JPH09194972A - Low-hydrogen overvoltage cathode and its manufacture - Google Patents

Low-hydrogen overvoltage cathode and its manufacture

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JPH09194972A
JPH09194972A JP8212304A JP21230496A JPH09194972A JP H09194972 A JPH09194972 A JP H09194972A JP 8212304 A JP8212304 A JP 8212304A JP 21230496 A JP21230496 A JP 21230496A JP H09194972 A JPH09194972 A JP H09194972A
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JP
Japan
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nickel
manganese
alloy layer
hydrogen overvoltage
weight
Prior art date
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JP8212304A
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Japanese (ja)
Inventor
Hideharu Horikoshi
秀春 堀越
Kazumasa Suetsugu
和正 末次
Takashi Sakaki
孝 榊
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Tosoh Corp
Original Assignee
Tosoh Corp
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a cathode with a sufficiently low-hydrogen overvoltage and a manufacturing method thereof when used in the electrolysis of water or electrolysis of an aqueous solution of alkali metal chloride such as salt. SOLUTION: This product is a low-hydrogen overvoltage cathode coated with an alloy layer contgn. nickel and manganese on a conductive substrate. The low-hydrogen overoltage cathode is constituted of the alloy layer incorporating 50 to 95wt.% nickel, 5 to 50wt.% manganese and having a main peak between the diffraction angle 2θ=42 to 45 degrees and half value width of 0.4 to 7 degrees.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は水の電気分解または
食塩などのアルカリ金属塩化物の水溶液電気分解に使用
する低水素過電圧陰極とその製造方法に関するものであ
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a low hydrogen overvoltage cathode used for electrolysis of water or an aqueous solution of an alkali metal chloride such as sodium chloride, and a method for producing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】水またはアルカリ金属塩化物水溶液電解
工業は多電力消費型産業であり、省エネルギーのための
様々な技術開発が進められている。省エネルギーの手段
とは、理論分解電圧、溶液抵抗、隔膜抵抗、陽極過電
圧、陰極過電圧などで構成される電解電圧を実質的に低
減することであり、特に過電圧に関してはその特性が電
極の材料や表面形態に著しく左右されることから、多く
の研究者の興味を引き、開発がなされてきた。イオン交
換膜法食塩電解においては、とりわけ陽極過電圧の低減
にその注目が集まり、精力的な研究開発が行われてきた
結果、耐久性に優れ、ほとんど陽極過電圧の問題となら
ない電極が完成し、既に工業的に広く利用されてきてい
る。
2. Description of the Related Art The water or alkali metal chloride aqueous solution electrolysis industry is a multi-power-consuming industry, and various technologies for energy saving are being developed. The means of energy saving is to substantially reduce the electrolytic voltage consisting of the theoretical decomposition voltage, solution resistance, diaphragm resistance, anode overvoltage, cathode overvoltage, etc. Because of its morphology, it has attracted many researchers and has been developed. In the ion exchange membrane method of salt electrolysis, attention has been focused on reducing anode overvoltage, and as a result of vigorous research and development, an electrode with excellent durability and almost no anode overvoltage problem has been completed. It has been widely used industrially.

【0003】一方、陰極過電圧を低減するための低水素
過電圧電極、いわゆる活性陰極に関してもこれまで多く
の提案がなされている。水素過電圧400mVという鉄
陰極に対して、200〜250mVの電圧低減が可能な
電極、例えば特開昭59−25940号あるいは特開平
6−146046号明細書に示されるように電極基材表
面に水素吸蔵合金や白金族酸化物を付着させたもの、特
公昭40−9130号に示されるように電極基材表面に
鉄、コバルト、ニッケル等の遷移金属とタングステン、
モリブデンとの合金層を被覆したものなどが開示されて
いる。しかし、前者の水素吸蔵合金や白金族酸化物を付
着させた電極は、比較的材料が高価なため製作コストが
高く、後者の特許による合金被覆は、製作コストが安い
が、水素過電圧を低減する効果が不十分なこと等、両者
共問題点を抱えている。
On the other hand, many proposals have been made on a low hydrogen overvoltage electrode for reducing a cathode overvoltage, that is, an active cathode. An electrode capable of reducing the voltage by 200 to 250 mV with respect to an iron cathode having a hydrogen overvoltage of 400 mV, for example, as shown in JP-A-59-25940 or JP-A-6-146046, hydrogen is absorbed on the surface of the electrode substrate. An alloy or a platinum group oxide is attached, as shown in Japanese Patent Publication No. 40-9130, a transition metal such as iron, cobalt, nickel and tungsten,
One coated with an alloy layer with molybdenum is disclosed. However, the former electrode with a hydrogen storage alloy or platinum group oxide attached has a high production cost because the material is relatively expensive, and the alloy coating according to the latter patent has a low production cost but reduces hydrogen overvoltage. Both sides have problems such as insufficient effect.

【0004】このようにこれまで開示されている多くの
活性陰極は、電極基材とその上に被覆された低水素過電
圧を示す特定組成の触媒物質層とで構成されたものであ
り、その被覆方法も様々である。例えば、上記特許の例
のように活性物質を分散させた浴や金属塩を溶解させた
浴等から触媒物質を電析させる湿式メッキによる方法、
例えば特開昭61−41786号に示されるように、溶
融状態の触媒物質金属を基材に直接溶射する方法、また
は特開昭61−295386号に開示されているよう
に、金属塩溶液を基材上に塗布し、乾燥、還元処理等を
施して触媒物質層を得る方法などがある。しかし、前者
の湿式メッキ法では、電析電位の差等により被覆出来る
合金組成が限定される。また、メッキ浴中の活性物質や
金属成分等の組成がメッキ時間と共に変化し易く、均質
な合金層を常に安定に得るためには十分な浴管理が必要
である等の問題点がある。一方後者の2つの方法では、
被覆時に高温熱処理を行うので蒸気圧の差が大きい元素
間の合金化は困難である。また、高温での熱処理により
結晶化が促進されるので、性能が優れているアモルファ
スもしくは微結晶の構造が得にくい等の問題点がある。
この内、結晶化を避ける方法として、例えば特開平7−
268676号に記載されているスパッター法等が試み
られているが、製膜速度が遅い等、依然として問題点を
抱えている。
[0004] As described above, many active cathodes disclosed hitherto consist of an electrode substrate and a catalyst material layer having a specific composition exhibiting a low hydrogen overvoltage coated thereon. There are various methods. For example, a wet plating method of electrodepositing a catalyst substance from a bath in which an active substance is dispersed or a bath in which a metal salt is dissolved, as in the example of the above patent,
For example, as shown in JP-A-61-41786, a method of directly spraying a molten catalyst substance metal onto a substrate, or, as disclosed in JP-A-61-295386, a metal salt solution-based solution is used. There is a method in which the catalyst substance layer is obtained by applying it on a material, drying it, and reducing it. However, in the former wet plating method, the alloy composition that can be coated is limited due to a difference in electrodeposition potential or the like. Further, there are problems that the composition of the active substance and the metal component in the plating bath tends to change with the plating time, and that sufficient bath control is required to always stably obtain a homogeneous alloy layer. On the other hand, in the latter two methods,
Since high-temperature heat treatment is performed at the time of coating, it is difficult to alloy the elements with large differences in vapor pressure. Further, since crystallization is promoted by heat treatment at a high temperature, there is a problem that it is difficult to obtain an amorphous or microcrystalline structure having excellent performance.
Among these, as a method for avoiding crystallization, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 7-
Although the sputtering method and the like described in No. 268676 have been tried, they still have problems such as a low film forming rate.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、水の
電気分解または食塩等のアルカリ金属塩化物の水溶液電
気分解に使用する場合、水素過電圧が十分に低い陰極お
よびその製造方法を提供することにある。
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a cathode having a sufficiently low hydrogen overvoltage when used for electrolysis of water or an aqueous solution of an alkali metal chloride such as salt, and a method for producing the same. It is in.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】発明者らは、上記問題点
を解決するため鋭意検討した結果、ターゲット構成原子
をアーク放電により蒸発、イオン化し、基材上に触媒物
質を被覆するアーク放電型イオンプレーティング法で作
製した陰極が優れた低水素過電圧を示すことを見いだし
た。また、湿式メッキ法で、従来のメッキ浴に添加剤を
加えて系を複雑にすることなく、浴組成を特定の領域に
制御することにより、低コストで低水素過電圧性能に優
れた組成と構造の皮膜で被覆された電極を作製出来るこ
とも見いだした。
Means for Solving the Problems The inventors of the present invention have conducted intensive studies to solve the above-mentioned problems, and as a result, an arc discharge type in which target constituent atoms are vaporized and ionized by arc discharge and a base material is coated with a catalytic substance. It has been found that the cathode prepared by the ion plating method has excellent low hydrogen overvoltage. In addition, the wet plating method controls the bath composition in a specific region without adding an additive to the conventional plating bath and complicating the system, thereby providing a composition and structure excellent in low hydrogen overvoltage performance at low cost. It was also found that an electrode coated with the above film can be produced.

【0007】すなわち、本発明は、ニッケルとマンガン
とからなる合金層がアーク放電型イオンプレーティング
法又は浴組成を特定の領域に制御した湿式メッキ法によ
り、導電性基材表面に被覆された電極であって、合金層
中のニッケル含有量が50〜95重量%、マンガン含有
量が5〜50重量%であり、かつCuKα線によるX線
回折において、回折角2θ=42〜45度の間に主ピー
クがあり、その半値幅が0.4〜7度である合金層から
なる低水素過電圧陰極およびその製造方法である。
That is, according to the present invention, an electrode in which an alloy layer of nickel and manganese is coated on the surface of a conductive substrate by an arc discharge type ion plating method or a wet plating method in which the bath composition is controlled in a specific region And the content of nickel in the alloy layer is 50 to 95% by weight, the content of manganese is 5 to 50% by weight, and in the X-ray diffraction by CuKα ray, the diffraction angle is between 2θ = 42 to 45 degrees. A low hydrogen overvoltage cathode comprising an alloy layer having a main peak and a half width of 0.4 to 7 degrees, and a method for producing the same.

【0008】合金層を被覆する導電性基材は、例えば、
ニッケル、鉄、銅、チタンやステンレス合金鋼等で、特
に苛性アルカリに対して耐食性の優れたものであれば使
用できる。導電性基材の形状は、特に限定されるもので
はなく、一般に電解槽の陰極に合わせた形状のもの、例
えば平板状、曲板状、エキスパンドメタル状、パンチメ
タル状、網状、多孔板状等が使用される。
[0008] The conductive substrate covering the alloy layer is, for example,
Nickel, iron, copper, titanium and stainless steel alloys can be used as long as they have excellent corrosion resistance to caustic alkali. The shape of the conductive substrate is not particularly limited, and is generally a shape adapted to the cathode of the electrolytic cell, such as a flat plate, a curved plate, an expanded metal, a punched metal, a mesh, a perforated plate, and the like. Is used.

【0009】このような導電性基材表面に合金層を被覆
する前に、予め、脱脂、真空加熱、イオンボンバードメ
ント等の一般的な前処理を行うことが好ましい。また、
導電性基材に適当なニッケル合金メッキを行ったり、カ
ーボンや白金族金属等の導電性微粒子等を付着させるこ
とにより、基材表面の凹凸度を高め、基材と合金層の密
着性を強固にすることも有効である。また、合金層の厚
みは、薄すぎると基材の影響を受け、厚すぎると剥離し
やすいので、5〜500μmが適当である。
Prior to coating the surface of such a conductive substrate with the alloy layer, it is preferable to perform general pretreatments such as degreasing, vacuum heating, and ion bombardment in advance. Also,
Appropriate nickel alloy plating on conductive base material, or adhesion of conductive fine particles such as carbon or platinum group metal, etc., increase the degree of unevenness of the base material surface and strengthen the adhesion between base material and alloy layer. Is also effective. If the alloy layer is too thin, it will be affected by the base material, and if it is too thick, it will easily peel off.

【0010】以下に、アーク放電型イオンプレーティン
グ法(AIP法)、次いで湿式メッキ法の順で、本発明
の組成と構造の合金層を得るための方法を具体的に記述
する。
The method for obtaining the alloy layer having the composition and structure of the present invention will be specifically described below in the order of arc discharge type ion plating method (AIP method) and then wet plating method.

【0011】まずAIP法について説明する。AIP法
に使用するターゲットは、一般的にイオンプレーティン
グ法で使用するターゲットと同様の方法で作製される。
すなわち、ターゲット構成元素を、ボールミル等で物理
混合した後、CIP(冷間静水圧プレス)、HIP(熱
間静水圧プレス)等により加圧成形して作製するが、特
にその方法は限定されるものではなく、ターゲット構成
元素が均一に混合されており緻密なものを使用する。ま
た、ターゲット作製時において、必ずしも合金化されて
いる必要はない。
First, the AIP method will be described. The target used for the AIP method is generally manufactured by the same method as the target used for the ion plating method.
That is, the target constituent elements are physically mixed by a ball mill or the like and then pressure-molded by CIP (cold isostatic pressing), HIP (hot isostatic pressing) or the like, but the method is not particularly limited. The target constituent elements are uniformly mixed and used as a dense material. Further, at the time of manufacturing the target, it is not always necessary to alloy.

【0012】AIP法では、原理的に皮膜合金の組成は
ほぼターゲットの組成と等しくなるので、ターゲットの
組成を制御することで、容易に任意の組成の皮膜を得る
ことが出来る。膜厚は、成膜時間により容易に制御出来
る。ニッケルとマンガンの合金の場合、製膜速度は数μ
m/10分程度だが、複数のターゲットを同時に使用す
ることで製膜速度を上げることが可能であり、他のイオ
ンプレーティング法あるいはスパッタリング法等では困
難な厚膜化も容易である。
In the AIP method, the composition of the film alloy is basically the same as the composition of the target. Therefore, by controlling the composition of the target, a film of any composition can be easily obtained. The film thickness can be easily controlled by the film formation time. In the case of nickel-manganese alloy, the film formation speed is several μ
Although it is about m / 10 minutes, it is possible to increase the film forming speed by simultaneously using a plurality of targets, and it is easy to increase the film thickness, which is difficult by other ion plating methods or sputtering methods.

【0013】AIP法で、本発明における組成と構造の
合金層を得るには、ターゲット組成および製膜条件を制
御すればよい。すなわち、ニッケル50〜95重量%、
マンガン5〜50重量%を含むターゲットを使用し、基
材に−100〜50Vの電位をかけて製膜を行う。ま
た、反応ガスとして、水素、炭素、窒素、酸素の少なく
とも一種を含むガスを導入して製膜を実施する。水素含
有ガスとは、例えばH2、H2Oのように、ガス成分中に
水素原子を含むガスのことである。炭素含有ガスとして
は、例えばCH4、C26等が、窒素含有ガスとして
は、例えばN2、NH3等が、酸素含有ガスとしては、例
えばO2、CO等があるが、反応ガスはここに例示した
ガスに限定されるものではない。上記条件でアーク放電
型イオンプレーティングを行うことにより、合金層中の
ニッケル含有量が50〜95重量%、マンガン含有量が
5〜50重量%であり、かつCuKα線によるX線回折
において、回折角2θ=42〜45度の間に主ピークが
あり、その半値幅が0.4〜7度である合金層からなる
低水素過電圧陰極が得られる。
In order to obtain the alloy layer having the composition and structure of the present invention by the AIP method, the target composition and film forming conditions may be controlled. That is, 50 to 95% by weight of nickel,
Using a target containing 5 to 50% by weight of manganese, a potential of -100 to 50 V is applied to the base material to form a film. Further, a film containing at least one of hydrogen, carbon, nitrogen, and oxygen is introduced as a reaction gas to perform film formation. The hydrogen-containing gas is a gas containing a hydrogen atom in a gas component, such as H 2 and H 2 O, for example. Examples of the carbon-containing gas include CH 4 , C 2 H 6 and the like, examples of the nitrogen-containing gas include N 2 and NH 3 , and examples of the oxygen-containing gas include O 2 and CO. Is not limited to the gas exemplified here. By performing arc discharge type ion plating under the above conditions, the nickel content in the alloy layer is 50 to 95% by weight, the manganese content is 5 to 50% by weight, and the X-ray diffraction by CuKα ray A low hydrogen overvoltage cathode comprising an alloy layer having a main peak at a bending angle 2θ of 42 to 45 degrees and a half-value width of 0.4 to 7 degrees can be obtained.

【0014】基材の電位としては、−60〜30Vがよ
り好ましい。イオンプレーティング法では、ターゲット
構成原子をイオン化して基材に被覆するが、基材の電位
が請求の範囲を逸脱すると、被覆されるイオンの運動エ
ネルギーが過大となるため基材との衝突により基材の温
度が著しく上昇し、請求項に記載した結晶構造の皮膜を
得ることが出来ない。また、基材の電位の絶対値が大き
くなると、皮膜組成とターゲット組成とのずれが大きく
なり、目的の組成の合金層が得られない。
The electric potential of the base material is more preferably -60 to 30V. In the ion plating method, target constituent atoms are ionized to cover the base material. However, if the potential of the base material deviates from the claimed range, the kinetic energy of the coated ions becomes excessive, and the collision with the base material causes The temperature of the base material rises remarkably, and it is not possible to obtain the film having the crystal structure described in the claims. In addition, when the absolute value of the potential of the base material increases, the difference between the coating composition and the target composition increases, and an alloy layer having a desired composition cannot be obtained.

【0015】次に湿式メッキ法について説明する。湿式
メッキ法では、メッキに使用する対極の種類は特に制限
はないが、ニッケル板などの溶性電極や白金板や白金コ
ートしたチタン板などの不溶性電極等が使用できる。
Next, the wet plating method will be described. In the wet plating method, the type of counter electrode used for plating is not particularly limited, but a soluble electrode such as a nickel plate or an insoluble electrode such as a platinum plate or a platinum-coated titanium plate can be used.

【0016】本発明における組成と構造の合金層を製作
するために、湿式メッキで使用するメッキ浴組成は特定
の濃度領域に制御されなければならない。即ち、メッキ
浴中にニッケルイオンとマンガンイオンと錯化剤を含む
メッキ浴で、該メッキ浴中のニッケルイオンとマンガン
イオンのモル比がMn/(Ni+Mn)=10〜70モ
ル%のメッキ浴を用いることである。ニッケル源、マン
ガン源としては特に制限はないが、前者は一般に用いら
れる硫酸ニッケル、塩化ニッケルなどのニッケル塩を単
独または混合して使用すれば良く、後者は硫酸マンガ
ン、塩化マンガンなどのマンガン塩をやはり単独または
混合して使用すれば良い。メッキ浴中に加えられる錯化
剤としてはイオウ含有錯化剤を除いて特に制限はなく、
例えばクエン酸塩、酒石酸塩、ピロリン酸塩などが用い
られる。我々の検討によれば、例えばチオ尿素などのイ
オウ含有錯化剤を含むメッキ浴にてメッキを行うと、合
金層中にイオウが取り組まれ、マンガン含有量が1%未
満とほとんどマンガンが含まれない合金層となる。その
ニッケル−イオウ−マンガン合金層も優れた低水素過電
圧性能を示すが、アルカリ溶液中における電気分解の際
にイオウが溶出し、それと共に水素過電圧が顕著に高く
なる現象を示す。錯化剤の使用量も特に制限されるもの
ではないが、一般的にメッキ浴中のニッケルイオンとマ
ンガンイオンの合計濃度に対して0.5〜2倍モル量程
度であれば良い。
In order to produce the alloy layer having the composition and structure of the present invention, the composition of the plating bath used in the wet plating must be controlled in a specific concentration range. That is, a plating bath containing nickel ions, manganese ions and a complexing agent in a plating bath having a molar ratio of nickel ions to manganese ions of Mn / (Ni + Mn) = 10 to 70 mol% is used. Is to use. The nickel source and the manganese source are not particularly limited, but the former may be generally used nickel sulfate such as nickel sulfate and nickel chloride, or may be used by mixing them, and the latter may be manganese sulfate such as manganese sulfate and manganese chloride. After all, it may be used alone or as a mixture. The complexing agent added to the plating bath is not particularly limited except for the sulfur-containing complexing agent,
For example, citrate, tartrate, pyrophosphate, etc. are used. According to our study, for example, when plating is performed in a plating bath containing a sulfur-containing complexing agent such as thiourea, sulfur is incorporated into the alloy layer, and the manganese content is less than 1% and almost all manganese is contained. There is no alloy layer. The nickel-sulfur-manganese alloy layer also exhibits excellent low hydrogen overvoltage performance, but it also exhibits a phenomenon in which sulfur is eluted during electrolysis in an alkaline solution and the hydrogen overvoltage is significantly increased. Although the amount of the complexing agent used is not particularly limited, it is generally about 0.5 to 2 times the molar amount of the total concentration of nickel ions and manganese ions in the plating bath.

【0017】メッキ浴のpHは使用する錯化剤によって
異なるが、通常金属イオンと十分な錯形成を行い、かつ
錯化剤が安定に存在し得る領域を選択する必要がある。
例えば、錯化剤としてピロリン酸カリウムを使用する場
合のメッキ浴は、ニッケルとピロリン酸イオンが安定な
錯形成を行い、分解の起こらないpH8〜10を選択す
れば良い。なお、pHを調整するために使用する薬剤と
しては特に制限はないが、硫酸や塩酸などの無機酸や水
酸化ナトリウムやアンモニア水などを使用すれば良い。
Although the pH of the plating bath varies depending on the complexing agent used, it is usually necessary to select a region in which the complexing with metal ions is sufficient and the complexing agent can exist stably.
For example, in the case of using potassium pyrophosphate as the complexing agent, the plating bath may be selected from pH 8 to 10 at which nickel and pyrophosphate ions form a stable complex and no decomposition occurs. There are no particular restrictions on the chemicals used to adjust the pH, but inorganic acids such as sulfuric acid and hydrochloric acid, sodium hydroxide and aqueous ammonia may be used.

【0018】本発明における合金層の組成と構造は、メ
ッキ浴の温度、メッキ電流密度によっても影響を受ける
が、これらは、例えば特公昭40−9130号や特開昭
55−65376号の実施例に示されるような一般的な
条件範囲を選択することによって維持することができ
る。即ち、メッキ浴の温度としては、20℃〜70℃の
範囲を選択すれば良く、これより低い温度ではメッキ効
率が低いため経済性に難があり、これより高い温度では
合金層の皮膜が脆くなるという問題が生じる。また、メ
ッキ電流密度としては、2〜20A/dm2 の範囲を選
択すれば良く、これより低いメッキ電流密度では、合金
層のマンガン含有率が本発明の範囲より低くなるために
陰極過電圧が高い電極しか得られず、これより高い電流
密度ではメッキ効率が低いために経済性が悪い。
The composition and structure of the alloy layer in the present invention are also influenced by the temperature of the plating bath and the plating current density, and these are described in, for example, JP-B-40-9130 and JP-A-55-65376. It can be maintained by selecting a general range of conditions as shown in. That is, the temperature of the plating bath may be selected in the range of 20 ° C. to 70 ° C. At lower temperatures, the plating efficiency is low, so that it is difficult to be economical. At higher temperatures, the coating of the alloy layer becomes brittle. Problem arises. Further, the plating current density may be selected in the range of 2 to 20 A / dm 2 , and at the plating current density lower than this, the manganese content of the alloy layer becomes lower than the range of the present invention, and thus the cathode overvoltage is high. Only electrodes can be obtained, and at higher current densities, the plating efficiency is low and the economy is poor.

【0019】湿式メッキ法では、合金層の性能は、特に
表面積増大のために加えられた第三成分やメッキ浴中に
存在し合金層中に取り込まれた他の不純物に左右され
ず、上記条件を遵守することにより保たれる。
In the wet plating method, the performance of the alloy layer is not affected by the third component added for the purpose of increasing the surface area or other impurities existing in the plating bath and taken into the alloy layer. Be maintained by adhering to.

【0020】皮膜組成としては、ニッケル60〜95重
量%、マンガン5〜40重量%がより好ましく、さらに
好ましくはニッケル65〜92重量%、マンガン8〜3
5重量%である。ニッケルあるいはマンガン含有量が特
許請求の範囲を逸脱すると、ニッケルあるいはマンガン
金属単独の領域が皮膜の大半を占め、ニッケルとマンガ
ンの合金層が得られず過電圧は著しく上昇する。また、
ニッケルおよびマンガン含有量が上記範囲内であって
も、ピーク位置あるいは半値幅が特許請求の範囲外であ
ると、結晶構造が低水素過電圧を示す結晶構造とは異な
るため過電圧は高い。
The coating composition is more preferably 60 to 95% by weight of nickel and 5 to 40% by weight of manganese, further preferably 65 to 92% by weight of nickel and 8 to 3 of manganese.
5% by weight. If the content of nickel or manganese deviates from the scope of the claims, the region of nickel or manganese metal alone occupies most of the film, and an alloy layer of nickel and manganese cannot be obtained, resulting in a marked increase in overvoltage. Also,
Even if the nickel and manganese contents are within the above ranges, if the peak position or the half width is outside the scope of the claims, the crystal structure is different from the crystal structure exhibiting a low hydrogen overvoltage, and the overvoltage is high.

【0021】[0021]

【実施例】以下、本発明の実施例を示すが、本発明はこ
れらの実施例により何等限定されるものではない。
EXAMPLES Examples of the present invention will be described below, but the present invention is not limited to these examples.

【0022】実施例1〜5 80wt%Ni−20wt%Mnの組成で作製したター
ゲットを使用してアーク放電型イオンプレーティングを
行い、実施例1〜5の試料を得た。基材は、脱脂等を施
して表面を清浄にしたニッケル板(40×50mm2
を用いた。アーク放電型イオンプレーティングは(株)
昭和真空製SIA−400Tを用いて行った。1×10
-3Torrの真空下、アーク電流100Aで50分間製
膜を行い、基材上にNi−Mn合金層が約20〜30μ
m厚さ被覆された電極を作製した。各皮膜の製膜条件を
表1に、得られた皮膜の特性を表2に示す。
Examples 1 to 5 Arc discharge type ion plating was carried out using a target prepared with a composition of 80 wt% Ni-20 wt% Mn to obtain samples of Examples 1 to 5. The base material is a nickel plate (40 x 50 mm 2 ) whose surface has been cleaned by degreasing, etc.
Was used. Arc discharge type ion plating
It was performed using Showa Vacuum SIA-400T. 1 × 10
-3 Torr vacuum, arc current 100A, film formation for 50 minutes, Ni-Mn alloy layer on the substrate about 20 ~ 30μ
An m-thick coated electrode was prepared. Table 1 shows the film forming conditions of each film, and Table 2 shows the properties of the obtained films.

【0023】[0023]

【表1】 [Table 1]

【0024】[0024]

【表2】 [Table 2]

【0025】皮膜の合金組成はX線マイクロアナライザ
ーで分析し、Ni濃度+Mn濃度=100として換算し
た値を示す。主ピークの位置および半値幅は、CuKα
線によるX線回折図形から求めた。また、水素過電圧は
90℃、32.5%の苛性ソーダ液中にて、40A/d
2 の電流密度でカレントインタラプター法により測定
した。図1に実施例1で得られた皮膜のX線回折図形を
示す。
The alloy composition of the film is analyzed by an X-ray microanalyzer, and the converted value is expressed as Ni concentration + Mn concentration = 100. The position of the main peak and the half width were CuKα
It was determined from the X-ray diffraction pattern by X-ray. The hydrogen overvoltage was 40 A / d in 90 ° C., 32.5% caustic soda solution.
It was measured by the current interrupter method at a current density of m 2 . The X-ray diffraction pattern of the film obtained in Example 1 is shown in FIG.

【0026】比較例1〜2 基材の電位を−300Vとする以外は実施例1と同様の
条件で製膜を実施した。製膜の条件および得られた皮膜
の性能をそれぞれ表1および表2に示す。得られた皮膜
の半値幅が特許請求の範囲外であるため、過電圧は30
0mV前後の高い値を示す。
Comparative Examples 1 and 2 Film formation was carried out under the same conditions as in Example 1 except that the potential of the base material was set to -300V. Tables 1 and 2 show the conditions of film formation and the performance of the obtained film, respectively. Since the full width at half maximum of the obtained coating is outside the scope of claims, the overvoltage is 30
It shows a high value around 0 mV.

【0027】実施例6〜8 Mn濃度が5〜50wt%の間で残部がNiである3種
類の組成のターゲットを使用し、1×10-3Torrの
真空下、アーク電流100Aで50分間、表3に示す条
件で製膜を行った。得られた皮膜の性能を表4に示す。
Examples 6 to 8 Targets having three types of compositions, with the balance of Mn being 5 to 50 wt% and the balance being Ni, were used, under a vacuum of 1 × 10 −3 Torr and an arc current of 100 A for 50 minutes. Film formation was performed under the conditions shown in Table 3. The performance of the obtained coating is shown in Table 4.

【0028】[0028]

【表3】 [Table 3]

【0029】[0029]

【表4】 [Table 4]

【0030】比較例3〜4 比較例3および比較例4は、それぞれ組成比98wt%
Ni−2wt%Mnおよび40wt%Ni−60wt%
Mnのターゲットを使用し、実施例6と同様の条件で製
膜を実施した。製膜条件および得られた皮膜の特性をそ
れぞれ表3および表4に示す。比較例3ではNiおよび
Mn含有量が、比較例4ではNiおよびMn含有量とピ
ーク位置が特許請求の範囲外であるため、過電圧は高く
なった。図2に比較例4で得られた皮膜のX線回折図形
を示す。
Comparative Examples 3 to 4 Comparative Examples 3 and 4 each have a composition ratio of 98 wt%.
Ni-2wt% Mn and 40wt% Ni-60wt%
Film formation was performed under the same conditions as in Example 6, using a Mn target. The film forming conditions and the characteristics of the obtained film are shown in Table 3 and Table 4, respectively. In Comparative Example 3, the Ni and Mn contents were high, and in Comparative Example 4, the Ni and Mn contents and the peak positions were outside the scope of the claims, so the overvoltage was high. FIG. 2 shows the X-ray diffraction pattern of the film obtained in Comparative Example 4.

【0031】実施例9〜13 硫酸ニッケル(6水和物)0.228モル/リットル、
クエン酸三ナトリウム(2水和物)0.344モル/リ
ットルを溶解し、硫酸マンガン(5水和物)をメッキ浴
中のMn/(Ni+Mn)モル比が12、30、50、
60、68モル%となるように溶解して各々のメッキ浴
を調製した。電極基材として予めアルコール脱脂、硝酸
エッチングを施したニッケルディスク板(電極面積7
8.5mm 2 )を使用し、対極材としてニッケル板を用
いた。
Examples 9 to 13 Nickel sulfate (hexahydrate) 0.228 mol / liter,
Trisodium citrate (dihydrate) 0.344 mol / l
Dissolve the bottle and add manganese sulfate (pentahydrate) to the plating bath
Mn / (Ni + Mn) molar ratio of 12, 30, 50,
Dissolve so as to be 60, 68 mol% and each plating bath
Was prepared. Alcohol degreasing, nitric acid as electrode base material
Etched nickel disc plate (electrode area 7
8.5 mm Two) Is used, and a nickel plate is used as the counter electrode material.
Was.

【0032】各々のメッキ浴を40℃にコントロールし
ながら電流密度8A/dm2 で25分間メッキを行い、
電極基材上にニッケル−マンガン合金層を析出させた電
極を作製した。合金組成をX線マイクロアナライザーで
分析し、主ピークの位置および半値幅をCuKα線によ
るX線回折測定により求めた。
While controlling each plating bath at 40 ° C., plating was performed at a current density of 8 A / dm 2 for 25 minutes,
An electrode was prepared by depositing a nickel-manganese alloy layer on the electrode base material. The alloy composition was analyzed by an X-ray microanalyzer, and the position of the main peak and the full width at half maximum were determined by X-ray diffraction measurement using CuKα rays.

【0033】また、この電極を用いて、90℃にて3
2.5%の苛性ソーダ液中にて電流密度40A/dm2
で水素過電圧を測定した。それぞれの結果を表5に示
す。
Also, using this electrode, the
Current density 40 A / dm 2 in 2.5% caustic soda solution
The hydrogen overvoltage was measured at. Table 5 shows the results.

【0034】[0034]

【表5】 [Table 5]

【0035】比較例5〜6 硫酸マンガン(5水和物)の添加量をMn/(Ni+M
n)モル比8モル%および80モル%とする以外は、実
施例9と同様にメッキを行った。結果を表5に示す。比
較例5ではNiおよびMn含有量と半値幅が、比較例6
ではNiおよびMn含有量が特許請求の範囲外であるた
め、過電圧は高くなった。
Comparative Examples 5 to 6 The amount of manganese sulfate (pentahydrate) added was Mn / (Ni + M).
n) Plating was performed in the same manner as in Example 9 except that the molar ratio was 8 mol% and 80 mol%. Table 5 shows the results. In Comparative Example 5, the Ni and Mn contents and the full width at half maximum are
However, since the Ni and Mn contents were out of the claimed range, the overvoltage became high.

【0036】[0036]

【発明の効果】本発明の製造方法により得られる活性陰
極を90℃、32.5%の苛性ソーダ液中にて、40A
/dm2 の電流密度で電解すると、水素過電圧が120
〜160mVと低く、本発明により得られる陰極は、非
常に優れた陰極性能を有することが明らかとなった。こ
の陰極性能は、少なくともニッケルおよびマンガンから
なる合金層が導電性基材表面に被覆された電極であっ
て、その合金層のマンガン含有量が5〜50重量%の範
囲で、かつ合金層のCuKα線によるX線回折測定にお
いて、回折角2θ=42〜45度の間に主ピークがあ
り、その半値幅が0.4〜7度である回折ピークしか示
さないように制御することにより得られるものである。
The active cathode obtained by the production method of the present invention is treated at 90 ° C. in a 32.5% caustic soda solution at 40 A.
/ Dm 2 , the hydrogen overvoltage is 120
As low as ~ 160 mV, it was revealed that the cathode obtained by the present invention has very excellent cathode performance. The cathode performance is an electrode in which an alloy layer made of at least nickel and manganese is coated on the surface of a conductive base material, the manganese content of the alloy layer is in the range of 5 to 50% by weight, and the CuKα of the alloy layer is X-ray diffraction measurement by X-ray has a main peak between diffraction angles 2θ = 42 to 45 degrees, and is obtained by controlling so that only a diffraction peak having a half width of 0.4 to 7 degrees is shown. Is.

【0037】この陰極をアルカリ金属塩化物水溶液電解
に適用すると、消費電力のセービングが可能となり、ク
ロルアルカリ工業における省エネルギーに対する寄与は
大きい。
When this cathode is applied to the alkali metal chloride aqueous solution electrolysis, it becomes possible to save power consumption, which greatly contributes to energy saving in the chloralkali industry.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】実施例1で得られた合金層のX線回折図形を示
す。
1 shows an X-ray diffraction pattern of the alloy layer obtained in Example 1. FIG.

【図2】比較例4で得られた合金層のX線回折図形を示
す。
FIG. 2 shows an X-ray diffraction pattern of the alloy layer obtained in Comparative Example 4.

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】導電性基材上に、ニッケルとマンガンを含
む合金層を被覆した低水素過電圧陰極であって、ニッケ
ル含有量が50〜95重量%、マンガン含有量が5〜5
0重量%であり、かつCuKα線によるX線回折におい
て、回折角2θ=42〜45度の間に主ピークがあり、
その主ピークの半値幅が0.4〜7度である合金層から
なる低水素過電圧陰極。
1. A low hydrogen overvoltage cathode comprising a conductive base material coated with an alloy layer containing nickel and manganese, wherein the nickel content is 50 to 95% by weight and the manganese content is 5 to 5.
0% by weight, and in X-ray diffraction by CuKα ray, there is a main peak between diffraction angles 2θ = 42 to 45 degrees,
A low hydrogen overvoltage cathode comprising an alloy layer having a full width at half maximum of its main peak of 0.4 to 7 degrees.
【請求項2】ニッケル50〜95重量%、マンガン5〜
50重量%を含むターゲットを使用し、かつ導電性基材
の電位を−100〜50Vとし、反応ガスとして水素、
炭素、窒素、酸素の少なくとも一種を含むガスを導入
し、アーク放電型イオンプレーティング法にて製造する
ことを特徴とする請求項1記載の低水素過電圧陰極の製
造方法。
2. Nickel 50 to 95% by weight, manganese 5 to 5.
A target containing 50% by weight is used, and the electric potential of the conductive substrate is set to −100 to 50 V, and hydrogen is used as a reaction gas.
2. The method for producing a low hydrogen overvoltage cathode according to claim 1, wherein a gas containing at least one of carbon, nitrogen and oxygen is introduced, and the gas is produced by an arc discharge ion plating method.
【請求項3】ニッケルイオンとマンガンイオンと錯化剤
を含むメッキ浴で、該メッキ浴中のニッケルイオンとマ
ンガンイオンのモル比がMn/(Ni+Mn)=10〜
70モル%であるメッキ浴を用いて、少なくともニッケ
ルおよびマンガンを共電着させることを特徴とする請求
項1記載の低水素過電圧陰極の製造方法。
3. A plating bath containing nickel ions, manganese ions and a complexing agent, wherein the molar ratio of nickel ions to manganese ions in the plating bath is Mn / (Ni + Mn) = 10.
The method for producing a low hydrogen overvoltage cathode according to claim 1, wherein at least nickel and manganese are co-electrodeposited by using a 70 mol% plating bath.
【請求項4】ニッケル50〜95重量%、マンガン5〜
50重量%を含むターゲットを使用し、かつ導電性基材
の電位を−100〜50Vとし、反応ガスとして水素、
炭素、窒素、酸素の少なくとも一種を含むガスを導入
し、アーク放電型イオンプレーティング法にて製造して
得た請求項1記載の低水素過電圧陰極。
4. Nickel 50 to 95% by weight, manganese 5 to 5.
A target containing 50% by weight is used, and the electric potential of the conductive substrate is set to −100 to 50 V, and hydrogen is used as a reaction gas.
The low hydrogen overvoltage cathode according to claim 1, which is obtained by introducing a gas containing at least one of carbon, nitrogen and oxygen and manufacturing it by an arc discharge type ion plating method.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000129426A (en) * 1998-10-16 2000-05-09 Wilson Greatbatch Ltd Method for improving electroconductivity of metal, alloy and metallic oxide

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