Formation of WO3/W photoelectrodes with superior energy storage capacity by nanosecond-laser-induced modification

纳秒激光诱导修饰形成具有优异储能能力的WO3/W光电极

• 批准号: 22K04767
• 负责人: 平井 誠
• 金额: $ 2.66万
• 依托单位: Nagaoka National College of Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 2022
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2022-04-01 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22K04767/
• 关键词: レーザー誘起改質法; 光電気化学的水分解; 電子貯蔵型光電極; 酸化物半導体; 水素生成; 光電気化学; 結晶構造; 配向制御

本研究では、光電気化学 (PEC) 水分解による効率的な水素生成が実現できるレーザープロセスを開発する。提案手法では、透明導電性基板の代わりに、安価なタングステン (W) の金属プレートを用いる。さらに、大気圧・室温下でレーザー処理することで、W の表面を 三酸化タングステン (WO3) 層に改質させる。酸化物層の形成は、レーザー光が金属により吸収され、W 表面の温度が局部的に上昇することで起こる。研究では、Advanced Optowave 社製の Nd:YVO4 レーザー (λ= 532 nm) と Nd:YAG レーザー (λ= 355 nm) を用い、10 [kHz] の繰り返し周波数で表面改質を行った。実験系ではレーザー光をビームエキスパンダーで拡大し、ガルバノスキャナにおいて、回転軸に取り付けたミラーを高速・高精度に制御して走査する。そして、f-θレンズを通すことで、走査エリア内における均一なビーム径が基材上で実現できる。ガルバノスキャナにより、Wプレート表面上の 5×5 [mm] の領域に照射間隔を変え平行線を描画した。レーザーが照射された部分は灰白色から黒色になった。大気中の熱処理では 400～500 [℃] の間で W プレート表面が黒色に変った。また、四端子法による測定結果から、レーザー光で処理した表面は、400 [℃] で熱処理をしたサンプルと近い抵抗値を示した。さらにレーザーの照射回数を重ねることで抵抗値が増大したことから、レーザー照射により酸化の進行を制御できた。ソーラーシュミレーターを用いた水素生成の実験において、λ= 355 [nm]、0.3 [W] のレーザーで処理したサンプルで僅かに光電流を計測できたが、効果的な水素生成には繋がっていない。従って、レーザーの照射条件を更に最適化することによって、酸化の進行を促進させる必要がある。

This study is aimed at the development of photoelectrochemical (PEC) water decomposition efficiency for the production of water. The proposed method is to replace the transparent conductive substrate with a metal layer (W). In addition, the surface of W can be modified by a three-acid coating (WO3) layer after heat treatment at high pressure and room temperature. The formation of the acid layer, the absorption of light and metal, and the local temperature rise of the W surface Nd: YVO4 (λ = 532 nm) and Nd:YAG (λ= 355 nm) produced by Advanced Optowave were studied. The system is designed for high speed and high precision control of light and light sources, as well as for high speed and high precision control. For example, f-θ5×5 [mm] area on the surface of the wall, parallel lines are drawn. The light is white and the light is black. Heat treatment in large temperature ranges from 400 to 500 [℃], and the surface color changes. The measurement results of the four-terminal method show that the surface temperature is 400 [℃] and the heat treatment temperature is 400 [℃]. In addition, the number of irradiation cycles increased, and the resistance increased. For the actual generation of water in the use of solar-based solutions, the processing of λ= 355 [nm] and 0.3 [W] can be performed only by measuring the photocurrent, and the effective generation of water can be achieved. To optimize the irradiation conditions, it is necessary to conduct acidification.

项目成果

Crystal facet engineering for WO3 photoelectrodes with energy storage ability

具有储能能力的WO3光电极的晶面工程

• 发表时间: 2023
• 作者: M. Hirai;I. Hanyu;F. Tamura and N. Fujita
• 通讯作者: F. Tamura and N. Fujita