2020 Fiscal Year Annual Research Report
Electrochemical construction of nanostructured copper oxide photocathodes for high performance water-splitting hydrogen gas generation
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19H02810
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| Research Institution | Toyohashi University of Technology |
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Principal Investigator |
伊崎 昌伸 豊橋技術科学大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (30416325)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 銅酸化物 / 電気化学 / 光カソード / 積層体 / ナノ混合体 / 熱力学 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、CO2排出量の大規模削減に資する太陽光活用水分解水素生成用高効率・高安定性光カソードを実現することを目的として、熱力学に立脚して提案した新規Cu錯体水溶液から光・電気化学反応によりCu2OとCuOから構成される積層体・ナノ混合体を構築し、積層体化・ナノ構造化効果を解明し、高効率化の指針を明確にする。まず電気化学的に形成したCu2O層の加熱により作製したCuO/Cu2O積層体において両層が光電変換層として機能することを実証し、加熱により導入される欠陥が光電変換機能を阻害することを明らかにした。そこで、陰分極によりCu2O、陽分極によってCuO層を形成できるCu-酒石酸錯体水溶液を熱力学に立脚して設計し、Cu2O層とCuO層を単一水溶液から電位制御により作製すること、電位スイッチングと光励起による少数キャリア制御を組み合わせることによって、Cu2O/CuOならびにCuO/Cu2O積層体を形成することに成功した。AM1.5G-1sun条件で測定したCuO/Cu2O積層体光カソードの光電流密度は、CuOならびにCu2O単層、Cu2O/CuO積層体の約13倍の値を示し、積層体のバンド接続とキャリア輸送特性が影響していると考えられた。加えて、電位スイッチングの高周波化によってCuO-Cu2Oナノ混合体を形成し、光電流密度が増加すること、さらに加熱により増加することを示すと共に、その機構を明らかにした。詳細な構造解析から明らかになったナノ混合体の成長過程から、電気化学ヘテロエピタキシャル成長が有効と考えられた。積層体では方位制御により単配向化することができたが、高周波化によってその効果は減少することも明らかになった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
CuO,Cu2Oならびにその積層体を、光・電気化学反応により形成できるCu錯体水溶液を熱力学に立脚して設計し、単層ならびにCuO/Cu2O,Cu2O/CuO積層体の形成に成功し、析出反応、構造、エネルギー状態を明らかした。CuO/Cu2O積層体が光カソードとして単層よりも大きな光電流密度を示すと共に、その機構を構造・組織・エネルギー状態解析から明らかにした。また、光電気化学高周波電位スイッチング法によるCuO-Cu2Oナノ混合体化によって、光電流密度が増加することを示すと共に、その成長過程から方位制御の可能性を見出した。その結果、電気化学ヘテロエピタキシャル成長によって方位制御積層体の形成にも成功し、当初想定していなかった成果を得た。以上のことから、①当初の計画以上に進展している、と判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究課題の遂行により従来報告値を超える希土類元素を含有しないナノ構造化Cu-O光カソードが実現しつつあり、電気化学ヘテロエピタキシャル成長によって方位制御積層体形成には成功したが、高周波化によってその効果は減少した。方位制御が光電変換特性に大きな影響を及ぼすことから、詳細な検討が必要である。加えて、バンド接続についての知見から、積層体については当初想定していなかった光電変換素子（太陽電池）の可能性も明らかになってきており、これらの検討も必要である。
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