JP5641489B2 - アルコールを生成する方法 - Google Patents
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Description
以下を具備する二酸化炭素還元装置を用意する工程(a)、
陰極室、陽極室、およびプロトン伝導膜、
ここで前記陰極室にはカソード電極を具備し、前記カソード電極は銅または銅化合物を具備し、
前記陽極室にはアノード電極を具備し、前記アノード電極はAlxGa1-xN層(0<x≦1)およびGaN層が積層された窒化物半導体層からなる領域を具備し、
前記陰極室の内部には、塩化カリウム水溶液(KCl水溶液)または塩化ナトリウム水溶液(NaCl水溶液)からなる第1電解液が保持され、
前記陽極室の内部には、水酸化ナトリウム水溶液(NaOH水溶液)からなる第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、
前記プロトン伝導膜は前記陰極室と前記陽極室との間に挟まれ、
前記第1電解液は二酸化炭素を含有しており、
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、および
前記カソード電極と前記アノード電極間には、電源が電気的に挟まれていない:
以下の工程によって、二酸化炭素を還元する工程(b)、
前記アノード電極に360nm以下の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前記二酸化炭素を前記カソード電極で還元し、アルコールを生成する。
まず、本発明の基礎となった知見について説明する。
次に、本開示の実施態様について説明する。
光エネルギーで二酸化炭素を還元するための装置を用いてアルコールを生成する方法であって、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)、
陰極室、陽極室、およびプロトン伝導膜、
ここで前記陰極室にはカソード電極を具備し、前記カソード電極は銅または銅化合物を具備し、
前記陽極室にはアノード電極を具備し、前記アノード電極はAlxGa1-xN層(0<x≦1)およびGaN層が積層された窒化物半導体層からなる領域を具備し、
前記陰極室の内部には、塩化カリウム水溶液(KCl水溶液)または塩化ナトリウム水溶液(NaCl水溶液)からなる第1電解液が保持され、
前記陽極室の内部には、水酸化ナトリウム水溶液(NaOH水溶液)からなる第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、
前記プロトン伝導膜は前記陰極室と前記陽極室との間に挟まれ、
前記第1電解液は二酸化炭素を含有しており、
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、および
前記カソード電極と前記アノード電極間には電源が電気的に挟まれていない:
以下の工程によって、二酸化炭素を還元する工程(b)、
前記アノード電極に360nm以下の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前記二酸化炭素を前記カソード電極で還元し、アルコールを生成する。
よい方法を提供する。
図1A〜図1Dは、本発明に係るアノード電極(光化学電極)の構成例を示す概略図である。図1Aは本発明で用いられるアノード電極(光化学電極)の基本構成を表す図であり、光が照射されるAlxGa1-xN層11(0<x≦1)、GaN層12、前記窒化物半導体層を形成するために用いられる導電性基材13、およびアノード電極10aを電気的に接続するための電極部14から構成されている。
図3は、光エネルギーで二酸化炭素を還元し、アルコールを生成するための装置例の概略図である。装置300は陰極室302、陽極室305、およびプロトン伝導膜306を具備する。
次に、上述された装置を用いて二酸化炭素を還元し、アルコールを生成する方法を説明する。
以下の実施例を参照して、本発明をより詳細に説明する。
導電性基材として、低抵抗な単結晶窒化ガリウム(GaN)基板(厚さ:約0.4mm、サイズ:直径2インチ)を用い、その上にシリコンをドープしたn形低抵抗GaN薄膜(膜厚:2.0μm、Siドープ量:2.5×1018cm-3)、およびノンドープのAlxGa1-xN薄膜(膜厚:100nm、x=0.11、アルミニウム組成:11%)を有機金属気相法によりエピタキシャル成長させた。さらに、溶液反応を用いて、該アノード電極のAlGaN層上に酸化ニッケル微粒子(微粒子サイズ:数10nm〜数μm)を多数分散配置した。そして、GaN基板の裏面側にチタン(Ti)/アルミニウム(Al)/金(Au)からなる電極層(厚さ:約500nm)を形成した。このようにして図1Dに示したような、導電性基材上にn形GaN層、n形GaN層上にAlGaN層が積層され、さらにその表面の一部が酸化ニッケル微粒子で被覆されたアノード電極(光化学電極)304を得た。
第2電解液308:5.0mol/Lの濃度を有する水酸化ナトリウム水溶液(NaOH水溶液、容量:180mL)
プロトン伝導膜306:ナフィオン膜(デュポン社製、ナフィオン117)
光源303:キセノンランプ(ランプ出力:300W、光照射面積:約4cm2、照射
光パワー:約20mW/cm2)
実施例1と同様のアノード電極(光化学電極)とカソード電極を用い、二酸化炭素を還元するための装置を作製した。本比較例では、陰極室の内部に保持される電解液として、3.0mol/Lの濃度を有する炭酸水素カリウム水溶液(KHCO3水溶液)を用い、陽極室の内部に保持される電解液には、実施例1と同様の5.0mol/Lの濃度を有する水酸化ナトリウム水溶液(NaOH水溶液)を用いて、二酸化炭素の還元を行った。すなわち、第1電解液以外は全く同様の構成で、二酸化炭素を還元処理した。
アノード電極(光化学電極)を構成しているAlGaN層の表面に酸化ニッケル微粒子を配置せずに作製した図1Aの構成のアノード電極を用いて、実施例1と同様の実験を行った。
アノード電極(光化学電極)を構成しているAlxGa1-xN層に含まれるAl量(x値)をx=0.11からx=0.22に代えて薄膜成長した以外は、実施例1と同様の実験を行った。
窒化物半導体層を形成する基材として、単結晶サファイア基板を用い、図2Dの構成と同様のアノード電極をエピタキシャル成長によって作製した以外は、実施例1と同様の実験を行った。
銅板に代わる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基材表面全面に担持した電極を用いた以外は、実施例1と同様の実験を行った。
陰極室に保持する第1電解液を塩化カリウム水溶液(KCl水溶液)から塩化ナトリウム水溶液(NaCl水溶液)に変えた以外は、実施例1と同様の実験を行った。
陰極室に保持する第1電解液を塩化カリウム水溶液(KCl水溶液)と炭酸水素カリウム水溶液(KHCO3水溶液)の混合溶液に変えた以外は、実施例1と同様の実験を行った。混合溶液に含まれる塩化カリウム水溶液の割合(容量比)は33〜67%とした。
アノード電極(光化学電極)として、AlGaN層とGaN層を積層したアノード電極の代わりに単結晶n形チタニアを光化学電極に用いて、実施例1と同様の実験を行った。
二酸化炭素を還元するための装置を用いてアルコールを生成する方法であって、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)、
カソード室(302)、
アノード室(305)、および
プロトン伝導膜(306)、ここで
前記カソード室(302)はカソード電極(301)を具備し、
前記カソード電極(301)は、金属または金属化合物を具備し、
前記アノード室(305)はアノード電極(304)を具備し、
前記アノード電極(304)は、窒化物半導体から形成される領域を具備し、
前記カソード室(302)の内部には、第1電解液(307)が保持され、
前記アノード室(305)の内部には、第2電解液(308)が保持され、
前記カソード電極(301)は、前記第1電解液(307)に接しており、
前記アノード電極(104)は、前記第2電解液(308)に接しており、
前記プロトン伝導膜(306)は、前記カソード室(302)および前記アノード室(305)との間に挟まれ、
前記第1電解液(307)は前記二酸化炭素を含有しており、
前記カソード電極(301)は前記アノード電極(304)に電気的に接続され、
前記カソード電極(301)および前記アノード電極(304)の間には電源が電気的に挟まれておらず、
前記第1電解液(307)は、塩化カリウム水溶液または塩化ナトリウム水溶液であり、そして
前記第2電解液は(308)は、水酸化ナトリウム水溶液であり、
前記領域に360ナノメートル以下(望ましくは200ナノメートル以上400ナノメートル以下)の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還元して、かつアルコールを第1電解液内に生成する工程(b)、
ここで、前記光はカソード電極(301)には照射する必要はない。
Claims (7)
- 光エネルギーで二酸化炭素を還元するための装置を用いてアルコールを生成する方法であって、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)、
陰極室、陽極室、およびプロトン伝導膜、ここで
前記陰極室にはカソード電極を具備し、
前記カソード電極は銅または銅化合物を具備し、
前記陽極室にはアノード電極を具備し、
前記アノード電極はAlxGa1-xN層(0<x≦1)およびGaN層が積層された窒化物半導体層からなる領域を具備し、
前記陰極室の内部には、塩化ナトリウム水溶液(NaCl水溶液)からなる第1電解液が保持され、
前記陽極室の内部には、水酸化ナトリウム水溶液(NaOH水溶液)からなる第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、
前記プロトン伝導膜は前記陰極室と前記陽極室との間に挟まれ、
前記第1電解液は二酸化炭素を含有しており、
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、および
前記カソード電極と前記アノード電極間には、電源が電気的に挟まれていない:
以下の工程によって、二酸化炭素を還元する工程(b)、
前記アノード電極に360nm以下の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前記二酸化炭素を前記カソード電極で還元し、アルコールを生成する。 - 請求項1に記載の方法であって、
前記アノード電極を構成するAlxGa1-xN層(0<x≦1)のアルミニウム組成(x値)が0<x≦0.25の範囲である。 - 請求項1に記載の方法であって、
前記アノード電極を構成するGaN層がn形あるいはn+形である。 - 請求項1に記載の方法であって、
前記アノード電極を構成するAlxGa1-xN層(0<x≦1)の表面あるいは表面の一部を、少なくとも酸化ニッケルで被覆する。 - 請求項4に記載する方法であって、
前記酸化ニッケルが微粒子形状である。 - 請求項1に記載の方法であって、
前記工程(b)において、前記二酸化炭素還元装置は、室温かつ大気圧下におかれる。 - 請求項1に記載の方法であって、
前記工程(b)において、アルデヒド、蟻酸、一酸化炭素、炭化水素、水素のいずれかが得られる。
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