JP5386324B2 - 電解用電極の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、耐久性を有し、長期間安定して電解に使用できる電解用電極とその製造方法に関し、より詳細には耐久性を有するめっき用、金属電解採取用電極、特に高速亜鉛めっきや電解銅箔製造等の強酸性浴中、高電流密度下で使用可能であり、生成する金属、めっき層や銅箔上に不純物を殆ど含まないようにすることができる耐久性を有する電解用電極とその製造方法に関する。
電気分解プロセスは、クリーンな電気エネルギーを利用して、電極表面で化学反応を制御することにより、水溶液系であれば水素、酸素、オゾン、過酸化水素などを発生させることが可能であり、工業電解としては食塩電解、めっき、金属採取などで汎用されている基本技術である。EGL(Electro Galvanizing Line)を代表とする高速亜鉛めっきや電解銅箔製造等においては、チタン等の弁金属表面に白金族金属やその酸化物を被覆したいわゆる寸法安定性電極であるDSE(DSEは、ペルメレック電極(株)の登録商標である。)が使用されている。
DSEは他の電極に比較して格段に優れた安定性を示し、生成金属中への不純物の混入がなく、高品質であるため、汎用されている。この寸法安定性電極は食塩電解で使用され、優れた安定性を示すことが知られている。しかながら、めっき浴中等で使用すると、基体であるチタンの酸化腐食が進行し、白金族金属酸化物の被覆層が残留しているにも関わらず電解ができなくなるため、この対策が重要となる。該対策とは、基体金属表面に予め他の金属を含む酸化物を形成して半導性に近い導電性を与えたり、非化学量論的な酸化物を形成しておいたりする方法である。基体表面にタンタル成分を被覆し、該タンタル表面に電極物質を被覆する方法も実施されている。
たとえば、特許文献1及び特許文献2では、基体と電極活性物質との間にタンタルなどの金属あるいは合金などの中間層を形成させ、電極の耐久性を改善する技術が開示されている。
しかしながら、これらの方法では要求される安定性は必ずしも十分ではなかった。半導性の酸化物被覆は完全には形成できないため、ある時点で寿命に至ってしまい被覆物質を残したまま不働態化し、腐食に対して必ずしも十分な耐性を有するわけではない。導電性を保持するために白金等の導電材を埋設している電極でも同様な問題が生じている。
又前記したタンタルを被覆した電極では、タンタル自身は十分な耐食性を示すが、該タンタル表面の酸化状態の進行により、上記と同様の劣化が進行する。電極の耐久性を向上させるために種々の技術が提案されているが、いずれも従来の問題点を十分に解決できてはいない。
最近になって、導電性を付与したダイヤモンド電極が開発されている。ダイヤモンド電極は水の分解反応に対しては不活性であり、酸化反応では酸素以外にオゾンの生成が報告されている(特許文献3)。特許文献4ではダイヤモンドを陽極材料に用いて有機廃水が分解できることが示唆されている。特許文献5では導電性ダイヤモンドを陽極と陰極として使用し、有機物を電気化学的に処理する方法を提案している。
特許文献6では、このダイヤモンド層を中間層として、基材上に形成し、その後、白金族金属触媒を形成する技術が開示されている。しかしながら、このダイヤモンド中間層は平滑に析出した構造を有しており、このダイヤモンド中間層に触媒を形成する場合、特に、触媒原料を溶解した前駆体溶液を基材上に塗布し、熱処理によって触媒層を形成する場合、適切なアンカーが形成されないため、触媒塗布が困難であり、形成した触媒の脱落が容易に起こり、実用に至らなかった。
特許文献7には、従来のダイヤモンド電極より多数の微細孔を有する電極活性の高いダイヤモンド電極の製造方法を開示している。基材表面に被覆したダイヤモンド層に析出させた金属粒子を、還元ガス雰囲気中で熱処理することにより、前記金属を触媒とする炭素還元反応を進行させ、前記ダイヤモンド層の表面に微細孔を形成させている。ダイヤモンド層表面に担持した金属粒子を利用するため、原子レベル又はそれに近いレベルで微細孔が形成されたダイヤモンド層やダイヤモンド粒子が得られる。特許文献7では、このように、基材表面に微細孔が形成されたダイヤモンド層を形成したものを電極として使用している(例えば段落0021)。前記微細孔は、触媒であるダイヤモンド層の表面積を増加させて触媒活性を向上させることを意図している。
特許文献8には、ダイヤモンド粒子の表面に形成された微細孔に炭素反応性の触媒金属を担持した多数の導電性ダイヤモンド粒子を、バイダーと混合して、電気化学反応用電極触媒とする開示がある。この触媒は燃料電池の酸素極や水素極として使用できる。微細孔内に担持された金属触媒は、粒子表面に担持された金属触媒よりも触媒の安定性(凝集抑制、脱落防止)が高く、少量の金属で高活性及び長寿命が達成でき、高価な金属の使用量が低減できる。ダイヤモンド粒子に触媒を形成する技術が開示されているが、大型の工業電解用電極への応用については記載がない。
該手法に含まれるダイヤモンドの多孔化処理には、ダイヤモンド表面への金属ナノ粒子の担持→ダイヤモンドの接触水素化分解→金属ナノ粒子の溶解処理、など、複雑な工程を必要とする。また、ダイヤモンド表面と、酸素発生用電極触媒として利用されているIrO2−Ta2O5層との界面接合を、アンカー効果だけでなく、化学結合をも加えて強固にすることが望まれている。
特許第2761751号公報 特許第2574699号公報 特開平11−269685号公報 特開平7−299467号公報 特開平2000-226682号公報 特開平9−279398号公報 特開平2006−183102号公報 特開平2007−242433号公報
本発明は、前述の従来技術の問題点を解消し、電解液中への電極物質の溶出がなく、しかも耐久性に優れた電解用電極を提供することを目的とする。
問題点を解決するための手段
本発明の特徴は以下の特徴がある。
(1)電極基体、該電極基体表面に被覆した導電性ダイヤモンド中間層、該中間層に被覆した白金族金属及び/又はその酸化物を有する電極物質の触媒層を含んで成る電解用電極において、前記導電性ダイヤモンド中間層の前記触媒層側表面に微細孔を有することを特徴とする電解用電極。
(2)電極基体が、カーボンあるいはチタン、タンタル及びニオブから選択される弁金属である(1)に記載の電極。
(3)電極物質が、酸化イリジウムを主成分とする(1)に記載の電解用電極。
(4)微細孔の代表径が1nm以上100nm以下の範囲である(1)に記載の電極。
(5)電極基体、該電極基体表面に被覆した導電性ダイヤモンド中間層、該中間層に被覆した白金族金属及び/又はその酸化物を含む電極物質の触媒層を含んで成る電解用電極の製造方法において、前記電極基体表面に前記導電性ダイヤモンド中間層を形成した後、金属微粒子又は金属イオンを該中間層表面に塗布し、しかる後、還元ガス雰囲気中かつ600℃以上の温度に加熱処理することにより、前記金属微粒子又は金属イオンの金属を触媒とする炭素還元反応を進行させ、前記中間層表面に微細孔を形成させた後、電気化学反応を行うための触媒層を形成させることを特徴とする電解用電極の製造方法。
(6)炭素還元反応の触媒である金属が、コバルト、鉄、ニッケル、チタン、タンタル、ルテニウム、白金、ニオブ、モリブデン、タングステンのうちの少なくとも一種の金属である(5)に記載の製造方法。
(7)炭素還元反応の触媒である金属が、イリジウム、または、イリジウムとタンタルである(5)に記載の製造方法。
(8)微細孔形成後に残存する金属微粒子を酸で溶解除去する請求項(5)に記載の製造方法。
このような構成により電極の安定性、特にダイヤモンド中間層からの触媒層の剥離耐性が改善され、過酷な電解に耐性のある電極を提供することができる。
特に(7)に記載した高耐食性電極は、Ir、あるいはIrおよびTaの金属粒子がダイヤモンドと水素の反応の触媒となってダイヤモンドを掘削しダイヤモンドの表面を多孔化するものである。上述の処理の後に孔の底に残存するIrあるいはTaとの合金粒子を利用して、電極触媒であるIrO2−Ta2O5金属酸化物層をダイヤモンドに強固に担持した電極を作製する。この方法は、多孔化したダイヤモンドの孔の底に残存する金属粒子の溶解過程を必要とせず、IrO2−Ta2O5金属酸化物と同じ元素で、孔の底に残存するIr、Taあるいはそれらの合金粒子を利用して、IrO2−Ta2O5層とダイヤモンドとの接合性を強固に形成させるという特長を有している。
本発明は、電極基体、該電極基体表面に被覆した導電性ダイヤモンド構造の物質を含む中間層及び該中間層表面に被覆した白金族金属及び/又はその酸化物を有する電極物質を触媒層として含んで成る電解用電極の前記導電性ダイヤモンド中間層の前記触媒層側表面に微細孔を有することを特徴とする。基体と触媒層の間に、微細孔を有する導電性ダイヤモンド構造の物質を有する中間層を形成すると、前記微細孔のアンカー効果により触媒層が中間層に強固に密着し、腐食雰囲気下での電解に使用しても十分な耐食性を示し、長期間の安定した電解操作を可能にする。
実施例1における、多孔化したダイヤモンド中間層の走査型電子顕微鏡写真(倍率:50000倍)。 図1Aのダイヤモンド中間層の走査型電子顕微鏡写真(倍率:150000倍)。 図1Aのダイヤモンド中間層表面被覆した触媒層の倍率の異なる2枚の走査型電子顕微鏡写真(左上の写真の倍率:2500倍、右下の写真の倍率:25000倍)。
本発明が提案する電解用電極の詳細を説明する。
本発明の電解用電極は、各種電解に使用でき、その用途は特に限定されないが、各種めっき(例えば高速亜鉛めっき)用、金属電解採取(電解銅箔製造)用、食塩電極用、有機電解用、オゾン製造用、水処理用などに好ましく使用できる。
本発明の電解用電極は、電極基体、該電極基体表面に被覆した、微細孔を有する導電性ダイヤモンド中間層、及び該中間層に被覆した触媒層を含んで成る電解用電極である。
前記電極基体の材質としてはチタン、ニオブ、タンタル、珪素、カーボン等とし、これらを粒子、繊維、板、穴明き板、金網、粉末焼結体、金属繊維焼結体等に加工して使用する。該電極基体は集電体を兼ねていても良い。本発明の電解用電極を、腐食性成分を含有する電解液にて電解酸化用として利用する場合は、前記基体として耐腐食性の強いニオブやタンタルを使用することが望ましい。基体材質をチタンとし、その表面に耐腐食性の強いニオブやタンタルの薄膜を形成し、このような複合材料を基体とすることも可能である。
該基体表面に直接導電性ダイヤモンド構造の電極物質を被覆して導電性ダイヤモンド中間層を形成するが、該中間層の導電性ダイヤモンド構造の物質と前記基体との密着性を向上させるため及び実質電流密度を低下させるために、基体表面の粗化を行なうことが好ましく、高電流密度条件で使用する場合には#20程度のアルミナグリッド等を使用して表面積を増大させ、腐食条件下の比較的低電流密度下で使用する場合には#60〜120 程度の細かいアルミナサンドで表面粗化を行ない被覆の付着性を向上させることが望ましい。
このように、ニオブ等の基材表面を研磨することは密着性の増大に寄与するために好ましい。このときダイヤモンド粉末を用い、核として基体に付与すること、或いは傷付け処理を行うことは、均一なダイヤモンド中間層の成長に効果がある。
本発明の導電性ダイヤモンド中間層としては、硼素、リン、グラファイト等の不純物をドープして導電性としたダイヤモンドや、ダイヤモンドと無定形酸化硼素等との複合物質(DLN、diamond nano composite)、DLC(ダイヤモンドライクカーボン)などを使用する。一部に僅かな量のグラファイトがダイヤモンド構造中に共存したものも利用可能である。
ダイヤモンド層は従来と同様に、電極基体上に被覆して中間層を構成する。ダイヤモンドは0.01〜10μmの粒径を有する微粒子であることが望ましく、厚さは基体への電解液浸入を抑制する目的から約0.1 〜10μmとすることが好ましく、1〜10μmであることが特に好ましい。
中間層物質としての合成ダイヤモンドは基体上に被覆して使用されるため、還元操作により生成する合成ダイヤモンドは、単離することなく電極基体表面に直接付着させることが望ましい。ダイヤモンド単独では導電性がないため、通常は前述の通り、原料である有機化合物に不純物を混入させ、前記有機化合物とともに前記基体上に付着させることにより、導電性の良好なダイヤモンドとする。前記不純物としては炭素と原子価の異なる元素から成る単体やそれを含む化合物、例えば粉末硼酸(酸化硼素)や五酸化二リン等を使用できる。この他にジボラン(B2H6)やホスフィン(PH3 )も前記不純物として使用可能であるが、毒性が高いため、前記粉末硼酸及び五酸化二リンを使用することが望ましい。該不純物の含有率は好ましくは1〜10000ppm、より好ましくは100 〜1000ppmである。抵抗率は100〜0.1Ωcmの範囲で制御可能である。
ダイヤモンドの形成方法としては熱フィラメントCVD、マイクロ波プラズマCVD、プラズマアークジェット法、PVD法などが開発されている。粉末を得るには従来からの超高圧による合成ダイヤモンド粉末(HPHT法)、プラズマアークジェット法が使用される。
代表的な熱フィラメントCVD法について以下に説明する。
反応装置内は水素気流下とし、炭素源として、CH4、CH3OHなどを供給するが、気化可能な有機化合物であれば制限なく使用できる。水素に対する有機化合物ガス濃度は0.1〜5vol%、装置内圧力は0.002〜0.1MPaが好ましい。
反応装置は水素雰囲気かつ高温に耐性のある材料を用いる。フィラメント温度を炭素ラジカルが生成する温度1800〜2600℃にする一方、ダイヤモンドが析出する温度(650〜950℃)領域に電極基材を設置する。フィラメント材質としては、Ta、Wなどが好ましい。
形成する微細孔の寸法、分散度合は、金属粒子の析出状態に依存するため、目的に応じて制御できる。高温においては、結晶粒界やエッジ、キンク、ステップに金属が移動し凝集するため、特定の結晶方位に沿って孔形成反応は進行しやすく、生じる孔寸法も大きくなる傾向がある。金属触媒としては、コバルト、鉄、ニッケル、チタン、タンタル、ルテニウム、白金、ニオブ、モリブデン、タングステン、イリジウム、及びそれらの合金などが使用できる。
反応条件としては0.1MPaの常圧で、水素などの還元性ガスは窒素などの不活性ガスと混合して反応装置に供給され、その割合は3〜30%H2及び 70〜97%不活性ガスの範囲が好ましい。反応時間により微細孔が増減するが、通常1〜10時間処理することが好ましい。温度は600〜900℃とすることが好ましい。
微細孔の代表径や孔深さは、条件により、前者は1nm〜100nmの範囲で、後者は1nm〜100nmの範囲で調整可能である。孔径は1nm未満であると、後述の触媒前駆体含有溶液の浸透が制限され、触媒が形成されない。一方、100nmより大きい孔を形成することは可能であるが、そもそも微細孔を形成するダイヤモンド粒子寸法が100nm〜10μmであるため、本発明を利用する実用上の意義がない。
炭素還元反応を行う触媒粒子と接するダイヤモンド炭素の還元反応は以下のように進行すると考えられる。
C + 2H2 = CH4
孔形成工程完了後に、金属粒子がダイヤモンド表面に残留するが、酸で溶解可能であり、該粒子が電解時に安定でない場合は、電極として使用する前に除去することが好ましい。一方、電極として安定な成分、例えばイリジウム、タンタル、白金などを粒子として用いる場合、後述の触媒前駆体含有溶液の熱分解にこの粒子が核として作用し、ダイヤモンド中間層との密着性の向上に寄与すると推定されるため、除去しなくても良い。
また、多孔化したダイヤモンドを酸化処理することで、その表面を酸素終端とすることで、後述の熱分解酸化物との接合性を改善することも好ましい。
金属粒子の形成方法の例として、ダイヤモンド表面に金属塩を含む溶液を塗布して水素気流中で加熱し、金属粒子を得、その金属粒子がダイヤモンドと水素の反応の触媒となってダイヤモンドを掘削しダイヤモンドの表面を多孔化させることができる。
次いでこのようにして形成された前記中間層の表面に電極物質を被覆して本発明に係わる耐久性を有する電解用電極が製造される。
前記電極物質は前記電解用電極の用途に応じて選択すれば良く、耐久性が多少劣っていても、前記導電性ダイヤモンド構造の物質を有する中間層により電解液や酸素の浸入が抑制されるため、長期間安定した電解操作を継続できる。しかしながら当然に耐久性を有する電解物質を使用することが望ましく、白金、パラジウム、イリジウム、ルテニウム及びロジウム等の白金族金属やその酸化物を主成分とする電極物質、例えば酸化イリジウムと酸化タンタルの複合酸化物を使用することが好ましい。この電極物質は通常使用される熱分解法で中間層表面に被覆すれば良く、例えば塩化イリジウムとブチルタンタレートの混合物の溶液を塗布液として前記中間層の表面に塗布し乾燥後、加熱分解を行ない、更に必要に応じてこれらの操作を繰り返して所望量の電極物質を被覆する。好ましい繰り返し回数は10〜30回である。
[実施例]
次に本発明に係わる電解用電極の実施例を記載するが、該実施例は本発明を限定するものではない。
[実施例1]
[基体処理]:
市販の厚さ2mmのニオブ板を基体金属として、その表面を#60のアルミナサンドを使用し圧力4kg/cm2でブラスト掛けを行なった。表面に残ったブラスト砂をワイヤブラシで除去した後、酸洗した。この基体金属の表面粗度はJIS規格にてRa=6μmであった。
[ダイヤモンド中間層形成]:
ダイヤモンド微粒子(約3μm径)からなる研磨材を用いて、前記ニオブ基材表面を研磨し、表面の活性化、核付けを行った後、熱フィラメントCVD装置に装着した。炭素源としてはエチルアルコールを用い、これに酸化ホウ素1500ppmの濃度で溶解させておいた。
水素ガスを一定の速度で流し、一部は炭素源容器にバイパスさせ、水素に対するエチルアルコールガス濃度は0.5vol%とし、これらのガスを装置内に流しながら、タングステンフィラメントに電流を流し、炭素ラジカルが生成する温度2200〜2400℃に昇温した。フィラメント直下にある基材の温度を測定したところ、800℃であった。12時間CVD操作を継続した後、基材を取出した。ダイヤモンド厚さは約5μmであった。
[中間層微細孔形成]
このようにして作製した5μmの厚さの1500ppmダイヤモンド中間層に、ニッケル微粒子を真空蒸着によって塗布し、その後、1気圧の10%H2+90%N2フロー下で、900℃にて2時間処理し、ニッケル微粒子のニッケル金属を触媒とする炭素還元反応を進行させ、前記ダイヤモンド中間層の表面に微細孔を形成した(図1Aの写真a及びb)。微細な孔の寸法は、直径が数nm〜数百nm、深さは数十nmであった。処理前と処理後のラマンピークを比較したが、1330cm−1のダイヤモンドピークに大きい変化はなかった。処理後表面のニッケル粒子は硫酸で溶解させ、ダイヤモンドのみを残留させた。
[触媒層形成]
塩化イリジウムとブチルタンタレートを金属モル比2:1の割合で混合したブチルアルコールと塩酸混合物を溶媒とした溶液を、触媒前駆体溶液として準備した。前記中間層の表面に、前記触媒前駆体溶液を塗布し、乾燥後、流通空気中450℃で10分間加熱分解を行ない、これを5回繰り返してイリジウム換算で0.04モル/m2の電極物質を被覆した(図2の写真)。この写真では、微細孔および表面に触媒が形成されていることがわかる。このように作製した電極を面積1cm2に切り出し陽極とし、対極をジルコニウム板とし、極間を1cmとして、150g/L硫酸、60℃の条件で電解を行ったところ、5A/cm2の電流密度で850時間安定したセル電圧を維持し、長期間の使用が可能であることが確認された。
[比較例1]
中間層の微細孔形成を行わなかったこと以外は、実施例1と同様に、触媒層を形成した電極を作製した。これを電解したところ、500時間経過後に基体の腐食と考えられる被覆の脱離が起こり、電解が継続できなくなった。
[実施例2]
実施例1と同様にして、ダイヤモンドの多孔化処理を行い、前記ダイヤモンド中間層の表面に微細孔を形成した後、150g/Lの硫酸中で陽分極(0.01A/cm2、5分間)させ、電極表面を酸素終端させた。その後は実施例1と同様にして貴金属を有する電極を作製し、この電極を使用して電解したところ、1100時間安定したセル電圧を維持し、長期間の使用が可能であることが確認された。
[実施例3]
実施例1と同様に作製したダイヤモンド中間層を形成させたNb板に、5mMのブチルタンタレートの1−ブタノール溶液を滴下し、60℃にて乾燥させた。その後、0.1MPaの10%H2+90%N2フロー下で、900℃で4時間多孔化処理し、タンタルイオンをタンタル微粒子とし、タンタル微粒子のタンタル金属を触媒とする炭素還元反応を進行させ、前記ダイヤモンド中間層の表面に微細孔を形成した。
しかる後、酸洗浄せずに触媒を形成したこと以外は、実施例1と同様に電極を作製した。この電極を使用して電解したところ、1200時間安定したセル電圧を維持し、長期間の使用が可能であることが確認された。
[実施例4]
実施例1と同様に作製したダイヤモンド中間層を形成させたNb板に、5mMの塩化イリジウムの1−ブタノール溶液を滴下し、60℃にて乾燥させた。その後、0.1MPaの10%H2+90%N2フロー下で、1000℃にて2時間処理し、イリジウムイオンをイリジウム金属の微粒子に変換し、この微粒子のイリジウム金属を触媒とする炭素還元反応を進行させ、前記ダイヤモンド中間層の表面に微細孔を形成した。微細孔の寸法はAFMで観察したところ、直径が約10nmに分布した。(平均直径は約10nmであった)。表面のイリジウム粒子はダイヤモンド孔内に残留していた。この上に実施例1と同様にIrO2−Ta2O5金属酸化物層を形成した電極を作製し、同様の電解を行ったところ、1300時間、安定に稼働した。
[実施例5]
実施例1と同様に作製したダイヤモンド中間層を形成させたNb板に、5mMの塩化イリジウムとブチルタンタレート(Ir:Taモル比=7:3)の1−ブタノール溶液を滴下し、60℃にて乾燥させた。その後、0.1MPaの10%H2+90%N2フロー下で、1000℃にて2時間処理し、イリジウムイオンとタンタルイオンをイリジウム・タンタル合金微粒子に変換し、このイリジウム・タンタル合金を触媒とする炭素還元反応を進行させ、ダイヤモンド中間層の表面に微細孔を形成した。微細孔の寸法はAFMで観察したところ、直径が約5nmに分布した。(平均直径は約5nmであった)。この上に実施例1と同様にIrO2−Ta2O5金属酸化物層を形成した電極を作製し、同様の電解を行ったところ、1500時間、安定に稼働した。

Claims (5)

  1. 電極基体、該電極基体表面に被覆した導電性ダイヤモンド中間層、該中間層に被覆した白金族金属及び/又はその酸化物を含む電極物質の触媒層を含んでなる電解用電極の製造法において、
    前記電極基体表面に前記導電性ダイヤモンド中間層を形成した後、
    該中間層表面に、イリジウム、タンタル、又はイリジウム・タンタル合金のうちの少なくとも1種の金属又は合金微粒子を塗布し、又は、イリジウム及び/又はタンタルの金属イオン含有溶液を塗布し、
    しかる後、これを還元ガス雰囲気中かつ600℃以上の温度で加熱処理することにより、前記塗布した金属又は合金微粒子、又は、前記金属イオンが変換したイリジウム、タンタル、又はイリジウム・タンタル合金の少なくとも1種の金属又は合金微粒子、を触媒とする炭素還元反応を進行させ、前記中間層表面に微細孔を形成させた後、
    前記金属又は合金微粒子を核として作用させて前記中間層の表面に電気化学反応を行うための触媒層を形成させることを特徴とする電解用電極の製造方法。
  2. 前記電極基体がカーボン、或いはチタン、タンタル及びニオブから選択される弁金属からなる請求項1に記載の電解用電極の製造方法
  3. 前記電極物質の主成分が酸化イリジウムである請求項1又は2記載の電解用電極の製造方法
  4. 前記微細孔の代表径が1nm以上100nm以下の範囲である請求項1〜3のいずれか1項に記載の電解用電極の製造方法
  5. 炭素還元反応の触媒である金属が、イリジウム、または、イリジウムとタンタルである請求項1〜4のいずれか1項に記載の電解用電極の製造方法。
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