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

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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。