(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水の分解方法であって、
第１電解液を保持するカソード槽と、
第２電解液を保持するアノード槽と、
前記カソード槽と前記アノード槽との間に挟まれるプロトン透過膜と、
前記第１電解液に接し、金属または金属化合物を有するカソード電極と、
前記第２電解液に接し、窒化物半導体層を有するアノード電極（ただし、光触媒層と、集電層と、前記光触媒層および前記集電層の間に設けられた半導体または良電体を含むコンタクト層と、を備え、前記光触媒層が本質的に光触媒粒子から成り、前記コンタクト層が、前記光触媒層の前記集電層側の表面形状に沿って設けられている光水分解反応用電極を除く）と、
を備える水分解装置を用意する工程（ａ）と、
前記アノード電極に光を照射して、前記第１電解液に含有される水を分解する工程（ｂ）と、
を含み、
前記水分解装置において、
前記アノード電極は、前記窒化物半導体層の前記第２電解液と接する側の表面に、Ｃｏ3Ｏ4を主成分とするコバルト酸化物層を有し、
前記カソード電極と前記アノード電極とが外部電源を介することなく互いに電気的に接続されている、
水の分解方法。
【請求項２】
前記コバルト酸化物層は、前記Ｃｏ3Ｏ4を主成分とする微粒子により構成される、
請求項１に記載の水の分解方法。
【請求項３】
前記コバルト酸化物層は、前記Ｃｏ3Ｏ4を主成分とする薄膜により構成される、
請求項１に記載の水の分解方法。
【請求項４】
前記アノード電極に照射される光は、４００ｎｍ以下の波長を有する、
請求項１から３のいずれか１つに記載の水の分解方法。
【請求項５】
前記窒化物半導体層は、ＧａＮ層、Ａｌ1-xＧａxＮ層（０＜ｘ≦１）、Ｉｎ1-yＧａyＮ層（０＜ｙ≦１）、またはＩｎ1-yＡｌ1-xＧａx+yＮ2層（０＜ｘ≦１、０＜ｙ≦１、０＜ｘ＋ｙ＜２）である、
請求項１から４のいずれか１つに記載の水の分解方法。
【請求項６】
前記水分解装置は、室温かつ大気圧下に設置される、
請求項１から５のいずれか１つに記載の水の分解方法。
【請求項７】
水分解装置であって、
第１電解液を保持可能なカソード槽と、
第２電解液を保持可能なアノード槽と、
前記カソード槽と前記アノード槽との間に挟まれるプロトン透過膜と、
水分解時に前記第１電解液に接するように前記カソード槽の内部に設置され、金属または金属化合物を有するカソード電極と、
水分解時に前記第２電解液に接するように前記アノード層の内部に設置され、窒化物半導体層を有するアノード電極（ただし、光触媒層と、集電層と、前記光触媒層および前記集電層の間に設けられた半導体または良電体を含むコンタクト層と、を備え、前記光触媒層が本質的に光触媒粒子から成り、前記コンタクト層が、前記光触媒層の前記集電層側の表面形状に沿って設けられている光水分解反応用電極を除く）と、
前記アノード槽に設けられた光照射窓と、
を備え、
前記光照射窓を介して、光源からの光を前記アノード電極に照射可能であり、
前記アノード電極は、前記窒化物半導体層の表面であって水分解時に前記第２電解液に接する側の前記表面に、Ｃｏ3Ｏ4を主成分とするコバルト酸化物層を有し、
前記カソード電極と前記アノード電極とが外部電源を介することなく互いに電気的に接続される、
水分解装置。
【請求項８】
光の照射により水を酸化して酸素を生成する水分解装置に用いられる酸素生成用アノード電極であって、窒化物半導体を有し、かつ前記窒化物半導体の表面にＣｏ3Ｏ4を主成分とするコバルト酸化物層を有する、酸素生成用アノード電極（ただし、光触媒層と、集電層と、前記光触媒層および前記集電層の間に設けられた半導体または良電体を含むコンタクト層と、を備え、前記光触媒層が本質的に光触媒粒子から成り、前記コンタクト層が、前記光触媒層の前記集電層側の表面形状に沿って設けられている光水分解反応用電極を除く）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、水の分解方法、水分解装置および酸素生成用のアノード電極に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、光触媒として機能する半導体材料の利用方法として、半導体材料に光を照射することにより、水を分解して水素および酸素を生成することが知られている。
【０００３】
特許文献１には、窒化物半導体をアノード電極（光化学電極）に用いた、水素および酸素の生成する水の分解方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−０２４７６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、水分解時に生じる光電流によってアノード電極が劣化する恐れがあり、長期間安定的に水を分解することが困難であった。本開示の目的は、長期間安定的に水を分解することができる水の分解方法、水分解装置および酸素生成用のアノード電極を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本開示に係る水の分解方法は、
第１電解液を保持するカソード槽と、
第２電解液を保持するアノード槽と、
前記カソード槽と前記アノード槽との間に挟まれるプロトン透過膜と、
前記第１電解液に接し、金属または金属化合物を有するカソード電極と、
前記第２電解液に接し、窒化物半導体層を有するアノード電極と、
を備える水分解装置を用意する工程（ａ）と、
前記アノード電極に光を照射して、前記第１電解液に含有される水を分解する工程（ｂ）と、
を含み、
前記水分解装置において、
前記アノード電極は、前記窒化物半導体層の前記第２電解液と接する側の表面に、Ｃｏ3Ｏ4を主成分とするコバルト酸化物層を有し、
前記カソード電極と前記アノード電極とが外部電源を介することなく互いに電気的に接続されている。
【発明の効果】
【０００７】
本開示に係る水の分解方法では、長期間安定的に水を分解することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１Ａ】本開示に係るアノード電極の一例を模式的に示す断面図である。
【図１Ｂ】本開示に係るアノード電極の別の一例を模式的に示す断面図である。
【図２】本開示に係る水分解装置の一例を示す概略図である。
【図３】実施例１におけるＧａＮ基板上のＸ線回折結果を示す図である。
【図４】実施例１と比較例１とにおける電流密度の変化を示すグラフである。
【図５】実施例１と比較例２との光照射開始１００秒後における電流密度を示すグラフである。
【図６】実施例１と比較例２との光照射前後のアノード電極表面を示す電子顕微鏡画像である。
【図７】比較例３におけるＧａＮ基板上のＸ線回折結果を示す図である。
【図８】実施例１と比較例３とにおける電流密度の変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
（本発明に至った知見）
特許文献１は、アノード電極への光照射により生成されたキャリア（電子および正孔）を利用して水の酸化還元処理を行うことにより、水を分解することを開示する。しかしながら、窒化物半導体のアノード電極を用いると、光照射により生成されたキャリアと電解液とによってアノード電極がエッチングされ、アノード電極が劣化する恐れがある。その結果、長期間安定的に水を分解することが困難であった。
【００１０】
本発明者らは、上記の知見に基づき、以下の発明の各態様を想到するに至った。
【００１１】
本開示の第１態様に係る水の分解方法は、
第１電解液を保持するカソード槽と、
第２電解液を保持するアノード槽と、
前記カソード槽と前記アノード槽との間に挟まれるプロトン透過膜と、
前記第１電解液に接し、金属または金属化合物を有するカソード電極と、
前記第２電解液に接し、窒化物半導体層を有するアノード電極と、
を備える水分解装置を用意する工程（ａ）と、
前記アノード電極に光を照射して、前記第１電解液に含有される水を分解する工程（ｂ）と、
を含み、
前記水分解装置において、
前記アノード電極は、前記窒化物半導体層の前記第２電解液と接する側の表面に、Ｃｏ3Ｏ4を主成分とするコバルト酸化物層を有し、
前記カソード電極と前記アノード電極とが外部電源を介することなく互いに電気的に接続されている。
【００１２】
上記第１態様によると、Ｃｏ3Ｏ4を主成分とするコバルト酸化物層によりアノード電極のエッチングを防止することができるため、長期間安定的に水を分解することができる。
【００１３】
本開示の第２態様に係る水の分解方法は、上記第１態様の特徴に加え、
前記コバルト酸化物層は、前記Ｃｏ3Ｏ4を主成分とする微粒子により構成される。
【００１４】
本開示の第３態様に係る水の分解方法は、上記第１態様の特徴に加え、
前記コバルト酸化物層は、前記Ｃｏ3Ｏ4を主成分とする薄膜により構成される。
【００１５】
本開示の第４態様に係る水の分解方法は、上記第１から第３のいずれかの態様の特徴に加え、
前記アノード電極に照射される光は、４００ｎｍ以下の波長を有する。
【００１６】
本開示の第５態様に係る水の分解方法は、上記第１から第４のいずれかの態様の特徴に加え、
前記窒化物半導体層は、ＧａＮ層、Ａｌ1-xＧａxＮ層（０＜ｘ≦１）、Ｉｎ1-yＧａyＮ層（０＜ｙ≦１）、またはＩｎ1-yＡｌ1-xＧａx+yＮ2層（０＜ｘ≦１、０＜ｙ≦１、０＜ｘ＋ｙ＜２）である。
【００１７】
本開示の第６態様に係る水の分解方法は、上記第１から第５のいずれかの態様の特徴に加え、
前記水分解装置は、室温かつ大気圧下に設置される。
【００１８】
本開示の第７態様に係る水分解装置は、
第１電解液を保持可能なカソード槽と、
第２電解液を保持可能なアノード槽と、
前記カソード槽と前記アノード槽との間に挟まれるプロトン透過膜と、
水分解時に前記第１電解液に接するように前記カソード槽の内部に設置され、金属または金属化合物を有するカソード電極と、
水分解時に前記第２電解液に接するように前記アノード層の内部に設置され、窒化物半導体層を有するアノード電極と、
を備え、
前記アノード電極は、前記窒化物半導体層の表面であって水分解時に前記第２電解液に接する側の前記表面に、Ｃｏ3Ｏ4を主成分とするコバルト酸化物層を有し、
前記カソード電極と前記アノード電極とが外部電源を介することなく互いに電気的に接続される。
【００１９】
本開示の第８態様に係る酸素生成用のアノード電極は、
光の照射により水を酸化して酸素を生成する水分解装置に用いられる酸素生成用アノード電極であって、窒化物半導体を有し、かつ前記窒化物半導体の表面にＣｏ3Ｏ4を主成分とするコバルト酸化物層を有する。
【００２０】
（実施の形態）
以下、本開示の実施の形態に係る水の分解方法、水分解装置および酸素生成用のアノード電極について、図面を参照しながら説明する。本発明は、以下に示す実施の形態に限定されない。
【００２１】
（酸素生成用のアノード電極）
図１Ａは、本開示に係る水の分解処理に用いるアノード電極（光化学電極）１０Ａの構造の一例を示す概略図である。図１Ａに示すアノード電極１０Ａは、Ｃｏ3Ｏ4を主成分とするコバルト酸化物層１１Ａと、窒化物半導体材料で構成される窒化物半導体基板１２と、端子電極部１３とを有する。
【００２２】
コバルト酸化物層１１Ａは、Ｃｏ3Ｏ4を主成分とする薄膜により構成される。ここで、Ｃｏ3Ｏ4を主成分とする薄膜は、Ｃｏ3Ｏ4を体積比で５０％以上有している薄膜であれば良い。なお、コバルト酸化物層１１Ａは、Ｃｏ3Ｏ4を主成分として有していれば良く、ＣｏＯまたはＣｏ単体が含まれていてもよい。また、コバルト酸化物層１１Ａの厚みは、窒化物半導体基板１２への光照射が妨げられない範囲の厚み（例えば、１０ｎｍ以下）である。この場合、コバルト酸化物層１１Ａの厚みは均一である必要はない。さらに、コバルト酸化物層１１Ａは、窒化物半導体基板１２の表面の一部に配置されればよく、窒化物半導体基板１２の全ての表面に配置される必要はない。
【００２３】
図１Ｂは、本開示に係るアノード電極の他の構造の一例を示す概略図である。図１Ｂに示すアノード電極１０Ｂのコバルト酸化物層１１Ｂは、Ｃｏ3Ｏ4を主成分とする微粒子により構成される。この場合、コバルト酸化物層１１Ｂは、窒化物半導体基板１２への光照射が妨げられない範囲の厚み（例えば、１０ｎｍ以下）となるようにＣｏ3Ｏ4を主成分とする微粒子を配置する。また、微粒子間に、窒化物半導体基板１２への光照射が可能となる隙間が形成されるようにサイズの小さな微粒子（例えば、直径２５ｎｍ以下）を配置しても良い。この場合、微粒子の形状は均一である必要はなく、様々な形状またはサイズのものが窒化物半導体基板１２の表面にランダムに配置されていても良い。
【００２４】
窒化物半導体基板１２は、窒化ガリウム（組成式：ＧａＮ）、窒化アルミニウムガリウム（組成式：Ａｌ1-xＧａxＮ：０＜ｘ≦１）、窒化インジウムガリウム（組成式：Ｉｎ1-yＧａyＮ：０＜ｙ≦１）、または窒化アルミニウムインジウムガリウム（組成式：Ｉｎ1-yＡｌ1-xＧａx+yＮ2：０＜ｘ≦１、０＜ｙ≦１、０＜ｘ＋ｙ＜２）から構成されている。
【００２５】
窒化物半導体基板１２の基本的な機能は、光を吸収し、その光励起によって生成したキャリア（電子および正孔）の作用により、酸化還元反応に寄与することである。具体的には、窒化物半導体基板１２内において光励起により生成した正孔は、アノード電極１０Ａの表面（コバルト酸化物層１１Ａ側の表面）に移動し、アノード電極１０Ａと接している水を酸化して酸素を生成する。すなわち、アノード電極１０Ａ自体は酸素生成電極として機能する。一方、光励起によって窒化物半導体基板１２内に生成された電子は、アノード電極１０Ａに配された端子電極部１３に集められ、電気的に接続された配線（導線）を通じて、水を還元するカソード電極側に供給される。カソード電極に印加される電位は、窒化物半導体基板１２に生じた光起電力となる。
【００２６】
窒化物半導体基板１２の厚みは、窒化物半導体基板１２に照射された光を十分に吸収できる厚みであれば良い。窒化物半導体基板１２の厚さは、例えば２００μｍ以上７００μｍ以下である。
【００２７】
上記のようなアノード電極１０Ａの作製方法について説明する。
【００２８】
始めに、窒化物半導体基板１２上にコバルト酸化物層１１Ａを形成する。コバルト酸化物層１１Ａを形成する方法として、ナノ粒子分散装置を用いてＣｏ3Ｏ4を窒化物半導体基板１２上に直接配置する方法がある。他の例としては、ゾル・ゲル法、スピンコート法、ディッピング法、スパッタ法または蒸着法などにより、Ｃｏイオン前駆体またはＣｏ金属を窒化物半導体基板１２上に配置した後に熱処理によりＣｏ3Ｏ4を形成する方法がある。なお、熱処理時の雰囲気は酸素が含まれていればよく、熱処理時の温度は９００℃以下が好ましい。
【００２９】
次に、図１Ａに示すように、窒化物半導体基板１２上に端子電極部１３を形成する。端子電極部１３は、アノード電極１０Ａの接続端子であり、導線を介してカソード電極に接続される。端子電極部１３は、例えば、透明導電材料または金属などにより構成される。透明導電材料は、例えば、ＺｎＯ、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ  Ｔｉｎ  Ｏｘｉｄｅ）またはＳｎＯ2などである。金属は、例えば、金、アルミニウム、銅、ニッケルまたは銀などである。
【００３０】
（水分解装置）
図２は、光照射によって水を分解処理するための水分解装置３００の一例を表した概略図である。水分解装置３００は、カソード槽３０２、アノード槽３０５、およびプロトン透過膜３０６を具備する。カソード槽３０２の内部には、第１電解液３０７が保持されていると共に、カソード槽３０２はカソード電極３０１を具備している。カソード電極３０１は第１電解液３０７に接している。具体的には、カソード電極３０１は第１電解液３０７に浸漬されている。
【００３１】
カソード槽３０２に保持される第１電解液３０７は、電気伝導性を有する一般的な電解液を使用することができる。第１電解液３０７の一例として、水酸化ナトリウム水溶液（ＮａＯＨ水溶液）、水酸化カリウム水溶液（ＫＯＨ水溶液）、炭酸水素カリウム水溶液（ＫＨＣＯ3水溶液）、炭酸水素ナトリウム水溶液（ＮａＨＣＯ3水溶液）、塩化カリウム水溶液（ＫＣｌ水溶液）、塩化ナトリウム水溶液（ＮａＣｌ水溶液）、硫酸カリウム（Ｋ2ＳＯ4水溶液）水溶液、またはリン酸カリウム水溶液（Ｋ3ＰＯ4水溶液）が挙げられるが、これらに限定されるものではない。第１電解液３０７の濃度としては、いずれの場合も例えば０．５ｍｏｌ／Ｌ以上の濃度であるが、これに限定されるものではない。
【００３２】
カソード電極３０１は金属または金属化合物により構成される。水を分解し、水素を生成させる場合には、カソード電極３０１を構成する金属の例は、金、白金、銅または銀などである。カソード電極３０１は、例えば白金を主成分とする材料からなる触媒層を表面に有している。またカソード電極３０１は、上記触媒層を構成する材料のみにより形成されていても良いが、上記触媒層と触媒層を保持する基材との積層構造を有していても良い。後者のカソード電極３０１の例は、ガラスまたはグラッシーカーボン（登録商標）などの基材上に触媒層を薄膜状に形成した電極、微粒子状の触媒層を導電性基板上に多数担持した電極である。水を還元する能力を有するカソード電極３０１であれば、その構成は限定されない。二酸化炭素の還元を行う場合のカソード電極３０１を構成する金属の例は、銅、インジウムまたは金などである。当該材料が第１電解液３０７に接する限り、カソード電極３０１の一部のみが第１電解液３０７に浸漬され得る。
【００３３】
アノード槽３０５の内部には、第２電解液３０８が保持されていると共に、アノード槽３０５はアノード電極３０４を具備している。アノード電極３０４は本開示のアノード電極であり、例えば上述したアノード電極１０Ａまたは１０Ｂである。アノード電極３０４は第２電解液３０８に接している。具体的には、アノード電極３０４は第２電解液３０８に浸漬されている。
【００３４】
アノード槽３０５に保持される第２電解液３０８は、カソード槽３０２に保持される第１電解液３０７と同じ溶質であってもよいが、異なっていてもよい。アノード槽３０５に保持される第２電解液３０８は、電気伝導性を有する一般的な電解液を使用することができる。第２電解液３０８の一例として、水酸化ナトリウム水溶液（ＮａＯＨ水溶液）、水酸化カリウム水溶液（ＫＯＨ水溶液）、炭酸水素カリウム水溶液（ＫＨＣＯ3水溶液）、炭酸水素ナトリウム水溶液（ＮａＨＣＯ3水溶液）、塩化カリウム水溶液（ＫＣｌ水溶液）、塩化ナトリウム水溶液（ＮａＣｌ水溶液）、硫酸カリウム（Ｋ2ＳＯ4水溶液）水溶液、またはリン酸カリウム水溶液（Ｋ3ＰＯ4水溶液）が挙げられるが、これらに限定されるものではない。第２電解液３０８の濃度は、いずれの場合も例えば０．５ｍｏｌ／Ｌ以上であるが、これに限定されるものではない。
【００３５】
後述するように、第２電解液３０８に浸漬されているアノード電極３０４の領域には、少なくとも窒化物半導体基板１２で吸収可能な波長を有する光が光源３０３より照射される。光源３０３の具体例は、キセノンランプ、水銀ランプまたはハロゲンランプであり、これらを単独で、または組み合わせて使用できる。また、いわゆる疑似太陽光源または太陽光も光源３０３として利用可能である。
【００３６】
第１電解液３０７と第２電解液３０８とを分離するために、プロトン透過膜３０６がカソード槽３０２とアノード槽３０５との間に挟まれている。すなわち、水分解装置３００では第１電解液３０７および第２電解液３０８は互いに混合しない。プロトン透過膜３０６はプロトン（Ｈ+）が透過し、かつ他物質の通過が抑制されるものであればよく、特に限定されない。プロトン透過膜３０６の具体例は、ナフィオン膜（登録商標）である。
【００３７】
カソード電極３０１およびアノード電極３０４は、それぞれ電極端子３１０および３１１を有する。これら電極端子３１０および３１１はポテンショスタットなどの外部電源を介さずに、導線３１２により電気的に接続されている。すなわち、カソード電極３０１は外部電源を介することなく、導線３１２を介してアノード電極３０４と電気的に接続されている。
【００３８】
（光照射による水の分解処理方法）
次に、上記された水分解装置３００を用いて、水を分解処理する方法について説明する。
【００３９】
水分解装置３００は室温かつ大気圧下に置かれ得る。図２に示すように、光源３０３からアノード電極３０４に光が照射される。より具体的には、アノード電極３０４が有する窒化物半導体基板１２に光が照射される。光源３０３の例はキセノンランプであり、光源３０３からの光は窒化物半導体基板１２で吸収可能な光を有している。吸収可能な光は、例えば、４００ｎｍ以下の波長を有する光である。
【００４０】
カソード電極３０１に白金を主成分とする材料からなる触媒層を有する材料を具備した場合、アノード電極３０４への光照射によって、第２電解液３０８に含有される水は酸化処理される。その結果、アノード電極３０４において酸素が生成され得る。
【００４１】
（実施例）
以下、実施例を参照して、本開示の水の分解方法、水分解装置および酸素生成用のアノード電極をより詳細に説明する。
【００４２】
（実施例１）
本実施例では、図１Ａに示すアノード電極１０Ａを用いた。アノード電極１０Ａは、以下のように作製した。
【００４３】
窒化物半導体基板１２としてＧａＮ基板（厚み：３３０μｍ、サイズ：直径２インチ）を用いた。そして、ＧａＮ基板上に、コバルト酸化物層１１Ａを金属有機化合物分解法（ＭＯＤ法）により形成した。具体的には、コバルトＭＯＤ溶液（Ｃｏ−０３、高純度化学研究所製）を希釈剤（コートＦ液、高純度化学研究所製）により体積分率で１０％に希釈した。希釈したコバルトＭＯＤ溶液をＧａＮ基板上に２００μｌ滴下後、５００ｒｐｍで５秒間、その後３０００ｒｐｍで３０秒間のスピンコートを行った。その後、真空乾燥炉に設置し、１×１０-3Ｐａ程度の真空度まで排気を行った後、１０℃／分の加熱速度で２００℃まで昇温した後、２００℃で１時間保持し、ＭＯＤ溶液である有機溶媒を除去した。その後、自然降温させ後にアニール炉に設置し、大気中で１０℃／分の加熱速度で７００℃まで昇温し、７００℃で３０分間保持し、ＧａＮ基板上にＣｏ3Ｏ4を結晶化させた。
【００４４】
図３は、ＧａＮ基板上に結晶化された物質のＸ線回折測定結果である。図３に示すように、Ｃｏ3Ｏ4由来の回折ピークが得られており、実施例１の方法にて作成されたアノード電極のＧａＮ基板上にはＣｏ3Ｏ4が形成されていることが確認された。また、断面ＴＥＭ測定を用いて得られた画像より（図示せず）、直径１０ｎｍ程度のＣｏ3Ｏ4の微粒子がＧａＮ基板上に形成されていることが確認された。さらに、断面ＴＥＭ測定を用いて得られた画像より、Ｃｏ3Ｏ4とＧａＮ基板との界面が原子レベルで接合されていることも確認された。
【００４５】
次に、ＧａＮ基板の面上であってコバルト酸化物層１１Ａが形成された面と同じ面上に、チタン（Ｔｉ）／アルミニウム（Ａｌ）／金（Ａｕ）からなる端子電極部１３（厚み：約５００ｎｍ）を形成した。このようにして、図１Ａに示すようなアノード電極１０Ａが得られた。
【００４６】
一方、カソード電極には白金板（厚み：０．１ｍｍ）を用いた。白金板における第１電
解液に浸漬されている面積は約１３ｃｍ2であった。
【００４７】
これらのアノード電極およびカソード電極を用いて、図２に示すような水分解装置を作製した。アノード電極およびカソード電極間の距離は約１３ｃｍとした。作成した水分解装置におけるその他の構成を、表１に示す。
【００４８】
【表１】
0006497590.tif 000002
【００４９】
アノード槽に設置された光照射窓（図示せず）を介して、光源３０３から紫外光成分と可視光成分とを有する光をアノード電極の表面に一定時間照射し、水の分解処理を行った。実施例１では、２９０ｎｍ以上８４０ｎｍ以下の波長域に亘る光を照射する光源３０３を用いた。
【００５０】
（比較例１）
コバルト酸化物層を有さないアノード電極を用いた以外は、実施例１と同様の実験を行なった。
【００５１】
キセノンランプからの光をアノード電極の表面（コバルト酸化物層を有する面）に照射すると、実施例１および比較例１のいずれの場合も、アノード電極とカソード電極とをつなぐ導線に反応電流が流れることが観測された。また、光照射を行っている間は、アノード電極にて酸素が生成され、カソード電極にて水素が生成されていることがガスクロマトグラフィを用いてそれぞれ確認された。
【００５２】
図４は、実施例１と比較例１とにおける電流密度の変化を示すグラフである。図４に示される通り、実施例１の電流密度はほぼ一定の値であるのに対し、比較例１の電流密度は経過時間、即ち照射時間と共に下がる。また、実験後の比較例１のアノード電極を観察した結果、ＧａＮ基板上に照射痕が確認された。この結果より、比較例１では光照射によりＧａＮ基板がエッチングされたことにより、電流密度が下がったことが確認された。ここで、電流密度が下がることは、酸素の生成量の減少を意味する。一方、実施例１は、電流密度がほぼ一定の値であるため、長期間安定的に酸素を生成できることが確認された。つまり、長期間安定的に水を分解できることが確認された。
【００５３】
（比較例２）
コバルト酸化物層の代わりに酸化ニッケルを有するアノード電極を用いた以外は、実施例１と同様の実験を行なった。
【００５４】
比較例２で用いたアノード電極は、以下の方法で作成された。
【００５５】
酸化ニッケル粒子をテレピン油に拡散させた溶媒を用意し、ＧａＮ基板上へ滴下した後、スピンコートした。スピンコート後、大気中、５００℃で２０分間熱処理することにより、直径１０μｍ程度の酸化ニッケルをＧａＮ基板上に担持させた。
【００５６】
図５に、実施例１と比較例２との光照射開始１００秒後における電流密度のグラフを示す。図５に示される通り、実施例１と比較例２とは光照射開始１００秒後においてほぼ同じ電流密度であった。
【００５７】
次に、２倍の光強度を有する光源（アノード電極が得る照射光量：約６８ｍＷ）を用いた以外は、実施例１と同様の実験を行なった。
【００５８】
図６に、実施例１と比較例２との光照射前後のアノード電極表面の電子顕微鏡画像を示す。図６に示した実施例１の光照射後の電子顕微鏡画像より、アノード電極の表面ではＧａＮ基板のエッチングは確認されなかった。一方、図６に示した比較例２の光照射後の電子顕微鏡画像より、アノード電極の表面には全体的に黒点が観られ、ＧａＮ基板のエッチングが確認された。
【００５９】
以上の結果より、実施例１と比較例２とは生じる電流密度がほぼ同じであったが、実施例１でＧａＮ基板のエッチングが確認されず、比較例２ではＧａＮ基板のエッチングが確認された。
【００６０】
（比較例３）
Ｃｏ3Ｏ4の代わりにＣｏＯを有するアノード電極を用いた以外は、実施例１と同様の実験を行なった。
【００６１】
比較例３で用いたアノード電極は、アニール炉にて大気中で１０℃／分の加熱速度で１０００℃まで昇温した後、１０００℃で３０分間保持した以外は、実施例１と同様の方法で作成された。図７に、かかる方法にて作成されたＧａＮ基板上に結晶化された物質のＸ線回折測定結果を示す。図７に示すように、ＣｏＯ由来の回折ピークが得られており、比較例３の方法にてＧａＮ基板上にＣｏＯが形成されていることが確認された。
【００６２】
図８は、実施例１と比較例３とにおける電流密度の変化を示すグラフである。図８に示される通り、実施例１の電流密度はほぼ一定の値であるのに対し、比較例３の電流密度は経過時間、即ち照射時間と共に下がる。この結果より、比較例３では光照射によりＧａＮ基板がエッチングされたことにより、電流密度が下がったことが確認された。一方、実施例１は、電流密度がほぼ一定の値であるため、長期間安定的に酸素を生成できることが確認された。つまり、長期間安定的に水を分解できることが確認された。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
本発明は、長期間安定的に水を分解する方法を提供する。
【符号の説明】
【００６４】
１０Ａ、１０Ｂ、３０４  アノード電極
１１Ａ、１１Ｂ  コバルト酸化物層
１２  窒化物半導体基板
１３  端子電極部
３００  水分解装置
３０１  カソード電極
３０２  カソード槽
３０３  光源
３０５  アノード槽
３０６  プロトン透過膜
３０７  第１電解液
３０８  第２電解液
３１０、３１１  電極端子
３１２  導線
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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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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【図８】
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