National Institute of Advanced Industrial Science and Technology [Chairman: Ryoji Chubachi] (hereinafter referred to as ``AIST'') Energy Technology Research Division [Research Director: Haruhiko Obara] Kazuhiro Sayama, Principal Researcher (Concurrently) Research Group Leader of the Solar Energy Conversion Group, Kojiro Fuku, Researcher of the same group, and others have developed porous tungsten oxide (WO)3) 等半导体光电极，我们开发了一种利用太阳能分解水并在生产氢气的同时高效生产各种高附加值化学品的技术（图1）。
作为化学试剂过硫酸是啊次氯酸盐，过氧化氢、高碘酸四价盐铈可以产生氧化剂，例如盐。在将太阳能转化并储存为氢和过硫酸等化学能的反应中，几乎 100%选择性可以转化为过硫酸，非常昂贵太阳能转换效率（ABPE效率=22%）。 This technology enables the simultaneous production of hydrogen energy and a variety of useful chemicals while significantly reducing the electrolysis voltage for water electrolysis by using solar energy, and is expected to lead to the practical application of new, highly economical processes in the future
Details of this technology will be presented at the 82nd Annual Conference of the Electrochemical Society to be held at Yokohama National University (Yokohama City, Kanagawa Prefecture) from March 15th to 17th, 2015
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| 图1利用太阳光和光电极生产高附加值氧化剂和氢气 |
为了建设可持续发展的社会，有效利用可再生能源至关重要，其中最重要的是太阳能的利用。像植物的光合作用一样将太阳能直接转化为化学能并储存起来的人工光合作用技术近年来引起了人们的关注，并且正在积极研究利用阳光从水和二氧化碳中合成氧气和有机物质，以及利用氧化物光催化剂粉末和光电极从水中合成氢气和氧气（太阳能制氢）。如果能够开发出像太阳能电池一样高效、像植物种植一样简单廉价的太阳能制氢系统，有望为实现氢社会和解决能源问题做出重大贡献。然而，光催化剂和光电极将太阳光能转化为氢能等的效率仍然较低，人们一直希望开发一种高性能和经济效率的系统。
此外，大量的化石燃料能源被用来制造各种化学品，节约能源和二氧化碳（CO2) 冻结是一个非常重要的问题（图 2）。在大多数情况下，化学品的生产涉及氧化还原反应。如果能够实现利用太阳能的高效率、低电压的光电化学制造工艺，则有望显着节能和降低成本，这将是建设可再生能源社会的重大突破，但目前几乎没有这样的研究实例。
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| 图 2 (a) 有用化学品制造的现状和 (b) 未来前景 |
AIST has been conducting research on water-splitting hydrogen production using porous photoelectrodes using various oxide semiconductors, and in 2012 achieved the world's highest solar energy conversion efficiency (ABPE efficiency = 135%) for water-splitting hydrogen production using oxide semiconductor photoelectrodes2012 年 3 月 12 日 AIST 新闻稿）。如果可以进行氧化还原水平明显高于氧气生成水平的化学反应，则能量损失将减少，并且太阳能转化为氢气和氧化产物的效率有望提高。然而，虽然还原侧制氢受到关注，但氧化侧反应关注较少，氧化侧高效生产高附加值产品的研究实例很少，性能较低。
这项研究是在经济产业省的日美能源和环境技术研究和标准化合作项目（日美能源和环境技术研究合作）（2010-2010财年）的支持下进行的。
这次，我们将含有钨酸盐离子的溶液应用于导电玻璃旋涂我们使用通过简单的沉积和烘烤方法沉积的多孔氧化钨薄膜制造了半导体光电极。通过增加膜厚度和提高光吸收效率，同时有效利用光散射，我们能够在生产氢气的同时高效生产各种高附加值氧化剂（图1和图3）。在光电极和对电极之间放置离子交换膜以防止逆反应。作为氧化剂，硫酸水溶液（HSO4-) 至过硫酸 (S2O82-)，来自食盐 (NaCl) 水溶液的次氯酸盐 (ClO-)，来自碳酸盐水溶液的过氧化氢(H2O2)，碘酸盐 (IO3-的水溶液）4-)，三价铈盐 (Ce3+)，来自含有四价铈盐 (Ce4+)等的水溶液。 S2O82-,二氧化氯-,H2O2，获得了迄今为止报告的最高性能。还有IO4-和 Ce4+该形成是一个全新的反应。所有这些反应均大于氧气生成的氧化还原水平 (123 V (RHE))，这导致了太阳能的有效利用。特别是在硫酸水溶液中生产过硫酸时，没有观察到氧气析出，氧化产物对过硫酸的选择性接近100％。通常，传统金属电极理论上需要21 V或更高的电压才能进行该电化学反应，但使用光电极，即使在06 V的电压下也可以进行反应（图4）。光电极的性能指标太阳能转换效率（ABPE效率）为22%，在施加辅助电压的同时将太阳能转换并储存为氢气和过硫酸的化学能。这个数字是最高效率，大约是之前报告值的 16 倍。当使用铂电极代替光电极进行氧化反应时，即使施加2至3V的电压也几乎不产生过硫酸，并且仅产生氧气，这证明了该半导体光电极优异的选择性。推测其中涉及特定机制，即具有强氧化能力的空穴直接在半导体上发生反应，如图3所示。
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| Figure 3 Reaction mechanism for producing useful chemicals using photoelectrodes |
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| 图 4 WO3Current-voltage characteristics of hydrogen and persulfuric acid production using photoelectrode (under simulated sunlight irradiation) |
次氯酸盐也是一种有用的氧化剂，用途广泛，特别是用作漂白剂和饮用水消毒剂。 WO3使用半导体光电极，可以在11V或更低的低电压下从盐水中产生次氯酸根离子。此外，WO3更广泛地利用太阳能。4）在低电压下产生。相对于所施加电流的产物选择性约为46%。目前，次氯酸盐是通过使用巨大电能（电解电压为14V或更高）的直接或间接盐水电解来大量生产的。如果我们可以使用光电极和太阳能在较低电压下更有效地生产次氯酸，我们可以预期显着节省能源。
此外，这些WO3和 BiVO4我们还发现，当在光电极上使用碳酸盐水溶液时，可以通过氧化水来产生过氧化氢。产物相对于施加电流的选择性达到49%。过氧化氢还具有很强的氧化力，并且由于使用后的唯一产物是水，因此它被用作高度通用且清洁的氧化剂。双氧水主要采用蒽醌法生产，但存在生产工艺复杂、使用大量有机溶剂等诸多问题。另外，一个新颖的反应，IO4-和 Ce4+生产的产品选择性为WO3光电极上分别约为 50% 和 40% 至 50%。
利用其强氧化能力，生产的各种氧化剂可用于有机污染物净化、废水处理、漂白、灭菌、消毒、清洁和选择性有机转化等各个领域。通过在单独的位置分解水溶液中存在的氧化剂可以产生高纯度的氧气，并且纯氧气的集中收集变得更容易。此外，氧化剂在使用后会返回其原始原料。该系统由取之不尽用之不竭的太阳能提供动力，可以在清洁的水溶剂中生产和储存氢能和有用的化学品，是一项划时代的成就，展示了创新和有效利用太阳能的未来潜力。
为了提高光电极的太阳能转换效率，需要增大光电流、提高选择性、降低辅助电源电压。这次是WO3和 BiVO4我们已经确认可以使用氧化物和非氧化物半导体等光电极生产高附加值化学品，这些光电极有望比半导体更广泛地利用太阳光，目前我们正在考虑提高其性能的方法。
In addition, we are also considering an integrated independent system using inexpensive organic solar cells as an auxiliary power source for the photoelectrodeWe are working to improve and optimize the efficiency of the entire system, and are conducting research to realize lower-cost hydrogen production and energy-saving drinking water purification systems than simple solar cell-water electrolysis