JP6631467B2 - 二酸化炭素還元装置 - Google Patents
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Description
本発明は、二酸化炭素を還元する二酸化炭素還元装置に関する。
従来より、太陽光の光エネルギー等を利用し、二酸化炭素を還元して炭素を含んだ炭素化合物（例えばメタノール）を人工的に合成するシステムが研究されている。こうした中、溶液中に導入された二酸化炭素を窒素含有芳香族化合物（例えばピリジン）によって活性化状態とし、還元電極で二酸化炭素を還元反応させて炭素化合物を合成する方法が提案されている（例えば特許文献１参照）。
この方法では、以下のように炭素化合物が合成される。太陽光を半導体で吸収して正孔と電子を励起させる。溶液中に導入された二酸化炭素は窒素含有芳香族化合物で吸収され活性化状態になる。さらに酸化電極側で励起正孔により水から水素イオンを生成し、同時に還元電極側で励起電子を用いて活性化された二酸化炭素を水素イオンで還元することで二酸化炭素を炭素化合物に変換する。
また、アミン溶液を用いた場合には、酸化電極側では水よりもアミンが優先的に酸化される。このため、特許文献１では、アミン分子の透過を防止する薄膜（グラフェン、酸化グラフェン、ポリイミド、ゼオライト）を酸化電極表面に形成し、酸化電極側でのアミン分子の酸化を防止している。
しかしながら、上記特許文献１に記載の方法では、二酸化炭素と窒素含有芳香族化合物が溶液中で反応して一体化した後、還元電極まで移動して電極表面に吸着する必要がある。このため、二酸化炭素と窒素含有芳香族化合物の一体化と移動と吸着が順に進む必要があり、二酸化炭素の還元反応が複雑になる。また、窒素含有芳香族化合物は溶液中で分解しやすく、二酸化炭素の還元反応を安定して行うことが難しい。
本発明は上記点に鑑み、二酸化炭素の還元反応が複雑化することを回避でき、かつ、二酸化炭素の還元反応を安定して行うことが可能な二酸化炭素還元装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、電解液に浸漬され、水の酸化反応で酸素および水素イオンを生成する酸化電極（１３）と、電解液に浸漬され、二酸化炭素の還元反応で炭素化合物を生成する還元電極（１４）と、光が照射されることによって内部光電効果を発生し、酸化電極および還元電極に電気的に接続された光発電素子（１２）と、を備え、還元電極には、窒素がドープされたグラフェンが用いられており、光発電素子のカソード側に還元電極が一体化されており、光発電素子に還元電極側から光が照射されることを特徴とする。
このように、還元電極に窒素ドープグラフェンを用いることで、窒素ドープグラフェンに存在する窒素含有芳香族構造（例えばピリジン構造）によって、還元電極の表面で二酸化炭素を活性化することができる。このため、還元電極の表面で二酸化炭素を吸着して活性化し、還元反応を進行させることができる。また、窒素含有芳香族化合物を用いた場合のように、窒素含有芳香族化合物と一体化した二酸化炭素が電極まで移動する必要がなく、二酸化炭素から高効率で炭素化合物を生成することができる。
還元電極を窒素ドープグラフェンが金属電極の表面に接合された構造とすることもできる。この場合は下地金属である金属電極に固有の電子軌道を持った電子が供給されるため、還元反応による生成物を選択的に作り分けることができる。金属電極としては、Ｎｉ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｐｔ等の金属及びこれらの酸化物を用いることができる。金属酸化物としては、Ｎｉ、Ｃｕ、ＳｎまたはＩｎの酸化物を挙げることができる。また、Ｎｉ金属は、Ａｕで表面保護することが望ましい。
また、窒素ドープグラフェンは下地金属の少なくとも一部を覆っていればよく、下地金属を全面的に覆うこともできるし、部分的に覆ってもよい。部分的に覆った場合は、窒素ドープグラフェンが存在する部分で二酸化炭素の活性化と吸着を行い、存在しない部分で金属から直接電子供給ができるため還元反応の生成物選択性を効率よくできる。
また、グラフェンは化学的に安定しており、さらに物理的強度が高い。このため、還元電極に窒素ドープグラフェンを用いることで、窒素含有芳香族化合物を用いる場合に比較して、二酸化炭素の還元反応を安定して行うことが可能となる。
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態に係る二酸化炭素還元装置１について説明する。本実施形態の二酸化炭素還元装置１は、太陽光を照射することで酸素生成、水素生成および炭素化合物（メタノール等）生成を行う人工光合成装置として構成されている。
本発明の第１実施形態に係る二酸化炭素還元装置１について説明する。本実施形態の二酸化炭素還元装置１は、太陽光を照射することで酸素生成、水素生成および炭素化合物（メタノール等）生成を行う人工光合成装置として構成されている。
図１に示すように、二酸化炭素還元装置１は、容器１０を備えている。容器１０には、電解液１１が収容されている。電解液１１は特に限定されないが、本実施形態では炭酸水素カリウム水溶液を用いている。炭酸水素カリウム水溶液の濃度は、０．１ｍｏｌ／Ｌとしている。
二酸化炭素還元装置１には、ＰＶセル１２が設けられている。ＰＶセル１２は、光起電力効果を利用して光エネルギーを電気エネルギーに変換する太陽電池である。本実施形態では、ＰＶセル１２は容器１０の外部に設けられている。なお、ＰＶセル１２が本発明の光発電素子に相当している。
本実施形態では、ＰＶセル１２を構成する半導体として直接遷移型半導体であるＩＩＩ−Ｖ族半導体を用いている。本実施形態のＩＩＩ−Ｖ族半導体は、２接合または３接合のタンデム構造であり、トンネル接合となっている。そのようなＩＩＩ−Ｖ族半導体としては、ＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ／Ｇｅ、ＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ／ＧａＮＡｓ、ＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ、ＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ／Ｇｅ、ＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ／ＧａＮＡｓ、ＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＩｎＮＡｓ、ＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＩｎＮＡｓ、a−ＳｉＧｅ／ａ−Ｓｉ／ａ−Ｓｉ、a−ＳｉＧｅ／ａ−Ｓｉを例示でき、各半導体は各々ＰＮ接合を形成し、基板はＧｅ基板若しくはＧａＡｓ基板を用いる。このＰＮ接合が２つであれば２接合で、３つであれば３接合である。また、ＩＩＩ−Ｖ族半導体の基板としてＳｉ半導体を用いてもよい。
酸化電極１３および還元電極１４は、ＰＶセル１２と別体として構成され、ＰＶセル１２と離れて配置されている。酸化電極１３および還元電極１４は、容器１０の内部に配置され、電解液１１に浸された状態となっている。
還元電極１４は二酸化炭素の還元反応が行われる反応電極として構成されており、酸化電極１３は対極として構成されている。酸化電極１３はＰＶセル１２のアノード側と配線を介して電気的に接続されており、還元電極１４はＰＶセル１２のカソード側と配線を介して電気的に接続されている。
酸化電極１３は、水の酸化反応を行うための電極であり、例えば酸化ルテニウム（ＲｕＯ2）、酸化イリジウム（ＩｒＯ2）、酸化コバルト（ＣｏＯ）、または白金（Ｐｔ）等を用いることができる。
還元電極１４としては、窒素をドープしたグラフェン（以下、「窒素ドープグラフェン」ともいう）を用いている。本実施形態では、窒素ドープグラフェンを下地金属である金属電極の全面に接合して還元電極１４を形成している。これにより、下地金属に固有の電子軌道を持った電子が供給されるため、還元反応による生成物を選択的に作り分けることができる。
金属電極としては、Ｎｉ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｐｔ等の金属及びこれらの酸化物を用いることができる。金属酸化物としては、Ｎｉ、Ｃｕ、ＳｎまたはＩｎの酸化物を挙げることができる。また、Ｎｉ金属を用いる場合には、Ａｕで表面保護して酸化を防止することが望ましい。
なお、窒素ドープグラフェンは金属電極の少なくとも一部を覆っていればよく、金属電極を全面的に覆う構成に限らず、部分的に覆う構成としてもよい。窒素ドープグラフェンで金属電極を部分的に覆った場合は、窒素ドープグラフェンが存在する部分で二酸化炭素の活性化と吸着を行い、窒素ドープグラフェンが存在しない部分で金属から直接電子供給ができるため、還元反応の生成物選択性を効率よくできる。
グラフェンは、原子１個分の厚さで炭素原子が六角形格子状構造に共有結合したシート状物質である。グラフェンは主として６員環からなる炭素原子の集合体であり、５員環や７員環も混在している。グラフェンは、１層で用いてもよく、多層で用いてもよい。
グラフェンは、電流密度および電荷移動度が高く、電極材料として優れている。また、グラフェンは、硬度および破壊強度が高く、物理的強度が高い材料である。また、グラフェンは、化学的に安定した材料である。また、グラフェンは、質量当たり最も広い表面積を有しており、二酸化炭素を活性化する際の実行表面積を大きくできる。また、グラフェンは、平板形状で用いてもよく、伸長性や折り曲げ性が高いことから、蛇腹折りのような３次元立体構造にして用いてもよい。また、グラフェンは、高い物質不透過性や高い熱伝導度を有しているため下地金属や半導体の保護として使うこともできる。
グラフェンに窒素をドープすることで、グラフェンを構成する炭素原子の一部が窒素原子に置換される。６員環を構成する炭素原子の１つが窒素原子に置換された場合には、グラフェンにピリジン構造が導入される。また、５員環を構成する炭素原子の１つが窒素原子に置換された場合には、グラフェンにイミダゾール構造が導入される。つまり、窒素ドープグラフェンには、部分的に窒素含有芳香族化合物と同様の構造（以下、窒素含有芳香族構造ともいう）が導入されている。
グラフェン中におけるピリジン構造等の窒素含有芳香族構造の存在割合が高すぎる場合には、二酸化炭素を活性化する作用が低下すると考えられる。このため、本実施形態では、グラフェンに所定比率で窒素原子をドープしている。具体的には、グラフェンを構成する炭素原子の数に対してドープする窒素原子の数を１／６以下としている。
容器１０には、電解質膜１５が設けられている。電解質膜１５は、酸化電極１３と還元電極１４の間に配置され、酸化電極１３側と還元電極１４側で電解液１１を分離する。電解質膜１５は、酸化電極１３側と還元電極１４側で、電解液１１中の水素イオンの移動を許容しつつ、反応生成物等の移動を制限する。電解質膜１５としては、例えばナフィオン（デュポン社の登録商標）を用いることができる。
容器１０には、還元電極１４の近傍にＣＯ2供給管１６が挿入されている。二酸化炭素がＣＯ2供給管１６からバブリングによって電解液１１の還元電極１４側に供給される。二酸化炭素のバブルサイズはサブミクロンからミリメートルが望ましい。
ＰＶセル１２では、太陽光が照射されると内部光電効果（光起電力効果）によって電子／正孔対が発生する。図１に示す例では、ＰＶセル１２の上方から太陽光が照射され、ＰＶセル１２の上面が受光面となっている。ＰＶセル１２で発生した正孔は酸化電極１３に移動し、電子は還元電極１４に移動する。
酸化電極１３の表面では、以下に示す水の酸化反応が行われ、水素イオンおよび酸素が生成する。
２Ｈ2Ｏ＋４ｈ+→４Ｈ+＋Ｏ2
酸化電極１３側で発生した水素イオンは、電解液１１中を還元電極１４側に移動し、二酸化炭素の還元反応に用いられる。
酸化電極１３側で発生した水素イオンは、電解液１１中を還元電極１４側に移動し、二酸化炭素の還元反応に用いられる。
還元電極１４の表面では、以下に示す二酸化炭素の還元反応が行われ、炭素化合物（メタノール等）および水素が生成する。
ＣＯ2＋６Ｈ+＋６ｅ-→ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ
２Ｈ+＋２ｅ-→Ｈ2
本実施形態では、還元電極１４に窒素ドープグラフェンを用いることで、以下の効果を得ることができる。すなわち、窒素ドープグラフェンに存在する窒素含有芳香族構造（例えばピリジン構造）によって、窒素含有芳香族化合物（例えばピリジン）と同様に、二酸化炭素を活性化することができる。このため、本実施形態の構成によれば、窒素含有芳香族化合物を用いることなく、還元電極１４の表面で二酸化炭素を吸着して活性化することができる。また、窒素含有芳香族化合物を用いた場合のように、窒素含有芳香族化合物と一体化した二酸化炭素が還元電極１４まで移動する必要がなく、二酸化炭素から高効率で炭素化合物を生成することができる。
２Ｈ+＋２ｅ-→Ｈ2
本実施形態では、還元電極１４に窒素ドープグラフェンを用いることで、以下の効果を得ることができる。すなわち、窒素ドープグラフェンに存在する窒素含有芳香族構造（例えばピリジン構造）によって、窒素含有芳香族化合物（例えばピリジン）と同様に、二酸化炭素を活性化することができる。このため、本実施形態の構成によれば、窒素含有芳香族化合物を用いることなく、還元電極１４の表面で二酸化炭素を吸着して活性化することができる。また、窒素含有芳香族化合物を用いた場合のように、窒素含有芳香族化合物と一体化した二酸化炭素が還元電極１４まで移動する必要がなく、二酸化炭素から高効率で炭素化合物を生成することができる。
また、グラフェンは化学的に安定しており、さらに物理的強度が高い。このため、還元電極１４にグラフェンを用いることで、窒素含有芳香族化合物を用いる場合に比較して、二酸化炭素の還元反応を安定して行うことができ、耐久性に優れた二酸化炭素還元装置１を提供することができる。
また、グラフェンは表面積が大きいことから、二酸化炭素を活性化する際の実行表面積を大きくすることができる。さらに、グラフェンを３次元立体構造とした場合には、二酸化炭素を活性化する際の実行表面積をより大きくすることができる。
また、還元電極１４として用いる窒素ドープグラフェンでは、グラフェンを構成する炭素原子の数に対してドープする窒素原子の数を１／６以下としている。これにより、グラフェン中における窒素含有芳香族構造（例えばピリジン構造）の存在割合が高すぎることに起因して、二酸化炭素を活性化する作用が低下することを抑制できる。
（第２実施形態）
以下、本発明の第２実施形態について説明する。本第２実施形態は、上記第１実施形態と比較して、ＰＶセル１２、酸化電極１３、還元電極１４の構成が異なっている。以下、上記第１実施形態と同様の部分については説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。
以下、本発明の第２実施形態について説明する。本第２実施形態は、上記第１実施形態と比較して、ＰＶセル１２、酸化電極１３、還元電極１４の構成が異なっている。以下、上記第１実施形態と同様の部分については説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。
図２に示すように、本第２実施形態では、ＰＶセル１２を構成する半導体において、一面側の表面上に酸化電極１３が形成され、他面側の表面上に還元電極１４が形成されている。つまり、ＰＶセル１２、酸化電極１３および還元電極１４が一体化して構成されている。このため、本第２実施形態では、ＰＶセル１２が酸化電極１３および還元電極１４とともに容器１０の内部に配置され、電解液１１に浸された状態となっている。本第２実施形態の構成では、ＰＶセル１２に還元電極１４側から太陽光が照射されるようになっている。
酸化電極１３は、ＰＶセル１２のアノード側表面に酸化ルテニウム（ＲｕＯ2）、酸化イリジウム（ＩｒＯ2）、酸化コバルト（ＣｏＯ）、またはＰｔ等を成膜することで形成されている。
還元電極１４は、ＰＶセル１２のカソード側表面に窒素ドープグラフェンを設けることで形成されている。グラフェンは、原子１個分の厚さの単原子シートであるため透明性が高く、太陽光が透過可能な透明電極として用いることができる。また、還元電極１４の構成によって還元反応による生成物が異なることから、目的とする生成物の種類によって、還元電極１４の構成を異ならせてもよく、また半導体の保護強化のために還元電極１４の構成を変えてもよい。例えば、ＰＶセル１２と窒素ドープグラフェンとの間にＩＴＯ、ＦＴＯ、ＴｉＯ2等の透明電極を配置して、還元電極１４を形成してもよい。
ＰＶセル１２では、太陽光が照射されることで内部光電効果によって電子が励起されるが、光エネルギーのうち一部は熱として放出される。このため、太陽光が照射されることでＰＶセル１２は発熱する。
本第２実施形態では、ＰＶセル１２、酸化電極１３および還元電極１４が一体化されているので、ＰＶセル１２で発生した熱は、酸化電極１３および還元電極１４に直接伝えられる。これにより、酸化電極１３および還元電極１４の近傍の電解液１１を温度上昇させることができる。
電極１３、１４の表面における電極反応（酸化反応、還元反応）の反応速度は、温度上昇に伴って上昇する。このため、ＰＶセル１２からの熱が電極１３、１４に伝わることで、電極１３、１４における反応生成物の生成効率を向上させることができる。或いは励起キャリアのエネルギーを小さくできるので、半導体バンドギャップを狭くして電流値、すなわち励起キャリア数を増やすこともできる。
以上説明した本第２実施形態によれば、ＰＶセル１２、酸化電極１３および還元電極１４を一体化することで、ＰＶセル１２と酸化電極１３、ＰＶセル１２と還元電極１４を接続する配線が不要となる。
また、ＰＶセル１２、酸化電極１３および還元電極１４を一体化することで、ＰＶセル１２で発生した熱を利用して、電極１３、１４近傍の電解液１１を温度上昇させることができ、電極１３、１４における反応生成物の生成効率を向上させることができる。
また、還元電極１４を構成するグラフェンは高い熱伝導度を有しており、ＰＶセル１２で発生した熱を電解液１１に効率よく伝達する放熱板として機能する。このため、ＰＶセル１２の熱を還元電極１４を構成するグラフェンによって電解液１１に効率よく伝達でき、還元反応の反応効率を向上させることができる。
また、ＰＶセル１２を電解液１１に浸漬して使用する場合には、ＰＶセル１２を構成する半導体が電解液１１中の物質によって劣化するおそれがある。これに対し、本第２実施形態の構成では、ＰＶセル１２の表面を酸化電極１３および還元電極１４で覆っているので、ＰＶセル１２の劣化を抑制できる。特に還元電極１４を構成するグラフェンは高い物質不透過性を有していることから、ＰＶセル１２を効果的に保護することができる。
（第３実施形態）
以下、本発明の第３実施形態について説明する。本第３実施形態は、上記第１実施形態と比較して、ＰＶセル１２、酸化電極１３、還元電極１４の構成が異なっている。以下、上記各実施形態と同様の部分については説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。
以下、本発明の第３実施形態について説明する。本第３実施形態は、上記第１実施形態と比較して、ＰＶセル１２、酸化電極１３、還元電極１４の構成が異なっている。以下、上記各実施形態と同様の部分については説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。
図３に示すように、本第３実施形態では、酸化電極１３はＰＶセル１２と別体として構成されており、酸化電極１３はＰＶセル１２と配線を介して電気的に接続されている。一方、還元電極１４は、ＰＶセル１２を構成する半導体のカソード側表面に形成されている。つまり、ＰＶセル１２および還元電極１４が一体化して構成されている。
還元電極１４は、容器１０の壁面に設けられいる。還元電極１４は、容器１０の内部に露出しており、電解液１１に接している。ＰＶセル１２は容器１０の外部に配置されており、電解液１１とは接していない。ＰＶセル１２を構成する半導体には、一体構造の還元電極１４の反対側の面から太陽光が直接入射する。
以上説明した本第３実施形態によれば、ＰＶセル１２および還元電極１４を一体化することで、ＰＶセル１２と還元電極１４を接続する配線が不要となる。
また、ＰＶセル１２および還元電極１４を一体化することで、ＰＶセル１２で発生した熱を利用して、還元電極１４近傍の電解液１１を温度上昇させることができ、還元電極１４における反応生成物の生成効率を向上させることができる。特に還元電極１４を構成するグラフェンは高い熱伝導度を有していることから、ＰＶセル１２の熱を電解液１１に効率よく伝達できる。
また、ＰＶセル１２は容器１０の外部に配置されているので、ＰＶセル１２を構成する半導体が電解液１１によって劣化することがない。
（第４実施形態）
以下、本発明の第４実施形態について説明する。本第４実施形態は、上記第１実施形態と比較して、ＰＶセル１２、酸化電極１３、還元電極１４の構成が異なっている。以下、上記各実施形態と同様の部分については説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。
以下、本発明の第４実施形態について説明する。本第４実施形態は、上記第１実施形態と比較して、ＰＶセル１２、酸化電極１３、還元電極１４の構成が異なっている。以下、上記各実施形態と同様の部分については説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。
図４に示すように、本第４実施形態では、還元電極１４はＰＶセル１２と別体として構成されており、還元電極１３はＰＶセル１２と配線を介して電気的に接続されている。一方、酸化電極１３は、ＰＶセル１２を構成する半導体のアノード側表面に形成されている。つまり、ＰＶセル１２および酸化電極１３が一体化して構成されている。
酸化電極１３は、容器１０の壁面に設けられている。酸化電極１３は、容器１０の内部に露出しており、電解液１１に接している。ＰＶセル１２は容器１０の外部に配置されており、電解液１１とは接していない。ＰＶセル１２を構成する半導体には、一体構造の酸化電極１３の反対側の面から太陽光が直接入射する。
以上説明した本第４実施形態によれば、ＰＶセル１２および酸化電極１３を一体化することで、ＰＶセル１２と酸化電極１３を接続する配線が不要となる。
また、ＰＶセル１２および酸化電極１３を一体化することで、ＰＶセル１２で発生した熱を利用して、酸化電極１３近傍の電解液１１を温度上昇させることができ、酸化電極１３における反応生成物の生成効率を向上させることができる。
また、ＰＶセル１２は容器１０の外部に配置されているので、ＰＶセル１２を構成する半導体が電解液１１によって劣化することがない。
（他の実施形態）
本発明は上述の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、以下のように種々変形可能である。また、上記各実施形態に開示された手段は、実施可能な範囲で適宜組み合わせてもよい。
本発明は上述の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、以下のように種々変形可能である。また、上記各実施形態に開示された手段は、実施可能な範囲で適宜組み合わせてもよい。
例えば、上記各実施形態の構成に、ＰＶセル１２に照射される太陽光を集光する集光レンズを設けてもよい。集光レンズとしては、例えば球面レンズ、フレネルレンズまたはマイクロレンズを用いることができる。集光レンズによって太陽光を集光することで、ＰＶセル１２の光エネルギーから電気エネルギーへの変換効率を向上させることができ、ＰＶセル１２を構成する半導体の面積を小さくすることができる。特に、ＰＶセル１２としてＩＩＩ−Ｖ族半導体を用いている場合には、集光による変換効率を向上させる効果が大きい。さらに太陽光の集光により、ＰＶセル１２で発生する熱エネルギーを大きくすることができ、電極１３、１４での反応生成物の生成効率を効果的に向上させることができる。
集光レンズの倍率は、例えば２〜１０００倍とすることができる。集光レンズの倍率を変化させることで、太陽光が照射される際のＰＶセル１２の発熱量を制御することができる。具体的には、集光レンズの倍率を高くするとＰＶセル１２の温度が高くなり、集光レンズの倍率を低くするとＰＶセル１２の温度が低くなる。
また、上記第３実施形態の構成において、一体化されたＰＶセル１２および還元電極１４を容器１０の内部に配置し、電解液１１に浸漬させてもよい。同様に、上記第４実施形態の構成において、一体化されたＰＶセル１２および酸化電極１３を容器１０の内部に配置し、電解液１１に浸漬させてもよい。
また、上記各実施形態では、光エネルギーを利用して直流電力を発生するＰＶセル１２を用いた例について説明したが、ＰＶセル１２に代えて、光エネルギーを利用することなく直流電力を発生させる電池を用いてもよい。
１ 二酸化炭素還元装置
１１ 電解液
１２ ＰＶセル（光発電素子）
１３ 還元電極
１４ 酸化電極
１１ 電解液
１２ ＰＶセル（光発電素子）
１３ 還元電極
１４ 酸化電極
Claims (5)
- 電解液に浸漬され、水の酸化反応で酸素および水素イオンを生成する酸化電極（１３）と、
前記電解液に浸漬され、二酸化炭素の還元反応で炭素化合物を生成する還元電極（１４）と、
光が照射されることによって内部光電効果を発生し、前記酸化電極および前記還元電極に電気的に接続された光発電素子（１２）と、
を備え、
前記還元電極には、窒素がドープされたグラフェンが用いられており、
前記光発電素子のカソード側に前記還元電極が一体化されており、
前記光発電素子に前記還元電極側から光が照射される二酸化炭素還元装置 - 前記光発電素子のアノード側に前記酸化電極が一体化されている請求項１に記載の二酸化炭素還元装置。
- 前記還元電極は金属電極を含んでおり、前記窒素ドープしたグラフェンが前記金属電極表面の少なくとも一部に接合されている請求項１または２に記載の二酸化炭素還元装置。
- 前記金属電極は、Ｎｉ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｐｔ及びこれらの酸化物のいずれかである請求項３に記載の二酸化炭素還元装置。
- 前記窒素がドープされたグラフェンは、グラフェンを構成する炭素原子の数に対してドープする窒素原子の数が１／６以下である請求項１ないし４のいずれか１つに記載の二酸化炭素還元装置。
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