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 で は chemical (PEC) water decomposition, photoelectric 気 に よ る sharper rate な water element generated が be presently で き る レ ー ザ ー プ ロ セ ス を open 発 す る. The proposal approach is で で, transparent conductive substrate is replaced with わ に に, and 価なタ <e:1> グステ <s:1> (W) <s:1> metal is used with プレ トを トを. さ ら に, big 気 圧, room temperature で レ ー ザ ー 処 Richard す る こ と で three acidification, W の surface を タ ン グ ス テ ン modification (WO3) layer に さ せ る. Acidification formation layer の は, レ ー ザ ー が light metal に よ り suction 収 さ の れ, W surface temperature rising が local に す る こ と で up こ る. Research で は, Advanced Optowave club system の Nd: YVO4 レ ー ザ ー (lambda = 532 nm) と Nd: YAG レ ー ザ ー (lambda = 355 nm) を い, 10 [kHz] の Qiao り return し cycle for で surface modification を line っ た. Be 験 department で は レ ー ザ ー light を ビ ー ム エ キ ス パ ン ダ ー で company, big し, ガ ル バ ノ ス キ ャ ナ に お い て, back to the country planning axis に り pay け た ミ ラ ー を high-speed, high-precision に suppression し て walkthrough す る. そ し て, f - theta レ ン ズ を tong す こ と で, walkthroughs エ リ ア within に お け る uniform な ビ ー ム diameter が substrate で be presently で き る. ガ ル バ ノ ス キ ャ ナ に よ り, W プ レ ー ト surface の 5 x 5 mm] [に の field exposure interval を - え parallel を painted し た. Youdaoplaceholder0 ザ ザ が が irradiate the された part レ grayish-white になった ら black になった. In the atmosphere, the <s:1> heat treatment is carried out at 400 to 500 [℃], and the で W プレ ト surface が turns black に to った. ま た, four terminal に よ る determination results か ら, レ ー ザ ー light で 処 Richard し は た surface, 400 [℃] で hot 処 を し た サ ン プ ル と nearly い resistance numerical を shown し た. さ ら に レ ー ザ ー の exposure to several を heavy ね る こ と で resistance numerical が raised large し た こ と か ら, レ ー ザ ー irradiation に よ り acidification の for を suppression で き た. ソ ー ラ ー シ ュ ミ レ ー タ ー を with い た water element generated の be 験 に お い て, lambda = 355 (nm), 0.3 [W] の レ ー ザ ー で 処 Richard し た サ ン プ ル で only か に photocurrent を measuring で き た が, unseen fruit な water element generated に は 繋 が っ て い な い. 従 っ て, レ ー ザ ー の を irradiation conditions more に optimization す る こ と に よ っ て, acidification の を promote さ せ る necessary が あ る.

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