JP5376500B2 - Oxygen ion conductive ceramic membrane material and manufacturing method thereof - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a ceramic film material which is composed of a perovskite type oxygen-ion conductive body and can further improve oxygen-ion conduction. <P>SOLUTION: The method of manufacturing oxygen-ion conductive ceramic film material comprises: a process of preparing a substrate oriented in a predetermined crystalline face; a process of preparing a raw material for constituting a perovskite type ceramic film represented by a general formula: A<SB>1-x</SB>Ae<SB>x</SB>BO<SB>3-&delta;</SB>; and a process of forming the ceramic film on the crystalline face of the substrate while performing crystal alignment according to a vapor deposition method. Therein, A presents at least one kind element selected from Ln (lanthanoid), Ae presents one or more kinds of elements selected from a group consisting of Sr, Ba and Ca, B presents one or more kinds of metal elements capable of constituting a perovskite type structure, 0&le;x&le;1 holds and &delta; satisfies charge neutral condition. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&amp;INPIT

Description

本発明は、酸素イオン伝導性に優れたセラミック膜を備えるセラミック膜材の製造方法に関する。詳しくは、特定の結晶面を有する基材上に特定の結晶方位に配向させた結晶配向セラミック膜を備えるセラミック膜材と、その製造方法に関する。   The present invention relates to a method for producing a ceramic membrane material including a ceramic membrane excellent in oxygen ion conductivity. Specifically, the present invention relates to a ceramic film material provided with a crystallographically oriented ceramic film oriented in a specific crystal orientation on a substrate having a specific crystal plane, and a method for manufacturing the same.

酸素イオン(典型的にはO2−;酸化物イオンとも呼ばれる。)伝導性を有する酸素イオン伝導体として、いわゆるペロブスカイト型構造の酸化物セラミックスが知られている。ペロブスカイト型酸化物は、酸素イオン伝導体であることに加え、電子伝導性を兼ね備えた酸素イオン−電子混合伝導体(以下、単に「混合伝導体」という。)であるため、かかる酸化物からなる緻密なセラミック材、典型的には膜状に形成されたセラミック材(セラミック膜)は、例えば一方の面に供給された酸素含有ガス(空気等)から酸素を他方の面に選択的に透過させる酸素分離膜材として好適に利用され得る。
ペロブスカイト型酸化物から構成される酸素分離膜は、基材(典型的には多孔質構造をもつ膜支持体)上に形成されて、酸素分離膜エレメントとして用いられ得る。このような構成の酸素分離膜エレメントは、一方の面から他方の面に供給された酸素イオンによって当該他方の面に供給された炭化水素(メタンガス等)を酸化させて合成液体燃料(メタノール等)を製造するGTL(Gas To Liquid)技術、あるいは燃料電池分野で好適に使用することができる(特許文献1〜5参照)。
As an oxygen ion conductor having oxygen ions (typically also called O 2− ; oxide ions), oxide ceramics having a so-called perovskite structure are known. Since the perovskite oxide is an oxygen ion conductor, it is an oxygen ion-electron mixed conductor (hereinafter, simply referred to as “mixed conductor”) having electron conductivity. A dense ceramic material, typically a ceramic material (ceramic film) formed in a film shape, for example, selectively transmits oxygen from an oxygen-containing gas (such as air) supplied to one surface to the other surface. It can be suitably used as an oxygen separation membrane material.
An oxygen separation membrane composed of a perovskite oxide can be formed on a substrate (typically a membrane support having a porous structure) and used as an oxygen separation membrane element. The oxygen separation membrane element having such a structure oxidizes hydrocarbons (such as methane gas) supplied to the other surface by oxygen ions supplied from one surface to the other surface, thereby producing a synthetic liquid fuel (such as methanol). Can be suitably used in the GTL (Gas To Liquid) technology for manufacturing the fuel cell, or in the fuel cell field (see Patent Documents 1 to 5).

ペロブスカイト型酸化物からなるセラミック膜を基材上に形成する方法として、典型的には、該セラミック膜の構成材料を用いて調製されたスラリーに基材を浸漬するディップコーティング法、またはシート成形、プレス成形、または押出成形等が挙げられる。このような方法により得られるセラミック膜は、複数の結晶方位面が混在したランダムな配向(無配向)の多結晶構造を有する。しかし、無配向性あるいは配向性が低い結晶構造は、イオンおよび電子の伝導経路が長くなるためイオンや電子の伝導は非効率となり得る。したがって、かかる構造を備えるセラミック膜では、ペロブスカイト型酸化物が有し得る高い混合伝導性が最大限に発揮されにくい。   As a method for forming a ceramic film comprising a perovskite oxide on a substrate, typically, a dip coating method in which the substrate is immersed in a slurry prepared using the constituent material of the ceramic film, or sheet molding, Examples include press molding or extrusion molding. The ceramic film obtained by such a method has a randomly oriented (non-oriented) polycrystalline structure in which a plurality of crystal orientation planes are mixed. However, in a crystal structure with non-orientation or low orientation, the conduction path of ions and electrons becomes long, so that the conduction of ions and electrons can be inefficient. Therefore, in the ceramic film having such a structure, the high mixed conductivity that the perovskite oxide can have is hardly exhibited to the maximum extent.

特許第2813596号公報Japanese Patent No. 2813596 特開平8−173776号公報Japanese Patent Laid-Open No. 8-173776 特許第3456436号公報Japanese Patent No. 3456436 特開2001−93325号公報JP 2001-93325 A 特開2002−12472号公報JP 2002-12472 A 特開平10−279355号公報JP-A-10-279355 特開2000−351665号公報JP 2000-351665 A 特開2005−97041号公報JP 2005-97041 A 特開2006−28001号公報JP 2006-280001 A 特開2006−137657号公報JP 2006-137657 A 特開平9−293520号公報JP-A-9-293520 特開2005−171269号公報JP 2005-171269 A

ここで、ペロブスカイト型酸化物からなる多結晶セラミックスにおいて特定の結晶面または結晶軸を配向させることにより、かかる特定の結晶面または結晶軸に依存する特性(結晶方位依存性、例えばイオン伝導性や圧電性等)を向上させる技術、あるいは、そのような特性を備えた結晶配向性のセラミックスについては、例えば特許文献6〜10等により種々提案されている。しかし、かかる技術の適用対象は粉体あるいはバルク体であり、例えば数百nm〜数μmの膜厚のセラミック膜には適していない。
また、特許文献11および12には、パルスレーザアブレーション堆積法を採用して、イオン(または電子)伝導性セラミック膜を形成する方法が記載されている。しかし、この技術により得られるセラミック膜は、結晶方位が特定されていないため、イオン伝導性を大きく向上させ得る結晶方位には配向していない可能性が高く、かかるイオン伝導性は十分には発揮されない。
Here, by aligning a specific crystal plane or crystal axis in a polycrystalline ceramic made of a perovskite oxide, characteristics dependent on the specific crystal plane or crystal axis (crystal orientation dependency such as ion conductivity and piezoelectricity). For example, Patent Documents 6 to 10 have proposed various techniques for improving the properties and the like or crystal orientation ceramics having such characteristics. However, the application object of such a technique is a powder or a bulk body, and is not suitable for a ceramic film having a film thickness of, for example, several hundred nm to several μm.
Patent Documents 11 and 12 describe a method of forming an ion (or electron) conductive ceramic film by employing a pulse laser ablation deposition method. However, since the crystal orientation of the ceramic film obtained by this technique is not specified, there is a high possibility that it is not oriented in a crystal orientation that can greatly improve ionic conductivity, and such ionic conductivity is sufficiently exhibited. Not.

そこで、本発明は、上記課題を解決するために創出されたものであり、ペロブスカイト型の酸素イオン伝導体から構成されて酸素イオン伝導性がより一層向上し得るセラミック膜材を提供することを目的とする。   Accordingly, the present invention was created to solve the above-described problems, and an object thereof is to provide a ceramic membrane material that is composed of a perovskite-type oxygen ion conductor and that can further improve oxygen ion conductivity. And

上記目的を実現するべく、本発明によって、基板と、該基板上に形成された酸素イオン伝導体からなるセラミック膜とを備えた酸素イオン伝導性セラミック膜材の製造方法が提供される。この方法は、以下の工程(I)〜(III)を包含することを特徴とする。すなわち、(I)上記基板を用意する工程を包含する。ここで、該基板は、所定の結晶面に配向した金属材料またはセラミック材料からなることを特徴とする。(II)上記セラミック膜を構成するための原料を用意する工程を包含する。ここで、該セラミック膜は、一般式:
A1−xAexBO3−δ (1)
(ただし、Aは、Ln(ランタノイド)から選択される少なくとも1種の元素であり、Aeは、Sr(ストロンチウム)、Ba(バリウム)およびCa(カルシウム)からなる群から選択される1種または2種以上の元素であり、Bは、少なくともFeおよびTiを包含するペロブスカイト型構造を構成し得る2種以上の金属元素であり、0≦x≦1であり、δは電荷中性条件を満たすように定まる値である。)
で表わされるペロブスカイト型の酸素イオン伝導体からなることを特徴とする。および(III)蒸着法により、上記基板の上記結晶面上に上記セラミック膜を配向度が20%以上となるように結晶配向させた状態で形成する工程を包含する。ここで、上記蒸着法は、パルスレーザアブレーション堆積法およびイオンビーム蒸着法のいずれか一方であることを特徴とする。
かかる方法により得られる酸素イオン伝導性セラミック膜材では、そのセラミック膜が結晶配向した状態で基板上に形成されるため、無配向膜と比較して酸素イオンの伝導経路が短縮されて、酸素イオン伝導の効率化が図られ得る。この結果、本発明に係る方法によって得られる酸素イオン伝導性セラミック膜材では、従来の膜形成方法(例えばディップコーティング)により得られる無配向なセラミック膜を備えるセラミック膜材に比べて、酸素イオン伝導性(性能)が向上し得る。なお、本明細書中で「膜」とは、特定の厚みに限定されず、ここで開示される酸素イオン伝導性セラミック膜材において「酸素イオン伝導体」として機能する膜状もしくは層状の部分をいう。また、本明細書中の「基板」とは、特定の厚みあるいは形状に限定されず、上記酸素イオン伝導性セラミック膜材において、上記セラミック膜を形成させるための土台となる部分をいう。
In order to achieve the above object, the present invention provides a method for producing an oxygen ion conductive ceramic membrane material comprising a substrate and a ceramic membrane made of an oxygen ion conductor formed on the substrate. This method is characterized by including the following steps (I) to (III). That is, (I) a step of preparing the substrate is included. Here, the substrate is made of a metal material or a ceramic material oriented in a predetermined crystal plane. (II) The process of preparing the raw material for comprising the said ceramic membrane is included. Here, the ceramic membrane has the general formula:
A1-xAexBO 3-δ (1)
(However, A is at least one element selected from Ln (lanthanoid), and Ae is one or two selected from the group consisting of Sr (strontium), Ba (barium) and Ca (calcium). a kind or more elements, B is two or more metal elements that give constitute a perovskite structure including at least Fe and Ti, a 0 ≦ x ≦ 1, δ is the charge neutrality condition is satisfied (The value is determined as follows.)
It is characterized by comprising a perovskite type oxygen ion conductor represented by And (III) a step of forming the ceramic film on the crystal plane of the substrate in a crystal orientation state so that the degree of orientation is 20% or more by the vapor deposition method. Here, the vapor deposition method is one of a pulsed laser ablation deposition method and an ion beam vapor deposition method.
In the oxygen ion conductive ceramic film material obtained by such a method, since the ceramic film is formed on the substrate in a crystal orientation state, the oxygen ion conduction path is shortened as compared with the non-oriented film. Efficiency of conduction can be achieved. As a result, in the oxygen ion conductive ceramic membrane material obtained by the method according to the present invention, oxygen ion conduction is higher than that of a ceramic membrane material provided with a non-oriented ceramic membrane obtained by a conventional film formation method (eg, dip coating). The performance (performance) can be improved. In the present specification, the term “film” is not limited to a specific thickness, and a film-like or layer-like portion functioning as an “oxygen ion conductor” in the oxygen ion conductive ceramic film material disclosed herein is used. Say. In addition, the “substrate” in the present specification is not limited to a specific thickness or shape, and refers to a portion that serves as a base for forming the ceramic film in the oxygen ion conductive ceramic film material.

また、上記基板上に上記セラミック膜を形成する際に用いる手法としては、物理気相蒸着法(PVD)あるいは化学気相蒸着法(CVD)を好ましく採用することができる。物理気相蒸着法の好適例としては、パルスレーザアブレーション堆積法(以下、「PLD法」という。)やイオンビーム蒸着法等が挙げられる。かかる手法を用いることにより、上記基板上に結晶配向したセラミック膜を好ましく形成することができる。   Moreover, as a method used when forming the said ceramic film | membrane on the said board | substrate, a physical vapor deposition method (PVD) or a chemical vapor deposition method (CVD) can be employ | adopted preferably. Preferable examples of the physical vapor deposition method include a pulse laser ablation deposition method (hereinafter referred to as “PLD method”), an ion beam deposition method, and the like. By using this method, a ceramic film having a crystal orientation can be preferably formed on the substrate.

また、上記酸素イオン伝導体は、ペロブスカイト型構造を構成し得る金属元素として少なくともFe(鉄)およびTiを包含することを特徴とする。
かかる態様によると、セラミック膜を構成する酸素イオン伝導体におけるペロブスカイト結晶構造の一部(Bサイトの一部)に、Feが取り込まれている。このことにより、この酸素イオン伝導体(すなわちセラミック膜)の酸素イオン伝導性がさらに向上し得る。
Further, the oxygen ion conductor is characterized in that it comprises at least Fe (iron) and Ti as metal elements capable of constituting a perovskite structure.
According to this aspect, Fe is incorporated into a part of the perovskite crystal structure (part of the B site) in the oxygen ion conductor constituting the ceramic film. This can further improve the oxygen ion conductivity of the oxygen ion conductor (that is, the ceramic film).

ここに開示される製造方法の好ましい一態様では、上記基板として、ニッケル製の基板であって、その(典型的には面心立方構造の){100}面が圧延面に平行であり<001>軸が圧延方向に平行である構造を備えた基板を使用することを特徴とする。上記セラミック膜は、かかる基板の{100}面上に形成され得る。
あるいは、ここに開示される製造方法の別の好ましい一態様では、上記基板として、チタン酸ストロンチウム製の基板であって、そのペロブスカイト型構造の(100)面に配向している基板を使用することを特徴とする。上記セラミック膜は、かかる基板の(100)面上に形成され得る。
かかる態様によると、上記基板のいずれかを使用することにより、該基板上にセラミック膜を酸素イオン伝導性が向上し得る結晶方位に配向させた状態で、形成(成長)させることができる。
以下、基板およびセラミック膜の結晶構造における結晶面(格子面)と方位(方向)を記述する際には、ミラー指数の面指数と方位指数を用いる。結晶面は(hkl)(ここで、h,k,lは整数である。)で表わす。立方晶系の構造において空間群の対称性の観点から等価である6面をまとめて{hkl}と総称する。方位指数についても面指数と同様に[uvw](ここでu,v,wは整数である。)で表わし、立方晶系において等価である6方向をまとめて<uvw>と総称する。
In a preferred embodiment of the manufacturing method disclosed herein, the substrate is a nickel substrate, and its {100} plane (typically having a face-centered cubic structure) is parallel to the rolling surface <001 > A substrate having a structure in which the axis is parallel to the rolling direction is used. The ceramic film can be formed on the {100} face of such a substrate.
Alternatively, in another preferable aspect of the production method disclosed herein, the substrate is a substrate made of strontium titanate and oriented in the (100) plane of the perovskite structure. It is characterized by. The ceramic film can be formed on the (100) plane of such a substrate.
According to this aspect, by using any of the above substrates, the ceramic film can be formed (grown) in a state in which the ceramic film is oriented in a crystal orientation that can improve oxygen ion conductivity.
Hereinafter, when describing the crystal plane (lattice plane) and orientation (direction) in the crystal structure of the substrate and the ceramic film, the plane index and orientation index of the Miller index are used. The crystal plane is represented by (hkl) (where h, k, and l are integers). In the cubic structure, the six planes that are equivalent from the viewpoint of space group symmetry are collectively referred to as {hkl}. Similarly to the plane index, the orientation index is represented by [uvw] (where u, v, and w are integers), and the six directions equivalent in the cubic system are collectively referred to as <uvw>.

本発明に係る方法により、上記のように結晶配向したセラミック膜を備え、より向上した酸素イオン伝導性を有するセラミック膜材を製造することができる。すなわち、本発明は、他の側面として、高い酸素イオン伝導性を有する好ましい酸素イオン伝導性セラミック膜材を提供する。   By the method according to the present invention, it is possible to produce a ceramic film material that has the crystallographically oriented ceramic film as described above and has improved oxygen ion conductivity. That is, this invention provides the preferable oxygen ion conductive ceramic membrane material which has high oxygen ion conductivity as another side surface.

ここに開示される酸素イオン伝導性セラミック膜材の好ましい一態様では、ニッケル製の基板であって、{100}面が圧延面に平行であり<001>軸が圧延方向に平行である構造を備えたニッケル製の基板と、該基板の{100}面上に形成された酸素イオン伝導体からなるセラミック膜とを備えている。そして、上記セラミック膜は、一般式:A1−xAeBO3−δ(ただし、Aは、Ln(ランタノイド)から選択される少なくとも1種の元素であり、Aeは、Sr、BaおよびCaからなる群から選択される1種または2種以上の元素であり、Bは、少なくともFeおよびTiを包含するペロブスカイト型構造を構成し得る2種以上の金属元素であり、0≦x≦1であり、δは電荷中性条件を満たすように定まる値である。)で表わされるペロブスカイト型の酸素イオン伝導体からなり、(a00)面および/または(aa0)面(ここで、aは1以上の整数である。)に配向度が20%以上で配向していることを特徴とする。
かかる構成の酸素イオン伝導性セラミック膜材では、上記(a00)面または(aa0)面に選択的に配向した状態のセラミック膜が形成されており、より一層高い酸素イオン伝導性を有する。したがって、かかる構成の酸素イオン伝導性セラミック膜材によると、良好な酸素イオン伝導性を発揮し得る。
In a preferred embodiment of the oxygen ion conductive ceramic membrane material disclosed herein, the substrate is made of nickel, and has a structure in which the {100} plane is parallel to the rolling surface and the <001> axis is parallel to the rolling direction. A nickel substrate provided; and a ceramic film made of an oxygen ion conductor formed on a {100} plane of the substrate. The ceramic film has a general formula: A 1-x Ae x BO 3-δ (where A is at least one element selected from Ln (lanthanoid), and Ae is Sr, Ba and Ca). is one or more elements selected from the group consisting of, B is two or more metal elements that give constitute a perovskite structure including at least Fe and Ti, 0 ≦ x ≦ 1 And δ is a value determined so as to satisfy the charge neutrality condition.) And is composed of a perovskite type oxygen ion conductor represented by (a00) plane and / or (aa0) plane (where a is 1). It is an integer of the above), and is characterized by being oriented at an orientation degree of 20% or more.
In the oxygen ion conductive ceramic membrane material having such a configuration, a ceramic membrane in a state of being selectively oriented on the (a00) plane or the (aa0) plane is formed, and has higher oxygen ion conductivity. Therefore, according to the oxygen ion conductive ceramic membrane material having such a configuration, good oxygen ion conductivity can be exhibited.

また、ここに開示される酸素イオン伝導性セラミック膜材の別の好ましい一態様では、チタン酸ストロンチウム製の基板であってペロブスカイト型構造の(100)面に配向している基板と、該基板の(100)面上に形成された酸素イオン伝導体からなるセラミック膜とを備えている。そして、上記セラミック膜は、一般式:A1−xAeBO3−δ(ただし、Aは、Ln(ランタノイド)から選択される少なくとも1種の元素であり、Aeは、Sr、BaおよびCaからなる群から選択される1種または2種以上の元素であり、Bは、少なくともFeおよびTiを包含するペロブスカイト型構造を構成し得る2種以上の金属元素であり、0≦x≦1であり、δは電荷中性条件を満たすように定まる値である。)で表わされるペロブスカイト型の酸素イオン伝導体からなり、(a00)面(ここで、aは1以上の整数である。)に配向度が20%以上で配向していることを特徴とする。
かかる構成の酸素イオン伝導性セラミック膜材では、上記(a00)面に選択的に配向した状態のセラミック膜が形成されており、より一層高い酸素イオン伝導性を有する。したがって、かかる構成の酸素イオン伝導性セラミック膜材によると、良好な酸素イオン伝導性を発揮し得る。
In another preferred embodiment of the oxygen ion conductive ceramic membrane material disclosed herein, a substrate made of strontium titanate and oriented in the (100) plane of a perovskite structure, And a ceramic film made of an oxygen ion conductor formed on the (100) plane. The ceramic film has a general formula: A 1-x Ae x BO 3-δ (where A is at least one element selected from Ln (lanthanoid), and Ae is Sr, Ba and Ca). is one or more elements selected from the group consisting of, B is two or more metal elements that give constitute a perovskite structure including at least Fe and Ti, 0 ≦ x ≦ 1 And δ is a value determined so as to satisfy the charge neutrality condition.) (A00) plane (where a is an integer of 1 or more). It is characterized by having an orientation degree of 20% or more.
In the oxygen ion conductive ceramic membrane material having such a configuration, a ceramic membrane in a state of being selectively oriented on the (a00) plane is formed, and has higher oxygen ion conductivity. Therefore, according to the oxygen ion conductive ceramic membrane material having such a configuration, good oxygen ion conductivity can be exhibited.

このような構成を備える酸素イオン伝導性セラミック膜材は、該膜材を支持する多孔質支持体を備えることにより、酸素分離膜エレメントとして使用することができる。すなわち、かかる酸素分離膜エレメントは、ここに開示される酸素イオン伝導性セラミック膜材と、該膜材の基板が形成されていない側のセラミック膜表面上に形成された多孔質支持体とを備える酸素分離膜エレメントであって、酸素イオン伝導性がより一層向上した酸素分離膜エレメントである。   An oxygen ion conductive ceramic membrane material having such a configuration can be used as an oxygen separation membrane element by including a porous support that supports the membrane material. That is, the oxygen separation membrane element includes the oxygen ion conductive ceramic membrane material disclosed herein and a porous support formed on the ceramic membrane surface on the side where the substrate of the membrane material is not formed. The oxygen separation membrane element is an oxygen separation membrane element with further improved oxygen ion conductivity.

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以外の事柄であって本発明の実施に必要な事柄(例えば、ターゲット作製時の原料粉末の混合方法や成形方法、または成形体の焼成方法)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. In addition, matters other than the matters specifically mentioned in the present specification and matters necessary for the implementation of the present invention (for example, a raw material powder mixing method or molding method at the time of target production, or a molding body firing method) Therefore, it can be grasped as a design matter of those skilled in the art based on the prior art in the field. The present invention can be carried out based on the contents disclosed in this specification and common technical knowledge in the field.

本発明により提供される製造方法は、基板と、該基板上に形成された酸素イオン伝導体からなるセラミック膜とを備えた酸素イオン伝導性セラミック膜材の製造方法であって、所定の結晶面に配向した金属材料またはセラミック材料からなる基板上に、結晶配向させた状態でセラミック膜を形成することで特徴づけられる製造方法である。かかる製造方法は、上述したように、上記記基板を用意する工程と、上記セラミック膜を構成するための原料を用意する工程、および所定の蒸着法により、上記基板の上記結晶面上に上記セラミック膜を結晶配向させた状態で形成する工程とを包含する。
また、上記セラミック膜は、結晶配向した一般式(1):A1−xAeBO3−δ(以下、単に「一般式(1)」という。)で表わされるペロブスカイト型の酸素イオン伝導体からなることで特徴づけられる膜である。ここで、上記Aは、Ln(ランタノイド)から選択される少なくとも1種の元素(例えばLa(ランタン))であり、Aeは、Sr、BaおよびCaからなる群から選択される1種または2種以上の元素(例えば、Sr)であり、上記Bは、ペロブスカイト型構造を構成し得る1種または2種以上の金属元素(例えばTi(チタン)および/またはFe)である。また、0<x<1であり、δは電荷中性条件を満たすように定まる値である。
また、本発明により提供される酸素イオン伝導性セラミック膜材は、そのセラミック膜が所定の結晶面に配向していることにより、ディップコーティング等の従来の膜形成技術で形成されるセラミック膜に比べてより一層向上した酸素イオン伝導性能を有していることを特徴とする膜材である。
A manufacturing method provided by the present invention is a method for manufacturing an oxygen ion conductive ceramic film material including a substrate and a ceramic film made of an oxygen ion conductor formed on the substrate, wherein the crystal surface has a predetermined crystal plane. This is a manufacturing method characterized by forming a ceramic film in a crystal-oriented state on a substrate made of a metal material or ceramic material oriented in the above manner. As described above, the manufacturing method includes the step of preparing the substrate, the step of preparing a raw material for forming the ceramic film, and the ceramic on the crystal plane of the substrate by a predetermined vapor deposition method. Forming the film in a crystal oriented state.
The ceramic film is a perovskite-type oxygen ion conductor represented by the general formula (1): A 1-x Ae x BO 3-δ (hereinafter simply referred to as “general formula (1)”) with crystal orientation. It is a film characterized by comprising. Here, A is at least one element selected from Ln (lanthanoid) (for example, La (lanthanum)), and Ae is one or two selected from the group consisting of Sr, Ba, and Ca. These elements are the above elements (for example, Sr), and the above B is one or more metal elements (for example, Ti (titanium) and / or Fe) that can form a perovskite structure. Further, 0 <x <1, and δ is a value determined to satisfy the charge neutrality condition.
Further, the oxygen ion conductive ceramic membrane material provided by the present invention has a ceramic film oriented in a predetermined crystal plane, so that it is compared with a ceramic membrane formed by a conventional film forming technique such as dip coating. It is a membrane material characterized by having further improved oxygen ion conduction performance.

ここに開示される技術で好適に使用される基板としては、金属またはセラミックの固体材料からなる基板であることが好ましく、かかる固体材料を構成する結晶体(典型的には多結晶体)において、その結晶構造における所定(特定)の結晶面が一定の方向性をもって配列している(すなわち該特定の結晶面に配向している)固体材料からなる基板が好ましい。より好ましくは、かかる基板上に形成されるセラミック膜が酸素イオン伝導性を向上させ得る結晶方位に配向しているような基板である。このような基板として、例えば、典型的には面心立方構造を有するニッケル製の基板であって、その{100}面が圧延面に平行であり<001>軸が圧延方向に平行である構造を備えた基板が挙げられる。かかる基板は加熱処理により容易に作製できるので好ましい。この基板を用いた場合には、上記{100}面上に上記セラミック膜を好ましく形成することができる。また、別の好適例としては、ペロブスカイト型構造を有するチタン酸ストロンチウム製の基板であって、その(100)面に配向している基板が挙げられる。かかる基板を用いた場合には、上記(100)面上に上記セラミック膜を好ましく形成することができる。これらのような基板を用い、且つ該基板の特定の結晶面(配向面)上にセラミック膜を形成すると、セラミック膜自体もある特定の結晶面に配向し得る。
かかる基板の厚さ寸法としては、好ましくは50μm〜10mm、より好ましくは100μm〜5mmであり、さらに好ましくは200μm〜1mmである基板を用いることができる。
The substrate suitably used in the technology disclosed herein is preferably a substrate made of a metal or ceramic solid material, and in a crystal (typically a polycrystal) constituting the solid material, A substrate made of a solid material in which predetermined (specific) crystal planes in the crystal structure are arranged with a certain directionality (that is, oriented in the specific crystal plane) is preferable. More preferably, the substrate is such that the ceramic film formed on the substrate is oriented in a crystal orientation capable of improving oxygen ion conductivity. As such a substrate, for example, a nickel substrate typically having a face-centered cubic structure, in which the {100} plane is parallel to the rolling surface and the <001> axis is parallel to the rolling direction. The board | substrate provided with is mentioned. Such a substrate is preferable because it can be easily manufactured by heat treatment. When this substrate is used, the ceramic film can be preferably formed on the {100} plane. Another preferred example is a substrate made of strontium titanate having a perovskite structure and oriented in the (100) plane. When such a substrate is used, the ceramic film can be preferably formed on the (100) plane. When a substrate such as these is used and a ceramic film is formed on a specific crystal plane (orientation plane) of the substrate, the ceramic film itself can also be oriented to a specific crystal plane.
The thickness of the substrate is preferably 50 μm to 10 mm, more preferably 100 μm to 5 mm, and still more preferably 200 μm to 1 mm.

上記のような基板上に形成されるセラミック膜については、酸素イオン伝導体であるペロブスカイト型構造をとるものであることが好ましい。かかるセラミック膜は、特定の構成元素のものに限られないが、かかるセラミック膜を(後述の酸素分離膜エレメントにおける)酸素分離膜として適用する場合には、酸素分離膜の一方の側(酸素供給側)と他方の側(酸素透過側)とを短絡させるための外部電極や外部回路を用いることなく、一方から他方へと連続的に酸素イオンを透過させることができるとともに、酸素イオンの透過速度を上げることができるため好ましい。この種のセラミックスとしては、典型的には上記一般式(1)で表わされるペロブスカイト型酸化物である。上記一般式(1)における酸素原子数は、ペロブスカイト型構造の一部を置換する原子の種類及び置換割合その他の条件により変動するため正確に表示することは困難である。このため、電荷中性条件を満たすように定まる値として、1を超えない正の数δ(0<δ<1)を採用し、本明細書中では酸素原子の数を3−δと表示する。当該分野において酸素原子の数を便宜的に3として表示している場合もあるが、異なる化合物を表しているわけではない。   The ceramic film formed on the substrate as described above preferably has a perovskite structure that is an oxygen ion conductor. Such a ceramic membrane is not limited to a specific constituent element, but when such a ceramic membrane is applied as an oxygen separation membrane (in an oxygen separation membrane element described later), one side of the oxygen separation membrane (oxygen supply) Side) and the other side (oxygen permeation side) can be continuously permeated from one to the other without using an external electrode or an external circuit for short-circuiting, and the permeation rate of oxygen ions Can be increased, which is preferable. This type of ceramic is typically a perovskite oxide represented by the general formula (1). The number of oxygen atoms in the above general formula (1) varies depending on the type of atom that substitutes a part of the perovskite structure, the substitution ratio, and other conditions, so that it is difficult to display accurately. Therefore, a positive number δ (0 <δ <1) not exceeding 1 is adopted as a value that is determined so as to satisfy the charge neutrality condition, and the number of oxygen atoms is expressed as 3-δ in this specification. . In this field, the number of oxygen atoms may be indicated as 3 for convenience, but it does not represent a different compound.

一般式(1)のAは、上記ペロブスカイト型酸化物のAサイトを構成する元素であり、Ln(ランタノイド)から選択される少なくとも1種の元素の組合せとする。好ましくはLaである。AeはSr,Ca及びBaからなる群から選択される1種または2種以上の元素の組合せである。一般式(C)のxは、0≦x≦1であることが好ましい。一般式(C)のAおよびAeとして2種以上の元素を選択し、ペロブスカイト型構造の一部の原子を置換する(すなわち、Aで構成され得る部分の一部をAeで置換する)ことによって、Aサイトに格子欠陥が導入される。Aサイトの格子欠陥は、結晶構造中の酸素移動性の向上に寄与する。Aサイトの置換量は、格子欠陥の量と構造の安定化とのバランスを考慮して調節すると良い。
また、一般式(1)のBは、上記ペロブスカイト型酸化物のBサイトを構成する元素であって、ペロブスカイト型構造を構成し得る1種または2種以上の金属元素であり得る。かかるBとして、例えば、Mg(マグネシウム),Mn(マンガン),Ga(ガリウム),Ti(チタン),Co(コバルト),Ni(ニッケル),Al(アルミニウム),Cu(銅),In(インジウム),Sn(錫),Zr(ジルコニウム),V(バナジウム),Cr(クロム),Zn(亜鉛),Ge(ゲルマニウム),Sc(スカンジウム)およびY(イットリウム)からなる群から選択される少なくとも一種が挙げられる。上記Bとして、好ましくはFeを包含する。さらに好ましくは、FeとTiを含み得る。上記BサイトにFeを含むことにより、酸素イオン伝導性が向上する。また、上記BサイトにTiを含むことにより、結晶構造の強度が向上する。このため、ここに開示されるセラミック膜は、BサイトにFeおよびTiを包含することで、酸素イオン伝導性と膜強度とを高いレベルで両立し得る。
かかるペロブスカイト型酸化物として、例えば、式:(La1−pSr)(Ti1−qFe)O3−δ(但し0<p<1、0<q<1)で示されるペロブスカイト型複合酸化物(以下「LSTF酸化物」ともいう。)が好ましく挙げられる。具体例として、La0.6Sr0.4Ti0.1Fe0.93−δが挙げられる。
A in the general formula (1) is an element constituting the A site of the perovskite oxide, and is a combination of at least one element selected from Ln (lanthanoid). La is preferred. Ae is a combination of one or more elements selected from the group consisting of Sr, Ca and Ba. In the general formula (C), x is preferably 0 ≦ x ≦ 1. By selecting two or more elements as A and Ae in the general formula (C) and substituting some atoms of the perovskite structure (that is, substituting part of the part that can be composed of A with Ae) , Lattice defects are introduced into the A site. The lattice defects at the A site contribute to the improvement of oxygen mobility in the crystal structure. The amount of substitution at the A site may be adjusted in consideration of the balance between the amount of lattice defects and the stabilization of the structure.
Further, B in the general formula (1) is an element constituting the B site of the perovskite oxide, and may be one or more metal elements that can constitute a perovskite structure. Examples of such B include Mg (magnesium), Mn (manganese), Ga (gallium), Ti (titanium), Co (cobalt), Ni (nickel), Al (aluminum), Cu (copper), and In (indium). , Sn (tin), Zr (zirconium), V (vanadium), Cr (chromium), Zn (zinc), Ge (germanium), Sc (scandium), and Y (yttrium). Can be mentioned. B preferably includes Fe. More preferably, it may contain Fe and Ti. By containing Fe in the B site, oxygen ion conductivity is improved. Moreover, the strength of the crystal structure is improved by including Ti at the B site. For this reason, the ceramic film disclosed here can achieve both oxygen ion conductivity and film strength at a high level by including Fe and Ti at the B site.
As such a perovskite type oxide, for example, a perovskite type represented by the formula: (La 1-p Sr p ) (Ti 1-q Fe q ) O 3-δ (where 0 <p <1, 0 <q <1) A composite oxide (hereinafter also referred to as “LSTF oxide”) is preferable. A specific example is La 0.6 Sr 0.4 Ti 0.1 Fe 0.9 O 3-δ .

上記のようなペロブスカイト型構造をもつ酸素イオン伝導体からなるセラミック膜は、物理気相蒸着(PVD)法または化学気相蒸着(CVD)法を用いることにより上記基板上に形成することができる。PVD法は、熱、レーザ光、電子ビームなどによる物理的作用(熱源)を利用して薄膜原料である固体物質を蒸気化し、基板上に堆積させて薄膜を形成する方法である。かかるPVD法は、薄膜原料の気化方法により分類すると蒸発系とスパッタ系に大別される。蒸発系のPVD法は、薄膜原料を加熱して蒸発させ、蒸発温度より低い温度の基板表面で凝結、固化させ薄膜にする方法である。かかる方法の一好適例として、イオンビーム蒸着法が挙げられる。イオンビーム蒸着法では、イオン発生器で薄膜原料をイオン化し、イオン銃(イオン発生器で発生させたイオンを加速して放出する装置)から放出された薄膜原料イオンを照射することにより、該イオンを基板上に堆積させて薄膜を形成することができる。
一方、スパッタ系のPVD法は、薄膜原料物質を加熱して蒸発させ、蒸発温度より低い温度の基板表面で凝結、固化させ薄膜にする蒸発系のPVD法や、高エネルギーの原子や分子をターゲットに衝突させて蒸発させて(スパッタさせて)基板表面に堆積させる方法である。かかる方法の一好適例としてはパルスレーザアブレーション堆積(PLD)法が挙げられる。PLD法は、パルスレーザアブレーション法、もしくはパルスレーザ堆積法と呼ばれることもある。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、この蒸気を一定の温度に保持した基板上に堆積させてターゲット材料成分を含む薄膜を形成することができる。
また、CVD法は、薄膜構成原子を含む化合物ガスを原料として、化学反応を利用して薄膜化する方法であり、熱CVD、プラズマCVDあるいは光CVD等が挙げられる。
A ceramic film made of an oxygen ion conductor having a perovskite structure as described above can be formed on the substrate by using a physical vapor deposition (PVD) method or a chemical vapor deposition (CVD) method. The PVD method is a method of forming a thin film by vaporizing a solid material, which is a thin film material, using a physical action (heat source) by heat, laser light, an electron beam or the like and depositing it on a substrate. Such PVD methods are roughly classified into an evaporation system and a sputtering system when classified according to the vaporization method of the thin film raw material. The evaporation PVD method is a method in which a thin film raw material is heated and evaporated to condense and solidify on a substrate surface having a temperature lower than the evaporation temperature to form a thin film. A preferred example of such a method is an ion beam deposition method. In the ion beam deposition method, a thin film material is ionized by an ion generator, and the ions are irradiated by irradiating the thin film material ions emitted from an ion gun (an apparatus that accelerates and emits ions generated by the ion generator). Can be deposited on the substrate to form a thin film.
On the other hand, the sputtering PVD method evaporates by heating the thin film material, and condenses and solidifies on the substrate surface at a temperature lower than the evaporation temperature to form a thin film, and targets high energy atoms and molecules. This is a method of depositing on the substrate surface by evaporating and sputtering (sputtering). A preferred example of such a method is a pulsed laser ablation deposition (PLD) method. The PLD method is sometimes called a pulse laser ablation method or a pulse laser deposition method. In the PLD method, a target is irradiated with a pulsed laser to sequentially generate vapor (typically molecules, atoms, ions, nano- or micron-sized particles (clusters) generated from the target by pulsed laser irradiation). And the vapor is deposited on a substrate maintained at a constant temperature to form a thin film containing a target material component.
The CVD method is a method of making a thin film using a chemical reaction using a compound gas containing thin film constituent atoms as a raw material, and includes thermal CVD, plasma CVD, or photo-CVD.

以下、上記蒸着法の一例として上記PLD法を用いて上記結晶配向したセラミック膜を形成する場合について説明する。
上記セラミック膜を形成するために使用され得るターゲットとして、パルスレーザを照射して蒸発可能なセラミック膜原料であって、上記セラミック膜の構成元素を含むセラミック膜原料から構成されるものを好ましく用いることができる。また、かかるターゲットは、例えば、上記セラミック膜の構成元素を含む無機材料(典型的には該構成元素の酸化物あるいは炭酸塩)を適当な配合比で混合し、焼成することにより得られた焼結体を好ましく用いることができる。上記各無機材料の配合比については、レーザ照射により蒸気化した上記ターゲットが基板上に堆積したときに上記セラミック膜が目標とする組成比となるように決定される。例えば、上記セラミック膜としてLSTF酸化物の一つであるLa0.6Sr0.4Ti0.1Fe0.93−δからなる薄膜を基板上に形成する場合には、酸化ランタン(La)粉末、炭酸ストロンチウム(SrCO)粉末、二酸化チタン(TiO)粉末、および三酸化二鉄(Fe)の各原料粉末のそれぞれを、上記LSTF酸化物全体を1モルとして、構成元素のLaが0.6モル、Srが0.4モル、Tiが0.1モルおよびFeが0.9モルそれぞれ含まれるように決定された配合比で混合し、当該混合物を適当な方法(例えばプレス成形や押出成形)により成形し、酸化性雰囲気(例えば大気中)または不活性ガス雰囲気下で焼成することにより、所望する形状のターゲット(セラミック体)を得る。また、かかる場合の焼成温度は、典型的には1000℃〜1800℃(好ましくは1200℃〜1600℃)である。
Hereinafter, as an example of the vapor deposition method, a case where the ceramic film having the crystal orientation is formed by using the PLD method will be described.
As a target that can be used to form the ceramic film, a ceramic film raw material that can be evaporated by irradiating a pulse laser and that is composed of a ceramic film raw material containing the constituent elements of the ceramic film is preferably used. Can do. In addition, such a target is obtained by mixing and firing an inorganic material (typically, an oxide or carbonate of the constituent element) containing a constituent element of the ceramic film at an appropriate blending ratio. A ligation can be preferably used. The blending ratio of each inorganic material is determined so that the ceramic film has a target composition ratio when the target vaporized by laser irradiation is deposited on the substrate. For example, when a thin film made of La 0.6 Sr 0.4 Ti 0.1 Fe 0.9 O 3-δ, which is one of LSTF oxides, is formed on the substrate as the ceramic film, lanthanum oxide ( Each raw material powder of La 2 O 3 ) powder, strontium carbonate (SrCO 3 ) powder, titanium dioxide (TiO 2 ) powder, and ferric trioxide (Fe 2 O 3 ) was added in an amount of 1 mol of the entire LSTF oxide. As a mixture, the mixing ratio was determined so that La contained in the constituent element was 0.6 mol, Sr was 0.4 mol, Ti was 0.1 mol, and Fe was 0.9 mol. Forming a target (ceramic body) having a desired shape by molding by a simple method (for example, press molding or extrusion molding) and firing in an oxidizing atmosphere (for example, in the air) or an inert gas atmosphere That. In such a case, the firing temperature is typically 1000 ° C. to 1800 ° C. (preferably 1200 ° C. to 1600 ° C.).

上記ターゲットの大きさは、特に制限されないが、一般的な蒸着装置(PLD装置)に好適に使用されるためには、直径が1mm〜1000mm程度、特に100mm〜500mmで、厚さが0.5mm〜10mm、特に2mm〜5mm程度の円盤状であることが好ましい。   The size of the target is not particularly limited, but in order to be suitably used for a general vapor deposition apparatus (PLD apparatus), the diameter is about 1 mm to 1000 mm, particularly 100 mm to 500 mm, and the thickness is 0.5 mm. It is preferably a disc shape of about 10 mm, particularly about 2 mm to 5 mm.

また、ターゲットの表面粗さ(Ra値)は、好ましくは100μm以下であり、より好ましくは1nm〜50μm程度、さらに好ましくは1nm〜10μm程度、特に1nm〜5μm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100μm以下であり、より好ましくは1nm〜50μm、さらに好ましくは1nm〜10μmである。   Further, the surface roughness (Ra value) of the target is preferably 100 μm or less, more preferably about 1 nm to 50 μm, more preferably about 1 nm to 10 μm, and particularly preferably about 1 nm to 5 μm. be able to. Moreover, the maximum value (Rmax value) of the surface roughness is preferably 100 μm or less, more preferably 1 nm to 50 μm, and still more preferably 1 nm to 10 μm.

上記セラミック膜を形成する際に使用し得る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セラミック膜原料の蒸気(典型的には微小クラスター)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、このうち、KrFレーザ、ArFレーザ、XeClレーザ等のエキシマレーザ、YAGレーザ、あるいはルビーレーザが好適である。   The pulse laser that can be used for forming the ceramic film is a laser having a power capable of generating a vapor (typically a microcluster) of a ceramic film material from the target by irradiating the target. Any material having a frequency within the range can be appropriately selected and used according to the application without any particular limitation. For example, a nanosecond pulse laser can be used, and among these, an excimer laser such as a KrF laser, an ArF laser, or a XeCl laser, a YAG laser, or a ruby laser is preferable.

パルスレーザの周波数は、概ね500Hz以下の範囲内であることが好ましい。より好ましくは1Hz〜100Hz、さらに好ましくは1Hz〜80Hz、特に好ましくは1Hz〜50Hzである。
照射エネルギー(エネルギー密度)は、特に限定されないが、一般的なPLD法において用いられている範囲が好適である。例えば、100mJ/cm〜2000mJ/cm、好ましくは500mJ/cm〜1500mJ/cm、より好ましくは500mJ/cm〜1000mJ/cm、例えば800mJ/cm±100mJ/cm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 pulse laser is preferably in the range of approximately 500 Hz or less. More preferably, it is 1 Hz-100 Hz, More preferably, it is 1 Hz-80 Hz, Especially preferably, it is 1 Hz-50 Hz.
The irradiation energy (energy density) is not particularly limited, but a range used in a general PLD method is preferable. For example, 100mJ / cm 2 ~2000mJ / cm 2, preferably 500mJ / cm 2 ~1500mJ / cm 2 , more preferably 500mJ / cm 2 ~1000mJ / cm 2 , for example, 800mJ / cm 2 ± 100mJ / cm 2. However, higher energy can be used if the device can use higher energy.

上記セラミック膜の製膜雰囲気としては、約1×10−6Pa〜約1×10Pa(例えば、5×10−7Torr〜1Torr)内であることが好ましく、より好ましくは1×10−4Pa〜1×10Pa、さらに好ましくは1×10−3Pa〜50Pa、特に好ましくは2×10−3Pa〜30Pa(例えば、0.02mTorr〜0.2Torr)であるような低圧(真空)雰囲気である。
このときの雰囲気ガスは、特に限定されない。例えば、酸素ガスや大気等の酸化性ガス、または窒素(N)ガスやアルゴン(Ar)ガス等の不活性ガスであってもよい。このうち不活性ガス、特にArガスが好ましい。
The film atmosphere of the ceramic film, about 1 × 10 -6 Pa to about 1 × 10 3 Pa (e.g., 5 × 10 -7 Torr~1Torr) is preferably within, and more preferably 1 × 10 - Low pressure (vacuum) such as 4 Pa to 1 × 10 2 Pa, more preferably 1 × 10 −3 Pa to 50 Pa, particularly preferably 2 × 10 −3 Pa to 30 Pa (for example, 0.02 mTorr to 0.2 Torr). ) The atmosphere.
The atmosphere gas at this time is not particularly limited. For example, it may be an oxidizing gas such as oxygen gas or air, or an inert gas such as nitrogen (N 2 ) gas or argon (Ar) gas. Of these, an inert gas, particularly Ar gas is preferred.

パルスレーザの照射時間は、所望のセラミック膜の厚さ、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秒間〜30000秒間、好ましくは10秒間〜10000秒間、より好ましくは50秒間〜5000秒間、さらに好ましくは100秒間〜3000秒間である。   The irradiation time of the pulse laser can be appropriately selected depending on the desired thickness of the ceramic film, the number of irradiation times of the pulse laser, the frequency, and the like. For example, it is 1 second to 30000 seconds, preferably 10 seconds to 10000 seconds, more preferably 50 seconds to 5000 seconds, and still more preferably 100 seconds to 3000 seconds.

ターゲットから蒸発したセラミック膜成分を堆積させる際の基板の温度は、かかる基板の機械的強度が保持し得る温度であれば特に限定されないが、好ましくは1000℃以下、より好ましくは500℃〜1000℃、さらに好ましくは600℃〜900℃、例えば750℃±50℃である。また、このような温度を略一定に保持することにより、結晶配向性を制御しつつ上記セラミック膜を形成することができる。   The temperature of the substrate when depositing the ceramic film component evaporated from the target is not particularly limited as long as the mechanical strength of the substrate can be maintained, but is preferably 1000 ° C. or less, more preferably 500 ° C. to 1000 ° C. More preferably, it is 600 ° C. to 900 ° C., for example, 750 ° C. ± 50 ° C. Moreover, by maintaining such a temperature substantially constant, the ceramic film can be formed while controlling the crystal orientation.

基板上への堆積により形成された上記セラミック膜の厚さについては、特に限定されず、用途に応じて種々の厚さ寸法をとることができる。例えば、かかるセラミック膜を酸素分離膜として用いる場合には、0.1μm〜10μmであることが好ましく、より好ましくは0.1μm〜5μm、さらに好ましくは0.3μm〜2μmである。これらの範囲内であれば、酸素分離膜エレメントにおける酸素分離膜の緻密性が維持される程度に膜厚が十分に薄くなっているので、上記膜厚が酸素透過速度の律速となることはない。   The thickness of the ceramic film formed by deposition on the substrate is not particularly limited, and various thicknesses can be taken depending on the application. For example, when such a ceramic membrane is used as an oxygen separation membrane, the thickness is preferably 0.1 μm to 10 μm, more preferably 0.1 μm to 5 μm, and still more preferably 0.3 μm to 2 μm. Within these ranges, the film thickness is thin enough to maintain the denseness of the oxygen separation membrane in the oxygen separation membrane element, so the film thickness does not become the rate limiting rate of oxygen transmission. .

上記のような条件下でPLD法を用いることにより、以下のような結晶配向性を有するセラミック膜を基板上に得ることができる。かかるセラミック膜では、該膜を構成するペロブスカイト型構造の多結晶体のうちの全部または一部が、その構造の特定の結晶面(結晶軸)を特定の方向に沿わせるように配列(すなわち、該結晶面に配向)している。典型的には、この特定の結晶面が上記セラミック膜の表面に対して平行になるように配向している。かかるセラミック膜が配向する結晶面(配向面)は、特に上記セラミック膜が形成される(成長する)上記基板表面における結晶面の配向性(配向面)によって左右され得る。したがって、上記セラミック膜が酸素イオン伝導性を向上させ得る結晶配向性を有する表面をもつ基板が好ましく選択され得る。たとえば、上述したニッケル製の基板であって、{100}面が圧延面に平行であり<001>軸が圧延方向に平行である構造を備えた基板を用いると、該基板の{100}面上に形成されるセラミック膜は、(a00)面および(aa0)面に配向する。ここで、このセラミック膜における(a00)面のおよび(aa0)面の各配向度はいずれも10%以上(典型的には20%以上)である。また、上述のペロブスカイト型構造のチタン酸ストロンチウム製の基板であって、その(100)面に配向している基板を用いると、該基板の(100)面上に形成されるセラミック膜は、配向度100%で(a00)面に配向する。なお、上記aは1以上の整数であり、上記配向度とは、上記セラミック膜のX線回折強度(の測定値)から従来公知のLotgering法により算出される平均配向度をいう(特許文献8参照)。   By using the PLD method under the above conditions, a ceramic film having the following crystal orientation can be obtained on the substrate. In such a ceramic film, all or part of the perovskite type polycrystals constituting the film are arranged so that a specific crystal plane (crystal axis) of the structure is aligned in a specific direction (that is, Oriented on the crystal plane). Typically, this specific crystal plane is oriented so as to be parallel to the surface of the ceramic film. The crystal plane (orientation plane) on which the ceramic film is oriented can be influenced by the orientation (orientation plane) of the crystal plane on the substrate surface on which the ceramic film is formed (grown). Therefore, a substrate having a surface having a crystal orientation in which the ceramic film can improve oxygen ion conductivity can be preferably selected. For example, when using the above-described nickel substrate having a structure in which the {100} plane is parallel to the rolled surface and the <001> axis is parallel to the rolling direction, the {100} plane of the substrate is used. The ceramic film formed thereon is oriented in the (a00) plane and the (aa0) plane. Here, each degree of orientation of the (a00) plane and the (aa0) plane in this ceramic film is 10% or more (typically 20% or more). Further, when a substrate made of strontium titanate having the above-described perovskite structure and oriented in the (100) plane is used, the ceramic film formed on the (100) plane of the substrate is aligned. Oriented to the (a00) plane at a degree of 100%. In addition, said a is an integer greater than or equal to 1, and the said orientation degree means the average orientation degree computed by the conventionally well-known Lottgering method from the X-ray-diffraction intensity (measured value) of the said ceramic film (patent document 8). reference).

上記のようにして、セラミック膜を所定の結晶面に配向させて形成することにより、配向していないセラミック膜に比べてより一層高い酸素イオン伝導性を備えたセラミック膜を得ることができる。すなわち、かかる結晶配向性を備えるセラミック膜は、高い酸素イオン伝導性(酸素透過性)を必要とする膜(例えば酸素分離膜)として好ましく用いることができる。したがって、ここに開示される技術によると、上記基板と該基板上に形成された結晶配向性を有するセラミック膜とから構成されるセラミック膜材であって、より一層高い酸素イオン伝導性を有するセラミック膜材を得ることができる。   As described above, by forming the ceramic film oriented in a predetermined crystal plane, it is possible to obtain a ceramic film having even higher oxygen ion conductivity than a non-oriented ceramic film. That is, a ceramic membrane having such crystal orientation can be preferably used as a membrane (for example, an oxygen separation membrane) that requires high oxygen ion conductivity (oxygen permeability). Therefore, according to the technology disclosed herein, a ceramic film material composed of the substrate and a ceramic film having crystal orientation formed on the substrate, and having a higher oxygen ion conductivity A membrane material can be obtained.

このような構成を備える酸素イオン伝導性セラミック膜材は、該膜材を支持する多孔質支持体を備えることにより、酸素分離膜エレメントとして使用することができる。すなわち、ここで開示される酸素イオン伝導性セラミック膜材は、酸素分離膜エレメントのような高い酸素イオン伝導性を必要とする用途に適する膜材である。
かかる酸素分離膜エレメントは、上記酸素イオン伝導膜材からなる酸素分離膜の表面の一部または全体が多孔質支持体によって支持されている。この多孔質支持体が設けられていても、その内部を気体が容易に透過できるので、酸素透過速度を下げることなく酸素分離膜エレメント全体の機械的強度を増すことができる。
多孔質支持体として、従来のこの種の膜エレメントで採用されている種々の性状のセラミック多孔質体を使用できる。また、膜エレメントの使用温度域(通常500℃以上、典型的には800℃〜1000℃)において安定な耐熱性を有する材質から成るものが好ましく用いられる。例えば、ペロブスカイト型構造の酸素分離膜と同様の組成を有するセラミック多孔体、あるいはマグネシア、ジルコニア、窒化ケイ素、炭化ケイ素等を主体とするセラミック多孔体を用いることができる。あるいは、金属材料を主体とする金属質多孔体を用いてもよい。特に限定しないが、使用する多孔質支持体の水銀圧入法に基づく平均細孔径は0.1μm〜20μm程度が適当であり、水銀圧入法に基づく気孔率は5%〜60%程度が適当である。
酸素分離膜エレメントの製造については、例えば、上記酸素イオン伝導性セラミック膜材におけるセラミック膜側の表面に多孔質支持体を従来公知の方法(例えば拡散接合)により貼り合わせるように接合した後、必要に応じて該酸素イオン伝導性セラミック膜材を構成する基板を除去することにより、上記多孔質支持体上にセラミック膜を備えた酸素分離膜エレメントを得ることができる。あるいは、上記基板を除去せずに利用することもできる。例えば、かかる基板として好適例の一つである上記ニッケル製基板を用いた場合には、この基板の表面を酸化処理すると酸化ニッケルが生じる。このような基板を有する酸素分離膜エレメントでは、上記酸化ニッケルが存在する該基板側の表層部が、(例えば炭化水素の)酸化反応を促進する酸化触媒層として機能し得る。したがって、上記基板を酸化触媒層として利用できる構成の好ましい酸素分離膜エレメントを得ることができる。
An oxygen ion conductive ceramic membrane material having such a configuration can be used as an oxygen separation membrane element by including a porous support that supports the membrane material. That is, the oxygen ion conductive ceramic membrane material disclosed here is a membrane material suitable for applications requiring high oxygen ion conductivity, such as an oxygen separation membrane element.
In this oxygen separation membrane element, a part or the whole of the surface of the oxygen separation membrane made of the oxygen ion conductive membrane material is supported by a porous support. Even if this porous support is provided, the gas can easily permeate the inside thereof, so that the mechanical strength of the entire oxygen separation membrane element can be increased without lowering the oxygen permeation rate.
As the porous support, it is possible to use ceramic porous bodies having various properties that are employed in this type of conventional membrane element. Further, a material made of a material having stable heat resistance in the use temperature range of the membrane element (usually 500 ° C. or higher, typically 800 ° C. to 1000 ° C.) is preferably used. For example, a ceramic porous body having the same composition as the oxygen separation membrane having a perovskite structure, or a ceramic porous body mainly composed of magnesia, zirconia, silicon nitride, silicon carbide, or the like can be used. Alternatively, a metallic porous body mainly composed of a metal material may be used. Although not particularly limited, the average pore diameter based on the mercury intrusion method of the porous support to be used is suitably about 0.1 μm to 20 μm, and the porosity based on the mercury intrusion method is suitably about 5% to 60%. .
For the production of the oxygen separation membrane element, for example, it is necessary after joining the porous support to the surface on the ceramic membrane side in the above oxygen ion conductive ceramic membrane material so as to be bonded by a conventionally known method (for example, diffusion bonding). Accordingly, the oxygen separation membrane element provided with the ceramic membrane on the porous support can be obtained by removing the substrate constituting the oxygen ion conductive ceramic membrane material. Alternatively, it can be used without removing the substrate. For example, when the nickel substrate, which is one of the preferred examples, is used as the substrate, nickel oxide is generated when the surface of the substrate is oxidized. In the oxygen separation membrane element having such a substrate, the surface layer portion on the substrate side where the nickel oxide is present can function as an oxidation catalyst layer that promotes an oxidation reaction (for example, hydrocarbon). Therefore, a preferable oxygen separation membrane element having a configuration in which the substrate can be used as an oxidation catalyst layer can be obtained.

以下、本発明に関する実施例を説明するが、本発明を以下の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。   EXAMPLES Examples relating to the present invention will be described below, but the present invention is not intended to be limited to those shown in the following examples.

<実施例1>
基板として、ニッケル製の基板であって、その面心立方構造における{100}面が圧延面に平行であり、<001>軸が圧延方向に平行である構造を備えた基板(以下、「Ni{100}<001>基板」という。)を用意した。
次いで、以下のようにターゲットを作製した。すなわち、La0.6Sr0.4Ti0.1Fe0.93−δの組成となるような配合比で酸化ランタン(La)粉末、炭酸ストロンチウム(SrCO)粉末、二酸化チタン(TiO)粉末、およびFe粉末のそれぞれを混合した。次に、この混合物をPLD装置にセット可能な形状に成形し、酸化性雰囲気下(大気中)で、焼成した。焼成温度は1400℃〜1600℃であった。
次に、PLD装置に上記基板およびターゲットを所定位置にセットし、パルスレーザをターゲットに照射した。これにより蒸気化したターゲット成分を上記基板上に堆積させて、セラミック膜を上記基板上に形成した。上記パルスレーザは、波長248nm、パルス幅30nsのKrFレーザを用いた。また、当該レーザのパルスエネルギーは、450mJ/パルス、およびその周波数は30Hzであった。製膜条件は、0.04PaのAr雰囲気下で、エネルギー密度0.8J/cmで上記レーザを20分間ターゲットに照射した。上記基板は750℃に維持した。上記セラミック膜の膜厚は0.9μmであった。
<Example 1>
As a substrate, a substrate made of nickel having a structure in which the {100} plane in the face-centered cubic structure is parallel to the rolling surface and the <001> axis is parallel to the rolling direction (hereinafter, “Ni {100} <001> substrate ”).
Subsequently, the target was produced as follows. That is, lanthanum oxide (La 2 O 3 ) powder, strontium carbonate (SrCO 3 ) powder, dioxide dioxide at a blending ratio such that La 0.6 Sr 0.4 Ti 0.1 Fe 0.9 O 3-δ is obtained. Each of titanium (TiO 2 ) powder and Fe 2 O 3 powder was mixed. Next, this mixture was formed into a shape that can be set in a PLD apparatus, and fired in an oxidizing atmosphere (in the air). The firing temperature was 1400 ° C to 1600 ° C.
Next, the substrate and the target were set at predetermined positions in the PLD apparatus, and the target was irradiated with a pulse laser. Thus, the vaporized target component was deposited on the substrate to form a ceramic film on the substrate. As the pulse laser, a KrF laser having a wavelength of 248 nm and a pulse width of 30 ns was used. Further, the pulse energy of the laser was 450 mJ / pulse and its frequency was 30 Hz. Film formation conditions were as follows: the target was irradiated with the laser at an energy density of 0.8 J / cm 2 for 20 minutes in an Ar atmosphere of 0.04 Pa. The substrate was maintained at 750 ° C. The thickness of the ceramic film was 0.9 μm.

上記基板上にセラミック膜が形成された膜材において、上記基板側にLa0.6Sr0.4Ti0.1Fe0.93−δのペロブスカイト型酸化物(LSTF酸化物)からなる板状の多孔質支持体を拡散接合により接合した。
上記セラミック膜の組成をEDX組成分析により調べたところ、La0.6Sr0.4Ti0.1Fe0.93−δのペロブスカイト型酸化物からなることが確認された。
In the film material in which the ceramic film is formed on the substrate, the substrate side is made of a perovskite oxide (LSTF oxide) of La 0.6 Sr 0.4 Ti 0.1 Fe 0.9 O 3-δ. The plate-like porous support was bonded by diffusion bonding.
When the composition of the ceramic film was examined by EDX composition analysis, it was confirmed that the ceramic film was composed of a perovskite oxide of La 0.6 Sr 0.4 Ti 0.1 Fe 0.9 O 3-δ .

次に、X線回折装置(XRD)を用いて上記セラミック膜を測定し、当該膜の結晶構造解析を行った。この結果を図1に示す。図1に示されるように、上記セラミック膜では、(a00)面のピークおよび(aa0)面のピークが現れた。したがって、当該セラミック膜は、上記の2つの結晶面に配向した状態で上記Ni{100}<001>基板上に形成されていることが分かった。なお、上記結晶面におけるaは、図1ではa=1または2を示す。また、図1の横軸は回折角度[度]、縦軸は回折線強度(任意単位)を示す。
また、このXRD測定により得られたX線回折強度から、Lotgering法を用いて上記セラミック膜の(a00)面および(aa0)面の各配向度[%]を算出した。この結果、(a00)面の配向度は20%、(aa0)面の配向度は25%であった。
以上より、PLD法を用いてNi{100}<001>基板上に形成されたセラミック膜は、(a00)面および(aa0)面に配向したLSTF酸化物からなることがわかった。
Next, the ceramic film was measured using an X-ray diffractometer (XRD), and the crystal structure of the film was analyzed. The result is shown in FIG. As shown in FIG. 1, in the ceramic film, a peak on the (a00) plane and a peak on the (aa0) plane appeared. Therefore, it was found that the ceramic film was formed on the Ni {100} <001> substrate in a state of being oriented on the two crystal planes. Note that a in the crystal plane indicates a = 1 or 2 in FIG. Further, the horizontal axis of FIG. 1 indicates the diffraction angle [degree], and the vertical axis indicates the diffraction line intensity (arbitrary unit).
Further, from the X-ray diffraction intensity obtained by this XRD measurement, the degree of orientation [%] of the (a00) plane and the (aa0) plane of the ceramic film was calculated using the Lottgering method. As a result, the orientation degree of the (a00) plane was 20%, and the orientation degree of the (aa0) plane was 25%.
From the above, it was found that the ceramic film formed on the Ni {100} <001> substrate using the PLD method is composed of the LSTF oxide oriented in the (a00) plane and the (aa0) plane.

<実施例2>
基板として、チタン酸ストロンチウム製の基板であって、そのペロブスカイト型構造における(100)面に配向している基板(以下、「SrTiO(100)基板」という。)を用いた。それ以外は、上記実施例1と同じ手順で、PLD法を用いてSrTiO(100)基板上にセラミック膜を形成した。また、得られた膜材において、上記基板側にLa0.6Sr0.4Ti0.1Fe0.93−δのペロブスカイト型酸化物(LSTF酸化物)からなる板状の多孔質支持体を拡散接合により接合した。
上記セラミック膜の組成をEDX組成分析により調べたところ、実施例1と同様に、La0.6Sr0.4Ti0.1Fe0.93−δのペロブスカイト型酸化物からなることが確認された。
<Example 2>
As the substrate, a substrate made of strontium titanate and oriented in the (100) plane in the perovskite structure (hereinafter referred to as “SrTiO 3 (100) substrate”) was used. Otherwise, a ceramic film was formed on the SrTiO 3 (100) substrate using the PLD method in the same procedure as in Example 1. Further, in the obtained film material, perovskite oxide La 0.6 Sr 0.4 Ti 0.1 Fe 0.9 O 3-δ on the substrate side made of (LSTF oxide) plate-shaped porous The support was bonded by diffusion bonding.
When the composition of the ceramic film was examined by EDX composition analysis, it was found to be composed of a perovskite oxide of La 0.6 Sr 0.4 Ti 0.1 Fe 0.9 O 3-δ , as in Example 1. confirmed.

次に、X線回折装置(XRD)を用いて上記セラミック膜を測定し、当該膜の結晶構造解析を行った。この結果を図2に示す。図2に示されるように、上記セラミック膜では、(a00)面のピークが現れた。したがって、当該セラミック膜は、上記(a00)面に配向した状態で上記SrTiO(100)基板上に形成されていることが分かった。なお、上記結晶面におけるaは、図2ではa=1または2を示す。図2の横軸は回折角度[度]、縦軸は回折線強度(任意単位)を示す。
また、このXRD測定により得られたX線回折強度から、Lotgering法を用いて上記セラミック膜の(a00)面の配向度[%]を算出した結果、(a00)面の配向度は100%であった。
以上より、PLD法を用いてSrTiO(100)基板上に形成されたセラミック膜は、(a00)面に配向したLSTF酸化物からなることがわかった。
Next, the ceramic film was measured using an X-ray diffractometer (XRD), and the crystal structure of the film was analyzed. The result is shown in FIG. As shown in FIG. 2, the (a00) plane peak appeared in the ceramic film. Therefore, it was found that the ceramic film was formed on the SrTiO 3 (100) substrate in a state oriented to the (a00) plane. Note that a in the crystal plane indicates a = 1 or 2 in FIG. The horizontal axis in FIG. 2 indicates the diffraction angle [degree], and the vertical axis indicates the diffraction line intensity (arbitrary unit).
Further, from the X-ray diffraction intensity obtained by the XRD measurement, the degree of orientation [%] of the (a00) plane of the ceramic film was calculated using the Lottgering method. As a result, the degree of orientation of the (a00) plane was 100%. there were.
From the above, it was found that the ceramic film formed on the SrTiO 3 (100) substrate using the PLD method is made of LSTF oxide oriented in the (a00) plane.

<比較例>
まず、多孔質支持体を作製した。すなわち市販のLa0.6Sr0.4Ti0.1Fe0.93−δ粉末(平均粒径約50μm)に、一般的なバインダおよび分散剤を適量添加して、これらを混練した。次に、かかる混練物をプレス成形により外径約20mmで厚さが3mm程度の円筒形状に成形し、1400℃で焼成した。これにより、La0.6Sr0.4Ti0.1Fe0.93−δ製の多孔質支持体(以下、「LSTF支持体」という。)を作製した。
次に、市販のLa0.6Sr0.4Ti0.1Fe0.93−δ粉末(平均粒径約1μm)に一般的なバインダ、分散剤、可塑剤および溶媒をそれぞれ適量ずつ混合し、かかるスラリー状の混合物中に上記LSTF支持体を浸漬して、ディップコーティングした。そして、80℃で乾燥した後、大気雰囲気で1400℃まで昇温し、当該温度で3時間保持する焼成をおこなった。これにより、LSTF支持体上にLa0.6Sr0.4Ti0.1Fe0.93−δ膜(LSTF膜)を形成した。
<Comparative example>
First, a porous support was produced. That is, an appropriate amount of a general binder and a dispersing agent was added to commercially available La 0.6 Sr 0.4 Ti 0.1 Fe 0.9 O 3-δ powder (average particle diameter of about 50 μm), and these were kneaded. . Next, the kneaded product was formed into a cylindrical shape having an outer diameter of about 20 mm and a thickness of about 3 mm by press molding, and fired at 1400 ° C. Thus, a porous support made of La 0.6 Sr 0.4 Ti 0.1 Fe 0.9 O 3-δ (hereinafter referred to as “LSTF support”) was produced.
Next, commercially available La 0.6 Sr 0.4 Ti 0.1 Fe 0.9 O 3-δ powder (average particle size of about 1 μm) is added with appropriate amounts of general binder, dispersant, plasticizer and solvent, respectively. The LSTF support was immersed in the slurry mixture and dip coated. And after drying at 80 degreeC, it heated up to 1400 degreeC by air | atmosphere atmosphere, and the baking which hold | maintains at the said temperature for 3 hours was performed. Thereby, a La 0.6 Sr 0.4 Ti 0.1 Fe 0.9 O 3-δ film (LSTF film) was formed on the LSTF support.

次に、X線回折装置(XRD)を用いて上記LSTF膜(セラミック膜)を測定し、当該膜の結晶構造解析を行った。この結果を図3に示す。図3の横軸は回折角度[度]、縦軸は回折線強度(任意単位)を示す。図3に示されるように、上記セラミック膜では各種の結晶面に由来するピークが現れ、当該膜は特定の結晶面には配向しておらず、無配向膜であることが分かった。   Next, the LSTF film (ceramic film) was measured using an X-ray diffractometer (XRD), and the crystal structure of the film was analyzed. The result is shown in FIG. The horizontal axis in FIG. 3 indicates the diffraction angle [degree], and the vertical axis indicates the diffraction line intensity (arbitrary unit). As shown in FIG. 3, in the ceramic film, peaks derived from various crystal faces appeared, and it was found that the film was not oriented on a specific crystal face and was a non-oriented film.

上記実施例1、実施例2および比較例で得られたそれぞれの膜材について、それぞれの電気伝導度を測定することにより、それぞれの酸素イオン伝導性について評価した。まず、上記実施例1,2および比較例に係る膜材の各膜表面に電極となる白金ペーストを塗布した後、電流端子および電圧端子を上記電極部分に接続するための白金線を取り付けて850℃〜1100℃で10分間〜60分間焼き付け、任意の酸素分圧と温度に調整可能な装置内で、直流四端子法で各酸素分圧に対する導電率を測定することにより、酸素イオン伝導度[S/cm]を求めた。一定の温度条件(900℃)下における電気伝導度の測定結果を表1に示す。   About each film material obtained by the said Example 1, Example 2, and the comparative example, each oxygen ion conductivity was evaluated by measuring each electric conductivity. First, after applying a platinum paste as an electrode to each film surface of the film materials according to Examples 1 and 2 and the comparative example, a platinum wire for connecting a current terminal and a voltage terminal to the electrode part is attached 850. C. to 1100.degree. C. for 10 to 60 minutes, and by measuring the conductivity with respect to each oxygen partial pressure by the DC four-terminal method in an apparatus that can be adjusted to any oxygen partial pressure and temperature, the oxygen ion conductivity [ S / cm] was determined. Table 1 shows the measurement results of electrical conductivity under a constant temperature condition (900 ° C.).

Figure 0005376500
Figure 0005376500

表1に示されるように、セラミック膜が所定の結晶面に配向している実施例1および実施例2では、比較例に比べて酸素イオン伝導度が2倍近く上回っていることが確認された。これにより、無配向なセラミック膜よりも上記結晶面に配向しているセラミック膜では、酸素イオン伝導性がより一層向上することがわかった。   As shown in Table 1, it was confirmed that in Example 1 and Example 2 in which the ceramic film was oriented in a predetermined crystal plane, the oxygen ion conductivity was nearly twice as high as that in the comparative example. . Thereby, it was found that the oxygen ion conductivity was further improved in the ceramic film oriented in the crystal plane than in the non-oriented ceramic film.

以上、本発明を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、本発明は、さらに別の態様でも実施でき、その主旨を逸脱しない範囲で種々変更を加えうるものである。   Although the present invention has been described in detail above, these are merely examples, and the present invention can be implemented in other modes, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.

実施例1に係る酸素イオン伝導性セラミック膜材のセラミック膜のX線回折スペクトルである。2 is an X-ray diffraction spectrum of a ceramic film of an oxygen ion conductive ceramic film material according to Example 1. FIG. 実施例2に係る酸素イオン伝導性セラミック膜材のセラミック膜のX線回折スペクトルである。3 is an X-ray diffraction spectrum of a ceramic film of an oxygen ion conductive ceramic film material according to Example 2. FIG. 比較例に係るセラミック膜のX線回折スペクトルである。3 is an X-ray diffraction spectrum of a ceramic film according to a comparative example.

Claims (7)

基板と、該基板上に形成された酸素イオン伝導体からなるセラミック膜とを備えた酸素イオン伝導性セラミック膜材の製造方法であって:
前記基板を用意する工程、ここで、該基板は、所定の結晶面に配向した金属材料またはセラミック材料からなることを特徴とする;
前記セラミック膜を構成するための原料を用意する工程、ここで、該セラミック膜は、一般式:
1−xAeBO3−δ (1)
(ただし、Aは、Ln(ランタノイド)から選択される少なくとも1種の元素であり、Aeは、Sr、BaおよびCaからなる群から選択される1種または2種以上の元素であり、Bは、少なくともFeおよびTiを包含するペロブスカイト型構造を構成し得る2種以上の金属元素であり、0≦x≦1であり、δは電荷中性条件を満たすように定まる値である。)
で表わされるペロブスカイト型の酸素イオン伝導体からなることを特徴とする;および、
蒸着法により、前記基板の前記結晶面上に前記セラミック膜を配向度が20%以上となるように結晶配向させた状態で形成する工程、ここで前記蒸着法は、パルスレーザアブレーション堆積法およびイオンビーム蒸着法のいずれか一方であることを特徴とする;
を包含する、製造方法。
A method for producing an oxygen ion conductive ceramic membrane material comprising a substrate and a ceramic membrane made of an oxygen ion conductor formed on the substrate, comprising:
Preparing the substrate, wherein the substrate is made of a metal material or a ceramic material oriented in a predetermined crystal plane;
Preparing a raw material for constituting the ceramic film, wherein the ceramic film has the general formula:
A 1-x Ae x BO 3-δ (1)
(However, A is at least one element selected from Ln (lanthanoid), Ae is one or more elements selected from the group consisting of Sr, Ba and Ca, and B is a two or more metal elements that give constitute a perovskite structure including at least Fe and Ti, a 0 ≦ x ≦ 1, δ is a value determined in the charge neutrality condition is satisfied.)
And a perovskite-type oxygen ion conductor represented by:
Forming the ceramic film on the crystal plane of the substrate by a vapor deposition method in a state of crystal orientation so that the degree of orientation is 20% or more, wherein the vapor deposition method includes a pulse laser ablation deposition method and an ion One of the beam evaporation methods;
Manufacturing method.
前記蒸着法は、パルスレーザアブレーション堆積法であって、1×10−6Pa〜1×10Paの不活性ガス雰囲気下、周波数が1Hz〜100Hzで、エネルギー密度が100mJ/cm〜2000mJ/cmのパルスレーザを用いて行う、請求項1に記載の製造方法。 The vapor deposition method is a pulse laser ablation deposition method, in an inert gas atmosphere of 1 × 10 −6 Pa to 1 × 10 3 Pa, a frequency of 1 Hz to 100 Hz, and an energy density of 100 mJ / cm 2 to 2000 mJ /. It performed using a pulsed laser of cm 2, the method according to claim 1. 前記基板として、ニッケル製の基板であって、その{100}面が圧延面に平行であり<001>軸が圧延方向に平行である構造を備えた基板を使用することを特徴とする、請求項1または2に記載の製造方法。   As the substrate, a substrate made of nickel, which has a structure in which a {100} plane is parallel to a rolling surface and a <001> axis is parallel to a rolling direction, is used. Item 3. The method according to Item 1 or 2. 前記基板として、チタン酸ストロンチウム製の基板であって、そのペロブスカイト型構造の(100)面に配向している基板を使用することを特徴とする、請求項1または2に記載の製造方法。   3. The method according to claim 1, wherein the substrate is a substrate made of strontium titanate and oriented to the (100) plane of the perovskite structure. 4. 請求項1〜4のいずれかに記載の方法により製造されたことを特徴とする、酸素イオン伝導性セラミック膜材。   An oxygen ion conductive ceramic membrane material manufactured by the method according to claim 1. ニッケル製の基板であって、{100}面が圧延面に平行であり<001>軸が圧延方向に平行である構造を備えたニッケル製の基板と、該基板の{100}面上に形成された酸素イオン伝導体からなるセラミック膜とを備えた酸素イオン伝導性セラミック膜材であって、
前記セラミック膜は、
一般式:
1−xAeBO3−δ (1)
(ただし、Aは、Ln(ランタノイド)から選択される少なくとも1種の元素であり、Aeは、Sr、BaおよびCaからなる群から選択される1種または2種以上の元素であり、Bは、少なくともFeおよびTiを包含するペロブスカイト型構造を構成し得る2種以上の金属元素であり、0≦x≦1であり、δは電荷中性条件を満たすように定まる値である。)
で表わされるペロブスカイト型の酸素イオン伝導体からなり、
(a00)面または(aa0)面(ここで、aは1以上の整数である。)に配向度が20%以上で配向していることを特徴とする、酸素イオン伝導性セラミック膜材。
A nickel substrate having a structure in which the {100} plane is parallel to the rolling surface and the <001> axis is parallel to the rolling direction, and formed on the {100} plane of the substrate An oxygen ion conductive ceramic membrane material comprising a ceramic membrane made of an oxygen ion conductor,
The ceramic membrane is
General formula:
A 1-x Ae x BO 3-δ (1)
(However, A is at least one element selected from Ln (lanthanoid), Ae is one or more elements selected from the group consisting of Sr, Ba and Ca, and B is a two or more metal elements that give constitute a perovskite structure including at least Fe and Ti, a 0 ≦ x ≦ 1, δ is a value determined in the charge neutrality condition is satisfied.)
Consisting of a perovskite oxygen ion conductor represented by
An oxygen ion conductive ceramic membrane material characterized by being oriented at an orientation degree of 20% or more on the (a00) plane or the (aa0) plane (where a is an integer of 1 or more).
チタン酸ストロンチウム製の基板であってペロブスカイト型構造の(100)面に配向している基板と、該基板の(100)面上に形成された酸素イオン伝導体からなるセラミック膜とを備えた酸素イオン伝導性セラミック膜材であって、
前記セラミック膜は、
一般式:
1−xAeBO3−δ (1)
(ただし、Aは、Ln(ランタノイド)から選択される少なくとも1種の元素であり、Aeは、Sr、BaおよびCaからなる群から選択される1種または2種以上の元素であり、Bは、少なくともFeおよびTiを包含するペロブスカイト型構造を構成し得る2種以上の金属元素であり、0≦x≦1であり、δは電荷中性条件を満たすように定まる値である。)
で表わされるペロブスカイト型の酸素イオン伝導体からなり、
(a00)面(ここで、aは1以上の整数である。)に配向度が20%以上で配向していることを特徴とする、酸素イオン伝導性セラミック膜材。
An oxygen comprising a substrate made of strontium titanate and oriented in the (100) plane of a perovskite structure, and a ceramic film made of an oxygen ion conductor formed on the (100) plane of the substrate. An ion conductive ceramic membrane material,
The ceramic membrane is
General formula:
A 1-x Ae x BO 3-δ (1)
(However, A is at least one element selected from Ln (lanthanoid), Ae is one or more elements selected from the group consisting of Sr, Ba and Ca, and B is a two or more metal elements that give constitute a perovskite structure including at least Fe and Ti, a 0 ≦ x ≦ 1, δ is a value determined in the charge neutrality condition is satisfied.)
Consisting of a perovskite oxygen ion conductor represented by
An oxygen ion conductive ceramic membrane material characterized by being oriented at a degree of orientation of 20% or more on the (a00) plane (where a is an integer of 1 or more).
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