JP2011174164A - Electrolyzing electrode, and method for manufacturing the same - Google Patents

Electrolyzing electrode, and method for manufacturing the same Download PDF

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和博 金田
Haruhiko Suzuki
晴彦 鈴木
Atsushi Yamada
淳 山田
Masahiro Izeki
正博 井関
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electrolyzing electrode capable of generating ozone with high efficiency by electrolysis of water at the low current density. <P>SOLUTION: The electrolyzing electrode 1 includes a base body 2 and a surface layer 4 formed on the base body 2. The surface layer 4 of the electrolyzing electrode 1 is formed of an amorphous dielectric substance, such as niobium oxide. By setting the amount of supported niobium to be ≥2 μmol/cm<SP>2</SP>and ≤16 μmol/cm<SP>2</SP>, ozone is efficiently generated by the electrolysis of electrolyte solution with the low current density with the electrode being used for an anode. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

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、及びその電極の製造方法に関するものである。   The present invention relates to an electrode for electrolysis used in an industrial or consumer electrolysis process, and a method for producing the electrode.

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。   Patent Document 1 discloses an ozone water generating device that includes ozone generating means for generating ozone gas by an ultraviolet lamp and a tank for storing water, and generates ozone water by supplying the generated ozone gas to water in the tank. Has been. Patent Document 2 discloses an ozone water generator that mixes ozone gas and water generated by a discharge-type ozone gas generator at a predetermined ratio with a mixing pump in order to efficiently dissolve ozone gas in water. Yes.

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 the discharge type 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 an ozone gas generation device or an 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。   Patent Document 4 discloses that ozone is generated by electrolytic treatment of simulated tap water as an electrolyte solution with an electrode for electrolysis having a surface layer made of a dielectric such as tantalum oxide.

特開平11−77060号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-77060 特開平11−333475号公報JP-A-11-333475 特開2002−80986号公報JP 2002-80986 A 特開2007−016303号公報JP 2007-016303 A

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。係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。更に、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。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。 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. In the method for generating ozone water, platinum group elements are standard anode materials and are hardly dissolved in an aqueous solution containing no organic matter. However, the ozone generation efficiency is low as an electrode for generating ozone. It is difficult to generate ozone water by an efficient electrolysis method. Furthermore, in the conventional ozone water generation by the electrolytic method using the 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. In addition, when lead dioxide is used, there is a problem that it is toxic.

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、表面層の膜厚依存性や、当該層を構成する物質の結晶性によってオゾン生成効率にバラツキが生じていた。そのため、オゾン生成における電流効率の向上が望まれていた。   Further, even when the electrode for electrolysis disclosed in Patent Document 4 as described above is used, ozone is generated, but the ozone depends on the film thickness dependence of the surface layer and the crystallinity of the substance constituting the layer. There was variation in production efficiency. Therefore, improvement in current efficiency in ozone generation 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.

上記課題を解決するために、請求項1の発明は、基体と、この基体に構成された表面層を備えて成る電解用電極であって、表面層は、非晶質の誘電体であることを特徴とする。   In order to solve the above problems, the invention of claim 1 is an electrode for electrolysis comprising a substrate and a surface layer formed on the substrate, and the surface layer is an amorphous dielectric. It is characterized by.

請求項2の発明は、請求項1の発明において、誘電体は、金属酸化物であり、且つ、金属元素の担持量が2μmol/cm2以上16μmol/cm2以下であることを特徴とする。 According to a second aspect of the invention, in the invention of claim 1, the dielectric is a metal oxide, and, wherein the supported amount of the metal element is 2 [mu] mol / cm 2 or more 16μmol / cm 2 or less.

請求項3の発明は、請求項2の発明において、金属酸化物を構成する金属は、周期律表3族、4族、若しくは5族の元素であることを特徴とする。   A third aspect of the invention is characterized in that, in the second aspect of the invention, the metal constituting the metal oxide is an element of Group 3, 4, or 5 of the periodic table.

請求項4の発明は、請求項2又は請求項3の発明において、金属酸化物を構成する金属は、ニオブ、若しくは、タンタルであることを特徴とする。   The invention of claim 4 is characterized in that, in the invention of claim 2 or claim 3, the metal constituting the metal oxide is niobium or tantalum.

請求項5の発明は、請求項4の発明において、金属酸化物を構成する金属は、タンタルであって、且つ、誘電体は、貴金属を含み、当該貴金属の卑金属に対する割合が0より大きく20%以下であることを特徴とする。   The invention of claim 5 is the invention of claim 4, wherein the metal constituting the metal oxide is tantalum, and the dielectric contains a noble metal, and the ratio of the noble metal to the base metal is greater than 0 and 20%. It is characterized by the following.

請求項6の発明は、請求項5の発明において、貴金属は、白金、金、イリジウムであることを特徴とする。   The invention of claim 6 is the invention of claim 5, wherein the noble metal is platinum, gold or iridium.

請求項7の発明は、請求項1乃至請求項6の何れかの発明において、基体には、表面層の内側に位置して、基体の表面に形成され、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が形成されていることを特徴とする。   The invention of claim 7 is the invention according to any one of claims 1 to 6, wherein the substrate is located on the inner surface of the surface layer and formed on the surface of the substrate, and at least a hardly oxidizable metal, or An intermediate layer including either a metal oxide having conductivity or a metal having conductivity even when oxidized is formed.

請求項8の発明は、請求項7の発明において、中間層は、白金、金、イリジウム、酸化イリジウムにより構成されていることを特徴とする。   The invention of claim 8 is the invention of claim 7, wherein the intermediate layer is made of platinum, gold, iridium, or iridium oxide.

請求項9の発明は、基体と、当該基体に誘電体にて構成された表面層を備えて成るものであって、表面層は、少なくとも厚さの薄い薄領域と、厚さの厚い厚領域を備え、薄領域の厚さが0.2μm乃至2.5μmの範囲内であって、且つ、厚領域の厚さが5μm以上とする不均厚構成とされることを特徴とする。   The invention of claim 9 comprises a substrate and a surface layer made of a dielectric on the substrate, the surface layer comprising at least a thin region having a small thickness and a thick region having a large thickness. The thickness of the thin region is in the range of 0.2 μm to 2.5 μm, and the thickness of the thick region is 5 μm or more.

請求項10の発明は、請求項9の発明において、薄領域は、表面層の全体面積の20%乃至50%の範囲とすることを特徴とする。   The invention of claim 10 is characterized in that, in the invention of claim 9, the thin region is in the range of 20% to 50% of the entire area of the surface layer.

請求項11の発明は、請求項9又は請求項10の発明において、厚領域は、表面層の全体面積の20%乃至50%の範囲とすることを特徴とする。   The invention of claim 11 is characterized in that, in the invention of claim 9 or claim 10, the thickness region is in the range of 20% to 50% of the total area of the surface layer.

請求項12の発明は、請求項9乃至請求項11の何れかの発明において、誘電体は、非晶質のニオブ酸化物又は非晶質のタンタル酸化物であることを特徴とする。   According to a twelfth aspect of the present invention, in any of the ninth to eleventh aspects, the dielectric is an amorphous niobium oxide or an amorphous tantalum oxide.

請求項13の発明は、基体に表面層の原料を塗布した後、熱処理することにより非晶質の表面層を形成することを特徴とする。   According to a thirteenth aspect of the present invention, an amorphous surface layer is formed by applying a heat treatment after applying a surface layer material to a substrate.

請求項14の発明は、基体の表面に中間層の原料を塗布した後、熱処理することにより基体の表面に中間層を形成する第1のステップと、この第1のステップ後、中間層の表面に表面層の原料を塗布した後、熱処理することにより非晶質の表面層を形成する第2のステップを含むことを特徴とする。   According to the fourteenth aspect of the present invention, there is provided a first step of forming an intermediate layer on the surface of the substrate by applying an intermediate layer raw material to the surface of the substrate and then performing a heat treatment, and after the first step, the surface of the intermediate layer And a second step of forming an amorphous surface layer by applying a heat treatment after coating the surface layer material.

請求項15の発明は、請求項13又は請求項14の発明において、表面層を、非晶質のニオブ酸化物、又は、非晶質のタンタル酸化物としたことを特徴とする。   The invention of claim 15 is characterized in that, in the invention of claim 13 or claim 14, the surface layer is made of amorphous niobium oxide or amorphous tantalum oxide.

請求項16の発明は、請求項13乃至請求項15の何れかの発明において、表面層は、ニオブ酸化物であって、且つ、熱処理における熱処理温度を、300℃乃至500℃としたことを特徴とする。   The invention of claim 16 is the invention of any one of claims 13 to 15, wherein the surface layer is a niobium oxide, and the heat treatment temperature in the heat treatment is 300 ° C. to 500 ° C. And

請求項17の発明は、請求項13乃至請求項15の何れかの発明において、表面層は、タンタル酸化物であって、且つ、熱処理における熱処理温度を、450℃乃至600℃としたことを特徴とする。   The invention according to claim 17 is the invention according to any one of claims 13 to 15, wherein the surface layer is made of tantalum oxide, and the heat treatment temperature in the heat treatment is 450 ° C. to 600 ° C. And

請求項18の発明は、請求項13乃至請求項17の何れかの発明において、基体に表面層の原料を塗布した後、熱処理する工程を15回乃至50回繰り返して表面層を形成することを特徴とする。   According to an eighteenth aspect of the invention, in any of the thirteenth to seventeenth aspects of the invention, the surface layer is formed by repeating the heat treatment step 15 to 50 times after the surface layer material is applied to the substrate. Features.

請求項19の発明は、請求項13乃至請求項18の何れかの発明において、表面層の原料は、有機金属を含むことを特徴とする。   According to a nineteenth aspect of the present invention, in any one of the thirteenth to eighteenth aspects, the raw material of the surface layer contains an organic metal.

請求項1の発明によれば、基体と、この基体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、非晶質の誘電体であるので、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 first aspect of the present invention, in the electrode for electrolysis comprising the substrate and the surface layer formed on the substrate, the surface layer is an amorphous dielectric, so that the electrode is used as an anode. Ozone can be efficiently generated by electrolysis of the electrolyte solution with a low current density.

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、上記に加えて、誘電体は、金属酸化物であり、且つ、金属元素の担持量が2μmol/cm2以上16μmol/cm2以下であるので、高効率でオゾン生成することが可能となる。 According to the second aspect of the invention, in addition to the above, the dielectric is a metal oxide, and, since the loading amount of the metal element is at 2 [mu] mol / cm 2 or more 16μmol / cm 2 or less, the ozone at a high efficiency Can be generated.

請求項3の発明によれば、上記に加えて、金属酸化物を構成する金属は、周期律表3族、4族、若しくは5族の元素であり、特に請求項4の発明の如くニオブ、若しくは、タンタルであるので、高いオゾン生成効率を実現する電極を容易に構成することができる。また、ニオブ若しくはタンタルにて金属酸化物を構成することで、生産コストの低廉化を図ることができ、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 3, in addition to the above, the metal constituting the metal oxide is an element of Group 3, 4, or 5 of the periodic table, and particularly niobium as in the invention of claim 4, Or since it is a tantalum, the electrode which implement | achieves high ozone production | generation efficiency can be comprised easily. In addition, by forming the metal oxide with niobium or tantalum, the production cost can be reduced, and since no toxic substances such as lead dioxide are used, the environmental load can be reduced.

請求項5の発明によれば、上記に加えて、金属酸化物を構成する金属は、タンタルであって、且つ、誘電体は、請求項6の発明の如く白金、金、イリジウム等の貴金属を含み、当該貴金属の卑金属に対する割合が0より大きく20%以下であるので、オゾンの生成効率を低下させることなく、当該金属酸化物により表面層を構成する材料の安定性を図ることができる。   According to the invention of claim 5, in addition to the above, the metal constituting the metal oxide is tantalum, and the dielectric is a noble metal such as platinum, gold, iridium as in the invention of claim 6. In addition, since the ratio of the noble metal to the base metal is greater than 0 and 20% or less, the stability of the material constituting the surface layer can be achieved with the metal oxide without reducing the ozone generation efficiency.

請求項7の発明によれば、上記各発明に加えて、基体には、表面層の内側に位置して、基体の表面に形成され、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、例えば、請求項8の発明の如く白金、金、イリジウム、酸化イリジウムにより中間層が形成されているので、アノードでの電極反応における電子が効果的に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 claim 7, in addition to each of the above inventions, the substrate is located on the inner surface of the surface layer and formed on the surface of the substrate, and is at least a hardly oxidizable metal or a conductive metal. An intermediate layer containing either an oxide or a metal that has conductivity even when oxidized, for example, the intermediate layer is formed of platinum, gold, iridium, and iridium oxide as in the invention of claim 8. Electrons in the electrode reaction can be effectively moved in the surface layer. Therefore, an electrode reaction can occur at a high energy level on the surface of the surface layer. Thereby, ozone can be generated efficiently at a lower current density.

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. Further, the production cost can be reduced as compared with the case where the entire substrate is made of the material constituting the intermediate layer, and in such a case, ozone can be generated efficiently in the same manner. .

請求項9の発明によれば、基体と、当該基体に誘電体にて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、少なくとも厚さの薄い薄領域と、厚さの厚い厚領域を備え、薄領域の厚さが0.2μm乃至2.5μmの範囲内であって、且つ、厚領域の厚さが5μm以上とする不均厚構成とされるので、当該電極をアノードとして使用した電解質溶液の電気分解を行うことで、低電流密度にて効率的にオゾンを生成することができる。   According to the ninth aspect of the present invention, in the electrode for electrolysis comprising a base and a surface layer made of a dielectric on the base, the surface layer has at least a thin region having a small thickness and a thick thickness. Since the thickness region is provided, the thickness of the thin region is in the range of 0.2 μm to 2.5 μm, and the thickness of the thick region is 5 μm or more, the electrode is an anode. By performing electrolysis of the electrolyte solution used as the ozone, ozone can be efficiently generated at a low current density.

特に、表面層は、厚さが0.2μm乃至2.5μmの範囲内とする薄領域を有することで、より高いエネルギーレベルでの電子の移動を生起させることができ、低い電流密度における高効率なオゾン生成を実現することができる。   In particular, the surface layer has a thin region with a thickness in the range of 0.2 μm to 2.5 μm, so that it is possible to cause electron transfer at a higher energy level, and high efficiency at a low current density. Ozone generation can be realized.

そして、上記薄領域と共に、表面層は、最さが5μm以上とする厚領域を有しているため、当該厚膜とされる厚領域によって薄領域の剥離を効果的に抑制し、当該電解用電極の耐久性の向上を図ることが可能となる。   In addition to the thin region, the surface layer has a thick region with a maximum thickness of 5 μm or more. The durability of the electrode can be improved.

請求項10の発明によれば、上記に加えて、薄領域は、表面層の全体面積の20%乃至50%の範囲とすること、更には、請求項11の発明の如くにより、厚領域は、表面層の全体面積の20%乃至50%の範囲とすることにより、その表面層の耐久性を確保しつつ、低電流密度による高効率なオゾン生成を実現することが可能となる。   According to the invention of claim 10, in addition to the above, the thin region is in the range of 20% to 50% of the entire area of the surface layer. Further, according to the invention of claim 11, the thick region is By setting the surface layer to a range of 20% to 50% of the entire area of the surface layer, it is possible to achieve highly efficient ozone generation with a low current density while ensuring the durability of the surface layer.

請求項12の発明によれば、上記各発明に加えて、誘電体は、非晶質のニオブ酸化物又は非晶質のタンタル酸化物であるので、高いオゾン生成効率を実現する電極を容易に構成することができる。また、ニオブ酸化物若しくはタンタル酸化物にて表面層を構成することで、生産コストの低廉化を図ることができ、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 12, in addition to the above inventions, since the dielectric is an amorphous niobium oxide or an amorphous tantalum oxide, an electrode that realizes high ozone generation efficiency can be easily formed. Can be configured. In addition, the surface layer is made of niobium oxide or tantalum oxide, so that the production cost can be reduced, and no toxic substances such as lead dioxide are used, thereby reducing the environmental burden. it can.

また、表面層を構成する誘電体は、ニオブ酸化物又はタンタル酸化物の非晶質であることから、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。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。   In addition, since the dielectric constituting the surface layer is amorphous niobium oxide or tantalum oxide, the current of the electrolyte solution is not particularly low as in the prior art, and a high current density is required. And not. Therefore, it is possible to reduce the power consumption required for ozone generation.

請求項13の発明の電解用電極の製造方法によれば、基体に表面層の原料を塗布した後、熱処理することにより非晶質の表面層を形成することにより、製造された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 method for manufacturing an electrode for electrolysis of the invention of claim 13, after the surface layer material is applied to the substrate, an amorphous surface layer is formed by heat treatment, so that the manufactured electrode is used as an anode. Ozone can be efficiently generated by electrolysis of the electrolyte solution with the low current density used.

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14の発明によれば、基体の表面に中間層の原料を塗布した後、熱処理することにより基体の表面に中間層を形成する第1のステップと、この第1のステップ後、中間層の表面に表面層の原料を塗布した後、熱処理することにより非晶質の表面層を形成する第2のステップを含むことにより、製造された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 fourteenth aspect of the present invention, the first step of forming the intermediate layer on the surface of the substrate by applying a heat treatment to the surface of the substrate and then heat-treating the intermediate layer is performed after the first step. A second step of forming an amorphous surface layer by applying a heat treatment after applying the surface layer raw material to the surface of the electrode, and thereby providing an electrolyte solution with a low current density using the manufactured electrode as an anode. Ozone can be generated efficiently by electrolysis.

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.

また、基体の表面には、適切な厚さ、適切な量で、中間層を形成することができると共に、密着性の高い中間層を形成することができる。また、電極に必要な耐久性に合わせた中間層の厚さを容易に得ることができるため、中間層の原料の使用量を適量にすることができ、無駄な使用を低減することができる。   In addition, an intermediate layer can be formed on the surface of the substrate with an appropriate thickness and an appropriate amount, and an intermediate layer with high adhesion can be formed. Moreover, since the thickness of the intermediate layer suitable for the durability required for the electrode can be easily obtained, the amount of the raw material used for the intermediate layer can be made appropriate, and wasteful use can be reduced.

更に、中間層の表面に適切な厚さ、適切な量で、表面層を形成することができると共に、密着性の高い表面層を形成することができる。   Furthermore, a surface layer can be formed on the surface of the intermediate layer with an appropriate thickness and an appropriate amount, and a surface layer with high adhesion can be formed.

請求項15の発明によれば、上記各発明において、表面層を、非晶質のニオブ酸化物、又は、非晶質のタンタル酸化物としたことにより、高いオゾン生成効率を実現する電極を容易に製造することができる。また、非晶質のニオブ酸化物、又は、非晶質のタンタル酸化物により表面層を構成することで、生産コストの低廉化を図ることができ、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 15, in each of the above inventions, the surface layer is made of amorphous niobium oxide or amorphous tantalum oxide, so that an electrode realizing high ozone generation efficiency can be easily obtained. Can be manufactured. In addition, because the surface layer is composed of amorphous niobium oxide or amorphous tantalum oxide, the production cost can be reduced and no toxic substances such as lead dioxide are used. , Environmental load can be reduced.

請求項16の発明によれば、上記各発明において、表面層がニオブ酸化物である場合、熱処理における熱処理温度を、300℃乃至500℃としたことにより、結晶化しない状態の非晶質のニオブ酸化物にて表面層を構成することが可能となる。また、請求項17の発明によれば、表面層がタンタル酸化物である場合、熱処理における熱処理温度を、450℃乃至600℃としたことにより、結晶化しない状態の非晶質のタンタル酸化物にて表面層を構成することが可能となる。   According to the invention of claim 16, in each of the above inventions, when the surface layer is a niobium oxide, the heat treatment temperature in the heat treatment is set to 300 ° C. to 500 ° C. It becomes possible to form the surface layer with an oxide. According to the invention of claim 17, when the surface layer is made of tantalum oxide, the heat treatment temperature in the heat treatment is set to 450 ° C. to 600 ° C. Thus, the surface layer can be configured.

請求項18の発明によれば、上記各発明において、基体に表面層の原料を塗布した後、熱処理する工程を15回乃至50回繰り返して表面層を形成することにより、基体に所定厚さの表面層を形成することができる。これにより、低電流密度による高効率なオゾン生成を実現することが可能となる。   According to the invention of claim 18, in each of the above-described inventions, the surface layer is formed by repeating the heat treatment step 15 to 50 times after applying the surface layer raw material to the substrate. A surface layer can be formed. This makes it possible to realize highly efficient ozone generation with a low current density.

請求項19の発明によれば、上記各発明において、表面層の原料は、有機金属を含むことにより、基体への表面層の形成を容易とすることができる。   According to the invention of claim 19, in each of the above-mentioned inventions, the surface layer material can easily form the surface layer on the substrate by containing an organic metal.

本発明を適用した実施例としての電解用電極の平断面図である。It is a plane sectional view of the electrode for electrolysis as an example to which the present invention is applied. 電解用電極の製造方法を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the manufacturing method of the electrode for electrolysis. 各条件により作製された電解用電極の表面層のX線回折パターンを示す図である。It is a figure which shows the X-ray-diffraction pattern of the surface layer of the electrode for electrolysis produced by each conditions. 電解用電極を適用した電解装置の概略説明図である。It is a schematic explanatory drawing of the electrolysis apparatus to which the electrode for electrolysis is applied. 各焼成温度に対するオゾン生成量を示す図である。It is a figure which shows the ozone production amount with respect to each baking temperature. 各焼成温度に対する電流効率を示す図である。It is a figure which shows the current efficiency with respect to each baking temperature. 各ニオブ担持量に対するオゾン生成濃度を示す図である。It is a figure which shows the ozone production | generation density | concentration with respect to each niobium carrying amount. 表面層の原料の塗布回数に対するオゾン生成濃度を示す図である。It is a figure which shows the ozone generation density with respect to the frequency | count of application | coating of the raw material of a surface layer. 電解用電極の断面SEM写真である。It is a cross-sectional SEM photograph of the electrode for electrolysis. 非晶質のタンタル酸化物により表面層が形成された電解用電極のX線回折パターンを示す図である。It is a figure which shows the X-ray-diffraction pattern of the electrode for electrolysis in which the surface layer was formed with the amorphous tantalum oxide. 各焼成温度に対するオゾン生成量を示す図である。It is a figure which shows the ozone production amount with respect to each baking temperature. 各Ptに対するTaの構成比率に対するオゾン生成濃度を示す図である。It is a figure which shows the ozone production | generation density | concentration with respect to the composition ratio of Ta with respect to each Pt. 各貴金属に対するNbの構成比率に対するオゾン生成濃度を示す図である。It is a figure which shows the ozone production | generation density | concentration with respect to the composition ratio of Nb with respect to each noble metal. 電解用電極の断面SEM写真である。It is a cross-sectional SEM photograph of the electrode for electrolysis.

以下に、本発明の電解用電極の好適な実施の形態として、実施例1及び実施例2を図面を参照して説明する。   Examples 1 and 2 will be described below with reference to the drawings as preferred embodiments of the electrode for electrolysis of the present invention.

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(導電性基体)2と、当該基体2の表面に形成される中間層3と、当該中間層3の表面に形成される表面層4とから構成される。   FIG. 1 is a plan sectional view of an electrode 1 for electrolysis according to the present invention. As shown in FIG. 1, an electrode for electrolysis 1 includes a base (conductive base) 2, an intermediate layer 3 formed on the surface of the base 2, and a surface layer 4 formed on the surface of the intermediate layer 3. Composed.

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種以上の合金などにより構成される。コストや加工性、耐食性などを考慮した場合、チタンが好適であり、本実施例では、基体2としてチタン板を用いる。   In the present invention, the substrate 2 is a conductive material such as platinum (Pt), valve metal such as titanium (Ti), tantalum (Ta), zirconium (Zr), niobium (Nb), or two or more of these valve metals. It is comprised by the alloy of this. In consideration of cost, workability, corrosion resistance, and the like, titanium is preferable. In this embodiment, a titanium plate is used as the substrate 2.

中間層3は、表面層4の内側に位置して形成されるものであり、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3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 3 is formed inside the surface layer 4 and 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, etc., or as a metal having conductivity even when oxidized, ruthenium (Ru), rhodium (Rh), palladium (Pd), iridium contained in platinum group elements (Ir) or silver (Ag). In addition, about a metal oxide, it is not limited to the thing by which the intermediate | middle layer 3 was comprised previously as an oxide, It shall also include what was oxidized by electrolysis and was made into the metal oxide.

但し、中間層3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3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 3 is made 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3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3を形成することが好ましい。   When the base 2 is made of platinum, the surface of the base 2 is naturally made of platinum, so that the intermediate layer 3 need not be specially formed. However, when the base 2 is made of platinum, the cost increases. Therefore, industrially, the base 2 is made of an inexpensive material, and the surface of the base 2 is made of a noble metal or the like. It is preferable to form the intermediate layer 3 to be formed.

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4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。   Further, if the base 2 is made of a non-conductive substance, for example, a glass plate, and the base 2 is at least a contact surface with the surface layer 4 described later is coated with a conductive material. For example, it is not limited to the said structure. This also makes it possible to suppress an increase in cost required for the material used for the structure of the base 2.

また、表面層4は、前記中間層3を被覆するものであって、非晶質(アモルファス。不定形)の誘電体である。誘電体は、金属的伝導性を示さない物質のことであり、本実施例において、周期律表3族、4族、若しくは5族の元素に相当する金属の酸化物、望ましくは、ニオブ(Nb)、タンタル(Ta)、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)の酸化物(金属酸化物)によって、中間層3が形成された基体2の表面(中間層3の表面)に層状に形成される。尚、この表面層4の厚さの詳細については後述する。   The surface layer 4 covers the intermediate layer 3 and is an amorphous dielectric material. The dielectric is a substance that does not exhibit metallic conductivity. In this embodiment, the dielectric is an oxide of a metal corresponding to an element of Group 3, 4, or 5 of the periodic table, preferably niobium (Nb). ), Tantalum (Ta), titanium (Ti), and zirconium (Zr) oxides (metal oxides) are formed in layers on the surface of the substrate 2 on which the intermediate layer 3 is formed (the surface of the intermediate layer 3). . The details of the thickness of the surface layer 4 will be described later.

なお、本実施例では、誘電体として非晶質の単一金属の酸化物として非晶質のニオブ酸化物(NbOx)や、タンタル酸化物(TaOx)を挙げているが、これに限定されるものではなく、誘電体である非晶質の複合金属酸化物であってもよい。   In this embodiment, amorphous niobium oxide (NbOx) or tantalum oxide (TaOx) is used as an amorphous single metal oxide as a dielectric, but the present invention is not limited to this. Instead, it may be an amorphous composite metal oxide that is a dielectric.

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としての電解用電極1の製造方法について説明する。先ず初めに、厚さ1mm、長さ80mm、幅20mmのチタン板を基体2として用い、この基体2の表面(長さ80mm、幅20mmとした面)を耐水研磨紙により研磨する(ステップS1)。尚、基体2の表面の片側のみに中間層3及び表面層4を被覆して、この表面層4を対極に対向させて電解の反応面として使用しても良いが、例えば、バイポーラ式の電解装置において採用する場合には、基体2の表面の両面、或いは、基体2の全面に中間層3及び表面層4を形成させても良い。この場合、基体2の表面の研磨及び以下で説明するエッチング、熱処理等の製造工程は、基体2の表面、或いは、全面に対して行うものとする。   Next, with reference to the flowchart of FIG. 2, the manufacturing method of the electrode 1 for electrolysis as Example 1 of this invention is demonstrated. First, a titanium plate having a thickness of 1 mm, a length of 80 mm, and a width of 20 mm is used as the substrate 2, and the surface of the substrate 2 (surface having a length of 80 mm and a width of 20 mm) is polished with water-resistant abrasive paper (step S 1). . The intermediate layer 3 and the surface layer 4 may be covered only on one side of the surface of the substrate 2, and the surface layer 4 may be used as an electrolysis reaction surface facing the counter electrode. When employed in the apparatus, the intermediate layer 3 and the surface layer 4 may be formed on both surfaces of the surface of the substrate 2 or on the entire surface of the substrate 2. In this case, the manufacturing process such as polishing of the surface of the substrate 2 and etching and heat treatment described below is performed on the surface of the substrate 2 or the entire surface.

また、上記基体2の表面の研磨は、当該基体2の表面に形成されている酸化皮膜を削除できればよいものであり、耐水研磨紙による方法だけでなく、サンドブラスト等同様の効果が得られる方法ならば、他の方法であっても良い。   Further, the polishing of the surface of the substrate 2 may be performed as long as the oxide film formed on the surface of the substrate 2 can be deleted. Not only a method using water-resistant abrasive paper, but also a method capable of obtaining similar effects such as sandblasting. For example, other methods may be used.

次に、表面を研磨した基体2を有機溶剤、本実施例では、アセトンにより脱脂し(ステップS2)、その後、濃度200g/Lの熱シュウ酸水溶液により所定の面粗さとなるまで、本実施例では3時間の化学エッチングを実行する(ステップS3)。尚、前記熱シュウ酸水溶液の代わりとして、例えば、熱硫酸、フッ酸などを用いても良い。   Next, the substrate 2 whose surface has been polished is degreased with an organic solvent, in this embodiment, acetone (step S2), and then the surface of the substrate 2 is made to have a predetermined surface roughness with a hot oxalic acid aqueous solution having a concentration of 200 g / L. Then, chemical etching for 3 hours is executed (step S3). In place of the hot oxalic acid aqueous solution, for example, hot sulfuric acid or hydrofluoric acid may be used.

化学エッチングにより表面が粗面化された基体2に、先ず、中間層3を形成する。本実施例では、白金により中間層3を形成するため、イソプロピルアルコールと2−エトキシエタノールの混合比がそれぞれ4:1となるように調整した溶媒に、白金濃度が50mg/Lとなる量の六塩化白金酸を溶解させて、中間層3の原料とする。   First, the intermediate layer 3 is formed on the substrate 2 whose surface is roughened by chemical etching. In the present example, since the intermediate layer 3 is formed of platinum, the solvent is adjusted so that the mixing ratio of isopropyl alcohol and 2-ethoxyethanol is 4: 1. Chloroplatinic acid is dissolved and used as the raw material for the intermediate layer 3.

そして、前記基体2の表面に上記中間層3の原料をヘラを用いて均一に塗布する(ステップS4)。尚、この中間層3の原料の塗布方法としては、上記の如きヘラで塗布する方法以外にも、前記中間層3の原料をスプレーにて基体2上に塗布する方法、或いは、前記中間層3の原料を容器内に収容し、この容器内に基体2を浸漬する方法、更には、基体2を回転させて遠心力により前記中間層3の原料を塗布する方法(スピンコート法)等で行っても良い。   And the raw material of the said intermediate | middle layer 3 is uniformly apply | coated to the surface of the said base | substrate 2 using a spatula (step S4). In addition to the method of applying the raw material of the intermediate layer 3 with the spatula as described above, the method of applying the raw material of the intermediate layer 3 onto the substrate 2 by spraying, or the intermediate layer 3 The material 2 is housed in a container, and the substrate 2 is immersed in the container, and further, the substrate 2 is rotated and the material for the intermediate layer 3 is applied by centrifugal force (spin coating method). May be.

表面に中間層3の原料が付着した基体2を、次に室温にて10分間乾燥し(ステップS5)、その後、150℃〜250℃の温度範囲、好適には、200℃にて10分間乾燥を行う(ステップS6)。更には、400℃〜550℃の温度範囲、好適には500℃にて10分間の熱処理(焼成)を実施する(ステップS7)。これにより、前記溶媒成分等が蒸発し、基体2の表面には白金で構成される中間層3が形成される。   The substrate 2 with the intermediate layer 3 material adhered to the surface is then dried at room temperature for 10 minutes (step S5), and then dried at a temperature range of 150 ° C. to 250 ° C., preferably at 200 ° C. for 10 minutes. (Step S6). Further, heat treatment (firing) is performed at a temperature range of 400 ° C. to 550 ° C., preferably 500 ° C. for 10 minutes (step S7). As a result, the solvent component and the like are evaporated, and an intermediate layer 3 made of platinum is formed on the surface of the substrate 2.

そして、上記中間層3が形成された基体2を室温にて10分間冷却し(ステップS8)、その後、図2に示すように、再び中間層3の原料の塗布(ステップS4)、室温乾燥(ステップS5)、200℃での熱処理(ステップS6)、500℃での熱処理(ステップS7)、室温冷却(ステップS8)の工程を、中間層3の厚さが所定の厚さとなるまで繰り返す(ステップS9)。尚、本実施例では、上記工程を10回繰り返し行うものとする。これらの工程を中間層3を作製する第1のステップとする。   And the base | substrate 2 with which the said intermediate | middle layer 3 was formed is cooled for 10 minutes at room temperature (step S8), Then, as shown in FIG. 2, application | coating of the raw material of the intermediate | middle layer 3 again (step S4), and room temperature drying ( Steps S5), heat treatment at 200 ° C. (Step S6), heat treatment at 500 ° C. (Step S7), and room temperature cooling (Step S8) are repeated until the thickness of the intermediate layer 3 reaches a predetermined thickness (Step S5). S9). In this embodiment, the above process is repeated 10 times. These processes are defined as a first step for producing the intermediate layer 3.

このように、中間層3の作製工程を複数回繰り返すことにより、一度で大量の中間層3の原料を基体2の表面に構成させた場合に比べて、基体2上に適切な厚さ、適切な量で白金を被覆させることができるようになる。また、密着性の高い中間層3を形成することができるようになり、電極自体の耐久性を向上させることができる。また、電極に必要な耐久性に合わせた中間層3の厚さを容易に得ることができるため、貴金属又は貴金属酸化物の使用量を適量とすることができ、無駄な貴金属及び貴金属酸化物の使用を低減することができる。   In this way, by repeating the production process of the intermediate layer 3 a plurality of times, an appropriate thickness on the substrate 2 and an appropriate thickness can be obtained as compared with the case where a large amount of the raw material of the intermediate layer 3 is formed on the surface of the substrate 2 at a time. It becomes possible to coat platinum with an appropriate amount. In addition, the intermediate layer 3 having high adhesion can be formed, and the durability of the electrode itself can be improved. In addition, since the thickness of the intermediate layer 3 matching the durability required for the electrode can be easily obtained, the amount of noble metal or noble metal oxide used can be made appropriate, and wasteful noble metals and noble metal oxides can be used. Use can be reduced.

その後、基体2の表面に形成した中間層3の表面に、誘電体により構成された表面層4を形成する。本実施例では、誘電体であるニオブ酸化物により表面層4を形成させるため、イソプロピルアルコールと2−エトキシエタノールの混合比がそれぞれ4:1となるように調整した溶媒に、ニオブ濃度が0.73mol/Lとなる量のニオブペンタエトキシドを溶解させて、表面層4の原料とする。   Thereafter, a surface layer 4 made of a dielectric is formed on the surface of the intermediate layer 3 formed on the surface of the substrate 2. In this embodiment, since the surface layer 4 is formed of niobium oxide, which is a dielectric, the niobium concentration is 0. 0 in a solvent adjusted so that the mixing ratio of isopropyl alcohol and 2-ethoxyethanol is 4: 1. Niobium pentaethoxide in an amount of 73 mol / L is dissolved to obtain a raw material for the surface layer 4.

ここで、ニオブペンタエトキシドは純度99%の試薬を用いる。また、高周波誘導結合発光分光分析装置(ICP発光分光分析装置)による分析によれば、不純物としてバリウム、カルシウム、ジルコニウム、アルミニウム、カドミウム、コバルト、クロム、銅、鉄、マグネシウム、マンガン、ニッケル、ストロンチウム、チタン、バナジウム、亜鉛、鉛、アンチモン、スズが含まれる。そのため、本実施例において用いるニオブペンタエトキシドは、1%以下程度の不純物を含んだものを用いる。また、焼成後にこれらの不純物は、空気中に飛散することはないため、表面層4のニオブ酸化物中には上記不純物が1%程度含まれている。しかし、これらの不純物が本実施例における表面層4の特性に影響を与えるものではない。   Here, a reagent having a purity of 99% is used for niobium pentaethoxide. Moreover, according to the analysis by the high frequency inductively coupled emission spectrometer (ICP emission spectrometer), as impurities, barium, calcium, zirconium, aluminum, cadmium, cobalt, chromium, copper, iron, magnesium, manganese, nickel, strontium, Titanium, vanadium, zinc, lead, antimony, tin are included. Therefore, niobium pentaethoxide used in this embodiment is one containing about 1% or less of impurities. Moreover, since these impurities do not scatter in the air after firing, the niobium oxide of the surface layer 4 contains about 1% of the impurities. However, these impurities do not affect the characteristics of the surface layer 4 in this embodiment.

尚、本実施例では、表面層4の原料として、ニオブのアルコキシドを採用しているが、これに限定されるものではなくカルボキシル基を含む有機金属であっても良い。これにより、表面層の原料として有機金属を含むものを採用することにより、基体2への表面層4の形成を容易とすることができる。   In this embodiment, niobium alkoxide is used as a raw material for the surface layer 4, but the present invention is not limited to this, and an organic metal containing a carboxyl group may be used. Thereby, the formation of the surface layer 4 on the substrate 2 can be facilitated by adopting a material containing an organic metal as a material for the surface layer.

そして、上述した中間層3を形成するための中間層3の原料の塗布方法と同様にヘラを用いて、基体2の表面上に形成した中間層3の表面に上記表面層4の原料を均一に塗布する(ステップS10)。尚、この表面層4の原料の塗布においても、中間層3の原料の塗布の場合と同様に、ヘラで塗布する方法以外に、表面層4の原料をスプレーにて塗布する方法、或いは、表面層4の原料を容器内に収容し、この容器内に中間層3が形成された基体2を浸漬する方法、更には、当該基体2を回転させて遠心力により前記表面層4の原料を塗布する方法(スピンコート法)などを行っても良い。   Then, the raw material of the surface layer 4 is uniformly applied to the surface of the intermediate layer 3 formed on the surface of the substrate 2 using a spatula in the same manner as the raw material application method of the intermediate layer 3 for forming the intermediate layer 3 described above. (Step S10). In addition, in the application of the raw material of the surface layer 4, as in the case of the application of the raw material of the intermediate layer 3, in addition to the method of applying with the spatula, The raw material of the layer 4 is accommodated in a container, and the substrate 2 on which the intermediate layer 3 is formed is immersed in the container. Further, the raw material of the surface layer 4 is applied by rotating the substrate 2 and centrifugal force. A method (spin coating method) or the like may be performed.

このように、中間層3の表面に表面層4の原料が付着した基体2には、上述した中間層3の形成のための作製工程と略同様な作製工程により表面層4の形成が行われる。   As described above, the surface layer 4 is formed on the substrate 2 having the surface layer 4 raw material attached to the surface of the intermediate layer 3 by a manufacturing process substantially similar to the manufacturing process for forming the intermediate layer 3 described above. .

即ち、上記中間層3の表面に表面層4の原料が塗布された基体2を室温にて10分間乾燥し(ステップS11)、その後、150℃〜250℃の温度範囲、好適には200℃で10分間の乾燥を行う(ステップS12)。そして、この表面層4の作製においては、300℃〜500℃の温度範囲にて10分間の熱処理(焼成)を行う(ステップS13)。これにより、基体2の表面に形成された中間層3の更に表面にニオブ酸化物により構成される表面層4が形成される。尚、当該熱処理(焼成)における温度についての詳細は後述する。   That is, the substrate 2 having the surface layer 4 coated on the surface of the intermediate layer 3 is dried at room temperature for 10 minutes (step S11), and then at a temperature range of 150 ° C. to 250 ° C., preferably 200 ° C. Drying for 10 minutes is performed (step S12). And in preparation of this surface layer 4, heat processing (baking) for 10 minutes is performed in the temperature range of 300 to 500 degreeC (step S13). Thereby, a surface layer 4 made of niobium oxide is formed on the surface of the intermediate layer 3 formed on the surface of the substrate 2. In addition, the detail about the temperature in the said heat processing (baking) is mentioned later.

そして、表面層4が形成された基体2を室温にて10分間冷却し(ステップS14)、その後、図2に示すように再び表面層4の原料の塗布(ステップS10)、室温乾燥(ステップS11)、200℃乾燥(ステップS12)、熱処理(焼成。ステップS13)、室温冷却(ステップS14)の工程を、表面層4の厚さが所定の厚さとなるまで繰り返す(ステップS15)。これにより、本実施例における電解用電極1が得られる。尚、本実施例では、上記工程を10回乃至50回繰り返し行うものとする。尚、当該表面層4の工程回数についての詳細は後述する。これらの工程を表面層4を作製する第2のステップと
する。

(1)電解用電極のX線回折分析
次に、上述により得られた電解用電極1の表面層4のX線回折分析を行い、当該表面層4の結晶構造の解析を行う。図3は、表面層4を形成する際の熱処理(ステップ13)の焼成温度を300℃、350℃、400℃、450℃、475℃、500℃、550℃、600℃の各条件として電解用電極1を構成した場合の各表面層4のX線回折パターンを示している。尚、各条件にて作製された電解用電極1の表面層4の上記工程回数は、いずれも25回と条件を統一する。
Then, the substrate 2 on which the surface layer 4 is formed is cooled at room temperature for 10 minutes (step S14), and then, as shown in FIG. 2, the material for the surface layer 4 is applied again (step S10) and dried at room temperature (step S11). ), 200 ° C. drying (step S12), heat treatment (firing. Step S13), and room temperature cooling (step S14) are repeated until the thickness of the surface layer 4 reaches a predetermined thickness (step S15). Thereby, the electrode 1 for electrolysis in a present Example is obtained. In this embodiment, the above process is repeated 10 to 50 times. In addition, the detail about the process frequency of the said surface layer 4 is mentioned later. These steps are defined as a second step for producing the surface layer 4.

(1) X-ray diffraction analysis of electrode for electrolysis Next, X-ray diffraction analysis of the surface layer 4 of the electrode 1 for electrolysis obtained as described above is performed, and the crystal structure of the surface layer 4 is analyzed. FIG. 3 shows that the firing temperature of the heat treatment (step 13) when forming the surface layer 4 is 300 ° C., 350 ° C., 400 ° C., 450 ° C., 475 ° C., 500 ° C., 550 ° C., 600 ° C. The X-ray diffraction pattern of each surface layer 4 when the electrode 1 is configured is shown. The number of steps of the surface layer 4 of the electrode 1 for electrolysis produced under each condition is the same as 25 times.

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4を形成するニオブ酸化物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。   In general, X-ray diffraction (XRD) is used for the analysis of the crystal structure, whereby the crystal structure of the niobium oxide forming the surface layer 4 can be analyzed. In this example, observation was performed using an X-ray diffractometer (D8 Discover manufactured by Bruker AXS).

これによると、焼成温度が500℃以上(500℃、550℃、600℃)として得られた電解用電極1の表面層4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、22.6°程度、28.5°程度、36.7°程度、50.8°程度、55.1°程度であった(図3で黒丸にて表示するピーク)。これらは、酸化ニオブ(Nb25)特有の回折ピーク(2θ)と一致するものであり、焼成温度500℃以上として得られた電解用電極1の表面層4のX線回折パターンには、存在しているが、焼成温度500℃未満(この場合、475℃、450℃、400℃、350℃、300℃)として得られた電解用電極1の表面層4のX線回折パターンには、存在していない。 According to this, each diffraction peak (2θ) shown in the X-ray diffraction pattern of the surface layer 4 of the electrode 1 for electrolysis obtained at a firing temperature of 500 ° C. or higher (500 ° C., 550 ° C., 600 ° C.) Even in the electrode 1 constituted by the firing temperature, they were about 22.6 °, about 28.5 °, about 36.7 °, about 50.8 °, and about 55.1 ° (see the black circles in FIG. 3). Peak to be displayed). These coincide with the diffraction peak (2θ) peculiar to niobium oxide (Nb 2 O 5 ), and the X-ray diffraction pattern of the surface layer 4 of the electrode 1 for electrolysis obtained at a firing temperature of 500 ° C. or higher is Although present, the X-ray diffraction pattern of the surface layer 4 of the electrode 1 for electrolysis obtained at a firing temperature of less than 500 ° C. (in this case, 475 ° C., 450 ° C., 400 ° C., 350 ° C., 300 ° C.) Does not exist.

従って、上述した如き本実施例の方法では、焼成温度を300℃以上500℃未満の温度範囲にて表面層4を形成する電解用電極1では、表面層4を形成するニオブ酸化物は、結晶構造を持たない非晶質、即ち、不定形、所謂アモルファスであることが分かる。   Therefore, in the method of the present embodiment as described above, in the electrode 1 for electrolysis that forms the surface layer 4 in a temperature range of 300 ° C. or more and less than 500 ° C., the niobium oxide that forms the surface layer 4 is crystalline. It can be seen that it is amorphous having no structure, that is, indefinite, so-called amorphous.

尚、本実施例では、表面層4をニオブペンタエトキシドを含む表面層の原料をへらを用いて(本実施例では中間層3表面)に均一に塗布し、所定温度にて焼成することにより、非晶質のニオブ酸化物を形成しているが、当該非晶質のニオブ酸化物により表面層4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 4 is uniformly coated on the surface layer 4 containing niobium pentaethoxide using a spatula (in this embodiment, the surface of the intermediate layer 3) and fired at a predetermined temperature. Although the amorphous niobium oxide is formed, the method of forming the surface layer 4 with the amorphous niobium oxide is not limited to this.

他の方法として、熱CVD法による表面層4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中間層3を形成した後、表面層の原料であるニオブを含む有機溶媒を気化し、適当なキャリアガスを用いて反応管へ導き、例えば300℃〜500℃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 4 by a thermal CVD method. In this thermal CVD method, the intermediate layer 3 is formed on the surface of the substrate 2 in the same manner as in the above embodiment, and then an organic solvent containing niobium as a raw material for the surface layer is vaporized, and a reaction tube is used using an appropriate carrier gas. For example, a chemical reaction is performed on the surface of the substrate 2 heated to 300 ° C. to 500 ° C., for example.

これにより、表面層の原料であるニオブを含む有機溶媒のニオブを除く物質、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、ニオブのみが雰囲気中の酸素と反応し、ニオブ酸化物として基体2(実際には中間層3)の表面に形成される。基体2の表面(中間層3の表面)に形成されたニオブ酸化物は、非晶質薄膜(ニオブ酸化物膜)を構成する。   As a result, a substance excluding niobium, which is an organic solvent containing niobium as a raw material for the surface layer, is removed on the surface of the substrate 2 heated to a high temperature, and only niobium reacts with oxygen in the atmosphere, thereby oxidizing niobium. As a product, it is formed on the surface of the substrate 2 (actually the intermediate layer 3). The niobium oxide formed on the surface of the substrate 2 (the surface of the intermediate layer 3) constitutes an amorphous thin film (niobium oxide film).

尚、非晶質のニオブ酸化物により表面層4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。

(2)オゾン生成の電流効率の焼成温度依存性
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の焼成温度の依存性について図4乃至図6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は各焼成温度に対するオゾン生成量を示す図、図6は各焼成温度に対する電流効率を示す図である。
In addition, as a method for forming the surface layer 4 from amorphous niobium oxide, for example, there is a dipping method.

(2) Calcination Temperature Dependence of Current Efficiency of Ozone Generation Next, the dependency of the calcination temperature on the generation of ozone by electrolysis using the electrode 1 for electrolysis manufactured as described above will be described with reference to FIGS. explain. FIG. 4 is a schematic explanatory diagram of the electrolysis apparatus 10 to which the electrode 1 for electrolysis is applied, FIG. 5 is a diagram showing the amount of ozone generated at each firing temperature, and FIG. 6 is a diagram showing current efficiency at each firing temperature.

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 electrolysis apparatus 10 includes a treatment tank 11, an electrode 1 for electrolysis as an anode as described above, an electrode 12 as a cathode, and a power source 15 that applies a direct current to the electrodes 1 and 12. Then, a cation exchange membrane (diaphragm: Nafion manufactured by DuPont, which is located between the electrodes 1 and 12 and partitioned into one region where the electrode 1 exists in the treatment tank 11 and the other region where the electrode 12 exists) Name)) 14 is provided. Further, a stirring device 16 is provided in a region where the electrode 1 for electrolysis as an anode is immersed.

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、他の水系電解質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 treatment tank 11, simulated tap water 13 as an electrolyte solution is stored. In the experiment in this example, simulated tap water is used as the electrolyte solution. However, by providing a cation exchange membrane, substantially the same effect can be obtained even when other aqueous electrolytes are treated. It is done. The electrolyte solution used in the experiment is an aqueous solution that simulates tap water. The component composition of the simulated tap water 23 is 5.75 ppm for Na + , 10.02 ppm for Ca 2+ , and 6 for Mg 2+. 0.08 ppm, K + is 0.98 ppm, Cl is 17.75 ppm, SO 4 2− is 24.5 ppm, and CO 3 2− is 16.5 ppm.

電解用電極1は、表面層4を形成する際の熱処理(ステップ13)の焼成温度を250℃、300℃、350℃、400℃、450℃、475℃、500℃、550℃、600℃とした各条件の電極を用いる。各電解用電極1及び対極となる電極12の表面積は、この場合2×4cm2を採用する。 In the electrode 1 for electrolysis, the firing temperature of the heat treatment (step 13) when forming the surface layer 4 is 250 ° C, 300 ° C, 350 ° C, 400 ° C, 450 ° C, 475 ° C, 500 ° C, 550 ° C, 600 ° C. The electrode of each condition was used. In this case, 2 × 4 cm 2 is employed as the surface area of each electrode 1 for electrolysis and the electrode 12 serving as a counter electrode.

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160mA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+20℃であるものとする。   With the above configuration, 150 ml of simulated tap water 13 is stored in each region in the treatment tank 11, and the electrode 1 for electrolysis and the electrode 12 are immersed in the simulated tap water, respectively. The distance between each electrode is 10 mm. Then, a constant current of 160 mA is applied to the electrolysis electrode 1 and the electrode 12 by the power source 15. Moreover, the temperature of the simulated tap water 13 shall be +20 degreeC.

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1分間電解後の模擬水道水13中のオゾン生成量をインディゴ法(HACH社製 DR4000)により測定し、図5ではオゾン生成量の濃度を示し、図6では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示し、これらから各電解用電極の評価を行う。   In this example, the amount of ozone generated by each electrode for electrolysis was determined by measuring the amount of ozone generated in simulated tap water 13 after electrolysis for 1 minute under the above conditions by the indigo method (DR4000 manufactured by HACH). FIG. 6 shows the concentration of the ozone generation amount. FIG. 6 shows the ratio of the electric charge that contributed to the ozone generation with respect to the total electric charge amount, that is, the ozone generation current efficiency, from which the electrodes for electrolysis are evaluated.

図5に示すように、当該実験では、表面層4の焼成温度が250℃であった電解用電極(以下、焼成温度250℃の場合とする。以下、各電極についても同様に示す。)の場合、オゾン生成量は、0.19mg/L、焼成温度300℃の場合、0.24mg/L、焼成温度350℃の場合、0.41mg/L、焼成温度400℃の場合、0.54mg/L、焼成温度450℃の場合、0.50mg/L、焼成温度475℃の場合、0.47mg/L、焼成温度500℃の場合、0.24mg/L、焼成温度550℃の場合、0.11mg/L、焼成温度600℃の場合、0.11mg/Lであった。   As shown in FIG. 5, in this experiment, an electrode for electrolysis in which the firing temperature of the surface layer 4 was 250 ° C. (hereinafter referred to as a firing temperature of 250 ° C., hereinafter, the same applies to each electrode). In this case, the amount of ozone generated is 0.19 mg / L, 0.24 mg / L when the baking temperature is 300 ° C., 0.41 mg / L when the baking temperature is 350 ° C., and 0.54 mg / L when the baking temperature is 400 ° C. L, 0.50 mg / L for a firing temperature of 450 ° C., 0.47 mg / L for a firing temperature of 475 ° C., 0.24 mg / L for a firing temperature of 500 ° C., and 0.2 for a firing temperature of 550 ° C. In the case of 11 mg / L and a firing temperature of 600 ° C., it was 0.11 mg / L.

また、図6に示されるように、オゾン生成電流効率で表した場合、焼成温度250℃の場合、3.5%、焼成温度300℃の場合、4.5%、焼成温度350℃の場合、7.7%、焼成温度400℃の場合、10.2%、焼成温度450℃の場合、9.3%、焼成温度475℃の場合、8.8%、焼成温度500℃の場合、4.4%、焼成温度550℃の場合、2.1%、焼成温度600℃の場合、2.1%であった。   In addition, as shown in FIG. 6, when expressed in terms of ozone generation current efficiency, when the firing temperature is 250 ° C., 3.5%, when the firing temperature is 300 ° C., 4.5%, when the firing temperature is 350 ° C., In the case of 7.7%, the firing temperature of 400 ° C., 10.2%, the firing temperature of 450 ° C., 9.3%, the firing temperature of 475 ° C., 8.8%, and the firing temperature of 500 ° C. When the firing temperature was 4%, the firing temperature was 550 ° C., 2.1%, and when the firing temperature was 600 ° C., it was 2.1%.

これらの結果と、上記X線回折分析の結果とを比較すると、表面層4が結晶化された酸化ニオブ(Nb25)である焼成温度550℃及び600℃の場合と、表面層4が結晶構造を持たない非晶質である焼成温度350℃、400℃、450℃、475℃の場合とでは、表面層4が非晶質のニオブ酸化物である場合の方が、オゾン生成電流効率が3.6倍以上、高いことが分かる。 Comparing these results with the results of the X-ray diffraction analysis, the surface layer 4 is a crystallized niobium oxide (Nb 2 O 5 ) at calcination temperatures of 550 ° C. and 600 ° C., and the surface layer 4 When the firing temperature is 350 ° C., 400 ° C., 450 ° C., and 475 ° C., which is an amorphous material having no crystal structure, the ozone generation current efficiency is higher when the surface layer 4 is an amorphous niobium oxide. Is 3.6 times or more high.

これにより、電解用電極1の表面層4を、非晶質の誘電体の一例としてのニオブ酸化物とすることで、当該電極1をアノードとして使用した低電流密度(一例として160mA)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。   As a result, the surface layer 4 of the electrode 1 for electrolysis is made of niobium oxide as an example of an amorphous dielectric, whereby an electrolyte solution with a low current density (160 mA as an example) using the electrode 1 as an anode. It is possible to efficiently generate ozone by electrolysis of.

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.

一方、焼成温度500℃で表面層4を形成した場合には、焼成温度550℃や600℃にて形成した場合と異なり、そのオゾン生成電流効率がこれらの2倍以上となっている。これは、当該焼成温度では、結晶化したニオブ酸化物と非晶質のニオブ酸化物の両者が形成される遷移温度である。   On the other hand, when the surface layer 4 is formed at a firing temperature of 500 ° C., the ozone generation current efficiency is more than twice that of the case where the surface layer 4 is formed at a firing temperature of 550 ° C. or 600 ° C. This is a transition temperature at which both crystallized niobium oxide and amorphous niobium oxide are formed at the firing temperature.

従って、当該焼成温度が500℃の場合であっても非晶質のニオブ酸化物が形成されており、当該焼成温度であっても、非晶質のニオブ酸化物による表面層4による効果が得られる。   Therefore, even when the firing temperature is 500 ° C., an amorphous niobium oxide is formed. Even at the firing temperature, the effect of the surface layer 4 of the amorphous niobium oxide is obtained. It is done.

また、実験結果より焼成温度が250℃、300℃である場合には、表面層4は、非晶質のニオブ酸化物が形成されているため、結晶化された酸化ニオブにより表面層4が形成された焼成温度550℃、600℃の場合よりも高いオゾン生成電流効率を示している。   From the experimental results, when the firing temperature is 250 ° C. or 300 ° C., since the surface layer 4 is formed of amorphous niobium oxide, the surface layer 4 is formed by crystallized niobium oxide. The ozone generation current efficiency is higher than that when the firing temperatures are 550 ° C and 600 ° C.

しかしながら、当該電解用電極によるオゾン生成の電流効率として4%以上が求められる場合には、当該表面層4を形成する焼成温度の条件は、300℃以上500℃以下であることが望ましい。表面層4を形成する焼成温度の条件を350℃以上500℃未満とすることで、7.5%以上のオゾン生成の電流効率(400℃が電流効率の極大値)を実現することが可能となる。従って、表面層4を非晶質のニオブ酸化物にて構成する場合には、焼成温度の条件を350℃以上500℃未満とすることが望ましい。

(3)オゾン生成量のNb担持量依存性
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量のニオブ(Nb)担持量依存性について図7及び図8を参照して説明する。図7は各ニオブ担持量に対するオゾン生成濃度を示す図、図8は表面層4の原料の塗布回数に対するオゾン生成濃度を示す図である。
However, when the current efficiency of ozone generation by the electrode for electrolysis is required to be 4% or more, the firing temperature condition for forming the surface layer 4 is desirably 300 ° C. or more and 500 ° C. or less. By setting the firing temperature condition for forming the surface layer 4 to 350 ° C. or higher and lower than 500 ° C., it is possible to achieve a current efficiency of ozone generation of 7.5% or higher (400 ° C. is the maximum value of the current efficiency). Become. Therefore, when the surface layer 4 is composed of an amorphous niobium oxide, the firing temperature condition is desirably set to 350 ° C. or higher and lower than 500 ° C.

(3) Nb loading amount dependency of ozone generation amount Next, the niobium (Nb) loading amount dependency of ozone generation amount by electrolysis using the electrode 1 for electrolysis manufactured as described above will be described with reference to FIGS. The description will be given with reference. FIG. 7 is a diagram showing the ozone generation concentration with respect to each amount of niobium supported, and FIG. 8 is a diagram showing the ozone generation concentration with respect to the number of times of applying the raw material of the surface layer 4.

上記と同様の電解装置10を用いて、表面層4を構成するニオブの担持量の条件を変更した各電解用電極1のオゾン生成に関する評価を行った。この場合、電解用電極1は、表面層4の原料は、イソプロピルアルコールと2−エトキシエタノールの混合比がそれぞれ4:1となるように調整した溶媒に、ニオブ濃度を0.37mol/L、0.73mol/L、1.45mol/Lとなる量のニオブペンタエトキシドを溶解させて調整した。そして、図2の熱処理(焼成)(ステップS13)における焼成温度は、上述した如く非晶質のニオブ酸化物を形成でき、且つ、同一条件下でオゾン生成の電流効率の極大値を得られる400℃とする。また、図2のステップS15におけるその塗布回数は、5回から50回繰り返し行うことで、それぞれ得られた電解用電極によってオゾン生成に関する評価を行う。電解条件については、上記(2)における電解条件及びオゾン生成量の測定法と同様とするため、説明を省略する。   Using the same electrolysis apparatus 10 as described above, the evaluation on ozone generation of each electrolysis electrode 1 in which the condition of the amount of niobium constituting the surface layer 4 was changed was performed. In this case, in the electrode 1 for electrolysis, the raw material of the surface layer 4 is a solvent in which the mixing ratio of isopropyl alcohol and 2-ethoxyethanol is adjusted to 4: 1, and the niobium concentration is 0.37 mol / L, 0. Adjustment was made by dissolving niobium pentaethoxide in amounts of .73 mol / L and 1.45 mol / L. The calcining temperature in the heat treatment (firing) (step S13) in FIG. 2 can form amorphous niobium oxide as described above, and can obtain the maximum value of the current efficiency of ozone generation under the same conditions. ℃. Moreover, the application | coating frequency in step S15 of FIG. 2 is repeatedly performed 5 to 50 times, and the evaluation regarding ozone production | generation is performed with the obtained electrode for electrolysis, respectively. The electrolysis conditions are the same as the electrolysis conditions and the method for measuring the amount of ozone generated in (2) above, and thus the description thereof is omitted.

図7に示すように、当該実験では、表面層4の原料の塗布回数を変化させることで、表面層4のニオブ担持量を変化させる。ニオブ濃度0.37mol/Lにて調整した原料にて表面層4を形成した電解用電極(Nb濃度0.37mol/Lの場合とする。以下、各電極についても同様に示す。)の場合、ニオブ(Nb)の担持量が2.10μmol/cm2の場合に生成されたオゾン濃度が0.083mg/L、Nb担持量が3.94μmol/cm2で0.43mg/L、Nb担持量が5.50μmol/cm2で0.48mg/L、Nb担持量が6.56μmol/cm2で0.54mg/L、Nb担持量7.97μmol/cm2で0.43mg/Lであった。 As shown in FIG. 7, in this experiment, the amount of niobium supported on the surface layer 4 is changed by changing the number of times the raw material is applied to the surface layer 4. In the case of an electrode for electrolysis (in the case of Nb concentration of 0.37 mol / L, the same applies to each electrode hereinafter) in which the surface layer 4 is formed from a raw material adjusted to a niobium concentration of 0.37 mol / L. When the supported amount of niobium (Nb) is 2.10 μmol / cm 2 , the generated ozone concentration is 0.083 mg / L, when the supported amount of Nb is 3.94 μmol / cm 2 , 0.43 mg / L, and the supported amount of Nb is in 5.50μmol / cm 2 0.48mg / L, Nb support amount 6.56μmol / cm 2 at 0.54 mg / L, was 0.43 mg / L in Nb supported amount 7.97μmol / cm 2.

また、Nb濃度0.73mol/Lの場合、Nb担持量が2.14μmol/cm2で生成されたオゾン濃度が0.16mg/L、Nb担持量が3.97μmol/cm2で0.26mg/L、Nb担持量が5.88μmol/cm2で0.40mg/L、Nb担持量が8.08μmol/cm2で0.49mg/L、Nb担持量が8.90μmol/cm2で0.54mg/L、Nb担持量が10.10μmol/cm2で0.49mg/L、Nb担持量が10.86μmol/cm2で0.30mg/L、Nb担持量が11.99μmol/cm2で0.15mg/L、Nb担持量が13.30μmol/cm2で0.03mg/L、Nb担持量が15.75μmol/cm2で0.003mg/Lであった。 Also, when the Nb concentration 0.73 mol / L, concentration of ozone Nb supporting amount generated by 2.14μmol / cm 2 is 0.16 mg / L, Nb support amount in 3.97μmol / cm 2 0.26mg / L, Nb supported amount of 0.48 mg / L at 5.88 μmol / cm 2 , Nb supported amount of 0.49 mg / L at 8.08 μmol / cm 2 , Nb supported amount of 0.54 mg at 8.90 μmol / cm 2 / L, Nb support amount 10.10μmol / cm 2 at 0.49 mg / L, Nb support amount in 10.86μmol / cm 2 0.30mg / L, Nb support amount in 11.99μmol / cm 2 0. The amount of Nb supported was 0.03 mg / L at 15.30 μmol / cm 2 and the amount of Nb supported was 0.003 mg / L at 15.75 μmol / cm 2 .

また、Nb濃度1.45mol/Lの場合、Nb担持量が4.127μmol/cm2で生成されたオゾン濃度が0.035mg/L、Nb担持量が7.46μmol/cm2で0.07mg/L、Nb担持量が10.24μmol/cm2で0.18mg/L、Nb担持量が12.82μmol/cm2で0.35mg/L、Nb担持量が15.29μmol/cm2で0.26mg/Lであった。 Also, when the Nb concentration 1.45 mol / L, concentration of ozone Nb supporting amount generated by 4.127μmol / cm 2 is 0.035 mg / L, Nb support amount in 7.46μmol / cm 2 0.07mg / L, Nb loading is 0.18 mg / L at 10.24 μmol / cm 2 , Nb loading is 0.35 mg / L at 12.82 μmol / cm 2 , and Nb loading is 0.26 mg at 15.29 μmol / cm 2 . / L.

図7に示すように、電解用電極1の表面層4のNbの担持量が2μmol/cm2〜16μmol/cm2では、電解質溶液中に生成されるオゾン濃度が0.1mg/L以上とすることができ、高効率でオゾンを生成することができる。当該オゾン濃度は、病原性の腸内細菌(例えばO157)を約5秒で99%死滅させることができるものであり、表面層4のNbの担持量を2〜16μmol/cm2とすることが望ましい。 As shown in FIG. 7, when the amount of Nb supported on the surface layer 4 of the electrode 1 for electrolysis is 2 μmol / cm 2 to 16 μmol / cm 2 , the ozone concentration generated in the electrolyte solution is 0.1 mg / L or more. And ozone can be generated with high efficiency. The ozone concentration is such that 99% of pathogenic enterobacteria (for example, O157) can be killed in about 5 seconds, and the amount of Nb supported on the surface layer 4 is 2 to 16 μmol / cm 2. desirable.

また、電解用電極1の表面層4のNbの担持量が4μmol/cm2〜13μmol/cm2では、電解質溶液中に生成されるオゾン濃度が0.3mg/L以上とすることができる。当該オゾン濃度は、ウイルスを5分以内で99%死滅させることができるものであり、表面層4のNbの担持量を4〜13μmol/cm2とすることでより高い殺菌、ウイルス不活性効果を実現できる。 Furthermore, the supported amount of Nb in the surface layer 4 of the electrode 1 for electrolysis is 4μmol / cm 2 ~13μmol / cm 2 , it is possible ozone concentration generated in the electrolyte solution is to 0.3 mg / L or more. The ozone concentration is such that 99% of the virus can be killed within 5 minutes. When the amount of Nb supported on the surface layer 4 is 4 to 13 μmol / cm 2 , higher sterilization and virus inactivation effects can be obtained. realizable.

更に、電解用電極1の表面層4のNbの担持量が5μmol/cm2〜10μmol/cm2では、電解質溶液中に生成されるオゾン濃度が0.5mg/L以上とすることができる。当該オゾン濃度は、病原性の芽胞菌(例えば破傷風菌)等を5分以内で99%死滅させることができるものであり、表面層4のNbの担持量を5〜10μmol/cm2とすることでより高い殺菌、ウイルス不活性効果を実現できる。 Furthermore, when the amount of Nb supported on the surface layer 4 of the electrode 1 for electrolysis is 5 μmol / cm 2 to 10 μmol / cm 2 , the ozone concentration generated in the electrolyte solution can be 0.5 mg / L or more. The ozone concentration is such that pathogenic spore bacteria (for example, tetanus) can be killed by 99% within 5 minutes, and the amount of Nb supported on the surface layer 4 is 5 to 10 μmol / cm 2. Can achieve higher sterilization and virus inactivation effect.

このように、表面層4のNbの担持量を調整することで、その使用目的に応じた濃度のオゾンを低電流にてより効果的に生成することが可能となる。

(4)オゾン生成量の表面層の原料の塗布回数依存性
一方、図8を参照して表面層の原料の塗布回数に着目し、当該塗布回数に対するオゾンの生成濃度について検討する。図8に示すように、当該実験では、Nb濃度0.37mol/Lの場合、10回塗布で生成されたオゾン濃度が0.083mg/L、20回塗布で0.43mg/L、30回塗布で0.48mg/L、40回塗布で0.54mg/L、50回塗布で0.43mg/Lであった。また、Nb濃度0.73mg/Lの場合、5回塗布で生成されたオゾン濃度が0.003mg/L、10回塗布で0.032mg/L、15回塗布で0.153mg/L、20回塗布で0.30mg/L、25回塗布で0.49mg/L、30回塗布で0.54mg/L、35回塗布で0.49mg/L、40回塗布で0.40mg/L、45回塗布で0.26mg/L、50回塗布で0.16mg/Lであった。また、Nb濃度1.45mol/Lの場合、5回塗布で生成されたオゾン濃度が0.035mg/L、10回塗布で0.07mg/L、15回塗布で0.18mg/L、20回塗布で0.35mg/L、25回塗布で0.26mg/Lであった。
In this way, by adjusting the amount of Nb supported on the surface layer 4, it becomes possible to more effectively generate ozone at a concentration corresponding to the purpose of use at a low current.

(4) Dependence of ozone generation amount on surface layer raw material application frequency On the other hand, with reference to FIG. 8, focusing on the number of surface layer raw material application times, the ozone generation concentration with respect to the application frequency is examined. As shown in FIG. 8, in this experiment, when the Nb concentration is 0.37 mol / L, the ozone concentration generated by 10 times of application is 0.083 mg / L, 20 times of application is 0.43 mg / L, and 30 times of application. 0.48 mg / L, 0.54 mg / L after 40 applications, and 0.43 mg / L after 50 applications. In addition, when the Nb concentration is 0.73 mg / L, the ozone concentration generated by 5 times application is 0.003 mg / L, 10 times application is 0.032 mg / L, 15 times application is 0.153 mg / L, 20 times. 0.30 mg / L for application, 0.49 mg / L for 25 application, 0.54 mg / L for 30 application, 0.49 mg / L for 35 application, 0.40 mg / L for 40 application, 45 application It was 0.26 mg / L by application and 0.16 mg / L by 50 applications. In addition, when the Nb concentration is 1.45 mol / L, the ozone concentration generated by 5 times application is 0.035 mg / L, 10 times application is 0.07 mg / L, 15 times application is 0.18 mg / L, 20 times. It was 0.35 mg / L by coating and 0.26 mg / L by 25 coatings.

このように、いずれのNb濃度にて調整された表面層4の原料を使用した場合であっても、塗布回数に対するオゾン生成量との関係は、ある値で極大値をとる。即ち、Nb濃度が0.37mol/Lの場合、40回塗布で生成されたオゾン濃度が0.54mg/Lであり、Nb濃度が0.73mol/Lの場合、30回塗布で生成されたオゾン濃度が0.54mg/Lであり、Nb濃度が1.45mol/Lの場合、20回塗布で生成されたオゾン濃度が0.35mg/Lである。   Thus, even if it is a case where the raw material of the surface layer 4 adjusted by any Nb density | concentration is used, the relationship with the ozone generation amount with respect to the frequency | count of application | coating takes a maximum value with a certain value. That is, when the Nb concentration is 0.37 mol / L, the ozone concentration generated by the 40 times application is 0.54 mg / L, and when the Nb concentration is 0.73 mol / L, the ozone generated by the 30 times application. When the concentration is 0.54 mg / L and the Nb concentration is 1.45 mol / L, the ozone concentration generated by 20 coatings is 0.35 mg / L.

これは、表面層4の原料の塗布回数が少ない場合、十分な厚さの非晶質のニオブ酸化物による表面層4が形成されず、電気的に中間層3が見えた状態となる。そのため、表面層4にて行われるはずの電子の授受の反応場が十分確保できず、オゾンの生成効率が低下するものと考えられる。   This is because the surface layer 4 made of amorphous niobium oxide having a sufficient thickness is not formed when the number of times of applying the raw material of the surface layer 4 is small, and the intermediate layer 3 can be seen electrically. For this reason, it is considered that the reaction field for the exchange of electrons that should be performed in the surface layer 4 cannot be secured sufficiently, and the generation efficiency of ozone is lowered.

他方、表面層4の原料の塗布回数が多すぎる場合には、形成される表面層4が厚くなり過ぎ、電圧降下が大きく影響する。そして、反応により生じるジュール熱が高くなることで、生成されたオゾンが直ぐに分解されてしまうこととなり、オゾンの生成効率が低下するものと考えられる。   On the other hand, when the number of times of applying the raw material of the surface layer 4 is too large, the surface layer 4 to be formed becomes too thick, and the voltage drop greatly affects. And since the Joule heat generated by the reaction becomes high, the generated ozone is immediately decomposed, and it is considered that the generation efficiency of ozone is lowered.

よって、表面層4の原料の塗布回数が15回〜50回では、電解質溶液中に生成されるオゾン濃度が0.1mg/L以上とすることができ、高効率でオゾンを生成することができる。当該オゾン濃度は、病原性の腸内細菌(例えばO157)を約5秒で99%死滅させることができるものであり、表面層4を構成するための原料の塗布回数を15回〜50回とすることが望ましい。   Therefore, when the number of times of applying the raw material of the surface layer 4 is 15 to 50 times, the ozone concentration generated in the electrolyte solution can be 0.1 mg / L or more, and ozone can be generated with high efficiency. . The ozone concentration can kill 99% of pathogenic intestinal bacteria (for example, O157) in about 5 seconds, and the number of times of application of the raw material for constituting the surface layer 4 is 15 to 50 times. It is desirable to do.

また、表面層4の原料の塗布回数が20回〜40回では、電解質溶液中に生成されるオゾン濃度が0.3mg/L以上とすることができる。当該オゾン濃度は、ウイルスを5分以内で99%死滅させることができるものであり、表面層4を構成するための原料の塗布回数を20〜40回とすることでより高い殺菌、ウイルス不活性効果を実現できる。   Moreover, when the frequency | count of application | coating of the raw material of the surface layer 4 is 20 times-40 times, the ozone concentration produced | generated in electrolyte solution can be 0.3 mg / L or more. The ozone concentration can kill 99% of the virus within 5 minutes, and the sterilization and virus inactivation are higher by applying the raw material for forming the surface layer 4 to 20 to 40 times. The effect can be realized.

更に、表面層4の原料の塗布回数が25回〜35回では、電解質溶液中に生成されるオゾン濃度が略0.5mg/L以上とすることができる。当該オゾン濃度は、病原性の芽胞菌(例えば破傷風菌)等を5分以内で99%死滅させることができるものであり、表面層4の原料の塗布回数を25回〜35回とすることでより高い殺菌、ウイルス不活性効果を実現できる。   Furthermore, when the number of times of applying the raw material of the surface layer 4 is 25 to 35, the ozone concentration generated in the electrolyte solution can be about 0.5 mg / L or more. The ozone concentration can kill 99% of pathogenic spore bacteria (for example, tetanus) within 5 minutes, and the number of times of applying the raw material of the surface layer 4 is 25 to 35 times. Higher sterilization and virus inactivation effects can be realized.

このように、表面層4を構成する表面層4の原料の塗布回数を調整することで、その使用目的に応じた濃度のオゾンを低電流にてより効果的に生成することが可能となる。
(5)表面層の厚さ分析
次に、誘電体により構成される表面層4の厚さについて検討する。図9には実施例1において作製された電解用電極1の断面SEM写真を示す。当該電解用電極1は、表面層4を非晶質のニオブ酸化物にて構成するものであり、焼成温度は400℃、塗布回数は25回である。
As described above, by adjusting the number of times of applying the raw material of the surface layer 4 constituting the surface layer 4, it becomes possible to more effectively generate ozone having a concentration corresponding to the purpose of use at a low current.
(5) Surface Layer Thickness Analysis Next, the thickness of the surface layer 4 composed of a dielectric will be examined. FIG. 9 shows a cross-sectional SEM photograph of the electrode 1 for electrolysis produced in Example 1. The electrode 1 for electrolysis comprises the surface layer 4 of amorphous niobium oxide, the firing temperature is 400 ° C., and the number of coatings is 25 times.

図9の断面SEM写真は、走査型電子顕微鏡(SEM、日立製 S-3400NX)により取得したものである。凹凸のある薄い白色の層から上側に示されている層が本発明における表面層4であり、当該表面層4の下側に接触して形成される白色にて示されている層(他に比べて薄い層)が中間層3である。そして、この中間層3の下側に接触して形成される灰色にて示されている層が基体2である。   The cross-sectional SEM photograph of FIG. 9 was acquired with a scanning electron microscope (SEM, Hitachi S-3400NX). The layer shown on the upper side from the uneven thin white layer is the surface layer 4 in the present invention, and the layer shown in white (in addition to the surface layer 4 formed in contact with the lower side of the surface layer 4) The intermediate layer 3 is a thinner layer. The layer shown in gray formed in contact with the lower side of the intermediate layer 3 is the base 2.

これによると、上述した如く取得されたSEM写真(倍率2000倍の電極断面の写真)を10枚以上取得し、そのデータから表面層4の膜厚を観察すると、表面層4は、少なくとも厚さの薄い薄領域と、厚さの厚い厚領域を有する不均厚構成とされている。薄領域の厚さは、0.2μm乃至2.5μmの範囲内、望ましくは、0.2μm乃至1.5μm、及び/又は平均0.5μmである。厚領域の厚さは、5μm以上、望ましくは、11μm以上、また、電極の生産コストやオゾン生成効率を考慮し、20μm以下である。   According to this, when 10 or more SEM photographs (photographs of electrode cross section at a magnification of 2000 times) obtained as described above are obtained and the film thickness of the surface layer 4 is observed from the data, the surface layer 4 is at least as thick as possible. This is a non-uniform thickness structure having a thin thin area and a thick thick area. The thickness of the thin region is in the range of 0.2 μm to 2.5 μm, preferably 0.2 μm to 1.5 μm, and / or an average of 0.5 μm. The thickness of the thick region is 5 μm or more, preferably 11 μm or more, and is 20 μm or less in consideration of electrode production costs and ozone generation efficiency.

また、上記データから膜厚のばらつきの割合を統計的に処理して分析すると、厚さが0.2μm乃至2.5μm以下とする薄領域は、当該電解用電極1の表面層4の全体面積の20%乃至50%の範囲であった。そして、厚さが5μm以上の厚領域は、当該電解用電極1の表面層4の全体面積の20%乃至50%の範囲であった。そして、これらの薄領域と、厚領域以外の部分の電解用電極1の表面層4は、2.5μmより大きく5μm未満の厚さとする領域である。   Further, when the ratio of film thickness variation is statistically processed and analyzed from the above data, the thin region having a thickness of 0.2 μm to 2.5 μm or less is the entire area of the surface layer 4 of the electrode 1 for electrolysis. Of 20% to 50%. The thickness region having a thickness of 5 μm or more was in the range of 20% to 50% of the entire area of the surface layer 4 of the electrode 1 for electrolysis. And the surface layer 4 of the electrode 1 for electrolysis of these thin areas and parts other than a thick area is an area | region made into thickness larger than 2.5 micrometers and less than 5 micrometers.

本実施例では、表面層4の薄領域と厚領域の形成は、上述したように、電解用電極1の基体2を図2のステップS3にて所定の面粗さとなるようにエッチング処理を施し、当該所定の面粗さとされた表面に、複数回に分けて中間層3の原料の塗布による中間層3の形成、更に、複数回に分けて表面層4の原料がその表面に塗布されることによってなされる。   In the present embodiment, the thin region and the thick region of the surface layer 4 are formed by etching the base 2 of the electrode 1 for electrolysis so as to have a predetermined surface roughness in step S3 in FIG. The intermediate layer 3 is formed by applying the raw material of the intermediate layer 3 in a plurality of times on the surface having the predetermined surface roughness, and further, the raw material of the surface layer 4 is applied on the surface in a plurality of times. Is made by

このように、本実施例では、非晶質の誘電体としてニオブ酸化物にて構成された表面層4は、その厚さが所定厚さ範囲の薄領域と、所定厚さ範囲の厚領域が形成されるように構成されているため、上述したように当該電解用電極1をアノードとして使用した電解質溶液の電気分解を行うことで、低電流密度にて効率的にオゾンを生成することができる。   Thus, in the present embodiment, the surface layer 4 made of niobium oxide as an amorphous dielectric has a thin region with a predetermined thickness range and a thick region with a predetermined thickness range. Since it is configured to be formed, as described above, it is possible to efficiently generate ozone at a low current density by electrolyzing the electrolyte solution using the electrode 1 for electrolysis as an anode. .

特に、表面層4は、厚さが0.2μm乃至2.5μmの範囲内とする薄領域を有することで、より高いエネルギーレベルでの電子の移動を生起させることができ、低い電流密度における高効率なオゾン生成を実現することができる。   In particular, the surface layer 4 has a thin region with a thickness in the range of 0.2 μm to 2.5 μm, so that it is possible to cause the movement of electrons at a higher energy level, and a high current at a low current density. Efficient ozone generation can be realized.

そして、上記薄領域と共に、表面層4は、厚さが5μm以上、望ましくは11μm以上20μm以下とする厚領域を有しているため、当該厚膜とされる厚領域によって薄領域の剥離を効果的に抑制し、当該電解用電極の耐久性の向上を図ることが可能となる。   In addition to the thin region, the surface layer 4 has a thickness region of 5 μm or more, preferably 11 μm or more and 20 μm or less, so that the thin region is effectively peeled off by the thick region. Therefore, the durability of the electrode for electrolysis can be improved.

また、薄領域は、表面層4の全体面積の20%乃至50%の範囲とすること、更には、厚領域は、表面層4の全体面積の20%乃至50%の範囲とすることにより、その表面層4の耐久性を確保しつつ、低電流密度による高効率なオゾン生成を実現することが可能となる。   Further, the thin region is in a range of 20% to 50% of the entire area of the surface layer 4, and further, the thick region is in a range of 20% to 50% of the entire area of the surface layer 4. While ensuring the durability of the surface layer 4, it is possible to realize highly efficient ozone generation with a low current density.

次に、本発明の実施例2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, the electrode for electrolysis of Example 2 of the present invention will be described. The method for manufacturing the electrode for electrolysis obtained by the example is the same as the flowchart of FIG. 2 in Example 1, and the schematic configuration diagram is also substantially the same as FIG. 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2を構成するチタン板の表面に、白金にて中間層3を構成する。尚、当該基体2及び中間層3の詳細については上記実施例1と同様とする。   That is, in the electrode for electrolysis in this example, the intermediate layer 3 is made of platinum on the surface of the titanium plate constituting the substrate 2 as in the above examples. The details of the substrate 2 and the intermediate layer 3 are the same as those in the first embodiment.

次に、中間層3の表面に表面層4を形成する。係る実施例では、表面層4は、非晶質の誘電体として、タンタルの酸化物により構成されている。この場合、表面層4の原料としての有機タンタル化合物溶液を中間層3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4は、タンタル酸化物により構成するため、本実施例では、タンタルペンタエトキシドを用いる。   Next, the surface layer 4 is formed on the surface of the intermediate layer 3. In this embodiment, the surface layer 4 is composed of an oxide of tantalum as an amorphous dielectric. In this case, an organic tantalum compound solution as a raw material for the surface layer 4 is applied to the surface of the substrate 2 on which the intermediate layer 3 is formed. In this embodiment, since the surface layer 4 is made of tantalum oxide, tantalum pentaethoxide is used in this embodiment.

本実施例では、タンタルペンタエトキシドは純度99%の試薬を用いる。また、高周波誘導結合発光分光分析装置(ICP発光分光分析装置)による分析によれば、上述した如きニオブペンタエトキシドと同様の不純物が含まれていた。そのため、本実施例におけるタンタルペンタエトキシドは、1%以下程度の不純物を含んだものを採用する。また、焼成後にこれらの不純物は空気中に飛散することはないため、表面層4のタンタル酸化物中には上記不純物が1%以下程度含まれている。しかし、これらの不純物が本実施例における表面層4の特性に影響を与えるものではない。   In this embodiment, tantalum pentaethoxide uses a reagent having a purity of 99%. Moreover, according to the analysis by the high frequency inductively coupled emission spectrometer (ICP emission spectrometer), the same impurities as niobium pentaethoxide as described above were contained. For this reason, the tantalum pentaethoxide in the present embodiment employs an impurity containing about 1% or less of impurities. Moreover, since these impurities do not scatter in the air after firing, the tantalum oxide of the surface layer 4 contains about 1% or less of the impurities. However, these impurities do not affect the characteristics of the surface layer 4 in this embodiment.

尚、本実施例でタンタルペンタエトキシドの溶媒としてはイソプロピルアルコールと2−エトキシエタノールを4:1に混合した溶媒を用いる。また、本実施例では、表面層4の原料としてタンタルペンタエトキシド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、溶媒としてイソプロピルアルコールと2−エトキシエタノールを4:1に混合した溶媒を用いているが、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。また、こ
の表面層4の原料には、その溶液安定性を考慮し、詳細は後述する如く貴金属の有機溶媒が添加される。
In this embodiment, a solvent in which isopropyl alcohol and 2-ethoxyethanol are mixed at a ratio of 4: 1 is used as a tantalum pentaethoxide solvent. In this embodiment, tantalum pentaethoxide is used as a raw material for the surface layer 4, but the tantalum pentaethoxide is not limited to this, and is a compound containing tantalum, which removes substances other than tantalum by firing, and oxidizes. Any substance that can be deposited with tantalum is acceptable. In this embodiment, a solvent in which isopropyl alcohol and 2-ethoxyethanol are mixed at a ratio of 4: 1 is used as a solvent. However, the present invention is not limited to this, and other solvents such as alcohols may be used. Good. In addition, considering the solution stability, a noble metal organic solvent is added to the raw material of the surface layer 4 as will be described in detail later.

そして、中間層3が形成された基体2の表面に上記表面層4の原料を均一に塗布する。尚、この表面層4の原料の塗布においても、中間層3の原料の塗布の場合と同様に、ヘラで塗布する方法以外に、表面層4の原料をスプレーにて塗布する方法、或いは、表面層4の原料を容器内に収容し、この容器内に中間層3が形成された基体2を浸漬する方法、更には、当該基体2を回転させて遠心力により前記表面層4の原料を塗布する方法(スピンコート法)などを行っても良い。   And the raw material of the said surface layer 4 is apply | coated uniformly on the surface of the base | substrate 2 with which the intermediate | middle layer 3 was formed. In addition, in the application of the raw material of the surface layer 4, as in the case of the application of the raw material of the intermediate layer 3, in addition to the method of applying with the spatula, The raw material of the layer 4 is accommodated in a container, and the substrate 2 on which the intermediate layer 3 is formed is immersed in the container. Further, the raw material of the surface layer 4 is applied by rotating the substrate 2 and centrifugal force. A method (spin coating method) or the like may be performed.

上記中間層3の表面に表面層4の原料が塗布された基体2を室温にて10分間乾燥し、その後、150℃〜250℃の温度範囲、好適には200℃で10分間の乾燥を行う。そして、この表面層4の作製においては、400℃〜625℃の温度範囲にて10分間の熱処理(焼成)を行う。これにより、基体2の表面に形成された中間層3の更に表面にタンタル酸化物により構成される表面層4が形成される。

(1)電解用電極のX線回折分析
次に、上述により得られた電解用電極1の表面層4のX線回折分析を行い、当該表面層4の結晶構造の解析を行う。図10は、表面層4を形成する際の熱処理(ステップ13)の焼成温度を400℃、450℃、500℃、550℃、600℃、625℃の各条件として電解用電極1を構成した場合の各表面層4のX線回折パターンを示している。尚、各条件にて作製された電解用電極1の表面層4の上記工程回数は、いずれも25回と条件を統一する。
The substrate 2 having the surface layer 4 coated on the surface of the intermediate layer 3 is dried at room temperature for 10 minutes, and then dried at a temperature range of 150 ° C. to 250 ° C., preferably 200 ° C. for 10 minutes. . And in preparation of this surface layer 4, heat processing (baking) for 10 minutes is performed in the temperature range of 400 to 625 degreeC. Thereby, a surface layer 4 made of tantalum oxide is formed on the surface of the intermediate layer 3 formed on the surface of the substrate 2.

(1) X-ray diffraction analysis of electrode for electrolysis Next, X-ray diffraction analysis of the surface layer 4 of the electrode 1 for electrolysis obtained as described above is performed, and the crystal structure of the surface layer 4 is analyzed. FIG. 10 shows a case where the electrode 1 for electrolysis is configured with the firing temperature of the heat treatment (step 13) when forming the surface layer 4 being 400 ° C., 450 ° C., 500 ° C., 550 ° C., 600 ° C., and 625 ° C. The X-ray diffraction pattern of each surface layer 4 is shown. The number of steps of the surface layer 4 of the electrode 1 for electrolysis produced under each condition is the same as 25 times.

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4を形成するタンタル酸化物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。   In general, X-ray diffraction (XRD) is used for the analysis of the crystal structure, whereby the crystal structure of the tantalum oxide forming the surface layer 4 can be analyzed. In this example, observation was performed using an X-ray diffractometer (D8 Discover manufactured by Bruker AXS).

これによると、焼成温度が600℃より高い(625℃)として得られた電解用電極1の表面層4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、22.9°程度、25.8°程度、28.5°程度、33.4°程度、36.8°程度、50.7°程度、56.0°程度であった(図10で黒三角にて表示するピーク)。これらは、酸化タンタル(Ta25)特有の回折ピーク(2θ)と一致するものであり、600℃より高い焼成温度で得られた電解用電極1の表面層4のX線回折パターンには、存在しているが、焼成温度600℃以下(この場合、600℃、550℃、500℃、450℃、400℃)として得られた電解用電極1の表面層4のX線回折パターンには、存在していない。 According to this, each diffraction peak (2θ) shown in the X-ray diffraction pattern of the surface layer 4 of the electrode 1 for electrolysis obtained at a firing temperature higher than 600 ° C. (625 ° C.) is constituted by any firing temperature. Even in the case of the electrode 1, about 22.9 °, about 25.8 °, about 28.5 °, about 33.4 °, about 36.8 °, about 50.7 °, and about 56.0 °. (Peak indicated by a black triangle in FIG. 10). These coincide with the diffraction peak (2θ) peculiar to tantalum oxide (Ta 2 O 5 ), and the X-ray diffraction pattern of the surface layer 4 of the electrode 1 for electrolysis obtained at a firing temperature higher than 600 ° C. In the X-ray diffraction pattern of the surface layer 4 of the electrode 1 for electrolysis obtained at a firing temperature of 600 ° C. or lower (in this case, 600 ° C., 550 ° C., 500 ° C., 450 ° C., 400 ° C.) Does not exist.

従って、上述した如き本実施例の方法では、焼成温度を400℃以上600℃以下の温度範囲にて表面層4を形成する電解用電極1では、表面層4を形成するタンタル酸化物は、結晶構造を持たない非晶質、即ち、不定形、所謂アモルファスであることが分かる。   Therefore, in the method of the present embodiment as described above, in the electrode 1 for electrolysis that forms the surface layer 4 in a temperature range of 400 ° C. to 600 ° C., the tantalum oxide that forms the surface layer 4 is crystalline. It can be seen that it is amorphous having no structure, that is, indefinite, so-called amorphous.

尚、本実施例では、表面層4をタンタルペンタエトキシドを含む表面層の原料をへらを用いて(本実施例では中間層3表面)に均一に塗布し、所定温度にて焼成することにより、非晶質のタンタル酸化物を形成しているが、当該非晶質のタンタル酸化物により表面層4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 4 is uniformly applied to the surface layer raw material containing tantalum pentaethoxide using a spatula (in this embodiment, the surface of the intermediate layer 3) and fired at a predetermined temperature. Although the amorphous tantalum oxide is formed, the method of forming the surface layer 4 with the amorphous tantalum oxide is not limited to this.

他の方法として、熱CVD法による表面層4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中間層3を形成した後、表面層の原料であるタンタルを含む有機溶媒を気化し、適当なキャリアガスを用いて反応管へ導き、例えば400℃〜600℃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 4 by a thermal CVD method. In this thermal CVD method, the intermediate layer 3 is formed on the surface of the substrate 2 in the same manner as in the above embodiment, and then an organic solvent containing tantalum as a raw material for the surface layer is vaporized, and a reaction tube is used using an appropriate carrier gas. For example, a chemical reaction is performed on the surface of the substrate 2 heated to 400 ° C. to 600 ° C., for example.

これにより、表面層の原料であるタンタルを含む有機溶媒のタンタルを除く物質、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、タンタルのみが雰囲気中の酸素と反応し、タンタル酸化物として基体2(実際には中間層3)の表面に形成される。基体2の表面(中間層3の表面)に形成されたタンタル酸化物は、非晶質薄膜(タンタル酸化物膜)を構成する。   As a result, a substance excluding tantalum, which is an organic solvent containing tantalum as a raw material for the surface layer, for example, an organic substance is removed on the surface of the substrate 2 heated to a high temperature, and only tantalum reacts with oxygen in the atmosphere to tantalum oxidation. As a product, it is formed on the surface of the substrate 2 (actually the intermediate layer 3). The tantalum oxide formed on the surface of the substrate 2 (the surface of the intermediate layer 3) constitutes an amorphous thin film (tantalum oxide film).

尚、非晶質のタンタル酸化物により表面層4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。

(2)オゾン生成の電流効率の焼成温度依存性
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の焼成温度の依存性について図4及び図11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11は各焼成温度に対するオゾン生成量を示す図である。
In addition, as a method for forming the surface layer 4 from amorphous tantalum oxide, for example, there is a dip method.

(2) Calcination Temperature Dependence of Current Efficiency of Ozone Generation Next, with reference to FIG. 4 and FIG. 11, the dependency of the calcination temperature on the generation of ozone by electrolysis using the electrode 1 for electrolysis manufactured as described above will be described. explain. FIG. 4 is a schematic explanatory diagram of the electrolysis apparatus 10 to which the electrolysis electrode 1 is applied, and FIG. 11 is a diagram showing the amount of ozone generated with respect to each firing temperature.

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 electrolysis apparatus 10 includes a treatment tank 11, an electrode 1 for electrolysis as an anode as described above, an electrode 12 as a cathode, and a power source 15 that applies a direct current to the electrodes 1 and 12. Then, a cation exchange membrane (diaphragm: Nafion manufactured by DuPont, which is located between the electrodes 1 and 12 and partitioned into one region where the electrode 1 exists in the treatment tank 11 and the other region where the electrode 12 exists) Name)) 14 is provided. Further, a stirring device 16 is provided in a region where the electrode 1 for electrolysis as an anode is immersed.

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、他の水系電解質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、SO42-が24.5ppm、CO32-が16.5ppmである。   In the treatment tank 11, simulated tap water 13 as an electrolyte solution is stored. In the experiment in this example, simulated tap water is used as the electrolyte solution. However, by providing a cation exchange membrane, substantially the same effect can be obtained even when other aqueous electrolytes are treated. It is done. The electrolyte solution used in the experiment is an aqueous solution simulating tap water. The component composition of the simulated tap water 23 is 5.75 ppm for Na +, 10.02 ppm for Ca2 +, 6.08 ppm for Mg2 +, K + Is 0.98 ppm, Cl- is 17.75 ppm, SO42- is 24.5 ppm, and CO32- is 16.5 ppm.

電解用電極1は、表面層4を形成する際の熱処理(ステップ13)の焼成温度を400℃、450℃、500℃、550℃、600℃、625℃とした各条件の電極を用いる。各電解用電極1及び対極となる電極12の表面積は、この場合2×4cm2を採用する。 As the electrode 1 for electrolysis, electrodes having various conditions are used in which the firing temperature of the heat treatment (step 13) when forming the surface layer 4 is 400 ° C., 450 ° C., 500 ° C., 550 ° C., 600 ° C., and 625 ° C. In this case, 2 × 4 cm 2 is employed as the surface area of each electrode 1 for electrolysis and the electrode 12 serving as a counter electrode.

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160mA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+20℃であるものとする。   With the above configuration, 150 ml of simulated tap water 13 is stored in each region in the treatment tank 11, and the electrode 1 for electrolysis and the electrode 12 are immersed in the simulated tap water, respectively. The distance between each electrode is 10 mm. Then, a constant current of 160 mA is applied to the electrolysis electrode 1 and the electrode 12 by the power source 15. Moreover, the temperature of the simulated tap water 13 shall be +20 degreeC.

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1分間電解後の模擬水道水13中のオゾン生成量をインディゴ法(HACH社製 DR4000)により測定し、図11ではオゾン生成量の濃度を示し、これから各電解用電極の評価を行う。   In this example, the amount of ozone generated by each electrolysis electrode was measured by the indigo method (DR4000 manufactured by HACH) by measuring the amount of ozone generated in the simulated tap water 13 after electrolysis for 1 minute under the above conditions. The concentration of the amount of ozone generated is shown, and the electrodes for electrolysis are evaluated from this.

図11に示すように、当該実験では、表面層4の焼成温度が400℃であった電解用電極(以下、焼成温度400℃の場合とする。以下、各電極についても同様に示す。)の場合、オゾン生成量は、0.01mg/L、焼成温度500℃の場合、0.19mg/L、焼成温度550℃の場合、0.26mg/L、焼成温度600℃の場合、0.43mg/L、焼成温度625℃の場合、0.08mg/Lであった。   As shown in FIG. 11, in this experiment, the electrode for electrolysis in which the firing temperature of the surface layer 4 was 400 ° C. (hereinafter referred to as a firing temperature of 400 ° C., hereinafter, the same applies to each electrode). In this case, the ozone generation amount is 0.01 mg / L, 0.19 mg / L when the baking temperature is 500 ° C., 0.26 mg / L when the baking temperature is 550 ° C., and 0.43 mg / L when the baking temperature is 600 ° C. In the case of L and the firing temperature of 625 ° C., it was 0.08 mg / L.

これらの結果と、上記X線回折分析の結果とを比較すると、表面層4が結晶化された酸化タンタル(Ta25)である焼成温度625℃の場合と、表面層4が結晶構造を持たない非晶質である焼成温度450℃、500℃、550℃、600℃の場合とでは、表面層4が非晶質のタンタル酸化物である場合の方が、オゾン生成電流効率が1.5〜5.4倍、高いことが分かる。 Comparing these results with the result of the X-ray diffraction analysis, the surface layer 4 is a crystallized tantalum oxide (Ta 2 O 5 ) with a firing temperature of 625 ° C. and the surface layer 4 has a crystal structure. In the case where the baking temperature is 450 ° C., 500 ° C., 550 ° C., and 600 ° C., which is amorphous, and the surface layer 4 is made of amorphous tantalum oxide, the ozone generation current efficiency is 1. It is 5 to 5.4 times higher.

これにより、電解用電極1の表面層4を、非晶質の誘電体の一例としてのタンタル酸化物とすることで、当該電極1をアノードとして使用した低電流密度(一例として160mA)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。   Thus, the surface layer 4 of the electrode for electrolysis 1 is made of tantalum oxide as an example of an amorphous dielectric, so that the electrolyte solution with a low current density (160 mA as an example) using the electrode 1 as an anode is used. It is possible to efficiently generate ozone by electrolysis of.

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。

(3)表面層の原料の貴金属含有による依存性
ここで、当該表面層4の形成に用いられる表面層の原料としてタンタルペンタエトキシドは、その溶液安定性が悪い。そこで、溶液安定性を改善すべく、当該表面層4の原料には、イソプロピルアルコールと2−エトキシエタノールの混合比がそれぞれ4:1となるように調整した溶媒に、Taと貴金属としての一例としてのPtの合計の濃度が1.45mol/Lとなる量の有機溶媒を溶解させて表面層4の原料とする。タンタルペンタエトキシド溶液に、Ptの原料としての六塩化白金酸をTaに対するPt比が0〜100%の範囲で変化させて調整する。本実験における各電解用電極の表面層4を形成する際の焼成
温度は600℃、塗布回数は25回とする。
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.

(3) Dependence of surface layer material due to noble metal content Here, tantalum pentaethoxide as a surface layer material used for forming the surface layer 4 has poor solution stability. Therefore, in order to improve the solution stability, the raw material of the surface layer 4 is an example of Ta and a noble metal in a solvent adjusted so that the mixing ratio of isopropyl alcohol and 2-ethoxyethanol is 4: 1. An organic solvent in an amount such that the total concentration of Pt is 1.45 mol / L is dissolved to obtain a raw material for the surface layer 4. In the tantalum pentaethoxide solution, hexachloroplatinic acid as a raw material for Pt is adjusted by changing the Pt ratio to Ta in the range of 0 to 100%. The firing temperature when forming the surface layer 4 of each electrode for electrolysis in this experiment is 600 ° C., and the number of coatings is 25 times.

尚、Ptを添加する場合には、Ptの原料として六塩化白金酸・六水和物を用いる場合、当該六塩化白金酸・六水和物中にある塩素が焼成によって飛散しないために、表面層4には塩素も含まれることとなるが、これが本実施例における表面層4の特性に影響を与えるものではない。   When Pt is added, when hexachloroplatinic acid / hexahydrate is used as a raw material for Pt, chlorine in the hexachloroplatinic acid / hexahydrate is not scattered by firing, Although the layer 4 also contains chlorine, this does not affect the characteristics of the surface layer 4 in this embodiment.

上記と同様の電解装置10を用いて、表面層4を構成するTaと貴金属Ptとの構成比を変化させた各電解用電極1のオゾン生成に関する評価を行った。電解条件については、上記実施例2の(2)における電解条件及びオゾン生成量の測定法と同様とするため、説明を省略する。当該実験結果を図12の各Ptに対するTaの構成比率に対するオゾン生成濃度を示す図にて示す。   Using the same electrolysis apparatus 10 as described above, the evaluation on ozone generation of each electrolysis electrode 1 in which the composition ratio of Ta and noble metal Pt constituting the surface layer 4 was changed was performed. Since the electrolysis conditions are the same as the electrolysis conditions and the method for measuring the amount of ozone generated in (2) of Example 2 above, description thereof is omitted. The experimental results are shown in the graph in FIG. 12 showing the ozone generation concentration with respect to the composition ratio of Ta to each Pt.

当該実験では、表面層4を構成するPtに対するTaの構成比(以下、単にTaとする)が0%である場合に生成されたオゾン濃度は0、Taが10%の場合0.02mg/L、Taが20%、30%、40%、50%の場合いずれも0、Taが60%の場合0.01mg/L、Taが70%の場合0.06mg/L、Taが75%の場合0.15mg/L、Taが80%の場合0.38mg/L、Taが85%の場合0.26mg/L、Taが90%の場合0.27mg/L、Taが95%の場合0.19mg/L、Taが100%の場合0.32mg/Lであった。   In this experiment, when the composition ratio of Ta to Pt constituting the surface layer 4 (hereinafter simply referred to as Ta) is 0%, the generated ozone concentration is 0, and when Ta is 10%, 0.02 mg / L. When Ta is 20%, 30%, 40% and 50%, 0 is all, when Ta is 60%, 0.01 mg / L, when Ta is 70%, when 0.06 mg / L and Ta is 75% 0.15 mg / L, when Ta is 80%, 0.38 mg / L, when Ta is 85%, 0.26 mg / L, when Ta is 90%, 0.27 mg / L, when Ta is 95%. It was 0.32 mg / L when 19 mg / L and Ta was 100%.

このように、Ptに対するTaの構成比率が80%の場合、即ち、表面層4を構成する誘電体に含まれる卑金属(この場合Ta)に対する貴金属(この場合Pt)の割合が20%以下である場合には、電解質溶液中に生成されるオゾン濃度が0.1mg/L以上とすることができ、高効率でオゾンを生成することができる。   Thus, when the composition ratio of Ta to Pt is 80%, that is, the ratio of the noble metal (in this case, Pt) to the base metal (in this case, Ta) included in the dielectric constituting the surface layer 4 is 20% or less. In this case, the ozone concentration generated in the electrolyte solution can be 0.1 mg / L or more, and ozone can be generated with high efficiency.

また、Taにて構成される表面層4の原料にPtが添加されることで、その溶液安定性を確保することができる。よって、貴金属の卑金属に対する割合が0より大きく20%以下とすることで、オゾンの生成効率を低下させることなく、当該金属酸化物により表面層4を構成する原料の安定性を図ることができる。   Moreover, the solution stability can be ensured by adding Pt to the raw material of the surface layer 4 composed of Ta. Therefore, when the ratio of the noble metal to the base metal is greater than 0 and 20% or less, the stability of the raw material constituting the surface layer 4 can be achieved with the metal oxide without lowering the ozone generation efficiency.

本実施例では、表面層4を非晶質のタンタル酸化物にて構成する場合に、貴金属として白金を含ませる場合について示しているが、当該貴金属は、これに限定されるものではなく、金やイリジウムであっても良い。   In this embodiment, when the surface layer 4 is composed of amorphous tantalum oxide, platinum is included as a noble metal. However, the noble metal is not limited to this, Or iridium.

また、図13には上記実施例1において採用される表面層4の原料に貴金属を添加した場合のオゾン生成量の依存性について示している。この場合、表面層4の原料には、イソプロピルアルコールと2−エトキシエタノールの混合比がそれぞれ4:1となるように調整した溶媒に、Nbと貴金属(M)の合計の濃度が0.73mol/Lとなる量の有機溶媒を溶解させて表面層4の原料とする。貴金属としては、白金(Pt)、金(Au)、イリジウム(Ir)を用い、Nb原料としてのニオブペンタエトキシドに、Pt材料としての六塩化白金酸、Au材料としての六塩化金酸、Ir材料としての塩化イリジウムをNbに対するPt比、Au比、Ir比が0〜50%の範囲で変化させて調整する。本実験における各電解用電極の表面層4を形成する際の焼成温度は400℃、塗布回数は25回とする。   FIG. 13 shows the dependency of the amount of ozone generated when noble metal is added to the raw material of the surface layer 4 employed in the first embodiment. In this case, the raw material of the surface layer 4 is a solvent adjusted so that the mixing ratio of isopropyl alcohol and 2-ethoxyethanol is 4: 1, respectively, and the total concentration of Nb and noble metal (M) is 0.73 mol / An amount of an organic solvent that is L is dissolved to obtain a raw material for the surface layer 4. Platinum (Pt), gold (Au), and iridium (Ir) are used as noble metals, niobium pentaethoxide as an Nb raw material, hexachloroplatinic acid as a Pt material, hexachloroauric acid as an Au material, Ir The iridium chloride as the material is adjusted by changing the Pt ratio, Au ratio, and Ir ratio with respect to Nb in the range of 0 to 50%. The firing temperature when forming the surface layer 4 of each electrode for electrolysis in this experiment is 400 ° C., and the number of coatings is 25 times.

この場合も、上記と同様に電解装置10を用いて表面層4を構成するNbと各貴金属Pt、Au、Irとの構成比を変化させた各電解用電極1のオゾン生成に関する評価を行った。電解条件については、上記実施例2の(2)における電解条件及びオゾン生成量の測定法と同様とするため、説明を省略する。   In this case as well, the electrolysis apparatus 10 was used to evaluate the ozone generation of each electrolysis electrode 1 in which the composition ratio of Nb constituting each surface layer 4 and each noble metal Pt, Au, Ir was changed. . Since the electrolysis conditions are the same as the electrolysis conditions and the method for measuring the amount of ozone generated in (2) of Example 2 above, description thereof is omitted.

当該実験では、表面層4を構成するPtに対するNbの構成比(以下、単にNbとする)が50.5%である場合に生成されたオゾン濃度は0.005mg/L、Nbが62.6%の場合0.015mg/L、Nbが63.1%の場合0.02mg/L、Nbが64.6%の場合0.017mg/L、Nbが85.6%の場合0.27mg/L、Nbが93.3%の場合0.36mg/L、Nbが100%の場合0.54mg/Lであった。   In this experiment, when the composition ratio of Nb to Pt constituting the surface layer 4 (hereinafter simply referred to as Nb) is 50.5%, the generated ozone concentration is 0.005 mg / L, and Nb is 62.6. % Is 0.015 mg / L, Nb is 63.1%, 0.02 mg / L, Nb is 64.6%, 0.017 mg / L, and Nb is 85.6%, 0.27 mg / L. When Nb was 93.3%, it was 0.36 mg / L, and when Nb was 100%, it was 0.54 mg / L.

表面層4を構成するAuに対するNbの構成比(以下、単にNbとする)が50.5%である場合に生成されたオゾン濃度は0.03mg/L、Nbが80.0%の場合0.15mg/L、Nbが88.0%の場合0.245mg/L、Nbが95.5%の場合0.38mg/L、Nbが100%の場合0.54mg/Lであった。   When the composition ratio of Nb to Au constituting the surface layer 4 (hereinafter simply referred to as Nb) is 50.5%, the generated ozone concentration is 0.03 mg / L, and 0 when Nb is 80.0%. It was 0.245 mg / L when Nb was 88.0%, 0.38 mg / L when Nb was 95.5%, and 0.54 mg / L when Nb was 100%.

表面層4を構成するIrに対するNbの構成比(以下、単にNbとする)が85.5%である場合に生成されたオゾン濃度は0、Nbが92.3%の場合0.173mg/L、Nbが100%の場合0.54mg/Lであった。   When the composition ratio of Nb to Ir composing the surface layer 4 (hereinafter simply referred to as Nb) is 85.5%, the generated ozone concentration is 0, and when Nb is 92.3%, 0.173 mg / L When Nb was 100%, it was 0.54 mg / L.

このように、表面層4をニオブ酸化物にて構成する場合であっても、貴金属に対するNbの構成比率が80%の場合、即ち、表面層4を構成する誘電体に含まれる卑金属(この場合Nb)に対する貴金属(この場合、特に、Pt及びAu)の割合が20%以下である場合には、電解質溶液中に生成されるオゾン濃度が0.1mg/L以上とすることができ、高効率でオゾンを生成することができる。

(2)表面層の厚さ分析
次に、誘電体により構成される表面層4の厚さについて検討する。図14には実施例2において作製された電解用電極1の断面SEM写真を示す。当該電解用電極1は、表面層4を非晶質のタンタル酸化物にて構成するものであり、焼成温度は600℃、塗布回数は25回、表面層4の原料の溶液安定性及びオゾン生成効率を考慮し、表面層4の原料には、Pt材料が添加され、表面層4を構成するPtに対するTaの構成比は90%としたものである。
As described above, even when the surface layer 4 is composed of niobium oxide, when the composition ratio of Nb to the noble metal is 80%, that is, the base metal contained in the dielectric constituting the surface layer 4 (in this case) When the ratio of noble metals to Nb) (in this case, in particular, Pt and Au) is 20% or less, the ozone concentration generated in the electrolyte solution can be 0.1 mg / L or more, and high efficiency Can produce ozone.

(2) Surface Layer Thickness Analysis Next, the thickness of the surface layer 4 composed of a dielectric will be examined. FIG. 14 shows a cross-sectional SEM photograph of the electrode 1 for electrolysis produced in Example 2. The electrode 1 for electrolysis comprises the surface layer 4 made of amorphous tantalum oxide, the firing temperature is 600 ° C., the number of coating is 25 times, the solution stability of the raw material of the surface layer 4 and the generation of ozone. In consideration of efficiency, a Pt material is added to the raw material of the surface layer 4, and the composition ratio of Ta to Pt constituting the surface layer 4 is 90%.

図14の断面SEM写真は、走査型電子顕微鏡(SEM、日立製 S-3400NX)により取得したものである。白色にて示されている層が本発明における表面層4であり、当該表面層4の下側に接触して形成される濃い灰色にて示されている層(他に比べて薄い層)が中間層3である。そして、この中間層3の下側に接触して形成される灰色にて示されている層が基体2である。   The cross-sectional SEM photograph of FIG. 14 was acquired with a scanning electron microscope (SEM, Hitachi S-3400NX). The layer shown in white is the surface layer 4 in the present invention, and the layer shown in dark gray (thin layer compared to the others) formed in contact with the lower side of the surface layer 4 is This is the intermediate layer 3. The layer shown in gray formed in contact with the lower side of the intermediate layer 3 is the base 2.

これによると、上述した如く取得されたSEM写真(倍率2000倍の電極断面の写真)を10枚以上取得し、そのデータから表面層4の膜厚を観察すると、表面層4は、少なくとも厚さの薄い薄領域と、厚さの厚い厚領域を有する不均厚構成とされている。薄領域の厚さは、0.2μm乃至2.5μmの範囲内、望ましくは、0.2μm乃至1.5μm、及び/又は平均0.5μmである。厚領域の厚さは、5μm以上、望ましくは、11μm以上、また、電極の生産コストやオゾン生成効率を考慮し、20μm以下である。   According to this, when 10 or more SEM photographs (photographs of electrode cross section at a magnification of 2000 times) obtained as described above are obtained and the film thickness of the surface layer 4 is observed from the data, the surface layer 4 is at least as thick as possible. This is a non-uniform thickness structure having a thin thin area and a thick thick area. The thickness of the thin region is in the range of 0.2 μm to 2.5 μm, preferably 0.2 μm to 1.5 μm, and / or an average of 0.5 μm. The thickness of the thick region is 5 μm or more, preferably 11 μm or more, and is 20 μm or less in consideration of electrode production costs and ozone generation efficiency.

また、上記データから膜厚のばらつきの割合を統計的に処理して分析すると、厚さが0.2μm乃至2.5μm以下とする薄領域は、当該電解用電極1の表面層4の全体面積の20%乃至50%の範囲であった。そして、厚さが5μm以上の厚領域は、当該電解用電極1の表面層4の全体面積の20%乃至40%の範囲であった。そして、これらの薄領域と、厚領域以外の部分の電解用電極1の表面層4は、2.5μmより大きく5μm未満の厚さとする領域である。   Further, when the ratio of film thickness variation is statistically processed and analyzed from the above data, the thin region having a thickness of 0.2 μm to 2.5 μm or less is the entire area of the surface layer 4 of the electrode 1 for electrolysis. Of 20% to 50%. The thickness region having a thickness of 5 μm or more was in the range of 20% to 40% of the entire area of the surface layer 4 of the electrode 1 for electrolysis. And the surface layer 4 of the electrode 1 for electrolysis of these thin areas and parts other than a thick area is an area | region made into thickness larger than 2.5 micrometers and less than 5 micrometers.

本実施例では、表面層4の薄領域と厚領域の形成は、上述したように、電解用電極1の基体2を図2のステップS3にて所定の面粗さとなるようにエッチング処理を施し、当該所定の面粗さとされた表面に、複数回に分けて中間層3の原料の塗布による中間層3の形成、更に、複数回に分けて表面層4の原料がその表面に塗布されることによってなされる。   In the present embodiment, the thin region and the thick region of the surface layer 4 are formed by etching the base 2 of the electrode 1 for electrolysis so as to have a predetermined surface roughness in step S3 in FIG. The intermediate layer 3 is formed by applying the raw material of the intermediate layer 3 in a plurality of times on the surface having the predetermined surface roughness, and further, the raw material of the surface layer 4 is applied on the surface in a plurality of times. Is made by

このように、本実施例では、非晶質の誘電体としてタンタル酸化物にて構成された表面層4は、その厚さが所定厚さ範囲の薄領域と、所定厚さ範囲の厚領域が形成されるように構成されているため、上述したように当該電解用電極1をアノードとして使用した電解質溶液の電気分解を行うことで、低電流密度にて効率的にオゾンを生成することができる。   Thus, in this embodiment, the surface layer 4 made of tantalum oxide as an amorphous dielectric has a thin region with a predetermined thickness range and a thick region with a predetermined thickness range. Since it is configured to be formed, as described above, it is possible to efficiently generate ozone at a low current density by electrolyzing the electrolyte solution using the electrode 1 for electrolysis as an anode. .

特に、表面層4は、厚さが0.2μm乃至2.5μmの範囲内とする薄領域を有することで、より高いエネルギーレベルでの電子の移動を生起させることができ、低い電流密度における高効率なオゾン生成を実現することができる。   In particular, the surface layer 4 has a thin region with a thickness in the range of 0.2 μm to 2.5 μm, so that it is possible to cause the movement of electrons at a higher energy level, and a high current at a low current density. Efficient ozone generation can be realized.

そして、上記薄領域と共に、表面層4は、厚さが5μm以上、望ましくは11μm以上20μm以下とする厚領域を有しているため、当該厚膜とされる厚領域によって薄領域の剥離を効果的に抑制し、当該電解用電極の耐久性の向上を図ることが可能となる。   In addition to the thin region, the surface layer 4 has a thickness region of 5 μm or more, preferably 11 μm or more and 20 μm or less, so that the thin region is effectively peeled off by the thick region. Therefore, the durability of the electrode for electrolysis can be improved.

また、薄領域は、表面層4の全体面積の20%乃至50%の範囲とすること、更には、厚領域は、表面層4の全体面積の20%乃至40%の範囲とすることにより、その表面層4の耐久性を確保しつつ、低電流密度による高効率なオゾン生成を実現することが可能となる。   Further, the thin region is in the range of 20% to 50% of the entire area of the surface layer 4, and the thick region is in the range of 20% to 40% of the entire area of the surface layer 4. While ensuring the durability of the surface layer 4, it is possible to realize highly efficient ozone generation with a low current density.

上述したように、各実施例における電解用電極1の表面層4を構成する誘電体としての非晶質の金属酸化物は、周期律表3族、4族、若しくは5族の元素、更に望ましくは、ニオブ、若しくは、タンタルとすることにより、高いオゾン生成効率を実現する電極1を容易に構成することができる。また、ニオブ若しくはタンタルにて金属酸化物を構成することで、生産コストの低廉化を図ることができ、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。   As described above, the amorphous metal oxide as the dielectric constituting the surface layer 4 of the electrode 1 for electrolysis in each embodiment is preferably an element of Group 3, 4, or 5 of the periodic table, and more preferably By using niobium or tantalum, the electrode 1 realizing high ozone generation efficiency can be easily configured. In addition, by forming the metal oxide with niobium or tantalum, the production cost can be reduced, and since no toxic substances such as lead dioxide are used, the environmental load can be reduced.

尚、各実施例における電解用電極1は、基体2に、表面層4の内側に位置して、基体2の表面に形成され、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3、例えば、上述したように、白金、金、イリジウム、酸化イリジウムにより中間層が形成されているので、アノードでの電極反応における電子が効果的に表面層4内を移動することが可能となる。そのため、表面層4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て効率的にオゾンを生成することができるようになる。   In addition, the electrode 1 for electrolysis in each embodiment is formed on the surface of the base 2 on the base 2 and on the surface of the base 2, and is at least a hardly oxidizable metal or a conductive metal oxide. Or the intermediate layer 3 containing any of the metals that are conductive even if oxidized, for example, as described above, the intermediate layer is formed of platinum, gold, iridium, iridium oxide, so that the electrode at the anode Electrons in the reaction can effectively move in the surface layer 4. Therefore, an electrode reaction can occur at a high energy level on the surface of the surface layer 4. Thereby, ozone can be generated efficiently at a lower current density.

特に、基体2の表面に難酸化性の金属で中間層3が形成されているため、当該電極1により電解を行った場合において、当該基体2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1の耐久性を向上させることができる。また、基体2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, since the intermediate layer 3 is formed of a hardly oxidizable metal on the surface of the base body 2, when electrolysis is performed by the electrode 1, the problem that the surface of the base body 2 is oxidized and becomes non-conductive is avoided. Can do. Thereby, durability of the electrode 1 can be improved. Further, the production cost can be reduced as compared with the case where the entire base 2 is made of the material constituting the intermediate layer, and in such a case, ozone can be generated efficiently in the same manner. it can.

1 電解用電極
2 基体(導電性基体)
3 中間層
4 表面層
10 電解装置
11 処理槽
12 電極(カソード)
13 電解質溶液(模擬水道水)
14 陽イオン交換膜
15 電源
16 撹拌装置
1 Electrode for Electrolysis 2 Substrate (Conductive Substrate)
3 Intermediate Layer 4 Surface Layer 10 Electrolyzer 11 Treatment Tank 12 Electrode (Cathode)
13 Electrolyte solution (simulated tap water)
14 Cation exchange membrane 15 Power supply 16 Stirrer

Claims (19)

基体と、当該基体に構成された表面層を備えて成る電解用電極であって、
前記表面層は、非晶質の誘電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 substrate,
The electrode for electrolysis, wherein the surface layer is an amorphous dielectric.
前記誘電体は、金属酸化物であり、且つ、金属元素の担持量が2μmol/cm2以上16μmol/cm2以下であることを特徴とする請求項1に記載の電解用電極。 2. The electrode for electrolysis according to claim 1, wherein the dielectric is a metal oxide, and a loading amount of the metal element is 2 μmol / cm 2 or more and 16 μmol / cm 2 or less. 前記金属酸化物を構成する金属は、周期律表3族、4族、若しくは5族の元素であることを特徴とする請求項2に記載の電解用電極。   3. The electrode for electrolysis according to claim 2, wherein the metal constituting the metal oxide is an element of Group 3, 4, or 5 of the periodic table. 前記金属酸化物を構成する金属は、ニオブ、若しくは、タンタルであることを特徴とする請求項2又は請求項3に記載の電解用電極。   The electrode for electrolysis according to claim 2 or 3, wherein the metal constituting the metal oxide is niobium or tantalum. 前記金属酸化物を構成する金属は、タンタルであって、且つ、前記誘電体は、貴金属を含み、当該貴金属の卑金属に対する割合が0より大きく20%以下であることを特徴とする請求項4に記載の電解用電極。   5. The metal constituting the metal oxide is tantalum, and the dielectric contains a noble metal, and a ratio of the noble metal to a base metal is greater than 0 and 20% or less. The electrode for electrolysis of description. 前記貴金属は、白金、金、イリジウムであることを特徴とする請求項5に記載の電解用電極。   The electrode for electrolysis according to claim 5, wherein the noble metal is platinum, gold, or iridium. 前記基体には、前記表面層の内側に位置して、前記基体の表面に形成され、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が形成されていることを特徴とする請求項1乃至請求項6の何れかに記載の電解用電極。   The base is formed inside the surface layer and is formed on the surface of the base, and is at least a hardly oxidizable metal, a conductive metal oxide, or conductive even when oxidized. The electrode for electrolysis according to any one of claims 1 to 6, wherein an intermediate layer containing any one of metals is formed. 前記中間層は、白金、金、イリジウム、酸化イリジウムにより構成されていることを特徴とする請求項7に記載の電解用電極。   The electrode for electrolysis according to claim 7, wherein the intermediate layer is composed of platinum, gold, iridium, or iridium oxide. 基体と、当該基体に誘電体にて構成された表面層を備えて成る電解用電極であって、
前記表面層は、少なくとも厚さの薄い薄領域と、厚さの厚い厚領域を備え、
前記薄領域の厚さが0.2μm乃至2.5μmの範囲内であって、且つ、厚領域の厚さが5μm以上とする不均厚構成とされ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 composed of a dielectric on the substrate,
The surface layer includes at least a thin region having a small thickness and a thick region having a large thickness,
An electrode for electrolysis having an uneven thickness structure in which a thickness of the thin region is in a range of 0.2 μm to 2.5 μm and a thickness of the thick region is 5 μm or more.
前記薄領域は、前記表面層の全体面積の20%乃至50%の範囲とすることを特徴とする請求項9に記載の電解用電極。   The electrode for electrolysis according to claim 9, wherein the thin region is in a range of 20% to 50% of the entire area of the surface layer. 前記厚領域は、前記表面層の全体面積の20%乃至50%の範囲とすることを特徴とする請求項9又は請求項10のいずれかに記載の電解用電極。   11. The electrode for electrolysis according to claim 9, wherein the thick region is in a range of 20% to 50% of the entire area of the surface layer. 前記誘電体は、非晶質のニオブ酸化物又は非晶質のタンタル酸化物であることを特徴とする請求項9乃至請求項11のいずれかに記載の電解用電極。   12. The electrode for electrolysis according to claim 9, wherein the dielectric is amorphous niobium oxide or amorphous tantalum oxide. 基体に表面層の原料を塗布した後、熱処理することにより非晶質の表面層を形成することを特徴とする電解用電極の製造方法。   A method for producing an electrode for electrolysis, wherein an amorphous surface layer is formed by applying a heat treatment after applying a surface layer material to a substrate. 基体の表面に中間層の原料を塗布した後、熱処理することにより前記基体の表面に前記中間層を形成する第1のステップと、
該第1のステップ後、前記中間層の表面に表面層の原料を塗布した後、熱処理することにより非晶質の表面層を形成する第2のステップを含むことを特徴とする電解用電極の製造方法。
A first step of forming the intermediate layer on the surface of the substrate by applying a heat treatment after applying the raw material of the intermediate layer on the surface of the substrate;
An electrode for electrolysis comprising a second step of forming an amorphous surface layer by applying a heat treatment after applying a raw material of the surface layer to the surface of the intermediate layer after the first step. Production method.
前記表面層を、非晶質のニオブ酸化物、又は、非晶質のタンタル酸化物としたことを特徴とする請求項13又は請求項14に記載の電解用電極の製造方法。   The method for producing an electrode for electrolysis according to claim 13 or 14, wherein the surface layer is made of amorphous niobium oxide or amorphous tantalum oxide. 前記表面層は、ニオブ酸化物であって、且つ、前記熱処理における熱処理温度を、300℃乃至500℃としたことを特徴とする請求項13乃至請求項15の何れかに記載の電解用電極の製造方法。   The electrode for electrolysis according to any one of claims 13 to 15, wherein the surface layer is niobium oxide, and a heat treatment temperature in the heat treatment is set to 300 ° C to 500 ° C. Production method. 前記表面層は、タンタル酸化物であって、且つ、前記熱処理における熱処理温度を、450℃乃至600℃としたことを特徴とする請求項13乃至請求項15の何れかに記載の電解用電極の製造方法。   The electrode for electrolysis according to any one of claims 13 to 15, wherein the surface layer is made of tantalum oxide, and a heat treatment temperature in the heat treatment is set to 450 ° C to 600 ° C. Production method. 前記基体に表面層の原料を塗布した後、熱処理する工程を15回乃至50回繰り返して前記表面層を形成することを特徴とする請求項13乃至請求項17の何れかに記載の電解用電極の製造方法。   The electrode for electrolysis according to any one of claims 13 to 17, wherein the surface layer is formed by repeating a heat treatment step 15 to 50 times after coating a raw material of the surface layer on the substrate. Manufacturing method. 前記表面層の原料は、有機金属を含むことを特徴とする請求項13乃至請求項18の何れかに記載の電解用電極の製造方法。   The method for producing an electrode for electrolysis according to any one of claims 13 to 18, wherein the raw material of the surface layer contains an organic metal.
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