JP2021152483A - Hydrogen gas sensitive film, coating liquid used for formation thereof, production method of coating liquid, and production method of hydrogen gas sensitive film - Google Patents

Hydrogen gas sensitive film, coating liquid used for formation thereof, production method of coating liquid, and production method of hydrogen gas sensitive film Download PDF

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Abstract

To provide a technique with which the color of a hydrogen gas sensitive film is rendered opaque white before the film is exposed to a hydrogen gas, so that the change of the color can be easily clarified when the film is exposed to the hydrogen gas.SOLUTION: A hydrogen gas sensitive film comprises dispersed particles including tungsten, oxygen, and a platinum group metal. The hydrogen gas sensitive film has the surface roughness of 50 nm-300 nm and the porosity of 20%-50%. The hydrogen gas sensitive film becomes white when being exposed to the atmospheric air and becomes blue when being exposed to hydrogen.SELECTED DRAWING: Figure 6

Description

本発明は、水素ガス感応性膜、その成膜に用いられるコーティング液、そのコーティング液の製造方法、及び水素ガス感応性膜の製造方法に関する。 The present invention relates to a hydrogen gas-sensitive film, a coating liquid used for film formation thereof, a method for producing the coating liquid, and a method for producing a hydrogen gas-sensitive film.

従来から、水素ガス感応性膜として、金属触媒を担持させた酸化タングステン膜が開発されている。この水素ガス感応性膜は、通常、水素ガスに晒されることにより透過率が低くなると共に色が青色になり、大気に晒されることにより透過率が高くなると共に色が元の無色透明に戻る。水素ガス感応性膜の用途は、例えば、水素ガス可視化シート、水素ガスセンサー、水素ガス感応性スマートウインドウ等である。 Conventionally, a tungsten oxide film supporting a metal catalyst has been developed as a hydrogen gas sensitive film. This hydrogen gas-sensitive film usually has a low transmittance and a blue color when exposed to hydrogen gas, and a high transmittance and a return to the original colorless and transparent color when exposed to the atmosphere. Applications of the hydrogen gas sensitive film are, for example, a hydrogen gas visualization sheet, a hydrogen gas sensor, a hydrogen gas sensitive smart window, and the like.

水素ガス感応性膜の製造方法としては、物理蒸着法だけでなく、より安価に作製できる湿式法も多く提案されている。湿式法では、コーティング液を基材に塗布し、基材の表面に塗布膜を形成する。多く場合、塗布膜の高温焼成を必要とするので、耐熱性の低い基材を用いることが困難であった。 As a method for producing a hydrogen gas-sensitive film, not only a physical vapor deposition method but also a wet method that can be produced at a lower cost has been proposed. In the wet method, the coating liquid is applied to the base material to form a coating film on the surface of the base material. In many cases, it is difficult to use a base material having low heat resistance because high-temperature firing of the coating film is required.

最近では、高温焼成の代わりに紫外線を利用するプロセスも開発されているが、その際には、ホルムアルデヒド若しくは水素等の還元性のある有害ガス又は可燃性ガスに塗布膜を晒しながら、紫外線を塗布膜に照射する必要があった(例えば、特許文献1〜3参照)。 Recently, a process that uses ultraviolet rays instead of high-temperature firing has been developed, but in that case, ultraviolet rays are applied while exposing the coating film to a reducing harmful gas such as formaldehyde or hydrogen or a flammable gas. It was necessary to irradiate the membrane (see, for example, Patent Documents 1 to 3).

これに対し、有害ガス及び可燃性ガスを使うことなく、室温〜150℃の低温で水素ガス感応性膜を作製できる新たなコーティング液も開発されている(例えば、特許文献4〜5参照)。 On the other hand, a new coating liquid capable of producing a hydrogen gas-sensitive film at a low temperature of room temperature to 150 ° C. without using harmful gas and flammable gas has also been developed (see, for example, Patent Documents 4 to 5).

特開2010−2346号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2010-2346 国際公開第2009/154216号International Publication No. 2009/154216 特開2016−161507号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2016-161507 国際公開第2019/087705号International Publication No. 2019/087705 国際公開第2019/087704号International Publication No. 2019/087704

従来の酸化タングステン系の水素ガス感応性膜は、水素ガスに晒す前の色が無色透明であり、水素ガスに晒した際に色の変化が分かり難かった。 The conventional tungsten oxide-based hydrogen gas-sensitive film had a colorless and transparent color before being exposed to hydrogen gas, and it was difficult to see the color change when exposed to hydrogen gas.

本発明の一態様は、水素ガス感応性膜を水素ガスに晒した際に色の変化が分かり易いように、水素ガスに晒す前の色を不透明な白色にする、技術を提供する。 One aspect of the present invention provides a technique for making a color before exposure to hydrogen gas opaque white so that a change in color can be easily seen when the hydrogen gas sensitive film is exposed to hydrogen gas.

〔1〕本発明の一態様に係る水素ガス感応性膜は、
タングステンと、酸素と、白金族金属と、を含む粒子を分散して含み、
表面粗さが50nm〜300nmであり、
空隙率が20%〜50%であり、
大気に晒されると白色になり、水素に晒されると青色になる。
[1] The hydrogen gas-sensitive membrane according to one aspect of the present invention is
Particles containing tungsten, oxygen, and a platinum group metal are dispersed and contained.
The surface roughness is 50 nm to 300 nm,
Porosity is 20% to 50%,
It turns white when exposed to the atmosphere and blue when exposed to hydrogen.

〔2〕前記白金族金属は、パラジウム、白金、及びパラジウム白金合金からなる群より選ばれた1種以上である。 [2] The platinum group metal is at least one selected from the group consisting of palladium, platinum, and a palladium-platinum alloy.

〔3〕本発明の一態様に係る水素ガス感応性膜の成膜に用いられる、コーティング液は、
タングステンアルコキシドに由来する酸化タングステン前駆体と、
鎖状又は環状のエーテルと、
還元されることによって水素ガス感応性を有する金属触媒となる金属イオンを含む金属触媒前駆体と、
前記酸化タングステン前駆体と前記金属触媒前駆体を溶解する有機溶媒と、
前記金属触媒前駆体に含まれる前記金属イオンを金属に還元し、前記金属触媒を生成するカルボン酸と、を含む。
[3] The coating liquid used for forming the hydrogen gas-sensitive film according to one aspect of the present invention is
Tungsten oxide precursor derived from tungsten alkoxide,
With chain or cyclic ether,
A metal catalyst precursor containing a metal ion that becomes a metal catalyst having hydrogen gas sensitivity by being reduced,
An organic solvent that dissolves the tungsten oxide precursor and the metal catalyst precursor,
It contains a carboxylic acid that reduces the metal ions contained in the metal catalyst precursor to a metal to produce the metal catalyst.

〔4〕更に、乳化剤を含む。 [4] Further contains an emulsifier.

〔5〕ミセル状である。 [5] It is in the form of micelles.

〔6〕前記乳化剤が、両親媒性有機溶媒である。 [6] The emulsifier is an amphipathic organic solvent.

〔7〕前記両親媒性有機溶媒が、メタノール、エタノール、又はアセトンである。 [7] The amphipathic organic solvent is methanol, ethanol, or acetone.

〔8〕前記金属触媒前駆体が、白金族金属のイオンを含む。 [8] The metal catalyst precursor contains ions of a platinum group metal.

〔9〕本発明の一態様に係る水素ガス感応性膜の成膜に用いられる、コーティング液の製造方法は、
塩化タングステンと鎖状のエーテルを混合・攪拌して反応させ、酸化タングステン前駆体を含む第1溶液を調製することと、
還元されることによって水素ガス感応性を有する金属触媒となる金属イオンを含む金属化合物を有機溶媒に溶解することにより、金属触媒前駆体を含む第2溶液を調製することと、
前記第1溶液と前記第2溶液とを混合・攪拌し、前記酸化タングステン前駆体と前記金属触媒前駆体とを含む下層と、上層とに分離した第3溶液を調製することと、
前記金属触媒前駆体に含まれる前記金属イオンを金属に還元して前記金属触媒を生成するカルボン酸を、前記第3溶液に対して添加することと、を有する。
[9] A method for producing a coating liquid used for forming a hydrogen gas-sensitive film according to one aspect of the present invention is described.
Tungsten chloride and chain ether are mixed and stirred to react to prepare a first solution containing a tungsten oxide precursor.
To prepare a second solution containing a metal catalyst precursor by dissolving a metal compound containing a metal ion that becomes a metal catalyst having hydrogen gas sensitivity by being reduced in an organic solvent.
The first solution and the second solution are mixed and stirred to prepare a third solution separated into a lower layer and an upper layer containing the tungsten oxide precursor and the metal catalyst precursor.
The present invention comprises adding a carboxylic acid that produces the metal catalyst by reducing the metal ions contained in the metal catalyst precursor to a metal with respect to the third solution.

〔10〕更に、前記第3溶液に対して乳化剤を添加することを有する。 [10] Further, an emulsifier is added to the third solution.

〔11〕前記乳化剤の添加によって、前記第3溶液をミセル状にすることを有する。 [11] By adding the emulsifier, the third solution is made into micelles.

〔12〕前記乳化剤が、両親媒性有機溶媒である。 [12] The emulsifier is an amphipathic organic solvent.

〔13〕前記両親媒性有機溶媒が、メタノール、エタノール、又はアセトンである。 [13] The amphipathic organic solvent is methanol, ethanol, or acetone.

〔14〕前記金属化合物が、白金族金属の化合物である。 [14] The metal compound is a compound of a platinum group metal.

〔15〕本発明の一態様に係る水素ガス感応性膜の製造方法は、
前記コーティング液を基材に塗布し、前記基材の表面に塗布膜を形成することと、
前記塗布膜を大気中、室温以上100℃以下で乾燥することと、
前記塗布膜の乾燥後又は乾燥中に、前記塗布膜に紫外線を照射することによって、前記金属触媒を担持した酸化タングステン膜とすることと、を有する。
[15] The method for producing a hydrogen gas-sensitive film according to one aspect of the present invention is as follows.
By applying the coating liquid to the base material to form a coating film on the surface of the base material,
Drying the coating film in the air at room temperature or higher and 100 ° C. or lower
After or during the drying of the coating film, the coating film is irradiated with ultraviolet rays to form a tungsten oxide film carrying the metal catalyst.

本発明の一態様によれば、水素ガス感応性膜を水素ガスに晒した際に色の変化が分かり易いように、水素ガスに晒す前の色を不透明な白色にできる。 According to one aspect of the present invention, the color before exposure to hydrogen gas can be made opaque white so that the color change can be easily seen when the hydrogen gas sensitive film is exposed to hydrogen gas.

図1は、一実施形態に係るコーティング液の製造方法を示すフローチャートである。FIG. 1 is a flowchart showing a method for producing a coating liquid according to an embodiment. 図2は、一実施形態に係る水素ガス感応性膜の製造方法を示すフローチャートである。FIG. 2 is a flowchart showing a method for producing a hydrogen gas-sensitive film according to an embodiment. 図3(A)は実施例1−1の水素ガス感応性膜の成膜直後の写真であり、図3(B)は実施例1−1の水素ガス感応性膜の水素ガスに晒した直後の写真である。FIG. 3A is a photograph immediately after the formation of the hydrogen gas-sensitive film of Example 1-1, and FIG. 3B is immediately after exposure of the hydrogen gas-sensitive film of Example 1-1 to hydrogen gas. It is a photograph of. 図4は、実施例1−1の水素ガス感応性膜の透過スペクトルを示す図である。FIG. 4 is a diagram showing a transmission spectrum of the hydrogen gas-sensitive membrane of Example 1-1. 図5は、実施例1−1の水素ガス感応性膜の反射スペクトルを示す図である。FIG. 5 is a diagram showing a reflection spectrum of the hydrogen gas sensitive film of Example 1-1. 図6(A)は実施例1−1の水素ガス感応性膜のAFM写真であり、図6(B)は図6(A)の白い四角枠を拡大したAFM写真である。FIG. 6 (A) is an AFM photograph of the hydrogen gas-sensitive film of Example 1-1, and FIG. 6 (B) is an enlarged AFM photograph of the white square frame of FIG. 6 (A). 図7は、実施例1−1の水素ガス感応性膜の断面を、走査透過電子顕微鏡(STEM)により観察した明視野像である。FIG. 7 is a bright field image obtained by observing a cross section of the hydrogen gas sensitive film of Example 1-1 with a scanning transmission electron microscope (STEM). 図8は、水素ガス感応性膜の水素ガスに対する応答性を測定する測定装置の一例を示す図である。FIG. 8 is a diagram showing an example of a measuring device for measuring the responsiveness of a hydrogen gas-sensitive film to hydrogen gas. 図9は、実施例1−1の水素ガス感応性膜の水素ガスに対する応答性の測定結果を示す図である。FIG. 9 is a diagram showing the measurement results of the responsiveness of the hydrogen gas-sensitive film of Example 1-1 to hydrogen gas. 図10は、実施例1−2の水素ガス感応性膜の水素ガスに晒した直後の写真である。FIG. 10 is a photograph of the hydrogen gas-sensitive film of Example 1-2 immediately after being exposed to hydrogen gas. 図11は、実施例1−3の水素ガス感応性膜の水素ガスに晒した直後の写真である。FIG. 11 is a photograph of the hydrogen gas-sensitive film of Example 1-3 immediately after being exposed to hydrogen gas. 図12は、実施例1−4の水素ガス感応性膜の水素ガスに晒した直後の写真である。FIG. 12 is a photograph of the hydrogen gas-sensitive film of Example 1-4 immediately after being exposed to hydrogen gas. 図13は、実施例1−5の水素ガス感応性膜の水素ガスに晒した直後の写真である。FIG. 13 is a photograph of the hydrogen gas-sensitive film of Example 1-5 immediately after being exposed to hydrogen gas. 図14は、実施例1−6の水素ガス感応性膜の水素ガスに晒した直後の写真である。FIG. 14 is a photograph of the hydrogen gas-sensitive film of Example 1-6 immediately after being exposed to hydrogen gas. 図15は、実施例1−7の水素ガス感応性膜の水素ガスに対する応答性の測定結果を示す図である。FIG. 15 is a diagram showing the measurement results of the responsiveness of the hydrogen gas-sensitive film of Example 1-7 to hydrogen gas. 図16は、実施例1−7の水素ガス感応性膜の水素ガスに晒した直後の写真である。FIG. 16 is a photograph of the hydrogen gas-sensitive film of Example 1-7 immediately after being exposed to hydrogen gas. 図17は、実施例2の水素ガス感応性膜の水素ガスに晒した直後の写真である。FIG. 17 is a photograph of the hydrogen gas-sensitive film of Example 2 immediately after being exposed to hydrogen gas. 図18(A)は比較例3の水素ガス感応性膜のAFM写真であり、図18(B)は図18(A)の白い四角枠を拡大したAFM写真である。FIG. 18 (A) is an AFM photograph of the hydrogen gas-sensitive film of Comparative Example 3, and FIG. 18 (B) is an enlarged AFM photograph of the white square frame of FIG. 18 (A). 図19は、比較例3の水素ガス感応性膜の断面を、STEMにより観察した明視野像である。FIG. 19 is a bright-field image of a cross section of the hydrogen gas-sensitive film of Comparative Example 3 observed by STEM.

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、各図面において同一の又は対応する構成には同一の符号を付し、説明を省略することがある。明細書中、数値範囲を示す「〜」は、その前後に記載された数値を下限値及び上限値として含むことを意味する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In each drawing, the same or corresponding configurations may be designated by the same reference numerals and description thereof may be omitted. In the specification, "~" indicating a numerical range means that the numerical values described before and after the numerical range are included as the lower limit value and the upper limit value.

本実施形態のコーティング液の製造方法は、図1に示すS101〜S105を含む。S101では、塩化タングステンAと鎖状のエーテルBを混合・攪拌して反応させ、酸化タングステン前駆体Cを含む第1溶液L1を調製する。S102では、金属化合物Dを有機溶媒Eに溶解することにより、金属触媒前駆体Fを含む第2溶液L2を調製する。S103では、S101で得られた第1溶液L1と、S102で得られた第2溶液L2とを混合・攪拌することにより、酸化タングステン前駆体Cと金属触媒前駆体Fとを含む下層と、下層の上に形成される上層とに分離した第3溶液L3を調製する。S104では、第3溶液L3に対して乳化剤Gを添加する。S105では、第3溶液L3に対してカルボン酸Hを添加する。カルボン酸Hは、第3溶液L3に溶解される。なお、S104とS105との順番は逆でもよいし、S104とS105とは同時に実施されてもよい。また、乳化剤Gを添加しなくても、混合・攪拌等によって下層と上層とを均一に分散できる場合には、乳化剤Gの添加は不要であり、S104は実施されなくてもよい。以下、S101〜S105の詳細について説明する。 The method for producing the coating liquid of the present embodiment includes S101 to S105 shown in FIG. In S101, tungsten chloride A and chain ether B are mixed and stirred to react to prepare a first solution L1 containing a tungsten oxide precursor C. In S102, the second solution L2 containing the metal catalyst precursor F is prepared by dissolving the metal compound D in the organic solvent E. In S103, the first solution L1 obtained in S101 and the second solution L2 obtained in S102 are mixed and stirred to form a lower layer containing the tungsten oxide precursor C and the metal catalyst precursor F, and a lower layer. Prepare a third solution L3 separated into an upper layer formed on top of it. In S104, emulsifier G is added to the third solution L3. In S105, the carboxylic acid H is added to the third solution L3. Carboxylic acid H is dissolved in the third solution L3. The order of S104 and S105 may be reversed, or S104 and S105 may be carried out at the same time. Further, if the lower layer and the upper layer can be uniformly dispersed by mixing, stirring or the like without adding the emulsifier G, the addition of the emulsifier G is unnecessary and S104 may not be carried out. Hereinafter, details of S101 to S105 will be described.

先ず、S101では、塩化タングステンAと鎖状のエーテルBを混合・攪拌して反応させ、酸化タングステン前駆体Cを含む第1溶液L1を調製する。第1溶液L1の調製は、例えば乾燥窒素雰囲気下で行われる。 First, in S101, tungsten chloride A and chain ether B are mixed and stirred to react to prepare a first solution L1 containing a tungsten oxide precursor C. The first solution L1 is prepared, for example, in a dry nitrogen atmosphere.

塩化タングステンAは、特に限定されないが、例えば六塩化タングステン(WCl)である。六塩化タングステン(WCl)と鎖状のエーテル(ROR´)とが反応すると、W(OR)、W(OR)Cl及びW(OR)Cl等のうちの少なくとも1つの分子の集合体、又は2つ以上の分子がネットワークした集合体、いわゆるタングステンアルコキシドに由来する酸化タングステン前駆体Cが形成され、R´Cl等が副生成物として発生する。R及びR´は、それぞれ、アルキル基又はアリール基等の有機基である。 The tungsten chloride A is not particularly limited, but is, for example, tungsten hexachloride (WCl 6 ). When tungsten hexachloride (WCl 6 ) reacts with chain ether (ROR'), at least one molecule of W (OR) 6 , W (OR) 5 Cl, W (OR) 4 Cl 2, etc. An aggregate or an aggregate in which two or more molecules are networked, that is, a tungsten oxide precursor C derived from a so-called tungsten alkoxide is formed, and R'Cl or the like is generated as a by-product. R and R'are organic groups such as an alkyl group or an aryl group, respectively.

鎖状のエーテルBとしては、ジイソプロピルエーテル、ジエチルエーテル、メチルt−ブチルエーテルなどが挙げられる。これらの中でも、ジイソプロピルエーテルが特に好適である。複数種類の鎖状のエーテルを組み合わせて用いてもよい。また、鎖状のエーテルBは、水の含有量が10質量ppm以下の超脱水タイプであることが好ましい。超脱水タイプを用いれば、水の混入を抑制でき、成膜前(S201の前)に酸化タングステン前駆体Cが酸化タングステン(WO)として析出するのを抑制できる。 Examples of the chain ether B include diisopropyl ether, diethyl ether, and methyl t-butyl ether. Of these, diisopropyl ether is particularly suitable. A plurality of types of chain ethers may be used in combination. Further, the chain ether B is preferably a super dehydration type having a water content of 10 mass ppm or less. If the ultra-dehydration type is used, it is possible to suppress the mixing of water and prevent the tungsten oxide precursor C from precipitating as tungsten oxide (WO 3) before film formation (before S201).

S101では、塩化タングステンAに鎖状のエーテルBを添加し、続いて、塩化タングステンAと鎖状のエーテルBとを室温で攪拌する。これらの処理は、例えばグローブボックス及びドラフトの内部で行われ、乾燥窒素雰囲気下で行われる。室温下での攪拌によって、塩化タングステンAが鎖状のエーテルBと徐々に反応する。この反応によって、大部分が赤茶色であって一部分が緑色又は青色である懸濁液が得られる。 In S101, the chain ether B is added to the tungsten chloride A, and then the tungsten chloride A and the chain ether B are stirred at room temperature. These treatments are carried out, for example, inside a glove box and a draft, and are carried out in a dry nitrogen atmosphere. By stirring at room temperature, tungsten chloride A gradually reacts with the chain ether B. This reaction results in a suspension that is largely reddish brown and partly green or blue.

S101では、室温での攪拌に続いて、室温よりも高い温度での攪拌が更に行われる。高温での攪拌も、乾燥窒素雰囲気下で行われる。高温での攪拌によって、塩化タングステンAと鎖状のエーテルBの反応が加速されると共に、副生成物であるR´Cl等が気化し、第1溶液L1から除去される。副生成物であるR´Cl等が気化しやすいように、ドラフトの内部で、乾燥窒素ガスの流量を調整しながら、第1溶液L1を加熱してもよい。 In S101, following the stirring at room temperature, further stirring at a temperature higher than room temperature is performed. Stirring at high temperature is also performed in a dry nitrogen atmosphere. Stirring at a high temperature accelerates the reaction between tungsten chloride A and the chain ether B, and vaporizes R'Cl and the like as by-products and removes them from the first solution L1. The first solution L1 may be heated while adjusting the flow rate of the dry nitrogen gas inside the draft so that the by-product R'Cl or the like is easily vaporized.

第1溶液L1の加熱温度は、鎖状のエーテルBの種類によって適宜選択され、具体的には、例えば、鎖状のエーテルBの沸点以下であって、且つ副生成物であるR´Clの沸点以上に設定される。鎖状のエーテルBとしてジイソプロピルエーテルが用いられる場合、ジイソプロピルエーテルの沸点は69℃であり、副生成物であるイソプロピルクロライドの沸点は34.8℃であるので、第1溶液L1の加熱温度は例えば50℃〜55℃である。第1溶液L1は、例えば湯浴によって加熱される。 The heating temperature of the first solution L1 is appropriately selected depending on the type of the chain ether B, and specifically, for example, R'Cl which is below the boiling point of the chain ether B and is a by-product. It is set above the boiling point. When diisopropyl ether is used as the chain ether B, the boiling point of diisopropyl ether is 69 ° C., and the boiling point of isopropyl chloride, which is a by-product, is 34.8 ° C., so that the heating temperature of the first solution L1 is, for example, The temperature is 50 ° C to 55 ° C. The first solution L1 is heated, for example, by a hot water bath.

第1溶液L1の加熱時間は、例えば30分〜1時間程度である。第1溶液L1の加熱時間は、例えば第1溶液L1の溶媒の残量を基に適宜調整する。溶媒の残量は、加熱温度、及び加熱時間の他、窒素ガスの流量にも依存する。溶媒の量が減少しすぎる場合には、溶媒を適量添加してもよい。溶媒が完全に蒸発しないように、つまり、酸化タングステン前駆体Cが固化しないように、溶媒の量が管理される。 The heating time of the first solution L1 is, for example, about 30 minutes to 1 hour. The heating time of the first solution L1 is appropriately adjusted based on, for example, the remaining amount of the solvent in the first solution L1. The remaining amount of the solvent depends on the flow rate of nitrogen gas as well as the heating temperature and heating time. If the amount of solvent is too low, an appropriate amount of solvent may be added. The amount of solvent is controlled so that the solvent does not completely evaporate, that is, the tungsten oxide precursor C does not solidify.

第1溶液L1の加熱過程で、鎖状のエーテルBを別の種類のエーテルに置換することもできる。鎖状のエーテルBとしてジイソプロピルエーテルが用いられる場合、ジイソプロピルエーテルは年単位で過酸化物を形成する虞がある。そこで、第1溶液L1の加熱過程で、ジイソプロピルエーテルの量を可能な限り減少させ、安定に使えるメチルt−ブチルエーテルに置換してもよい。 In the heating process of the first solution L1, the chain ether B can be replaced with another type of ether. When diisopropyl ether is used as the chain ether B, diisopropyl ether may form a peroxide on a yearly basis. Therefore, in the heating process of the first solution L1, the amount of diisopropyl ether may be reduced as much as possible and replaced with methyl t-butyl ether that can be used stably.

次に、S102では、金属化合物Dを有機溶媒Eに溶解することにより、金属触媒前駆体Fを含む第2溶液L2を調製する。第2溶液L2の調製も、第1溶液L1の調製と同様に、乾燥窒素雰囲気下で行われる。 Next, in S102, the second solution L2 containing the metal catalyst precursor F is prepared by dissolving the metal compound D in the organic solvent E. The preparation of the second solution L2 is also carried out in a dry nitrogen atmosphere in the same manner as the preparation of the first solution L1.

金属化合物Dは、例えば白金族金属の化合物である。白金族金属の化合物は、第1溶液L1と均一に混和するものであればよく、例えばパラジウム化合物、白金化合物、及びパラジウム白金合金化合物からなる群より選ばれた1種以上である。パラジウム化合物、白金化合物、及びパラジウム白金合金化合物からなる群より選ばれた2種以上を混合して使用してもよい。その中でも、ビス(アセチルアセトナト)白金(II)が好適なものとして例示される。 The metal compound D is, for example, a compound of a platinum group metal. The platinum group metal compound may be one that is uniformly mixed with the first solution L1, and is, for example, one or more selected from the group consisting of a palladium compound, a platinum compound, and a palladium-platinum alloy compound. Two or more kinds selected from the group consisting of a palladium compound, a platinum compound, and a palladium-platinum alloy compound may be mixed and used. Among them, bis (acetylacetonato) platinum (II) is exemplified as a suitable one.

金属化合物Dの添加量が多すぎると、金属化合物Dが有機溶媒Eに完全に溶解できないだけでなく、金属化合物Dが第1溶液L1と均一に混和することができず沈殿してしまう虞がある。一方、金属化合物Dの添加量が少なすぎると、成膜後の水素ガス感応性が低下する。金属化合物Dの添加量は、第1溶液L1中のタングステンに対する金属化合物Dの金属触媒となる金属(例えば白金族金属)とのモル比(白金族金属/タングステン)で、1/10〜1/50が好適であり、1/50がより好適である。 If the amount of the metal compound D added is too large, not only the metal compound D cannot be completely dissolved in the organic solvent E, but also the metal compound D cannot be uniformly mixed with the first solution L1 and may precipitate. be. On the other hand, if the amount of the metal compound D added is too small, the hydrogen gas sensitivity after the film formation is lowered. The amount of the metal compound D added is 1/10 to 1/1 in terms of the molar ratio (platinum group metal / tungsten) of the metal compound D to the metal (for example, platinum group metal) that serves as a metal catalyst for tungsten in the first solution L1. 50 is preferable, and 1/50 is more preferable.

有機溶媒Eは、金属化合物Dを溶解し、かつ、酸化タングステン前駆体Cも溶解する溶媒であれば、特に限定されない。有機溶媒Eとして、エチレングリコールモノメチルエーテル(EGMME)が好適なものとして例示される。 The organic solvent E is not particularly limited as long as it is a solvent that dissolves the metal compound D and also dissolves the tungsten oxide precursor C. As the organic solvent E, ethylene glycol monomethyl ether (EGMME) is exemplified as a suitable one.

次に、S103では、S101により得られる第1溶液L1と、S102により得られる第2溶液L2とを混合・攪拌し、第3溶液L3を調製する。第1溶液L1と第2溶液L2の混合・攪拌は、室温で実施される。第3溶液L3は、静止した状態で放置すると、酸化タングステン前駆体Cと金属触媒前駆体Fとを含む下層と、下層の上に形成される上層とに分離する。例えば下層が有機溶媒EであるEGMMEを含み、上層が鎖状のエーテルBであるジイソプロピルエーテルを含む。EGMMEの密度は、ジイソプロピルエーテルの密度よりも大きい。 Next, in S103, the first solution L1 obtained by S101 and the second solution L2 obtained by S102 are mixed and stirred to prepare a third solution L3. Mixing / stirring of the first solution L1 and the second solution L2 is carried out at room temperature. When the third solution L3 is left in a stationary state, it separates into a lower layer containing the tungsten oxide precursor C and the metal catalyst precursor F and an upper layer formed on the lower layer. For example, the lower layer contains EGMME, which is an organic solvent E, and the upper layer contains diisopropyl ether, which is a chain ether B. The density of EGMME is higher than the density of diisopropyl ether.

次に、S104では、第3溶液L3に対して乳化剤Gを添加する。乳化剤Gの添加によって、下層と上層が混和され、ミセルが形成される。第3溶液L3のミセル化によって、成膜時に表面凹凸の大きい膜が得られ、その表面凹凸によって光が散乱され、不透明な白色の膜が得られると推定される。 Next, in S104, the emulsifier G is added to the third solution L3. By adding the emulsifier G, the lower layer and the upper layer are mixed to form micelles. It is presumed that by forming the third solution L3 into micelles, a film having large surface irregularities is obtained at the time of film formation, and light is scattered by the surface irregularities to obtain an opaque white film.

乳化剤Gは、例えば、上層と下層の両方に対して親和性を有する両親媒性有機溶媒である。乳化剤Gは、成膜後に水素ガス感応性膜の膜中に残存しないものが好ましい。乳化剤Gは、例えばメタノール、エタノール、又はアセトンである。乳化剤Gは、水の含有量が10質量ppm以下の超脱水タイプであることが好ましい。超脱水タイプを用いれば、水の混入を抑制でき、成膜前(S201の前)に酸化タングステン前駆体Cが酸化タングステン(WO)として析出するのを抑制できる。 The emulsifier G is, for example, an amphipathic organic solvent having an affinity for both the upper layer and the lower layer. The emulsifier G preferably does not remain in the hydrogen gas-sensitive film after the film formation. The emulsifier G is, for example, methanol, ethanol, or acetone. The emulsifier G is preferably a super dehydration type having a water content of 10 mass ppm or less. If the ultra-dehydration type is used, it is possible to suppress the mixing of water and prevent the tungsten oxide precursor C from precipitating as tungsten oxide (WO 3) before film formation (before S201).

次に、S105では、第3溶液L3にカルボン酸Hを添加する。カルボン酸Hは、金属触媒前駆体Fに含まれる金属イオンに対して還元性を有し、後に行われる成膜(S201〜S203)の際に金属イオンをゼロ価の金属に還元する。また、この還元反応に伴いカルボン酸Hが酸化されて炭酸ガスが発生し、多孔質な水素ガス感応性膜が得られる。 Next, in S105, the carboxylic acid H is added to the third solution L3. The carboxylic acid H has a reducing property with respect to the metal ion contained in the metal catalyst precursor F, and reduces the metal ion to a zero-valent metal at the time of the subsequent film formation (S201 to S203). Further, along with this reduction reaction, the carboxylic acid H is oxidized to generate carbonic acid gas, and a porous hydrogen gas sensitive film is obtained.

カルボン酸Hとしては、シュウ酸、ギ酸、クエン酸等が使用可能である。カルボン酸Hの分子量が大きいほど、成膜後の膜中に炭素分が残存しやすくなるため、分子量が小さいシュウ酸、ギ酸が好適である。その中でも、取扱の容易さからシュウ酸がより好適である。 As the carboxylic acid H, oxalic acid, formic acid, citric acid and the like can be used. The larger the molecular weight of the carboxylic acid H, the easier it is for carbon to remain in the film after film formation. Therefore, oxalic acid and formic acid having a small molecular weight are preferable. Among them, oxalic acid is more preferable because of its ease of handling.

シュウ酸はシュウ酸・無水物とシュウ酸・二水和物が市販品として入手可能であり、どちらを使用することも可能であるが、シュウ酸・無水物を利用する方が、コーティング液の安定性が向上する点で好ましい。 As for oxalic acid, oxalic acid / anhydride and oxalic acid / dihydrate are available as commercial products, and either of them can be used, but it is better to use oxalic acid / anhydride as the coating liquid. It is preferable in that it improves stability.

カルボン酸Hの添加量は、多すぎても少なすぎてもコーティング液の安定性や成膜後の水素感応特性に悪影響を与える。第3溶液L3に対するカルボン酸Hの添加量は、第3溶液L3中のタングステンに対するカルボン酸Hのモル比(カルボン酸H/タングステン)で、1/5〜2/5が好適であり、1/5がより好適である。 If the amount of the carboxylic acid H added is too large or too small, it adversely affects the stability of the coating liquid and the hydrogen-sensitive characteristics after the film formation. The amount of carboxylic acid H added to the third solution L3 is the molar ratio of carboxylic acid H to tungsten in the third solution L3 (carboxylic acid H / tungsten), preferably 1/5 to 2/5, and 1 /. 5 is more preferable.

カルボン酸Hの第3溶液L3への添加は、室温下で行うことができる。添加後、そのまま室温で攪拌を続け、均一で透明な溶液に変化した時点で攪拌を止める。このようにして、コーティング液が得られる。コーティング液は、より長く安定な状態を保つために、乾燥雰囲気下、遮光された冷蔵空間で保管することが望ましい。冷蔵空間の温度は、室温よりも低く、例えば4℃である。 The addition of the carboxylic acid H to the third solution L3 can be carried out at room temperature. After the addition, continue stirring at room temperature as it is, and stop stirring when the solution changes to a uniform and transparent solution. In this way, the coating liquid is obtained. It is desirable to store the coating liquid in a light-shielded refrigerated space in a dry atmosphere in order to maintain a stable state for a longer period of time. The temperature of the refrigerated space is lower than room temperature, for example 4 ° C.

なお、コーティング液は、乾燥窒素雰囲気下で製造されることが望ましい。大気中での製造も可能であるが、乾燥窒素雰囲気下での製造によれば、溶液中のタングステンが酸化タングステンとして沈殿するのを抑制でき、溶液中のタングステン量が減少するのを抑制できる。 The coating liquid is preferably produced in a dry nitrogen atmosphere. Although it can be produced in the air, according to the production in a dry nitrogen atmosphere, it is possible to suppress the precipitation of tungsten in the solution as tungsten oxide, and it is possible to suppress the decrease in the amount of tungsten in the solution.

本実施形態のコーティング液は、酸化タングステン前駆体Cと、鎖状のエーテルBと、金属触媒前駆体Fと、有機溶媒Eと、カルボン酸Hと、を含む。酸化タングステン前駆体Cは、塩化タングステンAと鎖状のエーテルBを混合・攪拌して反応させて形成されるものであり、タングステンアルコキシドに由来するものである。鎖状のエーテルBは、酸化タングステン前駆体Cの形成に用いられたものであり、酸化タングステン前駆体Cを溶解しない。鎖状のエーテルBは、上記の通り、別の鎖状又は環状のエーテルと置換されてもよい。従って、コーティング液は、鎖状のエーテルBとは別の鎖状又は環状のエーテルを含んでもよい。金属触媒前駆体Fは、還元されることによって水素ガス感応性を有する金属触媒となる金属イオンを含む。有機溶媒Eは、酸化タングステン前駆体Cと金属触媒前駆体Fを溶解する。カルボン酸Hは、金属触媒前駆体Fに含まれる金属イオンを金属に還元し、金属触媒を生成する。 The coating liquid of the present embodiment contains a tungsten oxide precursor C, a chain ether B, a metal catalyst precursor F, an organic solvent E, and a carboxylic acid H. The tungsten oxide precursor C is formed by mixing and stirring tungsten chloride A and chain ether B and reacting them, and is derived from tungsten alkoxide. The chain ether B is used for forming the tungsten oxide precursor C and does not dissolve the tungsten oxide precursor C. The chain ether B may be replaced with another chain or cyclic ether as described above. Therefore, the coating liquid may contain a chain or cyclic ether different from the chain ether B. The metal catalyst precursor F contains metal ions that, when reduced, become a metal catalyst having hydrogen gas sensitivity. The organic solvent E dissolves the tungsten oxide precursor C and the metal catalyst precursor F. The carboxylic acid H reduces the metal ions contained in the metal catalyst precursor F to a metal to produce a metal catalyst.

本実施形態のコーティング液は、更に、乳化剤Gを含む。乳化剤Gの添加によって、下層と上層が混和され、ミセルが形成される。第3溶液L3のミセル化によって、成膜時に表面凹凸の大きい膜が得られ、その表面の凹凸によって光が散乱され、不透明な白色の膜が得られると推定される。なお、上記の通り、乳化剤Gを添加しなくても、混合・攪拌等によって下層と上層とを均一に分散できる場合には、乳化剤Gの添加は不要であり、コーティング液は乳化剤Gを含まなくてもよい。 The coating liquid of the present embodiment further contains an emulsifier G. By adding the emulsifier G, the lower layer and the upper layer are mixed to form micelles. It is presumed that by forming the third solution L3 into micelles, a film having large surface irregularities is obtained at the time of film formation, and light is scattered by the irregularities on the surface to obtain an opaque white film. As described above, if the lower layer and the upper layer can be uniformly dispersed by mixing, stirring, etc. without adding the emulsifier G, it is not necessary to add the emulsifier G, and the coating liquid does not contain the emulsifier G. You may.

本実施形態の水素ガス感応性膜の製造方法は、図2に示すS201〜S203を含む。S201では、本実施形態のコーティング液を基材に塗布し、基材の表面に塗布膜を形成する。S202では、塗布膜を大気中、室温以上100℃以下で乾燥する。S203では、塗布膜に紫外線を照射することによって、金属触媒を担持した酸化タングステン膜とする。紫外線の照射によって、金属触媒前駆体Fに含まれる金属イオンの還元を促進できる。なお、金属触媒前駆体Fに含まれる金属イオンの還元は、カルボン酸Hの添加によっても促進される。カルボン酸Hは、塗布後に金属触媒前駆体Fに含まれる金属イオンを金属に還元し、金属触媒を生成する。また、S203は、S202の後ではなく、S202と同時に行われてもよい。つまり、紫外線の照射は、塗布膜の乾燥後又は乾燥中に行われればよい。以下、S201〜S203の詳細について説明する。 The method for producing a hydrogen gas-sensitive film of the present embodiment includes S201 to S203 shown in FIG. In S201, the coating liquid of the present embodiment is applied to the base material to form a coating film on the surface of the base material. In S202, the coating film is dried in the air at room temperature or higher and 100 ° C. or lower. In S203, the coating film is irradiated with ultraviolet rays to form a tungsten oxide film supporting a metal catalyst. By irradiating with ultraviolet rays, the reduction of metal ions contained in the metal catalyst precursor F can be promoted. The reduction of metal ions contained in the metal catalyst precursor F is also promoted by the addition of the carboxylic acid H. After coating, the carboxylic acid H reduces the metal ions contained in the metal catalyst precursor F to a metal to produce a metal catalyst. Further, S203 may be performed at the same time as S202, not after S202. That is, the irradiation of ultraviolet rays may be performed after or during the drying of the coating film. Hereinafter, details of S201 to S203 will be described.

先ず、S201では、コーティング液を基材に塗布し、基材の表面に塗布膜を形成する。基材は、透明なものでも不透明なものでもよい。基材が透明なものである場合、基材を介して水素ガス感応性膜の色の変化を視認できる。基材の種類、厚み、及び大きさは、水素ガス感応性膜の用途やコーティング液の塗布方法などに応じて適宜選択され、特に限定されない。 First, in S201, the coating liquid is applied to the base material to form a coating film on the surface of the base material. The base material may be transparent or opaque. When the base material is transparent, the change in color of the hydrogen gas-sensitive film can be visually recognized through the base material. The type, thickness, and size of the base material are appropriately selected according to the use of the hydrogen gas-sensitive film, the coating method, and the like, and are not particularly limited.

コーティング液の塗布方法としては、粘性の低い溶液を均一に塗布できる方法、例えば、スピンコート法、ディップコート法、ロールコート法などを適用することができ、用いる基材の材質、大きさ、及び厚み等に応じて適宜選択することができる。 As a coating method, a method capable of uniformly applying a low-viscosity solution, for example, a spin coating method, a dip coating method, a roll coating method, or the like can be applied, and the material, size, and material of the base material to be used, and It can be appropriately selected according to the thickness and the like.

次に、S202では、塗布膜を大気中、室温以上100℃以下で乾燥する。塗布膜の乾燥温度は、好ましくは60℃以上100℃以下である。塗布膜の乾燥温度が60℃以上であれば、金属触媒前駆体Fに含まれる金属イオンの還元反応を促進でき、また、塗布膜の強度、又は塗布膜と基板の密着性を向上できる。一方、塗布膜の乾燥温度が100℃以下であれば、基材として、ガラス基板の他に、樹脂基板又は樹脂フィルム等も使用できる。樹脂基板又は樹脂フィルムは、コーティング液の成分に対して耐性を有する樹脂、例えばポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリカーボネート(PC)等で形成される。 Next, in S202, the coating film is dried in the air at room temperature or higher and 100 ° C. or lower. The drying temperature of the coating film is preferably 60 ° C. or higher and 100 ° C. or lower. When the drying temperature of the coating film is 60 ° C. or higher, the reduction reaction of metal ions contained in the metal catalyst precursor F can be promoted, and the strength of the coating film or the adhesion between the coating film and the substrate can be improved. On the other hand, if the drying temperature of the coating film is 100 ° C. or lower, a resin substrate, a resin film, or the like can be used as the base material in addition to the glass substrate. The resin substrate or resin film is formed of a resin having resistance to the components of the coating liquid, for example, polyethylene terephthalate (PET), polycarbonate (PC), or the like.

次に、S203では、塗布膜に紫外線を照射することによって、金属触媒を担持した酸化タングステン膜とする。紫外線の照射によって、金属触媒前駆体Fに含まれる金属イオンの還元を促進できる。紫外線の波長は、例えば200nm〜380nmであり、好ましくは254nmである。紫外線は、大気中で照射可能である。紫外線の照射量は、例えば1mW/cmの強度で5秒〜10分程度である。紫外線の光源は、上記波長の紫外線を放射するものであれば特に限定されないが、例えばLEDランプ又は水銀ランプである。また、紫外線の光源と塗布膜の距離は、紫外線を均一に照射できる限り特に限定されず、紫外線の照射量に応じて適宜調整されるが、1cm〜3cm程度が好適である。 Next, in S203, the coating film is irradiated with ultraviolet rays to form a tungsten oxide film carrying a metal catalyst. By irradiating with ultraviolet rays, the reduction of metal ions contained in the metal catalyst precursor F can be promoted. The wavelength of ultraviolet rays is, for example, 200 nm to 380 nm, preferably 254 nm. Ultraviolet rays can be irradiated in the atmosphere. The irradiation amount of ultraviolet rays is, for example, about 5 seconds to 10 minutes at an intensity of 1 mW / cm 2. The light source of ultraviolet rays is not particularly limited as long as it emits ultraviolet rays of the above wavelengths, and is, for example, an LED lamp or a mercury lamp. The distance between the ultraviolet light source and the coating film is not particularly limited as long as the ultraviolet rays can be uniformly irradiated, and is appropriately adjusted according to the irradiation amount of the ultraviolet rays, but is preferably about 1 cm to 3 cm.

上記S201〜S203によって、水素ガス感応性膜が得られる。成膜後、水素ガスに晒される前に不透明な白色である。それゆえ、成膜後、水素ガスに晒される前に無色透明である場合に比べて、水素ガスに晒した際に青色への変化がわかりやすい。これは、無色透明な液膜を淡青色のインクで着色した場合と、不透明な白色の液膜を淡青色のインクで着色した場合とでは、後者の方が色の変化を認識しやすいのと同じことである。本実施形態によれば、水素ガスに晒した際に淡青色に変化する場合であっても、色の変化を認識しやすい。 A hydrogen gas sensitive film can be obtained by the above S201 to S203. After film formation, it is opaque white before being exposed to hydrogen gas. Therefore, it is easier to see the change to blue when exposed to hydrogen gas, as compared with the case where the film is colorless and transparent after being exposed to hydrogen gas. This is because the latter is easier to recognize the color change between the case where the colorless and transparent liquid film is colored with light blue ink and the case where the opaque white liquid film is colored with light blue ink. The same thing. According to this embodiment, even when the color changes to pale blue when exposed to hydrogen gas, it is easy to recognize the color change.

また、本実施形態の水素ガス感応性膜は、従来の水素ガス感応性膜に比べて、周辺雰囲気が水素ガスから大気に変化した際に、青色から元の色に戻るのにかかる時間が長く、青色の着色状態が維持されやすい。例えば、特許文献4または5の水素ガス感応性膜の場合は数秒から1分程度で元の色に戻るが、本実施形態の水素ガス感応性膜の場合は、元の色に戻るのに30分程度の時間が必要である。それゆえ、本実施形態の水素ガス感応性膜は、従来の水素ガス感応性膜に比べて、水素ガスに晒された情報を長時間保持でき、水素ガス可視化シート又は水素ガスセンサーとしてより有用である。 Further, the hydrogen gas-sensitive film of the present embodiment takes longer to return from blue to the original color when the surrounding atmosphere changes from hydrogen gas to the atmosphere, as compared with the conventional hydrogen gas-sensitive film. , The blue colored state is easily maintained. For example, in the case of the hydrogen gas-sensitive film of Patent Document 4 or 5, the original color is restored in about a few seconds to 1 minute, but in the case of the hydrogen gas-sensitive film of the present embodiment, it takes 30 to return to the original color. It takes about a minute. Therefore, the hydrogen gas-sensitive film of the present embodiment can retain information exposed to hydrogen gas for a long time as compared with the conventional hydrogen gas-sensitive film, and is more useful as a hydrogen gas visualization sheet or a hydrogen gas sensor. be.

本実施形態の水素ガス感応性膜は、金属触媒前駆体Fに含まれる金属イオンの還元反応の際に塗布膜の内部で発生する炭酸ガスによって多孔質化されてもよい。炭酸ガスは、カルボン酸Hが塗布膜中で酸化されることにより発生する。多孔質化された水素ガス感応性膜は、良好な通気性を有し、周辺雰囲気に対し良好な感応性を有する。 The hydrogen gas-sensitive film of the present embodiment may be made porous by carbon dioxide gas generated inside the coating film during the reduction reaction of the metal ions contained in the metal catalyst precursor F. Carbon dioxide gas is generated by oxidizing the carboxylic acid H in the coating film. The porous hydrogen gas-sensitive membrane has good air permeability and has good sensitivity to the surrounding atmosphere.

水素ガス感応性膜は、S201(塗布)とS202(乾燥)を1回行って形成されてもよいし、S201(塗布)とS202(乾燥)を複数回繰り返して形成されてもよい。後者の場合、複数の酸化タングステン膜で水素ガス感応性膜が構成される。水素ガス感応性膜の膜厚は、用途などに応じて適宜選択される。なお、S203は、上記の通り、S202の後に行われてもよいし、S202と同時に行われてもよい。 The hydrogen gas-sensitive film may be formed by performing S201 (coating) and S202 (drying) once, or may be formed by repeating S201 (coating) and S202 (drying) a plurality of times. In the latter case, a hydrogen gas-sensitive film is composed of a plurality of tungsten oxide films. The film thickness of the hydrogen gas-sensitive film is appropriately selected depending on the application and the like. As described above, S203 may be performed after S202 or at the same time as S202.

本実施形態の水素ガス感応性膜は、タングステンと、酸素と、白金族金属と、を含む粒子を分散して含む。粒子は、更に、塩素と、炭素と、を含んでもよい。水素ガス感応性膜は、表面粗さRaが50nm〜300nmであり、空隙率が20%〜50%である。水素ガス感応性膜は、大気に晒されると白色になり、水素に晒されると青色になる。水素ガス感応性膜の表面粗さRaが50nm以上であれば、表面の凹凸によって光が散乱され、不透明な白色の膜が得られる。表面粗さRaは、日本工業規格(JIS B0601−2013)に記載の算術平均粗さである。空隙率は、好ましくは25%〜40%である。 The hydrogen gas-sensitive film of the present embodiment contains particles containing tungsten, oxygen, and a platinum group metal in a dispersed manner. The particles may further contain chlorine and carbon. The hydrogen gas-sensitive film has a surface roughness Ra of 50 nm to 300 nm and a porosity of 20% to 50%. The hydrogen gas sensitive film turns white when exposed to the atmosphere and blue when exposed to hydrogen. When the surface roughness Ra of the hydrogen gas-sensitive film is 50 nm or more, light is scattered by the unevenness of the surface, and an opaque white film is obtained. The surface roughness Ra is the arithmetic mean roughness described in the Japanese Industrial Standards (JIS B0601-2013). The porosity is preferably 25% to 40%.

以下、コーティング液の製造方法、及び水素ガス感応性膜の製造方法の具体例について説明する。また、得られた水素ガス感応性膜の評価結果についても説明する。 Hereinafter, specific examples of a method for producing a coating liquid and a method for producing a hydrogen gas-sensitive film will be described. The evaluation results of the obtained hydrogen gas-sensitive membrane will also be described.

〔実施例1−1〕
図1のS101では、先ず、グローブボックスの内部を乾燥窒素雰囲気で満たした後、グローブボックス中で4.96gの六塩化タングステン(WCl)と50mLの超脱水ジイソプロピルエーテルを別々に秤量した。その後、ドラフト中で、乾燥窒素ガスを流しながら、室温下で両者を混合した。次いで、室温下で約20時間攪拌し、続いて湯浴で55℃に加熱しながら30分間攪拌し、第1溶液を得た。
[Example 1-1]
In S101 of FIG. 1, first, the inside of the glove box was filled with a dry nitrogen atmosphere, and then 4.96 g of tungsten hexachloride (WCl 6 ) and 50 mL of ultra-dehydrated diisopropyl ether were weighed separately in the glove box. Then, in the draft, both were mixed at room temperature while flowing dry nitrogen gas. Then, the mixture was stirred at room temperature for about 20 hours, and then stirred in a hot water bath at 55 ° C. for 30 minutes to obtain a first solution.

S102では、別に、ビス(アセチルアセトナト)白金(II)(Pt(acac))をエチレングリコールモノメチルエーテル(EGMME)に溶解し、金属触媒前駆体の濃度が0.016モル/Lである第2溶液を調製した。 In S102, bis (acetylacetonato) platinum (II) (Pt (acac) 2 ) is separately dissolved in ethylene glycol monomethyl ether (EGMME), and the concentration of the metal catalyst precursor is 0.016 mol / L. Two solutions were prepared.

S103では、第2溶液10mLを第1溶液に加え、攪拌し、青色の下層と無色透明の上層とに分離した第3溶液を調製した。 In S103, 10 mL of the second solution was added to the first solution and stirred to prepare a third solution separated into a blue lower layer and a colorless and transparent upper layer.

S104では、第3溶液に対して乳化剤として超脱水エタノールを45mLを添加し、攪拌した。下層と上層とが混和され、ミセルが形成され、濃紺色の均一な溶液が得られた。 In S104, 45 mL of ultra-dehydrated ethanol was added as an emulsifier to the third solution, and the mixture was stirred. The lower layer and the upper layer were mixed to form micelles, and a dark blue uniform solution was obtained.

なお、S104の直前に、上層の液量が少ない場合には、超脱水ジイソプロピルエーテルを適量添加してもよい。また、超脱水ジイソプロピルエーテルの代わりに、メチルt−ブチルエーテルを適量添加してもよい。 If the amount of liquid in the upper layer is small immediately before S104, an appropriate amount of super-dehydrated diisopropyl ether may be added. Further, instead of the super-dehydrated diisopropyl ether, an appropriate amount of methyl t-butyl ether may be added.

S105では、ミセル化した溶液に対して約0.1gのシュウ酸を添加した。添加後、そのまま室温で攪拌を続け、溶液の色が濃紺から淡黄緑色に変化した時点で攪拌を止めた。淡黄緑色に着色した透明で均一なコーティング液が得られた。 In S105, about 0.1 g of oxalic acid was added to the micellar solution. After the addition, stirring was continued at room temperature as it was, and stirring was stopped when the color of the solution changed from dark blue to pale yellowish green. A transparent and uniform coating liquid colored in pale yellowish green was obtained.

得られたコーティング液は、酸化タングステン前駆体と、超脱水ジイソプロピルエーテルと、金属触媒前駆体と、エチレングリコールモノメチルエーテル(EGMME)と、シュウ酸と、超脱水エタノールと、を含むものであった。 The obtained coating liquid contained a tungsten oxide precursor, super-dehydrated diisopropyl ether, a metal catalyst precursor, ethylene glycol monomethyl ether (EGMME), oxalic acid, and super-dehydrated ethanol.

図2のS201では、ポリカーボネート(PC)基板(水の濡れ接触角:約65°、以下、基板1−1−1と記す。)の表面にコーティング液をスピンコート法で塗布し、塗布膜を形成した。ポリカーボネート基板の表面は縦3cm、横3cmの正方形であった。基板の回転数は3000rpmであり、コーティング液の塗布時間は30秒であった。 In S201 of FIG. 2, a coating liquid is applied to the surface of a polycarbonate (PC) substrate (wetting contact angle of water: about 65 °, hereinafter referred to as substrate 1-1-1) by a spin coating method, and a coating film is applied. Formed. The surface of the polycarbonate substrate was a square with a length of 3 cm and a width of 3 cm. The rotation speed of the substrate was 3000 rpm, and the coating time of the coating liquid was 30 seconds.

S202では、塗布膜を大気中80℃のホットプレート上で5分間加熱し、塗布膜を乾燥させた。S201とS202とを計5回繰り返した。塗布膜の色は、不透明な白色であった。その後、S203を実施した。 In S202, the coating film was heated on a hot plate at 80 ° C. in the air for 5 minutes to dry the coating film. S201 and S202 were repeated 5 times in total. The color of the coating film was opaque white. Then, S203 was carried out.

S203では、乾燥した塗布膜に対して波長254nmの紫外光を10分間照射した。紫外線の照射によって塗布膜の色は不透明な白色から青色に一時的に変化したが、紫外線の照射後、塗布膜の色はゆっくりと元の白色に戻った。 In S203, the dried coating film was irradiated with ultraviolet light having a wavelength of 254 nm for 10 minutes. The color of the coating film temporarily changed from opaque white to blue by irradiation with ultraviolet rays, but the color of the coating film slowly returned to the original white after irradiation with ultraviolet rays.

上記S201〜S203によって、水素ガス感応性膜2−1−1が得られた。成膜直後の水素ガス感応性膜の色は、不透明な白色であった。 The hydrogen gas sensitive film 2-1-1 was obtained by the above S201 to S203. The color of the hydrogen gas-sensitive film immediately after the film formation was opaque white.

成膜直後の水素ガス感応性膜2−1−1の写真を、図3(A)に示す。成膜直後の水素ガス感応性膜2−1−1は、光沢の無い白色膜であった。この白色膜に対して水素ガスを噴霧すると、図3(B)に示すように、水素ガス感応性膜2−1−1の色は青色に変化した。 A photograph of the hydrogen gas-sensitive film 2-1-1 immediately after the film formation is shown in FIG. 3 (A). The hydrogen gas-sensitive film 2-1-1 immediately after the film formation was a dull white film. When hydrogen gas was sprayed onto this white film, the color of the hydrogen gas sensitive film 2-1-1 changed to blue, as shown in FIG. 3 (B).

図4に、実施例1−1の水素ガス感応性膜2−1−1の透過スペクトルを示す。図4において、破線LAは成膜直後の水素ガス感応性膜2−1−1と基板1−1−1の透過スペクトルを示し、実線LBは水素ガス噴霧直後の水素ガス感応性膜2−1−1と基板1−1−1の透過スペクトルを示し、一点鎖線LCは基板1−1−1のみの透過スペクトルを示す。 FIG. 4 shows the transmission spectrum of the hydrogen gas-sensitive film 2-1-1 of Example 1-1. In FIG. 4, the broken line LA shows the transmission spectra of the hydrogen gas-sensitive film 2-1-1 and the substrate 1-1-1 immediately after the film formation, and the solid line LB shows the hydrogen gas-sensitive film 2-1 immediately after the hydrogen gas spraying. The transmission spectrum of -1 and the substrate 1-1-1 is shown, and the alternate long and short dash line LC shows the transmission spectrum of only the substrate 1-1-1.

図4に破線LAで示すように、成膜直後に、波長400nm〜800nmの可視光領域の光透過率は、20%〜50%程度であった。一方、図4に実線LBで示すように、水素ガス噴霧直後には、水素ガス感応性膜2−1−1の光透過率が減少し、青色の波長域450nm〜500nmにピークが生じた。このことは、水素ガスの噴霧によって、水素ガス感応性膜2−1−1の色が不透明な白色から青色に変化したことを示している。 As shown by the broken line LA in FIG. 4, the light transmittance in the visible light region having a wavelength of 400 nm to 800 nm was about 20% to 50% immediately after the film formation. On the other hand, as shown by the solid line LB in FIG. 4, immediately after the hydrogen gas spraying, the light transmittance of the hydrogen gas sensitive film 2-1-1 decreased, and a peak occurred in the blue wavelength region of 450 nm to 500 nm. This indicates that the color of the hydrogen gas-sensitive film 2-1-1 changed from opaque white to blue by spraying hydrogen gas.

図5に、実施例1−1の水素ガス感応性膜2−1−1の反射スペクトルを示す。図5において、破線LAは成膜直後の水素ガス感応性膜2−1−1と基板1−1−1の反射スペクトルを示し、実線LBは水素ガス噴霧直後の水素ガス感応性膜2−1−1と基板1−1−1の反射スペクトルを示し、一点鎖線LCは基板1−1−1のみの反射スペクトルを示す。 FIG. 5 shows the reflection spectrum of the hydrogen gas sensitive film 2-1-1 of Example 1-1. In FIG. 5, the broken line LA shows the reflection spectra of the hydrogen gas-sensitive film 2-1-1 and the substrate 1-1-1 immediately after the film formation, and the solid line LB shows the hydrogen gas-sensitive film 2-1 immediately after the hydrogen gas spraying. The reflection spectrum of -1 and the substrate 1-1-1 is shown, and the alternate long and short dash line LC shows the reflection spectrum of only the substrate 1-1-1.

図5に破線LAで示すように、成膜直後に、波長400nm〜800nmの可視光領域の反射率は35%〜45%程度であった。一方、図5に実線LBで示すように、水素ガス噴霧直後には、水素ガス感応性膜2−1−1の光反射率が減少した。 As shown by the broken line LA in FIG. 5, the reflectance in the visible light region having a wavelength of 400 nm to 800 nm was about 35% to 45% immediately after the film formation. On the other hand, as shown by the solid line LB in FIG. 5, the light reflectance of the hydrogen gas sensitive film 2-1-1 decreased immediately after the hydrogen gas spraying.

図6に、実施例1−1の水素ガス感応性膜2−1−1の原子間力顕微鏡(AFM)写真を示す。水素ガス感応性膜2−1−1の表面粗さRaは、キーエンス社製のAFM(商品名:Nanoscale Hybrid microscope VN−8010)で測定したところ、109nmであった。表面凹凸が大きいために光が散乱し、不透明な白色の水素ガス感応性膜2−1−1が得られたと推定される。 FIG. 6 shows an atomic force microscope (AFM) photograph of the hydrogen gas sensitive film 2-1-1 of Example 1-1. The surface roughness Ra of the hydrogen gas-sensitive film 2-1-1 was 109 nm as measured by an AFM (trade name: Nanoscale Hybrid microscope VN-8010) manufactured by KEYENCE CORPORATION. It is presumed that light was scattered due to the large surface irregularities, and an opaque white hydrogen gas-sensitive film 2-1-1 was obtained.

図7に、実施例1−1の水素ガス感応性膜2−1−1の断面を、走査透過電子顕微鏡(STEM)により観察した明視野像を示す。図7において、1−1−1はPC基板、2−1−1は水素ガス感応性膜、21はタングステンと酸素と白金とを含む粒、22は空隙、3は観察用のカーボン保護膜、4は観察用のタングステン保護膜である。図7から明らかなように、粒21が分散しており、空隙22が多く、多孔質な構造が得られ、表面凹凸が大きかった。水素ガス感応性膜2−1−1の空隙率は、日立ハイテクノロジーズ社製のSTEM(商品名:HD−2700)により取得した明視野像を画像処理して測定したところ、約30%であった。空隙率は、粒21と空隙22の合計の面積に対する、空隙22の面積の割合である。粒21の化学組成は、日立ハイテクノロジーズ社製のSTEM(商品名:HD−2700)で測定したところ、タングステンの含有量が16.9原子%、酸素の含有量が43.1原子%、白金の含有量が0.4原子%、塩素の含有量が0.4原子%、炭素の含有量が39.3原子%であった。 FIG. 7 shows a bright field image obtained by observing a cross section of the hydrogen gas sensitive film 2-1-1 of Example 1-1 with a scanning transmission electron microscope (STEM). In FIG. 7, 1-1-1 is a PC substrate, 2-1-1 is a hydrogen gas sensitive film, 21 is a grain containing tungsten, oxygen and platinum, 22 is a void, and 3 is a carbon protective film for observation. Reference numeral 4 denotes a tungsten protective film for observation. As is clear from FIG. 7, the grains 21 were dispersed, there were many voids 22, a porous structure was obtained, and the surface unevenness was large. The void ratio of the hydrogen gas sensitive film 2-1-1 was about 30% when measured by image processing a bright field image acquired by STEM (trade name: HD-2700) manufactured by Hitachi High-Technologies Corporation. rice field. The porosity is the ratio of the area of the void 22 to the total area of the grain 21 and the void 22. The chemical composition of the grain 21 was measured by STEM (trade name: HD-2700) manufactured by Hitachi High-Technologies Corporation, and the tungsten content was 16.9 atomic%, the oxygen content was 43.1 atomic%, and platinum. The content of was 0.4 atomic%, the content of chlorine was 0.4 atomic%, and the content of carbon was 39.3 atomic%.

図8に示す測定装置5で測定した、水素ガス感応性膜2−1−1の水素ガスに対する応答性を図9に示す。先ず、図8を参照して測定装置5について説明する。図8において、細い矢印は水素含有ガスの流れを示し、太い矢印はレーザ光の経路を示す。 FIG. 9 shows the responsiveness of the hydrogen gas-sensitive film 2-1-1 to hydrogen gas measured by the measuring device 5 shown in FIG. First, the measuring device 5 will be described with reference to FIG. In FIG. 8, the thin arrow indicates the flow of the hydrogen-containing gas, and the thick arrow indicates the path of the laser beam.

図8に示すように、測定装置5は、ガラスセル51と、スペーサ52と、マスフローコントローラ53と、光源54と、受光器55とを備える。なお、測定装置5は、測定対象物である水素ガス感応性膜2−1−1、及び水素ガス感応性膜2−1−1が形成される基板1−1−1を含まない。 As shown in FIG. 8, the measuring device 5 includes a glass cell 51, a spacer 52, a mass flow controller 53, a light source 54, and a receiver 55. The measuring device 5 does not include the hydrogen gas-sensitive film 2-1-1 and the substrate 1-1-1 on which the hydrogen gas-sensitive film 2-1-1 is formed, which are the objects to be measured.

ガラスセル51は、水素ガス感応性膜2−1−1と対向配置される。スペーサ52は、ガラスセル51と水素ガス感応性膜2−1−1との間に、水素含有ガスの流路となる隙間56を形成する。隙間56は、例えば1mm以下であり、好ましくは0.1mm〜0.5mm程度である。 The glass cell 51 is arranged to face the hydrogen gas sensitive film 2-1-1. The spacer 52 forms a gap 56 that serves as a flow path for the hydrogen-containing gas between the glass cell 51 and the hydrogen gas-sensitive film 2-1-1. The gap 56 is, for example, 1 mm or less, preferably about 0.1 mm to 0.5 mm.

マスフローコントローラ53は、隙間56を流れる水素含有ガスの流量を制御する。水素含有ガスは、マスフローコントローラ53によって導入され、ガラスセル51と水素ガス感応性膜2−1−1との隙間56を通り、外部に放出される。一方、マスフローコントローラ53が水素含有ガスの導入を停止すると、大気が隙間56に入り込む。水素含有ガスとしては、水素ガスを4体積%、窒素ガスを96体積%含むものを用いる。 The mass flow controller 53 controls the flow rate of the hydrogen-containing gas flowing through the gap 56. The hydrogen-containing gas is introduced by the mass flow controller 53, passes through the gap 56 between the glass cell 51 and the hydrogen gas-sensitive film 2-1-1, and is discharged to the outside. On the other hand, when the mass flow controller 53 stops the introduction of the hydrogen-containing gas, the atmosphere enters the gap 56. As the hydrogen-containing gas, a gas containing 4% by volume of hydrogen gas and 96% by volume of nitrogen gas is used.

光源54としての半導体レーザ装置は、波長670nmのレーザ光を照射する。受光器55としてのフォトダイオードは、光源54から照射されたレーザ光を受光し、受光したレーザ光の強度に応じた信号を出力する。 The semiconductor laser device as the light source 54 irradiates a laser beam having a wavelength of 670 nm. The photodiode as the receiver 55 receives the laser beam emitted from the light source 54 and outputs a signal corresponding to the intensity of the received laser beam.

図8に太い矢印で示すように、光源54から照射されたレーザ光は、基板1−1−1、水素ガス感応性膜2−1−1及びガラスセル51をこの順で通過し、受光器55で受光される。光源54から照射されるレーザ光の強度に対する、受光器55で受光されるレーザ光の強度の割合が透過率である。 As shown by a thick arrow in FIG. 8, the laser light emitted from the light source 54 passes through the substrate 1-1-1, the hydrogen gas sensitive film 2-1-1, and the glass cell 51 in this order, and receives a receiver. Received light at 55. The ratio of the intensity of the laser light received by the receiver 55 to the intensity of the laser light emitted from the light source 54 is the transmittance.

水素ガス感応性膜2−1−1の水素ガスに対する応答性は、図8の隙間56に水素含有ガスを1分間供給すること、及びその供給を所定時間停止することを交互に繰り返しながら、波長670nmのレーザ光の透過率を測定することにより測定した。 The responsiveness of the hydrogen gas-sensitive film 2-1-1 to hydrogen gas is determined by alternately repeating supplying a hydrogen-containing gas to the gap 56 in FIG. 8 for 1 minute and stopping the supply for a predetermined time. It was measured by measuring the transmittance of laser light at 670 nm.

図9に、実施例1−1の水素ガス感応性膜2−1−1の水素ガスに対する応答性の測定結果を示す。図9において、「ON」とは水素含有ガスの供給停止から供給への切換を意味し、「OFF」とは水素含有ガスの供給から供給停止への切換を意味する。図15において、同様である。 FIG. 9 shows the measurement results of the responsiveness of the hydrogen gas-sensitive film 2-1-1 of Example 1-1 to hydrogen gas. In FIG. 9, “ON” means switching from the supply stop of the hydrogen-containing gas to the supply, and “OFF” means switching from the supply of the hydrogen-containing gas to the supply stop. The same is true in FIG.

図9に示すように、水素含有ガスの供給によって、徐々に光透過率が減少し、水素ガス感応性膜2−1−1の色が不透明な白色から青色に変化した。測定開始直後は水素ガス感応性膜2−1−1の水素ガスに対する応答性は遅かったが、数回スイッチングを繰り返すことにより、1分程度の水素ガスの供給で十分な応答性が得られ、水素ガス感応性膜2−1−1の色が白色から濃い青色に変化した。 As shown in FIG. 9, the light transmittance gradually decreased by the supply of the hydrogen-containing gas, and the color of the hydrogen gas-sensitive film 2-1-1 changed from opaque white to blue. Immediately after the start of measurement, the responsiveness of the hydrogen gas-sensitive film 2-1-1 to hydrogen gas was slow, but by repeating switching several times, sufficient responsiveness was obtained by supplying hydrogen gas for about 1 minute. The color of the hydrogen gas sensitive film 2-1-1 changed from white to deep blue.

図9に示すように、水素ガス感応性膜2−1−1の色が濃い青色に変化した後は、水素ガスの供給を停止すると、30分程度かけて、水素ガス感応性膜2−1−1の色が青色から白色にゆっくり戻った。水素ガスの供給を停止してから1分程度では、水素ガス感応性膜2−1−1の色は青色のままほとんど変化しなかった。従って、水素ガスに晒された情報を長時間保持できた。 As shown in FIG. 9, after the color of the hydrogen gas sensitive film 2-1-1 has changed to deep blue, when the supply of hydrogen gas is stopped, it takes about 30 minutes to complete the hydrogen gas sensitive film 2-1. The color of -1 slowly returned from blue to white. About 1 minute after the supply of hydrogen gas was stopped, the color of the hydrogen gas sensitive film 2-1-1 remained blue and hardly changed. Therefore, the information exposed to hydrogen gas could be retained for a long time.

〔実施例1−2〕
実施例1−2では、PC基板の代わりにガラス基板(水の濡れ接触角:約10°、以下、基板1−1−2と記す。)を用いた以外、実施例1−1と同じ条件で水素ガス感応性膜2−1−2を製造した。実施例1−2では、実施例1−1で作製したコーティング液を用いた。
[Example 1-2]
In Example 1-2, the same conditions as in Example 1-1 except that a glass substrate (wetting contact angle of water: about 10 °, hereinafter referred to as substrate 1-1-2) was used instead of the PC substrate. A hydrogen gas-sensitive film 2-1-2 was produced in the above. In Example 1-2, the coating liquid prepared in Example 1-1 was used.

図10に、実施例1−2の水素ガス感応性膜2−1−2の水素ガスに晒した直後の写真を示す。図10では、図8に示す測定装置5を用いて、水素ガス感応性膜2−1−2の一部を水素ガスに晒した。図10に示すように、基板1−1−2を介して水素ガス感応性膜2−1−2の色の変化を視認できた。 FIG. 10 shows a photograph of the hydrogen gas-sensitive film 2-1-2 of Example 1-2 immediately after being exposed to hydrogen gas. In FIG. 10, a part of the hydrogen gas sensitive film 2-1-2 was exposed to hydrogen gas using the measuring device 5 shown in FIG. As shown in FIG. 10, the change in color of the hydrogen gas-sensitive film 2-1-2 could be visually recognized via the substrate 1-1-2.

〔実施例1−3〕
実施例1−3では、PC基板の代わりに親水化処理を施したポリエチレンテレフタレート(PET)フィルム(水の濡れ接触角:約2°、以下、基板1−1−3と記す。)を用いた以外、実施例1−1と同じ条件で水素ガス感応性膜2−1−3を製造した。実施例1−3では、実施例1−1で作製したコーティング液を用いた。
[Example 1-3]
In Examples 1-3, a hydrophilized polyethylene terephthalate (PET) film (wetting contact angle of water: about 2 °, hereinafter referred to as substrate 1-1-3) was used instead of the PC substrate. A hydrogen gas-sensitive film 2-1-3 was produced under the same conditions as in Example 1-1 except. In Examples 1-3, the coating liquid prepared in Example 1-1 was used.

図11に、実施例1−3の水素ガス感応性膜2−1−3の水素ガスに晒した直後の写真を示す。図11では、図8に示す測定装置5を用いて、水素ガス感応性膜2−1−3の一部を水素ガスに晒した。図11に示すように、基板1−1−3を介して水素ガス感応性膜2−1−3の色の変化を視認できた。 FIG. 11 shows a photograph of the hydrogen gas-sensitive film 2-1-3 of Example 1-3 immediately after being exposed to hydrogen gas. In FIG. 11, a part of the hydrogen gas-sensitive film 2-1-3 was exposed to hydrogen gas using the measuring device 5 shown in FIG. As shown in FIG. 11, the change in color of the hydrogen gas-sensitive film 2-1-3 could be visually recognized via the substrate 1-1-3.

〔実施例1−4〕
実施例1−4では、紫外線の波長を254nmから365nmに変更した以外、実施例1−1と同じ条件で水素ガス感応性膜2−1−4を製造した。実施例1−4では、実施例1−1で作製したコーティング液を用いた。
[Example 1-4]
In Example 1-4, a hydrogen gas-sensitive film 2-1-4 was produced under the same conditions as in Example 1-1 except that the wavelength of ultraviolet rays was changed from 254 nm to 365 nm. In Examples 1-4, the coating liquid prepared in Example 1-1 was used.

図12に、実施例1−4の水素ガス感応性膜2−1−4の水素ガスに晒した直後の写真を示す。図12では、図8に示す測定装置5を用いて、水素ガス感応性膜2−1−4の一部を水素ガスに晒した。図12に示すように、基板1−1−4(基板1−1−1と同じPC基板)を介して水素ガス感応性膜2−1−4の色の変化を視認できた。但し、254nmの紫外線を照射した実施例1−1と比べて、水素ガスに晒した直後の青色の濃さが薄かった。 FIG. 12 shows a photograph of the hydrogen gas-sensitive film 2-1-4 of Example 1-4 immediately after being exposed to hydrogen gas. In FIG. 12, a part of the hydrogen gas-sensitive film 2-1-4 was exposed to hydrogen gas using the measuring device 5 shown in FIG. As shown in FIG. 12, the change in color of the hydrogen gas-sensitive film 2-1-4 could be visually recognized via the substrate 1-1-4 (the same PC substrate as the substrate 1-1-1). However, as compared with Example 1-1 irradiated with ultraviolet rays of 254 nm, the darkness of blue immediately after exposure to hydrogen gas was lighter.

〔実施例1−5〕
実施例1−5では、実施例1−1で作製したコーティング液を、ガラス基板(基板1−1−2と同じガラス基板。以下、基板1−1−5と記す。)の表面にスピンコート法で塗布し、塗布膜を形成した。ガラス基板の表面は縦3cm、横3cmの正方形であった。基板の回転数は3000rpmであり、コーティング液の塗布時間は30秒であった。その後、塗布膜を大気中40℃で10分間乾燥させた。更に、同じ条件のスピンコート法で塗布膜を形成することと、塗布膜を大気中60℃で5分間乾燥することとを計4回繰り返した。その後、乾燥した塗布膜に対して波長254nmの紫外線を10分間照射した。
[Example 1-5]
In Example 1-5, the coating liquid produced in Example 1-1 is spin-coated on the surface of a glass substrate (the same glass substrate as substrate 1-1-2, hereinafter referred to as substrate 1-1-5). It was applied by the method to form a coating film. The surface of the glass substrate was a square with a length of 3 cm and a width of 3 cm. The rotation speed of the substrate was 3000 rpm, and the coating time of the coating liquid was 30 seconds. Then, the coating film was dried in the air at 40 ° C. for 10 minutes. Further, forming the coating film by the spin coating method under the same conditions and drying the coating film in the air at 60 ° C. for 5 minutes were repeated a total of 4 times. Then, the dried coating film was irradiated with ultraviolet rays having a wavelength of 254 nm for 10 minutes.

図13に、実施例1−5の水素ガス感応性膜2−1−5の水素ガスに晒した直後の写真を示す。図13では、図8に示す測定装置5を用いて、水素ガス感応性膜2−1−5の一部を水素ガスに晒した。図13に示すように、基板1−1−5を介して水素ガス感応性膜2−1−5の色の変化を視認できた。 FIG. 13 shows a photograph of the hydrogen gas-sensitive film 2-1-5 of Example 1-5 immediately after being exposed to hydrogen gas. In FIG. 13, a part of the hydrogen gas sensitive film 2-1-5 was exposed to hydrogen gas using the measuring device 5 shown in FIG. As shown in FIG. 13, the change in color of the hydrogen gas-sensitive film 2-1-5 could be visually recognized via the substrate 1-1-5.

〔実施例1−6〕
実施例1−6では、実施例1−1で作製したコーティング液を、ガラス基板(基板1−1−2と同じガラス基板。以下、基板1−1−6と記す。)の表面にスピンコート法で塗布し、塗布膜を形成した。ガラス基板の表面は縦3cm、横3cmの正方形であった。基板の回転数は3000rpmであり、コーティング液の塗布時間は30秒であった。その後、塗布膜を大気中室温(26℃)で15分間乾燥させた。この塗布膜の形成と、塗布膜の乾燥とを計5回繰り返した。その後、乾燥した塗布膜に対して波長254nmの紫外線を10分間照射した。
[Example 1-6]
In Example 1-6, the coating liquid produced in Example 1-1 is spin-coated on the surface of a glass substrate (the same glass substrate as substrate 1-1-2; hereinafter referred to as substrate 1-1-6). It was applied by the method to form a coating film. The surface of the glass substrate was a square with a length of 3 cm and a width of 3 cm. The rotation speed of the substrate was 3000 rpm, and the coating time of the coating liquid was 30 seconds. Then, the coating film was dried at room temperature (26 ° C.) in the air for 15 minutes. The formation of the coating film and the drying of the coating film were repeated 5 times in total. Then, the dried coating film was irradiated with ultraviolet rays having a wavelength of 254 nm for 10 minutes.

図14に、実施例1−6の水素ガス感応性膜2−1−6の水素ガスに晒した直後の写真を示す。図14では、図8に示す測定装置5を用いて、水素ガス感応性膜2−1−6の一部を水素ガスに晒した。図14に示すように、基板1−1−6を介して水素ガス感応性膜2−1−6の色の変化を視認できた。 FIG. 14 shows a photograph of the hydrogen gas-sensitive film 2-1-6 of Example 1-6 immediately after being exposed to hydrogen gas. In FIG. 14, a part of the hydrogen gas sensitive film 2-1-6 was exposed to hydrogen gas using the measuring device 5 shown in FIG. As shown in FIG. 14, the change in color of the hydrogen gas-sensitive film 2-1-6 could be visually recognized via the substrate 1-1-6.

〔実施例1−7〕
実施例1−7では、実施例1−1で作製したコーティング液を、ガラス基板(基板1−1−2と同じガラス基板。以下、基板1−1−7と記す。)の表面にスピンコート法で塗布し、塗布膜を形成した。ガラス基板の表面は縦3cm、横3cmの正方形であった。基板の回転数は3000rpmであり、コーティング液の塗布時間は30秒であった。その後、塗布膜を大気中100℃のホットプレート上で10分間乾燥させると同時に、塗布膜に対して波長254nmの紫外線を10分間照射した。この塗布膜を形成することと、紫外線を照射しながら塗布膜を乾燥することとを計5回繰り返した。
[Example 1-7]
In Example 1-7, the coating liquid produced in Example 1-1 is spin-coated on the surface of a glass substrate (the same glass substrate as substrate 1-1-2; hereinafter referred to as substrate 1-1-7). It was applied by the method to form a coating film. The surface of the glass substrate was a square with a length of 3 cm and a width of 3 cm. The rotation speed of the substrate was 3000 rpm, and the coating time of the coating liquid was 30 seconds. Then, the coating film was dried on a hot plate at 100 ° C. in the air for 10 minutes, and at the same time, the coating film was irradiated with ultraviolet rays having a wavelength of 254 nm for 10 minutes. The formation of this coating film and the drying of the coating film while irradiating with ultraviolet rays were repeated a total of 5 times.

図15に、実施例1−7の水素ガス感応性膜2−1−7の水素ガスに対する応答性の測定結果を示す図である。図15に示すように、測定開始直後から水素ガス感応性膜2−1−7の水素ガスに対する応答性は速く、1分程度の水素ガスの供給で十分な応答性が得られ、水素ガス感応性膜2−1−7の色が白色から濃い青色に変化した。 FIG. 15 is a diagram showing the measurement results of the responsiveness of the hydrogen gas sensitive film 2-1-7 of Example 1-7 to hydrogen gas. As shown in FIG. 15, the responsiveness of the hydrogen gas-sensitive film 2-1-7 to hydrogen gas is fast immediately after the start of measurement, and sufficient responsiveness can be obtained by supplying hydrogen gas for about 1 minute, and the hydrogen gas-sensitive film is sensitive to hydrogen gas. The color of the gas membrane 2-1-7 changed from white to deep blue.

図15に示すように、水素ガス感応性膜2−1−7の色が濃い青色に変化した後は、水素ガスの供給を停止すると、30分程度かけて、水素ガス感応性膜2−1−7の色が青色から白色にゆっくり戻った。水素ガスの供給を停止してから1分程度では、水素ガス感応性膜2−1−7の色は青色のままほとんど変化しなかった。従って、水素ガスに晒された情報を長時間保持できた。 As shown in FIG. 15, after the color of the hydrogen gas sensitive film 2-1-7 has changed to deep blue, when the supply of hydrogen gas is stopped, the hydrogen gas sensitive film 2-1 takes about 30 minutes. The color of -7 slowly returned from blue to white. About 1 minute after the supply of hydrogen gas was stopped, the color of the hydrogen gas sensitive film 2-1-7 remained blue and hardly changed. Therefore, the information exposed to hydrogen gas could be retained for a long time.

図16に、実施例1−7の水素ガス感応性膜2−1−7の水素ガスに晒した直後の写真を示す。図16では、図8に示す測定装置5を用いて、水素ガス感応性膜2−1−7の一部を水素ガスに晒した。図16に示すように、基板1−1−7を介して水素ガス感応性膜2−1−7の色の変化を視認できた。 FIG. 16 shows a photograph of the hydrogen gas-sensitive film 2-1-7 of Example 1-7 immediately after being exposed to hydrogen gas. In FIG. 16, a part of the hydrogen gas sensitive film 2-1-7 was exposed to hydrogen gas using the measuring device 5 shown in FIG. As shown in FIG. 16, the change in color of the hydrogen gas-sensitive film 2-1-7 could be visually recognized via the substrate 1-1-7.

〔実施例2〕
実施例2では、窒素ガスを使用せずに大気雰囲気下でコーティング液を作製した以外、実施例1−1とほぼ同じ条件でコーティング液を作製した。但し、55℃での湯浴時間は30分から1時間に延ばした。そのため、コーティング液の作製にかかる時間が長くなった。また、最終的に得られた溶液中に灰色の沈殿が生成したので、灰色の沈殿を除去する作業を追加した。
[Example 2]
In Example 2, the coating liquid was prepared under substantially the same conditions as in Example 1-1, except that the coating liquid was prepared in an air atmosphere without using nitrogen gas. However, the bathing time at 55 ° C. was extended from 30 minutes to 1 hour. Therefore, it takes a long time to prepare the coating liquid. In addition, since a gray precipitate was formed in the finally obtained solution, a work of removing the gray precipitate was added.

実施例2では、作製したコーティング液を、PC基板(基板1−1−1と同じPC基板。以下、基板1−2と記す。)の表面にスピンコート法で塗布し、塗布膜を形成した。PC基板の表面は縦3cm、横3cmの正方形であった。基板の回転数は3000rpmであり、コーティング液の塗布時間は30秒であった。その後、塗布膜を大気中80℃のホットプレート上で5分間乾燥させた。この塗布膜の形成と、塗布膜の乾燥とを計5回繰り返した。塗布膜の色は、不透明な白色であった。その後、乾燥した塗布膜に対して波長254nmの紫外光を10分間照射した。 In Example 2, the prepared coating liquid was applied to the surface of a PC substrate (the same PC substrate as substrate 1-1-1; hereinafter referred to as substrate 1-2) by a spin coating method to form a coating film. .. The surface of the PC substrate was a square with a length of 3 cm and a width of 3 cm. The rotation speed of the substrate was 3000 rpm, and the coating time of the coating liquid was 30 seconds. Then, the coating film was dried on a hot plate at 80 ° C. in the air for 5 minutes. The formation of the coating film and the drying of the coating film were repeated 5 times in total. The color of the coating film was opaque white. Then, the dried coating film was irradiated with ultraviolet light having a wavelength of 254 nm for 10 minutes.

図17に、実施例2の水素ガス感応性膜2−2の水素ガスに晒した直後の写真を示す。図17では、図8に示す測定装置5を用いて、水素ガス感応性膜2−2の一部を水素ガスに晒した。図17に示すように、基板1−2を介して水素ガス感応性膜2−2の色の変化を視認できた。但し、実施例1−1に比べて、成膜後、水素ガスに晒す前の白色の濃さが薄く、水素ガスに晒した直後の青色の濃さも薄かった。 FIG. 17 shows a photograph of the hydrogen gas-sensitive film 2-2 of Example 2 immediately after being exposed to hydrogen gas. In FIG. 17, a part of the hydrogen gas sensitive film 2-2 was exposed to hydrogen gas using the measuring device 5 shown in FIG. As shown in FIG. 17, the change in color of the hydrogen gas-sensitive film 2-2 could be visually recognized via the substrate 1-2. However, as compared with Example 1-1, the darkness of white after film formation and before exposure to hydrogen gas was lighter, and the darkness of blue immediately after exposure to hydrogen gas was also lighter.

〔比較例1〕
比較例1では、塗布膜に対して紫外線を照射しなかった以外、実施例1−1と同じ条件で水素ガス感応性膜の製造を試みたが、得られた膜に水素ガスを噴霧しても膜の色が白色から青色に変化することはなかった。紫外線を照射しなかったので、白金イオンの還元が十分に進まなかったためと考えられる。
[Comparative Example 1]
In Comparative Example 1, a hydrogen gas-sensitive film was attempted under the same conditions as in Example 1-1 except that the coating film was not irradiated with ultraviolet rays, but the obtained film was sprayed with hydrogen gas. The color of the film did not change from white to blue. It is probable that the reduction of platinum ions did not proceed sufficiently because the ultraviolet rays were not irradiated.

〔比較例2〕
比較例2では、コーティング液の作製時にシュウ酸を添加しなかった以外、実施例1−1と同じ条件で水素ガス感応性膜の製造を試みたが、得られた膜に水素ガスを噴霧しても膜の色が白色から青色に変化することはなかった。シュウ酸を添加しなかったので、白金イオンの還元が十分に進まなかったためと考えられる。
[Comparative Example 2]
In Comparative Example 2, a hydrogen gas-sensitive film was attempted under the same conditions as in Example 1-1 except that oxalic acid was not added when the coating liquid was prepared, but hydrogen gas was sprayed onto the obtained film. However, the color of the film did not change from white to blue. It is probable that the reduction of platinum ions did not proceed sufficiently because oxalic acid was not added.

〔比較例3〕
比較例3では、特許文献5の実施例1−1の方法で水素ガス感応性膜2−3を作製した。水素ガス感応性膜2−3は、成膜後、水素ガスに晒す前に無色透明であった。
[Comparative Example 3]
In Comparative Example 3, a hydrogen gas-sensitive film 2-3 was prepared by the method of Example 1-1 of Patent Document 5. The hydrogen gas-sensitive film 2-3 was colorless and transparent after the film was formed and before it was exposed to hydrogen gas.

図18に、比較例3の水素ガス感応性膜2−3のAFM写真を示す。水素ガス感応性膜2−3の表面粗さRaは、3nmであった。この結果から、表面が平滑であるが故に光が散乱せず、無色透明な水素ガス感応性膜となっていることがわかった。 FIG. 18 shows an AFM photograph of the hydrogen gas sensitive film 2-3 of Comparative Example 3. The surface roughness Ra of the hydrogen gas sensitive film 2-3 was 3 nm. From this result, it was found that the surface was smooth, so that light was not scattered and the film was a colorless and transparent hydrogen gas-sensitive film.

図19に、比較例3の水素ガス感応性膜2−3の断面を、STEMにより観察した明視野像を示す。図19において、1−3は基板、2−3は水素ガス感応性膜、122は空隙、103は観察用のカーボン保護膜、104は観察用のタングステン保護膜である。水素ガス感応性膜2−3の空隙率は、約10%であった。 FIG. 19 shows a bright field image of the cross section of the hydrogen gas sensitive film 2-3 of Comparative Example 3 observed by STEM. In FIG. 19, 1-3 is a substrate, 2-3 is a hydrogen gas sensitive film, 122 is a void, 103 is a carbon protective film for observation, and 104 is a tungsten protective film for observation. The porosity of the hydrogen gas sensitive film 2-3 was about 10%.

図7と図19の比較から、本発明の実施例1−1で作製された水素ガス感応性膜2−1−1の断面構造と、特許文献5の実施例1−1の方法で作製された水素ガス感応性膜2−3は明らかに違っていることがわかった。 From the comparison of FIGS. 7 and 19, the cross-sectional structure of the hydrogen gas-sensitive film 2-1-1 produced in Example 1-1 of the present invention and the method of Example 1-1 of Patent Document 5 were produced. It was found that the hydrogen gas-sensitive membranes 2-3 were clearly different.

〔比較例4〕
比較例4では、特許文献5の実施例1−1の方法で水素ガス感応性膜2−4を成膜した。成膜後、水素ガスに晒す前の膜の色は、無色透明であった。この無色透明な膜の表面をヤスリで粗化し、すりガラスのような不透明な白色の膜を得ることを試みたが、ヤスリで膜を擦っても白濁膜にはならなかった。また、この膜に水素ガスを晒しても青色に変化することはなかった。これは、ヤスリで擦ることにより膜が破損してしまったためと推察される。
[Comparative Example 4]
In Comparative Example 4, a hydrogen gas-sensitive film 2-4 was formed by the method of Example 1-1 of Patent Document 5. The color of the film after the film formation and before exposure to hydrogen gas was colorless and transparent. An attempt was made to roughen the surface of this colorless and transparent film with a file to obtain an opaque white film such as frosted glass, but rubbing the film with a file did not result in a cloudy film. Moreover, even if hydrogen gas was exposed to this film, it did not turn blue. It is presumed that this is because the film was damaged by rubbing with a file.

なお、比較例3、4で使用したコーティング液の製造にかかる時間は、本発明の実施例1−1のコーティング液の製造にかかる時間の4倍以上であった。従って、本発明によれば、コーティング液の製造時間の短縮も可能である。 The time required for producing the coating liquid used in Comparative Examples 3 and 4 was four times or more the time required for producing the coating liquid of Example 1-1 of the present invention. Therefore, according to the present invention, it is possible to shorten the production time of the coating liquid.

以上、本発明に係る水素ガス感応性膜、その成膜に用いられるコーティング液、そのコーティング液の製造方法、及び水素ガス感応性膜の製造方法について説明したが、本発明は上記実施形態等に限定されない。特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更、修正、置換、付加、削除、及び組み合わせが可能である。それらについても当然に本発明の技術的範囲に属する。 The hydrogen gas-sensitive film according to the present invention, the coating liquid used for film formation thereof, the method for producing the coating liquid, and the method for producing the hydrogen gas-sensitive film have been described above. Not limited. Within the scope of the claims, various changes, modifications, replacements, additions, deletions, and combinations are possible. Naturally, they also belong to the technical scope of the present invention.

2−1−1 水素ガス感応性膜
21 粒
22 空隙
2-1-1 Hydrogen gas sensitive film 21 grains 22 voids

Claims (15)

タングステンと、酸素と、白金族金属と、を含む粒子を分散して含み、
表面粗さが50nm〜300nmであり、
空隙率が20%〜50%であり、
大気に晒されると白色になり、水素に晒されると青色になる、水素ガス感応性膜。
Particles containing tungsten, oxygen, and a platinum group metal are dispersed and contained.
The surface roughness is 50 nm to 300 nm,
Porosity is 20% to 50%,
A hydrogen gas-sensitive film that turns white when exposed to the atmosphere and blue when exposed to hydrogen.
前記白金族金属は、パラジウム、白金、及びパラジウム白金合金からなる群より選ばれた1種以上である、請求項1に記載の水素ガス感応性膜。 The hydrogen gas-sensitive film according to claim 1, wherein the platinum group metal is at least one selected from the group consisting of palladium, platinum, and a palladium-platinum alloy. 水素ガス感応性膜の成膜に用いられる、コーティング液であって、
タングステンアルコキシドに由来する酸化タングステン前駆体と、
鎖状又は環状のエーテルと、
還元されることによって水素ガス感応性を有する金属触媒となる金属イオンを含む金属触媒前駆体と、
前記酸化タングステン前駆体と前記金属触媒前駆体を溶解する有機溶媒と、
前記金属触媒前駆体に含まれる前記金属イオンを金属に還元し、前記金属触媒を生成するカルボン酸と、を含む、コーティング液。
A coating liquid used for forming a hydrogen gas-sensitive film.
Tungsten oxide precursor derived from tungsten alkoxide,
With chain or cyclic ether,
A metal catalyst precursor containing a metal ion that becomes a metal catalyst having hydrogen gas sensitivity by being reduced,
An organic solvent that dissolves the tungsten oxide precursor and the metal catalyst precursor,
A coating liquid containing a carboxylic acid that reduces the metal ions contained in the metal catalyst precursor to a metal to produce the metal catalyst.
更に、乳化剤を含む、請求項3に記載のコーティング液。 The coating liquid according to claim 3, further comprising an emulsifier. ミセル状である、請求項4に記載のコーティング液。 The coating liquid according to claim 4, which is in the form of micelles. 前記乳化剤が、両親媒性有機溶媒である、請求項4又は5に記載のコーティング液。 The coating liquid according to claim 4 or 5, wherein the emulsifier is an amphipathic organic solvent. 前記両親媒性有機溶媒が、メタノール、エタノール、又はアセトンである、請求項6に記載のコーティング液。 The coating liquid according to claim 6, wherein the amphipathic organic solvent is methanol, ethanol, or acetone. 前記金属触媒前駆体が、白金族金属のイオンを含む、請求項3〜7のいずれか1項に記載のコーティング液。 The coating liquid according to any one of claims 3 to 7, wherein the metal catalyst precursor contains ions of a platinum group metal. 水素ガス感応性膜の成膜に用いられる、コーティング液の製造方法であって、
塩化タングステンと鎖状のエーテルを混合・攪拌して反応させ、酸化タングステン前駆体を含む第1溶液を調製することと、
還元されることによって水素ガス感応性を有する金属触媒となる金属イオンを含む金属化合物を有機溶媒に溶解することにより、金属触媒前駆体を含む第2溶液を調製することと、
前記第1溶液と前記第2溶液とを混合・攪拌し、前記酸化タングステン前駆体と前記金属触媒前駆体とを含む下層と、上層とに分離した第3溶液を調製することと、
前記金属触媒前駆体に含まれる前記金属イオンを金属に還元して前記金属触媒を生成するカルボン酸を、前記第3溶液に対して添加することと、を有する、コーティング液の製造方法。
A method for producing a coating liquid used for forming a hydrogen gas-sensitive film.
Tungsten chloride and chain ether are mixed and stirred to react to prepare a first solution containing a tungsten oxide precursor.
To prepare a second solution containing a metal catalyst precursor by dissolving a metal compound containing a metal ion that becomes a metal catalyst having hydrogen gas sensitivity by being reduced in an organic solvent.
The first solution and the second solution are mixed and stirred to prepare a third solution separated into a lower layer and an upper layer containing the tungsten oxide precursor and the metal catalyst precursor.
A method for producing a coating liquid, which comprises adding a carboxylic acid for producing the metal catalyst by reducing the metal ions contained in the metal catalyst precursor to a metal to the third solution.
更に、前記第3溶液に対して乳化剤を添加することを有する、請求項9に記載のコーティング液の製造方法。 The method for producing a coating liquid according to claim 9, further comprising adding an emulsifier to the third solution. 前記乳化剤の添加によって、前記第3溶液をミセル状にすることを有する、請求項10に記載のコーティング液の製造方法。 The method for producing a coating liquid according to claim 10, wherein the third solution is made into micelles by adding the emulsifier. 前記乳化剤が、両親媒性有機溶媒である、請求項10又は11に記載のコーティング液の製造方法。 The method for producing a coating liquid according to claim 10 or 11, wherein the emulsifier is an amphipathic organic solvent. 前記両親媒性有機溶媒が、メタノール、エタノール、又はアセトンである、請求項12に記載のコーティング液の製造方法。 The method for producing a coating liquid according to claim 12, wherein the amphipathic organic solvent is methanol, ethanol, or acetone. 前記金属化合物が、白金族金属の化合物である、請求項9〜13のいずれか1項に記載のコーティング液の製造方法。 The method for producing a coating liquid according to any one of claims 9 to 13, wherein the metal compound is a compound of a platinum group metal. 請求項3〜8のいずれか1項に記載のコーティング液を基材に塗布し、前記基材の表面に塗布膜を形成することと、
前記塗布膜を大気中、室温以上100℃以下で乾燥することと、
前記塗布膜の乾燥後又は乾燥中に、前記塗布膜に紫外線を照射することによって、前記金属触媒を担持した酸化タングステン膜とすることと、を有する、水素ガス感応性膜の製造方法。
The coating liquid according to any one of claims 3 to 8 is applied to a base material to form a coating film on the surface of the base material.
Drying the coating film in the air at room temperature or higher and 100 ° C. or lower
A method for producing a hydrogen gas-sensitive film, which comprises irradiating the coating film with ultraviolet rays after or during drying of the coating film to form a tungsten oxide film carrying the metal catalyst.
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