JP2012001798A - Method for manufacturing electrode for electrolytic device - Google Patents

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幸弘 新谷
Kazuma Takenaka
一馬 竹中
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for manufacturing an electrode for electrolytic device, in which a high performance electrode can be obtained by appropriately controlling the termination on the electrode for electrolytic device.SOLUTION: A carbonaceous film is formed on a base material and then, a hydrogen termination rate of the carbonaceous film formed on the base material is increased. By such method for manufacturing the electrode for electrolytic device, the hydrogen termination rate of the carbonaceous film formed on the base material is increased, and thereby the high performance electrode can be obtained by appropriately controlling the termination on the electrode for electrolytic device.

Description

本発明は、電解式フッ素発生装置に使用される電解装置用電極の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for producing an electrode for an electrolytic device used in an electrolytic fluorine generator.

特許第3893397号公報には、フッ化物イオンを含有する溶融塩電解浴を用いてフッ素含有物質を電解合成するための電極として、ダイヤモンド電極を使用する技術が開示されている。   Japanese Patent No. 3893397 discloses a technique in which a diamond electrode is used as an electrode for electrolytic synthesis of a fluorine-containing substance using a molten salt electrolytic bath containing fluoride ions.

特許第3893397号公報Japanese Patent No. 3893397

しかし、上記公報には、ダイヤモンド電極における終端の状態が電極の性能に与える影響についての記載はない。またダイヤモンド電極の終端を制御する方法についての記載もない。本発明は、電解装置用電極における終端の状態が電極の性能に大きな影響を与えることの発見に基づくものである。   However, the above publication does not describe the influence of the terminal state of the diamond electrode on the electrode performance. There is no description of a method for controlling the end of the diamond electrode. The present invention is based on the discovery that the terminal state of an electrode for an electrolysis device has a great influence on the performance of the electrode.

本発明の目的は、電解装置用電極の終端を適切に制御することで高性能な電極を得ることができる電解装置用電極の製造方法を提供することにある。   The objective of this invention is providing the manufacturing method of the electrode for electrolyzers which can obtain a high performance electrode by controlling the termination | terminus of the electrode for electrolyzers appropriately.

本発明の電解装置用電極の製造方法は、電解式フッ素発生装置に使用される電解装置用電極の製造方法において、基体上に炭素膜を成膜するステップと、前記基体上に成膜された前記炭素膜の水素終端被覆率を上昇させるステップと、を備えることを特徴とする。
この電解装置用電極の製造方法によれば、基体上に成膜された炭素膜の水素終端被覆率を上昇させるので、電解装置用電極の終端を適切に制御することで高性能な電極を得ることができる。
The method for producing an electrode for an electrolysis apparatus according to the present invention is a method for producing an electrode for an electrolysis apparatus used in an electrolytic fluorine generator, and a step of forming a carbon film on a substrate and a film formed on the substrate Increasing the hydrogen termination coverage of the carbon film.
According to this method for producing an electrode for an electrolysis apparatus, the hydrogen termination coverage of the carbon film formed on the substrate is increased, so that a high-performance electrode is obtained by appropriately controlling the termination of the electrode for the electrolysis apparatus. be able to.

前記炭素膜は、ダイヤモンド(アズ・グローンダイヤモンド)であってもよい。   The carbon film may be diamond (as-grown diamond).

前記炭素膜を成膜するステップでは、CVD法を用いてダイヤモンド(アズ・グローンダイヤモンド)を成膜してもよい。   In the step of forming the carbon film, diamond (as-grown diamond) may be formed using a CVD method.

前記炭素膜は、ECRスパッタカーボンであってもよい。   The carbon film may be ECR sputtered carbon.

前記水素終端被覆率を上昇させるステップでは、HF処理、水素プラズマ処理、水素雰囲気中の加熱処理、水素ラジカル処理、陰極還元法のうちの少なくとも1つを用いてもよい。   In the step of increasing the hydrogen termination coverage, at least one of HF treatment, hydrogen plasma treatment, heat treatment in a hydrogen atmosphere, hydrogen radical treatment, and cathode reduction method may be used.

本発明の電解装置用電極の製造方法によれば、基体上に成膜された炭素膜の水素終端被覆率を上昇させるので、電解装置用電極の終端を適切に制御することで高性能な電極を得ることができる。   According to the method for manufacturing an electrode for an electrolysis apparatus of the present invention, the hydrogen termination coverage of a carbon film formed on a substrate is increased. Therefore, a high-performance electrode can be obtained by appropriately controlling the termination of the electrode for an electrolysis apparatus. Can be obtained.

熱フィラメントCVD法を用いた電解装置用電極の製造手順を示す図。The figure which shows the manufacturing procedure of the electrode for electrolytic devices using a hot filament CVD method. 導電性ダイヤモンド電極の終端の状態を示す図であり、(a)はダイヤモンド層の成膜後における導電性ダイヤモンド電極の終端の状態を、(b)は水素終端化処理後における導電性ダイヤモンド電極の終端の状態を、それぞれ示す図。It is a figure which shows the state of the termination | terminus of a conductive diamond electrode, (a) is the state of the termination | terminus of the conductive diamond electrode after film-forming of a diamond layer, (b) is the state of the conductive diamond electrode after a hydrogen termination process. The figure which shows the state of a termination | terminus, respectively. 水素終端化処理を経て作成された電解装置用電極(ダイヤモンド電極)を用いた電解装置の構成を示す断面図。Sectional drawing which shows the structure of the electrolyzer using the electrode for electrolyzers (diamond electrode) produced through the hydrogen termination process.

以下、本発明による電解装置用電極の製造方法の実施形態について説明する。   Hereinafter, an embodiment of a method for producing an electrode for an electrolysis device according to the present invention will be described.

電解式フッ素ガス発生装置においてフッ素ガスを発生させる陽極(作用極)として電解液との接液面の水素終端被覆率が高いダイヤモンド電極等を使用することにより、接液面の表面状態が特段制御されていないダイヤモンド電極と比較して、電流密度の向上が図られるとともに、電解運転時における陽極酸化を遅らせることで電極寿命の延長を図ることができる。   The surface condition of the wetted surface is specially controlled by using a diamond electrode with a high hydrogen termination coverage on the wetted surface of the electrolyte as the anode (working electrode) for generating fluorine gas in the electrolytic fluorine gas generator. Compared with the diamond electrode which is not made, the current density can be improved, and the electrode life can be extended by delaying the anodic oxidation during the electrolysis operation.

以下、その原理について説明する。   Hereinafter, the principle will be described.

電解液として溶融塩KF・nHF(nには特段の制限はないが、1以上3以下であることが好ましい。)を用いた電解式フッ素ガス発生装置では、例えば、特許第3893397号公報に示されるように、陽極にダイヤモンド電極が使用される。所定の運転電位を電極に印加すると、(1)式および(2)式で示される電気化学反応により陽極からはフッ素が、陰極からは水素が、それぞれ発生する。   An electrolytic fluorine gas generator using a molten salt KF · nHF as an electrolytic solution (n is not particularly limited, but is preferably 1 or more and 3 or less) is disclosed in, for example, Japanese Patent No. 3893397. As such, a diamond electrode is used for the anode. When a predetermined operating potential is applied to the electrode, fluorine is generated from the anode and hydrogen is generated from the cathode by the electrochemical reaction represented by the equations (1) and (2).

陽極:2F-→F2+2e- ・・・(1)式
陰極:2H++2e-→H2 ・・・(2)式
Anode: 2F → F 2 + 2e (1) Formula Cathode: 2H + + 2e → H 2 (2) Formula

本願発明者らはフッ素発生用電極としてはダイヤモンドの接液面が水素終端であることが、炭素終端、酸素終端、フッ素終端である場合と比較して電流密度向上の観点から好ましいことを見出している。つまり、ダイヤモンド電極の接液面の終端数に占める水素終端の割合(以下、「水素終端被覆率」という。)が大きい方が電極性能を示す指針である電流密度(A/cm2)が大きくなる。 The inventors of the present application have found that, as a fluorine generating electrode, it is preferable from the viewpoint of improving the current density that the wetted surface of diamond is hydrogen-terminated compared to the case of carbon-terminated, oxygen-terminated and fluorine-terminated. Yes. In other words, the larger the ratio of hydrogen termination to the number of terminations on the wetted surface of the diamond electrode (hereinafter referred to as “hydrogen termination coverage”), the larger the current density (A / cm 2 ), which is a guideline for electrode performance. Become.

ダイヤモンド電極の接液面の水素終端被覆率がより高いほど高電流密度が得られる理由については幾つか考えられる。そのうちの一つについて、以下説明する。   There are several reasons why a higher current density can be obtained as the hydrogen termination coverage on the wetted surface of the diamond electrode is higher. One of them will be described below.

電極による電気化学反応では化学反応は電極表面上で進行するので、電極表面の化学的状態が電極性能を支配する要素の一つとなる。ダイヤモンドの終端状態としては水素終端(例えば、C−Hなど)、酸素終端(例えば、C−Oなど)、フッ素終端(例えば、C−Fなど)、炭素終端(例えば、C=Cなど)などが知られている。水素終端ダイヤモンドでは電気陰性度が水素原子(約2.1)と炭素原子(約2.5)で異なるため、表面側(水素原子側)が正の電荷(水素原子あたり+0.05e)を有することになる。一方、酸素終端ダイヤモンドは酸素が2個の炭素原子とエーテル結合、または1個の炭素原子と二重結合を取るカルボニル結合、1個の炭素原子とOHで終端されるヒドロキシ結合の3形態があるが、いずれの場合においても電気陰性度が酸素原子(約3.5)と炭素原子(約2.5)で大きく異なるため、表面側(酸素原子側)に負電荷(酸素原子あたり−0.2e)を有している。また、フッ素終端ダイヤモンドの場合には1個のフッ素原子がダングリングボンドを終端するという点では水素と同様であるが、電気陰性度がフッ素(約4.0)と炭素原子(約2.5)で異なるために、表面側に負電荷を有している。   In an electrochemical reaction by an electrode, the chemical reaction proceeds on the surface of the electrode, so that the chemical state of the electrode surface is one of the factors that govern the electrode performance. As a terminal state of diamond, hydrogen termination (for example, C—H, etc.), oxygen termination (for example, C—O, etc.), fluorine termination (for example, C—F, etc.), carbon termination (for example, C═C, etc.), etc. It has been known. In hydrogen-terminated diamond, the electronegativity differs between hydrogen atoms (about 2.1) and carbon atoms (about 2.5), so the surface side (hydrogen atom side) has a positive charge (+ 0.05e per hydrogen atom). It will be. On the other hand, oxygen-terminated diamond has three forms: oxygen is an ether bond with two carbon atoms, or a carbonyl bond with a double bond with one carbon atom, and a hydroxy bond terminated with one carbon atom and OH. However, in either case, since the electronegativity is greatly different between oxygen atoms (about 3.5) and carbon atoms (about 2.5), negative charges (−0.000 per oxygen atom) on the surface side (oxygen atom side). 2e). Further, in the case of fluorine-terminated diamond, it is the same as hydrogen in that one fluorine atom terminates a dangling bond, but the electronegativity is fluorine (about 4.0) and carbon atom (about 2.5). ) Have a negative charge on the surface side.

電解用電極、とくにフッ素系溶融塩を原料液として使用した電解式フッ素発生装置の陽極として使用する場合、電極表面は負電荷よりも正電荷の方が、電気化学反応が進行する際のエネルギー阻害が小さくなり、その結果化学反応はより促進される。よって、ダイヤモンドの水素終端被覆率の高い方がより効果的にフッ素ガスを発生させることができる。   When using as an anode for an electrode for electrolysis, especially an electrolytic fluorine generator that uses a fluorine-based molten salt as a raw material liquid, the positive charge on the electrode surface is more negative than the negative charge when the electrochemical reaction proceeds. And as a result, the chemical reaction is further promoted. Therefore, the higher the hydrogen termination coverage of diamond, the more effectively the generation of fluorine gas.

また、水素終端被覆率が高いダイヤモンド電極は、陽極酸化による電極劣化についても遅延させる効果を有する。ダイヤモンド電極の劣化は主に陽極酸化に起因した劣化モードによるものであり、電流値に応じた速度で劣化が進行する。ダイヤモンド電極表面の酸素終端やフッ素終端の割合が高くなると接液面を占める酸化状態の割合が大きくなり、電極劣化が進行することとなる。よって、電極製造工程において接液面の水素終端被覆率を高めることで電極寿命を長くすることができる。   In addition, a diamond electrode having a high hydrogen termination coverage has an effect of delaying electrode deterioration due to anodic oxidation. The deterioration of the diamond electrode is mainly due to a deterioration mode caused by anodic oxidation, and the deterioration proceeds at a speed corresponding to the current value. If the ratio of oxygen termination or fluorine termination on the surface of the diamond electrode is increased, the proportion of the oxidized state occupying the wetted surface is increased, and electrode deterioration proceeds. Therefore, the electrode lifetime can be extended by increasing the hydrogen termination coverage on the wetted surface in the electrode manufacturing process.

ダイヤモンド電極は基板(例えば、Si基板や金属基板)の上にホットフィラメント化学蒸着法(HFCVD)、プラズマ化学蒸着法(PCVD)などの方法でダイヤモンド薄膜を成膜して作成される。CVD法により得られるアズ・グローン(as grown:基板上に結晶を成長させたままであり、結晶成長後に特別な表面処理等の後処理を加えていない状態)なダイヤモンドの終端状態では水素終端の割合が比較的多いが、水素終端以外にも幾つかの元素の終端が存在する。例えば、炭素原料としてメタンを使用した場合には水素終端と炭素終端の2元素で大部分を占め、炭素原料としてアルコールを使用した場合には水素終端、炭素終端、酸素終端で大部分を占め、炭素原料としてアセトンを使用した場合には水素終端、炭素終端、酸素終端、窒素終端で大部分を占める。つまり、アズ・グローンなダイヤモンド結晶の表面上には2種類以上の元素の終端が存在することになる。   The diamond electrode is formed by forming a diamond thin film on a substrate (for example, Si substrate or metal substrate) by a method such as hot filament chemical vapor deposition (HFCVD) or plasma chemical vapor deposition (PCVD). Percentage of hydrogen termination in the as-grown diamond state (as grown: a state in which crystals are grown on the substrate and no post-treatment such as special surface treatment is applied after crystal growth) However, there are some element terminations other than hydrogen termination. For example, when methane is used as a carbon raw material, it occupies most of the two elements, hydrogen termination and carbon termination, and when alcohol is used as the carbon raw material, it occupies most of the hydrogen termination, carbon termination, and oxygen termination, When acetone is used as a carbon raw material, the hydrogen termination, carbon termination, oxygen termination, and nitrogen termination occupy most. In other words, two or more kinds of terminal ends exist on the surface of the as-grown diamond crystal.

これに対し、本発明に係る電解装置用電極は、アズ・グローンなダイヤモンドと比較して接液面の水素終端被覆率を高めていることを特徴とするものであり、これにより電流密度の向上および寿命の延長を図ることができる。   On the other hand, the electrode for an electrolysis apparatus according to the present invention is characterized in that the hydrogen termination coverage on the wetted surface is increased as compared with an as-grown diamond, thereby improving the current density. In addition, the life can be extended.

本発明において、導電性基体へ導電性ダイヤモンド皮膜を担持させる方法は限定されず、任意の方法を使用できる。代表的な製造法としては気相合成法を使用でき、気相合成法としてはCVD(化学蒸着)法、物理蒸着(PVD)法、プラズマアークジェット法を使用できる。また、CVD法としては、熱フィラメントCVD法、マイクロ波プラズマCVD法などが使用される。   In the present invention, the method for supporting the conductive diamond film on the conductive substrate is not limited, and any method can be used. As a typical production method, a vapor phase synthesis method can be used, and as a vapor phase synthesis method, a CVD (chemical vapor deposition) method, a physical vapor deposition (PVD) method, or a plasma arc jet method can be used. As the CVD method, a hot filament CVD method, a microwave plasma CVD method, or the like is used.

導電性ダイヤモンド皮膜を担持させる場合、いずれの方法でもダイヤモンド原料として水素ガスおよび炭素源の混合ガスが用いられるが、電解用途としてダイヤモンドに導電性を付与するために、原子価の異なる元素(ドーパント)を微量添加する。ドーパントとしては、ホウ素、リン、窒素が好ましく、好ましい含有率は1〜100000ppm、さらに好ましくは100〜10000ppmである。また、いずれの方法によっても合成された導電性ダイヤモンド層は多結晶であり、ダイヤモンド層中にアモルファスカーボンやグラファイト成分が混入する。ダイヤモンド層の安定性の観点からアモルファスカーボンやグラファイト成分は少ないほうが好ましく、ラマン分光分析において、ダイヤモンドに帰属する1332cm-1付近(1312〜1352cm-1の範囲)に存在するピーク強度I(D)と、グラファイトのGバンドに帰属する1580cm-1付近(1560〜1600cm-1の範囲)のピーク強度I(G)の比I(D)/I(G)が1以上であり、ダイヤモンドの含有量がグラファイトの含有量より多くなることが望ましい。 When carrying a conductive diamond film, a mixed gas of hydrogen gas and carbon source is used as a diamond raw material in any method, but in order to impart conductivity to diamond for electrolysis, an element (dopant) having a different valence is used. Is added in a small amount. As a dopant, boron, phosphorus, and nitrogen are preferable, and a preferable content rate is 1 to 100,000 ppm, and more preferably 100 to 10,000 ppm. In addition, the conductive diamond layer synthesized by any method is polycrystalline, and amorphous carbon and graphite components are mixed in the diamond layer. Amorphous carbon or graphite component from the viewpoint of the stability of the diamond layer is preferably lesser, in Raman spectroscopic analysis, and around 1332 cm -1 attributable to the diamond peak present in (1312~1352Cm range of -1) intensity I (D) , the ratio I (D) / I of the peak intensity near 1580 cm -1 attributable to the G band of graphite (range 1560~1600cm -1) I (G) ( G) is not less than 1, the content of diamond It is desirable that the content be higher than the graphite content.

以下、導電性基体へ導電性ダイヤモンド皮膜を担持させる方法として最も好ましい方法の一つである熱フィラメントCVD法を用いて高い水素終端被覆率を有するダイヤモンド電極を作成する手順について説明する。   Hereinafter, a procedure for producing a diamond electrode having a high hydrogen-terminated coating rate using a hot filament CVD method, which is one of the most preferable methods for supporting a conductive diamond film on a conductive substrate, will be described.

図1は、熱フィラメントCVD法を用いた電解装置用電極の製造手順を示す図である。以下、工程1〜工程4について説明する。   FIG. 1 is a diagram showing a procedure for manufacturing an electrode for an electrolysis apparatus using a hot filament CVD method. Hereinafter, step 1 to step 4 will be described.

(工程1)
工程1では、導電性基体の研磨を行う。導電性基体として、例えばSi基板を用いることができる。研磨により導電性基体とダイヤモンド皮膜のダイヤモンド層の密着性を向上させることができる。算術平均粗さRaが0.1〜15μm、最大高さRzが1〜100μmとなるように研磨するのが好ましい。
(Process 1)
In step 1, the conductive substrate is polished. For example, a Si substrate can be used as the conductive substrate. The adhesion between the conductive substrate and the diamond layer of the diamond film can be improved by polishing. Polishing is preferably performed so that the arithmetic average roughness Ra is 0.1 to 15 μm and the maximum height Rz is 1 to 100 μm.

(工程2)
工程2では、均一なダイヤモンド層を成長させるために、導電性基体の表面にダイヤモンドの核付け処理をする。核付け方法としては、ダイヤモンド微粒子が入った溶液を超音波法、浸漬法、その他の方法で導電性基体上に塗布し、溶媒乾燥させる方法等をとることができる。
(Process 2)
In step 2, a diamond nucleation process is performed on the surface of the conductive substrate in order to grow a uniform diamond layer. As a nucleation method, a solution containing diamond fine particles can be applied to an electroconductive substrate by an ultrasonic method, a dipping method, or other methods, followed by solvent drying.

(工程3)
工程3では、蒸着等により導電性基体上にダイヤモンド微粒子層を成膜する。炭素源、例えば、メタン、アルコール、アセトンなどの低分子有機化合物と、ドーパント、例えば、ホウ素を、水素ガスとともにフィラメントに供給する。水素ラジカルなどが発生する温度域(例えば、1800〜2800℃)までフィラメントを加熱して、この雰囲気内に、ダイヤモンドが析出する温度領域(例えば、750〜1200℃)になるように導電性基体を配置する。混合ガスの供給速度は反応容器のサイズに依るが、圧力は15〜760Torrであることが好ましい。導電性基体上には通常、0.001〜2μmの粒径のダイヤモンド微粒子層が析出する。このダイヤモンド微粒子層の厚さは蒸着時間により調整することができるが、経済性の観点から0.5〜20μmとするのが好ましい。
(Process 3)
In step 3, a diamond fine particle layer is formed on the conductive substrate by vapor deposition or the like. A carbon source, for example, a low molecular weight organic compound such as methane, alcohol, and acetone, and a dopant, for example, boron are supplied to the filament together with hydrogen gas. The filament is heated to a temperature range where hydrogen radicals and the like are generated (for example, 1800 to 2800 ° C.), and the conductive substrate is placed in this atmosphere so that a temperature range where diamond is deposited (for example, 750 to 1200 ° C.). Deploy. The supply rate of the mixed gas depends on the size of the reaction vessel, but the pressure is preferably 15 to 760 Torr. A diamond fine particle layer having a particle size of 0.001 to 2 μm is usually deposited on the conductive substrate. The thickness of the diamond fine particle layer can be adjusted by the deposition time, but is preferably 0.5 to 20 μm from the viewpoint of economy.

(工程4)
工程4では、ダイヤモンド微粒子層の成膜後のアズ・グローンダイヤモンドの水素以外の終端(例えば、炭素終端や酸素終端など)を水素終端化処理する。図2(a)はダイヤモンド微粒子層の成膜後における導電性ダイヤモンド電極の終端の状態の一例を、図2(b)は水素終端化処理後における導電性ダイヤモンド電極の終端の状態を、それぞれ示している。水素終端化処理の方法としては、HF処理、水素プラズマ処理、水素雰囲気中の加熱処理、水素ラジカル処理、陰極還元法のいずれかを適用することができる。これらの方法のうち2種類以上の水素終端化処理を組み合わせて、水素終端化処理の効果を高めることもできる。陰極還元法としては、例えばアズ・グローン状態の導電性ダイヤモンド電極に、約−1.8Vの電圧を印加して、0.1M硫酸水溶液(H2SO4)中に30分程度浸漬する方法が考えられる。
(Process 4)
In step 4, a terminal other than hydrogen (for example, carbon terminal or oxygen terminal) of as-grown diamond after the diamond fine particle layer is formed is subjected to hydrogen termination. FIG. 2A shows an example of the state of termination of the conductive diamond electrode after the formation of the diamond fine particle layer, and FIG. 2B shows the state of termination of the conductive diamond electrode after the hydrogen termination treatment. ing. As a method for hydrogen termination treatment, any of HF treatment, hydrogen plasma treatment, heat treatment in a hydrogen atmosphere, hydrogen radical treatment, and cathode reduction method can be applied. Of these methods, two or more types of hydrogen termination treatments can be combined to enhance the effect of the hydrogen termination treatment. As the cathode reduction method, for example, a method of applying a voltage of about −1.8 V to a conductive diamond electrode in an as-grown state and immersing it in a 0.1 M sulfuric acid aqueous solution (H 2 SO 4 ) for about 30 minutes. Conceivable.

上記工程を経て製造されたダイヤモンド電極の水素終端被覆率等の表面状態に関しては、例えば、フーリエ変換型赤外分光(FTIR)等の既知技術により解析することができる。   The surface state such as the hydrogen termination coverage of the diamond electrode manufactured through the above steps can be analyzed by a known technique such as Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR).

なお、工程1および工程2については、それぞれ省略することもできる。   Note that Step 1 and Step 2 can be omitted.

工程3に代わる処理としてECRスパッタカーボン成膜を適用してもよい。ECRスパッタカーボンは部分的にsp3構造を有する炭素膜である。ECRカーボンの成膜工程については、例えば特開2006−090875号公報等に開示がある。ECRスパッタカーボン成膜では、通常、原料ターゲットとしてカーボンターゲット、プラズマガスとしてアルゴンガスが使用される。成膜後のアズ・グローン膜の炭素表面は炭素終端である。   ECR sputtered carbon film formation may be applied as an alternative to step 3. ECR sputtered carbon is a carbon film partially having an sp3 structure. The film forming process of ECR carbon is disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-090875. In ECR sputtered carbon film formation, a carbon target is generally used as a raw material target, and an argon gas is used as a plasma gas. The carbon surface of the as-grown film after film formation is carbon-terminated.

この場合、工程4に相当する工程においてアズ・グローンのECRスパッタカーボン成膜に対して水素化処理することで、炭素終端を水素終端化する。水素終端化処理の方法としては、HF処理、水素プラズマ処理、水素雰囲気中の加熱処理、水素ラジカル処理、陰極還元法のいずれかを適用することができる。これらの方法のうち2種類以上の水素終端化処理を組み合わせて、水素終端化処理の効果を高めることもできる。水素終端化されたECRスパッタカーボン成膜は、アズ・グローンである炭素終端のECRスパッタカーボン電極と比較して、陽極酸化抑制による耐久性向上、電流密度向上などが期待できる。   In this case, the carbon terminal is hydrogen-terminated by performing hydrogenation on the as-grown ECR sputtered carbon film formation in a step corresponding to step 4. As a method for hydrogen termination treatment, any of HF treatment, hydrogen plasma treatment, heat treatment in a hydrogen atmosphere, hydrogen radical treatment, and cathode reduction method can be applied. Of these methods, two or more types of hydrogen termination treatments can be combined to enhance the effect of the hydrogen termination treatment. The hydrogen-terminated ECR sputtered carbon film can be expected to have improved durability, improved current density, and the like by suppressing anodization, as compared to an as-grown carbon-terminated ECR sputtered carbon electrode.

ECRスパッタカーボン膜の表面状態(水素終端被覆率等)については、フーリエ変換型赤外分光(FTIR)等の既知技術により解析することができる。   The surface state of the ECR sputtered carbon film (hydrogen termination coverage, etc.) can be analyzed by a known technique such as Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR).

ダイヤモンド電極に用いるダイヤモンド構造を有する導電性炭素質としては、導電性ダイヤモンド(多結晶、単結晶)以外にも、導電性ダイヤモンドライクカーボン、ECRスパッタカーボン、RFスパッタカーボン、カーボンナノチューブ、フラーレン、カーボンナノホーン等の単体およびそれらを主成分とする導電性炭素材料を使用することができる。ダイヤモンド、ECRスパッタカーボン、ダイヤモンドライクカーボンのように、主にsp2に対するsp3比率(sp3/sp2 ratio)が高い構造体であれば、溶融塩による腐食や陽極効果が起こり難いために好適であり、sp3組成率が最も高いダイヤモンド結晶体(多結晶、単結晶)が最も好適である。   In addition to conductive diamond (polycrystalline, single crystal), conductive carbonaceous materials having a diamond structure used for diamond electrodes include conductive diamond-like carbon, ECR sputtered carbon, RF sputtered carbon, carbon nanotube, fullerene, and carbon nanohorn. Etc. and a conductive carbon material containing them as a main component can be used. A structure mainly having a high sp3 ratio (sp3 / sp2 ratio) to sp2, such as diamond, ECR sputtered carbon, and diamond-like carbon, is preferable because corrosion due to molten salt and an anodic effect are unlikely to occur. A diamond crystal body (polycrystal, single crystal) having the highest composition ratio is most suitable.

なお、本明細書においてダイヤモンド電極とは、導電性基板(例えば、Si、炭素など)の表面にダイヤモンド構造を有する導電性炭素質の皮膜を形成させた構造体のほか、導電性基板(例えば、Si、炭素など)がなく、ダイヤモンド板の表面の水素終端被覆率を高めた電極を含んでいる。また、本発明において、ダイヤモンド膜は多結晶に限らず単結晶であってもよい。   In this specification, the diamond electrode refers to a conductive substrate (for example, a structure in which a conductive carbonaceous film having a diamond structure is formed on the surface of a conductive substrate (for example, Si, carbon). The electrode includes an electrode having a high hydrogen termination coverage on the surface of the diamond plate. In the present invention, the diamond film is not limited to a polycrystal but may be a single crystal.

本発明に係る電極の形態は、平板形状に限定されない。例えば、電極表面で発生する気体を電解液から効率的に分離可能とするためにダイヤモンド電極等に微細な多孔を設けることもできる。この場合、多孔型のダイヤモンド電極等を陽極として使用すれば、電流密度向上の面から効果的である。例えば、特願2009−195488号明細書に開示された多孔型電極をダイヤモンド電極として構成することもできる。   The form of the electrode according to the present invention is not limited to a flat plate shape. For example, in order to make it possible to efficiently separate the gas generated on the electrode surface from the electrolytic solution, a fine porosity can be provided in the diamond electrode or the like. In this case, if a porous diamond electrode or the like is used as the anode, it is effective in terms of improving the current density. For example, the porous electrode disclosed in Japanese Patent Application No. 2009-195488 can be configured as a diamond electrode.

図3は、水素終端化処理を経て作成された電解装置用電極(ダイヤモンド電極等)を用いた電解装置の構成を示す断面図である。   FIG. 3 is a cross-sectional view showing a configuration of an electrolysis apparatus using an electrode for an electrolysis apparatus (diamond electrode or the like) prepared through a hydrogen termination process.

図3に示すように、電解装置は、フッ素原料である溶融塩10Aを入れた電解槽10中に設定された、水素終端化処理を経て作成された陽極としての電解装置用電極11と、陰極12と、を備える。また、電解装置用電極11および陰極12の中間には、発生するガスを分離するためのガス分離スカート13が設けられている。陰極12の電極材料は限定されず、例えば、Ni,炭素、導電性ダイヤモンドなどが使用できる。   As shown in FIG. 3, the electrolyzer includes an electrolyzer electrode 11 as an anode that is set in an electrolyzer 10 containing a molten salt 10 </ b> A that is a fluorine raw material and is prepared through a hydrogen termination process, and a cathode 12. A gas separation skirt 13 for separating the generated gas is provided between the electrode 11 for an electrolysis device and the cathode 12. The electrode material of the cathode 12 is not limited. For example, Ni, carbon, conductive diamond, or the like can be used.

電解装置用電極11および陰極12間に、電源21から配線22を介してフッ素発生電圧以上の運転電圧を印加すると、陽極としての電解装置用電極11からはフッ素15が、陰極12からは水素16が、それぞれ発生する。   When an operating voltage equal to or higher than the fluorine generation voltage is applied from the power source 21 via the wiring 22 between the electrode 11 for the electrolyzer and the cathode 12, the fluorine 15 is supplied from the electrode 11 for the electrolyzer as the anode, and the hydrogen 16 is supplied from the cathode 12. Each occurs.

なお、図3の例では、運転方法として定電位運転の例を示しているが、定電流運転としてもよい。   In addition, in the example of FIG. 3, although the example of constant potential operation is shown as an operation method, it is good also as constant current operation.

以上説明したように、本発明の電解装置用電極の製造方法によれば、基体上に成膜された炭素膜の水素終端被覆率を上昇させるので、電解装置用電極の終端を適切に制御することで高性能な電極を得ることができる。   As described above, according to the method for manufacturing an electrode for an electrolysis apparatus of the present invention, the hydrogen termination coverage of the carbon film formed on the substrate is increased, so that the termination of the electrode for the electrolysis apparatus is appropriately controlled. Thus, a high-performance electrode can be obtained.

本発明の適用範囲は上記実施形態に限定されることはない。本発明は、電解式フッ素発生装置に使用される電解装置用電極の製造方法に対し、広く適用することができる。   The scope of application of the present invention is not limited to the above embodiment. The present invention can be widely applied to a method for producing an electrode for an electrolytic device used in an electrolytic fluorine generator.

11 電解装置用電極   11 Electrode electrode

Claims (5)

電解式フッ素発生装置に使用される電解装置用電極の製造方法において、
基体上に炭素膜を成膜するステップと、
前記基体上に成膜された前記炭素膜の水素終端被覆率を上昇させるステップと、
を備えることを特徴とする電解装置用電極の製造方法。
In the method for producing an electrode for an electrolysis apparatus used in an electrolytic fluorine generator,
Depositing a carbon film on the substrate;
Increasing the hydrogen termination coverage of the carbon film deposited on the substrate;
The manufacturing method of the electrode for electrolyzers characterized by providing.
前記炭素膜は、アズ・グローンダイヤモンドであることを特徴とする請求項1に記載の電解装置用電極の製造方法。   The method for manufacturing an electrode for an electrolysis device according to claim 1, wherein the carbon film is as-grown diamond. 前記炭素膜を成膜するステップでは、CVD法を用いてアズ・グローンダイヤモンドを成膜することを特徴とする請求項2に記載の電解装置用電極の製造方法。   The method for producing an electrode for an electrolysis device according to claim 2, wherein in the step of forming the carbon film, an as-grown diamond film is formed using a CVD method. 前記炭素膜は、ECRスパッタカーボンであることを特徴とする請求項1に記載の電解装置用電極の製造方法。   The method for manufacturing an electrode for an electrolysis device according to claim 1, wherein the carbon film is ECR sputtered carbon. 前記水素終端被覆率を上昇させるステップでは、HF処理、水素プラズマ処理、水素雰囲気中の加熱処理、水素ラジカル処理、陰極還元法のうちの少なくとも1つを用いることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の電解装置用電極の製造方法。   5. The step of increasing the hydrogen termination coverage uses at least one of HF treatment, hydrogen plasma treatment, heat treatment in a hydrogen atmosphere, hydrogen radical treatment, and cathodic reduction method. The manufacturing method of the electrode for electrolytic devices of any one of these.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN105097444A (en) * 2014-05-19 2015-11-25 胜高股份有限公司 Silicon wafer manufacturing method and silicon wafer
JP2019023326A (en) * 2017-07-24 2019-02-14 古河電気工業株式会社 Boron-doped diamond electrode, and electrolytic reduction apparatus of reducing carbon dioxide using the same

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