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JP2014227563A - Photochemical electrode for reducing carbon dioxide, apparatus for reducing carbon dioxide, and method for reducing carbon dioxide - Google Patents

Photochemical electrode for reducing carbon dioxide, apparatus for reducing carbon dioxide, and method for reducing carbon dioxide Download PDF

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JP2014227563A
JP2014227563A JP2013106882A JP2013106882A JP2014227563A JP 2014227563 A JP2014227563 A JP 2014227563A JP 2013106882 A JP2013106882 A JP 2013106882A JP 2013106882 A JP2013106882 A JP 2013106882A JP 2014227563 A JP2014227563 A JP 2014227563A
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聡史 四橋
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Abstract

【課題】より高効率な二酸化炭素還元が可能な二酸化炭素還元用光化学電極、二酸化炭素還元装置、及び二酸化炭素還元方法の提供。【解決手段】二酸化炭素還元用光化学電極は、光照射面側からAlxGa1−xN層(0<x≰0.25)101、GaN層102、酸化ガリウム層103、電極層104が積層された領域を表面に有し、又は、光照射面側からAlxGa1−xN層(0<x≰0.25)、GaN層、酸化ガリウム層、pn接合半導体層、電極層が積層された領域を表面に有する。これにより、高効率な二酸化炭素還元を行う。AlxGa1−xN層101で吸収された光により、電子と正孔からなるキャリアを生じ、AlxGa1−xN層101がアノード電極として機能し、表面へ正孔は移動し、水を酸化して、酸素を生じさせ、電子はGaN層102、酸化ガリウム層103を経て、電極層104を介してカソード電極へと供給される。【選択図】図1AProvided are a photochemical electrode for carbon dioxide reduction, a carbon dioxide reduction device, and a carbon dioxide reduction method capable of reducing carbon dioxide with higher efficiency. A photochemical electrode for carbon dioxide reduction includes a region where an AlxGa1-xN layer (0 <x≰0.25) 101, a GaN layer 102, a gallium oxide layer 103, and an electrode layer 104 are stacked from the light irradiation surface side. It has on the surface, or has a region where an AlxGa1-xN layer (0 <x≰0.25), a GaN layer, a gallium oxide layer, a pn junction semiconductor layer, and an electrode layer is laminated on the surface from the light irradiation surface side. Thereby, highly efficient carbon dioxide reduction is performed. The light absorbed by the AlxGa1-xN layer 101 generates carriers composed of electrons and holes. The AlxGa1-xN layer 101 functions as an anode electrode, holes move to the surface, oxidize water, The electrons are supplied to the cathode electrode via the electrode layer 104 through the GaN layer 102 and the gallium oxide layer 103. [Selection] Figure 1A

Description

本開示は、二酸化炭素を還元処理するための光化学電極、二酸化炭素還元装置、及びその方法に関する。   The present disclosure relates to a photochemical electrode, a carbon dioxide reduction device, and a method for reducing carbon dioxide.

特許文献1〜9は、光エネルギーを利用して二酸化炭素を還元処理する方法を開示している。   Patent Documents 1 to 9 disclose methods for reducing carbon dioxide using light energy.

特許文献1及び特許文献2は、酸化チタンなどの酸化物半導体を光触媒材料に用いて、二酸化炭素を還元する方法を開示している。   Patent Document 1 and Patent Document 2 disclose a method of reducing carbon dioxide using an oxide semiconductor such as titanium oxide as a photocatalytic material.

特許文献3及び特許文献4は、所定の金属及び半導体からなる光触媒材料を利用して、二酸化炭素を還元する技術を開示している。   Patent Literature 3 and Patent Literature 4 disclose a technique for reducing carbon dioxide using a photocatalytic material made of a predetermined metal and a semiconductor.

特許文献5及び特許文献6は、半導体及び金属錯体を含有する光触媒体からなるカソード電極に光を照射して、二酸化炭素を還元する方法を開示している。   Patent Documents 5 and 6 disclose a method for reducing carbon dioxide by irradiating light to a cathode electrode made of a photocatalyst containing a semiconductor and a metal complex.

特許文献7及び特許文献8は、酸化チタン等の半導体からなるアノード電極に光を照射して、二酸化炭素をカソード電極で還元する方法を開示している。なお、特許文献7及び特許文献8に開示された方法は、カソード電極及びアノード電極以外に、太陽電池又はポテンショスタット等の外部電源を別途必要とする。   Patent Document 7 and Patent Document 8 disclose a method of irradiating an anode electrode made of a semiconductor such as titanium oxide with light to reduce carbon dioxide at the cathode electrode. Note that the methods disclosed in Patent Document 7 and Patent Document 8 require an external power source such as a solar cell or a potentiostat in addition to the cathode electrode and the anode electrode.

特許文献9は、窒化ガリウムから形成されたアノード電極に光を照射して、二酸化炭素をカソード電極で還元する方法を開示している。なお、特許文献9に開示された方法は、太陽電池又はポテンショスタット等の外部電源を必要とせず、光照射のみで二酸化炭素の還元を行っている。   Patent Document 9 discloses a method of irradiating an anode electrode formed of gallium nitride with light and reducing carbon dioxide at the cathode electrode. Note that the method disclosed in Patent Document 9 does not require an external power source such as a solar cell or a potentiostat, and reduces carbon dioxide only by light irradiation.

特開昭55−105625号公報JP-A-55-105625 特許第2526396号公報Japanese Patent No. 25526396 特許第3876305号公報Japanese Patent No. 3876305 特許第4158850号公報Japanese Patent No. 4158850 特開2010−064066号公報JP 2010-066406 A 特開2011−094194号公報JP 2011-094194 A 特開平05−311476号公報JP 05-311476 A 特開平07−188961号公報JP 07-188961 A 国際公開第2012/046374号International Publication No. 2012/046374

しかしながら、従来の方法では、二酸化炭素を還元処理するための光化学電極として効率が不充分であり、二酸化炭素から得られる還元生成物量が少なかった。   However, in the conventional method, the efficiency is insufficient as a photochemical electrode for reducing carbon dioxide, and the amount of reduction product obtained from carbon dioxide is small.

本開示の目的は、二酸化炭素還元に用いる新規な二酸化炭素還元用光化学電極、二酸化炭素還元装置、及び二酸化炭素の還元方法を提供する。   An object of the present disclosure is to provide a novel photochemical electrode for carbon dioxide reduction used for carbon dioxide reduction, a carbon dioxide reduction device, and a carbon dioxide reduction method.

本開示に係る二酸化炭素還元用光化学電極は、光エネルギーによって二酸化炭素を還元処理するために用いられる二酸化炭素還元用光化学電極であって、光照射面側からAlGa1−xN層(0<x≦0.25)、GaN層、酸化ガリウム層、電極層が積層された領域を表面に有する、二酸化炭素還元用光化学電極。 The photochemical electrode for carbon dioxide reduction according to the present disclosure is a photochemical electrode for carbon dioxide reduction that is used to reduce carbon dioxide with light energy, and includes an Al x Ga 1-x N layer (0 <X ≦ 0.25), a photochemical electrode for carbon dioxide reduction having a surface on which a GaN layer, a gallium oxide layer, and an electrode layer are stacked.

本開示に係る二酸化炭素還元用光化学電極は、二酸化炭素の還元効率を向上し、二酸化炭素から得られる還元生成物量を増加させることができる。   The photochemical electrode for carbon dioxide reduction according to the present disclosure can improve the reduction efficiency of carbon dioxide and increase the amount of reduction product obtained from carbon dioxide.

本開示に係る二酸化炭素還元用光化学電極の基本構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the basic structure of the photochemical electrode for carbon dioxide reduction which concerns on this indication. 二酸化炭素還元用光化学電極の従来構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the conventional structure of the photochemical electrode for a carbon dioxide reduction. 本開示に係る二酸化炭素還元用光化学電極の一例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows an example of the photochemical electrode for carbon dioxide reduction which concerns on this indication. 本開示に係る二酸化炭素還元用光化学電極の一例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows an example of the photochemical electrode for carbon dioxide reduction which concerns on this indication. 本開示に係る二酸化炭素還元用光化学電極の一例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows an example of the photochemical electrode for carbon dioxide reduction which concerns on this indication. 本開示に係る二酸化炭素還元用光化学電極の一例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows an example of the photochemical electrode for carbon dioxide reduction which concerns on this indication. 本開示に係る二酸化炭素還元用光化学電極の他の一例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows another example of the photochemical electrode for carbon dioxide reduction which concerns on this indication. 本開示に係る二酸化炭素還元用光化学電極の他の一例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows another example of the photochemical electrode for carbon dioxide reduction which concerns on this indication. 本開示に係る二酸化炭素還元用光化学電極の他の一例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows another example of the photochemical electrode for carbon dioxide reduction which concerns on this indication. 本開示に係る二酸化炭素還元用光化学電極の他の一例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows another example of the photochemical electrode for carbon dioxide reduction which concerns on this indication. 本開示に係る二酸化炭素還元装置を示す概略図である。It is the schematic which shows the carbon dioxide reduction apparatus which concerns on this indication.

<本開示の基礎となった知見>
特許文献1〜9には、光触媒材料や光化学電極への光照射により、二酸化炭素を還元処理できることが報告されている。すなわち、特許文献1〜9には、光照射によって生成されたキャリア(電子及び正孔)を利用することで、二酸化炭素を還元処理し、二酸化炭素を有機物に変換できることを開示している。
<Knowledge that was the basis for this disclosure>
Patent Documents 1 to 9 report that carbon dioxide can be reduced by light irradiation to a photocatalyst material or a photochemical electrode. That is, Patent Documents 1 to 9 disclose that carbon dioxide can be reduced and converted into an organic substance by using carriers (electrons and holes) generated by light irradiation.

このような光エネルギーを用いた二酸化炭素の還元反応において、二酸化炭素から得られる反応生成物量は、光励起によって得られるキャリアの生成量、及び光化学電極に生じる光起電力値に依存する。そのため、二酸化炭素の還元反応効率を高めるためには、励起キャリアの再結合を抑制すると共に、光化学電極などに含まれる直列抵抗成分による損失を低減し、光化学電極に印加される光起電力値を大きくすることが必要であった。   In such a carbon dioxide reduction reaction using light energy, the amount of reaction product obtained from carbon dioxide depends on the amount of carriers produced by photoexcitation and the value of the photovoltaic force generated at the photochemical electrode. Therefore, in order to increase the carbon dioxide reduction reaction efficiency, the recombination of excited carriers is suppressed, the loss due to the series resistance component contained in the photochemical electrode, etc. is reduced, and the photovoltaic value applied to the photochemical electrode is reduced. It was necessary to enlarge it.

しかしながら、これまでの報告では、光化学電極において励起されたキャリアの損失を低減する、あるいは光起電力値を向上させるための構造が組み込まれていないため、反応電流量が律速するといった課題があった。   However, in the previous reports, there was a problem that the amount of reaction current was rate-determined because a structure for reducing the loss of excited carriers in the photochemical electrode or improving the photovoltaic value was not incorporated. .

それに対し、本発明者らは、二酸化炭素還元用光化学電極(アノード電極)を窒化アルミニウムガリウム(AlGa1−xN)及び窒化ガリウム(GaN)からなる窒化物半導体層と酸化ガリウム層で構成することにより、光化学電極に生じる光起電力値が向上し、光エネルギーを用いた二酸化炭素の還元反応効率が高まることを見出した。本開示に係る二酸化炭素還元用光化学電極は、かかる知見に基づいてなされたものである。 On the other hand, the present inventors configured a photochemical electrode (anode electrode) for carbon dioxide reduction with a nitride semiconductor layer and a gallium oxide layer made of aluminum gallium nitride (Al x Ga 1-x N) and gallium nitride (GaN). As a result, it was found that the photovoltaic value generated in the photochemical electrode was improved, and the reduction reaction efficiency of carbon dioxide using light energy was increased. The photochemical electrode for carbon dioxide reduction according to the present disclosure has been made based on such knowledge.

本開示の第1態様に係る二酸化炭素還元用光化学電極は、光エネルギーによって二酸化炭素を還元処理するために用いられる二酸化炭素還元用光化学電極であって、光照射面側からAlGa1−xN層(0<x≦0.25)、GaN層、酸化ガリウム層、電極層が積層された領域を表面に有する。 The photochemical electrode for carbon dioxide reduction according to the first aspect of the present disclosure is a photochemical electrode for carbon dioxide reduction that is used for reducing carbon dioxide with light energy, and is Al x Ga 1-x from the light irradiation surface side. The surface has a region in which an N layer (0 <x ≦ 0.25), a GaN layer, a gallium oxide layer, and an electrode layer are stacked.

上記第1態様によれば、光化学電極表面(アノード電極表面)に光照射した際、光照射によって生じる光起電力値が向上し、その結果、カソード電極での二酸化炭素の還元反応効率を高めることができる。すなわち、二酸化炭素から得られる還元生成物量を増加させることができる。   According to the first aspect, when the photochemical electrode surface (anode electrode surface) is irradiated with light, the photovoltaic value generated by the light irradiation is improved, and as a result, the reduction reaction efficiency of carbon dioxide at the cathode electrode is increased. Can do. That is, the amount of reduction product obtained from carbon dioxide can be increased.

本開示の第2態様に係る二酸化炭素還元用光化学電極は、光エネルギーによって二酸化炭素を還元処理するために用いられる二酸化炭素還元用光化学電極であって、光照射面側からAlGa1−xN層(0<x≦0.25)、GaN層、酸化ガリウム層、pn接合半導体層、電極層が積層された領域を表面に有する。 The photochemical electrode for carbon dioxide reduction according to the second aspect of the present disclosure is a photochemical electrode for carbon dioxide reduction that is used for reducing carbon dioxide by light energy, and is Al x Ga 1-x from the light irradiation surface side. The surface has a region where an N layer (0 <x ≦ 0.25), a GaN layer, a gallium oxide layer, a pn junction semiconductor layer, and an electrode layer are stacked.

上記第2態様によれば、光化学電極表面(アノード電極表面)に光照射した際、光照射によって生じる光起電力値がさらに向上し、その結果、カソード電極での二酸化炭素の還元反応効率を高めることができる。すなわち、二酸化炭素から得られる還元生成物量を増加させることができる。   According to the second aspect, when the photochemical electrode surface (anode electrode surface) is irradiated with light, the photovoltaic value generated by the light irradiation is further improved, and as a result, the reduction reaction efficiency of carbon dioxide at the cathode electrode is increased. be able to. That is, the amount of reduction product obtained from carbon dioxide can be increased.

本開示の第3態様に係る二酸化炭素還元用光化学電極は、上記第1態様又は第2態様において、前記酸化ガリウム層が、単結晶β型酸化ガリウム基材としてもよい。   In the photochemical electrode for carbon dioxide reduction according to the third aspect of the present disclosure, in the first aspect or the second aspect, the gallium oxide layer may be a single crystal β-type gallium oxide base material.

上記第3態様によれば、高品質でかつ良導電性の酸化ガリウム基材上に窒化物半導体層を形成することが可能になるため、光化学電極としての効率を高めることができる。   According to the said 3rd aspect, since it becomes possible to form a nitride semiconductor layer on a high quality and highly conductive gallium oxide base material, the efficiency as a photochemical electrode can be improved.

本開示の第4態様に係る二酸化炭素還元用光化学電極は、上記第1態様又は第2態様において、前記AlGa1−xN層のx値が、0.10以上0.15以下としてもよい。 In the photochemical electrode for carbon dioxide reduction according to the fourth aspect of the present disclosure, in the first aspect or the second aspect, an x value of the Al x Ga 1-x N layer may be 0.10 or more and 0.15 or less. Good.

上記第4態様によれば、一般的な光源に対して、前記AlGa1−xN層で吸収可能な光の波長域が広がるため、照射光を有効に利用することができる。 According to the fourth aspect, for general light source, the Al x Ga 1-x N for the wavelength range of absorbable light spreads in layers, it is possible to effectively utilize the illumination light.

本開示の第5態様に係る二酸化炭素還元用光化学電極は、上記第1態様又は第2態様において、前記GaN層が、n形又はn形としてもよい。 In the photochemical electrode for carbon dioxide reduction according to the fifth aspect of the present disclosure, in the first aspect or the second aspect, the GaN layer may be n-type or n + -type .

上記第5態様によれば、光励起によって生成した電子が移動するGaN層の電気抵抗値が小さくなり、二酸化炭素還元用光化学電極としての性能を高めることができる。   According to the said 5th aspect, the electrical resistance value of the GaN layer to which the electron produced | generated by optical excitation moves becomes small, and the performance as a photochemical electrode for carbon dioxide reduction can be improved.

本開示の第6態様に係る二酸化炭素還元用光化学電極は、上記第1態様又は第2態様において、前記AlGa1−xN層の少なくとも一部の表面が、ニッケルを含有する金属酸化物によって被膜されていてもよい。 The photochemical electrode for carbon dioxide reduction according to a sixth aspect of the present disclosure is the metal oxide according to the first aspect or the second aspect, wherein at least a part of the surface of the Al x Ga 1-x N layer contains nickel. May be coated.

上記第6態様によれば、ニッケルを含有する金属酸化物が有する、いわゆる助触媒的な作用により、光化学電極における酸素生成効率を高めることができる。   According to the said 6th aspect, the oxygen production | generation efficiency in a photochemical electrode can be improved by what is called a promoter action which the metal oxide containing nickel has.

本開示の第7態様に係る二酸化炭素還元用光化学電極は、上記第1態様又は第2態様において、前記ニッケルを含有する金属酸化物が、微粒子形状であってもよい。   In the photochemical electrode for carbon dioxide reduction according to the seventh aspect of the present disclosure, in the first aspect or the second aspect, the metal oxide containing nickel may be in the form of fine particles.

上記第7態様によれば、容易に、かつ制御性良く、前記光化学電極を構成するAlGa1−xN層の表面あるいは表面の一部に金属酸化物を配置することができる。 According to the seventh aspect, it is possible to easily and with good controllability, placing the metal oxide on a part of the surface or the surface of the Al x Ga 1-x N layer constituting the photochemical electrode.

本開示の第8態様に係る二酸化炭素還元用光化学電極は、上記第2態様において、前記pn接合半導体層が、シリコンであってもよい。   In the photochemical electrode for carbon dioxide reduction according to the eighth aspect of the present disclosure, in the second aspect, the pn junction semiconductor layer may be silicon.

上記第8態様によれば、窒化物半導体層及び酸化ガリウム層を透過して、前記pn接合半導体層に到達した光を有効に利用することができる。   According to the said 8th aspect, the light which permeate | transmitted the nitride semiconductor layer and the gallium oxide layer, and reached | attained the said pn junction semiconductor layer can be utilized effectively.

本開示の第9態様に係る二酸化炭素還元用光化学電極は、上記第2態様において、前記pn接合半導体層が、ガリウムヒ素であってもよい。   In the photochemical electrode for carbon dioxide reduction according to a ninth aspect of the present disclosure, in the second aspect, the pn junction semiconductor layer may be gallium arsenide.

上記第9態様によれば、窒化物半導体層及び酸化ガリウム層を透過して、前記pn接合半導体層に到達した光を有効に利用することができる。   According to the ninth aspect, light that has passed through the nitride semiconductor layer and the gallium oxide layer and reached the pn junction semiconductor layer can be used effectively.

本開示の第10態様に係る二酸化炭素還元用光化学電極は、上記第2態様において、前記pn接合半導体層が、異なる材料からなるpn接合半導体層を複数個積層した構造であってもよい。   The photochemical electrode for carbon dioxide reduction according to a tenth aspect of the present disclosure may have a structure in which a plurality of pn junction semiconductor layers made of different materials are stacked in the pn junction semiconductor layer in the second aspect.

上記第10態様によれば、好適な材料の組み合わせによって、前記窒化物半導体層及び酸化ガリウム層を透過して、前記pn接合半導体層に到達した光を、さらに有効利用できると共に、単独のpn接合構造の場合と比較して、光化学電極に生じる光起電力値を高めることができる。   According to the tenth aspect, the light that has passed through the nitride semiconductor layer and the gallium oxide layer and reached the pn junction semiconductor layer can be further effectively utilized by a combination of suitable materials, and a single pn junction can be used. Compared with the structure, the photovoltaic value generated in the photochemical electrode can be increased.

本開示の第11態様に係る二酸化炭素還元装置は、光エネルギーによって二酸化炭素を還元処理する二酸化炭素還元装置であって、二酸化炭素を含有する第1電解液を収容するためのカソード槽と、第2電解液を収容するためのアノード槽と、前記カソード槽と前記アノード槽との間に挟まれるプロトン透過膜と、前記第1電解液に接するよう前記カソード槽の内部に設置され、金属または金属化合物を表面に有するカソード電極と、前記第2電解液に接するよう前記アノード槽の内部に設置され、光照射面側からAlGa1−xN層(0<x≦0.25)、GaN層、酸化ガリウム層、電極層が積層された領域を表面に有するアノード電極と、を備え、前記カソード電極と前記アノード電極とが、外部電源を介することなく電気的に接続されている。 A carbon dioxide reduction device according to an eleventh aspect of the present disclosure is a carbon dioxide reduction device that reduces carbon dioxide by light energy, and includes a cathode tank for containing a first electrolyte solution containing carbon dioxide, 2 An anode tank for containing an electrolyte, a proton permeable membrane sandwiched between the cathode tank and the anode tank, and a metal or metal that is installed inside the cathode tank so as to be in contact with the first electrolyte A cathode electrode having a compound on the surface, and an anode tank disposed in contact with the second electrolyte solution, and an Al x Ga 1-x N layer (0 <x ≦ 0.25), GaN from the light irradiation surface side An anode electrode on the surface of which a layer, a gallium oxide layer, and an electrode layer are laminated, and the cathode electrode and the anode electrode are electrically connected without an external power source. It has been continued.

上記第11態様によれば、アノード電極表面に光照射することにより、カソード電極において二酸化炭素の還元反応が起こると共に、光照射によって生じる光起電力値が向上するため、効率的に二酸化炭素を還元することができる。   According to the eleventh aspect, by irradiating the surface of the anode electrode with light, a reduction reaction of carbon dioxide occurs at the cathode electrode and the photovoltaic value generated by the light irradiation is improved, so that carbon dioxide is efficiently reduced. can do.

本開示の第12態様に係る二酸化炭素還元装置は、光エネルギーによって二酸化炭素を還元処理する二酸化炭素還元装置であって、二酸化炭素を含有する第1電解液を収容するためのカソード槽と、第2電解液を収容するためのアノード槽と、前記カソード槽と前記アノード槽との間に挟まれるプロトン透過膜と、前記第1電解液に接するよう前記カソード槽の内部に設置され、金属又は金属化合物を表面に有するカソード電極と、前記第2電解液に接するよう前記アノード槽の内部に設置され、光照射面側からAlGa1−xN層(0<x≦0.25)、GaN層、酸化ガリウム層、pn接合半導体層、電極層の順に積層されたアノード電極と、を備え、前記カソード電極と前記アノード電極とは、外部電源を介することなく電気的に接続されている。 A carbon dioxide reduction device according to a twelfth aspect of the present disclosure is a carbon dioxide reduction device that reduces carbon dioxide with light energy, and includes a cathode tank for containing a first electrolyte solution containing carbon dioxide, 2 An anode tank for containing an electrolyte, a proton permeable membrane sandwiched between the cathode tank and the anode tank, and a metal or metal that is installed inside the cathode tank so as to be in contact with the first electrolyte A cathode electrode having a compound on the surface, and an anode tank disposed in contact with the second electrolyte solution, and an Al x Ga 1-x N layer (0 <x ≦ 0.25), GaN from the light irradiation surface side An anode electrode laminated in the order of a layer, a gallium oxide layer, a pn junction semiconductor layer, and an electrode layer, and the cathode electrode and the anode electrode are electrically connected without an external power source It is connected.

上記第12態様によれば、アノード電極表面に光照射することにより、カソード電極において二酸化炭素の還元反応が起こると共に、光照射によって生じる光起電力値がさらに向上するため、より効率的に二酸化炭素を還元することができる。   According to the twelfth aspect, by irradiating the surface of the anode electrode with light, a reduction reaction of carbon dioxide occurs at the cathode electrode and the photovoltaic value generated by the light irradiation is further improved. Can be reduced.

本開示の第13態様に係る二酸化炭素還元装置は、上記第11態様又は第12態様において、前記カソード電極の表面に有する金属が、銅、金、銀、インジウム、又はこれらの合金であってもよい。   In the carbon dioxide reduction device according to the thirteenth aspect of the present disclosure, in the eleventh aspect or the twelfth aspect, the metal on the surface of the cathode electrode may be copper, gold, silver, indium, or an alloy thereof. Good.

上記第13態様によれば、二酸化炭素の還元生成物として、メタンやエチレン等の炭化水素類、エタノール等のアルコール類、ギ酸などを効率的に生成することができる。   According to the thirteenth aspect, as reduction products of carbon dioxide, hydrocarbons such as methane and ethylene, alcohols such as ethanol, formic acid, and the like can be efficiently generated.

本開示の第14態様に係る二酸化炭素還元装置は、上記第11態様又は第12態様において、前記第1電解液が、炭酸水素カリウム水溶液、炭酸水素ナトリウム水溶液、塩化カリウム水溶液、又は塩化ナトリウム水溶液であってもよい。   In the carbon dioxide reduction device according to a fourteenth aspect of the present disclosure, in the eleventh aspect or the twelfth aspect, the first electrolytic solution is a potassium hydrogen carbonate aqueous solution, a sodium hydrogen carbonate aqueous solution, a potassium chloride aqueous solution, or a sodium chloride aqueous solution. There may be.

上記第14態様によれば、カソード槽に収容される電解液として、簡便かつ光エネルギーによる二酸化炭素還元用電解液として好適である。   According to the fourteenth aspect, the electrolyte solution accommodated in the cathode chamber is suitable as an electrolyte solution for reducing carbon dioxide simply and with light energy.

本開示の第15態様に係る二酸化炭素還元装置は、上記第11態様又は第12態様において、前記第2電解液が、水酸化ナトリウム水溶液であってもよい。   In the carbon dioxide reduction device according to the fifteenth aspect of the present disclosure, in the eleventh aspect or the twelfth aspect, the second electrolytic solution may be an aqueous sodium hydroxide solution.

上記第15態様によれば、アノード槽に収容される電解液として、簡便かつ光エネルギーによる二酸化炭素還元用電解液として好適である。   According to the fifteenth aspect, the electrolytic solution accommodated in the anode tank is suitable as an electrolytic solution for reducing carbon dioxide simply and by light energy.

本開示の第16態様に係る二酸化炭素の還元方法は、二酸化炭素還元装置を用いた二酸化炭素の還元方法であって、以下の工程を具備する:以下を具備する二酸化炭素還元装置を用意する工程(a)、カソード槽、アノード槽、プロトン透過膜、カソード電極、および、アノード電極、ここで、前記カソード電極は、金属又は金属化合物を表面に具備し、前記アノード電極は、光照射面側からAlGa1−xN層(0<x≦0.25)、GaN層、酸化ガリウム層、電極層の順に積層された領域を表面に具備し、前記カソード槽の内部には、第1電解液が保持され、前記アノード槽の内部には、第2電解液が保持され、前記カソード電極は前記第1電解液に接しており、前記アノード電極は前記第2電解液に接しており、前記プロトン透過膜は前記カソード槽及び前記アノード槽の間に挟まれ、前記第1電解液は前記二酸化炭素を含有しており、および、前記カソード電極は前記アノード電極に電気的に接続されており、前記アノード電極に前記AlGa1−xN層で吸収可能な波長を有する光を照射して、前記第1電解液に含有されている二酸化炭素を前記カソード電極で還元する工程(b)。 A carbon dioxide reduction method according to a sixteenth aspect of the present disclosure is a carbon dioxide reduction method using a carbon dioxide reduction device, and includes the following steps: a step of preparing a carbon dioxide reduction device including the following: (A) a cathode tank, an anode tank, a proton permeable membrane, a cathode electrode, and an anode electrode, wherein the cathode electrode has a metal or a metal compound on its surface, and the anode electrode is from the light irradiation surface side. A region in which an Al x Ga 1-x N layer (0 <x ≦ 0.25), a GaN layer, a gallium oxide layer, and an electrode layer are stacked in this order is provided on the surface. A second electrolyte is held in the anode tank, the cathode electrode is in contact with the first electrolyte, the anode is in contact with the second electrolyte, Proton permeability The permeation is sandwiched between the cathode tank and the anode tank, the first electrolyte contains the carbon dioxide, and the cathode electrode is electrically connected to the anode electrode, Irradiating the anode electrode with light having a wavelength that can be absorbed by the Al x Ga 1-x N layer, and reducing the carbon dioxide contained in the first electrolyte solution by the cathode electrode (b).

前記第16態様によれば、アノード電極へ光照射することにより、効率的に二酸化炭素を還元する新規な方法を提供する。   According to the sixteenth aspect, a novel method for efficiently reducing carbon dioxide by irradiating light to the anode electrode is provided.

本開示の第17態様に係る二酸化炭素の還元方法は、二酸化炭素還元装置を用いた二酸化炭素の還元方法であって、以下の工程を具備する:以下を具備する二酸化炭素還元装置を用意する工程(a)、カソード槽、アノード槽、プロトン透過膜、カソード電極、および、アノード電極、ここで、前記カソード電極は、金属又は金属化合物を表面に具備し、前記アノード電極は、光照射面側からAlGa1−xN層(0<x≦0.25)、GaN層、酸化ガリウム層、pn接合半導体層、電極層の順に積層された領域を表面に具備し、前記カソード槽の内部には、第1電解液が保持され、前記アノード槽の内部には、第2電解液が保持され、前記カソード電極は前記第1電解液に接しており、前記アノード電極は前記第2電解液に接しており、前記プロトン透過膜は前記カソード槽及び前記アノード槽の間に挟まれ、前記第1電解液は前記二酸化炭素を含有しており、および、前記カソード電極は前記アノード電極に電気的に接続されており、前記アノード電極に前記AlGa1−xN層で吸収可能な波長を有する光と、前記pn接合半導体層で吸収可能な波長を有する光を同時に照射して、前記第1電解液に含有されている二酸化炭素を前記カソード電極で還元する工程(b)。 A carbon dioxide reduction method according to a seventeenth aspect of the present disclosure is a carbon dioxide reduction method using a carbon dioxide reduction device, and includes the following steps: a step of preparing a carbon dioxide reduction device including the following: (A) a cathode tank, an anode tank, a proton permeable membrane, a cathode electrode, and an anode electrode, wherein the cathode electrode has a metal or a metal compound on its surface, and the anode electrode is from the light irradiation surface side. A region in which an Al x Ga 1-x N layer (0 <x ≦ 0.25), a GaN layer, a gallium oxide layer, a pn junction semiconductor layer, and an electrode layer are sequentially stacked is provided on the surface. The first electrolytic solution is retained, the second electrolytic solution is retained in the anode tank, the cathode electrode is in contact with the first electrolytic solution, and the anode electrode is in contact with the second electrolytic solution. Contact The proton permeable membrane is sandwiched between the cathode tank and the anode tank, the first electrolyte contains the carbon dioxide, and the cathode electrode is electrically connected to the anode electrode. And irradiating the anode electrode with light having a wavelength that can be absorbed by the Al x Ga 1-x N layer and light having a wavelength that can be absorbed by the pn junction semiconductor layer. (B) reducing carbon dioxide contained in the cathode electrode.

前記第17態様によれば、アノード電極へ光照射することにより、より効率的に二酸化炭素を還元する新規な方法を提供する。   According to the seventeenth aspect, a novel method for more efficiently reducing carbon dioxide by irradiating light to the anode electrode is provided.

本開示の第18態様に係る二酸化炭素の還元方法は、上記第16態様又は第17態様において、前記工程(b)において、前記二酸化炭素還元装置が、室温かつ大気圧下におかれてもよい。   In the carbon dioxide reduction method according to the eighteenth aspect of the present disclosure, in the sixteenth aspect or the seventeenth aspect, in the step (b), the carbon dioxide reduction device may be placed at room temperature and atmospheric pressure. .

前記第16態様によれば、特殊な環境に設置することなく、光エネルギーによる二酸化炭素還元がなされる。   According to the sixteenth aspect, carbon dioxide is reduced by light energy without being installed in a special environment.

本開示の第19態様に係る二酸化炭素の還元方法は、上記第16態様又は第17態様において、前記アノード電極に光を照射する前記工程(b)により、二酸化炭素からメタン、エチレン、メタノール、エタノール、イソプロパノール、アリルアルコール、アセトアルデヒド、プロピオンアルデヒド、ギ酸、及び一酸化炭素の少なくとも1種が得られてもよい。   The method for reducing carbon dioxide according to a nineteenth aspect of the present disclosure is the method according to the sixteenth aspect or the seventeenth aspect, wherein carbon dioxide is converted into methane, ethylene, methanol, ethanol by the step (b) of irradiating the anode electrode with light. , Isopropanol, allyl alcohol, acetaldehyde, propionaldehyde, formic acid, and carbon monoxide may be obtained.

上記第19態様によれば、光エネルギーによる二酸化炭素の還元反応により、二酸化炭素の固定化がなされると共に、様々な有用物質を得ることができる。   According to the nineteenth aspect, carbon dioxide is immobilized by a reduction reaction of carbon dioxide with light energy, and various useful substances can be obtained.

以下、本開示の実施の形態に係る二酸化炭素還元用光化学電極、二酸化炭素還元装置、及び二酸化炭素の還元方法について、図面を参照しながら説明する。   Hereinafter, a photochemical electrode for carbon dioxide reduction, a carbon dioxide reduction device, and a carbon dioxide reduction method according to embodiments of the present disclosure will be described with reference to the drawings.

(実施の形態)
(二酸化炭素還元用光化学電極(アノード電極))
図1Aは、二酸化炭素還元用光化学電極(以下、「アノード電極」とも記す)の基本構造を示す断面図である。アノード電極100aは、光照射面側からAlGa1−xN層101(0<x≦0.25)、GaN層102、酸化ガリウム層103、および電極層104を有する。
(Embodiment)
(Photochemical electrode for carbon dioxide reduction (anode electrode))
FIG. 1A is a cross-sectional view showing the basic structure of a photochemical electrode for carbon dioxide reduction (hereinafter also referred to as “anode electrode”). The anode electrode 100a includes an Al x Ga 1-x N layer 101 (0 <x ≦ 0.25), a GaN layer 102, a gallium oxide layer 103, and an electrode layer 104 from the light irradiation surface side.

アノード電極100aは、一般的に酸化ガリウム層103上に窒化物半導体層を薄膜として形成することにより作製される。ここで窒化物半導体層は、GaN層102及びAlGa1−xN層101を積層することにより構成される。 The anode 100a is generally produced by forming a nitride semiconductor layer as a thin film on the gallium oxide layer 103. Here, the nitride semiconductor layer is configured by stacking the GaN layer 102 and the Al x Ga 1-x N layer 101.

なお、アノード電極100aの作製方法は、酸化ガリウム層103上へ窒化物半導体薄膜を形成することが可能な方法であれば、特に限定されない。例えば、有機金属気相エピタキシー法などが挙げられる。また、電極層104は金属薄膜であり、通常の金属薄膜形成法として利用されている抵抗加熱蒸着や電子ビーム蒸着などによって、形成される。   Note that a method for manufacturing the anode electrode 100 a is not particularly limited as long as the method can form a nitride semiconductor thin film on the gallium oxide layer 103. For example, a metal organic vapor phase epitaxy method can be mentioned. The electrode layer 104 is a metal thin film, and is formed by resistance heating vapor deposition, electron beam vapor deposition, or the like, which is used as a normal metal thin film formation method.

アノード電極100aの基本的機能について説明する。アノード電極表面に光を照射すると、AlGa1−xN層101で光が吸収され、光励起が生じる。光励起によって生成した電子及び正孔からなるキャリアは、それぞれ還元反応及び酸化反応に寄与する。具体的には、光励起によってAlGa1−xN層101内で生成した正孔は、アノード電極100aの表面に移動し、アノード電極100aと接している水を酸化して酸素を生成する。すなわち、アノード電極100aは酸素生成電極として機能する。 The basic function of the anode electrode 100a will be described. When the surface of the anode electrode is irradiated with light, the light is absorbed by the Al x Ga 1-x N layer 101 and photoexcitation occurs. Carriers composed of electrons and holes generated by photoexcitation contribute to a reduction reaction and an oxidation reaction, respectively. Specifically, holes generated in the Al x Ga 1-x N layer 101 by photoexcitation move to the surface of the anode electrode 100a, and oxidize water in contact with the anode electrode 100a to generate oxygen. That is, the anode electrode 100a functions as an oxygen generation electrode.

AlGa1−xN層101のバンドギャップ値(禁制体幅)は、3.4eV以上であるため、光を利用した光化学電極としてAlGa1−xN層101を用いるためには、AlGa1−xN層101で吸収可能な波長を有する光、具体的には、360nm以下の波長を有する光をAlGa1−xN層101に照射することが必要である。そのため、光の有効利用の観点から、AlGa1−xN層101に含有されるAlの組成比を表すx値は、0<x≦0.25の範囲にあることが好ましい。より好ましくは、0.10≦x≦0.15の範囲にあることである。 Since the band gap value (forbidden body width) of the Al x Ga 1-x N layer 101 is 3.4 eV or more, in order to use the Al x Ga 1-x N layer 101 as a photochemical electrode using light, It is necessary to irradiate the Al x Ga 1-x N layer 101 with light having a wavelength that can be absorbed by the Al x Ga 1-x N layer 101, specifically, light having a wavelength of 360 nm or less. Therefore, from the viewpoint of effective use of light, the x value representing the composition ratio of Al contained in the Al x Ga 1-x N layer 101 is preferably in the range of 0 <x ≦ 0.25. More preferably, it is in the range of 0.10 ≦ x ≦ 0.15.

また、上記の波長範囲を有する光がAlGa1−xN層101中で吸収される領域の厚さ(AlGa1−xN層101表面からの距離)は、AlGa1−xN表面から概ね100nmである。この吸収領域厚さは、AlGa1−xN層101のバンドギャップ値にも依存し得る。そのため、AlGa1−xN層101は70nm以上1000nm以下の厚みを有することが好ましい。より好ましくは、80nm以上200nm以下の厚みを有する。 Moreover, (distance from Al x Ga 1-x N layer 101 surface) thickness of a region where the light having the wavelength range described above is absorbed in Al x Ga 1-x N layer 101, Al x Ga 1- It is approximately 100 nm from the xN surface. This absorption region thickness can also depend on the band gap value of the Al x Ga 1-x N layer 101. Therefore, the Al x Ga 1-x N layer 101 preferably has a thickness of 70 nm to 1000 nm. More preferably, it has a thickness of 80 nm to 200 nm.

光照射によって生成した電子を効率的に電極層104に収集するため、AlGa1−xN層101はGaN層102上に積層される。AlGa1−xN層101をGaN層102上に形成することで、AlGa1−xN層101に内部電界が誘起され、励起された電子の再結合を抑制することができる。また、GaN層102はn形又はn形であることが好ましい。GaN層102をn形化させるためには、シリコンなどの不純物を適量添加することによって実現される。GaN層102がn形又はn形である場合、GaN層102の電気抵抗値が小さくなるため、キャリア輸送に伴う損失を低減できる。 In order to efficiently collect electrons generated by light irradiation in the electrode layer 104, the Al x Ga 1-x N layer 101 is stacked on the GaN layer 102. By forming the Al x Ga 1-x N layer 101 on the GaN layer 102, an internal electric field is induced in the Al x Ga 1-x N layer 101, and recombination of excited electrons can be suppressed. The GaN layer 102 is preferably n-type or n + -type . The n-type GaN layer 102 can be realized by adding an appropriate amount of impurities such as silicon. When the GaN layer 102 is n-type or n + -type , the electrical resistance value of the GaN layer 102 becomes small, so that loss due to carrier transport can be reduced.

以上のように、光励起により窒化物半導体層で生成した電子は、アノード電極100a内で消費されず、酸化ガリウム層103及び電極層104を介して、カソード電極側に供給される。つまり、アノード電極100aからのキャリア供給能力が向上すれば、二酸化炭素の還元効率を高めることができる。その具体的な方法として、アノード電極に含まれる内部抵抗成分をさらに低減し、抵抗損をなくすことで、カソード電極に印加される光起電力値を向上することができる。   As described above, electrons generated in the nitride semiconductor layer by photoexcitation are not consumed in the anode electrode 100a but are supplied to the cathode electrode side through the gallium oxide layer 103 and the electrode layer 104. That is, if the carrier supply capability from the anode electrode 100a is improved, the reduction efficiency of carbon dioxide can be increased. As a specific method thereof, the value of photovoltaic force applied to the cathode electrode can be improved by further reducing the internal resistance component contained in the anode electrode and eliminating the resistance loss.

図1Bは、従来のアノード電極の基本構造を示す断面図(比較例)である。従来構造のアノード電極100bも、本開示のアノード電極100aと同様に、AlGa1−xN層101(0<x≦0.25)、GaN層102、及び電極層104を有する。また各層の機能もアノード電極100aと同様である。しかしながら、従来構造のアノード電極100bに用いられる基材105は、サファイア基材など絶縁性のものが一般的であり、その結果、電極層104の配置位置は、図1Bに示すように、GaN層102上の一部の領域に限定されていた。故に、従来構造ではAlGa1−xN層101内で生成した電子をカソード電極に供給するための経路の内部抵抗が高く、損失が大きかった。 FIG. 1B is a cross-sectional view (comparative example) showing a basic structure of a conventional anode electrode. Similarly to the anode electrode 100a of the present disclosure, the anode electrode 100b having a conventional structure also includes an Al x Ga 1-x N layer 101 (0 <x ≦ 0.25), a GaN layer 102, and an electrode layer 104. The function of each layer is the same as that of the anode electrode 100a. However, the base material 105 used for the anode electrode 100b having the conventional structure is generally an insulating material such as a sapphire base material. As a result, the electrode layer 104 is arranged at a GaN layer as shown in FIG. 1B. 102 is limited to a part of the area. Therefore, in the conventional structure, the internal resistance of the path for supplying the electrons generated in the Al x Ga 1-x N layer 101 to the cathode electrode is high, and the loss is large.

一方、本開示のアノード電極100aに用いる酸化ガリウム層は、窒化物半導体形成が可能な上に良好な導電性を示すため、図1Aに示すように、基材裏面全面に電極層104が形成でき、その結果、AlGa1−xN層101で生成した電子の移動が容易になるため、抵抗損が低減できる。すなわち、光照射によって得られる光起電力値を向上させることができ、カソード電極へのキャリア供給能力が向上するため、反応電流量、つまり、二酸化炭素の還元量を増加させることができる。 On the other hand, since the gallium oxide layer used for the anode electrode 100a of the present disclosure can form a nitride semiconductor and exhibits good conductivity, the electrode layer 104 can be formed on the entire back surface of the substrate as shown in FIG. 1A. As a result, the movement of electrons generated in the Al x Ga 1-x N layer 101 is facilitated, so that the resistance loss can be reduced. That is, the photovoltaic value obtained by light irradiation can be improved and the carrier supply capability to the cathode electrode is improved, so that the amount of reaction current, that is, the reduction amount of carbon dioxide can be increased.

図2A〜Dは本開示による二酸化炭素還元用光化学電極の構成例を示した図である。図2Aのアノード電極200aは、上記の基本構造であるが、アノード電極表面で生じる酸素生成の効率を高めるために、図2Bに示すように、AlGa1−xN層201の表面に表面被覆層206が配置され得る。表面被覆層は透光性を有した層である。表面被覆層206は金属酸化物を含有する層であり、表面被覆層に含有される主な金属種は、ニッケルである。前記表面被覆層206は、AlGa1−xN層201に向けて照射される光を遮蔽しないよう、10nm以下の厚みであることが好ましい。また、図2Cに示すように、AlGa1−xN層201の表面の一部が露出するよう、島状に表面被覆層206を配置することも好ましい。この場合、個々の表面被覆層の形状は、均一である必要はない。様々な形状及びサイズを有する複数の表面被覆層の領域が、AlGa1−xN層201表面にランダムに分散され得る。さらに、図1Dに示すように、微粒子形状の金属酸化物207を多数、AlGa1−xN層201の表面に分散配置することも好ましい。本発明者らによって出願された米国特許出願13/453669の明細書は、本明細書に引用される。 2A to 2D are diagrams illustrating a configuration example of a photochemical electrode for carbon dioxide reduction according to the present disclosure. The anode electrode 200a of FIG. 2A has the above-described basic structure. However, in order to increase the efficiency of oxygen generation generated on the surface of the anode electrode, the surface is formed on the surface of the Al x Ga 1-x N layer 201 as shown in FIG. 2B. A covering layer 206 may be disposed. The surface coating layer is a layer having translucency. The surface coating layer 206 is a layer containing a metal oxide, and the main metal species contained in the surface coating layer is nickel. The surface coating layer 206 preferably has a thickness of 10 nm or less so as not to block light irradiated toward the Al x Ga 1-x N layer 201. In addition, as shown in FIG. 2C, it is also preferable to dispose the surface coating layer 206 in an island shape so that a part of the surface of the Al x Ga 1-x N layer 201 is exposed. In this case, the shape of each surface coating layer does not need to be uniform. A plurality of surface coating layer regions having various shapes and sizes can be randomly distributed on the surface of the Al x Ga 1-x N layer 201. Furthermore, as shown in FIG. 1D, it is also preferable to disperse and arrange a large number of fine-particle-shaped metal oxides 207 on the surface of the Al x Ga 1-x N layer 201. The specification of US patent application 13/453669 filed by the inventors is hereby incorporated by reference.

図3は、本発明に係る二酸化炭素還元用光化学電極(アノード電極)の他の構造例を示す概略図である。図3Aに示したアノード電極300aは、光照射面側からAlGa1−xN層301、GaN層302、酸化ガリウム層303、pn接合半導体層309、電極層304が積層された構造からなる。このアノード電極303aを構成する窒化物半導体層308、及び酸化ガリウム層303に機能については前記と同様である。前記アノード電極300aにおいても、酸素生成効率を高めるために、微粒子形状の金属酸化物307などをAlGa1−xN層301の表面に分散配置しても良い。また、酸化ガリウム層303とpn接合半導体層309を電気的に接続するため、必要に応じ、金属薄膜からなる接続層310を挿入しても良い。 FIG. 3 is a schematic view showing another structural example of the photochemical electrode for carbon dioxide reduction (anode electrode) according to the present invention. The anode electrode 300a illustrated in FIG. 3A has a structure in which an Al x Ga 1-x N layer 301, a GaN layer 302, a gallium oxide layer 303, a pn junction semiconductor layer 309, and an electrode layer 304 are stacked from the light irradiation surface side. . The functions of the nitride semiconductor layer 308 and the gallium oxide layer 303 constituting the anode electrode 303a are the same as described above. Also in the anode electrode 300a, a metal oxide 307 having a fine particle shape or the like may be dispersed on the surface of the Al x Ga 1-x N layer 301 in order to increase oxygen generation efficiency. Further, in order to electrically connect the gallium oxide layer 303 and the pn junction semiconductor layer 309, a connection layer 310 made of a metal thin film may be inserted as necessary.

前記pn接合半導体層309は、シリコンやガリウムヒ素などで形成されたpn接合構造を有するものであり、前記酸化ガリウム層303側とp形層を介して電気的に接続される。このようなアノード電極300aの作製方法としては、酸化ガリウム基材に窒化物半導体層308を前記と同様の方法で作製したものと、別途作製したpn接合半導体層を準備し、それぞれを接合する方法が簡便である。   The pn junction semiconductor layer 309 has a pn junction structure formed of silicon, gallium arsenide, or the like, and is electrically connected to the gallium oxide layer 303 side through a p-type layer. As a method for manufacturing such an anode electrode 300a, a method in which a nitride semiconductor layer 308 is manufactured on a gallium oxide base material by the same method as described above, and a separately manufactured pn junction semiconductor layer is prepared and bonded to each other. Is simple.

図3Aに示したアノード電極303aの構成は、酸化ガリウム層303の裏面側にpn接合半導体層309が接合されている。故に、光励起によってAlGa1−xN層301内に生成した電子は、GaN層302、酸化ガリウム層303を介して、pn接合半導体層309のp形層側に供給される。なお、前記pn接合半導体層309は、p形特性を示す材料とn形特性を示す材料の接合構造で構成されるが、p形層とn形層の間にi形特性を示す材料を含んでいても良い。すなわち、pn接合構造には、pin接合構造も含まれる。また一般的には、p形特性を示す材料とn形特性を示す材料は同一材料で構成されるが、異種材料でpn接合構造を形成しても良い。 In the configuration of the anode electrode 303 a illustrated in FIG. 3A, a pn junction semiconductor layer 309 is bonded to the back surface side of the gallium oxide layer 303. Therefore, electrons generated in the Al x Ga 1-x N layer 301 by photoexcitation are supplied to the p-type layer side of the pn junction semiconductor layer 309 via the GaN layer 302 and the gallium oxide layer 303. The pn junction semiconductor layer 309 has a junction structure of a material exhibiting p-type characteristics and a material exhibiting n-type characteristics, and includes a material exhibiting i-type characteristics between the p-type layer and the n-type layer. You can leave. That is, the pn junction structure includes a pin junction structure. In general, a material exhibiting p-type characteristics and a material exhibiting n-type characteristics are formed of the same material, but a pn junction structure may be formed of different materials.

このpn接合半導体層309には、窒化物半導体層308及び酸化ガリウム層303の透過光が照射される。故に、pn接合半導体層では、透過光の波長成分に含まれる吸収可能な光成分を吸収し、励起キャリアを生成する。結果として、光照射によってpn接合半導体層309内で励起された正孔は、酸化ガリウム層303層側から供給されるキャリアと再結合すると共に、励起電子はアノード電極300aに配された電極層304に集められ、電気的に接続された導線を通じて、二酸化炭素を還元するカソード電極側に供給される。また、カソード電極に印加される電位は、窒化物半導体層308に生じた光起電力とpn接合半導体層309に生じた光起電力の和となる。すなわち、AlGa1−xN層、GaN層、酸化ガリウム層、pn接合半導体層、電極層を積層したアノード電極300aを用いることで、光照射によって生じる光起電力値を向上させることが可能になり、カソード電極における二酸化炭素の還元処理量を増加させることが可能になる。 The pn junction semiconductor layer 309 is irradiated with light transmitted through the nitride semiconductor layer 308 and the gallium oxide layer 303. Therefore, the pn junction semiconductor layer absorbs an absorbable light component included in the wavelength component of transmitted light and generates excited carriers. As a result, the holes excited in the pn junction semiconductor layer 309 by light irradiation recombine with carriers supplied from the gallium oxide layer 303 side, and the excited electrons are disposed in the electrode layer 304 disposed on the anode electrode 300a. The carbon dioxide is supplied to the cathode electrode side through which the carbon dioxide is reduced. The potential applied to the cathode electrode is the sum of the photovoltaic power generated in the nitride semiconductor layer 308 and the photovoltaic power generated in the pn junction semiconductor layer 309. That is, by using the anode electrode 300a in which the Al x Ga 1-x N layer, the GaN layer, the gallium oxide layer, the pn junction semiconductor layer, and the electrode layer are stacked, the photovoltaic value generated by light irradiation can be improved. Thus, it becomes possible to increase the reduction treatment amount of carbon dioxide at the cathode electrode.

また、図3Bは、前記酸化ガリウム層303とpn接合半導体層309を透明導電層311を介して接合した構成例である。このように、窒化物半導体層が形成された酸化ガリウム層とpn接合半導体層が電気的に接続され、かつpn接合半導体層に窒化物半導体層からの透過光が照射される構成であれば、接続層の構成は特に限定されない。   FIG. 3B shows a configuration example in which the gallium oxide layer 303 and the pn junction semiconductor layer 309 are bonded via a transparent conductive layer 311. As described above, if the gallium oxide layer on which the nitride semiconductor layer is formed and the pn junction semiconductor layer are electrically connected and the pn junction semiconductor layer is irradiated with transmitted light from the nitride semiconductor layer, The configuration of the connection layer is not particularly limited.

また、図3Cおよび図3Dは、本発明に係る二酸化炭素還元用光化学電極の他の構造例において、複数のpn接合層半導体層からなる構成の概略図である。pn接合半導体層309を構成する具体的なpn接合構造の組み合わせとしては、ガリウムヒ素とシリコンや、アモルファスシリコンと結晶シリコンなど、窒化物半導体層の透過光を有効に吸収可能なバンドギャップを有する材料の組み合わせであれば、特に限定はされない。   FIG. 3C and FIG. 3D are schematic views of a configuration including a plurality of pn junction layer semiconductor layers in another structural example of the photochemical electrode for carbon dioxide reduction according to the present invention. As a specific combination of pn junction structures constituting the pn junction semiconductor layer 309, a material having a band gap capable of effectively absorbing light transmitted through a nitride semiconductor layer, such as gallium arsenide and silicon, or amorphous silicon and crystalline silicon. If it is a combination of these, it will not specifically limit.

(二酸化炭素還元装置)
図4は、二酸化炭素還元装置400を示す概略図である。二酸化炭素還元装置400はカソード槽402、アノード槽405、およびプロトン透過膜406を具備する。
(CO2 reduction device)
FIG. 4 is a schematic diagram showing the carbon dioxide reduction device 400. The carbon dioxide reduction device 400 includes a cathode tank 402, an anode tank 405, and a proton permeable membrane 406.

カソード槽402の内部には、第1電解液407が保持されていると共に、カソード槽402には、カソード電極401を具備している。カソード電極401は第1電解液407に接している。具体的には、カソード電極401は第1電解液407に浸漬されている。   A first electrolytic solution 407 is held inside the cathode chamber 402, and a cathode electrode 401 is provided in the cathode chamber 402. The cathode electrode 401 is in contact with the first electrolyte solution 407. Specifically, the cathode electrode 401 is immersed in the first electrolyte solution 407.

第1電解液407は、例えば、炭酸水素カリウム水溶液、炭酸水素ナトリウム水溶液、塩化カリウム水溶液、又は塩化ナトリウム水溶液である。第1電解液の濃度は、いずれの水溶液の場合も、1mol/L以上の濃度が好ましい。より好ましくは、3mol/L以上の濃度である。   The first electrolytic solution 407 is, for example, a potassium hydrogen carbonate aqueous solution, a sodium hydrogen carbonate aqueous solution, a potassium chloride aqueous solution, or a sodium chloride aqueous solution. The concentration of the first electrolytic solution is preferably 1 mol / L or more in any aqueous solution. More preferably, the concentration is 3 mol / L or more.

第1電解液407は二酸化炭素を含有する。二酸化炭素の濃度は限定されない。第1電解液407は二酸化炭素が第1電解液407に溶解した状態において、酸性であることが好ましい。   The first electrolyte solution 407 contains carbon dioxide. The concentration of carbon dioxide is not limited. The first electrolytic solution 407 is preferably acidic in a state where carbon dioxide is dissolved in the first electrolytic solution 407.

二酸化炭素が還元されるカソード電極401を構成する材料は、金属又は金属化合物である。カソード電極401を構成する材料である金属は、例えば、銅、金、銀、インジウム、又はこれらの合金である。また、前記金属材料の表面に該金属材料の酸化物や塩化物などの金属化合物を含んでいても良い。さらに、二酸化炭素還元に適した金属化合物として、例えば、炭化タンタルや窒化タンタルなども適用可能である。   A material constituting the cathode electrode 401 in which carbon dioxide is reduced is a metal or a metal compound. The metal that is a material constituting the cathode electrode 401 is, for example, copper, gold, silver, indium, or an alloy thereof. The surface of the metal material may contain a metal compound such as an oxide or chloride of the metal material. Furthermore, as a metal compound suitable for carbon dioxide reduction, for example, tantalum carbide or tantalum nitride can also be applied.

カソード電極401を構成する材料である金属は、特に銅又はインジウムのいずれかを含有するものが好ましい。銅を採用することにより、二酸化炭素の還元生成物として、炭化水素類やアルコール類を得ることができる。また、インジウムを採用することにより、二酸化炭素の還元生成物として、ギ酸を選択的に生成することができる。   The metal which is a material constituting the cathode electrode 401 is particularly preferably one containing either copper or indium. By adopting copper, hydrocarbons and alcohols can be obtained as reduction products of carbon dioxide. Further, by adopting indium, formic acid can be selectively produced as a reduction product of carbon dioxide.

カソード電極401は、金属又は金属化合物のみで構成され得るが、金属又は金属化合物を保持する基材より構成されてもよい。例えば、カソード電極401は、ガラス又はグラッシーカーボン(登録商標)等の基材上に所定の金属又は金属化合物を薄膜状に形成されてもよい。また、カソード電極401は、導電性基板上に金属又は金属化合物からなる複数の微粒子を分散させることにより形成されてもよい。図4に示すように、カソード電極401の少なくとも一部が第1電解液407に浸漬され得る。   The cathode electrode 401 can be composed of only a metal or a metal compound, but may be composed of a base material that holds the metal or metal compound. For example, the cathode electrode 401 may be formed by forming a predetermined metal or metal compound into a thin film on a substrate such as glass or glassy carbon (registered trademark). The cathode electrode 401 may be formed by dispersing a plurality of fine particles made of a metal or a metal compound on a conductive substrate. As shown in FIG. 4, at least a part of the cathode electrode 401 can be immersed in the first electrolyte solution 407.

アノード槽405の内部には、第2電解液408が保持されていると共に、アノード槽405はアノード電極404を具備している。本願においては、アノード電極404に光を照射するので、アノード電極404は光化学電極である。アノード電極404は、AlGa1−xN層、GaN層、酸化ガリウム層、電極層などが積層された領域を具備する。アノード電極構成の一例としては、例えば、アノード電極200dである。アノード電極404は、第2電解液408に接している。具体的には、アノード電極404は第2電解液408に浸漬されている。 A second electrolytic solution 408 is held inside the anode tank 405, and the anode tank 405 includes an anode electrode 404. In the present application, since the anode electrode 404 is irradiated with light, the anode electrode 404 is a photochemical electrode. The anode electrode 404 includes a region where an Al x Ga 1-x N layer, a GaN layer, a gallium oxide layer, an electrode layer, and the like are stacked. An example of the anode electrode configuration is the anode electrode 200d, for example. The anode electrode 404 is in contact with the second electrolytic solution 408. Specifically, the anode electrode 404 is immersed in the second electrolyte solution 408.

第2電解液408は、例えば、水酸化ナトリウム水溶液である。第2電解液の濃度は、いずれの水溶液の場合も、1mol/L以上の濃度が好ましい。より好ましくは、5mol/L程度の濃度である。第2電解液408は塩基性であることが好ましい。   The second electrolytic solution 408 is, for example, a sodium hydroxide aqueous solution. The concentration of the second electrolytic solution is preferably 1 mol / L or more in any aqueous solution. More preferably, the concentration is about 5 mol / L. The second electrolytic solution 408 is preferably basic.

後記されるように、第2電解液408に浸漬されているアノード電極404には、AlGa1−xN層で吸収可能な波長を有する光が光源403より照射される。また、図3に示したような、pn接合半導体層を有する構造では、AlGa1−xN層で吸収可能な波長を有する光と、pn接合半導体層で吸収可能な波長を有する光が光源403より照射される。光源403の具体例としては、キセノンランプや水銀ランプ、ハロゲンランプなどを単独、あるいは組み合わせて使用したり、疑似太陽光源や太陽光も利用可能である。 As will be described later, the anode electrode 404 immersed in the second electrolyte solution 408 is irradiated with light having a wavelength that can be absorbed by the Al x Ga 1-x N layer from the light source 403. In the structure having a pn junction semiconductor layer as shown in FIG. 3, light having a wavelength that can be absorbed by the Al x Ga 1-x N layer and light having a wavelength that can be absorbed by the pn junction semiconductor layer are emitted. Irradiated from light source 403. As a specific example of the light source 403, a xenon lamp, a mercury lamp, a halogen lamp, or the like can be used alone or in combination, or a pseudo solar light source or sunlight can be used.

第1電解液407を第2電解液408から分離するために、プロトン透過膜406がカソード槽402及びアノード槽405との間に挟まれている。換言すれば、本開示の実施の形態に係る二酸化炭素還元装置においては、第1電解液407及び第2電解液408は互いに混合されない。   In order to separate the first electrolytic solution 407 from the second electrolytic solution 408, a proton permeable membrane 406 is sandwiched between the cathode tank 402 and the anode tank 405. In other words, in the carbon dioxide reduction device according to the embodiment of the present disclosure, the first electrolytic solution 407 and the second electrolytic solution 408 are not mixed with each other.

プロトン透過膜406は実質的にプロトンのみを通過し、かつ他の物質がプロトン透過膜406を通過できない限り、特に限定されない。プロトン透過膜406は、例えば、ナフィオン(登録商標)である。   The proton permeable membrane 406 is not particularly limited as long as it substantially passes only protons and other substances cannot pass through the proton permeable membrane 406. The proton permeable membrane 406 is, for example, Nafion (registered trademark).

カソード電極401及びアノード電極404は、それぞれ、電極端子310及び電極端子311を具備する。これらの電極端子310、311は、導線312により電気的にかつ直接的に互いに接続されている。これらの電極端子310、311の間には、電池又はポテンショスタットのような外部電源は電気的に挟まれていない。   The cathode electrode 401 and the anode electrode 404 include an electrode terminal 310 and an electrode terminal 311, respectively. These electrode terminals 310 and 311 are electrically and directly connected to each other by a conducting wire 312. An external power source such as a battery or a potentiostat is not electrically sandwiched between the electrode terminals 310 and 311.

(二酸化炭素を還元する方法)
次に、二酸化炭素還元装置を用いて、二酸化炭素を還元する方法を説明する。
(Method of reducing carbon dioxide)
Next, a method for reducing carbon dioxide using a carbon dioxide reducing device will be described.

二酸化炭素還元装置400は室温かつ大気圧下に置かれ得る。   The carbon dioxide reduction device 400 can be placed at room temperature and atmospheric pressure.

図4に示すように、光源403からアノード電極404に光が照射される。光源403は、例えば、キセノンランプである。光源403から放射された光は、360nm以下の波長を有している。この光は250nm以上、325nm以下の波長を有することが好ましい。また、光源403から放射された光には、可視光成分の波長を有した光を含ませることも可能である。   As shown in FIG. 4, light is irradiated from the light source 403 to the anode electrode 404. The light source 403 is, for example, a xenon lamp. The light emitted from the light source 403 has a wavelength of 360 nm or less. This light preferably has a wavelength of 250 nm or more and 325 nm or less. In addition, the light emitted from the light source 403 can include light having a wavelength of a visible light component.

図4に示すように、二酸化炭素還元装置には、ガス導入管409を具備することが好ましい。ガス導入管409を通じて第1電解液407に二酸化炭素が供給されながら、第1電解液407に含有される二酸化炭素が還元されることが好ましい。ガス導入管409の一端は、第1電解液407に浸漬されている。二酸化炭素の還元を開始する前に、ガス導入管409を通じて二酸化炭素が第1電解液407に供給され、充分な量の二酸化炭素が第1電解液407に溶解させておくことも好ましい。   As shown in FIG. 4, the carbon dioxide reduction device preferably includes a gas introduction pipe 409. It is preferable that carbon dioxide contained in the first electrolyte solution 407 is reduced while carbon dioxide is supplied to the first electrolyte solution 407 through the gas introduction pipe 409. One end of the gas introduction pipe 409 is immersed in the first electrolyte solution 407. It is also preferable that carbon dioxide is supplied to the first electrolyte solution 407 through the gas introduction pipe 409 and a sufficient amount of carbon dioxide is dissolved in the first electrolyte solution 407 before starting the reduction of carbon dioxide.

第1電解液407に含有される二酸化炭素は、カソード電極401上で還元され、ギ酸、一酸化炭素、メタンやエチレンなどの炭化水素類、エタノールなどのアルコール類、及びアセトアルデヒドなどのアルデヒド類の少なくとも1種を生成する。   Carbon dioxide contained in the first electrolytic solution 407 is reduced on the cathode electrode 401, and at least of formic acid, carbon monoxide, hydrocarbons such as methane and ethylene, alcohols such as ethanol, and aldehydes such as acetaldehyde. Generate one species.

(実施例)
以下の実施例を参照して、本開示の実施の形態に係る二酸化炭素還元用光化学電極、二酸化炭素還元装置、及び二酸化炭素の還元方法をより詳細に説明する。
(Example)
With reference to the following examples, the photochemical electrode for carbon dioxide reduction, the carbon dioxide reduction device, and the carbon dioxide reduction method according to the embodiment of the present disclosure will be described in more detail.

(実施例1)
二酸化炭素還元用光化学電極を構成する酸化ガリウム層には、低抵抗な単結晶β型酸化ガリウム基材(厚み:約0.68mm)を用いた。GaN層には、シリコンをドープしたn形低抵抗GaN層(厚み:3.0μm、シリコンドープ量:4.0×1018個/cm)を用いた。GaN層は、酸化ガリウム基材上に有機金属気相エピタキシー法により成長した。そして、AlGa1−xN層には、厚み:100nm、x=0.10の膜を用いた。AlGa1−xN層も同様に、有機金属気相エピタキシー法を用いて、GaN層上に成長した。また、より酸素生成効率を高めるために、酸化ニッケル微粒子(微粒子サイズ:数10nm〜数μm)をAlGa1−xN層上に分散配置した。さらに、酸化ガリウム基材の裏面側(窒化物半導体層を形成していない側の面)に、チタン/金からなる電極層(厚み:約500nm)を形成した。このようにして、図2Dに示したような、アノード電極200dが得られた。
Example 1
A low resistance single crystal β-type gallium oxide base material (thickness: about 0.68 mm) was used for the gallium oxide layer constituting the photochemical electrode for carbon dioxide reduction. As the GaN layer, an n + type low-resistance GaN layer doped with silicon (thickness: 3.0 μm, silicon doping amount: 4.0 × 10 18 / cm 3 ) was used. The GaN layer was grown on the gallium oxide substrate by metal organic vapor phase epitaxy. For the Al x Ga 1-x N layer, a film having a thickness of 100 nm and x = 0.10 was used. Similarly, the Al x Ga 1-x N layer was grown on the GaN layer using the metal organic vapor phase epitaxy method. Further, in order to further increase the oxygen generation efficiency, nickel oxide fine particles (fine particle size: several tens of nm to several μm) were dispersedly arranged on the Al x Ga 1-x N layer. Furthermore, an electrode layer (thickness: about 500 nm) made of titanium / gold was formed on the back side of the gallium oxide substrate (the side on which the nitride semiconductor layer was not formed). In this way, an anode electrode 200d as shown in FIG. 2D was obtained.

カソード電極には、銅板(厚み:0.5mm)を用いた。第1電解液に浸漬されている銅板の面積は約4cmであった。 A copper plate (thickness: 0.5 mm) was used for the cathode electrode. The area of the copper plate immersed in the first electrolytic solution was about 4 cm 2 .

以上のような光化学電極(アノード電極)及びカソード電極を用いて、図4に示した二酸化炭素還元装置が作製された。アノード電極及びカソード電極間の距離は約8cmであった。その他の二酸化炭素還元装置の構成は、以下の通りである。   Using the photochemical electrode (anode electrode) and cathode electrode as described above, the carbon dioxide reduction apparatus shown in FIG. 4 was produced. The distance between the anode electrode and the cathode electrode was about 8 cm. The configuration of other carbon dioxide reduction devices is as follows.

第1電解液:3.0mol/Lの濃度を有する塩化カリウム水溶液
第2電解液:5.0mol/Lの濃度を有する水酸化ナトリウム水溶液
プロトン透過膜:ナフィオン膜(デュポン社製、ナフィオン117)
光源:キセノンランプ(出力:300W、光照射面積:約4cm
第1電解液には、ガス導入管409を通じて、二酸化炭素ガスが30分間供給された。アノード槽は光照射窓(図示せず)を具備していた。光照射窓を介して、光源403から放射された光が、アノード電極表面に一定時間照射された。この光は、360nm以下の波長を有し、かつブロードなスペクトルを有していた。
First electrolyte solution: potassium chloride aqueous solution having a concentration of 3.0 mol / L Second electrolyte solution: sodium hydroxide aqueous solution having a concentration of 5.0 mol / L Proton permeable membrane: Nafion membrane (manufactured by DuPont, Nafion 117)
Light source: xenon lamp (output: 300 W, light irradiation area: about 4 cm 2 )
Carbon dioxide gas was supplied to the first electrolyte solution through the gas introduction pipe 409 for 30 minutes. The anode tank was equipped with a light irradiation window (not shown). The light emitted from the light source 403 was irradiated to the anode electrode surface for a certain period of time through the light irradiation window. This light had a wavelength of 360 nm or less and had a broad spectrum.

(比較例1)
絶縁性であるサファイア基材上に同じ成長条件でAlGa1−xN層及びGaN層を堆積し、n形GaN層上の一部の領域に電極層を形成したアノード電極以外は、実施例1と同様の実験が行なわれた。
(Comparative Example 1)
Except for an anode electrode in which an Al x Ga 1-x N layer and a GaN layer are deposited on an insulating sapphire substrate under the same growth conditions, and an electrode layer is formed in a partial region on the n + -type GaN layer, An experiment similar to Example 1 was performed.

光をアノード電極表面に照射すると、実施例1及び比較例1いずれの場合も、導線に反応電流が流れることが観測された。その際、実施例1で得られる反応電流量は、比較例1の約1.5倍であった。一方、光照射を中断すると、導線に反応電流が流れないことが観測された。これは、何らかの反応が、光照射によりアノード電極及びカソード電極において生じていることを意味する。   When light was applied to the surface of the anode electrode, it was observed that a reaction current flowed through the conductor in both cases of Example 1 and Comparative Example 1. At that time, the amount of reaction current obtained in Example 1 was about 1.5 times that of Comparative Example 1. On the other hand, when light irradiation was interrupted, it was observed that no reaction current flowed through the conductor. This means that some reaction occurs at the anode electrode and the cathode electrode by light irradiation.

本発明者らは、二酸化炭素還元の様子を以下のように詳細に調査した。具体的には、カソード槽が密閉された状態、すなわち二酸化炭素が封入された状態において、それぞれのアノード電極に光を照射した。この光照射により、カソード槽において二酸化炭素が還元されるが、二酸化炭素還元により生成された反応生成物の種類及び量をガスクロマトグラフィ、及び液体クロマトグラフィにより、それぞれ測定した。   The present inventors investigated the state of carbon dioxide reduction in detail as follows. Specifically, each anode electrode was irradiated with light in a state where the cathode chamber was sealed, that is, in a state where carbon dioxide was sealed. This light irradiation reduces carbon dioxide in the cathode chamber. The type and amount of reaction products produced by the carbon dioxide reduction were measured by gas chromatography and liquid chromatography, respectively.

以上の結果、実施例1及び比較例1いずれも場合も、カソード槽にて、一酸化炭素及びギ酸等が生成されたことが見出された。また、各反応生成物量は、光の照射時間に比例して増加していた。以上より、アノード電極への光の照射により、カソード電極で二酸化炭素が還元される触媒反応が生じていることが見出された。   As a result, it was found that carbon monoxide, formic acid and the like were produced in the cathode tank in both cases of Example 1 and Comparative Example 1. The amount of each reaction product increased in proportion to the light irradiation time. From the above, it has been found that the catalytic reaction in which carbon dioxide is reduced at the cathode electrode is caused by the light irradiation to the anode electrode.

さらに、実施例1及び比較例1の反応生成物量について比較した結果、実施例1は比較例1の約1.5倍であった。すなわち、酸化ガリウム基材を用いて作製したアノード電極を用いることにより、サファイア基材を用いて作製したアノード電極の結果と比較して、反応電流量が約1.5倍になると共に、反応生成物量も約1.5倍になり、効率的に二酸化炭素が還元されていることが見出された。   Furthermore, as a result of comparing the reaction product amounts of Example 1 and Comparative Example 1, Example 1 was about 1.5 times that of Comparative Example 1. That is, by using an anode electrode produced using a gallium oxide substrate, the amount of reaction current is about 1.5 times that of an anode electrode produced using a sapphire substrate, and a reaction is generated. It was found that the amount of carbon dioxide was also about 1.5 times, and carbon dioxide was efficiently reduced.

(実施例2)
AlGa1−xN層の表面に微粒子形状の酸化ニッケルを配置しなかったこと以外は、実施例1と同様の実験を行った。
(Example 2)
An experiment similar to that of Example 1 was performed, except that fine particle-shaped nickel oxide was not disposed on the surface of the Al x Ga 1-x N layer.

その結果、アノード電極に光を照射することにより、導線に反応電流が流れることが観測された。また、観測された電流量は、実施例1とほぼ同等の電流量が観測された。また、二酸化炭素の還元生成物は、実施例1と同様の反応生成物が得られることが確認された。   As a result, it was observed that a reaction current flows through the conductive wire by irradiating the anode electrode with light. The observed current amount was almost the same as in Example 1. Moreover, it was confirmed that the reaction product similar to Example 1 was obtained as the reduction product of carbon dioxide.

(実施例3)
カソード電極としてグラッシーカーボン(登録商標)基材上に銅微粒子を分散配置させた電極を用いた以外は、実施例1と同様の実験を行った。
Example 3
The same experiment as in Example 1 was performed except that an electrode in which copper fine particles were dispersed and arranged on a glassy carbon (registered trademark) base material was used as the cathode electrode.

その結果、アノード電極に光を照射することにより、導線に反応電流が流れることが観測された。また、観測された電流量は、実施例1とほぼ同等の電流量が観測された。また、二酸化炭素の還元生成物は、実施例1と同様の反応生成物が得られることが確認された。   As a result, it was observed that a reaction current flows through the conductive wire by irradiating the anode electrode with light. The observed current amount was almost the same as in Example 1. Moreover, it was confirmed that the reaction product similar to Example 1 was obtained as the reduction product of carbon dioxide.

また、銅微粒子の代わりに、微量のニッケル成分を含んだ銅ニッケル合金微粒子で電極を作製した用いた場合も、反応電流量及び二酸化炭素の還元生成物は、銅微粒子のみの場合とほぼ同様の結果が得られた。   In addition, when an electrode is prepared with copper nickel alloy fine particles containing a small amount of nickel component instead of copper fine particles, the reaction current amount and the reduction product of carbon dioxide are almost the same as the case of only copper fine particles. Results were obtained.

(実施例4)
カソード電極としてインジウム板を用いた以外は、実施例1と同様の実験を行った。
Example 4
The same experiment as in Example 1 was performed except that an indium plate was used as the cathode electrode.

その結果、アノード電極に光を照射することにより、導線に反応電流が流れることが観測された。また、観測された反応電流量は、実施例1とほぼ同等の電流量が観測された。一方、二酸化炭素還元によって得られる反応生成物の大部分がギ酸であったことが確認された。つまり、カソード電極としてインジウムを用いることにより、ギ酸が選択的に生成されることが確認された。   As a result, it was observed that a reaction current flows through the conductive wire by irradiating the anode electrode with light. Further, the observed amount of reaction current was almost equal to that of Example 1. On the other hand, it was confirmed that most of the reaction product obtained by carbon dioxide reduction was formic acid. That is, it was confirmed that formic acid was selectively generated by using indium as the cathode electrode.

(実施例5)
第1電解液として炭酸水素カリウム水溶液及び塩化ナトリウム水溶液に変えた以外は、実施例1と同様の実験を行った。
(Example 5)
The same experiment as in Example 1 was performed except that the first electrolytic solution was changed to a potassium hydrogen carbonate aqueous solution and a sodium chloride aqueous solution.

その結果、アノード電極に光を照射することにより、導線に反応電流が流れることが観測された。また、観測された反応電流量は、実施例1とほぼ同等同様の電流量が観測された。   As a result, it was observed that a reaction current flows through the conductive wire by irradiating the anode electrode with light. Further, the observed reaction current amount was almost the same as that of Example 1.

(実施例6)
AlGa1−xN層のx値をx=0.10からx=0.05、0.15、0.20に代えた以外は、実施例1と同様の実験を行った。
(Example 6)
An experiment similar to that of Example 1 was performed except that the x value of the Al x Ga 1-x N layer was changed from x = 0.10 to x = 0.05, 0.15, 0.20.

その結果、AlGa1−xN層に含まれるAlの量が変化した場合においても、二酸化炭素の還元生成物は、実施例1と同様の反応生成物が得られることが確認された。 As a result, even when the amount of Al contained in the Al x Ga 1-x N layer was changed, it was confirmed that the same reaction product as that of Example 1 was obtained as the reduction product of carbon dioxide.

(実施例7)
実施例1に記載した光化学電極と、単結晶n形シリコン基板の表面にp形伝導を示す不純物を導入することにより作製されたpn接合半導体層を金属薄膜からなる接続層を介して接合することにより、図3Aに示したアノード電極300aを作製した。
(Example 7)
Bonding the photochemical electrode described in Example 1 and a pn junction semiconductor layer produced by introducing an impurity exhibiting p-type conduction into the surface of a single crystal n-type silicon substrate via a connection layer made of a metal thin film. Thus, the anode electrode 300a shown in FIG. 3A was produced.

このアノード電極に対し、光源403から360nm以下の波長を有する紫外線と、可視光からなるブロードなスペクトルを有してする光を照射した。   The anode electrode was irradiated with light having a broad spectrum consisting of ultraviolet light having a wavelength of 360 nm or less and visible light from the light source 403.

その結果、実施例1での主な反応生成物は、ギ酸や一酸化炭素であったが、実施例7の構成では、メタン及びエチレンなどの炭化水素類、エタノールなどのアルコール類、アセトアルデヒドなどのアルデヒド類も得られていた。   As a result, the main reaction products in Example 1 were formic acid and carbon monoxide, but in the configuration of Example 7, hydrocarbons such as methane and ethylene, alcohols such as ethanol, acetaldehyde and the like Aldehydes were also obtained.

すなわち、酸化ガリウム基材上に形成した窒化物半導体層とpn接合半導体層とを積層したアノード電極を用いることで、光照射のみでギ酸や一酸化炭素以外にも、より構造が複雑な有機物成分が二酸化炭素から得られることが見出された。   That is, by using an anode electrode in which a nitride semiconductor layer and a pn junction semiconductor layer formed on a gallium oxide base material are stacked, an organic substance component having a more complicated structure than formic acid and carbon monoxide by only light irradiation. Has been found to be derived from carbon dioxide.

以上のように、二酸化炭素還元用光化学電極(アノード電極)の構成として、AlGa1−xN層、GaN層、酸化ガリウム層、電極層を積層した領域を具備することにより、アノード電極への光照射による反応電流量が増加することが見出された。また、カソード電極では効率的に二酸化炭素が光エネルギーで還元されることが確認された。さらに、pn接合半導体層を組み合わせることで、様々な種類の有機物が二酸化炭素から生成可能であることが示された。 As described above, the structure of the photochemical electrode for carbon dioxide reduction (anode electrode) includes a region in which an Al x Ga 1-x N layer, a GaN layer, a gallium oxide layer, and an electrode layer are stacked, thereby forming an anode electrode. It was found that the amount of reaction current due to light irradiation increased. It was also confirmed that carbon dioxide was efficiently reduced by light energy at the cathode electrode. Furthermore, it was shown that various kinds of organic substances can be generated from carbon dioxide by combining pn junction semiconductor layers.

本開示は、光エネルギーによって二酸化炭素を還元処理するために用いる二酸化炭素還元用光化学電極、二酸化炭素還元装置、及び二酸化炭素の還元方法を提供する。   The present disclosure provides a photochemical electrode for carbon dioxide reduction, a carbon dioxide reduction device, and a carbon dioxide reduction method used for reducing carbon dioxide with light energy.

400 二酸化炭素還元装置
401 カソード電極
400 Carbon dioxide reduction device 401 Cathode electrode

Claims (19)

光エネルギーによって二酸化炭素を還元処理するために用いられる二酸化炭素還元用光化学電極であって、
光照射面側からAlGa1−xN層(0<x≦0.25)、GaN層、酸化ガリウム層、電極層が積層された領域を表面に有する、二酸化炭素還元用光化学電極。
A photochemical electrode for carbon dioxide reduction used for reducing carbon dioxide by light energy,
A photochemical electrode for carbon dioxide reduction having, on the surface, a region in which an Al x Ga 1-x N layer (0 <x ≦ 0.25), a GaN layer, a gallium oxide layer, and an electrode layer are stacked from the light irradiation surface side.
光エネルギーによって二酸化炭素を還元処理するために用いられる二酸化炭素還元用光化学電極であって、
光照射面側からAlGa1−xN層(0<x≦0.25)、GaN層、酸化ガリウム層、pn接合半導体層、電極層が積層された領域を表面に有する、二酸化炭素還元用光化学電極。
A photochemical electrode for carbon dioxide reduction used for reducing carbon dioxide by light energy,
Carbon dioxide reduction having on the surface a region in which an Al x Ga 1-x N layer (0 <x ≦ 0.25), GaN layer, gallium oxide layer, pn junction semiconductor layer, and electrode layer is laminated from the light irradiation surface side Photochemical electrode.
前記酸化ガリウム層が、単結晶β型酸化ガリウム基材である、請求項1又は請求項2に記載の二酸化炭素還元用光化学電極。 The photochemical electrode for carbon dioxide reduction according to claim 1 or 2, wherein the gallium oxide layer is a single crystal β-type gallium oxide base material. 前記AlGa1−xN層のx値が、0.10以上0.15以下である、請求項1又は請求項2に記載の二酸化炭素還元用光化学電極。 The photochemical electrode for carbon dioxide reduction according to claim 1 or 2, wherein an x value of the Al x Ga 1-x N layer is 0.10 or more and 0.15 or less. 前記GaN層が、n形またはn形である、請求項1又は請求項2に記載の二酸化炭素還元用光化学電極。 The photochemical electrode for carbon dioxide reduction according to claim 1 or 2, wherein the GaN layer is n-type or n + -type . 前記AlGa1−xN層の少なくとも一部の表面が、ニッケルを含有する金属酸化物によって被膜されている、請求項1又は請求項2に記載の二酸化炭素還元用光化学電極。 The photochemical electrode for carbon dioxide reduction according to claim 1 or 2, wherein at least a part of the surface of the Al x Ga 1-x N layer is coated with a metal oxide containing nickel. 前記ニッケルを含有する金属酸化物が、微粒子形状である、請求項6に記載の二酸化炭素還元用光化学電極。 The photochemical electrode for carbon dioxide reduction according to claim 6, wherein the nickel-containing metal oxide has a fine particle shape. 前記pn接合半導体層が、シリコンである、請求項2に記載の二酸化炭素還元用光化学電極。 The photochemical electrode for carbon dioxide reduction according to claim 2, wherein the pn junction semiconductor layer is silicon. 前記pn接合半導体層が、ガリウムヒ素である、請求項2に記載の二酸化炭素還元用光化学電極。 The photochemical electrode for carbon dioxide reduction according to claim 2, wherein the pn junction semiconductor layer is gallium arsenide. 前記pn接合半導体層が、異なる材料からなるpn接合半導体層を複数個積層した構造である、請求項2に記載の二酸化炭素還元用光化学電極。 The photochemical electrode for carbon dioxide reduction according to claim 2, wherein the pn junction semiconductor layer has a structure in which a plurality of pn junction semiconductor layers made of different materials are stacked. 光エネルギーによって二酸化炭素を還元処理する二酸化炭素還元装置であって、
二酸化炭素を含有する第1電解液を収容するためのカソード槽と、
第2電解液を収容するためのアノード槽と、
前記カソード槽と前記アノード槽との間に挟まれるプロトン透過膜と、
前記第1電解液に接するよう前記カソード槽の内部に設置され、金属または金属化合物を表面に有するカソード電極と、
前記第2電解液に接するよう前記アノード槽の内部に設置され、光照射面側からAlGa1−xN層(0<x≦0.25)、GaN層、酸化ガリウム層、電極層が積層された領域を表面に有するアノード電極と、を備え、
前記カソード電極と前記アノード電極とが、外部電源を介することなく電気的に接続されている、二酸化炭素還元装置。
A carbon dioxide reduction device for reducing carbon dioxide with light energy,
A cathode tank for containing a first electrolyte containing carbon dioxide;
An anode tank for containing a second electrolyte solution;
A proton permeable membrane sandwiched between the cathode cell and the anode cell;
A cathode electrode installed inside the cathode chamber so as to be in contact with the first electrolyte solution and having a metal or a metal compound on the surface;
It is installed inside the anode tank so as to be in contact with the second electrolyte solution, and an Al x Ga 1-x N layer (0 <x ≦ 0.25), a GaN layer, a gallium oxide layer, and an electrode layer are provided from the light irradiation surface side. An anode electrode having a stacked region on the surface,
A carbon dioxide reduction device in which the cathode electrode and the anode electrode are electrically connected without an external power source.
光エネルギーによって二酸化炭素を還元処理する二酸化炭素還元装置であって、
二酸化炭素を含有する第1電解液を収容するためのカソード槽と、
第2電解液を収容するためのアノード槽と、
前記カソード槽と前記アノード槽との間に挟まれるプロトン透過膜と、
前記第1電解液に接するよう前記カソード槽の内部に設置され、金属または金属化合物を表面に有するカソード電極と、
前記第2電解液に接するよう前記アノード槽の内部に設置され、光照射面側からAlGa1−xN層(0<x≦0.25)、GaN層、酸化ガリウム層、pn接合半導体層、電極層が積層された領域を表面に有するアノード電極と、を備え、
前記カソード電極と前記アノード電極とが、外部電源を介することなく電気的に接続されている、二酸化炭素還元装置。
A carbon dioxide reduction device for reducing carbon dioxide with light energy,
A cathode tank for containing a first electrolyte containing carbon dioxide;
An anode tank for containing a second electrolyte solution;
A proton permeable membrane sandwiched between the cathode cell and the anode cell;
A cathode electrode installed inside the cathode chamber so as to be in contact with the first electrolyte solution and having a metal or a metal compound on the surface;
It is installed inside the anode tank so as to be in contact with the second electrolytic solution, and from the light irradiation surface side, an Al x Ga 1-x N layer (0 <x ≦ 0.25), a GaN layer, a gallium oxide layer, and a pn junction semiconductor And an anode electrode having a region on which the electrode layer is laminated,
A carbon dioxide reduction device in which the cathode electrode and the anode electrode are electrically connected without an external power source.
前記カソード電極の表面に有する金属が、銅、金、銀、インジウム、又はこれらの合金である、請求項11又は請求項12に記載の二酸化炭素還元装置。 The carbon dioxide reduction device according to claim 11 or 12, wherein the metal on the surface of the cathode electrode is copper, gold, silver, indium, or an alloy thereof. 前記第1電解液が、炭酸水素カリウム水溶液、炭酸水素ナトリウム水溶液、塩化カリウム水溶液、又は塩化ナトリウム水溶液である、請求項11又は請求項12に記載の二酸化炭素還元装置。 The carbon dioxide reduction device according to claim 11 or 12, wherein the first electrolytic solution is a potassium hydrogen carbonate aqueous solution, a sodium hydrogen carbonate aqueous solution, a potassium chloride aqueous solution, or a sodium chloride aqueous solution. 前記第2電解液が、水酸化ナトリウム水溶液である、請求項11又は請求項12に記載の二酸化炭素還元装置。 The carbon dioxide reduction device according to claim 11 or 12, wherein the second electrolytic solution is an aqueous sodium hydroxide solution. 二酸化炭素還元装置を用いた二酸化炭素の還元方法であって、以下の工程を具備する:
以下を具備する二酸化炭素還元装置を用意する工程(a)、
カソード槽、
アノード槽、
プロトン透過膜、
カソード電極、および、
アノード電極、ここで、
前記カソード電極は、金属または金属化合物を表面に具備し、
前記アノード電極は、光照射面側からAlGa1−xN層(0<x≦0.25)、GaN層、酸化ガリウム層、電極層が積層された領域を表面に具備し、
前記カソード槽の内部には、第1電解液が保持され、
前記アノード槽の内部には、第2電解液が保持され、
前記カソード電極は前記第1電解液に接しており、
前記アノード電極は前記第2電解液に接しており、
前記プロトン透過膜は前記カソード槽及び前記アノード槽の間に挟まれ、
前記第1電解液は前記二酸化炭素を含有しており、および、
前記カソード電極は前記アノード電極に電気的に接続されており、
前記アノード電極に前記AlGa1−xN層で吸収可能な波長を有する光を照射して、前記第1電解液に含有されている二酸化炭素を前記カソード電極で還元する工程(b)。
A method for reducing carbon dioxide using a carbon dioxide reduction device comprising the following steps:
A step (a) of preparing a carbon dioxide reduction device comprising:
Cathode chamber,
Anode tank,
Proton permeable membrane,
A cathode electrode, and
Anode electrode, where
The cathode electrode comprises a metal or a metal compound on the surface,
The anode electrode has a surface on which the Al x Ga 1-x N layer (0 <x ≦ 0.25), the GaN layer, the gallium oxide layer, and the electrode layer are stacked from the light irradiation surface side,
A first electrolyte is held inside the cathode chamber,
A second electrolyte is held inside the anode tank,
The cathode electrode is in contact with the first electrolyte;
The anode electrode is in contact with the second electrolytic solution;
The proton permeable membrane is sandwiched between the cathode chamber and the anode chamber;
The first electrolyte contains the carbon dioxide; and
The cathode electrode is electrically connected to the anode electrode;
Irradiating the anode electrode with light having a wavelength that can be absorbed by the Al x Ga 1-x N layer to reduce carbon dioxide contained in the first electrolyte solution at the cathode electrode (b).
二酸化炭素還元装置を用いた二酸化炭素の還元方法であって、以下の工程を具備する:
以下を具備する二酸化炭素還元装置を用意する工程(a)、
カソード槽、
アノード槽、
プロトン透過膜、
カソード電極、および、
アノード電極、ここで、
前記カソード電極は、金属または金属化合物を表面に具備し、
前記アノード電極は、光照射面側からAlGa1−xN層(0<x≦0.25)、GaN層、酸化ガリウム層、pn接合半導体層、電極層が積層された領域を表面に具備し、
前記カソード槽の内部には、第1電解液が保持され、
前記アノード槽の内部には、第2電解液が保持され、
前記カソード電極は前記第1電解液に接しており、
前記アノード電極は前記第2電解液に接しており、
前記プロトン透過膜は前記カソード槽及び前記アノード槽の間に挟まれ、
前記第1電解液は前記二酸化炭素を含有しており、および、
前記カソード電極は前記アノード電極に電気的に接続されており、
前記アノード電極に前記AlGa1−xN層で吸収可能な波長を有する光と、前記pn接合半導体層で吸収可能な波長を有する光を同時に照射して、前記第1電解液に含有されている二酸化炭素を前記カソード電極で還元する工程(b)。
A method for reducing carbon dioxide using a carbon dioxide reduction device comprising the following steps:
A step (a) of preparing a carbon dioxide reduction device comprising:
Cathode chamber,
Anode tank,
Proton permeable membrane,
A cathode electrode, and
Anode electrode, where
The cathode electrode comprises a metal or a metal compound on the surface,
The anode electrode has, on the surface, a region where an Al x Ga 1-x N layer (0 <x ≦ 0.25), a GaN layer, a gallium oxide layer, a pn junction semiconductor layer, and an electrode layer are stacked from the light irradiation surface side. Equipped,
A first electrolyte is held inside the cathode chamber,
A second electrolyte is held inside the anode tank,
The cathode electrode is in contact with the first electrolyte;
The anode electrode is in contact with the second electrolytic solution;
The proton permeable membrane is sandwiched between the cathode chamber and the anode chamber;
The first electrolyte contains the carbon dioxide; and
The cathode electrode is electrically connected to the anode electrode;
The anode electrode is irradiated with light having a wavelength that can be absorbed by the Al x Ga 1-x N layer and light having a wavelength that can be absorbed by the pn junction semiconductor layer, and is contained in the first electrolyte solution. A step (b) of reducing carbon dioxide at the cathode electrode.
前記工程(b)において、前記二酸化炭素還元装置が、室温かつ大気圧下におかれる、請求項16又は請求項17に記載の二酸化炭素を還元する方法。 The method for reducing carbon dioxide according to claim 16 or 17, wherein, in the step (b), the carbon dioxide reducing device is placed at room temperature and atmospheric pressure. 前記アノード電極に光を照射する前記工程(b)により、二酸化炭素からメタン、エチレン、メタノール、エタノール、イソプロパノール、アリルアルコール、アセトアルデヒド、プロピオンアルデヒド、ギ酸、及び一酸化炭素の少なくとも1種を得る、請求項16または請求項17に記載の二酸化炭素の還元方法。 The step (b) of irradiating the anode electrode with light obtains at least one of methane, ethylene, methanol, ethanol, isopropanol, allyl alcohol, acetaldehyde, propionaldehyde, formic acid, and carbon monoxide from carbon dioxide. Item 18. The method for reducing carbon dioxide according to Item 16 or Item 17.
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