JPS5820701A - 水素発生用半導体素子 - Google Patents

水素発生用半導体素子

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Publication number
JPS5820701A
JPS5820701A JP56116125A JP11612581A JPS5820701A JP S5820701 A JPS5820701 A JP S5820701A JP 56116125 A JP56116125 A JP 56116125A JP 11612581 A JP11612581 A JP 11612581A JP S5820701 A JPS5820701 A JP S5820701A
Authority
JP
Japan
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semiconductor
hydrogen generation
water
semiconductor element
hydrogen
Prior art date
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Pending
Application number
JP56116125A
Other languages
English (en)
Inventor
Motomu Yoshimura
求 吉村
Makoto Tsunoda
誠 角田
Shohei Eto
江藤 昌平
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
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Publication date
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Publication of JPS5820701A publication Critical patent/JPS5820701A/ja
Pending legal-status Critical Current

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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen; Reversible storage of hydrogen
    • C01B3/02—Production of hydrogen; Production of gaseous mixtures containing hydrogen
    • C01B3/04—Production of hydrogen; Production of gaseous mixtures containing hydrogen by decomposition of inorganic compounds
    • C01B3/042—Decomposition of water
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis

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  • General Health & Medical Sciences (AREA)
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  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)
  • Catalysts (AREA)

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は新規な水素発生用半導体素子に関する。
さらに詳しくは、半導体が光を吸収して半導体中の伝導
帯にエレク)oンを励起し、価、電子帯にはホールを生
成させて半導体中にエレクトロンとホールとの電荷分離
を惹起し、水の還元電位に達したエレクトロンが水を還
元分解して水素を発生させ、沓の酸化電位に達Fたホー
ルが水を酸化分解して酸素を発生させる半導体の光電気
化学作用を利用し、先主ネルギーと半導体とで、水から
水素を発生させる半導体素子に、関する。
従来、半導体に光を吸収させて、水を分解し水素を発生
させる装置としては第1図および第2図に示すものがあ
る。
第1図において(1)は半導、体、(2)は半導体と金
属とのオーミックコンタクトを形成するための材料であ
り、半導体がn型のばあいにはインジウムα荀などの仕
事関数の小さい金属が用いられ、半導体がp型のばあい
には金(Ag)などの仕事関数の大きい金属が用いられ
る。(8)は絶縁のための樹脂、(4)は白金(Pt)
やパラジウム(Pa)またはカーボンブラックなどから
なる電極、(5)は表面が絶縁された金属尋線である。
(6)は水または電解質を含む水溶液、(7)は水また
は電解質を含む水溶液(6)を入れるガラス製の容器で
ある。
第2図において(8)は微粉末状の半導体、(9)は水
または電解質を含む水溶液、00)は水または電解質を
含む水溶液(9)を入れるガラス製の容器である。
用いられる半導体としては第1図および第2図に示され
る両方式とも、n型の酸化チタン(rto2)またはn
型のストロンチウムチタネート(5rTi03)などの
バンドギャップが3.OeV以上のn型の半導体であり
、その構造としては、単結晶体、多結晶体および焼結体
のいずれのものも用いられている。
つ皆に半導体が光を吸収して水を分解し、水素を発生さ
せる原理を述べる・。
第6図は牛導体(ロ)のバンド構造を示す説明図であ葛
。
半導体中のエネルギーレベルは連続しておらず、伝導帯
02)、禁止帯08)および価電子帯0→よりなるバン
ド構造を形成している。外部バイアスを印加し4い状態
では、電子はほとんど価電子帯に存在すギー傘キップ(
以下、Ijgapという)以上のエネルギーを有する光
を照射すれば、半導体がその光を吸収して価電子帯のエ
レクトロンが伝導帯に励起され、伝導帯にはエレクトロ
ンが生成し、価電子帯には励起されたエレクトロンの抜
けからのホールが生成し、半導体内で壬しクトロ、ンと
ホールによる電荷の分離が起る。分離生成した電荷のう
ちエレクトロンは水の還元電位に達し、水を還元し′水
素を生成する。一方、ホールは水の酸化電位に達し、水
を酸化し酸素を生成する。以上の原理から、水を分解し
て水、素を発生させるために用いられる半導体としては
、igapが水の電気分解電圧、すなわち水の還元電位
と酸化電位の差(室温では約1.25eV)以上のもの
でなければならない。
つぎに、従来の装置について、その動作原理を述べる。
まず第1図に示す方式では、水の分解電圧以上のIgi
pを有する半導体が、Iligap以上のエネルギーを
有する光を吸収し1.伝導帯にエレクトロンが生成し、
価電子帯にホールが生成する。生成したエレクトロンと
ホールは、電解質水溶液と半導体とで形成される半導体
のエネルギーバンドの勾配に沿って、半導体がn型のば
あいにはホールが牛導体と電解質水溶−との界面に移動
し、水を酸化し酸素を発生させる。一方、エレクトロン
は半導体バルクから対極へ移動し、対極と電解質水溶液
との界面に移動し、水を還元して水素を発生させる。半
導体がp型のばあいでは、エレクトロンが牛導体と電解
質水溶液との界面に移動し、水を還元して水素を発生さ
せる。−一方、ホールは牛導体バルクから対極へ移動し
、対極と電解質水溶液との、界面で水を酸化して酸素を
発生させる。
第2図に示す方式では、半導体が水の酸化と還元を同時
に行なう。すなわち水の分解電圧以上の11tgapを
有する半、導体がICgり以上のエネルギーを有する光
を吸収し、伝導帯に生成したエレクトロンと価電子帯に
生成したホールが、それぞれ別方向に、半導体と電解質
水溶液との界面に移動し、エレクトロンは水を還元して
水素を発生させ、ホールは永を酸化して酸素を発生させ
る。
従来法は前記の2つの方式が中心であったが・、水素生
成に対して、装置に照射゛さ社る光エネルギーの有効利
用率と、°半導体の有効利用率の面から誓れぞれ欠点を
有している。すなわち光を;導体に照射して水から水素
を発生さするばあい装置全体としての水素発生効率を支
配するものとして、(1)装置に照射させる光全体に対
する半導体の吸収効率および(→生成したエレク)oン
とホールが水の酸化還元反応を行なう反応の場としての
半導体の有効表面積の2つが考えらむる。
、第1図に示す方式においては、半導体の一形状を大き
くして表面積を拡大すれば装置に照射する光を半導体が
有効に吸収しうるが、1枚板形状であるため半導体単位
箪量あたりの表面積の割合を大きくできず、エレクトロ
ンおよびホールが水を分解する反応の場が小さいため、
光を有効に吸収し、エレクトロンとホールを有効に生成
したとしても、水素の発生効率は半導体単位重置あたり
で考えたばあいわるくなる。
一方、第21に示す方式は、半導体単位重置あたりの表
面積番拡大させ、エレクトロンとホールの水分解反応。
反融。場ヶ拡大8せ工、11114:示す方式が有する
欠点を改善し水 素の生成効率を向上せしめようとした
ものである。
しかしdから、この方式においても半導体を三次元的に
均一に分散させる必要があり、半導体の粒径が制限され
るという欠点を有する。さらに最適粒径が決ったとして
も、実際には電解質水溶液中に、常に均一に分散させる
のは不可能であり、長時間経過後には凝集沈瞬を起し、
装置に入射する光を半導体が有効に吸収することが困難
となり、単位重量あたりの半導体の表面積が拡大されて
も照射光あた″りの水素発生効率がわるくなるというム 欠点を有する。
本発明者らは以上の欠点を克服するべく鋭意研究を重ね
た結果、絶縁性支持体に微粉末状および(または)微粒
子状の半導体を均一に接着せしめてなる半導体素子を水
または電解質水溶層中に配置するときは、照射される光
を半導体が有効に吸収し、かつ半導体単位重量あたりの
表面積を拡大することができ、水素の発生効率を増大せ
しめうることを見出し、本発明を完成させるにいたった
。
また本発明において微粉末状および(または)微粒子状
の半導体を均一に接着せしめた絶縁性支持体を上下2枚
の絶縁性基板間に均一な間隔で固定せしめてもよい。
本発明iおいて゛用い゛る微粉末状および(または)微
粒子状の半導体の材料としては、たとえばT iO,%
5rTiOOdSなどがあげられその粒径としては任S 意の大きさが可能であるが、1ooo1〜10μのもの
が好適である。
また牛導体の物理的構造としては単結晶体、多結晶体、
焼結体など任卑のものが選ばれ、mgapが1.23e
V以上、好ましくは2.5eV以上のものが用いられる
。
また微粉末状および(または)微粉末状の半導体を均一
に絶縁性支持体に接着せしめるには、たとえば、接着剤
を表面にうずく塗りつけたガラス繊維あるいはナイロン
繊維などを、微粉末状および(または)微粒子状の半導
体を入れた容器の中を一定速度で通過させるなどの方法
が採用されうる。
つぎに実施例をあげて本発明の水素発生用半導体素子を
説明する。
第4図は本発−の水素発生装置の断面図である。
第″4図において、0ηは微、粉末状および(または)
微粒子状にした半導体(ホ)を絶縁性支持体側に接着せ
しめた水素発生用半導体素子である。に)は前記支持体
(19)に半導体を接着せしめた半導体素子αりを固定
す・るために絶縁性の支柱ψりで固定された絶縁性基板
であり、形状は円板状または方形状など任意に設計され
に半導体素子α7)が均一に画定されたものである。Q
5)は水または電解質を含む水溶液、θB)は水または
電解質d含む水溶液を入れるためのガラスなどの透明な
材料からなる容器である。
第5客は、第4図の(17)で示される半導体素子の断
面図である。第5図において、(ト)は微粉末状および
(または)微粒子状にされた半導体、ψ枠はエポキシ樹
脂系、シリコーン系の絶縁性の接着剤、0→は半導体に
)の絶縁性支持体であり、ナイロン、テフロン、ガラス
繊維などが用いられ、径は任意に選ばれる。
本発明においては、−微粉末状および(または)微粒子
状にした牛導体を絶縁性支持体に接着した半導体素子を
1下2枚の基板の間に均一に固定せしめたユニットコン
ポーネントを電解質水溶液中に入れるため、半導体は常
に均一に分布しており、装置に照射される光の半導体に
よる吸収効率は、従来の方式に比べていちじるしく高め
られ、また半導体の沈殿現象がおこらず、光の吸収効率
は経時変化をおこさない。また牛導体の粒径は前記した
ごとく任意の大きさが可能であり、半導体単位重量あた
りの表面積が拡大される。以上の効果により、本発明の
半導体素子を用いた装置による水素の発、生動2率は1
、従来のものに比べいちじるしく高められる。さらに半
導体は絶縁性支持体に固定されているめで、本発明にお
いては半導体素子の回収および交換が容易に行なわれる
。
つぎに本発明の水素発生用半導体素子を島いた装置によ
って水素側発車させたばあいの結果を、従来のものと比
較して示す。
半導体として、多結晶体T iOzを用い、微粉末状(
平均粒径3000X )にしたちの5009をナイロン
糸(径0.05mm)に、エポキシ系接着剤で均一に、
かつ接着面がなるべく小さくなるように接着せしめたも
のを4amの長さに切って半導体素子を作製し、支、柱
をもつ4om角のアクリル板2枚の間に均一にとりつけ
たものを底面が5am角で高さ5om (7)ガラス製
容器中に入れ、水を120m1加えたのち、500Wキ
セノンランプで光照射して水素を発生させた。
その結果、0.28μmci l/20hの速度で水素
が発生した。
〜 一方、TlO2を微粉末状(平均粒径3000A )に
したものを、単に水中に分散させた従来の装置では、同
一条件下でり、18μmol/2Dkの速度でしか水素
が発生しなかった。
以上のごとく、本発明の水素発生用半導体素子は、従来
のものに比べ水素発生効率を高めることができ、かつ微
粉末状および(または)微粒子状半導体を水溶液中に均
一に分布することができるため外部操作を必要とせず、
また半導体の回収および交換が容賜であり、(たがって
工業的価値がきわめて大である。
【図面の簡単な説明】
第1図および第2図は従来の水素発生装置の断面図、−
第3図は半導体のバンドi成を示す説明図、第4図は本
発明の半導体素子の一実施例を具備した水素発生装置の
断面図、第5図は本発明の絶縁支持体に半導体を接着せ
しめた半導体素子の断面図である。 (図面の主要符号) (ロ):水素発生用半導体素子 (18) :半導体 (19)’:絶縁性支持体 に):絶縁性基板 Ql):接着剤 代理人 葛 野 信 −(ほか1名) l:);1

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)絶縁性支持体に微粉末状および(または)微粒子
    状の半導体を均一に接着せしめてなる水素発生用半導体
    素子。、        、(2)微粉末状および(ま
    たは)微粒子状の半導体を均一に接着せしめた絶縁性支
    持体を、上下2枚の絶縁性基板間に均一な間隔で固定せ
    しめてなる特許請求の範囲第(1)項記載の半導体素子
    。
JP56116125A 1981-07-23 1981-07-23 水素発生用半導体素子 Pending JPS5820701A (ja)

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