KR20210113395A - 다공질체, 전기 화학 셀, 및 다공질체의 제조 방법 - Google Patents

다공질체, 전기 화학 셀, 및 다공질체의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

다공질 도전성 기재에 금속 피막이 형성된 다공질체에 있어서, 금속 피막을 형성하는 금속 사용량의 저감과, 다공질 도전성 기재와 금속 피막 간의 산화 피막의 억제를 양립한다. 연통하는 공공과 상기 공공을 형성하는 골격을 갖는 다공질 도전성 기재와, 상기 골격의 표면의 일부에 마련된 금속 피막을 구비하는 다공질체이며, 상기 다공질 도전성 기재의 기공률은 10％ 이상이며, 상기 금속 피막의 70질량％ 이상이, 상기 다공질체의 한쪽 표면으로부터 두께 방향 30％ 이내의 영역에 존재하고, 상기 골격과 상기 금속 피막 사이의 산화 피막의 두께가, 적어도 일부에 있어서 2㎚ 이하인, 다공질체.

Description

다공질체, 전기 화학 셀, 및 다공질체의 제조 방법
본 발명은 다공질체, 전기 화학 셀, 및 다공질체의 제조 방법에 관한 것이다.
도전성 재료로 형성된 다공질체는, 액체나 기체의 투과성을 용도에 따라 설계할 수 있는 점에서, 근년 여러 분야에서 사용되고 있다.
예를 들어, 특허문헌 1에서는, 물의 전기 분해를 행하는 전해 셀에 있어서, 고체 전해질막과 전극판을 통전시키는 작용을 하고, 또한 공급된 물을 고체 전해질막에 접촉시켜, 발생된 가스를 배출하는 작용을 하는 급전체로서, 티타늄 섬유체를 사용하는 방법이 개시되어 있다.
일본 특허 공개 제2004-315933호 공보 일본 특허 공개 제2010-106322호 공보
이러한 도전성의 다공질체에 있어서, 특성의 부여를 목적으로 하여 그 표면에 금속 피막을 형성하는 경우가 있다. 예를 들어, 특허문헌 1에 기재되는 급전체에 있어서는, 전극 등에 접촉하는 면에 귀금속 피막을 형성함으로써, 전극 등과의 사이의 접촉 저항을 저하시킬 수 있다.
다공질 도전성 기재의 표면에 금속 피막을 형성하는 방법으로는, 전해 도금법이나, 스퍼터링법을 들 수 있다. 그러나, 이들 방법에는, 이하에 나타내는 바와 같은 과제가 있다.
전해 도금법에서는, 도금액에 침지한 다공질 도전성 기재에 직접 전압을 인가하여 금속 피막(전해 도금 피막)을 형성한다. 이 방법은 비교적 단시간에 금속 피막을 형성할 수 있지만, 설계의 자유도가 낮고, 기본적으로 다공질 도전성 기재의 세공 내부도 포함한 표면 전체에 금속 피막이 형성된다.
따라서, 필요가 없는 부분에까지 금속 피막이 형성되기 때문에, 전해 도금법은 금속의 사용량이 현저히 많아, 비용의 관점에서 바람직하지 않다. 특히, 도금 금속이 귀금속 등의 고가의 금속인 경우에 있어서 이 문제는 현저하다.
여기서, 전해 도금법에 의해 필요한 부분에만 금속 피막을 형성하는 방법으로서, 마스킹을 이용하는 방법이 알려져 있다. 예를 들어, 다공질 도전성 기재의 한쪽 표면에만 금속 피막을 형성하기 위해, 다른 쪽 표면을 마스킹한 상태에서 전해 도금을 행하는 것을 생각할 수 있다.
그러나, 기재가 다공질인 경우에는, 기재의 내부에 도금액이 침입하기 때문에, 기재의 내부에도 금속 피막이 형성되어 버린다. 그 때문에, 마스킹을 사용하는 수법에서는, 다공질 도전성 기재의 한쪽 표면에만 선택적으로 금속 피막을 형성할 수 없다.
또한, 특허문헌 2에서는, 발수제층에 의한 마스킹을 이용하여, 발포 티타늄판의 최표면에만 Au 피막을 형성하는 것이 제안되어 있다. 구체적으로는, 발포 티타늄판의 골격의 전체 표면에 발수제층을 형성하고, 해당 발포 티타늄판의 최표면의 볼록부 선단의 발수제층만을 제거한 후에 Au 피막이 형성된다.
그러나, 특허문헌 2에서 제안되어 있는 방법에서는, Au 피막의 형성에 앞서 발수제층을 고화시키기 위해 고온에서 열처리를 행할 필요가 있기 때문에, 기재와 Au 피막 사이에 두꺼운 산화 피막이 형성되는 것을 피할 수 없다. 나아가, Au 피막 형성 후에도, 발수제층을 제거하기 위해 다시 열처리를 행할 필요가 있기 때문에, 산화 피막이 더욱 두꺼워진다.
또한, 상술한 바와 같은 마스킹을 사용하는 방법에서는, 마스킹의 형성과 제거를 위한 처리가 필요해지기 때문에, 제조 공정이 복잡하다. 그 때문에, 생산성 및 제조 비용의 관점에서 불리하다.
한편, 스퍼터링법에서는, 금속 입자를 다공질 도전성 기재에 충돌 및 부착시켜 금속 피막을 형성한다. 이 방법에서는 기본적으로는 다공질 도전성 기재의 스퍼터링 타깃과 대향하는 면의, 외측으로부터 시인되는 부분에만 금속 피막이 형성되기 때문에, 용도에 따라 금속 피막을 형성하는 부분을 선택하는 것이 가능하여, 전해 도금법과 비교하면 설계의 자유도가 높다.
그러나, 같은 정도의 두께의 금속 피막을 형성할 경우, 스퍼터링법은 전해 도금법과 비교하면 현저하게 시간이 걸린다. 또한, 스퍼터링법의 실시에는, 고가의 장치가 필요하다. 따라서, 스퍼터링법은, 제조 공정의 비용의 관점에서 바람직하지 않다.
또한, 스퍼터링법에 의해 얻어지는 금속 피막을 갖는 다공질 도전성 기재는, 성능면에 있어서 이하와 같은 문제가 있다.
통상, 다공질 도전성 기재는, 표면에 두께 3 내지 8㎚정도의 자연 산화 피막을 구비하는데, 당해 자연 산화 피막은, 금속 피막에 의해 부여하려고 하는 특성(접촉 저항 저감 등)에 악영향을 미치는 경우가 많아, 금속 피막의 형성 전에, 전처리를 행하여 제거하는 것이 바람직하다. 그러나, 스퍼터링법에 의해 금속 피막을 형성하는 경우는, 스퍼터링 전에 있어서 필연적으로 다공질 도전성 기재가 대기에 노출되기 때문에, 산화 피막을 제거하기가 곤란하다. 따라서, 스퍼터링법으로 얻어지는 금속 피막을 갖는 다공질 도전성 기재는, 다공질 도전성 기재의 골격과 금속 피막 사이에 두꺼운 자연 산화 피막을 구비하는 것이며, 전해 도금법으로 얻어지는 것과 비교하면, 성능면에서 떨어진다.
본 발명은 상기를 감안하여 이루어진 것이며, 다공질 도전성 기재에 금속 피막이 형성된 다공질체에 있어서, 금속 피막을 형성하는 금속 사용량의 저감과, 다공질 도전성 기재와 금속 피막 사이의 산화 피막의 억제를 양립시키는 것을 목적으로 한다.
본 발명자들은, 상기 과제를 해결하기 위해 예의 연구를 거듭한 결과, 다공질 도전성 기재에 대해 바이폴라 현상을 이용하여 전해 도금을 실시하여 금속 피막을 형성함으로써, 상기 과제를 해결할 수 있음을 알아내어, 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 일 실시 형태에서의 다공질체는, 연통하는 공공(空孔)과 상기 공공을 형성하는 골격을 갖는 다공질 도전성 기재와, 상기 골격의 표면의 일부에 마련된 금속 피막을 구비하는 다공질체이며,
상기 다공질 도전성 기재의 기공률은 10％ 이상이며,
상기 금속 피막의 70질량％ 이상이, 상기 다공질체의 한쪽 표면으로부터 두께 방향 30％ 이내의 영역에 존재하고,
상기 골격과 상기 금속 피막 사이의 산화 피막의 두께가, 적어도 일부에서 2㎚ 이하인, 다공질체이다.
본 발명의 일 실시 형태에 있어서는, 상기 금속 피막이, 바이폴라 현상을 이용한 간접 급전에 의한 전해 도금으로 형성된 피막이면 된다.
또한, 본 발명의 다른 실시 형태에서의 다공질체는, 연통하는 공공과 상기 공공을 형성하는 골격을 갖는 다공질 도전성 기재와, 상기 골격의 표면의 일부에 마련된 금속 피막을 구비하는 다공질체이며,
상기 다공질 도전성 기재의 기공률은 10％ 이상이며,
상기 금속 피막은, 바이폴라 현상을 이용한 간접 급전에 의한 전해 도금으로 형성된 피막인, 다공질체여도 된다.
본 발명의 일 실시 형태에 있어서는, 상기 산화 피막의 평균 두께가 6㎚ 이하이면 된다.
본 발명의 일 실시 형태에 있어서는, 상기 금속 피막은, Au, Ag, Pt, Pd, Rh, Ir, Ru 및 Os로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나의 귀금속 또는 그의 합금을 포함하는 것이면 된다.
본 발명의 일 실시 형태에 있어서는, 상기 다공질 도전성 기재는, 금속 및 탄소 및 Si로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나를 포함하는 재료이면 된다.
본 발명의 일 실시 형태에 있어서는, 상기 다공질 도전성 기재는, Ti, Ta, Zr, Nb, Cu, Al, Fe, Ni, C, 및 Si로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나를 포함하는 것이면 된다.
본 발명의 일 실시 형태에 있어서는, 상기 다공질 도전성 기재는, Ti 또는 Ti 합금을 포함하는 것이면 된다.
본 발명의 다른 실시 형태에서의 전기 화학 셀은, 급전체와, 상기 급전체와 대향하여 배치되는 대향 급전체와, 상기 급전체 및 상기 대향 급전체의 사이에 끼움 지지되는 고체 전해질막을 구비하는 전기 화학 셀이며,
상기 급전체는, 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 기재된 다공질체를 포함하고, 상기 한쪽 표면이 상기 고체 전해질막측이 되도록 배치되는, 전기 화학 셀이다.
본 발명의 다른 실시 형태에서의 다공질체의 제조 방법은, 연통하는 공공과 상기 공공을 형성하는 골격을 갖는 다공질 도전성 기재와, 상기 골격의 표면의 일부에 마련된 금속 피막을 구비하는 다공질체의 제조 방법이며,
음극과 양극 사이에 상기 다공질 도전성 기재를 배치하고,
상기 다공질 도전성 기재의 상기 양극측 면의 적어도 일부를 도금액과 접촉시키고, 상기 다공질 도전성 기재의 상기 음극측 면의 적어도 일부를 음극 전해액과 접촉시킨 상태에서, 상기 양극과 상기 음극 사이에 전압을 인가하여 상기 다공질 도전성 기재를 분극시켜 상기 금속 피막을 형성하는, 다공질체의 제조 방법이다.
본 발명의 일 실시 형태에 있어서는, 상기 도금액과 상기 음극 전해액이 상기 다공질 도전성 기재에 의해 구획된 상태에서, 상기 전압의 인가를 실시할 수 있다.
본 발명의 일 실시 형태에 있어서는, 상기 다공질 도전성 기재의 상기 음극측 면에 보조 전극을 접촉시킨 상태에서 상기 전압의 인가를 실시할 수 있다.
본 발명에 의하면, 금속 피막을 형성하는 금속 사용량의 저감과, 다공질 도전성 기재와 금속 피막 간의 산화 피막의 억제가 양립된, 다공질 도전성 기재에 금속 피막이 형성된 다공질체가 제공된다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에서의 다공질체를 나타내는 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에서의 바이폴라 전해 도금을 행하는 장치의 일례를 나타내는 모식도이다.
도 3은 도 2에 나타내는 예에 있어서 양극과 음극 사이에 전압을 인가한 상태를 나타내는 모식도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시 형태에서의 바이폴라 전해 도금을 행하는 장치의 일례를 나타내는 모식도이다.
도 5는 도 4에 나타내는 예에 있어서 양극과 음극 사이에 전압을 인가한 상태를 나타내는 모식도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시 형태에서의 바이폴라 전해 도금을 행하는 장치의 일례를 나타내는 모식도이다.
도 7은 도 6에 나타내는 예에 있어서 양극과 음극 사이에 전압을 인가한 상태를 나타내는 모식도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 형태에서의 전기 화학 셀의 구조의 일례를 나타내는 모식도이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시 형태에서의 전기 화학 셀의 구조의 일례를 나타내는 모식도이다.
도 10은 실시예 1 및 비교예 2에 있어서 얻어진 다공질체의 표면의 섬유의 단면TEM 화상이다.
이하, 본 발명의 실시 형태에 대해서, 상세하게 설명한다. 또한, 본 발명은 이하에 설명하는 실시 형태에 한정되는 것은 아니다. 또한, 도면에 있어서, 동일한 작용을 발휘하는 부재ㆍ부위에는 동일 부호를 부여하여 설명하는 경우가 있으며, 중복되는 설명은 생략 또는 간략화하는 경우가 있다. 또한, 도면에 기재된 실시 형태는, 본 발명을 명료하게 설명하기 위해 모식화되어 있고, 실제의 제품 사이즈나 축척을 반드시 정확하게 표시한 것은 아니다.
본 명세서에 있어서 「다공질 도전성 기재의 골격의 표면」이란, 다공질 도전성 기재의 세공 내의 표면도 맞춘 표면을 의미한다. 한편, 본 명세서에 있어서 「다공질체의 표면」 및 「다공질 도전성 기재의 표면」이란, 다공질체 및 다공질 도전성 기재를 거시적으로 본 경우의 최표면을 의미하고, 즉 다공질체 및 다공질 도전성 기재의 기공부가 모두 메워져, 기공률이 제로인 판이라고 가정한 경우에 있어서의 표면에 대응하는 부분을 의미한다.
[다공질체]
우선, 본 발명의 일 실시 형태에서의 다공질체에 대해 설명한다.
본 실시 형태에서의 다공질체는, 다공질 도전성 기재와, 금속 피막을 구비한다.
(다공질 도전성 기재)
본 실시 형태에서의 다공질 도전성 기재는, 연통하는 공공과, 상기 공공을 형성하는 골격을 구비한다. 바꾸어 말하면, 상기 다공질 도전성 기재는, 도전성 연통 다공체로 이루어지는 기재이다.
ㆍ기공률: 10％ 이상
본 실시 형태에서의 다공질 도전성 기재의 기공률은, 액체나 기체의 투과성을 확보하는 관점에서 10％ 이상으로 한다. 상기 기공률은, 마찬가지 관점에서 20％ 이상이 바람직하고, 30％ 이상이 더 바람직하고, 40％ 이상이 더욱 바람직하다. 한편, 상기 기공률의 상한은 특별히 한정되지 않고 다공질체의 용도에 따라 적절하게 설정하면 되지만, 통상은 강도의 관점에서 다공질 도전성 기재의 기공률은 90％ 이하인 것이 바람직하다. 또한, 전기를 통과시키는 골격의 부분이 적으면 다공질 도전성 기재의 저항값이 높아지기 때문에, 일정한 도전성을 유지하는 관점에서도 기공률이 90％ 이하인 것이 바람직하다.
또한, 여기서 다공질 도전성 기재의 기공률은, [1-(다공질 도전성 기재의 중량)/{(다공질 도전성 기재 원료의 이론 밀도)×(다공질 도전성 기재의 체적)}]으로 구해지는 값을 의미한다. 또한, 당해 식에 있어서, 다공질 도전성 기재의 체적이란, 해당 다공질 도전성 기재의 겉보기 체적, 바꾸어 말하면, 다공질 도전성 기재의 골격과 공공의 체적을 합한 체적을 의미한다.
ㆍ다공질 도전성 기재의 재질
다공질 도전성 기재의 재질로서는, 특별히 한정되지 않고 임의의 도전성 재료를 사용할 수 있다. 본 명세서에서 도전성 재료란, 전기 저항률이 1000Ωㆍm 이하인 재료를 말한다.
상기 도전성 재료로서는, 무기 재료, 유기 재료 및 무기-유기 복합 재료 중 어느 것을 사용할 수 있다. 도전성 재료로서는, 예를 들어 금속, 탄소 및 Si로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나를 포함하는 재료를 들 수 있다. 상기 재료는, 단체, 합금, 화합물 및 복합 재료 중 어느 것이어도 된다. 그 중에서도, 상기 도전성 재료로서는, 금속 또는 탄소 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 탄소 복합 재료나, SiC 등의 도전성 탄소 화합물을 사용할 수도 있다. 또한, 상기 도전성 재료로서 Si 재료를 사용하는 경우, 상기 Si 재료는, 원하는 도전성이 얻어지도록, 임의로 도펀트를 함유할 수 있다.
예를 들어, 본 발명의 일 실시 형태에 있어서는, 상기 다공질 도전성 기재는 Ti, Ta, Zr, Nb, Cu, Al, Fe, Ni, C 및 Si로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나를 포함한다. 상기 재료는, 전기 저항이 적고, 또한 내부식성도 우수하다. 그 때문에, 특히, 다공질체를 수전해 장치 등의 전기 화학 셀의 급전체로서 사용하는 경우에 극히 적합하다.
그 중에서도, 상기 다공질 도전성 기재는, Ti 또는 Ti 합금을 포함하는 것이 바람직하고, Ti를 포함하는 것이 더 바람직하다. 상기 Ti 합금으로서는, 예를 들어 Al, V, Mo, Pd, Mn, Sn, Fe로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나의 금속과, Ti와의 합금을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 다공질 도전성 기재의 골격의 형상(미시적인 형상)은 특별히 한정되지 않고 임의의 형상이어도 된다. 예를 들어, 상기 다공질 도전성 기재는, 섬유의 집합체(이하, 「섬유체」라고도 함), 입상 재료의 응집체, 복수의 망의 적층체 및 관통 구멍을 갖는 막, 그리고 그것들의 집합체이면 된다. 상기 섬유체로서는, 섬유의 소결체를 사용하는 것이 바람직하며, 부직포의 소결체를 사용하는 것이 더 바람직하다. 다공질 도전성 기재가 섬유체인 경우, 섬유체를 구성하는 섬유의 굵기는 특별히 한정되지는 않지만, 예를 들어 10㎛ 이상 100㎛ 이하로 하는 것이 바람직하다. 상기 입상 재료의 응집체로서는, 입상 재료의 소결체를 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 탄소 재료를 포함하는 다공질 도전성 기재로서, 탄소 섬유를 포함하는 다공성 기재나, 다공성 C/C 컴포지트(Carbon fiber reinforced carbon) 등을 포함하는 기재를 사용할 수도 있다.
다공질 도전성 기재의 형상(거시적인 형상)도 특별히 한정되지 않고 임의의 형상이어도 된다. 상기 다공질 도전성 기재는, 대향하는 1쌍의 면을 갖는 형상인 것이 바람직하고, 직육면체 형상인 것이 더 바람직하고, 판형(막형)인 것이 더욱 바람직하다. 다공질체를 급전대나 전극 등으로서 사용하는 경우에는, 다공질 도전성 기재를 판형(막형)으로 하는 것이 특히 적합하다. 다공질 도전성 기재는, 판형의 섬유체인 것이 특히 바람직하다. 다공질 도전성 기재가 판형인 경우, 해당 다공질 도전성 기재의 두께는, 강도의 관점에서는 0.05㎜ 이상이 바람직하다. 한편, 비용이나, 내장되는 장치의 소형화, 액체나 기체의 확산성과 같은 관점에서는, 다공질 도전성 기재의 두께는 5㎜ 이하가 바람직하다.
또한, 상기 다공질 도전성 기재는, 표면에 거시적인 요철을 갖고 있어도 된다. 후술하는 바와 같이, 바이폴라 현상을 이용하여 전해 도금을 행함으로써, 다공질 도전성 기재의 표면에 거시적인 요철이 존재하는 경우라도 문제없이 본 발명의 다공질체를 제조할 수 있다. 또한, 여기서 말하는 거시적인 요철이란, 다공질 도전성 기재의 다공성에 기인하는 미시적인 표면의 요철보다 큰 수준의 요철을 가리킨다.
(금속 피막)
ㆍ귀금속 피막의 재질
상기 금속 피막의 재질은 특별히 한정되지 않고 임의의 금속이면 된다. 예를 들어, 니켈(Ni), 크롬(Cr), 구리(Cu), 아연(Zn), 주석(Sn), 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 이리듐(Ir), 루테늄(Ru) 및 오스뮴(Os)으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나의 금속, 또는 그들의 합금을 포함하는 상기 금속 피막을 사용할 수 있다. 특히, 비용 삭감의 효과가 현저해진다는 점에서, 상기 금속 피막은, 귀금속 또는 그의 합금을 포함하는 것이 바람직하고, 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 이리듐(Ir), 루테늄(Ru) 및 오스뮴(Os)으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나의 귀금속, 또는 그의 합금을 포함하는 것이 더 바람직하다. 또한, 예를 들어 접촉 저항의 저감을 목적으로 하여 금속 피막을 형성하는 경우나, 내부식성을 목적으로 하는 경우에 있어서도, 금속 피막은 귀금속 또는 그의 합금을 포함하는 것이 바람직하다.
ㆍ금속 피막의 분포
상기 금속 피막은 다공질 도전성 기재의 골격의 표면, 즉 다공질 도전성 기재의 소위 외측의 표면 및 세공 내의 표면을 합친 표면의 일부에 마련된다.
본 실시 형태의 다공질체에 있어서, 상기 금속 피막은, 다공질 도전성 기재의 한쪽 표면측에 편재(국재)되어 있다. 구체적으로는, 본 실시 형태의 다공질체에 있어서는, 금속 피막의 70질량％ 이상이, 다공질체의 한쪽 표면으로부터 두께 방향에 있어서 30％ 이내의 영역에 존재한다. 바꾸어 말하면, 다공질체에 포함되는 금속 피막의 전체 질량에 대한, 다공질체의 한쪽 표면으로부터 두께 방향에 있어서 30％ 이내의 영역에 존재하는 금속 피막의 질량 비율이 70질량％ 이상이다.
상술한 바와 같이, 다공질 도전성 기재에 특성을 부여하기 위해 금속 피막을 형성하는 경우, 다공질 도전성 기재의 외표면 및 그의 근방에 형성된 금속 피막은 유효하게 작용하지만, 내부에 형성된 금속 피막은 상기 특성의 부여에 기여하지 않는 경우가 있다. 그 경우, 다공질 도전성 기재의 표면 부근 이외의 부분으로의 금속 피막의 형성은, 특성의 부여에 기여하지 않을 뿐만 아니라, 비용을 증대시킨다. 또한, 습윤성의 저하에 의한 액체나 기체의 확산성의 저하를 초래하는 경우도 있다. 그러나, 본 실시 형태의 다공질체에서는, 금속 피막은 한쪽 표면의 부근에 집중하여 형성되어 있기 때문에, 상기와 같은 문제가 억제되어 있다.
상기 관점에서, 금속 피막의 바람직하게는 80질량％ 이상, 보다 바람직하게는 90질량％ 이상이, 다공질체의 한쪽 표면으로부터 두께 방향에 있어서 30％ 이내의 영역에 존재하는 것이 바람직하다.
또한, 마찬가지의 관점에서, 본 실시 형태의 다공질체에 있어서는, 금속 피막의 70질량％ 이상이, 다공질체의 한쪽 표면으로부터 두께 방향에 있어서 20％ 이내의 영역에 존재하는 것이 바람직하고, 10％ 이내의 영역에 존재하는 것이 더 바람직하다.
또한, 다공질체의 두께 방향의 금속 피막 존재량의 분포는, 실시예의 란에 기재된 방법에 의해 측정할 수 있다.
(산화 피막)
ㆍ두께: 2㎚ 이하
또한, 본 실시 형태의 다공질체에서는 다공질 도전성 기재의 골격과 금속 피막 사이의 산화 피막의 형성이 억제되어 있다. 구체적으로는, 상기 골격과 상기 금속 피막 사이의 산화 피막의 두께가, 적어도 일부에 있어서 2㎚ 이하이다. 골격과 금속 피막 사이에 산화 피막이 존재하면, 금속 피막에 의해 부여하려고 하는 특성을 충분히 얻지 못하는 경우가 있다. 그러나, 골격과 금속 피막 사이에 산화 피막이 존재하는 경우에도, 당해 산화 피막의 두께가 2㎚ 이하이면 금속 피막에 의해 부여하려고 하는 특성에 대한 영향은 적다. 따라서, 상기와 같이 골격과 금속 피막 사이의 산화 피막의 형성이 억제되어 있는 본 실시 형태의 다공질체는, 금속 피막에 의해 부여하려고 하는 특성을 충분히 발휘한다. 상기 관점에서는, 산화 피막의 두께가 얇으면 얇을수록 좋기 때문에, 상기 두께의 하한은 특별히 한정되지 않으며, 0(제로)이어도 된다. 바꾸어 말하면, 상기 골격과 상기 금속 피막 사이의 적어도 일부에 있어서, 산화 피막이 존재하지 않는 것이 바람직하다. 또한, 상기 산화 피막의 두께는, 투과 전자 현미경(TEM)에 의해 측정할 수 있다. 구체적으로는, 실시예에 기재된 방법으로 측정할 수 있다.
ㆍ평균 두께가 6㎚ 이하
마찬가지 관점에서, 산화 피막의 평균 두께가 6㎚ 이하인 것이 바람직하다. 평균 두께를 6㎚ 이하로 함으로써, 다공질체의 특성을 더 향상시킬 수 있다. 상기 평균 두께는 5㎚ 이하로 하는 것이 더 바람직하다. 산화 피막은 얇으면 얇을수록 좋기 때문에, 상기 두께의 하한은 특별히 한정되지 않으며, 0(제로)이면 된다. 바꾸어 말하면, 상기 골격과 상기 금속 피막 사이에 산화 피막이 존재하지 않는 것이 바람직하다. 또한, 상기 산화 피막의 평균 두께는, 투과 전자 현미경(TEM)에 의해 측정할 수 있다. 구체적으로는, 실시예에 기재된 방법으로 측정할 수 있다.
다음에, 도면을 참조하여, 본 발명의 일 실시 형태에서의 다공질체의 일례에 대해 설명한다.
도 1은, 본 발명의 일 실시 형태에서의 다공질체(10)를 나타내는 모식도이다. 다공질체(10)는, 연통하는 공공과 상기 공공을 형성하는 골격을 갖는 다공질 도전성 기재(11)와, 상기 골격의 표면의 일부에 마련된 금속 피막(12)을 구비한다. 다공질 도전성 기재(11)는 10％ 이상의 기공률을 갖는 다공질 재료를 포함하는 시트형 부재이며, 대향하는 1쌍의 표면을 갖고 있다. 또한, 금속 피막(12)의 70질량％ 이상이, 다공질체의 한쪽 표면으로부터 두께 방향 30％ 이내의 영역 A에 존재하고 있다. 다공질 도전성 기재(11)의 골격과 금속 피막(12) 사이의 산화 피막의 두께는, 적어도 일부에 있어서 2㎚ 이하이다.
금속 피막(12)은, 후술하는 바이폴라 현상을 이용한 간접 급전에 의한 전해 도금으로 형성된 전해 도금 피막이다. 상술한 바와 같이 스퍼터링법으로 금속 피막을 형성하는 경우, 기본적으로는, 다공질 도전성 기재의 스퍼터링 타깃과 대향하는 면의, 외측으로부터 시인되는 부분에만 금속 피막이 형성된다. 이에 비해 바이폴라 현상을 이용한 전해 도금에 의하면, 다공질 도전성 기재의 골격의 주위에 돌아 들어가도록 금속 피막이 형성된다. 그 때문에, 본 발명의 일 실시 형태에서의 다공질 도전성 기재(11)의 골격을 미시적으로 본 경우, 상기 금속 피막(12)이 형성되어 있는 영역에서는, 해당 골격의 표면의, 상기 한쪽 표면측뿐만 아니라, 측면 및 다른 쪽 표면측에도 금속 피막(12)이 형성되어 있어도 된다.
[다공질체의 제조 방법]
이어서, 본 발명의 일 실시 형태에서의 다공질체의 제조 방법에 대해 설명한다. 상술한 다공질체는, 이하에 설명하는 방법으로 제조할 수 있다.
본 발명의 일 실시 형태에 있어서는, 음극과 양극 사이에 다공질 도전성 기재를 배치하고, 상기 다공질 도전성 기재의 상기 양극측 면의 적어도 일부를 도금액과 접촉시켜, 상기 다공질 도전성 기재의 상기 음극측 면의 적어도 일부를 음극 전해액과 접촉시킨 상태에서, 상기 양극과 상기 음극 사이에 전압을 인가하여 상기 다공질 도전성 기재를 분극시켜 상기 금속 피막을 형성한다.
상기 방법에 의하면, 바이폴라 현상을 이용하여 다공질 도전성 기재에 대해 간접적으로(비접촉으로) 급전하고, 전해 도금(이하 간단히 「바이폴라 전해 도금」이라고도 함)에 의해 금속 피막을 형성할 수 있다. 바이폴라 전해 도금에 있어서는, 음극과 양극 사이에 다공질 도전성 기재를 설치하면 되며, 상기 음극과 상기 다공질 도전성 기재 및 상기 다공질 도전성 기재와 상기 양극은, 각각 이격된 상태로 한다.
양극과 음극 사이에 전압을 인가하면, 다공질 도전성 기재가 분극하여 내부에 전위차가 생긴다. 이때, 해당 다공질 도전성 기재의 상기 양극과 대향하는 측이 상대적으로 낮은 전위가 된다. 그 때문에, 해당 다공질 도전성 기재의 상기 양극과 대향하는 측의 표면 및 그의 근방에 선택적으로 도금 금속이 석출되어, 금속 피막이 형성된다. 한편, 상기 다공질 도전성 기재의 상기 음극과 대향하는 측은 상대적으로 높은 전위가 된다. 그 때문에, 해당 다공질 도전성 기재의 상기 음극과 대향하는 측에는 금속 피막이 형성되지 않는다. 그 결과, 금속 피막의 70질량％ 이상이, 다공질체의 한쪽 표면으로부터 두께 방향 30％ 이내의 영역에 존재하는 다공질체를 얻을 수 있다.
또한, 스퍼터링법에 의해 다공질 도전성 기재에 금속 피막을 형성한 경우는, 금속 피막은 다공질 도전성 기재의 평면으로 보아 노출되어 있는 부분에 형성되기 때문에, 기공률이 큰 다공질 도전성 기재에서는, 다공질 도전성 기재의 두께 방향에 있어서의 깊은 부분까지 금속 피막이 형성되는 경우가 있다. 이에 비하여, 상기 바이폴라 전해 도금법에 의하면, 다공질 도전성 기재의 내부 전위차를 이용하여 해당 다공질 도전성 기재의 한쪽 표면측에 선택적으로 금속 피막이 형성되기 때문에, 당해 표면의 부근 이외의 부분은 비록 평면으로 보아 노출되어 있는 부분이라도 금속 피막이 형성되기 어렵다. 따라서, 본 발명의 방법에 의하면, 스퍼터링법과 비교하여, 보다 표면에 금속 피막을 집중시킬 수 있다.
또한, 스퍼터링법에 의해 다공질 도전성 기재에 금속 피막을 형성하는 경우, 다공질 도전성 기재의 평면으로 보아 노출되어 있지 않은 부분에 금속 피막은 형성되지 않는다. 이에 비하여, 상기 바이폴라 전해 도금의 경우는, 다공질 도전성 기재의 평면으로 보아 노출되어 있지 않은 부분, 즉 다공질 도전성 기재의 골격의 측면이나 이면측에도 금속 피막을 형성할 수도 있다.
상기 양극으로서는 특별히 한정되지 않으며, 임의의 전극을 사용할 수 있다. 상기 양극으로서는, 가용성 전극 및 불용성 전극 모두 사용할 수 있지만, 보수의 용이성의 관점에서 불용성 전극을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 양극의 재질은, 형성하는 금속 피막 및 다공질 도전성 기재의 재질이나, 도금액의 종류에 따라 적절하게 선택할 수 있다. 예를 들어, 상기 불용성 전극으로서는, 귀금속이 피복된 티타늄을 포함하는 전극을 사용하는 것이 바람직하고, 백금이 피복된 티타늄을 포함하는 전극(Pt/Ti 전극)을 사용하는 것이 더 바람직하고, 백금 도금 티타늄 전극을 사용하는 것이 더욱 바람직하다.
마찬가지로, 상기 음극으로서는 특별히 한정되지 않으며, 임의의 전극을 사용할 수 있다. 상기 전극으로서는, 가용성 전극 및 불용성 전극 모두 사용할 수 있지만, 보수 용이성의 관점에서 불용성 전극을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 음극의 재질은, 형성하는 금속 피막 및 다공질 도전성 기재의 재질이나, 음극 전해액의 종류에 따라 적절하게 선택할 수 있다. 예를 들어, 상기 불용성 전극으로서는, 귀금속이 피복된 티타늄을 포함하는 전극과 사용하는 것이 바람직하고, 백금이 피복된 티타늄을 포함하는 전극(Pt/Ti 전극)을 사용하는 것이 더 바람직하고, 백금 도금 티타늄 전극을 사용하는 것이 더욱 바람직하다.
상기 양극과 음극은, 동일해도 상이해도 된다.
상기 양극 및 음극의 형상은 특별히 한정되지 않으며, 임의의 형상으로 할 수 있다. 예를 들어, 상기 양극 및 음극은, 각각 독립적으로 판형, 메쉬형, 익스팬드 메탈형 등이어도 된다.
(도금액)
상기 바이폴라 전해 도금에 있어서의 전압의 인가는, 다공질 도전성 기재의 양극측 면의 적어도 일부를 도금액과 접촉시킨 상태에서 행한다. 상기 도금액으로서는, 특별히 한정되는 일 없이 임의의 도금액을 사용할 수 있다. 상기 도금액은, 형성하는 금속 피막의 재질에 맞추어 선택할 수 있다. 금속 피막으로서 Pt 피막을 형성하는 경우에 사용할 수 있는 도금액의 일례로서는, Pt를 8g/L, 황산을 150g/L 포함하는 수용액을 들 수 있다.
(음극 전해액)
한편, 다공질 도전성 기재의 음극측 면의 적어도 일부를 음극 전해액과 접촉시킨 상태에서, 상기 전압의 인가를 행한다. 상기 음극 전해액으로서는, 특별히 한정되는 일 없이 임의의 전해액을 사용할 수 있다. 일반적으로는, 전해질 수용액을 사용하면 된다. 상기 음극 전해액은, 임의의 도금액이어도 되고, 상기 다공질 도전성 기재의 양극측에 배치된 상기 도금액과 동일한 조성의 전해액인 것이 바람직하다. 상기 음극 전해액으로서, 상기 다공질 도전성 기재의 양극측에 배치된 상기 도금액과 동일한 조성의 전해액을 사용한 경우, 상기 음극 전해액과 상기 도금액이 혼합되어도 조성이 변동하지 않으므로 매우 적합하다. 한편, 음극에 있어서의 금속의 석출을 방지한다고 하는 관점에서는, 상기 음극 전해액으로서는, 도금 금속을 함유하지 않는 전해액을 사용할 수도 있고, 보다 구체적으로는, 상기 전압의 인가에 의해 환원되어 석출하는 금속 이온을 함유하지 않는 전해액을 사용할 수도 있다. 상기 음극 전해액으로서는, 예를 들어 10질량％ 황산 수용액 등의, 산의 수용액을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 음극 전해액의 조성이 상기 다공질 도전성 기재의 양극측에 배치된 상기 도금액과 다른 경우, 상기 도금액의 조성 변동을 방지한다고 하는 관점에서는, 상기 도금액과 상기 음극 전해액의 혼합이 방지된 상태에서 금속 피막의 형성을 행하는 것이 바람직하다. 보다 구체적으로는, 상기 도금액과 상기 음극 전해액이 상기 다공질 도전성 기재에 의해 구획된 상태에서, 상기 전압의 인가를 실시하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 구획은, 다공질 도전성 기재만에 의해서 행할 필요는 없으며, 다른 부재를 병용할 수 있다. 예를 들어, 다공질 도전성 기재를 보유 지지 지그에 의해 도금조에 고정하고, 상기 다공질 도전성 기재와 보유 지지 지그에 의해 도금액과 음극 전해액을 구획할 수도 있다.
(전처리)
상기 바이폴라 전해 도금에 앞서, 다공질 도전성 기재에 대해 임의의 전 처리를 실시해도 된다. 상기 전 처리로서는, 특별히 한정되는 일 없이 임의의 처리를 행할 수 있다. 예를 들어, 일반적인 전해 도금에 있어서의 전처리를 행할 수도 있다. 상기 전 처리로서는, 예를 들어 탈지 처리, 산세 및 수세로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나를 행하는 것이 바람직하다. 상기 탈지 처리는, 특별히 한정되지 않고 임의의 방법으로 행할 수 있어, 예를 들어 초음파 탈지나 전해 탈지에 의해 행하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 다공질 도전성 기재의 재질에 따라서는, 해당 다공질 도전성 기재의 골격의 표면에 산화 피막이 존재하고 있는 경우가 있다. 재질에 따라 다르지만, 자연 산화막의 경우, 두께는 일반적으로 3 내지 8㎚정도이다. 산화 피막은 상술한 대로 금속 피막에 의해 부여하려고 하는 특성에 악영향을 미친다. 그 때문에, 상기 전 처리로서, 산화 피막의 제거를 행하는 것이 바람직하다.
산화 피막의 제거는 특별히 한정되는 일 없이 임의의 방법으로 행할 수 있지만, 다공질 도전성 기재를 산에 의해 처리함으로써, 산화 피막을 제거할 수 있다. 상기 산으로서는, 특별히 한정되지 않으며, 적어도 하나의 무기산을 함유하는 수용액을 사용하는 것이 바람직하고, 염산, 질산 및 황산으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나를 함유하는 수용액을 사용하는 것이 더 바람직하다. 산화 피막의 용해성을 높인다는 관점에서는, 상기 산은, 불소 화합물을 더 함유하는 것이 바람직하다. 상기 불소 화합물로서는, 불산 및 불산염으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나를 사용하는 것이 바람직하고, 불산 및 불화수소 암모늄의 한쪽 또는 양쪽을 사용하는 것이 더 바람직하다. 상기 산에 의한 처리는, 예를 들어 다공질 도전성 기재를 상기 산에 침지함으로써 행할 수 있다.
예를 들어, Ti를 포함하는 다공질 도전성 기재를 사용하는 경우, 상기 산으로서, 불소 화합물 및 염산을 함유하는 수용액(예를 들어 2wt％ 불화수소 암모늄과 2wt％ HCl의 혼합 수용액 등)을 사용함으로써 적합하게 산화 피막을 제거할 수 있다. 또한, 스테인리스강을 포함하는 다공질 도전성 기재를 사용하는 경우, 상기 산으로서 염산을 포함하는 수용액(예를 들어, 15질량％ 염산 수용액)을 사용하는 것이 바람직하다. 구리를 포함하는 다공질 도전성 기재를 사용하는 경우, 상기 산으로서 황산을 포함하는 수용액(예를 들어, 10질량％ 황산 수용액)을 사용하는 것이 바람직하다.
산화 피막의 제거 후에는, 수세를 행하여, 다공질 도전성 기재에 부착된 약액 등을 제거하는 것이 바람직하다. 상기 수세에는, 순수를 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 수세 후의 다공질 도전성 기재는, 산화 피막의 재형성을 방지하기 위해, 물에 젖은 상태 그대로, 직접 공기에 접촉시키지 않고 도금액에 접촉시키는 것이 바람직하다. 즉, 본 발명의 일 실시 형태에서의 다공질체의 제조 방법에 있어서는, 다공질 도전성 기재의 표면에 존재하는 산화 피막을 제거하고, 이어서, 수세하고, 물로 젖은 상태 그대로(건조시키지 않고) 음극과 양극 사이에 상기 다공질 도전성 기재를 배치하고, 상기 다공질 도전성 기재의 양극측 면의 적어도 일부를 도금액과 접촉시킨다.
상기 방법에 의하면, 다공질 도전성 기재의 골격과 금속 피막 사이의 산화 피막의 형성을 억제할 수 있다. 또한, 다공질 도전성 기재의 표면에 산화 피막이 존재하지 않는 경우에는, 산화 피막의 제거를 행할 필요는 없다.
상기 바이폴라 전해 도금에 있어서는, 상기 도금액과 상기 음극 전해액이 상기 다공질 도전성 기재에 의해 구획된 상태에서, 상기 전압의 인가를 실시하는 것이 바람직하다. 도금액과 음극 전해액이 구획되지 않은 상태에서 바이폴라 전해 도금을 행하면, 도금액과 음극 전해액이 혼합되어 버린다. 또한, 도금액 및 음극 전해액을 통하여 전류가 돌아 들어가기 때문에, 음극에 금속 피막이 석출되어 버리는 경우가 있다. 그러나, 상기 도금액과 상기 음극 전해액이 상기 다공질 도전성 기재에 의해 구획된 상태에서 도금을 행함으로써, 이러한 문제를 방지할 수 있다.
예를 들어, 도금조 내에 양극, 음극 및 다공질 도전성 기재를 마련하여 도금을 행하는 경우, 상기 도금조를, 상기 다공질 도전성 기재에 의해 양극실 및 음극실로 분할하고, 상기 양극실 내에 상기 양극과 도금액을, 상기 음극실에 상기 음극과 음극 전해액을, 각각 배치한다. 이에 의해, 도금액과 음극 전해액이 혼합되는 것을 억제할 수 있다. 또한, 도금액과 음극 전해액의 구획에는, 상기 다공질 도전성 기재뿐만 아니라, 다른 부재(보유 지지 지그나, 후술하는 보조 전극 등)를 병용해도 된다.
(보조 전극)
바이폴라 전해 도금에 있어서는, 다공질 도전성 기재의 재질에 따라서는, 해당 다공질 도전성 기재의 음극과 대향하는 측의 표면에 산화막이 형성되어 도통이 저해되고, 그 결과, 양극과 대향하는 측의 표면에 있어서 도금이 진행되지 않게 되는 경우가 있다. 또한, 다공질 도전성 기재의 재질에 따라서는, 해당 다공질 도전성 기재의 성분이 음극 전해액으로 용출되어, 오염이나 불량의 원인이 되는 경우도 있다. 이것을 방지하기 위해, 다공질 도전성 기재의 음극측의 표면에, 보조 전극을 접촉시킨 상태에서 양극과 음극 사이에 전압을 인가하는 것이 바람직하다. 보조 전극을 사용하는 경우, 해당 보조 전극이 상기 음극 전해액과 접촉하면 된다.
보조 전극을 사용하는 경우, 상기 다공질 도전성 기재의 음극측 면의 적어도 일부가 상기 보조 전극과 접촉하고 있으면 되지만, 금속 피막을 보다 균일하게 부착시킨다는 관점에서는, 상기 다공질 도전성 기재의 음극측 면의 전체를 상기 보조 전극과 접촉시키는(커버하는) 것이 바람직하다. 또한, 다공질 도전성 기재의 음극측 면의 전체를 보조 전극으로 덮고, 다공질 도전성 기재의 음극측 면이 음극 전해액과 직접 접촉하지 않는 상태로 하면, 다공질 도전성 기재의 공공을 통하여 양극측의 도금액과 음극 전해액이 혼합되는 것도 방지할 수 있다.
상기 보조 전극으로서는 특별히 한정되는 일 없이 임의의 전극을 사용할 수 있다. 상기 보조 전극으로서는, 가용성 전극 및 불용성 전극 모두 사용할 수 있지만, 보수 용이성의 관점에서 불용성 전극을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 보조 전극의 재질은, 형성하는 금속 피막 및 다공질 도전성 기재의 재질이나, 음극 전해액의 종류에 따라 적절하게 선택할 수 있다. 예를 들어, 상기 불용성 전극으로서는, 귀금속이 피복된 티타늄을 포함하는 전극을 사용하는 것이 바람직하고, 백금이 피복된 티타늄을 포함하는 전극(Pt/Ti 전극)을 사용하는 것이 더 바람직하고, 백금 도금 티타늄 전극을 사용하는 것이 더욱 바람직하다.
바이폴라 전해 도금을 행할 때의 전류 밀도는, 다공질 도전성 기재의 재질이나 크기, 도금액의 조성, 형성하는 금속 피막의 두께 등에 따라 적절하게 조정하면 되지만, 예를 들어 Ti 섬유체로의 Pt 피막 형성에 있어서, Pt를 8g/L, 황산을 150g/L 포함하는 도금액을 사용하는 경우, 전류 밀도는 0.5A/d㎡ 이상으로 하는 것이 바람직하고, 다공질 도전성 기재 내의 분극에 의해 생기는 전위차를 보다 크게 하기 위해, 1.0A/d㎡ 이상으로 하는 것이 더 바람직하다.
다음에, 도면을 참조하여, 본 발명의 일 실시 형태에서의 다공질체의 제조 방법과, 상기 제조 방법에 사용하는 장치의 구체예에 대해 설명한다. 또한, 본 발명은 이들 예에 한정되지 않는다.
도 2는, 본 발명의 일 실시 형태에서의 바이폴라 전해 도금을 행하는 장치(20)(이하, 도금 장치라고 함)의 일례를 나타내는 모식도이다. 도금조(2)의 내부에는, 양극(3), 음극(4)이 설치되어 있고, 양극(3)과 음극(4) 사이에는 다공질 도전성 기재(5)가 설치되어 있다. 바이폴라 전해 도금에서는 간접적으로 급전을 행하기 위해, 다공질 도전성 기재(5)는 양극(3) 및 음극(4)과 직접 접촉하지 않고, 이격한 상태에서 설치되어 있다. 다공질 도전성 기재(5)는, 1쌍의 대향하는 표면을 갖는 판형 부재이며, 한쪽 표면이 양극(3)과 대향하고, 다른 쪽 표면이 음극(4)과 대향하고 있다.
다공질 도전성 기재(5)는, 도금조(2)의 내주의 형상 및 치수와 대응하는 외주의 형상 및 치수를 가지고 있고, 다공질 도전성 기재(5)의 측면 및 저면은, 도금조(2)의 내주 측면 및 내주 저면과 접촉하고 있다. 이에 의해, 도금조(2)는, 양극실과 음극실로 구획되어 있다. 그리고, 양극실에는 도금액(1)이, 음극실에는 음극 전해액(7)이, 각각 채워져 있지만, 도금액(1)과 음극 전해액(7)의 혼합은, 다공질 도전성 기재(5)에 의해 칸막이되어 있기 때문에 방지되어 있다.
도 3은, 도 2에 도시하는 예에 있어서 양극(3)과 음극(4) 사이에 전압을 인가한 상태를 나타내는 모식도이다. 양극(3)과 음극(4) 사이에 전압을 인가함으로써, 바이폴라 현상에 의해 다공질 도전성 기재(5)가 분극되어, 내부에 전위차가 생긴다. 그리고, 도 3에 도시하는 바와 같이, 다공질 도전성 기재(5)의 양극(3)과 대향하는 면에 집중하여 금속 피막이 형성된다. 또한, 도 3에서는 전기적으로 접속된 영역 내에 있어서, 상대적으로 높은 전위를 「+」, 상대적으로 낮은 전위를 「-」로 표현하고 있다. 후술하는 도 5, 도 7에서도 마찬가지이다.
도 4는, 본 발명의 다른 실시 형태에서의 바이폴라 전해 도금을 행하는 장치의 일례를 나타내는 모식도이다. 또한, 도 5는, 도 4에 도시하는 예에 있어서 양극(3)과 음극(4) 사이에 전압을 인가한 상태를 나타내는 모식도이다. 본 실시 형태에 있어서 특히 기재되지 않은 사항에 대해서는 도 2, 도 3에 나타낸 실시 형태와 마찬가지로 할 수 있다.
도 4, 도 5에 도시한 예에서는, 다공질 도전성 기재(5)의 음극(4)측의 표면에 보조 전극(6)을 접촉시킨 상태로 배치하고 있다. 보조 전극(6)은, 다공질 도전성 기재(5)와 대략 동일한 치수이며, 다공질 도전성 기재(5)의 음극(4)측 표면은, 보조 전극(6)에 의해 덮여 있다. 따라서, 다공질 도전성 기재(5)의 음극(4)측 표면은, 음극 전해액(7)과 직접 접촉하고 있지 않고, 보조 전극(6)을 통하여 접촉되어 있다. 보조 전극(6)을 사용함으로써, 전압의 인가에 의한 다공질 도전성 기재(5)의 산화 및 용출을 방지할 수 있다. 또한, 도 4, 도 5에 도시한 예에서는 보조 전극(6)이 다공질 도전성 기재(5)와 대략 동일한 치수를 갖고 있지만, 다공질 도전성 기재(5)의 표면 전체와 확실하게 접촉시키는 관점에서는 보조 전극(6)이 다공질 도전성 기재(5)보다 큰 사이즈인 것이 바람직하다. 보조 전극(6)은, 고정 지그를 사용하여 다공질 도전성 기재(5)의 표면에 고정해도 된다.
또한, 이하에 바이폴라 전해 도금을 효율적으로 행하는 방법의 일례에 대해 설명한다.
도 6은, 본 발명의 다른 실시 형태에서의 바이폴라 전해 도금을 행하는 장치의 일례를 나타내는 모식도이다. 또한, 도 7은, 도 6에 나타내는 예에 있어서 양극(3)과 음극(4) 사이에 전압을 인가한 상태를 나타내는 모식도이다. 본 실시 형태에 있어서 특히 기재되지 않은 사항에 대해서는 도 4, 도 5에 나타낸 실시 형태와 마찬가지로 할 수 있다.
도 6, 도 7에 나타낸 실시 형태에서는, 양극(3)과 음극(4) 사이에 복수의 다공질 도전성 기재(5A, 5B, 5C)가 직렬로 배치되어 있다. 그리고, 다공질 도전성 기재(5A, 5B, 5C)의 음극(4)측 표면은, 각각 보조 전극(6A, 6B, 6C)에 의해 덮여 있다. 또한, 본 실시 형태에 있어서도, 보조 전극(6)의 사용은 임의이며, 보조 전극을 사용하지 않아도 된다.
이러한 상태에서 양극(3)과 음극(4)에 전압을 인가함으로써, 도 7에 나타내는 바와 같이 바이폴라 현상에 의해 각 다공질 도전성 기재(5)가 분극되어, 내부에 전위차가 생긴다. 그 결과, 모든 다공질 도전성 기재(5)의 양극(3)측에 금속 피막이 형성된다. 이 방법에 의하면, 복수의 다공질 도전성 기재(5)에 동시에 바이폴라 전해 도금을 실시할 수 있기 때문에, 다공질체를 효율적으로 제조할 수 있다.
상기 실시 형태에 있어서는, 보조 전극(6A)과 다공질 도전성 기재(5B) 사이의 공간 및 보조 전극(6B)과 다공질 도전성 기재(5C) 사이의 공간에는, 각각 중간 전해액(8A, 8B)이 채워져 있다. 본 실시 형태에서는, 다공질 도전성 기재(5B)와 다공질 도전성 기재(5C)의 양극(3)측 표면에 금속 피막을 형성하기 위해, 중간 전해액(8A, 8B)으로서는 도금액을 사용한다. 도금액(1), 중간 전해액(8A) 및 중간 전해액(8B)의 조성은 달라도 되지만, 동일하게 하는 것이 바람직하다. 음극 전해액(7)의 조성은 도금액(1)과 같아도 되지만, 각 영역의 액이 혼합되지 않는 상태라면, 도금액과 달라도 된다.
또한, 도 6, 도 7에서는, 세 다공질 도전성 기재(5)에 대해 동시에 바이폴라 전해 도금을 실시하는 예를 나타내었지만, 다공질 도전성 기재(5)의 수는 특별히 한정되지 않고 임의의 수로 할 수 있다.
[전기 화학 셀]
본 발명의 다공질체 용도는 특별히 한정되지 않고 임의의 용도로 사용할 수 있다.
상기 용도로서는, 예를 들어 전기 화학 셀에 있어서의 급전체를 들 수 있다. 이하, 상기 다공질체를 급전체로서 사용한 전기 화학 셀의 일례에 대해 설명한다.
본 발명의 일 실시 형태에서의 전기 화학 셀은, 급전체와, 상기 급전체와 대향하여 배치되는 대향 급전체와, 상기 급전체 및 상기 대향 급전체의 사이에 끼움 지지되는 고체 전해질막을 구비하는 전기 화학 셀이며, 상기 급전체가 상기 다공질체를 포함한다. 상기 급전체는, 양극 급전체와 음극 급전체 중 어느 것이어도 된다. 바꾸어 말하면 상기 다공질체는, 양극 급전체 및 음극 급전체 중 어느 것으로도 사용할 수 있다. 또한, 상기 대향 급전체도, 본 발명의 다공질체를 포함하는 것이면 된다.
여기서, 전기 화학 셀에는, 전해 셀 및 연료 전지가 포함된다. 상기 전해 셀의 용도는 특별히 한정되지는 않지만, 예를 들어 수전해 장치용 전해 셀이면 된다.
도 8은, 본 발명의 일 실시 형태에서의 전기 화학 셀의 구조의 일례를 나타내는 모식도이다. 전기 화학 셀(30)은, 양극 급전체(31)와, 양극 급전체(31)와 대향하여 배치되는 음극 급전체(32)와, 양극 급전체(31) 및 음극 급전체(32) 사이에 끼움 지지되는 고체 전해질막(33)을 구비한다.
고체 전해질막(33)은 전기 분해에 의해 양극측에서 발생된 수소 이온(H+)을 음극측으로 이동시키는 역할을 갖는 막이다. 고체 전해질막(33)으로서는, 양이온 교환막을 사용하는 것이 바람직하다. 고체 전해질막(33)으로서는, 예를 들어 전기 투석이나 연료 전지의 분야에 있어서 종래부터 사용되고 있는 것을 적용할 수 있다.
또한, 도 9는, 본 발명의 다른 실시 형태에서의 전기 화학 셀의 구조의 일례를 나타내는 모식도이다. 도 9에 나타내는 바와 같이, 양극 급전체(31) 및 음극 급전체(32)의 고체 전해질막(33)과 반대측의 면에는, 각각 세퍼레이터(34)가 배치되는 것이 바람직하다. 또한, 전해 효율을 향상시키기 위해서는, 고체 전해질막(33)과 양극 급전체(31) 및 음극 급전체(32) 사이에는, 각각 양극 촉매층(35) 및 음극 촉매층(36)이 배치되는 것이 바람직하다.
양극 촉매층(35) 및 음극 촉매층(36)의 재료로서는, 예를 들어 백금, 이리듐 등의 백금족 금속이나, 산화백금 및/또는 산화이리듐 등의 백금족 금속 산화물 등을 들 수 있다. 특히, 양극 촉매층(35)으로서는 산화이리듐을, 음극 촉매층(36)으로서는 Pt를 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명의 다공질체는, 양극 급전체(31) 및/또는 음극 급전체(32)로서 사용할 수 있고, 특히 양극 급전체(31)로서 적합하게 사용하는 것이 바람직하다. 본 발명의 다공질체를 양극 급전체(31)로서 사용할 때에는, 다공질 도전성 기재는 Ti 또는 Ti 합금을 포함하는 것이 바람직하고, 금속 피막은 Pt 또는 Pt 합금을 포함하는 것이 바람직하다. 또한, 본 발명의 다공질체를 양극 급전체(31)로서 사용할 때는, 금속 피막이 집중되여 형성되어 있는 측의 표면을, 고체 전해질막(33)측에 배치하는 것이 바람직하다. 이렇게 배치하면, 양극 급전체(31)와 고체 전해질막(33), 또는 양극 촉매층(35)과의 사이의 접촉 저항이 금속 피막에 의해 저감되고, 세퍼레이터측은 도금되어 있지 않기 때문에, 습윤성이 큰 Ti로 되어, 수전해의 효율이 특히 향상된다.
음극 급전체(32)로서는 특별히 한정되지는 않지만, 예를 들어 본 실시 형태의 다공질체나 카본 페이퍼 등을 사용할 수 있다.
상기 전기 화학 셀(30)은, 예를 들어 수소의 제조 등에 사용되는 수전해 장치에 내장할 수 있다.
실시예
이하, 본 발명의 실시예 및 비교예를 들어, 본 발명의 효과에 대해 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다.
[다공질체의 제조]
이하의 수순으로 다공질 도전성 기재의 골격의 표면에 금속 피막을 형성하고, 다공질체를 제조하였다.
<실시예 1>
(다공질 도전성 기재의 준비 및 전처리)
다공질 도전성 기재로서, Ti 섬유 소결체(54㎜×54㎜, 두께 0.3㎜, 기공률 56％, 평균 섬유 직경 20㎛, 베카르트 토코 메탈 파이버(주)사제)를 사용하였다. 우선, 상기 다공질 도전성 기재에 초음파 탈지를 실시하고, 이어서 전해 탈지를 실시함으로써, Ti 섬유(다공질 도전성 기재의 골격) 표면의 탈지 처리를 행하였다. 다음에, 2wt％ 불화수소 암모늄과 2wt％ 염산의 혼합 수용액에 상기 다공질 도전성 기재를 침지하고, 약 30초 유지하고, 이어서, 2wt％ 불화수소 암모늄 수용액에 다공질 도전성 기재를 침지하고, 약 60초 유지함으로써, Ti 섬유 표면의 자연 산화막을 제거하였다.
(바이폴라 전해 도금)
그 후, 도금액(Pt: 8g/L, 황산: 150g/L, 60℃) 속에 양극 및 음극으로서 Pt/Ti판 전극을 배치하고, 이들 사이에 다공질 도전성 기재를 배치하고, 상기 다공질 도전성 기재의 음극과 대향하는 면에 접하도록 보조 전극으로서 Pt/Ti판을 배치하였다. 상기 다공질 도전성 기재 및 보조 전극은, 보유 지지 지그를 사용하여 도금조로 고정하였다. 따라서, 음극 전해액도 상기 도금액이다. 또한, 양극측의 도금액과 음극측의 도금액(음극 전해액)은, 다공질 도전성 기재, 보조 전극 및 보유 지지 지그에 의해 구획된 상태로 하였다.
이어서, 4.0A/d㎡에서 35초간, 정전류를 양극과 음극에 흘림으로써 Pt의 바이폴라 전해 도금을 행하여, 실시예 1의 다공질체를 얻었다.
<실시예 2 내지 실시예 7>
다공질 도전성 기재의 재질 및 기공률, 그리고 금속 피막의 재질을, 표 1에 나타내는 바와 같이 한 점 이외는 상기 실시예 1과 동일 조건에서 바이폴라 전해 도금을 행하여, 실시예 2 내지 실시예 7의 다공질체를 얻었다. 또한, 실시예 3에서는, 스테인리스강제의 다공질 도전성 기재(54㎜×54㎜, 두께 0.3㎜, 섬유 직경 22㎛, 기공률 56％, 베카르트 토코 메탈 파이버(주)사제)를 사용하였다. 실시예 4, 실시예 5에서는, 카본제의 다공질 도전성 기재(Engineered Fibers Technology사제, Spectracarb 2050A-1550)를 사용하였다. 또한, 실시예 6, 실시예 7에서 사용한 다공질 도전성 기재는, 실시예 1에서 사용한 Ti 섬유 소결체와 기공률만이 다른 것이다. 또한, 비교를 위해, 실시예 5에서는 보조 전극을 사용하지 않았다.
<비교예 1>
바이폴라 전해 도금 처리로 바꾸어 종래의 전해 도금을 실시한 것 이외는 모두 실시예 1과 마찬가지로 하여 비교예 1의 다공질체를 제작하였다. 상기 전해 도금은, 이하의 수순으로 실시하였다.
(전해 도금)
실시예 1과 마찬가지의 도금액 속에 양극으로서 Pt/Ti 익스팬드 전극을 배치하고, 양극과 대향하는 위치에, 실시예 1에서 사용한 것과 같은 다공질 도전성 기재를 음극으로서 배치하였다. 이어서, 정전류로 전해 Pt 도금을 행하여 비교예 1의 다공질체를 얻었다. 상기 전해 Pt 도금은, 전류 밀도: 0.5A/d㎡로 4분간 실시하였다. 또한, 상기 전해 Pt 도금에 앞서, 전류 밀도: 1.5A/d㎡에서의 스트라이크 도금을 10초간 실시하였다. 또한, 상기 전해 도금에 있어서, 마스킹은 사용하지 않았다.
<비교예 2>
바이폴라 전해 도금 처리로 바꾸어, 스퍼터링에 의해 금속 피막을 형성한 점 이외는 모두 실시예 1과 마찬가지로 하여 비교예 2의 다공질체를 제작하였다. 상기 스퍼터링은, 이하의 수순으로 실시하였다.
(스퍼터링 처리)
실시예 1에서 사용한 것과 같은 다공질 도전성 기재에 대해, 실시예 1과 같은 수순으로 전처리를 실시하였다. 그 후, 상기 다공질 도전성 기재를 실온에서 12시간 이상 건조시키고, 이어서, 상기 다공질 도전성 기재의 한쪽 표면이 Pt타깃과 병행으로 마주하도록, 해당 다공질 도전성 기재를 스퍼터 장치 내에 배치하였다. 상기 스퍼터 장치로서는 (주) 신쿠우 디바이스사제의 마그네트론 스퍼터(MSP-20-UM형)를 사용하였다. 3Pa 이하의 진공압에서, 방전 전류가 약 50mA가 되도록 전압을 22분간 인가하여 스퍼터링을 실시하고, 다공질 도전성 기재의 표면(Pt 타깃과 대향하는 면)에 Pt 피막을 형성하고, 비교예 2의 다공질체를 얻었다.
<비교예 3>
바이폴라 전해 도금 처리로 바꾸어, 마스킹을 사용한 전해 도금을 실시한 것 이외는 모두 실시예 1과 마찬가지로 하여 비교예 3의 다공질체를 제작하였다. 상기 전해 도금은, 이하의 수순으로 실시하였다. 우선, 다공질 도전성 기재에 초음파 탈지를 실시하고, 이어서 전해 탈지를 실시함으로써, Ti 섬유(다공질 도전성 기재의 골격) 표면의 탈지 처리를 행하였다. 탈지 처리된 다공질 도전성 기재를 건조시킨 후, 해당 다공질 도전성 기재의 한쪽 면 전체에, 마스킹으로서 서킷 테이프 No. 647(가부시키가이샤 데라오카 세이사쿠쇼제)을 첩부하였다. 다음에, 2wt％ 불화수소 암모늄과 2wt％ 염산의 혼합 수용액에 상기 다공질 도전성 기재를 침지하여, 약 30초 유지하고, 이어서, 2wt％ 불화수소 암모늄 수용액에 다공질 도전성 기재를 침지하여, 약 60초 유지함으로써, Ti 섬유 표면의 자연 산화막을 제거하였다.
상기 수순으로 얻은 다공질 도전성 기재에 대해, 비교예 1과 마찬가지의 수순으로 전해 도금을 실시하였다. 또한, 전해 도금에 있어서는, 상기 다공질 도전성 기재의 마스킹이 형성된 면과 반대측 면이 양극과 대향하도록 해당 다공질 도전성 기재를 설치하였다.
<비교예 4>
다공질 도전성 기재로서, 기공률 48％의 것을 사용한 점 이외는 모두 비교예 3과 마찬가지의 수순으로 비교예 4의 다공질체를 제작하였다. 사용한 다공질 도전성 기재는, 실시예 7에 있어서 사용한 것과 동일하다.
[다공질체의 평가]
<SEM-EDX에 의한 부착량 분포의 평가>
상기 실시예 및 비교예에 있어서 얻어진 다공질체의 각각에 대해, 주사형 전자 현미경-에너지 분산형 X선 분광법(SEM-EDX)에 의한 단면 관찰을 행하여, 다공질체의 표면으로부터의 각 깊이까지의, 금속 피막의 누적 부착량을 평가하였다. 구체적인 수순을 이하에 설명한다.
(단면 내기)
우선, 다공질체를 이온 밀링 장치(IM4000, (주) 히타치 하이테크놀러지즈사제)에 배치하고, 가속 전압 6kV, 방전 전압 1.5kV의 조건에서 아르곤 이온을 조사하여, 단면 내기를 행하였다. 또한, 상기 단면 내기 시에는, 각 다공질체의 이하에 나타내는 면에 아르곤 이온이 조사되도록 배치하였다. 또한, 이하 이들 면을 「이면」이라고 칭하고, 이들 면의 반대측 면을 「표면」이라고 칭하는 경우가 있다.
ㆍ실시예 1 내지 실시예 7: 바이폴라 전해 도금 처리 시에 양극과 대향하고 있던 면의 반대측 면
ㆍ비교예 1, 비교예 3, 비교예 4: 전해 도금 처리 시에 양극과 대향하고 있던 면의 반대측 면
ㆍ비교예 2: 스퍼터링 처리 시에 Pt 타깃과 대향하고 있던 면의 반대측 면
(면 분석)
상기 단면 내기를 행한 다공질체에 대해, 주사형 전자 현미경:SEM(JSM-6010LA, 니혼 덴시(주)사제)에 의해 가속 전압 20kV의 조건에서 관찰 및 원소 분석을 실시하였다. 상기 원소 분석은, SEM에 부속의 에너지 분산형 X선 분광 장치:EDX를 사용하여, 다공질 도전성 기재 및 금속 피막의 구성 원소의 면 분석에 의해 실시하였다.
상기 면 분석의 결과로부터, 다공질체의 두께 방향의 라인 상에 있어서의, 금속 피막의 구성 원소의 부착량을 분석하였다. 10개 이상의 라인에 있어서의 평균값을 구하여, 두께 방향에 있어서의 부착량 분포로 하였다.
표 1에, 다공질체의 표면으로부터의 각 깊이까지의, 금속 피막의 누적 부착량을 나타낸다. 또한, 깊이는, 다공질체의 두께와 동일값이 되는 위치를 100％로 하였다. 즉, 깊이 0％가 표면의 위치에 대응하고, 깊이 100％가 이면의 위치에 대응한다. 또한, 누적 부착량은, 깊이 0％로부터 100％까지의 적분값을 100％로서 나타내었다.
Figure pct00001
표 1에 나타낸 바와 같이, 실시예 1 내지 실시예 7에 있어서는, 금속 피막의 70질량％ 이상이, 상기 다공질체의 한쪽 표면으로부터 두께 방향 30％ 이내의 영역에 존재하고 있었다. 이에 비하여, 통상의 전해 도금을 사용한 비교예 1에서는, 깊이와 누적 부착량이 거의 비례하고 있고, 다공질 도전성 기재의 전체에 걸쳐 거의 균일하게 금속 피막이 부착되어 있었다. 또한, 마스킹을 사용한 비교예 3, 비교예 4에 있어서도, 다공질체의 한쪽 표면으로부터 두께 방향 30％ 이내의 영역에 존재하는 금속 피막의 양이, 70질량％로 충족되지 않았다. 이것은, 피도금물이 다공질체이기 때문에, 한쪽 표면을 마스킹해도 다공질체의 내부에 도금액이 침투되기 때문이라고 생각된다. 또한, 마스킹을 사용한 경우, 다공질 도전성 기재의 이면에 마스킹을 압박하여 밀착시킬 필요가 있기 때문에, 다공질 도전성 기재의 표면에 오염이 부착되는 경우가 있었다. 이에 비해 바이폴라 전해 도금에서는 마스킹을 사용하지 않고, 한쪽 표면측에 선택적으로 금속 피막을 형성할 수 있다.
<다른 방법에 의한 부착량 분포의 평가>
다음에, 상기 SEM-EDX에 의한 방법과는 다른 방법으로, 금속 피막의 부착량 분포, 특히, 다공질체의 표면으로의 국재율을 평가하였다. 구체적인 수순을 이하에 설명한다.
우선, 상기 실시예 1, 비교예 1 및 비교예 2와 마찬가지의 조건으로 다공질체를 제조하였다. 단, 금속 피막을 형성하기 위한 처리 시간(도금 시간 또는 스퍼터링 시간)을 표 2에 나타낸 대로 변화시켜 복수의 다공질체를 얻었다. 또한, 비교예 1에 있어서의 「처리 시간」에는, 스트라이크 도금의 시간을 포함하지 않는다.
(형광 X선에 의한 표면 근방의 Pt량의 평가)
얻어진 다공질체의 각각의 표면 부근의 Pt양을 형광 X선 분석 장치(EA6000VX, (주) 히타치 하이테크 사이언스사제)에 의해 관 전압 30kV, 관 전류 50μA, 콜리메이터 3㎜×3㎜의 조건에서 측정하였다. 측정 결과를 표 2에 나타낸다. 또한, 본 조건에서의 금속으로의 X선의 침입 길이는 수㎛ 내지 수십㎛ 정도이기 때문에, 다공질체의 표면 근방에 존재하는 Pt만이 측정된다.
(ICP 발광 분광 분석에 의한 전체 Pt양의 평가)
또한, 얻어진 다공질체 각각에 있어서의 전체 Pt양을 다음과 같이 측정하였다. 우선, 다공질체로부터 한변이 35㎜인 정사각형의 샘플을 잘라냈다. 상기 샘플을 왕수(염산 2.4mol/L, 질산 0.8mol/L) 80mL에 침지하여, 60℃에서 3시간 이상 유지함으로써, 다공질체에 붙어 있는 Pt를 왕수로 용해시켰다. 다음에, Pt가 녹은 왕수 중의 Pt양을, ICP 발광 분광 분석 장치(PS3500DDII, (주) 히타치 하이테크 사이언스사제)에서 고주파 출력 1.2kW, 적분 횟수 3회의 조건에서 측정하였다. 측정 결과를 표 2에 나타낸다.
Figure pct00002
표 2에 나타내는 바와 같이, 표면 부근의 Pt양이 동등한 실시예 1과 비교예 1을 비교하면, 전체 Pt양은 실시예 1이 비교예 1의 약 1/3 이하였다. 또한, 비교예 1에 있어서, 처리 시간이 0초라도 Pt 부착량이 제로가 아닌 것은, 스트라이크 도금에 있어서 미량의 Pt가 석출되었기 때문이다.
참고를 위해, 하기의 식으로 정의되는 표면 국재화율을 표 2에 병기한다. 상기 표면 국재화율은, 다공질체에 부착된 전체 Pt양에 대한, 한쪽의 표면 근방에 존재하는 Pt양의 비율을 나타낸다.
표면 국재화율(％)=형광 X선에 의한 측정값/ICP에 의한 측정값×100
표 2에 나타내는 바와 같이, 종래의 전해 도금으로 제조한 비교예 1의 다공질체에서는, 처리 시간에 상관없이 표면 국재화율이 22％ 이하였다. 이에 비하여, 바이폴라 전해 도금으로 제조한 실시예 1의 다공체에서는, 처리 시간에 상관없이 표면 국재화율이 50％를 초과하고 있었다.
표 1 및 표 2에 나타내는 결과로부터, 비교예 1의 다공질체에서는, 표면 부근에서 충분한 Pt 부착량이 얻어지고 있기는 하지만, 표면 부근 이외의 부분에도 Pt가 거의 균일하게 부착되어 있고, 따라서 전체의 Pt 부착량이 많게 되어 있다. 한편, 실시예 1의 다공질체에서는, 표면 부근에 집중하여 Pt가 부착되어 있기 때문에, 표면 부근에서 충분한 Pt 부착량을 얻어지고 있음에도 불구하고, 전체의 Pt 부착량은 적게 억제되어 있다. 즉, 실시예 1의 다공질체는, 비교예 1의 다공질체와 비교하면, 표면 부근의 Pt양은 동일 정도의 수준이지만 전체의 Pt양을 억제할 수 있어, 비용의 관점에서 우수하다.
<TEM에 의한 산화 피막의 두께의 평가>
다음에, 실시예 1 및 비교예 2의 다공질체에 대해, 이하에 나타내는 수순으로 TEM에 의한 단면 관찰을 행하고, 다공질 도전성 기재의 골격과 금속 피막의 사이에 존재하는 산화 피막의 두께를 측정하였다.
우선, TEM 관찰용으로, 집속 이온 빔 가공에 의해, 다공질체 표면의 섬유 1가닥으로부터 두께 약 100㎚의 박편 시료를 제작하였다. 그 후, 투과형 전자 현미경(H-9500, (주) 히타치 하이테크놀러지즈사제)에 의해, 가속 전압 200kV에서 Pt막과 Ti 섬유의 계면 부근의 관찰을 행하였다. 얻어진 TEM 화상을 도 10에 도시한다. 도 10의 (a)가 실시예 1의 다공질체 표면의 섬유의 단면 TEM 화상, 도 10의 (b)가 비교예 2에 있어서 얻어진 다공질체의 표면의 섬유의 단면 TEM 화상이다. 또한, 얻어진 TEM 화상에 있어서, 50㎚ 간격의 측정점 n1 내지 n9에 있어서 Pt막과 Ti 섬유의 계면 산화 피막의 두께를 측정한 결과를 표 3에 나타내었다. 또한, 비교예 2에 있어서의 측정점의 수가 실시예 1보다 적은 것은, 얻어진 TEM 화상 내의 Pt막과 Ti 섬유의 계면의 길이가 다르기 때문이다. 실시예 1 및 비교예 2의 각각에 있어서, 5개소에서 마찬가지의 측정을 행한 결과를 표 3에 나타내었다.
Figure pct00003
표 3에 나타나는 대로, 실시예 1에서는, Pt막과 Ti 섬유의 계면 산화 피막의 두께가 2㎚ 이하인 부분이 존재하였다. 또한, 산화 피막의 평균 두께도 6.0㎚ 이하였다. 이에 비하여, 비교예 2에서는, 평균 두께가 6.0㎚를 초과하는 두꺼운 산화 피막이 존재하고 있고, 두께가 2㎚ 이하인 부분이 존재하지 않았다. 또한, 다른 실시예에 대해서도 마찬가지의 측정을 행하여, 적어도 일부에 있어서 산화 피막의 두께가 2㎚ 이하인 것을 확인하였다.
<접촉 저항의 평가>
실시예 1, 비교예 1 및 비교예 2의 다공질체를 수전해용 급전체로서 사용하고, 도 9에 도시한 구조의 수전해 셀을 조립하였다. 고체 전해질막으로서는, 양극측에 이리듐 촉매, 음극측에 백금 담지 카본 촉매가 도포된 나피온 막을 사용하였다. 얻어진 수전해 셀에, 표 4 내지 표 6에 나타내는 전류 밀도로 전류를 흘려, 그때 필요한 전압을 기록하였다. 또한, 수전해 시의 물의 온도는 50℃였다. 각 조건에서 측정을 5회씩 행하여, 각각의 전압값과, 평균값을 표 4 내지 표 6에 나타내었다.
Figure pct00004
Figure pct00005
Figure pct00006
표 4 내지 표 6에 나타나는 대로, 실시예 1과 비교예 1은 동등한 전압값이 되었지만, 비교예 2는 전압값이 높아졌다. 이것은, Pt막과 Ti 섬유의 계면 Ti 산화 피막이 두꺼워, 이 산화 피막이 저항으로서 작용하였기 때문이다. 또한, 동일 조건에서 제조한 복수의 다공질체를 사용하여 실험을 행하여, 상기 경향이 재현되는 것도 확인하였다.
<피복률의 평가>
다음에, SEM-EDX를 사용하여, 다공질체의 표면에 있어서의 금속 피막의 피복률을 평가하였다. 구체적인 수순은 이하와 같다.
우선, 금속 피막을 형성하기 위한 처리 시간(도금 시간)을 19초 또는 35초로 한 점 이외는 상기 실시예 1과 마찬가지의 조건에서, 두 다공질체를 제조하였다.
다음에, 얻어진 다공질체의, 바이폴라 전해 도금시에 양극과 대향하고 있던 표면을 SEM에 의해 면 분석하여, Pt 및 Ti를 검출하였다. 상기 면 분석은, 상술한 부착량 분포의 평가와 동일 조건에서 행하였다. 또한, SEM에 의한 관찰 배율은 100배로 하였다.
얻어진 데이터를, 화상 해석 소프트웨어 Image J(Rasband, W.S., ImageJ, U. S. National Institutes of Health, Bethesda, Maryland, USA, https://imagej.nih.gov/ij/)를 사용하여 해석하고, Pt가 검출된 영역의 면적 및 Ti가 검출된 영역의 면적을 구하였다. 얻어진 값을 사용하고, Pt 및 Ti의 적어도 한쪽이 검출된 영역의 면적에 대한 Pt가 검출된 영역의 면적으로서 정의되는 피복률을 산출하였다. 결과를 표 7에 나타내었다. 또한, 얻어진 피복률은, SEM-EDX에 의한 검출 대상이 되는 부분, 즉 다공질체의 표면에 대해 상방으로부터 조사한 전자선이 도달할 수 있는 범위에 있어서의 피복률을 나타내고 있다.
표 7에 나타낸 결과로 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 방법에 의해 얻어지는 다공질체에서는, 처리 시간 19초, 35초의 어느 경우에서도 30％를 초과하는 높은 피복률이 얻어지고 있었다. 피복률이 높으면 접촉 저항이 작아지기 때문에, 본 발명의 다공질체는 전기 화학 셀의 급전체 등으로서 매우 적합하게 사용할 수 있다. 이에 비하여, 특허문헌 2의 방법에서는, 최표면의 볼록부 선단에 밖에 금속 피막을 형성할 수 없기 때문에, 이러한 높은 피복률을 얻을 수는 없다.
Figure pct00007
이상의 결과를 정리하면, 비교예 1의 다공질체는, 비용의 관점에서 바람직하지 않은 것이며, 비교예 2의 다공질체는, 성능(접촉 저항)의 관점에서 바람직하지 않은 것이었다. 이에 비해 실시예의 다공질체는, 비용 및 성능(접촉 저항)의 어느 관점에서도 바람직한 것이었다.
1: 도금액
2: 도금조
3: 양극
4: 음극
5, 5A, 5B, 5C: 다공질 도전성 기재
6, 6A, 6B, 6C: 보조 전극
7: 음극 전해액
8A, 8B: 중간 전해액
10: 다공질체
11: 다공질 도전성 기재
12: 금속 피막
20: 도금 장치
30: 전기 화학 셀
31: 양극 급전체
32: 음극 급전체
33: 고체 전해질막
34: 세퍼레이터
35: 양극 촉매층
36: 음극 촉매층

Claims (11)

  1. 연통하는 공공(空孔)과 상기 공공을 형성하는 골격을 갖는 다공질 도전성 기재와, 상기 골격의 표면의 일부에 마련된 금속 피막을 구비하는 다공질체이며,
    상기 다공질 도전성 기재의 기공률은 10％ 이상이며,
    상기 금속 피막의 70질량％ 이상이, 상기 다공질체의 한쪽 표면으로부터 두께 방향 30％ 이내의 영역에 존재하고,
    상기 골격과 상기 금속 피막 사이의 산화 피막의 두께가, 적어도 일부에 있어서 2㎚ 이하인, 다공질체.
  2. 제1항에 있어서, 상기 금속 피막은, 바이폴라 현상을 이용한 간접 급전에 의한 전해 도금으로 형성된 피막인, 다공질체.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 산화 피막의 평균 두께가 6㎚ 이하인, 다공질체.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속 피막은, Au, Ag, Pt, Pd, Rh, Ir, Ru 및 Os로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나의 귀금속, 또는 그의 합금을 포함하는, 다공질체.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다공질 도전성 기재는, 금속 및 탄소 및 Si로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나를 포함하는, 다공질체.
  6. 제5항에 있어서, 상기 다공질 도전성 기재는, Ti, Ta, Zr, Nb, Cu, Al, Fe, Ni, C 및 Si로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나를 포함하는, 다공질체.
  7. 제6항에 있어서, 상기 다공질 도전성 기재는, Ti 또는 Ti 합금을 포함하는, 다공질체.
  8. 급전체와, 상기 급전체와 대향하여 배치되는 대향 급전체와, 상기 급전체 및 상기 대향 급전체 사이에 끼움 지지되는 고체 전해질막을 구비하는 전기 화학 셀이며,
    상기 급전체는, 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 기재된 다공질체를 포함하고, 상기 한쪽 표면이 상기 고체 전해질막측이 되도록 배치되는, 전기 화학 셀.
  9. 연통하는 공공과 상기 공공을 형성하는 골격을 갖는 다공질 도전성 기재와, 상기 골격의 표면의 일부에 마련된 금속 피막을 구비하는 다공질체의 제조 방법이며,
    음극과 양극의 사이에 상기 다공질 도전성 기재를 배치하고,
    상기 다공질 도전성 기재의 상기 양극측 면의 적어도 일부를 도금액과 접촉시켜, 상기 다공질 도전성 기재의 상기 음극측 면의 적어도 일부를 음극 전해액과 접촉시킨 상태에서, 상기 양극과 상기 음극의 사이에 전압을 인가하여 상기 다공질 도전성 기재를 분극시켜 상기 금속 피막을 형성하는, 다공질체의 제조 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 도금액과 상기 음극 전해액이 상기 다공질 도전성 기재에 의해 구획된 상태에서, 상기 전압의 인가를 실시하는, 다공질체의 제조 방법.
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서, 상기 다공질 도전성 기재의 상기 음극측 면에 보조 전극을 접촉시킨 상태에서 상기 전압의 인가를 실시하는, 다공질체의 제조 방법.
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