JP2020139225A - Electrode for electrolysis and method for producing electrode for electrolysis - Google Patents
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Description
本開示は、電解用電極、及び電解用電極の製造方法に関する。 The present disclosure relates to an electrode for electrolysis and a method for manufacturing the electrode for electrolysis.
特許文献1には、オゾン発生用電極が開示されている。特許文献1のオゾン発生用電極は、基体と、基体の表面に形成されている中間層と、中間層の表面に形成されている表面層とから構成される。中間層は、白金、酸化イリジウムなどを含んでおり、導電性を有する。表面層は、酸化タンタルなどの誘電体を含む。そして、表面層には、表面層の表面から内部に連続して延在する孔が形成されている。
特許文献1のような従来の電解用電極では、酸化タンタルが誘電体であり、このことが表面層の導電性を低下させる要因になっていた。したがって、表面層と基体(導電性基板)との間の導電経路が形成され難くなり、電解処理の効率(電解効率)が低くなりやすかった。
In the conventional electrode for electrolysis as in
また、酸化イリジウムを用いた電解用電極では、イリジウム同士が凝集することによって、電極としての機能が低下する可能性があり、耐久性に課題があった。 Further, in the electrode for electrolysis using iridium oxide, the function as an electrode may be deteriorated due to the aggregation of iridiums, which has a problem in durability.
そこで、本開示の目的は、耐久性及び電解処理の効率にそれぞれ優れた電解用電極及び電解用電極の製造方法を提供することにある。 Therefore, an object of the present disclosure is to provide an electrolysis electrode and a method for producing an electrolysis electrode, which are excellent in durability and efficiency of electrolysis treatment, respectively.
本開示の一態様に係る電解用電極は、少なくともチタンを含む導電性基板と、複数の凹部と、複数の複合層と、を備える。前記複数の凹部は、前記導電性基板の少なくとも1つの面において前記導電性基板の厚み方向に窪んでいる。前記複数の複合層は、前記複数の凹部の内部にそれぞれ形成されている。前記複数の複合層は、酸化イリジウム及び白金を含む少なくとも1つの触媒層と、酸化タンタルを含む少なくとも1つの酸化タンタル層と、をそれぞれ有する。前記触媒層及び前記酸化タンタル層は前記厚み方向に沿ってそれぞれ積層している。 The electrode for electrolysis according to one aspect of the present disclosure includes a conductive substrate containing at least titanium, a plurality of recesses, and a plurality of composite layers. The plurality of recesses are recessed in the thickness direction of the conductive substrate on at least one surface of the conductive substrate. The plurality of composite layers are each formed inside the plurality of recesses. The plurality of composite layers each have at least one catalyst layer containing iridium oxide and platinum, and at least one tantalum oxide layer containing tantalum oxide. The catalyst layer and the tantalum oxide layer are laminated along the thickness direction.
本開示の一態様に係る電解用電極の製造方法は、凹部形成工程と、充填工程とを備える。前記凹部形成工程は、チタンを含む導電性基板の少なくとも1つの面において、前記導電性基板の厚み方向に窪んだ複数の凹部を形成する。前記充填工程は、前記凹部形成工程の後に、酸化イリジウム及び白金を含む第1溶液、及び酸化タンタルを含む第2溶液のいずれか一方を前記少なくとも1つの面に塗布し、前記導電性基板を焼成する。その後、前記充填工程は、前記第1溶液及び前記第2溶液のいずれか他方を前記少なくとも1つの面に塗布し、前記導電性基板を焼成する。電解用電極の製造方法は、前記充填工程を少なくとも1回行う。 The method for manufacturing an electrode for electrolysis according to one aspect of the present disclosure includes a recess forming step and a filling step. In the recess forming step, a plurality of recesses recessed in the thickness direction of the conductive substrate are formed on at least one surface of the conductive substrate containing titanium. In the filling step, after the recess forming step, either one of a first solution containing iridium oxide and platinum and a second solution containing tantalum oxide is applied to the at least one surface, and the conductive substrate is fired. To do. After that, in the filling step, either one of the first solution and the second solution is applied to the at least one surface, and the conductive substrate is fired. In the method for manufacturing an electrode for electrolysis, the filling step is performed at least once.
以上説明したように、本開示では、耐久性及び電解処理の効率にそれぞれ優れているという効果がある。 As described above, the present disclosure has the effects of being excellent in durability and efficiency of electrolysis treatment, respectively.
以下の実施形態は、一般に、電解用電極、及び電解用電極の製造方法に関する。より詳細には、導電性基板に複合層を形成した電解用電極、及び電解用電極の製造方法に関する。以下の実施形態において説明する各図は模式的な図であり、各構成要素の大きさや厚さそれぞれの比が必ずしも実際の寸法比を反映しているとは限らない。なお、以下の実施形態で説明する構成は本開示の一例にすぎない。本開示は、以下の実施形態に限定されず、本開示の効果を奏することができれば、設計等に応じて種々の変更が可能である。 The following embodiments generally relate to an electrode for electrolysis and a method for manufacturing the electrode for electrolysis. More specifically, the present invention relates to an electrode for electrolysis in which a composite layer is formed on a conductive substrate, and a method for manufacturing the electrode for electrolysis. Each figure described in the following embodiment is a schematic view, and the ratio of the size and the thickness of each component does not necessarily reflect the actual dimensional ratio. The configuration described in the following embodiments is only an example of the present disclosure. The present disclosure is not limited to the following embodiments, and various changes can be made depending on the design and the like as long as the effects of the present disclosure can be achieved.
以下では、本実施形態の電解用電極A1について、図1〜図5に基づいて説明する。電解用電極A1は、液体を電気分解するために使用され、例えば水及び塩を含む電解質溶液を電気分解することで次亜塩素酸(又は塩素)を生成する。次亜塩素酸は、空間の除菌、又は脱臭などに用いられる。なお、電解用電極が電気分解の対象とする電解質溶液は、特定の電解質溶液に限定されない。 Hereinafter, the electrode A1 for electrolysis of the present embodiment will be described with reference to FIGS. 1 to 5. The electrode A1 for electrolysis is used for electrolyzing a liquid, and for example, hypochlorous acid (or chlorine) is produced by electrolyzing an electrolyte solution containing water and a salt. Hypochlorous acid is used for sterilizing or deodorizing spaces. The electrolyte solution that the electrode for electrolysis targets for electrolysis is not limited to a specific electrolyte solution.
図1及び図2に示すように、電解用電極A1は、導電性基板1と、導電性基板1の少なくとも第1面1aにおいて導電性基板1の厚み方向に窪んだ複数の凹部2と、複数の凹部2の内部にそれぞれ形成された複数の複合層3と、を備える。複数の複合層3は、酸化イリジウム及び白金を含む少なくとも1つの触媒層31と、酸化タンタルを含む少なくとも1つの酸化タンタル層32と、をそれぞれ有する。触媒層31及び酸化タンタル層32は厚み方向にそれぞれ積層している。電解用電極A1は、電解質溶液と触媒層31との電極反応によって電解質溶液を電気分解して、次亜塩素酸を生成する。
As shown in FIGS. 1 and 2, the electrolytic electrode A1 includes a
電解用電極A1は、板状に形成されている。電解用電極A1は、互いに直交するX軸、Y軸、及びZ軸で規定された3次元空間において、X軸に沿った長さ、Y軸に沿った幅、Z軸に沿った厚みを有する矩形板形状に形成されている。電解用電極A1のサイズは、例えば、矩形板形状の電解用電極A1の長さ寸法(X軸に沿った寸法)60mm、電解用電極A1の幅寸法(Y軸に沿った寸法)25mm、電解用電極A1の厚み寸法(Z軸に沿った寸法)500μm、である。但し、電解用電極A1の各寸法は、特定の値に限定されず、上記値以外であってもよい。また、厚み方向から見た電解用電極A1の平面視形状は、三角形状、5角形以上の多角形状、又は円形状などであってもよく、電解用電極A1の平面視形状は特定の形状に限定されない。電解用電極A1の平面視形状は、導電性基板1の平面視形状と略同じである。
The electrode A1 for electrolysis is formed in a plate shape. The electrode A1 for electrolysis has a length along the X axis, a width along the Y axis, and a thickness along the Z axis in a three-dimensional space defined by the X axis, the Y axis, and the Z axis that are orthogonal to each other. It is formed in the shape of a rectangular plate. The size of the electrolysis electrode A1 is, for example, the length dimension (dimension along the X axis) 60 mm of the electrolytic electrode A1 having a rectangular plate shape, the width dimension (dimension along the Y axis) 25 mm of the electrolysis electrode A1, and electrolysis. The thickness dimension (dimension along the Z axis) of the electrode A1 for use is 500 μm. However, each dimension of the electrode A1 for electrolysis is not limited to a specific value, and may be other than the above values. Further, the plan view shape of the electrolysis electrode A1 viewed from the thickness direction may be a triangular shape, a polygonal shape of pentagon or more, a circular shape, or the like, and the plan view shape of the electrolysis electrode A1 has a specific shape. Not limited. The plan view shape of the electrolytic electrode A1 is substantially the same as the plan view shape of the
導電性基板1は、純チタン、チタン合金、及び純チタンに不純物が添加された基体のいずれで形成されてもよい。すなわち、導電性基板1は、少なくともチタン(Ti)を含む板状の基体である。矩形板形状の導電性基板1の外面は6個の面で形成されており、6個の面のうち、X軸及びY軸によって規定される1つの面を第1面1aとする。
The
図3は、電解用電極A1の製造方法を示すフローチャートである。電解用電極A1の製造方法は、まず、導電性基板1を準備し、その後、凹部形成工程S1、充填工程S2、及び判定工程S3を行う。
FIG. 3 is a flowchart showing a method of manufacturing the electrode A1 for electrolysis. In the method for manufacturing the electrode A1 for electrolysis, first, the
凹部形成工程S1は、導電性基板1の第1面1aに、複数の凹部2を形成する。凹部形成工程S1は、導電性基板1の第1面1aにレーザを照射するレーザ加工によって、複数の凹部2を形成することが好ましい。複数の凹部2は、導電性基板1の厚み方向にそれぞれ窪んでおり、導電性基板1の厚み方向を軸方向とする柱状にそれぞれ形成されている。本実施形態の複数の凹部2は、円柱状にそれぞれ形成されている。また、複数の凹部2は、角柱状、又は楕円柱状にそれぞれ形成されてもよい。また、凹部形成工程S1は、導電性基板1の第1面1aにドライエッチングなどのエッチング処理を施すことによって、複数の凹部2を形成してもよい。複数の凹部2がそれぞれ柱状に形成されることで、複合層3の熱膨張による複合層3の剥離、脱落などが生じ難くなり、耐久性が向上する。
In the recess forming step S1, a plurality of
凹部2の第1面1aに沿った寸法は、100nm以上、かつ、50μm以下であることが好ましい。凹部2の第1面1aに沿った寸法は、レーザ加工によって1μmまで小さくできる。さらに、第1面1aを酸化させ、レーザの吸収エネルギーを調整したレーザ加工、又はエッチング処理などにより、凹部2の第1面1aに沿った寸法は、1μm以下にまで小さくできる。また、凹部2の厚み方向の寸法は、0.1μm以上、かつ、100μm以下であることが好ましい。凹部2の厚み方向の寸法は、レーザ加工によって1μmまで小さくできる。さらに、第1面1aを酸化させ、レーザの吸収エネルギーを調整したレーザ加工、又はエッチング処理などにより、凹部2の厚み方向の寸法は、1μm以下にまで小さくできる。また、第1面1aにおける複数の凹部2の各開口の占有率は、50%以上、かつ、100%未満であることが好ましい。具体的に、本実施形態の凹部2は円柱状に形成されており、凹部2の開口の直径は、100nm以上、かつ、50μm以下の範囲に収まる。また、凹部2の開口から底面までの寸法は、0.1μm以上、かつ、100μm以下の範囲に収まる。また、第1面1aにおける複数の凹部2の円形状の各開口の占有率は、50%以上、かつ、100%未満の範囲に収まる。
The size of the
なお、凹部2は、溝状であってもよい。
The
充填工程S2は、複数の凹部2の内部に複合層3をそれぞれ形成する。複合層3は、複数の触媒層31と複数の酸化タンタル層32とを有する。複数の触媒層31及び複数の酸化タンタル層32のそれぞれは、導電性基板1の厚み方向に沿って交互に積層している。本実施形態の複合層3では、凹部2の底面に触媒層31が積層され、凹部2の底面から開口に向かって触媒層31、酸化タンタル層32、………、触媒層31、酸化タンタル層32、となるように、触媒層31と酸化タンタル層32とが交互に積層している。すなわち、複合層3では、凹部2の底面に接する厚み方向の第1端部が触媒層31であり、凹部2の開口側に位置する厚み方向の第2端部が酸化タンタル層32である。言い換えると、複数の凹部2のそれぞれでは、複数の触媒層31のうち1つの触媒層31が凹部2の底面に接する。また、複数の凹部2のそれぞれでは、複数の酸化タンタル層32のうち1つの酸化タンタル層32が、複数の触媒層31よりも凹部2の開口側に位置している。
In the filling step S2, the composite layer 3 is formed inside each of the plurality of
さらに、複数の触媒層31は凹部2の内部で円板状に形成されており、触媒層31の側面は凹部2の内側面に接している。また、複数の酸化タンタル層32は凹部2の内部で円板状に形成されており、酸化タンタル層32の側面は凹部2の内側面に接している。すなわち、触媒層31の側面及び酸化タンタル層32の側面は、凹部2の内側面にそれぞれ接することで、導電性基板1にそれぞれ接している。
Further, the plurality of catalyst layers 31 are formed in a disk shape inside the
充填工程S2は、触媒層31及び酸化タンタル層32を交互に積層させるために、第1塗布工程S21、第1焼成工程S22、第2塗布工程S23、及び第2焼成工程S24を備える。
The filling step S2 includes a first coating step S21, a first firing step S22, a second coating step S23, and a second firing step S24 in order to alternately laminate the
第1塗布工程S21は、酸化イリジウム及び白金を含む第1溶液を、導電性基板1の第1面1aに塗布する。第1溶液は、例えば、白金(Pt)、イリジウム(Ir)、エチレングリコールモノエチルエーテル(Ethylene Glycol Monoethyl Ether)、塩酸、及びエタノールの混合溶液(第1前駆体溶液)である。第1塗布工程S21は、第1面1aの凹部2の開口以外をマスクすることが好ましい。
In the first coating step S21, the first solution containing iridium oxide and platinum is coated on the
第1焼成工程S22は、第1溶液を塗布された導電性基板1に対して、焼成温度220℃で10分間の焼成処理を施す。この結果、導電性基板1の第1面1aには、白金及び酸化イリジウムを有する触媒層31が積層される。触媒層31の厚み方向の寸法は、例えば50nm程度である。
In the first firing step S22, the
第2塗布工程S23は、酸化タンタルを含む第2溶液を、第1焼成工程S22で生成された触媒層31の表面に塗布する。第2溶液は、例えば、タンタル(Ta)、エチレングリコールモノエチルエーテル、塩酸、及びエタノールの混合溶液(第2前駆体溶液)である。第2塗布工程S23は、第1面1aにおいて凹部2の開口以外の領域を予めマスクしておくことが好ましい。
In the second coating step S23, the second solution containing tantalum oxide is coated on the surface of the
第2焼成工程S24は、第2溶液を塗布された導電性基板1に対して、焼成温度220℃で10分間の焼成処理を施す。この結果、触媒層31の表面には、酸化タンタルを有する酸化タンタル層32が積層される。酸化タンタル層32の厚み方向の寸法は、例えば100nm程度である。酸化タンタル層32の厚み方向の寸法は、触媒層31の厚み方向の寸法の2〜3倍程度であることが好ましい。
In the second firing step S24, the
上述のように、充填工程S2は、複数の凹部2に触媒層31を充填した後、酸化タンタル層32をそれぞれ充填する。この結果、1回の充填工程S2は、複数の凹部2のそれぞれにおいて、1つの触媒層31及び1つの酸化タンタル層32を厚み方向に積層することができる。すなわち、1回の充填工程S2は、厚み方向に積層した1組の触媒層31及び酸化タンタル層32を形成できる。
As described above, in the filling step S2, the
判定工程S3は、上述の充填工程S2による充填回数(充填工程S2の実行回数)を予め決められた閾値と比較する。充填回数が閾値未満であれば、充填工程S2を再度行う。充填回数が閾値以上であれば、本処理を終了する。閾値は1以上の整数であればよいが、本実施形態では、閾値は2以上の整数Nであることが好ましい。すなわち、本実施形態では、充填工程S2をN回繰り返し行う。充填工程S2の実行回数がNに達すると、本処理を終了する。この結果、凹部2には、N個の触媒層31及びN個の酸化タンタル層32のそれぞれが交互に積層され、複合層3が凹部2内に生成される。
The determination step S3 compares the number of fillings (the number of executions of the filling step S2) by the filling step S2 described above with a predetermined threshold value. If the number of fillings is less than the threshold value, the filling step S2 is repeated. If the number of fillings is equal to or greater than the threshold value, this process ends. The threshold value may be an integer of 1 or more, but in the present embodiment, the threshold value is preferably an integer N of 2 or more. That is, in the present embodiment, the filling step S2 is repeated N times. When the number of executions of the filling step S2 reaches N, this process ends. As a result, the N catalyst layers 31 and the N tantalum oxide layers 32 are alternately laminated in the
なお、電解用電極A1の製造方法は、凹部形成工程S1、充填工程S2、及び判定工程S3の後、導電性基板1に対して加熱温度560℃で10〜15分間の熱処理を施す熱処理工程を行うことが好ましい。
The method for manufacturing the electrode A1 for electrolysis is a heat treatment step in which the
また、凹部2の直径が10μm以下である場合、第1塗布工程S21及び第2塗布工程S23は、スプレー法で触媒層31及び酸化タンタル層32を凹部2の内部に積層させることが好ましい。
When the diameter of the
上述の凹部形成工程S1、充填工程S2、及び判定工程S3によって、導電性基板1と、導電性基板1の第1面1aにおいて厚み方向に窪んだ複数の凹部2と、複数の凹部2の内部にそれぞれ形成された複数の複合層3と、を備える電解用電極A1が製造される。複数の複合層3は、酸化イリジウム及び白金を含む少なくとも1つの触媒層31と、酸化タンタルを含む少なくとも1つの酸化タンタル層32と、をそれぞれ有する。触媒層31及び酸化タンタル層32は厚み方向にそれぞれ積層している。電解用電極A1は、電解質溶液と触媒層31との電極反応によって電解質溶液を電気分解して、次亜塩素酸を生成する。
By the recess forming step S1, the filling step S2, and the determination step S3 described above, the
しかしながら、酸化イリジウムを用いた従来の電解用電極では、使用時間の経過に伴ってイリジウム同士が凝集することによって、電極としての機能が低下することがあった。具体的に、塩素は、1個のイリジウム原子から生成される。酸素は、2個のイリジウム原子から生成される。したがって、イリジウム同士が凝集すると、次亜塩素酸の生成に寄与する電極反応よりも、酸素の生成に寄与する電極反応のほうが支配的になる。この結果、電解処理の効率が低下していた。 However, in the conventional electrode for electrolysis using iridium oxide, the function as an electrode may be deteriorated due to the aggregation of iridium with each other with the lapse of use time. Specifically, chlorine is produced from a single iridium atom. Oxygen is produced from two iridium atoms. Therefore, when iridiums aggregate with each other, the electrode reaction that contributes to the production of oxygen becomes more dominant than the electrode reaction that contributes to the production of hypochlorous acid. As a result, the efficiency of the electrolysis treatment was reduced.
一方、電解用電極A1では、複数の凹部2に複合層3がそれぞれ形成されている。すなわち、複数の凹部2によって、複数の複合層3が互いに分離して形成されている。したがって、1つの複合層3に含まれる酸化イリジウムの量が凹部2の大きさによって制限されており、使用時間の経過に伴う酸化イリジウムの凝集を抑制することができる。この結果、電解用電極A1では、使用時間が経過しても、酸素の生成に寄与する電極反応よりも、次亜塩素酸の生成に寄与する電極反応のほうが支配的になり、電解処理の効率が低下することを抑制できる。
On the other hand, in the electrode A1 for electrolysis, the composite layer 3 is formed in each of the plurality of
また、複数の触媒層31の各側面は、導電性基板1に接している。したがって、複数の触媒層31にそれぞれ含まれる酸化イリジウムの殆どは、次亜塩素酸の発生に寄与でき、電解処理の効率が向上する。
Further, each side surface of the plurality of catalyst layers 31 is in contact with the
また、触媒層31の側面及び酸化タンタル層32の側面が凹部2の内側面にそれぞれ接することで、凹部2に対する触媒層31及び酸化タンタル層32の密着性が向上する。この結果、触媒層31及び酸化タンタル層32の剥離、脱落などが生じ難くなり、耐久性が向上する。
Further, when the side surface of the
したがって、電解用電極A1は、耐久性及び電解処理の効率にそれぞれ優れた電極になる。 Therefore, the electrode A1 for electrolysis is an electrode having excellent durability and efficiency of electrolysis treatment, respectively.
さらに、複合層3では、N個の触媒層31及びN個の酸化タンタル層32のそれぞれが交互に積層している。すなわち、複合層3の触媒層は、N個の触媒層31に分割されており、複合層3に含まれる酸化イリジウムは、N個の触媒層31にそれぞれ分散している。したがって、使用時間の経過に伴う酸化イリジウムの凝集がさらに抑制される。 Further, in the composite layer 3, N catalyst layers 31 and N tantalum oxide layers 32 are alternately laminated. That is, the catalyst layer of the composite layer 3 is divided into N catalyst layers 31, and the iridium oxide contained in the composite layer 3 is dispersed in each of the N catalyst layers 31. Therefore, the aggregation of iridium oxide with the lapse of use time is further suppressed.
上述の電解用電極A1では、N個の触媒層31及びN個の酸化タンタル層32のそれぞれが、凹部2の内部に交互に積層される。そして、凹部2の底面には触媒層31が形成されており、凹部2の底面は触媒層31に接している。したがって、凹部2の底面に接する触媒層31によって、電解質溶液が導電性基板1の第1面1aに接することを抑制できる。この結果、導電性基板1の腐食を抑えることができる。
In the above-mentioned electrolytic electrode A1, each of the N catalyst layers 31 and the N tantalum oxide layers 32 are alternately laminated inside the
また、複数の凹部2のそれぞれでは、複数の酸化タンタル層32のうち1つの酸化タンタル層32が、複数の触媒層31よりも各凹部2の開口側に位置している。すなわち、酸化タンタル層32が、凹部2の開口を塞いでいる。したがって、触媒層31の酸化イリジウムが複合層3から電解質溶液内に溶出して、他の複合層3に移動することを抑制できる。この結果、使用時間の経過に伴う酸化イリジウムの凝集がさらに抑制される。
Further, in each of the plurality of
また、凹部2の開口の直径を50μm以下に抑えることで、1つの複合層3に含まれる酸化イリジウムの量を、酸化イリジウムの凝集が発生しない程度に制限することができる。さらに、凹部2の厚み方向の寸法を100μm以下に抑えることでも、1つの複合層3に含まれる酸化イリジウムの量を、酸化イリジウムの凝集が発生しない程度に制限することができる。さらに、第1面1aにおける複数の凹部2の各開口の占有率を、50%以上、かつ、100%未満にすることで、使用時間の経過に伴う酸化イリジウムの凝集を抑制し、かつ、電解処理の効率を高くすることができる。
Further, by suppressing the diameter of the opening of the
図4は、凹部2の厚み方向に沿った断面(Z−X平面で切断した断面)を示し、凹部2には、5個の触媒層31及び5個の酸化タンタル層32のそれぞれが交互に積層されている。そして、酸化タンタル層32には、幅寸法が0.05μm以上、かつ、5μm以下のクラック4が形成されることが好ましい。クラック4の幅寸法は、クラック4の隙間の幅寸法である。さらに、酸化タンタル層32の断面では、当該断面におけるクラック4の占有率が、5%以上、かつ、50%以下であることが好ましい。なお、断面は、X−Y平面で切断した断面、Z−X平面で切断した断面、及びZ−Y平面で切断した断面のいずれでもよい。
FIG. 4 shows a cross section (a cross section cut along a ZX plane) along the thickness direction of the
具体的に、第2塗布工程S23で塗布される酸化タンタルを含む第2溶液の濃度、及び第2焼成工程S24の焼成温度を制御することで、クラック4の大きさ及び密度などを調整できる。 Specifically, the size and density of the cracks 4 can be adjusted by controlling the concentration of the second solution containing tantalum oxide applied in the second coating step S23 and the firing temperature in the second firing step S24.
図5は、酸化タンタル層32をX−Y平面で切断した断面G1であり、酸化タンタル層32にクラック4が形成されている。この断面G1では、クラック4は網目状に延びて、酸化タンタル層32を複数の小領域に分割している。クラック4には、電解質溶液が浸入し、電解質溶液の流路になる。したがって、電解質溶液が複合層3内に浸透しやすくなり、電解質溶液と触媒層31との電極反応が生じやすくなる。そして、断面G1におけるクラック4の幅寸法を0.01μm以上とすることによって、酸化タンタル層32内に電解質溶液の流路を形成できる。また、断面G1におけるクラック4の幅寸法を5μm以下とすることによって、酸化タンタル層32の剥離、脱落などが生じ難くなり、耐久性が向上する。さらに、断面G1におけるクラック4の占有率を5%以上とすることによって、酸化タンタル層32内に電解質溶液の流路を形成できる。また、断面G1におけるクラック4の占有率を50%以下とすることによって、酸化タンタル層32の剥離、脱落などが生じ難くなり、耐久性が向上する。
FIG. 5 is a cross section G1 obtained by cutting the
また、触媒層31には、幅寸法が0.005μm以上、かつ、0.05μm以下のクラックが形成されていることが好ましい。触媒層31のクラックは網目状に延びて、触媒層31を複数の小領域に分割している。そして、触媒層31のクラックには、電解質溶液が浸入し、電解質溶液の流路になる。したがって、触媒層31の表面だけでなく、触媒層31のクラック内でも電解質溶液と触媒層31との電極反応が生じやすくなる。そして、クラック4の幅寸法を0.005μm以上とすることによって、触媒層31内に電解質溶液の流路を形成できる。また、クラックの幅寸法を0.05μm以下とすることによって、触媒層31の剥離、脱落などが生じ難くなり、耐久性が向上する。
Further, it is preferable that the
具体的に、第1塗布工程S21で塗布される酸化イリジウム及び白金を含む第1溶液の濃度、及び第1焼成工程S22の焼成温度を制御することで、触媒層31のクラックの大きさ及び密度などを調整できる。
Specifically, by controlling the concentration of the first solution containing iridium oxide and platinum coated in the first coating step S21 and the firing temperature in the first firing step S22, the size and density of cracks in the
また、複合層3では、凹部2の底面には酸化タンタル層32が形成されて、凹部2の底面は酸化タンタル層32に接してもよい。さらに、触媒層31が、凹部2の開口を塞いでいてもよい。さらに、複合層3では、触媒層31の数と酸化タンタル層32の数とが同じでもよいし、異なっていてもよい。
Further, in the composite layer 3, the
(変形例)
図6は、変形例の電解用電極A2を示す。矩形板形状の導電性基板1の外面は6個の面で形成されており、6個の面のうち、X軸及びY軸によって規定される2つの面を第1面1a及び第2面1bとする。第1面1a及び第2面1bは、厚み方向において互いに対向している。
(Modification example)
FIG. 6 shows an electrolytic electrode A2 as a modified example. The outer surface of the rectangular plate-shaped
電解用電極A2は、第1面1aだけでなく、第2面1bにも複数の凹部2を有し、第2面1bの複数の凹部2のそれぞれに複合層3を形成している。すなわち、電解用電極A2は、厚み方向の両面のそれぞれに複合層3を有する。したがって、電解用電極A2は、第1面1a及び第2面1bの2つの面で電極反応を生じるので、電解用電極A1に比べて電解処理の効率を高くすることができる。
The electrolysis electrode A2 has a plurality of
以上のように、実施形態に係る第1の態様の電解用電極(A1、A2)は、少なくともチタンを含む導電性基板(1)と、複数の凹部(2)と、複数の複合層(3)と、を備える。複数の凹部(2)は、導電性基板(1)の少なくとも1つの面(1a、1b)において導電性基板(1)の厚み方向に窪んでいる。複数の複合層(3)は、複数の凹部(2)の内部にそれぞれ形成されている。複数の複合層(3)は、酸化イリジウム及び白金を含む少なくとも1つの触媒層(31)と、酸化タンタルを含む少なくとも1つの酸化タンタル層(32)と、をそれぞれ有する。触媒層(31)及び酸化タンタル層(32)は厚み方向に沿ってそれぞれ積層している。 As described above, the electrolysis electrodes (A1, A2) of the first aspect according to the embodiment include a conductive substrate (1) containing at least titanium, a plurality of recesses (2), and a plurality of composite layers (3). ) And. The plurality of recesses (2) are recessed in the thickness direction of the conductive substrate (1) on at least one surface (1a, 1b) of the conductive substrate (1). The plurality of composite layers (3) are each formed inside the plurality of recesses (2). The plurality of composite layers (3) each have at least one catalyst layer (31) containing iridium oxide and platinum, and at least one tantalum oxide layer (32) containing tantalum oxide. The catalyst layer (31) and the tantalum oxide layer (32) are laminated along the thickness direction, respectively.
上述の電解用電極(A1、A2)は、耐久性及び電解処理の効率にそれぞれ優れている。 The above-mentioned electrodes for electrolysis (A1 and A2) are excellent in durability and efficiency of electrolysis treatment, respectively.
実施形態に係る第2の態様の電解用電極(A1、A2)では、第1の態様において、複数の凹部(2)は、厚み方向に沿った柱状に形成されていることが好ましい。 In the electrode for electrolysis (A1, A2) of the second aspect according to the embodiment, in the first aspect, it is preferable that the plurality of recesses (2) are formed in a columnar shape along the thickness direction.
上述の電解用電極(A1、A2)では、複合層(3)の熱膨張による複合層(3)の剥離、脱落などが生じ難くなり、耐久性が向上する。 In the above-mentioned electrolytic electrodes (A1 and A2), the composite layer (3) is less likely to be peeled off or dropped due to thermal expansion of the composite layer (3), and the durability is improved.
実施形態に係る第3の態様の電解用電極(A1、A2)は、第1又は第2の態様において、複数の触媒層(31)、及び複数の酸化タンタル層(32)を備えることが好ましい。複数の触媒層(31)及び複数の酸化タンタル層(32)のそれぞれは、厚み方向に沿って交互に形成されている。 In the first or second aspect, the electrolysis electrode (A1, A2) of the third aspect according to the embodiment preferably includes a plurality of catalyst layers (31) and a plurality of tantalum oxide layers (32). .. Each of the plurality of catalyst layers (31) and the plurality of tantalum oxide layers (32) are formed alternately along the thickness direction.
上述の電解用電極(A1、A2)では、使用時間の経過に伴う酸化イリジウムの凝集が抑制される。 In the above-mentioned electrodes for electrolysis (A1, A2), aggregation of iridium oxide with the lapse of use time is suppressed.
実施形態に係る第4の態様の電解用電極(A1、A2)では、第3の態様において、複数の凹部(2)のそれぞれでは、複数の触媒層(31)のうち1つの触媒層(31)が各凹部(2)の底面に接することが好ましい。 In the electrode for electrolysis (A1, A2) of the fourth aspect according to the embodiment, in the third aspect, in each of the plurality of recesses (2), one catalyst layer (31) out of the plurality of catalyst layers (31) is used. ) Is preferably in contact with the bottom surface of each recess (2).
上述の電解用電極(A1、A2)は、導電性基板(1)の腐食を抑えることができる。 The above-mentioned electrolytic electrodes (A1 and A2) can suppress corrosion of the conductive substrate (1).
実施形態に係る第5の態様の電解用電極(A1、A2)では、第3又は第4の態様において、複数の凹部(2)のそれぞれでは、複数の酸化タンタル層(32)のうち1つの酸化タンタル層(32)が、複数の触媒層(31)よりも各凹部(2)の開口側に位置することが好ましい。 In the electrolysis electrode (A1, A2) of the fifth aspect according to the embodiment, in the third or fourth aspect, in each of the plurality of recesses (2), one of the plurality of tantalum oxide layers (32). It is preferable that the tantalum oxide layer (32) is located closer to the opening side of each recess (2) than the plurality of catalyst layers (31).
上述の電解用電極(A1、A2)では、使用時間の経過に伴う酸化イリジウムの凝集が抑制される。 In the above-mentioned electrodes for electrolysis (A1, A2), aggregation of iridium oxide with the lapse of use time is suppressed.
実施形態に係る第6の態様の電解用電極(A1、A2)では、第1乃至第5の態様のいずれか一つにおいて、複数の凹部(2)の少なくとも1つの面(1a、1b)に沿った各寸法は、100nm以上、かつ、50μm以下であることが好ましい。複数の凹部(2)の厚み方向の各寸法は、0.1μm以上、かつ、100μm以下であることが好ましい。少なくとも1つの面(1a、1b)における複数の凹部(2)の各開口の占有率は、50%以上、かつ、100%未満であることが好ましい。 In the electrode for electrolysis (A1, A2) of the sixth aspect according to the embodiment, in any one of the first to fifth aspects, on at least one surface (1a, 1b) of the plurality of recesses (2). Each dimension along the line is preferably 100 nm or more and 50 μm or less. Each dimension of the plurality of recesses (2) in the thickness direction is preferably 0.1 μm or more and 100 μm or less. The occupancy rate of each opening of the plurality of recesses (2) on at least one surface (1a, 1b) is preferably 50% or more and less than 100%.
上述の電解用電極(A1、A2)は、使用時間の経過に伴う酸化イリジウムの凝集を抑制し、かつ、電解処理の効率を高くすることができる。 The above-mentioned electrodes for electrolysis (A1, A2) can suppress the aggregation of iridium oxide with the lapse of use time and increase the efficiency of the electrolysis treatment.
実施形態に係る第7の態様の電解用電極(A1、A2)では、第1乃至第6の態様のいずれか一つにおいて、酸化タンタル層(32)には、幅寸法が0.05μm以上、かつ、5μm以下のクラック(4)が形成されることが好ましい。酸化タンタル層(32)の断面(G1)では、断面(G1)におけるクラック(4)の占有率が、5%以上、かつ、50%以下である。 In the electrolytic electrodes (A1, A2) of the seventh aspect according to the embodiment, in any one of the first to sixth aspects, the tantalum oxide layer (32) has a width dimension of 0.05 μm or more. Moreover, it is preferable that cracks (4) of 5 μm or less are formed. In the cross section (G1) of the tantalum oxide layer (32), the occupancy rate of the crack (4) in the cross section (G1) is 5% or more and 50% or less.
上述の電解用電極(A1、A2)では、酸化タンタル層(32)内に電解質溶液の流路を形成して、電解質溶液が複合層(3)内に浸透しやすくなり、電極反応が生じやすくなる。また、酸化タンタル層(32)の剥離、脱落などが生じ難くなり、耐久性が向上する。 In the above-mentioned electrodes for electrolysis (A1, A2), a flow path of the electrolyte solution is formed in the tantalum oxide layer (32) so that the electrolyte solution easily permeates into the composite layer (3) and an electrode reaction is likely to occur. Become. In addition, the tantalum oxide layer (32) is less likely to peel off or fall off, and the durability is improved.
実施形態に係る第8の態様の電解用電極(A1、A2)では、第1乃至第7の態様のいずれか一つにおいて、触媒層(31)には、幅寸法が0.005μm以上、かつ、0.05μm以下のクラックが形成されていることが好ましい。 In the electrode for electrolysis (A1, A2) of the eighth aspect according to the embodiment, in any one of the first to seventh aspects, the catalyst layer (31) has a width dimension of 0.005 μm or more and a width dimension of 0.005 μm or more. It is preferable that cracks of 0.05 μm or less are formed.
上述の電解用電極(A1、A2)では、触媒層(31)の表面だけでなく、触媒層(31)のクラック内でも電極反応が生じやすくなる。また、触媒層(31)の剥離、脱落などが生じ難くなり、耐久性が向上する。 In the above-mentioned electrolytic electrodes (A1 and A2), an electrode reaction is likely to occur not only on the surface of the catalyst layer (31) but also in the cracks of the catalyst layer (31). In addition, the catalyst layer (31) is less likely to peel off or fall off, and the durability is improved.
実施形態に係る第9の態様の電解用電極(A2)では、第1乃至第8の態様のいずれか一つにおいて、少なくとも1つの面は、厚み方向に対向する導電性基板(1)の2つの面(1a、1b)であることが好ましい。
In the electrode for electrolysis (A2) of the ninth aspect according to the embodiment, in any one of the first to eighth aspects, at least one surface of the conductive substrate (1) facing the
上述の電解用電極(A2)は、電解処理の効率を高くすることができる。 The above-mentioned electrode for electrolysis (A2) can increase the efficiency of electrolysis treatment.
実施形態に係る第10の態様の電解用電極(A1、A2)の製造方法は、凹部形成工程(S1)と、充填工程(S2)とを備える。凹部形成工程(S1)は、チタンを含む導電性基板(1)の少なくとも1つの面(1a、1b)において、導電性基板(1)の厚み方向に窪んだ複数の凹部(2)を形成する。充填工程(S2)は、凹部形成工程(S1)の後に、酸化イリジウム及び白金を含む第1溶液、及び酸化タンタルを含む第2溶液のいずれか一方を前記少なくとも1つの面(1a、1b)にし、導電性基板(1)を焼成する。その後、充填工程(S2)は、第1溶液及び第2溶液のいずれか他方を少なくとも1つの面(1a、1b)に塗布し、導電性基板(1)を焼成する。そして、電解用電極(A1、A2)の製造方法は、充填工程(S2)を少なくとも1回行う。 The method for manufacturing the electrolytic electrodes (A1, A2) according to the tenth aspect according to the embodiment includes a recess forming step (S1) and a filling step (S2). The recess forming step (S1) forms a plurality of recesses (2) recessed in the thickness direction of the conductive substrate (1) on at least one surface (1a, 1b) of the conductive substrate (1) containing titanium. .. In the filling step (S2), after the recess forming step (S1), either one of the first solution containing iridium oxide and platinum and the second solution containing tantalum oxide is formed into at least one surface (1a, 1b). , The conductive substrate (1) is fired. Then, in the filling step (S2), either one of the first solution and the second solution is applied to at least one surface (1a, 1b), and the conductive substrate (1) is fired. Then, in the method for manufacturing the electrodes for electrolysis (A1, A2), the filling step (S2) is performed at least once.
上述の電解用電極(A1、A2)の製造方法は、耐久性及び電解処理の効率にそれぞれ優れている電解用電極(A1、A2)を製造できる。 The above-mentioned method for producing electrolytic electrodes (A1 and A2) can produce electrolytic electrodes (A1 and A2) having excellent durability and efficiency of electrolysis treatment, respectively.
また、実施形態に係る第11の態様の電解用電極(A1、A2)では、第1乃至第6、及び第8乃至第9の態様のいずれか一つにおいて、酸化タンタル層(32)には、クラック(4)が形成されることが好ましい。 Further, in the electrode for electrolysis (A1, A2) of the eleventh aspect according to the embodiment, in any one of the first to sixth and eighth to ninth aspects, the tantalum oxide layer (32) is formed. , Cracks (4) are preferably formed.
また、実施形態に係る第12の態様の電解用電極(A1、A2)では、第1乃至第7、第9、及び第11の態様のいずれか一つにおいて、触媒層(31)には、クラックが形成されていることが好ましい。 Further, in the electrode for electrolysis (A1, A2) of the twelfth aspect according to the embodiment, in any one of the first to seventh, ninth, and eleventh aspects, the catalyst layer (31) is It is preferable that cracks are formed.
A1,A2 電解用電極
1 導電性基板
1a 導電性基板の第1面
1b 導電性基板の第2面
2 凹部
3 複合層
31 触媒層
32 酸化タンタル層
4 クラック
G1 断面
S1 凹部形成工程
S2充填工程
A1, A2 Electrode for
Claims (10)
前記導電性基板の少なくとも1つの面において前記導電性基板の厚み方向に窪んだ複数の凹部と、
前記複数の凹部の内部にそれぞれ形成された複数の複合層と、を備え、
前記複数の複合層は、酸化イリジウム及び白金を含む少なくとも1つの触媒層と、酸化タンタルを含む少なくとも1つの酸化タンタル層と、をそれぞれ有し、
前記触媒層及び前記酸化タンタル層は前記厚み方向に沿ってそれぞれ積層している
電解用電極。 With a conductive substrate containing at least titanium
A plurality of recesses recessed in the thickness direction of the conductive substrate on at least one surface of the conductive substrate,
A plurality of composite layers, each formed inside the plurality of recesses, are provided.
The plurality of composite layers each have at least one catalyst layer containing iridium oxide and platinum, and at least one tantalum oxide layer containing tantalum oxide.
An electrode for electrolysis in which the catalyst layer and the tantalum oxide layer are laminated along the thickness direction.
請求項1記載の電解用電極。 The electrode for electrolysis according to claim 1, wherein the plurality of recesses are formed in a columnar shape along the thickness direction.
前記複数の触媒層及び前記複数の酸化タンタル層のそれぞれは、前記厚み方向に沿って交互に形成されている
請求項1又は2記載の電解用電極。 The catalyst layer and the tantalum oxide layer are provided.
The electrode for electrolysis according to claim 1 or 2, wherein each of the plurality of catalyst layers and the plurality of tantalum oxide layers are alternately formed along the thickness direction.
請求項3記載の電解用電極。 The electrode for electrolysis according to claim 3, wherein in each of the plurality of recesses, one of the plurality of catalyst layers is in contact with the bottom surface of each recess.
請求項3又は4記載の電解用電極。 The electrode for electrolysis according to claim 3 or 4, wherein in each of the plurality of recesses, one of the plurality of tantalum oxide layers is located on the opening side of each recess with respect to the plurality of catalyst layers.
前記複数の凹部の前記厚み方向の各寸法は、0.1μm以上、かつ、100μm以下であり、
前記少なくとも1つの面における前記複数の凹部の各開口の占有率は、50%以上、かつ、100%未満である
請求項1乃至5のいずれか一項に記載の電解用電極。 Each dimension of the plurality of recesses along the at least one surface is 100 nm or more and 50 μm or less.
Each dimension of the plurality of recesses in the thickness direction is 0.1 μm or more and 100 μm or less.
The electrode for electrolysis according to any one of claims 1 to 5, wherein the occupancy rate of each opening of the plurality of recesses on the at least one surface is 50% or more and less than 100%.
前記酸化タンタル層の断面では、前記断面における前記クラックの占有率が、5%以上、かつ、50%以下である
請求項1乃至6のいずれか一項に記載の電解用電極。 Cracks having a width dimension of 0.005 μm or more and 5 μm or less are formed in the tantalum oxide layer.
The electrode for electrolysis according to any one of claims 1 to 6, wherein in the cross section of the tantalum oxide layer, the occupancy rate of the crack in the cross section is 5% or more and 50% or less.
請求項1乃至7のいずれか一項に記載の電解用電極。 The electrode for electrolysis according to any one of claims 1 to 7, wherein cracks having a width dimension of 0.005 μm or more and 0.05 μm or less are formed in the catalyst layer.
請求項1乃至8のいずれか一項に記載の電解用電極。 The electrode for electrolysis according to any one of claims 1 to 8, wherein the at least one surface is two surfaces of the conductive substrate facing in the thickness direction.
前記凹部形成工程の後に、酸化イリジウム及び白金を含む第1溶液、及び酸化タンタルを含む第2溶液のいずれか一方を前記少なくとも1つの面に塗布し、前記導電性基板を焼成した後、前記第1溶液及び前記第2溶液のいずれか他方を前記少なくとも1つの面に塗布し、前記導電性基板を焼成する充填工程とを備え、
前記充填工程を少なくとも1回行う
電解用電極の製造方法。 A recess forming step of forming a plurality of recesses recessed in the thickness direction of the conductive substrate on at least one surface of the conductive substrate containing titanium.
After the recess forming step, either one of the first solution containing iridium oxide and platinum and the second solution containing tantalum oxide is applied to the at least one surface, the conductive substrate is fired, and then the first solution is used. The present invention comprises a filling step of applying either one of the first solution and the second solution to the at least one surface and firing the conductive substrate.
A method for manufacturing an electrode for electrolysis, in which the filling step is performed at least once.
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