Electrochemical study on solar water splitting reaction at the photoelectrode/electrolyte interface

2021 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 19K15670
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 36020:Energy-related chemistry
• Research Institution: University of Miyazaki (2021); The University of Tokyo (2019-2020)
• Principal Investigator: Higashi Tomohiro 宮崎大学, キャリアマネジメント推進機構, 助教 (80762088)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: 光電極 / 水分解 / 光触媒 / エネルギー変換 / 光電気化学 / 電気分析化学 / 固液界面 / 表面修飾

Outline of Final Research Achievements

This study investigated the photoelectrochemical (PEC) water splitting reaction on the Ta3N5-based thin-film photoelectrodes prepared on the double-side polished quartz insulating substrate. The developed Ta3N5 thin-film on quartz (Ta3N5/SiO2) shows the efficient water splitting reaction under simulated sunlight (AM 1.5G, 100 mW cm-2) by its own electrical conductivity even without insertion of the transparent conductive layer. The optical and electrical properties of Ta3N5 were investigated to describe the efficiency of photoelectrochemical water splitting as a function of light transmittance. The impact of the cocatalyst such as NiFeOx and NiFeCoOx loaded on Ta3N5/SiO2 photoelectrodes upon the water splitting reaction was evaluated using the results of PEC measurements, UV-vis transmission spectroscopy, and Hall effect measurements. The design of the photoelectrode/electrolyte interface allows us to achieve an efficient PEC water splitting device.

Free Research Field

光エネルギー変換

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

半導体光電極を利用した光電気化学水分解反応は、光と水のみから水素と酸素を生成できる。低環境負荷で持続可能な水素社会の実現に向けた有望な太陽光エネルギーの変換技術であると考えられる。この光電気化学水分解における反応の舞台は、光電極/助触媒/水溶液からなる固液界面である。この固液界面に関する理解を深化し、高い効率で水分解反応を実現することが求められる。本研究では、半導体光電極上に担持した助触媒が与える水分解反応の効率について精査した結果、光吸収と光透過率および助触媒の担持条件の最適化によって、高い効率で水を水素と酸素に分解することができた。