JP6024900B2 - 二酸化炭素を還元する方法 - Google Patents
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Description
以下を具備する二酸化炭素還元装置を用意する工程(a)、
陰極室、
陽極室、および
固体電解質膜、ここで
前記陰極室は作用極を具備し、
前記作用極は、金属または金属化合物を具備し、
前記陽極室は対極を具備し、
前記対極は、窒化物半導体から形成される領域を表面に具備し、
前記陰極室の内部には、第1電解液が保持され、
前記陽極室の内部には、第2電解液が保持され、
前記作用極は、前記第1電解液に接しており、
前記対極は、前記第2電解液に接しており、
前記固体電解質膜は、前記陰極室および前記陽極室の間に挟まれ、
前記第1電解液は前記二酸化炭素を含有しており、
前記作用極は前記対極に電気的に接続され、および
前記作用極および前記対極の間には電源が電気的に挟まれておらず、
前記領域に250ナノメートル以上400ナノメートル以下の波長を有する光を照射して、前記第1電解液に含有されている前記二酸化炭素を還元する工程(b)、
ここで、前記光は作用極には照射されない。
(二酸化炭素を還元するための装置)
図1は、実施の形態1による二酸化炭素を還元するための装置を示す。当該装置は、陰極室102、陽極室105、および固体電解質膜106を具備する。
作用極端子110および対極端子111は、導線112により電気的に接続されている。すなわち、作用極101は導線112を介して対極104に電気的に接続されている。図2Bおよび図2Cに示されるように、金属配線303は、対極端子111に電気的に接続されている。特許文献1〜2とは異なり、本発明では作用極101および対極104の間には電源が電気的に挟まれていない。電源の例は、電池およびポテンシオスタットである。
次に、上述された装置を用いて、二酸化炭素を還元する方法を説明する。
二酸化炭素還元装置は、室温かつ大気圧下に置かれ得る。
図1に示されるように、光源103から、窒化物半導体領域302に光が照射される。窒化物半導体領域302の少なくとも一部に光が照射される。窒化物半導体領域302の全てに光が照射され得る。光源103の例は、キセノンランプである。光は、作用極101には照射されない。
以下の実施例を参照して、本発明をより詳細に説明する。
(対極の調製)
サファイヤ基板上に、n型窒化ガリウム薄膜を有機金属気相成長法によりエピタキシャル成長させた。このn型窒化ガリウム薄膜は、窒化物半導体領域302に対応する。次いで、n型窒化ガリウム薄膜の表面に、フォトリソグラフィ、電子ビーム蒸着、およびリフトオフのような一般的な半導体プロセスを用いて、メッシュ状の金属配線303を形成した。当該金属配線303は、Ti/Niの二層からなった。当該金属配線303は、幅20マイクロメートル、厚み0.5マイクロメートルであった。メッシュにおける隣接する2つの金属配線の間隔は、50マイクロメートルであった。金属配線303に電気的に接続された対極端子111が形成された。このようにして、図2Cに示すように、金属配線303を具備するn型窒化ガリウムから形成された窒化物半導体領域302を具備する対極104を得た。
当該対極104を用いて、図1に示す二酸化炭素を還元するための装置を形成した。当該装置の詳細は以下の通りである。
作用極101: 銅板
第1電解液107: 0.1mol/Lの濃度を有する炭酸水素カリウム水溶液
第2電解液108: 0.1mol/Lの濃度を有する水酸化ナトリウム水溶液
固体電解質膜106: ナフィオン膜(デュポン社より入手、商品名(型番):ナフィオン117)
光源103:キセノンランプ(出力:300W)
光源103は、250ナノメートル〜400ナノメートルの波長を有する幅広の光を発光した。
管109を通して二酸化炭素を30分間、第1電解液107にバブリングにより供給した。
陽極室105は窓(図示せず)を具備していた。当該窓を介して、光源103からの光が窒化物半導体領域302に照射された。
図3は、光が窒化物半導体領域302に照射される前後の電流変化を示すグラフである。図3に示されるように、光が窒化物半導体領域302に照射されると、導線112に電流が流れた。光が消されると、電流の流れが止まった。これは、作用極101または対極104の少なくとも一方の電極において反応が生じたことを意味する。
その結果、陰極室102には、蟻酸、一酸化炭素、およびメタンが生成されていることが確認された。
Ti/Niの二層からなる金属配線303に代え、ニッケルからなる金属配線303を用いたこと以外は、実施例1と同様に実験を行った。
図2Aに示されるように、金属配線303を形成しなかったこと以外は、実施例1と同様に実験を行った。
Claims (22)
- 二酸化炭素を還元するための装置を用いて二酸化炭素を還元する方法であって、以下の工程を具備する:
以下を具備する二酸化炭素還元装置を用意する工程(a)、
陰極室、
陽極室、および
固体電解質膜、ここで
前記陰極室は作用極を具備し、
前記作用極は、金属または金属化合物を具備し、
前記陽極室は対極を具備し、
前記対極は、窒化物半導体から形成される領域を表面に具備し、
前記陰極室の内部には、第1電解液が保持され、
前記陽極室の内部には、第2電解液が保持され、
前記作用極は、前記第1電解液に接しており、
前記対極は、前記第2電解液に接しており、
前記固体電解質膜は、前記陰極室および前記陽極室の間に挟まれ、
前記第1電解液は前記二酸化炭素を含有しており、
前記作用極は前記対極に電気的に接続され、および
前記二酸化炭素還元装置は電源を具備しておらず、
前記領域に250ナノメートル以上400ナノメートル以下の波長を有する光を照射して、前記第1電解液に含有されている前記二酸化炭素を還元する工程(b)、
ここで、前記光は作用極には照射されない。 - 請求項1に記載の方法であって、
前記窒化物半導体は窒化ガリウムである。 - 請求項1に記載の方法であって、
前記窒化物半導体は窒化アルミニウムガリウムである。 - 請求項2に記載の方法であって、
前記窒化物半導体はn型である。 - 請求項3に記載の方法であって、
前記窒化物半導体はn型である。 - 請求項1に記載の方法であって、
前記作用極は、金属を具備する。 - 請求項6に記載の方法であって、
前記金属は、銅、金、銀、カドミウム、インジウム、錫、鉛、またはこれらの合金である。 - 請求項7に記載の方法であって、
前記金属は銅である。 - 請求項7に記載の方法であって、
前記金属はインジウムである。 - 請求項1に記載の方法であって、
前記第1電解液は、炭酸水素カリウム水溶液、炭酸水素ナトリウム水溶液、塩化カリウム水溶液、硫酸カリウム水溶液、またはリン酸カリウム水溶液である。 - 請求項10に記載の方法であって、
前記第1電解液は、炭酸水素カリウム水溶液である。 - 請求項1に記載の方法であって、
前記第2電解液は、水酸化ナトリウム水溶液または水酸化カリウム水溶液である。 - 請求項1に記載の方法であって、
前記工程(b)において、前記装置は室温かつ大気圧下におかれる。 - 請求項1に記載の方法であって、
金属配線が前記領域の表面に設けられ、
前記光は、前記領域だけでなく前記金属配線にも照射される。 - 請求項14に記載の方法であって、
複数の金属配線が設けられ、
各前記金属配線は互いに平行である。 - 請求項14に記載の方法であって、
複数の金属配線が設けられ、
前記複数の金属配線はメッシュの形状を有している。 - 請求項14に記載の方法であって、
前記金属配線はチタンを具備する。 - 請求項14に記載の方法であって、
前記金属配線はニッケルを具備する。 - 請求項14に記載の方法であって、
前記金属配線はチタン/ニッケル積層配線を具備する。 - 請求項1に記載の方法であって、
工程(b)において、蟻酸が得られる。 - 請求項1に記載の方法であって、
工程(b)において、一酸化炭素が得られる。 - 請求項1に記載の方法であって、
工程(b)において、メタンが得られる。
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