(57)【要約】【課題】高効率で水分解ができる水分解装置の提供。【解決手段】処理室６と、処理室６内に置かれ、水２を貯めるための容器５と、容器５の水２中に浸されたＢＮナノチューブ１と、水２中のＢＮナノチューブ１に光を照射し、ＢＮナノチューブ１に物理吸着した水を分解し水素分子を発生させる光照射装置３と、水素分子を処理室６の外部に排気し収集する排気装置４とを有することを特徴とする水分解装置。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
処理室と、該処理室内に置かれ、水を貯めるための容器と、該容器の水中に浸されたＢＮナノチューブと、該水中のＢＮナノチューブに光を照射し、前記ＢＮナノチューブに物理吸着した水を分解し水素分子を発生させる光照射装置と、前記水素分子を前記処理室の外部に排気し収集する排気装置とを有することを特徴とする水分解装置。
【請求項２】
前記ＢＮナノチューブは、前記容器の水中において互いに分散させられた状態で前記容器の水中に浸されており、
前記光照射装置は、前記水中のＢＮナノチューブに紫外光を照射し、前記ＢＮナノチューブに物理吸着した水を分解し水素分子を発生させるものであることを特徴とする請求項１に記載の水分解装置。
【請求項３】
前記ＢＮナノチューブは、前記容器の水中において互いにバンドル状態とされて前記容器の水中に浸されており、
前記光照射装置は、前記水中のＢＮナノチューブに赤外光或いは可視光を照射し、前記ＢＮナノチューブに物理吸着した水を分解し水素分子を発生させるものであることを特徴とする請求項１に記載の水分解装置。
【請求項４】
前記ＢＮナノチューブは、前記容器の水中において互いにファンデアワールス引力によりバンドル状態とされて前記容器の水中に浸されていることを特徴とする請求項３に記載の水分解装置。
【請求項５】
水中にＢＮナノチューブを浸すステップと、前記ＢＮナノチューブが水中に浸された状態で、前記ＢＮナノチューブに光を照射し、前記ＢＮナノチューブに物理吸着した水を分解し、水素分子を発生させるステップと、発生する水素分子を収集するステップとを有することを特徴とする水分解方法。
【請求項６】
水中にＢＮナノチューブを浸すステップは、前記ＢＮナノチューブが水中において互いに分散させられた状態となるように水中に浸すステップであり、
前記ＢＮナノチューブに照射する光は、紫外光であることを特徴とする請求項５に記載の水分解方法。
【請求項７】
水中にＢＮナノチューブを浸すステップは、前記ＢＮナノチューブが水中において互いにバンドル状態とされるように水中に浸すステップであり、
前記ＢＮナノチューブに照射する光は、赤外光或いは可視光であることを特徴とする請求項５に記載の水分解方法。
【請求項８】
水中にＢＮナノチューブを浸すステップは、前記ＢＮナノチューブが水中において互いにファンデアワールス引力によりバンドル状態とされるように水中に浸すステップであることを特徴とする請求項７に記載の水分解方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素エネルギーを得るための水分解装置及び水分解方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、紫外線（紫外光）照射により化学反応を活性化するような光触媒材料が研究されている。また、ＢａとＴａからなる構造を採用し、バンドギャップの大きさを可視光領域にした光触媒も提案されている。
【０００３】
一方で、特開２００８−１０５９０５号公報（特許文献１）では、その図２（ｂ）に示すように、光触媒を多孔質(porous)な構造の物質とし、重量あたりの表面積を大きく稼ぐ工夫をしている。また、光触媒をファイバー（特開２００８−７４６６６号公報（特許文献２）の図１）やナノワイヤーにして、表面積を稼ごうとしている。
【０００４】
これらの表面積拡大の努力をはるかに上回る表面積を、カーボンナノチューブにて実現することが可能である。それは、カーボンナノチューブの直径が１ｎｍ（１０オングストローム）程度とナノワイヤーの１０分の１の小ささを有しているからである。非特許文献１は、紫外線（紫外光）照射による水の分解反応が、カーボンナノチューブ表面上にて確認されたことを示している。非特許文献１の図１においては、水の分解反応及び分解に伴う化学吸着反応のせいで、カーボンナノチューブの光吸収スペクトルと振動スペクトルが変化することが示されている。
【０００５】
特開２００６−１５０１９３号公報（特許文献３）は、その段落［０００９］及び［００１０］に、カーボンナノ構造体（カーボンナノチューブ）及び酸化チタンを主成分とする光触媒を用い、水素を発生することを開示している。
【０００６】
特開２００６−２４０９４２号公報（特許文献４）は、その要約等に、高純度窒化ホウ素ナノチューブが触媒として利用可能であることを開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００８−１０５９０５号公報
【特許文献２】特開２００８−７４６６６号公報
【特許文献３】特開２００６−１５０１９３号公報
【特許文献４】特開２００６−２４０９４２号公報
【特許文献５】特開２００６−２４８８７５号公報
【特許文献６】特開２００４−２１７４６２号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Noe T. Alvarez, et al., Journal Americal Chemical Society. Vol.130, 14227-14233 (2008).
【非特許文献２】E. Runge and E. K. U Gross, Phys. Rev. Lett. 52, 997-1000 (1984).
【非特許文献３】Y. Miyamoto and H. Zhang, Phys. Rev. B77, 165123 (2008).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
表面積の小さな光触媒では、紫外線（紫外光）の強度を上げたとしても、水の分解反応効率はエネルギー需要を満たす実用レベルを満たさない。それは、多孔質な物質や、ナノワイヤー化させることで達成する表面積においてですら不十分である。カーボンナノチューブの表面積にしてはじめて、分解効率の向上が見込まれる。しかしながら、非特許文献１は、光照射による水の分解反応の際に、照射時間が１５分以上とたたないとスペクトルの変化として反応の進行が認められないことを示している。このように、非特許文献１に開示された光照射による水の分解方法では、カーボンナノチューブの表面積が著しく大きいにもかかわらず、化学反応の量子効率が著しく低いという問題点がある。
【００１０】
この問題点は、カーボンナノチューブにおいては紫外線（紫外光）励起状態の寿命が短いということである。この原因は、カーボンナノチューブにおけるバンドギャップの小ささに起因する。その理由は、励起電子の準位からフェルミ準位までの間及び励起正孔の準位からフェルミ準位までの間のそれぞれに、多くの準位が存在し、それらの準位への緩和経路がたくさん存在するからである。
【００１１】
本発明の目的は、高効率で水分解ができる水分解装置及び水分解方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の第１の態様によれば、処理室と、該処理室内に置かれ、水を貯めるための容器と、該容器の水中に浸されたＢＮナノチューブと、該水中のＢＮナノチューブに光を照射し、前記ＢＮナノチューブに物理吸着した水を分解し水素分子を発生させる光照射装置と、前記水素分子を前記処理室の外部に排気し収集する排気装置とを有することを特徴とする水分解装置が得られる。
【００１３】
本発明の第２の一態様によれば、水中にＢＮナノチューブを浸すステップと、前記ＢＮナノチューブが水中に浸された状態で、前記ＢＮナノチューブに光を照射し、前記ＢＮナノチューブに物理吸着した水を分解し、水素分子を発生させるステップと、発生する水素分子を収集するステップとを有することを特徴とする水分解方法が得られる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、高効率で水分解ができる水分解装置及び水分解方法を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１の実施の形態による水分解装置の一部の断面図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態による水分解装置の一部の断面図である。
【図３】上記第１の実施の形態による水分解装置において、紫外光による電子の励起が水分子の最低準位非占有分子軌道（ＬＵＭＯ）を満たすことを示す図である。
【図４】上記第１及び上記第２の実施の形態による水分解装置において、ＢＮナノチューブの表面上に水が物理吸着後、光照射で水を分解し、水素分子を出すステップを説明するための図である。
【図５】上記第１の実施の形態による水分解装置の全体を示す断面図である。
【図６】上記第２の実施の形態による水分解装置の全体を示す断面図である。
【図７】ＢＮナノチューブに赤外線による時間依存電界(破線で表示)がかかった場合に発生するＢＮナノチューブ内部の電界(実線で表示)の挙動を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００１７】
まず、本発明のより良き理解のために、本発明の一態様による水分解装置及び本発明の別の態様による水分解方法について説明する。本発明の一態様による水分解装置は、ＢＮチューブと、該ＢＮチューブを水に浸すための容器と、光源とを有する。ＢＮチューブは、化学式ＢＮを有する窒化ホウ素(boron nitride)からなるチューブである。光源は、紫外線（紫外光）を発生する紫外光源、あるいは強度の強い赤外線（赤外光）を発生する赤外光源、あるいは可視光を発生する可視光源である。また、ＢＮチューブは紫外光照射をする場合には容器内の水中において分散させるが、赤外光照射する際或いは可視光照射する際には容器内の水中において高密度のバンドル状態にする。
【００１８】
本発明の別の態様による水分解方法は、ＢＮチューブの電子を光で励起するステップと、ＢＮチューブ上に水が物理吸着するステップと、ＢＮチューブ上で水が水酸基と水素とに分解されるステップとを有する。
【００１９】
これら態様によれば、光照射による水素燃料製造を水だけから行うことが可能になり、石油資源に頼らない水素エネルギーの獲得にいたる。
【００２０】
ＢＮナノチューブを水に浸すことにより、水分子の一部はＢＮナノチューブの表面に物理吸着する。この物理吸着により、水分子の最低準位非占有分子軌道（ＬＵＭＯ）及びＢＮナノチューブの伝導帯（ＣＢ）のそれぞれの電子の波動関数に混成が生じ、例えば紫外線（紫外光）照射によるＢＮナノチューブのバンド端吸収により、水分子のＬＵＭＯに電子を詰めることができる。このことにより、ＢＮチューブに例えば紫外線（紫外光）照射をすることで、ＢＮチューブの表面に物理吸着させた水分子を分解し、ＯＨ基をＢＮチューブの表面に吸着させることができる。このとき余剰の水素原子はＨ２分子となって気化し、それを採取することにより水素エネルギー源を得る。
【００２１】
図１を参照すると、本発明の第１の実施の形態による水分解装置の一部が示されている。この第１の実施の形態による水分解装置は、水２を貯めるための容器５と、容器５の水２中に分散させられた複数のＢＮナノチューブ１とを有する。ＢＮチューブ１は、化学式ＢＮを有する窒化ホウ素(boron nitride)からなるチューブである。
【００２２】
図２を参照すると、本発明の第２の実施の形態による水分解装置の一部が示されている。この第２の実施の形態による水分解装置は、水２を貯めるための容器５と、容器５の水２中に浸され、互いにファンデアワールス引力によりバンドル形状とされた複数のＢＮナノチューブ１とを有する。ＢＮチューブ１は、第１の実施の形態と同様に、化学式ＢＮを有する窒化ホウ素(boron nitride)からなるチューブである。この第２の実施の形態による水分解装置は、ＢＮナノチューブ１が水２中において互いにファンデアワールス引力によりバンドル形状を取っている点が第１の実施の形態による水分解装置とは異なる。
【００２３】
図２において、水２中に界面活性剤を添加すれば、図１のように複数のＢＮナノチューブ１を分散させることが可能である。しかし、界面活性剤の添加を行うと光励起効率が低下するので望ましくない。そこで、特開２００６−２４８８７５号公報（特許文献５）と類似の条件で、界面活性剤を無添加のまま水２中にフェムト秒レーザー照射をすることにより水２中のＢＮナノチューブ１を断片化する。これにより、図１のように、複数のＢＮナノチューブ１を分散させることが可能である。なお、上述の特開２００６−２４８８７５号公報（特許文献５）には、溶媒中に所定波長のパルス光を照射することにより溶媒中のカーボンナノチューブを断片化することが開示されている。
【００２４】
図３を参照すると、上記第１の実施の形態による水分解装置において、ＢＮナノチューブ（BN nanotube）への紫外光(UV light)照射による電子の励起(伝導帯ＣＢに存在)が水分子（H２O）の最低準位非占有分子軌道（ＬＵＭＯ）を満たすことを示している。図３は水分子が物理吸着した際のＢＮナノチューブ（H２O + BN nanotube）と水分子（H２O）との双方における電子状態の変化が示されている。
【００２５】
図中の左端は、水分子（H２O）単独の最高準位占有分子軌道（ＨＯＭＯ）及び最低準位非占有分子軌道（ＬＵＭＯ）を示している。一方、図中の右端は、紫外線照射されたＢＮナノチューブ（UV-irradiated BN nanotube）の価電子帯（ＶＢ）及び伝導帯（ＣＢ）を示す。ＢＮナノチューブはカーボンナノチューブとは異なり、直径やカイラリティに依存せずほぼ一定のバンドギャップ６ｅＶを有する。即ち、ＢＮナノチューブは、［励起電子(伝導帯ＣＢに存在)の準位からフェルミ準位ＥＦまでの間］プラス［励起正孔(価電子帯ＶＢに存在)の準位からフェルミ準位ＥＦまでの間］にバンドギャップ６ｅＶを有する。
【００２６】
図中の中央部は、水分子がＢＮナノチューブ表面に物理吸着した際（H２O + BN nanotube）に起こる電子のエネルギー準位の変化を示している。おもに、水分子（H２O）のＬＵＭＯとＢＮナノチューブ（BN）の伝導帯（ＣＢ）の最下端の準位をなす電子の波動関数が混成を起こし、ＬＵＭＯとＣＢとの結合性軌道(Bonding state)及び反結合性軌道(Anti-bonding state)を形成する。いずれの電子準位においても、水分子（H２O）のＬＵＭＯを含んでいるので、この準位への電子の占有は水分子を分解する働きを持つ。
【００２７】
本発明によるＢＮナノチューブの使用は、カーボンナノチューブの使用よりも優れた点を持つ。それは、ＢＮナノチューブにおける６ｅＶものバンドギャップの存在により、紫外光(UV light)照射によって生成された電子(伝導帯ＣＢに存在)と正孔(価電子帯ＶＢに存在)の寿命が長くなり、その後に起こる水分子のＬＵＭＯへの電子の移動がおこるのに十分な時間があるということである。これにより、水酸基のできる量子効率がカーボンナノチューブを使用した非特許文献１に比べて１０００倍以上も向上する。
【００２８】
図４を参照すると、上記第１及び上記第２の実施の形態による水分解装置において、ＢＮナノチューブ（BN nanotube）の表面上に水（H２O）が物理吸着後、光照射で水（H２O）を分解し、水素分子（H２）を出すステップを説明するための図である。図４はＢＮナノチューブ（BN nanotube）の表面上に吸着した水分子（H２O）２個当たり１個の水素分子（H２）が生成する反応機構を示している。図３の電子の占有により分解された水（H２O）は、水素原子（H）とＯＨ基に分解し、ＯＨ基はＢＮナノチューブ（BN nanotube）の表面に吸着し、あまったＨ原子同士が再結合してＨ２分子を放出する。
【００２９】
図５を参照すると、上記第１の実施の形態による水分解装置の全体が示されている。処理室６内に、水２を貯めるための容器５が配置され、容器５の水２中に複数のＢＮナノチューブ１が分散させられている。処理室６には、光照射装置として作用する紫外線（紫外光）発生装置３と、水素の排気口を有する排気装置４とが取り付けられている。
【００３０】
ここで、図５を参照して、第１の実施の形態の場合の水分解方法を説明する。
【００３１】
始めに、例えば、特開２００４−２１７４６２号公報（特許文献６）の方法でＢＮナノチューブ１を大量に作成する。作成されたＢＮナノチューブ１を水２中に浸した場合、図２のようにバンドルを構成している。つぎに、図５において、紫外線発生装置３の位置に紫外線発生装置３の代りに取り付けられたパルスレーザ発生装置３’よりパルス光をＢＮナノチューブ１に照射すると、図１のようにＢＮナノチューブ１同士が離れて水２中に分散し、図５のようになる。最後に図５において、パルスレーザ発生装置３’の代りに、光照射装置として紫外線発生装置３を取り付け、水２中に分散されたＢＮナノチューブ１に紫外線（紫外光）を照射後、排気装置４の排気口よりＨ２分子を吸引する。即ち、排気装置４により処理室６の外部に水素を収集する。
【００３２】
本実施の形態では、パルス光照射、紫外線照射という工程のみを採用しているので、アルコールや触媒などの余剰な化学物質は使用していない。従って、環境負荷をかけずに水素エネルギーを取り出せるという利点がある。
【００３３】
図６を参照すると、上記第２の実施の形態による水分解装置の全体が示されている。処理室６内に、水２を貯めるための容器５が配置され、容器５の水２中に複数のＢＮナノチューブ１が互いにファンデアワールス引力によりバンドル形状とされている。処理室６には、光照射装置として作用する、赤外線（赤外光）或いは可視光のレーザ発生装置７と、水素の排気口を有する排気装置４とが取り付けられている。
【００３４】
ここで、図６を参照して、第２の実施の形態の場合の水分解方法を説明する。
【００３５】
第２の実施の形態においては、図１のように分散したＢＮチューブ１を作らずに、図２のようにバンドル状のＢＮチューブ１のままで水分解方法を達成することができる。
【００３６】
図６において、赤外線（赤外光）或いは可視光のレーザ発生装置７は紫外光ではなく赤外から可視領域の高輝度レーザ光を発生する。レーザ発生装置７により水２中のバンドル状のＢＮナノチューブ１に赤外線（赤外光）或いは可視光を照射後、排気装置４の排気口よりＨ２分子を吸引する。即ち、排気装置４により処理室６の外部に水素を収集する。
【００３７】
第２の実施の形態では、第１の形態より水素発生効率が劣るものの、光照射装置として輝度の高い赤外から可視領域のレーザ発生装置７を使用できること、ＢＮナノチューブ１の分散工程を必要としないので、コストが低いという効果を奏する。ＢＮナノチューブ１がバンドル状のままでは紫外光を照射しても表面のＢＮナノチューブ１に紫外光はすべて吸収され、すべてのＢＮナノチューブ１にまんべんなく紫外光を照射することはできない。一方、赤外から可視領域の波長の光は、ＢＮナノチューブ１への吸収が弱いのですべてのＢＮナノチューブ１に光を照射できる。光のエネルギーが少ないので、このままでは水分解反応は一切起きないように思えるが、図７に示したように、たとえＢＮナノチューブ１にバンドギャップ以下の光を照射した場合にも、ＢＮチューブ１にて波形変換が生じ、わずかな高周波成分が生じる（実線で示した曲線に見えるノイズのような挙動がそれであり、紫外波長成分をもっている）。一本一本の変換効率は高くないものの、ＢＮナノチューブ１バンドルの全体量が非常に多い場合には、全体で優位な水分解反応量を得ることも可能である。なお、図７はＢＮナノチューブに赤外光照射して、破線で示した電界強度の時間変化を与えた際の、ＢＮナノチューブ内部の電界強度の時間変化を実線で示したものであり、ＢＮナノチューブのすべての価電子の応答を時間依存密度汎関数理論(非特許文献２)に元づく計算方法(非特許文献３)により数値計算して得られたものであるので、実験を行った場合の挙動を忠実に示したものである。図７において、横軸は時間（フェムト秒）、縦軸は電界(ボルト/オングストローム)である。なお、１オングストローム＝０．１ｎｍである。
【００３８】
上述の実施の形態による第１の効果は、ＢＮナノチューブ１と水２のみを原料とすることで、一切の汚染物質を出さないことを実現した水分解、水素発生装置を提供することができる。
【００３９】
上述の実施の形態による第２の効果は、ＢＮナノチューブ１の広い表面積上で水分解反応させることで、従来の多孔質物質やナノワイヤーより効率の良い水素発生を実現したことである。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明の活用例として、車両やバッテリーに使用される水素燃料供給装置が挙げられる。水素燃料は、酸素による燃焼後水蒸気しか出さず温暖化ガスを発生しない究極の燃料であり、産業上の期待される応用は広範囲にわたることは自明である。
【００４１】
以上、実施の形態を参照して本願発明を詳細に説明したが、本願発明は上記実施の形態に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解できる様々な変更をすることができる。
【符号の説明】
【００４２】
１  ＢＮナノチューブ
２  水
３  紫外線発生装置（光照射装置）
３’  パルスレーザ発生装置
４  排気装置
５  容器
６  処理室
７  赤外線或いは可視光のレーザ発生装置（光照射装置）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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