産総研、光電極を用いた酸化剤と水素の効率的な製造方法を開発

産業技術総合研究所(産総研)は3月6日、多孔質の酸化タングステン(WO₃)などを積層した半導体光電極を用いて、太陽光エネルギーで水を分解し、水素製造と同時にさまざまな高付加価値の化学薬品を効率良く製造する技術を開発したと発表した。

今回、タングステン酸イオンを含む溶液を導電性ガラスにスピンコートし焼成する簡便な方法で成膜した多孔質の酸化タングステン膜の半導体光電極を作製。膜厚を厚くし、さらに光散乱を有効利用しながら光吸収効率を大きくすることで、水素と同時にさまざまな高付加価値の酸化剤を効率良く製造できた。

光電極と対極との間には逆反応を防ぐためにイオン交換膜を配置。酸化剤としては、硫酸水溶液(HSO₄^-)から過硫酸(S₂O₈^2-)、食塩(NaCl)水溶液から次亜塩素酸塩(ClO^-)、炭酸塩水溶液から過酸化水素(H₂O₂)、ヨウ素酸塩(IO₃^-)を含む水溶液から過ヨウ素酸塩(IO₄^-)、三価セリウム塩(Ce₃⁺)を含む水溶液から四価セリウム塩(Ce⁴⁺)などを含む水溶液が効率良く製造できた。S₂O₈^2-、Cl_O^-、H₂O₂に関しては、これまでの報告の中で最も高い性能が得られた。またIO₄^-およびCe⁴⁺生成はまったく新規な反応となる。

これらの反応はいずれも、酸素発生の酸化還元準位(1.23V(RHE))よりも正に大きく、太陽光エネルギーの有効利用にもつながる。特に、硫酸水溶液中での過硫酸製造の場合、酸素発生は観測されず、酸化生成物の過硫酸への選択性はほぼ100%であった。通常、この電気化学反応を従来の金属電極で進行させるには2.1V以上の電圧が理論上必要だが、光電極を用いれば0.6Vからでも反応を進行することができる。

太陽光エネルギーを、補助電圧をかけながら水素と過硫酸の化学エネルギーに変換・蓄積するための、光電極の性能指数である太陽光エネルギー変換効率(ABPE効率)は従来の約1.6倍となる2.2%であった。

なお、同技術の詳細は、3月15日～17日に横浜国立大学で開催される電気化学会第82回大会で発表される。