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明細書 :水の可視光分解用アノード電極及び水の可視光分解装置

発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 特許公報(B2)
特許番号 特許第5664379号 (P5664379)
公開番号 特開2012-197470 (P2012-197470A)
登録日 平成26年12月19日(2014.12.19)
発行日 平成27年2月4日(2015.2.4)
公開日 平成24年10月18日(2012.10.18)
発明の名称または考案の名称 水の可視光分解用アノード電極及び水の可視光分解装置
国際特許分類 C25B  11/06        (2006.01)
C01B   3/04        (2006.01)
C01G  23/04        (2006.01)
C01G  30/00        (2006.01)
C25B   9/00        (2006.01)
C25B   5/00        (2006.01)
C25B  11/03        (2006.01)
FI C25B 11/06 B
C01B 3/04 A
C01G 23/04 C
C01G 30/00
C25B 9/00 A
C25B 5/00
C25B 11/03
請求項の数または発明の数 3
全頁数 5
出願番号 特願2011-061136 (P2011-061136)
出願日 平成23年3月18日(2011.3.18)
審査請求日 平成26年2月20日(2014.2.20)
特許権者または実用新案権者 【識別番号】304027279
【氏名又は名称】国立大学法人 新潟大学
発明者または考案者 【氏名】八木 政行
個別代理人の代理人 【識別番号】100080089、【弁理士】、【氏名又は名称】牛木 護
【識別番号】100161665、【弁理士】、【氏名又は名称】高橋 知之
審査官 【審査官】大塚 徹
参考文献・文献 国際公開第2011/058723(WO,A1)
特開2007-273984(JP,A)
調査した分野 C25B 11/06
C01B 3/04
C01G 23/04
C01G 30/00
C25B 5/00
C25B 9/00
C25B 11/03
特許請求の範囲 【請求項1】
酸化チタン電極に硫化アンチモンを析出させて得られたことを特徴とする水の可視光分解用アノード電極。
【請求項2】
前記酸化チタン電極は、ナノポーラス酸化チタン電極であることを特徴とする請求項1記載の水の可視光分解用アノード電極。
【請求項3】
請求項1又は2記載の水の可視光分解用アノード電極を備えたことを特徴とする水の可視光分解装置。
発明の詳細な説明 【技術分野】
【0001】
本発明は、エネルギー分野や環境分野において水を酸素と水素に分解するために用いられる水の可視光分解用アノード電極に関する。
【背景技術】
【0002】
可視光で水を酸素と水素に分解することのできる電極は、これまでほとんど知られていなかったが、最近、TaON電極が水の可視光分解の光アノードとして動作することが報告された(非特許文献1)。しかし、このTaON電極では、酸素発生に基づく光アノード電流を得るために、-0.0V vs Ag/AgClのバイアスが必要であり、利用できる可視光も540nm以下に限定されていた。
【先行技術文献】
【0003】

【非特許文献1】J. Am. Chem. Soc., 2010, 132, 11828-11829
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
そこで、本発明は、低いバイアスで光アノード電流を与え、長波長域の可視光を利用することのできる、新規の水の可視光分解用アノード電極を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0005】
本発明の水の可視光分解用アノード電極は、酸化チタン電極に硫化アンチモンを析出させて得られたことを特徴とする。
【0006】
また、前記酸化チタン電極は、ナノポーラス酸化チタン電極であることを特徴とする。
【0007】
本発明の水の可視光分解装置は、本発明の水の可視光分解用アノード電極を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【0008】
本発明の水の可視光分解用アノード電極及び水の可視光分解装置によれば、-0.5V vs Ag/AgClのバイアスで光アノード電流を与え、650nm以下の可視光を利用できる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【図1】実施例1における水の可視光分解用アノード電極のサイクリックボルタモグラムを示す。
【図2】実施例1における水の可視光分解用アノード電極の入射光電流変換効率(IPCE)の作用スペクトルを示す。

【発明を実施するための最良の形態】
【0010】
本発明の水の可視光分解用アノード電極は、酸化チタン電極に硫化アンチモンを析出させて得られたものである。また、本発明の水の可視光分解装置は、上記の水の可視光分解用アノード電極を備えたものである。なお、以下の説明において、本発明の水の可視光分解用アノード電極を硫化アンチモン/酸化チタン複合電極という。
【0011】
ここで、酸化チタン電極としては、例えば、ITO基板上に酸化チタン層を形成して作成した電極を用いることができる。また、酸化チタン電極としては、比表面積が大きいことから、微細な多孔質構造を有するナノポーラス酸化チタン電極が好適に用いられる。なお、ナノポーラス酸化チタン電極は、粒径が30~40nmで、酸化チタン層の厚さが7~10μmのものが最も好適に用いられる。
【0012】
また、酸化チタン電極に硫化アンチモンを析出させる際に、酸化チタン電極を浸漬する硫化アンチモン溶液は、1~1.3M SbClアセトン溶液と0.8~1.2M Na水溶液を1:8~12の容積比で混合した後、水を加えて容積比で3~4倍に薄めたものが好適に用いられる。
【0013】
また、酸化チタン電極に硫化アンチモンを析出させる条件としては、0~10℃で12~36hが好ましい。
【0014】
本発明による硫化アンチモン/酸化チタン複合電極を作用極として用い、白金線を対極として用いた電解槽を構成し、硫化アンチモン/酸化チタン複合電極に可視光照射することにより、水を酸素と水素に分解することができる。
【0015】
なお、硫化アンチモン/酸化チタン複合電極は色素増感太陽電池の負極として報告されている(Nano Lett. 2010, 10, 2609-2612)。しかし、硫化アンチモン/酸化チタン複合電極を水の可視光分解系の光アノードとして用いた例はない。
【0016】
以下、より具体的に、本発明の水の可視光分解用アノード電極について説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の思想を逸脱しない範囲で種々の変形実施が可能である。
【実施例1】
【0017】
以下に示すように、硫化アンチモン/酸化チタン複合電極を作製した。1.15M SbClアセトン溶液(3.0ml)と1M Na水溶液(30ml)を混合し、水を加えて100mlとした。この混合溶液にナノポーラス酸化チタン電極を4℃で24h浸漬して、酸化チタン電極上に硫化アンチモンを析出させた。作製した電極を水でよく洗い、空気中で乾燥した。
【0018】
硫化アンチモン/酸化チタン複合電極のサイクリックボルタモグラムを図1に示す。
【0019】
光源は150Wハロゲンランプに420nm以下の光をカットするフィルターを装着したものを用い、光強度は100mW・cm-2に設定し、pH=7の0.1Mのリン酸バッファー溶液中で試験を行った。5mV・s-1で電位を掃引しながら測定した。
【0020】
その結果、暗時では、-0.3V vs Ag/AgCl以上でアノード電流は見られなかったが(点線CV)、420nm以上の可視光を照射したとき、-0.5V vs Ag/AgCl付近で水の酸化に基づくアノード電流が立ち上がり、200μA・cm-2の光電流が観察された。また、1時間の光電解を行った後、電解セル気相中で発生した水素と酸素を検出した。このように、硫化アンチモン/酸化チタン複合電極を光アノードとして用いて水の可視光分解が達成された。
【0021】
図2に硫化アンチモン/酸化チタン複合電極(Sb/TiO)を光アノードとしたときの入射光電流変換効率(IPCE)の作用スペクトルを示す。
【0022】
このとき、500Wキセノンランプを光源とし、モノクロメーターで取り出した各波長の単色光を硫化アンチモン/酸化チタン複合電極に照射した。また、印加電圧は-0.2V vs Ag/AgClとし、pH=7の0.1M リン酸バッファー溶液中で試験を行った。また、比較のために、硫化アンチモンを複合させていない酸化チタン電極(TiO)を用いて同様に試験を行った。
【0023】
硫化アンチモンを複合させていない酸化チタン電極(○)では400nm以上の可視光で光電流はほとんど見られなかったが、硫化アンチモン/酸化チタン複合電極(●)を光アノードとしたときでは、はっきりと光電流の発生が観察された。このように、硫化アンチモン/酸化チタン複合電極によれば、650nm以下の可視光で光電流が得られることが確認された。
図面
【図1】
0
【図2】
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