JP2008248378A - Electrode for electrolysis and electrolysis unit - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、工業用又は民生用電解プロセスに使用される電解用電極に関する。 The present invention relates to an electrode for electrolysis used in an industrial or consumer electrolysis process.
一般に、オゾンは非常に酸化力が強い物質であり、該オゾンが溶解した水、所謂オゾン水は上下水道や、食品等、又は、半導体デバイス製造プロセス等での洗浄処理への適用など幅広い洗浄殺菌処理での利用が期待されている。オゾン水を生成する方法としては、紫外線照射や放電により生成させたオゾンを水に溶解させる方法や、水の電気分解により水中でオゾンを生成させる方法などが知られている。 In general, ozone is a substance having a very strong oxidizing power, and water in which the ozone is dissolved, so-called ozone water is widely used for cleaning and sterilization such as water and sewage, food, etc., and cleaning treatment in semiconductor device manufacturing processes. Expected to be used in processing. As a method of generating ozone water, a method of dissolving ozone generated by ultraviolet irradiation or discharge in water, a method of generating ozone in water by electrolysis of water, and the like are known.
特許文献1には、紫外線ランプによりオゾンガスを生成するオゾン生成手段と水を貯留するタンクとを備え、生成したオゾンガスをタンク内の水に供給することでオゾン水を生成するオゾン水生成装置が開示されている。また、特許文献2には、水中にオゾンガスを効率よく溶解させるために、放電式のオゾンガス生成装置により生成したオゾンガスと水とをミキシングポンプにより所定の割合で混合するオゾン水生成装置が開示されている。
しかしながら、上記の如き紫外線ランプや放電式によりオゾンガスを発生させてこのオゾンガスを水中に溶解させて成るオゾン水生成方法では、オゾンガス生成装置やオゾンガスを水中に溶解させるための操作などが必要となり装置が複雑化しやすく、また生成したオゾンガスを水中に溶解させる方法であるため所望の濃度のオゾン水を高効率に生成することが困難であるという問題があった。 However, in the ozone water generation method in which ozone gas is generated by the ultraviolet lamp or discharge method as described above and this ozone gas is dissolved in water, an operation for dissolving the ozone gas in the water is required because of the ozone gas generation device and the operation for dissolving the ozone gas in water. There is a problem that it is easy to make complicated, and it is difficult to generate ozone water having a desired concentration with high efficiency because the generated ozone gas is dissolved in water.
特許文献3には、上記のような問題を解決するための方法として、水の電気分解により水中でオゾンを生成させる方法が開示されている。係る方法では、多孔質体又は網状体で形成された電極基材と白金族元素の酸化物等を含む電極触媒とを有して構成されるオゾン生成用電極を用いる。 Patent Document 3 discloses a method for generating ozone in water by electrolysis of water as a method for solving the above problems. In such a method, an electrode for generating ozone, which is configured to include an electrode substrate formed of a porous body or a net-like body and an electrode catalyst containing an oxide of a platinum group element or the like, is used.
また、特許文献4には、電解質溶液としての模擬水道水を酸化タンタル等の誘電体により表面層が構成された電解用電極により電解処理することで、オゾンを生成させることが開示されている。
しかしながら、上述した如き特許文献3に示される方法では、電極物質としてダイヤモンドを使用するため、装置自体のコストが高騰する問題がある。 However, in the method shown in Patent Document 3 as described above, since diamond is used as the electrode material, there is a problem that the cost of the device itself increases.
また、当該特許文献3に示される水の電気分解によるオゾン水の生成方法では、白金族元素は標準的なアノード材料であり、有機物を含まない水系溶液中ではほとんど溶解しないという特徴があるが、オゾン生成用電極としてはオゾン生成効率が低く、高効率な電解法によるオゾン水生成を行うことは困難である。また、このような従来のオゾン生成用電極を用いた電解法によるオゾン水生成では、オゾン生成のための電気分解において、1A/cm2以上の高電流密度を必要とすることや、電解質を低温とする必要があり、非常に多くのエネルギーを消費するという問題があった。更に、白金は高価であり、これ以外にも二酸化鉛を用いた場合には、有毒であるという問題がある。 In addition, in the method of generating ozone water by electrolysis of water shown in Patent Document 3, platinum group elements are standard anode materials, and are characterized by being hardly dissolved in an aqueous solution containing no organic matter. As an ozone generation electrode, ozone generation efficiency is low, and it is difficult to generate ozone water by a highly efficient electrolysis method. In addition, in the conventional ozone water generation by electrolysis using an electrode for generating ozone, electrolysis for generating ozone requires a high current density of 1 A / cm 2 or more, and the electrolyte is used at a low temperature. There is a problem that a great deal of energy is consumed. Furthermore, platinum is expensive, and there is another problem that it is toxic when lead dioxide is used.
更に、上述した如き特許文献4に示される電解用電極を用いた場合であっても、オゾンは生成されるものの、更なるオゾン生成電流効率の向上が望まれていた。 Furthermore, even when the electrode for electrolysis disclosed in Patent Document 4 as described above is used, ozone is generated, but further improvement in ozone generation current efficiency has been desired.
そこで、本発明は従来の技術的課題を解決するために成されたものであり、低電流密度による水の電気分解によって、高効率にてオゾンを生成することが可能である電解用電極を提供する。 Accordingly, the present invention has been made to solve the conventional technical problems, and provides an electrode for electrolysis that can generate ozone with high efficiency by electrolysis of water with a low current density. To do.
本発明の電解用電極は、基体と、当該基体の表面に構成された表面層を備えて成るものであって、表面層は、アモルファスの絶縁体であることを特徴とする。 The electrode for electrolysis of the present invention comprises a substrate and a surface layer formed on the surface of the substrate, and the surface layer is an amorphous insulator.
請求項2の発明の電解用電極は、上記発明において、絶縁体は、単一金属の酸化物又は複合金属酸化物であることを特徴とする。
The electrode for electrolysis according to the invention of
請求項3の発明の電解用電極は、上記各発明において、絶縁体は、酸化タンタル又は酸化タングステンであることを特徴とする。 The electrode for electrolysis according to a third aspect of the present invention is characterized in that, in each of the above inventions, the insulator is tantalum oxide or tungsten oxide.
請求項4の発明の電解用電極は、上記請求項1又は請求項2の発明において、絶縁体は、酸化アルミニウムであることを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided an electrode for electrolysis according to the first or second aspect of the present invention, wherein the insulator is aluminum oxide.
請求項5の発明の電解用電極は、上記各発明において、表面層は、厚さが20nm以上2000nm以下であることを特徴とする。 The electrode for electrolysis according to the invention of claim 5 is characterized in that, in each of the above inventions, the surface layer has a thickness of 20 nm or more and 2000 nm or less.
請求項6の発明の電解用電極は、上記請求項1乃至請求項5の発明において、基体には、表面層の内側に位置して、基体の表面に難酸化性の金属で中間層が形成されていることを特徴とする。 According to a sixth aspect of the present invention, the electrode for electrolysis according to any one of the first to fifth aspects of the present invention is such that the substrate is located inside the surface layer, and an intermediate layer is formed of a hardly oxidizable metal on the surface of the substrate. It is characterized by being.
請求項7の発明の電解ユニットは、上記各請求項1乃至請求項6に記載の電解用電極により通水性を有したアノードが構成され、該アノードと通水性を有したカソードが陽イオン交換膜の両面に配設されていることを特徴とする。 An electrolysis unit according to a seventh aspect of the invention is configured such that an anode having water permeability is constituted by the electrode for electrolysis according to any of the first to sixth aspects, and the cathode having water permeability with the anode is a cation exchange membrane. It is arrange | positioned on both surfaces of this.
本発明によれば、基体と、当該基体の表面に構成された表面層を備えて成る電解用電極において、表面層は、アモルファスの絶縁体であるので、当該電極をアノードとして使用した低電流密度による電解質溶液の電気分解により効率的にオゾンを生成することができる。 According to the present invention, in the electrode for electrolysis comprising a substrate and a surface layer formed on the surface of the substrate, since the surface layer is an amorphous insulator, the low current density using the electrode as an anode Ozone can be efficiently generated by electrolysis of the electrolyte solution.
特に、従来の如く電解質溶液の温度を格別に低温とすることなく、且つ、高電流密度を必要としないため、オゾン生成に要する消費電力量の低減を図ることが可能となる。 In particular, since the temperature of the electrolyte solution is not particularly low as in the prior art and a high current density is not required, it is possible to reduce the power consumption required for ozone generation.
請求項2の発明によれば、上記発明において、絶縁体は、単一金属の酸化物又は複合金属酸化物、特に請求項3の発明の如く酸化タンタル又は酸化タングステンとすることで、フェルミ準位よりバンドギャップの半分程度高いエネルギーレベルにある導電体の底付近の空の準位が電解質から電子を受け取ることにより、当該電子は、表面層が導電体により構成される場合や結晶化した金属酸化物等により構成される場合に比較して酸素生成反応が抑制され、代わりにオゾン生成反応がより効率的に生起する。
According to the invention of
そのため、より高いエネルギーレベルでの電子の移動生じることで、オゾン生成反応を生起するためにオゾンの生成効率の上昇を図ることができる。 For this reason, the generation of electrons at a higher energy level can cause the ozone generation reaction to increase the efficiency of ozone generation.
請求項4の発明によれば、上記各発明において、絶縁体は、酸化アルミニウムであるので、比較的安価な材料にて上記各発明の電解用電極を構成することが可能となり、生産コストの低廉化を図ることができる。また、二酸化鉛などの有毒物質を使用しないことから、環境負荷の低減を図ることができる。 According to the invention of claim 4, in each of the above inventions, since the insulator is aluminum oxide, the electrode for electrolysis of each of the above inventions can be constituted by a relatively inexpensive material, and the production cost is low. Can be achieved. In addition, since no toxic substances such as lead dioxide are used, the environmental burden can be reduced.
請求項5の発明によれば、上記各発明において、表面層は、厚さが20nm以上2000nm以下であるので、薄膜により構成することができ、表面層内の不純物準位を介して、若しくは、Fowler−Nordheimトンネルにより電子が電極内部に移動できる。そのため、アノードにおける電極反応において、フェルミ準位よりバンドギャップの半分程度高いエネルギーレベルにある伝導体の底付近の空の準位が電解質から電子を受け取ることができ、より高いエネルギーレベルで電子の移動を生起させることで、低電流密度にて電気分解を行うことが可能となり、効率的にオゾンを生成することができる。 According to the invention of claim 5, in each of the above-mentioned inventions, the surface layer has a thickness of 20 nm or more and 2000 nm or less, so it can be constituted by a thin film, via an impurity level in the surface layer, or The Fowler-Nordheim tunnel allows electrons to move inside the electrode. Therefore, in the electrode reaction at the anode, the empty level near the bottom of the conductor, which is at an energy level about half the band gap higher than the Fermi level, can receive electrons from the electrolyte, and the electrons move at a higher energy level. Occurrence of this makes it possible to perform electrolysis at a low current density and efficiently generate ozone.
請求項6の発明によれば、上記各発明において、基体には、表面層の内側に位置して、基体の表面に、難酸化性の金属で中間層が形成されていることにより、上述の如く効果的に電子が表面層内を移動することが可能となる。そのため、表面層の表面において、高いエネルギーレベルで電極反応を生起することができる。これにより、より低い電流密度において効率的にオゾンを生成することができるようになる。
According to the invention of
特に、係る発明によれば、基体の表面に難酸化性の金属で中間層が形成されているため、当該電極により電解を行った場合において、当該基体表面が酸化し不導体化する不都合を回避することができる。これにより、電極の耐久性を向上させることができる。また、基体全体を当該中間層を構成する材料により構成する場合に比して、生産コストの低廉化を図ることができると共に、係る場合においても、同様に効率的にオゾンを生成することができる。 In particular, according to the invention, since the intermediate layer is formed of a hardly oxidizable metal on the surface of the substrate, the problem that the surface of the substrate is oxidized and made non-conductive when electrolysis is performed using the electrode is avoided. can do. Thereby, durability of an electrode can be improved. In addition, it is possible to reduce the production cost as compared with the case where the entire substrate is made of the material constituting the intermediate layer, and in this case, ozone can be generated efficiently in the same manner. .
請求項7の発明の電解ユニットは、上記各請求項1乃至請求項6に記載の電解用電極により通水性を有したアノードが構成され、該アノードと通水性を有したカソードが陽イオン交換膜の両面に配設されているので、陽イオン交換膜をプロトンが移動することで、電解質溶液が純水であっても、効率的にオゾンを生成することが可能となる。 An electrolysis unit according to a seventh aspect of the invention is configured such that an anode having water permeability is constituted by the electrode for electrolysis according to any of the first to sixth aspects, and the cathode having water permeability with the anode is a cation exchange membrane. Therefore, even if the electrolyte solution is pure water, ozone can be efficiently generated by moving protons through the cation exchange membrane.
以下に、本発明の電解用電極の好適な実施の形態を図面を参照して説明する。図1は本発明の電解用電極1の平断面図である。図1に示すように電解用電極1は、基体2と、当該基体2の表面に形成される密着層3と、当該密着層3の表面に形成される中間層4と、当該中間層4の表面に形成される表面層5とから構成される。また、電解用電極1は、基体2に電気伝導部としてのチタン板6が設けられており、当該チタン板6と中間層4とは、電極1の端面に設けられる導電性材料としての銀ペースト7により、導通可能とされている。更に、この銀ペースト7とチタン板6はシール材8に覆われており、電解には寄与しない。なお、導通の取り方はこれに限定されない。
Hereinafter, preferred embodiments of the electrode for electrolysis of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a plan sectional view of an
本発明において基体2は、導電性材料として、例えば、白金(Pt)若しくは、チタン(Ti)、タンタル(Ta)、ジルコニウム(Zr)、ニオブ(Nb)などのバルブ金属やこれらバルブ金属2種以上の合金、或いはシリコン(Si)などにより構成される。特に、本実施例において用いられる基体2は、表面が平坦に処理されたシリコンを用いる。
In the present invention, the
密着層3は、基体2の表面に形成され、基体2と密着層3の表面に例えば白金により形成される中間層4との密着性の向上を図るために用いられるものであり、酸化チタンや窒化チタンなどにより構成される。尚、本実施例では酸化チタンを用いる。
The adhesion layer 3 is formed on the surface of the
中間層4は、酸化し難い金属、例えば、白金、金(Au)、又は、導電性をもつ金属酸化物、例えば、酸化イリジウム、酸化パラジウム、又は、酸化ルテニウム、酸化物超伝導体など、若しくは、酸化しても導電性を有する金属として、白金族元素に含まれるルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、パラジウム(Pd)、イリジウム(Ir)、或いは、銀(Ag)により構成される。尚、金属酸化物については、予め酸化物として中間層4が構成されたものに限定されるものではなく、電解することにより酸化されて金属酸化物とされたものについても含むものとする。 The intermediate layer 4 is a metal that is difficult to oxidize, such as platinum, gold (Au), or a conductive metal oxide, such as iridium oxide, palladium oxide, ruthenium oxide, oxide superconductor, or the like. The metal having conductivity even when oxidized is composed of ruthenium (Ru), rhodium (Rh), palladium (Pd), iridium (Ir), or silver (Ag) contained in the platinum group element. In addition, about a metal oxide, it is not limited to the thing in which the intermediate | middle layer 4 was comprised previously as an oxide, The thing oxidized by electrolysis and including a metal oxide shall also be included.
但し、中間層4が導電性をもつ金属酸化物、例えば酸化イリジウム等により構成される場合には、当該金属酸化物を構成する酸素原子が導電体に悪影響を及ぼすことから、当該中間層4は、難酸化性の金属により構成することが望ましい。本実施例では、中間層4は、白金により構成する。 However, when the intermediate layer 4 is composed of a conductive metal oxide, such as iridium oxide, the oxygen atoms constituting the metal oxide adversely affect the conductor. It is desirable to use a hardly oxidizable metal. In this embodiment, the intermediate layer 4 is made of platinum.
尚、上記基体2を白金にて構成する場合には、基体2の表面も当然に白金にて構成されるため、当該中間層4を格別に構成する必要はない。ただし、係る基体2を白金にて構成した場合には、コストの高騰を招くことから、工業的には、当該基体2を低廉な材料にて構成し、当該基体2の表面に貴金属等で構成される中間層4を形成することが好ましい。また、基体2を導電性を有さない物質、例えばガラス板により構成し、当該基体2は、少なくとも後述する表面層5との接触面が導電性を有する材料により被覆されているものであるならば、上記構成に限定されるものではない。これによっても、基体2の構成に用いられる材料に要するコストの高騰を抑制することが可能となる。
When the
また、表面層5は、前記中間層4を被覆するように当該中間層4と共に、アモルファス型(不定形。非晶質)の絶縁体である。本実施例において、絶縁体は、酸化タンタル(TaOx)、酸化タングステン(WOx)又は、酸化アルミニウム(AlOx)により基体2の表面に層状に形成される。この表面層5は、所定厚みの薄膜、本実施例では0より大きく1mm以下、好ましくは、20nm乃至2000nmに形成される。
The surface layer 5 is an amorphous (indeterminate, amorphous) insulator together with the intermediate layer 4 so as to cover the intermediate layer 4. In this embodiment, the insulator is formed in layers on the surface of the
なお、本実施例では、絶縁体としてアモルファス型の酸化タンタルや酸化タングステン、酸化アルミニウムを挙げているが、これに限定されるものではなく、絶縁体であるアモルファス型の単一金属の酸化物、具体的には、TiOx、NbOx、HfOx、NaOx、MgOx、KOx、CaOx、ScOx、VOx、CrOx、MnOx、FeOx、CoOx、NiOx、CuOx、ZnOx、GaOx、RbOx、SrOx、YOx、ZrOx、MoOx、InOx、SnOx、SbOx、CsOx、BaOx、LaOx、CeOx、PrOx、NdOx、PmOx、SmOx、EuOx、GdOx、TbOx、DyOx、HoOx、ErOx、TmOx、YbOx、LuOx、PbOx、BiOx等、又は、絶縁体であるアモルファス型の複合金属酸化物、若しくは、SiOx、GeOxなどであってもよい。 In this embodiment, amorphous tantalum oxide, tungsten oxide, and aluminum oxide are cited as the insulator. However, the present invention is not limited to this, and an amorphous single metal oxide that is an insulator, Specifically, TiOx, NbOx, HfOx, NaOx, MgOx, KOx, CaOx, ScOx, VOx, CrOx, MnOx, FeOx, CoOx, NiOx, CuOx, ZnOx, GaOx, RbOx, SrOx, YOx, ZrOx, MoOx, MoOx, MoOx, , SnOx, SbOx, CsOx, BaOx, LaOx, CeOx, PrOx, NdOx, PmOx, SmOx, EuOx, GdOx, TbOx, DyOx, HoOx, ErOx, TmOx, YbOx, LuOB, Lub amorphous Composite metal oxides, or, SiOx, or the like may be used GeOx.
次に、図2のフローチャートを参照して本発明の実施例1の電解用電極1の製造方法について説明する。先ず初めに、ステップS1として基体2を構成するシリコンの前処理を行う。ここで、シリコンは、不純物としてリン(P)、ホウ素(B)等を導入し、導電率を高めたものが望ましい。当該シリコンは、表面が非常に平坦なものを用いる。尚、本実施例では、基体2としてシリコンを用いるが、これ以外にも上述した如き導電性材料を用いてもよいものとする。
Next, with reference to the flowchart of FIG. 2, the manufacturing method of the
当該前処理では、シリコンの基体2を5%のフッ酸により処理し、当該基体2の表面に形成された自然酸化膜の除去を行う。これにより、基体2の表面をより平坦な状態とする。尚、当該前処理は行わなくてもよい。その後、純水にて基体2の表面のリンスを行い、以降ステップS2において既存のスパッタ装置のチャンバー内に導入し、成膜を行う。
In the pretreatment, the
ステップS2では、基体2の表面に上述した如き中間層4の密着性を向上させるための密着層3の形成を行う。この基体2への密着層3の形成は、反応性スパッタ法により実行する。密着層3は、酸化チタンにより構成するため、最初のターゲットとしてTiを用い、投入電力6.17W/cm2、酸素分圧52%(Ar:O2 24:26)、成膜圧力を0.6Paとして、室温で10分間成膜を実行する。これにより、基体2の表面には、厚さ50nm程度の酸化チタンにて構成される密着層3が形成される。尚、本実施例では、密着層3の成膜方法として反応性スパッタ法を用いているが、これに限定されるものではなく、例えば、スパッタ法、CVD法、イオンプレーティング法、メッキ法、あるいはこれらの方法と熱酸化の組み合わせなどであっても良いものとする。
In step S <b> 2, the adhesion layer 3 for improving the adhesion of the intermediate layer 4 as described above is formed on the surface of the
次に、ステップS3において、表面に密着層3が形成された基体2の表面に中間層4の形成を行う。基体2への中間層4の形成は、スパッタ法により実行する。本実施例では、中間層4は、白金により構成するため、最初のターゲットとしてPt(80mmφ)を用い、投入電力4.63W/cm2、Arガス圧を0.7Paとして、室温で約1分11秒間成膜を実行する。これにより、密着層3が形成された基体2の表面には、厚さ200nm程度の中間層4が形成される。尚、本実施例では、中間層4の成膜方法としてスパッタ法を用いているが、これに限定されるものではなく、例えば、CVD法、蒸着法、イオンプレーティング法、メッキ法などであっても良いものとする。
Next, in step S3, the intermediate layer 4 is formed on the surface of the
次に、中間層4が形成された基体2の表面に表面層5を形成する。本実施例では、表面層5は、スピンコート法を用いて形成するため、表面層構成材としての有機アルミニウム化合物溶液を中間層4が形成された基体2の表面に塗布する。本実施例では、表面層5は、酸化アルミニウムにより構成するため、有機アルミニウム化合物として配位数3のアルミニウムにヒロドキシル基や、アルデヒド基、アルキル基、カルボキシル基、アルコキシル基等の官能基を配位して構成されるものを用いる。また、この有機アルミニウム化合物溶液のアルミニウムの重量%は、全体の0.4%乃至3%程度であることが望ましい。尚、本実施例では、表面層構成材として有機アルミニウム化合物溶液を用いているがこれに限定されるものではなく、アルミニウムを含む化合物であって、焼成によりアルミニウム以外の物質を除去可能な物質、例えば、塩化アルミニウム、臭化アルミニウム、ヨウ化アルミニウムなどであっても良いものとする。
Next, the surface layer 5 is formed on the surface of the
そして、ステップS4において、中間層4が形成された基体2の表面に表面層構成材を滴下し、スピンコート法により、薄膜を形成する。本実施例におけるスピンコート法における条件は、1000rpmで5秒間、3000rpmで15秒間とする。その後、室温及び200℃環境下において各10分間乾燥を行う(ステップS5)。これにより、基体2の中間層4の表面には、アルミニウム化合物を含む表面層構成材により表面層5が形成される。
In step S4, a surface layer constituting material is dropped on the surface of the
その後、当該中間層4及び表面層5が形成された基体2は、ステップS6においてマッフル炉において400℃乃至900℃、本実施例では、600℃、大気雰囲気中にて10分、焼成(アニール)が実行され、電解用電極1が得られる。これにより、中間層4の表面に塗布された表面層構成材は、均一に酸化アルミニウムとされる。本実施例では、本成膜操作を1回行うことで、焼成されて形成される酸化アルミニウムの表面層5は、厚さが25nm程度となる。なお、当該成膜操作を複数回繰り返すことにより、表面層10の厚さを20nm〜2000nm程度としても良い。
Thereafter, the
上述した如く得られる電解用電極1の表面層5は、すべて酸化アルミニウムとされている。即ち、表面層構成材は、アルミニウムを含む化合物、例えば上述したように、アルミニウム以外に複数の官能基が配位された有機アルミニウム化合物や、塩化アルミニウムや臭化アルミニウム、ヨウ化アルミニウムなどを含むものであるが、焼成されることによって、アルミニウム以外の物質、即ち、有機物により構成される官能基や、塩素、臭素などは、除去される。他方、アルミニウムは、雰囲気中の酸素と反応し、酸化アルミニウムとなる。
The surface layer 5 of the
図3は上述により得られた電解用電極1の表面層5のX線回折パターンを示している。なお、図3では、表面層5を構成する際の焼成温度を700℃、750℃、800℃、850℃、900℃の各条件として電解用電極1を構成した。一般に、結晶構造の解析には、X線回折(XRD)が用いられており、これによって、表面層5を構成する酸化アルミニウムの結晶構造を解析することが可能となる。本実施例では、X線回折装置(Bruker AXS社製 D8 Discover)を用いて観測を行った。
FIG. 3 shows an X-ray diffraction pattern of the surface layer 5 of the
これによると、本実施例において得られた電解用電極1の表面層5のX線回折パターンに示される各回折ピーク(2θ)は、いずれの焼成温度により構成された電極1であっても、36.1°程度、38°程度、39.6°程度であった。一般に、酸化アルミニウムの結晶構造としては、αアルミナやβアルミナなどの六方晶系が知られているが、当該酸化アルミニウム(Al2O3)特有の回折ピーク(2θ)である35.15°、57.50°、43.36°は、いずれの電解用電極1の表面層5のX線回折パターンには、存在していない。従って、上述した如き方法により電解用電極1の表面層5を形成する酸化アルミニウムは、結晶構造を持たない不定形、所謂アモルファス状であることが分かる。なお、この場合、36.1°付近の回折ピークは、密着層3を構成する酸化チタン(101)のピークであり、39.6°付近の回折ピークは、中間層4を構成する白金(111)のピークである。
According to this, each diffraction peak (2θ) shown in the X-ray diffraction pattern of the surface layer 5 of the
尚、本実施例では、表面層5をアルミニウム化合物を含む表面層構成材をスピンコート法により基体表面(本実施例では中間層4表面)に塗布し、所定温度にて焼成することにより、アモルファス型酸化アルミニウムにより形成しているが、当該アモルファス型の酸化アルミニウムにより表面層5を構成する方法はこれに限定されるものではない。 In this embodiment, the surface layer 5 is made of an amorphous material by applying a surface layer constituent material containing an aluminum compound to the substrate surface (in this embodiment, the surface of the intermediate layer 4) by spin coating and firing at a predetermined temperature. Although it is formed of type aluminum oxide, the method of forming the surface layer 5 with the amorphous type aluminum oxide is not limited to this.
他の方法として、熱CVD法による表面層5の形成方法がある。この熱CVD法では、基体2の表面に、上記実施例と同様に密着層3、中間層4を順次形成した後、表面層構成材である有機アルミニウム化合物を気化し、適当なキャリアガスを用いて反応管へ導き、高温、例えば500℃乃至900℃、好ましくは、600℃乃至800℃に熱せられた基体2の表面で化学反応を行う。
As another method, there is a method of forming the surface layer 5 by a thermal CVD method. In this thermal CVD method, the adhesion layer 3 and the intermediate layer 4 are sequentially formed on the surface of the
これにより、表面層構成材である有機アルミニウム化合物のアルミニウムを除く物質、例えば有機物は、高温に熱せられた基体2の表面において除去され、アルミニウムのみが雰囲気中の酸素と反応し、酸化アルミニウムとして基体2の表面に形成される。基体2の表面(実際には中間層4の表面)に形成された酸化アルミニウムは、アモルファス薄膜(酸化アルミニウム膜)を構成する。
Thereby, a substance excluding aluminum of the organoaluminum compound which is a surface layer constituent material, for example, an organic substance is removed on the surface of the
尚、アモルファス型の酸化アルミニウムにより表面層5を構成する方法としては、これ以外にも、例えば、ディップ法などがある。 In addition, as a method of forming the surface layer 5 with amorphous aluminum oxide, for example, there is a dip method.
尚、本実施例では、シリコンにて構成される基体2の表面には、酸化チタンにて構成される密着層3が形成されているため、直接、中間層4を構成する白金が、基体2内部にまで拡散することにより白金シリサイドが形成され、電解中に酸化して不導体化することを阻止することが可能となる。また、酸化チタンにより構成される密着層3により、中間層4を構成する白金の基体2への密着性を向上させることができる。これにより、電極1の耐久性を向上させることができる。
(各電解用電極による電解方法及びその評価)
次に、上述した如く製造された電解用電極1を用いた電解によるオゾンの生成について図4及び図5を参照して説明する。図4は電解用電極1を適用した電解装置10の概略説明図、図5は各条件により作成された電解用電極を用いた場合のオゾン生成電流効率を示す図である。
In this embodiment, since the adhesion layer 3 composed of titanium oxide is formed on the surface of the
(Electrolysis method using each electrode for electrolysis and its evaluation)
Next, generation of ozone by electrolysis using the
電解装置10は、処理槽11と、上述した如きアノードとしての電解用電極1と、カソードとしての電極12と、電極1、12に直流電流を印加する電源15とから構成される。そして、これら電極1、12間に位置して、処理槽11内の電極1の存する一方の領域と電極12の存する他方の領域とに区画する陽イオン交換膜(隔膜:デュポン社製Nafion(商品名))14が設けられる。また、アノードとしての電解用電極1が浸漬される領域には、撹拌装置16が設けられている。
The
また、この処理槽11内には、電解質溶液としての模擬水道水13が貯溜される。尚、本実施例における実験では、模擬水道水が電解質溶液として用いられているが、陽イオン交換膜を設けることにより、純水を処理した場合であっても、略同様の効果が得られる。なお、当該実験に用いられる電解質溶液は、水道水を模擬した水溶液であり、この模擬水道水23の成分組成は、Na+が5.75ppm、Ca2+が10.02ppm、Mg2+が6.08ppm、K+が0.98ppm、Cl-が17.75ppm、SO4 2-が24.5ppm、CO3 2-が16.5ppmである。
In the
電解用電極1は、上述した如き製造方法により作製したものであって、電解用電極1の表面層5の厚さは、25nm程度であり、当該表面層5を形成する際の焼成温度は、600℃である。また、比較には、表面層5を構成する酸化アルミニウムをスピンコート法ではなく、スパッタ法により形成した電解用電極(AlOxスパッタ)と、表面層5を構成する材料を酸化タンタル(TaOx)をスピンコート法により形成した電解用電極(TaOxスピンコート)と、表面層5を構成する材料を酸化チタン(TiOx)をスピンコート法により形成した電解用電極(TiOxスピンコート)を用いる。
The
上記AlOxスパッタの電解用電極は、本実施例と同様の方法により形成された中間層4の表面に表面層5を構成するため、ターゲットを表面層構成材であるAlとし、rfパワーを100W、Arガス圧を0.9Pa、基体2とターゲットとの間の距離を60mmとして、室温で成膜を実行する。その後、表面層5が形成された基体2は、マッフル炉において600℃、大気雰囲気中にて30分、熱酸化が実行することで得られたものである。
In the AlOx sputtering electrolysis electrode, the surface layer 5 is formed on the surface of the intermediate layer 4 formed by the same method as in the present embodiment. Therefore, the target is Al as the surface layer constituent material, and the rf power is 100 W. Film formation is performed at room temperature with an Ar gas pressure of 0.9 Pa and a distance between the
上記TaOxスピンコートの電解用電極は、本実施例と同様の方法により形成された中間層4の表面に、これも同様の条件のスピンコート法によって、酸化タンタルにより構成される表面層5が形成される。そして、焼成温度600℃、大気雰囲気中にて10分焼成されることにより、得られたものである。なお、当該表面層5の厚さは、25nm程度である。 In the electrode for electrolysis of the TaOx spin coat, the surface layer 5 made of tantalum oxide is formed on the surface of the intermediate layer 4 formed by the same method as in the present embodiment by the spin coat method under the same conditions. Is done. And it was obtained by baking for 10 minutes in 600 degreeC and the atmospheric condition of baking temperature. The surface layer 5 has a thickness of about 25 nm.
上記TiOxスピンコートの電解用電極は、同じく上記中間層4の表面に、同様の条件のスピンコート法によって、酸化チタンにより構成される表面層5が形成される。そして、焼成温度600℃、大気雰囲気中にて10分焼成されることにより、得られたものである。なお、当該表面層5の厚さは、50nm程度である。なお、当該条件により生成される表面層5は、アナターゼ型の結晶構造をとる酸化チタンが形成されている。 In the electrode for electrolysis of the TiOx spin coat, a surface layer 5 made of titanium oxide is formed on the surface of the intermediate layer 4 by a spin coat method under the same conditions. And it was obtained by baking for 10 minutes in 600 degreeC and the atmospheric condition of baking temperature. In addition, the thickness of the surface layer 5 is about 50 nm. In addition, the surface layer 5 produced | generated by the said conditions is formed with the titanium oxide which takes anatase type crystal structure.
なお、上記各電解用電極の表面層の膜厚は、蛍光X線分析装置(日本電子社製 JSX-3220ZS Element Analyzer)による評価により、Al、Ta及びTiの担持量を取得し、これに基づき厚さを換算することにより得たものである。 In addition, the film thickness of the surface layer of each of the electrodes for electrolysis described above is based on the obtained amounts of Al, Ta, and Ti obtained by evaluation with a fluorescent X-ray analyzer (JSX-3220ZS Element Analyzer manufactured by JEOL Ltd.). It is obtained by converting the thickness.
他方、カソードとしての電極12には白金を用いる。これ以外にもチタン基体表面に白金を焼成した不溶性電極や白金−イリジウム系の電解用電極やカーボン電極などにより構成してもよいものとする。
On the other hand, platinum is used for the
以上の構成により、処理槽11内の各領域に150mlずつの模擬水道水13を貯溜し、該電解用電極1及び電極12をそれぞれ模擬水道水中に浸漬させる。尚、各電極間距離は、10mmとする。そして、電源15により、電流密度約25mA/cm2の定電流が電解用電極1及び電極12に印加される。また、模擬水道水13の温度は+15℃であるものとする。
With the above configuration, 150 ml of
本実施例では、各電解用電極によるオゾンの生成量は、上記条件にて5分間電解後の模擬水道水13のオゾン生成量をインディゴ法(HACH社製 DR4000)により測定し、通電された総電荷量に対する当該オゾン生成に寄与した電荷の割合、即ち、オゾン生成電流効率を算出して評価を行う。
In this example, the amount of ozone generated by each electrolysis electrode is determined by measuring the amount of ozone generated in
図5に示されるように、当該実験では、本実施例の如く作成された電解用電極1(表面層5がスピンコート法によりAlOxで構成されたもの)を使用した場合には、オゾン生成電流効率は、5.64%程度であった。これに対し、表面層5をスパッタ法によりAlOxで構成したものの場合のオゾン生成電流効率は、4.0%程度であった。これにより、スパッタ法により表面層5を構成する場合に比してスピンコート法により表面層5を構成する場合の方がオゾン生成効率が高いことが分かる。
As shown in FIG. 5, in this experiment, when the
また、他の材料により表面層5をスピンコート法により構成した場合、例えばTaOxにより構成した場合(当該実験における電解用電極の表面層は、結晶化した酸化タンタルにより構成されている)のオゾン生成電流効率は、1.5%程度であり、TiOxにより構成した場合(当該実験における電解用電極の表面層は、アナターゼ型の結晶構造をとる酸化チタンにより構成されている)のオゾン生成電流効率は、0.3%程度であった。同様の方法により、且つ略同一の膜厚となるように表面層5を形成した場合であっても、TaOx(当該実験では結晶化した酸化タンタル)やTiOx(当該実験では結晶化した酸化チタン)に比べて、AlOxにより表面層5を形成した場合には、著しくオゾン生成効率が高いことが分かる。 Further, when the surface layer 5 is composed of another material by spin coating, for example, when it is composed of TaOx (the surface layer of the electrode for electrolysis in the experiment is composed of crystallized tantalum oxide), ozone generation The current efficiency is about 1.5%, and when it is composed of TiOx (the surface layer of the electrode for electrolysis in the experiment is composed of titanium oxide having an anatase type crystal structure), the ozone generation current efficiency is About 0.3%. Even when the surface layer 5 is formed by the same method and having substantially the same film thickness, TaOx (crystallized tantalum oxide in the experiment) or TiOx (crystallized titanium oxide in the experiment) In contrast, when the surface layer 5 is formed of AlOx, the ozone generation efficiency is remarkably high.
以上の実験結果より、各電解用電極をアノードとして電解質溶液を電解することによっても、電解質溶液中にオゾンを生成することが可能となるが、本実施例のスピンコート法により形成されたAlOxの表面層5を有する電解用電極1を用いた場合には、他の材料や、他の方法により表面層5を形成した場合と比して著しくオゾン生成効率が高いことが分かる。これは、当該条件におけるスピンコート法によって基体2(実際には中間層4)の表面にアモルファス型の酸化アルミニウムによる薄膜の表面層5が形成されるためであると考えられる。
From the above experimental results, it is possible to generate ozone in the electrolyte solution by electrolyzing the electrolyte solution using each electrolysis electrode as an anode. However, the AlOx formed by the spin coating method of this embodiment can be used. It can be seen that when the
特に、当該アモルファス型の酸化アルミニウムによる薄膜は、厚さが20nm乃至2000nmに形成されているため、表面層5中の不純物準位を介して、或いは、Fowler−Nordheimトンネルにより電子が導電性材料にて構成される中間層4にまで移動すると考えられる。 In particular, the amorphous aluminum oxide thin film is formed to a thickness of 20 nm to 2000 nm, so that electrons can be made into a conductive material through impurity levels in the surface layer 5 or by a Fowler-Nordheim tunnel. It is thought that it moves to the intermediate layer 4 configured as described above.
通常、金属電極を電解用電極として使用した場合、アノードにおける電極反応は、フェルミ準位直上の空の準位が電解質から電子を受け取ることにより、優先的に酸素生成反応を生起する。また、表面層5を結晶化した金属酸化物により構成した場合、結晶と結晶との間の粒界に金属が偏析し、電流が流れてしまうので、この場合も、アノードにおける電極反応は、フェルミ準位直上の空の準位が電解質から電子を受け取ることにより、優先的に酸素生成反応を生起する。 Usually, when a metal electrode is used as an electrode for electrolysis, an electrode reaction at the anode preferentially causes an oxygen generation reaction when an empty level immediately above the Fermi level receives electrons from the electrolyte. In addition, when the surface layer 5 is composed of a crystallized metal oxide, the metal segregates at the grain boundary between the crystals and current flows. An empty level immediately above the level receives electrons from the electrolyte, and thus preferentially causes an oxygen generation reaction.
これに対し、本発明における表面層5形成した電解用電極1を使用した場合、表面層5がアモルファス型の酸化アルミニウムにより構成されているため、フェルミ準位よりバンドギャップの半分程度高いエネルギーレベルにある導電体の底付近の空の準位が電解質から電子を受け取ることにより、当該電子は、上記よりも酸素生成反応が抑制され、代わりにオゾン生成反応がより効率的に生起する。
On the other hand, when the
そのため、本発明における電解用電極1を使用した場合、白金等の電解用電極や結晶化したタンタル酸化物又はチタン酸化物により表面層が形成されている電解用電極を使用した場合に比して、より高いエネルギーレベルでの電子の移動が起こってオゾン生成反応を生起するためにオゾンの生成効率が上昇するものと考えられる。
Therefore, when the
これにより、電解用電極1に所定の低電流密度、0.1mA/cm2乃至2000mA/cm2、望ましくは、1mA/cm2乃至1000mA/cm2の電流が印加されることで、高効率にてオゾンを生成させることが可能となる。また、電解質溶液の温度が格別に低温とすることなく、本実施例の如く+15℃などのように常温である場合であっても、高効率にてオゾンを生成させることが可能となる。そのため、オゾン生成に要する消費電力量の低減を図ることが可能となる。
As a result, a predetermined low current density of 0.1 mA /
また、このように、高効率にてオゾン生成を実現することができる電極1の表面層5は、上述したようにスピンコート法により形成することが可能であるため、従来のスパッタ法により形成する場合などと比較して、生産性を向上させることができると共に、安価な製造コストにて電解用電極を製造することが可能となり、設備の低廉化を図ることが可能となる。また、表面層5は、上述したように熱CVD法により形成することで、安定性が良く、高い生産効率を実現することが可能となる。更に、二酸化鉛などの有毒物質を使用しないことから、環境負荷の低減を図ることができる。
In addition, as described above, the surface layer 5 of the
次に、図6のフローチャートを参照して本発明の実施例2の電解用電極21の製造方法について説明する。なお、図7は、当該実施例により得られる電解用電極21の概略構成図を示している。先ず初めに、ステップS11として上記実施例と同様に基体22を構成するシリコンの前処理を行う。基体22の材料は、上記実施例と同様であるため、説明を省略する。以降ステップS12において既存のスパッタ装置のチャンバー内に導入し、成膜を行う。
Next, with reference to the flowchart of FIG. 6, the manufacturing method of the
ステップS12では、基体22の表面に上述した如き中間層24の密着性を向上させるための密着層23の形成を行う。上記実施例と同様に、基体22への密着層23の形成は、反応性スパッタ法により実行する。密着層23は、酸化チタンにより構成するため、最初のターゲットとしてTiを用い、投入電力6.17W/cm2、酸素分圧52%(Ar:O2 24:26)、成膜圧力を0.6Paとして、室温で10分間成膜を実行する。これにより、基体22の表面には、厚さ50nm程度の酸化チタンにて構成される密着層23が形成される。
In step S <b> 12, the
次に、ステップS13において、表面に密着層23が形成された基体22の表面に上記実施例と同様に中間層24の形成を行う。基体22への中間層24の形成は、スパッタ法により実行する。本実施例では、中間層24は、白金により構成するため、最初のターゲットとしてPt(80mmφ)を用い、投入電力4.63W/cm2、Arガス圧を0.7Paとして、室温で約1分11秒間成膜を実行する。これにより、密着層23が形成された基体22の表面には、厚さ200nm程度の中間層24が形成される。
Next, in step S13, the
次に、中間層24が形成された基体22の表面に表面層25を形成する。本実施例では、表面層25の形成は、スパッタ法により実行する。表面層を酸化タンタルにて形成する場合には、ターゲットを表面層構成材であるTaに変更し、rfパワーを100W、Arガス圧を0.9Pa、基体22とターゲットとの間の距離を60mmとして、室温で5〜180分間成膜を実行する(ステップS14)。これにより、基体22の中間層24の表面には、厚さ7nm〜1000nm程度の表面層25が形成される。なお、これら中間層24及び表面層25の膜厚は、蛍光X線による評価により、Pt及びTaの担持量を取得し、これに基づき厚さを換算することにより得たものである。
Next, the
その後、当該表面層25が形成された基体22は、ステップS15においてマッフル炉にて300℃、400℃、500℃、600℃のそれぞれの温度、大気雰囲気中にて30分、熱酸化が実行され、電解用電極21が得られる。これにより、中間層24の表面に形成された表面層25を構成するタンタル金属は、均一に酸化される。なお、当該熱酸化によりタンタル金属が酸化され酸化タンタルとなるため、表面層25の厚さは、14nm〜2000nm程度となる。
Thereafter, the
なお、ここでは、表面層25を構成する材料としてTaを挙げているが、これをWに変更することにより、表面層25は、熱酸化によりタングステン金属が酸化され酸化タングステンとなる。
Here, Ta is mentioned as a material constituting the
図8は上述により得られた電解用電極21のX線回折パターン(表面層25が酸化タンタルのもの)、図9は上述により得られた電解用電極21のX線回折パターン(表面層25が酸化タングステンのもの)を示している。上記実施例と同様に、X線回折を用いることで、表面層25を構成する酸化タンタル(酸化タングステン)の結晶構造を解析することが可能となる。係る実施例においても、X線回折装置(Bruker AXS社製 D8 Discover)を用いて観測を行った。
FIG. 8 shows an X-ray diffraction pattern of the
図8では、上から順に600℃、500℃、400℃、300℃にて酸化された電極21のX線回折パターンを示している。なお、一番下には、比較のため、表面層25を構成していない電極(表面がPtのみ)のX線回折パターンを示している。これによると、酸化温度600℃の電極21は、酸化タンタル(Ta2O5)特有の回折ピーク(図8にて黒丸にて示すピーク)と、中間層24を構成する白金特有の回折ピーク(図8にて※にて示すピーク)がみられる。そのため、当該条件では、表面層25は、結晶性の酸化タンタル(Ta2O5)が形成されていることがわかる。
FIG. 8 shows X-ray diffraction patterns of the
これに対し、酸化温度400℃の電極21は、酸化タンタル(TaO)特有の回折ピーク(図8にて白丸にて示すピーク)と、白金特有の回折ピークがみられる。そのため、当該条件では、表面層25は、結晶性の酸化タンタル(TaO)が形成されていることがわかる。
In contrast, the
また、酸化温度300℃の電極21は、タンタル(Ta)特有の回折ピーク(図8にて黒三角にて示すピーク)と、白金特有の回折ピークがみられる。そのため、当該条件では、表面層25は、一部がタンタルのまま残存していることがわかる。
Further, the
これに対し、酸化温度500℃の電極21は、上述したような酸化タンタルやタンタル特有の回折ピークはみられず、白金特有の回折ピークと、アモルファス状態(非晶質)であることを示すハローがみられる。そのため、当該条件では、表面層25は、アモルファス型の酸化タンタルが形成されていることがわかる。なお、比較に示されている白金電極のX線回折パターンと比較しても、当該条件の電極には、アモルファスが存在することが容易にわかる。
On the other hand, the
図9では、上から順に600℃、500℃、400℃、300℃にて酸化された電極21のX線回折パターンを示している。なお、上記と同様に一番下には、比較のため、表面層25を構成していない電極(表面がPtのみ)のX線回折パターンを示している。これによると、酸化温度600℃、500℃、400℃の電極21は、いずれも酸化タングステン(WO3)特有の回折ピーク(図9にて白丸にて示すピーク)と、中間層24を構成する白金特有の回折ピーク(図9にて※にて示すピーク)がみられる。そのため、当該条件では、表面層25は、結晶性の酸化タングステン(WO3)が形成されていることがわかる。
FIG. 9 shows X-ray diffraction patterns of the
これに対し、酸化温度300℃の電極21は、上述したような酸化タングステン(WO3)特有の回折ピークはみられず、白金特有の回折ピークのみがみられる。そのため、当該条件では、表面層25は、アモルファス型の酸化タングステンが形成されていることがわかる。
(各電解用電極による電解方法及びその評価)
次に、上述した如く製造された電解用電極1を用いた電解によるオゾンの生成について図10を参照して説明する。図10は各条件により作成された電解用電極を用いた場合のオゾン生成電流効率を示す図である。図において、黒丸は、表面層25を酸化タンタルにて構成した場合のオゾン生成電流効率、白丸は、表面層25を酸化タングステンにて構成した場合のオゾン生成電流効率を示している。なお、当該実験結果は、上記実施例における電解装置10を用いて得られてものであり、当該装置の構成、実験条件については上記と同様であるため説明を省略する。
In contrast, the
(Electrolysis method using each electrode for electrolysis and its evaluation)
Next, generation of ozone by electrolysis using the
これによると、表面層25を酸化タンタルにて構成した場合、酸化温度300℃では、オゾン生成電流効率が3.6%程度、酸化温度400℃では、6.6%程度、酸化温度500℃では、7.2%程度、酸化温度300℃では、2.4%程度であった。ここで、酸化温度300℃と、酸化温度400℃、酸化温度600℃は、いずれも酸化タンタル若しくはタンタルの結晶構造を有するものである。これに対し、酸化温度500℃は、いずれの結晶構造を有さないアモルファス型の酸化タンタルが表面層25として形成されている。
According to this, when the
係る結果から、酸化タンタルを表面層25に形成した場合、結晶構造をとらないアモルファス型の酸化タンタルの場合がもっともオゾン生成電流効率が高いことがわかる。
From these results, it can be seen that when tantalum oxide is formed on the
また、表面層25を酸化タングステンにて構成した場合、酸化温度300℃では、オゾン生成電流効率が6.1%程度、酸化温度400℃では、2.4%程度、酸化温度500℃では、3.6%程度、酸化温度300℃では、4.2%程度であった。ここで、酸化温度400℃、酸化温度500℃、酸化温度600℃は、いずれも酸化タングステンの結晶構造を有するものである。これに対し、酸化温度300℃は、いずれの結晶構造を有さないアモルファス型の酸化タングステンが表面層25として形成されている。
When the
係る結果から、酸化タングステンを表面層25に形成した場合、結晶構造をとらないアモルファス型の酸化タングステンの場合がもっともオゾン生成電流効率が高いことがわかる。
From these results, it can be seen that when tungsten oxide is formed on the
次に、本発明の実施例3の電解用電極について説明する。なお、係る実施例により得られる電解用電極31の製造方法は、上記実施例1における図2のフローチャートと同様であり、概略構成図も図1と略同様であるため、詳細な製造方法の説明は省略する。 Next, an electrode for electrolysis according to Example 3 of the present invention will be described. In addition, since the manufacturing method of the electrode 31 for electrolysis obtained by the Example concerned is the same as that of the flowchart of FIG. 2 in the said Example 1, and a schematic block diagram is also substantially the same as FIG. 1, description of a detailed manufacturing method Is omitted.
即ち、当該実施例における電解用電極は、上記各実施例と同様に基体を構成するシリコンの表面にスパッタ法により密着層3を酸化チタンにより構成し、密着層3の表面にスパッタ法により中間層4を白金により構成する。 That is, in the electrode for electrolysis in this example, the adhesion layer 3 is composed of titanium oxide on the surface of silicon constituting the substrate by sputtering as in the above examples, and the intermediate layer is formed on the surface of the adhesion layer 3 by sputtering. 4 is made of platinum.
次に、中間層4が形成された基体2の表面に表面層5を形成する。係る実施例では、表面層5は、スピンコート法を用いて形成するため、表面層構成材としての有機タンタル化合物溶液を中間層4が形成された基体2の表面に塗布する。本実施例では、表面層5は、酸化タンタルにより構成するため、本実施例では、Ta(OEt)5溶液を用いる。なお、本実施例でTa(OEt)5溶液の溶媒としては酢酸エチルを用いる。尚、本実施例では、表面層構成材としてTa(OEt)5溶液を用いているがこれに限定されるものではなく、タンタルを含む化合物であって、焼成によりタンタル以外の物質を除去し、酸化タンタルによる成膜が可能な物質であれば良いものとする。また、本実施例では、溶媒として酢酸エチルを用いているが、これに限定されるものではなく、アルコール系などの他の溶媒を用いてもよい。
Next, the surface layer 5 is formed on the surface of the
そして、中間層4が形成された基体2の表面に上記表面層構成材を滴下し、スピンコート法により、薄膜を形成する。係る実施例におけるスピンコート法における条件は、上記実施例1と同様に1000rpmで5秒間、3000rpmで15秒間とする。その後、室温及び200℃環境下において各10分間乾燥を行う。
And the said surface layer constituent material is dripped at the surface of the base |
その後、当該中間層4及び表面層5が形成された基体2は、マッフル炉において400℃乃至700℃、大気雰囲気中にて10分、焼成(アニール)が実行され、電解用電極が得られる。これにより、中間層4の表面に塗布された表面層構成材は、均一に酸化タンタルとされる。
Thereafter, the
上述した如く得られる電解用電極1の表面層5は、すべて酸化タンタルとされている。即ち、表面層構成材は、タンタルを含む化合物、例えば上述したように、焼成されることによって、タンタル以外の物質、即ち、有機物により構成される官能基などは、除去される。他方、タンタルは、雰囲気中の酸素と反応し、酸化タンタルとなる。
The surface layer 5 of the
図11は上述により得られた電解用電極1のX線回折パターン(表面層5が酸化タンタルのもの)を示している。上記各実施例と同様に、X線回折を用いることで、表面層5を構成する酸化タンタルの結晶構造を解析することが可能となる。係る実施例においても、X線回折装置(Bruker AXS社製 D8 Discover)を用いて観測を行った。
FIG. 11 shows an X-ray diffraction pattern (surface layer 5 is made of tantalum oxide) of the
図11では、上から順に700℃、600℃、500℃、400℃にて焼成された電極1のX線回折パターンを示している。これによると、焼成温度700℃及び600℃の電極1は、酸化タンタル(Ta2O5)特有の回折ピーク(図11にて黒丸にて示すピーク)がみられる。そのため、当該条件では、表面層5は、結晶性の酸化タンタル(Ta2O5)が形成されていることがわかる。
FIG. 11 shows X-ray diffraction patterns of the
これに対し、焼成温度500℃及び400℃の電極1は、上述したような酸化タンタル(Ta2O5)特有の回折ピークはみられず、アモルファス状態(非晶質)であることを示すハローがみられる。そのため、当該条件では、表面層5は、アモルファス型の酸化タンタルが形成されていることがわかる。
(各電解用電極による電解方法及びその評価)
次に、上述した如く製造された電解用電極1を用いた電解によるオゾンの生成について図12を参照して説明する。図12は各条件により作成された電解用電極を用いた場合のオゾン生成電流効率を示す図である。なお、当該実験結果は、上記実施例における電解装置10を用いて得られてものであり、当該装置の構成、実験条件については上記と同様であるため説明を省略する。
On the other hand, the
(Electrolysis method using each electrode for electrolysis and its evaluation)
Next, generation of ozone by electrolysis using the
これによると、焼成温度400℃では、オゾン生成電流効率が7.0%程度、焼成温度500℃では、12.0%程度、焼成温度600℃では、6.1%程度、焼成温度700℃では、4.6%程度であった。ここで、焼成温度600℃と、焼成温度700℃は、いずれも酸化タンタルの結晶構造を有するものである。これに対し、焼成温度500℃及び焼成温度400℃は、いずれの結晶構造を有さないアモルファス型の酸化タンタルが表面層5として形成されている。 According to this, at a firing temperature of 400 ° C, the ozone generation current efficiency is about 7.0%, at a firing temperature of 500 ° C, about 12.0%, at a firing temperature of 600 ° C, about 6.1%, and at a firing temperature of 700 ° C. It was about 4.6%. Here, the firing temperature of 600 ° C. and the firing temperature of 700 ° C. both have a tantalum oxide crystal structure. On the other hand, at the firing temperature of 500 ° C. and the firing temperature of 400 ° C., amorphous tantalum oxide having no crystal structure is formed as the surface layer 5.
係る結果から、酸化タンタルを表面層5に形成した場合、結晶構造をとらないアモルファス型の酸化タンタルの場合が結晶構造をとる酸化タンタルが表面層5を形成した場合に比べて、オゾン生成電流効率が高いことがわかる。 From this result, when tantalum oxide is formed on the surface layer 5, the ozone generation current efficiency is higher in the case of amorphous tantalum oxide that does not have a crystal structure than in the case where tantalum oxide having a crystal structure forms the surface layer 5. Is high.
上記実施例2及び実施例3における実験結果より、いずれも電解用電極をアノードとして電解質溶液を電解することによっても、電解質溶液中にオゾンを生成することが可能となるが、表面層5(25)がアモルファス型の酸化タンタルや、アモルファス型の酸化タングステンにて形成されている場合には、結晶性の酸化タンタルや酸化タングステンにて表面層が形成されている場合と比してオゾン生成効率が高いことが分かる。 From the experimental results in Example 2 and Example 3, it is possible to generate ozone in the electrolyte solution by electrolyzing the electrolyte solution using the electrode for electrolysis as an anode, but the surface layer 5 (25 ) Is formed of amorphous tantalum oxide or amorphous tungsten oxide, the ozone generation efficiency is higher than when the surface layer is formed of crystalline tantalum oxide or tungsten oxide. I understand that it is expensive.
これは、当該アモルファス型の酸化タンタルや酸化タングステンによる薄膜に形成されているため、表面層中の不純物準位を介して、或いは、Fowler−Nordheimトンネルにより電子が導電性材料にて構成される中間層にまで移動すると考えられる。 This is because the amorphous type tantalum oxide or tungsten oxide is formed into a thin film, so that electrons are formed of a conductive material through impurity levels in the surface layer or by a Fowler-Nordheim tunnel. It is thought that it moves to the layer.
また、通常、金属電極を電解用電極として使用した場合、アノードにおける電極反応は、フェルミ準位直上の空の準位が電解質から電子を受け取ることにより、優先的に酸素生成反応を生起する。また、表面層を結晶化した金属酸化物により構成した場合、結晶と結晶との間の粒界に金属が偏析し、電流が流れてしまうので、この場合も、アノードにおける電極反応は、フェルミ準位直上の空の準位が電解質から電子を受け取ることにより、優先的に酸素生成反応を生起する。 In general, when a metal electrode is used as an electrode for electrolysis, an electrode reaction at the anode preferentially causes an oxygen generation reaction when an empty level immediately above the Fermi level receives electrons from the electrolyte. In addition, when the surface layer is composed of crystallized metal oxide, the metal segregates at the grain boundary between the crystals and current flows, so in this case as well, the electrode reaction at the anode is the Fermi level. An empty level immediately above the position receives electrons from the electrolyte, so that an oxygen generation reaction occurs preferentially.
これに対し、上記各実施例のように表面層を形成した電解用電極を使用した場合、表面層がアモルファス型の酸化タンタルや酸化タングステン等のアモルファス型の金属酸化物により構成されているため、フェルミ準位よりバンドギャップの半分程度高いエネルギーレベルにある導電体の底付近の空の準位が電解質から電子を受け取ることにより、当該電子は、上記よりも酸素生成反応が抑制され、代わりにオゾン生成反応がより効率的に生起する。 On the other hand, when an electrode for electrolysis having a surface layer formed as in each of the above examples is used, the surface layer is composed of an amorphous metal oxide such as amorphous tantalum oxide or tungsten oxide. The empty level near the bottom of the conductor, which is at an energy level about half the band gap higher than the Fermi level, receives electrons from the electrolyte, so that the oxygen generation reaction is suppressed more than the above, and ozone instead The production reaction takes place more efficiently.
そのため、上記各実施例に示すような電解用電極をアノードとして使用した場合、白金等の電解用電極や結晶化したタンタル酸化物(結晶化した金属酸化物)により表面層が形成されている電解用電極を使用した場合に比して、より高いエネルギーレベルでの電子の移動が起こってオゾン生成反応を生起するためにオゾンの生成効率が上昇するものと考えられる。 Therefore, when the electrode for electrolysis as shown in each of the above examples is used as an anode, the surface layer is formed of an electrode for electrolysis such as platinum or crystallized tantalum oxide (crystallized metal oxide). Compared to the case where the electrode for use is used, it is considered that the efficiency of ozone generation is increased because the movement of electrons at a higher energy level occurs and the ozone generation reaction occurs.
これにより、電解用電極1に所定の低電流密度、0.1mA/cm2乃至2000mA/cm2、望ましくは、1mA/cm2乃至1000mA/cm2の電流が印加されることで、高効率にてオゾンを生成させることが可能となる。また、電解質溶液の温度が格別に低温とすることなく、本実施例の如く+15℃などのように常温である場合であっても、高効率にてオゾンを生成させることが可能となる。そのため、オゾン生成に要する消費電力量の低減を図ることが可能となる。
As a result, a predetermined low current density of 0.1 mA /
また、このように、高効率にてオゾン生成を実現することができる電極1の表面層5は、スパッタ法により形成可能とされるのみ成らず、上述したようにスピンコート法によっても形成することができるため、より一層、生産性を向上させることができると共に、安価な製造コストにて電解用電極を製造することが可能となり、設備の低廉化を図ることが可能となる。
In addition, the surface layer 5 of the
更に、上述した如く各実施例では、シリコンにて構成される基体2に、少なくとも難酸化性の金属、又は、導電性を有する金属酸化物、若しくは、酸化しても導電性を有する金属のいずれかを含む中間層4を形成し、更に当該中間層4の表面に上述した如き表面層5を構成することで電解用電極1を形成しているため、効果的に電子が表面層5内を移動することが可能となる。そのため、表面層5の表面において、高いエネルギーレベルで電極反応を生起することができ、より低い電流密度において効率的にオゾンを生成することが可能となる。
Furthermore, as described above, in each of the embodiments, the
なお、基体2を中間層4と同様の材料、即ち、少なくとも難酸化性の金属、又は、導電性を有する金属酸化物、若しくは、酸化しても導電性を有する金属のいずれかを含む材料にて構成する場合には、格別に中間層4を形成しなくても同様にオゾンを効率的に生成することができる電極を構成することができる。ただし、本発明の如く基体2に上記材料にて構成される中間層4を被覆形成することにより、同様に効率的にオゾンを生成することができる電極1を低廉な生産コストにて実現することが可能となる。
The
また、上記各実施例において示される本願発明の電解用電極は、上記電解装置10に示されるものに限定されるものではなく、例えば、図13に示すような電解ユニット26のアノードとして用いてもよい。
Moreover, the electrode for electrolysis of the present invention shown in each of the above embodiments is not limited to that shown in the
即ち、図13に示す如き電解ユニット26は、アノードを構成する上記各実施例において示される電解用電極1又は21と、上記カソードを構成する電極28と、陽イオン交換膜29とから構成される。
That is, the
電極1(又は21。アノード)及び電極28(カソード)は、それぞれ通水性を確保するための複数の通水孔27A及び28Aがそれぞれ形成されている。そして、これら電極1及び28は、陽イオン交換膜(本実施例では、デュポン社製Nafion(商品名)を使用)29の両面に配設されて、電解ユニット26が構成される。
The electrode 1 (or 21. anode) and the electrode 28 (cathode) are respectively formed with a plurality of
係る構成により、電解質溶液を貯留した処理槽内に当該電解ユニット26を浸漬し、両電極1、28間に所定電流密度の定電流を印加する。これにより、電極1と、陽イオン交換膜29と電極28との間に適切なゼロギャップを維持し、陽イオン交換膜29をプロトンが移動することで、電解質溶液が純水であっても、効率的にオゾンを生成することが可能となる。また、通水孔27A、28Aより生成される気体の通過を許容することで、安定したオゾン生成を実現することが可能となる。
With this configuration, the
1、21 電解用電極(アノード)
2、22 基体
3、23 密着層
4、24 中間層
5、25 表面層
6 チタン板(電気伝導部)
7 銀ペースト
8 シール材
10 電解装置
11 処理槽
12、28 電極(カソード)
13 模擬水道水
14、29 陽イオン交換膜
15 電源
26 電解ユニット
27A、28A 通水孔
1,21 Electrode for electrolysis (anode)
2, 22
7
13
Claims (7)
前記表面層は、アモルファスの絶縁体であることを特徴とする電解用電極。 An electrode for electrolysis comprising a substrate and a surface layer formed on the surface of the substrate,
The electrode for electrolysis, wherein the surface layer is an amorphous insulator.
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