JP6152139B2 - 電解用途用の電極 - Google Patents
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Description
酸素発生プロセスは、工業電気化学の分野で良く知られており、セメント質構造のカソード防食のほか、電解採取、電気精錬、電気メッキなどの多種多様な電気冶金プロセス及びその他の非冶金プロセスなどを含む。
本発明のいくつかの側面は、添付の特許請求の範囲に示されている。
− 触媒層と直接接触し、チタン−タンタル酸化物の熱緻密化(thermally-densified)混合相からなる、より外側の一次バリア層と、そして
− 基材と直接接触し、本質的に一次バリア層から拡散してくる酸化タンタル及び酸化チタンの包含物(inclusions)で改質された非化学量論的酸化チタンからなる、より内側の二次バリア層と
を含む。
一態様において、チタンとタンタルの前駆体溶液の熱分解ステップ後、得られたチタンとタンタルの混合酸化物層は、電極を適切な媒体中でクエンチングすることによって予備緻密化される。一態様において、クエンチングステップの冷却速度は少なくとも200℃/sである。これは、例えば、チタンとタンタルの混合酸化物層で被覆された基材をオーブン(400〜600℃)から取り出し、それをすぐに冷水に浸漬することによって得られる。その後、二重バリア層を形成するために、400〜600℃での後焼付けを十分な時間実施する。クエンチングステップは、他の適切な液体媒体、例えば油中でも、又は所望により強制換気下で空気中でも実行できる。クエンチングは、混合チタン−タンタル酸化物相の緻密化を補助し、その後の後焼付けステップの時間をある程度削減可能にするという利点を有しうる。
グレード1のチタンの0.89mm厚シートを18体積%のHCl中でエッチングし、アセトンで脱脂した。シートを5.5cm×15.25cm片にカットした。各片を電極基材として使用し、Ti−イソプロポキシド溶液(2−プロパノール中175g/l)とTaCl5溶液(濃HCl中56g/l)を異なるモル比で混合することによって得た前駆体溶液で被覆した(組成物1:100%Ti;組成物2:80%Ti、20%Ta;組成物3:70%Ti、30%Ta;組成物4:60%Ti、40%Ta;組成物5:40%Ti、60%Ta;組成物6:20%Ti、80%Ta;組成物7:100%Ta)。上記組成物のそれぞれにつき3個の異なるサンプルを以下のように製造した。7種類の前駆体溶液を対応する基材サンプルに刷毛塗りによって適用し、次いで該基材を130℃で約5分間乾燥させ、その後515℃で5分間硬化した。この操作を5回繰り返した後、各被覆基材を515℃で3時間の最終熱処理に付した。
グレード1のチタンの0.89mm厚発泡シートを18体積%のHCl中でエッチングし、アセトンで脱脂した。シートを5.5cm×15.25cm片にカットした。各片を電極基材として使用し、Ti−イソプロポキシド溶液(2−プロパノール中175g/l)とTaCl5溶液(濃HCl中56g/l)を、前の実施例の組成物1及び3に対応する異なるモル比で混合することによって得た前駆体溶液で被覆した。各組成物につき3個の異なるサンプルを以下のように製造した。2種類の前駆体溶液を対応する基材サンプルに刷毛塗りによって適用し、次いで該基材を130℃で約5分間乾燥させ、その後515℃で5分間硬化した。硬化後、サンプルを20℃の脱イオン水に浸漬することによってクエンチングした。このようにして約250℃/sのクエンチング速度を得た。全操作を5回繰り返した後、各被覆基材を515℃で3時間の最終熱処理に付した。
グレード1のチタンの0.89mm厚発泡シートを18体積%のHCl中でエッチングし、アセトンで脱脂した。シートを5.5cm×15.25cm片にカットした。各片を電極基材として使用し、TiCl3水溶液とTaCl5塩酸溶液を実施例1の7種類の組成物に対応する異なるモル比で混合することによって得た前駆体溶液で被覆した。各組成物につき3個の異なるサンプルを以下のように製造した。7種類の前駆体溶液を対応する基材サンプルに刷毛塗りによって適用し、次いで該基材を130℃で約5分間乾燥させ、その後515℃で5分間硬化した。この操作を5回繰り返した。最終熱処理もクエンチングステップも適用しなかった。
触媒層で被覆されなかったサンプルの組をX線回折(XRD)に付し、図3に収集されたスペクトルを得た。ピーク11はチタン基材に帰属でき、ピーク22及び23は酸化チタン種の特徴であり、ピーク33、34及び35はタンタルに帰属できる。
グレード1のチタンの0.89mm厚発泡シートを18体積%のHCl中でエッチングし、アセトンで脱脂した。シートを5.5cm×15.25cm片にカットした。各片を電極基材として使用し、Ti−イソプロポキシド溶液(2−プロパノール中175g/l)とTaCl5溶液(濃HCl中56g/l)を70%Ti及び30%Taのモル比で混合し、選択量のNbCl5を加えることによって得た前駆体溶液で被覆した。総Nbモル含有量が2、4、6、8及び10%の5種類の異なる組成物を製造した。
グレード1のチタンの0.89mm厚発泡シートを18体積%のHCl中でエッチングし、アセトンで脱脂した。シートを5.5cm×15.25cm片にカットした。各片を電極基材として使用し、Ti−イソプロポキシド溶液(2−プロパノール中175g/l)とTaCl5溶液(濃HCl中56g/l)を70%Ti及び30%Taのモル比で混合し、選択量のCeCl3を加えることによって得た前駆体溶液で被覆した。総Ceモル含有量が2、4、6、8及び10%の5種類の異なる組成物を製造した。
[1]
電解用途用の電極であって、
− チタン又はチタン合金から製造された基材と
− 一次及び二次バリア層を含む二重バリア層であって、
前記二次バリア層は、前記基材と直接接触し、本質的に酸化タンタル及び酸化チタンの包含物で改質された非化学量論的酸化チタンからなり、前記一次バリア層は、前記二次バリア層と直接接触し、酸化チタン及び酸化タンタルを含有する熱緻密化された混合酸化物相を含む二重バリア層と、そして
− 白金族金属又はその酸化物を含む触媒層と
を含む電極。
[2]
前記一次バリア層が、10,000nm2表面あたり25粒子を超える密度を有する、1に記載の電極。
[3]
前記一次バリア層が、10,000nm2表面あたり80〜120粒子の密度を有する、1に記載の電極。
[4]
前記混合酸化物相におけるTi:Taのモル比が60:40〜80:20である、1〜3のいずれか1項に記載の電極。
[5]
前記一次バリア層における前記混合酸化物相がさらに、Ce、Nb、W及びSrの酸化物からなる群から選ばれる2〜10mol%のドーピング剤を含有し、前記二次バリア層がさらに、Ce、Nb、W又はSrの酸化物の包含物を含有する、4に記載の電極。
[6]
前記一次バリア層が3〜25マイクロメートルの厚さを有し、前記二次バリア層が0.5〜5マイクロメートルの厚さを有する、前記のいずれか1項に記載の電極。
[7]
前記触媒層が、酸化イリジウム及び酸化タンタルを含む、前記のいずれか1項に記載の電極。
[8]
1〜7のいずれか1項に記載の電極の表面上での酸素のアノード発生を含む電解プロセス。
[9]
電解採取、電気精錬及び電気メッキからなる群から選ばれる、1〜7のいずれか1項に記載の電極の表面上での酸素のアノード発生を含む電気冶金プロセス。
[10]
1〜7の電極の製造法であって、
− チタン又はチタン合金の基材を用意し
− 前記基材を、チタン及びタンタル種及び所望によりCe、Nb、W又はSr種を含有する前駆体溶液を前記基材に適用することによって1コート又は複数コートの混合酸化物層で被覆し、各コート毎に120〜150℃で乾燥させ、そして前記前駆体溶液を400〜600℃で5〜20分間熱分解し
− 被覆基材を400〜600℃の範囲の温度で1〜6時間、前記二重バリア層が形成されるまで熱処理に付し
− 前記触媒層を前記二重バリア層上に、白金族金属化合物を含有する溶液を1コート又は複数コート適用し、熱分解することによって形成する
ステップを含む方法。
[11]
前記前駆体溶液が、水のモル含有量1〜10%を有し、Tiアルコキシド種、所望によりTiイソプロポキシドを含有する含水アルコール溶液である、10に記載の方法。
[12]
チタン及びタンタル種を含有する前記前駆体溶液の前記熱分解ステップの後にクエンチングステップが続く、10又は11に記載の方法。
[13]
前記クエンチングステップの冷却速度が少なくとも200℃/sである、12に記載の方法。
Claims (10)
- チタン又はチタン合金から製造された基材と
一次及び二次バリア層を含む二重バリア層であって、
前記二次バリア層は、前記基材と直接接触し、酸化タンタル及び酸化チタンの包含物で改質された非化学量論的酸化チタンからなり、前記一次バリア層は、前記二次バリア層と直接接触し、前記一次バリア層は、酸化チタン及び酸化タンタルを含有する熱緻密化された混合酸化物相を含み、かつ酸化チタン及び酸化タンタルの複数の粒子を含有し、前記一次バリア層は、10,000nm2表面あたり25粒子を超える前記粒子の面密度を有する、二重バリア層と、そして
白金族金属又はその酸化物を含む触媒層と
を含む電解用途用の電極の製造法であって、
− チタン又はチタン合金の基材を用意し
− 前記基材を、水のモル含有量1〜10%を有し、かつチタン及びタンタル種を含有する前駆体含水アルコール溶液を前記基材に適用することによって1コート又は複数コートの混合酸化物層で被覆し、各コート毎に120〜150℃で乾燥させ、そして前記前駆体溶液を400〜600℃で5〜20分間熱分解し
− 被覆基材を400〜600℃の範囲の温度で1〜6時間、前記二重バリア層が形成されるまで熱処理に付し
− 前記触媒層を前記二重バリア層上に、白金族金属化合物を含有する溶液を1コート又は複数コート適用し、熱分解することによって形成する
ステップを含む方法。 - 前記一次バリア層が、10,000nm2表面あたり80〜120粒子の密度を有する、請求項1に記載の方法。
- 前記混合酸化物相におけるTi:Taのモル比が60:40〜80:20である、請求項1又は2に記載の方法。
- 前記一次バリア層における前記混合酸化物相がさらに、Ce、Nb、W及びSrの酸化物からなる群から選ばれる2〜10mol%のドーピング剤を含有し、前記二次バリア層がさらに、Ce、Nb、W又はSrの酸化物の包含物を含有する、請求項3に記載の方法。
- 前記一次バリア層が3〜25マイクロメートルの厚さを有し、前記二次バリア層が0.5〜5マイクロメートルの厚さを有する、請求項1〜4のいずれか1項に記載の方法。
- 前記触媒層が、酸化イリジウム及び酸化タンタルを含む、請求項1〜5のいずれか1項に記載の方法。
- 前記前駆体含水アルコール溶液が、Tiイソプロポキシドを含有する、請求項1〜6のいずれか1項に記載の方法。
- 前記前駆体含水アルコール溶液がさらにCe、Nb、W又はSr種を含有する、請求項1〜7のいずれか1項に記載の方法。
- チタン及びタンタル種を含有する前記前駆体含水アルコール溶液の前記熱分解ステップの後にクエンチングステップが続く、請求項1〜8のいずれか1項に記載の方法。
- 前記クエンチングステップの冷却速度が少なくとも200℃/sである、請求項9に記載の方法。
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