세륨으로 표면 처리 된 고성능 바카라 족보 개발

바카라 커뮤니티 (Nomaguchi Ari 회장) (이하 "AIST")에너지 기술 연구 부서[연구 부서 이사 Hasegawa Hiroo] 태양 에너지 변환 그룹 이사 Sayama Kazuhiro, 연구원과 연구원 Miishi Yugo는 기존의 방법에 비해 가시 빛이 매우 높았습니다양자 수율텅스텐 산화물(wo₃)바카라 족보(사진 1의 왼쪽 상단)가 개발되었습니다 이 촉매 기반 바카라 족보-전해질 하이브리드 시스템 (사진 1)은 햇빛을 효과적으로 사용하고 물을 사용하여 철 삼배 이온을 산화시키는 수소 생산 시스템입니다 (Fe³⁺)는 철분 이온 (Fe²⁺)로 감소하면서 산소를 생성하는 바카라 족보 및 Fe²⁺fe³⁺수소를 생성합니다

바카라 족보의 이러한 고효율은 WO₃이것은 세슘 (CS)으로 바카라 족보의 표면 처리 방법을 개발함으로써 실현되었습니다 새로운 CS- 처리 된 촉매의 활성은 처리되지 않은 촉매에 비해 10 배 이상 증가되었다 가시 광선 수율은 420 nm의 파장에서 19%이며, 지금까지보고 된 값 (04%)^*보다 약 50 배 더 높습니다 태양 에너지를 사용하면 물 결정의 전해 전압이 거의 절반이되므로 저렴한 수소 생산이 예상 될 수 있습니다

이 기술에 대한 세부 사항은 2010 년 3 월 19 일 Tokai University에서 개최 될 Energy Environment Study Group의 응용 물리 관련 강의에 관한 57 번째 강의에서 발표 될 것입니다

사진 1이 시간에 개발 된 고성능 바카라 족보 (왼쪽 상단) 및 바카라 족보-전해질 하이브리드 시스템의 전체 모델 태양 에너지를 변환하는 바카라 족보 반응을 사용하여 방수 수소 생산의 전해 전압을 감소시킵니다

9890_10151태양 에너지 변환 효율여전히 낮고 고성능 바카라 족보 시스템을 개발하려는 욕구가있었습니다

AIST는 지금까지 바카라 족보 수소 생산의 단점을 극복 할 수있는 바카라 족보-전해질 하이브리드 시스템을 고안하고 연구하고있다 (도 1 및 2) 이 시스템은 바카라 족보 효율을 향상시킬 수있는 잠재력뿐만 아니라 순수한 수소가 생성 될 수 있고 수소 수집을위한 대규모 투명 후드가 필요하지 않다는 이점이 있습니다 물에서 정상적인 전해 수소 생산과 비교하여 전해 전압 감소로 인해 저렴한 수소 생산이 예상 될 수 있습니다 다시 말해,이 기술은 기존의 바카라 족보 방법과 종래의 전해 방법의 장점을 사용한다고 말할 수 있습니다 산화 감소 반응에 사용Redox Media여러 후보자가 있지만 fe²⁺이온의 저전압 수소 생산이 이미 확립되었다는 점을 고려하면 Iron Redox Media (FE²⁺및 fe³⁺ION 쌍)은 현재 가장 현실적입니다 위에서,이 하이브리드 시스템을 실현하는 나머지 중요한 문제는 물에서 산소를 생성하는 동안 산화 환원 매체의 감소입니다 (Fe³⁺FRO²⁺

그림 1 : 바카라 족보 전해 하이브리드 시스템이 어떻게 작동하는지

그림 2 다양한 방수 수소 생산의 반응 메커니즘의 잠재적 다이어그램 (a) 바카라 족보 물 분해 (b) 바카라 족보-전해질 하이브리드 시스템 (c) 정상 수의 전해 큰 전압이 필요합니다

　wo₃반도체 바카라 족보는 가시 광선을 흡수 할 수 있으며, 환경 정제 분야에서 구리 및 팔라듐 코 캣alyst가 표면에지지되어 전통적인 tio₂이미 시스템 광 촉매 (AIST Press가 2008 년 7 월 9 일 발표) 이 연구에서는 Fe³⁺이온 감소를 수행하는 반응에 대한 WO₃바카라 족보 분말의 제조 조건 및 표면 처리 조건을 최적화하여 활동이 향상되었습니다 결과적으로, 세슘 금속 염으로의 표면 처리가 수행 될 때 활성을 상당히 개선하는 효과가 수행 된 것으로 밝혀졌다 (표 1) Fe²⁺이온은 론적으로 비례 적으로 생성되었습니다 개선 된 활성을 갖는 촉매는 표면에 물에 용해되지 않은 CS 화합물을 가짐으로써 확인되었다 wo₃반도체 입자의 표면적, 입자 모양, 광 흡수 및 내부 구조는 CS 처리에 의해 크게 변하지 않았다 CS 표면 처리 방법은 열수 처리 용액에 CS 금속 염을 첨가하고 카보네이트는 wo₃약 500 ° C에서 입자가 함침되고 소환 된 모든 방법은 매우 활성이었다 이 CS 표면이 처리 된 WO₃바카라 족보는 강한 산성수로 세척하여 표면의 CS 이온을 강제하고 철 황산염 (FESO₄) 수용액으로 세척하면 활동이 향상되고 처리되지 않은 WO₃바카라 족보 (18 µmol/h)보다 활성 (196 μmol/h)이 10 배 이상 더 활성화되어 있습니다

표 1 : 열수 처리 및 함침 방법을 사용하여 수성 세소 탄산염 용액으로 처리 된 WO 표면3바카라 족보와 가시 광선 조사 하의 산소 생산 반응

CS 표면 처리와 WO₃우리는 바카라 족보 활동을 개선하는 메커니즘을 조사했습니다 CS는 wo₃표면에 고르지 않게 분포되어 있지만,이 CS는 강한 산성수로 제거되어야합니다₃표면에 존재하지 않은 ION Exchange 사이트가 생성됩니다 이 이온 교환 부위에는 양성자가 있습니다 (H⁺) 및 물은 h₃O⁺의 형태로, 물의 산화로 인한 산소 생성이 효율적으로 수행된다고 생각된다 일부 ION 교환 현장은 FE²⁺또한 이온 교환, 여기에서 fe³⁺fe²⁺에 대한 환원 반응이 생각됩니다 빠르게 진행됩니다

그림 3은 가장 활성 조건에 대해 최적화 된 바카라 족보에서 산소 생성의 시간 경과를 보여줍니다 Fe³⁺모든 이온이 Fe²⁺로 감소 될 때까지 효율적으로 진행되었다 반응은 황산염과 염화물 사이에서 100% 화학량 론적으로 진행되었으며, 수성 염화물 용액은 더 높은 활성 (256 μmol/h)을 나타냈다 반복 된 실험은 촉매의 활성이 악화되지 않았다 가시 광의 양자 수율은 19% (420 nm)이고 Fe³⁺이온의 산소 생성 WO₃바카라 족보에 대한 이전보고 값 04% (405 nm)^*태양 광의 에너지는 fe²⁺이온이라는 화학 에너지로 전환되는 태양 에너지 전환 효율은 분말 바카라 족보 물 분해에 의한 광 에너지 전환에 대한 가장 높은보고 된 값인 03%에 도달합니다 또한, 광합성 탄화수소로의 태양 에너지 전환의 효율성과 비교하여,이 값은 바이오 연료를위한 유망한 원료 작물로 잘 알려져있다스위치 그라스(02%)를 초과하는 값 이러한 활동이 크게 개선된다인공 광합성광합성 바이오 매스를 에탄올과 같이 사용하기 쉬운 에너지 형태로 변환하는 바이오 연료 생산에서 수확, 운송, 연삭 및 발효와 같은 프로세스 생산에 매우 복잡합니다 한편, 바카라 족보-전해질 하이브리드 시스템에서, Fe²⁺저전압 전기 분해를 통해 이온을 함유 한 수용액을 전해함으로써 직접 수소 생산을 달성 할 수 있습니다 그림 4는 바카라 족보 반응에 의해 생성 된 Fe²⁺이온을 사용하여 수소를 생성하는 소형 전해 장치에서 전해 전압과 전류의 관계를 보여줍니다 전해 전류는 약 08V의 저전압에서 관찰되고, 전류에 상응하는 수소는 카운터 전극으로부터 생성된다 Fe²⁺이온이없는 정상 수질 수소 생산은 123V 이상의 전해 전압이 필요하며, 산소 과전압이 크기 때문에 16V 이상의 전해 전압이 필요합니다 바카라 족보는 Fe²⁺이온 성 수용액의 형태로 축적되어 전해 전압을 낮출 수있었습니다 태양 전지 및 야간 전력과 같은 전해 전력에는 다양한 전원 공급원이 사용될 수 있습니다

이 연구의 결과는 태양 에너지를 사용하여 저렴한 수소 생산을 달성하여 저렴한 분말 바카라 족보 시스템을 활용하여 미래의 수소 에너지 사회를 구축하기위한 주요 진보입니다

그림 3 최고 성능 조건에 최적화되었습니다3바카라 족보 FECL3시간이 지남에 따라 수용액에서 산소 생성의 변화 점선은 fe3+(1260 µmol)는 100%Fe2+fe2+생성됩니다 동일한 바카라 족보를 사용하여 반응을 반복하여 내구성을 확인합니다

그림 4 바카라 족보-전해질 하이브리드의 작은 셀을 사용한 Fe2+시연 및 수소 생성 실험에서 전류와 전압의 관계 (a) 정상 전기 분해 (b) 바카라 족보 반응에 의해 생성 된 Fe2+이온의 존재에

이 연구는 "수소 생산, 운송 및 스토리지 시스템 등을위한 기술 개발 / 탐사 및 효율성에 대한 연구 및 개발 및 효율성에 대한 연구 및 개발 및 차세대 기술 개발과 같은 혁신적인 차세대 기술의 검증 및 바카라 족보 및 다공성 광전자 생산과 같은 혁신적인 차세대 기술의 검증 및 가상 조명 정화 칭통을 사용한 (2008 년에 시작)의 결과입니다

양자 수율이 더욱 개선되고 480 nm 미만의 파장이있는 모든 빛 이이 반응에 사용될 수 있다면, 이론적 태양 에너지 전환 효율은 24%에 도달합니다 더 wo₃최대 600 nm를 사용할 수 있으며, 이론적 태양 에너지 변환 효율은 75%에 도달합니다 앞으로는 태양 에너지 전환 효율을 향상시키기 위해 바카라 족보를 개선하고자합니다

※ 참조
w Erbs, J Desilvestro, E Borgarello, M Grätzel,j 물리 화학, 1984, 88, 4001-4006.

◆ 양자 수율

이 연구의 양자 수율은 "외부 양자 수율"으로 표현됩니다 명백한 양자 수율로도 알려진 사고 광자의 수에 대한 반응에 사용 된 광자의 비율 광자가 반사되거나 전달되고 흡수되지 않거나 흡수되어 전자 구멍 쌍을 형성하는 경우, 재조합 및 열이되면 양자 수율은 낮습니다 한편, 흡수 된 광자의 수와 관련하여 반응에 사용 된 광자의 비율을 내부 양자 수율이라고한다 외부 양자 수율은 내부 양자 수율보다 낮습니다[참조로 돌아 가기]

◆ 텅스텐 산화물

노란색 녹색, 가시 광선 반응성 반도체 비록 준비 방법에 따라 다르지만, 광 흡수 스펙트럼의 흡수 가장자리는 460-480 nm이고 짧은 파장으로 빛을 흡수 할 수 있습니다 환경 정제 사용 분야에서도 구리 및 팔라듐 코 캣alyst는 표면에서지지되며, 이는 높은 유기물 분해 성능을 보여줍니다 산성이 매우 안정적입니다[참조로 돌아 가기]

◆ 바카라 족보

바카라 족보는 광 흡수에 의해 흥분되고 산화 및 환원 반응을 유발하는 촉매 물질입니다 이기종 반도체 바카라 족보 및 균질 염료 바카라 족보가 있지만,이 프레젠테이션은 전자입니다 반도체 촉매는 전도 밴드 및 원자가 밴드가 금지 된 밴드에 의해 분리되는 밴드 구조를 갖는다 밴드 갭보다 큰 에너지를 갖는 빛은 전도 밴드의 원자가 밴드에서 전자를 흥분시키고, 전도 밴드의 전자와 빈 쉘의 원자가 밴드의 구멍이 생성된다 전도 밴드에서 여기는 전자는 원자가 밴드의 전자보다 훨씬 강한 환원 전력을 가지며, 어둠 속에서는 발생하지 않는 환원 반응을 유발할 수 있습니다 유사하게, 구멍은 또한 강한 산화 반응을 겪고있다 이 반응에서, 물은 구멍에 의해 산화되어 산소를 생성한다 한편, 전도 밴드에서 흥분된 전자는 FE³⁺FE 감소²⁺를 생성합니다[참조로 돌아 가기]

◆ 태양 에너지 변환 효율

단위 시간당 사고 태양 에너지로 추출 된 에너지 비율 이 연구에서, 물은 태양 시뮬레이터로부터 의사 태양 광 (방사선 미터에 의해 조정)에 반응하여 산소로 분해된다³⁺fe²⁺로 감소하는 반응으로 축적 된 에너지의 비율을 보여줍니다 농업 작물의 경우, 연간 태양 에너지 양과 관련하여 연중 수확 된 작물의 건조 물질로부터 계산 된 축적 된 에너지의 백분율[참조로 돌아 가기]

◆ Redox Media

산화 및 환원을 안정적으로 반복하는 물질 보조 배터리 재료로도 사용됩니다 이 연구에 대한 자세한 내용은 FE²⁺및 fe³⁺| ION 식물의 광합성에는 산화 및 감소를 유발하는 부분에서 전자 전달을 매개하는 많은 유기 산화 환원 배지가 있습니다[참조로 돌아 가기]

◆ Switchgrass

Grassaceae와 기장 속의 오랫동안 설립 된 초본 식물 대통령의 연합 연설이 바이오 에탄올 생산을위한 유망한 연료 작물로 언급되었을 때 미국에서 유명해졌습니다 그것은 옥수수와 동일한 광합성 능력을 가진 종이며 건조를 견딜 수있는 능력이 특징이며 농지에 적합하지 않은 땅에서 쉽게 경작하기 쉽습니다[참조로 돌아 가기]

◆ 인공 광합성

정의는 연구 분야에 따라 다릅니다 예를 들어, 복잡한 화학에서, 식물에서 산소 생성을위한 광 흡수 및 망간 복합체를위한 포르피린 복합체의 기능을 부분적으로 모방하는 연구가 수행되었다 반응으로 나뉘어 질 때, 그것은 빛 에너지를 화학 에너지로 "직접적으로"전환하고 저장하는 반응 (에너지 저장 유형 반응 또는 오르막 반응)을 유발하는 시스템을 지칭합니다 이 연구에서 물을 산소로 분해하고 FE³⁺fe²⁺또한 에너지 저장 유형 반응입니다 완전히 분해 된 물의 수소 및 산소로의 반응, 이산화탄소 및 물에서 유기물을 합성하는 반응, 질소 및 물에서 암모니아 및 기타 물질을 합성하는 반응은 또한 전형적인 에너지-저장 유형 인공 광합성 반응이다 (균질/불균일) 바카라 족보 반응 및 광 전극 반응 이이 범주에 포함된다 태양 전지와 전기 분해를 결합한 수소 생산은 직접적인 전환이 아니며 인공 광합성이 아닙니다[참조로 돌아 가기]