JP4522761B2 - Method for producing inorganic porous body - Google Patents
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Description
本発明は、無機多孔質体及びその製造方法に関する。詳しくは、被処理流体、例えば、ガスや液体を効率よく透過可能な無機多孔質体及びその製造方法に関する。 The present invention relates to an inorganic porous body and a method for producing the same. Specifically, the present invention relates to an inorganic porous body that can efficiently pass a fluid to be treated, for example, gas or liquid, and a method for manufacturing the same.
多孔質体は、その孔径を制御することによって、ガスや液体を分離、精製、又は吸着することが可能である。また、その表面積が大きいため、触媒の担体としても有用である。このため、幅広い分野において利用されている。特に、無機質材料から構成される無機多孔質体は、耐熱性、耐薬品性等の点において優れているため、高温におけるガス分離や各種有機溶剤混合物の分離等への応用が図られている。例えば、無機多孔質体を利用するガス分離装置は、相変化を伴わず、装置や操作の簡略化が期待でき、また連続運転が可能である等の利点を有し、省エネルギー型装置として期待されている。
このような無機多孔質体としては、例えば、比較的孔径の大きな高強度の支持体表面上に、所望の大きさの孔径を有する無機多孔質膜を形成して構成されているものがある。無機多孔質膜の孔径を制御することによって、処理される流体、即ち、ガスや液体の分子、粒子の大きさ、性質の違い等を利用して、分離や吸着等を選択的に行うことができる。このような無機多孔質膜の製法としては、ゾル・ゲル法(非特許文献1参照)、CVD法、水熱合成法、電極酸化法などが提案されている。
一方、特許文献1には、多孔質のセラミック支持基板表面に、パルスレーザアブレーション堆積法(PLD)により緻密な酸化物薄膜から成るイオン導電性膜を形成する方法が開示されている。
The porous body can separate, purify, or adsorb gas and liquid by controlling the pore diameter. Moreover, since the surface area is large, it is also useful as a catalyst support. For this reason, it is used in a wide range of fields. In particular, an inorganic porous body composed of an inorganic material is excellent in terms of heat resistance, chemical resistance, and the like, and thus is applied to gas separation at high temperatures and separation of various organic solvent mixtures. For example, a gas separation device that uses an inorganic porous material is expected to be an energy-saving device that does not involve phase change, can be expected to simplify the device and operation, and can be continuously operated. ing.
As such an inorganic porous material, for example, there is a material in which an inorganic porous film having a pore size of a desired size is formed on the surface of a high strength support having a relatively large pore size. By controlling the pore size of the inorganic porous membrane, separation, adsorption, etc. can be performed selectively using the fluid to be treated, that is, the difference in the size and properties of the gas and liquid molecules, particles, etc. it can. As a method for producing such an inorganic porous film, a sol-gel method (see Non-Patent Document 1), a CVD method, a hydrothermal synthesis method, an electrode oxidation method, and the like have been proposed.
On the other hand, Patent Document 1 discloses a method of forming an ion conductive film made of a dense oxide thin film on the surface of a porous ceramic support substrate by a pulse laser ablation deposition method (PLD).
しかしながら、前記特許文献1に記載の薄膜は、緻密な膜であって、孔を有していない。このため、イオン導電性には優れるものの、被処理流体、例えば、ガスや液体に含まれる分子、粒子等を物理的に透過させることはできない。また、非特許文献1に記載されているような従来法で作製された多孔質膜では、細孔の物理的制御がかんばしくなく、効率的な(例えば、透過速度の高い)被処理流体の分離、精製、又は吸着処理を行うことが困難であった。このような現状から、被処理流体に含まれる分子、粒子等を透過可能な孔を有する無機多孔質体であって、処理効率を向上された(例えば、その透過速度をより高めた)多孔質膜を備えた無機多孔質体が望まれている。
そこで本発明は、かかる従来の課題を解決すべく開発されたものであり、処理される流体に含まれる分子や粒子等が効率よく透過可能な無機多孔質膜を有する無機多孔質体、及びそのような多孔質体を製造する方法、即ち、そのような膜を備えた多孔質体の製造方法を提供することを目的とする。
However, the thin film described in Patent Document 1 is a dense film and does not have pores. For this reason, although it is excellent in ionic conductivity, it cannot physically permeate the fluid to be treated, for example, molecules or particles contained in gas or liquid. Moreover, in the porous membrane produced by the conventional method as described in Non-Patent Document 1, the physical control of the pores is not significant and the separation of the fluid to be treated (for example, having a high permeation rate) is efficient. , Purification, or adsorption treatment was difficult. From such a current situation, an inorganic porous body having pores that can permeate molecules, particles, and the like contained in a fluid to be treated, and has improved processing efficiency (for example, a higher permeation rate) An inorganic porous body provided with a membrane is desired.
Therefore, the present invention has been developed to solve such conventional problems, and an inorganic porous body having an inorganic porous film through which molecules and particles contained in a fluid to be treated can efficiently permeate, and its An object of the present invention is to provide a method for producing such a porous body, that is, a method for producing a porous body provided with such a membrane.
ここで開示される無機多孔質体は、多孔質基材と、該多孔質基材の表面に形成された無機多孔質膜とを有する。そして、その膜に形成された複数の孔が略膜厚方向に配向していることを特徴とする。 The inorganic porous body disclosed here has a porous substrate and an inorganic porous film formed on the surface of the porous substrate. Then, a plurality of holes formed in the film is characterized in that are oriented in the thickness way direction Ryakumaku.
この無機多孔質体では、無機多孔質膜の孔が、上記所定の方向に配向して形成されている。このため、被処理流体、例えば、ガス又は液体の分子、粒子等の流通性が向上し、透過しやすくなる。従って、処理される流体に含まれる分子や粒子等の透過速度が向上し、効率よく分離処理等を行うことができる。 In this inorganic porous body, the pores of the inorganic porous film are formed so as to be oriented in the predetermined direction. For this reason, the fluidity of the fluid to be treated, for example, gas or liquid molecules, particles, and the like is improved, and the fluid is easily transmitted. Accordingly, the permeation speed of molecules and particles contained in the fluid to be processed is improved, and separation processing and the like can be performed efficiently.
この無機多孔質体において、好ましくは、前記多孔質膜に形成されている孔の平均孔径は、5〜200nmの範囲内にある。平均孔径がこの範囲にあることにより、特に被処理流体を効率的に処理することができる。例えば、被処理流体中に含まれる比較的大きな分子、例えば、高分子、ウイルス、コロイドから微粒子までをその孔径によって選択的に処理、例えば、分離、精製、又は吸着することができる。また、触媒の担体として用いて、触媒を高い表面積に担持しつつ被処理流体を高い透過速度で透過させ、触媒反応処理を効率的に行うことができる。 In this inorganic porous body, the average pore diameter of the pores formed in the porous membrane is preferably in the range of 5 to 200 nm. When the average pore diameter is in this range, the fluid to be treated can be treated particularly efficiently. For example, relatively large molecules contained in the fluid to be treated, such as macromolecules, viruses, colloids to fine particles, can be selectively treated, for example, separated, purified, or adsorbed, depending on their pore sizes. Moreover, it can be used as a catalyst carrier, and allows the fluid to be treated to permeate at a high permeation rate while carrying the catalyst on a high surface area, thereby efficiently performing the catalytic reaction treatment.
このような無機多孔質体において、好ましい他のものは、前記多孔質基材及び多孔質膜がそれぞれ同一か又は異なるセラミックから構成されるものである。多孔質基材及び無機多孔質膜が、セラミックから構成されることにより、特に高温及び薬品における安定性に優れる。このため、高温における流体の処理用途に安定して用いることができる。
特に、前記膜は安定化ジルコニアを主体に構成されていることが好ましい。安定化ジルコニアは、機械強度が高く、また破壊靭性が大きい。このため、特に安定性に優れるとともに、耐久性が高い。
In such an inorganic porous body, another preferable one is one in which the porous substrate and the porous membrane are made of the same or different ceramics. Since the porous substrate and the inorganic porous membrane are made of ceramic, they are particularly excellent in stability at high temperatures and chemicals. For this reason, it can be stably used for processing fluid at high temperatures.
In particular, the film is preferably composed mainly of stabilized zirconia. Stabilized zirconia has high mechanical strength and high fracture toughness. For this reason, it is excellent in stability and has high durability.
また、本発明は、ここで開示される多孔質体を好適に製造する方法を提供する。即ち、ここで開示される無機多孔質体の製造方法の一態様は、多孔質基材表面に略膜厚方向に配向した複数の孔を有する平均孔径が5〜200nmの範囲内にある無機多孔質膜を備えた無機多孔質体を製造する方法である。そして、該方法は、安定化ジルコニアから構成されるターゲット及びセラミックから構成される多孔質基材を用意する工程と、減圧可能な堆積室内に前記ターゲット及び多孔質基材を配置し、該堆積室内を1〜200Paに減圧した酸化性ガス雰囲気とし、前記酸化性ガス雰囲気中において且つ30〜800℃の温度範囲内で設定された略一定の温度条件下において、周波数が概ね5〜500Hzの範囲内にあるパルスレーザを該ターゲットに照射して、該ターゲットから蒸気(気相中に浮遊するものをいう。以下同じ。)を発生させ、前記多孔質基材の表面上に該蒸気を堆積させて前記多孔質膜を形成する工程と、を含む。 Moreover, this invention provides the method of manufacturing suitably the porous body disclosed here. That is, one embodiment of the method for producing an inorganic porous body disclosed herein is an inorganic porous body having a plurality of pores oriented in the film thickness direction on the surface of the porous substrate and having an average pore diameter in the range of 5 to 200 nm. This is a method for producing an inorganic porous body provided with a porous membrane. The method includes the steps of preparing a target composed of stabilized zirconia and a porous substrate composed of ceramic, and arranging the target and the porous substrate in a deposition chamber that can be depressurized, In an oxidizing gas atmosphere whose pressure is reduced to 1 to 200 Pa , and the frequency is approximately within a range of 5 to 500 Hz under a substantially constant temperature condition set in the oxidizing gas atmosphere and within a temperature range of 30 to 800 ° C. is irradiated with pulsed laser in the target, the vapor from the target thereby (referred to those suspended in the gas phase. hereinafter the same.) generating, by depositing the vapor on a surface of the porous substrate Forming the porous film.
パルスレーザアブレーション(PLD) 法では、ターゲットにパルスレーザを照射することにより、順次ターゲット材料からそれぞれ蒸気{典型的にはパルスレーザ照射によりターゲットから発生した分子、原子、イオン、ナノ又はミクロンサイズの微小粒子(クラスター)等をいう。}を発生させ、基材の表面に材料からなる蒸気を堆積させることができる。従来から、このPLD法は、ターゲット材料が蒸気となって基材表面に堆積することから、緻密な膜を形成する用途に用いられてきた。 In the pulsed laser ablation (PLD) method, a target is irradiated with a pulsed laser to sequentially vaporize each target material (typically molecules, atoms, ions, nano- or micron-sized particles generated from the target by pulsed laser irradiation). It refers to particles (clusters). } And vapor made of material can be deposited on the surface of the substrate. Conventionally, this PLD method has been used for forming a dense film because the target material is vaporized and deposited on the surface of the substrate.
ところが、本発明者は、このPLD法について鋭意研究し、多孔質基材表面に無機多孔質膜を形成すべく、その条件について熟慮検討した。この結果、本発明者は、蒸気を発生させる際の条件を所定条件に制御することにより、ここで開示される方法を創出し、略膜厚方向に配向した複数の孔が形成された無機多孔質膜を多孔質基材表面に形成することに成功した。 However, the present inventors diligently studied this PLD method and considered the conditions in order to form an inorganic porous film on the surface of the porous substrate. As a result, the present inventor created the method disclosed herein by controlling the conditions for generating steam to predetermined conditions, and formed an inorganic porous material in which a plurality of pores oriented substantially in the film thickness direction were formed. We succeeded in forming a porous membrane on the surface of a porous substrate.
この製造方法において、30〜800℃の温度範囲内で設定された略一定の温度条件下において前記パルスレーザを前記ターゲットに照射する。30〜800℃の温度範囲内において略一定の温度条件下において前記パルスレーザの照射を行うことによって、無機多孔質膜の孔径を所定の大きさに制御することができる。従って、略均一な孔径の無機多孔質膜を得ることができる。 In this manufacturing method, the target is irradiated with the pulse laser under a substantially constant temperature condition set within a temperature range of 30 to 800 ° C. By performing irradiation with the pulse laser under a substantially constant temperature condition within a temperature range of 30 to 800 ° C., the pore diameter of the inorganic porous film can be controlled to a predetermined size. Therefore, an inorganic porous membrane having a substantially uniform pore diameter can be obtained.
また、前記多孔質膜形成工程を行う雰囲気は、酸化性ガス雰囲気であることが好ましい。特にターゲットの無機質材料から形成される無機多孔質膜が酸化物である場合には、酸化性ガス雰囲気中において堆積を行うことにより、効率よく無機酸化物多孔質膜を形成することができる。 Moreover, it is preferable that the atmosphere which performs the said porous film formation process is oxidizing gas atmosphere. In particular, when the inorganic porous film formed from the target inorganic material is an oxide , the inorganic oxide porous film can be efficiently formed by performing deposition in an oxidizing gas atmosphere.
また、好ましくは、前記パルスレーザの照射回数は、概ね200000回以下である。パルスレーザの照射回数が200000回以下である場合に、無機多孔質膜の孔の配向性を特に安定して形成することができる。 Preferably, the number of times of irradiation with the pulse laser is approximately 200,000 times or less. When the number of pulse laser irradiations is 200,000 or less, the orientation of the pores of the inorganic porous film can be formed particularly stably.
この製造方法において、前記パルスレーザのエネルギーは、概ね100〜1200mJ/パルスの範囲内にあることが好ましい。パルスレーザのエネルギーがこの範囲内であれば、好適に前記のような孔の配向性に優れる無機多孔質膜を多孔質基材表面に形成することができる。 In this manufacturing method, the energy of the pulse laser is preferably in the range of about 100 to 1200 mJ / pulse. If the energy of the pulse laser is within this range, an inorganic porous film having excellent pore orientation as described above can be suitably formed on the porous substrate surface.
セラミックから構成される多孔質基材を使用する。基材がセラミックであると、高温及び酸化等の過酷な条件下でもその性状が変わり難い。このため、前記のように無機多孔質膜を多孔質基材表面に安定して形成することができる。 Using the constructed porous substrate from ceramic. If the substrate is ceramic, its properties are unlikely to change even under severe conditions such as high temperatures and oxidation. For this reason, as described above, the inorganic porous film can be stably formed on the surface of the porous substrate.
安定化ジルコニアでターゲットが構成されている場合に、配向性に優れた孔を有する多孔質セラミック膜を容易に、かつ安定して形成することができる。 If the target stabilization zirconia is configured, the porous ceramic film having excellent hole alignment property can be easily and stably formed.
以下、本発明の好適な実施形態を説明する。なお、本明細書において特に言及している事項(例えば、パルスレーザアブレーション(PLD)法におけるパルスレーザの周波数、雰囲気圧、温度、照射回数、ターゲットの構成材料、及び無機多孔質膜の構成等)以外の事柄であって本発明の実施に必要な事柄(例えば、パルスレーザの種類、照射時間、多孔質基材の構成、及び無機多孔質膜の厚さ等)は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described. Note that matters specifically mentioned in the present specification (for example, pulse laser frequency, atmospheric pressure, temperature, number of irradiations, target constituent material, and inorganic porous film configuration in the pulse laser ablation (PLD) method). Matters other than those necessary for the implementation of the present invention (for example, the type of pulsed laser, irradiation time, the structure of the porous substrate, the thickness of the inorganic porous film, etc.) are the conventional techniques in this field. It can be grasped as a design matter of a person skilled in the art based on this. The present invention can be carried out based on the contents disclosed in this specification and common technical knowledge in the field.
本発明に係る製造方法では、所定の雰囲気圧下において所定の周波数のパルスレーザをターゲットに照射して、該ターゲットを構成する無機質材料から蒸気を発生させて多孔質基材表面に無機多孔質膜を形成することができればよく、種々の材料及び構成をその目的のために適用することができる。 In the manufacturing method according to the present invention, a target is irradiated with a pulse laser having a predetermined frequency under a predetermined atmospheric pressure, and vapor is generated from the inorganic material constituting the target to form an inorganic porous film on the surface of the porous substrate. As long as it can be formed, various materials and configurations can be applied for that purpose.
ターゲットを構成する無機質材料としては、安定化ジルコニア、特にイットリア(例えば8モル%)含有安定化ジルコニアが挙げられる。 The inorganic material constituting the data Getto, stabilize zirconia, and particularly yttria (e.g. 8 mole%) containing stabilized zirconia A.
尚、ターゲットの大きさは、特に制限されないが、一般的なPLD装置に好適に使用されるためには、直径が1〜50mm程度、特に30〜45mmで、厚さが0.5〜10mm、特に2〜5mm程度であることが好ましい。 In addition, although the size of the target is not particularly limited, in order to be suitably used for a general PLD apparatus, the diameter is about 1 to 50 mm, particularly 30 to 45 mm, and the thickness is 0.5 to 10 mm. In particular, it is preferably about 2 to 5 mm.
また、ターゲットの表面粗さ(Ra値)は、好ましくは1×102μm以下であり、本発明の方法では、1×10−3〜1×102μm程度、より好ましくは1×10−2〜5×10μm程度、特に1×10−1〜1×10μm程度のRaのターゲットを好適に使用することができる。また、表面粗さの最大値(Rmax値)は、好ましくは1×10−1〜1×102μm、より好ましくは1×10−1〜3×10μm、特に1×10−1〜1×10μmである。この範囲の表面粗さを有するものであっても、均一な孔径の無機多孔質膜を形成することができる。 Further, the surface roughness (Ra value) of the target is preferably 1 × 10 2 μm or less, and in the method of the present invention, it is about 1 × 10 −3 to 1 × 10 2 μm, more preferably 1 × 10 −. A Ra target of about 2 to 5 × 10 μm, particularly about 1 × 10 −1 to 1 × 10 μm can be preferably used. Moreover, the maximum value (Rmax value) of the surface roughness is preferably 1 × 10 −1 to 1 × 10 2 μm, more preferably 1 × 10 −1 to 3 × 10 μm, particularly 1 × 10 −1 to 1 ×. 10 μm. Even with a surface roughness in this range, an inorganic porous film having a uniform pore diameter can be formed.
本製造方法において用いられる多孔質基材としては、例えば、アルミナ(例えば、α−アルミナ又はγ−アルミナ)、ジルコニア{好ましくは安定化ジルコニア、特にイットリア(例えば3〜8モル%)含有安定化ジルコニア}、シリカ、チタニア、マグネシア等の無機酸化物が挙げられる。或いは、ムライト、ゼオライト等の複合酸化物が挙げられる。或いは、Si3N4、SiC、ZrC、HfC等の非酸化物が挙げられる。また、ガラス質の材料も用いることができる。さらに、これらのうちのいずれか二種以上の混合物であってもよい。好ましいセラミック材料としては、アルミナ、ジルコニア、シリカ及び/又はチタニアが挙げられる。特に、アルミナ及び/又はジルコニアが好ましい。このうち、安定化ジルコニアが特に好ましい。 The porous substrate used in the present production method, if example embodiment, alumina (e.g., alpha-alumina or γ- alumina), zirconia {preferably stabilized zirconia, in particular yttria (e.g. 3-8 mol%) containing stabilized Zirconia}, silica, titania, magnesia and other inorganic oxides. Alternatively, composite oxides such as mullite and zeolite can be used . Some have the, Si 3 N 4, SiC, ZrC, include non-oxides such as HfC. A glassy material can also be used. Furthermore, the mixture of any 2 or more types of these may be sufficient . The good preferable ceramic material, alumina, zirconia, silica and / or titania. Particularly preferred is alumina and / or zirconia. Of these, stabilized zirconia is particularly preferred.
多孔質基材と多孔質膜を形成する材料(ターゲット)とは、同じ材料で構成されたものであっても異なった材料で構成されたものであってもよいが、特に、多孔質基材と多孔質膜が同じか、又は類似の材料であることが好ましい。この場合には、多孔質基材と多孔質膜との密着性に優れる多孔質体を製造することができる。 The material (target) for forming the porous substrate and the porous film may be composed of the same material or different materials, and in particular, the porous substrate. And the porous membrane are preferably the same or similar materials. In this case, a porous body excellent in adhesion between the porous base material and the porous membrane can be produced.
使用する多孔質基材の平均孔径は、得られた無機多孔質体の用途に応じて異なるため特に限定されないが、好ましくは1〜1×104nm、より好ましくは1〜5000nm、さらに好ましくは2〜2000nmである。このような平均孔径の大きい基材であっても、本製造方法によれば、無機多孔質膜をその表面に均一に形成することができる。 The average pore size of the porous base material to be used is not particularly limited because it varies depending on the use of the obtained inorganic porous material, but is preferably 1 to 1 × 10 4 nm, more preferably 1 to 5000 nm, and still more preferably. 2 to 2000 nm. Even with such a base material having a large average pore diameter, according to the present production method, the inorganic porous film can be uniformly formed on the surface thereof.
多孔質基材の表面粗さ(Ra値)は、好ましくは1×102μm以下であり、本発明の方法では、1×10−3〜1×102μm程度、より好ましくは1×10−3〜5×10μm程度、特に1×10−3〜1×10μm程度のRaの基材を好適に使用することができる。また、表面粗さの最大値(Rmax値)は、好ましくは1×10−1〜1×102μm、より好ましくは1×10−1〜3×10μm、特に1×10−1〜1×10μmである。この範囲の表面粗さを有するものであっても、均一な厚さの無機多孔質膜をその表面上に形成することができる。 The surface roughness (Ra value) of the porous substrate is preferably 1 × 10 2 μm or less, and in the method of the present invention, about 1 × 10 −3 to 1 × 10 2 μm, more preferably 1 × 10. A substrate of Ra of about −3 to 5 × 10 μm, particularly about 1 × 10 −3 to 1 × 10 μm can be preferably used. Moreover, the maximum value (Rmax value) of the surface roughness is preferably 1 × 10 −1 to 1 × 10 2 μm, more preferably 1 × 10 −1 to 3 × 10 μm, particularly 1 × 10 −1 to 1 ×. 10 μm. Even with a surface roughness in this range, an inorganic porous film having a uniform thickness can be formed on the surface.
上記のような多孔質基材は、そのまま用いてもよく、或いは孔径の大きいものを用いる場合には、予め当該多孔質基材表面に中間層を形成することが好ましい。この場合、好ましい中間層の孔径(平均孔径)は、2〜500nm程度が好ましい。中間層の形成方法は特に限定されず、例えば、従来公知のディップコーティング法が好ましく採用される。中間層の材質は特に限定されないが、熱膨張係数を合わせるという観点から、選択を行うことが好ましい。例えば、多孔質基材と多孔質膜との材質が異なる場合、多孔質基材の熱膨張係数と多孔質膜の熱膨張係数との中間の熱膨張係数を有する材質の中間層を形成することが好ましい。中間層を形成する場合、その厚さは、特に限定されないが、好ましくは10μm以下(例えば、10nm〜10μm、さらに50nm〜5μm、特に100nm〜3μm)である。 The porous substrate as described above may be used as it is, or when a material having a large pore diameter is used, it is preferable to form an intermediate layer on the surface of the porous substrate in advance. In this case, the preferred intermediate layer preferably has a pore size (average pore size) of about 2 to 500 nm. The method for forming the intermediate layer is not particularly limited, and for example, a conventionally known dip coating method is preferably employed. The material of the intermediate layer is not particularly limited, but is preferably selected from the viewpoint of matching the thermal expansion coefficient. For example, when the material of the porous substrate and the porous membrane are different, an intermediate layer of a material having a thermal expansion coefficient intermediate between the thermal expansion coefficient of the porous substrate and the thermal expansion coefficient of the porous membrane is formed. Is preferred. When forming an intermediate | middle layer, the thickness is although it does not specifically limit, Preferably it is 10 micrometers or less (for example, 10 nm-10 micrometers, Furthermore, 50 nm-5 micrometers, especially 100 nm-3 micrometers).
本製造方法で使用可能なパルスレーザとしては、ターゲットに照射してターゲットから無機質材料の蒸気(典型的にはターゲット材料の微小クラスター)を発生可能なパワーを有するレーザであって、前記所定範囲の周波数を有するものであれば、特に制限なくその用途に応じて適宜選択して使用することができる。例えば、ナノ秒パルスレーザが挙げられる。このうち、エキシマレーザ、YAGレーザ及びルビー(Ruby)レーザが好ましく、より好ましくはエキシマレーザ又はYAGレーザである。特に、エキシマレーザのうち、KrFレーザ、ArFレーザ、XeClレーザが好ましく、例えば248nmの波長で30nsパルス幅のKrFレーザが好適である。 The pulse laser that can be used in the present manufacturing method is a laser having a power capable of generating a vapor of an inorganic material (typically, a minute cluster of the target material) from the target by irradiating the target, If it has a frequency, it can select suitably according to the use without a restriction | limiting especially, and can use it. An example is a nanosecond pulse laser. Among these, an excimer laser, a YAG laser, and a ruby laser are preferable, and an excimer laser or a YAG laser is more preferable. In particular, among excimer lasers, KrF laser, ArF laser, and XeCl laser are preferable, and for example, a KrF laser with a wavelength of 248 nm and a pulse width of 30 ns is preferable.
パルスレーザの周波数は、概ね5Hzよりも高いことが望ましく、前記所定の範囲、即ち、約5〜約500Hzの範囲内であることが好ましい。より好ましくは10〜100Hz、さらに好ましくは10〜80Hz、さらにより好ましくは10〜50Hz、特に好ましくは20〜40Hzである。5Hz未満の周波数では、無機多孔質膜の配向性が低下する傾向にある。
パルスエネルギーは、特に限定されないが、一般的なレーザパルスアブレーション堆積法(PLD)において用いられている範囲であることが好適である。例えば、100〜1200mJ/パルス、好ましくは100〜650mJ/パルス、より好ましくは200〜500mJ/パルス、特に好ましくは300〜450mJ/パルスである。しかしながら、より高いエネルギーを使用可能な装置であれば、さらに高いエネルギーを用いることができる。
The frequency of the pulsed laser is desirably higher than approximately 5 Hz, and preferably within the predetermined range, i.e., about 5 to about 500 Hz. More preferably, it is 10-100 Hz, More preferably, it is 10-80 Hz, Still more preferably, it is 10-50 Hz, Most preferably, it is 20-40 Hz. When the frequency is less than 5 Hz, the orientation of the inorganic porous film tends to decrease.
The pulse energy is not particularly limited, but is preferably in the range used in general laser pulse ablation deposition (PLD). For example, it is 100 to 1200 mJ / pulse, preferably 100 to 650 mJ / pulse, more preferably 200 to 500 mJ / pulse, and particularly preferably 300 to 450 mJ / pulse. However, higher energy can be used if the device can use higher energy.
パルスレーザの照射回数(即ち、ショット数)は、特に限定されない。得られる無機多孔質膜の厚さや孔径等に応じて適宜選択することができる。例えば、200000回以下であることが好ましい。より好ましくは、500〜200000回、さらに好ましくは500〜50000回、さらにより好ましくは1000〜50000回、特に好ましくは3000〜40000回、最も好ましくは5000〜30000回である。この照射回数である場合に、孔の配向性に特に優れた無機多孔質膜を安定して形成することができる。 The number of pulse laser irradiations (that is, the number of shots) is not particularly limited. It can select suitably according to the thickness, the hole diameter, etc. of the inorganic porous membrane obtained. For example, it is preferably 200000 times or less. More preferably, it is 500 to 200000 times, more preferably 500 to 50000 times, still more preferably 1000 to 50000 times, particularly preferably 3000 to 40000 times, and most preferably 5000 to 30000 times. In the case of the number of irradiation times, an inorganic porous film particularly excellent in pore orientation can be stably formed.
照射雰囲気圧は、約1〜約200Pa(例えば、0.01〜2Torr)内であることが好ましく、より好ましくは1〜100Pa(例えば、0.01〜1Torr)、さらに好ましくは5〜80Pa、さらにより好ましくは10〜60Pa、特に好ましくは15〜50Pa、最も好ましくは20〜40Pa(例えば、0.15〜0.3Torr)である。
このときの照射雰囲気ガスは、例えば、酸素ガスや大気等の酸化性ガス、特に酸素ガスを含むことが好ましい。
The irradiation atmospheric pressure is preferably within the range of about 1 to about 200 Pa (for example, 0.01 to 2 Torr), more preferably 1 to 100 Pa (for example, 0.01 to 1 Torr), still more preferably 5 to 80 Pa, and further More preferably, it is 10-60 Pa, Most preferably, it is 15-50 Pa, Most preferably, it is 20-40 Pa (for example, 0.15-0.3 Torr).
Irradiation atmosphere gas at this time, if example embodiment, the oxidizing gas such as oxygen gas or air, and particularly preferably an oxygen-containing gas.
照射時間は、所望の無機多孔質膜の厚さやその孔径、又はパルスレーザの照射回数や周波数等によって適宜選択することができる。例えば、1〜30000秒、好ましくは10〜10000秒、より好ましくは50〜5000秒、特に100〜3000秒である。このような範囲の照射時間であることにより、特に配向性の高い孔を有する無機多孔質膜を得ることができる。 The irradiation time can be appropriately selected depending on the thickness of the desired inorganic porous film, its pore diameter, the number of pulse laser irradiations, the frequency, and the like. For example, it is 1 to 30000 seconds, preferably 10 to 10000 seconds, more preferably 50 to 5000 seconds, and particularly 100 to 3000 seconds. When the irradiation time is in such a range, an inorganic porous film having pores with particularly high orientation can be obtained.
ターゲットから無機質材料を堆積させる際の多孔質基材の温度を略一定に保持することにより、無機多孔質膜の孔径を略一定に制御して形成することができる。このために特に好ましい温度範囲は、30〜800℃である。この温度範囲内かつ選択される一定の温度で保持することにより、平均孔径を、例えば、略30〜150nmの範囲に制御して形成することができる。また、選択される温度が500〜800℃の温度範囲内であることにより、平均孔径を、例えば、30〜100nmの範囲に制御して形成することができる。或いは、30〜400℃の温度範囲内であることにより、平均孔径を、例えば、100〜150nmの範囲に制御して形成することができる。従って、用いる基材及びターゲットの種類に対して、基材の温度を所定範囲に制御することにより、形成される無機多孔質膜の平均孔径を所望の範囲に制御して形成することができる。基材を所定温度に加熱する際の昇温速度は、特に制限されないが、例えば、1〜30℃/分、好ましくは3〜20℃/分、特に5〜15℃/分である。さらに、無機多孔質膜の形成中において、基材の温度を変化させることにより、無機多孔質膜の孔径を膜厚方向に変化させることができる。例えば、堆積工程において次第に基材の温度を低下させることにより、膜の表面方向に向かって次第にその孔径を広げることもできる。 By keeping the temperature of the porous substrate when depositing the inorganic material from the target substantially constant, the pore diameter of the inorganic porous film can be controlled to be substantially constant. The preferred temperature range, especially for this is 30 to 800 ° C.. By maintaining the temperature within this temperature range and at a selected constant temperature, the average pore diameter can be controlled to be in the range of approximately 30 to 150 nm, for example. Moreover, when the selected temperature is in the temperature range of 500 to 800 ° C., the average pore diameter can be controlled to be in the range of 30 to 100 nm, for example. Or it can form by controlling an average hole diameter in the range of 100-150 nm by being in the temperature range of 30-400 degreeC, for example. Therefore, the average pore diameter of the formed inorganic porous film can be controlled within a desired range by controlling the temperature of the substrate within a predetermined range with respect to the type of substrate and target used. The heating rate at the time of heating the substrate to a predetermined temperature is not particularly limited, but is, for example, 1 to 30 ° C./min, preferably 3 to 20 ° C./min, particularly 5 to 15 ° C./min. Furthermore, the pore diameter of the inorganic porous membrane can be changed in the film thickness direction by changing the temperature of the substrate during the formation of the inorganic porous membrane. For example, by gradually lowering the temperature of the base material in the deposition step, the pore diameter can be gradually increased toward the surface of the film.
比較的高温(例えば、400℃以上)に設定された温度条件で無機多孔質膜を形成し、その後に多孔質基材をほぼ室温まで冷却する場合には、その冷却速度は、50℃/分以下、特に30℃/分以下に制御することが好ましい。冷却速度がこの範囲よりも速いと、形成された無機多孔質膜にクラックが発生する虞がある。 When an inorganic porous film is formed under a temperature condition set at a relatively high temperature (for example, 400 ° C. or higher), and then the porous substrate is cooled to approximately room temperature, the cooling rate is 50 ° C./min. In the following, it is particularly preferable to control to 30 ° C./min or less. If the cooling rate is faster than this range, cracks may occur in the formed inorganic porous film.
堆積された無機多孔質膜の厚さは、特に限定されないが、好ましくは10μm以下(例えば、10nm〜10μm、さらに50nm〜5μm、特に100nm〜3μm)である。本製造方法によれば、配向性の高い孔を有する無機多孔質膜をこのような範囲の薄層として容易に多孔質基材上に形成することができる。 The thickness of the deposited inorganic porous film is not particularly limited, but is preferably 10 μm or less (for example, 10 nm to 10 μm, further 50 nm to 5 μm, particularly 100 nm to 3 μm). According to this production method, an inorganic porous film having highly oriented pores can be easily formed on a porous substrate as a thin layer in such a range.
さらに、得られた無機多孔質膜には、熱処理又は他の種々の後処理を行うことができる。例えば、100〜2000℃、好ましくは500〜1500℃、特に800〜1300℃の熱処理を行うことができる。熱処理によって、無機多孔質膜の成形性及び機械的強度を向上させることができる。その昇温速度は、特に制限されないが、例えば、1〜30℃/分、好ましくは3〜20℃/分、特に5〜15℃/分である。また、他の処理、例えば、表面改質等を目的として、酸処理、アルカリ処理、プラズマ処理、マイクロウェーブ処理等を行うこともできる。 Furthermore, the obtained inorganic porous membrane can be subjected to heat treatment or other various post treatments. For example, heat treatment can be performed at 100 to 2000 ° C, preferably 500 to 1500 ° C, particularly 800 to 1300 ° C. By heat treatment, the moldability and mechanical strength of the inorganic porous membrane can be improved. The rate of temperature rise is not particularly limited, but is, for example, 1 to 30 ° C./min, preferably 3 to 20 ° C./min, and particularly 5 to 15 ° C./min. In addition, other treatments such as acid treatment, alkali treatment, plasma treatment, and microwave treatment can be performed for the purpose of surface modification.
また、ここに開示される製造方法で得られた多孔質体には、無機多孔質膜の表面及び細孔内に、触媒を担持することができる。或いは、無機多孔質膜の表面上に、部分的に緻密層を形成することができる。担持する触媒又は形成する緻密層としては、所望の目的に応じて特に制限なく、種々の材料を選択することができる。
触媒の担持又は緻密層の形成は、種々の公知の手段によって行うことができる。例えば、スラリーコーティング、ゾルーゲル法、スピンコーティング等を用いることができる。例えば、緻密層の形成は、従来一般的なパルスレーザアブレーション堆積法(PLD)により行うことができる。パルスレーザアブレーション堆積法によって、特に緻密で均一に薄い緻密層(膜)を広範囲に亘って形成することができる。
Moreover, the porous body obtained by the production method disclosed herein can carry a catalyst on the surface and pores of the inorganic porous membrane. Alternatively, a dense layer can be partially formed on the surface of the inorganic porous membrane. As the catalyst to be supported or the dense layer to be formed, various materials can be selected without particular limitation depending on the desired purpose.
The catalyst can be supported or the dense layer can be formed by various known means. For example, slurry coating, sol-gel method, spin coating, etc. can be used. For example, the dense layer can be formed by a conventional pulse laser ablation deposition method (PLD). A particularly dense and uniformly thin dense layer (film) can be formed over a wide range by the pulsed laser ablation deposition method.
触媒として機能する材料としては、従来公知のいずれの触媒材料を用いてもよい。特に、パラジウム、白金、ニッケル、ロジウム、ルテニウム、銀、錫、鉄、及び銅からなる群から選ばれる少なくとも一種の金属触媒材料が挙げられる。また、これらのうちのいずれかの組み合わせの合金及び混合物(即ち、2種以上の材料)であってもよい。このうち、パラジウム、白金、ニッケル、ロジウム、及び/又はルテニウムが好ましく、特にパラジウム及び/又は白金が好ましい。或いは、Ln1−xSrxMnO3{式中、Lnはランタノイドのうちのいずれかの元素(好ましくはLa)を表し、xは0≦x<1を満たす数である}、及びLn1−xSrxCoO3{式中、Lnはランタノイドのうちのいずれかの元素(好ましくはLa)を表し、xは0≦x<1を満たす数である}からなる群から選ばれる少なくとも一種の複合酸化物触媒材料が挙げられる。さらに、これらのうちのいずれかの組み合わせの混合物(即ち、2種以上の材料)であってもよい。 Any conventionally known catalyst material may be used as the material that functions as a catalyst. In particular, at least one metal catalyst material selected from the group consisting of palladium, platinum, nickel, rhodium, ruthenium, silver, tin, iron, and copper may be mentioned. Moreover, the alloy and mixture (namely, 2 or more types of material) of any combination of these may be sufficient. Of these, palladium, platinum, nickel, rhodium, and / or ruthenium are preferable, and palladium and / or platinum are particularly preferable. Alternatively, Ln 1-x Sr x MnO 3 (wherein Ln represents any element of lanthanoids (preferably La), x is a number satisfying 0 ≦ x <1), and Ln 1- x Sr x CoO 3 (wherein Ln represents any element of lanthanoids (preferably La), and x is a number satisfying 0 ≦ x <1), at least one compound selected from the group consisting of x Sr x CoO 3 Examples include oxide catalyst materials. Furthermore, the mixture (namely, 2 or more types of materials) of the combination in any of these may be sufficient.
ここで開示される製造方法によれば、上記のようにして形成された無機多孔質膜を多孔質基材表面に有する無機多孔質体を得ることができる。本発明は、このような無機多孔質体を提供する。 According to the production method disclosed herein, an inorganic porous body having the inorganic porous film formed as described above on the surface of the porous substrate can be obtained. The present invention provides such an inorganic porous body.
好ましい形態において、無機多孔質膜の平均孔径(例えば、電子顕微鏡観察による概算値)は、5〜200nmの範囲内、特に好ましくは30〜150nmの範囲内である。或いは、用いられる用途に応じて、好適な平均孔径のものを選択することができる。例えば、30〜100nmの範囲の平均孔径を有するものを提供することができる。或いは、100〜250nmの範囲の平均孔径を有するものを提供することができる。 In a preferred embodiment, the average pore diameter (for example, an estimated value by observation with an electron microscope ) of the inorganic porous membrane is in the range of 5 to 200 nm, particularly preferably in the range of 30 to 150 nm. Or the thing of a suitable average hole diameter can be selected according to the use used. For example, what has an average hole diameter of the range of 30-100 nm can be provided. Or what has an average hole diameter of the range of 100-250 nm can be provided.
例えば本発明によると、多孔質セラミック基材表面に上記平均孔径の多孔質セラミック膜が形成された無機多孔質体を提供することができる。セラミック基材及びセラミック膜としては、前記製造方法において記載されたものを挙げることができる。さらに好適には、該膜が安定化ジルコニアを主体に構成された無機多孔質体を提供することができる。
<実施例>
For example, according to the present invention, an inorganic porous body in which a porous ceramic film having the above average pore diameter is formed on the surface of a porous ceramic substrate can be provided. As a ceramic base material and a ceramic film | membrane, what was described in the said manufacturing method can be mentioned. More preferably, an inorganic porous body in which the membrane is mainly composed of stabilized zirconia can be provided.
<Example>
以下に説明する実施例によって、本発明を更に詳細に説明するが、本発明をかかる実施例に示すものに限定することを意図したものではない。
<実施例1>
(1)無機多孔質体の製造
多孔質基材として、予めディップ法で中間層を設けたアルミナ多孔質基材を用意した。該アルミナ多孔質基材の気孔率は30%、平均孔径は、100nm、その表面粗さ(Ra値)は0.2μm、その最大値(Rmax値)は1.4μmであった。中間層の気孔率は50%、平均孔径は、8.5nm、その表面粗さ(Ra値)は0.06μm、その最大値(Rmax値)は0.76μmであった。
一方、パルスレーザアブレーション堆積法(PLD)用のターゲットとして、イットリア安定化ジルコニアを用意した。イットリア安定化ジルコニアは、周知のセラミック製造手段に従い製造した。即ち、8モル%のイットリアを含むジルコニア粉末をペレット状にプレスし、1350℃にて焼結した。得られたペレットの大きさは直径38mm、厚さ4mmを有していた。また、その表面粗さ(Ra値)は0.22μm、及びその最大値(Rmax値)は2.06μmであった。
The present invention will be described in more detail with reference to the following examples. However, the present invention is not intended to be limited to those shown in the examples.
<Example 1>
(1) Manufacture of inorganic porous body As a porous base material, the alumina porous base material which provided the intermediate | middle layer previously with the dip method was prepared. The alumina porous substrate had a porosity of 30%, an average pore diameter of 100 nm, a surface roughness (Ra value) of 0.2 μm, and a maximum value (Rmax value) of 1.4 μm. The porosity of the intermediate layer was 50%, the average pore diameter was 8.5 nm, the surface roughness (Ra value) was 0.06 μm, and the maximum value (Rmax value) was 0.76 μm.
On the other hand, yttria-stabilized zirconia was prepared as a target for pulsed laser ablation deposition (PLD). Yttria-stabilized zirconia was produced according to well-known ceramic production means. That is, zirconia powder containing 8 mol% yttria was pressed into a pellet and sintered at 1350 ° C. The size of the obtained pellet had a diameter of 38 mm and a thickness of 4 mm. The surface roughness (Ra value) was 0.22 μm, and the maximum value (Rmax value) was 2.06 μm.
次に、レーザパルスアブレーションにより、アルミナ基材表面上にイットリア安定化ジルコニアを堆積させた。図1にその構成の概略を模式的に示すように、用いた装置1は、図示しない真空ポンプPにより減圧可能な堆積室3内に、基材5とターゲット7が互いに対向して配置されている。ターゲット7は、ターゲットホルダー8により、また基材5は基材ホルダー6によりそれぞれ保持されている。尚、図示しないが、基材ホルダー6には、加熱手段が設けられており、基材5を所定の温度に加熱し、その温度を保持可能に構成されている。堆積室3には、反応ガスを供給するための手段として、ガス供給管9が備えられている。また、堆積室3に近接して、レーザ源(図示せず)と、該レーザ源に接続し、所定のレーザをターゲット7に照射するための光学系とが備えられている。これにより、レーザ源から発射されたレーザは、光学系に備えられた対物レンズ11で集束され、堆積室3の壁部に設けられた透過窓4を通ってターゲット7に照射される。このとき、対物レンズ11を通して図1において矢印方向に入射されたレーザの焦点はターゲット7に合わされている。 Next, yttria-stabilized zirconia was deposited on the surface of the alumina substrate by laser pulse ablation. As schematically shown in FIG. 1, the used apparatus 1 has a base material 5 and a target 7 arranged opposite to each other in a deposition chamber 3 that can be decompressed by a vacuum pump P (not shown). Yes. The target 7 is held by a target holder 8, and the base material 5 is held by a base material holder 6. Although not shown, the base material holder 6 is provided with a heating means so that the base material 5 can be heated to a predetermined temperature and the temperature can be maintained. The deposition chamber 3 is provided with a gas supply pipe 9 as means for supplying the reaction gas. In addition, a laser source (not shown) and an optical system for irradiating the target 7 with a predetermined laser are provided in the vicinity of the deposition chamber 3. As a result, the laser emitted from the laser source is focused by the objective lens 11 provided in the optical system, and applied to the target 7 through the transmission window 4 provided in the wall portion of the deposition chamber 3. At this time, the laser beam incident in the direction of the arrow in FIG. 1 through the objective lens 11 is focused on the target 7.
まず、アルミナ多孔質基材5を基材ホルダー6により固定し、ターゲット7の前に保持した。そして、基材ホルダー6に設けられた加熱手段により10℃/分の昇温速度でアルミナ多孔質基材5を650℃まで加熱した。次いで、この温度に保持しつつ、堆積室3内を減圧するとともに酸素ガスを導入し、堆積室3内の酸素ガス圧を200mTorr(約27Pa)とした。 First, the alumina porous substrate 5 was fixed by the substrate holder 6 and held in front of the target 7. And the alumina porous base material 5 was heated to 650 degreeC with the temperature increase rate of 10 degree-C / min with the heating means provided in the base-material holder 6. FIG. Next, while maintaining this temperature, the inside of the deposition chamber 3 was decompressed and oxygen gas was introduced, and the oxygen gas pressure in the deposition chamber 3 was set to 200 mTorr (about 27 Pa).
次いで、レーザをターゲット7に照射した。生成した蒸気は、ターゲット7の前に配置された加熱されたアルミナ多孔質基材5表面に堆積した。ここで、レーザは、248nmの波長で30nsパルス幅のKrFレーザを用いた。また、レーザのパルスエネルギーは、450mJ/パルス、及びその周波数は30Hzであった。また、パルスの照射回数(ショット数)は、30,000回とした。照射時間は、全照射回数(ショット数)と周波数によって決定し、この場合にはショット数30,000回/30Hz、即ち、1000秒とした。
かかるレーザ照射処理の後、得られた無機多孔質体を20℃/分の速度でほぼ室温まで冷却し、ガス雰囲気圧をほぼ大気圧まで増加させてから、堆積室(チャンバー)3内から取り出した。
Next, the target 7 was irradiated with a laser. The generated vapor was deposited on the surface of the heated alumina porous substrate 5 disposed in front of the target 7. Here, a KrF laser having a wavelength of 248 nm and a pulse width of 30 ns was used. The pulse energy of the laser was 450 mJ / pulse, and its frequency was 30 Hz. The number of pulse irradiations (number of shots) was 30,000. The irradiation time is determined by the total number of irradiations (number of shots) and frequency, and in this case, the number of shots is 30,000 times / 30 Hz, that is, 1000 seconds.
After the laser irradiation treatment, the obtained inorganic porous body is cooled to about room temperature at a rate of 20 ° C./min, the gas atmospheric pressure is increased to about atmospheric pressure, and then taken out from the deposition chamber 3. It was.
(2)無機多孔質膜の観察
前記のようにして得られた無機多孔質体の無機多孔質膜の断面及び表面を電界放射型走査形電子顕微鏡(FESEM)によって観察し、その構造、形状について分析した。また、その平均孔径について、この写真から測定した。
図2に本実施例で得られた無機多孔質体の膜付近の断面の50×103倍のFESEM写真を示す。また、図3は該膜部分の100×103倍の断面FESEM写真を示す。図2及び図3から明らかなように、無機多孔質膜は、基材表面にほぼ均質な厚さで形成されていることが判る。また、この写真から測定した膜厚は、1μmよりも少なかった。
さらに、無機多孔質膜の表面のFESEM写真を図4に示す。これら写真の倍率は、それぞれ(A)が200×103倍、(B)が50×103倍、(C)が20×103倍、及び(D)が5×103倍である。これらの写真から明らかなように、無機多孔質膜は、所定の大きさに成長した無機質材料、即ち、クラスターが多数分散して堆積し、多孔質に形成されていることが判る。また、その無機質材料は均一に分散し、均質な構造に構成されていることが判る。さらに、その平均孔径は、約50nmであった。
(2) Observation of inorganic porous membrane The cross section and surface of the inorganic porous membrane of the inorganic porous body obtained as described above were observed with a field emission scanning electron microscope (FESEM), and the structure and shape thereof were observed. analyzed. The average pore diameter was measured from this photograph.
FIG. 2 shows a 50 × 10 3 times FESEM photograph of the cross section near the membrane of the inorganic porous material obtained in this example. FIG. 3 shows a cross-sectional FESEM photograph of 100 × 10 3 times the film portion. As is apparent from FIGS. 2 and 3, it can be seen that the inorganic porous membrane is formed on the surface of the substrate with a substantially uniform thickness. Moreover, the film thickness measured from this photograph was less than 1 μm.
Furthermore, the FESEM photograph of the surface of an inorganic porous membrane is shown in FIG. The magnifications of these photographs are (A) 200 × 10 3 times, (B) 50 × 10 3 times, (C) 20 × 10 3 times, and (D) 5 × 10 3 times. As is apparent from these photographs, it can be seen that the inorganic porous film is formed in a porous manner by depositing a large number of inorganic materials, that is, clusters, dispersed in a predetermined size. It can also be seen that the inorganic material is uniformly dispersed and has a homogeneous structure. Furthermore, the average pore diameter was about 50 nm.
<実施例2〜7>
(1)無機多孔質体の製造
アルミナ多孔質基材の加熱温度を650℃から、30℃、400℃、500℃、550℃、600℃、又は800℃としたことを除いて、前記実施例1と同様の手順によって、計6種類の無機多孔質膜をアルミナ多孔質基材上に形成した。但し、アルミナ多孔質基材の温度を30℃とした実施例2においては、パルスの照射回数(ショット数)を30000回に換えて20000回とした。
<Examples 2 to 7>
(1) Manufacture of inorganic porous body The examples described above, except that the heating temperature of the alumina porous substrate was changed from 650 ° C to 30 ° C, 400 ° C, 500 ° C, 550 ° C, 600 ° C, or 800 ° C. A total of six types of inorganic porous membranes were formed on the alumina porous substrate by the same procedure as in 1. However, in Example 2 in which the temperature of the porous alumina substrate was 30 ° C., the number of pulse irradiations (number of shots) was changed to 30000 times and 20000 times.
(2)無機多孔質膜の観察
得られた無機多孔質膜のうちのいくつかのFESEM写真を図5〜図13にそれぞれ示す。即ち、図5は、基材温度が400℃でパルス照射したものの100×103倍の膜の表面写真である。図6は、基材温度が550℃でパルス照射したものの100×103倍膜の表面写真である。図7は、基材温度が600℃でパルス照射したものの100×103倍の膜の表面写真である。図8は、基材温度が650℃でパルス照射したものの100×103倍の膜の表面写真である。図9は、基材温度が800℃でパルス照射したものの100×103倍の膜の表面写真であり、さらに図10は、その20×103倍の膜の表面写真である。
また、図11は、基材温度が550℃でパルス照射したものの100×103倍の膜の断面写真である。図12は、基材温度が650℃でパルス照射したものの100×103倍の膜の断面写真である。図13は、基材温度が800℃でパルス照射したものの100×103倍の膜の断面写真である。また、これら写真から測定して得られた平均孔径を前記実施例1の結果とともに表1に示す。
(2) Observation of inorganic porous membrane Some FESEM photographs of the obtained inorganic porous membrane are shown in FIGS. That is, FIG. 5 is a photograph of the surface of a film 100 × 10 3 times that of pulse irradiation at a substrate temperature of 400 ° C. FIG. 6 is a photograph of the surface of a 100 × 10 3 × film obtained by pulse irradiation at a substrate temperature of 550 ° C. FIG. 7 is a photograph of the surface of the film 100 × 10 3 times larger than that of pulse irradiation at a substrate temperature of 600 ° C. FIG. 8 is a photograph of the surface of the film 100 × 10 3 times that of the pulse irradiated at a substrate temperature of 650 ° C. Figure 9 is a photograph of the surface of 100 × 10 3 times the film although the substrate temperature is pulse irradiation at 800 ° C., further FIG. 10 is a photograph of the surface of the 20 × 10 3 times the film.
Moreover, FIG. 11 is a cross-sectional photograph of the film 100 × 10 3 times that of the pulse irradiation at a substrate temperature of 550 ° C. FIG. 12 is a cross-sectional photograph of a film of 100 × 10 3 times that irradiated with a pulse at a substrate temperature of 650 ° C. FIG. 13 is a cross-sectional photograph of a film 100 × 10 3 times that of pulse irradiation at a substrate temperature of 800 ° C. In addition, Table 1 shows the average pore diameters obtained from these photographs together with the results of Example 1.
膜の断面写真である図11〜図13からも明らかなように、いずれの実施例においても膜厚方向に配向した孔が形成されるように多孔質基材上に規則的に蒸気(クラスター)が堆積して膜が形成されていることが判る。また、膜の表面写真である図5〜図10から明らかなように、多孔質基材上にほぼ一様に無機多孔質膜が形成されている(図10)とともに、この膜は、蒸気(クラスター)が柱状に集まって堆積した部分と、該堆積部分間に生じた隙間たる細孔から成る多孔質に形成されていることが判る。その柱状堆積物の大きさは、膜形成時の基材温度が高くなるに従い小さくなり、即ち、孔も小さくなっていることが判る。
また、各基材温度に対する膜の平均孔径をまとめた表1からは、膜形成時の基材温度によって、膜の平均孔径を制御することができることが判る。即ち、基材温度とともに膜の平均孔径は次第に小さくなっていることが判る。
As is clear from FIGS. 11 to 13 which are cross-sectional photographs of the film, in any of the examples, regular vapor (cluster) is formed on the porous substrate so that pores oriented in the film thickness direction are formed. It can be seen that a film is formed by deposition. Further, as is apparent from FIGS. 5 to 10 which are surface photographs of the membrane, an inorganic porous membrane is formed almost uniformly on the porous substrate (FIG. 10), and this membrane is vapor ( It can be seen that the (cluster) is formed in a porous structure consisting of a portion where the clusters are accumulated in a columnar shape and pores which are gaps formed between the deposited portions. It can be seen that the size of the columnar deposits decreases as the substrate temperature increases during film formation, that is, the pores also decrease.
Further, from Table 1 that summarizes the average pore diameter of the film with respect to each substrate temperature, it can be seen that the average pore diameter of the film can be controlled by the substrate temperature at the time of film formation. That is, it can be seen that the average pore diameter of the membrane gradually decreases with the substrate temperature.
以上、本発明の好適な実施態様を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。例えば、多孔質基材、及び無機多孔質膜を構成する材料は、前記実施例のものに限られず、種々の無機質材料を適宜組み合わせて用いることができる。また、パルスレーザの周波数、照射回数、温度、及び照射雰囲気圧については、本発明の目的の範囲内で適宜選択することができる。特に、特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した態様を様々に変形、変更したものが含まれる。また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。 The preferred embodiments of the present invention have been described in detail above, but these are only examples and do not limit the scope of the claims. For example, the materials constituting the porous substrate and the inorganic porous film are not limited to those of the above-described embodiments, and various inorganic materials can be used in appropriate combination. Further, the frequency of the pulse laser, the number of irradiations, the temperature, and the irradiation atmospheric pressure can be appropriately selected within the scope of the object of the present invention. In particular, the technology described in the claims includes various modifications and alterations of the above-illustrated embodiments. In addition, the technical elements described in the present specification or the drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the technology illustrated in the present specification or the drawings achieves a plurality of objects at the same time, and has technical utility by achieving one of the objects.
本発明により製造された無機多孔質体は、多孔質材料として用途に特に制限なく適用することができる。特に、ガスや液体を分離、精製、又は吸着する用途に好適に用いることができる。また、触媒材料を分散させて使用するいずれの用途にも好適に用いることができる。さらに、緻密膜、例えば、イオン導電性膜を形成したものは、他の用途、例えば、センサーや電気化学デバイス、燃料電池(例えば、空気極)等に好適に利用することができる。 The inorganic porous material produced according to the present invention can be applied as a porous material without any particular limitation. In particular, it can be suitably used in applications for separating, purifying, or adsorbing gases and liquids. Moreover, it can use suitably for any use which disperses and uses a catalyst material. Furthermore, a dense film, for example, an ion conductive film formed can be suitably used for other applications, for example, sensors, electrochemical devices, fuel cells (for example, air electrodes), and the like.
1……PLD用装置
3……堆積室
5……基材
6……基材ホルダー
7……ターゲット
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... PLD apparatus 3 ... Deposition chamber 5 ... Base material 6 ... Base material holder 7 ... Target
Claims (5)
安定化ジルコニアから構成されるターゲット及びセラミックから構成される多孔質基材を用意する工程と、
減圧可能な堆積室内に前記ターゲット及び多孔質基材を配置し、該堆積室内を1〜200Paに減圧した酸化性ガス雰囲気とし、
前記酸化性ガス雰囲気中において且つ30〜800℃の温度範囲内で設定された略一定の温度条件下において、周波数が5〜500Hzの範囲内にあるパルスレーザを該ターゲットに照射して該ターゲットから蒸気を発生させ、前記多孔質基材の表面上に該蒸気を堆積させて前記多孔質膜を形成する工程と、
を含む、方法。 A method for producing an inorganic porous body comprising an inorganic porous film having an average pore diameter in the range of 5 to 200 nm having a plurality of pores oriented substantially in the film thickness direction on the surface of the porous substrate,
Preparing a target composed of stabilized zirconia and a porous substrate composed of ceramic;
The target and the porous substrate are arranged in a depressurized deposition chamber, and the oxidizing chamber is reduced to 1 to 200 Pa in the deposition chamber.
The target is irradiated with a pulse laser having a frequency in the range of 5 to 500 Hz under the substantially constant temperature condition set in the temperature range of 30 to 800 ° C. in the oxidizing gas atmosphere. Generating vapor and depositing the vapor on a surface of the porous substrate to form the porous film;
Including a method.
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