JP6331439B2 - Electrode, hydrogen generator, and method for generating hydrogen - Google Patents

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Description

本発明は、電極、水素生成装置及び水素を生成する方法に関する。   The present invention relates to an electrode, a hydrogen generator, and a method for generating hydrogen.

従来、チタンアパタイト等のチタンイオンを含むアパタイトを光触媒として用いることが提案されている。   Conventionally, it has been proposed to use apatite containing titanium ions such as titanium apatite as a photocatalyst.

チタンアパタイト(TiCa(PO(OH))は、高い吸着力を有する。そのため、チタンアパタイトは、他の光触媒であるチタニア(TiO)とは異なり、吸着を補助する吸着補助材を用いることなく雰囲気中又は水中の有機物等を吸着し、吸着した有機物等を紫外光の照射により光分解することができる。チタンアパタイトにより分解された有機物は、最終的には水と炭酸ガスになる。この時、照射された光が反応系に持ち込むエネルギーの他に、有機物と分解された生成物の自由エネルギーとの差に相等する熱が発生する。 Titanium apatite (TiCa 9 (PO 4 ) 6 (OH) 2 ) has a high adsorption power. Therefore, unlike titania (TiO 2 ), which is another photocatalyst, titanium apatite adsorbs organic substances in the atmosphere or water without using an adsorption auxiliary material that assists adsorption, and the adsorbed organic substances are absorbed by ultraviolet light. Photolysis can be achieved by irradiation. The organic matter decomposed by the titanium apatite eventually becomes water and carbon dioxide. At this time, heat equivalent to the difference between the free energy of the organic substance and the decomposed product is generated in addition to the energy that the irradiated light brings into the reaction system.

上述したチタニア等の光触媒は、白金等の水素発生触媒を光触媒粉体に担持して用いることにより、紫外光を照射して、水を酸素と水素に分解することが可能である。   The above-described photocatalyst such as titania can decompose water into oxygen and hydrogen by irradiating with ultraviolet light by using a hydrogen generating catalyst such as platinum supported on a photocatalyst powder.

光触媒による水の分解方法には、上述の粉体を用いた方法の他に、光電気化学セル法と呼ばれる方法がある。この方法では、薄膜状の光触媒を有する第1電極と、白金等の水素生成触媒機能を有する金属により形成される第2電極を用いて、光触媒に光を照射し、第1電極から酸素を生成し、第2電極から水素を生成させる。電極に若干のバイアス電圧を印加する場合もある。この方法では、薄膜状の光触媒の表面領域に発生するバンドベンディングによって、光照射により発生した電子・ホール対の電荷分離が行われ、電子は第2電極へ移動して水を還元して水素を生成し、第1電極に残されたホールが水を酸化して酸素を生成する。   As a method for decomposing water using a photocatalyst, there is a method called a photoelectrochemical cell method in addition to the method using the above powder. In this method, using a first electrode having a thin-film photocatalyst and a second electrode formed of a metal having a hydrogen-producing catalytic function such as platinum, the photocatalyst is irradiated with light to generate oxygen from the first electrode. Then, hydrogen is generated from the second electrode. In some cases, a slight bias voltage is applied to the electrode. In this method, charge separation of electron-hole pairs generated by light irradiation is performed by band bending generated in the surface region of the thin-film photocatalyst, and the electrons move to the second electrode to reduce water and reduce hydrogen. The holes generated and left in the first electrode oxidize water to generate oxygen.

上述した光電気化学セル法の動作原理から分かるように、光触媒によって水を還元して水素を生成するためには、光触媒の伝導帯の下端のエネルギー準位が水の還元電位よりも卑であることがまず求められる。チタンアパタイトの伝導帯の下端のエネルギー準位に関してはこれまで不明であったが、最近、本発明者等により、チタンアパタイトの伝導帯の下端のエネルギー準位が、水の還元電位より十分に卑であることが明らかにされている。   As can be seen from the operation principle of the photoelectrochemical cell method described above, the energy level at the lower end of the conduction band of the photocatalyst is lower than the reduction potential of water in order to reduce the water by the photocatalyst to generate hydrogen. First of all, it is required. Although the energy level at the lower end of the conduction band of titanium apatite has been unknown so far, the present inventors have recently confirmed that the energy level at the lower end of the conduction band of titanium apatite is sufficiently lower than the reduction potential of water. It has been revealed that.

特開2000−136112号公報JP 2000-136112 A 特開2000−327315号公報JP 2000-327315 A

穴澤俊久等、第73回応用物理学会学術講演会予稿集、13p‐C13‐20、(2012)Toshihisa Anazawa et al., Proceedings of the 73rd Japan Society of Applied Physics, 13p-C13-20, (2012)

そこで、高い吸着力を有する光触媒として薄膜状のチタンアパタイトを用いて、光電気化学セル法により、水を還元して水素を生成することが検討された。   Thus, it has been studied to produce hydrogen by reducing water by a photoelectrochemical cell method using thin-film titanium apatite as a photocatalyst having a high adsorbing power.

しかし、薄膜状のチタンアパタイトを有する電極は、電気抵抗が高いこと、又は、機械的強度が低いこと等の問題があった。   However, the electrode having a thin film of titanium apatite has problems such as high electrical resistance and low mechanical strength.

そこで、本明細書では、上述した問題を解決する電極を提案することを課題とする。   Therefore, an object of the present specification is to propose an electrode that solves the above-described problem.

また、本明細書では、上述した問題を解決する水素生成装置を提案することを課題とする。   Another object of the present specification is to propose a hydrogen generator that solves the above-described problems.

更に、本明細書では、上述した問題を解決する水素を生成する方法を提案することを課題とする。   Furthermore, this specification makes it a subject to propose the method of producing | generating hydrogen which solves the problem mentioned above.

本明細書に開示する電極の一形態によれば、イオン結合性導電体により形成された触媒下地層と、金属イオンとしてチタンイオンを含むアパタイトにより形成され、上記触媒下地層上に積層された光触媒層と、を有する。ただしここで、イオン結合性導電体とは、電荷の偏りを有し、金属元素とそれ以外の元素、もしくは非金属元素とそれ以外の元素で形成された導電体を意味する。   According to one embodiment of the electrode disclosed in the present specification, a photocatalyst formed by a catalyst underlayer formed of an ion-bonding conductor and apatite containing titanium ions as metal ions and laminated on the catalyst underlayer. And a layer. However, here, the ion-bonding conductor means a conductor having a bias of electric charge and formed of a metal element and other elements, or a non-metal element and other elements.

また、本明細書に開示する水素生成装置の一形態によれば、イオン結合性導電体により形成された触媒下地層と、金属イオンとしてチタンイオンを含むアパタイトにより形成され、上記触媒下地層上に積層された光触媒層と、を有する第1電極と、上記第1電極と電気的に接続されており、水素生成触媒機能を有する第2電極と、を備える。   Further, according to one embodiment of the hydrogen generator disclosed in this specification, the catalyst underlayer formed of an ion-bonding conductor and an apatite containing titanium ions as metal ions are formed on the catalyst underlayer. A first electrode having a stacked photocatalyst layer; and a second electrode electrically connected to the first electrode and having a hydrogen generation catalyst function.

更に、本明細書に開示する水素を生成する方法の一形態によれば、イオン結合性導電体により形成された触媒下地層と、金属イオンとしてチタンイオンを含むアパタイトにより形成され、上記触媒下地層上に積層された光触媒層を有する第1電極を用いて、水溶液中の有機物を酸化し、上記第1電極と電気的に接続されており、水素生成触媒機能を有する第2電極を用いて、水を還元して水素を生成する。   Furthermore, according to one embodiment of the method for generating hydrogen disclosed in the present specification, the catalyst underlayer is formed of a catalyst underlayer formed of an ion-bonded conductor and apatite containing titanium ions as metal ions. Using a first electrode having a photocatalyst layer stacked thereon, an organic substance in an aqueous solution is oxidized and electrically connected to the first electrode, and a second electrode having a hydrogen generation catalyst function is used. Reduce water to produce hydrogen.

上述した本明細書に開示する電極の一形態によれば、水素を生成することができる。   According to one embodiment of the electrode disclosed in this specification, hydrogen can be generated.

上述したまた、本明細書に開示する水素生成装置の一形態によれば、水素を生成することができる。   As described above, according to one embodiment of the hydrogen generator disclosed in this specification, hydrogen can be generated.

更に、上述した本明細書に開示する水素を生成する方法の一形態によれば、水素を生成することができる。   Furthermore, according to one embodiment of the method for generating hydrogen disclosed in the present specification, hydrogen can be generated.

本発明の目的及び効果は、特に請求項において指摘される構成要素及び組み合わせを用いることによって認識され且つ得られるだろう。   The objects and advantages of the invention will be realized and obtained by means of the elements and combinations particularly pointed out in the appended claims.

前述の一般的な説明及び後述の詳細な説明の両方は、例示的及び説明的なものであり、特許請求の範囲に記載されている本発明を制限するものではない。   Both the foregoing general description and the following detailed description are exemplary and explanatory and are not restrictive of the invention as claimed.

本明細書に開示する水素生成装置の第1実施形態を示す図である。1 is a diagram illustrating a first embodiment of a hydrogen generator disclosed in this specification. FIG. 電極の反応を説明する図である。It is a figure explaining reaction of an electrode. 水素の生成と光触媒層の厚さとの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the production | generation of hydrogen and the thickness of a photocatalyst layer. 生成ガスの質量分析結果示す図である。It is a figure which shows the mass spectrometry result of product gas. 本明細書に開示する水素生成装置の第2実施形態を示す図である。It is a figure which shows 2nd Embodiment of the hydrogen generator disclosed in this specification. 電極の反応を説明する図である。It is a figure explaining reaction of an electrode.

本願発明者等は、金属イオンとしてチタンイオンを含むアパタイトを層状の光触媒として有する電極を用いて、水素を生成することを検討した。具体的には、光触媒を有する電極に光を照射して、水溶液中の有機物を酸化すると共に、水を還元して水素を生成する。   The inventors of the present application studied generating hydrogen by using an electrode having an apatite containing titanium ions as metal ions as a layered photocatalyst. Specifically, the electrode having the photocatalyst is irradiated with light to oxidize organic substances in the aqueous solution and reduce water to generate hydrogen.

金属イオンとしてチタンイオンを含むアパタイト(以下、単にTiアパタイトともいう)を層状にして、基板上に積層して電極として用いることが困難であった理由を、以下に説明する。ここで、Tiアパタイトは、アパタイト型結晶構造を有し、このアパタイト型結晶構造に含まれる金属イオンがアルカリ土類金属であり、金属イオンとしてチタンイオンを含むものであることが好ましい。   The reason why it is difficult to use apatite containing titanium ions as metal ions (hereinafter also simply referred to as Ti apatite) as a layer and stacked on a substrate for use as an electrode will be described below. Here, it is preferable that Ti apatite has an apatite type crystal structure, the metal ion contained in this apatite type crystal structure is an alkaline earth metal, and contains titanium ions as metal ions.

まず、Tiアパタイトでは、チタンイオンの置換サイトが結晶中に不均一に分布を有しており、更に空孔サイトも存在しており、これらの影響により結晶格子に歪みが生じるので、Tiアパタイトは、多くのキャリアのトラップサイトを有する。そのため、Tiアパタイトは、結晶構造を有していても導電性が低い。従って、光の照射を受けて生成した電子・ホール対は、電極に移動する前に再結合するので、電極から取り出すことが困難である。   First, in Ti apatite, the substitution sites of titanium ions have a non-uniform distribution in the crystal, and there are also vacancy sites. Due to these effects, distortion occurs in the crystal lattice. Have many carrier trap sites. Therefore, Ti apatite has low conductivity even if it has a crystal structure. Therefore, the electron-hole pair generated by the light irradiation is recombined before moving to the electrode, and thus it is difficult to take out from the electrode.

また、層状に形成されたTiアパタイトは、Pt等の金属により形成された基板との密着性が低いので、機械的強度が低い。また、Tiアパタイトの光触媒層と基板との間をキャリアが移動することを妨害するエネルギー障壁が高く、界面抵抗が高いという問題があった。   Further, Ti apatite formed in a layer form has low mechanical strength because it has low adhesion to a substrate formed of a metal such as Pt. In addition, there is a problem that the energy barrier that hinders the carrier from moving between the photocatalytic layer of Ti apatite and the substrate is high, and the interface resistance is high.

そこで、本願発明者等は、Tiアパタイトの光触媒層を、イオン結合性導電体により形成された触媒下地層上に積層して形成された電極を用いることに想到した。   Accordingly, the inventors of the present application have come up with the idea of using an electrode formed by laminating a Ti apatite photocatalyst layer on a catalyst underlayer formed of an ion-bonding conductor.

Tiアパタイトの結晶は、多面体の構造を有し、全体としては帯電していなくても、正に帯電した面と、負に帯電した面とを有する。このようなTiアパタイトの結晶の粒子により形成された光触媒層を、イオン結合性導電体により形成された触媒下地層上に積層すると、光触媒層と触媒下地層とは、イオン結合的な静電力により結合すると考えられる。具体的には、Tiアパタイトの結晶粒子の正に帯電した面が、触媒下地層の負イオンとの間で静電引力により結合し、Tiアパタイトの結晶の負に帯電した面が、触媒下地層の正イオンとの間で静電引力により結合する。   The crystal of Ti apatite has a polyhedral structure, and has a positively charged surface and a negatively charged surface even though it is not charged as a whole. When a photocatalyst layer formed of such Ti apatite crystal particles is laminated on a catalyst underlayer formed of an ion-bonding conductor, the photocatalyst layer and the catalyst underlayer are separated by an ion-bonded electrostatic force. It is thought to combine. Specifically, the positively charged surface of the Ti apatite crystal particles is bonded to the negative ions of the catalyst underlayer by electrostatic attraction, and the negatively charged surface of the Ti apatite crystal is the catalyst underlayer. It couple | bonds by electrostatic attraction between these positive ions.

このようなTiアパタイトにより形成された光触媒層が触媒下地層上に積層して形成された第1電極と、水素生成触媒機能を有する第2電極を用いて、光を照射することにより水素を生成する水素生成装置を形成することができる。   Using the first electrode formed by laminating the photocatalyst layer formed of Ti apatite on the catalyst underlayer and the second electrode having a hydrogen generation catalyst function, hydrogen is generated by irradiating light. A hydrogen generator can be formed.

以下、上述した考えに基づいて、本明細書で開示する水素生成装置の好ましい第1実施形態を、図を参照して説明する。但し、本発明の技術範囲はそれらの実施形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物に及ぶものである。   Hereinafter, based on the above-described idea, a preferred first embodiment of the hydrogen generator disclosed in this specification will be described with reference to the drawings. However, the technical scope of the present invention is not limited to these embodiments, but extends to the invention described in the claims and equivalents thereof.

図1は、本明細書に開示する水素生成装置の第1実施形態を示す図である。   FIG. 1 is a diagram illustrating a first embodiment of a hydrogen generator disclosed in this specification.

本実施形態の水素生成装置10は、基板13と、基板13上に積層された触媒下地層11aと、触媒下地層11a上に積層された光触媒層11bを有する第1電極11と、第1電極11と電気的に接続された第2電極12とを備える。   The hydrogen generator 10 of this embodiment includes a substrate 13, a catalyst base layer 11a stacked on the substrate 13, a first electrode 11 having a photocatalyst layer 11b stacked on the catalyst base layer 11a, and a first electrode. 11 and a second electrode 12 electrically connected.

触媒下地層11aは、イオン結合性導電体により形成される。光触媒層11bは、金属イオンとしてチタンイオンを含むアパタイトにより形成される。第2電極12は、水素生成触媒機能を有する。   The catalyst base layer 11a is formed of an ion-bonding conductor. The photocatalyst layer 11b is formed of apatite containing titanium ions as metal ions. The second electrode 12 has a hydrogen generation catalyst function.

基板13は、横長の形状を有しており、その両面に触媒下地層11aが、長手方向の全体に亘って形成される。光触媒層11bは、基板13の一方の端部から、基板13の長手方向における他方の端部に向かって途中の部分まで、触媒下地層11a上に積層するように形成される。基板13の長手方向における他方の端部側の部分は、光触媒層11bが積層されておらず、触媒下地層11aが露出している。   The substrate 13 has a horizontally long shape, and the catalyst base layer 11a is formed on both sides of the substrate 13 over the entire length direction. The photocatalyst layer 11b is formed so as to be laminated on the catalyst base layer 11a from one end portion of the substrate 13 to a middle portion toward the other end portion in the longitudinal direction of the substrate 13. The photocatalyst layer 11b is not laminated at the other end portion side in the longitudinal direction of the substrate 13, and the catalyst base layer 11a is exposed.

ワイヤ状の第2電極12は、基板13の長手方向における他方の端部側の部分の触媒下地層11a上に巻回されており、触媒下地層11aと電気的に接続している。なお、第2電極12は、光触媒層11bと電気的に接続していても良い。   The wire-like second electrode 12 is wound on the catalyst base layer 11a on the other end side in the longitudinal direction of the substrate 13, and is electrically connected to the catalyst base layer 11a. The second electrode 12 may be electrically connected to the photocatalytic layer 11b.

第2電極12は、少なくとも、第1電極11の触媒下地層11aと電気的に接続していることが、光の照射により光触媒層11bで生成した電子が第2電極12に移動することを促進する観点から好ましい。   The second electrode 12 is at least electrically connected to the catalyst base layer 11a of the first electrode 11, and promotes the movement of electrons generated in the photocatalyst layer 11b to the second electrode 12 by light irradiation. From the viewpoint of

触媒下地層11aは、イオン結合性を有すると共に、共有結合性又は金属結合性を有していても良い。   The catalyst base layer 11a may have ionic bonding properties and may have covalent bonding properties or metal bonding properties.

触媒下地層11aの形成材料としては、例えば、酸化物半導体又は遷移金属の炭化物若しくは窒化物等を用いることができる。本明細書では、イオン結合性導電体は、半導体程度の導電率を有する導電体を含む。   As a material for forming the catalyst underlayer 11a, for example, an oxide semiconductor, transition metal carbide or nitride, or the like can be used. In this specification, the ion-bonding conductor includes a conductor having a conductivity similar to that of a semiconductor.

具体的には、触媒下地層11aの形成材料として、フッ素添加酸化スズ(FTO)、スズ添加酸化インジウム(ITO)、酸化亜鉛(ZnO)を用いることができる。また、触媒下地層11aの形成材料として、TiC等の4族、5族、6族遷移金属の炭化物又は窒化物を用いることができる。   Specifically, fluorine-added tin oxide (FTO), tin-added indium oxide (ITO), or zinc oxide (ZnO) can be used as a material for forming the catalyst base layer 11a. Further, as a material for forming the catalyst underlayer 11a, a carbide or nitride of a Group 4, Group 5, or Group 6 transition metal such as TiC can be used.

触媒下地層11aは、スパッタ法又はゾルゲル法を用いて、基板13上に成膜し焼成して形成され得る。また、触媒下地層11aは、ペースト状の材料を基板13上に塗布し焼成しても良い。   The catalyst underlayer 11a may be formed by forming a film on the substrate 13 and baking using a sputtering method or a sol-gel method. Further, the catalyst base layer 11a may be formed by applying a paste-like material on the substrate 13 and baking it.

触媒下地層11aは、少なくとも1μm程度の厚さを有することが、電気抵抗が高くなることを抑制し、且つ機械的強度を確保する上で好ましい。   The catalyst underlayer 11a preferably has a thickness of at least about 1 μm in order to suppress an increase in electrical resistance and ensure mechanical strength.

触媒下地層11aの厚さの上限に関しては、特に制限はないが、光を透過する材料を用いて触媒下地層11aを形成し、光を触媒下地層11aを通して光触媒層11bに照射する場合には、光の透過率との観点から触媒下地層11aの厚さの上限が決定され得る。   The upper limit of the thickness of the catalyst base layer 11a is not particularly limited, but when the catalyst base layer 11a is formed using a light transmitting material and light is irradiated to the photocatalyst layer 11b through the catalyst base layer 11a. From the viewpoint of light transmittance, the upper limit of the thickness of the catalyst base layer 11a can be determined.

光触媒層11bは、金属イオンとしてチタンイオンを含むアパタイト(Tiアパタイト)を用いて、層状に形成される。Tiアパタイトは、例えば、アパタイト結晶構造中のカルシウムの一部が光触媒作用を有するチタン酸化物のチタンで置換されており、チタンによるカルシウムの置換が、共沈法に基づくイオン交換によって行われることにより得ることができる。ここで、Tiアパタイトは、チタン酸化物の結晶構造を含まず、且つ、チタン酸化物のチタンとアパタイトのカルシウムとが原子レベルで組み込まれていることが好ましい。Tiアパタイトは、アパタイト結晶構造中のカルシウムイオンの全て又は一部が、チタンイオンに置換されていることが好ましい。ここで、アパタイトは、カルシウムアパタイト以外のアパタイトを含む意味である。Tiアパタイトは、例えば、特許文献1に開示されている方法を用いて形成され得る。   The photocatalyst layer 11b is formed in a layer shape using apatite (Ti apatite) containing titanium ions as metal ions. In Ti apatite, for example, a part of calcium in the apatite crystal structure is replaced with titanium of titanium oxide having a photocatalytic action, and the replacement of calcium with titanium is performed by ion exchange based on a coprecipitation method. Can be obtained. Here, it is preferable that Ti apatite does not include the crystal structure of titanium oxide, and that titanium of titanium oxide and calcium of apatite are incorporated at an atomic level. In Ti apatite, it is preferable that all or part of calcium ions in the apatite crystal structure is substituted with titanium ions. Here, apatite means that apatite other than calcium apatite is included. Ti apatite can be formed using, for example, the method disclosed in Patent Document 1.

Tiアパタイトの形成材料として、チタンカルシウムリン酸ヒドロキシアパタイト(TiCa(PO(OH)又はチタンストロンチウムリン酸ヒドロキシアパタイト(TiSr(PO(OH)。用いることができる。これらのTiアパタイトは、紫外光の照射を受けて、触媒作用を有する。 As a material for forming Ti apatite, titanium calcium phosphate hydroxyapatite (TiCa 9 (PO 4 ) 6 (OH) 2 or titanium strontium phosphate hydroxyapatite (TiSr 9 (PO 4 ) 6 (OH) 2 can be used. These Ti apatites have a catalytic action when irradiated with ultraviolet light.

また、Tiアパタイトの形成材料として、チタンカルシウムバナジン酸ヒドロキシアパタイト(TiCa(VO(OH)を用いることができる。チタンカルシウムバナジン酸ヒドロキシアパタイト(TiCa(VO(OH)は、紫外光だけでなく可視光領域の一部の波長の光の照射を受けて、触媒作用を有する。従って、光源として太陽光のように広いスペクトルを持つものを用いる場合には、チタンカルシウムバナジン酸ヒドロキシアパタイト(TiCa(VO(OH)を用いることにより、光エネルギーを効率良く利用できる。 Further, titanium calcium vanadate hydroxyapatite (TiCa 9 (VO 4 ) 6 (OH) 2 can be used as a material for forming Ti apatite. Titanium calcium vanadate hydroxyapatite (TiCa 9 (VO 4 ) 6 (OH) 2 has a catalytic action when irradiated with light having a wavelength in the visible light region as well as ultraviolet light, and therefore, when a light source having a broad spectrum such as sunlight is used, titanium is used. By using calcium vanadate hydroxyapatite (TiCa 9 (VO 4 ) 6 (OH) 2 , light energy can be used efficiently.

更に、Tiアパタイトの形成材料として、チタンカルシウムリン酸ヒドロキシアパタイト中のカルシウムの一部を銀で置換した、銀チタンカルシウムヒドロキシアパタイト(TiAgCa(PO(OH)(ただしx+y〜9)を用いることができる。銀チタンカルシウムヒドロキシアパタイトは、上述したチタンカルシウムバナジン酸ヒドロキシアパタイトよりも広い可視光領域の波長の光の照射を受けて、触媒作用を有する。従って、更に、光エネルギーを効率良く利用することができる。 Furthermore, as a material for forming Ti apatite, silver titanium calcium hydroxyapatite (TiAg x Ca y (PO 4 ) 6 (OH) 2 (where x + y˜ 9) The silver titanium calcium hydroxyapatite has a catalytic action when irradiated with light having a wavelength in the visible light region wider than that of the titanium calcium vanadate hydroxyapatite described above. Can be used efficiently.

上述したTiアパタイトは、ヒドロキシル基を有していたが、Tiアパタイトは、ヒドロキシル基を有していなくても良く、例えば、ヒドロキシル基がフッ素に置換されていても良い。   The Ti apatite described above has a hydroxyl group, but the Ti apatite may not have a hydroxyl group. For example, the hydroxyl group may be substituted with fluorine.

第2電極12は、第1電極11から電子が移動して、水を還元して、水素を生成する水素生成触媒機能を有する。第2電極12に対して、過電圧を印加することにより、電子が水へ移動することを妨害するエネルギー障壁を低減させて、水素の生成速度を向上することができる。過電圧が低い材料を用いて第2電極12を形成することが、水素の生成速度を向上する上で好ましい。   The second electrode 12 has a hydrogen generation catalyst function in which electrons move from the first electrode 11 to reduce water and generate hydrogen. By applying an overvoltage to the second electrode 12, an energy barrier that hinders electrons from moving to water can be reduced, and the hydrogen generation rate can be improved. Forming the second electrode 12 using a material having a low overvoltage is preferable for improving the hydrogen generation rate.

第2電極12の形成材料として、例えば、Pt,Ir,Ru,Pd,Rh等の白金族金属あるいはAu等及びそれらの合金又は化合物を用いることができる。また、第2電極12の形成材料として、水素生成酵素であるヒドロゲナーゼの活性中心を構成するFe,Ni,Seの合金あるいは化合物、及びこれらの組み合わせ等を用いることができる。   As a material for forming the second electrode 12, for example, platinum group metals such as Pt, Ir, Ru, Pd, and Rh, Au, and the like, and alloys or compounds thereof can be used. Further, as a material for forming the second electrode 12, an alloy or compound of Fe, Ni, Se constituting the active center of hydrogenase that is a hydrogen-producing enzyme, a combination thereof, or the like can be used.

図2は、電極の反応を説明する図である。   FIG. 2 is a diagram for explaining the reaction of the electrodes.

図1に示す第1電極11及び第2電極12が、メタノール(CHOH)水溶液に浸漬されており、光触媒層11bに対して光触媒機能を発現させる波長を有する光が照射された場合における第1電極11及び第2電極12の表面における反応例を以下に説明する。 The first electrode 11 and the second electrode 12 shown in FIG. 1 are immersed in a methanol (CH 3 OH) aqueous solution, and the first electrode 11 and the second electrode 12 are irradiated with light having a wavelength that develops a photocatalytic function to the photocatalyst layer 11b. A reaction example on the surfaces of the first electrode 11 and the second electrode 12 will be described below.

第1電極11では、光触媒層11bの表面に吸着しているCHOH(a)が存在する。光の照射を受けた光触媒層11bでは電子e−・ホールh+対が生成し、ホールh+がCHOH(a)と結合して、CHOH(a)が酸化されて、CHO(a)とH+(a)が光触媒層11bの表面に生成する。 In the first electrode 11, there is CH 3 OH (a) adsorbed on the surface of the photocatalyst layer 11b. In the photocatalyst layer 11b was irradiated with photoelectrons e- · holes h + pairs are generated, holes h + are bound to CH 3 OH (a), and CH 3 OH (a) is oxidized, CH 3 O ( a) and H + (a) are generated on the surface of the photocatalytic layer 11b.

メタノール水溶液中に酸素(O)が溶存している場合には、CHO(a)の一部は、いくつかの光化学的又は熱的過程を経て最終的に水と炭酸ガスになる。 When oxygen (O 2 ) is dissolved in an aqueous methanol solution, a part of CH 3 O (a) finally becomes water and carbon dioxide gas through several photochemical or thermal processes.

第1電極11では、生成した電子e・ホールh対の内、ホールhがメタノールを酸化するために消費されるので、電子eがホールhと再結合することが抑制される。そして、電子eは第1電極11から第2電極12に移動する。 In the first electrode 11, among the generated electron e .hole h + pairs, the hole h + is consumed to oxidize methanol, so that recombination of the electron e with the hole h + is suppressed. . Then, the electrons e move from the first electrode 11 to the second electrode 12.

一方、第2電極12の表面には、第1電極11aの表面で生成したHが吸着したH(a)が存在する。このH(a)はHOと結合したHとの間に平衡状態にある。 On the other hand, on the surface of the second electrode 12, there is H + (a) on which H + generated on the surface of the first electrode 11a is adsorbed. This H + (a) is in equilibrium with H 3 O + combined with H 2 O.

光触媒層11bで生成した電子eは、第2電極12に移動し、H(a)と結合してH(a)が生成する。H(a)は他のH(a)と結合し、Hが生成する。このようにして、第2電極12は、水を還元して水素を生成する。 Electrons e generated in the photocatalytic layer 11b move to the second electrode 12 and combine with H + (a) to generate H (a). H (a) combines with other H (a) to generate H 2 . In this way, the second electrode 12 generates hydrogen by reducing water.

上述したように、メタノール等の有機物を酸化し、水を還元して水素を効率良く生成する観点から、光触媒層11bの厚さは薄いことが、有機物から受け取った電子を速やかに触媒下地層11aに移動させることが好ましい。   As described above, from the viewpoint of efficiently producing hydrogen by oxidizing organic substances such as methanol and reducing water, the photocatalyst layer 11b has a small thickness. It is preferable to move to.

Tiアパタイトは、上述したように、キャリアの移動性の良くない材料であるので、触媒下地層11a上に積層されていても、光触媒層11bの厚さが薄いことがキャリアの再結合を防止する上で好ましい。   Since Ti apatite is a material with poor carrier mobility, as described above, even if the Ti apatite is laminated on the catalyst underlayer 11a, the thin photocatalyst layer 11b prevents carrier recombination. Preferred above.

以下に詳述するが、本願発明者等は、水素の生成と光触媒層11bの厚さとの関係を調べた結果、光触媒層11bの厚さを2μm以下にすることが好ましい知見を得た。光触媒層11bの厚さの下限値については、特に制限はないが、現実的には、Tiアパタイトの1次粒子の直径である50〜100nm程度となる。   As will be described in detail below, the present inventors have investigated the relationship between the generation of hydrogen and the thickness of the photocatalyst layer 11b, and as a result, have found that the thickness of the photocatalyst layer 11b is preferably 2 μm or less. Although there is no restriction | limiting in particular about the lower limit of the thickness of the photocatalyst layer 11b, Actually, it will be about 50-100 nm which is the diameter of the primary particle of Ti apatite.

図3は、水素の生成と光触媒層の厚さとの関係を示す図である。   FIG. 3 is a diagram showing the relationship between hydrogen generation and the thickness of the photocatalyst layer.

図1に示す水素生成装置を形成して、水素の生成と光触媒層の厚さとの関係を調べた。   The hydrogen generator shown in FIG. 1 was formed, and the relationship between hydrogen generation and the thickness of the photocatalyst layer was examined.

光触媒層11bの厚さが1μm〜10μmを有する水素生成装置10は、以下のように形成した。   The hydrogen generator 10 having the photocatalyst layer 11b having a thickness of 1 μm to 10 μm was formed as follows.

基板13として、ガラス基板を用いた。触媒下地層11aの形成材料として、フッ素添加酸化スズ(FTO)を用いた。光触媒層11bの形成材料として、チタンカルシウムリン酸ヒドロキシアパタイト(TiCa(PO(OH)を用いた。 A glass substrate was used as the substrate 13. Fluorine-added tin oxide (FTO) was used as a material for forming the catalyst underlayer 11a. Titanium calcium phosphate hydroxyapatite (TiCa 9 (PO 4 ) 6 (OH) 2 was used as a material for forming the photocatalyst layer 11b.

まず、基板13上に、厚さ1μmの触媒下地層11aを成膜した。   First, a catalyst underlayer 11a having a thickness of 1 μm was formed on the substrate 13.

次に、ボールミルで微粉化したチタンカルシウムリン酸ヒドロキシアパタイト(TiCa(PO(OH)をエタノールに分散して懸濁液を作製した。 Next, titanium calcium phosphate hydroxyapatite (TiCa 9 (PO 4 ) 6 (OH) 2 pulverized with a ball mill was dispersed in ethanol to prepare a suspension.

次に、触媒下地層11aを部分的に懸濁液に浸漬し、電気泳動法を用いて、チタンカルシウムリン酸ヒドロキシアパタイトを触媒下地層11a上に堆積した後、450℃で焼成して、光触媒層11bを形成した。光触媒層11bの厚さは1μmであった。   Next, the catalyst base layer 11a is partially immersed in the suspension, and titanium calcium phosphate hydroxyapatite is deposited on the catalyst base layer 11a by using an electrophoresis method. Layer 11b was formed. The thickness of the photocatalyst layer 11b was 1 μm.

次に、触媒下地層11aの懸濁液に浸漬しなかった部分の上に、白金のワイヤと触媒下地層11aとが電気的に接続するように、ワイヤを巻回し、第2電極12を形成して、水素生成装置10を得た。   Next, a wire is wound on the portion of the catalyst base layer 11a that has not been immersed in the suspension so that the platinum wire and the catalyst base layer 11a are electrically connected to form the second electrode 12. Thus, a hydrogen generator 10 was obtained.

光触媒層11bの厚さが50μm及び70μmを有する水素生成装置10では、光触媒層11bを、スキージ法を用いて形成した。具体的には、まず、基板13上に、厚さ1μmの触媒下地層11aを成膜した。次に、チタンカルシウムリン酸ヒドロキシアパタイトの微粉末を脱イオン水に加えた懸濁液を作製し、バインダーとして所定量のポリビニルアルコール(PVA)を懸濁液に加えてペーストを形成した。次に、ペーストを触媒下地層11a上に滴下し、粘着テープをスペーサとしてスキージを用いてペーストを削りつつ広げて触媒下地層11a上にペースト薄膜を形成した。次に、ペースト薄膜を乾燥した後、450℃で焼成して、光触媒層11bを形成した。次に、上述したように、第2電極12を形成して、水素生成装置10を得た。   In the hydrogen generator 10 having the photocatalyst layer 11b having a thickness of 50 μm and 70 μm, the photocatalyst layer 11b was formed using a squeegee method. Specifically, first, a catalyst base layer 11 a having a thickness of 1 μm was formed on the substrate 13. Next, a suspension was prepared by adding fine powder of titanium calcium phosphate hydroxyapatite to deionized water, and a predetermined amount of polyvinyl alcohol (PVA) as a binder was added to the suspension to form a paste. Next, the paste was dropped onto the catalyst base layer 11a, and the paste thin film was formed on the catalyst base layer 11a by spreading it while scraping the paste with a squeegee using an adhesive tape as a spacer. Next, after drying a paste thin film, it baked at 450 degreeC and the photocatalyst layer 11b was formed. Next, as described above, the second electrode 12 was formed to obtain the hydrogen generator 10.

水素生成装置10を、有機物を含む水溶液に浸漬して、生成した水素の測定を以下のように行った。   The hydrogen generator 10 was immersed in an aqueous solution containing an organic substance, and the generated hydrogen was measured as follows.

まず、硼珪酸ガラス製の真空対応の容器内に1mol/Lの硝酸カリウム水溶液に20体積%のメタノールを加えたものを電解液として入れ、容器内に水素生成装置10を浸漬した。   First, in a borosilicate glass vacuum-compatible container, a 1 mol / L potassium nitrate aqueous solution added with 20% by volume of methanol was placed as an electrolyte, and the hydrogen generator 10 was immersed in the container.

次に、容器内を真空排気後、凍結脱気と排気を繰り返して電解液から溶存ガスを除去した。   Next, after evacuating the inside of the container, freeze deaeration and evacuation were repeated to remove dissolved gas from the electrolyte.

次に、水素生成装置10の光触媒層11bにキセノンランプを用いて紫外光を、10時間照射した。照射パワー密度は、紫外光から可視光まで含めたトータルの波長領域で約50mW/cm程度であった。硼珪酸ガラスはメタノールを直接分解するような短波長の紫外光を遮断して可視光と長波長の紫外光を透過する。 Next, the photocatalyst layer 11b of the hydrogen generator 10 was irradiated with ultraviolet light for 10 hours using a xenon lamp. The irradiation power density was about 50 mW / cm 2 in the total wavelength region including ultraviolet light to visible light. Borosilicate glass blocks visible light and long wavelength ultraviolet light by blocking short wavelength ultraviolet light that directly decomposes methanol.

容器中の電解液を凍結脱気して溶存ガスを容器内の真空部分に集め、再度電解液を凍結させて水及びメタノールの蒸気圧を十分に下げて、生成されたガスのみを真空系に導入した。そして、真空系に導入されたガスを四重極質量分析計を用いて分析した。   Freeze and deaerate the electrolyte in the container and collect the dissolved gas in the vacuum part of the container, freeze the electrolyte again, and sufficiently reduce the vapor pressure of water and methanol, so that only the generated gas is made into a vacuum system. Introduced. The gas introduced into the vacuum system was analyzed using a quadrupole mass spectrometer.

図3に示すように、光触媒層11bの厚さが、1μm及び2μmの場合には、水素の生成が確認された。   As shown in FIG. 3, generation of hydrogen was confirmed when the thickness of the photocatalyst layer 11b was 1 μm and 2 μm.

一方、光触媒層11bの厚さが10μm以上の場合には、水素の生成は測定されなかった。NDは、Not Detectedの意味である。   On the other hand, when the thickness of the photocatalyst layer 11b was 10 μm or more, the production of hydrogen was not measured. ND means Not Detected.

上述した光触媒層11bの厚さが1μmの時に測定された生成ガスの測定結果を、以下に説明する。   The measurement result of the generated gas measured when the thickness of the photocatalyst layer 11b described above is 1 μm will be described below.

図4は、生成ガスの質量分析結果示す図である。   FIG. 4 is a diagram showing a mass analysis result of the product gas.

図4(A)は、生成ガスを四重極質量分析計内に導入する前の測定結果であり、図4(B)は、生成ガスの測定結果である。   FIG. 4A shows the measurement results before introducing the product gas into the quadrupole mass spectrometer, and FIG. 4B shows the measurement results of the product gas.

図4(B)に示すように、生成ガスには、質量数/電荷=1の位置に水素原子の存在が示されており、また、質量数/電荷=2の位置に水素分子の存在が示されている。これら水素原子および水素分子の分圧は、図4(A)にも示されているが、分圧の値は図4(B)の方が大きいので、水素が生成されていることが分かる。なお、質量数/電荷=16〜18の位置には、水及びその分解物に起因する物質が示されているが、図4(B)の測定分圧と、図4(A)の測定分圧とは同様の大きさと成っている。   As shown in FIG. 4B, the product gas shows the presence of hydrogen atoms at the position of mass number / charge = 1, and the presence of hydrogen molecules at the position of mass number / charge = 2. It is shown. Although the partial pressures of these hydrogen atoms and hydrogen molecules are also shown in FIG. 4A, the partial pressure value is larger in FIG. 4B, so that hydrogen is generated. In addition, although the substance resulting from water and its decomposition product is shown in the position of mass number / charge = 16-18, the measurement partial pressure of FIG. 4 (B) and the measurement part of FIG. 4 (A) are shown. Pressure is of similar magnitude.

上述した本実施形態の水素生成装置10によれば、水素を生成することができる。水素生成装置10は、光触媒層11bが高い吸着力を有するTiアパタイトにより形成されるので、水素の生成能力が高い。   According to the hydrogen generator 10 of the present embodiment described above, hydrogen can be generated. The hydrogen generator 10 has a high hydrogen generation capability because the photocatalyst layer 11b is formed of Ti apatite having a high adsorptive power.

また、光触媒層11bは、吸着補助材を用いずに形成できるので、第1電極11を容易に形成することができる。   Moreover, since the photocatalyst layer 11b can be formed without using an adsorption auxiliary material, the first electrode 11 can be easily formed.

次に、上述した水素生成装置の第2実施形態を、図5及び図6を参照しながら以下に説明する。他の実施形態について特に説明しない点については、上述の第1実施形態に関して詳述した説明が適宜適用される。また、同一の構成要素には同一の符号を付してある。   Next, a second embodiment of the hydrogen generator described above will be described below with reference to FIGS. For points that are not particularly described in the other embodiments, the description in detail regarding the first embodiment is applied as appropriate. Moreover, the same code | symbol is attached | subjected to the same component.

図5は、本明細書に開示する水素生成装置の第2実施形態を示す図である。図6は、電極の反応を説明する図である。   FIG. 5 is a diagram illustrating a second embodiment of the hydrogen generator disclosed in this specification. FIG. 6 is a diagram for explaining the reaction of the electrodes.

本実施形態の水素生成装置10は、触媒を有する電極に光を照射して、工場排水中の有機物を酸化して、水素を生成する。   The hydrogen generator 10 of this embodiment irradiates light to the electrode which has a catalyst, oxidizes the organic substance in factory wastewater, and produces | generates hydrogen.

図5に示すように、水素生成装置10は、有機物を含む水溶液を収容する第1の槽14と、水溶液を収容する第2の槽15と、を備える。第1電極11は、第1の槽14内に配置され、第2電極12は、第2の槽15内に配置される。第2の槽15には、最初、水が収容される。   As shown in FIG. 5, the hydrogen generator 10 includes a first tank 14 that stores an aqueous solution containing an organic substance, and a second tank 15 that stores an aqueous solution. The first electrode 11 is disposed in the first tank 14, and the second electrode 12 is disposed in the second tank 15. The second tank 15 initially contains water.

第1の槽14と、第2の槽15は、接続管16を用いて、水溶液中のイオンが移動可能に接続される。   The 1st tank 14 and the 2nd tank 15 are connected so that the ion in aqueous solution can move using the connecting pipe 16. FIG.

第1電極11と第2電極12とは、配線17により電気的に接続される。   The first electrode 11 and the second electrode 12 are electrically connected by a wiring 17.

第1の槽14は、工場排水が流入する流入部18と、工場排水を河川等へ流出させる流出部19を備える。   The first tank 14 includes an inflow portion 18 into which factory wastewater flows and an outflow portion 19 through which the factory wastewater flows out to a river or the like.

また、第1の槽14は、太陽光を内部に透過する窓部21を備える。   Moreover, the 1st tank 14 is provided with the window part 21 which permeate | transmits sunlight inside.

基板13上に触媒下地層11a及び光触媒層11bが積層された第1電極11は、光触媒層11bを窓部21側に向けて、第1の槽14内に配置される。この第1の槽14を浄化槽と呼んでもよい。   The first electrode 11 in which the catalyst base layer 11a and the photocatalyst layer 11b are laminated on the substrate 13 is disposed in the first tank 14 with the photocatalyst layer 11b facing the window portion 21 side. This first tank 14 may be called a septic tank.

第2の槽15内には、水又は工場排水等の液体が収容されて、第2電極12が、液体中に浸漬される。   In the second tank 15, liquid such as water or factory waste water is accommodated, and the second electrode 12 is immersed in the liquid.

第2の槽15の上方には、図示しない水素タンクと接続する水素流出部20が設けられる。第2の槽15は、第1の槽14とは別体なので、第2電極12で生成された水素を集め易くなっている。この第2の槽15を水素生成槽と呼んでもよい。   Above the second tank 15, a hydrogen outflow portion 20 connected to a hydrogen tank (not shown) is provided. Since the second tank 15 is separate from the first tank 14, it is easy to collect the hydrogen generated by the second electrode 12. This second tank 15 may be called a hydrogen generation tank.

次に、第1の槽14内に配置された光触媒層11bに対して、太陽光が照射された場合における第1電極11及び第2電極12の表面における反応例を、図6を参照しながら、以下に説明する。   Next, a reaction example on the surfaces of the first electrode 11 and the second electrode 12 when sunlight is irradiated to the photocatalyst layer 11b disposed in the first tank 14 with reference to FIG. This will be described below.

工場排水に含まれる有機物としては、例えば、メタン、アセトン、メタノール、エタノール又はベンゼン等が挙げられる。   Examples of organic substances contained in factory wastewater include methane, acetone, methanol, ethanol, benzene, and the like.

第1電極11aでは、光触媒層11bの表面に吸着している有機物が存在する。光の照射を受けた光触媒層11bでは、電子e・ホールh対が生成し、ホールhが有機物に結合して有機物が酸化されて、有機物の酸化体が光触媒層11bの表面に生成する。 In the first electrode 11a, there is an organic substance adsorbed on the surface of the photocatalyst layer 11b. In the photocatalyst layer 11b that has been irradiated with light, an electron e .hole h + pair is generated, the hole h + is bonded to the organic substance, the organic substance is oxidized, and an oxidant of the organic substance + is formed on the surface of the photocatalytic layer 11b. Generate.

また、光触媒層11bの表面では、HOがホールhと反応して、活性酸素が生成する。有機物は、この活性酸素と反応して酸化される場合もある。有機物の酸化体の一部は、更に反応が進んで、CO又はHOを生成する。 On the surface of the photocatalytic layer 11b, H 2 O reacts with holes h + to generate active oxygen. Organic substances may be oxidized by reacting with this active oxygen. A part of the organic oxidant + further proceeds to generate CO 2 or H 2 O.

第1電極11では、生成した電子e・ホールh対の内、ホールhが有機物を酸化するために消費されるので、電子eがホールhと再結合することが抑制される。そして、電子eは、配線17を介して第2電極12に移動する。 In the first electrode 11, among the generated electron e .hole h + pairs, the hole h + is consumed to oxidize the organic matter, so that recombination of the electrons e with the hole h + is suppressed. . Then, the electrons e move to the second electrode 12 through the wiring 17.

一方、第2電極12の表面には、第1電極11aの表面で生成したHが吸着したH(a)が存在する。このH(a)はHOと結合して、Hとの間に平衡状態にある。 On the other hand, on the surface of the second electrode 12, there is H + (a) on which H + generated on the surface of the first electrode 11a is adsorbed. This H + (a) combines with H 2 O and is in equilibrium with H 3 O + .

第2電極12では、光触媒層11bで生成された電子eがH(a)に移動して、Hが生成する。このようにして、第2電極12は、水を還元して水素を生成する。 In the second electrode 12, the electrons e generated in the photocatalyst layer 11b move to H + (a), and H 2 is generated. In this way, the second electrode 12 generates hydrogen by reducing water.

また、第2電極12において、水を還元して水素を生成する際にOHが生成する。OHの濃度は、水素の生成と共に増加する。第2の槽15内のOH濃度が増加すると、水素の生成速度が低下するので、濃度勾配を駆動力として、OH濃度の高い第2の槽15から濃度の低い第1の槽14へ、OHを接続管16を通して移動させて、第2の槽15内のOH濃度の上昇を抑制できるようになされている。なお、第1の槽14と第2の槽15とを、接続管16を用いて接続しなくても良いが、何らかの方法で第1の槽14中の液体と第2の槽15中の液体との間は電気的に接続されている必要がある。そのための方法として、例えば両槽を塩橋で接続するなどの方法が考えられる。 In the second electrode 12, OH is generated when water is reduced to generate hydrogen. The concentration of OH increases with hydrogen production. As the OH concentration in the second tank 15 increases, the hydrogen generation rate decreases, and therefore, from the second tank 15 having a high OH concentration to the first tank 14 having a low concentration using a concentration gradient as a driving force. , OH can be moved through the connecting pipe 16 to suppress an increase in OH concentration in the second tank 15. The first tank 14 and the second tank 15 do not have to be connected using the connection pipe 16, but the liquid in the first tank 14 and the liquid in the second tank 15 are somehow used. Must be electrically connected to each other. As a method for that purpose, for example, a method of connecting both tanks with a salt bridge is conceivable.

第1の槽14と第2の槽15との間に、ポンプ等を用いて水溶液を駆動して、OHの濃度を調整するようにしても良い。 An aqueous solution may be driven between the first tank 14 and the second tank 15 using a pump or the like to adjust the concentration of OH .

上述した本実施形態の水素生成装置10によれば、水素を効率良く生成して採集することができる。また、水素生成装置10によれば、上述した第1実施形態と同様の効果が得られる。   According to the hydrogen generator 10 of the present embodiment described above, hydrogen can be efficiently generated and collected. Moreover, according to the hydrogen generator 10, the same effect as the first embodiment described above can be obtained.

本発明では、上述した実施形態の電極、水素生成装置及び水素を生成する方法は、本発明の趣旨を逸脱しない限り適宜変更が可能である。また、一の実施形態が有する構成要件は、他の実施形態にも適宜適用することができる。   In the present invention, the electrode, the hydrogen generator, and the method for generating hydrogen according to the above-described embodiments can be appropriately changed without departing from the gist of the present invention. In addition, the configuration requirements of one embodiment can be applied to other embodiments as appropriate.

ここで述べられた全ての例及び条件付きの言葉は、読者が、発明者によって寄与された発明及び概念を技術を深めて理解することを助けるための教育的な目的を意図する。ここで述べられた全ての例及び条件付きの言葉は、そのような具体的に述べられた例及び条件に限定されることなく解釈されるべきである。また、明細書のそのような例示の機構は、本発明の優越性及び劣等性を示すこととは関係しない。本発明の実施形態は詳細に説明されているが、その様々な変更、置き換え又は修正が本発明の精神及び範囲を逸脱しない限り行われ得ることが理解されるべきである。   All examples and conditional words mentioned herein are intended for educational purposes to help the reader deepen and understand the inventions and concepts contributed by the inventor. All examples and conditional words mentioned herein are to be construed without limitation to such specifically stated examples and conditions. Also, such exemplary mechanisms in the specification are not related to showing the superiority and inferiority of the present invention. While embodiments of the present invention have been described in detail, it should be understood that various changes, substitutions or modifications can be made without departing from the spirit and scope of the invention.

10 水素生成装置
11 第1電極
11a 触媒下地層
11b 光触媒層
12 第2電極
13 基板
14 第1の槽
15 第2の槽
16 接続管
17 配線
18 流入部
19 流出部
20 水素流出部
21 窓部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Hydrogen generator 11 1st electrode 11a Catalyst base layer 11b Photocatalyst layer 12 2nd electrode 13 Board | substrate 14 1st tank 15 2nd tank 16 Connection pipe 17 Wiring 18 Inflow part 19 Outflow part 20 Hydrogen outflow part 21 Window part

Claims (7)

イオン結合性導電体により形成された触媒下地層と、
金属イオンとしてチタンイオンを含むアパタイトにより形成され、前記触媒下地層上に積層された光触媒層と、
を有する第1電極と、
前記第1電極と電気的に接続されており、水素生成触媒機能を有する第2電極と、
を備え、
前記イオン結合性導電体は、フッ素添加酸化スズ、スズ添加酸化インジウム、酸化亜鉛、又は、4族、5族、6族遷移金属の炭化物又は窒化物を含み、
前記光触媒層の厚さは、50nm〜2μmの範囲にある水素生成装置。
A catalyst underlayer formed of an ion-bonding conductor;
A photocatalytic layer formed of apatite containing titanium ions as metal ions and laminated on the catalyst underlayer;
A first electrode having:
A second electrode electrically connected to the first electrode and having a hydrogen generation catalyst function;
Bei to give a,
The ion-bonding conductor includes fluorine-added tin oxide, tin-added indium oxide, zinc oxide, or a carbide or nitride of a group 4, group 5, or group 6 transition metal,
The thickness of the said photocatalyst layer is a hydrogen generator which exists in the range of 50 nm-2 micrometers .
前記触媒下地層は、酸化物半導体又は遷移金属の炭化物若しくは窒化物を含む請求項に記載の水素生成装置。 The hydrogen generation apparatus according to claim 1 , wherein the catalyst underlayer includes an oxide semiconductor or a carbide or nitride of a transition metal. 前記アパタイトは、アパタイト結晶構造中の金属イオンがアルカリ土類金属イオンであり、その全て又は一部が、チタンイオンに置換されている請求項1又は2に記載の水素生成装置。 3. The hydrogen generation apparatus according to claim 1, wherein the apatite has a metal ion in an apatite crystal structure being an alkaline earth metal ion, and all or a part thereof is substituted with a titanium ion. 前記アパタイトは、リン酸塩又はバナジン酸塩を含む請求項1〜の何れか一項に記載の水素生成装置。 The said apatite is a hydrogen generator as described in any one of Claims 1-3 containing a phosphate or a vanadate. 第1の槽と、
第2の槽と、
を備え、
前記第1電極は、前記第1の槽内に配置され、
前記第2電極は、前記第2の槽内に配置され、
前記第1の槽と、前記第2の槽は接続されている請求項1〜の何れか一項に記載の水素生成装置。
A first tank;
A second tank;
With
The first electrode is disposed in the first tank,
The second electrode is disposed in the second tank;
The hydrogen generator according to any one of claims 1 to 4 , wherein the first tank and the second tank are connected.
イオン結合性導電体により形成された触媒下地層と、
金属イオンとしてチタンイオンを含むアパタイトにより形成され、前記触媒下地層上に積層された光触媒層と、
を有し、
前記イオン結合性導電体は、フッ素添加酸化スズ、スズ添加酸化インジウム、酸化亜鉛、又は、4族、5族、6族遷移金属の炭化物又は窒化物を含み、
前記光触媒層の厚さは、50nm〜2μmの範囲にある電極。
A catalyst underlayer formed of an ion-bonding conductor;
A photocatalytic layer formed of apatite containing titanium ions as metal ions and laminated on the catalyst underlayer;
I have a,
The ion-bonding conductor includes fluorine-added tin oxide, tin-added indium oxide, zinc oxide, or a carbide or nitride of a group 4, group 5, or group 6 transition metal,
The thickness of the photocatalyst layer is an electrode in the range of 50 nm to 2 μm .
イオン結合性導電体により形成された触媒下地層と、金属イオンとしてチタンイオンを含むアパタイトにより形成され、前記触媒下地層上に積層された光触媒層を有する第1電極を用いて、水溶液中の有機物を酸化することと
前記第1電極と電気的に接続されており、水素生成触媒機能を有する第2電極を用いて、水を還元して水素を生成すること、
を有し、
前記イオン結合性導電体は、フッ素添加酸化スズ、スズ添加酸化インジウム、酸化亜鉛、又は、4族、5族、6族遷移金属の炭化物又は窒化物を含み、
前記光触媒層の厚さは、50nm〜2μmの範囲にある方法。
An organic substance in an aqueous solution using a first electrode having a catalyst underlayer formed of an ion-bonding conductor and an apatite containing titanium ions as metal ions and having a photocatalyst layer laminated on the catalyst underlayer Oxidizing and
Using a second electrode electrically connected to the first electrode and having a hydrogen generation catalyst function to reduce water to produce hydrogen ;
Have
The ion-bonding conductor includes fluorine-added tin oxide, tin-added indium oxide, zinc oxide, or a carbide or nitride of a group 4, group 5, or group 6 transition metal,
The photocatalyst layer has a thickness in the range of 50 nm to 2 μm .
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