光半导体及其制造方法、以及光半导体设备、光触媒、氢生成设备和能量系统技术方案

本发明专利技术提供一种光半导体及其制造方法、以及光半导体设备、光触媒、氢生成设备和能量系统。本发明专利技术的光半导体的制造方法包括：混合工序，制作包含铌化合物和还原防止剂的混合物，该铌化合物至少在组成中含有氧；氮化工序，使所述混合物与氮化合物气体进行反应，从而使所述混合物氮化；和洗净工序，从通过所述氮化工序得到的试样中，利用洗净液溶解铌氮氧化物以外的化学种，分离出铌氮氧化物。本发明专利技术的光半导体实质上由铌氮氧化物构成，该铌氮氧化物具有斜锆石型结晶构造、且具有由组成式NbON表示的组成。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及光半导体及其制造方法、光半导体设备、光触媒、具备该光触媒的氢生成设备、具备该氢生成设备的能量系统。
技术介绍
通过对光半导体照射光，会在该光半导体中产生电子-空穴对。光半导体有希望应用于取出在该电子-空穴对再结合时产生的光的LED及激光器、将所述对在空间上分离从而将光电动势作为电能取出的太阳能电池、或者根据水和太阳光直接制造氢的光触媒等的用途。作为吸收或者放出的光为紫外 可见光频带的光半导体的一组，存在氮化物及氮氧化物。作为例子，列举出钽、钛、铝、镓及铟等的氮化物及氮氧化物。但是，将铌的氮氧化物用作光半导体的这种报告，不是现在的事情。以下，表示已经报告的铌氮氧化物的合成方法和物性方面的特征。 作为铌氮氧化物的制造方法，已知将氯氧化铌等作为原料的方法、以及在氨环境气中对五氧化铌进行烧成的方法等(例如，参照非专利文献I及2、专利文献I)。非专利文献I中公开了将氯氧化铌或者五氯化铌作为铌源进行合成的铌氮氧化物及其合成方法。在将氯氧化铌作为初始原料的情况下，使氯氧化铌(NbOCl3)和液体氨进行反应。在使其反应而得到的试样中，作为副生成物混合存在氯化铵(nh4ci)。因此，为了使氯化铵升华而从试样中除去，在真空下以653K对得到的试样进行加热。加热后的试样进一步以773K进行长时间烧成。由此，得到黑色的铌氮氧化物(NbON)。在将五氯化铌作为初始原料的情况下，首先，使五氯化铌(NbCl5)和氯化氮(ClN3)进行反应，得到四氯化叠氮化铌(NbCl4N3)。对得到的四氯化叠氮化铌进行加水分解，形成氯氧化叠氮化铌(NbOCl2N3)。以773K使其热分解，从而得到铌氮氧化物(NbON)。在非专利文献I中，通过X线结晶构造解析，示出由上述方法得到的铌氮氧化物具有斜错石(baddeleyite)型的结晶构造,其以NbON的组成式表示。在非专利文献2及专利文献I中，公开了将五氯化铌作为铌源、通过氨气气流环境气下的加热处理而合成出的铌氮氧化物及其合成方法。将氯化铌(NbCl5)作为金属盐原料。在由甘醇(HOCH2CH2OH)、柠檬酸(H00CCH2C(0H) (COOH) CH2COOH)、甲醇(CH3OH)组成的溶液中对其搅拌溶解。之后，在空气环境气下一边将该溶液加热至423K—边搅拌。由此，在羟基羧酸的羧基与乙二醇的羟基之间引起脱水酯化反应，得到聚酯化的聚酯高分子凝胶。之后，在0. IL/分的氮气流环境气下，进行773K、3小时的加热处理。然后，在0. 5L/分的氨气气流环境气下，进行1023KU0小时的加热处理，得到铌氮氧化物(Nb-O-N)。该Nb-O-N是五氧化铌(Nb2O5)和氮化铌(NbN)的混合物，由非专利文献2中公开的X线衍射图表示。先行技術文献专利文献专利文献IJP特开2009-208070号公报非专利文献非专利文献I Zeitschrift fur anorganische und allgemeine Chemie, 429,261-269(1977)非专利文献2Journal of The Electrochemical Society, 156 (7)B811-B815(2009)
技术实现思路
专利技术要解决的问题在非专利文献I中，明示了针对所得到的铌氮氧化物检测斜锆石型结晶构造的NbON相。但是，在通过非专利文献I公开的方法所合成的试样中，除了斜锆石型结晶构造的 NbON相以外，认为还残留副生成物和杂质。作为其一个证据，列举出与NbON的带隙有关的叙述。在以下的表I中，表示具有与NbON相同的结晶构造的钽氮氧化物(TaON)的带隙实测值、通过第一原理能带计算所算出的TaON及NbON的带隙推算值、以及根据这些值推测出的NbON的带隙的真值。在此，第一原理能带计算是基于密度泛函数理论利用PAW(ProjectorAugmented Wave)法进行的。在本计算中，在表现电子间的相互作用即交互相关项的电子密度的描述中，利用了 GGA-PBE (基于Perdew-Burke-Emzerhof等的表达式的GeneralizedGradient Approximation (广义密度梯度修正))泛函数。其结果,推测出NbON的带隙的真值为2. OeV左右。但是，在非专利文献I中，记载了所得到的铌氮氧化物为黑色。这意味着所得到的试样的带隙值为I. 5eV以下。即给出了如下启示在非专利文献I公开的铌氮氧化物中，除了包含斜锆石型结晶构造的NbON相以外，还包含与NbON(Nb的价数为+5价)相比铌被还原的化学种等的杂质、副生成物。表I 基于第一原理的能带隙的实测值~I推测出的带隙的 带计算得到的带隙 [e V]真值 的推算值[eV]__[eV]___ TaON1.9__15__-_ NbON 1.5_ -_ 2.0_此外，在非专利文献I所公开的铌氮氧化物的制造方法中，在合成过程中经历了铌的叠氮化物盐即四氯化叠氮化铌。一般，由于重金属的叠氮化物盐表示爆炸性，因此是难以处理的危险物。因此，在非专利文献I的合成过程的难度非常高，存在为了避免爆炸仅能够合成出极微量的铌氮氧化物的缺点。再者，非专利文献I中没有公开具有斜锆石型结晶构造且以组成式NbON表示的材料能够用作光半导体。通过非专利文献2及专利文献I所公开的方法合成出的铌氮氧化物是被氮化的NbN相和没被氮化的Nb2O5相混合存在的物质，不是具有斜锆石型结晶构造的铌氮氧化物。这是因为如专利文献I中公开的那样，在氨气环境气下的氮化反应中，氨不仅作为氮化剂还作为还原剂发挥作用。在该氨作为还原剂的作用中，将初始原料时刻价数为+5价的铌源还原至+3价。其结果，仅选择性地合成出了作为导电体的NbN。由此，在非专利文献2及专利文献I所公开的铌氮氧化物的合成方法中，无法合成出具有斜锆石型结晶构造的铌氮氧化物，得不到适合于光半导体的材料。因此，本专利技术鉴于上述现有技术中的问题，提供一种能够安全、简便、廉价且大量地供给铌氮氧化物的制造方法，从而提供一种能够更有效地利用长波长波段的光。再有，本专利技术的目的还在于利用这种光半导体提供光半导体设备、光触媒、氢生成设备及能量系统。本专利技术实质上提供一种由铌氮氧化物构成的光半导体，该铌氮氧化物包含具有斜错石型结晶构造且由组成式NbON表示的组成。此外，本专利技术提供一种光半导体的制造方法，其包括混合工序，制作包含铌化合物和还原防止剂的混合物，该铌化合物至少在组成中含有氧；氮化工序，使所述混合物与氮 化合物气体进行反应，从而使所述混合物氮化；和洗净工序，从通过所述氮化工序得到的试样中，利用洗净液溶解铌氮氧化物以外的化学种，分离出铌氮氧化物。此外，本专利技术提供一种具备上述本专利技术的光半导体的光半导体设备。此外，本专利技术还提供一种光触媒，该光触媒由上述本专利技术的光半导体构成，并且该光半导体由NbON的单相构成。此外，本专利技术还提供一种氢生成装置，其具备上述本专利技术的光触媒；电解液，其与所述光触媒接触，且含有水；和壳体，其收容所述光触媒和所述电解液，通过向所述光触媒照射光，所述水被分解从而产生氢。此外，本专利技术提供一种能量系统，其具备上述本专利技术的氢生成设备；燃料电池；和管线，将由所述氢生成设备所生成的氢供给至所述燃料电池。专利技术的效果本专利技术的光半导本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2010.12.28 JP 2010-2929991.ー种光半导体，其实质上由铌氮氧化物构成，该铌氮氧化物具有斜锆石型结晶构造、且具有由组成式NbON表示的组成。2.根据权利要求I所述的光半导体,其中， 所述光半导体由NbON的单相构成。3.一种光半导体的制造方法，其包括 混合エ序，制作包含铌化合物和还原防止剂的混合物，该铌化合物至少在组成中含有氧； 氮化工序，使所述混合物与氮化合物气体进行反应，从而使所述混合物氮化；和洗净エ序，从通过所述氮化工序得到的试样中，利用洗浄液溶解铌氮氧化物以外的化学种，分离出铌氮氧化物。4.根据权利要求3所述的光半导体的制造方法，其中， 还原防止剂是包含从由锡、钛、铟及锗构成的组中选择出的至少任意ー个元素的化合物。5.根据权利要求3所述的光半导体的制造方法，其中， 在将所述铌化合物与所述还原防止剂的混合比定义为X=(还原防止剂中的金属或者金属离子的物质量)パ铌化合物中的铌的物质量))吋，X满足I彡X彡...

【专利技术属性】
技术研发人员：铃木孝浩，野村幸生，田村聪，羽藤一仁，谷口升，德弘宪一，宫田伸弘，
申请(专利权)人：松下电器产业株式会社，
类型：发明
国别省市：