JP2848072B2 - 酸素センサー用電極の製造方法 - Google Patents

酸素センサー用電極の製造方法

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    • C23C24/00Coating starting from inorganic powder
    • C23C24/08Coating starting from inorganic powder by application of heat or pressure and heat
    • GPHYSICS
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    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は酸素センサー用電極の製
造方法に係わる。
【0002】
【従来の技術】酸素センサーの電極形成方法として、粒
径が1μm以下の安定化ジルコニア粉末を白金粉末と所
定の堆積比で混合してPt/ZrO2 混合ペーストを
得、これを焼き付けて安定化ジルコニア上に電極を形成
する方法が提案されている(特開昭57−165758
号公報)。この電極は、白金電極と比べて、固体電解質
と同じ成分を含んでいるので固体電解質との密着性が向
上して長期安定性に優れ、かつ多孔性が増して白金の比
表面積および三相界面が増加して酸素センサーの低温動
作を可能にする効果があると期待される。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記方
法は、粉末同士を混合しており、粒子の微細さや分散性
に劣り、達成される電極活性は限られている。また、一
般に、従来のペーストではガラスフリットのような無機
添加物を含有する必要があり、そのため電極の凝集が進
んで劣化し易いという欠点がある。
【0004】そこで、本発明は、このような欠点を解決
して、より低温活性およひ安定性に優れた電極の製造方
法を提供することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、酸素センサーのセンサー部をなす酸化物
半導体又は固体電解質を構成する金属のアルコキシドを
溶剤とジエタノールアミンとの混合液に溶解した溶液を
作成する工程と、該溶液に塩化白金酸を添加して沈澱物
を得る工程と、該沈澱物を仮焼、粉砕して該金属の酸化
物と白金のコンポジット粉末を得る工程と、該コンポジ
ット粉末を用いて前記酸化物半導体又は固体電解質から
なるセンサー部に電極を形成する工程とを含むことを特
徴とする酸素センサー用電極の製造方法を提供する。
【0006】酸素センサーのセンサー部をなす酸化物半
導体又は固体電解質としては、安定化ジルコニア(M2O3)
x (ZrO2)1-x 〔式中、M はY, Ca 等である。〕、酸化チ
タンTiO2、酸化シリコン等がある。このような酸化物半
導体又は固体電解質を構成する金属は、その金属を酸化
すると酸化物半導体又は固体電解質と同じ又は近似する
組成の酸化物となることにより、その酸化物粒子と白金
を含む電極材料は酸化物半導体又は固体電解質との密着
性が向上する。さらに、酸化されて酸化物半導体又は固
体電解質それ自体を生成すると、電極中にも三相界面が
形成されるからより好ましい。例えば、安定化ジルコニ
アではジルコニウムとその安定化元素、酸化チタンでは
チタンの如くである。
【0007】酸化物半導体又は固体電解質を構成する金
属のアルコキシドは、入手し得るアルコキシドであれば
よいが、プロポキシド、イソプロポキシド、エトキシ
ド、ブトキシドなどを挙げることができる。金属アルコ
キシドの溶剤としては周知のものを使用できるが、代表
的には、エタノール、プロパノール、イソプロパノール
などのアルコールを挙げることができる。金属アルコキ
シドの濃度は10wt%以下程度が望ましい。溶液中の金属
イオン濃度を下げて沈殿物の凝集により不均化するのを
防止するためである。
【0008】ジエタノールアミンの作用は明確ではない
が、錯化剤として作用しているものと考えられる。ジエ
タノールアミンの濃度は金属アルコキシドと後で添加す
る塩化白金酸との総和に対して4〜10モル倍程度がよ
い。少なすぎると錯体の生成が不十分となり、溶液中の
ジエタノールアミンが多すぎると沈殿すべき錯体が溶液
中に溶解するからである。
【0009】好ましい混合溶液の例はエタノールとジエ
タノールアミンの混合液である。混合比としてはモル比
で3:1〜5:1程度がよい。金属アルコキシドを溶剤
とジエタノールアミンとの混合溶液に溶解させるために
加熱することが好ましい。溶液の均一性及び錯体形成の
促進を考えると加熱することが好ましいが、加熱は必須
要件ではない。
【0010】この混合溶液に、次いで塩化白金酸を添加
するが、塩化白金酸もエタノールの如き溶剤に混合した
溶液を添加することが均一化のため操作上簡便である。
この塩化白金酸溶液の濃度はモル比で10〜30倍程度に希
釈することが好ましい。金属アルコキシドと塩化白金酸
との混合比は、一般に、白金と金属酸化物との体積比で
白金が50%以上、好ましくは80〜50%となる範囲とす
る。電極として機能するためには導電性が必要であり、
そのために白金は50%以上の体積を占めるべきである
が、80%以上となると仮焼時に白金の粒成長が発生して
好ましくない。
【0011】金属アルコキシドの溶液に塩化白金酸を添
加すると、沈澱物が生ずる。この沈澱物は、本質的に
は、金属アルコキシドを構成する金属の酸化物と白金と
のミクロな複合粒子であると考えられる。この沈澱物を
例えばデカンテーション、濾過により回収する。回収し
た沈澱物を、次いで、仮焼して溶剤等を除去すると共に
緻密化させる。仮焼は一般的に 600〜800 ℃の温度で行
う。 600℃より低いと炭素成分が残留し、 800℃より高
いと白金粒子の焼結が進行する。仮焼雰囲気は酸素雰囲
気(通常、大気中)でよい。
【0012】仮焼後、粉砕する。これにより例えば0.05
〜6.0 μmの粒子径を持つコンポジット粉末が得られ
る。こうして得られたコンポジット粉末は、適当な糊剤
(例、エチルセルロース)と混合して酸化物半導体又は
固体電解質からなるセンサー部に塗布し、焼き付けるこ
とにより電極を形成する。このコンポジット粉末は、酸
化物半導体又は固体電解質と同質であり、かつ微細であ
ることにより、ガラスフリットの如き無機化合物なしで
焼き付けることができる。糊剤も必ずしも樹脂を用いる
必要はなく、粘稠な液体でよい。焼付温度は一般に 800
〜1200℃程度である。
【0013】
【作用】共沈法を利用して、酸化物半導体又は固体電解
質を構成する金属の酸化物と白金との複合物を生成する
ので、ミクロでかつ均一に分散した多孔質の金属酸化物
(酸化物半導体又は固体電解質と同じ又は類似の組成)
と白金との複合物粉末が得られるため、これで形成した
電極は、高活性である。
【0014】
【実施例】実施例1 エタノールとジエタノールアミンを50:1(体積比)で
混合し、この混合溶液にジルコニウムテトラプロポキシ
ドZr(O-C3H7)4 を0.103g (3×10-4モル) 、イットリウ
ムトリイソプロポキシド Y(O-iC3H7)3を0.01g (2.6×10
-5モル) 添加し、40℃に加熱して溶液化した。
【0015】このチタンテトライソプロポキシド溶液
に、先に塩化白金酸H2PtCl6・6H2Oの1g (0.002モル)
をエタノール10mlに溶解しておいた溶液を滴下した。こ
の滴下により、溶液中に生成した沈澱物を12〜24時間か
けてデカンテーションで分離回収した。回収した沈澱物
を大気中 600℃で仮焼し、得られた仮焼物を乳鉢で粉砕
した。
【0016】こうして得られた粉末は0.09μm〜5.87μ
mの粒度分布、平均粒径 0.993μmであった。得られた
粉末を有機バインダー等に混合し、安定化ジルコニアか
らなる固体電解質上に塗布し、乾燥後、1000℃で焼き付
けて電極を形成した。この酸素センサーに電圧を印加し
て、陰極と固体電解質との間の過電圧を測定した。こう
して得た電流密度と過電圧との関係を図1に示す。
【0017】比較のために、上記と同じ安定化ジルコニ
ア固体電解質上に白金をスパッタした従来型の酸素セン
サーを作成し、その特性を測定した。結果を併せて図1
に示す。図1に見られるように、白金スパッタ電極に比
べ非常に過電圧が低い。このことからも電極/電解質間
の密着性が良く、反応活性点が多く存在していることが
わかる。
【0018】実施例2 エタノールとジエタノールアミンを50:1(体積比)で
混合し、この混合溶液にチタンテトライソプロポキシド
Ti(O-iC3H7)4を0.076g(2.7×10-4モル) 添加し、40℃に
加熱して溶液化した。このチタンテトライソプロポキシ
ド溶液に、先に塩化白金酸H2PtCl6・6H2Oの1g(2×10
-3モル) をエタノール10mlに溶解しておいた溶液を滴下
した。この滴下により、溶液中に生成した沈澱物を12〜
24時間かけてデカンテーションで分離回収した。
【0019】回収した沈澱物を大気中 600℃で仮焼し、
得られた仮焼物を乳鉢で粉砕した。得られた粉末を実施
例1と同様に安定化ジルコニアからなる固体電解質上に
塗布し、焼き付けて電極を形成したところ、実施例1と
同様の結果が示された。
【0020】
【発明の効果】本発明によれば、酸化物半導体又は固体
電解質と同質の成分を含む電極が形成されるため、セン
サー部をなす酸化物半導体又は固体電解質との密着性が
向上して長期安定性に優れ、かつ酸化物半導体又は固体
電解質と同質成分と白金と気孔がミクロにかつ均一に分
散した電極が得られるため、白金電極の比表面積が大き
く増大し、酸化物半導体又は固体電解質と同一成分の場
合さらに三相界面が大きく増大して、電極の活性が向上
する効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例と比較例の酸素センサーの特性を陰極過
電圧で比較する図面である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−66859(JP,A) 特開 昭52−102794(JP,A) 特開 昭53−95232(JP,A) 特開 昭54−154391(JP,A) 特開 平3−115966(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G01N 27/409 G01N 27/12

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 酸素センサーのセンサー部をなす酸化物
    半導体又は固体電解質を構成する金属のアルコキシドを
    溶剤とジエタノールアミンとの混合液に溶解した溶液を
    作成する工程と、該溶液に塩化白金酸を添加して沈澱物
    を得る工程と、該沈澱物を仮焼、粉砕して該金属の酸化
    物と白金のコンポジット粉末を得る工程と、該コンポジ
    ット粉末を用いて前記酸化物半導体又は固体電解質から
    なるセンサー部に電極を形成する工程とを含むことを特
    徴とする酸素センサー用電極の製造方法。
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