(57)【要約】      （修正有）【課題】光触媒用の単結晶ＳｉＣの光照射水分解におけるエネルギー変換効率を向上させる。【解決手段】単結晶ＳｉＣをダイアモンド砥石等で研磨加工、あるいは研磨加工後にアルカリ液等にてエッチング処理を施し、表面粗さＲａを０．１〜１．０μｍとする。該ＳｉＣと対向電極とを接触させ、ともに電解液に浸漬して光をＳｉＣに照射して光触媒反応あるいは光分解反応を行う。【選択図】図３
2014034009.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面粗さＲａが０．１〜１．０μｍである、光触媒用の単結晶ＳｉＣ。
【請求項２】
光照射による水分解用の請求項１の単結晶ＳｉＣ。
【請求項３】
研磨加工をした、あるいは研磨加工後にエッチング処理を施した請求項１または２に記載の単結晶ＳｉＣ。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載のＳｉＣと対向電極とを接触させ、ともに電解液に浸漬して光をＳｉＣに照射して光触媒反応あるいは水分解反応を行う方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光触媒用のシリコンカーバイド、特に光照射による水の分解に適したシリコンカーバイドに関する。
【背景技術】
【０００２】
光触媒による有機物分解あるいは水分解の技術は広く知られているところである。特にシリコンカーバイド（ＳｉＣ）等の半導体を用いて光照射による水の分解は太陽エネルギーを水素エネルギーに変換できるため、再生可能エネルギー生成技術として有望なものである。従来からこの用途に用いる半導体材料として酸化チタンなどが広く知られているところであるが、エネルギー変換効率が低いという課題がある。
【０００３】
それに対して本発明者らはＳｉＣをこの光照射による水分解技術に用いるという提案をしており、それは特許文献１に記載の多結晶ＳｉＣではなく、非特許文献１に記載の単結晶ＳｉＣを用いるという提案である。理論的にはＳｉＣにより５％以上のエネルギー変換効率（以下、単に「変換効率」ということがある。）が期待できるものの、非特許文献１では０．１７％という変換効率が報告されている。一方、本発明者らは非特許文献２にて報告した単結晶ＳｉＣのエネルギー変換効率は０．３８％であり、理論値とは未だに大きな差異があるのが現状である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２０１２‐５０５９６２号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】“Photoelectrolysis of water to hydrogen in p-SiC/Pt and p-SiC/n-TiO2 cells”  J. Akikusa and S. U. M. Khan, Int. J. Hydrogen Energy 27 (2002) 863.
【非特許文献２】「SiCによる水の光分解特性の二電極系における評価」  安田、加藤、市村、畑山、2011年秋季 第72回 応用物理学会学術講演会  30p-ZB-11
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の課題は、ＳｉＣを用いた光照射による水分解のエネルギー変換効率を向上させることである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者らは、このような課題を解決するために種々検討を重ねた結果、ＳｉＣ表面における光反射による損失が低変換効率の原因の一つであると考え、表面粗さの影響を検討した。その結果、本発明によれば、以下のＳｉＣおよびこれを用いた光触媒反応方法が提供される。
【０００８】
[１]  表面粗さＲａが０．１〜１．０μｍである、光触媒用の単結晶ＳｉＣ。
【０００９】
[２]  光照射による水分解用の前記[１]の単結晶ＳｉＣ。
【００１０】
[３]  研磨加工をした、あるいは研磨加工後にエッチング処理を施した前記[１]または[２]に記載の単結晶ＳｉＣ。
[４]   前記[１]〜[３]のいずれかに記載のＳｉＣと対向電極とを接触させ、ともに電解液に浸漬して光をＳｉＣに照射して光触媒反応あるいは水分解反応を行う方法。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明実施形態１の二極式電気化学セルによる水素生成原理を示す図である。
【図２】本発明実施形態１の二極式電気化学セルの作用電極の詳細を示す図である。
【図３】表面処理前後の光電流値の変化を示す図である。
【図４】本発明実施形態２の水素生成原理を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、変更、修正、改良を加え得るものである。
【００１３】
本発明においては、ＳｉＣは単結晶であることが好ましく、結晶形態としては４Ｈ‐ＳｉＣ、６Ｈ‐ＳｉＣ、３Ｃ‐ＳｉＣ等が好ましい。結晶中の不純物濃度は低い方が望ましい。そしてＳｉＣの表面の粗さＲａは０．１〜１．０μｍであることが好ましく、０．３〜０．７μｍであることがより好ましい。これにより、ＳｉＣに照射される光の反射が減少し、吸収が増加して変換効率が向上する。さらに、ＳｉＣの表面はエッチングされて結晶欠陥が少ないことが光‐電流の変換効率が向上してより好ましい。
【００１４】
本発明の実施形態１である、二極式電気化学セルによる水素生成原理を図１に示す。Ｎｉ板（  ７ｍｍ×７０ｍｍ×０．１ｍｍ厚）からなる対向電極２、ＳｉＣを含む作用電極３を導線３で接続し、双方の電極を１ｍｏｌ／ｌの硫酸からなる電解液５に浸漬した。なお、作用電極２は図２に示すように、ＳｉＣ板９（７ｍｍ×７ｍｍ×０．３５ｍｍ厚）に作用電極金属８（Ｎｉ、Ａｌ、およびＴｉ）を蒸着し１０００℃で熱処理した後、ＳｉＣの表面のみが露出するように、この双方を作用電極固定絶縁部材（ポリカーボネート）にエレクトロンワックスの接着剤７で固定した。そして、ＳｉＣ板の表面に光（発光源は太陽光と同じスペクロルを有するソーラシミュレータ（照射強度：１Ｗ／ｃｍ２））を照射して、水素生成に伴う電流値を計測した。
【００１５】
ＳｉＣとして、４Ｈ‐ＳｉＣのＳｉ面を鏡面仕上げして表面粗さＲａ０．０２μｍである試料（表面処理なし）、これを平均粒径０．１２５μｍのダイヤモンド砥粒で研磨して表面粗さＲａ０．４３μｍである試料、およびこのダイヤモンド砥粒による研磨後に５００℃で融解した水酸化カリウム融液で約０．２μｍ深さエッチングをして表面粗さＲａ０．４１μｍの試料、以上３種類のサンプルを用いて、光照射により発生する電流値を比較した。その結果を図３に示す。表面処理なしの試料に比べて、研磨加工した試料はその電流値が２倍以上に増加した。さらに、研磨後にエッチング処理を施した試料は研磨後の試料に比べて電流値が１０〜２０％増加した。なお、表面粗さの測定は東京精密製surfcom1400dにて行い、触針の先端は90度円錐形状の１μｍＲである。
【００１６】
図３の結果より、研磨処理することにより表面の凹凸が大きくなり、これによって光反射が低減して変換効率が増加したと推察される。また、研磨後のエッチングによって表面粗さは殆ど変化ないが、研磨加工で誘起された微小な欠陥が減り、変換効率が増加したと推察される。
【００１７】
前記、実施形態１では対向電極と作用電極を電解液中で分離させたが、他の実施形態（実施形態２）として、ＳｉＣと接触させた金属を対向電極とすることも可能であり、実施形態１に比べて製作工程の簡略化を図ることができる。なお、変換効率は、実施形態１と同等である。
【産業上の利用可能性】
【００１８】
本発明は水素の生成に利用することができる。
【符号の説明】
【００１９】
１…電解液収納容器、２…対向電極金属、３…作用電極、４…導線、５…電解液、６…作用電極固定部材、７…接着剤、８…作用電極金属、９…ＳｉＣ、１１…電解液収納容器、１２…金属、１３…ＳｉＣ
【図１】
2014034009.tif 000003
【図２】
2014034009.tif 000004
【図３】
2014034009.tif 000005
【図４】
2014034009.tif 000006