JP6418906B2 - 光エネルギーの利用方法および光エネルギーの利用装置 - Google Patents
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Description
図1は、本発明の第一実施形態に係る光エネルギーの利用装置10を模式的に示している。光エネルギーの利用装置10は、光の照射によって酸化生成物が生成する。光エネルギーの利用装置10は、電解槽12と、アノード電極14と、カソード電極16と、アノード電解液18と、カソード電解液20とを備えている。電解槽12は、隔膜22で区分されたアノード室24およびカソード室26を備えている。アノード電極14はアノード室24に設けられ、導電性基板28と、導電性基板28の表面に形成されたn型半導体30とを備えている。アノード電解液18は、炭酸イオン、リン酸イオン、ホウ酸イオン、および過塩素酸イオンの中から選択される1以上のアニオンと、これらのアニオンと異なる被酸化物とを含み、アノード室24に注入されている。
図2は、本発明の第二実施形態に係る光エネルギーの利用装置11を模式的に示している。光エネルギーの利用装置11は、光の照射によってイオンである酸化生成物が生成し、アノード電解液19とカソード電解液21とを備えている。アノード電解液19は、光エネルギーの利用装置10のアノード電解液18と異なっている。カソード電解液21は、光エネルギーの利用装置10のカソード電解液20と同一であっても異なっていてもよい。
まず、導電性基板であるF-SnO2(FTO)膜の表面に、塩化タングステンのジメチルホルムアミド溶液(0.76mol/L)をスピンコートした後、500℃で空気焼成することでWO3膜を作製した。つぎに、0.5mol/Lビスマス塗布液(高純度化学研究所製、EMOD塗布型材料) 400μLおよび0.4mol/Lバナジウム塗布液(高純度化学研究所製、EMOD塗布型材料) 500μLを酢酸ブチル2100μLに溶かした溶液に、エチルセルロースの酢酸ブチル溶液(10wt%)2000μLを加えて、WO3膜上にスピンコートした後、550℃で空気焼成してFTO膜上にWO3とBiVO4が積層されたアノード電極を作製した。
K2SO4が0.5mol/Lで、KHCO3が0.1mol/Lでそれぞれ含まれる混合水溶液をアノード室およびカソード室に29mLずつ注入したことを除いて実施例1と同様にして電気分解を行った。アノード電解液に1.16μmolのH2O2(ファラデー効率12%)と0.84μmolの過硫酸(ファラデー効率9%)が生成したこと、すなわち、水から過酸化水素、および硫酸イオンから過硫酸が生成したことを呈色実験で確認した。アノード電解液およびカソード電解液のpHは光電極反応前後で変化はなく、6.6の値を示した。
電解槽の隔膜にアニオン交換膜を用いたこと、Ce(ClO4)3が0.1mol/LでHClO4が0.1mol/Lでそれぞれ含まれる混合水溶液29mLをアノード室に注入したこと、0.1mol/LのHClO4水溶液29mLをカソード室に注入したこと、1.0mAの一定電流で0.9Cの電気量を流したこと、ならびにアノード電解液およびカソード電解液にCO2ガスに代えてArガスを流通させたことを除いて実施例1と同様にして電気分解を行った。アノード電解液に0.78μmolのCe4+(ファラデー効率8%)が生成したこと、すなわち、Ce3+からCe4+が生成したことを呈色実験で確認した。
FTO膜上にBiVO4膜のみを形成したアノード電極を用いたこと、キセノンランプを用いて420nm以上の波長の可視光を照射したこと、および0.5mAの一定電流で0.9Cの電気量を流したことを除いて実施例1と同様にして電気分解を行った。アノード電解液に0.64μmolのH2O2(ファラデー効率14%)が生成したこと、すなわち、水から過酸化水素が生成したことを呈色実験で確認した。
FTO膜上にBiVO4膜のみを形成したアノード電極を用いたこと、キセノンランプを用いて420nm以上の波長の可視光を照射したこと、0.5mAの一定電流で0.9Cの電気量を流したこと、ならびにK2SO4が0.5mol/Lで、KHCO3が0.1mol/Lでそれぞれ含まれる混合水溶液をアノード室およびカソード室に29mLずつ注入したことを除いて実施例1と同様にして電気分解を行った。アノード電解液に0.66μmolのH2O2(ファラデー効率14%)と0.13μmolの過硫酸(ファラデー効率3%)が生成したこと、すなわち、水から過酸化水素、および硫酸イオンから過硫酸が生成したことを呈色実験で確認した。
5.0mol/LのNaCl水溶液をアノード室およびカソード室に35mLずつ注入したこと、キセノンランプを用いて紫外・可視光を照射したこと、1.0mAの一定電流で2.0Cの電気量を流したこと、ならびにアノード電解液およびカソード電解液にCO2ガスを流通させなかったことを除いて実施例1と同様にして電気分解を行った。アノード電解液に5.70μmolのClO-(ファラデー効率55%)が生成したことを呈色実験で確認した。アノード電解液のpHは5.8であった。
1.0mol/LのNaBr水溶液をアノード室およびカソード室に35mLずつ注入したこと、キセノンランプを用いて紫外・可視光を照射したこと、1.0mAの一定電流で2.0Cの電気量を流したこと、ならびにアノード電解液およびカソード電解液にCO2ガスを流通させなかったことを除いて実施例1と同様にして電気分解を行った。アノード電解液に6.50μmolのBrO-(ファラデー効率63%)が生成したことを呈色実験で確認した。アノード電解液のpHは5.9であった。
5.0mol/LのNaCl水溶液にNaOHまたはHClを添加してpHを3段階に調整したこと、キセノンランプを用いて紫外・可視光を照射したこと、1.0mAの一定電流で2.0Cの電気量を流したこと、ならびにアノード電解液およびカソード電解液にCO2ガスを流通させなかったことを除いて実施例1と同様にして電気分解を行った。アノード電解液のpHが2.5、5.8、8.4の時、ファラデー効率はそれぞれ44%、55%、47%であった。このpH範囲では、ClO-が十分に生成することが確認された。特に中性付近でファラデー効率がよいことがわかった。
FTO膜上にBiVO4膜のみを形成したアノード電極を用いたこと、5.0mol/LのNaCl水溶液をアノード室およびカソード室に35mLずつ注入したこと、キセノンランプを用いて紫外・可視光を照射したこと、1.0mAの一定電流で2.0Cの電気量を流したこと、ならびにアノード電解液およびカソード電解液にCO2ガスを流通させなかったことを除いて実施例1と同様にして電気分解を行った。アノード電解液に2.0μmolのClO-(ファラデー効率19%)が生成したことを呈色実験で確認した。
FTO膜上にBiVO4膜のみを形成したアノード電極を用いたこと、1.0mol/LのNaBr水溶液をアノード室およびカソード室に35mLずつ注入したこと、キセノンランプを用いて紫外・可視光を照射したこと、1.0mAの一定電流で2.0Cの電気量を流したこと、ならびにアノード電解液およびカソード電解液にCO2ガスを流通させなかったことを除いて実施例1と同様にして電気分解を行った。アノード電解液に3.30μmolのBrO-(ファラデー効率32%)が生成したことを呈色実験で確認した。
TiとSrをドープしたFe2O3膜をFTO膜上に形成したアノード電極を用いたこと、5.0mol/LのNaCl水溶液をアノード室およびカソード室に35mLずつ注入したこと、キセノンランプを用いて紫外・可視光をこのFe2O3膜に照射したこと、1.0mAの一定電流で2.0Cの電気量を流したこと、ならびにアノード電解液およびカソード電解液にCO2ガスを流通させなかったことを除いて実施例1と同様にして電気分解を行った。アノード電解液に1.90μmolのClO-(ファラデー効率18%)が生成したことを呈色実験で確認した。なお、アノード電極は、Fe、Ti、Srの各EMOD塗布型材料溶液(高純度化学研究所製)を、Fe:Ti:Sr=90:10:4.5のモル比となるように混合し、その混合液をFTO膜上にスピンコートした後、700℃で空気焼成して作製した。
0.5mol/LのK2SO4水溶液をアノード室およびカソード室に29mLずつ注入したこと、ならびにアノード電解液およびカソード電解液にCO2ガスに代えてArガスを流通させたことを除いて実施例2と同様にして電気分解を行った。炭酸イオンが存在しないアノード電解液では、硫酸イオンから過硫酸が生成しないことを呈色実験で確認した。
12 電解槽
14 アノード電極
16 カソード電極
18,19 アノード電解液
20,21 カソード電解液
22 隔膜
24 アノード室
26 カソード室
28 導電性基板
30 n型半導体
Claims (16)
- 炭酸イオン、リン酸イオン、ホウ酸イオン、および過塩素酸イオンの中から選択される1以上のアニオンと、前記アニオンと異なる被酸化物とを含むアノード電解液が注入されたアノード室と、カソード電解液が注入されたカソード室とを備える電解槽で、前記アノード室に設けられたアノード電極の表面のn型半導体に光を照射して、標準酸化還元電位が+1.23V(RHE)より正側である酸化還元反応によって、前記被酸化物から酸化生成物を生成する工程を有する光エネルギーの利用方法であって、
前記被酸化物と前記酸化生成物の組み合わせが、硫酸イオンと過硫酸イオン、水と過酸化水素、およびCe 3+ とCe 4+ の中から選択される1以上である光エネルギーの利用方法。 - Cl-およびBr-の少なくとも一方である被酸化物を含むアノード電解液が注入されたアノード室と、カソード電解液が注入されたカソード室とを備える電解槽で、前記アノード室に設けられたアノード電極の表面のn型半導体に光を照射して、標準酸化還元電位が+1.23V(RHE)より正側である酸化還元反応によって、前記被酸化物からイオンである酸化生成物を生成する工程を有する光エネルギーの利用方法であって、
前記被酸化物と前記酸化生成物の組み合わせが、Cl - とClO - 、およびBr - とBrO - の少なくとも一方である光エネルギーの利用方法。 - 前記n型半導体がTi、V、Bi、Fe、Nb、ランタノイド、およびTaの中から選択される1以上の元素を含む請求項1または2に記載の光エネルギーの利用方法。
- 前記n型半導体が可視光応答性のBiVO4である請求項3に記載の光エネルギーの利用方法。
- 前記アノード電解液のpHが1以上である請求項1から4のいずれかに記載の光エネルギーの利用方法。
- 前記アノード電解液のpHが3以上9未満である請求項5に記載の光エネルギーの利用方法。
- 前記アノード室での酸化還元反応と並行して、前記カソード室内の電解液に含まれる被還元物から還元生成物の生成または水から水素ガスの生成を行う請求項1から6のいずれかに記載の光エネルギーの利用方法。
- 光の照射によって酸化生成物が生成する光エネルギーの利用装置であって、
隔膜で区分されたアノード室およびカソード室を備える電解槽と、
前記アノード室に設けられ、n型半導体を表面に備えるアノード電極と、
前記カソード室に設けられ、直流電源を介して前記アノード電極と電気的に接続されたカソード電極と、
前記アノード室に注入され、炭酸イオン、リン酸イオン、ホウ酸イオン、および過塩素酸イオンの中から選択される1以上のアニオンと、前記アニオンと異なる被酸化物とを含むアノード電解液と、
前記カソード室に注入されたカソード電解液と、
を有し、
前記被酸化物と前記酸化生成物の組み合わせが、硫酸イオンと過硫酸イオン、水と過酸化水素、およびCe 3+ とCe 4+ の中から選択される1以上である光エネルギーの利用装置。 - 光の照射によってイオンである酸化生成物が生成する光エネルギーの利用装置であって、
隔膜で区分されたアノード室およびカソード室を備える電解槽と、
前記アノード室に設けられ、n型半導体を表面に備えるアノード電極と、
前記カソード室に設けられ、直流電源を介して前記アノード電極と電気的に接続されたカソード電極と、
前記アノード室に注入され、Cl-およびBr-の少なくとも一方である被酸化物を含むアノード電解液と、
前記カソード室に注入されたカソード電解液と、
を有し、
前記被酸化物と前記酸化生成物の組み合わせが、Cl - とClO - 、およびBr - とBrO - の少なくとも一方である光エネルギーの利用装置。 - 前記n型半導体がTi、V、Bi、Fe、Nb、ランタノイド、およびTaの中から選択される1以上の元素を含む請求項8または9に記載の光エネルギーの利用装置。
- 前記n型半導体が可視光応答性のBiVO4である請求項10に記載の光エネルギーの利用装置。
- 前記アノード電解液のpHが1以上である請求項8から11のいずれかに記載の光エネルギーの利用装置。
- 前記アノード電解液のpHが3以上9未満である請求項12に記載の光エネルギーの利用装置。
- 前記アノード電解液を前記アノード室から移し入れ、このアノード電解液に含まれる酸化生成物を分解して酸素を発生させるための容器をさらに有する請求項8から13のいずれかに記載の光エネルギーの利用装置。
- 光の照射によって酸化生成物が生成する光エネルギーの利用装置であって、
隔膜で区分されたアノード室およびカソード室を備える電解槽と、
前記アノード室に設けられ、n型半導体を表面に備えるアノード電極と、
前記カソード室に設けられ、直流電源を介して前記アノード電極と電気的に接続されたカソード電極と、
前記アノード室に注入され、炭酸イオン、リン酸イオン、ホウ酸イオン、および過塩素酸イオンの中から選択される1以上のアニオンと、前記アニオンと異なる被酸化物とを含むアノード電解液と、
前記カソード室に注入されたカソード電解液と、
を有し、
前記アノード電解液を前記アノード室から移し入れ、このアノード電解液に含まれる酸化生成物を分解して酸素を発生させるための容器をさらに有する光エネルギーの利用装置。 - 光の照射によってイオンである酸化生成物が生成する光エネルギーの利用装置であって、
隔膜で区分されたアノード室およびカソード室を備える電解槽と、
前記アノード室に設けられ、n型半導体を表面に備えるアノード電極と、
前記カソード室に設けられ、直流電源を介して前記アノード電極と電気的に接続されたカソード電極と、
前記アノード室に注入され、Cl - およびBr - の少なくとも一方である被酸化物を含むアノード電解液と、
前記カソード室に注入されたカソード電解液と、
を有し、
前記アノード電解液を前記アノード室から移し入れ、このアノード電解液に含まれる酸化生成物を分解して酸素を発生させるための容器をさらに有する光エネルギーの利用装置。
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