JP2005325417A - Diamond electrode and production method therefor - Google Patents

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JP2005325417A JP2004144963A JP2004144963A JP2005325417A JP 2005325417 A JP2005325417 A JP 2005325417A JP 2004144963 A JP2004144963 A JP 2004144963A JP 2004144963 A JP2004144963 A JP 2004144963A JP 2005325417 A JP2005325417 A JP 2005325417A
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Katsuto Yoshida
克仁 吉田
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To inexpensively provide a diamond electrode having high reliability and suitable for an electrode for electrolyzing substance in an aqueous solution. <P>SOLUTION: A diamond polycrystal body composed of electrically conductive diamond particles 1 and an insulating protective phase 2 composed of any one kind selected from among silicon carbide, silicon oxide, silicon nitride, aluminum oxide, aluminum nitride and resin is joined to at least one face of an electrically conductive substrate 4 with an electrically conductive brazing filler metal 3, so that a diamond electrode can be obtained. The thickness of the diamond polycrystal body is controlled to the average particle diameter in the particle size distribution of the raw material diamond particles or smaller, and it is preferable that the area of 50 to 95% of the surface of the diamond polycrystal body is occupied by the surface of electrically conductive diamond. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、溶液中の物質を電気分解したり、検出したり、あるいは溶液中に物質を生成する等の電気化学反応を利用した処理を行うために用いられるダイヤモンド電極に関するものであって、導電性ダイヤモンドのもつ広い電位窓を利用した高機能の電極を安価に提案するものである。   The present invention relates to a diamond electrode used for performing a process utilizing an electrochemical reaction such as electrolysis, detection of a substance in a solution, or generation of a substance in a solution. We propose a high-performance electrode that uses the wide potential window of conductive diamond at low cost.

水に2つの電極を入れ、電極間に電位を加えると、負極側からは水素、陽極側からは酸素が発生し、水の電気分解が起こる。この時、各々の極から水素或いは酸素が発生するために必要な電位の差は、電位窓と呼ばれ、電極材料によって異なることが知られている。電位窓が広い電極は、水が電気分解するための電位が高いので、高い電圧を印加しなければ、水の電気分解が起こらない。   When two electrodes are put in water and a potential is applied between the electrodes, hydrogen is generated from the negative electrode side, oxygen is generated from the anode side, and water electrolysis occurs. At this time, the difference in potential necessary for generating hydrogen or oxygen from each electrode is called a potential window and is known to vary depending on the electrode material. Since an electrode having a wide potential window has a high potential for electrolyzing water, electrolysis of water does not occur unless a high voltage is applied.

溶液の中に様々な物質が溶け込んでいる場合、溶液に電極を入れて電位を与えると、各物質は固有の電圧で分解をする。電位窓が広い電極を用いれば、溶液に印加できる電圧が大きいので、多くの物質を分解することができる。ダイヤモンドは、極めて広い電位窓を有することが知られている。このため、ダイヤモンドを電極として用いて電気分解を行えば、多くの種類の物質を分解することができる。つまり、ダイヤモンドは溶液中の物質の電気分解処理用の電極材料として、分解能力が優れていると期待される。   When various substances are dissolved in the solution, each substance decomposes at a specific voltage when an electric potential is applied by inserting an electrode into the solution. If an electrode having a wide potential window is used, a large voltage can be applied to the solution, so that many substances can be decomposed. Diamond is known to have a very wide potential window. For this reason, if electrolysis is performed using diamond as an electrode, many kinds of substances can be decomposed. That is, diamond is expected to have an excellent decomposing ability as an electrode material for electrolysis treatment of substances in a solution.

また、一般に、溶液の電気分解処理を行うと、電極材料は溶液中に溶け込んだ様々な物質と反応し、電解腐食によって劣化する。例えば、廃水中の溶質を電気分解酸化して除去する場合、処理される溶液が極めて強い腐食作用を有するものであれば陽極材料は、その厳しい化学的環境下で使用される間に徐々に腐蝕され、電極が消耗したり、電極材料が環境中へ流出して環境汚染の原因となるという問題がある。
これに対し、ダイヤモンドは物理的、化学的に極めて安定であるため、ダイヤモンドを電極とすれば、上記のような問題は生じない。
In general, when an electrolysis treatment of a solution is performed, the electrode material reacts with various substances dissolved in the solution and deteriorates due to electrolytic corrosion. For example, when removing solutes from wastewater by electrolytic oxidation, the anode material is gradually corroded during use in its harsh chemical environment if the solution being treated has a very strong corrosive action. However, there is a problem that the electrode is consumed or the electrode material flows into the environment and causes environmental pollution.
On the other hand, since diamond is extremely physically and chemically stable, the above problem does not occur when diamond is used as an electrode.

そこで、近年、ホウ素等の不純物を添加することによって導電性をもたせたダイヤモンドを溶液の電気化学的な処理を行うための電極として利用する試みが盛んに行われている。このような用途に用いられる電極材料は大面積が必要とされることから、従来の技術では、メタン等の炭素含有ガスを主原料とする化学気相合成(CVD)法によって製造されてきた。CVD法では、ダイヤモンドを合成する際に、通常は基板材料の上にダイヤモンドを膜状に堆積させる。基板材料としては、Si、SiC、Mo等が用いられ、得られるダイヤモンド膜は一般的には多結晶体である。   Therefore, in recent years, attempts have been actively made to use diamond imparted with conductivity by adding impurities such as boron as an electrode for performing an electrochemical treatment of a solution. Since electrode materials used for such applications require a large area, the conventional technology has been manufactured by a chemical vapor synthesis (CVD) method using a carbon-containing gas such as methane as a main raw material. In the CVD method, when diamond is synthesized, diamond is usually deposited in a film on a substrate material. As the substrate material, Si, SiC, Mo or the like is used, and the obtained diamond film is generally polycrystalline.

また、通常ダイヤモンドは絶縁体であるが、原料ガスに若干量のホウ素(B)を含有するガスを導入することによって、合成されるダイヤモンド結晶中にBを添加することができ、その結果、ダイヤモンド膜に導電性を持たせることができる。
不純物を添加することによって導電性を付加されたダイヤモンドは、一般的に利用されている電極材料である白金等と比較して耐食性が高いことや、広い電位窓を有することから、水溶液中の物質を安定的に高い能力で分解することができることがわかっている。
Further, although diamond is usually an insulator, B can be added to the synthesized diamond crystal by introducing a gas containing a slight amount of boron (B) into the raw material gas. The film can be made conductive.
Diamond added with conductivity by adding impurities has higher corrosion resistance than platinum, which is a commonly used electrode material, and has a wide potential window. It is known that can be stably decomposed with high capacity.

特許文献1には、電導性結晶性ドーピング化ダイヤモンドを含む陽極を用いて溶液を電気分解し、これにより溶液中の溶質を酸化処理する方法が記載されている。
ダイヤモンド電極素材に関する従来の技術としては、特許文献2に、電極が半導体ダイヤモンド膜で構成され、この半導体ダイヤモンド膜の表面を化学修飾することにより、ダイヤモンドの特性を制御でき、高効率のダイヤモンド電極が得られることが開示されている。
特許文献3には、ダイヤモンド電極として、ダイヤモンド膜に実質的にピンホールの無いものが示され、ピンホールが生じないようなダイヤモンドの合成方法が記載されている。ダイヤモンド膜にたとえ微小なものであってもピンホールが存在すれば、水溶液の電解中に溶液が基板にまで達し、基板が腐食される。
Patent Document 1 describes a method in which a solution is electrolyzed using an anode containing conductive crystalline doped diamond, thereby oxidizing a solute in the solution.
As a conventional technique relating to a diamond electrode material, Patent Document 2 discloses that an electrode is composed of a semiconductor diamond film, and the surface of the semiconductor diamond film is chemically modified to control the characteristics of diamond. It is disclosed that it can be obtained.
Patent Document 3 discloses a diamond synthesis method in which a diamond film is substantially free of pinholes and does not cause pinholes. Even if the diamond film is minute, if pinholes are present, the solution reaches the substrate during electrolysis of the aqueous solution, and the substrate is corroded.

特許第3442888号公報Japanese Patent No. 3442888 特開平9−13188号公報Japanese Patent Laid-Open No. 9-13188 特開2000−313982号公報JP 2000-313982 A

前記の通り、ダイヤモンドは水溶液中の物質を電気分解するための電極として非常に優れた特性を持つことが分かっているが、一方、産業上、その利用が広がっていないのが現状である。
その理由は、第一に、価格の点で金属電極と比較して極めて高いことが挙げられる。CVD法によるダイヤモンドの合成方法では、成長速度がせいぜい数μm/時間と遅く、電極に必要な膜厚をコーティングするためには、数時間〜数十時間の合成時間が必要となる。従って、CVD法による製造方法では生産性に大幅な改善が見込めない。
As described above, diamond has been found to have very excellent characteristics as an electrode for electrolyzing a substance in an aqueous solution, but on the other hand, its use is not widespread industrially.
The first reason is that it is extremely expensive compared to the metal electrode in terms of cost. In the diamond synthesis method by the CVD method, the growth rate is as low as several μm / hour, and a synthesis time of several hours to several tens of hours is required to coat the electrode with a required film thickness. Therefore, a significant improvement in productivity cannot be expected by the manufacturing method using the CVD method.

第二の理由として、電解中における電極の信頼性の点で未だ不安が解消されていないことである。すなわち、従来のCVD法によってSiやNbやTi等の金属基板上に合成されたダイヤモンド膜では、ダイヤモンド膜と基板との密着力不足によって電解中にダイヤモンド膜が剥離するという問題が生じることがある。このようなダイヤモンド膜の剥離は突発的に生じるものであり、ダイヤモンド電極を組み込んだ電解装置の安定性を大きく損なうものである。   The second reason is that anxiety has not been solved yet in terms of the reliability of the electrode during electrolysis. That is, a diamond film synthesized on a metal substrate such as Si, Nb, or Ti by a conventional CVD method may cause a problem that the diamond film peels off during electrolysis due to insufficient adhesion between the diamond film and the substrate. . Such peeling of the diamond film occurs suddenly and greatly impairs the stability of the electrolytic apparatus incorporating the diamond electrode.

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものである。すなわち、本発明は、水溶液中の物質を電気分解するために用いるダイヤモンド電極に関するものであり、導電性ダイヤモンド粒子を原料として、これを基板に導電性ロウ材で付着させることによって、信頼性の高いダイヤモンド電極を安価に提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above problems. That is, the present invention relates to a diamond electrode used for electrolyzing a substance in an aqueous solution, and has high reliability by using conductive diamond particles as a raw material and adhering it to a substrate with a conductive brazing material. The object is to provide a diamond electrode at low cost.

(1)導電性ダイヤモンド粒子と絶縁保護相とからなるダイヤモンド多結晶体が、導電性ロウ材によって導電性基板の少なくとも一つの面に接合されてなることを特徴とするダイヤモンド電極。
(2)前記ダイヤモンド多結晶体表面のうち、50%以上95%以下の面積を導電性ダイヤモンドの表面が占めることを特徴とする上記(1)に記載のダイヤモンド電極。
(3)前記ダイヤモンド多結晶体の厚みが原料ダイヤモンド粒子の粒度分布の平均粒径以下であることを特徴とする上記(1)、(2)のダイヤモンド電極。
(4)前記ダイヤモンド多結晶体中のダイヤモンド粒子の粒子径が10μm以上1mm以下であることを特徴とする上記(1)〜(3)のダイヤモンド電極。
(5)前記ダイヤモンド多結晶体中のダイヤモンド粒子が10ppm以上のホウ素を含有することを特徴とする上記(1)〜(4)のダイヤモンド電極。
(6)前記ダイヤモンド多結晶体の絶縁保護相を形成する材料が、炭化珪素、酸化珪素、窒化珪素、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、および樹脂、のいずれか一種であることを特徴とする上記(1)〜(5)のダイヤモンド電極。
(7)前記基板がアルミニウム、タンタル、ニオブ、チタン、ハフニウム、ジルコニウム、亜鉛、タングステン、ビスマス、アンチモン、金、白金、黒鉛のうちのいずれか1種であることを特徴とする上記(1)〜(6)のダイヤモンド電極。
(1) A diamond electrode characterized in that a diamond polycrystal composed of conductive diamond particles and an insulating protective phase is bonded to at least one surface of a conductive substrate by a conductive brazing material.
(2) The diamond electrode according to (1), wherein the surface of the conductive diamond occupies an area of 50% to 95% of the surface of the polycrystalline diamond.
(3) The diamond electrode according to (1) or (2) above, wherein the thickness of the polycrystalline diamond is not more than the average particle size of the particle size distribution of the raw diamond particles.
(4) The diamond electrode according to any one of (1) to (3) above, wherein the diamond particles in the polycrystalline diamond have a particle size of 10 μm to 1 mm.
(5) The diamond electrode according to any one of (1) to (4) above, wherein the diamond particles in the polycrystalline diamond contain 10 ppm or more of boron.
(6) The material for forming the insulating protective phase of the polycrystalline diamond is any one of silicon carbide, silicon oxide, silicon nitride, aluminum oxide, aluminum nitride, and resin (1) The diamond electrode of (5)-(5).
(7) The above (1) to (1), wherein the substrate is any one of aluminum, tantalum, niobium, titanium, hafnium, zirconium, zinc, tungsten, bismuth, antimony, gold, platinum, and graphite. (6) Diamond electrode.

(8)導電性ダイヤモンド粒子を絶縁保護相で覆った後に固化させる工程と、固化したダイヤモンド多結晶体を研削もしくは研磨によってダイヤモンド粒子の粒径以下の厚みをもった平板状に加工する工程と、該平板状ダイヤモンド多結晶体と基板とを真空中で導電性ロウ材によって加熱接合する工程からなることを特徴とする上記(1)〜(7)のダイヤモンド電極の製造方法。
(9)前記導電性ダイヤモンド粒子が、気相合成法により合成された多結晶ダイヤモンドを破砕して得られたものであることを特徴とする上記(8)のダイヤモンド電極の製造方法。
(10)前記導電性ダイヤモンド粒子が、超高圧・高温下で合成された粒状単結晶ダイヤモンドであることを特徴とする上記(8)のダイヤモンド電極の製造方法。
(11)前記導電性ダイヤモンド粒子が、超高圧・高温下で鉄、ニッケル、コバルトおよびそれらの合金から選ばれる1種以上の結合材を用いて焼結されたダイヤモンド焼結体から結合材を酸で溶解除去した後、破砕して得られたものであることを特徴とする上記(8)のダイヤモンド電極の製造方法。
(8) a step of solidifying the conductive diamond particles after covering them with an insulating protective phase; a step of processing the solidified diamond polycrystalline body into a flat plate having a thickness equal to or less than the particle size of the diamond particles by grinding or polishing; The method for producing a diamond electrode according to any one of (1) to (7) above, comprising the step of heat-bonding the flat diamond polycrystalline body and the substrate with a conductive brazing material in a vacuum.
(9) The method for producing a diamond electrode according to (8), wherein the conductive diamond particles are obtained by crushing polycrystalline diamond synthesized by a gas phase synthesis method.
(10) The method for producing a diamond electrode according to (8), wherein the conductive diamond particles are granular single crystal diamond synthesized under an ultrahigh pressure and high temperature.
(11) The conductive diamond particles are obtained by acidifying a binder from a diamond sintered body that is sintered using one or more binders selected from iron, nickel, cobalt, and alloys thereof under ultra-high pressure and high temperature. (8) The method for producing a diamond electrode according to (8) above, wherein the diamond electrode is obtained by dissolution and removal after crushing.

導電性ダイヤモンド粒子をロウ材を用いて金属基板に接合する方法で製造された本発明のダイヤモンド電極は、従来のCVD法によって製造されたダイヤモンド電極と比較して、安定性に優れている上、安価に提供できるという効果を奏する。   The diamond electrode of the present invention manufactured by a method of bonding conductive diamond particles to a metal substrate using a brazing material is superior in stability compared to a diamond electrode manufactured by a conventional CVD method. There is an effect that it can be provided at low cost.

本発明のダイヤモンド電極は、導電性ダイヤモンド粒子と絶縁保護相とからなるダイヤモンド多結晶体が導電性ロウ材を用いて導電性基板に接合されていることを特徴としている。導電性基板と導電性ロウ材によって電気的接合したダイヤモンド多結晶体が溶液中の物質を分解する電極として作用するが、ダイヤモンドとしての電極性能を十分に発揮するためには多結晶体表面の50%以上95%以下、好ましくは70%以上95%以下、さらに好ましくは80%以上95%以下の面積がダイヤモンドの面であることが望ましい。   The diamond electrode of the present invention is characterized in that a polycrystalline diamond composed of conductive diamond particles and an insulating protective phase is bonded to a conductive substrate using a conductive brazing material. The diamond polycrystalline body electrically bonded to the conductive substrate and the conductive brazing material acts as an electrode for decomposing the substance in the solution. In order to fully exhibit the electrode performance as diamond, % To 95%, preferably 70% to 95%, more preferably 80% to 95% of the diamond surface.

また、ダイヤモンド電極への給電は導電性基板を通して行うので、導電性基板と電極表面とが電気的に導通されている必要がある。導電性基板と電極表面とが電気的に導通されるためには、導電性ロウ材層とダイヤモンド粒子との間に絶縁体層が存在することを避けなければならない。ダイヤモンド多結晶体層の厚みを研磨等によりダイヤモンド粒子の平均粒径以下にすることにより、導電性ロウ材層と接合されたダイヤモンド粒子の表面の多くが電極表面を形成することができる。したがって、ダイヤモンド多結晶体層の厚みはダイヤモンド粒子の平均粒径以下とすることが望ましい。   In addition, since power is supplied to the diamond electrode through the conductive substrate, the conductive substrate and the electrode surface must be electrically connected. In order for the conductive substrate and the electrode surface to be electrically connected, the presence of an insulator layer between the conductive brazing material layer and the diamond particles must be avoided. By making the thickness of the polycrystalline diamond layer below the average particle diameter of the diamond particles by polishing or the like, most of the surfaces of the diamond particles bonded to the conductive brazing material layer can form the electrode surface. Therefore, it is desirable that the thickness of the diamond polycrystalline layer be equal to or less than the average particle diameter of the diamond particles.

ダイヤモンド粒子の粒子径は小さい方が電極表面の均一性が増すことから、微細な粒子を用いる方が好ましい。しかしながら、ダイヤモンド粒子径が小さすぎると基板と電極表面との電気的導通を図ることが困難になることから、ダイヤモンド粒子の粒子径は10μm以上1mm以下、好ましくは、30μm以上600μm以下、より好ましくは、50μm以上300μm以下であることが望ましい。   The smaller the particle size of the diamond particles, the more uniform the electrode surface, so it is preferable to use fine particles. However, if the diamond particle diameter is too small, it is difficult to achieve electrical continuity between the substrate and the electrode surface. Therefore, the diamond particle diameter is 10 μm or more and 1 mm or less, preferably 30 μm or more and 600 μm or less, more preferably 50 μm or more and 300 μm or less is desirable.

導電性ダイヤモンド粒子をCVD法で合成する場合には、原料ガスにジボラン、ホウ酸、トリメチルボレート等のホウ素を含有するガスを混入することで、ホウ素が添加されたダイヤモンド膜を合成することができ、この膜を破砕することで、ホウ素添加ダイヤモンド粒子を作製することができる。   When conductive diamond particles are synthesized by the CVD method, a boron-added diamond film can be synthesized by mixing a boron-containing gas such as diborane, boric acid, or trimethylborate into the source gas. By crushing this film, boron-added diamond particles can be produced.

超高圧・高温下でダイヤモンド粒子を合成する場合には、粉末状原料黒鉛と粉末状の鉄、ニッケル、コバルト等の溶媒金属を混合したもの、もしくは、板状原料黒鉛と板状溶媒金属を積層したものを、ダイヤモンドが熱力学的に安定な超高圧・高温下で処理することで合成する方法が一般的にとられている。導電性ダイヤモンド粒子を合成する場合には、原料黒鉛粉もしくは溶媒金属粉にホウ素や、硼化鉄、硼化ニッケル等の硼化物粉末を添加する方法がある。いずれの場合もダイヤモンド粒子中には10ppm以上の硼素を含有させることができ、ダイヤモンド粒子に導電性を持たせることができる。   When synthesizing diamond particles under ultra-high pressure and high temperature, a mixture of powdered raw graphite and solvent metal such as powdered iron, nickel, cobalt, etc., or laminating plate raw graphite and plate solvent metal In general, a method of synthesizing these materials by processing them under ultrahigh pressure and high temperature where diamond is thermodynamically stable is generally employed. When synthesizing conductive diamond particles, there is a method of adding boride powder such as boron, iron boride, nickel boride or the like to raw graphite powder or solvent metal powder. In either case, the diamond particles can contain 10 ppm or more of boron, and the diamond particles can be made conductive.

導電性基板へ前記導電性ダイヤモンド粒子を付着させただけでは、導電性ダイヤモンド粒子間の隙間から溶液の浸入が生じ基板もしくはロウ材と溶液とが直接接触するという事態が生じる。この場合、電流の一部は基板もしくはロウ材を通じて溶液に供給されることになり、導電性ダイヤモンドの電解性能を十分に発揮することができない上、ロウ材が腐食されダイヤモンド粒子が脱落するという問題も生じる場合がある。基板もしくはロウ材と溶液との電気的接触を防止するためには導電性ダイヤモンド粒子間の隙間を絶縁性物質で保護することが有効である。   If the conductive diamond particles are simply adhered to the conductive substrate, the solution may enter from the gaps between the conductive diamond particles, and the substrate or brazing material and the solution may be in direct contact with each other. In this case, a part of the current is supplied to the solution through the substrate or the brazing material, so that the electrolysis performance of the conductive diamond cannot be sufficiently exhibited, and the brazing material is corroded and the diamond particles fall off. May also occur. In order to prevent electrical contact between the substrate or brazing material and the solution, it is effective to protect the gaps between the conductive diamond particles with an insulating material.

絶縁性物質としては、ロウ材で基板と加熱接合させることから、ロウ材接合温度以上の融点を持つものであればよい。中でも炭化珪素、酸化珪素、窒化珪素、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、および各種の樹脂顛は容易に入手が可能で安定性に優れているが、ダイヤモンドやロウ材との密着性や安定性の観点から、炭化珪素、酸化珪素、酸化アルミニウムを用いることが望ましい。   Any insulating material may be used as long as it has a melting point equal to or higher than the brazing material bonding temperature because it is heat-bonded to the substrate with the brazing material. Among them, silicon carbide, silicon oxide, silicon nitride, aluminum oxide, aluminum nitride, and various types of resin cages are readily available and excellent in stability, but from the viewpoint of adhesion and stability with diamond and brazing material. It is desirable to use silicon carbide, silicon oxide, or aluminum oxide.

基板は電源からダイヤモンド粒子に電気を供給すると同時にダイヤモンド粒子を保持している。基板材料としては、導電性があり、ダイヤモンド粒子を保持するのに十分な強度をもつ材料であればよい。アルミニウム、タンタル、ニオブ、チタン、ハフニウム、ジルコニウム、亜鉛、タングステン、ビスマス、アンチモンといった金属材料は、陽極で使用する際に、万一、前記の絶縁保護相が破れて、基板と溶液とが電気的に接触したとしても、表面がその酸化物の皮膜で覆われることで不働態化され、腐食の進行を防止することができる。また、金、白金や黒鉛は陽極で使用しても酸化されず非常に安定である。これらの導電性材料の中でも、ロウ材との相性の点からニオブ、チタン、ジルコニウムを使用することが好ましい。   The substrate holds diamond particles while supplying electricity to the diamond particles from a power source. The substrate material may be any material that is conductive and has sufficient strength to hold diamond particles. When using metallic materials such as aluminum, tantalum, niobium, titanium, hafnium, zirconium, zinc, tungsten, bismuth, and antimony, the insulating protective phase should be broken and the substrate and solution become electrically Even if it contacts the surface, it is passivated by covering the surface with the oxide film, and the progress of corrosion can be prevented. Also, gold, platinum and graphite are very stable without being oxidized even when used at the anode. Among these conductive materials, niobium, titanium, and zirconium are preferably used from the viewpoint of compatibility with the brazing material.

本発明のダイヤモンド電極の概念模式図を図1に示した。本発明の形態を図1に従って説明する。図中1は導電性ダイヤモンド粒子を模式的に描いたものであり、粒子は多結晶塊でもよい。導電性ダイヤモンド粒子は表面が露出しており、表面と対向する面はロウ材3によって基板4に接合されている。電流は基板からロウ材とダイヤモンド粒子を経て処理水へと通電される。図中2は絶縁保護相であり、導電性ダイヤモンド粒子間の隙間を埋めており、処理水と基板もしくはロウ材が直接電気的に接触することを防止する。   A schematic diagram of the diamond electrode of the present invention is shown in FIG. An embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In the figure, reference numeral 1 schematically depicts conductive diamond particles, and the particles may be polycrystalline lump. The surface of the conductive diamond particles is exposed, and the surface facing the surface is bonded to the substrate 4 by the brazing material 3. Current is passed from the substrate through the brazing material and diamond particles to the treated water. In the figure, reference numeral 2 denotes an insulating protective phase, which fills the gaps between the conductive diamond particles, and prevents direct contact between the treated water and the substrate or brazing material.

絶縁保護相で保護する方法としては、まず絶縁保護材料が全体を覆う形で導電性ダイヤモンド粒子を絶縁保護相で覆い、絶縁保護相を焼結等の方法で固化させる。絶縁保護相を焼結させる際には、若干量の酸化イットリウム等の焼結助剤を添加して焼結してもよい。 その後、アルミナ砥石やダイヤモンド砥石を用いて研磨することにより、ダイヤモンドに比べて柔らかい絶縁保護材料が優先的に除去されてダイヤモンド面が表面に露出する。   As a method of protecting with the insulating protective phase, first, the conductive diamond particles are covered with the insulating protective phase so that the insulating protective material covers the whole, and the insulating protective phase is solidified by a method such as sintering. When the insulating protective phase is sintered, a slight amount of a sintering aid such as yttrium oxide may be added and sintered. Then, by polishing using an alumina grindstone or a diamond grindstone, the soft insulating protective material is preferentially removed compared to diamond, and the diamond surface is exposed on the surface.

このような方法で絶縁保護相と導電性ダイヤモンド粒子を接合させた場合、図1から分かる通り、導電性ダイヤモンド層の厚みはダイヤモンド粒子の粒径と同じもしくはそれ以下となる。原料として使用するダイヤモンド粒子は必然的に粒度分布をもっているが、絶縁保護相を除去するために研磨加工を施す際に、粒度分布の平均粒径の厚み以下の厚みまで研磨することで多結晶体表面の50%以上の面積を表面に露出させることができる。   When the insulating protective phase and the conductive diamond particles are bonded by such a method, as can be seen from FIG. 1, the thickness of the conductive diamond layer is equal to or less than the particle size of the diamond particles. Diamond particles used as a raw material necessarily have a particle size distribution, but when a polishing process is performed to remove the insulating protective phase, the polycrystalline particles are polished to a thickness equal to or less than the average particle size of the particle size distribution. An area of 50% or more of the surface can be exposed to the surface.

このようにして作製された導電性ダイヤモンド粒子1と絶縁保護相2からなるダイヤモンド多結晶体の板を導電性ロウ材3を用いて基板4へ接合することにより本発明のダイヤモンド電極が作製できる。
なお、導電性ダイヤモンド粒子1と絶縁保護相2とからなるダイヤモンド多結晶体の板を導電性ロウ材3を用いて基板4へ接合した後に、アルミナ砥石やダイヤモンド砥石を用いて研磨しても、同じ形態のダイヤモンド電極が作製できる。
The diamond electrode of the present invention can be manufactured by bonding the diamond polycrystalline plate made of the conductive diamond particles 1 and the insulating protective phase 2 thus manufactured to the substrate 4 using the conductive brazing material 3.
In addition, after joining the plate of the diamond polycrystal body composed of the conductive diamond particles 1 and the insulating protective phase 2 to the substrate 4 using the conductive brazing material 3, polishing with an alumina grindstone or a diamond grindstone, The same form of diamond electrode can be produced.

次に本発明の詳細を実施例により詳細に説明するが本発明はこれらの実施例によって具体化したものに限定されるものではない。   EXAMPLES Next, although the detail of this invention is demonstrated in detail by an Example, this invention is not limited to what was actualized by these Examples.

[実施例1]
導電性ダイヤモンド粒子として、超高圧・高温下で合成された粒度分布の平均粒径が表1に示された数値を有する硼素添加ダイヤモンド粒子を使用し、絶縁保護相の材料として、表1に示した絶縁性材料を使用した。絶縁性材料の原料としては数ミクロンの粉末を用いた。ダイヤモンド粒子と絶縁性材料とを表1に示す混合比率で混合し、平板状に薄く延ばした後、真空炉にて焼き固めた。この焼結体の両面を厚み10μmにダイヤモンド砥石で研磨加工してダイヤモンド面を表面に露出させると同時に切断加工によって100mm角の正方形に成形加工した。そのとき、ダイヤモンドが表面露出したおおよその面積割合(面積比率)を表1に示す。この焼結体と100mm角、厚さ3mmのニオブ基板との接合面に銀−鋼−チタンロウ材を塗布し、真空加熱炉で850℃に加熱してロウ付け接合した。このようにして作製した導電性ダイヤモンド粒子を用いた多結晶体を陽極にして、1M硫酸ナトリウム電解液を用いて長時間電解テストを行い、ダイヤモンド電極の安定性を調べた。
また、比較例として熱フィラメントCVD法によりNb基板上に合成した硼素添加導電性ダイヤモンド膜の電解テストを行った。これらの結果をまとめて表1に示す。
[Example 1]
As the conductive diamond particles, boron-added diamond particles having the average particle size distribution shown in Table 1 synthesized under ultra-high pressure and high temperature are used. Insulating material was used. A powder of several microns was used as a raw material for the insulating material. The diamond particles and the insulating material were mixed at a mixing ratio shown in Table 1 and thinly spread into a flat plate shape, and then baked and hardened in a vacuum furnace. Both surfaces of this sintered body were polished with a diamond grindstone to a thickness of 10 μm to expose the diamond surface on the surface, and at the same time, were formed into a 100 mm square by cutting. Table 1 shows the approximate area ratio (area ratio) at which the diamond surface was exposed. A silver-steel-titanium brazing material was applied to the joint surface between this sintered body and a 100 mm square niobium substrate having a thickness of 3 mm, and was heated to 850 ° C. in a vacuum heating furnace to be brazed. The polycrystalline body using the conductive diamond particles produced in this way was used as an anode, and a long-term electrolytic test was conducted using a 1M sodium sulfate electrolyte solution to examine the stability of the diamond electrode.
As a comparative example, an electrolysis test was performed on a boron-added conductive diamond film synthesized on an Nb substrate by a hot filament CVD method. These results are summarized in Table 1.

Figure 2005325417
Figure 2005325417

[実施例2]
CVD法で合成した膜厚30μmの硼素添加ダイヤモンド多結晶膜を破砕して平均粒径が30μmの粒度分布をもつ多結晶体粒子を作製した。この導電性ダイヤモンド多結晶粒子と炭化珪素粒子とを混合した粉末を銀−銅−チタンロウ材を片面に薄く塗布した500mm角のチタン基板に付着させた。これを真空加熱炉で850℃に加熱して接合した後、ダイヤモンド層の厚みが25μmになるまでダイヤモンド砥石で研磨してダイヤモンド面を表面に露出させた。このようにして作製した導電性ダイヤモンド粒子を用いた多結晶体を陽極にして、1kAの電流を流して1M硫酸ナトリウム液の長時間電解テストを行ったところ、1000時間経過してもダイヤモンド粒子の脱落はなく、初期状態からの変化は見られなかった。
[Example 2]
A boron-doped diamond polycrystalline film having a film thickness of 30 μm synthesized by the CVD method was crushed to produce polycrystalline particles having a particle size distribution with an average particle diameter of 30 μm. The powder obtained by mixing the conductive diamond polycrystalline particles and the silicon carbide particles was adhered to a 500 mm square titanium substrate on which a silver-copper-titanium brazing material was thinly applied on one side. This was heated to 850 ° C. in a vacuum heating furnace and bonded, and then polished with a diamond grindstone until the diamond layer had a thickness of 25 μm to expose the diamond surface. When a polycrystalline body using conductive diamond particles thus prepared was used as an anode, a current of 1 kA was passed and a 1 M sodium sulfate solution was subjected to a long-term electrolytic test. There was no dropout and no change from the initial state was observed.

本発明のダイヤモンド電極は、耐食性が高く、広い電位窓を有するため、水溶液中の物質を安定的に高い能力で分解することができ、しかも、信頼性が高く安価であるので、水溶液中の物質を電気分解するために用いられる電極として利用できる。   Since the diamond electrode of the present invention has high corrosion resistance and a wide potential window, the substance in the aqueous solution can be decomposed stably and with high ability, and the substance in the aqueous solution is reliable and inexpensive. It can be utilized as an electrode used for electrolyzing.

本発明のダイヤモンド電極の構造の一例を示した図である。It is the figure which showed an example of the structure of the diamond electrode of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 導電性ダイヤモンド粒子
2 絶縁保護相
3 導電性ロウ材
4 基板
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Conductive diamond particle 2 Insulation protective phase 3 Conductive brazing material 4 Board | substrate

Claims (11)

導電性ダイヤモンド粒子と絶縁保護相とからなるダイヤモンド多結晶体が、導電性ロウ材によって導電性基板の少なくとも一つの面に接合されてなることを特徴とするダイヤモンド電極。   A diamond electrode comprising: a diamond polycrystal composed of conductive diamond particles and an insulating protective phase bonded to at least one surface of a conductive substrate by a conductive brazing material. 前記ダイヤモンド多結晶体表面のうち、50%以上95%以下の面積を導電性ダイヤモンドの表面が占めることを特徴とする請求項1に記載のダイヤモンド電極。   The diamond electrode according to claim 1, wherein the surface of the conductive diamond occupies an area of 50% to 95% of the surface of the polycrystalline diamond. 前記ダイヤモンド多結晶体の厚みが原料ダイヤモンド粒子の粒度分布の平均粒径以下であることを特徴とする請求項1または2に記載のダイヤモンド電極。   The diamond electrode according to claim 1 or 2, wherein a thickness of the polycrystalline diamond is equal to or less than an average particle size of a particle size distribution of the raw material diamond particles. 前記ダイヤモンド多結晶体中のダイヤモンド粒子の粒子径が10μm以上1mm以下であることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のダイヤモンド電極。 The diamond electrode according to any one of claims 1 to 3, wherein a particle diameter of diamond particles in the polycrystalline diamond is not less than 10 µm and not more than 1 mm. 前記ダイヤモンド多結晶体中のダイヤモンド粒子が10ppm以上のホウ素を含有することを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載のダイヤモンド電極。   The diamond electrode according to any one of claims 1 to 4, wherein the diamond particles in the polycrystalline diamond contain 10 ppm or more of boron. 前記ダイヤモンド多結晶体の絶縁保護相を形成する材料が、炭化珪素、酸化珪素、窒化珪素、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、および樹脂、のいずれか一種であることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載のダイヤモンド電極。   The material for forming the insulating protective phase of the polycrystalline diamond is any one of silicon carbide, silicon oxide, silicon nitride, aluminum oxide, aluminum nitride, and resin. Diamond electrode in any one. 前記基板がアルミニウム、タンタル、ニオブ、チタン、ハフニウム、ジルコニウム、亜鉛、タングステン、ビスマス、アンチモン、金、白金、黒鉛のうちのいずれか1種であることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載のダイヤモンド電極。   7. The substrate according to claim 1, wherein the substrate is any one of aluminum, tantalum, niobium, titanium, hafnium, zirconium, zinc, tungsten, bismuth, antimony, gold, platinum, and graphite. Diamond electrode as described in 2. 導電性ダイヤモンド粒子を絶縁保護相で覆った後に固化させる工程と、固化したダイヤモンド多結晶体を研削もしくは研磨によってダイヤモンド粒子の粒径以下の厚みをもった平板状に加工する工程と、該平板状ダイヤモンド多結晶体と基板とを真空中で導電性ロウ材によって加熱接合する工程からなることを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載のダイヤモンド電極の製造方法。   A step of solidifying the conductive diamond particles after covering them with an insulating protective phase; a step of processing the solidified diamond polycrystalline body into a flat plate having a thickness equal to or smaller than the particle size of the diamond particles by grinding or polishing; The method for producing a diamond electrode according to claim 1, comprising a step of heat-bonding the polycrystalline diamond and the substrate with a conductive brazing material in a vacuum. 前記導電性ダイヤモンド粒子が、気相合成法により合成された多結晶ダイヤモンドを破砕して得られたものであることを特徴とする請求項8に記載のダイヤモンド電極の製造方法。   The method for producing a diamond electrode according to claim 8, wherein the conductive diamond particles are obtained by crushing polycrystalline diamond synthesized by a gas phase synthesis method. 前記導電性ダイヤモンド粒子が、超高圧・高温下で合成された粒状単結晶ダイヤモンドであることを特徴とする請求項8に記載のダイヤモンド電極の製造方法。   The method for producing a diamond electrode according to claim 8, wherein the conductive diamond particles are granular single crystal diamond synthesized under an ultrahigh pressure and a high temperature. 前記導電性ダイヤモンド粒子が、超高圧・高温下で鉄、ニッケル、コバルトおよびそれらの合金から選ばれる1種以上の結合材を用いて焼結されたダイヤモンド焼結体から結合材を酸で溶解除去した後、破砕して得られたものであることを特徴とする請求項8に記載のダイヤモンド電極の製造方法。   The conductive diamond particles are dissolved and removed with an acid from a diamond sintered body sintered with one or more binders selected from iron, nickel, cobalt and alloys thereof under an ultra-high pressure and high temperature. The method for producing a diamond electrode according to claim 8, wherein the diamond electrode is obtained by crushing.
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