鉄を含有する複合酸化物半導体電極による水の光分解

• Project/Area Number: 63550592
• Research Category: Grant-in-Aid for General Scientific Research (C)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Field: 工業物理化学
• Research Institution: Kumamoto University
• Principal Investigator: 松本 泰道 熊本大学, 工学部, 助教授 (80114172)
• Project Period (FY): 1988
• Project Status: Completed (Fiscal Year 1988)
• Budget Amount: ¥1,800,000 (Direct Cost: ¥1,800,000); Fiscal Year 1988: ¥1,800,000 (Direct Cost: ¥1,800,000)
• Keywords: 水の光分解 / 半導体電極 / 鉄複合酸化物

Research Abstract

酸化チタンのバンドギャップ3eVより小さい2eVのバンドギャップの鉄複合酸化物、P-CaFe_2O_4、P-Sr_7Fe_<10>O_<22>、n-ZnFe_2O_4を合成し、これによる水の光分解について研究した。特にP-CaFe_2O_4は表面準位によるフェルミレベルピンニングが生じており、本研究では、これについて一応の改善が得られた。得られた知見をまとめると以下のようである。
1)P-CaFe_2O_4の固有抵抗を下げるため、Caを他の一価金属で微量置換した。例えばNaをわずか置換すると抵抗は1〜2オーダー小さくなった。また多量の置換はむしろ再結合準位を増加させ、光電流を小さくさせる。また、最も問題であったフェルミレベルピンニングによる非オーミック接触がPt-Pd合金スパッタおよびこれの熱処理によって解決できた。酸化物サンプルの表面にPt-Pdをスパッタした後、600〜650℃で熱処理する時、最もオーミックコンタクトが取れた。
2)P-CaFe_2O_4電極のオーミックコンタクトの成功のため、これによる水に光カソード分解電流が著るしく増加した。酸中での光電流は数10mA/cm^2にまで増加したが、同時に電極の光溶解も著しい。中性およびアルカリ中では光溶解は抑制されたが、光電流は小さくなってしまった。ところがその表面にPt-Pd合金を電着させると、貴金属の電極触媒作用のため、水素発生光電流は増加した。
3)上記のように改善されたP-CaFe_2O_4電極とn-ZnFe_2O_4を組み合せたP/n接合型光電池により水の光分解を試みた。実際水素対酸素ガスの量は2対1であって水の完全光分解が生じていた。P-CaFe_2O_4電極の改善はうまくいっているが、未だn-ZnFe_2O_4電極の改善はできておらず、これがさらに改善されれば、太陽光による水の光分解効率は著しく増加すると考えられる。