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新規カルコゲナイド系光電極を用いた高効率・高耐久ソーラー水素生成反応系の構築

Research Project

Project/Area Number 17J07120
Research Category

Grant-in-Aid for JSPS Fellows

Allocation TypeSingle-year Grants
Section国内
Research Field Energy-related chemistry
Research InstitutionThe University of Tokyo

Principal Investigator

兼古 寛之  東京大学, 工学系研究科, 特別研究員(DC2)

Project Period (FY) 2017-04-26 – 2019-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2018)
Budget Amount *help
¥1,900,000 (Direct Cost: ¥1,900,000)
Fiscal Year 2018: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000)
Fiscal Year 2017: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000)
Keywords水素製造 / 半導体電極 / 電気化学 / 水分解 / 太陽光 / 酸化物コーティング / 無電解めっき
Outline of Annual Research Achievements

光電気化学セルによる可視光水分解は、太陽光と水のみから水素を製造するシステムの一つとして注目されている。本研究では特に、p型半導体電極(光カソード)及びn型半導体電極(光アノード)を接続することによって構築される2段階光励起型のセルに着目した。この2段階光励起型のセルにおいては、バンドギャップの比較的小さい非酸化物材料を選択可能であるものの、半導体電極表面の腐食が主な原因で、12時間を超える長時間動作は報告されていなかった。加えて、特に光カソード表面において、光アノードから溶出した重金属イオンによる表面被毒もまた不安定化に寄与していることを、当研究員による前年度までの結果によって明らかとなっていた。
当年度は、この光アノードからの重金属イオンの溶出の抑制を図り、光アノード表面の修飾及びその効果を検討した。より具体的には、カチオンの透過を妨げるアニオン伝導性イオノマーをBiVO4光アノードの表面にコーティングすることによって、BiVO4の分解によって生じたBi3+やV5+といった金属イオンをBiVO4/イオノマー界面に閉じ込めることを狙った。これによって、BiVO4光アノード表面付近の重金属イオン濃度が高まり、化学平衡の変化によって一定量以上の分解が抑制されると期待されたためである。
上記コーティングを行い、かつ対極表面に析出したBi種の量を分析した結果、イオノマー被覆によってBiの析出速度が5分の1程度にまで抑えられることを確認した。イオノマー被覆によってBiVO4の分解及び溶出が抑えられたことを強く示唆している。
さらに、イオノマー被覆したBiVO4光アノードと光カソードを用いて、冒頭に記述した光電気化学セルを構築し、疑似太陽光照射下における、水分解に起因する光電流の変動を測定した結果、イオノマー被覆によって光電流が安定化することを確認した。

Research Progress Status

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Report

(2 results)
  • 2018 Annual Research Report
  • 2017 Annual Research Report
  • Research Products

    (32 results)

All 2019 2018 2017 Other

All Journal Article (9 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Peer Reviewed: 9 results,  Open Access: 1 results) Presentation (21 results) (of which Int'l Joint Research: 5 results) Book (1 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] Suppression of poisoning of photocathode catalysts in photoelectrochemical cells for highly stable sunlight-driven overall water splitting2019

    • Author(s)
      Kaneko Hiroyuki、Minegishi Tsutomu、Kobayashi Hiroyuki、Kuang Yongbo、Domen Kazunari
    • Journal Title

      The Journal of Chemical Physics

      Volume: 150 Issue: 4 Pages: 041713-041713

    • DOI

      10.1063/1.5052590

    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Efficient hydrogen evolution on (CuInS2)x(ZnS)1-x solid solution-based photocathodes under simulated sunlight2019

    • Author(s)
      Zhao Jiao、Minegishi Tsutomu、Kaneko Hiroyuki、Ma Guijun、Zhong Miao、Nakabayashi Mamiko、Hisatomi Takashi、Katayama Masao、Shibata Naoya、Yamada Taro、Domen Kazunari
    • Journal Title

      Chemical Communications

      Volume: 55 Issue: 4 Pages: 470-473

    • DOI

      10.1039/c8cc08623k

    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Development of highly efficient CuIn0.5Ga0.5Se2-based photocathode and application to overall solar driven water splitting2018

    • Author(s)
      Kobayashi Hiroyuki、Sato Naotoshi、Orita Masahiro、Kuang Yongbo、Kaneko Hiroyuki、Minegishi Tsutomu、Yamada Taro、Domen Kazunari
    • Journal Title

      Energy & Environmental Science

      Volume: 11 Issue: 10 Pages: 3003-3009

    • DOI

      10.1039/c8ee01783b

    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Surface Protective and Catalytic Layer Consisting of RuO2 and Pt for Stable Production of Methylcyclohexane Using Solar Energy2018

    • Author(s)
      Kageshima Yosuke、Minegishi Tsutomu、Sugisaki Sho、Goto Yosuke、Kaneko Hiroyuki、Nakabayashi Mamiko、Shibata Naoya、Domen Kazunari
    • Journal Title

      ACS Applied Materials & Interfaces

      Volume: 10 Issue: 51 Pages: 44396-44402

    • DOI

      10.1021/acsami.8b14814

    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Solution-Processed Cd-Substituted CZTS Photocathode for Efficient Solar Hydrogen Evolution from Neutral Water2018

    • Author(s)
      Tay Ying Fan、Kaneko Hiroyuki、Chiam Sing Yang、Lie Stener、Zheng Qiusha、Wu Bo、Hadke Shreyash Sudhakar、Su Zhenghua、Bassi Prince Saurabh、Bishop Douglas、Sum Tze Chien、Minegishi Tsutomu、Barber James、Domen Kazunari、Wong Lydia Helena
    • Journal Title

      Joule

      Volume: 2 Issue: 3 Pages: 537-548

    • DOI

      10.1016/j.joule.2018.01.012

    • Related Report
      2017 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Stable Hydrogen Production from Water on an NIR-Responsive Photocathode under Harsh Conditions2018

    • Author(s)
      Hiroyuki Kaneko, Tsutomu Minegishi, Tomohiro Higashi, Mamiko Nakabayashi, Naoya Shibata, and Kazunari Domen
    • Journal Title

      Small Methods

      Volume: in press

    • Related Report
      2017 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] A particulate (ZnSe)0.85(CuIn0.7Ga0.3Se2)0.15 photocathode modified with CdS and ZnS for sunlight-driven overall water splitting2017

    • Author(s)
      Y. Goto, T. Minegishi, Y. Kageshima, T. Higashi, H. Kaneko, Y. Kuang, M. Nakabayashi, N. Shibata, H. Ishihara, T. Hayashi, A. Kudo, T. Yamada, K. Domen
    • Journal Title

      J. Mater. Chem. A

      Volume: 5 Issue: 40 Pages: 21242-21248

    • DOI

      10.1039/c7ta06663e

    • Related Report
      2017 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Overall water splitting by photoelectrochemical cells consisting of (ZnSe)0.85(CuIn0.7Ga0.3Se2)0.15 photocathodes and BiVO4 photoanodes2017

    • Author(s)
      T. Higashi, H. Kaneko, T. Minegishi, H. Kobayashi, M. Zhong, Y. Kuang, T. Hisatomi, M. Katayama, T. Takata, H. Nishiyama, T. Yamada, K. Domen
    • Journal Title

      Chem. Communication

      Volume: 53 Issue: 85 Pages: 11674-11677

    • DOI

      10.1039/c7cc06637f

    • Related Report
      2017 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Recent Progress in the Surface Modification of Photoelectrodes toward Efficient and Stable Overall Water Splitting2017

    • Author(s)
      Kaneko Hiroyuki、Minegishi Tsutomu、Domen Kazunari
    • Journal Title

      Chemistry - A European Journal

      Volume: 23 Issue: 22 Pages: 1-11

    • DOI

      10.1002/chem.201703104

    • Related Report
      2017 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] Stabilization of Photoelectrochemical Cells for Solar-Driven Hydrogen Production via Suppression of Poisoning2019

    • Author(s)
      兼古 寛之・嶺岸 耕・小林 宏之・Yongbo Kuang・堂免 一成
    • Organizer
      第99回日本化学会春季年会
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] Photoelectrochemical Properties of Surface-Modified ZnSe:Cu(In,Ga)Se2 Photoelectrodes for Efficient and Durable Overall Water Splitting.2018

    • Author(s)
      Hiroyuki Kaneko, Tsutomu Minegishi and Kazunari Domen
    • Organizer
      233rd ECS meeting
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] RuO2コートされたZnSe:Cu(In,Ga)Se2光カソードを用いたソーラー水素製造用光電気化学セルの安定化2018

    • Author(s)
      兼古 寛之
    • Organizer
      第39回触媒学会若手会夏の研修会
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] ソーラー水素製造用光電気化学セルの安定化を目的とした半導体光電極に対する表面修飾の検討2018

    • Author(s)
      兼古 寛之・嶺岸 耕・小林 宏之・Yongbo Kuang・山田 太郎・堂免 一成
    • Organizer
      第79回応用物理学会秋季学術講演会
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] 酸化物コートZnSe:Cu(In,Ga)Se2薄膜光カソードを用いた光電気化学セルによる安定なノンバイアス水分解反応の検討2018

    • Author(s)
      兼古 寛之・嶺岸 耕・堂免 一成
    • Organizer
      日本化学会第98春季年会
    • Related Report
      2017 Annual Research Report
  • [Presentation] Enhancement of Charge Separation in (ZnSe)0.85(CuIn0.7Ga0.3Se2)0.15 Photocathodes for Efficient Hydrogen Production from Water under Sunlight.2018

    • Author(s)
      Hiroyuki Kaneko, Tsutomu Minegishi, Yongbo Kuang, Taro Yamada, Kazunari Domen
    • Organizer
      ICMAT 2017
    • Related Report
      2017 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 固溶体光カソード材料(ZnSe)0.85(CuIn0.7Ga0.3Se2)0.15における欠陥構造の解明と制御に関する理論的研究2018

    • Author(s)
      久保 綾子・兼古 寛之・嶺岸 耕・堂免 一成・山下 晃一
    • Organizer
      日本化学会第98春季年会
    • Related Report
      2017 Annual Research Report
  • [Presentation] ZnSe:Cu(In,Ga)Se2固溶体粉末の合成条件が光電気化学特性に与える影響2018

    • Author(s)
      影島 洋介・後藤 陽介・兼古 寛之・嶺岸 耕・堂免 一成
    • Organizer
      日本化学会第98春季年会
    • Related Report
      2017 Annual Research Report
  • [Presentation] ソーラー水素製造用半導体光電極に対する表面コーティングの検討2018

    • Author(s)
      兼古 寛之・嶺岸 耕・堂免 一成
    • Organizer
      第9回低温研究交流会
    • Related Report
      2017 Annual Research Report
  • [Presentation] Efficient Hydrogen Production by Photoelectrochem. Water Splitting Using a ZnSe:Cu(In,Ga)Se2 Photocathode2017

    • Author(s)
      Hiroyuki Kaneko, Tsutomu Minegishi, Yongbo Kuang, Taro Yamada, Kazunari Domen
    • Organizer
      16th Korea-Japan Symposium on Catalysis
    • Related Report
      2017 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] ZnSe:Cu(In,Ga)Se2 薄膜光カソードと BiVO4光アノードを用いて構築した光電気化学セルによる水の全分解2017

    • Author(s)
      兼古 寛之・嶺岸 耕・Kuang Yongbo・山田 太郎・堂免 一成
    • Organizer
      第36回光がかかわる触媒化学シンポジウム
    • Related Report
      2017 Annual Research Report
  • [Presentation] ZnSe:Cu(In,Ga)Se2 薄膜光カソードと BiVO4光アノードを用いて構築した光電気化学セルによる水の全分解2017

    • Author(s)
      兼古 寛之
    • Organizer
      第38回触媒学会若手会
    • Related Report
      2017 Annual Research Report
  • [Presentation] ZnSe:Cu(In,Ga)Se2光カソードとBiVO4光アノードから成る光電気化学セルを用いた疑似太陽光照射下でのメチルシクロヘキサン生成2017

    • Author(s)
      影島 洋介・杉崎 匠・兼古 寛之・後藤 陽介・嶺岸 耕・堂免 一成
    • Organizer
      第120回触媒討論会
    • Related Report
      2017 Annual Research Report
  • [Presentation] (ZnSe)0.85(CuIn0.7Ga0.3Se2)0.15光カソードとBiVO4光アノードの組み合わせによる水野全分解反応2017

    • Author(s)
      東 智弘・兼古 寛之・嶺岸 耕・小林 宏之・Miao Zhong・Yongbo Kuang・久富 隆史・片山 正士・高田 剛・西山 洋・山田 太郎・堂免 一成
    • Organizer
      第120回触媒討論会
    • Related Report
      2017 Annual Research Report
  • [Presentation] 表面修飾がZnSe:Cu(In,Ga)Se2薄膜光カソードの安定性に与える影響2017

    • Author(s)
      兼古 寛之・嶺岸 耕・堂免 一成
    • Organizer
      第120回触媒討論会
    • Related Report
      2017 Annual Research Report
  • [Presentation] ソーラー水素製造用ZnSe:Cu(In,Ga)Se2光カソードの酸化物コーティングによる安定化2017

    • Author(s)
      兼古 寛之・嶺岸 耕・堂免 一成
    • Organizer
      第37回水素エネルギー協会大会
    • Related Report
      2017 Annual Research Report
  • [Presentation] Design of overlayers for enhanced photocatalytic performance of CZTS based photocathode2017

    • Author(s)
      Tay Ying Fan, Chiam Sing Yang, Lie Stener, Bassi Prince, Hiroyuki Kaneko, Minegishi Tsutomu, Wong Lydia
    • Organizer
      ICMAT 2017
    • Related Report
      2017 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Direct Conversion of Toluene to Methlcyclohexane Using ZnSe:Cu(In,Ga)Se2 Photocathode2017

    • Author(s)
      Yosuke Kageshima, Yosuke Goto, Sho Sugisaki, Hiroyuki Kaneko, Tsutomu Minegishi, Kazunari Domen
    • Organizer
      16th Korea-Japan Symposium on Catalysis
    • Related Report
      2017 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 近赤外光応答型光カソードを用いたタンデム型光電気化学セルによる水素製造2017

    • Author(s)
      兼古 寛之・嶺岸 耕・Kuang Yongbo・山田 太郎・堂免 一成
    • Organizer
      第6回JACI/GSCシンポジウム
    • Related Report
      2017 Annual Research Report
  • [Presentation] ZnSe:Cu(In,Ga)Se2 粉末から成る膜電極接合体を用いた太陽光照射下での光電気化学的な水とトルエンのメチルシクロヘキサンへの変換反応2017

    • Author(s)
      影島 洋介・後藤 陽介・杉崎 匠・兼古 寛之・嶺岸 耕・堂免 一成
    • Organizer
      第6回JACI/GSCシンポジウム
    • Related Report
      2017 Annual Research Report
  • [Presentation] ソーラーメチルシクロヘキサン生成反応を指向ZnSe:Cu(In,Ga)Se2 ベースの膜-光電極接合体の開発2017

    • Author(s)
      影島 洋介・後藤 陽介・杉崎 匠・兼古 寛之・嶺岸 耕・堂免 一成
    • Organizer
      第36回光がかかわる触媒化学シンポジウム
    • Related Report
      2017 Annual Research Report
  • [Book] “Photoanodic and Photocathodic Materials Applied for Free-Running Solar Water Splitting Devices” In D. Wang and G. Cao (Eds.) “Nanomaterials for Energy Conversion and Storage”2018

    • Author(s)
      Miao Zhong, Hiroyuki Kaneko, Taro Yamada and Kazunari Domen
    • Total Pages
      39
    • Publisher
      World Scientific Publishing
    • ISBN
      9781786343628
    • Related Report
      2017 Annual Research Report
  • [Remarks] ATLAS of Science

    • URL

      https://atlasofscience.org/a-stirring-free-photoelectrochemical-cell-for-solar-hydrogen-production/

    • Related Report
      2018 Annual Research Report

URL: 

Published: 2017-05-25   Modified: 2024-03-26  

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