成果報告書詳細
管理番号20120000000105
タイトル平成20年度~平成22年度成果報告書 水素製造・輸送・貯蔵システム等技術開発 次世代技術開発・フィージビリティスタディ等 革新的な次世代技術の探索・有効性に関する研究開発 可視光応答性半導体を用いた光触媒および多孔質光電極による水分解水素製造の研究開発
公開日2012/6/21
報告書年度2008 - 2010
委託先名独立行政法人産業技術総合研究所
プロジェクト番号P08003
部署名新エネルギー部
和文要約件名:平成20年度?平成22年度成果報告書 水素製造・輸送・貯蔵システム等技術開発/次世代技術開発・フィージビリティスタディ等 革新的な次世代技術の探索・有効性に関する研究開発/可視光応答性半導体を用いた光触媒および多孔質光電極による水分解水素製造の研究開発
人類が持続可能な社会を構築し、発展を続けるためには、再生可能エネルギーの有効利用が不可欠である。再生可能エネルギーの中でも太陽エネルギーは最も膨大であり、風力、波力、潮力、バイオマスの源でもある。しかし、太陽エネルギーはそのエネルギー密度が低いことおよび天候変動が大きいという重大な欠点があるため、その有効利用できる技術が非常に限定されていた。エネルギー密度が低い太陽エネルギーを更に有効利用するためには、太陽電池以上に安価でかつ非常にシンプルな革新的技術開発が必要不可欠である。太陽エネルギー利用の数少ない選択肢の一つとして、植物の光合成と同じように光子を直接化学エネルギーに変換する人工光合成技術がある。人工光合成技術はエネルギー蓄積型反応を直接進行させる技術であり、エネルギー蓄積型反応の中でも特に水を分解して水素と酸素を製造する「太陽光水素製造技術」は持続可能な水素社会実現のための理想的な技術である。当然、太陽光水素製造技術は太陽電池?電気分解の組み合わせシステムと比較して、圧倒的にシンプル・低コストでありながら同程度の効率と寿命を示す必要がある。太陽光水素製造技術を含む太陽エネルギー変換技術の実用化と普及、および将来の化石資源に頼らない再生可能エネルギー社会の実現は、決して容易ではなく長い時間がかかるので、今から重点的に研究投資することが望ましい。
本研究では、多孔質半導体光電極の構造制御による高性能化、高速自動半導体探索システムを用いた新規可視光応答性半導体探索、レドックス媒体を用いた効率的な光触媒?電解ハイブリッドシステムによる水素製造、の3つの課題について詳しく検討を行った。多孔質光電極の研究では、BiVO4光電極の光電流を炭酸塩電解液を利用することで従来電解液より6倍向上。440nm以上ではBiVO4光電極の量子収率はWO3光電極を上回った。反応機構として、中間体の炭酸ラジカルからの電子注入の可能性が推察され、量子収率が100%を超える可能性があることを提唱した。量子収率が100%を超えることが可能になれば、その理論限界効率は更に大きくなる重要な情報である。高速自動半導体探索システムを用いた新規可視光応答性半導体探索については、ロボットを用いた高速自動半導体合成・探索システムを活用し、Fe-Ti-X系やFe-Zr-X系など新規の可視光応答性半導体の特許を多数出願した。43種類以上の3元系新規組成を見いだした。レドックス媒体を用いた効率的な光触媒?電解ハイブリッドシステムによる水素製造については、飛躍的に高性能な光触媒(Cs表面処理WO3)を開発できた。活性は未処理触媒の約14倍、量子収率(19%)はこれまで論文報告値の48倍に達した。太陽エネルギー変換効率0.3%という植物並みの効率達成で人工光合成の可能性が見えてきた。
以上の実験結果を踏まえて、理論効率や将来性の試算を行った。光触媒-電解ハイブリッドシステムにおいて、太陽電池と水電解を単に組み合わせたシステムより低コスト水素製造が可能という結果を得た。効率3%の光触媒プールを仮定し、電解ハイブリッドシステムにおける水素製造コストは、ハイブリッドしない場合に比べて3?4割低減できることが試算された。将来的には、化石資源の接触改質による水素製造システムの水素製造コストよりも下回る新しい低コスト水素製造システムの実現可能性が確認できた。
英文要約Title: Study on hydrogen production over photocatalysts and photoelectrodes using visible light active semiconductors. (FY2008-FY2010) Final Report
"Solar hydrogen processing technology", that is, the water splitting into hydrogen and oxygen is an ideal technology, as one of the choices of the effective solar energy utilization, in order to achieve sustainable hydrogen society. The purposes of this research and development are to develop the basic element technology for the practical use of hydrogen production from sunlight and water based on photocatalysts and photoelectrodes using visible light active semiconductors, and to obtain various experimental data for the hydrogen cost estimation in detail. The realizability of a new cheaper hydrogen production system than the system that only combines the water electrolysis with the solar battery and than that uses hydrogen production from fossil energy is examined. Concretely, we found that carbonate ions in the aqueous electrolyte solution improved both the photocurrent and the stability of a porous BiVO4 semiconductor electrode used for water splitting under visible light up to 520 nm. The photocurrents in AHCO3 (A = Na and K) solutions at 1.23 V were approximately six times higher than that in Na2SO4 aqueous solution. The maximum incident photon-to-current efficiency (IPCE) was 45% at 420 nm without any surface modifications. The reaction mechanism on the electron injection from carbonate radical to the BiVO4 conduction band is very unique. If this mechanism is correct, the quantum efficiency will improve more than 100%. In addition, a combinatorial approach has been carried out to systematically investigate visible-light responsiveness of Fe-Ti-X (X = Sr, Ba, Ta, In, Sm) and Fe-Zr-X (X = Sr, Si, Al, Zn, Ta, In, Sn, B, Y) oxides for photoelectrochemical water splitting. Moreover, we demonstrated that a surface modification of Cs is an excellent method to improve the activity for photocatalytic O2 evolution and Fe3+ reduction over WO3 under visible light irradiation. The surface-modified WO3 showed the highest solar energy conversion efficiency (0.3%) among all powdered photocatalyst systems reported previously, and this value is comparable to solar-to-product energy conversion efficiencies of natural photosynthesis of plants for biomass energy. This result provides a promising route for the improvement of practical solar-energy utilization. The H2 production cost of photocatalysis-electrolysis hybrid system was evaluated. There is a possibility that the H2 production cost of photocatalysis-electrolysis hybrid system is 30 - 40% decreased compared to that of normal electrolysis system using night electricity.
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