JP6883799B2 - A method for producing a metal compound, a method for producing a photocatalyst, and a method for producing a photocatalyst complex. - Google Patents
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Description
本発明は、金属化合物の製造方法、光触媒の製造方法、および光触媒複合体の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing a metal compound, a method for producing a photocatalyst, and a method for producing a photocatalyst complex.
太陽エネルギーを利用する光エネルギー変換システムの実用化は、地球温暖化の抑制、枯渇しつつある化石資源への依存からの脱却を目指す観点から、近年その重要性が増している。なかでも、太陽エネルギーを用いて水を分解し水素を製造する技術は、現行の石油精製技術、アンモニア、メタノールの原料供給技術としてのみならず、燃料電池をベースとした将来の水素エネルギー社会における水素供給技術として、有望視されている。 The practical application of light energy conversion systems that use solar energy has become increasingly important in recent years from the perspective of curbing global warming and breaking away from dependence on depleting fossil resources. Among them, the technology to decompose water using solar energy to produce hydrogen is not only the current oil refining technology, the raw material supply technology for ammonia and methanol, but also hydrogen in the future hydrogen energy society based on fuel cells. It is seen as a promising supply technology.
また、光エネルギーを用いて水から水素を製造する技術は、光エネルギーを化学エネルギーに変換する技術と目されているが、実用化されて久しい太陽光発電は生成する電気エネルギーの貯蔵が容易でないために蓄電技術の進展が望まれている一方で、水素をはじめとする化学エネルギーは、エネルギーの貯蔵、輸送、単位当りのエネルギー量において優位なエネルギーになると期待されている。 In addition, the technology for producing hydrogen from water using light energy is regarded as a technology for converting light energy into chemical energy, but it is not easy to store the generated electric energy in photovoltaic power generation, which has been in practical use for a long time. Therefore, while advances in energy storage technology are desired, chemical energies such as hydrogen are expected to become superior energies in energy storage, transportation, and the amount of energy per unit.
水素は燃焼や燃料電池型反応において酸素と反応して水のみを発生する点においてクリーンな燃料として注目を集めている。しかしながら、工業的な水素の製造は、主に天然ガスの水蒸気改質等により行われており、化石資源に依存しているだけでなく、その製造過程において二酸化炭素が排出される。したがって、燃料として水素を用いても、化石資源の枯渇や二酸化炭素による地球温暖化の問題は解消されない。 Hydrogen is attracting attention as a clean fuel in that it reacts with oxygen in combustion and fuel cell type reactions to generate only water. However, industrial hydrogen production is mainly carried out by steam reforming of natural gas, and not only depends on fossil resources, but also carbon dioxide is emitted in the production process. Therefore, using hydrogen as a fuel does not solve the problems of fossil resource depletion and global warming caused by carbon dioxide.
水を原料にして太陽光エネルギーを用いて水素を製造することができれば、化石資源を消費しないだけでなく二酸化炭素の排出もないため、地球環境問題やエネルギー問題の解決に貢献することになる。 If hydrogen can be produced from water as a raw material using solar energy, it will not only consume fossil resources but also emit no carbon dioxide, which will contribute to solving global environmental problems and energy problems.
水分解にて水素と酸素とを発生する光触媒には、水素発生用と酸素発生用の2種がある。なかでも、水を分解して水素を発生しうる光触媒として、種々の金属硫化物が提案されている。 There are two types of photocatalysts that generate hydrogen and oxygen by water decomposition, one for hydrogen generation and the other for oxygen generation. Among them, various metal sulfides have been proposed as photocatalysts capable of decomposing water to generate hydrogen.
特許文献1では、水素発生に有効な光触媒として、組成式 Zn1−2x(CuGa)xIn2S4で表される複合金属硫化物に関する報告がある。また、特許文献2では、水素発生に有効な光触媒として、CuInS2のCuまたはInの一部をAgまたはGaで置換した硫化物固溶体からなる光触媒に関する報告がなされている。また、特許文献3では、水素発生に有効な光触媒として、組成式 (CuAg)xIn2xZn2(1−2x)S2で表される可視光活性硫化物固溶体に関する報告がある。
非特許文献1では、同じく、水素発生に有効な光触媒として、固相法で合成された組成式Cu0.8Ga0.8−xInxZn0.4S2で表される金属硫化物光触媒が報告されている。
非特許文献2においては、固相法で合成された組成式(CuGa)xZn2(1−x)S2で表される金属硫化物光触媒が、同様に、水素発生に有効であることが示されている。
非特許文献3においても、硫化水素ガスを用いる溶液法で合成された組成式(CuIn)xZn2(1−x)S2で表される金属硫化物光触媒が水素生成活性を示すことが報告されている。
In
In
Even in
さらに、非特許文献4においては、水素発生に有効な光触媒CuGaS2について、金属塩化物をフラックス剤に用いるフラックス法による合成とその光触媒特性が報告されている。しかしながら、フラックス法により合成されたCuGaS2光触媒の水素生成活性は従来の固相法に比して低活性であることが示されている。
Further, Non-Patent
金属硫化物のバンド構造として、価電子帯は硫黄の3p軌道が占め、伝導帯は金属のsp軌道が占めることが知られている。硫黄3p軌道は酸素2p軌道に比べて卑側の位置にあるため、金属硫化物は、一般に、金属酸化物よりも、狭いバンドギャップ構造を取り、したがってより長波長の光を吸収できる。これが、金属硫化物が太陽エネルギー利用材料として期待される所以である。 As a band structure of metal sulfide, it is known that the valence band is occupied by the 3p orbital of sulfur, and the conduction band is occupied by the sp orbital of metal. Since the sulfur 3p orbital is located on the base side of the oxygen 2p orbital, the metal sulfide generally has a narrower bandgap structure than the metal oxide and can therefore absorb light of a longer wavelength. This is the reason why metal sulfide is expected as a material for utilizing solar energy.
実際、可視光を利用して水を分解して水素を発生しうる光触媒として提案されている種々の金属硫化物のなかでも、銅を含む硫化物である黄銅鉱(カルコパイライト)は、太陽電池として利用されているCIGS(Cu−In−Ga−Se)をはじめとして光応答材料として有用であるものが多い。しかしながら、可視光照射下で水分解に用いられる、それら硫化物材料の有する光触媒特性や光電気化学特性は、まだ十分とは言えない。 In fact, among the various metal sulfides proposed as photocatalysts that can decompose water to generate hydrogen using visible light, chalcopyrite, which is a sulfide containing copper, is a solar cell. Many of them are useful as photoresponsive materials, including CIGS (Cu-In-Ga-Se), which is used as a photocatalyst. However, the photocatalytic and photoelectrochemical properties of these sulfide materials used for water splitting under visible light irradiation are not yet sufficient.
従来のCGIZS(Cu−Ga−In−Zn−S)光触媒は、水分解による水素発生に適した光触媒として優れた性能を有するものの、水素生成活性の向上が必要であった。また、かかるCGIZS光触媒の光触媒電極への適用と、該光触媒電極の光電気化学特性の向上についても期待されていた。 Although the conventional CGIZS (Cu-Ga-In-Zn-S) photocatalyst has excellent performance as a photocatalyst suitable for hydrogen generation by water decomposition, it is necessary to improve the hydrogen production activity. It was also expected that the CGIZS photocatalyst would be applied to a photocatalyst electrode and that the photoelectrochemical properties of the photocatalyst electrode would be improved.
加えて、光触媒は、いまだに従来の固相法を用いて合成する方法が一般的だが、−2価の硫黄は酸化され易く、空気中の酸素による酸化を防ぐために、真空引きした石英アンプル管に封管するか又は窒素などの不活性ガス雰囲気下にて、800℃超の高温で長時間加熱しなければならなかった。工業的観点からは、真空プロセスや不活性ガス雰囲気下よりも大気中で製造できる方が望ましく、また、加熱条件もより低温・短時間が望ましいと考えられた。 In addition, photocatalysts are still generally synthesized using the conventional solid phase method, but -2-valent sulfur is easily oxidized, and in order to prevent oxidation by oxygen in the air, vacuumed quartz ampoule tubes are used. It had to be sealed or heated at a high temperature of over 800 ° C. for a long time in an atmosphere of an inert gas such as nitrogen. From an industrial point of view, it was considered that it was desirable to be able to produce in the atmosphere rather than in a vacuum process or an inert gas atmosphere, and it was desirable that the heating conditions were lower temperature and shorter time.
本発明は、かかる現状に鑑み、カルコパイライト型結晶構造を有する金属化合物ないし該金属化合物を含む光触媒の可視光照射下における水素生成活性およびそれを用いた光触媒電極(本明細書において、「光電極」ともいうことがある。)の光電気化学特性を向上することができ、従来の固相法よりも低温・短時間の加熱条件で、しかも大気中でも製造することができる、該金属化合物の製造方法、光触媒の製造方法、光触媒複合体の製造方法、光触媒電極、および該光触媒電極の製造方法を提供することを目的とする。 In view of the present situation, the present invention describes the hydrogen production activity of a metal compound having a calcopylite type crystal structure or a photocatalyst containing the metal compound under visible light irradiation, and a photocatalyst electrode using the same (in the present specification, "photocatalyst electrode". (Sometimes referred to as).) Production of the metal compound, which can improve the photoelectrochemical properties and can be produced in the air at a lower temperature and for a shorter time than the conventional solid phase method. It is an object of the present invention to provide a method, a method for producing a photocatalyst, a method for producing a photocatalyst composite, a photocatalyst electrode, and a method for producing the photocatalyst electrode.
光触媒あるいはそれを用いた光触媒電極を用いて可視光照射下に水を分解する際に、その活性を示す指標として、太陽エネルギー変換効率が一般的に用いられる。太陽エネルギー変換効率を向上させるためには、応答波長の長波長化、および、量子収率の向上、の2点が重要である。前者は、光触媒の組成等、光触媒自体の物性に関わるものであり、後者は、格子欠陥など、製造される光触媒の結晶状態や、粒子径や比表面積などの物理的な状態、また、表面修飾による活性点の状態など多岐に渡る要素が関わる。 When water is decomposed under visible light irradiation using a photocatalyst or a photocatalyst electrode using the same, solar energy conversion efficiency is generally used as an index showing the activity. In order to improve the solar energy conversion efficiency, it is important to lengthen the response wavelength and improve the quantum yield. The former is related to the physical properties of the photocatalyst itself, such as the composition of the photocatalyst, and the latter is the crystal state of the photocatalyst to be produced, such as lattice defects, the physical state such as particle size and specific surface area, and surface modification. A wide variety of factors are involved, such as the state of the active point due to the photocatalyst.
本発明者らは、上記課題を解決するためには、光触媒自体の高品位化が必要であり、その実現は、CGIZS光触媒の製法およびそれを用いた光触媒電極の製造方法を改良することにより可能となることを見出し、本発明を完成するに至った。 In order to solve the above problems, the present inventors need to improve the quality of the photocatalyst itself, which can be realized by improving the method for producing a CGIZS photocatalyst and the method for producing a photocatalyst electrode using the same. The present invention has been completed.
具体的には、本発明者らは、フラックス法と称される、フラックス剤(金属塩素化物等)の存在下に、大気下にて400℃〜800℃の比較的低温にて熱処理する方法を用いることにより、光触媒性能を大幅に向上することができることを見出した。従来、CGIZS光触媒の合成方法として、所定量の各硫化物Cu2S、Ga2S3、In2S3、ZnSを混合して、真空下または不活性ガス雰囲気下に、600℃〜1000℃くらいの高温で焼成する固相法が知られていたが、本発明は、かかる固相法よりも比較的低温でよく、しかも大気中で熱処理できる点で工業的に有利である。 Specifically, the present inventors have developed a method called a flux method, in which heat treatment is performed in the presence of a flux agent (metal chlorinated product, etc.) at a relatively low temperature of 400 ° C. to 800 ° C. in the atmosphere. It has been found that the photocatalytic performance can be significantly improved by using it. Conventionally, as a method for synthesizing a CGIZS photocatalyst, a predetermined amount of each sulfide Cu 2 S, Ga 2 S 3 , In 2 S 3 , Zn S is mixed, and the temperature is 600 ° C. to 1000 ° C. under a vacuum or an inert gas atmosphere. A solid-phase method of firing at a high temperature of about 2 has been known, but the present invention is industrially advantageous in that it can be heat-treated in the air at a relatively low temperature as compared with such a solid-phase method.
従来の固相法でなく、フラックス法にて低温で結晶を得る方法を用いることで、高品位な光触媒を得ることができており、その結果として、高性能な光水分解活性が得られたと考えられる。さらに、該光触媒を用いた光電極においても同様に高性能な水分解活性と光電気化学特性を示すことも併せて見出している。 By using a method of obtaining crystals at a low temperature by the flux method instead of the conventional solid-phase method, a high-quality photocatalyst could be obtained, and as a result, high-performance photowater decomposition activity was obtained. Conceivable. Furthermore, it has also been found that a photoelectrode using the photocatalyst also exhibits high-performance water splitting activity and photoelectrochemical properties.
具体的には、本発明は以下のようなものを提供する。
[1]
硫化第一銅(Cu2S)、硫化ガリウム(Ga2S3)、硫化インジウム(In2S3)、及び硫化亜鉛(ZnS)を含む金属硫化物の混合物を、金属塩化物の共存下に、400℃以上、800℃以下において熱処理することを含む、下記一般式で表されるカルコパイライト型結晶構造を有する金属化合物の製造方法。
一般式: CuxGax−y+kIny+jZn2(1−x)+mA2+n
(上記式中、x、y、k、j、m及びnは下記条件を満たし、AはSまたはSeを示す。
0<x<1、0≦y≦1、x>y、0≦k≦0.2、0≦j≦0.2、
0≦m≦0.2、0≦n≦0.8、n=3/2k+3/2j+m)
(本明細書において、上記一般式を「特定一般式」ということがある。)
[2]
前記金属塩化物が、アルカリ金属塩化物、及びアルカリ土類金属塩化物からなる群より選ばれる少なくとも1つの金属塩化物である、[1]に記載の製造方法。
[3]
前記金属塩化物が塩化リチウムと塩化カリウムとを含む、[1]または[2]に記載の製造方法。
[4]
前記塩化リチウムと前記塩化カリウムとのモル比が40:60〜80:20である、[3]に記載の製造方法。
[5]
前記金属硫化物の混合物に対する前記金属塩化物のモル比が1以上、20以下である、[1]から[4]のいずれか1項に記載の製造方法。
[6]
前記金属塩化物を構成する金属は、Cu、Ga、In及びZnではない金属であり、
前記金属塩化物に由来する金属からなる不純物の量が、前記一般式で表されるカルコパイライト型結晶構造を有する金属化合物の質量の100ppm未満である、[1]から[5]のいずれか1項に記載の製造方法。
Specifically, the present invention provides the following.
[1]
A mixture of metal sulfides containing cuprous sulfide (Cu 2 S), gallium sulfide (Ga 2 S 3 ), indium sulfide (In 2 S 3 ), and zinc sulfide (Zn S) in the presence of metal chloride. , A method for producing a metal compound having a chalcopyrite type crystal structure represented by the following general formula, which comprises heat treatment at 400 ° C. or higher and 800 ° C. or lower.
General formula: Cu x Ga x-y + k In y + j Zn 2 (1-x) + mA 2 + n
(In the above formula, x, y, k, j, m and n satisfy the following conditions, and A represents S or Se.
0 <x <1, 0 ≦ y ≦ 1, x> y, 0 ≦ k ≦ 0.2, 0 ≦ j ≦ 0.2,
0 ≦ m ≦ 0.2, 0 ≦ n ≦ 0.8, n = 3 / 2k + 3 / 2j + m)
(In the present specification, the above general formula may be referred to as a "specific general formula".)
[2]
The production method according to [1], wherein the metal chloride is at least one metal chloride selected from the group consisting of an alkali metal chloride and an alkaline earth metal chloride.
[3]
The production method according to [1] or [2], wherein the metal chloride contains lithium chloride and potassium chloride.
[4]
The production method according to [3], wherein the molar ratio of lithium chloride to potassium chloride is 40:60 to 80:20.
[5]
The production method according to any one of [1] to [4], wherein the molar ratio of the metal chloride to the mixture of the metal sulfide is 1 or more and 20 or less.
[6]
The metal constituting the metal chloride is a metal other than Cu, Ga, In and Zn.
Any one of [1] to [5], wherein the amount of impurities made of a metal derived from the metal chloride is less than 100 ppm of the mass of the metal compound having a chalcopyrite type crystal structure represented by the general formula. The manufacturing method described in the section.
[7]
下記一般式で表されるカルコパイライト型結晶構造を有する金属化合物を含む光触媒の製造方法であって、
前記金属化合物は、[1]から[6]のいずれか1項に記載の製造方法により製造される、光触媒の製造方法。
一般式: CuxGax−y+kIny+jZn2(1−x)+mA2+n
(上記式中、x、y、k、j、m及びnは下記条件を満たし、AはSまたはSeを示す。
0<x<1、0≦y≦1、x>y、0≦k≦0.2、0≦j≦0.2、
0≦m≦0.2、0≦n≦0.8、n=3/2k+3/2j+m)
[7]
A method for producing a photocatalyst containing a metal compound having a chalcopyrite type crystal structure represented by the following general formula.
A method for producing a photocatalyst, wherein the metal compound is produced by the production method according to any one of [1] to [6].
General formula: Cu x Ga x-y + k In y + j Zn 2 (1-x) + mA 2 + n
(In the above formula, x, y, k, j, m and n satisfy the following conditions, and A represents S or Se.
0 <x <1, 0 ≦ y ≦ 1, x> y, 0 ≦ k ≦ 0.2, 0 ≦ j ≦ 0.2,
0 ≦ m ≦ 0.2, 0 ≦ n ≦ 0.8, n = 3 /
[8]
下記一般式で表されるカルコパイライト型結晶構造を有する金属化合物を含む光触媒と、助触媒及び表面修飾剤からなる群より選択される少なくとも1つとを含む光触媒複合体の製造方法であって、
前記光触媒は、[7]に記載の製造方法により製造され、
前記助触媒は、ルテニウム、白金、イリジウム、パラジウム及び金からなる群より選択される少なくとも1つであって、前記金属化合物に担持されており、
前記表面修飾剤は、CdS、ZnS及びIn2S3からなる群より選ばれる少なくとも1つであって、前記金属化合物の表面を修飾している、
光触媒複合体の製造方法。
一般式: CuxGax−y+kIny+jZn2(1−x)+mA2+n
(上記式中、x、y、k、j、m及びnは下記条件を満たし、AはSまたはSeを示す。
0<x<1、0≦y≦1、x>y、0≦k≦0.2、0≦j≦0.2、
0≦m≦0.2、0≦n≦0.8、n=3/2k+3/2j+m)
[8]
A method for producing a photocatalyst complex containing a photocatalyst containing a metal compound having a chalcopyrite crystal structure represented by the following general formula, and at least one selected from the group consisting of a cocatalyst and a surface modifier.
The photocatalyst is produced by the production method according to [7].
The co-catalyst is at least one selected from the group consisting of ruthenium, platinum, iridium, palladium and gold, and is supported on the metal compound.
The surface modifier, CdS, comprising at least one selected from the group consisting of ZnS and an In 2 S 3, and modifying the surface of the metal compound,
A method for producing a photocatalytic complex.
General formula: Cu x Ga x-y + k In y + j Zn 2 (1-x) + mA 2 + n
(In the above formula, x, y, k, j, m and n satisfy the following conditions, and A represents S or Se.
0 <x <1, 0 ≦ y ≦ 1, x> y, 0 ≦ k ≦ 0.2, 0 ≦ j ≦ 0.2,
0 ≦ m ≦ 0.2, 0 ≦ n ≦ 0.8, n = 3 /
[9]
[1]から[6]のいずれか1項に記載の製造方法により製造された前記一般式で表されるカルコパイライト型結晶構造を有する金属化合物、
前記金属化合物を含む光触媒、又は
前記光触媒と、助触媒及び表面修飾剤からなる群より選択される少なくとも1つとを含む光触媒複合体が
集電導電体層上に積層された光触媒電極であって、
前記助触媒は、ルテニウム、白金、イリジウム、パラジウム及び金からなる群より選択される少なくとも1つであって、前記金属化合物に担持されており、
前記表面修飾剤は、CdS、ZnS及びIn2S3からなる群より選ばれる少なくとも1つであって、前記金属化合物の表面を修飾している、
光触媒電極。
[10]
前記集電導電体層は、Auおよびカーボンからなる群より選択される少なくとも1種の集電導電体を含み、
前記光触媒複合体が集電導電体層上に積層された、[9]に記載の光触媒電極。
[11]
水素発生用である、[9]又は[10]に記載の光触媒電極。
[9]
A metal compound having a chalcopyrite-type crystal structure represented by the general formula, which is produced by the production method according to any one of [1] to [6].
A photocatalyst electrode in which a photocatalyst containing the metal compound or a photocatalyst composite containing the photocatalyst and at least one selected from the group consisting of a co-catalyst and a surface modifier is laminated on a current collecting conductor layer.
The co-catalyst is at least one selected from the group consisting of ruthenium, platinum, iridium, palladium and gold, and is supported on the metal compound.
The surface modifier, CdS, comprising at least one selected from the group consisting of ZnS and an In 2 S 3, and modifying the surface of the metal compound,
Photocatalytic electrode.
[10]
The current collector layer contains at least one current collector selected from the group consisting of Au and carbon.
The photocatalyst electrode according to [9], wherein the photocatalyst composite is laminated on the current collector conductor layer.
[11]
The photocatalytic electrode according to [9] or [10], which is used for hydrogen generation.
[12]
下記一般式で表されるカルコパイライト型結晶構造を有する金属化合物、該金属化合物を含む光触媒、又は該光触媒と、助触媒及び表面修飾剤からなる群より選択される少なくとも1つとを含む光触媒複合体を集電導電体層上に積層することを含む、光触媒電極の製造方法であって、
前記金属化合物は、[1]から[6]のいずれか1項に記載の製造方法により製造され、
前記光触媒は、[7]に記載の製造方法により製造され、
前記光触媒複合体は、[8]に記載の製造方法により製造される、
光触媒電極の製造方法。
[13]
前記集電導電体層は、Auおよびカーボンからなる群より選択される少なくとも1種の集電導電体を含み、
前記光触媒複合体が集電導電体層上に積層された、[12]に記載の光触媒電極の製造方法。
[14]
水素発生用である、[12]又は[13]に記載の光触媒電極。
[12]
A metal compound having a calcopyrite crystal structure represented by the following general formula, a photocatalyst containing the metal compound, or a photocatalyst complex containing the photocatalyst and at least one selected from the group consisting of a cocatalyst and a surface modifier. Is a method for manufacturing a photocatalyst electrode, which comprises laminating a photocatalyst electrode on a current collecting conductor layer.
The metal compound is produced by the production method according to any one of [1] to [6].
The photocatalyst is produced by the production method according to [7].
The photocatalyst complex is produced by the production method according to [8].
A method for manufacturing a photocatalytic electrode.
[13]
The current collector layer contains at least one current collector selected from the group consisting of Au and carbon.
The method for producing a photocatalyst electrode according to [12], wherein the photocatalyst composite is laminated on a current collector conductor layer.
[14]
The photocatalytic electrode according to [12] or [13], which is used for hydrogen generation.
本発明によれば、上述の特定一般式で表されるカルコパイライト型結晶構造を有する金属化合物ないし該金属化合物を含む光触媒の可視光照射下における水素生成活性およびそれを用いた光触媒電極の光電気化学特性を向上することができ、従来の固相法よりも低温・短時間の加熱条件で、しかも大気中でも製造することができる、該金属化合物の製造方法、光触媒の製造方法、光触媒複合体の製造方法、光触媒電極、および該光触媒電極の製造方法を提供することができる。 According to the present invention, the hydrogen generation activity of a metal compound having a calcopylite type crystal structure represented by the above-mentioned specific general formula or a photocatalyst containing the metal compound under visible light irradiation and the photoelectricity of the photocatalyst electrode using the same. A method for producing the metal compound, a method for producing a photocatalyst, and a method for producing a photocatalyst complex, which can improve chemical properties and can be produced under heating conditions at a lower temperature and for a shorter time than the conventional solid phase method and also in the atmosphere. A manufacturing method, a photocatalytic electrode, and a method for manufacturing the photocatalytic electrode can be provided.
こうして得られる上記金属化合物ないし光触媒は、可視光照射下における水分解による水素生成反応に高い活性を示すことから、高性能な水分解性能が期待され、CGIZS光触媒の光触媒性能を向上することができる。特に、かかる光触媒を水素発生用の光電極として用いた場合に、可視光照射下における水分解において高い水素生成活性を示すとともに光電極の光電気化学特性を向上し、光電極の性能を向上することができる。
また、本発明の製造方法は、工業的な製法という観点からも、従来の固相法よりもシンプルかつ低エネルギーのプロセスであるといえる。
Since the above-mentioned metal compound or photocatalyst thus obtained exhibits high activity in the hydrogen generation reaction by water decomposition under visible light irradiation, high-performance water decomposition performance can be expected and the photocatalytic performance of the CGIZS photocatalyst can be improved. .. In particular, when such a photocatalyst is used as a photoelectrode for hydrogen generation, it exhibits high hydrogen generation activity in water splitting under visible light irradiation, improves the photoelectrochemical properties of the photoelectrode, and improves the performance of the photoelectrode. be able to.
Further, the manufacturing method of the present invention can be said to be a simpler and lower energy process than the conventional solid phase method from the viewpoint of an industrial manufacturing method.
以下、具体的な形態を示す。
フラックス法を用いる上述の特定一般式で表される金属化合物ないし光触媒の製造方法、助触媒・表面修飾方法、光触媒電極の作製方法、水分解による水素製造方法について順に記述する。
Hereinafter, a specific form will be shown.
A method for producing a metal compound or a photocatalyst represented by the above-mentioned specific general formula using the flux method, a method for cocatalyst / surface modification, a method for producing a photocatalyst electrode, and a method for producing hydrogen by water splitting will be described in order.
1.光触媒の組成
本発明における光触媒を構成する金属化合物の組成は、下記一般式
CuxGax−y+kIny+jZn2(1−x)+mA2+n
(0<x<1、 0≦y≦1、 x>y、 0≦k≦0.2、 0≦j≦0.2、
0≦m≦0.2、 0≦n≦0.8、 n=3/2k+3/2j+m、A=SまたはSe)
で表される。本発明における該金属化合物ないし該金属化合物を含む光触媒はカルコパイライト型結晶構造を有していることが重要であり、この一般式および各成分範囲で規定される組成の金属化合物は、カルコパイライト型結晶構造を容易に形成することができる。本明細書において、かかる「一般式で表されるカルコパイライト型結晶構造を有する金属化合物」を「特定一般式で表される金属化合物」、「該金属化合物」などと略記することがある。本明細書において、かかる金属化合物と該金属化合物を含む光触媒との双方に該当する場合などにおいて単に「光触媒」と称して説明することがある。また、本明細書において、上記一般式で表される金属化合物ないし該金属化合物を含む光触媒を「CGIZS光触媒」ないし「CGIZS」ということがある。
1. 1. Composition of Photocatalyst The composition of the metal compound constituting the photocatalyst in the present invention is the following general formula Cu x Ga xy + k In y + j Zn 2 (1-x) + mA 2 + n
(0 <x <1, 0 ≦ y ≦ 1, x> y, 0 ≦ k ≦ 0.2, 0 ≦ j ≦ 0.2,
0 ≦ m ≦ 0.2, 0 ≦ n ≦ 0.8, n = 3 /
It is represented by. It is important that the metal compound or the photocatalyst containing the metal compound in the present invention has a chalcopyrite type crystal structure, and the metal compound having a composition defined by this general formula and each component range is a chalcopyrite type. The crystal structure can be easily formed. In the present specification, such "a metal compound having a chalcopyrite type crystal structure represented by a general formula" may be abbreviated as "a metal compound represented by a specific general formula", "the metal compound" and the like. In the present specification, when both the metal compound and the photocatalyst containing the metal compound are applicable, the term “photocatalyst” may be simply used for description. Further, in the present specification, the metal compound represented by the above general formula or a photocatalyst containing the metal compound may be referred to as "CGIZS photocatalyst" or "CGIZS".
この一般式において、k、j、m、nを含まない、一般式CuxGax−yInyZn2(1−x)A2(0<x<1、0≦y≦1、x>y、A=SまたはSe)で示される組成の光触媒は、従来のカルコパイライト型を示す組成を示すものであり、xおよびyはCu、Ga、In、およびZnの相補的な量関係を示すものである。 In this general formula, k, j, m, n are not included, and the general formula Cu x Ga x-y In y Zn 2 (1-x) A 2 (0 <x <1, 0 ≦ y ≦ 1, x> The photocatalyst having the composition represented by y, A = S or Se) shows the composition showing the conventional chalcopyrite type, and x and y show the complementary quantitative relationship of Cu, Ga, In and Zn. It is a thing.
さらに、本発明の一般式CuxGax−y+kIny+jZn2(1−x)+mA2+n(0<x<1、0≦y≦1、x>y、0≦k≦0.2、0≦j≦0.2、0≦m≦0.2、0≦n≦0.8、n=3/2k+3/2j+m、A=SまたはSe)は、上記のxおよびyに加えて、k、j、m、nを含むものである。これら、k、j、m、nは、各々、Ga、In、Zn、Sの各成分の過剰量を示すものであり、本発明では、これら成分を適度に過剰に用いることにより、光触媒の性能を従来の組成のものに対して向上することができる。k、j、m、およびnは、それぞれ、上述の特定一般式に記載のとおり、0≦k≦0.2、0≦j≦0.2、0≦m≦0.2、0≦n≦0.8であるが、0.02≦k≦0.16、0.02≦j≦0.16、0.02≦m≦0.16、0.08≦n≦0.64であることが好ましく、0.04≦k≦0.12、0.04≦j≦0.12、0.04≦m≦0.12、0.16≦n≦0.48であることがより好ましい。
Further, the general formula Cu x Ga x−y + k In y + j Zn 2 (1-x) + mA 2 + n (0 <x <1, 0 ≦ y ≦ 1, x> y, 0 ≦ k ≦ 0.2, of the present invention, 0 ≦ j ≦ 0.2, 0 ≦ m ≦ 0.2, 0 ≦ n ≦ 0.8, n = 3 /
また、本発明では、0<x<1、0≦y≦1、x>yであるが、0.4≦x≦0.8、0.2≦y≦0.8であることが好ましく、0.4≦x≦0.8、0.3≦y≦0.6であることがより好ましい。これら、xおよびyが変化することによって、光吸収特性や光電気化学特性が変化することがわかっているが、上記範囲内のxおよびyであれば、得られる光触媒が優れた水素生成活性を有することができる。 Further, in the present invention, 0 <x <1, 0 ≦ y ≦ 1, x> y, but 0.4 ≦ x ≦ 0.8, 0.2 ≦ y ≦ 0.8 is preferable. More preferably, 0.4 ≦ x ≦ 0.8 and 0.3 ≦ y ≦ 0.6. It is known that the light absorption characteristics and the photoelectrochemical characteristics change by changing these x and y, but if x and y are within the above range, the obtained photocatalyst has excellent hydrogen production activity. Can have.
2.光触媒の製造法
本発明におけるCGIZS光触媒の製法は、フラックス法と称される製法を用いて比較的低温で高品位な光触媒結晶を育成することができる。具体的には、本発明の金属化合物ないし該金属化合物を含む光触媒の製造方法は、出発原料に、硫化第一銅(Cu2S)、硫化ガリウム(Ga2S3)、硫化インジウム(In2S3)、硫化亜鉛(ZnS)等の金属硫化物、あるいは、セレン化第一銅(Cu2Se)、セレン化ガリウム(Ga2Se3)、セレン化インジウム(In2Se3)、セレン化亜鉛(ZnSe)等の金属セレン化物を用いて、金属塩化物からなるフラックス剤の存在下に400℃以上、800℃以下において熱処理することを含む。かかる製造方法により、高性能なCGIZS光触媒を得ることができる。
2. Method for producing photocatalyst In the method for producing a CGIZS photocatalyst in the present invention, a high-quality photocatalyst crystal can be grown at a relatively low temperature by using a production method called a flux method. Specifically, the method for producing a metal compound of the present invention or a photocatalyst containing the metal compound uses cuprous sulfide (Cu 2 S), gallium sulfide (Ga 2 S 3 ), and indium sulfide (In 2) as starting materials. Metallic sulfides such as S 3 ) and zinc sulfide (ZnS), or cuprous serene (Cu 2 Se), gallium selenide (Ga 2 Se 3 ), indium selenide (In 2 Se 3 ), and selenization. It includes heat treatment at 400 ° C. or higher and 800 ° C. or lower in the presence of a flux agent composed of metal chloride using a metal selenide such as zinc (ZnSe). By such a manufacturing method, a high-performance CGIZS photocatalyst can be obtained.
結晶の育成は、液相法、気相法および固相法に分類できる。大きな結晶を育成するには、構成原子などの再配列のしやすさから、液相を経由することが有利とされる。液相からの結晶育成は、融液法と溶液法に分けられる。 Crystal growth can be classified into liquid phase method, vapor phase method and solid phase method. In order to grow a large crystal, it is advantageous to go through the liquid phase because of the ease of rearranging the constituent atoms and the like. Crystal growth from the liquid phase can be divided into a melt method and a solution method.
溶液法は、目的結晶の化学組成とまったく同じ組成の液相からの結晶育成法である。過冷却が結晶成長の駆動力となるため、冷却方法を工夫して結晶を育成させる。
一方、溶媒を用いる溶液法には、水溶液法、水熱法およびフラックス(融剤)法があり、溶液の徐冷や溶媒の蒸発による過飽和が結晶化の駆動力である。水溶液法は、水を溶媒とし、室温に近い温度での結晶を育成する。水熱法では、100℃を越す水を溶媒とした高温高圧条件下で結晶を育成する。水溶液法や水熱法の場合、所定の条件下で目的結晶の構成成分が水にまず溶解し、次いで結晶化する。
The solution method is a crystal growth method from a liquid phase having exactly the same composition as the chemical composition of the target crystal. Since supercooling is the driving force for crystal growth, the cooling method is devised to grow crystals.
On the other hand, the solution method using a solvent includes an aqueous solution method, a hydrothermal method and a flux (melting agent) method, and supersaturation due to slow cooling of the solution or evaporation of the solvent is the driving force for crystallization. In the aqueous solution method, water is used as a solvent to grow crystals at a temperature close to room temperature. In the hydrothermal method, crystals are grown under high temperature and high pressure conditions using water exceeding 100 ° C. as a solvent. In the case of the aqueous solution method or the hydrothermal method, the constituent components of the target crystal are first dissolved in water and then crystallized under predetermined conditions.
水を溶媒としない場合であっても、無機化合物(酸化物、ハロゲン化物など)、金属などは、高温で融解することで溶媒になる。これらの溶媒をフラックスまたはフラックス剤と称し、それを用いる結晶育成法がフラックス法である。フラックスに溶質を溶解させ、溶液の冷却やフラックスの蒸発による過飽和度の変化を駆動力として、結晶を育成する。 Even when water is not used as a solvent, inorganic compounds (oxides, halides, etc.), metals, etc. can be used as a solvent by melting at a high temperature. These solvents are called flux or flux agent, and the crystal growth method using the flux is the flux method. The solute is dissolved in the flux, and crystals are grown using the change in supersaturation due to the cooling of the solution and the evaporation of the flux as the driving force.
フラックス法の長所は、物質(溶質)の融点よりもはるかに低い温度で結晶が成長すること、成長しながら、結晶構造を反映したフラットな結晶面で囲まれた自形をもつこと、装置が簡便で操作が易しいこと、などが挙げられる。自形とは結晶本来の形である。自形をもつことが可能なフラックス法を用いて結晶を育成することにより、結晶方位の指定を容易にすることができる。 The advantages of the flux method are that the crystal grows at a temperature much lower than the melting point of the substance (solute), and that the device has a self-shaped structure surrounded by a flat crystal plane that reflects the crystal structure while growing. It is simple and easy to operate. The automorphic form is the original form of the crystal. By growing a crystal using a flux method capable of having an automorphic shape, it is possible to easily specify the crystal orientation.
出発原料として用いる金属硫化物としては、具体的には、硫化第一銅(Cu2S)、硫化ガリウム(Ga2S3)、硫化インジウム(In2S3)、および硫化亜鉛(ZnS)を含む金属硫化物の混合物を用いる。 Specific examples of the metal sulfide used as a starting material include cuprous sulfide (Cu 2 S), gallium sulfide (Ga 2 S 3 ), indium sulfide (In 2 S 3 ), and zinc sulfide (Zn S). Use a mixture of metal sulfides containing.
フラックス法においては、適切なフラックス剤を選定することが重要である。フラックス法は溶液からの結晶成長であり、必ず溶解と析出の過程を経る。フラックスには溶質を溶解し、次いで過飽和溶液から結晶化させる能力が求められるため、溶質を十分に溶解する、結晶を安定して析出させるなどの性質が必要である。また、フラックスは低融点が望ましく、不純物として結晶に混入しないことも求められる要件となる。 In the flux method, it is important to select an appropriate flux agent. The flux method is crystal growth from a solution and always goes through the processes of dissolution and precipitation. Since the flux is required to have the ability to dissolve the solute and then crystallize from the supersaturated solution, it is necessary to have properties such as sufficiently dissolving the solute and stably precipitating the crystal. Further, it is desirable that the flux has a low melting point, and it is also a requirement that the flux is not mixed into the crystal as an impurity.
本実施態様では、フラックス剤として用いられる物質は、特に限定されないが、金属塩化物、例えば、塩化リチウム、塩化ナトリウム、塩化カリウム、塩化セシウムなどのアルカリ金属塩化物、塩化カルシウム、塩化ストロンチウム、塩化バリウムなどのアルカリ土類金属塩化物が好適に用いられ、なかでも、塩化リチウム、塩化ナトリウム、塩化カリウム、塩化セシウムがより好ましく、かかる金属塩化物の2種以上の混合物からなる共晶溶融塩がさらに好ましい。 In this embodiment, the substance used as the flux agent is not particularly limited, but is limited to metal chlorides, for example, alkali metal chlorides such as lithium chloride, sodium chloride, potassium chloride and cesium chloride, calcium chloride, strontium chloride and barium chloride. Alkaline earth metal chlorides such as, among others, lithium chloride, sodium chloride, potassium chloride, and cesium chloride are more preferable, and eutectic molten salts composed of a mixture of two or more of such metal chlorides are further preferable. preferable.
例えば、塩化リチウム(融点605℃)と塩化カリウム(融点770℃)との混合物は59.5:40.5のモル比で融点352℃の共晶溶融塩を形成する。また、塩化ナトリウム(融点801℃)と塩化セシウム(融点645℃)の混合物も35:65のモル比で融点486℃の共晶溶融塩となる。 For example, a mixture of lithium chloride (melting point 605 ° C.) and potassium chloride (melting point 770 ° C.) forms a eutectic molten salt with a melting point of 352 ° C. in a molar ratio of 59.5: 40.5. A mixture of sodium chloride (melting point 801 ° C.) and cesium chloride (melting point 645 ° C.) is also a eutectic molten salt having a melting point of 486 ° C. at a molar ratio of 35:65.
金属塩化物としては、特に、塩化リチウムと塩化カリウムとの組合せが特に好ましい。塩化リチウムと塩化カリウムとの混合組成としては、その融点を低下させる点で、塩化リチウムと塩化カリウムとのモル比が40:60〜80:20であることが好ましく、50:50〜70:30であることがより好ましく、その融点が最低となる点で、59.5:40.5であることが特に好ましい。本実施態様では、金属塩化物として、塩化リチウムと塩化カリウムのモル比59.5:40.5付近の混合物が好適に用いられる。 As the metal chloride, a combination of lithium chloride and potassium chloride is particularly preferable. The mixed composition of lithium chloride and potassium chloride preferably has a molar ratio of lithium chloride to potassium chloride of 40:60 to 80:20, preferably 50:50 to 70:30, in terms of lowering its melting point. Is more preferable, and 59.5: 40.5 is particularly preferable in that the melting point is the lowest. In this embodiment, as the metal chloride, a mixture of lithium chloride and potassium chloride having a molar ratio of about 59.5: 40.5 is preferably used.
用いるフラックス剤、すなわち、上記金属塩化物の量は、特に限定されないが、原料の金属硫化物の混合物の量に対して、モル比で1以上、約20以下が好ましく、通常は5以上、約10倍以下が好適である。かかる範囲内であると、本実施態様の上述の特定一般式で表される金属化合物ないし光触媒の製造方法における熱処理を低温化しやすく、また、上述の特定一般式の成分範囲を容易に達成することができる。 The amount of the flux agent used, that is, the metal chloride is not particularly limited, but is preferably 1 or more and about 20 or less in terms of molar ratio with respect to the amount of the mixture of the metal sulfide as the raw material, and usually 5 or more and about. 10 times or less is preferable. Within such a range, the heat treatment in the method for producing a metal compound or photocatalyst represented by the above-mentioned specific general formula of the present embodiment can be easily lowered to a low temperature, and the component range of the above-mentioned specific general formula can be easily achieved. Can be done.
本実施態様における熱処理、すなわち、フラックス時の温度としては、400℃以上、800℃以下が好ましく、450℃以上、750℃以下がより好ましい。
熱処理の時間としては、0.5時間以上、50時間以下が好ましく、1時間以上、30時間以下がより好ましく、2時間以上、20時間以下がさらに好ましい。
熱処理における昇温速度としては、0.5℃/分以上、20℃/分以下が好ましく、1℃/分以上、15℃/分以下がより好ましい。
The heat treatment in this embodiment, that is, the temperature at the time of flux is preferably 400 ° C. or higher and 800 ° C. or lower, and more preferably 450 ° C. or higher and 750 ° C. or lower.
The heat treatment time is preferably 0.5 hours or more and 50 hours or less, more preferably 1 hour or more and 30 hours or less, and further preferably 2 hours or more and 20 hours or less.
The rate of temperature rise in the heat treatment is preferably 0.5 ° C./min or more and 20 ° C./min or less, and more preferably 1 ° C./min or more and 15 ° C./min or less.
本実施態様における熱処理における降温速度としては、0.5℃/分以上、20℃/分以下が好ましく、1℃/分以上、15℃/分以下がより好ましい。特に、降温については、結晶成長への影響が大きいことから、一定速度で降温するだけでなく、途中で一定温度において保持する、途中で降温速度を変更するなどの工夫が有効な場合がある。具体的には、1℃/分以上、15℃/分以下の降温速度において降温した後、300℃以上、600℃以下における一定温度において30分以上、300分以下の時間保持し、次いで1℃/分以上、15℃/分以下の降温速度において室温付近まで降温する方法などが挙げられる。 The temperature lowering rate in the heat treatment in the present embodiment is preferably 0.5 ° C./min or more and 20 ° C./min or less, and more preferably 1 ° C./min or more and 15 ° C./min or less. In particular, since the temperature drop has a large effect on crystal growth, it may be effective not only to lower the temperature at a constant rate but also to maintain the temperature at a constant temperature in the middle or change the temperature drop rate in the middle. Specifically, after lowering the temperature at a temperature lowering rate of 1 ° C./min or higher and 15 ° C./min or lower, the temperature is maintained at a constant temperature of 300 ° C. or higher and 600 ° C. or lower for 30 minutes or longer and 300 minutes or lower, and then 1 ° C. Examples thereof include a method of lowering the temperature to near room temperature at a temperature lowering rate of / min or more and 15 ° C./min or less.
本実施態様における熱処理は、大気中で行うことができ、通常、0.1×105Pa以上、2000×105Pa以下、例えば1×105Pa以上、1000×105Pa以下の圧力において行うことができる。かかる熱処理は、例えば、密閉系の反応容器内において行うことができる。従って、本実施態様における熱処理は、真空下に熱処理する必要がなく、また、原料とする金属硫化物およびフラックス剤とする金属塩化物を石英製ガラス管、石英アンプル管などの閉鎖系の反応容器内において熱処理する必要がないが、本実施態様における熱処理ないしフラックス時における雰囲気は特に限定されず、大気下、または不活性ガス雰囲気下、さらには、通常、減圧下ないし真空下のいずれの雰囲気も適用可能であり、密閉系の反応容器内における熱処理を行ってもよい。本実施態様における熱処理ないしフラックス時における雰囲気としては、装置内、不活性ガス雰囲気下、または真空下が好ましく、真空下がより好ましい。 The heat treatment in this embodiment can be carried out in the atmosphere and is usually carried out at a pressure of 0.1 × 10 5 Pa or more and 2000 × 10 5 Pa or less, for example, 1 × 10 5 Pa or more and 1000 × 10 5 Pa or less. It can be carried out. Such heat treatment can be performed, for example, in a closed reaction vessel. Therefore, the heat treatment in the present embodiment does not need to be heat-treated under vacuum, and the metal sulfide as a raw material and the metal chloride as a flux agent are used as a closed reaction vessel such as a quartz glass tube or a quartz ampol tube. Although it is not necessary to heat-treat the inside, the atmosphere at the time of heat treatment or flux in the present embodiment is not particularly limited, and any atmosphere under the atmosphere or an inert gas atmosphere, and usually under reduced pressure or vacuum. It is applicable and heat treatment may be performed in a closed reaction vessel. The atmosphere during the heat treatment or flux in this embodiment is preferably in the apparatus, under an inert gas atmosphere, or under vacuum, and more preferably under vacuum.
上記熱処理(フラックス)を行った後は、水により洗浄してフラックス剤を除去することが好ましい。金属硫化物およびCGIZSは水に不溶であり、金属塩化物は水に可溶であるので、水洗浄により効果的にフラックス剤である金属塩化物を除去することができる。
洗浄に用いる水の量、洗浄回数、洗浄時間などは、特に限定されず、洗浄水に塩素が検出されなくなるまでというのが通常の指標となる。水による洗浄方法としては、例えば、1回の洗浄あたり固形物の2〜20倍の体積の水を用いて、洗浄回数は通常3回以上、洗浄時間は5分以上/回で行うことが挙げられる。通常、かかる範囲内であれば、洗浄回数は6回以下、洗浄時間は60分以下/回で行うことができる。
After the heat treatment (flux) is performed, it is preferable to wash with water to remove the flux agent. Since the metal sulfide and CGIZS are insoluble in water and the metal chloride is soluble in water, the metal chloride which is a flux agent can be effectively removed by washing with water.
The amount of water used for washing, the number of washings, the washing time, and the like are not particularly limited, and the usual index is until chlorine is no longer detected in the washing water. As a method of washing with water, for example, using water having a
洗浄後は、通常、CGIZS光触媒を乾燥させる。乾燥方法は、特に限定されないが、熱負荷をあまりかけずに水分を除去することが望ましい。室温〜50℃くらいで、常圧または減圧下に乾燥させることが好ましい。 After washing, the CGIZS photocatalyst is usually dried. The drying method is not particularly limited, but it is desirable to remove the moisture without applying a large heat load. It is preferable to dry at room temperature to about 50 ° C. under normal pressure or reduced pressure.
上記製造方法により得られる、上述の特定一般式で表される金属化合物ないし光触媒中に残存するフラックス不純物の量は、該金属化合物ないし光触媒の質量に対して100ppm以下であることが好ましい。具体的には、該金属化合物ないし光触媒の質量に対して、フラックスに用いた金属塩化物に由来する金属成分としては、500ppm以下が好ましく、200ppm未満がより好ましく、100ppm以下がさらに好ましく金属塩化物に由来する塩素としては、50ppm以下が好ましく、10ppm以下がより好ましい。 The amount of flux impurities remaining in the metal compound or photocatalyst represented by the above-mentioned specific general formula obtained by the above production method is preferably 100 ppm or less with respect to the mass of the metal compound or photocatalyst. Specifically, with respect to the mass of the metal compound or the photocatalyst, the metal component derived from the metal chloride used in the flux is preferably 500 ppm or less, more preferably less than 200 ppm, still more preferably 100 ppm or less. The chlorine derived from is preferably 50 ppm or less, more preferably 10 ppm or less.
また、こうして製造されたCGIZS光触媒は、組成の異なるものを複数種混合することで光触媒として利用することもできる。光照射により励起されて生成する電子と正孔が光触媒内で再結合せずに移動する上で、組成が一定の均質な光触媒よりも組成が不均一な光触媒を混合して用いる方がよりよい性能を示すことがある。その場合、酸素を含まない不活性ガス雰囲気下または減圧下で150〜600℃の範囲内の所定温度にて熱処理することが望ましい。加熱によって粒子どうしの相溶化を促すことで、粒界のポテンシャル障壁による導通抵抗が緩和される。 Further, the CGIZS photocatalyst thus produced can also be used as a photocatalyst by mixing a plurality of types having different compositions. In order for electrons and holes generated by being excited by light irradiation to move in the photocatalyst without recombination, it is better to mix and use a photocatalyst having a non-uniform composition than a homogeneous photocatalyst having a constant composition. May show performance. In that case, it is desirable to heat-treat at a predetermined temperature within the range of 150 to 600 ° C. under an atmosphere of an inert gas containing no oxygen or under reduced pressure. By promoting the compatibility of particles with each other by heating, the conduction resistance due to the potential barrier at the grain boundaries is relaxed.
本実施態様の製造方法により製造される、上述の特定一般式で表される金属化合物ないし光触媒は、光水分解反応用の光触媒として好適に利用することができる。その場合、光水分解反応に供される光触媒の形態としては、特に限定されず、例えば、水中に光触媒を分散させる形態、光触媒を成形体として当該成形体を水中に設置する形態、基材上に光触媒を含む層を設けて積層体とし当該積層体を水中に設置する形態、集電体上に光触媒を固定化して光水分解反応用の光触媒電極とし対極とともに水中に設置する形態等が挙げられ、後者の光触媒電極の形態が好ましい。光触媒電極については後述する。
光触媒を設置する水は、液体状または気体状であってよい。また、上記の水としては、電解質水溶液を用いてもよい。
The metal compound or photocatalyst represented by the above-mentioned specific general formula produced by the production method of the present embodiment can be suitably used as a photocatalyst for a photowater decomposition reaction. In that case, the form of the photocatalyst to be subjected to the photowater decomposition reaction is not particularly limited, and for example, a form in which the photocatalyst is dispersed in water, a form in which the photocatalyst is used as a molded body and the molded body is placed in water, and a substrate A layer containing a photocatalyst is provided in the water to form a laminate, and the laminate is installed in water. A photocatalyst is immobilized on a current collector to form a photocatalyst electrode for a photocatalyst decomposition reaction, and the laminate is installed in water together with a counter electrode. The latter form of the photocatalytic electrode is preferable. The photocatalytic electrode will be described later.
The water in which the photocatalyst is installed may be liquid or gaseous. Moreover, you may use an aqueous electrolyte solution as the said water.
3.助触媒担持および表面修飾
本硫化物触媒は光励起された電子を用いて水を還元して水素を生成するが、助触媒はその活性点として機能する。その際に、光励起された電子が助触媒の表面において水分子に電子を与えることで水素分子が生成すると考えられる。
3. 3. Supporting co-catalyst and surface modification This sulfide catalyst uses photoexcited electrons to reduce water to produce hydrogen, and the co-catalyst functions as its active site. At that time, it is considered that the photoexcited electrons donate electrons to the water molecules on the surface of the co-catalyst to generate hydrogen molecules.
従って、光水分解に供される光触媒が光水分解活性を効果的に発揮するためには、光触媒表面に水素発生を促進する助触媒を担持して用いることが好ましい。また、光励起された電子が効率よく電荷分離して触媒表面に担持された助触媒に移動する、あるいは、光触媒自体が水との接触によって経時劣化が起ることを緩和するなどのために、光触媒の表面を修飾することが性能向上や安定性付与に望ましい。 Therefore, in order for the photocatalyst used for photowater decomposition to effectively exert its photowater decomposition activity, it is preferable to support and use an auxiliary catalyst that promotes hydrogen generation on the surface of the photocatalyst. In addition, the photocatalyst is used to efficiently separate the charge of the photoexcited electrons and move them to the co-catalyst supported on the surface of the catalyst, or to alleviate the deterioration of the photocatalyst itself due to contact with water over time. It is desirable to modify the surface of the surface to improve performance and impart stability.
本実施態様において、助触媒担持および/または光触媒の表面修飾は、例えば、上述の特定一般式で表される金属化合物ないし該金属化合物を含む光触媒と、後述の集電体とを積層する前に行ってもよいが、該集電体と積層した後に行ってもよい。
本実施態様において、助触媒担持を行い、光触媒の表面修飾を行わないことでもよく、また、逆に光触媒の表面修飾を行い、助触媒担持を行わないことでもよいが、助触媒担持および光触媒の表面修飾の両方を行うことが好ましい。
助触媒担持と、光触媒の表面修飾とは、両方行う場合、いずれを先に行ってもよく、例えば、助触媒担持を行った後、かかる光触媒の表面修飾を行ってもよいし、逆に、光触媒の表面修飾を行った後、かかる助触媒担持を行ってもよい。
In the present embodiment, the co-catalyst loading and / or the surface modification of the photocatalyst is performed, for example, before laminating the metal compound represented by the above-mentioned specific general formula or the photocatalyst containing the metal compound and the current collector described later. This may be done, but it may be done after laminating with the current collector.
In the present embodiment, the co-catalyst may be supported and the surface of the photocatalyst may not be modified, or conversely, the surface of the photocatalyst may be modified and the co-catalyst may not be supported. It is preferable to perform both surface modifications.
When both the co-catalyst support and the photocatalyst surface modification are performed, either of them may be performed first. For example, the co-catalyst support may be performed and then the photocatalyst surface modification may be performed, or conversely. After surface modification of the photocatalyst, such a co-catalyst may be supported.
光水分解反応に供される光触媒を、例えば、水中に光触媒を分散させる形態により供する場合、助触媒担持を行うことが好ましくい。光水分解反応に供される光触媒を、例えば、光触媒を成形体として当該成形体を水中に設置する形態、基材上に光触媒を含む層を設けて積層体とし当該積層体を水中に設置する形態、集電体上に光触媒を固定化して光水分解反応用の光触媒電極とし対極とともに水中に設置する形態等により供する場合、光触媒の表面修飾を行うことが好ましく、光触媒の表面修飾および助触媒担持を行うことがより好ましい。 When the photocatalyst to be subjected to the photowater decomposition reaction is provided, for example, in the form of dispersing the photocatalyst in water, it is preferable to carry the cocatalyst. The photocatalyst to be subjected to the photocatalyst decomposition reaction is, for example, a form in which the photocatalyst is used as a molded body and the molded body is installed in water. When the photocatalyst is immobilized on the current collector to serve as a photocatalyst electrode for a photocatalyst decomposition reaction and is provided in water together with a counter electrode, it is preferable to modify the surface of the photocatalyst, and the surface modification of the photocatalyst and the auxiliary catalyst It is more preferable to carry it.
本明細書において、上述の特定一般式で表される金属化合物を含む光触媒に助触媒担持、および表面修飾からなる群より選択される少なくとも1つを行って得られるものを「光触媒複合体」ということがある。すなわち、かかる光触媒複合体は、光触媒と、助触媒および表面修飾剤からなる群より選択される少なくとも1つとを含む。かかる光触媒複合体において、具体的には、助触媒は、上述の特定一般式で表される金属化合物に担持されており、表面修飾剤は、該金属化合物の表面を修飾している。 In the present specification, a photocatalyst complex obtained by carrying at least one selected from the group consisting of supporting a cocatalyst and surface modification on a photocatalyst containing a metal compound represented by the above-mentioned specific general formula is referred to as a "photocatalyst complex". Sometimes. That is, such a photocatalytic complex comprises a photocatalyst and at least one selected from the group consisting of co-catalysts and surface modifiers. In such a photocatalyst composite, specifically, the co-catalyst is supported on the metal compound represented by the above-mentioned specific general formula, and the surface modifier modifies the surface of the metal compound.
本実施態様における助触媒としては、白金、ルテニウム、イリジウム、パラジウム、金(Pt、Ru、Ir、Pd、Au)などの貴金属が好ましく用いられる。特に、Pt、Ir、Ruがより好ましい。助触媒は、2種以上を用いてもよいが、通常、1種のみを用いることでも十分に助触媒の機能を発揮することができる。 As the co-catalyst in this embodiment, noble metals such as platinum, ruthenium, iridium, palladium, and gold (Pt, Ru, Ir, Pd, Au) are preferably used. In particular, Pt, Ir, and Ru are more preferable. Two or more kinds of co-catalysts may be used, but usually, even if only one kind is used, the function of the co-catalyst can be sufficiently exhibited.
助触媒の担持の形態は、特に限定されないが、触媒表面に粒子として担持された状態が好ましい。助触媒は、平均直径が0.1〜10nmのナノサイズの微粒子であることが好ましい。
助触媒の担持方法としては、特に限定されず、例えば、含浸、光電着、電気泳動、スパッタ、ドロップキャストなどの一般的な方法などが挙げられる。担持量も特に限定されるものでなく、上述の特定一般式で表される金属化合物ないし光触媒の0.1〜10質量%が好ましく、0.5〜3質量%がより好ましい。
The form of supporting the co-catalyst is not particularly limited, but a state in which the co-catalyst is supported as particles on the surface of the catalyst is preferable. The co-catalyst is preferably nano-sized fine particles having an average diameter of 0.1 to 10 nm.
The method for supporting the co-catalyst is not particularly limited, and examples thereof include general methods such as impregnation, photoelectric adhesion, electrophoresis, sputtering, and drop casting. The amount carried is not particularly limited, and is preferably 0.1 to 10% by mass, more preferably 0.5 to 3% by mass, of the metal compound represented by the above-mentioned specific general formula or the photocatalyst.
本実施態様の、助触媒を担持した、上述の特定一般式で表される金属化合物は、可視光照射下において優れた水素生成活性を有することができる。具体的には、例えば、下記条件下に疑似太陽光を照射する場合に生成する水素の単位時間当たりのモル数のオンラインのガスクロマトグラフによる定量値を3mL・h−1以上とすることができる。該定量値の上限値としては特に限定されないが、例えば、150mL・h−1以下とすることができる。
条件:金属化合物に対して2質量%のRu助触媒を担持させた粉末0.2gを、0.50mol/LのK2SO3、および、0.10mol/LのNa2Sを含む水溶液200mlに懸濁させ、閉鎖循環型反応装置に接続した上方照射型反応セルに投入し、反応温度20℃、反応圧5kPaでソーラーシミュレーター(AM1.5G)を用いて疑似太陽光を照射強度が100mW/cm2となるように照射する。
The metal compound represented by the above-mentioned specific general formula, which carries a co-catalyst of the present embodiment, can have excellent hydrogen-producing activity under visible light irradiation. Specifically, for example, the quantitative value of the number of moles of hydrogen generated per unit time when irradiating with pseudo-sunlight under the following conditions can be set to 3 mL · h -1 or more by an online gas chromatograph. The upper limit of the quantitative value is not particularly limited, but can be, for example, 150 mL · h -1 or less.
Conditions: 0.2 g of powder carrying 2% by mass of Ru co-catalyst with respect to the metal compound, 200 ml of an aqueous solution containing 0.50 mol / L K 2 SO 3 and 0.10 mol / L Na 2 S. Suspended in, put into an upper irradiation type reaction cell connected to a closed circulation type reaction device, and irradiated with pseudo-sunlight using a solar simulator (AM1.5G) at a reaction temperature of 20 ° C. and a reaction pressure of 5 kPa, with an irradiation intensity of 100 mW / Irradiate to cm 2.
また、表面修飾としては、まず、上述の特定一般式で表される金属化合物ないし光触媒に対し、n型半導体となる物質を積層または担持することが好ましい。p型半導体であるCGIZSの表面にn型半導体を積層または担持することでpn接合が形成され、それによって励起電子がp型半導体CGIZSからn型半導体へ、さらに助触媒へと励起電子が効果的に運ばれる。その際に、励起電子と空孔との再結合を抑制することも同時に期待されるので、効率よい電荷分離が実現できると考えられる。 Further, as the surface modification, first, it is preferable to laminate or support a substance to be an n-type semiconductor on the metal compound or photocatalyst represented by the above-mentioned specific general formula. A pn junction is formed by laminating or supporting an n-type semiconductor on the surface of CGIZS, which is a p-type semiconductor, whereby excited electrons are effectively transferred from the p-type semiconductor CGIZS to an n-type semiconductor and further to a cocatalyst. Will be carried to. At that time, it is also expected to suppress the recombination of excited electrons and vacancies, so that efficient charge separation can be realized.
本実施態様で好適に用いられる上記n型半導体としては、CdS、ZnS、In2S3などの金属硫化物が挙げられ、CdS、ZnSがより好適に用いられる。かかるn型半導体ないし金属硫化物としては、2種以上を用いてもよいが、通常、1種のみを用いることでも十分に機能を発揮することができる。本明細書において、上述の特定一般式で表される金属化合物ないし光触媒に対して表面修飾を行うn型半導体ないし金属硫化物を「表面修飾剤」ということがある。 As the n-type semiconductor suitably used in the present embodiment, CdS, ZnS, include metal sulfides such as In 2 S 3, CdS, ZnS is more preferably used. As the n-type semiconductor or metal sulfide, two or more kinds may be used, but usually, even if only one kind is used, the function can be sufficiently exhibited. In the present specification, an n-type semiconductor or metal sulfide that surface-modifies a metal compound or photocatalyst represented by the above-mentioned specific general formula may be referred to as a “surface modifier”.
これらn型半導体金属硫化物の担持の形態としては、特に限定されないが、上述の特定一般式で表される金属化合物ないし光触媒の表面に、膜として積層または粒子として担持された状態が好ましく、積層の場合の層の膜厚は通常0.1nm以上、500nm以下、好ましくは1nm以上、200nm以下であり、担持の場合の粒子の大きさは平均直径が通常1nm以上、200nm以下、好ましくは2nm以上、100nm以下の微粒子であることが好ましい。 The form of supporting these n-type semiconductor metal sulfides is not particularly limited, but a state in which they are laminated as a film or supported as particles on the surface of a metal compound represented by the above-mentioned specific general formula or a photocatalyst is preferable. The thickness of the layer in the case of is usually 0.1 nm or more and 500 nm or less, preferably 1 nm or more and 200 nm or less, and the particle size in the case of carrying is usually 1 nm or more and 200 nm or less, preferably 2 nm or more in average diameter. , 100 nm or less is preferable.
n型半導体金属硫化物の担持の方法は、特に限定されるものでなく、例えば、含浸法、化学溶液析出法(CBD法、Chemical Bath Deposition)、光電着、電気泳動、スパッタなどが好適に用いられる。特に化学溶液析出法がより好ましい。 The method for supporting the n-type semiconductor metal sulfide is not particularly limited, and for example, an impregnation method, a chemical solution precipitation method (CBD method, Chemical Bath Deposition), photoelectric adhesion, electrophoresis, sputtering and the like are preferably used. Be done. In particular, the chemical solution precipitation method is more preferable.
化学溶液析出法でCdSを担持する場合について説明する。Cd源には、硫酸カドミウムや酢酸カドミウムなどのCd塩、硫黄源にはチオ尿素、中和剤としてアンモニア水が好適に用いられる。具体的には、Cd塩とチオ尿素とアンモニア水とを含む水溶液に、CGIZS光触媒電極を、40〜80℃に加温した状態で浸漬する。電極表面にCdSが析出するので、所定時間浸漬した後、取り出して水で洗浄する。
また、安定性付与のための表面処理として、TiO2などの酸化物を電極表面に膜として積層することが好ましい。
A case where CdS is supported by the chemical solution precipitation method will be described. A Cd salt such as cadmium sulfate or cadmium acetate is preferably used as the Cd source, thiourea is preferably used as the sulfur source, and aqueous ammonia is preferably used as the neutralizing agent. Specifically, the CGIZS photocatalyst electrode is immersed in an aqueous solution containing a Cd salt, thiourea, and aqueous ammonia while being heated to 40 to 80 ° C. Since CdS is deposited on the electrode surface, it is immersed for a predetermined time, then taken out and washed with water.
Further, as a surface treatment for imparting stability, it is preferable to laminate an oxide such as TiO 2 on the electrode surface as a film.
4.光触媒電極
以下の光触媒電極に関する記載において、光触媒としては、上述の光触媒複合体を用いることが好ましい。
上述した、本実施態様における上述の特定一般式で表される金属化合物ないし光触媒を用いた光水分解反応用の光触媒電極は、例えば、公知の方法により作製可能である。例えば、ドロップキャスト法、粒子転写法、物理的成膜法、ロールプレス法、電気泳動法などの一般的な方法が好適に用いられる。
4. Photocatalyst electrode In the following description of the photocatalyst electrode, it is preferable to use the above-mentioned photocatalyst complex as the photocatalyst.
The photocatalyst electrode for the photocatalytic reaction using the metal compound represented by the above-mentioned specific general formula or the photocatalyst in the above-described embodiment can be produced, for example, by a known method. For example, general methods such as a drop casting method, a particle transfer method, a physical film forming method, a roll press method, and an electrophoresis method are preferably used.
粒子転写法(Chem. Sci., 2013,4, 1120−1124)は、好ましい方法であり、高性能な光触媒電極を容易に作製可能である。すなわち、ガラス等の第1の基材上に光触媒を載せて、光触媒層と第1の基材層との積層体を得る。得られた積層体の光触媒層表面に蒸着等によって導電層(集電体、集電導電体)を設ける。ここで、光触媒層の導電層側表層にある光触媒が導電層に固定化される。その後、導電層表面に第2の基材を接着し、第1の基材層から導電層および光触媒層を剥がす。光触媒の一部は導電層の表面に固定化されているので、導電層とともに剥がされ、結果として、光触媒層と導電層と第2の基材層とを有する光水分解反応用電極を得ることができる。 The particle transfer method (Chem. Sci., 2013, 4, 1120-1124) is a preferred method, and a high-performance photocatalytic electrode can be easily produced. That is, a photocatalyst is placed on a first base material such as glass to obtain a laminate of the photocatalyst layer and the first base material layer. A conductive layer (current collector, current collector conductor) is provided on the surface of the photocatalyst layer of the obtained laminate by vapor deposition or the like. Here, the photocatalyst on the surface layer on the conductive layer side of the photocatalyst layer is immobilized on the conductive layer. Then, the second base material is adhered to the surface of the conductive layer, and the conductive layer and the photocatalyst layer are peeled off from the first base material layer. Since a part of the photocatalyst is immobilized on the surface of the conductive layer, it is peeled off together with the conductive layer, and as a result, an electrode for photowater decomposition reaction having a photocatalyst layer, a conductive layer, and a second base material layer is obtained. Can be done.
また、光触媒が分散されたスラリーを集電体の表面に塗布して乾燥させることで、光水分解反応用電極を得てもよいし、光触媒と集電体とを加圧成形等して一体化することで光水分解反応用電極を得てもよい。また、光触媒が分散されたスラリー中に集電体を浸漬し、電圧を印可して光触媒を電気泳動により集電体上に集積してもよい。 Further, an electrode for photowater decomposition reaction may be obtained by applying a slurry in which a photocatalyst is dispersed to the surface of a current collector and drying it, or the photocatalyst and the current collector are integrally formed by pressure molding or the like. The electrode for photowater decomposition reaction may be obtained by the conversion. Alternatively, the current collector may be immersed in a slurry in which the photocatalyst is dispersed, a voltage may be applied, and the photocatalyst may be integrated on the current collector by electrophoresis.
上述の特定一般式で表される金属化合物ないし該金属化合物を含む光触媒は、通常、粉末で得られるが、集電体への積層に際し、該粉末を懸濁させた液体を集電体に適用することにより行うことができる。該金属化合物ないし光触媒の粉末の懸濁液としては、特に限定されないが、例えば、エタノール、2−プロパノール、t−ブタノールなどのアルコールを分散媒とする液体が好ましい。 The metal compound represented by the above-mentioned specific general formula or a photocatalyst containing the metal compound is usually obtained as a powder, but when the powder is laminated on the current collector, the liquid in which the powder is suspended is applied to the current collector. It can be done by doing. The suspension of the powder of the metal compound or the photocatalyst is not particularly limited, but for example, a liquid using an alcohol such as ethanol, 2-propanol, or t-butanol as a dispersion medium is preferable.
尚、集電体には、Auやカーボン、あるいは、ITOやFTOといった透明導電性フィルムやガラスが好適に用いられる。Auやカーボンの集電体の作製方法は、特に限定されるものでないが、蒸着やスパッタなどの物理的手段により積層担持することが好適である。 As the current collector, Au or carbon, or a transparent conductive film or glass such as ITO or FTO is preferably used. The method for producing the current collector of Au or carbon is not particularly limited, but it is preferable to carry it on a laminated surface by physical means such as thin film deposition or sputtering.
また、CGIZS光触媒を用いて光触媒電極を作製する際に、Auおよびカーボンからなる群より選択される少なくとも1種の集電導電体を含む集電導電体層、好ましくはAuまたはカーボンからなる集電導電体層、並びに、CdS、ZnS、およびIn2S3から選ばれるいずれか1つ以上の硫化物による表面処理、Pt、Au、Ir、Ru、およびPdから選ばれるいずれか1つ以上の助触媒担持、の3者を施すことによって光触媒電極の性能が十分に発揮される。
CGIZS光触媒電極の作製は、CGIZS光触媒を用いて、ドロップキャスト法、粒子転写法、物理的成膜法などの種々の作製法が適用可能である。粒子転写法がより好ましい。
Further, when a photocatalyst electrode is produced using a CGIZS photocatalyst, a current collector layer containing at least one current collector conductor selected from the group consisting of Au and carbon, preferably a current collector made of Au or carbon. conductor layer, and, CdS, ZnS, and in 2 surface treatment with any one or more of sulfide selected from S 3, Pt, Au, Ir , Ru, and any one or more auxiliaries selected from Pd The performance of the photocatalyst electrode is fully exhibited by applying the three factors of carrying the catalyst.
For the production of the CGIZS photocatalyst electrode, various production methods such as a drop casting method, a particle transfer method, and a physical film forming method can be applied using the CGIZS photocatalyst. The particle transfer method is more preferred.
5.光水分解による水素製造方法
本実施態様により製造される、上述の特定一般式で表される金属化合物ないし該金属化合物を含む光触媒、または、上記した光触媒電極を、水若しくは電解質水溶液に浸漬し、当該光触媒または光触媒電極に光を照射して光水分解を行うことで、水素を製造することができる。この場合、上記金属化合物ないし光触媒としては、上述の光触媒複合体を用いることが好ましい。
5. Method for Producing Hydrogen by Photo-Water Decomposition A metal compound represented by the above-mentioned specific general formula or a photocatalyst containing the metal compound, or the above-mentioned photocatalyst electrode produced by the present embodiment is immersed in water or an aqueous electrolyte solution. Hydrogen can be produced by irradiating the photocatalyst or the photocatalyst electrode with light to perform photoaqueous decomposition. In this case, it is preferable to use the above-mentioned photocatalyst complex as the above-mentioned metal compound or photocatalyst.
例えば、上述のように導電体で構成される集電体上に光触媒を固定化して酸素生成用の光触媒電極および水素生成用の光触媒電極を得て、電極間を電線などの導電性材料で接続した後、液体状または気体状の水を供給しながら光を照射し、水分解反応を進行させる。必要に応じて電極間に電位差を設けることで、水分解反応を促進することができる。
一方、絶縁基材上に光触媒を固定化した固定化物に、または、光触媒を加圧成形等した成形体に、水を供給しながら光を照射して水分解反応を進行させてもよい。または、光触媒を水または電解質水溶液に分散させて、ここに光を照射して水分解反応を進行させてもよい。この場合、必要に応じて攪拌することで、反応を促進することができる。
For example, as described above, a photocatalyst is immobilized on a current collector composed of a conductor to obtain a photocatalyst electrode for oxygen generation and a photocatalyst electrode for hydrogen generation, and the electrodes are connected with a conductive material such as an electric wire. After that, the water is irradiated with light while supplying liquid or gaseous water to allow the water splitting reaction to proceed. The water splitting reaction can be promoted by providing a potential difference between the electrodes as needed.
On the other hand, the water decomposition reaction may proceed by irradiating a fixed product in which a photocatalyst is immobilized on an insulating base material or a molded product in which a photocatalyst is pressure-molded with water while supplying water. Alternatively, the photocatalyst may be dispersed in water or an aqueous electrolyte solution, and light may be irradiated therein to allow the water splitting reaction to proceed. In this case, the reaction can be promoted by stirring as necessary.
水素の製造時の反応条件としては特に限定されないが、例えば、反応温度、反応圧力などを選択することができる。反応温度としては、例えば、0℃以上、200℃以下、好ましくは10℃以上、150℃以下、より好ましくは15℃以上、100℃以下とすることができる。反応圧力としては、例えば、2MPa(G)以下、好ましくは1MPa(G)以下、より好ましくは0.5MPa(G)以下、さらに好ましくは0.2MPa(G)以下とすることができ、かかる範囲内であれば、0.001MPa(G)以上であることが好ましく、0.005MPa(G)以上であることがより好ましいとする。 The reaction conditions at the time of producing hydrogen are not particularly limited, but for example, the reaction temperature, the reaction pressure, and the like can be selected. The reaction temperature can be, for example, 0 ° C. or higher and 200 ° C. or lower, preferably 10 ° C. or higher and 150 ° C. or lower, more preferably 15 ° C. or higher and 100 ° C. or lower. The reaction pressure can be, for example, 2 MPa (G) or less, preferably 1 MPa (G) or less, more preferably 0.5 MPa (G) or less, still more preferably 0.2 MPa (G) or less, and such a range. If it is within, it is preferably 0.001 MPa (G) or more, and more preferably 0.005 MPa (G) or more.
照射光は、光触媒の種類にもよるが、900nm以下の波長を有する可視光を好適に利用することができる。照射光の光源としては太陽のほか、キセノンランプ、メタルハライドランプ等の太陽光近似光ないし疑似太陽光を照射可能なランプ、水銀ランプ、LED等が挙げられる。 Visible light having a wavelength of 900 nm or less can be preferably used as the irradiation light, although it depends on the type of photocatalyst. Examples of the light source of the irradiation light include, in addition to the sun, a lamp capable of irradiating sunlight-approximate light or pseudo-sunlight such as a xenon lamp and a metal halide lamp, a mercury lamp, and an LED.
本実施態様の、上述の特定一般式で表される金属化合物ないし光触媒を用いる光触媒電極は、優れた光電気化学特性を有することができる。具体的には、例えば、下記条件下に作成する光触媒電極に対し下記条件下に疑似太陽光を照射する場合に、操作電位0.0VvsRHEにおいて、1mA/cm2以上のカソード電流密度を測定することができる。また、その際の光水分解における水素発生の量子効率は90%以上の値を示す。該カソード電流密の上限値としては特に限定されないが、例えば、10mA/cm2以下とすることができる。
光触媒電極作成条件:前記金属化合物からなる膜厚1〜3μmの光触媒層に膜厚1〜3μmのAuを積層し膜厚2〜20nmのCdSで表面修飾し、Pt助触媒を1nm以下の粒子径で担持してPt/CdS/CGIZS/Auからなる光触媒電極を得る。
疑似太陽光照射条件:
・光源 ソーラーシミュレーター AM1.5G(100mW/cm2)
・電解液 0.5M Na2SO4, 0.25M Na2HPO4, 0.25M NaH2PO4 pH 6.3
・参照電極 Ag/AgCl, 対電極 Ptワイヤ
・アルゴン雰囲気
The photocatalyst electrode using the metal compound or the photocatalyst represented by the above-mentioned specific general formula of the present embodiment can have excellent photoelectrochemical properties. Specifically, for example, when the photocatalyst electrode produced under the following conditions is irradiated with pseudo-sunlight under the following conditions, the cathode current density of 1 mA / cm 2 or more is measured at an operating potential of 0.0 Vvs RHE. Can be done. In addition, the quantum efficiency of hydrogen generation in photo-water decomposition at that time shows a value of 90% or more. The upper limit of the cathode current density is not particularly limited, but can be, for example, 10 mA / cm 2 or less.
Photocatalyst electrode preparation conditions: Au having a film thickness of 1 to 3 μm is laminated on a photocatalyst layer having a film thickness of 1 to 3 μm made of the metal compound, and the surface is modified with CdS having a film thickness of 2 to 20 nm. To obtain a photocatalytic electrode composed of Pt / CdS / CGIZS / Au.
Pseudo-sunlight irradiation conditions:
・ Light source Solar simulator AM1.5G (100mW / cm 2 )
-Electrolytic solution 0.5M Na 2 SO 4 , 0.25M Na 2 HPO 4 , 0.25M NaH 2 PO 4 pH 6.3
・ Reference electrode Ag / AgCl, counter electrode Pt wire ・ Argon atmosphere
以下、実施例に基づいて本発明の複合金属化合物および光触媒電極について具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。なお、実施例11、12、15〜17、19、23は、それぞれ参考例11、12、15〜17、19、23と読み替えるものとする。 Hereinafter, the composite metal compound and the photocatalytic electrode of the present invention will be specifically described based on Examples, but the present invention is not limited to these Examples. In addition, Examples 11, 12, 15 to 17, 19 and 23 shall be read as Reference Examples 11, 12, 15 to 17, 19 and 23, respectively.
実施例1
<光触媒合成、フラックス法、Cu0.8Ga0.48In0.48Zn0.4S2.24>
光触媒はフラックス法で合成した。原料にはCu2S((株)高純度化学研究所製、純度99.0%)を1.019g(6.40mmol)、Ga2S3((株)高純度化学研究所製、純度99.99%)を0.905g(3.84mmol)、In2S3((株)高純度化学研究所製、純度99.99%)を1.251g(3.84mmol)、ZnS((株)高純度化学研究所製、純度99.999%)を0.748g(7.68mmol)用いた。この原料仕込みは、一般式CuxGax−y+kIny+jZn2(1−x)+mA2+n(0<x<1、0≦y≦1、x>y、0≦k≦0.2、0≦j≦0.2、0≦m≦0.2、0≦n≦0.8、n=3/2k+3/2j+m、A=SまたはSe)に対して、x=0.8、y=0.4、k=0.08、j=0.08、m=0、n=0.24に相当する。すなわち、Cu0.8Ga0.48In0.48Zn0.4S2.24に相当し、GaおよびInが各々化学量論値の20mol%過剰に用いられている。原料の混合はメノー乳鉢を用いて、N2グローブボックス中で行った。フラックス剤にはLiCl(関東化学(株)製、純度99.0%)4.070g(48mmol)およびKCl(関東化学(株)製、純度99.5%)4.771g(32mmol)を用いた。フラックス剤の混合は、原料の金属硫化物の混合と同様に行った。これらの混合物を、原料、フラックス剤の順番で石英製シース管に入れ、縦型管状炉において大気中、500℃、3時間の熱処理を行った。熱処理において、昇温速度は10℃/分である。熱処理の降温は、5℃/分の降温速度で行った。熱処理後の試料は、純水で十分に洗浄してフラックス成分を除去してから、生成したCGIZS粉を吸引濾過にて分離回収した。その後、大気中、室温で一晩乾燥させた。
Example 1
<Photocatalytic synthesis, flux method, Cu 0.8 Ga 0.48 In 0.48 Zn 0.4 S 2.24 >
The photocatalyst was synthesized by the flux method. As raw materials, 1.019 g (6.40 mmol) of Cu 2 S (manufactured by High Purity Chemical Laboratory Co., Ltd., purity 99.0%), Ga 2 S 3 (manufactured by High Purity Chemical Laboratory Co., Ltd., purity 99) 0.905 g (3.84 mmol), In 2 S 3 (manufactured by High Purity Chemical Laboratory Co., Ltd., purity 99.99%) 1.251 g (3.84 mmol), ZnS (Co., Ltd.) 0.748 g (7.68 mmol) of 99.999% pure, manufactured by High Purity Chemical Laboratory was used. This raw material preparation is performed by the general formula Cu x Ga xy + k In y + j Zn 2 (1-x) + mA 2 + n (0 <x <1, 0 ≦ y ≦ 1, x> y, 0 ≦ k ≦ 0.2, For 0 ≦ j ≦ 0.2, 0 ≦ m ≦ 0.2, 0 ≦ n ≦ 0.8, n = 3 /
実施例2〜6
y=0.4をy=0、0.2、0.5、0.6、0.8に代える以外は実施例1と同様にして、CGIZS光触媒を合成した。すなわち、得られるCGIZS光触媒は、各々、下記組成式に相当する。
実施例2(y=0): Cu0.8Ga0.88In0.08Zn0.4S2.24
実施例3(y=0.2): Cu0.8Ga0.68In0.28Zn0.4S2.24
実施例4(y=0.5): Cu0.8Ga0.38In0.58Zn0.4S2.24
実施例5(y=0.6): Cu0.8Ga0.28In0.68Zn0.4S2.24
実施例6(y=0.8): Cu0.8Ga0.08In0.88Zn0.4S2.24
Examples 2-6
A CGIZS photocatalyst was synthesized in the same manner as in Example 1 except that y = 0.4 was replaced with y = 0, 0.2, 0.5, 0.6, 0.8. That is, each of the obtained CGIZS photocatalysts corresponds to the following composition formula.
Example 2 (y = 0): Cu 0.8 Ga 0.88 In 0.08 Zn 0.4 S 2.24
Example 3 (y = 0.2): Cu 0.8 Ga 0.68 In 0.28 Zn 0.4 S 2.24
Example 4 (y = 0.5): Cu 0.8 Ga 0.38 In 0.58 Zn 0.4 S 2.24
Example 5 (y = 0.6): Cu 0.8 Ga 0.28 In 0.68 Zn 0.4 S 2.24
Example 6 (y = 0.8): Cu 0.8 Ga 0.08 In 0.88 Zn 0.4 S 2.24
比較例1
CGIZS光触媒を固相法で合成した。具体的には、原料の金属硫化物には、実施例1と同じものを同じ仕込み量で用い、これらの混合物を石英製ガラス管に入れ、0.5Paの真空下に封管した後、電気炉で800℃、10時間の熱処理を行った。
Comparative Example 1
The CGIZS photocatalyst was synthesized by the solid phase method. Specifically, as the raw material metal sulfide, the same material as in Example 1 was used in the same amount, and a mixture thereof was placed in a quartz glass tube, sealed under a vacuum of 0.5 Pa, and then subjected to electricity. Heat treatment was performed at 800 ° C. for 10 hours in a furnace.
比較例2〜6
比較例1と同様の方法により、実施例2〜6と同じ原料仕込みでCGIZS光触媒を合成した。すなわち、原料の金属硫化物には、実施例2〜6と同じものを同じ仕込み量で用いた。
Comparative Examples 2 to 6
The CGIZS photocatalyst was synthesized by the same method as in Comparative Example 1 using the same raw material preparation as in Examples 2 to 6. That is, as the raw material metal sulfide, the same material as in Examples 2 to 6 was used in the same amount.
実施例7〜12
実施例1において、熱処理温度を、400℃、600℃、650℃、700℃、750℃、800℃とした以外は同様の操作により触媒を合成した。
Examples 7-12
In Example 1, the catalyst was synthesized by the same operation except that the heat treatment temperatures were set to 400 ° C., 600 ° C., 650 ° C., 700 ° C., 750 ° C., and 800 ° C.
実施例13
<光触媒合成、フラックス法、Cu0.8Ga0.48In0.4Zn0.4S2.12>
原料の仕込比(モル)を、x=0.8、y=0.4、k=0.08、j=0、m=0、n=0.12に相当する量を用いた以外は、実施例1と同じ方法により光触媒CGIZSを合成した。すなわち、Cu0.8Ga0.48In0.4Zn0.4S2.12に相当し、Gaが20%過剰に用いられている。
Example 13
<Photocatalytic synthesis, flux method, Cu 0.8 Ga 0.48 In 0.4 Zn 0.4 S 2.12 >
Except that the amount of raw material charged (mol) corresponding to x = 0.8, y = 0.4, k = 0.08, j = 0, m = 0, n = 0.12 was used. The photocatalyst CGIZS was synthesized by the same method as in Example 1. That is, it corresponds to Cu 0.8 Ga 0.48 In 0.4 Zn 0.4 S 2.12. , And Ga is used in an excess of 20%.
比較例7
<光触媒合成、固相法、x=0.8、y=0.4>
原料の仕込比(モル)を、Cu2S、In2S3、ZnSは化学量論値とし、Ga2S3は20mol%過剰とした以外は、比較例1と同じ方法により光触媒CGIZSを合成した。
Comparative Example 7
<Photocatalytic synthesis, solid phase method, x = 0.8, y = 0.4>
Photocatalyst CGIZS was synthesized by the same method as in Comparative Example 1 except that Cu 2 S, In 2 S 3 , and Zn S were stoichiometric values, and Ga 2 S 3 was 20 mol% excess. did.
<粉末X線回折(XRD)によるキャラクタリゼーション>
実施例1〜13および比較例1〜7において得られた各試料について、粉末X線回折(XRD)を用いて結晶構造解析を行った。実施例1〜6において得られた各試料の結果を図1に示し、比較例1〜6において得られた各試料の結果を図2に示し、実施例13および比較例7において得られた各試料の結果を図6に示す。
<Characterization by powder X-ray diffraction (XRD)>
Crystal structure analysis was performed on each sample obtained in Examples 1 to 13 and Comparative Examples 1 to 7 using powder X-ray diffraction (XRD). The results of each sample obtained in Examples 1 to 6 are shown in FIG. 1, the results of each sample obtained in Comparative Examples 1 to 6 are shown in FIG. 2, and the results obtained in Examples 13 and 7 are shown. The results of the sample are shown in FIG.
図1および図2のXRD測定結果において、いずれの試料もカルコパライト構造の結晶が得られていることが認められた。
また、図1および図2のXRD測定結果において、y値の増加に伴い、すなわちGaが減少しInが増加するにしたがい、低角シフトが認められた。
図6から、実施例13においてフラックス法により合成した試料と、比較例7において従来の固相法により合成した試料とでXRD測定結果が実質的に同様であり、いずれの試料もカルコパライト構造の結晶が得られていることが認められた。
In the XRD measurement results of FIGS. 1 and 2, it was confirmed that crystals having a calcopalite structure were obtained in each of the samples.
Further, in the XRD measurement results of FIGS. 1 and 2, a low angle shift was observed as the y value increased, that is, as Ga decreased and In increased.
From FIG. 6, the XRD measurement results are substantially the same between the sample synthesized by the flux method in Example 13 and the sample synthesized by the conventional solid phase method in Comparative Example 7, and all the samples are crystals having a calcopalite structure. Was obtained.
<拡散反射スペクトル測定(DRS)によるキャラクタリゼーション>
実施例1〜6、13および比較例1〜7において得られた各試料について、UV−VIS−NIR分光分析装置を用いて、拡散反射スペクトル測定(DRS)を行った。実施例1〜6および比較例1〜6において得られた各試料の結果を図3に示し、実施例13および比較例7において得られた各試料の結果を図7に示す。
<Characterization by diffuse reflection spectrum measurement (DRS)>
Diffuse reflection spectrum measurement (DRS) was performed on each of the samples obtained in Examples 1 to 6 and 13 and Comparative Examples 1 to 7 using a UV-VIS-NIR spectrophotometer. The results of each sample obtained in Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 to 6 are shown in FIG. 3, and the results of each sample obtained in Examples 13 and 7 are shown in FIG. 7.
図3の各触媒のDRS結果において、y値の増加に伴い、すなわちGaが減少しInが増加するにしたがい、吸収端波長が540nmから900nmくらいまで長波長側にシフトしていることが認められた。このことから、Gaを減じてInを増加させることで吸収端波長を長波長側にコントロールできることがわかる。
また、図7から、吸収端が約670nmでほぼ同じであることがわかる。
In the DRS results of each catalyst in FIG. 3, it was confirmed that the absorption edge wavelength was shifted to the long wavelength side from 540 nm to about 900 nm as the y value increased, that is, as Ga decreased and In increased. It was. From this, it can be seen that the absorption edge wavelength can be controlled to the long wavelength side by decreasing Ga and increasing In.
Further, it can be seen from FIG. 7 that the absorption edge is substantially the same at about 670 nm.
[助触媒担持]
実施例1〜12および比較例1〜6において得られたCGIZS光触媒に対して、助触媒としてRu 2重量%を光電着法により担持した。具体的には、RuCl3 0.40mmolとメタノール20mLとを含む水溶液200mLに上記CGIZS粉0.2gを室温にて撹拌下に懸濁させた状態で300Wのキセノンランプによる光照射を3時間行った。その後、濾過して水洗浄を行い、一晩室温にて乾燥させた。
[Supporting co-catalyst]
With respect to the CGIZS photocatalysts obtained in Examples 1 to 12 and Comparative Examples 1 to 6, 2% by weight of Ru was supported as a co-catalyst by the photoelectric adhesion method. Specifically, light irradiation with a 300 W xenon lamp was carried out for 3 hours in a state where 0.2 g of the CGIZS powder was suspended under stirring at room temperature in 200 mL of an aqueous solution containing 0.40 mmol of RuCl 3 and 20 mL of methanol. .. Then, it was filtered, washed with water, and dried at room temperature overnight.
<CGIZS光触媒の水素生成活性評価(懸濁系)>
上記によりRu助触媒を担持させた、実施例1〜12および比較例1〜6において得られた各CGIZS光触媒について、水を分解して水素を生成する光触媒活性は、疑似太陽光照射下における亜硫酸カリウムおよび硫化ナトリウムを含む水溶液からの水素生成反応で評価した。評価には閉鎖循環型反応装置に接続した上方照射型反応セルを用いた。触媒粉末0.2gを、0.50mol/LのK2SO3、および、0.10mol/LのNa2Sを含む水溶液200mlに懸濁させ、マグネチックスターラーで評価中は撹拌した。反応条件としては、反応温度20℃、反応圧5kPaである。Pyrex(登録商標)ガラス製の窓の上から、ソーラーシミュレーター(AM1.5G)を用いて、疑似太陽光を照射した。照射強度は100mW/cm2であった。発生した水素は、オンラインのガスクロマトグラフ(島津製作所製;GC−8A、MS−5A、TCD、Arキャリアー)で定量した。実施例1〜6および比較例1〜6において得られた各CGIZS光触媒のRu助触媒担持体の結果を図4に示し、実施例7〜12および比較例7において得られた各CGIZS光触媒のRu助触媒担持体の結果を図5に示した。
<Evaluation of hydrogen production activity of CGIZS photocatalyst (suspension system)>
For each of the CGIZS photocatalysts obtained in Examples 1 to 12 and Comparative Examples 1 to 6 carrying the Ru cocatalyst as described above, the photocatalytic activity of decomposing water to generate hydrogen is sulfite under pseudo-sunlight irradiation. It was evaluated by a hydrogen production reaction from an aqueous solution containing potassium and sodium sulfide. An upper irradiation type reaction cell connected to a closed circulation type reaction device was used for the evaluation. 0.2 g of the catalyst powder was suspended in 200 ml of an aqueous solution containing 0.50 mol / L K 2 SO 3 and 0.10 mol / L Na 2 S, and the mixture was stirred with a magnetic stirrer during the evaluation. The reaction conditions are a reaction temperature of 20 ° C. and a reaction pressure of 5 kPa. Pyrex® glass windows were used to irradiate pseudo-sunlight using a solar simulator (AM1.5G). The irradiation intensity was 100 mW / cm 2 . The generated hydrogen was quantified by an online gas chromatograph (manufactured by Shimadzu Corporation; GC-8A, MS-5A, TCD, Ar carrier). The results of the Ru co-catalyst carrier of each CGIZS photocatalyst obtained in Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 to 6 are shown in FIG. 4, and the Ru of each CGIZS photocatalyst obtained in Examples 7 to 12 and Comparative Example 7 is shown in FIG. The results of the co-catalyst carrier are shown in FIG.
図4から明らかなように、x=0.8、y=0〜0.8の広範囲にわたって、実施例1〜6においてフラックス法で製造された光触媒の方が、比較例1〜6において従来の固相法で製造された光触媒よりも、高い水分解水素生成活性を示すことがわかった。
図5から明らかなように、実施例7〜10においてフラックス温度400〜700℃のフラックス法により得られた各光触媒は、比較例7において固相法により得られた光触媒よりも、高い水分解水素生成活性を示すことがわかった。
As is clear from FIG. 4, the photocatalyst produced by the flux method in Examples 1 to 6 over a wide range of x = 0.8 and y = 0 to 0.8 is more conventional in Comparative Examples 1 to 6. It was found that the photocatalyst produced by the solid phase method showed higher hydrolytic hydrogen production activity.
As is clear from FIG. 5, each photocatalyst obtained by the flux method at a flux temperature of 400 to 700 ° C. in Examples 7 to 10 has a higher hydrogen decomposition hydrogen than the photocatalyst obtained by the solid phase method in Comparative Example 7. It was found to show generative activity.
実施例14
[CGIZS光触媒電極の作製、粒子転写法]
実施例13において得られた光触媒CGIZS 30mgを1mLの2−プロパノールに懸濁させ、この懸濁液200μLをガラス基板上に滴下し、次いで乾燥することを3回繰り返してガラス基板上に光触媒層を形成した。次に、該光触媒層上に、集電導体層となるAuを蒸着により2μm程度の膜厚で積層した。蒸着装置には、真空蒸着装置(アルバック機工(株)製、VPC−260F)を用いた。その後、両面テープを用いて集電導体層の上から別のガラス基板を接着して、最初に付けたガラス基材を除去し、純水中で超音波洗浄した。最後に、エポキシ樹脂を用いて光触媒層以外の部分を封止し、さらにIn導線を集電導体層に接着することで、光触媒層/集電導電体層/ガラス基板からなるCGIZS光触媒電極を得た。
Example 14
[Preparation of CGIZS photocatalytic electrode, particle transfer method]
30 mg of the photocatalyst CGIZS obtained in Example 13 was suspended in 1 mL of 2-propanol, 200 μL of this suspension was dropped onto a glass substrate, and then drying was repeated three times to form a photocatalyst layer on the glass substrate. Formed. Next, Au, which is a current collector conductor layer, was laminated on the photocatalyst layer with a film thickness of about 2 μm by vapor deposition. As the vapor deposition apparatus, a vacuum vapor deposition apparatus (VPC-260F manufactured by ULVAC Kiko Co., Ltd.) was used. Then, another glass substrate was adhered from the top of the current collector layer using double-sided tape to remove the first attached glass substrate, and ultrasonically cleaned in pure water. Finally, a portion other than the photocatalyst layer is sealed with an epoxy resin, and the In conductor is further adhered to the current collector layer to obtain a CGIZS photocatalyst electrode composed of a photocatalyst layer / current collector conductor layer / glass substrate. It was.
[CdS表面修飾とPt助触媒担持]
50mLの水を70℃に加温して、同温度にて撹拌下に、硫酸カドミウム0.28g、28%アンモニア水0.4mL、チオ尿素1.4gを順次加えた後、上記で得られたCGIZS光触媒電極を5分間浸漬した。取り出した同光触媒電極を純水で洗浄した後、室温で一晩乾燥することでCdSで表面修飾されたCGIZS光触媒電極を得た。次に、助触媒となるPtをマルチ成膜装置を用いて1nm程度の厚さ相当の量を担持した。こうして、電極構成としてPt/CdS/CGIZS/Auからなる光触媒電極を得た。
[CdS surface modification and Pt co-catalyst support]
50 mL of water was heated to 70 ° C., and 0.28 g of cadmium sulfate, 0.4 mL of 28% ammonia water, and 1.4 g of thiourea were sequentially added under stirring at the same temperature, and then the above was obtained. The CGIZS photocatalyst electrode was immersed for 5 minutes. The taken-out photocatalyst electrode was washed with pure water and then dried overnight at room temperature to obtain a CGIZS photocatalyst electrode surface-modified with CdS. Next, Pt as an co-catalyst was supported in an amount corresponding to a thickness of about 1 nm using a multi-deposition apparatus. In this way, a photocatalytic electrode composed of Pt / CdS / CGIZS / Au as an electrode configuration was obtained.
<光電気化学特性評価>
実施例14において得られた各光触媒電極を用いて、以下の測定条件によって、光電気化学特性を調べた。結果を図8に示す。図8から明らかなようにフラックス法により合成されたCGIZS光触媒を用いた光電極は高いカソード電流を与えた。
・光源 ソーラーシミュレーター AM1.5G(100mW/cm2)
・電解液 0.5M Na2SO4, 0.25M Na2HPO4, 0.25M NaH2PO4 pH 6.3
・参照電極 Ag/AgCl, 対電極 Ptワイヤ
・アルゴン雰囲気
<Evaluation of photoelectrochemical characteristics>
Using each photocatalytic electrode obtained in Example 14, the photoelectrochemical properties were examined under the following measurement conditions. The results are shown in FIG. As is clear from FIG. 8, the photoelectrode using the CGIZS photocatalyst synthesized by the flux method gave a high cathode current.
・ Light source Solar simulator AM1.5G (100mW / cm 2 )
-Electrolytic solution 0.5M Na 2 SO 4 , 0.25M Na 2 HPO 4 , 0.25M NaH 2 PO 4 pH 6.3
・ Reference electrode Ag / AgCl, counter electrode Pt wire ・ Argon atmosphere
<水分解水素生成活性評価>
実施例14において得られた光触媒電極を用いて、以下の測定条件によって、水分解による水素生成活性を調べた。結果を図9に示す。
・光源 ソーラーシミュレーター AM1.5G(100mW/cm2)
・電解液 0.5M Na2SO4, 0.25M Na2HPO4, 0.25M NaH2PO4 pH 6.3
・参照電極 Ag/AgCl, 対電極 Ptワイヤ
・アルゴン雰囲気
<Evaluation of water splitting hydrogen production activity>
Using the photocatalytic electrode obtained in Example 14, the hydrogen production activity due to water splitting was investigated under the following measurement conditions. The results are shown in FIG.
・ Light source Solar simulator AM1.5G (100mW / cm 2 )
-Electrolytic solution 0.5M Na 2 SO 4 , 0.25M Na 2 HPO 4 , 0.25M NaH 2 PO 4 pH 6.3
・ Reference electrode Ag / AgCl, counter electrode Pt wire ・ Argon atmosphere
図9に示す通り、水素と酸素が2:1の体積比で生成すること、および、その際に測定された光電流値から計算される理論的なガス発生量(点線部分)の関係から量子効率95%程度が得られることがわかった。 As shown in FIG. 9, the quantum is due to the relationship between hydrogen and oxygen being generated in a volume ratio of 2: 1 and the theoretical gas generation amount (dotted line part) calculated from the photocurrent value measured at that time. It was found that an efficiency of about 95% could be obtained.
実施例15
<光触媒合成、フラックス法、Cu0.8Ga0.48In0.4Zn0.4S2.12>
熱処理を窒素気流下に750℃3時間行ったこと以外は、実施例13と同じ方法によりGa20%過剰の光触媒CGIZSを合成した。
Example 15
<Photocatalytic synthesis, flux method, Cu 0.8 Ga 0.48 In 0.4 Zn 0.4 S 2.12 >
A photocatalyst CGIZS with an excess of
実施例16
<光触媒合成、フラックス法、Cu0.8Ga0.4In0.48Zn0.4S2.12>
実施例15におけるGa20%過剰に代えて、Ga過剰なし、In20%過剰とした以外は実施例15と同様の方法により光触媒CGIZSを合成した。
Example 16
<Photocatalytic synthesis, flux method, Cu 0.8 Ga 0.4 In 0.48 Zn 0.4 S 2.12 >
The photocatalyst CGIZS was synthesized by the same method as in Example 15 except that there was no Ga excess and In 20% excess instead of the
実施例17
<光触媒合成、フラックス法、Cu0.8Ga0.4In0.4Zn0.48S2.12>
実施例15におけるGa20%過剰に代えて、Ga過剰なし、Zn20%過剰とした以外は実施例15と同様の方法により光触媒CGIZSを合成した。
Example 17
<Photocatalytic synthesis, flux method, Cu 0.8 Ga 0.4 In 0.4 Zn 0.48 S 2.12 >
The photocatalyst CGIZS was synthesized by the same method as in Example 15 except that there was no Ga excess and the Zn was 20% excess instead of the
実施例18
<光触媒合成、フラックス法、Cu0.8Ga0.52In0.4Zn0.4S2.18>
実施例15におけるGa20%過剰に代えてGa過剰30%とし、熱処理を550℃15時間とした以外は実施例15と同様の方法により光触媒CGIZSを合成した。
Example 18
<Photocatalytic synthesis, flux method, Cu 0.8 Ga 0.52 In 0.4 Zn 0.4 S 2.18 >
The photocatalyst CGIZS was synthesized by the same method as in Example 15 except that the excess of Ga was 30% instead of the excess of 20% of Ga in Example 15 and the heat treatment was performed at 550 ° C. for 15 hours.
実施例19
<光触媒合成、フラックス法、Cu0.8Ga0.4In0.4Zn0.4S2>
実施例15におけるGa20%過剰に代えて、Ga過剰なしとした以外は実施例15と同様の方法により光触媒CGIZSを合成した。
Example 19
<Photocatalytic synthesis, flux method, Cu 0.8 Ga 0.4 In 0.4 Zn 0.4 S 2 >
The photocatalyst CGIZS was synthesized by the same method as in Example 15 except that there was no Ga excess in place of the
<粉末X線回折(XRD)によるキャラクタリゼーション>
実施例15〜19において得られた各試料について、粉末X線回折(XRD)を用いて結晶構造解析(XRD)を行った。結果を図10に示す。
図10から、いずれの試料もカルコパライト構造の結晶が得られていることが認められた。
<Characterization by powder X-ray diffraction (XRD)>
Crystal structure analysis (XRD) was performed on each sample obtained in Examples 15 to 19 using powder X-ray diffraction (XRD). The results are shown in FIG.
From FIG. 10, it was confirmed that crystals having a calcopalite structure were obtained in all the samples.
<拡散反射スペクトル測定(DRS)によるキャラクタリゼーション>
実施例15〜19において得られた各試料について、UV−VIS−NIR分光分析装置を用いて拡散反射スペクトル測定(DRS)を行った。結果を図11に示す。
<Characterization by diffuse reflection spectrum measurement (DRS)>
Diffuse reflection spectrum measurement (DRS) was performed on each sample obtained in Examples 15 to 19 using a UV-VIS-NIR spectrophotometer. The results are shown in FIG.
図11から、Inの過剰量が20mol%である実施例16、Znの過剰量が20mol%である実施例17、並びにGa、In及びZnの過剰量がない(0mol%)実施例19において、吸収端が700nm付近であること、Gaの過剰量が20mol%である実施例15およびGaの過剰量が30mol%である実施例18において、吸収端がいずれも660nm付近であることがわかる。 From FIG. 11, in Example 16 in which the excess amount of In is 20 mol%, in Example 17 in which the excess amount of Zn is 20 mol%, and in Example 19 in which there is no excess amount of Ga, In and Zn (0 mol%). It can be seen that the absorption end is around 700 nm, and in Example 15 in which the excess amount of Ga is 20 mol% and in Example 18 in which the excess amount of Ga is 30 mol%, the absorption end is around 660 nm.
[CGIZS光触媒電極の作製、粒子転写法]
実施例15〜19において得られた各光触媒CGIZSについて、実施例14と同様の方法により光触媒電極を作成した。
[Preparation of CGIZS photocatalytic electrode, particle transfer method]
For each photocatalyst CGIZS obtained in Examples 15 to 19, a photocatalyst electrode was prepared by the same method as in Example 14.
[CdS表面修飾とPt助触媒担持]
さらに、表面処理と助触媒担持を実施例14と同様の方法により行うことで、電極構成としてPt/CdS/CGIZS/Auからなる光触媒電極を得た。
[CdS surface modification and Pt co-catalyst support]
Further, by performing surface treatment and supporting the co-catalyst by the same method as in Example 14, a photocatalyst electrode composed of Pt / CdS / CGIZS / Au as an electrode configuration was obtained.
<光電気化学特性評価>
上記で得られた光触媒電極を用いて、以下の測定条件によって、光電気化学特性を調べた。実施例15〜19において得られた各光触媒を上記のように用いた光触媒電極の結果を図12に示す。
・光源 ソーラーシミュレーター AM1.5G(100mW/cm2)
・電解液 0.5M Na2SO4、0.25M Na2HPO4、0.25M NaH2PO4 pH 6.3
・参照電極 Ag/AgCl、対電極 Ptワイヤ
・アルゴン雰囲気
<Evaluation of photoelectrochemical characteristics>
Using the photocatalytic electrode obtained above, the photoelectrochemical properties were investigated under the following measurement conditions. The results of the photocatalyst electrode using each of the photocatalysts obtained in Examples 15 to 19 as described above are shown in FIG.
・ Light source Solar simulator AM1.5G (100mW / cm 2 )
-Electrolytic solution 0.5M Na 2 SO 4 , 0.25M Na 2 HPO 4 , 0.25M NaH 2 PO 4 pH 6.3
・ Reference electrode Ag / AgCl, counter electrode Pt wire ・ Argon atmosphere
図12から明らかなように、実施例15〜19において得られた各光触媒にCdS表面修飾とPt助触媒担持とを施した光触媒複合体を用いた光触媒電極は、高いカソード電流を与えた。 As is clear from FIG. 12, the photocatalyst electrode using the photocatalyst composite obtained by subjecting each of the photocatalysts obtained in Examples 15 to 19 to CdS surface modification and Pt cocatalyst support provided a high cathode current.
実施例20
<光触媒合成と光触媒電極作製、触媒組成:Cu0.8Ga0.44In0.4Zn0.4S2.06、合成法:フラックス法、熱処理温度:450℃>
Gaのみ10%過剰であり、0.5Paの真空下に封管した石英製ガラス管中で電気炉にて450℃3時間の熱処理を行ったこと以外は、実施例1と同じ方法によりCGIZS光触媒を合成した。さらに、実施例14と同様の方法により、光触媒電極、助触媒担持、表面修飾を行うことで、電極構成としてPt/CdS/CGIZS/Auからなる光触媒電極を得た。
Example 20
<Photocatalyst synthesis and fabrication of photocatalyst electrodes, catalyst composition: Cu 0.8 Ga 0.44 In 0.4 Zn 0.4 S 2.06, synthesis method: flux method, heat treatment temperature: 450 ° C.>
CGIZS photocatalyst by the same method as in Example 1 except that only Ga was 10% excessive and heat treatment was performed in an electric furnace at 450 ° C. for 3 hours in a quartz glass tube sealed under a vacuum of 0.5 Pa. Was synthesized. Further, by performing the photocatalyst electrode, the support catalyst, and the surface modification by the same method as in Example 14, a photocatalyst electrode composed of Pt / CdS / CGIZS / Au as an electrode configuration was obtained.
実施例21
<光触媒合成と光触媒電極作製、触媒組成:同上、合成法:同上、熱処理温度:550℃>
熱処理温度を550℃に代える以外は実施例20と同様の方法によりCGIZS光触媒を合成し、さらに、同様にして、Pt/CdS/CGIZS/Auからなる光触媒電極を得た。
Example 21
<Photocatalyst synthesis and photocatalyst electrode fabrication, catalyst composition: same as above, synthesis method: same as above, heat treatment temperature: 550 ° C>
A CGIZS photocatalyst was synthesized by the same method as in Example 20 except that the heat treatment temperature was changed to 550 ° C., and further, a photocatalyst electrode composed of Pt / CdS / CGIZS / Au was obtained in the same manner.
実施例22
<光触媒合成と光触媒電極作製、触媒組成:同上、合成法:同上、熱処理温度:650℃>
熱処理温度を650℃に代える以外は実施例20と同様の方法によりCGIZS光触媒を合成し、さらに、同様にして、Pt/CdS/CGIZS/Auからなる光触媒電極を得た。
Example 22
<Photocatalyst synthesis and photocatalyst electrode fabrication, catalyst composition: same as above, synthesis method: same as above, heat treatment temperature: 650 ° C>
A CGIZS photocatalyst was synthesized by the same method as in Example 20 except that the heat treatment temperature was changed to 650 ° C., and further, a photocatalyst electrode composed of Pt / CdS / CGIZS / Au was obtained in the same manner.
実施例23
<光触媒合成と光触媒電極作製、触媒組成:同上、合成法:同上、熱処理温度:750℃>
熱処理温度を750℃に代える以外は実施例20と同様の方法によりCGIZS光触媒を合成し、さらに、同様にして、Pt/CdS/CGIZS/Auからなる光触媒電極を得た。
Example 23
<Photocatalyst synthesis and photocatalyst electrode fabrication, catalyst composition: same as above, synthesis method: same as above, heat treatment temperature: 750 ° C>
A CGIZS photocatalyst was synthesized by the same method as in Example 20 except that the heat treatment temperature was changed to 750 ° C., and further, a photocatalyst electrode composed of Pt / CdS / CGIZS / Au was obtained in the same manner.
比較例8
<光触媒合成と光触媒電極作製、触媒組成:同上、合成法:同上、熱処理温度:350℃>
熱処理温度を350℃に代える以外は実施例20と同様の方法によりCGIZS光触媒を合成し、さらに、同様にして、Pt/CdS/CGIZS/Auからなる光触媒電極を得た。
Comparative Example 8
<Photocatalyst synthesis and photocatalyst electrode fabrication, catalyst composition: same as above, synthesis method: same as above, heat treatment temperature: 350 ° C>
A CGIZS photocatalyst was synthesized by the same method as in Example 20 except that the heat treatment temperature was changed to 350 ° C., and further, a photocatalyst electrode composed of Pt / CdS / CGIZS / Au was obtained in the same manner.
比較例9
<光触媒合成と光触媒電極作製、触媒組成:同上、合成法:同上、熱処理温度:850℃>
熱処理温度を850℃に代える以外は実施例20と同様の方法によりCGIZS光触媒を合成し、さらに、同様にして、Pt/CdS/CGIZS/Auからなる光触媒電極を得た。
Comparative Example 9
<Photocatalyst synthesis and photocatalyst electrode fabrication, catalyst composition: same as above, synthesis method: same as above, heat treatment temperature: 850 ° C>
A CGIZS photocatalyst was synthesized by the same method as in Example 20 except that the heat treatment temperature was changed to 850 ° C., and further, a photocatalyst electrode composed of Pt / CdS / CGIZS / Au was obtained in the same manner.
<光電気化学特性評価>
上記で得られた光触媒電極を用いて、以下の測定条件によって、光電気化学特性を調べた。実施例20〜23および比較例8〜9において得られた各光触媒を上記のように用いた光触媒電極の結果を表1に示す。
・光源 ソーラーシミュレーター AM1.5G(100mW/cm2)
・電解液 0.5M Na2SO4、0.25M Na2HPO4、0.25M NaH2PO4 pH 6.3
・参照電極 Ag/AgCl、対電極 Ptワイヤ
・アルゴン雰囲気
<Evaluation of photoelectrochemical characteristics>
Using the photocatalytic electrode obtained above, the photoelectrochemical properties were investigated under the following measurement conditions. Table 1 shows the results of the photocatalyst electrodes using the photocatalysts obtained in Examples 20 to 23 and Comparative Examples 8 to 9 as described above.
・ Light source Solar simulator AM1.5G (100mW / cm 2 )
-Electrolytic solution 0.5M Na 2 SO 4 , 0.25M Na 2 HPO 4 , 0.25M NaH 2 PO 4 pH 6.3
・ Reference electrode Ag / AgCl, counter electrode Pt wire ・ Argon atmosphere
表1から明らかなように、実施例20〜23において得られた各光触媒電極による0.0vsRHEにおけるカソード電流密度はいずれも1.0mA/cm2以上と高い数値を示した。一方で、比較例8および9における同カソード電流密度は1mA/cm2未満と低い値であった。これらより、熱処理温度が450℃から750℃の場合において光電気化学特性が良好となることがわかる。
As is clear from Table 1, the cathode current densities at 0.0 vs RHE by each photocatalytic electrode obtained in Examples 20 to 23 showed a high value of 1.0 mA / cm 2 or more. On the other hand, the cathode current densities in Comparative Examples 8 and 9 were as low as less than 1 mA / cm 2. From these, it can be seen that the photoelectrochemical properties are good when the heat treatment temperature is 450 ° C. to 750 ° C.
Claims (11)
一般式: CuxGax−y+kIny+jZn2(1−x)+mA2+n
(上記式中、x、y、k、j、m及びnは下記条件を満たし(但し、k=j=m=n=0であるものを除く。)、AはSまたはSeを示す。
0<x<1、0≦y≦1、x>y、0≦k≦0.2、0≦j≦0.2、
0≦m≦0.2、0≦n≦0.8、n=3/2k+3/2j+m) A mixture of metal sulfides containing cuprous sulfide (Cu 2 S), gallium sulfide (Ga 2 S 3 ), indium sulfide (In 2 S 3 ), and zinc sulfide (Zn S) in the presence of metal chloride. , 400 ° C. or higher, and heat-treated at 700 ° C. or less is dissolved in the metal chloride saw including a Rukoto grown crystals, melting point of the metal chloride is lower than the temperature of the heat treatment is represented by the following general formula A method for producing a metal compound having a sulfur pyrite type crystal structure.
General formula: Cu x Ga x-y + k In y + j Zn 2 (1-x) + mA 2 + n
(In the above formula, x, y, k, j, m and n satisfy the following conditions (excluding those in which k = j = m = n = 0) , and A represents S or Se.
0 <x <1, 0 ≦ y ≦ 1, x> y, 0 ≦ k ≦ 0.2, 0 ≦ j ≦ 0.2,
0 ≦ m ≦ 0.2, 0 ≦ n ≦ 0.8, n = 3 / 2k + 3 / 2j + m)
(α)0.02≦k≦0.16(Α) 0.02 ≦ k ≦ 0.16
(β)0.02≦j≦0.16(β) 0.02 ≤ j ≤ 0.16
(γ)0.02≦m≦0.16(γ) 0.02 ≤ m ≤ 0.16
(δ)0.08≦n≦0.64(δ) 0.08 ≤ n ≤ 0.64
前記金属塩化物に由来する金属からなる不純物の量が、前記一般式で表されるカルコパイライト型結晶構造を有する金属化合物の質量の100ppm未満である、請求項1から8のいずれか1項に記載の製造方法。 The metal constituting the metal chloride is a metal other than Cu, Ga, In and Zn.
The amount of impurities made of a metal derived from the metal chloride is less than 100 ppm of the mass of the metal compound having a chalcopyrite type crystal structure represented by the general formula, according to any one of claims 1 to 8. The manufacturing method described.
前記金属化合物は、請求項1から9のいずれか1項に記載の製造方法により製造される、光触媒の製造方法。
一般式: CuxGax−y+kIny+jZn2(1−x)+mA2+n
(上記式中、x、y、k、j、m及びnは下記条件を満たし(但し、k=j=m=n=0であるものを除く。)、AはSまたはSeを示す。
0<x<1、0≦y≦1、x>y、0≦k≦0.2、0≦j≦0.2、
0≦m≦0.2、0≦n≦0.8、n=3/2k+3/2j+m) A method for producing a photocatalyst containing a metal compound having a chalcopyrite type crystal structure represented by the following general formula.
A method for producing a photocatalyst, wherein the metal compound is produced by the production method according to any one of claims 1 to 9.
General formula: Cu x Ga x-y + k In y + j Zn 2 (1-x) + mA 2 + n
(In the above formula, x, y, k, j, m and n satisfy the following conditions (excluding those in which k = j = m = n = 0) , and A represents S or Se.
0 <x <1, 0 ≦ y ≦ 1, x> y, 0 ≦ k ≦ 0.2, 0 ≦ j ≦ 0.2,
0 ≦ m ≦ 0.2, 0 ≦ n ≦ 0.8, n = 3 / 2k + 3 / 2j + m)
前記光触媒は、請求項10に記載の製造方法により製造され、
前記助触媒は、ルテニウム、白金、イリジウム、パラジウム及び金からなる群より選択される少なくとも1つであって、前記金属化合物に担持されており、
前記表面修飾剤は、CdS、ZnS及びIn2S3からなる群より選ばれる少なくとも1つであって、前記金属化合物の表面を修飾している、
光触媒複合体の製造方法。
一般式: CuxGax−y+kIny+jZn2(1−x)+mA2+n
(上記式中、x、y、k、j、m及びnは下記条件を満たし(但し、k=j=m=n=0であるものを除く。)、AはSまたはSeを示す。
0<x<1、0≦y≦1、x>y、0≦k≦0.2、0≦j≦0.2、
0≦m≦0.2、0≦n≦0.8、n=3/2k+3/2j+m) A method for producing a photocatalyst complex containing a photocatalyst containing a metal compound having a chalcopyrite crystal structure represented by the following general formula, and at least one selected from the group consisting of a cocatalyst and a surface modifier.
The photocatalyst is produced by the production method according to claim 10.
The co-catalyst is at least one selected from the group consisting of ruthenium, platinum, iridium, palladium and gold, and is supported on the metal compound.
The surface modifier, CdS, comprising at least one selected from the group consisting of ZnS and an In 2 S 3, and modifying the surface of the metal compound,
A method for producing a photocatalytic complex.
General formula: Cu x Ga x-y + k In y + j Zn 2 (1-x) + mA 2 + n
(In the above formula, x, y, k, j, m and n satisfy the following conditions (excluding those in which k = j = m = n = 0) , and A represents S or Se.
0 <x <1, 0 ≦ y ≦ 1, x> y, 0 ≦ k ≦ 0.2, 0 ≦ j ≦ 0.2,
0 ≦ m ≦ 0.2, 0 ≦ n ≦ 0.8, n = 3 / 2k + 3 / 2j + m)
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