新規カルコゲナイド系光電極を用いた高効率・高耐久ソーラー水素生成反応系の構築

利用新型硫族化物光电极构建高效耐用的太阳能制氢反应系统

• 批准号: 17J07120
• 负责人: 兼古 寛之
• 金额: $ 1.22万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2017
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2017-04-26 至 2019-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-17J07120/
• 关键词: 水素製造; 半導体電極; 電気化学; 水分解; 太陽光; 酸化物コーティング; 無電解めっき

光電気化学セルによる可視光水分解は、太陽光と水のみから水素を製造するシステムの一つとして注目されている。本研究では特に、p型半導体電極（光カソード）及びn型半導体電極（光アノード）を接続することによって構築される2段階光励起型のセルに着目した。この2段階光励起型のセルにおいては、バンドギャップの比較的小さい非酸化物材料を選択可能であるものの、半導体電極表面の腐食が主な原因で、12時間を超える長時間動作は報告されていなかった。加えて、特に光カソード表面において、光アノードから溶出した重金属イオンによる表面被毒もまた不安定化に寄与していることを、当研究員による前年度までの結果によって明らかとなっていた。当年度は、この光アノードからの重金属イオンの溶出の抑制を図り、光アノード表面の修飾及びその効果を検討した。より具体的には、カチオンの透過を妨げるアニオン伝導性イオノマーをBiVO4光アノードの表面にコーティングすることによって、BiVO4の分解によって生じたBi3+やV5+といった金属イオンをBiVO4/イオノマー界面に閉じ込めることを狙った。これによって、BiVO4光アノード表面付近の重金属イオン濃度が高まり、化学平衡の変化によって一定量以上の分解が抑制されると期待されたためである。上記コーティングを行い、かつ対極表面に析出したBi種の量を分析した結果、イオノマー被覆によってBiの析出速度が5分の1程度にまで抑えられることを確認した。イオノマー被覆によってBiVO4の分解及び溶出が抑えられたことを強く示唆している。さらに、イオノマー被覆したBiVO4光アノードと光カソードを用いて、冒頭に記述した光電気化学セルを構築し、疑似太陽光照射下における、水分解に起因する光電流の変動を測定した結果、イオノマー被覆によって光電流が安定化することを確認した。

Photoelectric chemical セ 気 ル に よ る visible light water decomposition は, sun と の み か ら water element を manufacturing す る シ ス テ ム の a つ と し て attention さ れ て い る. This study で は に, p type semiconductor electrode (light カ ソ ー ド) and び n-type semiconductor electrode (light ア ノ ー ド) を meet 続 す る こ と に よ っ て build さ れ る excitation light up type 2 paragraph order の セ ル に with mesh し た. こ の excitation light up type 2 paragraph order の セ ル に お い て は, バ ン ド ギ ャ ッ プ の is little さ い acidification nonce material を sentaku may で あ る も の の の, semiconductor electrode surface corrosion が main な reason で, 12 time を え る long action report は さ れ て い な か っ た. Add え て, に light カ ソ ー ド surface に お い て, light ア ノ ー ド か ら dissolution し た heavy metal イ オ ン に よ る surface is poison も ま た not stabilization に send し て い る こ と を, when researchers に よ annual ま る former で の results に よ っ て Ming ら か と な っ て い た. Current は, こ の light ア ノ ー ド か ら の heavy metal イ オ ン の dissolution の inhibit を 図 り, light ア ノ ー の ド surface modification and び そ の unseen fruit を beg し 検 た. よ り specific に は, カ チ オ ン の through を hinder げ る ア ニ オ ン 伝 conductivity イ オ ノ マ ー を BiVO4 light ア ノ ー ド の surface に コ ー テ ィ ン グ す る こ と に よ っ て, BiVO4 の decomposition に よ っ て raw じ た Bi3 + や V5 + と い っ た metal イ オ ン を BiVO4 / イ オ ノ マ ー interface に closed じ 込 め る こ と を previously っ た. こ れ に よ っ て, BiVO4 light ア ノ ー ド pay nearly の heavy metal surface イ オ ン high concentration が ま り, chemical equilibrium の variations change に よ っ て amount above の decomposition が inhibit さ れ る と expect さ れ た た め で あ る. Written コ ー テ ィ ン グ を い, か つ polar surface precipitation に seaborne し た Bi を の quantity analyzing し た results, イ オ ノ マ ー coating に よ っ て Bi の precipitation speed が の 5 points 1 degree に ま で え suppression ら れ る こ と を confirm し た. イ オ ノ マ ー coating に よ っ て BiVO4 の decomposition and び dissolution が え suppression ら れ た こ と を く and shown strong sucking し て い る. さ ら に, イ オ ノ マ ー coating し た BiVO4 light ア ノ ー ド と light カ ソ ー ド を with い て, stir up に account し た photoelectric 気 chemical セ ル に を constructing し, suspected direct sunlight お け る, water decomposition に cause す る photocurrent の - determination of dynamic を し た results, イ オ ノ マ ー coating に よ っ て photocurrent が stabilization す る こ と を confirm し た.

项目成果

Stabilization of Photoelectrochemical Cells for Solar-Driven Hydrogen Production via Suppression of Poisoning

通过抑制中毒来稳定太阳能驱动制氢的光电化学电池

• 发表时间: 2019
• 作者: Kaneko Hiroyuki;Minegishi Tsutomu;Domen Kazunari;兼古 寛之・嶺岸 耕・小林 宏之・Yongbo Kuang・堂免 一成
• 通讯作者: 兼古 寛之・嶺岸 耕・小林 宏之・Yongbo Kuang・堂免 一成

近赤外光応答型光カソードを用いたタンデム型光電気化学セルによる水素製造

使用近红外光响应光电阴极的串联光电化学电池生产氢气

• 发表时间: 2017
• 作者: Yosuke Kageshima;Yosuke Goto;Sho Sugisaki;Hiroyuki Kaneko;Tsutomu Minegishi;Kazunari Domen;兼古 寛之・嶺岸 耕・Kuang Yongbo・山田 太郎・堂免 一成
• 通讯作者: 兼古 寛之・嶺岸 耕・Kuang Yongbo・山田 太郎・堂免 一成

“Photoanodic and Photocathodic Materials Applied for Free-Running Solar Water Splitting Devices” In D. Wang and G. Cao (Eds.) “Nanomaterials for Energy Conversion and Storage”

“用于自由运行的太阳能水分解装置的光阳极和光阴极材料”，载于 D. Wang 和 G. Cao（主编）“用于能量转换和存储的纳米材料”

• 发表时间: 2018
• 作者: Miao Zhong;Hiroyuki Kaneko;Taro Yamada and Kazunari Domen
• 通讯作者: Taro Yamada and Kazunari Domen

ZnSe:Cu(In,Ga)Se2薄膜光カソードとBiVO4光アノードを用いて構築した光電気化学セルによる水の全分解

使用 ZnSe:Cu(In,Ga)Se2 薄膜光阴极和 BiVO4 光阳极构建的光电化学电池完全分解水

• 发表时间: 2017
• 作者: 兼古寛之;嶺岸 耕;KUANG Yongbo;山田 太郎;堂免一成
• 通讯作者: 堂免一成

酸化物コートZnSe:Cu(In,Ga)Se2薄膜光カソードを用いた光電気化学セルによる安定なノンバイアス水分解反応の検討

使用氧化物涂层 ZnSe:Cu(In,Ga)Se2 薄膜光电阴极的光电化学电池研究稳定的无偏压水分解反应

• 发表时间: 2018
• 作者: 兼古 寛之;嶺岸 耕;堂免 一成
• 通讯作者: 堂免 一成