JPH05193902A - 放射線励起による半導体触媒を用いた水素生成装置 - Google Patents
放射線励起による半導体触媒を用いた水素生成装置Info
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Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
- C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
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Abstract
(57)【要約】
【構成】原子力発電所内１の高放射線場である圧力容器
３の隣接する場所に反応セル５を設置し気相，液相に分
かれたセル内に半導体触媒粉末を入れる。圧力容器３内
からの放射線によって半導体触媒は励起して水素が生成
する。生成した水素は反応セル５内を循環装置９により
循環する。この時、水の放射線分解により水素の生成を
促進する添加物を水溶液内に入れておく。使用済みの半
導体触媒の水溶液は、排水・注入系６によりサンプリン
グ，供給が可能である。気相へ移行した水素は、水素分
離器７と回収装置８で水素，酸素などの生成ガスを分離
し貯蔵，蓄積する。 【効果】核エネルギの放射線を有効に利用し、放射線励
起によって半導体触媒を用いることにより効率良く安定
して水素を供給することができる。
３の隣接する場所に反応セル５を設置し気相，液相に分
かれたセル内に半導体触媒粉末を入れる。圧力容器３内
からの放射線によって半導体触媒は励起して水素が生成
する。生成した水素は反応セル５内を循環装置９により
循環する。この時、水の放射線分解により水素の生成を
促進する添加物を水溶液内に入れておく。使用済みの半
導体触媒の水溶液は、排水・注入系６によりサンプリン
グ，供給が可能である。気相へ移行した水素は、水素分
離器７と回収装置８で水素，酸素などの生成ガスを分離
し貯蔵，蓄積する。 【効果】核エネルギの放射線を有効に利用し、放射線励
起によって半導体触媒を用いることにより効率良く安定
して水素を供給することができる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は水素の製造技術に係り、
特に、アンモニア製造，石油脱硫，化学工業，製鉄，半
導体製造などの水素を利用する産業に好適な放射線励起
による半導体触媒を用いた水素生成法に関する。
特に、アンモニア製造，石油脱硫，化学工業，製鉄，半
導体製造などの水素を利用する産業に好適な放射線励起
による半導体触媒を用いた水素生成法に関する。
【０００２】
【従来の技術】触媒反応を利用して太陽エネルギのうち
紫外可視光領域を電気エネルギに変換する光エネルギ変
換方法に半導体触媒を用いる方法がある。これは、電解
液中で半導体電極の表面に光を照射し、光を吸収させて
キャリヤである電子と正孔を発生させて、半導体界面に
形成された電気二重層の電位勾配を介してこれらキャリ
ヤを分離し、電流として取り出す方法である。この電気
エネルギを用いて、水を電気分解させて水素を発生させ
る方法がよく知られている。図４に従来法の概要図を示
す。（ａ）図において反応セル内に電解溶液中にＴｉＯ
2 半導体電極と対極にＰｔ電極を設置する。そこに太陽
光及び光源等の光をフィルタ及びレンズにより波長選択
及び集光しセルの窓から半導体表面に均一に光を照射す
る。可視光による水の光分解は半導体と溶液の不均一界
面を利用して光によって生成した電荷の分離をスムーズ
に行いうことにより行う。
紫外可視光領域を電気エネルギに変換する光エネルギ変
換方法に半導体触媒を用いる方法がある。これは、電解
液中で半導体電極の表面に光を照射し、光を吸収させて
キャリヤである電子と正孔を発生させて、半導体界面に
形成された電気二重層の電位勾配を介してこれらキャリ
ヤを分離し、電流として取り出す方法である。この電気
エネルギを用いて、水を電気分解させて水素を発生させ
る方法がよく知られている。図４に従来法の概要図を示
す。（ａ）図において反応セル内に電解溶液中にＴｉＯ
2 半導体電極と対極にＰｔ電極を設置する。そこに太陽
光及び光源等の光をフィルタ及びレンズにより波長選択
及び集光しセルの窓から半導体表面に均一に光を照射す
る。可視光による水の光分解は半導体と溶液の不均一界
面を利用して光によって生成した電荷の分離をスムーズ
に行いうことにより行う。
【０００３】 Ｈ2Ｏ＋ｈν→Ｈ2＋Ｏ2／２ …（化１） 上式は、光によって水を酸化還元反応で水素と酸素に分
解するために、自由エネルギで約５７ｋｃａｌ／ｍｏ
ｌ、酸化還元の分解電圧として最低１.２３Ｖ が必要と
なる反応である。この反応機構を図４（ｂ）に示す。半
導体が光を吸収すると価電子帯の電子が伝導帯に励起さ
れ正孔が発生する。半導体中の電場により正孔は溶液中
に移動し水を酸化する。一方電子は対極上で水を還元す
ることにより水素と酸素が分解し生成することによる
（参考文献 藤嶋 昭 他 電気化学測定法（下） 第
１６章）。
解するために、自由エネルギで約５７ｋｃａｌ／ｍｏ
ｌ、酸化還元の分解電圧として最低１.２３Ｖ が必要と
なる反応である。この反応機構を図４（ｂ）に示す。半
導体が光を吸収すると価電子帯の電子が伝導帯に励起さ
れ正孔が発生する。半導体中の電場により正孔は溶液中
に移動し水を酸化する。一方電子は対極上で水を還元す
ることにより水素と酸素が分解し生成することによる
（参考文献 藤嶋 昭 他 電気化学測定法（下） 第
１６章）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】上記、従来技術は光源
や太陽光を利用するので波長が必ずしも単一なく、波長
選択を行なわなければならない。また、太陽光は、エネ
ルギ密度が低く，地域，季節，時間による変動がある。
更に、水素の生成効率が悪いなどの問題があった。
や太陽光を利用するので波長が必ずしも単一なく、波長
選択を行なわなければならない。また、太陽光は、エネ
ルギ密度が低く，地域，季節，時間による変動がある。
更に、水素の生成効率が悪いなどの問題があった。
【０００５】本発明の目的は、光源や太陽光の光吸収に
よる励起でなく核エネルギの放射線を利用することで放
射線励起により半導体触媒を用いて水素を生成すること
にある。
よる励起でなく核エネルギの放射線を利用することで放
射線励起により半導体触媒を用いて水素を生成すること
にある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
には、光源や太陽光のエネルギを核エネルギの放射線に
することにより解決される。例えば、原子力発電所や高
レベル放射性廃棄物処理施設など高放射線が放出されて
いる施設を利用する。水素生成効率を向上させるために
は、放射線吸収係数が大きい半導体触媒やその放射線の
エネルギや線質を低エネルギγ線やβ線などを使用す
る。また、半導体触媒の粉末の粒径も検討する必要があ
る。
には、光源や太陽光のエネルギを核エネルギの放射線に
することにより解決される。例えば、原子力発電所や高
レベル放射性廃棄物処理施設など高放射線が放出されて
いる施設を利用する。水素生成効率を向上させるために
は、放射線吸収係数が大きい半導体触媒やその放射線の
エネルギや線質を低エネルギγ線やβ線などを使用す
る。また、半導体触媒の粉末の粒径も検討する必要があ
る。
【０００７】
【作用】放射線照射によって半導体触媒に吸収されたエ
ネルギの電流と電圧の積で表せる電気エネルギへの変換
効率がγ線と紫外光でほぼ同オーダである。よって、γ
線エネルギ、即ち、光子エネルギが増加するとγ線吸収
係数が減少し、例えば、低エネルギγ線，低エネルギＸ
線，β線などを照射すれば、放射線の吸収量は増加す
る。また、エネルギ変換効率を向上させるためには、半
導体触媒の表面や内部の欠陥の少ない半導体の製法や欠
陥を取り除く処理方法を確立することによって達成され
る。
ネルギの電流と電圧の積で表せる電気エネルギへの変換
効率がγ線と紫外光でほぼ同オーダである。よって、γ
線エネルギ、即ち、光子エネルギが増加するとγ線吸収
係数が減少し、例えば、低エネルギγ線，低エネルギＸ
線，β線などを照射すれば、放射線の吸収量は増加す
る。また、エネルギ変換効率を向上させるためには、半
導体触媒の表面や内部の欠陥の少ない半導体の製法や欠
陥を取り除く処理方法を確立することによって達成され
る。
【０００８】更に、半導体の電位が水の酸化還元電位よ
り大きい材料であること。半導体触媒の粉末の粒径を十
数μｍ程度とすることで電子が半導体界面に移動する前
に正孔と再結合する割合を抑え放射線の電離作用で生成
した電子を電流として有効に取り出すことができる。一
方、粉末だけでは電子・正孔を分離する能力が弱いがＰ
ｆなどの金属やＲａＯ2 などの金属酸化物を半導体粉末
上に担持すると電荷分離効率が改善されると同時に担持
物質の触媒作用によって十〜百倍程度特性を増加させる
ことが可能である。
り大きい材料であること。半導体触媒の粉末の粒径を十
数μｍ程度とすることで電子が半導体界面に移動する前
に正孔と再結合する割合を抑え放射線の電離作用で生成
した電子を電流として有効に取り出すことができる。一
方、粉末だけでは電子・正孔を分離する能力が弱いがＰ
ｆなどの金属やＲａＯ2 などの金属酸化物を半導体粉末
上に担持すると電荷分離効率が改善されると同時に担持
物質の触媒作用によって十〜百倍程度特性を増加させる
ことが可能である。
【０００９】半導体触媒の放射線励起による水素生成
は、核エネルギの放射線を利用するのでエネルギ密度が
低く，地域，季節，時間による変動があるなどの問題が
解決される。また、放射線は原子力発電所内やその廃棄
物処分施設内に無尽蔵にありこれらを有効に利用でき
る。
は、核エネルギの放射線を利用するのでエネルギ密度が
低く，地域，季節，時間による変動があるなどの問題が
解決される。また、放射線は原子力発電所内やその廃棄
物処分施設内に無尽蔵にありこれらを有効に利用でき
る。
【００１０】
【実施例】以下、本発明を実施例により説明する。半導
体触媒の放射線応答特性では酸化Ｚｒより酸化Ｔａの方
が安定であった。これは、Ｔａの酸化皮膜は硫酸に不溶
であり、Ｚｒの酸化皮膜は硫酸に溶解するためと考えら
れる。図２は、厚さ約４μｍの酸化皮膜を持つＴａ半導
体電極を作成し、そのγ線応答特性を調べた結果を示
す。酸化Ｔａ半導体電極に１.６Ｖ印加した結果は、γ
線励起により約０.５μＡの電流が増加した。一方、ラ
ンプ電流１５Ａにおける光励起では、１.６Ｖの電圧印
加で約１０μＡの電流が増加した。このことから、光子
の吸収エネルギに対する電圧と電位の積で表せるため、
電気エネルギへのエネルギ変換効率を求めると次のよう
になる。Ｔａ半導体の光励起の閾エネルギは４.０ｅＶ
で、波長３１０ｎｍに相当する。照射光エネルギは、ラ
ンプ電流１５Ａにおいて0.028Ｗ／cm2となりエネルギ変
換効率は、０.０８６％となる。光照射では、全て半導
体電極に吸収されると考えた場合である。一方、γ線の
場合、線量率は０.０７２Ａ／kgであり、Ｔａ半導体の
吸収線量率は、０.００２３Ｗ／cm2となり、エネルギ変
換率は、０.０３５％ となる。ここで、同様に酸化Ｔａ
のγ線吸収係数は、Ｗと同じとして仮定した。このよう
に、本実施例によれば、半導体触媒に吸収されたエネル
ギの電流と電圧の積で表せる電気エネルギへのエネルギ
変換効率は、γ線と紫外光でほぼ同オーダであり、これ
は、光子エネルギが異なっても変換効率に大差がないこ
とから半導体触媒を放射線励起することによって水素製
造ができる。実際、γ線を半導体触媒を酸化Ｔａと酸化
Ｚｒの粉末の酸化物に照射したとき水素は発生した。ま
た、メタノールやエタノールなどのアルコールを添加す
ることによっても水素の発生量を増加することが可能で
ある。水素生成効率を向上させるためには半導体触媒の
粉末の粒径を１０μｍ程度とすればよい。これは、電子
が半導体界面に移動する前に正孔と再結合する割合を抑
えるため放射線の電離作用で生成した電子を電流として
有効に取り出すことができる。
体触媒の放射線応答特性では酸化Ｚｒより酸化Ｔａの方
が安定であった。これは、Ｔａの酸化皮膜は硫酸に不溶
であり、Ｚｒの酸化皮膜は硫酸に溶解するためと考えら
れる。図２は、厚さ約４μｍの酸化皮膜を持つＴａ半導
体電極を作成し、そのγ線応答特性を調べた結果を示
す。酸化Ｔａ半導体電極に１.６Ｖ印加した結果は、γ
線励起により約０.５μＡの電流が増加した。一方、ラ
ンプ電流１５Ａにおける光励起では、１.６Ｖの電圧印
加で約１０μＡの電流が増加した。このことから、光子
の吸収エネルギに対する電圧と電位の積で表せるため、
電気エネルギへのエネルギ変換効率を求めると次のよう
になる。Ｔａ半導体の光励起の閾エネルギは４.０ｅＶ
で、波長３１０ｎｍに相当する。照射光エネルギは、ラ
ンプ電流１５Ａにおいて0.028Ｗ／cm2となりエネルギ変
換効率は、０.０８６％となる。光照射では、全て半導
体電極に吸収されると考えた場合である。一方、γ線の
場合、線量率は０.０７２Ａ／kgであり、Ｔａ半導体の
吸収線量率は、０.００２３Ｗ／cm2となり、エネルギ変
換率は、０.０３５％ となる。ここで、同様に酸化Ｔａ
のγ線吸収係数は、Ｗと同じとして仮定した。このよう
に、本実施例によれば、半導体触媒に吸収されたエネル
ギの電流と電圧の積で表せる電気エネルギへのエネルギ
変換効率は、γ線と紫外光でほぼ同オーダであり、これ
は、光子エネルギが異なっても変換効率に大差がないこ
とから半導体触媒を放射線励起することによって水素製
造ができる。実際、γ線を半導体触媒を酸化Ｔａと酸化
Ｚｒの粉末の酸化物に照射したとき水素は発生した。ま
た、メタノールやエタノールなどのアルコールを添加す
ることによっても水素の発生量を増加することが可能で
ある。水素生成効率を向上させるためには半導体触媒の
粉末の粒径を１０μｍ程度とすればよい。これは、電子
が半導体界面に移動する前に正孔と再結合する割合を抑
えるため放射線の電離作用で生成した電子を電流として
有効に取り出すことができる。
【００１１】以上説明した半導体触媒を使用した一実施
例を図１により説明する。原子力発電所内１の高放射線
場である圧力容器３の隣接する場所に反応セル５を設置
し気相，液相に分かれたセル内に半導体触媒粉末を入れ
る。圧力容器３内から放射される放射線によって半導体
触媒は、励起し水素が生成する。生成した水素を効率よ
く気相へ移行させるため反応セル５内を循環装置９によ
り循環する。また、この時、水の放射線分解により水素
の生成を促進する添加物を水溶液内に入れておくことに
より水素生成量が多くなる。また、使用済みの半導体触
媒の水溶液は、排水・注入系６によりサンプリング，供
給が可能である。気相へ移行した水素は、水素分離器７
と回収装置８で水素，酸素などの生成ガスを分離し貯
蔵，蓄積する。例えば、水素分離器７では多孔質膜分離
や磁気分離によって行なえばよい。図１における原子力
発電所内１の変わりに放射性廃棄物施設の放射線場を利
用して同様に放射線励起により水素を生成することがで
きる。また、放射線源を格納している施設内に設置して
も同様に放射線励起による水素生成ができる。
例を図１により説明する。原子力発電所内１の高放射線
場である圧力容器３の隣接する場所に反応セル５を設置
し気相，液相に分かれたセル内に半導体触媒粉末を入れ
る。圧力容器３内から放射される放射線によって半導体
触媒は、励起し水素が生成する。生成した水素を効率よ
く気相へ移行させるため反応セル５内を循環装置９によ
り循環する。また、この時、水の放射線分解により水素
の生成を促進する添加物を水溶液内に入れておくことに
より水素生成量が多くなる。また、使用済みの半導体触
媒の水溶液は、排水・注入系６によりサンプリング，供
給が可能である。気相へ移行した水素は、水素分離器７
と回収装置８で水素，酸素などの生成ガスを分離し貯
蔵，蓄積する。例えば、水素分離器７では多孔質膜分離
や磁気分離によって行なえばよい。図１における原子力
発電所内１の変わりに放射性廃棄物施設の放射線場を利
用して同様に放射線励起により水素を生成することがで
きる。また、放射線源を格納している施設内に設置して
も同様に放射線励起による水素生成ができる。
【００１２】本実施例によれば核エネルギを有効利用で
き変動なく放射線により安定した水素の製造ができる。
き変動なく放射線により安定した水素の製造ができる。
【００１３】
【発明の効果】本発明によれば、核エネルギの放射線を
有効に利用でき、放射線励起によって半導体触媒を用い
ることにより効率良く水素を製造できるので変動がなく
安定した水素を供給できる効果がある。
有効に利用でき、放射線励起によって半導体触媒を用い
ることにより効率良く水素を製造できるので変動がなく
安定した水素を供給できる効果がある。
【図１】本発明の原子力発電所を利用しての一実施例の
断面図。
断面図。
【図２】放射線による半導体触媒のγ線応答特性図。
【図３】従来の光半導体触媒の実施例の説明図。
１…原子炉建物、２…格納容器、３…圧力容器、４…一
次冷却系、５…反応セル、６…排水・注入系、７…水素
分離器、８…回収装置、９…循環計、１０…光源、１１
…フィルタ、１２…レンズ、１３…光入射窓、１４…半
導体、１５…水溶液、１６…白金、１７…反応セル。
次冷却系、５…反応セル、６…排水・注入系、７…水素
分離器、８…回収装置、９…循環計、１０…光源、１１
…フィルタ、１２…レンズ、１３…光入射窓、１４…半
導体、１５…水溶液、１６…白金、１７…反応セル。
Claims (5)
- 【請求項１】水素を生成する方法において、半導体触媒
を用いて放射線励起を利用することを特徴とする放射線
励起による半導体触媒を用いた水素生成装置。 - 【請求項２】請求項１において、前記半導体触媒とし
て、半導体の放射線吸収係数の大きい材料を用いる放射
線励起による半導体触媒を用いた水素生成装置。 - 【請求項３】請求項１において、前記半導体触媒とし
て、半導体の電位が水の酸化還元の電位より大きい材料
を用いる放射線励起による半導体触媒を用いた水素生成
装置。 - 【請求項４】請求項１において、前記半導体触媒とし
て、粒径が１０μｍ程度の半導体粉末を用いる放射線励
起による半導体触媒を用いた水素生成装置。 - 【請求項５】請求項１において、放射線励起に用いる放
射線を低エネルギγ線や低エネルギＸ線やβ線などとす
る放射線励起による半導体触媒を用いた水素生成装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4005460A JPH05193902A (ja) | 1992-01-16 | 1992-01-16 | 放射線励起による半導体触媒を用いた水素生成装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4005460A JPH05193902A (ja) | 1992-01-16 | 1992-01-16 | 放射線励起による半導体触媒を用いた水素生成装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05193902A true JPH05193902A (ja) | 1993-08-03 |
Family
ID=11611839
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4005460A Pending JPH05193902A (ja) | 1992-01-16 | 1992-01-16 | 放射線励起による半導体触媒を用いた水素生成装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH05193902A (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2002062470A1 (fr) * | 2001-02-07 | 2002-08-15 | Japan Science And Technology Corporation | Photocatalyseurs permettant de decomposer l'eau a l'aide de la lumiere visible |
| JP2003021695A (ja) * | 2001-07-09 | 2003-01-24 | Japan Atom Energy Res Inst | 原子炉を利用した光触媒利用型水素・酸素製造方法及びその装置 |
| JP2006248821A (ja) * | 2005-03-09 | 2006-09-21 | Japan Atomic Energy Agency | 高レベル放射性廃棄物を線源とする放射線誘起触媒反応による水素製造法 |
| JP2008533287A (ja) * | 2005-03-16 | 2008-08-21 | フュエルコア エルエルシー | 合成炭化水素化合物を生成するためのシステム、方法、および組成物 |
-
1992
- 1992-01-16 JP JP4005460A patent/JPH05193902A/ja active Pending
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2002062470A1 (fr) * | 2001-02-07 | 2002-08-15 | Japan Science And Technology Corporation | Photocatalyseurs permettant de decomposer l'eau a l'aide de la lumiere visible |
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| JP4635190B2 (ja) * | 2001-07-09 | 2011-02-16 | 独立行政法人 日本原子力研究開発機構 | 原子炉を利用した光触媒利用型水素・酸素製造方法及びその装置 |
| JP2006248821A (ja) * | 2005-03-09 | 2006-09-21 | Japan Atomic Energy Agency | 高レベル放射性廃棄物を線源とする放射線誘起触媒反応による水素製造法 |
| JP2008533287A (ja) * | 2005-03-16 | 2008-08-21 | フュエルコア エルエルシー | 合成炭化水素化合物を生成するためのシステム、方法、および組成物 |
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