[发明专利]光催化剂、氢生成装置及能量系统

说明书

技术领域

本发明涉及铌氮化物及其制造方法、含铌氮化物膜及其制造方法、以及半导体、半导体装置、适合于水的分解反应的光催化剂、具备该光催化剂的氢生成装置、具备该氢生成装置的能量系统。

背景技术

以往，通过向作为光催化剂发挥功能的半导体材料照射光，对水进行分解而提取氢和氧。

例如，在专利文献1中公开了一种在电解液中配置n型半导体电极和对置电极，通过向n型半导体电极的表面照射光而从两电极的表面提取氢及氧的方法。记载有使用TiO₂电极、ZnO电极等作为n型半导体电极的内容。

在专利文献2中公开了一种具有相互连接的金属极及氮化物半导体极，并将两电极设置在溶剂中而成的气体发生装置，并记载了氮化物半导体极使用铟、镓、铝等13族系元素的氮化物的内容。

在这样的以往的半导体电极中，存在基于太阳光照射的水的分解反应中的氢生成效率低这样的问题。这是因为，TiO₂、ZnO等半导体材料能够吸收的光的波长较短，仅能吸收大致400nm以下的波长的光，因此可利用的光占据全部太阳光的比例在TiO₂的情况下为约4.7％，非常少。而且，当考虑到原理性的热损失引起的损失时，该太阳光的利用效率成为被吸收的光中的约1.7％左右。

作为能够吸收更长波长的可见光的半导体材料，在专利文献3中公开了一种由斜方晶系氮化钽构成的光催化剂，并报告了氮化钽：Ta₃N₅能够吸收波长600nm以下的光的内容。即便如此，全部太阳光中的600nm以下的波长的光占据的比例为约16％左右。而且当考虑理论热损失时，利用效率只不过为约6％。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开昭51-123779号公报

专利文献2：日本特开2003-24764号公报

专利文献3：日本特开2002-233769号公报

发明内容

发明要解决的课题

为了通过向半导体材料照射光来对水进行分解，需要使半导体材料具有的能带边缘(价带和导带的能级)夹着水的氧化还原电位(氢发生能级和氧发生能级)。因此，实用上可利用的水分解用的半导体材料要求的必要的条件是：能够吸收的光的波长区域长(带隙小)，且能带边缘夹着水的氧化还原电位，且在光照射下的水中稳定。然而，到目前为止还未发现满足这些全部的必要条件的半导体材料。

因此，本发明目的在于提供一种能够吸收的光的波长区域长(带隙小)、且能带边缘夹着水的氧化还原电位、且在光照射下的水中具有高稳定性的能作为半导体材料利用的物质。

用于解决课题的手段

本发明提供一种具有由组成式Nb₃N₅表示的组成且构成元素Nb的价数实质上为+5价的铌氮化物。

发明效果

本发明的铌氮化物是新的物质，能够作为能吸收的光的波长区域长(带隙小)、且能带边缘夹着水的氧化还原电位、且在光照射下的水中具有高稳定性的半导体材料利用。

附图说明

图1是表示本发明的铌氮化物和以往的半导体材料的能量能级的概念图。

图2是在本发明的实施方式1的铌氮化物的制造方法中，作为初始原料的一例的五(二甲氨基)铌的TG-DTA(Thermogravimetry-Differential Thermal Analysis)数据。

图3是表示用于实施本发明的实施方式1的铌氮化物的制造方法的装置的一例的概略图。

图4是说明本发明的实施方式2的Nb₃N₅的制造方法中的Nb₃N₅的合成机理的图。

图5是表示用于实施本发明的实施方式3的含铌氮化物膜的制造方法的装置的一例的概略图。

图6是说明本发明的实施方式4的含Nb₃N₅膜的制造方法中的含Nb₃N₅膜的合成机理的图。

图7是Nb₃N₅的状态密度分布图。

图8是表示本发明的实施方式6的氢生成装置的一例的概略图。

图9是表示本发明的实施方式6的氢生成装置的另一例的概略剖视图。

图10是表示本发明的实施方式6的氢生成装置的又一例的概略剖视图。