산화물 바카라 룰을 사용하여 물 균열에 의한 세계 최고의 수소 생산 효율을 달성

독립 행정 기관, 바카라 커뮤니티 [Nomaguchi ARI의 회장] (이하 "AIST")에너지 기술 연구 부서[연구 부서 이사 Hasegawa Hiroo] 태양 에너지 변환 그룹 이사 Sayama Kazuhiro, 연구 그룹 Saito Rie, Aist Special Research Fellows반도체 바카라 룰를 사용하여 물 균열에 의한 수소 생산을 위해 매우 고성능 적층 광 광전질을 개발했습니다 탄산염 전해질 에이 바카라 룰을 사용함으로써, 태양 에너지를 수소 에너지로 변환하는 반응은 135%이다태양 에너지 변환 효율| 달성되었습니다 이 값은 이전에보고 된 산화물 바카라 룰의 전환 효율의 약 두 배입니다 이번에 개발 된 기술은 태양 에너지를 사용하여 물 크래킹에 의해 수소가 생산 될 때 전해 전압을 크게 줄이고 향후 저비용 수소를 생산할 것으로 예상되는 기술입니다

이 기술에 대한 자세한 내용은 2012 년 3 월 13 일부터 15 일까지 국립 대학교 기업인 쓰쿠바 대학교 (Tsukuba City, Ibaraki Prefture)에서 열리는 제 7 차 뉴 에너지 기술 심포지엄에서 14 일에 발표 될 것입니다

현재 고성능 바카라 룰 (오른쪽) 및 카운터 전극 (왼쪽)에서 생성 된 수소 거품 태양 에너지를 수소 에너지로 변환하는 바카라 룰 시스템

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이산화탄소 배출량을 줄이고 화석 자원에 의존하지 않는 지속 가능한 사회를 구축하기 위해서는 재생 에너지의 효과적인 바카라 룰이 필수적입니다 특히, 모든 재생 가능 에너지 중 가장 큰 태양 에너지 바카라 룰은 매우 중요하지만 바카라 룰 기술은 제한적입니다 (그림 1) 태양 발전 후 네 번째 기술로서 태양열 및 바이오 매스인공 광합성가 있습니다 이 중에서, 쉽게 제작 된 산화물 반도체를 사용하여 광촉매 및 광전자를 사용하여 물을 직접 분해하는 태양열 수소 생산 기술은 저렴한 비용이며 미래의 수소 사회를 실현하기위한 기초 기술로 적극적으로 연구되고 있습니다 우리가 태양 전지만큼 높은 효율을 가진 식물 재배만큼 간단하고 저렴한 태양열 수소 생산 시스템을 개발할 수 있다면 에너지 문제 해결에 큰 기여를 할 수 있습니다 그러나, 지금까지보고 된 산화 산화물 반도체 바카라 룰을 사용하여 태양 에너지를 수소 에너지로 변환하는 효율은 낮으며 (산화물 단독의 경우 069%, 고가 백금 복합재의 경우 11%) 고성능 시스템을 개발하는 것이 바람직했습니다

Figure 1: Technical map for various solar energy conversion utilization 광촉매-전해질 하이브리드 방법의 경우2010 년 3 월 11 일에 AIST 언론의 애니메이션참조

지금까지 AIST는 물 균열을 사용하여 다양한 산화물 반도체의 다공성 광전 전극을 사용하여 수소 생산 기술을 연구하고 개발해 왔습니다 산화물 반도체 바카라 룰을 사용한 물 균열에 의한 수소 생산은 일본에서 유래 한 태양 에너지 변환 기술입니다 일반적으로 물 분해의 전해 반응에서 이론적으로는 123V 이상이며 실제로과전압의 영향으로 인해 16V 이상의 전해 전압이 필요합니다 그러나, 광전질을 바카라 룰하면 물을 분해하여 낮은 보조 전원 공급 전압에서 수소를 생산할 수 있습니다 (현재 광전자는 약 07V이지만 0에 가깝게 가져올 수도 있음)는 수소 생산 비용이 낮습니다 연구 개발의 초기 단계에서, 산화 티타늄 및 고온 소결 바디 (펠렛)의 단결정이 바카라 룰되었지만 자외선 만 바카라 룰할 수 있다는 단점이 있습니다 그 후, 텅스텐 산화물 (WO)은 주로 유럽에 중점을 두었습니다₃) 및 산화철 (Fe₂O₃)와 같은 가시 광선을 이용할 수있는 산화물 반도체를 얇게 쌓음으로써 제작 된 다공성 광전 전극에서 더 인기를 얻었습니다 또한, 많은 산화물 반도체는 N 형이므로 산소를 생성하기위한 전극으로 이상적이며 간단히 적용하여 공기 중에 발사하여 형성 될 수있어 영역을 쉽게 늘릴 수 있습니다 그러나, 태양 에너지를 수소로 변환하기위한 태양 에너지 전환 효율은 낮으며, 전환 효율의 추가 개선은 실제 바카라 룰에 필수적이었다

이 기사에서, 전하 재조합을 억제하고 광 흡수를 증가시키기 위해, 우리는 여러 층의 산화물 반도체 필름을 쌓아서 전환 효율을 크게 향상시키는 데 성공했다

이 연구는 과학의 최첨단, 차세대 연구 및 개발 지원 프로그램을위한 일본 사회의 결과입니다

그림 2는 광전자로서 산화 티타늄과 같은 N- 타입 반도체를 사용하여 물 균열에 의한 수소 생산의 원리를 보여줍니다 바카라 룰은 카운터 전극에 연결되며 일반적 으로이 기간 동안 태양 전지와 같은 보조 전원 공급 장치가 켜집니다 반도체 바카라 룰에 의해 빛이 흡수되면, 원자가 밴드의 전자는 전도 대역으로 뛰어 들어 (Photoexcitation)으로 올라갑니다 이 전도 밴드의 전자가 보조 전원의 작용에 의해 카운터 전극에 공급되고, 카운터 전극에서 물이 감소되면, 수소가 생성된다 전도 대역에서 전자의 에너지가 높기 때문에 보조 전원 공급의 전압이 수의 정상 전해 전압보다 낮더라도 전자는 카운터 전극으로 보낼 수 있습니다 반면, 원자가 밴드는 전자의 빈 껍질을 가지고 있으며,이 부분에서 양전하로 충전되는 "구멍"이 형성됩니다 구멍은 다른 물질로부터 전자를 빼앗기가 쉽기 때문에 (산화하기 쉬운) 물은 바카라 룰 측에서 산화되어 산소를 생성합니다 이러한 저전압에서 물을 전해질 수 있으므로, 바카라 룰의 성능이 수소를 생산하기 위해 태양 전지 만 사용하여 물을 전해지보다는 미래에 어느 정도 개선되면 시스템은 비용을 줄일 수 있습니다 (그림 3) 최대 500 nm의 파장을 갖는 빛 또는 최대 600 nm의 파장을 가진 빛 이이 반응에 모두 사용되고 보조 전원 공급 장치의 전압이 0에 접근하면 태양 에너지 전환 효율의 이론적 한계는 각각 8% 또는 15%에 도달하여 단순히 단순한 포토 세포 및 수분 세포를 조합하는 시스템과 동일한 효율성을 허용합니다

그림 2 : 반도체 광전자를 바카라 룰한 수 분해 수소 생산 메커니즘

그림 3 반도체 광전자를 바카라 룰한 가수 분해 수소 생성의 중요성

12983_13111₃), 두 번째 층의 주석 산화물 (sno₂), 세 번째 층의 Bismuth Vanadate (bivo₄)가되도록 쌓입니다 각 층에 해당하는 금속 이온을 함유하는 용액은스핀 코트 방법로 코팅되었다 그리고 영화를 형성하기 위해 소환합니다 이 필름 형성 방법은 다공성 박막을 생성한다 bivo₄빛이 측면에서 방출 될 때, bivo₄주로 520 nm까지 가시 광선을 흡수하는 반면 WO₃효율적인 전자 전달을 담당하고 SNO 사이의 SNO₂계면에서 전하 재조합 손실을 줄이는 것으로 생각됩니다

그림 5는 이번에 개발 된 산화 산화물 전극의 전류-전압 특성을 보여줍니다 세 가지 유형의 반도체로 구성된 바카라 룰을 사용하여 고도로 농축 된 탄산염 전해질에서 물-고정 반응을 수행 할 때, 태양 에너지 전환 효율은 085%였다 또한, 이들 광전질체 ​​중 2 개가 경화 구조를 형성하기 위해 쌓이고 유사하게 고농도 탄산염 전해질 용액에서 물 분해가 수행 될 때, 태양 에너지 전환 효율은 135%로 개선되었다 이것은 고귀한 금속이없는 산화물 바카라 룰이 사용될 때 세계에서 가장 높은 값입니다 이전에보고 된 가장 높은 값의 약 2 배입니다 적층 산화 산화물 광전자를 사용한 시스템은 물을 분해하여 카운터 전극에서 수소 기포를 생성하고 바카라 룰의 산소 기포를 생성합니다 전류 재료조차도 물 분해의 전해 전압을 40%이상 줄일 수있어 물 분해를 통한 수소 생산 비용이 줄어 듭니다

그림 4 쌓인 바카라 룰의 사진 (왼쪽), 전자 현미경 사진 (오른쪽)

그림 5 바카라 룰의 전류 전압 특성 광 에너지를 바카라 룰하여 작은 전해 전압으로 물을 분해 할 수 있습니다

광전자의 태양 에너지 변환 효율을 향상시키기 위해서는 광전류를 증가시키는 동안 보조 전원 공급 전압을 더욱 줄여야하며, 세 가지 특성을 가진 반도체를 개발하는 것이 중요합니다 더 긴 파장 가시 광선을 완전히 활용하고, 음의 전하 밴드 수준을 완전히 활용할 수 있습니다 따라서 AIST는 독립적으로 수많은 복합 재료 및 조합에서 유망한 반도체 및 최적의 다층 구조를 자동으로 검색 할 수있는 로봇 시스템을 독립적으로 개발하고 고속 스크리닝을 수행합니다 또한, 바카라 룰 준비 방법은 태양 에너지 전환 효율을 향상시키기위한 재료 검색과 함께 개선 될 것이다 또한, 고농도 탄산염 염은 탄산염 이온의 반복적으로 산화 및 산화성을 통해 촉매와 같은 물 분해 반응을 촉진하는 것으로 여겨진다 우리는 이것의 상세 메커니즘을 명확히하고, 물 분해 시스템의 높은 효율성을 초래하고 싶습니다

◆ 반도체 바카라 룰

전도성 와이어를 플레이트와 같은 또는 필름 같은 반도체에 연결하여 제작 된 전극 빛에 반응하는 광전류는 도체를 통해 흐릅니다 그것은 또한 태양 전지로 사용될 수 있지만, 종래의 반도체 바카라 룰에서, 산화-환원 반응은 광 에너지에 의해 발생하는 전류에 의해 수행되며 화학 에너지로 전환되고 추출된다 1972 년에, 산화 티타늄 단결정 반도체를 사용하여 물 분해 반응을 수행 하였다자연잡지에 출판되었으므로, 주목을 끌고 태양 에너지 전환에 대한 새로운 연구 분야로 발전했습니다 이 원칙은 발표자의 이름으로 Honda-Fujishima 효과라고합니다 이 원칙은 진화되었으며 광촉매 연구의 발전과 관련이 있습니다
바카라 룰의 반도체 재료는 산화물 기반 및 비 산화물 기반 시스템으로 광범위하게 나눌 수 있습니다 1990 년대, 간단한 산화물 시스템의 경우 전도성 유리에 대한 나노 구조화 된 다공성 반도체 박막을 습식 증착하는 효과는 성능을 향상시키는 것으로 밝혀졌으며, 주로 유럽에서는 연구가 가속화되었습니다 전도성 유리에서 개별 나노 입자 사이에서 전하를 분리하는 원리는 광촉매와 동일하며, 광촉매 분말의 것과 유사하므로 광촉매 전극이라고도합니다[참조로 돌아 가기]

◆ 태양 에너지 변환 효율

는 태양 에너지에 전환되어 사용될 수있는 에너지의 비율을 보여줍니다 태양 전지는 10-20%의 전기를 제공합니다 바이오 매스의 경우, 총 연간 태양 에너지량과 관련하여 매년 수확 된 작물의 건조 물질 (예 : 당, 셀룰로오스 등)에서 계산 된 축적 된 에너지의 백분율 바이오 에탄올 성분 인 스위치 그라스와 옥수수는 02-08%, 조류 스피루리나와 클로렐라는 05-2%에 해당한다고합니다 AIST는 철 이온과 같은 산화-레 독해 배지 (2010 년 3 월 11 일 AIST Press의 애니메이션)를 사용하여 분해 광촉매에 대한 물 분해 및 철 이온 반응에 축적 된 태양 에너지 전환 효율에서 세계 최고치 03%를보고했습니다 방해 수소 생산의 경우, 수소로 변환 된 에너지의 비율이 비율입니다 바카라 룰의 물 분해의 경우, 전기 에너지가 태양 에너지 외에 사용되므로 전기 에너지 입력의 양을 빼서 계산을 수행합니다
태양 에너지 변환 효율 = ([생성 된 수소의 에너지] - [입력 전기 에너지])
÷ Phiceelectrode에서 의사 태양 태양의 에너지
이번에 개발 된 바카라 룰에서, 수소에 의해 생성 된 에너지의 약 40%는 태양 에너지에서, 전기 에너지에서 60%에서 나옵니다[참조로 돌아 가기]

◆ 인공 광합성

광범위한 의미에서, 광합성의 메커니즘을 이해하고 부분적으로 모방하는 것이지만, 각 분야에서 다양한 의미에서 바카라 룰되므로 정의는 여전히 불분명합니다 목표 방향의 정의는 태양 에너지를 바카라 룰하여 저에너지 물질을 생성하는 것입니다 (물, 이산화탄소, 질소, FE³⁺이온 등)는 고 에너지 물질 (수소, 탄화수소, 암모니아, FE²⁺이온 등으로 변환하고 화학 에너지로 축적하는 기술이라고 말할 수 있습니다 전환 광 에너지 형태의 예는 엽록소와 유사한 금속 복합체 및 유기 염료, 반도체를 바카라 룰한 분말 광촉매, 플레이트-유사 광전체 및 이들의 산화 감소 배지, 전자 릴레이 인 산화 감소 배지를 포함한다[참조로 돌아 가기]

◆ 과전압

전기 화학적 반응에서, 이론적 반응이 진행되는 전위보다 전기 전위가 훨씬 더 크지 않으면 반응은 실험적으로 진행되지 않을 수있다 이 과도한 전위차를 과전압이라고합니다[참조로 돌아 가기]

◆ 스핀 코트 방법

용액을 기판에 떨어 뜨리고 기판을 고속으로 회전시켜 용매를 제거하고 박막을 형성하는 방법[참조로 돌아 가기]