(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光電解槽（１０）であって、
（ａ）次式の材料からなる光電極（１２）、
（Ｌｎ1-xＭx）（Ｎｂ1-yＴａy）Ｏ1+xＮ2-x
（式中、Ｌｎはセリウム、プラセオジム、ネオジム、プロメチウム、サマリウム、ユウロピウム、ガドリニウム、テルビウム、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビウム、ツリウム、イッテルビウム及びルテチウムからなる群から選択される１種以上のランタニド元素又はイットリウムもしくはスカンジウムであり、Ｍはカルシウム、ストロンチウム、バリウム及びこれらの組合せからなる群から選択されるアルカリ土類金属であり、０≦ｘ≦０．９９であり、０≦ｙ≦１である。）
（ｂ）１種以上の金属材料からなる対電極（１４）、
（ｃ）光電極（１２）と対電極（１４）の両方に接触する電解質（１６）、及び
（ｄ）当該槽（１０）で生成した水素を捕集する手段
を備える光電解槽（１０）。
【請求項２】
Ｌｎがイットリウム、ガドリニウム、ルテチウム、スカンジウム、ネオジム、プラセオジム及びこれらの組合せからなる群から選択される、請求項１記載の光電解槽。
【請求項３】
光電極（１２）の材料が、ＬｕＴａＯＮ2、ＧｄＴａＯＮ2、ＮｄＴａＯＮ2、ＹＴａＯＮ2、ＧｄＮｂＯＮ2、ＮｄＮｂＯＮ2及びこれらの組合せからなる群から選択される、請求項１又は請求項２記載の光電解槽。
【請求項４】
対電極（１４）が、金属、合金、金属酸化物及びこれらの組合せからなる群から選択される、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の光電解槽。
【請求項５】
光電極（１２）がｎ型陽極である、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の光電解槽。
【請求項６】
電解質（１６）が液体であって、該液体中に光電極（１２）と対電極（１４）が少なくとも部分的に浸漬されている、請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の光電解槽。
【請求項７】
次式の材料からなる光電極（１２）。
（Ｌｎ1-xＭx）（Ｎｂ1-yＴａy）Ｏ1+xＮ2-x
式中、Ｌｎはセリウム、プラセオジム、ネオジム、プロメチウム、サマリウム、ユウロピウム、ガドリニウム、テルビウム、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビウム、ツリウム、イッテルビウム及びルテチウムからなる群から選択される１種以上のランタニド元素又はイットリウムもしくはスカンジウムであり、Ｍはカルシウム、ストロンチウム、バリウム及びこれらの組合せからなる群から選択されるアルカリ土類金属であり、０≦ｘ≦０．９９であり、０≦ｙ≦１である。
【請求項８】
各々電解質（１６）と接触した光電極（１２）と対電極（１４）とを備え、電気負荷（２４）を接続できる電気回路を通して両電極が接続された光電解槽（１０）内で水素を生成する方法であって、当該方法が、
（ｉ）水素を発生する電気化学的酸化還元反応を開始させるため、光電極（１２）を太陽輻射に暴露する段階、及び
（ii）水素を捕集する段階
を含んでなり、光電極（１２）が次式の材料からなる、方法。
（Ｌｎ1-xＭx）（Ｎｂ1-yＴａy）Ｏ1+xＮ2-x
（式中、Ｌｎはセリウム、プラセオジム、ネオジム、プロメチウム、サマリウム、ユウロピウム、ガドリニウム、テルビウム、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビウム、ツリウム、イッテルビウム及びルテチウムからなる群から選択される１種以上のランタニド元素又はイットリウムもしくはスカンジウムであり、Ｍはカルシウム、ストロンチウム、バリウム及びこれらの組合せからなる群から選択されるアルカリ土類金属であり、０≦ｘ≦０．９９であり、０≦ｙ≦１である。）
【請求項９】
さらに、光電解槽（１０）内で生成した水素を、燃料電池、タービンエンジン、内燃機関、化学プロセス作業及びこれらの組合せからなる群から選択される１以上の水素消費装置に導く段階を含む、請求項８記載の方法。
【請求項１０】
各々電解質（１６）と接触した光電極（１２）と対電極（１４）とを備え、電気負荷（２４）を接続できる電気回路を通して両電極が接続された光電解槽（１０）内で光電解反応を実施する方法であって、当該方法が、光電解に特有の電気化学的酸化還元反応を開始させるため、少なくとも一方の電極を太陽輻射に暴露する段階を含んでなり、光電極（１２）が次式の材料からなる、方法。
（Ｌｎ1-xＭx）（Ｎｂ1-yＴａy）Ｏ1+xＮ2-x
（式中、Ｌｎはセリウム、プラセオジム、ネオジム、プロメチウム、サマリウム、ユウロピウム、ガドリニウム、テルビウム、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビウム、ツリウム、イッテルビウム及びルテチウムからなる群から選択される１種以上のランタニド元素又はイットリウムもしくはスカンジウムであり、Ｍはカルシウム、ストロンチウム、バリウム及びこれらの組合せからなる群から選択されるアルカリ土類金属であり、０≦ｘ≦０．９９であり、０≦ｙ≦１である。）
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に水の電気分解による水素及び酸素の生成に関する。ある具体的な実施形態では、本発明は太陽輻射を用いた水の光電解による水素の生成に関する。
【背景技術】
【０００２】
日光及び水をクリーンで効率の高い化学燃料に変換させることは、多年にわたって大きな関心を集めてきた。化石燃料を燃やすことの有害な効果が明らかとなったので、かかる技術に対するニーズは一層差し迫ったものになる。ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＺｎＳなどの第II族元素の硫化物及びセレン化物の可視光照明により、水の光分解で水素及び酸素が得られることは実証されてきた。水は、ＴｉＯ２、ＢａＴｉＯ３及びＺｎＯのような化合物を用いて、紫外線照明の下でも光分解されてきた。
【０００３】
光電解装置は、ｐｎ接合を含む光起電力装置に多くの点で類似している。光電解装置の場合、ｐｎ接合は通常はｐ−電解質−ｎ接合（又は金属−電解質−ｎ接合）で置き換えられる。半導体電極への光の吸収によって電子−正孔対が生成される。（半導体電極は「光触媒」と考えることができる。）。電子−正孔対は光電極中で分離される、それぞれの電極に注入されて電気化学的酸化還元反応を生じる。ｎ型電極の場合、正孔が水分子（Ｈ２Ｏ）と化合して陽極酸化反応を生じる。ｐ型電極（又は金属電極）では逆の反応が起こり、電子が陽子（Ｈ＋）と化合して陰極還元反応を生じる。正味の効果は、陽極から陰極に電子が流れ、前者では還元（水素の生成）を引き起こし、後者では酸化（酸素の生成）を引き起こすことである。
【０００４】
明らかに、光電解は安価な水素源を提供する可能性を有すると共に、太陽エネルギー変換から得られるエネルギーを効率的に貯蔵するための手段も提供する。しかし、光電解プロセスは依然重大な欠点を有している。例えば、これらのプロセスは比較的遅くて効率が悪い。効率が悪いことは、主として、光電解槽で使用する光触媒のバンドギャップ特性に原因している。（「バンドギャップエネルギー」は、槽の還元電位と酸化電位との差として定義できる。）。関連する用語を使用すれば、「バンドギャップ」は電子をその軌道配置において価電子帯から伝導帯に高めるために必要なエネルギー量とみなされる。その結果、バンドギャップよりも小さいエネルギー値を有する太陽輻射は、上述の電気化学反応に必要な電子−正孔対を生成しない。大抵の公知光触媒は、水の効率的な電気化学的分解には大きすぎるバンドギャップを有している。即ち、太陽スペクトルのわずかな部分しか光触媒作用に関与しない。
【０００５】
光電解槽の効率を向上させるために様々な試みがなされてきた。例えば、ＴｉＯ２のような材料に基づく半導体は、しばしば基礎光子エネルギー入力に加えて外部電気バイアスを導入する。（ＴｉＯ２の場合、バンドギャップと水の酸化還元電位との整合はある種の電解系には理想的でない。）。かかるバイアスは、例えばバンドエネルギーと水のレドックス電位との間に良好な電位差を与えることにより、関連する酸化還元方程式に関するエネルギー収支を満足させるように作用し得る。したがって、必要な槽反応は一層効率的に進行する。しかし、大きい電気バイアスの使用はまず第一に太陽輻射を使用する利点を減殺する。
【０００６】
単一の非効率的な光触媒を用いることの問題を解消しようとして、通常は２以上の光触媒を含むタンデム型の光電解槽が使用されてきた。様々なタイプのタンデム槽が設計されてきた。例えば、米国特許第６９３６１４３号（Ｇｒａｅｔｚｅｌ）は、１つの光電解槽を別の槽の背後に取り付けてなる電気化学装置を記載している。かかる槽のデザインには、発光スペクトルの吸収のために色に基づく区分が設けられる。スペクトルの青色及び緑色部分を吸収する一方の槽は酸素を生成する。第二の槽は、染料増感されたメソ細孔質の光起電力フィルムを含んでいる。この槽はスペクトルからの黄色及び赤色光を変換し、第一の槽中の陽子を還元して水素を生成する。
【０００７】
タンデム槽は時には高い光電解効率を与えるが、やはりそれに付随する欠点が存在している。例えば、槽構造が複雑で製造するのが難しい。高度の複雑さは、しばしば高い製造コストにつながる。さらに、非酸化物型のタンデム槽の中には、光で誘起される腐食を受けやすいものがある。（光酸化は通常は槽の酸素生成側で起こり、そこでは非酸化物表面が酸素を遊離せずに酸化される傾向がある。総合的な酸化還元図式に従えば、酸化物層が十分に厚ければ、光で誘起される水素の生成は減少し、実効的に槽の動作が停止する。）。
【０００８】
これらの問題のいくつかを念頭に置けば、当技術分野では改良された光電解装置が歓迎されるであろう。かかる装置は効率的かつ経済的に水素を生成できるものでなければならない。かかる装置で使用する光触媒も大きな関心の的である。かかる光触媒は装置用の１以上の半導体電極として機能し得るものであり、手ごろな価格で入手可能かつ使用可能でなければならない。さらに詳しくは、光触媒は非常に効率的な太陽輻射の吸収及び水素への変換を可能にするバンドギャップ特性を示すべきである。
【特許文献１】米国特許第６９３６１４３号明細書
【特許文献２】米国特許第４０９０９３３号明細書
【特許文献３】米国特許第４１７２９２５号明細書
【特許文献４】米国特許第４４６６８６９号明細書
【特許文献５】米国特許第５４３９６６０号明細書
【非特許文献１】Ｄ．Ｙａｍａｓｈｉｔａ  ｅｔ  ａｌ．，“Ｒｅｃｅｎｔ  ｐｒｏｇｒｅｓｓ  ｏｆ  ｖｉｓｉｂｌｅ−ｌｉｇｈｔ−ｄｒｉｖｅｎ  ｈｅｔｅｒｏｇｅｎｅｏｕｓ  ｐｈｏｔｏｃａｔａｌｙｓｔｓ  ｆｏｒ  ｏｖｅｒａｌｌ  ｗａｔｅｒ  ｓｐｌｉｔｔｉｎｇ”，Ｓｏｌｉｄ  Ｓｔａｔｅ  Ｉｏｎｉｃｓ，Ｖｏｌ．１７２，２００４，ｐｐ．５９１−５９５．
【非特許文献２】Ｍ．Ｊａｎｓｅｎ  ｅｔ  ａｌ．，“Ｉｎｏｒｇａｎｉｃ  ｙｅｌｌｏｗ−ｒｅｄ  ｐｉｇｍｅｎｔｓ  ｗｉｔｈｏｕｔ  ｔｏｘｉｃ  ｍｅｔａｌｓ”，Ｌｅｔｔｅｒｓ  ｔｏ  Ｎａｔｕｒｅ，Ｖｏｌ．４０４，Ａｐｒｉｌ  ２７，２０００，ｐｐ．９８０−９８２．
【非特許文献３】Ｖ．Ｕｒａｄｅ  ｅｔ  ａｌ．，“Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｈｙｄｒｏｇｅｎ”，ｗｗｗ．ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．ｐｕｒｄｕｅ．ｅｄｕ，Ｍａｒｃｈ  ２８，２００６，ｐｐ．１−５．
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一実施形態は、
（ａ）次式の材料からなる光電極、
（Ｌｎ1-xＭx）（Ｎｂ1-yＴａy）Ｏ1+xＮ2-x
（式中、Ｌｎは１種以上のランタニド元素であり、Ｍはカルシウム、ストロンチウム、バリウム及びこれらの組合せからなる群から選択されるアルカリ土類金属であり、０≦ｘ≦０．９９であり、０≦ｙ≦１である。）
（ｂ）１種以上の金属材料からなる対電極、
（ｃ）光電極と対電極の両方に接触する電解質、及び
（ｄ）当該槽で生成した水素を捕集する手段
を備える光電解槽に関する。
【００１０】
別の実施形態は、各々電解質と接触した光電極と対電極とを備え、電気負荷を接続できる電気回路を通して両電極が（直接又は間接に）接続された光電解槽内で水素を生成する方法に関する。かかる方法は、
（ｉ）一方の電極の位置で水素を発生する電気化学的酸化還元反応を開始させるため、光電極を太陽輻射に暴露する段階、及び
（ii）水素を捕集する段階
を含んでなる。光電極は上述のような式（Ｌｎ１−ｘＭｘ）（Ｎｂ１−ｙＴａｙ）Ｏ１＋ｘＮ２−ｘを有する材料からなる。
【００１１】
さらに別の実施形態は、本明細書に記載される材料で形成された光電極それ自体に関する。かかる光電極は様々な電気化学反応に有用である。これらの実施形態の様々な特徴及び利点は、以下の詳しい説明を考察することで明らかになろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の光電解槽は、様々な構造上の構成を取り得る。光電解槽は多くの参考文献に記載されている。その非限定的な例には、米国特許第４０９０９３３号（Ｎｏｚｉｋ）及び同第４１７２９２５号（Ｃｈｅｎら）があるが、これらの開示内容はいずれも援用によって本明細書の内容の一部をなす。通例、光電解槽は光電極と対電極を含んでいるが、これらは様々なやり方で互いに接続できる。例えば、各電極を液体電解質に部分的又は完全に浸漬すると共に、互いに離隔して配置することができる。電極はまた、図１（後述）に示すように、適当な導線を用いて通常の電気回路に組み込むことができる。
【００１３】
しかし、他の通常の電極構造も使用可能である。例えば、光電極と対電極を（例えば、両者間の結線の必要なしに）互いに物理的に結合することもできる。場合によっては、光電極（例えば、光陽極）を対電極（例えば、光陰極）の表面上に（その場で）形成し、被覆し、或いは他の方法で適用することができる。当業者であれば、所定の最終用途に最も適した電極構造を容易に選択することができよう。
【００１４】
光電極は次式の材料からなる。
【００１５】
（Ｌｎ1-xＭx）（Ｎｂ1-yＴａy）Ｏ1+xＮ2-x        （Ｉ）
式（Ｉ）において、Ｌｎは１種以上のランタニド元素であり、ｘ及びｙは上述の範囲内の値である。（各「ｘ」値は個別に決定され、例えば、一方の「ｘ」値は他方のものと数量的に異なることがある。）。ある実施形態では、ランタニドは希土類元素（即ち、セリウム、プラセオジム、ネオジム、プロメチウム、サマリウム、ユウロピウム、ガドリニウム、テルビウム、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビウム、ツリウム、イッテルビウム及びルテチウム）のいずれでもよい。２種以上のランタニドの混合物も使用可能である。本発明では、イットリウム及びスカンジウムもランタニド族の一部とみなされる。（当業者には明らかであろうが、イットリウム及びスカンジウムは希土類族に属する元素と化学的に類似している。）。
【００１６】
幾つかの実施形態における特定のランタニド族は、イットリウム、ガドリニウム、ルテチウム、スカンジウム、ネオジム及びプラセオジムの１種以上からなる。ある好ましい実施形態では、ランタニドはルテチウム、イットリウム及びこれらの様々な組合せからなる群から選択される。
【００１７】
式（Ｉ）において、「Ｍ」は、カルシウム、ストロンチウム、バリウム及びこれらの組合せからなる群から選択されるアルカリ土類金属である。これらのアルカリ土類金属は任意であり、場合によって化合物の母体格子のバンドギャップ値を調節するために使用できる。ある特定の実施形態では、カルシウム及びストロンチウムが好ましいアルカリ土類金属であり、カルシウムがしばしば最も好ましい。
【００１８】
式（Ｉ）に示されるように、光電極材料はタンタル及びニオブから選択される１種以上の遷移金属も含んでいる。タンタルが大抵の実施形態で好ましい遷移金属である。タンタルとニオブとの組合せも使用可能である。
【００１９】
式（Ｉ）にオキシ窒化物化学種が存在することは、化合物にある程度の光安定性を与える。（窒素は酸素より電気陰性度が低く、オキシ窒化化合物は純粋な窒化化合物より酸化する傾向がはるかに低い。）。ある期間のうちには、ある割合の酸素が化合物の格子構造に取り込まれることがある。例えば、酸素は酸化物（例えば、酸化ランタニド−タンタル化合物）を生成することがある。これらの酸化物は、光電極に対する薄い保護層として機能し得る。本発明者らはこのような理論に束縛されることは望まないが、かかる保護層の存在は光電解槽内での電極の電気化学的活性を妨げることなく電極の安定性を高めるように思われる。
【００２０】
ある好ましい実施形態では、光電極（例えば、陽極）は約２．５未満のバンドギャップエネルギー値（Ｅｇ）を有するべきである。このようなバンドギャップ特性を有する化合物は、水の電気化学的分解での効率が高いと考えられ、かくして太陽スペクトルの一層多くの部分を水素生成に利用できる。通常、光電極は約１．５〜約２．０の範囲内のバンドギャップエネルギーを有するであろう。
【００２１】
光電極用の具体的化合物の非限定的な例は、ＬａＴａＯＮ２、ＬｕＴａＯＮ２、ＬａＮｂＯＮ２、Ｌａ０．５Ｃａ０．５ＴａＯ１．５Ｎ１．５、ＧｄＴａＯＮ２、ＮｄＴａＯＮ２、ＹＴａＯＮ２、ＧｄＮｂＯＮ２、ＮｄＮｂＯＮ２及びこれらの様々な組合せである。ある好ましい実施形態では、光電極はＬａＴａＯＮ２からなる。特定化合物の選択は様々な因子に依存する。かかる因子には、光電解槽の具体的なタイプ（例えば、使用する電極及び対電極のタイプ）、槽からの所要水素生成量、様々なプロセス考慮条件及び材料のコストがある。
【００２２】
当業者は、光電極材料の製造方法には精通している。例えば、好適な技術は、米国特許第５４３９６６０号、“Ｉｎｏｒｇａｎｉｃ  Ｙｅｌｌｏｗ−Ｒｅｄ  Ｐｉｇｍｅｎｔｓ  Ｗｉｔｈｏｕｔ  Ｔｏｘｉｃ  Ｍｅｔａｌｓ”（Ｍ．Ｊａｎｓｅｎ  ｅｔ  ａｌ．，Ｎａｔｕｒｅ，Ｖｏｌ．４０４，４／２７／２０００，ｐｐ．９８０−９８２）、及び“Ｒｅｃｅｎｔ  Ｐｒｏｇｒｅｓｓ  ｏｆ  Ｖｉｓｉｂｌｅ−Ｌｉｇｈｔ−Ｄｒｉｖｅｎ  Ｈｅｔｅｒｏｇｅｎｅｏｕｓ  Ｐｈｏｔｏｃａｔａｌｙｓｔｓ  ｆｏｒ  Ｏｖｅｒａｌｌ  Ｗａｔｅｒ  Ｓｐｌｉｔｔｉｎｇ”（Ｄ．Ｙａｍａｓｈｉｔａ  ｅｔ  ａｌ．，Ｓｏｌｉｄ  Ｓｔａｔｅ  Ｉｏｎｉｃｓ，１７２（２００４），５９１−５９５）に記載されている。これらの文献のそれぞれの開示内容は援用によって本明細書の内容の一部をなす。通例、合成は固相で実施される。例えば、酸化ランタニドを酸化タンタル及び／又は酸化ニオブと乾式混合し、次いで適当な反応器内においてアンモニアのような含窒素ガスの流れの下で加熱することができる。かかる方法に基づく多くの変更例が使用可能である。
【００２３】
光電解槽用の対電極は、各種の常用金属材料（例えば、純金属、金属酸化物又は合金）で形成できる。これらの一部は、米国特許第４４６６８６９号（Ａｙｅｒｓ）（その開示内容は援用によって本明細書の内容の一部をなす）及び様々な光分解法に関する他の参考文献に記載される。好適な対電極材料の非限定的な例には、鉄、コバルト、ニッケル、ロジウム、ルテニウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、白金及びこれらの様々な組合せのような第VIII族金属がある。ある特定の実施形態では、対電極材料はニッケル、白金、パラジウム又はこれらの組合せからなる。対電極用の特定材料の選択は、一部では、光電極に関して上述したパラメーターの多くに依存する。
【００２４】
大抵の実施形態では、電解槽用の光電極はｎ型材料からなる陽極である。（かかる場合には、光電極の位置で光酸化が起こり、酸素が生成する。）。しかし、別法として、本明細書に記載した光電極材料はｐ型陰極材料を形成するためにも使用できることを理解すべきである。（当業者には明らかであろうが、各種の公知ドーピング技術を用いて電極材料の導電特性が決定される。）。かかる場合にも、光電解槽の動作原理は一般的には同一であるが、電流は図１（下記に詳述する）の図示に比べて反対の方向に流れるであろう。このような代替実施形態では、光電極の位置で光還元が起こり、水素が生成する。その結果、対電極が陽極（即ち、光酸化が起こって酸素が生成される場所）として機能する。
【００２５】
かかる光電解槽では通常の電解質が使用できる。通常、電解質は液体であって、酸性でも、塩基性でも、中性でもよい。電解質は、大抵は水溶液又は他の種類の極性溶媒（例えば、メタノール、エタノールなど）からなる。ある好ましい実施形態では、電解質は塩基性であり、約７を超えるｐＨを有する溶液を与えるための化合物（例えば、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化カルシウム、硫酸ナトリウム又はこれらのいずれかを含む組合せ）を含んでいる。当業者には明らかであろうが、電解質は他の常用成分も含んでいてもよい。ある実施形態では、電解質組成物は光電極又は対電極に対して実質的に反応性をもたないものであるので、不要の副反応は防止できる。また、電解質は槽の運転中に電極上への顕著な「プレートアウト」を示す成分を含まないことも通常好ましい。
【００２６】
図１は、本発明の一実施形態に係る光電解装置の構造を示す概略断面図である。槽１０は、光電極１２（この場合は陽極）と対電極１４（この場合は陰極として機能する）を含んでいる。両電極は電解質１６中に浸漬されており、電解質１６自体は任意適宜の容器１８内に収容される。光電極１２は、前述した所望のバンドギャップ値で可視光（「ｈν」）を吸収できる。ある実施形態では、対電極は透明であり、やはり可視光を吸収できる。
【００２７】
導線２０及び２２は、光電極及び対電極から通常の電気負荷２４への接続をもたらす。当業者には明らかであろうが、電気回路にスイッチ（図示せず）を組み込むこともできる。回路が閉じている場合、光電極（陽極）の位置で起こる主反応は次式のように酸素を生成する。
【００２８】
Ｈ２Ｏ＋２ｈ＋  →  ２Ｈ＋＋1/2（Ｏ２）            （Ｉ）
対電極（陰極）の位置で起こる主反応は次式のように水素を生成する。
【００２９】
２Ｈ＋＋２ｅ−  →  Ｈ２                        （II）
式中、正孔は「ｈ＋」として示され、電子は「ｅ−」として示される。当業者には明らかであろうが（例えば、Ｎｏｚｉｋの特許を参照されたい）、反応（Ｉ）及び（II）は水性電解質中で同時に起こる。入射光（放射）は、通常は「ｈν」として記載される（図１参照）。ここで、「ｈ」はプランク定数（６．６２×１０−２７ｅｒｇ・ｓｅｃ）であり、「ν」は放射の周波数（ｓｅｃ−１単位）である。電子−正孔対を生成するためには、入射する放射ｈνはバンドギャップエネルギーＥｇ以上でなければならない。本発明の実施形態では、前述のような特定の光電極の使用はこのバンドギャップエネルギー要件を満たすので、太陽輻射の変換効率をかなり高めることができる。
【００３０】
当業者には自明であろうが、光電解槽１０のデザインについて多くの変更例が可能である。代替デザインは、本明細書で言及された特許の一部を始めとする様々な参考文献に記載されている。本明細書に記載した光電極を使用すれば、これらの他のタイプの槽の様々な側面を顕著に向上させることが期待される。さらに、文献に記載された各タイプの光電解槽は、本明細書に明確に述べられていない各種の特徴を備えていることもある。したがって、かかる特徴を備えた光電解槽も本発明の技術的範囲の一部をなすと考えられる。
【００３１】
光電解槽１０で生成した水素ガスの捕集及び貯蔵は、通常の技術（例えば、上記に引用された米国特許第４０９０９３３号を参照されたい）で容易に実施される。例えば、加圧可能なタンク（図示せず）の使用により、通例は生成されるそばから気泡となって電解質から発生するガスを貯蔵することができる。（多くの場合、槽内で生成した後のガスは乾燥され圧縮される。）。さらに、水素を各種の金属に吸収させることにより、例えば可逆的に分解可能な金属水素化物又は他の化合物を形成できる。当業者であれば、所定の状況に最も適した貯蔵系を決定することができよう。槽内で生成される他のガス（例えば、酸素）を捕集し貯蔵するための方法も当技術分野で公知である。
【００３２】
かくして、本明細書に記載された光電解槽が各種の重要な目的を達成するために使用できることは自明なはずである。例えば、かかる槽は水素及び酸素の両方を生成し得る。両ガスは様々な用途に非常に有用である。さらに、かかる槽は太陽輻射を電気エネルギーに効率的に変換できる。
【００３３】
特に興味深いある実施形態は水素の生成に関する。光電解槽で生成した水素は、このガスを必要とする任意の用途で使用できる。その非限定的な例には、燃料電池、内燃機関、水素燃料に頼るタービン又は他のタイプのエンジン、及び水素を必要とする化学プロセス（例えば、水素化システム）がある。当業者は、水素ガスを使用するシステム及びプロセスの設計に精通している。
【００３４】
以上、多くの実施形態を本明細書に記載してきた。しかし、当業者には本発明のさらなる変更及び修正が自明であろうが、これらは本発明の技術的範囲内にあるとみなすべきである。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明のある実施形態に係る光電解装置を示す概略断面図である。
【符号の説明】
【００３６】
１０  光電解槽
１２  光電極
１４  対電極
１６  電解質
２４  電気負荷
【図１】
0005306606.tif 000002