KR20150143854A - 광화학 반응 장치 및 박막 - Google Patents

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칭춘 후앙
사토시 미코시바
료타 기타가와
아키히코 오노
준 다무라
유키 구도
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가부시끼가이샤 도시바
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Abstract

본 실시 형태의 광화학 반응 장치에 의하면, 물을 산화시켜 산소를 생성하는 산화 반응부(309)와, 이산화탄소를 환원시켜 탄소 화합물을 생성하고, 이산화탄소가 흡수된 아민 분자를 포함하는 제1 용액(306) 중에 배치되는 환원 반응부(310)와, 빛 에너지에 의하여 전하 분리되어 상기 산화 반응부 및 상기 환원 반응부에 전기적으로 접속되는 반도체 소자(311)와, 상기 산화 반응부와 상기 제1 용액 사이에 형성되어, 상기 제1 용액으로부터 상기 산화 반응부에의 상기 아민 분자의 투과를 저해하는 박막(304)을 구비한다.

Description

광화학 반응 장치 및 박막{PHOTOCHEMICAL REACTION DEVICE AND THIN FILM}
본 발명의 실시 형태는 광화학 반응 장치 및 박막에 관한 것이다.
에너지 문제나 환경 문제의 관점에서, 식물과 같이 빛 에너지에 의하여 이산화탄소(CO2)를 효율적으로 환원할 것이 요구되고 있다. 식물은 Z 스킴이라고 불리는, 빛 에너지를 2단계로 여기하는 시스템을 사용한다. 이러한 시스템의 광화학 반응에 의하여, 식물은 물(H2O)로부터 전자를 얻어 이산화탄소를 환원시켜 셀룰로오스나 당류를 합성하고 있다.
그러나 인공적으로 광화학 반응에 의하여, 희생 시약을 사용하지 않고 물로부터 전자를 얻어 CO2를 분해하는 기술은 매우 효율이 낮은 것밖에 없다.
예를 들어 특허문헌 1에는, 광화학 반응 장치로서, H2O를 산화시켜 산소(O2)를 생성하는 산화 반응용 전극과, CO2를 환원시켜 탄소 화합물을 생성하는 환원 반응용 전극을 구비한다. 산화 반응용 전극은 반도체 광촉매를 사용하여, 빛 에너지에 의하여 H2O를 산화시키는 전위를 얻는다. 환원 반응용 전극은 반도체 광촉매의 표면에 CO2를 환원시키는 금속 착체 환원 촉매를 설치하고, 산화 반응용 전극과 전선으로 접속된다. 환원 반응용 전극은 빛 에너지에 의하여 CO2를 환원시키는 전위를 얻고, CO2를 환원시켜 포름산(HCOOH)을 생성한다. 또한 산화 반응용 전극으로부터 환원 반응용 전극으로 광 여기 전자가 전송되고, 환원 반응용 전극에 있어서 생성된 광 여기 정공과 전송된 광 여기 전자가 원활히 결합한다. 이와 같이, 가시광을 사용하여 광촉매로 CO2의 환원 및 H2O의 산화를 행하는 데 필요한 전위를 얻기 위하여, 식물을 모방한 Z 스킴형 인공 광합성 시스템을 사용하고 있다.
그러나 특허문헌 1에서는, 태양 에너지 변환 효율은 0.04％ 정도로 매우 낮다. 이는, 가시광에 의하여 여기할 수 있는 반도체 광촉매의 에너지 효율이 낮은 데 원인이 있다. 또한 환원 반응용 전극이 전선에 의하여 산화 반응용 전극에 접속되기 때문에, 그 배선 저항에 의하여 전기(전류)를 취출하는 효율이 저하되고, 그 결과, 효율이 낮아진다.
또한 특허문헌 2는, 물을 산화시켜 산소를 얻는 반도체 광촉매, 물을 환원시켜 수소를 얻는 반도체 광촉매 및 2종류의 반도체 광촉매 사이에 전자를 전도하는 산화 환원 쌍으로 구성되는 인공 광합성 시스템이다. 이 시스템에서는, 하나의 용액 중에 2종류의 반도체 광촉매 미립자가 분산되고, 각 반도체 광촉매는 빛 에너지에 의하여 원하는 전위를 얻어 산화 반응 및 환원 반응을 행한다. 이것도 식물을 모방한 Z 스킴형의 인공 광합성 시스템의 일례이다. 그러나 특허문헌 1과 마찬가지로, 기존 기술의 반도체 광촉매는 가시광 영역에서의 빛 에너지 이용률이 낮아, 에너지 변환 효율은 낮은 수준이다.
이들 인공 광합성 기술은, 어느 쪽도 CO2 공급원으로서 CCS(Carbon Capture and Storage)라고 불리는 CO2의 회수·저류 기술이 유망하다. CCS는 고농도 CO2를 액체형으로 제공하는 것이 가능하며, 장래, 대규모 플랜트를 위한 대량 CO2 공급원으로서 기대할 수 있다. 이 CCS 기술에서는, 아민 분자를 포함하는 액체 흡수제에 의하여, 화력 발전소 등으로부터 배출된 대량의 CO2를 화학 반응에 의하여 흡수한다. 이 아민 분자는 화학 안정성이 낮은 물질이기 때문에 자연스러운 상태에서도 서서히 산화되어 버린다. 이 때문에 별도의 아민 분자의 산화 억제제로서 이미다졸황류 물질 등이 투입된다.
그러나 인공 광합성 시스템에서는, 양극에 있어서 강력한 산화 환경이 제공된다. 이 때문에, 본래 바람직한 물의 산화 반응보다, CCS에 사용되는 CO2 액체 흡수제 중에 있는 아민 분자가 우선적으로 산화되어 버린다. 그 결과, 아민 흡수액의 회수·재이용은 불가능하게 되거나, 물의 산화에 의하여 얻어지는 산소의 생성율도 저하되어 버리거나 하는 문제가 예측된다. 이미다졸황류 물질 등의 산화 억제제가 아민 분자의 자연 산화에 있어서 유효한 대책이라고 하더라도, 인공 광합성과 같은 강력한 산화 환경에서는 불충분하다고 생각된다.
이와 같이, 강력한 산화 환경인 양극에 있어서도 아민 분자의 산화를 유효하게 저해할 수 있는 인공 광합성 시스템이 요구된다.
일본 특허 공개 제2011-094194호 공보 일본 특허 공개 제2005-199187호 공보
아민 용액을 CO2 공급원으로서 사용하고 아민 분자의 산화를 방지할 수 있는 광화학 반응 장치 및 박막을 제공한다.
본 실시 형태에 의한 광화학 반응 장치는, 물을 산화시켜 산소를 생성하는 산화 반응부와, 이산화탄소를 환원시켜 탄소 화합물을 생성하고, 이산화탄소가 흡수된 아민 분자를 포함하는 제1 용액 중에 배치되는 환원 반응부와, 빛 에너지에 의하여 전하 분리되고 상기 산화 반응부 및 상기 환원 반응부에 전기적으로 접속되는 반도체 소자와, 상기 산화 반응부와 상기 제1 용액 사이에 형성되고, 상기 제1 용액으로부터 상기 산화 반응부에의 상기 아민 분자의 투과를 저해하는 박막을 구비한다.
도 1은 제1 실시 형태에 따른 광화학 반응 장치의 구성을 도시하는 단면도.
도 2는 제1 실시 형태에 따른 산화 반응 입자의 구성을 도시하는 단면도.
도 3은 제1 실시 형태에 따른 환원 반응 입자의 구성을 도시하는 단면도.
도 4는 제2 실시 형태에 따른 광화학 반응 장치의 구성을 도시하는 단면도.
도 5는 제2 실시 형태에 따른 격막의 구성을 도시하는 단면도.
도 6은 제3 실시 형태에 따른 광화학 반응 장치의 구성을 도시하는 단면도.
도 7은 제3 실시 형태에 따른 산화 전극의 구성을 도시하는 단면도.
도 8은 제3 실시 형태에 따른 산화 반응부의 구성을 도시하는 단면도.
도 9는 제3 실시 형태에 따른 환원 전극의 구성을 도시하는 단면도.
도 10은 제3 실시 형태에 따른 환원 반응부의 구성을 도시하는 단면도.
도 11은 제4 실시 형태에 따른 광화학 반응 장치의 구성을 도시하는 단면도.
도 12는 제5 실시 형태에 따른 광화학 반응 장치의 구성을 도시하는 단면도.
도 13은 제6 실시 형태에 따른 광화학 반응 장치의 구성을 도시하는 단면도.
도 14는 제6 실시 형태에 따른 전원 소자의 일례의 구성을 도시하는 사시도.
도 15는 제6 실시 형태에 따른 전원 소자의 일례의 구성을 도시하는 단면도.
본 실시 형태를, 이하에 도면을 참조하여 설명한다. 도면에 있어서 동일한 부분에는 동일한 참조 부호를 붙인다. 또한 중복된 설명은 필요에 따라 행한다.
<제1 실시 형태>
도 1 내지 도 3을 사용하여, 제1 실시 형태에 따른 광화학 반응 장치에 대하여 설명한다.
제1 실시 형태에 따른 광화학 반응 장치는, 아민 분자를 포함하는 동일한 반응 용액(106) 중에 산화 반응 입자(103) 및 환원 반응 입자(105)가 배치되고, 산화 반응 입자(103)의 표면을 덮도록 아민 분자의 투과를 저해하는 박막(104)이 형성되는 예이다. 이것에 의하여, 산화 반응 입자(103)에 의한 아민 분자의 산화를 방지할 수 있다. 이하에, 제1 실시 형태에 대하여 상세히 설명한다.
[구성]
도 1은 제1 실시 형태에 따른 광화학 반응 장치의 구성을 도시하는 단면도이다. 도 2는 제1 실시 형태에 따른 산화 반응 입자(103)의 구성을 도시하는 단면도이다. 도 3은 제1 실시 형태에 따른 환원 반응 입자(105)의 구성을 도시하는 단면도이다.
도 1에 도시한 바와 같이 제1 실시 형태에 따른 광화학 반응 장치는, 반응조(101), 기체 수집 패스(102), 산화 반응 입자(103), 박막(104), 환원 반응 입자(105) 및 반응 용액(106)을 구비한다. 이하, 각 소자에 대하여 상세히 설명한다.
반응조(101)는 반응 용액(106)을 저장하기 위한 용기이다. 반응조(101)는 기체 수집 패스(102)에 접속되고, 기체 수집 패스(102)를 통하여, 생성되는 기체를 외부로 배출한다. 또한 반응조(101)는 기체 생성물을 효율적으로 수집하기 위하여, 기체 수집 패스(102)를 제외하고 완전한 밀폐 상태로 하는 것이 바람직하다. 반응조(101)의 재료는, 광을 반응 용액(106), 산화 반응 입자(103) 및 환원 반응 입자(105)의 표면까지 도달시키기 위하여, 250㎚ 이상 1100㎚ 이하의 파장 범위에 있어서의 광의 흡수가 적은 재료가 좋다. 이러한 재료로서, 예를 들어 석영, 폴리스티롤, 메타크릴레이트 또는 백판 유리 등을 들 수 있다. 또한 반응 시(산화 반응 및 환원 반응 시)에 있어서, 반응조(101) 내에서 균일하고도 효율적으로 반응을 행하기 위하여, 반응조(101) 내에 교반 장치를 구비하여 반응 용액(106)을 교반해도 된다.
반응 용액(106)은, 기체 수집 패스(102)를 제외한 반응조(101)의 저장 용량의 100％보다 작게, 50％ 내지 90％를 채우는 것이 바람직하고 70％ 내지 90％를 채우는 것이 보다 바람직하다. 반응 용액(106)에는 복수의 산화 반응 입자(103) 및 복수의 환원 반응 입자(105)가 분산된다. 도 1에 있어서는, 간략화를 위하여 하나의 산화 반응 입자(103) 및 하나의 환원 반응 입자(105)만을 도시하고 있다. 상세는 후술하겠지만, 산화 반응 입자(103)의 표면에서 H2O의 산화 반응이 행해지고, 환원 반응 입자(105)의 표면에서 CO2의 환원 반응이 행해진다.
또한 반응 용액(106)은, 산화 반응 입자(103), 환원 반응 입자(105) 및 박막(104)을 용해 또는 부식시키거나 하지 않아 이들을 본질로부터 변화시키는 일이 없는 아민 분자를 포함하는 용액이면 된다. 이러한 용액으로서, 예를 들어 에탄올아민, 이미다졸 또는 피리딘 등의 아민 수용액을 들 수 있다. 아민은 1급 아민, 2급 아민 또는 3급 아민 중 어느 것이어도 된다. 1급 아민으로서는 메틸아민, 에틸아민, 프로필아민, 부틸아민, 펜틸아민 또는 헥실아민 등을 들 수 있다. 아민의 탄화수소는 알코올 또는 할로겐 등으로 치환되어도 된다. 아민의 탄화수소가 치환된 것으로서는, 예를 들어 메탄올아민, 에탄올아민 또는 클로로메틸아민 등을 들 수 있다. 또한 아민에 불포화 결합이 존재해도 된다. 이들 탄화수소는 2급 아민 및 3급 아민에 있어서도 마찬가지이다. 2급 아민으로서는 디메틸아민, 디에틸아민, 디프로필아민, 디부틸아민, 디펜틸아민, 디헥실아민, 디메탄올아민, 디에탄올아민 또는 디프로판올아민 등을 들 수 있다. 치환된 탄화수소는 상이해도 된다. 이는 3급 아민에 있어서도 마찬가지이다. 예를 들어 탄화수소가 상이한 것으로서는 메틸에틸아민 또는 메틸프로필아민 등을 들 수 있다. 3급 아민으로서는 트리메틸아민, 트리에틸아민, 트리프로필아민, 트리부틸아민, 트리헥실아민, 트리메탄올아민, 트리에탄올아민, 트리프로판올아민, 트리부탄올아민, 트리프로판올아민, 트리헥산올아민, 메틸디에틸아민 또는 메틸디프로필아민 등을 들 수 있다. 이 반응 용액(106)에는 아민 분자에 의하여 흡수된, 환원 반응이 일어나는 CO2가 포함된다.
이 반응 용액(106)에는 산화 반응이 일어나는 H2O가 포함되고, 또한 아민 분자에 의하여 흡수된, 환원 반응이 일어나는 CO2가 포함된다. 또한 본 예에 있어서, 산화 반응 및 환원 반응은 각각 산화 반응 입자(103) 및 환원 반응 입자(105)의 표면에서 일어난다. 따라서 산화 반응 입자(103)와 환원 반응 입자(105) 사이에서 전자(e-)나 정공(h+)의 교환을 행하기 위하여 그 사이를 전기적으로 접속하는 것이 바람직하다. 이 때문에, 반응 용액(106)에 산화 환원 쌍(즉, 레독스)을 필요에 따라 첨가해도 된다. 산화 환원 쌍은, 예를 들어 Fe3+/Fe2+, IO3-/I- 등이다.
도 2에 도시한 바와 같이 산화 반응 입자(103)는, 산화 반응 반도체 광촉매(103a)와, 그 표면에 형성되는 산화 반응 조촉매(103b)로 구성된다.
산화 반응 반도체 광촉매(103a)는 빛 에너지에 의하여 여기되어 전하 분리된다. 이때, 여기된 정공의 표준 에너지 준위는 H2O의 표준 산화 준위보다 플러스 방향이고, 또한 여기된 전자의 표준 에너지 준위는 산화 환원 쌍의 환원 준위보다 마이너스 방향이다. 이러한 산화 반응 반도체 광촉매(103a)의 재료로서는, 예를 들어 TiO2, WO3, SrTiO3, Fe2O3, BiVO4, Ag3VO4 또는 SnNb2O6 등을 들 수 있다.
산화 반응 조촉매(103b)는 원활히 산화 반응 반도체 광촉매(103a)로부터 정공을 수취하고, 반응 용액(106) 중의 H2O와 반응하여 H2O를 산화시킨다. 이러한 산화 반응 조촉매(103b)의 재료로서는, 예를 들어 RuO2, NiO, Ni(OH)2, NiOOH, Co3O4, Co(OH)2, CoOOH, FeO, Fe2O3, MnO2, Mn3O4, Rh2O3 또는 IrO2 등을 들 수 있다. 산화 반응 조촉매(103b)는 산화 반응 입자(103)에 있어서의 산화 반응을 촉진시키는 것이기 때문에, 산화 반응 반도체 광촉매(103a)에 의한 산화 반응이 충분하면 없어도 된다.
도 3에 도시한 바와 같이 환원 반응 입자(105)는, 환원 반응 반도체 광촉매(105a)와, 그 표면에 형성되는 환원 반응 조촉매(105b)로 구성된다.
환원 반응 반도체 광촉매(105a)는 빛 에너지에 의하여 여기되어 전하 분리된다. 이때, 여기된 전자의 표준 에너지 준위는 CO2의 표준 환원 준위보다 마이너스 방향이고, 또한 여기된 정공의 표준 에너지 준위는 산화 환원 쌍의 표준 산화 준위보다 플러스 방향이다. 이러한 환원 반응 반도체 광촉매(105a)의 재료로서는, 예를 들어 TiO2 또는 N-Ta2O5 등을 들 수 있다.
환원 반응 조촉매(105b)는 원활히 환원 반응 반도체 광촉매(105a)로부터 전자를 수취하고, 반응 용액(106) 중의 CO2와 반응하여 CO2를 환원시킨다. 이러한 환원 반응 조촉매(105b)로서는, 예를 들어 Au, Ag, Zn, Cu, N-그래핀, Hg, Cd, Pb, Ti, In, Sn 또는 루테늄 착체 또는 레늄 착체와 같은 금속 착체 등을 들 수 있다. 환원 반응 조촉매(105b)는 환원 반응 입자(105)에 있어서의 환원 반응을 촉진시키는 것이기 때문에, 산화 반응 반도체 광촉매(103a)에 의한 산화 반응이 충분하면 없어도 된다.
상술한 바와 같이, 산화 반응 입자(103)는 양극으로 되어 산화 반응 반도체 광촉매(103a)에 의한 광 여기 정공에 의하여 산화 반응을 행하고, 환원 반응 입자(105)는 음극으로 되어 환원 반응 반도체 광촉매(105a)에 의한 광 여기 전자에 의하여 환원 반응을 행한다. 보다 구체적으로는, 일례로서 산화 반응 입자(103) 부근에서는 (1)식, 환원 반응 입자(105) 부근에서는 (2)식의 반응이 발생한다.
2H2O → 4H++O2+4e- … (1)
2CO2+4H++4e- → 2CO+2H2O … (2)
(1)식에 나타낸 바와 같이, 산화 반응 입자(103) 부근에 있어서 H2O가 산화되어(전자를 상실하여) O2와 H+(수소 이온)가 생성된다. 그리고 산화 반응 입자(103)측에서 생성된 H+는 환원 반응 입자(105)측으로 이동한다.
(2)식에 나타낸 바와 같이, 환원 반응 입자(105) 부근에 있어서 CO2와 이동한 H+가 반응하여 일산화탄소(CO)와 H2O가 생성된다. 즉, CO2가 환원된다(전자를 얻음).
도 1에 도시한 바와 같이 박막(104)은 산화 반응 입자(103)의 표면을 덮는다. 바꾸어 말하면, 박막(104)은 산화 반응 입자(103)와 반응 용액(106) 사이에 배치되어, 산화 반응 입자(103)는 반응 용액(106)에 직접 접촉하지 않는다. 이 박막(104)은 H2O 분자, O2 분자, 수소 이온을 투과시키고 아민 분자의 투과를 저해하는 채널 크기를 갖는다. 또한 박막(104)은 반응 용액(106)에 레독스가 포함되는 경우, 레독스를 투과시키는 채널 크기를 갖는다. 보다 구체적으로는, 박막(104)은 0.3㎚ 이상 1.0㎚ 이하의 채널 크기를 갖는다. 이러한 박막(104)으로서는 산화그래핀, 그래핀, 폴리이미드, 카본 나노튜브, 다이아몬드형 탄소 및 제올라이트 중 하나 이상을 포함하는 것을 들 수 있다.
여기서 채널 크기란, 박막(104)에 있어서의 분자나 이온의 투과 경로의 치수(직경 또는 폭)를 나타낸다. 또한 분자나 이온의 투과 경로란, 박막(104)에 형성된 세공 등을 나타내지만 이에 한정되지 않는다. 예를 들어 박막(104)이 그래핀 등의 다층 구조로 구성되는 경우, 분자나 이온의 투과 경로는 그래핀에 형성된 세공에 한정되지 않으며, 다층 구조에 있어서의 층간인 경우도 있다. 즉, 채널 크기란, 박막(104)에 있어서의 세공 직경이나 층간 폭 등을 나타낸다.
이것에 의하여, 박막(104)은 반응 용액(106)으로부터 산화 반응 입자(103)에의 아민 분자의 투과를 저해하여, 산화 반응 입자(103)에 의한 아민 분자의 산화 반응을 방지할 수 있다. 한편, 박막(104)은 반응 용액(106)으로부터 산화 반응 입자(103)에의 H2O 분자를 투과시키고, 또한 산화 반응 입자(103)로부터 반응 용액(106)에의 O2 분자 및 H+를 투과시키기 때문에, 산화 반응 입자(103)에 의한 H2O의 산화 반응이 억제되는 일은 없다. 즉, 박막(104)은 아민 분자의 투과를 저해하는 아민 분자 체 막으로서 기능한다.
또한 광 투과성 및 절연성의 관점에서 박막(104)의 막 두께를 적절히 조정할 필요가 있다.
박막(104)이 형성되는 경우, 산화 반응 반도체 광촉매(103a)까지 도달하는 광량이 저하되기 때문에, 산화 반응 반도체 광촉매(103a)가 생성하는 광 여기 정공의 수가 감소해 버린다. 이 때문에 광 투과성의 관점에서, 박막(104)이 형성되는 경우에 있어서 산화 반응 반도체 광촉매(103a)가 생성하는 광 여기 정공의 수를, 박막(104)이 형성되지 않는 경우에 있어서 산화 반응 반도체 광촉매(103a)가 생성하는 광 여기 정공의 수에 대하여 50％ 이상으로 유지할 수 있도록 한다.
한편, 제1 실시 형태에서는 박막(104)이 산화 반응 입자(103)의 표면에 직접 형성되어 있기 때문에, 박막(104)이 전기 전도성을 갖는 경우에 아민 분자의 산화 반응이 박막(104) 표면에서 일어나 버린다. 이 때문에 박막(104)은 절연성을 가질 필요가 있다. 따라서 박막(104)은 절연성 재료, 즉, 산화그래핀, 폴리이미드, 다이아몬드형 탄소 또는 제올라이트를 포함하는 것이 바람직하다. 그러나 이에 한정되지 않으며, 절연성이 아닌 재료(예를 들어 그래핀이나 카본 나노튜브)에 절연성을 갖게 하여 박막(104)으로서 사용해도 된다. 그래핀이나 카본 나노튜브에 절연성을 갖게 하는 방법으로서는, 막 두께를 충분히 두껍게 하거나 절연 재료를 혼합시키거나 또는 결정 격자를 조정하는 등을 들 수 있다.
이들 광 투과성 및 절연성의 관점에서, 박막(104)으로서, 예를 들어 산화그래핀을 사용하는 경우, 그 막 두께를 1㎚ 이상 100㎚ 이하로 하는 것이 바람직하고, 3㎚ 이상 50㎚ 이하로 하는 것이 보다 바람직하다. 이들 하한은 산화그래핀의 절연성을 고려한 것이고, 상한은 산화그래핀의 광 투과성을 고려한 것이다.
[효과]
상기 제1 실시 형태에 의하면, 아민 분자를 포함하는 동일한 반응 용액(106) 중에 산화 반응 입자(103) 및 환원 반응 입자(105)가 배치되고, 산화 반응 입자(103)의 표면을 덮도록 박막(104)이 형성된다. 이 박막(104)은 아민 분자의 투과를 저해하는 아민 분자 체 막으로서 기능한다. 이것에 의하여, 반응 용액(106)으로부터 산화 반응 입자(103)에의 아민 분자의 투과를 저해할 수 있다. 즉, 아민 분자와 산화 반응 입자(103)의 직접적인 접촉을 방지할 수 있어, 산화 반응 입자(103)에 의한 아민 분자의 산화 반응을 방지할 수 있다.
<제2 실시 형태>
도 4 및 도 5를 사용하여, 제2 실시 형태에 따른 광화학 반응 장치에 대하여 설명한다.
제2 실시 형태에 따른 광화학 반응 장치에서는, 아민 분자를 포함하는 환원 반응 용액(206b) 중에 환원 반응 입자(205)가 배치되고, 산화 반응 용액(206a) 중에 산화 반응 입자(203)가 배치된다. 그리고 산화 반응 용액(206a)과 환원 반응 용액(206b) 사이에, 아민 분자의 투과를 저해하는 박막(204)을 포함하는 격막(207)이 형성된다. 이것에 의하여, 산화 반응 입자(203)에 의한 아민 분자의 산화를 방지할 수 있다. 이하에, 제2 실시 형태에 대하여 상세히 설명한다.
또한 제2 실시 형태에 있어서, 상기 제1 실시 형태와 마찬가지의 점에 대해서는 설명을 생략하고, 주로 상이한 점에 대하여 설명한다.
[구성]
도 4는 제2 실시 형태에 따른 광화학 반응 장치의 구성을 도시하는 단면도이다. 도 5는 제2 실시 형태에 따른 격막(207)의 구성을 도시하는 단면도이다.
도 4에 도시한 바와 같이 제2 실시 형태에 따른 광화학 반응 장치는, 산화 반응조(201a), 환원 반응조(201b), 산소 수집 패스(202a), 기체 탄소 화합물 수집 패스(202b), 산화 반응 입자(203), 격막(207), 환원 반응 입자(205), 산화 반응 용액(206a) 및 환원 반응 용액(206b)을 구비한다. 이하, 각 소자에 대하여 상세히 설명한다.
산화 반응조(201a)는 산화 반응 용액(206a)을 저장하기 위한 용기이다. 산화 반응조(201a)는 산소 수집 패스(202a)에 접속되고, 산소 수집 패스(202a)를 통하여, 생성되는 기체를 외부로 배출한다. 또한 산화 반응조(201a)는 기체 생성물을 효율적으로 수집하기 위하여, 산소 수집 패스(202a)를 제외하고 완전한 밀폐 상태로 하는 것이 바람직하다.
산화 반응조(201a)의 재료는, 광을 산화 반응 용액(206a), 산화 반응 입자(203)의 표면까지 도달시키기 위하여, 250㎚ 이상 1100㎚ 이하의 파장 범위에 있어서의 광의 흡수가 적은 재료가 좋다. 이러한 재료로서, 예를 들어 석영, 폴리스티롤, 메타크릴레이트 또는 백판 유리 등을 들 수 있다. 또한 반응 시(산화 반응 시)에 있어서, 산화 반응조(201a) 내에서 균일하고도 효율적으로 반응을 행하기 위하여, 산화 반응조(201a) 내에 교반 장치를 구비하여 산화 반응 용액(206a)을 교반해도 된다.
산화 반응 용액(206a)은 산소 수집 패스(202a)를 제외한 산화 반응조(201a)의 저장 용량의 100％보다 작게, 50％ 내지 90％를 채우는 것이 바람직하고 70％ 내지 90％를 채우는 것이 보다 바람직하다. 산화 반응 용액(206a)에는 복수의 산화 반응 입자(203)가 분산된다. 도 4에 있어서는, 간략화를 위하여 하나의 산화 반응 입자(203)만을 도시하고 있다. 산화 반응 입자(203)의 표면에서 H2O의 산화 반응이 행해진다.
또한 산화 반응 용액(206a)은, 산화 반응 입자(203) 및 격막(207)을 용해 또는 부식시키거나 하지 않아 이들을 본질로부터 변화시키는 일이 없는 수용액이면 된다. 이러한 수용액으로서는, 예를 들어 황산 수용액, 황산염 수용액, 인산 수용액, 인산염 수용액, 붕산 수용액, 붕산염 수용액 또는 수산화염 수용액 등을 들 수 있다. 이 산화 반응 용액(206a)에는 산화 반응이 일어나는 H2O가 포함된다.
환원 반응조(201b)는 환원 반응 용액(206b)을 저장하기 위한 용기이다. 환원 반응조(201b)는 CO2를 환원시켜 생성되는 물질이 기체인 경우, 기체 탄소 화합물 수집 패스(202b)에 접속되고, 기체 탄소 화합물 수집 패스(202b)를 통하여, 생성되는 기체를 외부로 배출한다. 또한 환원 반응조(201b)는 기체 생성물을 효율적으로 수집하기 위하여, 기체 탄소 화합물 수집 패스(202b)를 제외하고 완전한 밀폐 상태로 하는 것이 바람직하다. 한편, 환원 반응조(201b)는 CO2를 환원시켜 생성되는 물질이 기체가 아닌 경우, 기체 탄소 화합물 수집 패스(202b)에 접속되지 않아도 된다. 그 경우, 환원 반응조(201b) 및 산화 반응조(201a)는 산소 수집 패스(202a)를 제외하고 완전한 밀폐 상태로 된다.
환원 반응조(201b)의 재료는, 광을 환원 반응 용액(206b), 환원 반응 입자(203)의 표면까지 도달시키기 위하여, 250㎚ 이상 1100㎚ 이하의 파장 범위에 있어서의 광의 흡수가 적은 재료가 좋다. 이러한 재료로서, 예를 들어 석영, 폴리스티롤, 메타크릴레이트 또는 백판 유리 등을 들 수 있다. 또한 반응 시(환원 반응 시)에 있어서, 환원 반응조(201b) 내에서 균일하고도 효율적으로 반응을 행하기 위하여, 환원 반응조(201b) 내에 교반 장치를 구비하여 환원 반응 용액(206b)을 교반해도 된다.
환원 반응 용액(206b)은 CO2를 환원시켜 생성되는 물질이 기체인 경우, 기체 탄소 화합물 수집 패스(202b)를 제외한 환원 반응조(201b)의 저장 용량의 100％보다 작게, 50％ 내지 90％를 채우는 것이 바람직하고 70％ 내지 90％를 채우는 것이 보다 바람직하다. 한편, 환원 반응 용액(206b)은 CO2를 환원시켜 생성되는 물질이 기체인 경우, 환원 반응조(201b)의 저장 용량의 100％를 채우는 것이 바람직하며, 적어도 90％ 이상을 채운다. 환원 반응 용액(206b)에는 복수의 환원 반응 입자(205)가 분산된다. 도 4에 있어서는, 간략화를 위하여 하나의 환원 반응 입자(205)만을 도시하고 있다. 환원 반응 입자(205)의 표면에서 CO2의 환원 반응이 행해진다.
또한 환원 반응 용액(206b)은, 환원 반응 입자(205) 및 격막(207)을 용해 또는 부식시키거나 하지 않아 이들을 본질로부터 변화시키는 일이 없는 아민 분자를 포함하는 용액이면 된다. 이러한 용액으로서, 예를 들어 에탄올아민, 이미다졸 또는 피리딘 등의 아민 수용액을 들 수 있다. 아민은 1급 아민, 2급 아민 또는 3급 아민 중 어느 것이어도 된다. 1급 아민으로서는 메틸아민, 에틸아민, 프로필아민, 부틸아민, 펜틸아민 또는 헥실아민 등을 들 수 있다. 아민의 탄화수소는 알코올 또는 할로겐 등으로 치환되어도 된다. 아민의 탄화수소가 치환된 것으로서는, 예를 들어 메탄올아민, 에탄올아민 또는 클로로메틸아민 등을 들 수 있다. 또한 아민에 불포화 결합이 존재해도 된다. 이들 탄화수소는 2급 아민 및 3급 아민에 있어서도 마찬가지이다. 2급 아민으로서는 디메틸아민, 디에틸아민, 디프로필아민, 디부틸아민, 디펜틸아민, 디헥실아민, 디메탄올아민, 디에탄올아민 또는 디프로판올아민 등을 들 수 있다. 치환된 탄화수소는 상이해도 된다. 이는 3급 아민에 있어서도 마찬가지이다. 예를 들어 탄화수소가 상이한 것으로서는 메틸에틸아민 또는 메틸프로필아민 등을 들 수 있다. 3급 아민으로서는 트리메틸아민, 트리에틸아민, 트리프로필아민, 트리부틸아민, 트리헥실아민, 트리메탄올아민, 트리에탄올아민, 트리프로판올아민, 트리부탄올아민, 트리프로판올아민, 트리헥산올아민, 메틸디에틸아민 또는 메틸디프로필아민 등을 들 수 있다. 이 환원 반응 용액(206b)에는, 아민 분자에 의하여 흡수된, 환원 반응이 일어나는 CO2가 포함된다.
이들 산화 반응조(201a)와 환원 반응조(201b)는 접합부(218)에 의하여 접속된다. 이 접합부(218)에는 격막(207)이 배치된다. 즉, 격막(207)은 산화 반응 용액(206a)과 환원 반응 용액(206b) 사이에 배치되어, 이들을 물리적으로 분리한다.
또한 본 예에 있어서, 산화 반응 및 환원 반응은 각각 산화 반응 입자(203) 및 환원 반응 입자(205)의 표면에서 일어난다. 따라서 산화 반응 입자(203)와 환원 반응 입자(205) 사이에서 전자나 정공의 교환을 행하기 위하여 그 사이를 전기적으로 접속하는 것이 바람직하다. 이 때문에, 산화 반응 용액(206a) 및 환원 반응 용액(206b)에 산화 환원 쌍(즉, 레독스)을 필요에 따라 첨가해도 된다. 산화 환원 쌍은, 예를 들어 Fe3+/Fe2+, IO3-/I- 등이다.
산화 반응 입자(203)는 제1 실시 형태에 있어서의 산화 반응 입자(103)와 마찬가지의 구성을 갖는다. 즉, 산화 반응 입자(203)는, 빛 에너지에 의하여 여기되어 전하 분리되는 산화 반응 반도체 광촉매와, 산화 반응을 촉진시키는 산화 반응 조촉매로 구성된다.
환원 반응 입자(205)는 제1 실시 형태에 있어서의 환원 반응 입자(105)와 마찬가지의 구성을 갖는다. 즉, 환원 반응 입자(205)는, 빛 에너지에 의하여 여기되어 전하 분리되는 환원 반응 반도체 광촉매와, 환원 반응을 촉진시키는 환원 반응 조촉매로 구성된다.
격막(207)은 산화 반응조(201a)와 환원 반응조(201b)를 접속하는 접합부(218)에 배치된다. 즉, 격막(207)은 산화 반응 용액(206a)과 환원 반응 용액(206b) 사이에 배치되어, 이들을 물리적으로 분리한다. 바꾸어 말하면, 격막(207)은 산화 반응 입자(203)와 환원 반응 용액(206b) 사이에 배치되어, 산화 반응 입자(203)는 환원 반응 용액(206b)에 직접 접촉하지 않는다.
도 5에 도시한 바와 같이 격막(207)은 박막(204)과 지지막(208)의 적층막으로 구성된다.
박막(204)은 H2O 분자, O2 분자, H+를 투과시키고 아민 분자의 투과를 저해하는 채널 크기를 갖는다. 또한 박막(204)은 산화 반응 용액(206a) 및 환원 반응 용액(206b)에 레독스가 포함되는 경우, 레독스를 투과시키는 채널 크기를 갖는다. 보다 구체적으로는, 박막(204)은 0.3㎚ 이상 1.0㎚ 이하의 채널 크기를 갖는다. 이러한 박막(204)으로서는 산화그래핀, 그래핀, 폴리이미드, 카본 나노튜브, 다이아몬드형 탄소 및 제올라이트 중 하나 이상을 포함하는 것을 들 수 있다.
이것에 의하여, 박막(204)은 환원 반응 용액(206b)으로부터 산화 반응 용액(206a)(산화 반응 입자(203))에의 아민 분자의 투과를 저해하여, 산화 반응 입자(203)에 의한 아민 분자의 산화 반응을 방지할 수 있다. 한편, 박막(204)은 산화 반응 용액(206a)으로부터 환원 반응 용액(206b)에의 H+를 투과시키기 때문에, 환원 반응 입자(205)에 의한 CO2 분자의 환원 반응을 촉진시킬 수 있다.
또한 제1 실시 형태에 있어서의 박막(104)과 달리, 박막(204)은 광이 산화 반응 입자(203)의 내부까지 도달하는 것에 관여하지 않기 때문에 광 투과성에 관한 설계상의 조정 제한이 없다. 또한 제1 실시 형태에 있어서의 박막(204)과 달리, 박막(204)은 산화 반응 입자(203)와 직접 접촉하지 않기 때문에 절연성에 관한 설계상의 조정 제한도 없다. 이로 인하여, 박막(204)은 광 투과성 및 절연성을 고려하지 않고 그 막 두께 및 재료를 설정 가능하다.
지지막(208)은, 산화 반응 용액(206a)에 포함되는 특정한 물질과 환원 반응 용액(206b)에 포함되는 특정한 물질만을 선택적으로 투과시킬 수 있다. 지지막(208)은, 예를 들어 나피온 또는 플레미온과 같은 양이온 교환막, 또는 네오셉타 또는 셀레미온과 같은 음이온 교환막 등이다.
또한 지지막(208)은 광이 산화 반응 입자(203) 및 환원 반응 입자(205)의 내부까지 도달하는 것에 대하여 관여하지 않기 때문에 광 투과성에 관한 설계상의 조정 제한이 없다.
또한 산화 반응 용액(206a)에 포함되는 특정한 물질 및 환원 반응 용액(206b)에 포함되는 특정한 물질의 선택적인 투과가 박막(204)만으로도 이루어지는 경우, 지지막(208)은 없어도 된다.
또한 격막(207)에 있어서, 박막(204) 및 지지막(208)의 적층 순서는 어느 것이어도 된다. 바꾸어 말하면, 박막(204) 및 지지막(208) 중 어느 것이 산화 반응조(201a)측 또는 환원 반응조(201b)측에 있어도 된다. 이들은, 산화 반응 용액(206a)과 환원 반응 용액(206b)을 물리적으로 나누어 아민 분자의 투과를 저해하고 특정한 물질을 선택적으로 투과시키며, 또한 충분한 기계 강도를 갖고 있으면, 어느 쪽으로 설계해도 된다.
[효과]
상기 제2 실시 형태에 의하면, 아민 분자를 포함하는 환원 반응 용액(206b) 중에 환원 반응 입자(205)가 배치되고, 산화 반응 용액(206a) 중에 산화 반응 입자(203)가 배치된다. 그리고 산화 반응 용액(206a)(산화 반응 입자(203))과 환원 반응 용액(206b) 사이에, 아민 분자의 투과를 저해하는 박막(204)을 포함하는 격막(207)이 형성된다. 이것에 의하여 제1 실시 형태와 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다.
<제3 실시 형태>
도 6 내지 도 10을 사용하여, 제3 실시 형태에 따른 광화학 반응 장치에 대하여 설명한다.
제3 실시 형태에 따른 광화학 반응 장치에서는, 아민 분자를 포함하는 동일한 반응 용액(306) 중에 산화 전극(309) 및 환원 전극(310)이 배치되고, 산화 전극(309)의 표면을 덮도록 아민 분자의 투과를 저해하는 박막(304)이 형성된다. 이것에 의하여, 산화 전극(309)(산화 반응부(303))에 의한 아민 분자의 산화를 방지할 수 있다. 이하에, 제3 실시 형태에 대하여 상세히 설명한다.
또한 제3 실시 형태에 있어서, 상기 각 실시 형태와 마찬가지의 점에 대해서는 설명을 생략하고, 주로 상이한 점에 대하여 설명한다.
[구성]
도 6은 제3 실시 형태에 따른 광화학 반응 장치의 구성을 도시하는 단면도이다. 도 7은 제3 실시 형태에 따른 산화 전극(309)의 구성을 도시하는 단면도이다. 도 8은 제3 실시 형태에 따른 산화 반응부(303)의 구성을 도시하는 단면도이다. 도 9는 제3 실시 형태에 따른 환원 전극(310)의 구성을 도시하는 단면도이다. 도 10은 제3 실시 형태에 따른 환원 반응부(305)의 구성을 도시하는 단면도이다.
도 6에 도시한 바와 같이 제3 실시 형태에 따른 광화학 반응 장치는, 반응조(301), 기체 수집 패스(302), 산화 전극(309), 박막(304), 환원 전극(310), 반응 용액(306), 전원 소자(반도체 소자)(311), 산화측 전기 접속부(312) 및 환원측 전기 접속부(313)를 구비한다. 이하, 각 소자에 대하여 상세히 설명한다.
반응조(301)는 반응 용액(306)을 저장하기 위한 용기이다. 반응조(301)는 기체 수집 패스(302)에 접속되고, 기체 수집 패스(302)를 통하여, 생성되는 기체를 외부로 배출한다. 또한 반응조(301)는 기체 생성물을 효율적으로 수집하기 위하여, 기체 수집 패스(302)를 제외하고 완전한 밀폐 상태로 하는 것이 바람직하다.
반응조(301)의 재료는, 광을 반응 용액(306), 산화 전극(309) 및 환원 전극(310)의 표면까지 도달시키기 위하여, 250㎚ 이상 1100㎚ 이하의 파장 범위에 있어서의 광의 흡수가 적은 재료가 좋다. 이러한 재료로서, 예를 들어 석영, 폴리스티롤, 메타크릴레이트 또는 백판 유리 등을 들 수 있다. 또한 반응 시(산화 반응 및 환원 반응 시)에 있어서, 반응조(301) 내에서 균일하고도 효율적으로 반응을 행하기 위하여, 반응조(301) 내에 교반 장치를 구비하여 반응 용액(306)을 교반해도 된다.
반응 용액(306)은 기체 수집 패스(302)를 제외한 반응조(301)의 저장 용량의 100％보다 작게, 50％ 내지 90％를 채우는 것이 바람직하고 70％ 내지 90％를 채우는 것이 보다 바람직하다. 반응 용액(306)에는 산화 전극(309) 및 환원 전극(310)이 함침된다. 산화 전극(309)(산화 반응부(303))의 표면에서 H2O의 산화 반응이 행해지고, 환원 전극(310)(환원 반응부(305))의 표면에서 CO2의 환원 반응이 행해진다.
또한 반응 용액(306)은, 산화 전극(309), 환원 전극(310) 및 박막(304)을 용해 또는 부식시키거나 하지 않아 이들을 본질로부터 변화시키는 일이 없는 아민 분자를 포함하는 용액이면 된다. 이러한 용액으로서, 예를 들어 에탄올아민, 이미다졸 또는 피리딘 등의 아민 수용액을 들 수 있다. 아민은 1급 아민, 2급 아민 또는 3급 아민 중 어느 것이어도 된다. 1급 아민으로서는 메틸아민, 에틸아민, 프로필아민, 부틸아민, 펜틸아민 또는 헥실아민 등을 들 수 있다. 아민의 탄화수소는 알코올 또는 할로겐 등으로 치환되어도 된다. 아민의 탄화수소가 치환된 것으로서는, 예를 들어 메탄올아민, 에탄올아민 또는 클로로메틸아민 등을 들 수 있다. 또한 아민에 불포화 결합이 존재해도 된다. 이들 탄화수소는 2급 아민 및 3급 아민에 있어서도 마찬가지이다. 2급 아민으로서는 디메틸아민, 디에틸아민, 디프로필아민, 디부틸아민, 디펜틸아민, 디헥실아민, 디메탄올아민, 디에탄올아민 또는 디프로판올아민 등을 들 수 있다. 치환된 탄화수소는 상이해도 된다. 이는 3급 아민에 있어서도 마찬가지이다. 예를 들어 탄화수소가 상이한 것으로서는 메틸에틸아민 또는 메틸프로필아민 등을 들 수 있다. 3급 아민으로서는 트리메틸아민, 트리에틸아민, 트리프로필아민, 트리부틸아민, 트리헥실아민, 트리메탄올아민, 트리에탄올아민, 트리프로판올아민, 트리부탄올아민, 트리프로판올아민, 트리헥산올아민, 메틸디에틸아민 또는 메틸디프로필아민 등을 들 수 있다. 이 반응 용액(306)에는 아민 분자에 의하여 흡수된, 환원 반응이 일어나는 CO2가 포함된다.
이 반응 용액(306)에는 산화 반응이 일어나는 H2O가 포함되고, 또한 아민 분자에 의하여 흡수된, 환원 반응이 일어나는 CO2가 포함된다. 또한 본 예에 있어서, 산화 반응 및 환원 반응은 각각 산화 전극(309) 및 환원 전극(310)의 표면에서 일어난다. 따라서 산화 전극(309)과 환원 전극(310) 사이에서 전자나 정공의 교환을 행하기 위하여 그 사이를 전기적으로 접속하는 것이 바람직하다. 이 때문에, 반응 용액(306)에 산화 환원 쌍(즉, 레독스)을 필요에 따라 첨가해도 된다. 산화 환원 쌍은, 예를 들어 Fe3 +/Fe2 +, IO3-/I- 등이다.
도 7에 도시한 바와 같이 산화 전극(309)은, 전극으로서 형성하기 위한 산화 전극 지지 기판(314)과, 산화 전극 지지 기판(314)의 표면에 형성되어 물의 산화 반응을 행하는 산화 반응부(303)로 구성된다.
산화 전극 지지 기판(314)은 전기 전도성을 갖는 재료를 포함한다. 이러한 재료로서는, 예를 들어 Cu, Al, Ti, Ni, Fe 또는 Ag 등의 금속, 또는 그들을 적어도 하나 포함하는, 예를 들어 SUS와 같은 합금 등을 들 수 있다.
도 8에 도시한 바와 같이 산화 반응부(303)는, 산화 반응 반도체 광촉매(303a)와, 그 표면에 형성되는 산화 반응 조촉매(303b)로 구성된다.
산화 반응 반도체 광촉매(303a)는 빛 에너지에 의하여 여기되어 전하 분리된다. 이때, 여기된 정공의 표준 에너지 준위는 H2O의 표준 산화 준위보다 플러스 방향이다. 이러한 산화 반응 반도체 광촉매(303a)의 재료로서는, 예를 들어 TiO2, WO3, SrTiO3, Fe2O3, BiVO4, Ag3VO4 또는 SnNb2O6 등을 들 수 있다.
산화 반응 조촉매(303b)는 원활히 산화 반응 반도체 광촉매(303a)로부터 정공을 수취하고, 반응 용액(306) 중의 H2O와 반응하여 H2O를 산화시킨다. 이러한 산화 반응 조촉매(303b)의 재료로서는, 예를 들어 RuO2, NiO, Ni(OH)2, NiOOH, Co3O4, Co(OH)2, CoOOH, FeO, Fe2O3, MnO2, Mn3O4, Rh2O3 또는 IrO2 등을 들 수 있다. 산화 반응 조촉매(303b)는 산화 반응부(303)에 있어서의 산화 반응을 촉진시키는 것이기 때문에, 산화 반응 반도체 광촉매(303a)에 의한 산화 반응이 충분하면 없어도 된다.
도 9에 도시한 바와 같이 환원 전극(310)은, 전극으로서 형성하기 위한 환원 전극 지지 기판(315)과, 환원 전극 지지 기판(315)의 표면에 형성되어 CO2의 환원 반응을 행하는 환원 반응부(305)로 구성된다.
환원 전극 지지 기판(315)은 전기 전도성을 갖는 재료를 포함한다. 이러한 재료로서는, 예를 들어 Cu, Al, Ti, Ni, Fe 또는 Ag 등의 금속, 또는 그들을 적어도 하나 포함하는, 예를 들어 SUS와 같은 합금 등을 들 수 있다.
도 10에 도시한 바와 같이 환원 반응부(305)는, 환원 반응 반도체 광촉매(305a)와, 그 표면에 형성되는 환원 반응 조촉매(305b)로 구성된다.
환원 반응 반도체 광촉매(305a)는 빛 에너지에 의하여 여기되어 전하 분리된다. 이때, 여기된 전자의 표준 에너지 준위는 CO2의 표준 산화 준위보다 마이너스 방향이다. 이러한 환원 반응 반도체 광촉매(305a)의 재료로서는, 예를 들어 TiO2 또는 N-Ta2O5 등을 들 수 있다.
환원 반응 조촉매(305b)는 원활히 환원 반응 반도체 광촉매(305a)로부터 전자를 수취하고, 반응 용액(306) 중의 CO2와 반응하여 CO2를 환원시킨다. 이러한 환원 반응 조촉매(305b)의 재료로서는, 예를 들어 Au, Ag, Zn, Cu, N-그래핀, Hg, Cd, Pb, Ti, In, Sn 또는 루테늄 착체 또는 레늄 착체와 같은 금속 착체 등을 들 수 있다. 환원 반응 조촉매(305b)는 환원 반응부(305)에 있어서의 환원 반응을 촉진시키는 것이기 때문에, 환원 반응 반도체 광촉매(305a)에 의한 환원 반응이 충분하면 없어도 된다.
산화측 전기 접속부(배선)(312)는 산화 전극(309)에 전기적으로 접속되고, 환원측 전기 접속부(배선)(313)는 환원 전극(310)에 전기적으로 접속된다. 그리고 산화측 전기 접속부(312)와 환원측 전기 접속부(313)가 전기적으로 접속됨으로써, 산화 전극(309)과 환원 전극(310)이 전기적으로 접속된다. 이것에 의하여 산화 전극(309) 및 환원 전극(310) 사이에서 전자나 정공의 교환을 행할 수 있다.
전원 소자(반도체 소자)(311)는 산화측 전기 접속부(312)와 환원측 전기 접속부(313) 사이에 배치되어, 각각에 전기적으로 접속된다. 즉, 전원 소자(311)는 산화 전극(309) 및 환원 전극(310)에 배선(산화측 전기 접속부(312) 및 환원측 전기 접속부(313))을 통하여 전기적으로 접속된다. 전원 소자(311)는 빛 에너지에 의하여 재료 내부에 있어서 전하 분리를 하는 것이며, 예를 들어 pin 접합, 비정질 실리콘 태양 전지, 다접합형 태양 전지, 단결정 실리콘 태양 전지, 다결정 실리콘 태양 전지, 색소 증감 태양 전지 또는 유기 박막 태양 전지 등이다.
전원 소자(311)는, 산화 전극(309) 및 환원 전극(310)에 있어서 생성된 최플러스 표준 광 여기 정공 준위와 최마이너스 표준 광 여기 전자 준위의 차에 의하여, 원활히 H2O의 산화 반응 및 CO2의 환원 반응이 동시에 일어나지 않는 경우, 보조 전원으로서 설치된다. 전원 소자(311) 내부에 있어서 생성되는 광 여기 정공은 산화측 전기 접속부(312)를 통하여 산화 전극(309)으로 이동할 수 있고, 전원 소자(311) 내부에 있어서 생성되는 광 여기 전자는 환원측 전기 접속부(313)를 통하여 환원 전극(310)으로 이동할 수 있다. 즉, 산화 전극(309) 및/또는 환원 전극(310)이 빛 에너지에 의하여 충분히 전하 분리되지 않는 경우, 물의 산화 반응 및 CO2의 환원 반응이 동시에 일어나기 위하여 필요한 에너지는 전원 소자(311)로부터 제공된다.
또한 전원 소자(311)가 설치되는 경우, 산화 전극(309)에 있어서 빛 에너지를 흡수하여 내부 전하 분리할 필요가 없는 것도 생각된다. 이 경우, 산화 반응 반도체 광촉매(303a)는 형성되지 않으며, 산화 전극(309)은 산화 전극 지지 기판(314)과 산화 반응 조촉매(303b)로 구성된다. 그리고 산화 반응 조촉매(303b)로, 전원 소자(311)에 있어서 생성된 광 여기 정공이 산화측 전기 접속부(312) 및 산화 전극 지지 기판(314)을 거쳐 전송된다. 또한 이 경우, 산화 전극 지지 기판(314)과 산화 반응 조촉매(303b)는 동일한 재료로 구성되어도 된다. 이때, 산화 전극 지지 기판(314)과 산화 반응 조촉매(303b)는 동일한 것을 나타내며, 전원 소자(311)에 있어서 생성되는 광 여기 정공은 산화측 전기 접속부(312)를 경유하여 산화 전극 지지 기판(314), 즉, 산화 반응 조촉매(303b)로 유입되어 온다.
마찬가지로, 전원 소자(311)가 설치되는 경우, 환원 전극(310)에 있어서 빛 에너지를 흡수하여 내부 전하 분리할 필요가 없는 것도 생각된다. 이 경우, 환원 반응 반도체 광촉매(305a)는 형성되지 않으며, 환원 전극(310)은 환원 전극 지지 기판(314)과 환원 반응 조촉매(303b)로 구성된다. 그리고 환원 반응 조촉매(303b)로, 전원 소자(311)에 있어서 생성된 광 여기 전자가 환원측 전기 접속부(312) 및 환원 전극 지지 기판(315)을 거쳐 전송된다. 또한 이 경우, 환원 전극 지지 기판(315)과 환원 반응 조촉매(305b)는 동일한 재료로 구성되어도 된다. 이때, 환원 전극 지지 기판(315)과 환원 반응 조촉매(305b)는 동일한 것을 나타내며, 전원 소자(311)에 있어서 생성되는 광 여기 전자는 환원측 전기 접속부(313)를 경유하여 환원 전극 지지 기판(315), 즉, 환원 반응 조촉매(305b)로 유입되어 온다.
도 6에 도시한 바와 같이 박막(304)은 산화 전극(309)의 표면을 덮는다. 바꾸어 말하면, 박막(304)은 산화 전극(309)(산화 반응부(303))과 반응 용액(306) 사이에 배치되어, 산화 반응부(303)는 반응 용액(306)에 직접 접촉하지 않는다. 이 박막(304)은 H2O 분자, O2 분자, H+를 투과시키고 아민 분자의 투과를 저해하는 채널 크기를 갖는다. 또한 박막(304)은 반응 용액(306)에 레독스가 포함되는 경우, 레독스를 투과시키는 채널 크기를 갖는다. 보다 구체적으로는, 박막(304)은 0.3㎚ 이상 1.0㎚ 이하의 채널 크기를 갖는다. 이러한 박막(304)으로서는 산화그래핀, 그래핀, 폴리이미드, 카본 나노튜브, 다이아몬드형 탄소 및 제올라이트 중 하나 이상을 포함하는 것을 들 수 있다.
이것에 의하여, 박막(304)은 반응 용액(306)으로부터 산화 반응부(303)에의 아민 분자의 투과를 저해하여, 산화 반응부(303)에 의한 아민 분자의 산화 반응을 방지할 수 있다. 한편, 박막(304)은 반응 용액(306)으로부터 산화 반응부(303)에의 H2O 분자를 투과시키고, 산화 반응부(303)로부터 반응 용액(306)에의 O2 분자 및 H+를 투과시키기 때문에, 산화 반응부(303)에 의한 H2O의 산화 반응이 억제되는 일은 없다. 즉, 박막(304)은 아민 분자의 투과를 저해하는 아민 분자 체 막으로서 기능한다.
또한 제1 실시 형태에 있어서의 박막(104)과 마찬가지로, 광 투과성 및 절연성의 관점에서 박막(304)의 막 두께를 적절히 조정할 필요가 있다. 박막(304)으로서, 예를 들어 산화그래핀을 사용하는 경우, 그 막 두께를 1㎚ 이상 100㎚ 이하로 하는 것이 바람직하고, 3㎚ 이상 50㎚ 이하로 하는 것이 보다 바람직하다. 이들 광 투과성 및 절연성의 관점에서, 이 하한은 산화그래핀의 절연성을 고려한 것이고, 상한은 산화그래핀의 광 투과성을 고려한 것이다. 또한 산화 반응부(303)가 산화 반응 반도체 광촉매(303a)를 갖지 않는 경우, 박막(304)의 광 투과성을 고려할 필요는 없다. 이 때문에, 박막(304)(산화그래핀)의 막 두께는 1㎚ 이상인 것이 바람직하고, 3㎚ 이상인 것이 보다 바람직하다.
[효과]
상기 제3 실시 형태에 의하면, 아민 분자를 포함하는 동일한 반응 용액(306) 중에 산화 전극(309) 및 환원 전극(310)이 배치되고, 산화 전극(309)의 표면을 덮도록 박막(304)이 형성된다. 이것에 의하여 제1 실시 형태와 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다.
또한 제3 실시 형태에서는, 산화 반응부(303) 및 환원 반응부(305) 이외에도, 빛 에너지에 의하여 전하 분리되는 전원 소자(311)가 설치된다. 이 전원 소자(311)가 산화 반응부(303) 및 환원 반응부(305)에 배선을 통하여 전기적으로 접속됨으로써, 산화 반응부(303)에 있어서의 산화 반응 및 환원 반응부(305)에 있어서의 환원 반응의 반응 효율을 향상시킬 수 있다.
<제4 실시 형태>
도 11를 사용하여, 제4 실시 형태에 따른 광화학 반응 장치에 대하여 설명한다.
제4 실시 형태에 따른 광화학 반응 장치에서는, 아민 분자를 포함하는 환원 반응 용액(406b) 중에 환원 전극(410)이 배치되고, 산화 반응 용액(406a) 중에 산화 전극(409)이 배치된다. 그리고 산화 반응 용액(406a)과 환원 반응 용액(406b) 사이에, 아민 분자의 투과를 저해하는 박막을 포함하는 격막(407)이 형성된다. 이것에 의하여, 산화 전극(409)(산화 반응부)에 의한 아민 분자의 산화를 방지할 수 있다. 이하에, 제4 실시 형태에 대하여 상세히 설명한다.
또한 제4 실시 형태에 있어서, 상기 각 실시 형태와 마찬가지의 점에 대해서는 설명을 생략하고, 주로 상이한 점에 대하여 설명한다.
[구성]
도 11은 제4 실시 형태에 따른 광화학 반응 장치의 구성을 도시하는 단면도이다.
도 11에 도시한 바와 같이 제4 실시 형태에 따른 광화학 반응 장치는, 산화 반응조(401a), 환원 반응조(401b), 산소 수집 패스(402a), 기체 탄소 화합물 수집 패스(402b), 산화 전극(409), 격막(407), 환원 전극(410), 산화 반응 용액(406a), 환원 반응 용액(406b), 전원 소자(411), 산화측 전기 접속부(412) 및 환원측 전기 접속부(413)를 구비한다. 이하, 각 소자에 대하여 상세히 설명한다.
산화 반응조(401a)는 산화 반응 용액(406a)을 저장하기 위한 용기이다. 산화 반응조(401a)는 산소 수집 패스(402a)에 접속되고, 산소 수집 패스(402a)를 통하여, 생성되는 기체를 외부로 배출한다. 또한 산화 반응조(401a)는 기체 생성물을 효율적으로 수집하기 위하여, 산소 수집 패스(402a)를 제외하고 완전한 밀폐 상태로 하는 것이 바람직하다.
산화 반응조(401a)의 재료는, 광을 산화 반응 용액(406a), 산화 전극(409)의 표면까지 도달시키기 위하여, 250㎚ 이상 1100㎚ 이하의 파장 범위에 있어서의 광의 흡수가 적은 재료가 좋다. 이러한 재료로서, 예를 들어 석영, 폴리스티롤, 메타크릴레이트 또는 백판 유리 등을 들 수 있다. 또한 반응 시(산화 반응 시)에 있어서, 산화 반응조(401a) 내에서 균일하고도 효율적으로 반응을 행하기 위하여, 산화 반응조(401a) 내에 교반 장치를 구비하여 산화 반응 용액(406a)을 교반해도 된다.
산화 반응 용액(406a)은 산소 수집 패스(402a)를 제외한 산화 반응조(401a)의 저장 용량의 100％보다 작게, 50％ 내지 90％를 채우는 것이 바람직하고 70％ 내지 90％를 채우는 것이 보다 바람직하다. 산화 반응 용액(406a)에는 산화 전극(409)이 함침된다. 산화 전극(409)(산화 반응부)의 표면에서 H2O의 산화 반응이 행해진다.
또한 산화 반응 용액(406a)은, 산화 전극(409) 및 격막(407)을 용해 또는 부식시키거나 하지 않아 이들을 본질로부터 변화시키는 일이 없는 수용액이면 된다. 이러한 수용액으로서는, 예를 들어 황산 수용액, 황산염 수용액, 인산 수용액, 인산염 수용액, 붕산 수용액, 붕산염 수용액 또는 수산화염 수용액 등을 들 수 있다. 이 산화 반응 용액(406a)에는 산화 반응이 일어나는 H2O가 포함된다.
환원 반응조(401b)는 환원 반응 용액(406b)를 저장하기 위한 용기이다. 환원 반응조(401b)는 CO2를 환원시켜 생성되는 물질이 기체인 경우, 기체 탄소 화합물 수집 패스(402b)에 접속되고, 기체 탄소 화합물 수집 패스(402b)를 통하여, 생성되는 기체를 외부로 배출한다. 또한 환원 반응조(401b)는 기체 생성물을 효율적으로 수집하기 위하여, 기체 탄소 화합물 수집 패스(402b)를 제외하고 완전한 밀폐 상태로 하는 것이 바람직하다. 한편, 환원 반응조(401b)는 CO2를 환원시켜 생성되는 물질이 기체가 아닌 경우, 기체 탄소 화합물 수집 패스(402b)에 접속되지 않아도 된다. 그 경우, 환원 반응조(401b) 및 산화 반응조(401a)는 산소 수집 패스(402a)를 제외하고 완전한 밀폐 상태로 된다.
환원 반응조(401b)의 재료는, 광을 환원 반응 용액(406b), 환원 전극(410)의 표면까지 도달시키기 위하여, 250㎚ 이상 1100㎚ 이하의 파장 범위에 있어서의 광의 흡수가 적은 재료가 좋다. 이러한 재료로서, 예를 들어 석영, 폴리스티롤, 메타크릴레이트 또는 백판 유리 등을 들 수 있다. 또한 반응 시(환원 반응 시)에 있어서, 환원 반응조(401b) 내에서 균일하고도 효율적으로 반응을 행하기 위하여, 환원 반응조(401b) 내에 교반 장치를 구비하여 환원 반응 용액(406b)를 교반해도 된다.
환원 반응 용액(406b)은 CO2를 환원시켜 생성되는 물질이 기체인 경우, 기체 탄소 화합물 수집 패스(402b)를 제외한 환원 반응조(401b)의 저장 용량의 100％보다 작게, 50％ 내지 90％를 채우는 것이 바람직하고 70％ 내지 90％를 채우는 것이 보다 바람직하다. 한편, 환원 반응 용액(406b)은 CO2를 환원시켜 생성되는 물질이 기체가 아닌 경우, 환원 반응조(401b)의 저장 용량의 100％를 채우는 것이 바람직하며, 적어도 90％ 이상을 채운다. 환원 반응 용액(406b)에는 환원 전극(410)이 함침된다. 환원 전극(410)(환원 반응부)의 표면에서 CO2의 환원 반응이 행해진다.
또한 환원 반응 용액(406b)은, 환원 전극(410) 및 격막(407)을 용해 또는 부식시키거나 하지 않아 이들을 본질로부터 변화시키는 일이 없는 아민 분자를 포함하는 용액이면 된다. 이러한 용액으로서, 예를 들어 에탄올아민, 이미다졸 또는 피리딘 등의 아민 수용액을 들 수 있다. 아민은 1급 아민, 2급 아민 또는 3급 아민 중 어느 것이어도 된다. 1급 아민으로서는 메틸아민, 에틸아민, 프로필아민, 부틸아민, 펜틸아민 또는 헥실아민 등을 들 수 있다. 아민의 탄화수소는 알코올 또는 할로겐 등으로 치환되어도 된다. 아민의 탄화수소가 치환된 것으로서는, 예를 들어 메탄올아민, 에탄올아민 또는 클로로메틸아민 등을 들 수 있다. 또한 아민에 불포화 결합이 존재해도 된다. 이들 탄화수소는 2급 아민 및 3급 아민에 있어서도 마찬가지이다. 2급 아민으로서는 디메틸아민, 디에틸아민, 디프로필아민, 디부틸아민, 디펜틸아민, 디헥실아민, 디메탄올아민, 디에탄올아민 또는 디프로판올아민 등을 들 수 있다. 치환된 탄화수소는 상이해도 된다. 이는 3급 아민에 있어서도 마찬가지이다. 예를 들어 탄화수소가 상이한 것으로서는 메틸에틸아민 또는 메틸프로필아민 등을 들 수 있다. 3급 아민으로서는 트리메틸아민, 트리에틸아민, 트리프로필아민, 트리부틸아민, 트리헥실아민, 트리메탄올아민, 트리에탄올아민, 트리프로판올아민, 트리부탄올아민, 트리프로판올아민, 트리헥산올아민, 메틸디에틸아민 또는 메틸디프로필아민 등을 들 수 있다. 이 환원 반응 용액(406b)에는 아민 분자에 의하여 흡수된, 환원 반응이 일어나는 CO2가 포함된다.
이들 산화 반응조(401a)와 환원 반응조(401b)는 접합부(418)에 의하여 접속된다. 이 접합부(418)에는 격막(407)이 배치된다. 즉, 격막(407)은 산화 반응 용액(406a)과 환원 반응 용액(406b) 사이에 배치되어, 이들을 물리적으로 분리한다.
또한 본 예에 있어서, 산화 반응 및 환원 반응은 각각 산화 전극(409) 및 환원 전극(410)의 표면에서 일어난다. 따라서 산화 전극(409)과 환원 전극(410) 사이에서 전자나 정공의 교환을 행하기 위하여 그 사이를 전기적으로 접속하는 것이 바람직하다. 이 때문에, 산화 반응 용액(406a) 및 환원 반응 용액(406b)에 산화 환원 쌍(즉, 레독스)을 필요에 따라 첨가해도 된다. 산화 환원 쌍은, 예를 들어 Fe3+/Fe2+, IO3-/I- 등이다.
산화 전극(409)은 제3 실시 형태에 있어서의 산화 전극(309)과 마찬가지의 구성을 갖는다. 즉, 산화 전극(409)은, 전극으로서 형성하기 위한 산화 전극 지지 기판과, 산화 전극 지지 기판(314)의 표면에 형성되어 물의 산화 반응을 행하는 산화 반응부로 구성된다. 또한 산화 반응부는, 빛 에너지에 의하여 여기되어 전하 분리되는 산화 반응 반도체 광촉매와, 산화 반응을 촉진시키는 산화 반응 조촉매로 구성된다.
환원 전극(410)은 제3 실시 형태에 있어서의 환원 전극(310)과 마찬가지의 구성을 갖는다. 즉, 환원 전극(410)은, 전극으로서 형성하기 위한 환원 전극 지지 기판과, 환원 전극 지지 기판(314)의 표면에 형성되어 CO2의 환원 반응을 행하는 환원 반응부로 구성된다. 또한 환원 반응부는, 빛 에너지에 의하여 여기되어 전하 분리되는 환원 반응 반도체 광촉매와, 환원 반응을 촉진시키는 환원 반응 조촉매로 구성된다.
산화측 전기 접속부(배선)(412)는 산화 전극(409)에 전기적으로 접속되고, 환원측 전기 접속부(배선)(413)는 환원 전극(410)에 전기적으로 접속된다. 그리고 산화측 전기 접속부(412)와 환원측 전기 접속부(413)가 전기적으로 접속됨으로써, 산화 전극(409)과 환원 전극(410)이 전기적으로 접속된다. 이것에 의하여 산화 전극(409) 및 환원 전극(410) 사이에서 전자나 정공의 교환을 행할 수 있다.
전원 소자(반도체 소자)(411)는 산화측 전기 접속부(412)와 환원측 전기 접속부(413) 사이에 배치되어, 각각에 전기적으로 접속된다. 즉, 전원 소자(411)는 산화 전극(409) 및 환원 전극(410)에 배선(산화측 전기 접속부(412) 및 환원측 전기 접속부(413))을 통하여 전기적으로 접속된다. 전원 소자(411)는 빛 에너지에 의하여 재료 내부에 있어서 전하 분리를 하는 것이며, 예를 들어 pin 접합, 비정질 실리콘 태양 전지, 다접합형 태양 전지, 단결정 실리콘 태양 전지, 다결정 실리콘 태양 전지, 색소 증감 태양 전지 또는 유기 박막 태양 전지 등이다.
전원 소자(411)는, 산화 전극(409) 및 환원 전극(410)에 있어서 생성된 최플러스 표준 광 여기 정공 준위와 최마이너스 표준 광 여기 전자 준위의 차에 의하여, 원활히 H2O의 산화 반응 및 CO2의 환원 반응이 동시에 일어나지 않는 경우, 보조 전원으로서 설치된다. 전원 소자(411) 내부에 있어서 생성되는 광 여기 정공은 산화측 전기 접속부(412)를 통하여 산화 전극(409)으로 이동할 수 있고, 전원 소자(411) 내부에 있어서 생성되는 광 여기 전자는 환원측 전기 접속부(413)를 통하여 환원 전극(410)으로 이동할 수 있다. 즉, 산화 전극(409) 및/또는 환원 전극(410)이 빛 에너지에 의하여 충분히 전하 분리되지 않는 경우, 물의 산화 반응 및 CO2의 환원 반응이 동시에 일어나기 위하여 필요한 에너지 분은 전원 소자(411)로부터 제공된다.
또한 전원 소자(411)가 설치되는 경우, 산화 전극(409)에 있어서 빛 에너지를 흡수하여 내부 전하 분리할 필요가 없는 것도 생각된다. 이 경우, 산화 반응 반도체 광촉매는 형성되지 않으며, 산화 전극(409)은 산화 전극 지지 기판과 산화 반응 조촉매만으로 구성된다.
마찬가지로, 전원 소자(411)가 설치되는 경우, 환원 전극(410)에 있어서 빛 에너지를 흡수하여 내부 전하 분리할 필요가 없는 것도 생각된다. 이 경우, 환원 반응 반도체 광촉매는 형성되지 않으며, 환원 전극(410)은 환원 전극 지지 기판과 환원 반응 조촉매만으로 구성된다.
격막(407)은 산화 반응조(401a)와 환원 반응조(401b)를 접속하는 접합부(418)에 배치된다. 즉, 격막(407)은 산화 반응 용액(406a)과 환원 반응 용액(406b) 사이에 배치되어, 이들을 물리적으로 분리한다. 바꾸어 말하면, 격막(407)은 산화 전극(409)(산화 반응부)과 환원 반응 용액(406b) 사이에 배치되어, 산화 반응부는 환원 반응 용액(406b)에 직접 접촉하지 않는다.
격막(407)은 제2 실시 형태에 있어서의 격막(207)과 마찬가지의 구성을 갖는다. 즉, 격막(407)은, 아민 분자의 투과를 저해하는 박막과, 산화 반응 용액(406a)에 포함되는 특정한 물질과 환원 반응 용액(406b)에 포함되는 특정한 물질만을 선택적으로 투과시키는 지지막과의 적층막으로 구성된다. 박막에 대하여, H2O 분자, O2 분자, H+를 투과시키고 아민 분자의 투과를 저해하는 채널 크기를 갖는다. 또한 박막은, 산화 반응 용액(406a) 및 환원 반응 용액(406b)에 레독스가 포함되는 경우, 레독스를 투과시키는 채널 크기를 갖는다. 보다 구체적으로는, 박막은 0.3㎚ 이상 1.0㎚ 이하의 채널 크기를 갖는다. 이러한 박막으로서는 산화그래핀, 그래핀, 폴리이미드, 카본 나노튜브, 다이아몬드형 탄소 및 제올라이트 중 하나 이상을 포함하는 것을 들 수 있다.
또한 산화 반응 용액(406a)에 포함되는 특정한 물질 및 환원 반응 용액(406b)에 포함되는 특정한 물질의 선택적인 투과가 박막만으로도 이루어지는 것도 생각된다. 이 경우, 격막(407)은 박막만으로 구성된다. 또한 격막(407)은 산화 반응 용액(406a)과 환원 반응 용액(406b)를 물리적으로 나누어 아민 분자의 투과를 저해하고 특정한 물질을 선택적으로 투과시키며, 또한 충분한 기계 강도를 갖고 있으면, 지지막 및 박막의 적층순은 어느 쪽이어도 된다.
또한 제2 실시 형태에 있어서의 격막(207)과 마찬가지로, 격막(407)에 있는 박막은 광이 산화 전극(409) 및/또는 환원 전극(410)까지 도달하는 것에 관여하지 않고 산화 전극(409)과도 직접 접촉하지 않기 때문에 광 투과성 및 절연성에 관한 설계상의 제한은 없다.
[효과]
상기 제4 실시 형태에 의하면, 아민 분자를 포함하는 환원 반응 용액(406b) 중에 환원 전극(410)이 배치되고, 산화 반응 용액(406a) 중에 산화 전극(409)이 배치된다. 그리고 산화 반응 용액(406a)(산화 전극(409))과 환원 반응 용액(406b) 사이에, 아민 분자의 투과를 저해하는 박막을 포함하는 격막(407)이 형성된다. 이것에 의하여 제1 실시 형태와 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다.
또한 제4 실시 형태에서는, 산화 반응부 및 환원 반응부 이외에도, 빛 에너지에 의하여 전하 분리되는 전원 소자(411)가 설치된다. 이것에 의하여 제3 실시 형태와 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다.
<제5 실시 형태>
도 12를 사용하여, 제5 실시 형태에 따른 광화학 반응 장치에 대하여 설명한다.
제5 실시 형태에 따른 광화학 반응 장치에서는, 아민 분자를 포함하는 동일한 반응 용액(506) 중에 산화 반응부(503), 전원 소자(511) 및 환원 반응부(505)의 적층체가 배치되고, 산화 반응부(503)의 표면(노출면)을 덮도록 아민 분자의 투과를 저해하는 박막(504)이 형성된다. 이것에 의하여 산화 반응부(503)에 의한 아민 분자의 산화를 방지할 수 있다. 이하에, 제5 실시 형태에 대하여 상세히 설명한다.
또한 제5 실시 형태에 있어서, 상기 각 실시 형태와 마찬가지의 점에 대해서는 설명을 생략하고, 주로 상이한 점에 대하여 설명한다.
[구성]
도 12는 제5 실시 형태에 따른 광화학 반응 장치의 구성을 도시하는 단면도이다.
도 12에 도시한 바와 같이 제5 실시 형태에 따른 광화학 반응 장치는, 반응조(501), 기체 수집 패스(502), 산화 반응부(503), 박막(504), 환원 반응부(505), 반응 용액(506) 및 전원 소자(반도체 소자)(511)를 구비한다. 이하, 각 소자에 대하여 상세히 설명한다.
반응조(501)는 반응 용액(506)을 저장하기 위한 용기이다. 반응조(501)는 기체 수집 패스(502)에 접속되고, 기체 수집 패스(502)를 통하여, 생성되는 기체를 외부로 배출한다. 또한 반응조(501)는 기체 생성물을 효율적으로 수집하기 위하여, 기체 수집 패스(502)를 제외하고 완전한 밀폐 상태로 하는 것이 바람직하다.
반응조(501)의 재료는, 광을 반응 용액(506), 환원 반응부(505), 산화 반응부(503) 및 전원 소자(511)의 내부까지 도달시키기 위하여, 250㎚ 이상 1100㎚ 이하의 파장 범위에 있어서의 광의 흡수가 적은 재료가 좋다. 이러한 재료로서, 예를 들어 석영, 폴리스티롤, 메타크릴레이트 또는 백판 유리 등을 들 수 있다. 또한 반응 시(산화 반응 및 환원 반응 시)에 있어서, 반응조(501) 내에서 균일하고도 효율적으로 반응을 행하기 위하여, 반응조(501) 내에 교반 장치를 구비하여 반응 용액(506)을 교반해도 된다. 단, 교반 장치를 구비하는 경우, 그 교반에 의하여, 반응조(501) 내에 배치되는 산화 반응부(503), 전원 소자(511) 및 환원 반응부(505)를 포함하는 적층체를 물리적으로 파괴하지 않도록 교반 장치와 적층체의 배치 장소를 적절히 설계할 필요가 있다. 또한 그 교반에 의하여, 광의 입사 방향과 적층체에 있어서의 산화 반응부(503)측을 어긋하게 하지 않도록 교반 장치와 적층체의 배치 장소를 적절히 설계할 필요가 있다.
반응 용액(506)은 기체 수집 패스(502)를 제외한 반응조(501)의 저장 용량의 100％보다 작게, 50％ 내지 90％를 채우는 것이 바람직하고 70％ 내지 90％를 채우는 것이 보다 바람직하다. 반응 용액(506)에는 산화 반응부(503), 전원 소자(511) 및 환원 반응부(505)의 적층체가 함침된다. 산화 반응부(503)의 표면에서 H2O의 산화 반응이 행해지고, 환원 반응부(505)의 표면에서 CO2의 환원 반응이 행해진다.
또한 반응 용액(506)은, 산화 반응부(503), 전원 소자(511), 환원 반응부(505) 및 박막(504)을 용해 또는 부식시키거나 하지 않아 이들을 본질로부터 변화시키는 일이 없는 아민 분자를 포함하는 용액이면 된다. 이러한 용액으로서, 예를 들어 에탄올아민, 이미다졸 또는 피리딘 등의 아민 수용액을 들 수 있다. 아민은 1급 아민, 2급 아민 또는 3급 아민 중 어느 것이어도 된다. 1급 아민으로서는 메틸아민, 에틸아민, 프로필아민, 부틸아민, 펜틸아민 또는 헥실아민 등을 들 수 있다. 아민의 탄화수소는 알코올 또는 할로겐 등으로 치환되어도 된다. 아민의 탄화수소가 치환된 것으로서는, 예를 들어 메탄올아민, 에탄올아민 또는 클로로메틸아민 등을 들 수 있다. 또한 아민에 불포화 결합이 존재해도 된다. 이들 탄화수소는 2급 아민 및 3급 아민에 있어서도 마찬가지이다. 2급 아민으로서는 디메틸아민, 디에틸아민, 디프로필아민, 디부틸아민, 디펜틸아민, 디헥실아민, 디메탄올아민, 디에탄올아민 또는 디프로판올아민 등을 들 수 있다. 치환된 탄화수소는 상이해도 된다. 이는 3급 아민에 있어서도 마찬가지이다. 예를 들어 탄화수소가 상이한 것으로서는 메틸에틸아민 또는 메틸프로필아민 등을 들 수 있다. 3급 아민으로서는 트리메틸아민, 트리에틸아민, 트리프로필아민, 트리부틸아민, 트리헥실아민, 트리메탄올아민, 트리에탄올아민, 트리프로판올아민, 트리부탄올아민, 트리프로판올아민, 트리헥산올아민, 메틸디에틸아민 또는 메틸디프로필아민 등을 들 수 있다. 이 반응 용액(506)에는 아민 분자에 의하여 흡수된, 환원 반응이 일어나는 CO2가 포함된다.
이 반응 용액(506)에는 산화 반응이 일어나는 H2O가 포함되고, 또한 아민 분자에 의하여 흡수된, 환원 반응이 일어나는 CO2가 포함된다. 또한 본 예에 있어서, 산화 반응 및 환원 반응은 각각 산화 반응부(503) 및 환원 반응부(505)의 표면에서 일어난다. 따라서 산화 반응부(503)와 환원 반응부(505) 사이에서 전자나 정공의 교환을 행하기 위하여 그 사이를 전기적으로 접속하는 것이 바람직하다. 이 때문에, 반응 용액(506)에 산화 환원 쌍(즉, 레독스)을 필요에 따라 첨가해도 된다. 산화 환원 쌍은, 예를 들어 Fe3 +/Fe2 +, IO3-/I- 등이다.
산화 반응부(503)는 제3 실시 형태에 있어서의 산화 반응부(303)와 마찬가지의 구성을 갖는다. 즉, 산화 반응부(503)는, 빛 에너지에 의하여 여기되어 전하 분리되는 산화 반응 반도체 광촉매와, 산화 반응을 촉진시키는 산화 반응 조촉매로 구성된다.
환원 반응부(505)는 제3 실시 형태에 있어서의 환원 반응부(305)와 마찬가지의 구성을 갖는다. 즉, 환원 반응부(505)는, 빛 에너지에 의하여 여기되어 전하 분리되는 환원 반응 반도체 광촉매와, 환원 반응을 촉진시키는 환원 반응 조촉매로 구성된다.
산화 반응부(503)와 환원 반응부(505)는 전원 소자(511)를 통하여 전기적으로 접속된다. 이것에 의하여 산화 반응부(503)와 환원 반응부(505) 사이에서 전자나 정공의 교환을 행할 수 있다.
전원 소자(반도체 소자)(511)는 산화 반응부(503)와 환원 반응부(505) 사이에 배치되어, 각각에 접하여 형성된다. 바꾸어 말하면, 전원 소자(511)의 제1 면 상에 산화 반응부(503)가 형성되고, 제1 면에 대향하는 제2 면 상에 환원 반응부(505)가 형성된다. 즉, 산화 반응부(503), 전원 소자(511) 및 환원 반응부(505)로 적층체를 형성한다. 이것에 의하여, 전원 소자(511)는 산화 반응부(503)와의 계면 및 환원 반응부(505)와의 계면에 있어서, 각각 산화 반응부(503) 및 환원 반응부(505)에 직접 전기적으로 접속된다. 전원 소자(511)는 빛 에너지에 의하여 재료 내부에 있어서 전하 분리를 하는 것이며, 예를 들어 pin 접합, 비정질 실리콘 태양 전지, 다접합형 태양 전지, 단결정 실리콘 태양 전지, 다결정 실리콘 태양 전지, 색소 증감 태양 전지 또는 유기 박막 태양 전지 등이다.
전원 소자(511)는, 산화 반응부(503) 및 환원 반응부(505)에 있어서 생성된 최플러스 표준 광 여기 정공 준위와 최마이너스 표준 광 여기 전자 준위의 차에 의하여, 원활히 H2O의 산화 반응 및 CO2의 환원 반응이 동시에 일어나지 않는 경우, 보조 전원으로서 설치된다. 전원 소자(511) 내부에 있어서 생성되는 광 여기 정공은 산화 반응부(503)로 직접 이동할 수 있고, 전원 소자(511) 내부에 있어서 생성되는 광 여기 전자는 환원 반응부(505)로 직접 이동할 수 있다. 즉, 산화 반응부(503) 및/또는 환원 반응부(505)가 빛 에너지에 의하여 충분히 전하 분리되지 않는 경우, H2O의 산화 반응 및 CO2의 환원 반응이 동시에 일어나기 위하여 필요한 에너지 분은 전원 소자(511)로부터 제공된다.
또한 전원 소자(511)의 표면에 포함되는 재료에 따라서는, H2O의 산화 반응 또는 CO2의 환원 반응이 일어나는 경우가 있다. 이 경우, 산화 반응부(503) 또는 환원 반응부(505)를 형성하지 않고, 전원 소자(511)에 의하여 산화 반응 또는 환원 반응을 행해도 된다. 이 경우, 산화 반응부(503) 또는 환원 반응부(505)는 전원 소자(511)의 일부로서 정의된다.
또한 전원 소자(511)가 설치되는 경우, 산화 반응부(503)에 있어서 빛 에너지를 흡수하여 내부 전하 분리할 필요가 없는 것도 생각된다. 이 경우, 산화 반응 반도체 광촉매는 형성되지 않으며, 산화 반응부(503)는 산화 반응 조촉매만으로 구성된다.
마찬가지로, 전원 소자(511)가 설치되는 경우, 환원 반응부(505)에 있어서 빛 에너지를 흡수하여 내부 전하 분리할 필요가 없는 것도 생각된다. 이 경우, 환원 반응 반도체 광촉매는 형성되지 않으며, 환원 반응부(505)는 환원 반응 조촉매만으로 구성된다.
박막(504)은 산화 반응부(503)의 표면(노출면)을 덮는다. 산화 반응부(503)의 노출면이란, 산화 반응부(503)에 있어서의, 전원 소자(511)가 형성된 면과는 반대측의 면이다. 바꾸어 말하면, 박막(504)은 산화 반응부(503)와 반응 용액(506) 사이에 배치되어, 산화 반응부(503)는 반응 용액(506)에 직접 접촉하지 않는다. 이 박막(504)은 H2O 분자, O2 분자, H+를 투과시키고 아민 분자의 투과를 저해하는 채널 크기를 갖는다. 또한 박막(504)은 반응 용액(506)에 레독스가 포함되는 경우, 레독스를 투과시키는 채널 크기를 갖는다. 보다 구체적으로는, 박막(504)은 0.3㎚ 이상 1.0㎚ 이하의 채널 크기를 갖는다. 이러한 박막(504)으로서는 산화그래핀, 그래핀, 폴리이미드, 카본 나노튜브, 다이아몬드형 탄소 및 제올라이트 중 하나 이상을 포함하는 것을 들 수 있다.
이것에 의하여, 박막(504)은 반응 용액(506)으로부터 산화 반응부(503)에의 아민 분자의 투과를 저해하여, 산화 반응부(503)에 의한 아민 분자의 산화 반응을 방지할 수 있다. 한편, 박막(504)은 반응 용액(506)으로부터 산화 반응부(503)에의 H2O 분자를 투과시키고, 산화 반응부(503)로부터 반응 용액(506)에의 O2 분자 및 H+를 투과시키기 때문에, 산화 반응부(503)에 의한 H2O의 산화 반응이 억제되는 일은 없다. 즉, 박막(504)은 아민 분자의 투과를 저해하는 아민 분자 체 막으로서 기능한다.
또한 제1 실시 형태에 있어서의 박막(104)과 마찬가지로, 광 투과성 및 절연성의 관점에서 박막(504)의 막 두께를 적절히 조정할 필요가 있다. 박막(504)으로서, 예를 들어 산화그래핀을 사용하는 경우, 그 막 두께를 1㎚ 이상 100㎚ 이하로 하는 것이 바람직하고, 3㎚ 이상 50㎚ 이하로 하는 것이 보다 바람직하다. 이들 광 투과성 및 절연성의 관점에서, 하한은 산화그래핀의 절연성을 고려한 것이고, 상한은 산화그래핀의 광 투과성을 고려한 것이다.
[효과]
상기 제5 실시 형태에 의하면, 아민 분자를 포함하는 동일한 반응 용액(506) 중에 산화 반응부(503), 전원 소자(511) 및 환원 반응부(505)의 적층체가 배치되고, 산화 반응부(503)의 표면(노출면)을 덮도록 아민 분자의 투과를 저해하는 박막(504)이 형성된다. 이것에 의하여 제1 실시 형태와 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다.
또한 제5 실시 형태에서는, 산화 반응부(503) 및 환원 반응부(505) 이외에도, 빛 에너지에 의하여 전하 분리되는 전원 소자(511)가 설치된다. 이 전원 소자(511)가 산화 반응부(503) 및 환원 반응부(505)에 직접 전기적으로 접속됨으로써, 제3 실시 형태보다도 산화 반응부(503)에 있어서의 산화 반응 및 환원 반응부(505)에 있어서의 환원 반응의 반응 효율을 향상시킬 수 있다.
<제6 실시 형태>
도 13 내지 도 15를 사용하여, 제6 실시 형태에 따른 광화학 반응 장치에 대하여 설명한다.
제6 실시 형태에 따른 광화학 반응 장치에서는, 산화 반응부(603), 전원 소자(611) 및 환원 반응부(605)의 적층체가 형성되며, 아민 분자를 포함하는 환원 반응 용액(606b) 중에 환원 반응부(605)가 배치되고, 산화 반응 용액(606a) 중에 산화 반응부(603)가 배치된다. 그리고 산화 반응 용액(606a)과 환원 반응 용액(606b) 사이에, 아민 분자의 투과를 저해하는 박막을 포함하는 격막(607)이 형성되고, 또한 전원 소자(611)가 배치된다. 이것에 의하여 산화 반응부(603)에 의한 아민 분자의 산화를 방지할 수 있다. 이하에, 제6 실시 형태에 대하여 상세히 설명한다.
또한 제6 실시 형태에 있어서, 상기 각 실시 형태와 마찬가지의 점에 대해서는 설명을 생략하고, 주로 상이한 점에 대하여 설명한다.
[구성]
도 13은 제6 실시 형태에 따른 광화학 반응 장치의 구성을 도시하는 단면도이다.
도 13에 도시한 바와 같이 제6 실시 형태에 따른 광화학 반응 장치는, 산화 반응조(601a), 환원 반응조(601b), 산소 수집 패스(602a), 기체 탄소 화합물 수집 패스(602b), 산화 반응부(603), 격막(607), 환원 반응부(605), 산화 반응 용액(606a), 환원 반응 용액(606b) 및 전원 소자(611)를 구비한다. 이하, 각 소자에 대하여 상세히 설명한다.
산화 반응조(601a)는 산화 반응 용액(606a)를 저장하기 위한 용기이다. 산화 반응조(601a)는 산소 수집 패스(602a)에 접속되고, 산소 수집 패스(602a)를 통하여, 생성되는 기체를 외부로 배출한다. 또한 산화 반응조(601a)는 기체 생성물을 효율적으로 수집하기 위하여, 산소 수집 패스(602a)를 제외하고 완전한 밀폐 상태로 하는 것이 바람직하다.
산화 반응조(601a)의 재료는, 광을 산화 반응 용액(606a), 환원 반응부(605), 산화 반응부(603) 및 전원 소자(611)의 내부까지 도달시키기 위하여, 250㎚ 이상 1100㎚ 이하의 파장 범위에 있어서의 광의 흡수가 적은 재료가 좋다. 이러한 재료로서, 예를 들어 석영, 폴리스티롤, 메타크릴레이트 또는 백판 유리 등을 들 수 있다. 또한 반응 시(산화 반응 시)에 있어서, 산화 반응조(601a) 내에서 균일하고도 효율적으로 반응을 행하기 위하여, 산화 반응조(601a) 내에 교반 장치를 구비하여 산화 반응 용액(606a)를 교반해도 된다.
산화 반응 용액(606a)은 산소 수집 패스(602a)를 제외한 산화 반응조(601a)의 저장 용량의 100％보다 작게, 50％ 내지 90％를 채우는 것이 바람직하고 70％ 내지 90％를 채우는 것이 보다 바람직하다. 산화 반응 용액(606a)에는 산화 반응부(603)와, 전원 소자(611)의 일부가 함침된다. 산화 반응부(603)의 표면에서 H2O의 산화 반응이 행해진다.
또한 산화 반응 용액(606a)은, 산화 반응부(603), 전원 소자(611) 및 격막(607)을 용해 또는 부식시키거나 하지 않아 이들을 본질로부터 변화시키는 일이 없는 수용액이면 된다. 이러한 수용액으로서는, 예를 들어 황산 수용액, 황산염 수용액, 인산 수용액, 인산염 수용액, 붕산 수용액, 붕산염 수용액 또는 수산화염 수용액 등을 들 수 있다. 이 산화 반응 용액(606a)에는 산화 반응이 일어나는 H2O가 포함된다.
환원 반응조(601b)는 환원 반응 용액(606b)를 저장하기 위한 용기이다. 환원 반응조(601b)는 CO2를 환원시켜 생성되는 물질이 기체인 경우, 기체 탄소 화합물 수집 패스(602b)에 접속되고, 기체 탄소 화합물 수집 패스(602b)를 통하여, 생성되는 기체를 외부로 배출한다. 또한 환원 반응조(601b)는 기체 생성물을 효율적으로 수집하기 위하여, 기체 탄소 화합물 수집 패스(602b)를 제외하고 완전한 밀폐 상태로 하는 것이 바람직하다. 한편, 환원 반응조(601b)는 CO2를 환원시켜 생성되는 물질이 기체가 아닌 경우, 기체 탄소 화합물 수집 패스(602b)에 접속되지 않아도 된다. 그 경우, 환원 반응조(601b) 및 산화 반응조(601a)는 산소 수집 패스(602a)를 제외하고 완전한 밀폐 상태로 된다.
환원 반응조(601b)의 재료는, 광을 환원 반응 용액(606b), 환원 반응부(605)의 표면까지 도달시키기 위하여, 250㎚ 이상 1100㎚ 이하의 파장 범위에 있어서의 광의 흡수가 적은 재료가 좋다. 이러한 재료로서, 예를 들어 석영, 폴리스티롤, 메타크릴레이트 또는 백판 유리 등을 들 수 있다. 또한 반응 시(환원 반응 시)에 있어서, 환원 반응조(601b) 내에서 균일하고도 효율적으로 반응을 행하기 위하여, 환원 반응조(601b) 내에 교반 장치를 구비하여 환원 반응 용액(606b)를 교반해도 된다.
환원 반응 용액(606b)은 CO2를 환원시켜 생성되는 물질이 기체인 경우, 기체 탄소 화합물 수집 패스(602b)를 제외한 환원 반응조(601b)의 저장 용량의 100％보다 작게, 50％ 내지 90％를 채우는 것이 바람직하고 70％ 내지 90％를 채우는 것이 보다 바람직하다. 한편, 환원 반응 용액(606b)은 CO2를 환원시켜 생성되는 물질이 기체가 아닌 경우, 환원 반응조(601b)의 저장 용량의 100％를 채우는 것이 바람직하며, 적어도 90％ 이상을 채운다. 환원 반응 용액(606b)에는 환원 반응부(605)와, 전원 소자(611)의 기타부가 함침된다. 환원 반응부(605)의 표면에서 CO2의 환원 반응이 행해진다.
또한 환원 반응 용액(606b)은, 환원 반응부(605), 격막(607) 및 전원 소자(611)를 용해 또는 부식시키거나 하지 않아 이들을 본질로부터 변화시키는 일이 없는 아민 분자를 포함하는 용액이면 된다. 이러한 용액으로서, 예를 들어 에탄올아민, 이미다졸 또는 피리딘 등의 아민 수용액을 들 수 있다. 아민은 1급 아민, 2급 아민 또는 3급 아민 중 어느 것이어도 된다. 1급 아민으로서는 메틸아민, 에틸아민, 프로필아민, 부틸아민, 펜틸아민 또는 헥실아민 등을 들 수 있다. 아민의 탄화수소는 알코올 또는 할로겐 등으로 치환되어도 된다. 아민의 탄화수소가 치환된 것으로서는, 예를 들어 메탄올아민, 에탄올아민 또는 클로로메틸아민 등을 들 수 있다. 또한 아민에 불포화 결합이 존재해도 된다. 이들 탄화수소는 2급 아민 및 3급 아민에 있어서도 마찬가지이다. 2급 아민으로서는 디메틸아민, 디에틸아민, 디프로필아민, 디부틸아민, 디펜틸아민, 디헥실아민, 디메탄올아민, 디에탄올아민 또는 디프로판올아민 등을 들 수 있다. 치환된 탄화수소는 상이해도 된다. 이는 3급 아민에 있어서도 마찬가지이다. 예를 들어 탄화수소가 상이한 것으로서는 메틸에틸아민 또는 메틸프로필아민 등을 들 수 있다. 3급 아민으로서는 트리메틸아민, 트리에틸아민, 트리프로필아민, 트리부틸아민, 트리헥실아민, 트리메탄올아민, 트리에탄올아민, 트리프로판올아민, 트리부탄올아민, 트리프로판올아민, 트리헥산올아민, 메틸디에틸아민 또는 메틸디프로필아민 등을 들 수 있다. 이 환원 반응 용액(606b)에는 아민 분자에 의하여 흡수된, 환원 반응이 일어나는 CO2가 포함된다.
이들 산화 반응조(601a)와 환원 반응조(601b)는 격막(607) 및 전원 소자(611)로 분리된다. 바꾸어 말하면, 산화 반응 용액(606a)과 환원 반응 용액(606b)은 격막(607) 및 전원 소자(611)에 의하여 물리적으로 분리된다. 또한 산화 반응조(601a)와 환원 반응조(601b)의 계면(격막(607))은, 전원 소자(611)의 산화 반응부(603)와의 접촉면과 전원 소자(611)의 환원 반응부(605)와의 접촉면 사이에 위치한다. 바꾸어 말하면, 전원 소자(611)의 산화 반응부(603)측의 일부는 산화 반응 용액(606a)에 함침되고, 전원 소자(611)의 환원 반응부(605)측의 일부(기타부)는 환원 반응 용액(606b)에 함침된다.
또한 본 예에 있어서, 산화 반응 및 환원 반응은 각각 산화 반응부(603) 및 환원 반응부(605)의 표면에서 일어난다. 따라서 산화 반응부(603)와 환원 반응부(605) 사이에서 전자나 정공의 교환을 행하기 위하여 그 사이를 전기적으로 접속하는 것이 바람직하다. 이 때문에, 산화 반응 용액(606a) 및 환원 반응 용액(606b)에 산화 환원 쌍(즉, 레독스)을 필요에 따라 첨가해도 된다. 산화 환원 쌍은, 예를 들어 Fe3 +/Fe2 +, IO3-/I- 등이다.
산화 반응부(603)는 제3 실시 형태에 있어서의 산화 반응부(303)와 마찬가지의 구성을 갖는다. 즉, 산화 반응부(603)는, 빛 에너지에 의하여 여기되어 전하 분리되는 산화 반응 반도체 광촉매와, 산화 반응을 촉진시키는 산화 반응 조촉매로 구성된다.
환원 반응부(605)는 제3 실시 형태에 있어서의 환원 반응부(305)와 마찬가지의 구성을 갖는다. 즉, 환원 반응부(605)는, 빛 에너지에 의하여 여기되어 전하 분리되는 환원 반응 반도체 광촉매와, 환원 반응을 촉진시키는 환원 반응 조촉매로 구성된다.
산화 반응부(603)와 환원 반응부(605)는 전원 소자(511)를 통하여 전기적으로 접속된다. 이것에 의하여 산화 반응부(603)와 환원 반응부(605) 사이에서 전자나 정공의 교환을 행할 수 있다.
전원 소자(반도체 소자)(611)는 산화 반응부(603)와 환원 반응부(605) 사이에 배치되어, 각각에 접하여 형성된다. 바꾸어 말하면, 전원 소자(611)의 제1 면 상에 산화 반응부(603)가 형성되고, 제1 면에 대향하는 제2 면 상에 환원 반응부(605)가 형성된다. 즉, 산화 반응부(603), 전원 소자(611) 및 환원 반응부(605)로 적층체를 형성한다. 이것에 의하여, 전원 소자(611)는 산화 반응부(603)와의 계면 및 환원 반응부(605)와의 계면에 있어서, 각각 산화 반응부(603) 및 환원 반응부(605)에 직접 전기적으로 접속된다. 전원 소자(611)는 빛 에너지에 의하여 재료 내부에 있어서 전하 분리를 하는 것이며, 예를 들어 pin 접합, 비정질 실리콘 태양 전지, 다접합형 태양 전지, 단결정 실리콘 태양 전지, 다결정 실리콘 태양 전지, 색소 증감 태양 전지 또는 유기 박막 태양 전지 등이다.
전원 소자(611)는, 산화 반응부(603) 및 환원 반응부(605)에 있어서 생성된 최플러스 표준 광 여기 정공 준위와 최마이너스 표준 광 여기 전자 준위의 차에 의하여, 원활히 H2O의 산화 반응 및 CO2의 환원 반응이 동시에 일어나지 않는 경우, 보조 전원으로서 설치된다. 전원 소자(611) 내부에 있어서 생성되는 광 여기 정공은 산화 반응부(603)로 직접 이동할 수 있고, 전원 소자(611) 내부에 있어서 생성되는 광 여기 전자는 환원 반응부(605)로 직접 이동할 수 있다. 즉, 산화 반응부(603) 및/또는 환원 반응부(605)가 빛 에너지에 의하여 충분히 전하 분리되지 않는 경우, H2O의 산화 반응 및 CO2의 환원 반응이 동시에 일어나기 위하여 필요한 에너지 분은 전원 소자(611)로부터 제공된다.
또한 전원 소자(611)의 표면에 포함되는 재료에 따라서는, H2O의 산화 반응 또는 CO2의 환원 반응이 일어나는 경우가 있다. 이 경우, 산화 반응부(603) 또는 환원 반응부(605)를 형성하지 않고, 전원 소자(611)에 의하여 산화 반응 또는 환원 반응을 행해도 된다. 이 경우, 산화 반응부(603) 또는 환원 반응부(605)는 전원 소자(611)의 일부로서 정의된다.
또한 전원 소자(611)가 설치되는 경우, 산화 반응부(603)에 있어서 빛 에너지를 흡수하여 내부 전하 분리할 필요가 없는 것도 생각된다. 이 경우, 산화 반응 반도체 광촉매는 형성되지 않으며, 산화 반응부(603)는 산화 반응 조촉매만으로 구성된다.
마찬가지로, 전원 소자(611)가 설치되는 경우, 환원 반응부(605)에 있어서 빛 에너지를 흡수하여 내부 전하 분리할 필요가 없는 것도 생각된다. 이 경우, 환원 반응 반도체 광촉매는 형성되지 않으며, 환원 반응부(605)는 환원 반응 조촉매만으로 구성된다.
격막(607)은 산화 반응조(601a)와 환원 반응조(601b) 사이에 배치된다. 즉, 격막(607)은 산화 반응 용액(606a)과 환원 반응 용액(606b) 사이에 배치되어, 이들을 물리적으로 분리한다. 바꾸어 말하면, 격막(607)은 산화 반응부(603)와 환원 반응 용액(606b) 사이에 배치되어, 산화 반응부(603)는 환원 반응 용액(606b)에 직접 접촉하지 않는다. 격막(607)은, 전원 소자(611)의 산화 반응부(603)와의 접촉면과 전원 소자(611)의 환원 반응부(605)와의 접촉면 사이에 위치한다.
격막(607)은 제2 실시 형태에 있어서의 격막(207)과 마찬가지의 구성을 갖는다. 즉, 격막(607)은, 아민 분자의 투과를 저해하는 박막과, 산화 반응 용액(606a)에 포함되는 특정한 물질과 환원 반응 용액(606b)에 포함되는 특정한 물질만을 선택적으로 투과시키는 지지막과의 적층막으로 구성된다. 박막에 대하여, H2O 분자, O2 분자, H+를 투과시키고 아민 분자의 투과를 저해하는 채널 크기를 갖는다. 또한 박막은, 산화 반응 용액(406a) 및 환원 반응 용액(406b)에 레독스가 포함되는 경우, 레독스를 투과시키는 채널 크기를 갖는다. 보다 구체적으로는, 박막은 0.3㎚ 이상 1.0㎚ 이하의 채널 크기를 갖는다. 이러한 박막으로서는 산화그래핀, 그래핀, 폴리이미드, 카본 나노튜브, 다이아몬드형 탄소 및 제올라이트 중 하나 이상을 포함하는 것을 들 수 있다.
또한 산화 반응 용액(606a)에 포함되는 특정한 물질 및 환원 반응 용액(606b)에 포함되는 특정한 물질의 선택적인 투과가 박막만으로도 이루어지는 것도 생각된다. 이 경우, 격막(607)은 박막만으로 구성된다. 또한 격막(607)은 산화 반응 용액(606a)과 환원 반응 용액(606b)를 물리적으로 나누어 아민 분자의 투과를 저해하고 특정한 물질을 선택적으로 투과시키며, 또한 충분한 기계 강도를 갖고 있으면, 지지막 및 박막의 적층순은 어느 쪽이어도 된다.
또한 제2 실시 형태에 있어서의 격막(207)과 마찬가지로, 격막(607)에 있는 박막은 광이 산화 반응부(603) 및 환원 반응부(605)까지 도달하는 것에 관여하지 않고 산화 반응부(603)와도 직접 접촉하지 않기 때문에 광 투과성 및 절연성에 관한 설계상의 제한은 없다.
도 14는 제6 실시 형태에 따른 전원 소자(611)의 일례의 구성을 도시하는 사시도이고, 도 15는 제6 실시 형태에 따른 전원 소자(611)의 일례의 구성을 도시하는 단면도이다.
도 14 및 도 15에 도시한 바와 같이 제6 실시 형태에 따른 전원 소자(611)에 있어서 관통 구멍(616)을 형성하는 것도 가능하다. 이 관통 구멍(616)은, 전원 소자(611)의 산화 반응부(603)와의 접촉면으로부터 전원 소자(611)의 환원 반응부(605)와의 접촉면까지 관통한다. 또한 관통 구멍(617) 내에 격막(607)이 배치된다. 이것에 의하여, 관통 구멍(617) 내에서도 산화 반응 용액(606a)과 환원 반응 용액(606b)이 물리적으로 분리된다.
[효과]
상기 제6 실시 형태에 따르면, 산화 반응부(603), 전원 소자(611) 및 환원 반응부(605)의 적층체가 형성되며, 아민 분자를 포함하는 환원 반응 용액(606b) 중에 환원 반응부(605)가 배치되고, 산화 반응 용액(606a) 중에 산화 반응부(603)가 배치된다. 그리고 산화 반응 용액(606a)과 환원 반응 용액(606b) 사이에, 아민 분자의 투과를 저해하는 박막을 포함하는 격막(607)이 형성되고, 또한 전원 소자(611)가 배치된다. 이것에 의하여 제1 실시 형태와 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다.
또한 제6 실시 형태에서는, 산화 반응부(603) 및 환원 반응부(605) 이외에도, 빛 에너지에 의하여 전하 분리되는 전원 소자(611)가 설치된다. 이것에 의하여 제5 실시 형태와 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 몇 가지 실시 형태를 설명했지만, 이들 실시 형태는 예로서 제시한 것이며, 발명의 범위를 한정하는 것은 의도하고 있지 않다. 이들 신규의 실시 형태는 그 외의 다양한 형태로 실시되는 것이 가능하며, 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 다양한 생략, 치환, 변경을 행할 수 있다. 이들 실시 형태나 그 변형은 발명의 범위나 요지에 포함됨과 함께, 특허 청구의 범위에 기재된 발명과 그 균등의 범위에 포함된다.
103, 203: 산화 반응 입자
303, 503, 603: 산화 반응부
103a, 303a: 산화 반응 반도체 광촉매
103b, 303b: 산화 반응 조촉매
104, 204, 304, 504: 박막
105, 205: 환원 반응 입자
305, 505, 605: 환원 반응부
105a, 305a: 환원 반응 반도체 광촉매
105b, 305b, 환원 반응 조촉매
106, 306, 506: 반응 용액
206a, 406a, 606a: 산화 반응 용액
206b, 406b, 606b: 환원 반응 용액
311, 411, 511, 611: 전원 소자
312, 412: 산화측 전기 접속부
313, 413: 환원측 전기 접속부
309, 409: 산화 전극
310, 410: 환원 전극
102, 302, 502: 기체 수집 패스
202a, 402a, 602a : 산소 수집 패스
202b, 402b, 602b: 기체 탄소 화합물 수집 패스
218, 418: 접합부
101, 301, 501: 반응조
201a, 401a, 601a: 산화 반응조
201b, 401b, 601b: 환원 반응조
207, 407, 607: 격막
208: 지지막
314: 산화 전극 지지 기판
315: 환원 전극 지지 기판
616: 관통 구멍

Claims (24)

  1. 물을 산화시켜 산소를 생성하는 산화 반응부와,
    이산화탄소를 환원시켜 탄소 화합물을 생성하고, 이산화탄소가 흡수된 아민 분자를 포함하는 제1 용액 중에 배치되는 환원 반응부와,
    빛 에너지에 의하여 전하 분리되고 상기 산화 반응부 및 상기 환원 반응부에 전기적으로 접속되는 반도체 소자와,
    상기 산화 반응부와 상기 제1 용액 사이에 형성되고, 상기 제1 용액으로부터 상기 산화 반응부에의 상기 아민 분자의 투과를 저해하는 박막
    을 구비하는 것을 특징으로 하는 광화학 반응 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 박막은 물 분자, 산소 분자 및 수소 이온을 투과시키는 것을 특징으로 하는 광화학 반응 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 박막은 탄소 및/또는 실리콘 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 광화학 반응 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 박막은 산화그래핀, 그래핀, 폴리이미드, 카본 나노튜브, 다이아몬드형 탄소 및 제올라이트 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 광화학 반응 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 박막의 채널 크기는 0.3㎚ 이상 1.0㎚ 이하인 것을 특징으로 하는 광화학 반응 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 반도체 소자는 상기 산화 반응부 및 상기 환원 반응부에 배선을 통하여 전기적으로 접속되는 것을 특징으로 하는 광화학 반응 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 반도체 소자는 상기 산화 반응부와 상기 환원 반응부 사이에 접하여 형성되고, 상기 산화 반응부 및 상기 환원 반응부에 직접 전기적으로 접속되는 것을 특징으로 하는 광화학 반응 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 용액은 물을 포함하고, 상기 산화 반응부는 상기 제1 용액 중에 배치되며, 상기 박막은 상기 산화 반응부의 표면에 형성되는 것을 특징으로 하는 광화학 반응 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 산화 반응부는 상기 제1 용액과는 분리된 물을 포함하는 제2 용액 중에 배치되고, 상기 박막은 상기 제1 용액과 상기 제2 용액 사이에 형성되는 것을 특징으로 하는 광화학 반응 장치.
  10. 빛 에너지에 의하여 전하 분리되는 산화 반응 반도체 광촉매를 포함하고, 물을 산화시켜 산소를 생성하는 산화 반응부와,
    빛 에너지에 의하여 전하 분리되는 환원 반응 반도체 광촉매를 포함하고, 이산화탄소가 흡수된 아민 분자를 포함하는 제1 용액 중에 배치되고, 이산화탄소를 환원시켜 탄소 화합물을 생성하는 환원 반응부와,
    상기 산화 반응부와 상기 제1 용액 사이에 형성되고, 상기 제1 용액으로부터 상기 산화 반응부에의 상기 아민 분자의 투과를 저해하는 박막
    을 구비하는 것을 특징으로 하는 광화학 반응 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 박막은 물 분자, 산소 분자 및 수소 이온을 투과시키는 것을 특징으로 하는 광화학 반응 장치.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 박막은 탄소 및/또는 실리콘 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 광화학 반응 장치.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 박막은 산화그래핀, 그래핀, 폴리이미드, 카본 나노튜브, 다이아몬드형 탄소 및 제올라이트 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 광화학 반응 장치.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 박막의 채널 크기는 0.3㎚ 이상 1.0㎚ 이하인 것을 특징으로 하는 광화학 반응 장치.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 제1 용액은 물을 포함하고, 상기 산화 반응부는 상기 제1 용액 중에 배치되며, 상기 박막은 상기 산화 반응부의 표면에 형성되는 것을 특징으로 하는 광화학 반응 장치.
  16. 제10항에 있어서,
    상기 산화 반응부는 상기 제1 용액과는 분리된 물을 포함하는 제2 용액 중에 배치되고, 상기 박막은 상기 제1 용액과 상기 제2 용액 사이에 형성되는 것을 특징으로 하는 광화학 반응 장치.
  17. 제10항에 있어서,
    상기 산화 반응부는 상기 산화 반응 반도체 광촉매의 표면에 형성되고, 산화 반응을 촉진하는 산화 반응 조촉매를 더 포함하며, 상기 환원 반응부는 상기 환원 반응 반도체 광촉매의 표면에 형성되고, 환원 반응을 촉진하는 환원 반응 조촉매를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광화학 반응 장치.
  18. 이산화탄소가 흡수된 아민 분자를 포함하는 제1 용액으로부터 물을 산화시켜 산소를 생성하는 산화 반응부에의 상기 아민 분자의 투과를 저해하는 것을 특징으로 하는 박막.
  19. 제18항에 있어서,
    물 분자, 산소 분자 및 수소 이온을 투과시키는 것을 특징으로 하는 박막.
  20. 제18항에 있어서,
    탄소 및/또는 실리콘 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 박막.
  21. 제1항에 있어서,
    상기 박막은 산화그래핀, 그래핀, 폴리이미드 및 카본 나노튜브 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 광화학 반응 장치.
  22. 제1항에 있어서,
    상기 박막은 막 두께가 1㎚ 이상 100㎚ 이하인 산화그래핀을 포함하는 것을 특징으로 하는 광화학 반응 장치.
  23. 제10항에 있어서,
    상기 박막은 산화그래핀, 그래핀, 폴리이미드 및 카본 나노튜브 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 광화학 반응 장치.
  24. 제10항에 있어서,
    상기 박막은 막 두께가 1㎚ 이상 100㎚ 이하인 산화그래핀을 포함하는 것을 특징으로 하는 광화학 반응 장치.
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