JPH10218689A - Metal doping on inorganic solid material - Google Patents

Metal doping on inorganic solid material

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JPH10218689A
JPH10218689A JP9021826A JP2182697A JPH10218689A JP H10218689 A JPH10218689 A JP H10218689A JP 9021826 A JP9021826 A JP 9021826A JP 2182697 A JP2182697 A JP 2182697A JP H10218689 A JPH10218689 A JP H10218689A
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inorganic solid
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solid electrolyte
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Taido Matsumoto
泰道 松本
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  • Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for injecting wanted cations (of a metal) into the inside of an inorganic solid material or controlling a metal component for substituting other metal in the inside of the inorganic solid material. SOLUTION: This method for metal doping on an inorganic solid material is to form a sandwich electrolysis system by adhering one side of an inorganic solid material A to be brought to an object for doping with a solid electrolyte material B containing metal ions (M<n+> ) to be brought for doping and the outside of the solid electrolyte material B to a cathode (plate) C, while adhering the other side of the doping-objective inorganic solid material A to a solid electrolyte material containing arbitrary metal ions or a solid electrolyte material F which is an oxygen ion conductor, and electrically injecting metal ions (M<n+> ) included in the solid electrolyte material on the cathode side into the doping objective inorganic solid material by applying an electric current between the both electrodes. This method is applicable to the fields of various functional materials such as electric and electronic materials, etc.

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】この発明は無機固体材料中の
金属成分調節法、更に詳しくは無機固体材料に新たな性
質や機能を与えるための固体電解質による無機固体材料
への新規な金属ドーピング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 method for controlling a metal component in an inorganic solid material, and more particularly to a novel method for doping a metal in an inorganic solid material with a solid electrolyte to impart new properties and functions to the inorganic solid material. Things.

【0002】[0002]

【従来の技術】無機固体材料、例えばセラミックス等に
様々な金属元素を入れると、性質や機能が変化すること
は知られている。従来のかかる機能性セラミックス等の
一般的な製造方法としては、様々な金属元素を含む原料
粉末を混ぜて得られる混合物を摂氏1000℃以上の高
温度で焼き固めるのが一般的であった。しかしかかる方
法では、いったん焼き固めると成分を変えられず、組成
成分の変化によって機能の違いを出すには、原料を混ぜ
る最初の段階で調節する必要があった。またセラミック
スへ直接金属イオンを注入する方法として、金属粒子を
高速で材料にぶっつけて注入するスパッタ法も試みられ
ているが、かかるスパッタ法では、材料の表面近くにし
か金属イオンを入れられないという欠点があった。
2. Description of the Related Art It is known that when various metal elements are added to an inorganic solid material such as ceramics, properties and functions are changed. As a conventional general method for producing such functional ceramics and the like, it has been general to sinter a mixture obtained by mixing raw material powders containing various metal elements at a high temperature of 1000 ° C. or more. However, in such a method, once the ingredients are baked and hardened, the components cannot be changed, and in order to make a difference in the function due to a change in the composition components, it was necessary to adjust at the first stage of mixing the raw materials. As a method of directly injecting metal ions into ceramics, a sputtering method in which metal particles are blasted at high speed and injected is also being attempted, but such a sputtering method only allows metal ions to be introduced near the surface of the material. There were drawbacks.

【0003】電気化学ドーピングに関するものとして、
銅複合酸化物セラミックスを水溶液中で電気化学的に酸
化し酸素イオンをこの酸化物へ注入する酸素イオンドー
ピング方法(例えば J.C.Bennet,M.Olfert,G.A.Scholtz
and F.W.Boswell の文献(Phys.Rev.B,44,2727(1991))
や、非水溶液中のLi+イオンを酸化物セラミックスへ
電気化学的に注入するドーピング方法(例えば A.M.And
ersson,C.G.Granqvistand Z.G.Ivanov の文献(J.Alloy
s and Compounds 195,343(1993)) が知られている。ま
た溶融塩中でガラス基板にドーピングする方法(例えば
特開昭63−79738号公報)などもある。
As for electrochemical doping,
An oxygen ion doping method in which a copper composite oxide ceramic is electrochemically oxidized in an aqueous solution and oxygen ions are injected into the oxide (for example, JCBennet, M. Olfert, GAScholtz
and FWBoswell's reference (Phys. Rev. B, 44, 2727 (1991))
And doping method of electrochemically implanting Li + ions in non-aqueous solution into oxide ceramics (eg, AMAnd
ersson, CGGranqvistand ZGIvanov literature (J. Alloy
s and Compounds 195,343 (1993)). There is also a method of doping a glass substrate in a molten salt (for example, JP-A-63-79738).

【0004】しかしながらこれらの方法はいずれも液体
の電解質を利用しているので、ドーピング対象材料がそ
の液体によって腐食されないものに限られること、液体
中のアニオンの電気化学反応がドーピングの際に生じ、
これがドープ対象セラミックスの腐食を促進する場合が
あること、液体中で行うためセラミックス内部まで液体
がしみこみ、直接電極と液体が電気化学反応を起こし、
ドーピングが不可能になる場合があること、セラミック
スの微小部分へのドーピングが困難なこと、さらにはド
ーピンク可能な金属イオンが液体に溶解できるものに限
られること、また電解システムに液体が用いられるため
装置全体が煩雑になることなどの多くの欠点がある。
However, all of these methods use a liquid electrolyte, so that the material to be doped is limited to those which are not corroded by the liquid, and an electrochemical reaction of anions in the liquid occurs during doping.
This may accelerate the corrosion of the ceramic to be doped.Because it is performed in a liquid, the liquid penetrates into the ceramic, causing an electrochemical reaction between the electrode and the liquid directly.
Doping may not be possible, doping small parts of ceramics is difficult, and doping-limited metal ions are limited to those that can be dissolved in liquid, and liquid is used in electrolysis system. There are many drawbacks, such as the complexity of the entire device.

【0005】上記の欠点を補うものとして、ベータアル
ミナ固体電解質で超伝導酸化物セラミックスの両端を挟
み、電解することにより、超伝導体中の金属イオンをベ
ータアルミナ中の金属イオンと置換しながらドーピンク
する方法もある(例えば林英樹、松本泰道、本坊寿吉の
文献(1993年電気化学秋季大会講演要旨集、p.1
80(1993))。しかしながら、この方法は、金属
イオン伝導体であるベータアルミナの間にドーブ対象の
超伝導体を挟むことによる金属イオンの置換であるの
で、ドーブ対象セラミックスが置換しにくい金属イオン
を含有する場合(金属イオンの結合力が固体内部で強い
場合)には、ドーピングが不可能なこと、またこの置換
型ドーピングを無理に行うとセラミックス自体の構造が
破壊される場合が生じたりする問題があった。
[0005] As a supplement to the above-mentioned disadvantage, both ends of the superconducting oxide ceramic are sandwiched between beta-alumina solid electrolytes and electrolysis is performed to replace the metal ions in the superconductor with the metal ions in beta-alumina. (Eg, Hideki Hayashi, Yasumichi Matsumoto, and Tosokichi Honbo (Abstracts of the 1993 Autumn Meeting of Electrochemistry, p.1)
80 (1993)). However, in this method, metal ions are replaced by sandwiching a superconductor to be doped between beta-alumina, which is a metal ion conductor. Therefore, when the ceramic to be heated contains metal ions that are difficult to replace (metal In the case where the bonding force of ions is strong inside the solid), doping is not possible, and if the substitutional doping is forcibly performed, the structure of the ceramic itself may be destroyed.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】本発明はかかる現状に
鑑みてなされたものであって、焼き固めた後の金属材料
を除く殆どあらゆる種類の無機固体材料内部に多種類の
カチオン(金属)を容易に注入したり、あるいは、ドー
ブ対象無機固体材料が結合力の弱い金属イオンを含有す
る場合(金属イオン伝導性が高いセラミックスやガラス
等)、その金属イオンを任意の他の金属に置換すること
の可能な無機固体材料への金属ドーピング方法を提供す
ることを目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above circumstances, and contains various kinds of cations (metals) in almost all kinds of inorganic solid materials except for a metal material after hardening. When easily implanted, or when the inorganic solid material to be doped contains metal ions with low bonding strength (such as ceramics or glass with high metal ion conductivity), replace the metal ions with any other metal. It is an object of the present invention to provide a method of doping a metal into an inorganic solid material, which is possible.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に鋭意研究した結果、本願発明者は、成分調節をしたい
無機固体材料を、固体電解質材と接触させ陽極(anode)
と陰極(cathode)で挟んだ電解セルを組み立て、加熱
下にて該電解セルに電流を流すことによって固体電解質
材中に含有する金属が成分調節をしたい対象無機固体材
料中に電解注入又は電解置換されることを見出し、電気
化学ドーピングを利用した本発明方法を完成した。
Means for Solving the Problems As a result of earnest studies to solve the above problems, the present inventor has found that an inorganic solid material whose composition is to be controlled is brought into contact with a solid electrolyte material to form an anode.
An electrolytic cell sandwiched between a cathode and a cathode is assembled, and a current is passed through the electrolytic cell under heating so that the metal contained in the solid electrolyte material is subjected to electrolytic injection or electrolytic replacement into the target inorganic solid material whose component is desired to be adjusted. And completed the method of the present invention utilizing electrochemical doping.

【0008】即ち本発明の請求項1は、侵入(又は注
入)型ドーピングシステムに相当するものであって、ド
ーピング対象無機固体材料の片面側を、ドーピングした
い金属イオン(Mn+)を含有する固体電解質材と密着さ
せ、該固体電解質材の外側を陽極に、ドーピング対象無
機固体材料の他面側を陰極に接続させたサンドイッチ電
解システムを形成し、加熱下で両電極間に電流を流すこ
とによって陽極側の固体電解質材中に含有する金属イオ
ン(Mn+)をドーピング対象の無機固体材料中に電解注
入させることを特徴とする無機固体材料への金属ドーピ
ング方法である。
[0008] That is, claim 1 of the present invention corresponds to an intrusion (or implantation) type doping system, wherein one side of an inorganic solid material to be doped is a solid containing a metal ion (M n + ) to be doped. By forming a sandwich electrolytic system in which the solid electrolyte material is brought into close contact with the anode and the other side of the inorganic solid material to be doped is connected to the cathode, and a current is passed between the two electrodes under heating. This is a method for doping a metal into an inorganic solid material, wherein metal ions (M n + ) contained in a solid electrolyte material on the anode side are electrolytically injected into an inorganic solid material to be doped.

【0009】本発明の請求項2は、ドーピング対象無機
固体材料が金属イオン伝導性の高い(即ち、固体内部で
金属イオンの結合力の弱い)固体電解質材であって、そ
の片面側を陽極に密着させ、他面側を陰極に密着させた
サンドイッチ電解システムを形成し、加熱下で両電極間
に電流を流すことによって陽極から金属Mイオン
(Mn+)をドーピング対象の固体電解質材料中に電解置
換させることを特徴とする無機固体材料への金属ドーピ
ング方法である。
A second aspect of the present invention is that the inorganic solid material to be doped is a solid electrolyte material having high metal ion conductivity (that is, a weak binding force of metal ions inside the solid), and one side of the solid electrolyte material is used as an anode. A sandwich electrolysis system in which the other surface is in close contact with the cathode is formed, and a current is passed between the two electrodes under heating, so that metal M ions (M n + ) are electrolyzed from the anode into the solid electrolyte material to be doped. This is a method for doping a metal into an inorganic solid material, which is characterized by substitution.

【0010】本発明の請求項3は、金属イオン−酸素イ
オン同時ドーピングシステムに相当するものであって、
ドーピング対象無機固体材料の片面側を、ドーピングし
たい金属イオン(Mn+)を含有する固体電解質材と密着
させ、該固体電解質材の外側を陽極に、一方ドーピング
対象無機固体材料の他面側を、酸素イオン伝導性固体電
解質材と密着させ、該酸素イオン伝導性固体電解質材の
外側を陰極に接続させたサンドイッチ電解システムを形
成し、加熱下で両電極間に電流を流すことによって陽極
側の固体電解質材中に含有する金属イオン(Mn+)と、
陰極から生成した酸素イオンを、同時にドーピング対象
無機固体材料中に電解注入させることを特徴とする無機
固体材料への金属ドーピング方法である。
Claim 3 of the present invention corresponds to a metal ion-oxygen ion simultaneous doping system,
One side of the inorganic solid material to be doped is brought into close contact with a solid electrolyte material containing a metal ion (M n + ) to be doped, and the outside of the solid electrolyte material is used as an anode, while the other surface of the inorganic solid material to be doped is used as an anode. A sandwich electrolysis system in which the outside of the oxygen ion conductive solid electrolyte material is connected to the cathode is formed in close contact with the oxygen ion conductive solid electrolyte material, and a current is applied between the two electrodes under heating to form a solid on the anode side. Metal ions (M n + ) contained in the electrolyte material,
A metal doping method for an inorganic solid material, characterized in that oxygen ions generated from a cathode are electrolytically injected into an inorganic solid material to be doped at the same time.

【0011】本発明の請求項4は、請求項3の変形で、
金属イオン−酸素イオン同時ドーピングシステムに相当
するものであって、ドーピング対象無機固体材料が酸素
イオン伝導性固体電解質材であって、その片面側を、金
属イオン(Mn+)を含有する固体電解質材と密着させ、
かつ該固体電解質材の外側を陽極に、一方ドーピング対
象無機固体材料の他面側を陰極に接続させたサンドイッ
チ電解システムを形成し、加熱下で両電極間に電流を流
すことによって陽極側の固体電解質材中に含有する金属
イオン(Mn+)と、陰極から生成した酸素イオンとを、
同時にドーピング対象の無機固体材料中に電解注入させ
ることを特徴とする無機固体材料への金属ドーピング方
法である。
A fourth aspect of the present invention is a modification of the third aspect,
A metal ion-oxygen ion simultaneous doping system, wherein an inorganic solid material to be doped is an oxygen ion conductive solid electrolyte material, and a solid electrolyte material containing a metal ion (M n + ) on one side. And adhere
A sandwich electrolysis system is formed in which the outside of the solid electrolyte material is connected to the anode, and the other surface of the inorganic solid material to be doped is connected to the cathode, and a current is applied between the two electrodes under heating to form a solid on the anode side. Metal ions (M n + ) contained in the electrolyte material and oxygen ions generated from the cathode are
This is a method of doping a metal into an inorganic solid material, characterized by simultaneously performing electrolytic injection into an inorganic solid material to be doped.

【0012】以下本発明の構成を詳細に説明する。本発
明におけるドーピング対象無機固体材料とは、金属イオ
ンを含有したものであれば各種酸化物、誘電体、磁性体
などの全金属酸化物、ガラス(特にSiO2を含有する
各種レンズや、導電性、誘電性、導光性、イオン感応性
等のガラス用基板材等)、或いは、非酸化物セラミック
ス、金属酸化物単結晶等も対象として含めるものとす
る。なお上記請求項2におけるドーピング対象無機固体
材料としては、置換金属 M 以外の任意の金属 M'を含有
する金属イオン(カチオン)伝導性の高い固体電解質材
であって、例えば金属 M'がNa+イオンやLi+イオン等の
アルカリ金属、又は Ag+イオンを含有するベータアルミ
ナ(M'−β−Al2O3 又は M'−β"−Al2O3)が好ましい
ものとして挙げられる。
Hereinafter, the configuration of the present invention will be described in detail. The inorganic solid material to be doped according to the present invention includes all metal oxides such as various oxides, dielectrics, and magnetic materials as long as they contain metal ions, glass (particularly various lenses containing SiO 2 , , Dielectric, light-guiding, ion-sensitive substrates, etc.), or non-oxide ceramics, metal oxide single crystals, and the like. The inorganic solid material to be doped in claim 2 is a solid electrolyte material having high metal ion (cation) conductivity containing an arbitrary metal M ′ other than the substituted metal M, for example, when the metal M ′ is Na + Beta alumina (M′-β-Al 2 O 3 or M′-β ″ -Al 2 O 3 ) containing an alkali metal such as an ion or Li + ion, or an Ag + ion is mentioned as a preferable example.

【0013】更に上記本発明の請求項3又は4における
酸素イオン伝導性固体電解質材としては、特に限定され
ないが、ジルコニア(ZrO2)や安定化ジルコニア(CaO
−ZrO2, Y2O3−ZrO2 等)から選択されたたものが好ま
しい例として挙げられる。なおこれらドーピング対象無
機固体材料の形状としては、特に限定されないが、板状
成型品が取り扱い面で好ましい。
The oxygen ion conductive solid electrolyte material according to claim 3 or 4 of the present invention is not particularly limited, but may be zirconia (ZrO 2 ) or stabilized zirconia (CaO 2 ).
-ZrO 2 , Y 2 O 3 -ZrO 2 ) are mentioned as preferable examples. The shape of the inorganic solid material to be doped is not particularly limited, but a plate-like molded product is preferable in terms of handling.

【0014】また本発明で使用する固体電解質材として
は、融点に比較して低温で大きなイオン伝導性を示す固
体であって、例えば ・層状構造をもつベータアルミナ系や安定化ジルコニア
のように通常の固体よりも点欠陥濃度の高い物質、 ・ RbAg4I5 系のような平均構造とよばれるイオンが占
有しうる位置がイオンの数に比較して著しく多い結晶構
造をもつ物質、 ・Li+Al2O3のように二つの異なる物質の界面でイオン
の移動が促進される物質等が挙げられる。
The solid electrolyte material used in the present invention is a solid material having a large ionic conductivity at a low temperature compared to its melting point. For example, a solid electrolyte material such as beta-alumina having a layered structure or stabilized zirconia the substance having a high point defect concentration than solid material position where ions called average structure such as · RbAg 4 I 5 system can occupy has significantly more crystalline structure compared to the number of ions, · Li + Al 2 A substance such as O 3 in which the transfer of ions is promoted at an interface between two different substances is exemplified.

【0015】特に好ましい固体電解質材としては、所望
の金属カチオン(Mn+)含有のベータアルミナ(M−β−Al
2O3,M−β"−Al2O3等)である。なお通常、Na+イオン
やLi+イオンを含有するベータアルミナ(Na−β−Al
2O3,Na−β"−Al2O3 ,Li−β−Al2O3,Li−β"−Al2O3
等)のNa+イオンやLi+イオンを予め所望の金属カチオ
ン(Mn+)とを置換したものが好ましい。かかる固体電
解質材はドーピング対象無機固体材料と密着し、かつ電
解電圧があまり高くならないようにする必要上、対象無
機固体材料に相似形で肉厚3mm以下の板状体としたも
のが好ましい。
Particularly preferred solid electrolyte materials include beta alumina (M-β-Al) containing a desired metal cation (M n + ).
2 O 3 , M-β ″ -Al 2 O 3, etc. Usually, beta alumina containing Na + ions or Li + ions (Na-β-Al
2 O 3 , Na-β "-Al 2 O 3 , Li-β-Al 2 O 3 , Li-β" -Al 2 O 3
And the like in which the desired metal cation (M n + ) is substituted in advance for the Na + ion or Li + ion of the present invention. Such a solid electrolyte material is preferably a plate-like body having a thickness similar to that of the target inorganic solid material and having a thickness of 3 mm or less, since the solid electrolyte material is in close contact with the inorganic solid material to be doped and the electrolysis voltage must not be so high.

【0016】本発明で使用する陽極と陰極は、電気化学
反応を起こす電気伝導体であり、その各材質は、熱安定
性で導電性があればなんでもよく特に限定しない。但し
特に陽極として好ましい材質は、ドーピングしたい金属
M か又はその酸化物、あるいは金属 M の塩から選択さ
れたものである。この場合の電気化学反応は次のように
なる。 金属 M の場合:M →Mn+ + ne- 酸化物 MO の場合:MO → xMn+ + M1-xO + xne- 一方陰極の材質として好ましいのは、Ag、Pt、Au、RuO2、Sn
O2、InO2等が挙げられる。なお陽極と陰極の形状は、特
に限定されないが、固体電解質材又は対象無機固体材料
に密着する板状の陽極や陰極が電解の効率上では、好ま
しいが、板状以外の任意の形状でこれらの一部と密着す
るもの、例えば粉体やスパッタ膜や、メッキ膜等であっ
てもよい。
The anode and the cathode used in the present invention are electric conductors which cause an electrochemical reaction, and their materials are not particularly limited as long as they are thermally stable and conductive. However, particularly preferable material for the anode is a metal to be doped.
M or an oxide thereof, or a salt of a metal M. The electrochemical reaction in this case is as follows. For the metal M: M → M n + + ne - the case of an oxide MO: MO → xM n + + M 1-x O + xne - whereas Preferred as the material of the cathode, Ag, Pt, Au, RuO 2, Sn
O 2 and InO 2 are exemplified. The shapes of the anode and the cathode are not particularly limited, but a plate-shaped anode or a cathode that is in close contact with the solid electrolyte material or the target inorganic solid material is preferable in terms of the efficiency of electrolysis, but these may be formed in any shape other than the plate shape. What adheres to a part, for example, a powder, a sputter film, a plating film, etc. may be sufficient.

【0017】本発明でドーピングしたい金属としては、
金属カチオン(Mn+)を形成するAg,Cu,Zn 等の遷移金属
の他に、Li,Na,K,Rb,Cs,Fr等のアルカリ金属、Ca,Sr,Ba
等のアルカリ土類金属、さらには La,Nd,Gd 等の希土類
金属を挙げることができる。また所望の金属カチオン(M
n+)含有の固体電解質材であるベータアルミナ(M−β−
Al2O3,M−β"−Al2O3等)は、予め Na+イオンや Li+
オン等のアルカリ金属を含有するベータアルミナ(Na−
β−Al2O3,Na−β"−Al2O3, Li−β−Al2O3,Li−β"
−Al2O3 等)のNa+イオンやLi+イオン等を所望の金属カ
チオン(Mn+)と置換することで得られる。
The metals to be doped in the present invention include:
In addition to transition metals such as Ag, Cu, and Zn that form metal cations ( Mn + ), alkali metals such as Li, Na, K, Rb, Cs, and Fr, Ca, Sr, and Ba
And rare earth metals such as La, Nd and Gd. The desired metal cation (M
n + )-containing solid electrolyte material beta alumina (M-β-
Al 2 O 3 , M-β ″ -Al 2 O 3, etc. are beta alumina (Na−) containing alkali metals such as Na + ions and Li + ions in advance.
β-Al 2 O 3 , Na-β "-Al 2 O 3 , Li-β-Al 2 O 3 , Li-β"
−Al 2 O 3 ) or the like by substituting a desired metal cation (M n + ) for Na + ions, Li + ions, or the like.

【0018】その置換方法は、通常は所望の金属含有の
塩の高温溶融した中にベータアルミナ(Na−β−Al
2O3,Na−β"−Al2O3 ,Li−β−Al2O3,Li−β"−Al2O3
等)系セラミックスを浸漬することによって容易に置
換可能であり、この点については、M.S.Whittingham an
d R.A.Hugginsの文献(J.Electrochem.Soc.118,1(1971)
やG.C.Farrington and B.Dunn の文献(Solid State Io
nics 7,267(1982))及びM.Breiter,M.M.Schreiber and
B.Dunn の文献(Solid State Ionics 18&19,658(1986)
等で知られている。なおベータアルミナ等の金属イオン
の置換方法としては、上記したような方法が公知である
が、本発明の特に請求項2は、このようなカチオン伝導
体セラミックスへ電気化学的に直接に所望の金属カチオ
ン(Mn+)を電解置換ドーピングできる方法であって、
かかる点でこれら公知法とは異なり画期的である。
[0018] The substitution method is usually carried out by melting beta-alumina (Na-β-Al
2 O 3 , Na-β "-Al 2 O 3 , Li-β-Al 2 O 3 , Li-β" -Al 2 O 3
Etc.) It can be easily replaced by immersing the ceramics. In this regard, MSWhittingham an
d RAHuggins literature (J. Electrochem. Soc. 118, 1 (1971)
And GCFarrington and B. Dunn (Solid State Io
nics 7,267 (1982)) and M. Breiter, MM Schreiber and
B. Dunn's reference (Solid State Ionics 18 & 19,658 (1986))
And so on. As a method for replacing metal ions such as beta-alumina, the above-mentioned method is known. Particularly, in the present invention, the desired metal can be electrochemically directly added to such a cation-conductive ceramic. A method capable of electrolytic displacement doping of a cation ( Mn + ),
In this respect, unlike these known methods, it is epoch-making.

【0019】本発明のサンドイッチ電解システムとして
は、侵入(又は注入)型ドーピングシステムの場合(請
求項1,3,4)と置換型ドーピングシステム(請求項
2)の場合で、そのシステム構成が僅かに異なるが、対
象となる無機固体材料の少なくとも片面を、ドーピング
したい金属を含む固体電解質材(又は電極板)と密着さ
せて、かつその外側の外部を適宜ドーピングしたい金属
を含む良電導性の陽極(板)に接続し、一方の無機固体材
料の他面側を固体電解質材を介して又は介さずに陰極
(板)に接続し、両電極(板)はリード線にて直流電源に接
続した電気回路を形成するものである。なお対象となる
無機固体材料の形状によっては、固体電解質材及び最外
部の両電極自体が相互に密着する形状に変更することが
望ましい。
The sandwich electrolysis system of the present invention has only a small system configuration in the case of an intrusion (or implantation) type doping system (claims 1, 3, 4) and in the case of a substitution type doping system (claim 2). A good conductive anode containing at least one side of the target inorganic solid material in contact with a solid electrolyte material (or an electrode plate) containing the metal to be doped, and a metal outside the outside of which is appropriately doped. (Plate) and the other side of one inorganic solid material with or without a solid electrolyte material
(Plate), and both electrodes (plate) form an electric circuit connected to a DC power supply through lead wires. Depending on the shape of the target inorganic solid material, it is desirable to change the shape so that the solid electrolyte material and the outermost electrodes themselves are in close contact with each other.

【0020】本発明では、かかるサンドイッチ電解シス
テムに、電気炉又は燃焼加熱炉等の加熱(雰囲気)下で直
流の定電流(又は定電圧)を流すものである。特に本発
明の請求項3と4では、対象無機固体材料が分解しない
条件下において、酸素を含有する雰囲気下(O2 又は ai
r 中等)が必要である。又本発明の請求項1,2では、
対象無機固体材料が分解しない加熱条件下であれば、種
々の雰囲気下(O2, air, N2, H2 等)又は非雰囲気下で
も可能である。
In the present invention, a constant DC current (or constant voltage) is supplied to such a sandwich electrolysis system under heating (atmosphere) such as an electric furnace or a combustion heating furnace. In particular, according to claims 3 and 4 of the present invention, under the condition that the target inorganic solid material is not decomposed, under an atmosphere containing oxygen (O 2 or ai
r medium) is required. In claims 1 and 2 of the present invention,
The heating can be performed under various atmospheres (O 2 , air, N 2 , H 2, etc.) or under no atmosphere as long as the heating condition does not cause decomposition of the target inorganic solid material.

【0021】これらの場合の加熱(雰囲気)温度として
は、100〜1300℃の範囲内であり、好ましくは3
00〜800℃、さらに好ましくは400〜600℃程
度である。加熱温度が100℃以下では、固体電解質の
イオン伝導率が著しく低くなること、ドーピング対象無
機固体材料中の金属イオンの移動が著しく低くなること
によって電解が困難になる点で好ましくない。加熱温度
が1300℃以上では、ベータアルミナの一部やドーピ
ング対象無機固体材料が分解したり、固体電解質と化学
反応を生じたりする点で好ましくない。
The heating (atmosphere) temperature in these cases is in the range of 100 to 1300 ° C., preferably 3
The temperature is about 00 to 800 ° C, more preferably about 400 to 600 ° C. When the heating temperature is 100 ° C. or lower, it is not preferable because the ionic conductivity of the solid electrolyte becomes extremely low and the movement of metal ions in the inorganic solid material to be doped becomes extremely low, so that electrolysis becomes difficult. When the heating temperature is 1300 ° C. or higher, it is not preferable in that a part of the beta alumina or the inorganic solid material to be doped is decomposed or a chemical reaction occurs with the solid electrolyte.

【0022】また電流は、ドーピング対象無機固体材料
と陽極側の固体電解質材との接触単位面積当たりの電流
密度が10A/cm2 以下であればよく、好ましくは1
-7〜10-2A/cm2程度である。また電圧として
は、一定電圧の電解でドーピングを行う場合には、電圧
が104V 以下の電圧が好ましい。なお電流密度が10-7
A/cm2以下では、ドープ金属の量が少なすぎる点で
好ましくない。また電流密度が10A/cm2以上で
は、金属カチオン(Mn+)の種類によっては、ドーピン
グ対象無機固体材料の粒内や粒界の構造が破壊される等
の点で好ましくない。
The current is sufficient if the current density per unit area of contact between the inorganic solid material to be doped and the solid electrolyte material on the anode side is 10 A / cm 2 or less, and preferably 1 A / cm 2 or less.
It is about 0 -7 to 10 -2 A / cm 2 . When doping is performed by electrolysis at a constant voltage, the voltage is preferably a voltage of 10 4 V or less. The current density is 10 -7
A / cm 2 or less is not preferable because the amount of the doped metal is too small. On the other hand, if the current density is 10 A / cm 2 or more, the type of metal cation (M n + ) is not preferable in that the structure of the grain of the inorganic solid material to be doped or the grain boundary is destroyed.

【0023】かかる加熱下での電流付加によって陽極側
の固体電解質材に含まれている金属カチオンが電気化学
反応によるか又はカチオン(Mn+)のままで目標の無機
固体材料の内部へ電解注入される。この際、電流の大き
さによって金属カチオンの無機固体材料の粒界ドープと
粒内(結晶内)ドープとを制御できる。更に電解に要し
た電気量により金属イオンドープ量を制御できる特徴が
ある。
By applying a current under such heating, metal cations contained in the solid electrolyte material on the anode side are electrolytically injected into the target inorganic solid material by an electrochemical reaction or as cations (M n + ). You. At this time, the grain boundary doping and the intragranular (intracrystalline) doping of the inorganic solid material of the metal cation can be controlled by the magnitude of the current. Another feature is that the amount of metal ion doping can be controlled by the amount of electricity required for electrolysis.

【0024】[0024]

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、具
体的な図示例と共に説明する。図1は、本発明の請求項
1における侵入(注入)型ドーピングシステムに相当す
るサンドイッチ電解システムの一例を示すモデル図であ
る。図1中のAはドーピング対象無機固体材料、BはA
の片面側に密着させたドーピングしたい金属イオン(M
n+)含有のベータアルミナ系の固体電解質材(例えばM−
β−Al2O3,M−β"−Al2O3等)、CはBの外側に接続す
る板状、粉又はスパッタやメッキされた膜などの陽極
で、その材質としては良電導性で且つ固体電解質材Bと
密着していれば良く、特にドーピングしたい金属 M か
又は金属 M イオンを含有する酸化物あるいはその塩か
ら選択するのが好ましいが、他の金属(例えば Ag)や
その酸化物あるいはその塩でもよい。またAの他面側
(右側)は直接リード線に接続されて対極の陰極とされ
ている。但し、Aの導電性が低い場合はドーピング対象
無機固体材料Aの他面側にもCと同じか又は Ag やPt
等の良導電性の板状の陰極を取り付けることが好まし
い。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The embodiments of the present invention will be described below with reference to specific examples. FIG. 1 is a model diagram showing an example of a sandwich electrolysis system corresponding to an intrusion (injection) doping system in claim 1 of the present invention. In FIG. 1, A is an inorganic solid material to be doped, and B is A
Metal ion to be doped (M
n + )-containing beta-alumina-based solid electrolyte material (eg, M-
β-Al 2 O 3 , M-β "-Al 2 O 3 etc.) and C is an anode connected to the outside of B, such as a plate, powder or a sputtered or plated film. In particular, it is preferable to select from a metal M to be doped or an oxide containing a metal M ion or a salt thereof, but it is preferable to select another metal (eg, Ag) or an oxide thereof. The other side (right side) of A is directly connected to a lead wire to serve as a cathode of a counter electrode. Same as C or Ag or Pt on the surface side
It is preferable to attach a plate-shaped cathode of good conductivity, such as.

【0025】かかる図1のサンドイッチ電解システムを
電気炉等の加熱下で電流を流せば、陽極Cから Mn+イオ
ンがBのベータアルミナヘ電気化学的酸化反応により注
入され、Bの Mn+イオンが対象無機固体材料Aへ電解注
入される。即ちこのシステムでは、Mn+イオンは対象無
機固体材料Aに過剰に電解注入されることによるドーピ
ングである。即ち原理的に、次の電気化学反応がドーピ
ング対象A内で生じる。但しドーピング対象セラミック
スAをM'Oとすると M'O +xMn+ +xne- → M'MxO (M が直接M'Oにドープさ
れた) このシステムでのMn+イオンとしては、イオン半径の小
さい金属イオン、例えばLi+やMg2+イオン等が好ま
しい。なお陽極Cがドーピングしたい金属Mか又は金属
イオンMn+を含有する酸化物あるいはその塩とは異なる
金属Nや金属イオン Nn+を含有する酸化物あるいはその
塩である場合には、Bのベータアルミナヘ Nn+イオンが
電解注入され、BのMn+イオンがドーピング対象無機固
体材料Aへ電解注入されることになる。
When a current is applied to the sandwich electrolysis system shown in FIG. 1 under heating of an electric furnace or the like, M n + ions are injected from the anode C into the beta alumina of B by electrochemical oxidation, and the M n + ions of B are It is electrolytically injected into the target inorganic solid material A. That is, in this system, M n + ions are doping due to excessive electrolytic implantation into the target inorganic solid material A. That is, in principle, the following electrochemical reaction occurs in the doping target A. However doping object ceramics A and When M'O M'O + xM n + + xne - The M n + ions at the → M'M x O (M is doped directly M'O) this system, a small ionic radius Metal ions such as Li + and Mg 2+ ions are preferred. In the case where the anode C is a metal N or an oxide containing a metal ion N n + different from the oxide containing a metal M or a metal ion M n + or a salt thereof to be doped, or a salt thereof, He N n + ions are electrolytically implanted, and M n + ions of B are electrolytically implanted into the inorganic solid material A to be doped.

【0026】図2は、本発明の請求項2における金属イ
オン(カチオン)伝導性の高い固体電解質材への置換型
ドーピングシステムに相当するサンドイッチ電解システ
ムの一例を示すモデル図である。図中の陰極Eの材質と
しては、融点が高く、酸化しにくい金属(例えばAg,
Au,Pt等)が望ましい。B’とC’は図1で説明し
たBとCに類似するが、B’がドーピングしたい金属 M
とは異なる種々の金属を含むものであり、その金属は
置換されるカチオンである。B’としては種々の金属
M'を含む金属イオン(カチオン)伝導性の高いベータア
ルミナ(M'−β−Al2O3、M'−β"−Al2O3等)が好まし
く、その金属M'は、ドーピングしたい金属 M と置換さ
れるカチオンで、一般的にはアルカリ金属又はAgであ
る。また板状の陽極C’はドーピングしたい金属 M を
含有している必要があるので、その金属 M かまたはそ
の金属酸化物あるいはその塩から選択されねばならな
い。
FIG. 2 is a model diagram showing an example of a sandwich electrolysis system corresponding to a substitutional doping system for a solid electrolyte material having high metal ion (cation) conductivity in claim 2 of the present invention. As a material of the cathode E in the figure, a metal having a high melting point and hardly oxidizing (for example, Ag,
Au, Pt, etc.) are desirable. B 'and C' are similar to B and C described in FIG. 1, except that B '
And various metals different from the cations to be substituted. Various metals as B '
M 'metal ions (cations) conducting a high beta-alumina (M'-β-Al 2 O 3, M'-β "-Al 2 O 3 , etc.) containing preferably, the metal M' is a metal to be doped The cation to be replaced with M, generally an alkali metal or Ag.The plate-shaped anode C 'needs to contain the metal M to be doped, so that the metal M or its metal oxide is used. Alternatively, it must be selected from its salts.

【0027】かかる図2のサンドイッチ電解システムを
電気炉等の加熱下で電流を流せば、陽極C’から電気化
学酸化反応によりドーピング対象B’の固体電解質材に
Mn+が電解注入される。同時にあらかじめ含まれていた
金属 M’のイオンが陰極Eで電気化学的に還元され、M’
金属か又はその酸化物または炭酸塩が析出する。即ち原
理的に、次の電気化学反応がドーピング対象B’内で生
じる。 xMn++ M'O→ M'1-xMxO +xM'n+ また陰極Eでは次のように還元される。 xM'n+ +xne-→ xM' (なお M’がNa などのアルカリ金属では空気中で、2Na
+1/2O2 → Na2O 、更に Na2O + CO2 → Na2CO3とな
る。) このようにして、B’中の金属 M’のイオンの少なくと
も一部が Mイオンと電解置換されることとなる。
When a current is passed through the sandwich electrolysis system shown in FIG. 2 while heating in an electric furnace or the like, the solid electrolyte material to be doped B 'is converted from the anode C' by an electrochemical oxidation reaction.
M n + is electrolytically injected. At the same time, the ions of the metal M 'previously contained are electrochemically reduced at the cathode E, and M'
The metal or its oxides or carbonates precipitate. That is, in principle, the following electrochemical reaction occurs in the doping target B ′. In xM n + + M'O → M ' 1-x M x O + xM' n + The cathode E is reduced as follows. xM 'n + + xne - → xM' ( Note M 'is in air is an alkali metal such as Na, 2Na
+ 1 / 2O 2 → Na 2 O, and further Na 2 O + CO 2 → Na 2 CO 3 . As described above, at least a part of the ions of the metal M ′ in B ′ is electrolytically replaced with the M ions.

【0028】図3は、本発明の請求項3における金属イ
オン−酸素イオン同時ドーピングシステムに相当するサ
ンドイッチ電解システムの一例を示すモデル図である。
図3中のA,B,Cは図1で説明したものと同じ構成で
あるが、この場合ドーピング対象無機固体材料Aの他面
側に、酸素イオン伝導性固体電解質材Fを密着させ、該
酸化物の外側を板状の陰極Gに接続させたサンドイッチ
電解システムである点が異なる。この場合、Fとして
は、酸素イオン伝導性の高い酸化物セラミックス又は酸
素イオン伝導体(例えばジルコニア(ZrO2)や安定化ジ
ルコニアである Y2O3 又は CaO 含有 ZrO2等)が好まし
いが、酸素イオン伝導性の高い酸化物であればよい。ま
た陰極Gの材質としては、O2 分子をO2-イオンへと電気
化学的還元反応(即ち O2 +4e- → 2O2-)を促進できる
電極触媒(例えば Pt 等)が好ましい。
FIG. 3 is a model diagram showing an example of a sandwich electrolysis system corresponding to the metal ion-oxygen ion simultaneous doping system according to claim 3 of the present invention.
A, B, and C in FIG. 3 have the same configuration as that described in FIG. 1, but in this case, an oxygen ion conductive solid electrolyte material F is adhered to the other surface of the inorganic solid material A to be doped. The difference is that this is a sandwich electrolysis system in which the outside of the oxide is connected to a plate-like cathode G. In this case, as F, an oxide ceramic having high oxygen ion conductivity or an oxygen ion conductor (for example, zirconia (ZrO 2 ) or stabilized zirconia such as Y 2 O 3 or CaO-containing ZrO 2 ) is preferable. Any oxide having high ion conductivity may be used. As a material of the cathode G, an electrode catalyst (for example, Pt or the like) capable of promoting an electrochemical reduction reaction (that is, O 2 + 4e → 2O 2- ) of O 2 molecules to O 2− ions is preferable.

【0029】かかる図3のサンドイッチ電解システムを
電気炉等の加熱下で電流を流せば、上記したと同様に電
極Cから Mn+イオンがBのベータアルミナヘ電気化学酸
化反応により電解注入され、BのMn+イオンがドーピン
グ対象無機固体材料Aへ電解注入されると同時に陰極G
からFへ酸素イオンが注入され(陰極GではO2分子が
2-イオン(酸化物F中)へ電気化学的に還元され
る)、さらにFからドーピング対象無機固体材料Aへ酸
素イオンが供給される。即ち、ドーピング対象無機固体
材料Aへは金属イオンMn+と酸素イオンO2-が同時に供給
されながらドーピングされるために金属イオンの置換は
なく、ドーピング対象無機固体材料Aには、注入金属イ
オンと酸素イオンが酸化物となって過剰に存在すること
になる。
When a current is applied to the sandwich electrolysis system shown in FIG. 3 under heating of an electric furnace or the like, Mn + ions are electrolytically injected from the electrode C to the beta alumina of B by the electrochemical oxidation reaction, and B Mn + ions are electrolytically implanted into the inorganic solid material A to be doped, and the cathode G
Ions are implanted into the F from the O (electrochemical reduction of O 2 molecules to O 2− ions (in the oxide F) at the cathode G), and oxygen ions are supplied from the F to the inorganic solid material A to be doped. Is done. That is, the metal ions M n + and oxygen ions O 2− are simultaneously supplied and doped into the inorganic solid material A for doping, so that there is no replacement of metal ions. Oxygen ions become oxides and are present in excess.

【0030】即ち原理的に、次の電気化学反応がドーピ
ング対象A内で生じる(但しドーピング対象セラミック
スAをM'Oとする)。 (陽極ベータアルミナ側:M'O + xMn+ + xne- → M'M
xO (陰極ZrO2 側:(nx/2)O2- + M'MxO → M'MxO1+nx/2
+ xne- 全反応:M'O + xMn+ + (nx/2)O2- → M'MxO
1+nx/2(ドープされる材料) なおかかる酸素イオンの注入は、金属イオン注入による
ドープ対象固体材料内の陽性化を電気的に中和するた
め、金属イオンの注入を促進させる働き(効果)がある
と考えられる。
That is, in principle, the following electrochemical reaction occurs in the doping target A (however, the doping target ceramic A is M'O). (Anode beta-alumina side: M'O + xM n + + xne - → M'M
x O (cathode ZrO 2 side: (nx / 2) O 2- + M'M x O → M'M x O 1 + nx / 2
+ XNE - total reaction: M'O + xM n + + ( nx / 2) O 2- → M'M x O
1 + nx / 2 (Material to be doped) In addition, the oxygen ion implantation promotes the metal ion implantation to electrically neutralize the positivity in the solid material to be doped by the metal ion implantation. ).

【0031】図4は、本発明の請求項4における金属イ
オン−酸素イオン同時ドーピングシステムの変形例に相
当するサンドイッチ電解システムの一例を示すモデル図
である。図中のB,Cは図1で説明したものと同じ構成
であるが、この場合ドーピング対象無機固体材料とし
て、上記した酸素イオン伝導性固体電解質材Fを使用し
た点が異なる。このサンドイッチ電解システムの他面側
の板状の陰極Gの材質は上記の図3で説明したものと同
じである。
FIG. 4 is a model diagram showing an example of a sandwich electrolysis system corresponding to a modification of the metal ion-oxygen ion simultaneous doping system according to claim 4 of the present invention. B and C in the figure have the same configuration as those described in FIG. 1, except that in this case, the oxygen ion conductive solid electrolyte material F described above is used as the doping inorganic solid material. The material of the plate-like cathode G on the other side of the sandwich electrolysis system is the same as that described with reference to FIG.

【0032】かかる図4のサンドイッチ電解システムを
電気炉等の加熱下で電流を流せば、上記したと同様に陽
極Cから Mn+イオンがBのベータアルミナヘ電気化学酸
化反応により電解注入され、Bの Mn+イオンがFの酸素
イオン伝導性固体電解質材(例えば安定化ジルコニア
等)へ注入される。一方陰極Gから酸素がイオンとして
同時にFの安定化ジルコニアへ注入される(陰極Gでは
2分子がO2-イオン(酸化物F中)へ電気化学的に還
元される)。このようにして、対象無機固体材料Fには
金属イオンMn+と酸素イオンO2-が同時に供給されなが
らドーピングされる。
When a current is passed through the sandwich electrolysis system shown in FIG. 4 under the heating of an electric furnace or the like, Mn + ions are electrolytically injected from the anode C to the beta alumina of B by the electrochemical oxidation reaction as described above. Of M n + ions are implanted into the oxygen ion conductive solid electrolyte material of F (for example, stabilized zirconia). On the other hand, oxygen is simultaneously injected from the cathode G as ions into the stabilized zirconia of F (at the cathode G, O 2 molecules are electrochemically reduced to O 2− ions (in the oxide F)). Thus, the target inorganic solid material F is doped while the metal ions M n + and the oxygen ions O 2− are supplied simultaneously.

【0033】酸素イオンの注入は、注入金属イオンを結
果として、電気的に中性にする作用がある。金属イオン
の置換の場合には、置換により、電気的中性が保たれる
のに対して、この場合には酸素イオンがその役割を果た
すことになる。即ちここでも酸素イオンの供給により、
F中のZr4+イオンが還元されることなく金属イオンが注
入されるので、金属イオンのドーピングはより容易にな
る。この場合、次の電気化学反応がドーピング対象F内
で生じる。 Mn+ + (n/2)O2- → MOn/2 即ち安定化ジルコニアFへのドーピングが可能となる。
The implantation of oxygen ions has the effect of rendering the implanted metal ions electrically neutral. In the case of substitution of a metal ion, the electric neutrality is maintained by the substitution, but in this case, the oxygen ion plays a role. That is, also by supplying oxygen ions here,
Since the metal ions are implanted without reducing the Zr 4+ ions in F, the doping of the metal ions becomes easier. In this case, the following electrochemical reaction occurs in the doping target F. M n ++ (n / 2) O 2− → MO n / 2, that is, doping to stabilized zirconia F becomes possible.

【0034】[0034]

【実施例】以下に本発明の具体的な実施例を示す。なお
下記実施例で示したドーピング対象無機固体材料A、固
体電解質材B等は次のようにして調整した。 ・ドーピング対象無機固体材料Aとしては、YBa2Cu3Oy
超伝導体(以下YBCO と略記する)や Fe2O3 セラミック
スを用い、以下のようにして調整した。即ちYBCOの場合
には、Y2O3, BaCO3 及び CuO を出発原料とし、この混
合物は930 ℃で 10 時間焼成し、再粉砕して再び同じ条
件で再焼成した。これを1000Kg/cm2 の圧力でプレスし
た後 930 ℃で焼成しYBCO ペレットのサンプル(厚さ:
1.5mm, 表面積:1.5 cm2)を得た。一方 Fe2O3 の場合
には、 Fe2O3 の粉末を1000Kg/cm2 の圧力でプレスした
後、 900 ℃で 5 時間焼結し、ペレット(厚さ:1.5mm,
表面積:1.5 cm2)を得た。
EXAMPLES Specific examples of the present invention will be described below. The inorganic solid material A for doping, the solid electrolyte material B, and the like shown in the following examples were adjusted as follows.・ As the inorganic solid material A to be doped, YBa 2 Cu 3 Oy
Using a superconductor (hereinafter abbreviated as YBCO) or Fe 2 O 3 ceramics, adjustment was performed as follows. That is, in the case of YBCO, Y 2 O 3 , BaCO 3 and CuO were used as starting materials, and this mixture was fired at 930 ° C. for 10 hours, reground, and fired again under the same conditions. This is pressed at a pressure of 1000 kg / cm 2 , fired at 930 ° C., and a sample of YBCO pellets (thickness:
1.5 mm, surface area: 1.5 cm 2 ). On the other hand, when the Fe 2 O 3, after pressing the powder of Fe 2 O 3 at a pressure of 1000 Kg / cm 2, then sintered for 5 hours at 900 ° C., the pellet (thickness: 1.5 mm,
Surface area: 1.5 cm 2 ).

【0035】・固体電解質材Bは、Na−β"−Al2O3 のN
a を種々の金属 M(K+,Ca2+,Sr2+,Ag+,Zn2+) と置換し
て調整した金属 Mイオン含有のベータアルミナ(M−β"
−Al2O3)を使用した。なおこれらの固体電解質材にM が
存在することは、EPMA により分析して確認された。 ・陽極の電極板Cの材質としては Ag 又は Zn を用い、
一方陰極の電極板EとGの材質としては Ag 又はPtを
用いた。
The solid electrolyte material B is made of Na-β "-Al 2 O 3
a is replaced by various metals M (K + , Ca 2+ , Sr 2+ , Ag + , Zn 2+ ) and prepared beta-alumina (M-β ") containing metal M ions
Using the -Al 2 O 3). The presence of M in these solid electrolyte materials was confirmed by EPMA analysis. -Ag or Zn is used as the material of the anode electrode plate C,
On the other hand, Ag or Pt was used as the material of the cathode electrode plates E and G.

【0036】実施例1 図4に示した変形の金属イオン−酸素イオン同時ドーピ
ングシステムを用いた例を示す。なおドープ対象無機固
体材料Fとしては、Y 含有(Y2O3 として8 モル%)のZr
O2を使用し、これに Zn のドープを行った。この場合の
電解条件としては、B:Zn−β"−Al2O3、 F:Y 含有
安定化ジルコニア(Y2O3 として8 モル%含有のZr
O2)、C陽極:亜鉛(Zn)、 G陰極:Pt 、加熱雰囲気
温度:400 ℃、一定電流:10-4A(電流密度:4×10-4
/cm2)で3時間、 C,B,F,Gの各接触面積:
0.25cm2である。この図4に示すサンドイッチ電解シス
テムに電解電流を流したところ、次第に電解電圧が上昇
し、数百Vに上昇した。
Example 1 An example using a modified metal ion-oxygen ion simultaneous doping system shown in FIG. 4 will be described. The inorganic solid material F to be doped is Zr containing Y (8 mol% as Y 2 O 3 ).
O 2 was used and doped with Zn. The electrolysis conditions in this case are as follows: B: Zn-β ″ -Al 2 O 3 , F: Y-containing stabilized zirconia (Zr containing 8 mol% as Y 2 O 3
O 2 ), C anode: zinc (Zn), G cathode: Pt, heating atmosphere temperature: 400 ° C., constant current: 10 -4 A (current density: 4 × 10 -4 A)
/ Cm 2 ) for 3 hours, each contact area of C, B, F, G:
0.25 cm 2 . When an electrolysis current was passed through the sandwich electrolysis system shown in FIG. 4, the electrolysis voltage gradually increased to several hundred volts.

【0037】電解後のセラミックスFの断面のカチオン
分布をEPMA で分析した。即ち Znドープされた安定化ジ
ルコニアの肉厚方向断面(3000倍)での Zn, Na, O 及
びZr のそれぞれの濃度状態を示す元素分布図(照射電
子は加速電圧:15 KV,照射ビーム電流:5×10-8A, 分析
特性 X 線は、Zn:Kα線,Na:Kα線,Zr:Lα線,O:K
α線)の電子顕微鏡写真を調べた結果、Zr, O が多く存
在していると同時に存在量は少ないが Zn が確実に肉厚
方向に均一に存在していることが確認された。また電解
前後における元素濃度を分析した結果、電解前では、セ
ラミックス中のZnは、0モル%で全く検出されなかっ
たが、電解後では、Zn元素は約2モル%(ZnOに換
算して)ドープされていた。
The cation distribution on the cross section of the ceramics F after electrolysis was analyzed by EPMA. That is, the element distribution diagram showing the respective concentration states of Zn, Na, O and Zr in the cross section in the thickness direction (3000 times) of stabilized zirconia doped with Zn (irradiation electrons are acceleration voltage: 15 KV, irradiation beam current: 5 × 10 -8 A, analytical characteristics X-rays are Zn: K α- ray, Na: K α- ray, Zr: L α- ray, O: K
As a result of examining the electron micrograph of ( α- ray), it was confirmed that Zr and O were present in a large amount at the same time as the amount was small but Zn was surely present uniformly in the thickness direction. As a result of analyzing the element concentrations before and after electrolysis, Zn in the ceramics was not detected at 0 mol% at all before electrolysis, but after electrolysis, the Zn element was about 2 mol% (in terms of ZnO). Had been doped.

【0038】実施例2 図1に示した侵入(注入)型ドーピングシステムを用い
て Mg をドーピングしたセラミックスの電解前後におけ
る元素濃度を分析した。なお使用した材質等はBとして
Mg−β"−Al2O3、AとしてYBCO セラミックス、Cとし
て銀を使用した。この場合の電解条件としては、A;YB
a2Cu3Oy、B:Mg−β"−Al2O3、 C陽極:銀(Ag)、加
熱雰囲気温度:600 ℃、一定電流:10-3A(電流密度:4
×10-3A/cm2)で1時間、 A と B との接触面積:0.
25cm2である。なおAの他面側の陰極にはC陽極と同じ
銀(Ag)を用いた。この場合も上記の実施例1と同様に
Mg が YBa2Cu3Oy 全体に均一にドーピングされているこ
とが EPMA による分析にて確認された。また電解前後に
おける元素濃度を分析した結果、電解前では、セラミッ
クス中の Mg 元素は、0モル%であったが電解後では、
Mg 元素は約1モル%(MgO に換算して)ドープされてい
た。
Example 2 The element concentration of a ceramic doped with Mg before and after electrolysis was analyzed using the intrusion (injection) doping system shown in FIG. The material used is B
Mg-β "-Al 2 O 3 , YBCO ceramics were used as A, and silver was used as C. The electrolysis conditions in this case were A;
a 2 Cu 3 Oy, B: Mg-β ″ -Al 2 O 3 , C anode: silver (Ag), heated atmosphere temperature: 600 ° C., constant current: 10 −3 A (current density: 4
× 10 -3 A / cm 2 ) for 1 hour, contact area between A and B: 0.
It is a 25cm 2. The same silver (Ag) as the C anode was used for the cathode on the other side of A. Also in this case, similarly to the first embodiment described above.
It was confirmed by EPMA that Mg was uniformly doped in the whole YBa 2 Cu 3 Oy. In addition, as a result of analyzing the element concentrations before and after the electrolysis, the Mg element in the ceramics was 0 mol% before the electrolysis, but after the electrolysis,
The Mg element was doped at about 1 mol% (in terms of MgO).

【0039】実施例3 図2に示したカチオン伝導体への置換型ドーピングシス
テムを用いた例を示す。なお、E陰極は銀(Ag)を使用
し、C’とB’はそれぞれ銀(Ag)とナトリウム・ベ
ータアルミナ(Na−β"−Al2O3)を用いた。この場合の
電解条件としては、B’:Na−β"−Al2O3、 C’陽
極:銀(Ag)、E陰極:銀(Ag)、加熱温度:600 ℃、一
定電流: 10-3A(電流密度:4×10-3A/cm2)で1
時間、 B’とC’,Eの各接触面積:0.25cm2である。
この場合も実施例1と同様に Ag がB’のベータアルミ
ナ全体に均一にドーピングされていることが EPMA によ
る分析にて確認された。また電解前後における元素濃度
を分析した結果、電解前では、セラミックス中の Ag
は、0モル%で全く検出されなかったが、電解後では、
Ag 元素は約5モル%(Ag金属又はAgOに換算して)ドー
プされていた。
Example 3 An example using the substitutional doping system for the cation conductor shown in FIG. 2 will be described. In addition, silver (Ag) was used for the E cathode, and silver (Ag) and sodium beta alumina (Na-β ″ -Al 2 O 3 ) were used for C ′ and B ′, respectively. is, B ': Na-β " -Al 2 O 3, C' anode: silver (Ag), E cathode: silver (Ag), heating temperature: 600 ° C., a constant current: 10 -3 A (current density: 4 × 10 -3 A / cm 2 )
Time, contact area between B ′ and C ′, E: 0.25 cm 2 .
In this case as well, as in Example 1, it was confirmed by EPMA analysis that Ag was uniformly doped into the whole B ′ beta alumina. Analysis of the element concentrations before and after electrolysis showed that before electrolysis, Ag
Was not detected at 0 mol%, but after electrolysis,
The Ag element was doped at about 5 mol% (in terms of Ag metal or AgO).

【0040】実施例4 図3に示した金属イオン−酸素イオン同時ドーピングシ
ステムを用いた例を示す。なおドープ対象セラミックス
Aとしては Fe2O3 を使用し、これに Zn のドープを行
った。C陽極は実施例1と同じ Zn を、Fは実施例1と
同じ安定化ジルコニア(Y 含有のZrO2) を、又 G陰極
としてPt を使用した。この場合の電解条件としては、
A;Fe2O3 、B:Zn−β"−Al2O3、 F:Y 含有(Y2O3
として8モル%)のZrO2、C陽極:Zn 、 G陰極:Pt
、加熱雰囲気温度:400 ℃、一定電流:10-4A(電流密
度:4×10-4A/cm2)で1時間、 A と B,F との各
接触面積:0.25cm2である。この場合も実施例1と同様
に Zn が Fe2O3 全体に均一にドーピングされているこ
とが EPMA による分析にて確認された。また電解前後に
おける元素濃度を分析した結果、電解前では、セラミッ
クス中の Zn は、0モル%で全く検出されなかったが、
電解後では、Zn 元素は約1モル%(ZnOに換算して)ド
ープされていた。
Embodiment 4 An embodiment using the metal ion-oxygen ion simultaneous doping system shown in FIG. 3 will be described. Note that Fe 2 O 3 was used as the ceramic A to be doped, and this was doped with Zn. The C anode used was the same Zn as in Example 1, the F used was the same stabilized zirconia (Y-containing ZrO 2 ) as in Example 1, and the G cathode was Pt. The electrolysis conditions in this case include:
A: Fe 2 O 3 , B: Zn-β ″ -Al 2 O 3 , F: Y-containing (Y 2 O 3
8 mol%) ZrO 2 , C anode: Zn, G cathode: Pt
The heating atmosphere temperature was 400 ° C., the constant current was 10 −4 A (current density: 4 × 10 −4 A / cm 2 ) for 1 hour, and the contact area between A, B and F was 0.25 cm 2 . Also in this case, it was confirmed by EPMA analysis that Zn was uniformly doped in the whole Fe 2 O 3 as in Example 1. Also, as a result of analyzing the element concentrations before and after electrolysis, before the electrolysis, Zn in the ceramics was not detected at all at 0 mol%,
After the electrolysis, the Zn element was doped at about 1 mol% (in terms of ZnO).

【0041】[0041]

【発明の効果】以上説明した本発明方法によると、いっ
たん焼き固めた、金属材料を除く殆どあらゆる種類の無
機固体材料であっても、内部にまで所望のカチオン(金
属)を注入したり、あるいは金属イオン伝導性の高い無
機固体材料内部に本来含有する金属を任意の他の金属に
置換することが容易に可能となる。これによって無機固
体材料に新たな性質や機能を与えることができることか
ら、電気・電子材料、原子炉材料、機械構成材料、研削
材、断熱材、ガラス基板材等の各種機能性材料分野に応
用できる可能性を秘めた発明である。
According to the above-described method of the present invention, even if almost all kinds of inorganic solid materials except for the metal material which have been hardened once are injected with a desired cation (metal) into the inside, or It is possible to easily replace the metal originally contained in the inorganic solid material having high metal ion conductivity with any other metal. As a result, new properties and functions can be imparted to the inorganic solid material, so that it can be applied to various functional material fields such as electric / electronic materials, nuclear reactor materials, mechanical components, abrasives, heat insulating materials, and glass substrate materials. This is a potential invention.

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

【図1】本発明の侵入(注入)型ドーピングシステムを
示すモデル図である。
FIG. 1 is a model diagram showing an intrusion (injection) doping system of the present invention.

【図2】本発明のベータアルミナ中の金属イオンを置換
するシステムを示すモデル図である。
FIG. 2 is a model diagram showing a system for replacing metal ions in beta alumina of the present invention.

【図3】本発明の金属イオン−酸素イオン同時ドーピン
グシステムを示すモデル図である。
FIG. 3 is a model diagram showing a metal ion-oxygen ion simultaneous doping system of the present invention.

【図4】図3の変形例でジルコニアへの金属イオン−酸
素イオン同時ドーピングシステムを示すモデル図であ
る。
FIG. 4 is a model diagram showing a system for simultaneously doping metal ions and oxygen ions into zirconia in a modification of FIG. 3;

【符号の説明】[Explanation of symbols]

A ドーブ対象無機固体材料 B ドーブしたい金属イオンMn+含有の固体電解質材 B’ドーブ対象金属イオン伝導性の高い固体電解質材料 C,C’ 陽極 E 陰極 F 酸素イオン伝導性固体電解質材 G 陰極A Inorganic solid material to be heated B Solid electrolyte material containing metal ions M n + to be heated B 'Solid electrolyte material with high metal ion conductivity to be heated C, C' Anode E Cathode F Oxygen ion conductive solid electrolyte material G Cathode

Claims (10)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 ドーピング対象無機固体材料の片面側
を、ドーピングしたい金属イオン(Mn+)を含有する固
体電解質材と密着させ、該固体電解質材の外側を陽極
に、ドーピング対象無機固体材料の他面側を陰極に接続
させたサンドイッチ電解システムを形成し、加熱下で両
電極間に電流を流すことによって陽極側の固体電解質材
中に含有する金属イオン(Mn+)をドーピング対象の無
機固体材料中に電解注入させることを特徴とする無機固
体材料への金属ドーピング方法。
1. One side of an inorganic solid material to be doped is brought into close contact with a solid electrolyte material containing a metal ion (M n + ) to be doped. An inorganic solid material to be doped with metal ions ( Mn + ) contained in the solid electrolyte material on the anode side by forming a sandwich electrolysis system with the surface side connected to the cathode and passing current between both electrodes under heating A method for doping a metal into an inorganic solid material, wherein the metal is electrolytically injected therein.
【請求項2】 ドーピング対象無機固体材料が金属イオ
ン伝導性の高い固体電解質材であって、その片面側を陽
極に密着させ、他面側を陰極に密着させたサンドイッチ
電解システムを形成し、加熱下で両電極間に電流を流す
ことによって陽極から金属Mイオン(Mn+)をドーピン
グ対象の固体電解質材料中に電解置換させることを特徴
とする無機固体材料への金属ドーピング方法。
2. A sandwich electrolytic system in which an inorganic solid material to be doped is a solid electrolyte material having high metal ion conductivity, one side of which is in close contact with an anode, and the other side of which is in close contact with a cathode is formed. A metal doping method for an inorganic solid material, wherein a metal M ion (M n + ) is electrolytically substituted into a solid electrolyte material to be doped from an anode by flowing a current between both electrodes.
【請求項3】 ドーピング対象無機固体材料の片面側
を、ドーピングしたい金属イオン(Mn+)を含有する固
体電解質材と密着させ、該固体電解質材の外側を陽極
に、一方ドーピング対象無機固体材料の他面側を、酸素
イオン伝導性固体電解質材と密着させ、該酸素イオン伝
導性固体電解質材の外側を陰極に接続させたサンドイッ
チ電解システムを形成し、加熱下で両電極間に電流を流
すことによって陽極側の固体電解質材中に含有する金属
イオン(Mn+)と、陰極から生成した酸素イオンを、同
時にドーピング対象無機固体材料中に電解注入させるこ
とを特徴とする無機固体材料への金属ドーピング方法。
3. One side of the inorganic solid material to be doped is brought into close contact with a solid electrolyte material containing a metal ion (M n + ) to be doped, and the outside of the solid electrolyte material is used as an anode, while the inorganic solid material to be doped is used as an anode. The other side is in close contact with the oxygen ion conductive solid electrolyte material to form a sandwich electrolysis system in which the outside of the oxygen ion conductive solid electrolyte material is connected to the cathode, and a current flows between both electrodes under heating. Metal doping of the inorganic solid material, characterized in that metal ions (M n + ) contained in the solid electrolyte material on the anode side and oxygen ions generated from the cathode are simultaneously electrolytically injected into the inorganic solid material to be doped. Method.
【請求項4】 ドーピング対象無機固体材料が酸素イオ
ン伝導性固体電解質材であって、その片面側を、金属イ
オン(Mn+)を含有する固体電解質材と密着させ、かつ
該固体電解質材の外側を陽極に、一方ドーピング対象無
機固体材料の他面側を陰極に接続させたサンドイッチ電
解システムを形成し、加熱下で両電極間に電流を流すこ
とによって陽極側の固体電解質材中に含有する金属イオ
ン(Mn+)と、陰極から生成した酸素イオンとを、同時
にドーピング対象の無機固体材料中に電解注入させるこ
とを特徴とする無機固体材料への金属ドーピング方法。
4. An inorganic solid material to be doped is an oxygen ion conductive solid electrolyte material, one surface of which is in close contact with a solid electrolyte material containing a metal ion (M n + ), and an outer surface of the solid electrolyte material. To the anode, while forming a sandwich electrolysis system in which the other side of the inorganic solid material to be doped is connected to the cathode, by passing a current between the two electrodes under heating, the metal contained in the solid electrolyte material on the anode side A metal doping method for an inorganic solid material, wherein ions ( Mn + ) and oxygen ions generated from a cathode are simultaneously electrolytically injected into an inorganic solid material to be doped.
【請求項5】 ドーピング対象無機固体材料が金属酸化
物セラミックス、非酸化物セラミックス、ガラス、金属
酸化物単結晶の内から選ばれたものであることを特徴と
する請求項1〜4のいずれかに記載の無機固体材料への
金属ドーピング方法。
5. The inorganic solid material to be doped is selected from the group consisting of metal oxide ceramics, non-oxide ceramics, glass, and metal oxide single crystals. 3. The method for doping a metal into an inorganic solid material according to item 1.
【請求項6】 ドーピング対象の金属イオン伝導性の高
い固体電解質材がドーピングしたい金属Mとは異なる金
属M’を含有するベータアルミナ(M'−β−Al2O3又は
M'−β"−Al2O3)系であることを特徴とする請求項2に
記載の無機固体材料への金属ドーピング方法。
6. A beta-alumina (M′-β-Al 2 O 3 or M′-β-Al 2 O 3 containing a metal M ′ different from a metal M to be doped by a solid electrolyte material having high metal ion conductivity to be doped.
3. The method for doping a metal in an inorganic solid material according to claim 2, wherein the method is M'-β "-Al 2 O 3 ).
【請求項7】 酸素イオン伝導性固体電解質材がジルコ
ニア(ZrO2)又は安定化ジルコニア(CaO−Zr
2,Y23−ZrO2等)から選択されたものである請
求項3又は4記載の無機固体材料への金属ドーピング方
法。
7. The oxygen ion conductive solid electrolyte material is zirconia (ZrO 2 ) or stabilized zirconia (CaO—Zr).
O 2, Y 2 O 3 -ZrO 2 , etc.) are those selected from claim 3 or 4 metal doping method to inorganic solid material according.
【請求項8】 陽極の材質が、ドーピングしたい金属M
か又はその酸化物あるいは金属Mの塩から選択されたも
のであることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記
載の無機固体材料への金属ドーピング方法。
8. The material of the anode is metal M to be doped.
The method for doping a metal in an inorganic solid material according to any one of claims 1 to 4, wherein the method is selected from the group consisting of an oxide thereof and a salt of a metal M.
【請求項9】 固体電解質材が金属Mn+イオンを含有す
るベータアルミナ(M−β−Al2O3又はM−β"−Al2O3
系であることを特徴とする請求項1または3又は4のい
ずれかに記載の無機固体材料への金属ドーピング方法。
9. The solid electrolyte material is beta alumina (M-β-Al 2 O 3 or M-β ″ -Al 2 O 3 ) containing metal M n + ions.
The method for doping a metal into an inorganic solid material according to claim 1, wherein the method is a system.
【請求項10】 電解ドーピングは、加熱温度が100
〜1300℃、電流密度が10A/cm2 以下の条件で
実施される請求項1〜4のいずれかに記載の無機固体材
料への金属ドーピング方法。
10. The electrolytic doping has a heating temperature of 100.
The method for doping a metal in an inorganic solid material according to any one of claims 1 to 4, wherein the method is carried out at a temperature of 1 to 1300 ° C and a current density of 10 A / cm 2 or less.
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