Research Abstract
動作中自己再生機能による高安定・耐光腐食性・低バイアス動作の水分解用光アノード
Ultrastable low-bias water splitting photoanodes via photocorrosion inhibition and in situ catalyst regeneration
2016年12月19日 Nature Energy 2 : 16191 doi: 10.1038/nenergy.2016.191
光電気化学（PEC）による水分解は、分散型の太陽光水素製造技術のひとつである。しかし、安定で対費用効率が高い光アノードがまだ作られていないことが、実用化への障害となっている現状である。本論文ではMoでドープしたBiVO4微粒子を用いて、水の酸化分解用光アノードを複雑で高価な表面改質なしに作製し、太陽電池に匹敵する安定性を持たせ得ることを示す。この光アノードでは、素材に内在的に光腐食耐性を持たせ、かつ、酸素生成助触媒の自己生成と自己再生の機能を与えて、可逆水素電極に対して0.4 V という低い電位で1,000時間以上の安定した酸素生成が可能になった。通常を超える高温処理により耐光腐食性と電荷分離の大幅な改善が実現した。動作中の触媒再生は、酸素生成速度の変化によって生じる反応サイトに特異的な過程であることが示された。今回の知見は、PEC水分解が他の太陽光水素製造法と競合できる可能性を示しており、実用可能なPEC水分解システム開発の新たな方向性をもたらすものである。
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Photoelectrochemical (PEC) water splitting offers a means for distributed solar hydrogen production. However, the lack of stable and cost-effective photoanodes remains a bottleneck that hampers their practical applications. Here we show that particulate Mo-doped BiVO4 water oxidation photoanodes, without costly and complex surface modifications, can possess comparable stability to that of solar cells. The photoanode exhibits enhanced intrinsic photocorrosion inhibition and self-generation and regeneration of oxygen evolution catalysts, which allows stable oxygen evolution for >1,000 h at potentials as low as 0.4 V versus the reversible hydrogen electrode. The significantly improved photocorrosion resistance and charge separation are attributed to the unusual high-temperature treatment. In situ catalyst regeneration is found to be a site-specific and oxygen evolution rate change-induced process. Our findings indicate the potential of PEC water splitting to compete with other solar hydrogen production solutions, and should open new opportunities for the development of feasible PEC water splitting systems.
