例えば、酸化タンタル、窒化タンタル、酸窒化タンタル、ニッケル含有硫化亜鉛、銅含有硫化亜鉛、窒素ドープ酸化タンタル、硫化亜鉛、リン化インジウム、リン化ガリウム、酸化鉄、炭化ケイ素、銅の酸化物とすることができる。
"semiconductor"
Here, the semiconductor used for the
窒化タンタル及び酸窒化タンタルは、酸化タンタルを、アンモニアガスを含む雰囲気で加熱処理することによって生成することができる。アンモニアは非酸化性のガス(アルゴン、窒素等)によって希釈することが好適であり、例えば、アンモニアとアルゴンとをそれぞれ同じ流量で混合したガス流中に酸化タンタルを配して加熱することが好適である。加熱温度は500℃以上900℃以下が好ましく、さらには650℃以上850℃以下がより好ましい。処理時間は6時間以上15時間以下が好ましい。アンモニア処理する前の酸化タンタルは市販の結晶性を有するもの、または、塩化タンタル等のタンタル含有化合物溶液に加水分解処理等を施すことによって得たアモルファス状のものなどが使用できる。 Tantalum nitride and tantalum oxynitride can be generated by heat-treating tantalum oxide in an atmosphere containing ammonia gas. Ammonia is preferably diluted with a non-oxidizing gas (argon, nitrogen, etc.). For example, it is preferable to arrange and heat tantalum oxide in a gas stream in which ammonia and argon are mixed at the same flow rate. It is. The heating temperature is preferably 500 ° C. or higher and 900 ° C. or lower, and more preferably 650 ° C. or higher and 850 ° C. or lower. The treatment time is preferably 6 hours or more and 15 hours or less. As the tantalum oxide before ammonia treatment, commercially available tantalum oxide or amorphous one obtained by subjecting a tantalum-containing compound solution such as tantalum chloride to a hydrolysis treatment or the like can be used.
また、ニッケル含有硫化亜鉛は、ニッケル含有水和物と亜鉛含有水和物とを溶解させ、そこに硫化ナトリウム水和物を溶解させた水溶液を投入して撹拌し、遠心分離及び再分散を行い、上澄みを除去したうえで乾燥させることによって得ることができる。ニッケル含有水和物は、例えば、硝酸ニッケル(II)六水和物等とすることができる。亜鉛含有水和物は、例えば、硝酸亜鉛(II)六水和物等とすることができる。ここで、ニッケル源として、その他に塩化ニッケル、酢酸ニッケル、過塩素酸ニッケル、硫酸ニッケル等が使用可能である。また、亜鉛源として、塩化亜鉛、酢酸亜鉛、過塩素酸亜鉛、硫酸亜鉛等が使用可能である。 In addition, nickel-containing zinc sulfide dissolves nickel-containing hydrate and zinc-containing hydrate, and an aqueous solution in which sodium sulfide hydrate is dissolved is added and stirred, and then centrifuged and redispersed. It can be obtained by drying after removing the supernatant. The nickel-containing hydrate can be, for example, nickel (II) nitrate hexahydrate. The zinc-containing hydrate can be, for example, zinc (II) nitrate hexahydrate. Here, nickel chloride, nickel acetate, nickel perchlorate, nickel sulfate, etc. can be used as the nickel source. Further, zinc chloride, zinc acetate, zinc perchlorate, zinc sulfate, etc. can be used as the zinc source.
同様に、銅含有硫化亜鉛は、銅含有水和物と硝酸亜鉛水和物とを溶解させ、そこに硫化ナトリウム水和物を投入して撹拌し、遠心分離及び再分散を行い、上澄みを除去したうえで乾燥させることによって得ることができる。銅含有水和物は、例えば、硝酸銅(II)二・五(2.5)水和物とすることができる。亜鉛含有水和物は、例えば、硝酸亜鉛(II)六水和物等とすることができる。ここで、銅源として、その他に塩化銅、酢酸銅、過塩素酸銅、硫酸銅等が使用可能である。また、亜鉛源として、塩化亜鉛、酢酸亜鉛、過塩素酸亜鉛、硫酸亜鉛等が使用可能である。 Similarly, copper-containing zinc sulfide dissolves copper-containing hydrate and zinc nitrate hydrate, and then stirs sodium hydrate into it, which is then centrifuged and redispersed to remove the supernatant. And can be obtained by drying. The copper-containing hydrate can be, for example, copper (II) nitrate di · 5- (2.5) hydrate. The zinc-containing hydrate can be, for example, zinc (II) nitrate hexahydrate. Here, copper chloride, copper acetate, copper perchlorate, copper sulfate, etc. can be used as the copper source. Further, zinc chloride, zinc acetate, zinc perchlorate, zinc sulfate, etc. can be used as the zinc source.
「基材」
基材18は、その空軌道のエネルギー準位値が上述した半導体電極12の半導体の伝導帯の最下端のエネルギー準位の値よりも低い或いは0.2Vまで高い物質とする。基材18は、金属錯体とすることができ、例えば、カルボキシビピリジン配位子を有するレニウム錯体((Re(dcbpy)(CO)3P(OEt)3)),((Re(dcbpy)(CO)3Cl)),Re(dcbpy)(CO)3MeCN,Re(dcbqi)(CO)3MeCNや、Ru錯体[Ru(dcbpy)(bpy)(CO)2]2+(bpy=2,2’−bipyridine,dcbpy=4,4’−dicarboxy−2,2’−bipyridine)が利用される。
"Base material"
The
また、半導体電極12と基材18とを、電子のやり取りが可能なように共存させる。例えば、基材18を電解液中に浮遊させておいてもよいし、基材18を溶媒に混合しておき、ここに半導体電極12を挿入して、表面に基材18を付着させる。そして、これを乾燥させることによって半導体電極12の表面上に、基材18を接合した光電極を得る。溶媒は、有機溶媒とすることができ、例えば、アセトニトリル、メタノール、エタノール、アセトン等を適用することができる。
Further, the
なお、基材18は、電子を利用することにより二酸化炭素還元活性を示す化合物であれば何でもよく、特に限定されない。金属錯体の場合は、周期律表第VII族金属、第VIII族金属から選ばれる少なくとも一種の金属の錯体が挙げられ、例えば、ルテニウム、レニウム、マンガン、鉄、オスミウム、コバルト、ロジウム、イリジウム、ニッケル、パラジウム、白金などの金属と配位子との錯体を挙げることができる。
The
配位子としては、特別な制約はないが、典型的な主配位子としては、含窒素複素環化合物、含酸素複素環化合物、含硫黄複素環化合物等を挙げることができる。また補助配位子としてCO、ハロゲン、ホスフィン類などを挙げることができる。補助配位子は反応の過程でCO2、塩基、または水と接触して一部解離して以下の副配位子へ変換してもかまわない。副配位子へ変換することにより、CO2還元活性が発現する。副配位子としては種々の溶媒分子、例えばアセトニトリル、DMF、水などが挙げられる。これらの配位子は1種または2種以上の組合せで用いることができる。 The ligand is not particularly limited, but typical main ligands include nitrogen-containing heterocyclic compounds, oxygen-containing heterocyclic compounds, sulfur-containing heterocyclic compounds and the like. Examples of auxiliary ligands include CO, halogen, and phosphines. In the course of the reaction, the auxiliary ligand may be partly dissociated by contact with CO 2 , base, or water and converted into the following subligand. By converting to a secondary ligand, CO 2 reduction activity is expressed. Sub-ligands include various solvent molecules such as acetonitrile, DMF, water and the like. These ligands can be used alone or in combination of two or more.
含窒素複素環化合物としては、例えば、ピリジン、ビピリジン、フェナントロリン、ターピリジン、ピロール、インドール、カルバゾール、イミダゾール、ピラゾール、キノリン、イソキノリン、アクリジン、ピリダジン、ピリミジン、ピラジン、フタラジン、キナゾリン、キノキサリンなどを、含酸素複素環化合物としては、フラン、ベンゾフラン、オキサゾール、ピラン、ピロン、クマリン、ベンゾピロンなどを、含硫黄複素環化合物としては、例えば、チオフェン、チオナフテン、チアゾールなどを例示することができる。このような配位子は単独、もしくは2種以上の組合せで用いることができる。 Examples of nitrogen-containing heterocyclic compounds include pyridine, bipyridine, phenanthroline, terpyridine, pyrrole, indole, carbazole, imidazole, pyrazole, quinoline, isoquinoline, acridine, pyridazine, pyrimidine, pyrazine, phthalazine, quinazoline, quinoxaline, and the like. Examples of the heterocyclic compound include furan, benzofuran, oxazole, pyran, pyrone, coumarin, and benzopyrone. Examples of the sulfur-containing heterocyclic compound include thiophene, thionaphthene, and thiazole. Such ligands can be used alone or in combination of two or more.
ここで、半導体電極12と基材18は連結基によって、化学的に結合していることが好ましい。この連結基は、化学的に結合すれば特に限定しないが、カルボキシル基、リン酸基、スルホン酸基、シラノール基、およびこれらの誘導体を挙げることができる。ここで、連結基は、半導体電極12と連結した状態では、プロトンが脱離した構造、または金属と酸素原子が配位している構造であってもかまわない。これらの連結基は、1種または2種以上の組合せで用いることもできる。また、複数個の使用であってもかまわない。
Here, it is preferable that the
また、半導体電極12と基材18の連結方法は、半導体と基材が化学的に結合していれば良く、特に限定しない。例えば、(1)配位子に連結基を導入した金属錯体を半導体に吸着させる、(2)連結基を導入した配位子を半導体に吸着させた後に直接錯体を形成させる、(3)連結基を導入した半導体に金属錯体を結合させる、等が挙げられる。
Moreover, the connection method of the
基材18の被覆率は、半導体電極12の表面積に対して1%以上、90%以下であることが好ましい。基材18の被覆率が1%より少ない場合は、基材量が少なすぎるため、十分な二酸化炭素還元活性が発現しない。逆に90%より多い場合は、半導体表面へ多くの金属錯体が被覆されるため、半導体の可視光吸収が阻害される、あるいは半導体の酸化サイトが被覆されてしまうために、光電極性能が低下する。
The coverage of the
特に好ましい組合せとしては、半導体が金属酸化物の場合は、連結基がリン酸基、GaPやInPのような化合物半導体の場合はリン酸エステルなどの連結基が挙げられる。 Particularly preferred combinations include a linking group such as a phosphate group when the semiconductor is a metal oxide, and a linking group such as a phosphate ester when the semiconductor is a compound semiconductor such as GaP or InP.
また、電気化学的にRu錯体を半導体電極12上に析出させてもよい。例えば、[Ru{4,4’−di(1−H−1−pyrrolypropyl carbonate)−2,2’−bipyridine}(CO)2Cl2]を溶解させた電解液中に半導体電極12と、対極14を浸漬し、電析によりRu錯体を半導体電極12上に結合させることができる。このように、ルテニウム錯体(Ru錯体)を半導体電極12上に電解重合により固定化することで、半導体電極−錯体間の電子移動が促進され、反応性が向上する。これについては、実施例5に示す。
Alternatively, the Ru complex may be electrochemically deposited on the
また、Ru錯体は化学重合法によっても半導体材料上にポリマー化して固定化することが可能である。化学重合法の利点は、電解重合過程で溶解・変質するような不安定な半導体電極上にもRu錯体の固定が可能なことである。これについては、実施例8〜10に示す。Ru錯体にピロールと塩化鉄(III)を添加することでRu錯体の半導体電極上での重合が進み、半導体電極上にRu錯体をポリマー化して固定することができる。 Further, the Ru complex can be polymerized and immobilized on the semiconductor material also by a chemical polymerization method. The advantage of the chemical polymerization method is that the Ru complex can be immobilized even on an unstable semiconductor electrode that is dissolved and altered during the electropolymerization process. This is shown in Examples 8-10. By adding pyrrole and iron (III) chloride to the Ru complex, polymerization of the Ru complex on the semiconductor electrode proceeds, and the Ru complex can be polymerized and fixed on the semiconductor electrode.
「対極、参照電極」
対極14は、陽極として溶け出さないものを使用することが必要であり、炭素の他白金などが用いられる。また、参照電極16には、基準となる電位を維持できるものとして、銀/塩化銀(Ag/AgCl)電極や、ヨウ素電極などが利用される。
"Counter electrode, reference electrode"
The
このようなシステムにおいて、例えば各電極12,14,16を二酸化炭素が溶解した水中に浸漬し、所定の電圧を印加するとともに、光を照射する。これによって、上述したように、基材18における還元触媒反応によって、水中の二酸化炭素からギ酸が生成され、対極14において、水が酸素ガスに酸化される。なお、基材18を選択し、適正な環境で触媒反応を生起することで、ギ酸に限らず、アルコールなどの有用な有機物を二酸化炭素から合成することが可能となる。
In such a system, for example, the
[実施例」
このような図1のシステムにおいて、電気化学アナライザー(BAS)を使用し、半導体電極12、対極14、参照電極16を用いる三電極方式で光電気化学測定を行った。セルには円筒型のパイレックス(登録商標)ガラスセルを用いた。また、光源には、300Wのキセノンランプ(朝日分光、MAX−302)を用い、λ>422nmのカットオフフィルターを用いて可視光のみを照射した。ここで、可視光のみを照射したのは、可視光での動作を確認するためであり、現実の動作では紫外光を照射してもよいし、太陽光、蛍光灯からの光などが照射される。光電気化学測定に伴う生成物の評価にはイオンクロマトグラフ(DIONEX、ICS−2000オートサンプラーAS付)を使用した。カラムにはIonPac AS15を、溶離液にはKOH溶離液を用い、検出器は電気伝導度検出器を使用した。
[Example"
In the system of FIG. 1, an electrochemical analyzer (BAS) was used, and photoelectrochemical measurement was performed by a three-electrode system using the
以下、具体的な実施例について説明する。 Specific examples will be described below.
<実施例1>
半導体電極12には、p型半導体である亜鉛ドープ−リン化インジウム(p−InP−Zn)のウェハー(8mm×20mm)を用い、対極14にはグラッシーカーボン電極、参照電極16には銀/塩化銀電極を使用した。電解液にはルテニウム錯体(Ru(bpy)2(CO)2) 3mgをアセトニトリル250μlに溶解させた後、蒸留水5mlを加えた溶液を使用した。20分ほどアルゴンガスを溶液中にバブリングして溶存ガスを除去した後、10分ほど二酸化炭素ガスを溶液中にバブリングしてから二酸化炭素ガス雰囲気下で測定を行った。電位は参照電極に対して−0.6V印加した。
<Example 1>
The
実施例1では、半導体電極12に基材18を固定することなく、液中の基材18が半導体電極12の表面に接触する際に電子が基材18に供給される。半導体電極12には亜鉛ドープ−リン化インジウム(p−InP−Zn)を用いている。
In Example 1, electrons are supplied to the
<実施例2>
半導体電極12にはp型半導体である亜鉛ドープ−リン化ガリウム(p−GaP−Zn)のウェハー(8mm×20mm)を用い、対極14にはグラッシーカーボン電極、参照電極16には銀/塩化銀電極を使用した。電解液にはルテニウム錯体(Ru(bpy)2(CO)2) 3mgをアセトニトリル250μlに溶解させた後、蒸留水5mlを加えた溶液を使用した。20分ほどアルゴンガスを溶液中にバブリングして溶存ガスを除去した後、10分ほど二酸化炭素ガスを溶液中にバブリングしてから二酸化炭素ガス雰囲気下で測定を行った。電位は参照電極に対して−0.6V印加した。
<Example 2>
The
実施例2では、半導体電極12に亜鉛ドープ−リン化ガリウム(p−GaP−Zn)を用いた点で実施例1と異なっている。
The second embodiment is different from the first embodiment in that zinc-doped gallium phosphide (p-GaP-Zn) is used for the
<実施例3>
半導体電極12にはp型半導体である亜鉛ドープ−リン化インジウム(p−InP−Zn)のウェハー(8mm×20mm)を用い、対極にはグラッシーカーボン電極、参照電極には銀/塩化銀電極を使用した。電解液にはルテニウム錯体(Ru(bpy)2(CO)2) 3mgをアセトニトリル250μlに溶解させた後、水酸化ナトリウム水溶液(pH 9) 5mlを加えた溶液を使用した。20分ほどアルゴンガスを溶液中にバブリングして溶存ガスを除去した後、10分ほど二酸化炭素ガスを溶液中にバブリングしてから二酸化炭素ガス雰囲気下で測定を行った。電位は参照電極に対して−0.6V印加した。
<Example 3>
The
実施例3は、水酸化ナトリウム水溶液を用いることで、実施例1と異なっている。 Example 3 differs from Example 1 by using an aqueous sodium hydroxide solution.
<実施例4>
半導体電極12には亜鉛ドープ−リン化ガリウム(p−GaP−Zn)のウェハー(8mm×20mm)を用い、対極14にはグラッシーカーボン電極、参照電極16にはヨウ素電極を使用した。電解液にはルテニウム錯体(Ru(bpy)2(CO)2) 約2mgをアセトニトリル5mlに溶解させた後、蒸留水250μlを加えた溶液を使用した。20分ほどアルゴンガスを溶液中にバブリングして溶存ガスを除去した後、10分ほど二酸化炭素ガスを溶液中にバブリングしてから二酸化炭素ガス雰囲気下で測定を行った。電位は参照電極16に対して−0.8V印加した。
<Example 4>
The
実施例4では、実施例2に対し、アセトニトリルを主溶媒として用い、参照電極にヨウ素電極を使用して、参照電極16に対する半導体電極12の電圧を変更している。
In Example 4, the voltage of the
<実施例5>
亜鉛ドープ−リン化インジウム(p−InP−Zn)のウェハー(8mm×20mm)を用いてルテニウム錯体[Ru{4,4’−di(1−H−1−pyrrolypropyl carbonate)−2,2’−bipyridine}(CO)2Cl2]を含む溶媒中で電析を行い、亜鉛ドープ−リン化インジウム表面にルテニウム錯体のポリマーを堆積させた。半導体電極12には上述のルテニウム錯体ポリマーが堆積した亜鉛ドープ−リン化インジウムの半導体電極12を用い、対極14にはグラッシーカーボン電極、参照電極16には銀/塩化銀電極を使用した。電解液には蒸留水5mlを使用した。20分ほどアルゴンガスを溶液中にバブリングして溶存ガスを除去した後、10分ほど二酸化炭素ガスを溶液中にバブリングしてから二酸化炭素ガス雰囲気下で測定を行った。電位は参照電極に対して−0.6V印加した。
<Example 5>
A ruthenium complex [Ru {4,4′-di (1-H-1-pyrrolopropyl carbonate) -2,2′-] using a zinc-doped indium phosphide (p-InP—Zn) wafer (8 mm × 20 mm). Electrodeposition was performed in a solvent containing bipyridine} (CO) 2 Cl 2 ], and a ruthenium complex polymer was deposited on the surface of the zinc-doped indium phosphide. The
上述のルテニウム錯体[Ru{4,4’−di(1−H−1−pyrrolypropyl carbonate)−2,2’−bipyridine}(CO)2Cl2]の構造を図6に示す。 The structure of the above-described ruthenium complex [Ru {4,4′-di (1-H-1-pyrrolopropyl carbonate) -2,2′-bipyridine] (CO) 2 Cl 2 ] is shown in FIG.
実施例5では、亜鉛ドープ−リン化インジウムの半導体電極12上にルテニウム錯体を電析させて堆積させている点で実施例1と異なっている。
Example 5 is different from Example 1 in that a ruthenium complex is electrodeposited and deposited on a zinc-doped indium
<実施例6>
亜鉛ドープ−リン化ガリウム(p−GaP−Zn)へジフォスフォネートエチルビピリジン配位子(dpebpy)を有するルテニウム錯体[Ru(dpebpy)(bpy)(CO)2]2+(図2)を以下の方法で吸着させた。テフロン(登録商標)製容器に2mM [Ru(dpebpy)(bpy)(CO)2]2+のジクロロメタン/メタノール混合溶液1mlとp−GaP−Znのウェハー(5mm×5mm)を入れ、室温で一晩放置した。翌朝、膜を取り出し、溶媒(ジクロロメタン/メタノール)による洗浄操作を2回行い、40℃で真空乾燥した。半導体基板への配位子の吸着の有無は飛行時間型二次イオン質量分析(TOF−SIMS)により分析した。
<Example 6>
Zinc-doped gallium phosphide (p-GaP-Zn) diphosphonate ethylbipyridine ligand (dpebpy) having a ruthenium complex [Ru (dpebpy) (bpy) (CO) 2 ] 2+ (FIG. 2) It was made to adsorb | suck by the method of. In a Teflon (registered trademark) container, 1 ml of a 2 mM [Ru (dpebpy) (bpy) (CO) 2 ] 2+ dichloromethane / methanol mixed solution and a p-GaP-Zn wafer (5 mm × 5 mm) are placed overnight at room temperature. I left it alone. The next morning, the membrane was taken out, washed twice with a solvent (dichloromethane / methanol), and dried in vacuum at 40 ° C. The presence or absence of ligand adsorption on the semiconductor substrate was analyzed by time-of-flight secondary ion mass spectrometry (TOF-SIMS).
半導体電極12には、上述のルテニウム錯体が連結した亜鉛ドープ−リン化ガリウム(p−GaP・Zn)のウェハー(8mm×20mm)を用い、対極にはグラッシーカーボン電極、参照電極にはヨウ素電極を使用した。電解液には、アセトニトリル5mlに蒸留水250μlを加えた溶液を使用した。20分ほどアルゴンガスを溶液中にバブリングして溶存ガスを除去した後、10分ほど二酸化炭素ガスを溶液中にバブリングしてから二酸化炭素ガス雰囲気下で測定を行った。電位は参照電極に対して−0.8V印加した。
As the
実施例6では、半導体電極12の表面にルテニウム錯体を連結基を用いて連結している点で実施例2と異なっている。
Example 6 differs from Example 2 in that a ruthenium complex is connected to the surface of the
<実施例7>
亜鉛ドープ−リン化インジウム(p−InP−Zn)へジフォスフォネートエチルビピリジン配位子(dpebpy)を有するルテニウム錯体[Ru(dpebpy)(bpy)(CO)2]2+(図2)を以下の方法で吸着させた。テフロン(登録商標)製容器に2mM [Ru(dpebpy)(bpy)(CO)2]2+のジクロロメタン/メタノール混合溶液1mlとp−InP−Znのウェハー(5mm×5mm)を入れ、室温で一晩放置した。翌朝、膜を取り出し、溶媒(ジクロロメタン/メタノール)による洗浄操作を2回行い、40℃で真空乾燥した。半導体基板への配位子の吸着の有無は飛行時間型二次イオン質量分析(TOF−SIMS)により分析した。
<Example 7>
Ruthenium complex [Ru (dpebpy) (bpy) (CO) 2 ] 2+ (FIG. 2) having diphosphonate ethylbipyridine ligand (dpebpy) to zinc-doped indium phosphide (p-InP-Zn) It was made to adsorb | suck by the method of. In a Teflon (registered trademark) container, 1 ml of a 2 mM [Ru (dpebpy) (bpy) (CO) 2 ] 2+ dichloromethane / methanol mixed solution and a p-InP-Zn wafer (5 mm × 5 mm) were placed overnight at room temperature. I left it alone. The next morning, the membrane was taken out, washed twice with a solvent (dichloromethane / methanol), and dried in vacuum at 40 ° C. The presence or absence of ligand adsorption on the semiconductor substrate was analyzed by time-of-flight secondary ion mass spectrometry (TOF-SIMS).
半導体電極12には、上述のルテニウム錯体が連結した亜鉛ドープ−リン化インジウム(p−InP・Zn)のウェハー(8mm×20mm)を用い、対極にはグラッシーカーボン電極、参照電極にはヨウ素電極を使用した。電解液には、アセトニトリル5mlに蒸留水250μlを加えた溶液を使用した。20分ほどアルゴンガスを溶液中にバブリングして溶存ガスを除去した後、10分ほど二酸化炭素ガスを溶液中にバブリングしてから二酸化炭素ガス雰囲気下で測定を行った。電位は参照電極に対して−0.8V印加した。
The
実施例7では、半導体電極12の表面にルテニウム錯体を連結基を用いて連結している点で実施例1と異なっている。
Example 7 differs from Example 1 in that a ruthenium complex is connected to the surface of the
<実施例8>
亜鉛ドープ−リン化インジウム(p−InP−Zn)光電極は、市販のp−InP−Znウェハー(住友電気工業株式会社製)を8mm×20mm角にカットし、端子の接続部として電極上端にInハンダを付着させた。p−InP−Znの光照射面の裏側にガラスを重ねてシリコンゴムで周囲を封止した。
<Example 8>
A zinc-doped indium phosphide (p-InP-Zn) photoelectrode is obtained by cutting a commercially available p-InP-Zn wafer (manufactured by Sumitomo Electric Industries, Ltd.) into an 8 mm × 20 mm square and connecting it to the upper end of the electrode as a terminal connection. In solder was deposited. Glass was stacked on the back side of the light irradiation surface of p-InP-Zn, and the periphery was sealed with silicon rubber.
p−InP−Zn光電極のルテニウム錯体ポリマー修飾は下記の手順で行った。Ru錯体[Ru{bipyridiyl−4,4’−dicarboxulic acid di(3−pyrrol−1−yl)ester}(CO)2(CH2CN)2] 0.25mgをアセトニトリル 0.25ml中に溶解し、ピロール溶液 5μl(Ru錯体に対するピロールのモル比は1.1%)を混合した後に、0.2M塩化鉄(III)溶液を5μl(Ru錯体に対する塩化鉄のモル比は3.1倍)添加した。ピロール溶液は、ピロール50μlをアセトニトリル 1mlで希釈し、塩化鉄(III)溶液は塩化鉄(III)六水和物 1.08gをエタノール 20ml中に溶解して調製した。塩化鉄(III)溶液を添加すると、溶液は徐々に黒色に変化した。この溶液 50μlをp−InP−Zn光電極上に塗布し、45℃のオーブンで乾燥した。溶液の塗布・乾燥を5回繰り返し、Ru−polymer(CP)/p−InP−Zn光電極を作製した。 The ruthenium complex polymer modification of the p-InP-Zn photoelectrode was performed by the following procedure. 0.25 mg of Ru complex [Ru {bipyridyl-4,4′-dicarboxic acid di (3-pyrol-1-yl) ester} (CO) 2 (CH 2 CN) 2 ] is dissolved in 0.25 ml of acetonitrile, After mixing 5 μl of pyrrole solution (molar ratio of pyrrole to Ru complex was 1.1%), 5 μl of 0.2 M iron (III) chloride solution (molar ratio of iron chloride to Ru complex was 3.1 times) was added. . The pyrrole solution was prepared by diluting 50 μl of pyrrole with 1 ml of acetonitrile, and the iron (III) chloride solution was prepared by dissolving 1.08 g of iron (III) chloride hexahydrate in 20 ml of ethanol. As the iron (III) chloride solution was added, the solution gradually turned black. 50 μl of this solution was applied onto a p-InP—Zn photoelectrode and dried in an oven at 45 ° C. The application and drying of the solution were repeated 5 times to produce a Ru-polymer (CP) / p-InP-Zn photoelectrode.
Ru−polymer(CP)/p−InP−Zn光電極を用い、光電気化学反応によるCO2還元を行った。3時間の光照射によって、0.565Cの電荷が観測され、0.34mMのギ酸が生成した。ファラデー効率は58.3%であった。なお、実施例5と同様に電解液は水100%、ガスはCO2、印加電圧は−0.6Vであった。 Using a Ru-polymer (CP) / p-InP-Zn photoelectrode, CO 2 reduction by a photoelectrochemical reaction was performed. After 3 hours of light irradiation, a charge of 0.565C was observed and 0.34 mM formic acid was produced. The Faraday efficiency was 58.3%. As in Example 5, the electrolytic solution was 100% water, the gas was CO 2 , and the applied voltage was -0.6V.
<実施例9>
実施例8に示す調製方法において、Ru錯体量に対するピロール添加量の比率を0〜5.6%の範囲で変化させて、p−InP−Zn光電極上にポリマー膜を合成した。
<Example 9>
In the preparation method shown in Example 8, a polymer film was synthesized on the p-InP-Zn photoelectrode by changing the ratio of the pyrrole addition amount to the Ru complex amount in the range of 0 to 5.6%.
光電気化学反応によるCO2還元を行った結果を図7に示す。このように、ピロール添加量が0.22〜0.56%の範囲でピロール無添加のサンプルよりもギ酸の生成量が増加し、1.1%以上添加すると反応性はピロール無添加のサンプルよりも低下した。 The results of CO 2 reduction by photoelectrochemical reaction are shown in FIG. Thus, when the amount of pyrrole added is in the range of 0.22 to 0.56%, the amount of formic acid increased as compared to the sample without pyrrole, and when added over 1.1%, the reactivity is higher than that of the sample without pyrrole added. Also declined.
なお、Ru錯体や塩化鉄(III)溶液を用いずに、ピロールのみを塗布した場合、ギ酸はほとんど生成しなかった。 When only pyrrole was applied without using a Ru complex or an iron (III) chloride solution, formic acid was hardly generated.
なお、Ru錯体(錯体)自体もピロール基を持つため、ピロールを新たに添加しなくとも、塩化鉄(III)を添加することで化学重合反応が進行し、光電極上に錯体のポリマー膜が形成され、ギ酸生成反応において高い活性を示す。一方、ピロールを添加することで、錯体の重合度が増し、錯体の酸素への耐久性が向上すると共に、光電極−錯体間の接触が改善されると推察される。また、ピロールの添加量が多すぎると、過剰生成したピロール膜が光電極への入射光を阻害するなどして活性が低下すると推察される。 Since the Ru complex itself also has a pyrrole group, the chemical polymerization reaction proceeds by adding iron (III) chloride without adding pyrrole, and a polymer film of the complex is formed on the photoelectrode. And exhibits high activity in the formic acid production reaction. On the other hand, the addition of pyrrole is presumed to increase the degree of polymerization of the complex, improve the durability of the complex to oxygen, and improve the contact between the photoelectrode and the complex. Moreover, when there is too much addition amount of pyrrole, it is guessed that the activity will fall, for example, the excessively produced | generated pyrrole film will inhibit the incident light to a photoelectrode.
<実施例10>
実施例8に示す調製方法において、Ru錯体量に対する塩化鉄(III)添加量の比率を0〜15.4倍の範囲で変化させて、p−InP−Zn光電極上にポリマー膜を合成した。
<Example 10>
In the preparation method shown in Example 8, the ratio of the addition amount of iron (III) to the amount of Ru complex was changed in the range of 0 to 15.4 times to synthesize a polymer film on the p-InP-Zn photoelectrode.
光電気化学反応によるCO2還元を行った結果を図8に示す。このように、塩化鉄(III)を添加しないサンプルのギ酸の生成量は0.04 mMと非常に低く、塩化鉄(III)を添加することでギ酸の生成量は向上し、Ru錯体に対して塩化鉄(III)を6.2倍添加した場合にギ酸の生成量が0.4 mMまで増加した。 The results of CO 2 reduction by photoelectrochemical reaction are shown in FIG. Thus, the amount of formic acid produced in the sample to which no iron (III) chloride was added was as extremely low as 0.04 mM, and the amount of formic acid produced was improved by adding iron (III) to the Ru complex. When iron (III) chloride was added 6.2 times, the amount of formic acid produced increased to 0.4 mM.
なお、塩化鉄(III)を15.4倍添加すると反応性は低下した。Ru錯体やピロールを用いずに、塩化鉄(III)のみを塗布した場合、ギ酸はほとんど生成しなかった。 Note that the reactivity decreased when iron (III) chloride was added 15.4 times. When only iron (III) chloride was applied without using a Ru complex or pyrrole, formic acid was hardly generated.
錯体自体もピロール基を持つが、塩化鉄(III)を添加しないと化学重合反応が進行しないため、塩化鉄(III)無添加の場合はギ酸生成反応における活性は低い。塩化鉄(III)を添加することで化学重合反応が進行し、光電極上に錯体のポリマー膜が形成され、ギ酸生成反応において高い活性を示す。また、塩化鉄(III)の添加量が過剰になると、過剰な塩化鉄(III)が水酸化鉄、酸化鉄などの状態で光電極上に堆積し、光電極への入射光を阻害するなどして活性が低下すると推察される。 Although the complex itself has a pyrrole group, the chemical polymerization reaction does not proceed unless iron (III) chloride is added. Therefore, the activity in the formic acid formation reaction is low when no iron (III) chloride is added. By adding iron (III) chloride, a chemical polymerization reaction proceeds, a polymer film of a complex is formed on the photoelectrode, and exhibits high activity in the formic acid production reaction. In addition, when the amount of iron (III) added is excessive, excess iron chloride (III) is deposited on the photoelectrode in the form of iron hydroxide, iron oxide, etc., and the incident light on the photoelectrode is inhibited. It is assumed that the activity decreases.
ここで、錯体の化学重合において、塩化鉄(III)と同様に酸化剤として機能するものとして、
(i)硝酸鉄(III)、硫酸鉄(III)、過塩素酸鉄(III)などの鉄イオン(III)を含む化合物、
(ii)塩化銅(II)、硝酸銅(II)、硫酸銅(II)、過塩素酸銅(II)などの銅イオン(II)を含む化合物、
(iii)過硫酸アンモニウム、過酸化水素、ペルオキソ二硫酸アンモニウム、ヨウ素などの酸化剤、
などが挙げられる。
Here, in the chemical polymerization of the complex, it functions as an oxidizing agent in the same manner as iron (III) chloride.
(I) a compound containing iron ion (III) such as iron (III) nitrate, iron (III) sulfate, iron (III) perchlorate,
(Ii) a compound containing copper ion (II) such as copper (II) chloride, copper (II) nitrate, copper (II) sulfate, copper (II) perchlorate,
(Iii) oxidizing agents such as ammonium persulfate, hydrogen peroxide, ammonium peroxodisulfate, iodine,
Etc.
<比較例1>
実施例1において二酸化炭素ガスをバブリングせずに、アルゴンガス雰囲気下で測定を行った。
<Comparative Example 1>
In Example 1, the measurement was performed in an argon gas atmosphere without bubbling carbon dioxide gas.
<比較例2>
実施例2において二酸化炭素ガスをバブリングせずに、アルゴンガス雰囲気下で測定を行った。
<Comparative Example 2>
In Example 2, the measurement was performed in an argon gas atmosphere without bubbling carbon dioxide gas.
<比較例3>
実施例1において作用極をグラッシーカーボン電極に変更して測定を行った。
<Comparative Example 3>
In Example 1, measurement was performed by changing the working electrode to a glassy carbon electrode.
「実験結果」
実施例1では、二酸化炭素ガス雰囲気において20時間で0.19mMのギ酸が検出されたのに対して、比較例1のアルゴンガス雰囲気においては20時間で0.01mMのギ酸しか検出されず、錯体とリン化インジウム電極の共存する水溶液中(水95%)において二酸化炭素のギ酸への還元が示唆された。実施例3では二酸化炭素ガス雰囲気において20時間で0.42mMのギ酸が検出され、蒸留水を用いた実施例1よりも生成量が増加した。アルカリ性の水溶液を使用したことで、溶解する二酸化炭素の濃度が増加したことが反応性向上の一因と考えられる(表1)。
"Experimental result"
In Example 1, 0.19 mM formic acid was detected in 20 hours in a carbon dioxide gas atmosphere, whereas in the argon gas atmosphere in Comparative Example 1, only 0.01 mM formic acid was detected in 20 hours. It was suggested that carbon dioxide was reduced to formic acid in an aqueous solution (water 95%) coexisting with an indium phosphide electrode. In Example 3, 0.42 mM formic acid was detected in 20 hours in a carbon dioxide gas atmosphere, and the amount of production increased compared to Example 1 using distilled water. The increase in the concentration of dissolved carbon dioxide due to the use of an alkaline aqueous solution is considered to be a cause of the improvement in reactivity (Table 1).
実施例2では二酸化炭素ガス雰囲気において9.7時間で0.07mMのギ酸が検出されたのに対して、比較例2のアルゴンガス雰囲気においては光を19時間照射してもギ酸が検出されず、錯体とリン化ガリウム電極の共存する水溶液中(水95%)において二酸化炭素のギ酸への還元が示唆された(表1)。 In Example 2, 0.07 mM formic acid was detected in 9.7 hours in a carbon dioxide gas atmosphere, whereas in the argon gas atmosphere in Comparative Example 2, formic acid was not detected even when irradiated with light for 19 hours. It was suggested that carbon dioxide was reduced to formic acid in an aqueous solution (95% water) in which the complex and the gallium phosphide electrode coexist (Table 1).
比較例3では二酸化炭素ガス雰囲気においてグラッシーカーボン電極に−0.6V(vs Ag/AgCl)の電圧を20時間印加してもギ酸が検出されなかったことから、実施例1ならびに実施例2においてリン化インジウム電極ならびにリン化ガリウム電極が光エネルギーを利用して低電圧でギ酸の生成を可能にしていることが示唆された(表1)。 In Comparative Example 3, formic acid was not detected even when a voltage of −0.6 V (vs Ag / AgCl) was applied to the glassy carbon electrode for 20 hours in a carbon dioxide gas atmosphere. It was suggested that the indium phosphide electrode and the gallium phosphide electrode can generate formic acid at a low voltage using light energy (Table 1).
実施例4では二酸化炭素ガス雰囲気において8.8時間で0.06mMのギ酸が検出され、錯体とリン化ガリウム電極の共存するアセトニトリル溶液中(水5%)においてもギ酸の生成が確認された。 In Example 4, 0.06 mM formic acid was detected in a carbon dioxide gas atmosphere in 8.8 hours, and the production of formic acid was also confirmed in an acetonitrile solution (5% water) in which the complex and the gallium phosphide electrode coexist.
実施例5では二酸化炭素ガス雰囲気において20時間で0.7mMのギ酸が検出され、最も多くのギ酸の生成が確認された。リン化インジウム電極表面に触媒作用を呈する錯体をポリマーとして固定化したことで、半導体電極−錯体間の電子移動が促進され、反応性が向上したと考えられる(表1)。 In Example 5, 0.7 mM formic acid was detected in a carbon dioxide gas atmosphere in 20 hours, and the production of the largest amount of formic acid was confirmed. By immobilizing the complex exhibiting catalytic action on the surface of the indium phosphide electrode as a polymer, the electron transfer between the semiconductor electrode and the complex is promoted, and the reactivity is considered to be improved (Table 1).
実施例6において、TOF−SIMS測定の結果からルテニウムイオンに相当するスペクトルが観察され、GaP基板上にルテニウム錯体が吸着していることが判明した(図3参照)。 In Example 6, from the result of TOF-SIMS measurement, a spectrum corresponding to ruthenium ions was observed, and it was found that the ruthenium complex was adsorbed on the GaP substrate (see FIG. 3).
光電気化学測定では、二酸化炭素ガス雰囲気において20時間で0.2mMのギ酸が検出され、実施例4よりもギ酸の生成量が増加した。リン化ガリウム電極表面に触媒作用を呈する錯体を配位子で連結したことで、半導体電極・錯体間の電子移動が促進され、反応性が向上したと考えられる(表1)。 In the photoelectrochemical measurement, 0.2 mM formic acid was detected in a carbon dioxide gas atmosphere in 20 hours, and the amount of formic acid produced was higher than that in Example 4. It is considered that the reactivity of the gallium phosphide electrode surface was enhanced by linking the complex exhibiting a catalytic action with a ligand, thereby promoting the electron transfer between the semiconductor electrode and the complex (Table 1).
実施例7において、TOF−SIMS測定の結果からルテニウムイオンに相当するスペクトルが観察され、InP基板上にルテニウム錯体が吸着していることが判明した(図4参照)。 In Example 7, from the result of TOF-SIMS measurement, a spectrum corresponding to ruthenium ions was observed, and it was found that the ruthenium complex was adsorbed on the InP substrate (see FIG. 4).
光電気化学測定では、二酸化炭素ガス雰囲気において20時間で0.3mMのギ酸が検出された(表1)。 In the photoelectrochemical measurement, 0.3 mM formic acid was detected in 20 hours in a carbon dioxide gas atmosphere (Table 1).
「システム構成」
実施形態としては、図5に示す、二電極方式の光電気化学反応セルが主体となると考えられる。バイアス電源10の陰極には半導体電極12が接続され、陽極には対極14が接続されている。従って、図1における参照電極16を省略した形になっており、バイアス電源10に単なる直流電源が採用された構成となっている。
"System configuration"
As an embodiment, it is considered that a two-electrode photoelectrochemical reaction cell shown in FIG. 5 is mainly used. A
前述の実施例に挙げられたGaPの伝導帯最下端のエネルギーは、標準水素電極電位すなわちNHEを基準として、−2.4V、InPのそれは−1.7Vである。これに対し、実施例1のルテニウム錯体の最低空軌道のエネルギーはおよそ−0.7V、また実施例5のルテニウム錯体の最低空軌道のエネルギーはおよそ−0.8Vである。 The energy at the lowest end of the conduction band of GaP mentioned in the above embodiment is -2.4V with respect to the standard hydrogen electrode potential, that is, NHE, and that of InP is -1.7V. On the other hand, the energy of the lowest vacant orbit of the ruthenium complex of Example 1 is about -0.7V, and the energy of the lowest vacant orbit of the ruthenium complex of Example 5 is about -0.8V.
本実施形態の効果は、このように半導体の伝導帯最下端のエネルギーが錯体の最低空軌道のエネルギーよりも高い位置、すなわちより真空準位に近い位置にある方が好ましい。より具体的には、伝導帯最下端のエネルギーから錯体の最低空軌道のエネルギーを引いた値がプラス0.2電子ボルトかそれ以下であることが好適である。 The effect of the present embodiment is preferably such that the energy at the lowest end of the conduction band of the semiconductor is higher than the energy of the lowest empty orbit of the complex, that is, at a position closer to the vacuum level. More specifically, it is preferable that the value obtained by subtracting the energy of the lowest empty orbit of the complex from the energy at the lowest end of the conduction band is plus 0.2 eV or less.
例えば、その他の例として、p型半導体である。窒素ドープ酸化タンタルの場合には、伝導帯最下端のエネルギーは−1.5Vであり、実施例1および実施例5の錯体を触媒として使用して本実施形態の効果を発現することができる。 For example, another example is a p-type semiconductor. In the case of nitrogen-doped tantalum oxide, the energy at the lowest end of the conduction band is −1.5 V, and the effects of this embodiment can be exhibited using the complexes of Example 1 and Example 5 as catalysts.
このような構成においても、電解液中に基材18と電子をやり取りする半導体電極12と、対極14が浸漬される。基材18は、半導体電極12上に固定しても、溶液中に浮遊していてもよい。そして、半導体電極12には、光が照射される。これによって、光励起電子が半導体電極12において発生し、これがルテニウム錯体に移動して、溶液中の二酸化炭素をギ酸に還元する触媒反応に利用される。このシステムでは、バイアス電源10から電子が供給されるため、電子供給のための還元剤が不要となり、光電気化学反応を用いるため効率的な還元処理を行うことができる。
Even in such a configuration, the
「本実施形態の効果」
本実施形態によれば、光エネルギーを利用することで、非半導体電極材料を用いた場合に比べ、より低電圧で、二酸化炭素から有用な有機化合物を高い反応生成物選択性で合成できる。すなわち、光照射により半導体内部で生じた光励起電子が、二酸化炭素の還元作用を呈する触媒の反応サイトに移動することにより二酸化炭素の還元反応が駆動する。本発明では、光励起電子を利用するために非半導体電極材料よりも低電圧で二酸化炭素を還元し、有用な有機化合物を高効率かつ高い反応生成物選択性で合成できる。
"Effect of this embodiment"
According to this embodiment, by using light energy, a useful organic compound can be synthesized from carbon dioxide with high reaction product selectivity at a lower voltage than when a non-semiconductor electrode material is used. That is, the photoexcited electrons generated inside the semiconductor by the light irradiation move to the reaction site of the catalyst exhibiting the carbon dioxide reduction action, thereby driving the carbon dioxide reduction reaction. In the present invention, in order to use photoexcited electrons, carbon dioxide is reduced at a lower voltage than non-semiconductor electrode materials, and useful organic compounds can be synthesized with high efficiency and high reaction product selectivity.
また、半導体の吸光波長範囲が錯体よりも広い場合、光利用効率が錯体単体の場合と比較して向上する。すなわち、上述した実施例における半導体は可視光により光励起電子を発生する。従って、このようにして半導体の光励起電子を利用することで、光触媒作用を呈しない錯体や紫外線でしか光触媒作用を呈しない錯体を反応生成物選択性の高い触媒として利用できる。 When the absorption wavelength range of the semiconductor is wider than that of the complex, the light utilization efficiency is improved as compared with the case of the complex alone. That is, the semiconductor in the above-described embodiment generates photoexcited electrons by visible light. Therefore, by utilizing the photoexcited electrons of the semiconductor in this way, a complex that does not exhibit a photocatalytic action or a complex that exhibits a photocatalytic action only with ultraviolet light can be used as a catalyst with high reaction product selectivity.
また、半導体電極を用いることで、バイアス電圧の印加が可能となり、電子供与剤を用いなくても光励起で生じた電子・正孔の分離が促進される。 Further, by using a semiconductor electrode, a bias voltage can be applied, and separation of electrons and holes generated by photoexcitation can be promoted without using an electron donor.
半導体電極を用いることで流通反応系の構築が可能となり、生成物を容易に反応系外に分離できる。特に、半導体電極12に基材18を固着すれば、二酸化炭素を溶解した電解液を流通させて、生成した有機物(例えばギ酸)を含有した溶液を得ることができる。
By using a semiconductor electrode, a flow reaction system can be constructed, and the product can be easily separated from the reaction system. In particular, if the
このように、本実施形態によれば、半導体内部で生じる光励起電子を金属錯体などの触媒に移動させることにより、高効率かつ高い反応生成物選択性を有することを特徴とする二酸化炭素などを還元する機能を有する複合光電極が得られる。従って、太陽光や人工光を用いて二酸化炭素を有用な有機化合物に変換することができる。 As described above, according to the present embodiment, the photoexcited electrons generated inside the semiconductor are transferred to a catalyst such as a metal complex, thereby reducing carbon dioxide or the like characterized by having high efficiency and high reaction product selectivity. A composite photoelectrode having the function of Therefore, carbon dioxide can be converted into a useful organic compound using sunlight or artificial light.
10 バイアス電源、12 半導体電極、14 対極、16 参照電極、18 基材。 10 bias power source, 12 semiconductor electrode, 14 counter electrode, 16 reference electrode, 18 substrate.
Claims (5)
半導体電極に光照射するとともに、バイアス電圧を印加することにより生じた励起電子が金属錯体触媒に移動することにより、金属錯体触媒を利用して二酸化炭素の還元作用を呈する複合光電極。 The semiconductor electrode and the metal complex catalyst exhibiting the reducing action of carbon dioxide are bonded to the semiconductor electrode, or the metal complex catalyst is in contact with the semiconductor electrode in the electrolyte solution of the metal complex catalyst. Coexisting in a state where electrons can be exchanged, the value obtained by subtracting the energy level of the lowest orbital of the metal complex catalyst from the value of the lowest energy level of the conduction band of the semiconductor is plus 0.2 eV or less And
With light irradiation of the semiconductor electrode, by excited electrons generated by applying a bias voltage moves the metal complex catalyst, a composite photoelectrode by using a metal complex catalyst exhibits a reducing action of carbon dioxide.
前記金属錯体触媒の金属は、周期律表第VII族金属、第VIII族金属から選ばれる少なくとも一種の金属である、複合光電極。 The composite photoelectrode according to claim 1,
The composite photoelectrode, wherein the metal of the metal complex catalyst is at least one metal selected from Group VII metal and Group VIII metal of the Periodic Table .
前記半導体電極が、二酸化炭素の還元作用を呈する金属錯体触媒と比較して、より長い波長の光を吸収できる複合光電極。 The composite photoelectrode according to claim 1 or 2 ,
Before SL semiconductors electrodes, as compared to the metal complex catalyst that exhibits a reducing action of carbon dioxide, the composite photoelectrode capable of absorbing light of longer wavelength.
前記半導体電極にバイアス電圧を印加するバイアス電圧源と、
を有する光電気化学反応システム。 It has a structure in which a semiconductor electrode and a metal complex catalyst exhibiting an action of reducing carbon dioxide are joined, and from the value of the lowest energy level of the conduction band of the semiconductor, the value of the energy level of the lowest empty orbit of the metal complex catalyst minus not more than plus 0.2 eV, by excited electrons generated by light irradiation of the semiconductor electrode is moved to a metal complex catalyst, a reducing action of carbon dioxide by using a metal complex catalyst A composite photoelectrode present;
A bias voltage source for applying a bias voltage to the semiconductor electrode;
A photoelectrochemical reaction system.
前記金属錯体触媒の金属は、周期律表第VII族金属、第VIII族金属から選ばれる少なくとも一種の金属である、光電気化学反応システム。 The photoelectrochemical reaction system wherein the metal of the metal complex catalyst is at least one metal selected from Group VII metal and Group VIII metal of the Periodic Table.
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