JP6774165B2 - Photochemical reaction device, electrode for oxidation reaction and electrode for reduction reaction used for it - Google Patents

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Description

本発明は、水を電子源として二酸化炭素を還元し炭素化合物を合成する光化学反応デバイス、それに用いられる酸化反応用電極及び還元反応用電極に関する。 The present invention relates to a photochemical reaction device for synthesizing a carbon compound by reducing carbon dioxide using water as an electron source, and an electrode for an oxidation reaction and an electrode for a reduction reaction used therein.

特許文献1〜4、非特許文献1,2には、二酸化炭素の還元反応を呈する還元反応用光触媒として、TiO、酸化ジルコニウム等の半導体触媒の粉末を水に懸濁させ、二酸化炭素を通しながらキセノンランプや高圧水銀灯のような人工光源からの光照射を行うと、ホルムアルデヒド、ギ酸、メタン、メタノールなどが生成する技術が開示されている。 In Patent Documents 1 to 4 and Non-Patent Documents 1 and 2 , as a photocatalyst for a reduction reaction exhibiting a reduction reaction of carbon dioxide, powder of a semiconductor catalyst such as TiO 2 and zirconium oxide is suspended in water and carbon dioxide is passed through. However, a technique for producing formaldehyde, formic acid, methane, methanol, etc. when irradiated with light from an artificial light source such as a xenon lamp or a high-pressure mercury lamp is disclosed.

また、非特許文献3には、電解重合法により金属電極を金属錯体触媒ポリマーで修飾して、水中において二酸化炭素を選択的に還元する技術が開示されている。具体的には、カーボンや白金電極上に電気化学的にRu錯体をポリマライズさせた触媒を用いて、電気化学的なバイアスを−0.8V(対Ag/AgCl)印加した条件下において、ファラデー効率85%でギ酸を生成させる技術が開示されている。 Further, Non-Patent Document 3 discloses a technique of modifying a metal electrode with a metal complex catalyst polymer by an electrolytic polymerization method to selectively reduce carbon dioxide in water. Specifically, Faraday efficiency under the condition that an electrochemical bias of -0.8 V (against Ag / AgCl) was applied using a catalyst in which an electrochemically Ru complex was polymerized on a carbon or platinum electrode. A technique for producing formic acid at 85% is disclosed.

また、非特許文献4には、アモルファスシリコン(a−Si)及びアモルファスシリコンゲルマニウム(a−SiGe)を3層に積層した三接合型アモルファスシリコン積層体を用いた水分解に関する技術が開示されている。また、特許文献16及び17には、三接合型アモルファスシリコン積層体を光吸収体、金属触媒を還元触媒として用いた二酸化炭素光還元反応に関する技術が開示されている。イオン交換膜を用いた二室セル構造を用いて二酸化炭素を還元することにより一酸化炭素が生成される。二酸化炭素の還元反応における太陽光変換効率は1.5%である。 Further, Non-Patent Document 4 discloses a technique relating to water splitting using a three-junction amorphous silicon laminate in which amorphous silicon (a-Si) and amorphous silicon germanium (a-SiGe) are laminated in three layers. .. Further, Patent Documents 16 and 17 disclose techniques relating to a carbon dioxide photoreduction reaction using a three-junction amorphous silicon laminate as a light absorber and a metal catalyst as a reduction catalyst. Carbon monoxide is produced by reducing carbon dioxide using a two-chamber cell structure using an ion exchange membrane. The solar conversion efficiency in the carbon dioxide reduction reaction is 1.5%.

また、特許文献4〜11には、金属電極又は金属化合物電極を用いて、水中において二酸化炭素を光還元する技術が開示されている。 Further, Patent Documents 4 to 11 disclose techniques for photoreducing carbon dioxide in water using a metal electrode or a metal compound electrode.

また、特許文献12〜15には、錯体触媒で修飾された半導体粒子又は錯体触媒で修飾された半導体電極を用いて炭化水素化合物を分解する技術が開示されている。 Further, Patent Documents 12 to 15 disclose techniques for decomposing hydrocarbon compounds using semiconductor particles modified with a complex catalyst or semiconductor electrodes modified with a complex catalyst.

また、非特許文献5には、錯体触媒/半導体電極の構造に関して、水を酸化する電極としてSrTiO3光電極を適用することで、一室型セル内で機能するワイヤレスデバイスが開示されている。二室型セルでの二酸化炭素還元反応における太陽光変換効率は0.14%であり、一室型ワイヤレスデバイスの太陽光変換効率は0.08%である。 Further, Non-Patent Document 5 discloses a wireless device that functions in a one-chamber cell by applying an SrTiO3 photoelectrode as an electrode that oxidizes water with respect to the structure of a complex catalyst / semiconductor electrode. The solar conversion efficiency in the carbon dioxide reduction reaction in the two-chamber cell is 0.14%, and the solar conversion efficiency in the one-chamber wireless device is 0.08%.

特許第2526396号公報Japanese Patent No. 2526396 特開平6−158374号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 6-158374 特許第3590837号公報Japanese Patent No. 3590837 特開2011−140719号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2011-140719 特開2013−129883号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2013-129883 特開2013−147676号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2013-147676 国際公開第11/067873号パンフレットInternational Publication No. 11/067873 Pamphlet 国際公開第11/132375号パンフレットInternational Publication No. 11/132375 Pamphlet 国際公開第11/135782号パンフレットInternational Publication No. 11/135782 Pamphlet 国際公開第11/135783号パンフレットInternational Publication No. 11/135783 Pamphlet 特表2012−516392号公報Special Table 2012-516392 特開2010−64066号公報JP-A-2010-64066 特開2011−82144号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2011-82144 特開2011−94194号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2011-94194 国際公開第12/091045号パンフレットInternational Publication No. 12/091045 Pamphlet 特開2014−101550号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2014-101550 特開2014−101551号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2014-101551

Fujishimaら, Nature 277 (1979) 637Fujishima et al., Nature 277 (1979) 637 Fujishimaら,The Journal of Physical Chemistry 102 (1998) 9834Fujishima et al., The Journal of Physical Chemistry 102 (1998) 9834 Deronzierら, The Journal of Electroanalytical Chemistry 444 (1998) 253Deronzier et al., The Journal of Electroanalytical Chemistry 444 (1998) 253 S.Y.Reeceら,Science 334 (2011) 645S.Y.Reece et al., Science 334 (2011) 645 T.Araiら, Energy & Environmental Science 6 (2013) 1274T. Arai et al., Energy & Environmental Science 6 (2013) 1274

しかしながら、従来の技術では、水を電子源として二酸化炭素を還元できなかったり、還元できたとしても太陽光変換効率(0.04%等)が低かったりするという問題がある。また、二酸化炭素の還元生成物の分解を抑制するために、酸化反応用電極と還元反応用電極との間にプロトン交換膜を設けた2室型のセルとする必要があり、装置構成が複雑化するという問題がある。 However, the conventional technique has a problem that carbon dioxide cannot be reduced by using water as an electron source, and even if it can be reduced, the solar conversion efficiency (0.04% or the like) is low. Further, in order to suppress the decomposition of the reduction product of carbon dioxide, it is necessary to form a two-chamber type cell in which a proton exchange membrane is provided between the electrode for the oxidation reaction and the electrode for the reduction reaction, and the apparatus configuration is complicated. There is a problem of becoming.

また、二酸化炭素を還元して生成された生成物が酸化反応用電極において分解されたり、水の分解によって発生する酸素が還元反応用電極上での反応を阻害したりする問題がある。 Further, there is a problem that the product produced by reducing carbon dioxide is decomposed at the electrode for oxidation reaction, and oxygen generated by the decomposition of water inhibits the reaction on the electrode for reduction reaction.

本発明の1つの態様は、第1の炭素化合物の存在下で選択的に水を酸化して酸素を発生する酸化反応用電極と、酸素の存在下で選択的に前記第1の炭素化合物とは異なる第2の炭素化合物を還元する還元反応用電極と、を含み、これらを電気的に接続して構成され、前記還元反応用電極は、照射される光エネルギーを利用して水を含む液中で前記第2の炭素化合物を還元することを特徴とする光化学反応デバイスである。 One aspect of the present invention is an oxidation reaction electrode that selectively oxidizes water to generate oxygen in the presence of a first carbon compound, and the first carbon compound selectively in the presence of oxygen. Contains a reduction reaction electrode that reduces a different second carbon compound, and is configured by electrically connecting these, and the reduction reaction electrode is a liquid containing water by utilizing the irradiated light energy. Among them, it is a photochemical reaction device characterized by reducing the second carbon compound.

ここで、前記酸化反応用電極は、イリジウム化合物、コバルト化合物、バナジン酸ビスマスを修飾した透明導電体を含むことが好適である。CO還元生成物の存在下においても選択的にHOを酸化するため、CO還元生成物の分解を抑制することができる。このため、たとえば、酸化反応用電極と還元反応用電極との間にプロトン交換膜を設けて分離した2室型反応セル構造を採用する必要がなく、酸化反応用電極と還元反応用電極との間にプロトン交換膜が設けられていない一室型反応セルや還元反応用電極と一体化したワイヤレスデバイスに適用が可能である。 Here, it is preferable that the electrode for the oxidation reaction contains a transparent conductor modified with an iridium compound, a cobalt compound, and bismuth vanadate. Since the oxidizing selectively H 2 O in the presence of CO 2 reduction product, it is possible to suppress the decomposition of the CO 2 reduction products. Therefore, for example, it is not necessary to adopt a two-chamber reaction cell structure in which a proton exchange film is provided between the oxidation reaction electrode and the reduction reaction electrode to separate them, and the oxidation reaction electrode and the reduction reaction electrode can be separated from each other. It can be applied to a one-chamber reaction cell without a proton exchange film between them and a wireless device integrated with a reduction reaction electrode.

また、前記酸化反応用電極は、IrOx(x=1〜2)又はWO/BiVOを含むことが好適である。 Further, it is preferable that the electrode for the oxidation reaction contains IrOx (x = 1 to 2) or WO 3 / BiVO 4 .

また、前記還元反応用電極は、光吸収体/カーボン層/金属錯体の配列を有する接合体であることが好適である。例えば、前記還元反応用電極は、多接合型アモルファスシリコン積層体/カーボン層/ルテニウム金属錯体の接合体であることが好適である。多接合型アモルファスシリコン積層体は、出力電圧がシリコン単体よりも高く、カーボン層は、水素過電圧が高く、ルテニウム金属錯体は、水中においてもCO還元能を有することが好適である。 Further, the electrode for the reduction reaction is preferably a bonded body having an arrangement of a light absorber / carbon layer / metal complex. For example, the electrode for the reduction reaction is preferably a multi-junction amorphous silicon laminate / carbon layer / ruthenium metal complex conjugate. It is preferable that the multi-junction amorphous silicon laminate has a higher output voltage than the silicon alone, the carbon layer has a high hydrogen overvoltage, and the ruthenium metal complex has a CO 2 reducing ability even in water.

また、前記酸化反応用電極と前記還元反応用電極との間にプロトン交換膜が設けられていない一室型であることが好適である。 Further, it is preferable that the one-chamber type is not provided with a proton exchange membrane between the oxidation reaction electrode and the reduction reaction electrode.

また、前記酸化反応用電極と前記還元反応用電極は、互いに一体化されることにより電気的に接続して構成されており、前記酸化反応用電極は光の透過性を有しており、かつ、前記還元反応用電極よりも前記光の入射側に配置されていることが好適である。このような構成は、いわゆるワイヤレスデバイス構造として知られており、装置構成を単純化することができる。ワイヤレスデバイス構造とできる理由は次のとおりである。酸化反応用電極の材料として、光透過性の高いFTO/IrOx又はWO/BiVOを含む材料を採用して、酸化反応用電極が光の透過性を有するものとしている。そのため、酸化反応用電極と還元反応用電極を一体化し、酸化反応用電極を還元反応用電極よりも光の入射側に配置していることにより、酸化反応用電極を透過した光が還元反応用電極に入射し、本発明に係る光化学反応が進行する。また、生成物存在下においても逆反応を進行させることなく選択的に水を酸化できる。 Further, the oxidation reaction electrode and the reduction reaction electrode are electrically connected to each other by being integrated with each other, and the oxidation reaction electrode has light transmission and is transparent to light. , It is preferable that the electrode is arranged on the incident side of the light from the electrode for the reduction reaction. Such a configuration is known as a so-called wireless device structure, and the device configuration can be simplified. The reasons for the wireless device structure are as follows. As the material of the electrode for the oxidation reaction, a material containing FTO / IrOx or WO 3 / BiVO 4 having high light transmission is adopted, and the electrode for the oxidation reaction has light transmission. Therefore, the oxidation reaction electrode and the reduction reaction electrode are integrated, and the oxidation reaction electrode is arranged on the incident side of the light from the reduction reaction electrode, so that the light transmitted through the oxidation reaction electrode is used for the reduction reaction. It enters the electrode and the photochemical reaction according to the present invention proceeds. In addition, water can be selectively oxidized even in the presence of a product without proceeding with a reverse reaction.

また、前記第2の炭素化合物は二酸化炭素であることが好適である。また、前記第1の炭素化合物はアルコール及びカルボン酸の少なくとも1つであることが好適である。 Moreover, it is preferable that the second carbon compound is carbon dioxide. Moreover, it is preferable that the first carbon compound is at least one of an alcohol and a carboxylic acid.

本発明の別の態様は、炭素化合物を還元するための光化学反応デバイスの酸化反応用電極であって、イリジウム化合物、コバルト化合物、バナジン酸ビスマスを修飾した透明導電体を含むことを特徴とする酸化反応用電極である。当該酸化反応用電極は、CO還元生成物の存在下においても選択的にHOを酸化するため、CO還元生成物の分解を抑制することができる。このため、たとえば、酸化反応用電極と還元反応用電極との間にプロトン交換膜を設けて分離した2室型反応セル構造を採用する必要がなく、酸化反応用電極と還元反応用電極との間にプロトン交換膜が設けられていない一室型反応セルや還元反応用電極と一体化したワイヤレスデバイスに適用が可能である。 Another aspect of the present invention is an electrode for an oxidation reaction of a photochemical reaction device for reducing a carbon compound, which comprises an iridium compound, a cobalt compound, and a transparent conductor modified with bismuth vanadate. It is a reaction electrode. The oxidation reaction for electrodes, since the oxidizing selectively H 2 O in the presence of CO 2 reduction product, it is possible to suppress the decomposition of the CO 2 reduction products. Therefore, for example, it is not necessary to adopt a two-chamber reaction cell structure in which a proton exchange film is provided between the oxidation reaction electrode and the reduction reaction electrode to separate them, and the oxidation reaction electrode and the reduction reaction electrode can be separated from each other. It can be applied to a one-chamber reaction cell without a proton exchange film between them and a wireless device integrated with a reduction reaction electrode.

ここで、IrOx(x=1〜2)又はWO/BiVOを含むことが好適である。 Here, it is preferable to include IrOx (x = 1 to 2) or WO 3 / BiVO 4 .

本発明の別の態様は、炭素化合物を還元するための光化学反応デバイスの還元反応用電極であって、光吸収体/カーボン層/金属錯体の配列を有する接合体を含むことが好適である。例えば、三接合型アモルファスシリコン積層体/カーボン層/ルテニウム金属錯体の接合体を含むことを特徴とする還元反応用電極である。多接合型アモルファスシリコン積層体は、出力電圧がシリコン単体よりも高く、カーボン層は、水素過電圧が高く、ルテニウム金属錯体は、水中においてもCO還元能を有することが好適である。 Another aspect of the present invention is preferably an electrode for a reduction reaction of a photochemical reaction device for reducing a carbon compound, and preferably includes a conjugate having an arrangement of a light absorber / carbon layer / metal complex. For example, it is an electrode for a reduction reaction, which comprises a three-junction amorphous silicon laminate / carbon layer / ruthenium metal complex conjugate. It is preferable that the multi-junction amorphous silicon laminate has a higher output voltage than the silicon alone, the carbon layer has a high hydrogen overvoltage, and the ruthenium metal complex has a CO 2 reducing ability even in water.

本発明によれば、光エネルギーを利用して二酸化炭素を還元し、有用な炭素化合物を高い効率で合成することができる。 According to the present invention, carbon dioxide can be reduced by using light energy to synthesize a useful carbon compound with high efficiency.

本発明の実施の形態(実施例1,2)における光化学反応デバイスの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the photochemical reaction device in Embodiment (Examples 1 and 2) of this invention. 本発明の実施の形態における光化学反応デバイスの別の構成を示す図である。It is a figure which shows another structure of the photochemical reaction device in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態における光化学反応デバイスの別の構成を示す図である。It is a figure which shows another structure of the photochemical reaction device in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態(実施例3)における光化学反応デバイスの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the photochemical reaction device in Embodiment (Example 3) of this invention. 本発明の実施の形態(実施例4,5)における光化学反応デバイスの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the photochemical reaction device in Embodiment (Examples 4 and 5) of this invention. 比較例1における光化学反応デバイスの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the photochemical reaction device in the comparative example 1. FIG. 比較例2における光化学反応デバイスの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the photochemical reaction device in the comparative example 2. 比較例3,4における光化学反応デバイスの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the photochemical reaction device in the comparative examples 3 and 4. 本発明の実施の形態(実施例6)における光化学反応デバイスの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the photochemical reaction device in Embodiment (Example 6) of this invention. 実施例7におけるリン酸カリウム水溶液中のギ酸の光分解の実験結果を示す図である。It is a figure which shows the experimental result of the photolysis of formic acid in the potassium phosphate aqueous solution in Example 7. 実施例8におけるリン酸カリウム水溶液中のメタノールの光分解の実験結果を示す図である。It is a figure which shows the experimental result of the photodecomposition of methanol in the potassium phosphate aqueous solution in Example 8. 実施例9におけるリン酸カリウム水溶液中のエタノールの光分解の実験結果を示す図である。It is a figure which shows the experimental result of the photodecomposition of ethanol in the potassium phosphate aqueous solution in Example 9. 実施例11におけるリン酸カリウム水溶液中のギ酸の光分解の実験結果を示す図である。It is a figure which shows the experimental result of the photolysis of formic acid in the potassium phosphate aqueous solution in Example 11.

以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

図1には、実施形態に係る光化学反応デバイスの構成を示している。半導体電極である還元反応用電極10と、その対極であって半導体電極である酸化反応用電極12が電気的に接続されている。 FIG. 1 shows the configuration of the photochemical reaction device according to the embodiment. The reduction reaction electrode 10 which is a semiconductor electrode and the oxidation reaction electrode 12 which is the opposite electrode thereof and is a semiconductor electrode are electrically connected.

そして、還元反応用電極10には、触媒16が電子eのやり取りができる状態で接触する。図示の例では、金属錯体(ルテニウム錯体ポリマー)が触媒16として利用されている。 Then, the catalyst 16 comes into contact with the reduction reaction electrode 10 in a state where electrons e can be exchanged. In the illustrated example, a metal complex (ruthenium complex polymer) is used as the catalyst 16.

このようなシステムにおいて、還元反応用電極10に光が照射されると、ここで光励起電子eが発生し、この光励起電子eが触媒16の還元触媒反応に利用される。この例では、二酸化炭素(CO)がギ酸(HCOOH)に還元される。 In such a system, when light is irradiated to the reduction electrode 10, wherein the photo-excited electrons e - are generated, the photo-excited electrons e - are utilized in the reduction catalytic reaction of the catalyst 16. In this example, carbon dioxide (CO 2 ) is reduced to formic acid (HCOOH).

一方、酸化反応用電極12では、水(HO)を酸素((1/2)O)あるいは過酸化水素などに酸化する反応が生じ、ここで生じた電子eが還元反応用電極10に移動し、還元反応用電極10の内部において光励起電子の対として発生したホールと結合する。助触媒を担持した導電性ガラス(FTO/IrOx等:x=1〜2)を用いた場合は、光照射を行っても行わなくてもよく、酸化反応用電極12に半導体電極(WO/BiVO等)を用いた場合は、酸化反応用電極12にも光照射が必要となる。 On the other hand, in the oxidation reaction electrode 12, a reaction occurs in which water (H 2 O) is oxidized to oxygen ((1/2) O 2 ) or hydrogen peroxide, and the electron e generated here is the electrode for reduction reaction. It moves to 10 and combines with holes generated as a pair of photoexcited electrons inside the reduction reaction electrode 10. When conductive glass (FTO / IrOx, etc .: x = 1 to 2) carrying a cocatalyst is used, light irradiation may or may not be performed, and the oxidation reaction electrode 12 may be a semiconductor electrode (WO 3 /). When BiVO 4 or the like is used, the oxidation reaction electrode 12 also needs to be irradiated with light.

このように、本実施形態では、光照射により還元反応用電極10内部で生じた光励起電子eが、炭素化合物の還元作用を呈する触媒16に移動することにより炭素化合物の還元反応が行われる。特に、光励起電子を利用するためにバイアス電圧を印加することなく炭素化合物(二酸化炭素等)を還元し、有用な有機化合物を高効率かつ高い反応生成物選択性で合成できる。また、酸化反応用電極12で水を酸化して電子を抽出することができる。そして、ここで生じた電子が還元反応用電極10において生じたホールと効率的に結合する。このため、外部からバイアス電源を印加しなくても、二酸化炭素の還元反応を水を電子供与剤として進めることができる。なお、図2に示すように、還元反応用電極10と、酸化反応用電極12との間にバイアス電源14を配置して、バイアス電圧を両電極間に印加することで、上記反応をより効率的に進めることもできる。 As described above, in the present embodiment, the photoexcited electrons e generated inside the reduction reaction electrode 10 by light irradiation move to the catalyst 16 that exhibits the reducing action of the carbon compound, so that the reduction reaction of the carbon compound is carried out. In particular, since carbon compounds (carbon dioxide and the like) can be reduced without applying a bias voltage to utilize photoexcited electrons, useful organic compounds can be synthesized with high efficiency and high reaction product selectivity. In addition, water can be oxidized by the oxidation reaction electrode 12 to extract electrons. Then, the electrons generated here are efficiently bonded to the holes generated in the reduction reaction electrode 10. Therefore, water can be used as an electron donor for the carbon dioxide reduction reaction without applying a bias power source from the outside. As shown in FIG. 2, a bias power supply 14 is arranged between the reduction reaction electrode 10 and the oxidation reaction electrode 12, and a bias voltage is applied between the two electrodes to make the reaction more efficient. You can also proceed in a targeted manner.

「還元反応用電極」
ここで、還元反応用電極10に用いる半導体は、その伝導帯の最下端のエネルギー準位の値から、触媒16の電子によって占有されていない分子軌道のうち最もエネルギーの低い準位の値を引いた値が0.2電子ボルト以下である材料とする。
"Reduction reaction electrode"
Here, the semiconductor used for the reduction reaction electrode 10 subtracts the value of the lowest energy level among the molecular orbitals not occupied by the electrons of the catalyst 16 from the value of the energy level at the lowermost end of the conduction band. The material shall have a value of 0.2 electron volt or less.

本実施の形態では、還元反応用電極10は、図3に示すように、光吸収層となる三接合型アモルファスシリコン(3jn−a−Si)積層膜(多接合型アモルファスシリコン積層体)20と、触媒16となるルテニウム錯体ポリマー(RuCP)24で修飾されたカーボンクロス(CC)22を組み合わせた接合体である光電極とする。 In the present embodiment, as shown in FIG. 3, the reduction reaction electrode 10 has a three-junction amorphous silicon (3jn-a-Si) laminated film (multi-junction amorphous silicon laminate) 20 serving as a photoabsorbing layer. A photoelectrode which is a combination of carbon cloth (CC) 22 modified with a ruthenium complex polymer (RuCP) 24 as a catalyst 16 is used.

三接合型アモルファスシリコン積層膜20は、金属基板30、金属反射層31、透明導電膜32、第1アモルファスシリコンゲルマニウム(a−SiGe)積層体33、第2アモルファスシリコンゲルマニウム(a−SiGe)積層体34、アモルファスシリコン(a−Si)積層体35、透明導電膜36を含んで構成される。 The three-junction amorphous silicon laminated film 20 includes a metal substrate 30, a metal reflective layer 31, a transparent conductive film 32, a first amorphous silicon germanium (a-SiGe) laminated body 33, and a second amorphous silicon germanium (a-SiGe) laminated body. 34, an amorphous silicon (a—Si) laminate 35, and a transparent conductive film 36 are included.

金属基板30は、三接合型アモルファスシリコン積層膜20の基材となる部材であり、例えば、ステンレススチール等が適用される。金属反射層31は、透明導電膜36側から入射される光を反射させて、第1a−SiGe積層体33、第2a−SiGe積層体34、a−Si積層体35に再度入射させるための層である。金属反射層31は、例えば、銀薄膜等を適用することができる。透明導電膜32は、第1a−SiGe積層体33、第2a−SiGe積層体34、a−Si積層体35を積層するための種層である。透明導電膜32は、酸化亜鉛(ZnO)、インジウム含有酸化スズ(ITO)等を用いることができる。第1a−SiGe積層体33は、第1の光起電力体であり、n型のアモルファスシリコン層(n1:a−Si)33a、i型のアモルファスシリコンゲルマニウム層(i1:a−SiGe)33b、p型の微結晶シリコン層(p1:nc−Si)33cを積層してなる。i型のアモルファスシリコンゲルマニウム層(i1:a−SiGe)は、例えば、バンドギャップが1.4eV程度であってもよい。第2a−SiGe積層体34は、第2の光起電力体であり、n型のアモルファスシリコン層(n2:a−Si)34a、i型のアモルファスシリコンゲルマニウム層(i2:a−SiGe)34b、p型の微結晶シリコン層(p2:nc−Si)34cを積層してなる。i型のアモルファスシリコンゲルマニウム層(i2:a−SiGe)は、例えば、バンドギャップが1.6eV程度であってもよい。a−Si積層体35は、第3の光起電力体であり、n型のアモルファスシリコン層(n3:a−Si)35a、i型のアモルファスシリコン層(i3:a−Si)35b、p型の微結晶シリコン層(p3:nc−Si)35cを積層してなる。i型のアモルファスシリコン層(i3:a−Si)は、例えば、バンドギャップが1.8eV程度であってもよい。透明導電膜36は、還元反応用電極10の光入射側となる電極層である。透明導電膜36は、インジウム含有酸化スズ(ITO)、酸化亜鉛(ZnO)等を用いることができる。 The metal substrate 30 is a member that serves as a base material for the three-junction amorphous silicon laminated film 20, and for example, stainless steel or the like is applied. The metal reflective layer 31 is a layer for reflecting the light incident from the transparent conductive film 36 side and re-incidentizing it on the first a-SiGe laminate 33, the second a-SiGe laminate 34, and the a-Si laminate 35. Is. For example, a silver thin film or the like can be applied to the metal reflective layer 31. The transparent conductive film 32 is a seed layer for laminating the first a-SiGe laminate 33, the second a-SiGe laminate 34, and the a-Si laminate 35. As the transparent conductive film 32, zinc oxide (ZnO), indium-containing tin oxide (ITO), or the like can be used. The first a-SiGe laminate 33 is a first photovoltaic body, and has an n-type amorphous silicon layer (n1: a-Si) 33a, an i-type amorphous silicon germanium layer (i1: a-SiGe) 33b, and the like. A p-type microcrystalline silicon layer (p1: nc-Si) 33c is laminated. The i-type amorphous silicon germanium layer (i1: a-SiGe) may have a band gap of, for example, about 1.4 eV. The second a-SiGe laminate 34 is a second photovoltaic body, and has an n-type amorphous silicon layer (n2: a-Si) 34a, an i-type amorphous silicon germanium layer (i2: a-SiGe) 34b, and the like. It is formed by laminating a p-type microcrystalline silicon layer (p2: nc-Si) 34c. The i-type amorphous silicon germanium layer (i2: a-SiGe) may have a band gap of, for example, about 1.6 eV. The a-Si laminate 35 is a third photovoltaic element, and is an n-type amorphous silicon layer (n3: a-Si) 35a, an i-type amorphous silicon layer (i3: a-Si) 35b, and a p-type. The microcrystalline silicon layer (p3: nc-Si) 35c is laminated. The i-type amorphous silicon layer (i3: a-Si) may have a band gap of, for example, about 1.8 eV. The transparent conductive film 36 is an electrode layer on the light incident side of the reduction reaction electrode 10. As the transparent conductive film 36, indium-containing tin oxide (ITO), zinc oxide (ZnO) and the like can be used.

三接合型アモルファスシリコン積層膜20は、金属基板30上に上記の各層をスパッタリング法、化学気相成長法等により形成することができる。これらの三接合型アモルファスシリコン積層膜20の形成方法は既存の方法を適用することができる。また、市販の三接合型アモルファスシリコン積層膜20を用いてもよい。 The three-junction amorphous silicon laminated film 20 can be formed by forming each of the above layers on a metal substrate 30 by a sputtering method, a chemical vapor deposition method, or the like. Existing methods can be applied to the method for forming these three-junction amorphous silicon laminated films 20. Further, a commercially available three-junction amorphous silicon laminated film 20 may be used.

還元反応用電極10は、カーボンクロス22を介して、三接合型アモルファスシリコン積層膜20に触媒16となるルテニウム錯体ポリマー24を積層した構成とされる。 The reduction reaction electrode 10 has a structure in which a ruthenium complex polymer 24 serving as a catalyst 16 is laminated on a three-junction amorphous silicon laminated film 20 via a carbon cloth 22.

触媒16は、還元反応用電極10の半導体の伝導帯の最下端のエネルギー準位の値から、触媒16の電子によって占有されていない分子軌道のうち最もエネルギーの低い準位の値を引いた値が0.2電子ボルト以下である材料とする。 The catalyst 16 is obtained by subtracting the value of the lowest energy level among the molecular orbitals not occupied by the electrons of the catalyst 16 from the value of the energy level at the lowermost end of the conduction band of the semiconductor of the reduction reaction electrode 10. The material is 0.2 electron volt or less.

ルテニウム錯体ポリマー24による修飾は、電解重合法により行うことができる。作用極としてカーボンクロス22の電極、対極にフッ素含有酸化スズ(FTO)で被覆したガラス基板、参照極にAg/Ag電極を用い、ルテニウム錯体を含む電解液中においてAg/Ag電極に対して負電圧となるようにカソード電流を流した後、Ag/Ag電極に対して正電位となるようにアノード電流を流すことによりカーボンクロス22上にルテニウム錯体ポリマー24を修飾することができる。電解質の溶液には、アセトニトリル(MeCN)、電解質には、Tetrabutylammoniumperchlorate(TBAP)を用いることができる。この電解質溶液に、ルテニウム錯体[Ru{4,4’−di(1−H−1−pyrrolypropyl carbonate)−2,2’−bipyridine}(CO)(MeCN)Cl]を溶解させて用いる。 Modification with the ruthenium complex polymer 24 can be performed by an electrolytic polymerization method. Electrodes of carbon cloth 22 as a working electrode, a glass substrate coated with fluorine-containing tin oxide counter electrode (FTO), using the Ag / Ag + electrode a reference electrode, with respect to Ag / Ag + electrode in an electrolytic solution containing ruthenium complex The ruthenium complex polymer 24 can be modified on the carbon cloth 22 by passing a cathode current so as to have a negative voltage and then passing an anode current so as to have a positive potential with respect to the Ag / Ag + electrode. Acetonitrile (MeCN) can be used as the electrolyte solution, and Tetrabutylamoneiumperchlate (TBAP) can be used as the electrolyte. A ruthenium complex [Ru {4,4'-di (1-H-1-pyrrolipropyl carbonate) -2,2'-bipyridine} (CO) (MeCN) Cl 2 ] is dissolved in this electrolyte solution and used.

なお、ルテニウム錯体は、これに限定されるものではなく、ポリマー化したRu錯体か配位子が一部交換したRu錯体、Ru{4,4’−di(1−H−1−pyrrolypropyl carbonate)−2,2’−bipyridine}(CO)Cl]、[Ru{4,4’−di(1−H−1−pyrrolypropyl carbonate)−2,2’−bipyridine}(CO)、[Ru{4,4’−di(1−H−1−pyrrolypropyl carbonate)−2,2’−bipyridine}(CO)(CHCN)Cl]としてもよい。 The ruthenium complex is not limited to this, and is a polymerized Ru complex or a Ru complex in which a ligand is partially exchanged, Ru {4,4'-di (1-H-1-pyrrolipolytropyl carbonate). -2,2'-bipyridine} (CO) 2 Cl 2 ], [Ru {4,4'-di (1-H-1-pyrrolipropyl carbonate) -2,2'-bipyridine} (CO) 2 ] n , It may be [Ru {4,4'-di (1-H-1-pyrrolipropyl carbonate) -2,2'-bipyridine} (CO) (CH 3 CN) Cl 2 ].

還元反応用電極10では、三接合型アモルファスシリコン積層膜20と触媒16(ルテニウム錯体ポリマー24)とが電子のやり取りが可能なように共存されていればよい。例えば、三接合型アモルファスシリコン積層膜20が設けられた電解液中に触媒16を浮遊させておいてもよいし、三接合型アモルファスシリコン積層膜20に触媒16を接合させてもよい。接合する場合、カーボンクロス22を介して三接合型アモルファスシリコン積層膜20と触媒16とを接合することが好適である。 In the reduction reaction electrode 10, the three-junction amorphous silicon laminated film 20 and the catalyst 16 (ruthenium complex polymer 24) may coexist so as to allow electrons to be exchanged. For example, the catalyst 16 may be suspended in an electrolytic solution provided with the three-junction amorphous silicon laminated film 20, or the catalyst 16 may be bonded to the three-junction amorphous silicon laminated film 20. When joining, it is preferable to join the three-bonded amorphous silicon laminated film 20 and the catalyst 16 via the carbon cloth 22.

「酸化反応用電極」
酸化反応用電極12は、光の照射によって、光触媒機能を発揮し、水の酸化反応を生起するものを利用する。本実施の形態では、酸化反応用電極12は、イリジウム化合物、コバルト化合物、バナジン酸ビスマスを修飾した透明導電体を含む。例えば、酸化反応用電極12は、フッ素含有酸化スズ(FTO)基板上に酸化イリジウム(IrOx:x=1〜2)を修飾させた電極、又は、フッ素含有酸化スズ(FTO)基板上に酸化タングステン(WO)及びバナジン酸ビスマス(BiVO)を積層させた電極とすることが好適である。このような酸化反応用電極12は光の透過性を有する。
"Electrode for oxidation reaction"
As the oxidation reaction electrode 12, one that exerts a photocatalytic function and causes an oxidation reaction of water by irradiation with light is used. In the present embodiment, the electrode 12 for oxidation reaction contains a transparent conductor modified with an iridium compound, a cobalt compound, and bismuth vanadate. For example, the oxidation reaction electrode 12 is an electrode in which iridium oxide (IrOx: x = 1-2) is modified on a fluorine-containing tin oxide (FTO) substrate, or tungsten oxide is formed on a fluorine-containing tin oxide (FTO) substrate. It is preferable to use an electrode in which (WO 3 ) and bismuth vanadate (BiVO 4 ) are laminated. Such an oxidation reaction electrode 12 has light transmission.

フッ素含有酸化スズ(FTO)は、酸化スズを不活性ガス雰囲気下にてフッ素ガスと接触させることにより、酸化スズにフッ素をドープして導電性を付与することによって形成することができる。ただし、フッ素含有酸化スズ(FTO)の形成方法はこれに限定されるものではない。 Fluorine-containing tin oxide (FTO) can be formed by doping tin oxide with fluorine to impart conductivity by contacting tin oxide with a fluorine gas in an inert gas atmosphere. However, the method for forming fluorine-containing tin oxide (FTO) is not limited to this.

酸化イリジウム(IrOx)は、フッ素含有酸化スズ(FTO)上に酸化イリジウム(IrOx)をスパッタリングして修飾することができる。スパッタリングには、反応性RFスパッタリングを用いることができる。ただし、酸化イリジウム(IrOx)によって修飾する方法はこれに限定されるものではない。 Iridium oxide (IrOx) can be modified by sputtering iridium oxide (IrOx) on fluorine-containing tin oxide (FTO). Reactive RF sputtering can be used for sputtering. However, the method of modifying with iridium oxide (IrOx) is not limited to this.

酸化タングステン(WO)及びバナジン酸ビスマス(BiVO)は、酸化タングステン(WO)及びバナジン酸ビスマス(BiVO)の前駆体溶液をフッ素含有酸化スズ(FTO)上に塗布した後、焼成することにより合成することができる。ただし、酸化タングステン(WO)及びバナジン酸ビスマス(BiVO)によって修飾する方法はこれに限定されるものではない。 Tungsten oxide (WO 3 ) and bismuth vanadate (BiVO 4 ) are fired after applying a precursor solution of tungsten oxide (WO 3 ) and bismuth vanadate (BiVO 4 ) on fluorine-containing tin oxide (FTO). It can be synthesized by. However, the method of modification with tungsten oxide (WO 3 ) and bismuth vanadate (BiVO 4 ) is not limited to this.

[光化学反応デバイス]
光化学反応デバイスは、還元反応用電極10及び酸化反応用電極12を炭素化合物が溶解された水中に浸漬し、還元反応用電極10又は両電極10,12に光を照射することによって機能する。これによって、上述したように、触媒16における還元触媒反応によって、水中の炭素化合物が還元される。例えば、炭素化合物が二酸化炭素(CO)である場合、還元反応によりギ酸(HCOOH)が生成される。なお、触媒16を選択し、適正な環境で触媒反応を生起することで、ギ酸に限らず、アルコールなどの有用な有機物を二酸化炭素から合成することが可能となる。
[Photochemical reaction device]
The photochemical reaction device functions by immersing the reduction reaction electrode 10 and the oxidation reaction electrode 12 in water in which a carbon compound is dissolved, and irradiating the reduction reaction electrode 10 or both electrodes 10 and 12 with light. As a result, as described above, the carbon compound in water is reduced by the reduction catalytic reaction in the catalyst 16. For example, when the carbon compound is carbon dioxide (CO 2 ), formic acid (HCOOH) is produced by the reduction reaction. By selecting the catalyst 16 and causing a catalytic reaction in an appropriate environment, it is possible to synthesize not only formic acid but also useful organic substances such as alcohol from carbon dioxide.

また、酸化反応用電極12において、水が酸素ガスに酸化される。 Further, in the oxidation reaction electrode 12, water is oxidized to oxygen gas.

このように、本実施形態によれば、光エネルギーを利用して、炭素化合物をより有用な炭素化合物に変換することができる。また、光エネルギーを新たに生成される炭素化合物に貯蔵することができる。 As described above, according to the present embodiment, the carbon compound can be converted into a more useful carbon compound by utilizing the light energy. In addition, light energy can be stored in newly generated carbon compounds.

特に、水を電子供与剤として二酸化炭素を還元できるため、系全体のコストを低減できる利点が生じる。また、二酸化炭素の還元作用を呈する錯体触媒を用いることで、高い反応生成物選択性で炭素化合物を合成できる。 In particular, since carbon dioxide can be reduced using water as an electron donor, there is an advantage that the cost of the entire system can be reduced. Further, by using a complex catalyst exhibiting a carbon dioxide reducing action, a carbon compound can be synthesized with high reaction product selectivity.

[測定システム]
光電気化学測定には電気化学アナライザー(ALS,2323)を使用し、二電極方式で測定を行った。二電極方式では、容器には石英製円盤型ガラスセルを用い、セル内に電解液を満たして、電解液中に還元反応用電極10及び酸化反応用電極12を配置した。また、還元反応用電極10と酸化反応用電極12との間にプロトン交換膜(Nafion117)を設けて隔離した2室セルと、プロトン交換膜を設けない1室セルを使用した。
[Measurement system]
An electrochemical analyzer (ALS, 2323) was used for the photoelectrochemical measurement, and the measurement was performed by the two-electrode method. In the two-electrode method, a quartz disk-shaped glass cell was used as the container, the cell was filled with an electrolytic solution, and the reduction reaction electrode 10 and the oxidation reaction electrode 12 were arranged in the electrolytic solution. Further, a two-chamber cell in which a proton exchange membrane (Nafion 117) was provided between the reduction reaction electrode 10 and the oxidation reaction electrode 12 to separate them, and a one-chamber cell in which no proton exchange membrane was provided were used.

光源にはソーラーシミュレータ(朝日分光、HAL−320)を用いた。光電気化学測定に伴う生成物の評価には、イオンクロマトグラフ(DIONEX、ICS−2000オートサンプラーAS付)を使用した。このイオンクロマトグラフのカラムには、「IonPac AS15」を、溶離液にはKOH溶離液を用い、検出器は電気伝導度検出器を使用した。 A solar simulator (Asahi Spectrometer, HAL-320) was used as the light source. An ion chromatograph (DIONEX, with ICS-2000 autosampler AS) was used to evaluate the product associated with the photoelectrochemical measurement. "IonPac AS15" was used as the column of this ion chromatograph, KOH eluent was used as the eluent, and an electric conductivity detector was used as the detector.

「実施例1」
還元反応用電極10(作用極)には、市販の三接合型アモルファスシリコン積層膜20とルテニウム錯体ポリマー24で修飾したカーボンクロス22を組み合わせた光電極(3jn−a−Si/CC/RuCP)を用いた。還元反応用電極10は、三接合型アモルファスシリコン積層膜20の透明導電膜36(ITO側に銅テープ及び銅線を接続し、透明導電膜36側をガラス基板に貼り付け、周囲をシリコンゴムで封止した。
"Example 1"
The reduction reaction electrode 10 (working electrode) is a photoelectrode (3jn-a-Si / CC / RuCP) in which a commercially available three-junction amorphous silicon laminated film 20 and a carbon cloth 22 modified with a ruthenium complex polymer 24 are combined. Using. The reduction reaction electrode 10 is a transparent conductive film 36 of a three-junction amorphous silicon laminated film 20 (a copper tape and a copper wire are connected to the ITO side, the transparent conductive film 36 side is attached to a glass substrate, and the periphery is made of silicon rubber. Sealed.

ルテニウム錯体ポリマー24による修飾は電解重合法で行った。このとき、作用極にカーボンクロス22、対極にフッ素含有酸化スズ(FTO)を被覆したガラス基板、参照極にAg/Ag電極を用いて、ルテニウム錯体を含む電解液中において−1.45V(対Ag/Ag電極)でカソード電流を流した後、0.95V(対Ag/Ag電極)でアノード電流を流した。これにより、カーボンクロス22上にルテニウム錯体ポリマー24を修飾した。電解液の溶媒としてアセトニトリル(MeCN)、電解質としてTetrabutylammoniumperchlorate(TBAP)を用いた。この電解質溶液に、ルテニウム錯体[Ru{4,4’−di(1−H−1−pyrrolypropyl carbonate)−2,2’−bipyridine}(CO)(MeCN)Cl]を溶解させて用いた。 Modification with the ruthenium complex polymer 24 was performed by an electrolytic polymerization method. At this time, using a carbon cloth 22 as the working electrode, a glass substrate coated with fluorine-containing tin oxide (FTO) as the counter electrode, and an Ag / Ag + electrode as the reference electrode, −1.45 V (-1.45 V) in an electrolytic solution containing a ruthenium complex. after passing a cathodic current against Ag / Ag + electrode) and flushed with anode current at 0.95 V (vs. Ag / Ag + electrode). As a result, the ruthenium complex polymer 24 was modified on the carbon cloth 22. Acetonitrile (MeCN) was used as the solvent of the electrolytic solution, and Tetrabutylammiumperchlate (TBAP) was used as the electrolyte. A ruthenium complex [Ru {4,4'-di (1-H-1-pyrrolipropyl carbonate) -2,2'-bipyridine} (CO) (MeCN) Cl 2 ] was dissolved in this electrolyte solution and used.

酸化反応用電極12(対極)には、フッ素含有酸化スズ(FTO)基板上に酸化イリジウム(IrOx)を修飾させたFTO/IrOx電極を適用した。フッ素含有酸化スズ(FTO)基板上には、酸化イリジウム(IrOx)を反応性RFスパッタリングにより修飾させた。具体的には、真空チャンバー中においてAr/O混合ガスを流通させ、金属イリジウム(Ir)をターゲットとしてスパッタリングした。酸化イリジウム(IrOx)の膜厚は、約10nmとした。 An FTO / IrOx electrode modified with iridium oxide (IrOx) on a fluorine-containing tin oxide (FTO) substrate was applied to the oxidation reaction electrode 12 (counter electrode). Iridium oxide (IrOx) was modified on a fluorine-containing tin oxide (FTO) substrate by reactive RF sputtering. Specifically, an Ar / O 2 mixed gas was circulated in the vacuum chamber, and the metal iridium (Ir) was sputtered as a target. The film thickness of iridium oxide (IrOx) was about 10 nm.

反応セルは、還元反応用電極10である光電極(3jn−a−Si/CC/RuCP)と酸化反応用電極12であるFTO/IrOx電極とをプロトン交換膜(Nafion117)で隔離した2室セルとした。電解液は、0.1モルのリン酸バッファ水溶液(KHPO+KHPO)を用い、水溶液中に二酸化炭素(CO)ガスを流通させた。 The reaction cell is a two-chamber cell in which a photoelectrode (3jn-a-Si / CC / RuCP), which is an electrode 10 for a reduction reaction, and an FTO / IrOx electrode, which is an electrode 12 for an oxidation reaction, are separated by a proton exchange membrane (Nafion 117). And said. As the electrolytic solution, a 0.1 mol phosphoric acid buffer aqueous solution (K 2 HPO 4 + KH 2 PO 4 ) was used, and carbon dioxide (CO 2 ) gas was circulated in the aqueous solution.

光源には、ソーラーシミュレータ(朝日分光、HAL−320)を用いた。図1に示すように、ソーラーシミュレータから1SUN(AM1.5相当)の光を10mm角のスリットを通じて還元反応用電極10側から直接光を照射した。このとき、還元反応用電極10と酸化反応用電極12との間にバイアス電源は設けず、電極間のバイアス電圧は0Vとした。 A solar simulator (Asahi Spectrometer, HAL-320) was used as the light source. As shown in FIG. 1, 1 SUN (equivalent to AM1.5) of light was directly irradiated from the reduction reaction electrode 10 side through a 10 mm square slit from the solar simulator. At this time, no bias power supply was provided between the reduction reaction electrode 10 and the oxidation reaction electrode 12, and the bias voltage between the electrodes was set to 0V.

ここで、太陽光変換効率は以下の式により導出される。 Here, the solar conversion efficiency is derived by the following equation.

太陽光変換効率=生成されたギ酸の燃焼熱/照射された擬似太陽光のエネルギー
×100(%)
Solar conversion efficiency = heat of combustion of generated formic acid / energy of irradiated pseudo-sunlight
× 100 (%)

「実施例2」
実施例1の構成において、1SUN(AM1.5相当)の光を5mm角のスリットを通して、還元反応用電極10側から直接光を照射した。
"Example 2"
In the configuration of Example 1, light of 1 SUN (equivalent to AM1.5) was directly irradiated from the reduction reaction electrode 10 side through a slit of 5 mm square.

「実施例3」
実施例1の構成において、反応セルのプロトン交換膜を外し、1室セルとした。また、光源にはソーラーシミュレータを用い、1SUN(AM1.5相当)の光を5mm角のスリットを通して、酸化反応用電極12であるFTO/IrOx電極側から照射した。このとき、FTO/IrOx電極を通じて、還元反応用電極10である光電極(3jn−a−Si/CC/RuCP)にも光が入射するように配置した(図4)。
"Example 3"
In the configuration of Example 1, the proton exchange membrane of the reaction cell was removed to form a one-chamber cell. Further, a solar simulator was used as a light source, and 1SUN (equivalent to AM1.5) light was irradiated from the FTO / IrOx electrode side, which is the oxidation reaction electrode 12, through a 5 mm square slit. At this time, the light was arranged so as to be incident on the photoelectrode (3jn-a-Si / CC / RuCP) which is the reduction reaction electrode 10 through the FTO / IrOx electrode (FIG. 4).

「実施例4」
実施例3の構成において、酸化反応用電極12をフッ素含有酸化スズ(FTO)基板上に酸化タングステン(WO)及びバナジン酸ビスマス(BiVO)を修飾させたFTO/WO/BiVO電極に変更した。酸化タングステン(WO)及びバナジン酸ビスマス(BiVO)は、酸化タングステン(WO)及びバナジン酸ビスマス(BiVO)の前駆体溶液をフッ素含有酸化スズ(FTO)上に塗布した後、焼成することにより合成した。酸化タングステン(WO)及びバナジン酸ビスマス(BiVO)の前駆体溶液の調製方法、塗布方法及び焼成温度は参考文献1(K.Sayama et al., International Journal of Hydrogen Energy, Volume 39, Issue 6, 14 Feb. 2014, pages 2454-2461)にしたがった。
"Example 4"
In the configuration of Example 3, the electrode 12 for oxidation reaction is used as an FTO / WO 3 / BiVO 4 electrode in which tungsten oxide (WO 3 ) and bismuth vanadate (BiVO 4 ) are modified on a fluorine-containing tin oxide (FTO) substrate. changed. Tungsten oxide (WO 3 ) and bismuth vanadate (BiVO 4 ) are fired after applying a precursor solution of tungsten oxide (WO 3 ) and bismuth vanadate (BiVO 4 ) on fluorine-containing tin oxide (FTO). It was synthesized by. Reference 1 (K. Sayama et al., International Journal of Hydrogen Energy, Volume 39, Issue 6) describes the preparation method, coating method and firing temperature of the precursor solution of tungsten oxide (WO 3 ) and bismuth vanadate (BiVO 4 ). , 14 Feb. 2014, pages 2454-2461).

光源には、ソーラーシミュレータを用い、1SUN(AM1.5相当)の光を5mm角のスリットを通じて酸化反応用電極12であるFTO/WO/BiVO電極側から直接光を照射した。このとき、FTO/WO/BiVO電極を通じて、還元反応用電極10である光電極(3jn−a−Si/CC/RuCP)にも光が入射するように配置した(図5)。このとき、還元反応用電極10と酸化反応用電極12との間にバイアス電源は設けず、電極間のバイアス電圧は0Vとした。 As a light source, a solar simulator was used, and 1SUN (equivalent to AM1.5) light was directly irradiated from the FTO / WO 3 / BiVO 4 electrode side, which is the electrode 12 for oxidation reaction, through a 5 mm square slit. At this time, the light was arranged so as to be incident on the photoelectrode (3jn-a-Si / CC / RuCP) which is the reduction reaction electrode 10 through the FTO / WO 3 / BiVO 4 electrode (FIG. 5). At this time, no bias power supply was provided between the reduction reaction electrode 10 and the oxidation reaction electrode 12, and the bias voltage between the electrodes was set to 0V.

「実施例5」
実施例4の構成において、電解液を0.1モルの炭酸水素ナトリウム水溶液に変更した。
"Example 5"
In the configuration of Example 4, the electrolytic solution was changed to a 0.1 mol sodium hydrogen carbonate aqueous solution.

「比較例1」
還元反応用電極10には、ルテニウム錯体ポリマー(RuCP)で修飾された亜鉛含有リン化インジウム(InP)単結晶基板であるInP/RuCP電極を用いた。還元反応用電極10は、InP(100面)単結晶ウェハに銅線をインジウムハンダで接続し、ガラス基板上に固定した後、周囲をシリコンゴムで封止した。RuCPによる修飾は化学重合法で行った。具体的には、ルテニウム錯体[Ru{4,4’−di(1−H−1−pyrrolypropyl carbonate)−2,2’−bipyridine}(CO)(MeCN)Cl]及び[Ru{4,4’−diphosphate ethyl−2,2’−bipyridine}(CO)Cl]を1:1で混合し、FeCl・pyrrolを添加したMeCN溶液をInP光電極上に塗布・乾燥してポリマー膜を形成した後、水で洗浄した。
"Comparative Example 1"
As the electrode 10 for the reduction reaction, an InP / RuCP electrode which is a zinc-containing indium phosphide (InP) single crystal substrate modified with a ruthenium complex polymer (RuCP) was used. The reduction reaction electrode 10 was formed by connecting a copper wire to an InP (100-sided) single crystal wafer with indium solder, fixing the copper wire on a glass substrate, and then sealing the periphery with silicon rubber. Modification with RuCP was performed by a chemical polymerization method. Specifically, the ruthenium complex [Ru {4,4'-di (1-H-1-pyrrolipropyl carbonate) -2,2'-bipyridine} (CO) (MeCN) Cl 2 ] and [Ru {4,4 '-Diphosphate ruthenium-2,2'-bipyridine} (CO) 2 Cl 2 ] is mixed 1: 1 and a MeCN solution containing FeCl 3 · pyrrol is applied and dried on an InP optical electrode to form a polymer film. After that, it was washed with water.

酸化反応用電極12は、市販の酸化チタン(TiO,P25)をフッ素含有酸化スズ(FTO)基板上にスキージ法で塗布し、焼成した光電極を用いた。P25粒子0.2gにアセチルアセトン30μl、水400μl、Triton X−100を1滴をよく混練してペーストを調製した。フッ素含有酸化スズ(FTO)基板上にこのペーストを滴下して、ガラス棒にて塗り伸ばし、乾燥させた後に550℃で焼成した。その後、酸化チタン粒子間のネッキング処理として、100mモルのTiCl4水溶液を滴下・乾燥させ、550℃で焼成した。酸化チタンで被覆されていないフッ素含有酸化スズ(FTO)部分に銅線をインジウムハンダで接続し、接続部分をシリコンゴムで封止することで酸化チタン光電極を得た。 As the electrode 12 for the oxidation reaction, a commercially available titanium oxide (TiO 2 , P25) was coated on a fluorine-containing tin oxide (FTO) substrate by the squeegee method and fired. A paste was prepared by kneading 0.2 g of P25 particles with 30 μl of acetylacetone, 400 μl of water, and 1 drop of Triton X-100. This paste was dropped onto a fluorine-containing tin oxide (FTO) substrate, spread over with a glass rod, dried, and then fired at 550 ° C. Then, as a necking treatment between the titanium oxide particles, a 100 mM TiCl4 aqueous solution was added dropwise, dried, and fired at 550 ° C. A copper wire was connected to a fluorine-containing tin oxide (FTO) portion not coated with titanium oxide with indium solder, and the connection portion was sealed with silicon rubber to obtain a titanium oxide photoelectrode.

反応セルは、石英製のガラスセルを用い、還元反応用電極10と酸化反応用電極12との間をプロトン交換膜(Nafion117)で隔離した。電解液には、10mモルの炭酸水素ナトリウム水溶液(NaHCO)を用い、水溶液中に二酸化炭素(CO)ガスを流通させた。 As the reaction cell, a glass cell made of quartz was used, and the reduction reaction electrode 10 and the oxidation reaction electrode 12 were separated by a proton exchange membrane (Nafion 117). A 10-mole aqueous solution of sodium hydrogen carbonate (NaHCO 3 ) was used as the electrolytic solution, and carbon dioxide (CO 2 ) gas was circulated in the aqueous solution.

光源には、ソーラーシミュレータを用い、ソーラーシミュレータから1SUN(AM1.5相当)の光を10mm角のスリットを通じて酸化反応用電極12側から直接光を照射した。このとき、酸化反応用電極12を通じて、還元反応用電極10であるInP/RuCP電極にも光が入射するように配置した(図6)。また、還元反応用電極10と酸化反応用電極12との間にバイアス電源は設けず、電極間のバイアス電圧は0Vとした。 A solar simulator was used as a light source, and 1 SUN (equivalent to AM1.5) of light was directly irradiated from the oxidation reaction electrode 12 side through a 10 mm square slit from the solar simulator. At this time, light was also incident on the InP / RuCP electrode, which is the reduction reaction electrode 10, through the oxidation reaction electrode 12 (FIG. 6). Further, no bias power supply was provided between the reduction reaction electrode 10 and the oxidation reaction electrode 12, and the bias voltage between the electrodes was set to 0V.

当該比較例1の構成は、参考文献2(S.Sato et al., Journal of the American Chemical Society, 2011, 133 (39), pp 15240-15243)にしたがった。 The composition of Comparative Example 1 was in accordance with Reference 2 (S. Sato et al., Journal of the American Chemical Society, 2011, 133 (39), pp 15240-15243).

「比較例2」
比較例1の構成において、酸化反応用電極12を市販のチタン酸ストロンチウム(SrTiO)単結晶を水素還元処理した光電極に変更した。チタン酸ストロンチウム(SrTiO)単結晶は、(100)面の単結晶チタン酸ストロンチウム(SrTiO)(信光社製)をN/H混合ガス(N:97%,H:3%)気流中にて800℃で2時間加熱した後、室温で1日放置して水素還元処理した。水素還元処理により、チタン酸ストロンチウム(SrTiO)単結晶は無色から暗青色に変化した。このように水素還元処理されたチタン酸ストロンチウム(r−SrTiO)単結晶の上端にGa−In合金を塗布し、銀ペーストにより銅線を接続した。接合部分はシリコンゴムにより封止した。
"Comparative Example 2"
In the configuration of Comparative Example 1, the electrode 12 for the oxidation reaction was changed to a photoelectrode obtained by hydrogen-reducing a commercially available strontium titanate (SrTiO 3 ) single crystal. Strontium titanate (SrTIO 3 ) single crystal is a (100) plane single crystal strontium titanate (SrTIO 3 ) (manufactured by Shinko Co., Ltd.) in N 2 / H 2 mixed gas (N 2 : 97%, H 2 : 3%) ) After heating at 800 ° C. for 2 hours in an air stream, the mixture was left at room temperature for 1 day for hydrogen reduction treatment. By the hydrogen reduction treatment, the strontium titanate (SrTIO 3 ) single crystal changed from colorless to dark blue. A Ga-In alloy was applied to the upper end of the strontium titanate (r-SrTiO 3 ) single crystal thus hydrogen-reduced, and a copper wire was connected with a silver paste. The joint was sealed with silicone rubber.

反応セルは、石英製のガラスセルを用い、還元反応用電極10と酸化反応用電極12との間をプロトン交換膜(Nafion117)で隔離した。電解液には、0.1モルの炭酸水素ナトリウム水溶液(NaHCO)にリン酸を添加してpH7.7に調製し、水溶液中に二酸化炭素(CO)ガスを流通させた。 As the reaction cell, a glass cell made of quartz was used, and the reduction reaction electrode 10 and the oxidation reaction electrode 12 were separated by a proton exchange membrane (Nafion 117). Phosphoric acid was added to a 0.1 mol aqueous solution of sodium hydrogen carbonate (NaHCO 3 ) to adjust the pH to 7.7, and carbon dioxide (CO 2 ) gas was circulated in the aqueous solution.

光源には、ソーラーシミュレータを用い、分岐ファイバーによって光源を2分岐し、還元反応用電極10には1SUN(AM1.5相当)の光を5mm角のスリットを通して、酸化反応用電極12には1SUM(AM1.5相当)の光を可視光フィルターを通して照射した(図7)。これにより、酸化反応用電極12には、可視光(波長λ>400nm)のみが照射された。このとき、還元反応用電極10と酸化反応用電極12との間にバイアス電源は設けず、電極間のバイアス電圧は0Vとした。 A solar simulator is used as the light source, the light source is branched into two by a branched fiber, 1SUN (equivalent to AM1.5) light is passed through the reduction reaction electrode 10 through a 5 mm square slit, and 1SUM (1SUM) is applied to the oxidation reaction electrode 12. Light (corresponding to AM1.5) was irradiated through a visible light filter (FIG. 7). As a result, the oxidation reaction electrode 12 was irradiated with only visible light (wavelength λ> 400 nm). At this time, no bias power supply was provided between the reduction reaction electrode 10 and the oxidation reaction electrode 12, and the bias voltage between the electrodes was set to 0V.

当該比較例2の構成は、参考文献3(T.Arai et al., Energy & Environmental Science, 2013, 6, 1274-1282)にしたがった。 The composition of Comparative Example 2 was in accordance with Reference 3 (T. Arai et al., Energy & Environmental Science, 2013, 6, 1274-1282).

「比較例3」
比較例1の構成において、還元反応用電極10と酸化反応用電極12とを直接接合し、ワイヤレスの光化学反応デバイスを構成した。反応セルは、石英製のガラスセルとし、プロトン交換膜を用いない1室セルとした(図8)。
"Comparative Example 3"
In the configuration of Comparative Example 1, the reduction reaction electrode 10 and the oxidation reaction electrode 12 were directly bonded to form a wireless photochemical reaction device. The reaction cell was a quartz glass cell and a one-chamber cell without a proton exchange membrane (FIG. 8).

当該比較例3の構成は、参考文献3(T.Arai et al., Energy & Environmental Science, 2013, 6, 1274-1282)にしたがった。 The configuration of Comparative Example 3 was in accordance with Reference 3 (T. Arai et al., Energy & Environmental Science, 2013, 6, 1274-1282).

「比較例4」
比較例2の構成において、還元反応用電極10と酸化反応用電極12とを直接接合し、ワイヤレスの光化学反応デバイスを構成した。反応セルは、石英製のガラスセルとし、プロトン交換膜を用いない1室セルとした(図8)。
"Comparative Example 4"
In the configuration of Comparative Example 2, the reduction reaction electrode 10 and the oxidation reaction electrode 12 were directly bonded to form a wireless photochemical reaction device. The reaction cell was a quartz glass cell and a one-chamber cell without a proton exchange membrane (FIG. 8).

当該比較例4の構成は、参考文献3(T.Arai et al., Energy & Environmental Science, 2013, 6, 1274-1282)にしたがった。 The composition of Comparative Example 4 was in accordance with Reference 3 (T. Arai et al., Energy & Environmental Science, 2013, 6, 1274-1282).

「結果」
表1には、実施例1〜5、比較例1〜4の構成及び実験の結果をまとめて示す。

Figure 0006774165
"result"
Table 1 summarizes the configurations of Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 4 and the results of the experiment.
Figure 0006774165

実施例1では、反応セル内で光照射面積1cmの光を1時間照射した結果、12.57μモル/h/cmのギ酸生成が確認された。実施例1と同様に2室セルで反応を行った比較例1及び2と比較すると、実施例1では太陽光変換効率は比較例1の約27倍、比較例2の約8倍に向上した。 In Example 1, as a result of irradiating the reaction cell with light having an irradiation area of 1 cm 2 for 1 hour, it was confirmed that formic acid was produced at 12.57 μmol / h / cm 2 . Compared with Comparative Examples 1 and 2 in which the reaction was carried out in the two-chamber cell in the same manner as in Example 1, the solar conversion efficiency in Example 1 was improved to about 27 times that of Comparative Example 1 and about 8 times that of Comparative Example 2. ..

実施例2では、光照射面積を0.25cmに変更したところ、23.95μモル/h/cmのギ酸生成が確認された。これは、二酸化炭素(CO)の還元反応の触媒となるルテニウム錯体ポリマー24(RuCP)や水の酸化反応の触媒となる酸化イリジウム(IrOx)が修飾されている領域の表面積が小さいため、光照射面積1cmのときに生ずる光電流を反応に有効利用できていないことが原因と考えられる。したがって、これら触媒により修飾されている領域の面積密度を高めることによって、実施例1の条件下では太陽光変換効率を1%以上にすることもできると考えられる。 In Example 2, was changed light irradiation area 0.25 cm 2, 23.95Myu mol / h / cm 2 of formic acid generated was confirmed. This is because the surface area of the region where ruthenium complex polymer 24 (RuCP), which catalyzes the reduction reaction of carbon dioxide (CO 2 ), and iridium oxide (IrOx), which catalyzes the oxidation reaction of water, is modified is small. It is considered that the cause is that the photocurrent generated when the irradiation area is 1 cm 2 cannot be effectively used for the reaction. Therefore, it is considered that the solar conversion efficiency can be increased to 1% or more under the conditions of Example 1 by increasing the area density of the region modified by these catalysts.

実施例3では、反応セル内で光照射面積0.25cmの光を1時間照射した結果、16.4μモル/h/cmのギ酸生成が確認された。これは、太陽光変換効率で1.16%に相当する。実施例3では、プロトン交換膜を設けない1室セル中でギ酸の生成が確認されたことから、還元反応用電極10において二酸化炭素(CO)の還元反応で生じたギ酸が酸化反応用電極12での酸化反応で酸化されていないと推考される。すなわち、酸化反応用電極12であるFTO/IrOx電極では水(HO)が選択的に酸化され、炭素化合物の反応生成物は酸化されないことを示唆している。 In Example 3, as a result of irradiating the reaction cell with light having a light irradiation area of 0.25 cm 2 for 1 hour, formic acid production of 16.4 μmol / h / cm 2 was confirmed. This corresponds to 1.16% in solar conversion efficiency. In Example 3, formic acid was confirmed to be produced in a one-chamber cell without a proton exchange film. Therefore, formic acid generated in the reduction reaction of carbon dioxide (CO 2 ) in the reduction reaction electrode 10 is the oxidation reaction electrode. It is presumed that it was not oxidized by the oxidation reaction at 12. That is, in the FTO / IrOx electrode an oxidation reaction electrode 12 water (H 2 O) is selectively oxidized, reaction products of carbon compounds suggests that it is not oxidized.

これに対して、比較例3では、同様にプロトン交換膜を設けない1室セルで実験を行ったが、酸化チタン(TiO)は有機物を分解する特性を有するのでギ酸は検出されなかった。 On the other hand, in Comparative Example 3, the experiment was similarly carried out in a one-chamber cell without a proton exchange membrane, but formic acid was not detected because titanium oxide (TiO 2 ) has a property of decomposing organic substances.

一方、比較例4では、水素還元処理された単結晶チタン酸ストロンチウム(SrTiO)が水(HO)を選択的に酸化する特性を有するため、1.17μモル/h/cmのギ酸生成が確認された。これは、太陽光変換効率として0.08%に相当する。 On the other hand, in Comparative Example 4, the hydrogen reduction treatment monocrystalline strontium titanate (SrTiO) 3 has a property of selectively oxidizing the water (H 2 O), formic acid 1.17μ mol / h / cm 2 Generation confirmed. This corresponds to a solar conversion efficiency of 0.08%.

ここで、比較例2における2室セルと比較例4におけるワイヤレス光化学反応デバイスの1室セルとの結果から、光化学反応デバイスをワイヤレスとして反応セルを2室セルから1室セルに変更することによって太陽光変換効率は6割に低下すると想定される。この想定を適用すると、実施例2の構成をワイヤレス光化学反応デバイスの1室セルとした場合には太陽光変換効率は約1%となると予想される。これは、比較例4に対して約12倍の太陽光変換効率を実現できる可能性があることを示唆している。 Here, from the results of the two-chamber cell in Comparative Example 2 and the one-chamber cell of the wireless photochemical reaction device in Comparative Example 4, the sun was changed by changing the reaction cell from the two-chamber cell to the one-chamber cell by setting the photochemical reaction device to wireless. The light conversion efficiency is expected to drop to 60%. Applying this assumption, the solar conversion efficiency is expected to be about 1% when the configuration of Example 2 is a one-chamber cell of a wireless photochemical reaction device. This suggests that it is possible to achieve a solar conversion efficiency about 12 times that of Comparative Example 4.

実施例4では、酸化反応用電極12がFTO/WO/BiVO電極であり、反応セル内において光照射面積0.25cmの光を1時間照射した結果、11.88μモル/h/cmのギ酸生成が確認された。これは、太陽光変換効率で0.84%に相当する。この結果は、比較例4と同様に、水(HO)を選択的に酸化していることを示唆している。 In Example 4, the electrode 12 for the oxidation reaction is an FTO / WO 3 / BiVO 4 electrode, and as a result of irradiating the reaction cell with light having a light irradiation area of 0.25 cm 2 for 1 hour, 11.88 μmol / h / cm. The formation of formic acid of 2 was confirmed. This corresponds to a solar conversion efficiency of 0.84%. This result suggests that in the same manner as in Comparative Example 4, and selectively oxidizing the water (H 2 O).

実施例5では、実施例4の電解液をNaHCO水溶液に変更したものであり、光照射面積0.25cmの光を1時間照射した結果、12.54μモル/h/cmのギ酸生成が確認された。これは、太陽光変換効率で0.89%に相当する。この結果は、電解液が変更されても水(HO)を選択的に酸化していることを示唆している。 In Example 5, the electrolytic solution of Example 4 was changed to an aqueous solution of NaHCO 3 , and as a result of irradiating with light having a light irradiation area of 0.25 cm 2 for 1 hour, 12.54 μmol / h / cm 2 of formic acid was produced. Was confirmed. This corresponds to a solar conversion efficiency of 0.89%. This result suggests that even electrolytic solution is changed is selectively oxidizing the water (H 2 O).

以上のように、本発明の実施の形態によれば、光化学反応デバイスにおいて太陽光変換効率を従来よりも高めることができる。また、従来の2室セルの構造でなく、より簡易な1室セルの構造において炭素化合物を還元することができる。 As described above, according to the embodiment of the present invention, the solar conversion efficiency of the photochemical reaction device can be improved as compared with the conventional case. Further, the carbon compound can be reduced in a simpler one-chamber cell structure instead of the conventional two-chamber cell structure.

また、酸化反応用電極12の光透過性が高いので、酸化反応用電極12に光を透過させた後に還元反応用電極10に入射させる構造とすることができる。したがって、酸化反応用電極12と還元反応用電極10を一体化したワイヤレスデバイスの構造が可能である。 Further, since the light transmission of the oxidation reaction electrode 12 is high, the structure can be such that light is transmitted through the oxidation reaction electrode 12 and then incident on the reduction reaction electrode 10. Therefore, it is possible to construct a wireless device in which the oxidation reaction electrode 12 and the reduction reaction electrode 10 are integrated.

「実施例6」
光吸収体として市販の三接合型アモルファスシリコン積層膜20、水の酸化触媒に酸化イリジウム(IrOx)、炭素化合物の還元触媒にルテニウム錯体ポリマー24で修飾したカーボンクロス22を組み合わせたワイヤレスデバイス(IrOx/3jn−a−Si/CC/RuCP)を用いた。酸化イリジウム(IrOx)には、IrOxナノコロイドを用いた。参考文献4(Y.Zhaoら, Journal of Physical Chemistry Letters, 2011, 2, 402-406)にしたがって、IrOxナノコロイド溶液を合成し、三接合型アモルファスシリコン積層膜20のITO層に塗布した。カーボンクロス22上にルテニウム錯体と重合材を混合した溶液を塗布し化学重合法によってルテニウム錯体により修飾した。ルテニウム錯体ポリマー24で修飾したカーボンクロス22は三接合型アモルファスシリコン積層膜20の金属基板30(ステンレススチール)側に接合し、周囲をシリコンゴムにて封止した。
"Example 6"
A wireless device (IrOx /) that combines a commercially available three-junction amorphous silicon laminate 20 as a light absorber, iridium oxide (IrOx) as an oxidation catalyst for water, and carbon cloth 22 modified with ruthenium complex polymer 24 as a reduction catalyst for a carbon compound (IrOx /). 3jn-a-Si / CC / RuCP) was used. As iridium oxide (IrOx), IrOx nanocolloid was used. According to Reference 4 (Y. Zhao et al., Journal of Physical Chemistry Letters, 2011, 2, 402-406), an IrOx nanocolloidal solution was synthesized and applied to the ITO layer of the trijunction amorphous silicon laminated film 20. A solution obtained by mixing a ruthenium complex and a polymer material was applied onto the carbon cloth 22 and modified with the ruthenium complex by a chemical polymerization method. The carbon cloth 22 modified with the ruthenium complex polymer 24 was bonded to the metal substrate 30 (stainless steel) side of the three-bonded amorphous silicon laminated film 20, and the periphery was sealed with silicon rubber.

反応セルは、一室型の石英製ガラスセルを用いた。電解液は、0.1モルのリン酸バッファ水溶液(KHPO+KHPO)を用い、水溶液中に二酸化炭素(CO)ガスを流通させた。光源には、ソーラーシミュレータ(朝日分光、HAL−320)を用いた。図9に示すように、ソーラーシミュレータから1SUN(AM1.5相当)の光を5mm角のスリットを通じて直接光を照射した。 As the reaction cell, a one-chamber type quartz glass cell was used. As the electrolytic solution, a 0.1 mol phosphoric acid buffer aqueous solution (K 2 HPO 4 + KH 2 PO 4 ) was used, and carbon dioxide (CO 2 ) gas was circulated in the aqueous solution. A solar simulator (Asahi Spectrometer, HAL-320) was used as the light source. As shown in FIG. 9, 1 SUN (equivalent to AM1.5) of light was directly irradiated from the solar simulator through a 5 mm square slit.

「結果」
表2には、実施例6及び比較例4の実験結果を示す。

Figure 0006774165
"result"
Table 2 shows the experimental results of Example 6 and Comparative Example 4.
Figure 0006774165

実施例6では、一室セルでワイヤレスデバイスに光照射面積0.25cmの光を6時間照射した結果、61.3μmol/h/cmのギ酸が生成され、太陽光変換効率は4.34%であった。これに対して、比較例4では、同様に一室セルでワイヤレスデバイスに光照射面積0.25cmの光を3時間照射した結果、1.17μmol/h/cmのギ酸が生成され、太陽光変換効率は0.08%であった。すなわち、実施例6では、太陽光変換効率が比較例4に対して50倍以上に向上した。 In Example 6, as a result of irradiating the wireless device with light having a light irradiation area of 0.25 cm 2 for 6 hours in a single chamber cell, formic acid of 61.3 μmol / h / cm 2 was generated, and the solar conversion efficiency was 4.34. %Met. On the other hand, in Comparative Example 4, as a result of irradiating the wireless device with light having a light irradiation area of 0.25 cm 2 for 3 hours in the same chamber cell, 1.17 μmol / h / cm 2 of formic acid was generated, and the sun. The light conversion efficiency was 0.08%. That is, in Example 6, the solar conversion efficiency was improved by 50 times or more as compared with Comparative Example 4.

「実施例7」
酸化反応用電極12(作用極)には、市販の三接合型アモルファスシリコン積層膜20を酸化触媒に酸化イリジウム(IrOx)で修飾した(IrOx/3jn−a−Si)を用いた。三接合型アモルファスシリコン積層膜20は、金属基板30(ステンレススチール)側に銅線を接続し、ガラス基板で覆った後、周囲をシリコンゴムで封止した。酸化イリジウム(IrOx)による修飾は、上記参考文献4にしたがって、IrOxナノコロイド溶液を合成し、三接合型アモルファスシリコン積層膜20のITO層に塗布した。還元反応用電極10(対極)にはPt線を用いた。参照極には、Ag/AgClを用いた。
"Example 7"
As the oxidation reaction electrode 12 (working electrode), a commercially available three-junction amorphous silicon laminated film 20 modified with iridium oxide (IrOx) as an oxidation catalyst (IrOx / 3jn-a-Si) was used. In the three-junction amorphous silicon laminated film 20, a copper wire was connected to the metal substrate 30 (stainless steel) side, covered with a glass substrate, and then the periphery was sealed with silicon rubber. For modification with iridium oxide (IrOx), an IrOx nanocolloidal solution was synthesized according to Reference 4 above and applied to the ITO layer of the trijunction amorphous silicon laminated film 20. A Pt wire was used for the reduction reaction electrode 10 (counter electrode). Ag / AgCl was used as the reference electrode.

反応セルは、石英製のガラスセルを用いた。電解液は、約6μモルのギ酸を含んだ0.1モルのリン酸バッファ水溶液(KHPO+KHPO)を用い、水溶液中に二酸化炭素(CO)ガスを流通させた。光源には、ソーラーシミュレータ(朝日分光、HAL−320)を用いて1SUN(AM1.5相当)の光を照射した。このとき、酸化反応用電極12に0V(vs.Ag/AgCl)のバイアス電圧を印加し、光を照射しながら電流−時間測定を行い、光照射前後の水溶液中のギ酸の量をイオンクロマトグラフで測定した。 As the reaction cell, a glass cell made of quartz was used. As the electrolytic solution, a 0.1 mol phosphoric acid buffer aqueous solution (K 2 HPO 4 + KH 2 PO 4 ) containing about 6 μ mol of formic acid was used, and carbon dioxide (CO 2 ) gas was circulated in the aqueous solution. The light source was irradiated with 1 SUN (equivalent to AM1.5) light using a solar simulator (Asahi Spectroscopy, HAL-320). At this time, a bias voltage of 0 V (vs. Ag / AgCl) is applied to the oxidation reaction electrode 12, current-time measurement is performed while irradiating light, and the amount of formic acid in the aqueous solution before and after light irradiation is ion chromatographed. Measured at.

「実施例8」
実施例7の実験条件において、電解液を約21μモルのメタノールを含んだ0.1モルのリン酸バッファ水溶液(KHPO+KHPO)に変更した。酸化反応用電極12に0V(vs.Ag/AgCl)のバイアス電圧を印加し、光を照射しながら電流−時間測定を行い、光照射前後の水溶液中のメタノールの量をガスクロマトグラフで測定した。
"Example 8"
Under the experimental conditions of Example 7, the electrolytic solution was changed to a 0.1 mol phosphate buffer aqueous solution (K 2 HPO 4 + KH 2 PO 4 ) containing about 21 μ mol methanol. A bias voltage of 0 V (vs. Ag / AgCl) was applied to the oxidation reaction electrode 12, current-time measurement was performed while irradiating light, and the amount of methanol in the aqueous solution before and after light irradiation was measured by a gas chromatograph.

「実施例9」
実施例7の実験条件において、電解液を約11μモルのエタノールを含んだ0.1モルのリン酸バッファ水溶液(KHPO+KHPO)に変更した。酸化反応用電極12に0V(vs.Ag/AgCl)のバイアス電圧を印加し、、光を照射しながら電流−時間測定を行い、光照射前後の水溶液中のエタノールの量をガスクロマトグラフで測定した。
"Example 9"
Under the experimental conditions of Example 7, the electrolytic solution was changed to a 0.1 mol phosphate buffer aqueous solution (K 2 HPO 4 + KH 2 PO 4 ) containing about 11 μmol ethanol. A bias voltage of 0 V (vs. Ag / AgCl) was applied to the oxidation reaction electrode 12, current-time measurement was performed while irradiating light, and the amount of ethanol in the aqueous solution before and after light irradiation was measured by a gas chromatograph. ..

「結果」
図10〜図12は、実施例7〜9の実験結果を示す。実施例7では、電流−時間測定の結果、約1Cの光電流が観測された。ギ酸の酸化分解反応が起きた場合、観測された電荷量より電流−時間測定後に溶液中のギ酸の量は約1.2μモルに低下すると予測されるが、電流−時間測定の前後においてギ酸の量には変化がなかった。このことから、酸化イリジウム(IrOx)上での酸化反応においてギ酸は分解されないことが確認された。
"result"
10 to 12 show the experimental results of Examples 7 to 9. In Example 7, as a result of current-time measurement, a photocurrent of about 1C was observed. When the oxidative decomposition reaction of formic acid occurs, the amount of formic acid in the solution is predicted to decrease to about 1.2 μmol after the current-time measurement from the observed charge amount, but before and after the current-time measurement of formic acid There was no change in the amount. From this, it was confirmed that formic acid was not decomposed in the oxidation reaction on iridium oxide (IrOx).

なお、参考文献5(S.Fierroら, Electrochimica Acta, 2009, 54, 2053-2061)では、過酸化水素水中では酸化イリジウム(IrOx)上での酸化反応においてギ酸が分解されることが報告されている。また、参考文献6(L-E. Oweら, Electrochimica Acta, 2011, 58, 231-237)では、リン酸イオンが酸化イリジウム(IrOx)上に強く吸着することが報告されている。これらの報告から、リン酸イオンが酸化イリジウム(IrOx)表面に吸着し、ギ酸の接触を防ぎ、その分解を抑制していると推察される。 In Reference 5 (S. Fierro et al., Electrochimica Acta, 2009, 54, 2053-2061), it is reported that formic acid is decomposed in the oxidation reaction on iridium oxide (IrOx) in hydrogen peroxide solution. There is. Further, in Reference 6 (L-E. Owe et al., Electrochimica Acta, 2011, 58, 231-237), it is reported that phosphate ions are strongly adsorbed on iridium oxide (IrOx). From these reports, it is inferred that phosphate ions are adsorbed on the surface of iridium oxide (IrOx) to prevent contact with formic acid and suppress its decomposition.

実施例8では、電流−時間測定の結果、約5Cの光電流が観測された。メタノールの酸化分解反応が起きた場合、観測された電荷量より電流−時間測定後に溶液中のメタノールの量は約9μモルに低下すると予測されるが、電流−時間測定の前後においてメタノールの量には変化がなかった。このことから、酸化イリジウム(IrOx)上での酸化反応においてメタノールは分解されないことが確認された。 In Example 8, as a result of current-time measurement, a photocurrent of about 5C was observed. When the oxidative decomposition reaction of methanol occurs, the amount of methanol in the solution is predicted to decrease to about 9 μmol after the current-time measurement from the observed charge amount, but the amount of methanol before and after the current-time measurement Did not change. From this, it was confirmed that methanol was not decomposed in the oxidation reaction on iridium oxide (IrOx).

実施例9では、電流−時間測定の結果、約6Cの光電流が観測された。エタノールの酸化分解反応が起きた場合、観測された電荷量より電流−時間測定後に溶液中のエタノールの量は約0μモルに低下すると予測されるが、電流−時間測定の前後においてエタノールの量には変化がなかった。このことから、酸化イリジウム(IrOx)上での酸化反応においてエタノールは分解されないことが確認された。 In Example 9, as a result of current-time measurement, a photocurrent of about 6C was observed. When the oxidative decomposition reaction of ethanol occurs, the amount of ethanol in the solution is predicted to decrease to about 0 μmol after the current-time measurement from the observed charge amount, but the amount of ethanol before and after the current-time measurement Did not change. From this, it was confirmed that ethanol was not decomposed in the oxidation reaction on iridium oxide (IrOx).

以上のように、実施例7〜9の結果から、酸化イリジウム(IrOx)上での酸化反応において炭素化合物は分解されないことが確認された。 As described above, from the results of Examples 7 to 9, it was confirmed that the carbon compound was not decomposed in the oxidation reaction on iridium oxide (IrOx).

「実施例10」
還元反応用電極10(作用極)には、市販の三接合型アモルファスシリコン積層膜20とルテニウム錯体ポリマー24で修飾したカーボンクロス22を組み合わせた光電極(3jn−a−Si/CC/RuCP)を用いた。ルテニウム錯体の修飾は、カーボンクロス22上にルテニウム錯体と重合剤を混合した溶液を塗布して化学重合法により行った。酸化反応用電極12(対極)にはPt線を用いた。参照極には、Hg/HgSOを用いた。
"Example 10"
The reduction reaction electrode 10 (working electrode) is a photoelectrode (3jn-a-Si / CC / RuCP) in which a commercially available three-junction amorphous silicon laminated film 20 and a carbon cloth 22 modified with a ruthenium complex polymer 24 are combined. Using. The ruthenium complex was modified by applying a solution of the ruthenium complex and the polymerization agent on the carbon cloth 22 and applying a chemical polymerization method. A Pt wire was used for the oxidation reaction electrode 12 (counter electrode). Hg / HgSO 4 was used as the reference electrode.

反応セルは、石英製のガラスセルを用いた。電解液は、0.1モルのリン酸バッファ水溶液(KHPO+KHPO)を用い、水溶液中に二酸化炭素(CO)ガスを流通させた。光源には、キセノンランプを用いて1SUNの光を照射した。このとき、還元反応用電極10に+0.38V(vs.Hg/HgSO)のバイアス電圧を印加し、光を照射しながら電流−時間測定を行い、光照射前後の水溶液中のギ酸の量をイオンクロマトグラフで測定した。 As the reaction cell, a glass cell made of quartz was used. As the electrolytic solution, a 0.1 mol phosphoric acid buffer aqueous solution (K 2 HPO 4 + KH 2 PO 4 ) was used, and carbon dioxide (CO 2 ) gas was circulated in the aqueous solution. The light source was irradiated with 1 SUN of light using a xenon lamp. At this time, a bias voltage of +0.38 V (vs. Hg / HgSO 4 ) was applied to the reduction reaction electrode 10, and current-time measurement was performed while irradiating light to determine the amount of formic acid in the aqueous solution before and after light irradiation. It was measured by an ion chromatograph.

「比較例5」
実施例10において、還元反応用電極10(作用極)として、市販の三接合型アモルファスシリコン積層膜20の金属基板30(ステンレススチール)側をルテニウム錯体ポリマー24で化学重合法を用いて直接修飾した光電極(3jn−a−Si/RuCP)を用いた。
"Comparative Example 5"
In Example 10, as the reduction reaction electrode 10 (working electrode), the metal substrate 30 (stainless steel) side of a commercially available three-junction amorphous silicon laminated film 20 was directly modified with a ruthenium complex polymer 24 by a chemical polymerization method. A photoelectrode (3jn-a-Si / RuCP) was used.

「結果」
表3には、実施例10及び比較例5の実験結果を示す。

Figure 0006774165
"result"
Table 3 shows the experimental results of Example 10 and Comparative Example 5.
Figure 0006774165

実施例10では、電流−時間測定の結果、18.4Cの光電流が観測され、ギ酸の生成の電流効率は94%であった。これに対して、比較例5では、電流−時間測定の結果、13.3Cの光電流が観測され、ギ酸の生成の電流効率は0.3%であった。比較例5では、三接合型アモルファスシリコン積層膜20の金属基板30上にルテニウム錯体ポリマー24が直接修飾されているため、金属基板30上において水素の発生反応が進行し、その結果としてギ酸の生成の電流効率が低下したと考えられる。これに対して、実施例10では、三接合型アモルファスシリコン積層膜20に対してカーボンクロス22を介してルテニウム錯体ポリマー24が修飾されているため、金属基板30上での水素の発生反応が起こらない状態となっていると推察される。さらに、カーボンクロス22の水素発生反応における過電圧が高いため、カーボンクロス22が三接合型アモルファスシリコン積層膜20から受け取った電子は優先的にルテニウム錯体ポリマー24に移動し、その結果としてギ酸の生成の電流効率が向上したと考えられる。 In Example 10, as a result of current-time measurement, a photocurrent of 18.4C was observed, and the current efficiency of formic acid production was 94%. On the other hand, in Comparative Example 5, as a result of current-time measurement, a photocurrent of 13.3 C was observed, and the current efficiency of formic acid production was 0.3%. In Comparative Example 5, since the ruthenium complex polymer 24 is directly modified on the metal substrate 30 of the three-junction amorphous silicon laminated film 20, the hydrogen generation reaction proceeds on the metal substrate 30, and as a result, formic acid is produced. It is considered that the current efficiency of On the other hand, in Example 10, since the ruthenium complex polymer 24 is modified on the three-junction amorphous silicon laminated film 20 via the carbon cloth 22, a hydrogen generation reaction occurs on the metal substrate 30. It is presumed that there is no such condition. Further, since the overvoltage in the hydrogen generation reaction of the carbon cloth 22 is high, the electrons received by the carbon cloth 22 from the trijunction amorphous silicon laminated film 20 preferentially move to the ruthenium complex polymer 24, resulting in the formation of formic acid. It is considered that the current efficiency has improved.

「実施例11」
還元反応用電極10(作用極)には、市販の三接合型アモルファスシリコン積層膜20とルテニウム錯体ポリマー24で修飾したカーボンクロス22を組み合わせた光電極(3jn−a−Si/CC/RuCP)を用いた。酸化反応用電極12(対極)にはPt線を用いた。参照極には、Hg/HgSOを用いた。
"Example 11"
The reduction reaction electrode 10 (working electrode) is a photoelectrode (3jn-a-Si / CC / RuCP) in which a commercially available three-junction amorphous silicon laminated film 20 and a carbon cloth 22 modified with a ruthenium complex polymer 24 are combined. Using. A Pt wire was used for the oxidation reaction electrode 12 (counter electrode). Hg / HgSO 4 was used as the reference electrode.

反応セルは、石英製のガラスセルを用いた。電解液は、0.1モルのリン酸バッファ水溶液(KHPO+KHPO)を用い、水溶液中に二酸化炭素(CO)ガスを流通させた。このとき、二酸化炭素(CO)ガスに酸素(O)ガスを混合し、その濃度を0〜7.2%まで変化させた。光源には、キセノンランプを用いて1SUNの光を照射した。還元反応用電極10に−0.82V(vs.Hg/HgSO)のバイアス電圧を印加し、光を照射しながら電流−時間測定を行い、光照射前後の水溶液中のギ酸の量をイオンクロマトグラフで測定した。 As the reaction cell, a glass cell made of quartz was used. As the electrolytic solution, a 0.1 mol phosphoric acid buffer aqueous solution (K 2 HPO 4 + KH 2 PO 4 ) was used, and carbon dioxide (CO 2 ) gas was circulated in the aqueous solution. At this time, oxygen (O 2 ) gas was mixed with carbon dioxide (CO 2 ) gas, and the concentration was changed from 0 to 7.2%. The light source was irradiated with 1 SUN of light using a xenon lamp. A bias voltage of −0.82 V (vs. Hg / HgSO 4 ) is applied to the reduction reaction electrode 10, current-time measurement is performed while irradiating light, and the amount of formic acid in the aqueous solution before and after light irradiation is ion chromatographed. Measured with a graph.

「比較例6」
実施例11において、還元反応用電極10(作用極)として、ルテニウム錯体ポリマー24で修飾した亜鉛(Zn)ドープのリン化インジウム(InP)単結晶基板(InP/RuCP)を用いた。
"Comparative Example 6"
In Example 11, a zinc (Zn) -doped indium phosphide (InP) single crystal substrate (InP / RuCP) modified with ruthenium complex polymer 24 was used as the electrode 10 (working electrode) for the reduction reaction.

「結果」
図13は、実施例11及び比較例6において酸素濃度に対する電流効率を測定した結果を示す。丸印は、実施例11における測定結果を示し、三角印は、比較例6における測定結果を示す。
"result"
FIG. 13 shows the results of measuring the current efficiency with respect to the oxygen concentration in Example 11 and Comparative Example 6. The circles indicate the measurement results in Example 11, and the triangles indicate the measurement results in Comparative Example 6.

実施例11では、二酸化炭素(CO)ガスに酸素(O)ガスを混合しなかった場合のギ酸の生成の電流効率は約94%であった。酸素(O)ガスの濃度が増加するにしたがってギ酸生成の電流効率は徐々に低下し、酸素(O)ガスの濃度が7.2%ではギ酸生成の電流効率は約72%であった。比較例6では、二酸化炭素(CO)ガスに酸素(O)ガスを混合しなかった場合のギ酸の生成の電流効率は約93%で、実施例11とほぼ同じであった。酸素(O)ガスの濃度が増加するにしたがってギ酸生成の電流効率は大幅に低下し、酸素(O)ガスの濃度が7.2%ではギ酸生成の電流効率は約6.2%であった。このことから、カーボンクロス22上に修飾したルテニウム錯体ポリマー24による二酸化炭素(CO)の還元反応では酸素の影響は受けにくいことが判明した。 In Example 11, the current efficiency of formic acid production was about 94% when oxygen (O 2 ) gas was not mixed with carbon dioxide (CO 2 ) gas. The current efficiency of formic acid production gradually decreased as the concentration of oxygen (O 2 ) gas increased, and the current efficiency of formic acid production was about 72% when the concentration of oxygen (O 2 ) gas was 7.2%. .. In Comparative Example 6, the current efficiency of formic acid production when oxygen (O 2 ) gas was not mixed with carbon dioxide (CO 2 ) gas was about 93%, which was almost the same as that of Example 11. As the concentration of oxygen (O 2 ) gas increases, the current efficiency of formic acid production decreases significantly, and when the concentration of oxygen (O 2 ) gas is 7.2%, the current efficiency of formic acid production is about 6.2%. there were. From this, it was found that the reduction reaction of carbon dioxide (CO 2 ) by the ruthenium complex polymer 24 modified on the carbon cloth 22 is not easily affected by oxygen.

「まとめ」
二酸化炭素(CO)の光還元反応において太陽光変換効率が低くなる原因は、光吸収量が少ない、励起した電子・正孔対が反応前に再結合する、生成物が逆反応により分解される等が挙げられる。本発明によれば、三接合型アモルファスシリコン積層膜を使用することで光吸収量の増大及び励起電子・正孔対の分離を促進することができる。また、酸化反応用電極を酸化イリジウム(IrOx)助触媒で修飾することによって、生成物存在下においても逆反応を進行させることなく選択的に水を酸化できる。さらに、カーボン層を金属錯体触媒の担体として用いることで酸素存在下においても選択的に二酸化炭素(CO)を還元できる。これによって、二酸化炭素(CO)の光還元反応において太陽光変換効率を4.35%まで向上させることができた。
"Summary"
The reason why the solar conversion efficiency is low in the photoreduction reaction of carbon dioxide (CO 2 ) is that the amount of light absorption is small, the excited electron-hole pair is recombined before the reaction, and the product is decomposed by the reverse reaction. And so on. According to the present invention, it is possible to increase the amount of light absorption and promote the separation of excited electron / hole pairs by using the three-junction amorphous silicon laminated film. Further, by modifying the electrode for oxidation reaction with an iridium oxide (IrOx) cocatalyst, water can be selectively oxidized even in the presence of a product without proceeding with the reverse reaction. Further, by using the carbon layer as a carrier of the metal complex catalyst, carbon dioxide (CO 2 ) can be selectively reduced even in the presence of oxygen. As a result, the solar conversion efficiency could be improved to 4.35% in the photoreduction reaction of carbon dioxide (CO 2 ).

また、従来技術では、生成物に対する逆反応による分解や生成物による反応の阻害を防ぐためにプロトン交換膜で還元側と酸化側を隔離した二室型セルを用いていたが、本発明では、有機物存在下においても酸化反応用電極が水の酸化反応に対して選択性を有し、カーボン層により金属錯体触媒を担持することで酸素存在下においても二酸化炭素(CO)の還元反応に対して選択性を有するのでワイヤレスデバイス構造を適用して一室型セルとして利用することができる。 Further, in the prior art, a two-chamber cell in which the reducing side and the oxidizing side are separated by a proton exchange membrane is used in order to prevent decomposition due to a reverse reaction to the product and inhibition of the reaction by the product, but in the present invention, an organic substance is used. The electrode for oxidation reaction has selectivity for the oxidation reaction of water even in the presence, and by supporting the metal complex catalyst by the carbon layer, it is also resistant to the reduction reaction of carbon dioxide (CO 2 ) even in the presence of oxygen. Since it has selectivity, it can be used as a single-chamber cell by applying a wireless device structure.

10 還元反応用電極、12 酸化反応用電極、14 バイアス電源、16 触媒、20 三接合型アモルファスシリコン積層膜、22 カーボンクロス、24 ルテニウム錯体ポリマー、30 金属基板、31 金属反射層、32 透明導電膜、33 第1アモルファスシリコンゲルマニウム積層体、34 第2アモルファスシリコンゲルマニウム積層体、35 アモルファスシリコン積層体、36 透明導電膜。
10 Reduction reaction electrode, 12 Oxidation reaction electrode, 14 Bias power supply, 16 Catalyst, 20 Three-junction amorphous silicon laminated film, 22 Carbon cloth, 24 Ruthenium complex polymer, 30 Metal substrate, 31 Metal reflective layer, 32 Transparent conductive film , 33 First Amorphous Silicon Germanium Laminate, 34 Second Amorphous Silicon Germanium Laminate, 35 Amorphous Silicon Laminate, 36 Transparent Conductive.

Claims (6)

択的に水を酸化して酸素を発生する酸化反応用電極と、
カーボン層に担持された金属錯体触媒を含み、酸素の存在下で選択的に二酸化炭素(CO )を還元する還元反応用電極と、
がプロトン交換膜が設けられていない一室型のセルに収納され、これらを電気的に接続して構成された電解セルを含み
前記電解セルは光吸収体と接続され、前記光吸収体に照射される光エネルギーを利用して水を含む液中で二酸化炭素(CO )を還元することを特徴とする光化学反応デバイス。
And oxidation electrode for generating oxygen by oxidizing water to selection択的,
An electrode for reduction reaction containing a metal complex catalyst supported on a carbon layer and selectively reducing carbon dioxide (CO 2 ) in the presence of oxygen.
Is housed in a one-chamber cell without a proton exchange membrane , including an electrolytic cell constructed by electrically connecting them.
A photochemical reaction device characterized in that the electrolytic cell is connected to a light absorber and carbon dioxide (CO 2 ) is reduced in a liquid containing water by utilizing the light energy applied to the light absorber .
請求項に記載の光化学反応デバイスであって、
前記酸化反応用電極は、酸化イリジウムIrOx(x=1〜2)をみ、炭素化合物の存在下で選択的に水を酸化して酸素を発生することを特徴とする光化学反応デバイス。
The photochemical reaction device according to claim 1 .
The oxidation reaction electrode is seen containing iridium oxide IrOx (x = 1~2), photochemical reaction device, characterized in that to generate oxygen by selectively oxidizing the water in the presence of carbon compounds.
請求項に記載の光化学反応デバイスであって、
前記炭素化合物は、一酸化炭素、アルコール及びカルボン酸の少なくとも1つであることを特徴とする光化学反応デバイス。
The photochemical reaction device according to claim 2 .
A photochemical reaction device , wherein the carbon compound is at least one of carbon monoxide, an alcohol and a carboxylic acid .
請求項1に記載の光化学反応デバイスであって、
前記還元反応用電極は、前記光吸収体/前記カーボン層/前記金属錯体触媒の配列を有する接合体であることを特徴とする光化学反応デバイス。
The photochemical reaction device according to claim 1.
The reduction reaction electrode is a photochemical reaction device, characterized in that a conjugate having a sequence of the light absorber / the carbon layer / the metal complex catalyst.
請求項4に記載の光化学反応デバイスであって、
前記還元反応用電極は、多接合型アモルファスシリコン積層体/前記カーボン層/ルテニウム金属錯体触媒の接合体であることを特徴とする光化学反応デバイス。
The photochemical reaction device according to claim 4.
The reduction reaction electrode is a photochemical reaction device, which is a conjugate of multi-junction amorphous silicon laminate / the carbon layer / ruthenium metal complex catalyst.
請求項1〜のいずれか1項に記載の光化学反応デバイスであって、
前記酸化反応用電極と前記還元反応用電極は、互いに一体化されることにより電気的に接続して構成されており、前記酸化反応用電極は光の透過性を有しており、かつ、前記還元反応用電極よりも前記光の入射側に配置されていることを特徴とする光化学反応デバイス。
The photochemical reaction device according to any one of claims 1 to 5 .
The oxidation reaction electrode and the reduction reaction electrode are electrically connected to each other by being integrated with each other, and the oxidation reaction electrode has light transmission and is described above. A photochemical reaction device characterized in that it is arranged on the incident side of the light from the electrode for reduction reaction.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP4394084A3 (en) * 2022-12-28 2024-08-14 Hitachi, Ltd. Photocatalytic apparatus

Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6686590B2 (en) * 2016-03-22 2020-04-22 株式会社豊田中央研究所 Carbon dioxide reduction electrode and carbon dioxide reduction device
JP6777859B2 (en) * 2017-04-18 2020-10-28 富士通株式会社 Photoelectrodes, methods for manufacturing photoelectrodes, and photoelectrochemical reactors
JP7104500B2 (en) * 2017-09-15 2022-07-21 株式会社豊田中央研究所 Electrodes for chemical reactions and electrochemical cells using them
CN109518213B (en) * 2017-09-18 2020-06-16 天津大学 NiB auxiliary agent modified bismuth vanadate nano porous film electrode and preparation method and application thereof
JP7188188B2 (en) * 2019-02-28 2022-12-13 株式会社豊田中央研究所 Oxidation reaction electrode and electrochemical reaction device using the same
JP7291377B2 (en) * 2019-05-21 2023-06-15 国立大学法人 新潟大学 Method for producing catalyst and method for producing metal oxide
JP7367445B2 (en) * 2019-10-10 2023-10-24 株式会社豊田中央研究所 Electrode for reduction reaction, method for manufacturing electrode for reduction reaction, and reaction device using electrode for reduction reaction
JP7260791B2 (en) * 2020-02-18 2023-04-19 株式会社豊田中央研究所 chemical reaction cell
CN113457745B (en) * 2021-07-07 2022-03-29 中国海洋大学 Selective reduction of nitrate to N2Preparation method and application of photocatalyst

Family Cites Families (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4160816A (en) * 1977-12-05 1979-07-10 Rca Corporation Process for storing solar energy in the form of an electrochemically generated compound
CH644471A5 (en) * 1981-02-02 1984-07-31 Michael Graetzel PRODUCT FOR USE AS A PHOTOCATALYST, PROCESS FOR PREPARING THE SAME AND USE OF THE SAME.
AU2422684A (en) * 1983-02-18 1985-07-04 Energy Conversion Devices Inc. Liquid junction photoelectrodes
US5022970A (en) * 1989-09-28 1991-06-11 Gas Research Institute Photoelectrochemical reduction of carbon oxides
JPH10290017A (en) * 1997-04-14 1998-10-27 Mitsubishi Heavy Ind Ltd Optical catalyzer
US6198037B1 (en) * 1998-01-23 2001-03-06 Josuke Nakata Solar battery module for optical electrolysis device and optical electrolysis device
US20040217014A1 (en) * 2003-05-01 2004-11-04 Ovshinsky Stanford R. Solar powered electrolysis of brackish water
US7052587B2 (en) * 2003-06-27 2006-05-30 General Motors Corporation Photoelectrochemical device and electrode
JP5707773B2 (en) * 2009-09-14 2015-04-30 株式会社豊田中央研究所 Composite photoelectrode and photoelectrochemical reaction system
JP5724170B2 (en) * 2009-10-30 2015-05-27 株式会社豊田中央研究所 Photochemical reaction device
JP4594438B1 (en) * 2009-12-02 2010-12-08 シャープ株式会社 Hydrogen production apparatus and hydrogen production method
JP5368340B2 (en) * 2010-02-25 2013-12-18 株式会社神戸製鋼所 Carbon dioxide electrolytic reduction equipment
WO2012091045A1 (en) * 2010-12-28 2012-07-05 株式会社豊田中央研究所 Photochemical reaction device
JP5988090B2 (en) * 2012-07-06 2016-09-07 国立研究開発法人産業技術総合研究所 Method for stabilizing visible light responsive semiconductor photoelectrode and water splitting reaction apparatus using the method
JP5904545B2 (en) * 2012-07-06 2016-04-13 国立研究開発法人産業技術総合研究所 Visible light responsive semiconductor photoelectrode
JP5988092B2 (en) * 2012-07-24 2016-09-07 国立研究開発法人産業技術総合研究所 Visible light responsive semiconductor photoelectrode manufacturing method, visible light responsive semiconductor photoelectrode, and water splitting reaction apparatus using the electrode.
KR101762057B1 (en) * 2013-05-29 2017-07-26 가부시끼가이샤 도시바 Reduction catalyst and chemical reactor

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP4394084A3 (en) * 2022-12-28 2024-08-14 Hitachi, Ltd. Photocatalytic apparatus

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