JP2010007144A - Electrolyzing electrode and electrolyzing unit - Google Patents

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Kazuhiro Kaneda
和博 金田
Mineo Ikematsu
峰男 池松
Masahiro Izeki
正博 井関
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electrolyzing electrode capable of forming ozone with high efficiency by electrolyzing an electrolyte solution (for example, water ) at room temperature with low current density. <P>SOLUTION: The electrolyzing electrode 21 is provided with a base body 22 and a surface layer 25 formed on the surface of the base material 22 and on the surface layer 25, the diffraction peak of monoclinic zirconium oxide (-111) plane is detected in X-ray diffraction and the diffraction peak of orthorhombic zirconium oxide (111) plane is not detected. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、工業用または民生用電解プロセスに使用される電解用電極、その製造方法およびそれを備えた電解ユニットに関するものである。   The present invention relates to an electrode for electrolysis used in an industrial or consumer electrolysis process, a method for producing the same, and an electrolysis unit including the same.

一般に、オゾンは非常に酸化力が強い物質であり、該オゾンが溶解した水、いわゆるオゾン水は上下水道や、食品など、または、半導体デバイス製造プロセスなどでの洗浄処理への適用など幅広い洗浄殺菌処理での利用が期待されている。オゾン水を生成する方法としては、紫外線照射や放電により生成させたオゾンを水に溶解させる方法や、水の電気分解により水中でオゾンを生成させる方法などが知られている。   In general, ozone is a substance having a very strong oxidizing power, and water in which the ozone is dissolved, so-called ozone water is widely used for cleaning and sterilization such as water and sewage, foods, and application to cleaning processing in semiconductor device manufacturing processes. Expected to be used in processing. As a method of generating ozone water, a method of dissolving ozone generated by ultraviolet irradiation or discharge in water, a method of generating ozone in water by electrolysis of water, and the like are known.

特許文献1には、紫外線ランプによりオゾンガスを生成するオゾン生成手段と水を貯留するタンクとを備え、生成したオゾンガスをタンク内の水に供給することでオゾン水を生成するオゾン水生成装置が開示されている。
また、特許文献2には、水中にオゾンガスを効率よく溶解させるために、放電式のオゾンガス生成装置により生成したオゾンガスと水とをミキシングポンプにより所定の割合で混合するオゾン水生成装置が開示されている。
Patent Document 1 discloses an ozone water generating device that includes ozone generating means for generating ozone gas by an ultraviolet lamp and a tank for storing water, and generates ozone water by supplying the generated ozone gas to water in the tank. Has been.
Patent Document 2 discloses an ozone water generator that mixes ozone gas and water generated by a discharge-type ozone gas generator at a predetermined ratio with a mixing pump in order to efficiently dissolve ozone gas in water. Yes.

しかしながら、上記の如き紫外線ランプや放電式によりオゾンガスを発生させてこのオゾンガスを水中に溶解させて成るオゾン水生成方法では、オゾンガス生成装置やオゾンガスを水中に溶解させるための操作などが必要となり装置が複雑化しやすく、また生成したオゾンガスを水中に溶解させる方法であるため所望の濃度のオゾン水を高効率に生成することが困難であるという問題があった。   However, in the ozone water generation method in which ozone gas is generated by the ultraviolet lamp or the discharge type as described above and this ozone gas is dissolved in water, an operation for dissolving the ozone gas in the water is required because of an ozone gas generation device or an operation for dissolving the ozone gas in water. There is a problem that it is easy to make complicated, and it is difficult to generate ozone water having a desired concentration with high efficiency because the generated ozone gas is dissolved in water.

特許文献3には、上記のような問題を解決するための方法として、水の電気分解により水中でオゾンを生成させる方法が開示されている。係る方法では、多孔質体または網状体で形成された電極基材と白金族元素の酸化物などを含む電極触媒とを有して構成されるオゾン生成用電極を用いる。   Patent Document 3 discloses a method for generating ozone in water by electrolysis of water as a method for solving the above problems. In such a method, an electrode for generating ozone, which is configured to include an electrode substrate formed of a porous body or a net-like body and an electrode catalyst containing an oxide of a platinum group element or the like, is used.

また、特許文献4には、電解質溶液としての模擬水道水を酸化タンタルなどの誘電体により表面層が構成された電解用電極により電解処理することで、オゾンを生成させることが開示されている。
特許文献5には、基体と、この基体の表面に形成された少なくとも貴金属、貴金属を含む合金または貴金属酸化物のいずれかを含む中間層と、この中間層に形成され誘電体を含む表面層とが層状に形成され、酸化タンタル、酸化アルミニウム、酸化チタン若しくは酸化タングステンからなる前記表面層には、この表面層を貫通し且つ一端が前記中間層に到達する孔が形成されている電解用電極が開示されている。
特許文献6には、基体と、この基体の表面に形成されたアモルファスの誘電体である表面層を備えてなる成る電解用電極が開示されている。
特許文献7には、チタン、ニッケルなどからなる基体と、チタンおよびルテニウムに基づく混合酸化物の中間層と、チタン、ジルコニウムおよびルテニウムを含む金属酸化物の外層を備えた、対応する塩化物から出発してアルカリ金属塩素酸塩を電気分解で製造するための陰極が開示されている。
特開平11−77060号公報 特開平11−333475号公報 特開2002−80986号公報 特開2007−016303号公報 特開2006−97122号公報 特願2008−022524 特表2002−506120号公報
Patent Document 4 discloses that ozone is generated by electrolytic treatment of simulated tap water as an electrolyte solution with an electrode for electrolysis having a surface layer made of a dielectric such as tantalum oxide.
Patent Document 5 discloses a substrate, an intermediate layer including at least a noble metal, an alloy including a noble metal, or a noble metal oxide formed on the surface of the substrate, and a surface layer including a dielectric formed on the intermediate layer. Is formed in layers, and the surface layer made of tantalum oxide, aluminum oxide, titanium oxide or tungsten oxide has an electrode for electrolysis formed with a hole penetrating the surface layer and having one end reaching the intermediate layer It is disclosed.
Patent Document 6 discloses an electrode for electrolysis comprising a substrate and a surface layer that is an amorphous dielectric formed on the surface of the substrate.
Patent Document 7 starts from the corresponding chloride comprising a substrate made of titanium, nickel, etc., an intermediate layer of a mixed oxide based on titanium and ruthenium, and an outer layer of a metal oxide containing titanium, zirconium and ruthenium. Thus, a cathode for producing an alkali metal chlorate by electrolysis is disclosed.
Japanese Patent Laid-Open No. 11-77060 JP-A-11-333475 JP 2002-80986 A JP 2007-016303 A JP 2006-97122 A Japanese Patent Application No. 2008-022524 Special Table 2002-506120

しかしながら、上述した如き特許文献3に示される方法では、電極物質としてダイヤモンドを使用するため、装置自体のコストが高騰する問題がある。   However, in the method shown in Patent Document 3 as described above, since diamond is used as the electrode material, there is a problem that the cost of the device itself increases.

また、前記特許文献3に示される水の電気分解によるオゾン水の生成方法では、白金族元素は標準的なアノード材料であり、有機物を含まない水系溶液中ではほとんど溶解しないという特徴があるが、オゾン生成用電極としてはオゾン生成効率が低く、高効率な電解法によるオゾン水生成を行うことは困難である。また、このような従来のオゾン生成用電極を用いた電解法によるオゾン水生成では、オゾン生成のための電気分解において、1A/cm2以上の高電流密度を必要とすることや、電解質を低温とする必要があり、非常に多くのエネルギーを消費するという問題があった。更に、白金は高価であり、これ以外にも二酸化鉛を用いた場合には、有毒であるという問題がある。 In addition, in the method for generating ozone water by electrolysis of water shown in Patent Document 3, the platinum group element is a standard anode material and has a feature that it hardly dissolves in an aqueous solution containing no organic matter. As an ozone generation electrode, ozone generation efficiency is low, and it is difficult to generate ozone water by a highly efficient electrolysis method. In addition, in the conventional ozone water generation by electrolysis using an electrode for generating ozone, electrolysis for generating ozone requires a high current density of 1 A / cm 2 or more, and the electrolyte is used at a low temperature. There is a problem that a great deal of energy is consumed. Furthermore, platinum is expensive, and there is another problem that it is toxic when lead dioxide is used.

更に、上述した如き特許文献4〜6に示される電解用電極を用いた場合であっても、オゾンは生成されるものの、更なるオゾン生成電流効率の向上が望まれていた。
特許文献7のチタン、ジルコニウムおよびルテニウムを含む金属酸化物の外層を備えた陰極は、水の電気分解によってオゾンを生成するためのものでなく、対応する塩化物から出発してアルカリ金属塩素酸塩を電気分解で製造するためのものである。
Furthermore, even when the electrodes for electrolysis shown in Patent Documents 4 to 6 as described above are used, ozone is generated, but further improvement of the ozone generation current efficiency has been desired.
The cathode with a metal oxide outer layer comprising titanium, zirconium and ruthenium of patent document 7 is not for generating ozone by electrolysis of water, but starting with the corresponding chloride alkali metal chlorate Is produced by electrolysis.

そこで、本発明の第1の目的は、従来の技術的課題を解決し、地球上に比較的多量に存在し安価であるジルコニウムを利用して、低電流密度による水の電気分解によって、高効率にてオゾンを生成することが可能である電解用電極を提供することであり、
本発明の第2の目的は、その電解用電極を備えた電解ユニットを提供することである。
Accordingly, a first object of the present invention is to solve the conventional technical problem, and to utilize high efficiency zirconium by electrolysis of water with a low current density by using zirconium which is present in a relatively large amount on the earth and is inexpensive. Is to provide an electrode for electrolysis that can generate ozone at
The second object of the present invention is to provide an electrolysis unit provided with the electrode for electrolysis.

本発明の請求項1記載の電解用電極は、基体と、前記基体の表面に構成された表面層を備えて成る電解用電極であって、
前記表面層は、X線回折において単斜晶の酸化ジルコニウム(−111)面の回折ピークが検出されるとともに、斜方晶の酸化ジルコニウム(111)面の回折ピークが検出されないことを特徴とする。
The electrode for electrolysis according to claim 1 of the present invention is an electrode for electrolysis comprising a substrate and a surface layer formed on the surface of the substrate,
The surface layer is characterized in that a diffraction peak of a monoclinic zirconium oxide (-111) plane is detected by X-ray diffraction, and a diffraction peak of an orthorhombic zirconium oxide (111) plane is not detected. .

本発明の請求項2記載の電解用電極は、請求項1記載の電解用電極において、X線回折において単斜晶の酸化ジルコニウム(−111)面の回折ピークのピーク強度が200(cps)以下であることを特徴とする。   The electrode for electrolysis according to claim 2 of the present invention is the electrode for electrolysis according to claim 1, wherein the peak intensity of the diffraction peak of the monoclinic zirconium oxide (-111) plane is 200 (cps) or less in X-ray diffraction. It is characterized by being.

本発明の請求項3記載の電解用電極は、請求項1あるいは請求項2記載の電解用電極において、
前記基体には、前記表面層の内側に位置して、前記基体の表面に、難酸化性の金属で中間層が形成されることを特徴とする。
The electrode for electrolysis according to claim 3 of the present invention is the electrode for electrolysis according to claim 1 or 2,
The substrate is characterized in that an intermediate layer is formed of a hardly oxidizable metal on the surface of the substrate, located inside the surface layer.

本発明の請求項4記載の電解ユニット電解用電極は、請求項1から請求項3のいずれかに記載の電解用電極により通水性を有したアノードが構成され、前記アノードと通水性を有したカソードが陽イオン交換膜の両面に配設されていることを特徴とするものである。   An electrode for electrolysis of an electrolysis unit according to claim 4 of the present invention is configured such that an anode having water permeability is constituted by the electrode for electrolysis according to any one of claims 1 to 3, and has water permeability with the anode. The cathode is disposed on both surfaces of the cation exchange membrane.

本発明の請求項1記載の電解用電極は、基体と、前記基体の表面に構成された表面層を備えて成る電解用電極であって、
前記表面層は、X線回折において単斜晶の酸化ジルコニウム(−111)面の回折ピークが検出されるとともに、斜方晶の酸化ジルコニウム(111)面の回折ピークが検出されないことを特徴とするものであり、
熱酸化処理温度による結晶性の変化が小さく、地球上に比較的多量に存在し安価であるジルコニウムを利用して、前記電極をアノードとして使用して低電流密度による電解質溶液の電気分解により安定して確実に長期間にわたり効率的にオゾンを生成することができるので信頼性が高いという顕著な効果を奏する。
The electrode for electrolysis according to claim 1 of the present invention is an electrode for electrolysis comprising a substrate and a surface layer formed on the surface of the substrate,
The surface layer is characterized in that a diffraction peak of a monoclinic zirconium oxide (-111) plane is detected by X-ray diffraction, and a diffraction peak of an orthorhombic zirconium oxide (111) plane is not detected. Is,
The change in crystallinity due to thermal oxidation treatment temperature is small, and it is stable by electrolysis of electrolyte solution with low current density by using zirconium, which is relatively inexpensive and exists on the earth and is inexpensive. Since ozone can be generated efficiently over a long period of time reliably, there is a remarkable effect of high reliability.

酸化ジルコニウムの結晶構造は、単斜晶(monoclinic)および斜方晶(orthorhombic)以外に、正方晶(tetragonal)、立方晶(cubic)があるが、正方晶は1170〜2370℃で安定であり、それより対称性のよい立方晶はより高温で安定であることから、本発明の電解用電極の製造条件などを考慮すれば正方晶および立方晶は実用的にはありえない結晶構造であると考えられる。   The crystal structure of zirconium oxide includes tetragonal and cubic crystals other than monoclinic and orthohombic, and tetragonal is stable at 1170 to 2370 ° C. Since cubic crystals with better symmetry are more stable at higher temperatures, it is considered that tetragonal crystals and cubic crystals have a practically impossible crystal structure in consideration of the manufacturing conditions of the electrode for electrolysis of the present invention. .

特に、従来の如く電解質溶液の温度を格別に低温とすることなく、且つ、高電流密度を必要としないため、オゾン生成に要する消費電力量の低減を図ることが可能となる。   In particular, since the temperature of the electrolyte solution is not particularly low as in the prior art and a high current density is not required, it is possible to reduce the power consumption required for ozone generation.

前記表面層が、X線回折により斜方晶の酸化ジルコニウムを含まず、結晶性の悪い単斜晶の酸化ジルコニウムを含む薄膜とすることで、電解用電極表面に(電解溶液との界面に)薄い空乏層ができ、電解用電極表面での反応で生成された電子がこの薄い空乏層をトンネルすることになり、その際に電子の授受が行われる電位がオゾンの酸化還元電位以上になることにより、前記表面層が導電体により構成される場合や斜方晶の酸化ジルコニウムにより構成される場合に比較して酸素生成反応が抑制され、代わりにオゾン生成反応がより効率的に生起すると考えられる。
より高いエネルギーレベルでの電子の移動が生じることで、オゾン生成反応を生起するためにオゾンの生成効率の上昇を図ることができる。
By forming the surface layer into a thin film containing monoclinic zirconium oxide having poor crystallinity and containing no orthorhombic zirconium oxide by X-ray diffraction, the surface layer is formed on the surface of the electrode for electrolysis (at the interface with the electrolytic solution). A thin depletion layer is formed, and electrons generated by the reaction on the electrode surface for electrolysis tunnel through this thin depletion layer, and the potential at which electrons are transferred at that time is higher than the oxidation-reduction potential of ozone. As a result, it is considered that the oxygen generation reaction is suppressed compared to the case where the surface layer is formed of a conductor or orthorhombic zirconium oxide, and the ozone generation reaction occurs more efficiently instead. .
By causing the movement of electrons at a higher energy level, the ozone generation efficiency can be increased in order to cause an ozone generation reaction.

前記表面層を薄膜により構成することができるので、表面層内の不純物準位を介して、若しくは、Fowler−Nordheimトンネルにより電子が電極内部に移動できる。そのため、アノードにおける電極反応において、より高いエネルギーレベルで電子の移動を生起させることで、低電流密度にて電気分解を行うことが可能となり、効率的にオゾンを生成することができる。   Since the surface layer can be composed of a thin film, electrons can move into the electrode through impurity levels in the surface layer or by a Fowler-Nordheim tunnel. For this reason, in the electrode reaction at the anode, by causing the movement of electrons at a higher energy level, it becomes possible to perform electrolysis at a low current density and efficiently generate ozone.

本発明の請求項2記載の電解用電極は、請求項1記載の電解用電極において、X線回折において単斜晶の酸化ジルコニウム(−111)面の回折ピークのピーク強度が200(cps)以下であることを特徴とするものであり、
単斜晶の酸化ジルコニウムの結晶性が確実に悪くなるので、前記電極をアノードとして使用して低電流密度による電解質溶液の電気分解により安定して確実に長期間にわたり効率的にオゾンを生成することができるのでさらに信頼性が高いというさらなる顕著な効果を奏する。
The electrode for electrolysis according to claim 2 of the present invention is the electrode for electrolysis according to claim 1, wherein the peak intensity of the diffraction peak of the monoclinic zirconium oxide (-111) plane is 200 (cps) or less in X-ray diffraction. It is characterized by being,
Since the crystallinity of monoclinic zirconium oxide is definitely deteriorated, ozone can be stably and reliably generated over a long period of time by electrolysis of an electrolyte solution with a low current density using the electrode as an anode. Therefore, there is a further remarkable effect that the reliability is higher.

本発明の請求項3記載の電解用電極は、請求項1あるいは請求項2記載の電解用電極において、
前記基体には、前記表面層の内側に位置して、前記基体の表面に、難酸化性の金属で中間層が形成されることを特徴とするものであり、
基体の表面に、難酸化性の金属で中間層が形成されていることにより、上述の如く効果的に電子が表面層内を移動することが可能となる。そのため、表面層の表面において、高いエネルギーレベルで電極反応を生起することができる。これにより、より低い電流密度において効率的にオゾンを生成することができるようになるというさらなる顕著な効果を奏する。
The electrode for electrolysis according to claim 3 of the present invention is the electrode for electrolysis according to claim 1 or 2,
The base is characterized in that an intermediate layer is formed of a hardly oxidizable metal on the surface of the base, located inside the surface layer,
Since the intermediate layer is formed of a hardly oxidizable metal on the surface of the substrate, electrons can effectively move in the surface layer as described above. Therefore, an electrode reaction can occur at a high energy level on the surface of the surface layer. Thereby, there is a further remarkable effect that ozone can be efficiently generated at a lower current density.

特に、係る発明によれば、基体の表面に難酸化性の金属で中間層が形成されているため、前記電極により電解を行った場合において、前記基体表面が酸化し不導体化する不都合を回避することができる。これにより、電極の耐久性を向上させることができる。また、基体全体を前記中間層を構成する材料により構成する場合に比して、生産コストの低廉化を図ることができると共に、係る場合においても、同様に効率的にオゾンを生成することができるというさらなる顕著な効果を奏する。   In particular, according to the invention, since the intermediate layer is formed of a hardly oxidizable metal on the surface of the substrate, it is possible to avoid the disadvantage that the surface of the substrate is oxidized and becomes non-conductive when electrolysis is performed using the electrode. can do. Thereby, durability of an electrode can be improved. In addition, the production cost can be reduced as compared with the case where the entire substrate is made of the material constituting the intermediate layer, and in such a case, ozone can be generated efficiently in the same manner. There is a further remarkable effect.

本発明の請求項4記載の電解ユニット電解用電極は、
請求項1から請求項3のいずれかに記載の電解用電極により通水性を有したアノードが構成され、前記アノードと通水性を有したカソードが陽イオン交換膜の両面に配設されていることを特徴とするものであり、
陽イオン交換膜をプロトンが移動することで、電解質溶液が純水であっても、効率的にオゾンを生成することが可能となるという顕著な効果を奏する。
The electrode for electrolysis of an electrolysis unit according to claim 4 of the present invention,
An anode having water permeability is constituted by the electrode for electrolysis according to any one of claims 1 to 3, and the anode and the cathode having water permeability are disposed on both surfaces of a cation exchange membrane. It is characterized by
By moving protons through the cation exchange membrane, there is a remarkable effect that ozone can be efficiently generated even if the electrolyte solution is pure water.

以下に、本発明の電解用電極の好適な実施の形態を図面を参照して説明する。図1は本発明の電解用電極1の平断面図である。図1に示すように電解用電極1は、基体2と、前記基体2の表面に形成される密着層3と、前記密着層3の表面に形成される中間層4と、前記中間層4の表面に形成される表面層5とから構成される。   Hereinafter, preferred embodiments of the electrode for electrolysis of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a plan sectional view of an electrode 1 for electrolysis according to the present invention. As shown in FIG. 1, the electrode for electrolysis 1 includes a substrate 2, an adhesion layer 3 formed on the surface of the substrate 2, an intermediate layer 4 formed on the surface of the adhesion layer 3, and the intermediate layer 4. And a surface layer 5 formed on the surface.

本発明において基体2は、導電性材料として、例えば、白金(Pt)若しくは、チタン(Ti)、タンタル(Ta)、ジルコニウム(Zr)、ニオブ(Nb)などのバルブ金属やこれらバルブ金属2種以上の合金、或いはシリコン(Si)などにより構成される。特に、本実施例において用いられる基体2は、表面が平坦に処理されたシリコンを用いる。   In the present invention, the substrate 2 is a conductive material such as platinum (Pt), valve metal such as titanium (Ti), tantalum (Ta), zirconium (Zr), niobium (Nb), or two or more of these valve metals. Or an alloy of silicon (Si) or the like. In particular, the substrate 2 used in this embodiment uses silicon whose surface is processed flat.

密着層3は、基体2の表面に形成され、基体2と密着層3の表面に例えば白金により形成される中間層4との密着性の向上を図るために用いられるものであり、酸化チタンや窒化チタンなどにより構成される。なお、本実施例では酸化チタンを用いる。   The adhesion layer 3 is formed on the surface of the substrate 2 and is used for improving the adhesion between the substrate 2 and the intermediate layer 4 formed of platinum on the surface of the adhesion layer 3. It is made of titanium nitride or the like. In this embodiment, titanium oxide is used.

中間層4は、酸化し難い金属、例えば、白金、金(Au)、または、導電性をもつ金属酸化物、例えば、酸化イリジウム、酸化パラジウム、または、酸化ルテニウム、酸化物超伝導体など、若しくは、酸化しても導電性を有する金属として、白金族元素に含まれるルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、パラジウム(Pd)、イリジウム(Ir)、或いは、銀(Ag)により構成される。なお、金属酸化物については、予め酸化物として中間層4が構成されたものに限定されるものではなく、電解することにより酸化されて金属酸化物とされたものについても含むものとする。   The intermediate layer 4 is a metal that is difficult to oxidize, such as platinum, gold (Au), or a conductive metal oxide such as iridium oxide, palladium oxide, ruthenium oxide, oxide superconductor, or the like. The metal having conductivity even when oxidized is composed of ruthenium (Ru), rhodium (Rh), palladium (Pd), iridium (Ir), or silver (Ag) contained in the platinum group element. In addition, about a metal oxide, it is not limited to the thing in which the intermediate | middle layer 4 was comprised previously as an oxide, The thing oxidized by electrolysis and including a metal oxide shall also be included.

但し、中間層4が導電性をもつ金属酸化物、例えば酸化イリジウムなどにより構成される場合には、前記金属酸化物を構成する酸素原子が後に示す表面層5に悪影響を及ぼすことから、前記中間層4は、難酸化性の金属により構成することが望ましい。本実施例では、中間層4は、白金により構成する。   However, when the intermediate layer 4 is made of a conductive metal oxide, such as iridium oxide, oxygen atoms constituting the metal oxide adversely affect the surface layer 5 to be described later. The layer 4 is preferably composed of a hardly oxidizable metal. In this embodiment, the intermediate layer 4 is made of platinum.

なお、上記基体2を白金にて構成する場合には、基体2の表面も当然に白金にて構成されるため、前記中間層4を格別に構成する必要はない。ただし、係る基体2を白金にて構成した場合には、コストの高騰を招くことから、工業的には、前記基体2を低廉な材料にて構成し、前記基体2の表面に貴金属などで構成される中間層4を形成することが好ましい。
また、基体2を導電性を有さない物質、例えばガラス板により構成し、前記基体2は、少なくとも後述する表面層5との接触面が導電性を有する材料により被覆されているものであるならば、上記構成に限定されるものではない。これによっても、基体2の構成に用いられる材料に要するコストの高騰を抑制することが可能となる。
When the base 2 is made of platinum, the surface of the base 2 is naturally made of platinum, so that the intermediate layer 4 need not be specially formed. However, when the base 2 is made of platinum, the cost increases, so industrially, the base 2 is made of an inexpensive material, and the surface of the base 2 is made of a noble metal or the like. It is preferable to form the intermediate layer 4 to be formed.
Further, if the substrate 2 is made of a non-conductive substance, for example, a glass plate, and the substrate 2 has at least a contact surface with a surface layer 5 described later coated with a conductive material. For example, it is not limited to the said structure. This also makes it possible to suppress an increase in cost required for the material used for the structure of the base 2.

また、表面層5は、前記中間層4を被覆するように層状に形成された結晶性の悪い単斜晶の酸化ジルコニウムの絶縁体である。前記表面層5は、蛍光X線法で測定した厚さが5〜2000nmに形成される。
前記表面層5は、核が生成してそれが成長し、さらに合体して薄膜が形成されるので、蛍光X線法で測定した厚さの下限値は5nmである。一方、前記表面層5の蛍光X線法で測定した厚さが2000nmを超えると薄膜が剥がれる恐れがあることおよび電解時の電圧が高くなることにより、上限値は2000nmである。
The surface layer 5 is a monoclinic zirconium oxide insulator having a poor crystallinity formed in a layer so as to cover the intermediate layer 4. The surface layer 5 is formed to a thickness of 5 to 2000 nm as measured by a fluorescent X-ray method.
Since the surface layer 5 generates nuclei and grows and further coalesces to form a thin film, the lower limit of the thickness measured by the fluorescent X-ray method is 5 nm. On the other hand, when the thickness of the surface layer 5 measured by the fluorescent X-ray method exceeds 2000 nm, the thin film may be peeled off, and the voltage during electrolysis increases, so the upper limit is 2000 nm.

なお、表面層5の厚さは、蛍光X線分析装置(日本電子社製 JSX−3220ZS Element Analyzer)による評価により、Zrの担持量を取得し、これに基づき金属Zr換算で厚さを得たものである。   In addition, the thickness of the surface layer 5 acquired the amount of Zr supported by evaluation with a fluorescent X-ray analyzer (JSX-3220ZS Element Analyzer manufactured by JEOL Ltd.), and based on this, the thickness was obtained in terms of metal Zr. Is.

以下に実施例および比較例を挙げて本発明を更に詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples and Comparative Examples, but the present invention is not limited to these Examples.

(実施例1)
次に、図2のフローチャートを参照して本発明の実施例1の電解用電極21の製造方法について説明する。
なお、図3は、実施例1により得られる電解用電極21の概略構成図を示している。先ず初めに、ステップS11として上記実施例と同様に基体22を構成するシリコンの前処理を行う。基体22の材料は、上記実施例と同様であるため、説明を省略する。以降ステップS12において既存のスパッタ装置のチャンバー内に導入し、成膜を行う。
Example 1
Next, with reference to the flowchart of FIG. 2, the manufacturing method of the electrode 21 for electrolysis of Example 1 of this invention is demonstrated.
FIG. 3 shows a schematic configuration diagram of the electrode 21 for electrolysis obtained by the first embodiment. First, as a step S11, pretreatment of silicon constituting the substrate 22 is performed in the same manner as in the above embodiment. Since the material of the base 22 is the same as that in the above embodiment, the description thereof is omitted. Thereafter, in step S12, the film is introduced into a chamber of an existing sputtering apparatus and film formation is performed.

ステップS12では、基体22の表面に上述した如き中間層24の密着性を向上させるための密着層23の形成を行う。基体22への密着層23の形成は、スパッタ法により実行する。密着層23は、酸化チタンにより構成するため、ターゲットとしてTiを用い、投入電力:100W、ガス:Ar、ガス圧:5mTor、スパッタ時間:10分間、室温で成膜を実行する。熱酸化を、温度500℃、空気中で30分間行う。
これにより、基体22の表面には、厚さ50nm程度の酸化チタンにて構成される密着層23が形成される。
In step S <b> 12, the adhesion layer 23 for improving the adhesion of the intermediate layer 24 as described above is formed on the surface of the substrate 22. The formation of the adhesion layer 23 on the substrate 22 is performed by a sputtering method. Since the adhesion layer 23 is made of titanium oxide, Ti is used as a target, and film formation is performed at room temperature with an input power of 100 W, a gas of Ar, a gas pressure of 5 mTorr, and a sputtering time of 10 minutes. Thermal oxidation is performed in air at a temperature of 500 ° C. for 30 minutes.
As a result, an adhesion layer 23 made of titanium oxide having a thickness of about 50 nm is formed on the surface of the substrate 22.

次に、ステップS13において、表面に密着層23が形成された基体22の表面に上記実施例と同様に中間層24の形成を行う。基体22への中間層24の形成は、スパッタ法により実行する。本実施例では、中間層24は、白金により構成するため、ターゲットとしてPtを用い、投入電力200W、Arガス圧を1.2mTorr、室温で約3分間成膜を実行する。
これにより、密着層23が形成された基体22の表面には、厚さ200nm程度の中間層24が形成される。
Next, in step S13, the intermediate layer 24 is formed on the surface of the substrate 22 having the adhesion layer 23 formed on the surface in the same manner as in the above embodiment. The formation of the intermediate layer 24 on the substrate 22 is performed by a sputtering method. In this embodiment, since the intermediate layer 24 is made of platinum, Pt is used as a target, and film formation is performed at an input power of 200 W, an Ar gas pressure of 1.2 mTorr, and room temperature for about 3 minutes.
As a result, an intermediate layer 24 having a thickness of about 200 nm is formed on the surface of the substrate 22 on which the adhesion layer 23 is formed.

次に中間層24が形成された基体22の表面に表面層25を形成する。本実施例では、表面層25の形成は、スパッタ法により実行する。表面層を結晶性の悪い単斜晶の酸化ジルコニウムにて形成する場合には、ターゲットをZrに変更し、投入電力を100W、ガス:Ar/O2 =7/3(容量比)、ガス圧を5mTorr、室温で90分間成膜を実行する(ステップS14)。これにより、基体22の中間層24の表面には、厚さ、50nm程度のジルコニウム25が形成される。なお、これら中間層24およびジルコニウム25の膜厚は、前記のように蛍光X線による評価により、PtおよびZrの担持量を取得し、これに基づき厚さを換算することにより得たものである。 Next, a surface layer 25 is formed on the surface of the substrate 22 on which the intermediate layer 24 is formed. In this embodiment, the surface layer 25 is formed by sputtering. When the surface layer is formed of monoclinic zirconium oxide having poor crystallinity, the target is changed to Zr, the input power is 100 W, gas: Ar / O 2 = 7/3 (capacity ratio), gas pressure The film is formed at 5 mTorr and room temperature for 90 minutes (step S14). Thus, zirconium 25 having a thickness of about 50 nm is formed on the surface of the intermediate layer 24 of the substrate 22. The film thicknesses of the intermediate layer 24 and the zirconium 25 are obtained by obtaining the supported amounts of Pt and Zr by the evaluation by the fluorescent X-ray as described above and converting the thickness based on the obtained amounts. .

その後前記表面層25が形成された基体22は、ステップS15においてマッフル炉にて300℃、400℃、500℃、600℃のそれぞれの温度、酸素雰囲気中にて30分、熱酸化処理が実行され、電解用電極21が得られる。これにより、中間層24の表面に形成された表面層25を構成するジルコニウム金属は、均一に酸化される。なお、前記熱酸化処理によりジルコニウム金属が酸化され結晶性の悪い単斜晶の酸化ジルコニウムとなる。   Thereafter, the substrate 22 on which the surface layer 25 is formed is subjected to a thermal oxidation treatment in a muffle furnace for 30 minutes in an oxygen atmosphere at 300 ° C., 400 ° C., 500 ° C., and 600 ° C. in step S15. Thus, the electrode 21 for electrolysis is obtained. Thereby, the zirconium metal constituting the surface layer 25 formed on the surface of the intermediate layer 24 is uniformly oxidized. The thermal oxidation treatment oxidizes the zirconium metal to form monoclinic zirconium oxide having poor crystallinity.

図4は熱酸化処理温度と実施例1の表面層25の厚さ(蛍光X線法で測定した金属ジルコニウム換算値)(nm)の関係を示すグラフである。
実施例1の電解用電極21の表面層25の厚さは熱酸化処理温度に係わらずZr換算で40〜50nm程度であった。
FIG. 4 is a graph showing the relationship between the thermal oxidation treatment temperature and the thickness of the surface layer 25 of Example 1 (converted to metal zirconium measured by the fluorescent X-ray method) (nm).
The thickness of the surface layer 25 of the electrode 21 for electrolysis of Example 1 was about 40 to 50 nm in terms of Zr regardless of the thermal oxidation treatment temperature.

図5に、実施例1の電解用電極21の表面層25のX線回折パターンを示す。X線回折を用いることで、表面層25を構成する酸化ジルコニウムの結晶構造を解析することが可能となる。X線回折装置(Bruker AXS社製D8 Discover)を用いて観測を行った。   FIG. 5 shows an X-ray diffraction pattern of the surface layer 25 of the electrode 21 for electrolysis of Example 1. By using X-ray diffraction, the crystal structure of zirconium oxide constituting the surface layer 25 can be analyzed. Observation was performed using an X-ray diffractometer (D8 Discover manufactured by Bruker AXS).

なお、X線回折の測定条件は以下すべて下記の通りである。
装置:Bruker AXS社製 D8 Discover
X線出力:45kV、360mA
前置鏡:ゲーベルミラー
前置スリット:0.2mm
後置スリット:パラレルソーラースリット(0.12°)
検出器:NaIシンチレーションカウンター
測定法:薄膜法
入射角度:1°
ステップ:0.2°
蓄積時間:0.5sec/step
The measurement conditions for X-ray diffraction are all as follows.
Apparatus: D8 Discover manufactured by Bruker AXS
X-ray output: 45 kV, 360 mA
Front mirror: Gobel mirror front slit: 0.2mm
Post slit: Parallel solar slit (0.12 °)
Detector: NaI scintillation counter Measurement method: Thin film method Incident angle: 1 °
Step: 0.2 °
Accumulation time: 0.5 sec / step

実施例1の電解用電極21の表面層25は、熱酸化処理温度に係わらずX線回折においてピーク強度の小さい単斜晶の酸化ジルコニウム(−111)面の回折ピークが検出され、結晶性の悪い単斜晶の酸化ジルコニウムが形成されていることがわかるが、斜方晶の酸化ジルコニウム(111)面の回折ピークは検出されず、斜方晶の酸化ジルコニウムが形成されていないことがわかる。   In the surface layer 25 of the electrode 21 for electrolysis of Example 1, a diffraction peak of a monoclinic zirconium oxide (−111) plane having a small peak intensity was detected in X-ray diffraction regardless of the thermal oxidation treatment temperature, and the crystalline layer It can be seen that bad monoclinic zirconium oxide is formed, but the diffraction peak of the orthorhombic zirconium oxide (111) surface is not detected, and it is understood that orthorhombic zirconium oxide is not formed.

(電解用電極による電解方法およびその評価)
次に、上述した如く製造された電解用電極21を用いた電解によるオゾンの生成について図6を参照して説明する。図6は電解用電極21を適用した電解装置10の概略説明図である。
(Electrolysis method using electrode for electrolysis and its evaluation)
Next, generation of ozone by electrolysis using the electrode 21 for electrolysis manufactured as described above will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a schematic explanatory diagram of the electrolysis apparatus 10 to which the electrode 21 for electrolysis is applied.

電解装置10は、処理槽11と、上述した如きアノードとしての電解用電極21と、カソードとしての電極12と、電極21、12に直流電流を印加する電源15とから構成される。そして、これら電極21、12間に位置して、処理槽11内の電極21の存する一方の領域と電極12の存する他方の領域とに区画する陽イオン交換膜(隔膜:デュポン社製Nafion(商品名))14が設けられる。また、アノードとしての電解用電極21が浸漬される領域には、攪拌装置16が設けられている。   The electrolysis apparatus 10 includes a treatment tank 11, an electrode 21 for electrolysis as an anode as described above, an electrode 12 as a cathode, and a power source 15 that applies a direct current to the electrodes 21 and 12. Then, a cation exchange membrane (diaphragm: Nafion manufactured by DuPont, which is located between the electrodes 21 and 12 and partitioned into one region where the electrode 21 exists in the treatment tank 11 and the other region where the electrode 12 exists) Name)) 14 is provided. A stirrer 16 is provided in a region where the electrode for electrolysis 21 as an anode is immersed.

また、この処理槽11内には、電解質溶液としての模擬水道水13が貯溜される。なお、前記実験に用いられる電解質溶液は、水道水を模擬した水溶液であり、この模擬水道水23(電気伝導度160μS/cm)の成分組成は、Na+が5.75ppm、Ca2+が10.02ppm、Mg2+が6.08ppm、K+が0.98ppm、Cl-が17.75ppm、SO4 2-が24.5ppm、CO3 2-が16.5ppmであり、残りは総て水である。 In the treatment tank 11, simulated tap water 13 as an electrolyte solution is stored. The electrolyte solution used in the experiment is an aqueous solution simulating tap water. The component composition of the simulated tap water 23 (electric conductivity: 160 μS / cm) has Na + of 5.75 ppm and Ca 2+ of 10 0.02 ppm, Mg 2+ 6.08 ppm, K + 0.98 ppm, Cl 17.75 ppm, SO 4 2− 24.5 ppm, CO 3 2− 16.5 ppm, the rest being all water It is.

電解用電極21は、上述した如き製造方法により作製したものであって、電解用電極21の表面層25の厚さは、40nm程度であり、前記表面層25を形成する際の焼成温度は、300、400、500、600℃である。   The electrode for electrolysis 21 is produced by the manufacturing method as described above, and the thickness of the surface layer 25 of the electrode for electrolysis 21 is about 40 nm, and the firing temperature when forming the surface layer 25 is as follows: 300, 400, 500 and 600 ° C.

なお、上記電解用電極の表面層の膜厚は、前記のように蛍光X線分析装置(日本電子社製JSX−3220ZS Element Analyzer)による評価により、Zrの担持量を取得し、これに基づき厚さを換算することにより得たものである。   In addition, the film thickness of the surface layer of the electrode for electrolysis was obtained by obtaining the amount of Zr supported by the evaluation using the fluorescent X-ray analyzer (JSX-3220ZS Element Analyzer manufactured by JEOL Ltd.) as described above. It is obtained by converting the thickness.

他方、カソードとしての電極12には白金を用いる。これ以外にもチタン基体表面に白金を焼成した不溶性電極や白金−イリジウム系の電解用電極やカーボン電極などにより構成してもよいものとする。   On the other hand, platinum is used for the electrode 12 as a cathode. In addition to this, an insoluble electrode obtained by baking platinum on the surface of a titanium substrate, a platinum-iridium-based electrode for electrolysis, a carbon electrode, or the like may be used.

以上の構成により、処理槽11内の各領域に150mlずつの模擬水道水13を貯溜し、該電解用電極21および電極12をそれぞれ模擬水道水中に浸漬させる。なお各電極間距離は、10mmとする。そして、電源15により、電流密度約〜10mA/cm2の定電流が電解用電極21および電極12に印加される。また、模擬水道水13の温度は+20℃であるものとする。 With the above configuration, 150 ml of simulated tap water 13 is stored in each region in the processing tank 11, and the electrode 21 for electrolysis and the electrode 12 are immersed in the simulated tap water, respectively. The distance between each electrode is 10 mm. Then, a constant current having a current density of about 10 mA / cm 2 is applied to the electrolysis electrode 21 and the electrode 12 by the power source 15. Moreover, the temperature of the simulated tap water 13 shall be +20 degreeC.

本実施例では、各電解用電極によるオゾンの生成量は、上記条件にて2分間電解後の模擬水道水13のオゾン生成量をインディゴ法(HACH社製 DR30000)により測定し、通電された総電荷量に対する前記オゾン生成に寄与した電荷の割合、即ち、オゾン生成電流効率を算出して評価を行う。
水の電気分解により下記式の反応によりオゾンを生成させる。
3H2 O→O3 +6H+ +6e- (式1)
In this example, the amount of ozone generated by each electrode for electrolysis was determined by measuring the amount of ozone generated in simulated tap water 13 after electrolysis for 2 minutes under the above conditions by the indigo method (DR30000 manufactured by HACH). Evaluation is performed by calculating the ratio of the electric charge contributing to the ozone generation relative to the electric charge amount, that is, the ozone generation current efficiency.
Ozone is generated by the reaction of the following formula by electrolysis of water.
3H 2 O → O 3 + 6H + + 6e (Formula 1)

上記式1からO3 を生成する反応ではオゾン1分子当たり6個の電子が関与している。電気分解に要した電気量It(アンペア×秒)=[Amp×s]=C(クーロン)であり、e- =1.6×10-19 クーロンであるから、上記式1の反応が起ると、It/e- の数の電子が流れたことになる。O3 生成量を測定すれば、下記式2でオゾン生成電流効率(A)を計算できる。
(A)=6(X)/(Y) (式2)
但し、式2において、(X)は発生O3 の分子数を示し、(Y)は水の電気分解時に流れた電子の和を示す。
なお、オゾン生成の電力効率は、投入電力に対する生成した総オゾン量と定義され、単位は例えばkg/Whである。
In the reaction for generating O 3 from the above formula 1, 6 electrons per ozone molecule are involved. The amount of electricity required for electrolysis It (ampere × second) = [Amp × s] = C (coulomb) and e = 1.6 × 10 −19 coulomb, and therefore the reaction of the above formula 1 occurs. Thus, It / e number of electrons flowed. If the amount of O 3 produced is measured, the ozone generation current efficiency (A) can be calculated by the following formula 2.
(A) = 6 (X) / (Y) (Formula 2)
However, in Formula 2, (X) shows the number of molecules of generated O 3 , and (Y) shows the sum of electrons that flowed during water electrolysis.
Note that the power efficiency of ozone generation is defined as the total amount of ozone generated with respect to the input power, and the unit is, for example, kg / Wh.

前記実験では、本実施例の如く作成された電解用電極21を使用した場合には、オゾン生成電流効率は、4〜5.5%程度であった。   In the experiment, when the electrode for electrolysis 21 prepared as in this example was used, the ozone generation current efficiency was about 4 to 5.5%.

以上の実験結果より、本実施例の電解用電極21を用いて、高いオゾン生成効率でオゾンを生成できることが分かる。   From the above experimental results, it can be seen that ozone can be generated with high ozone generation efficiency using the electrode 21 for electrolysis of this example.

特に、前記結晶性の悪い単斜晶の酸化ジルコニウムの薄膜は、厚さが5〜2000nmに形成されているため、表面層25中の不純物準位を介して、或いは、Fowler−Nordheimトンネルにより電子が導電性材料にて構成される中間層24にまで移動すると考えられる。   In particular, the monoclinic zirconium oxide thin film having poor crystallinity is formed to have a thickness of 5 to 2000 nm. Therefore, electrons are introduced through impurity levels in the surface layer 25 or by a Fowler-Nordheim tunnel. Is considered to move to the intermediate layer 24 made of a conductive material.

通常、金属電極を電解用電極として使用した場合、アノードにおける電極反応は、フェルミ準位直上の空の準位が電解質から電子を受け取ることにより、優先的に酸素生成反応を生起する。   Usually, when a metal electrode is used as an electrode for electrolysis, an electrode reaction at the anode preferentially causes an oxygen generation reaction when an empty level immediately above the Fermi level receives electrons from the electrolyte.

これに対し、本発明における表面層25形成した電解用電極21を使用した場合、電解用電極表面に(電解溶液との界面に)薄い空乏層ができ、電解用電極表面での反応で生成された電子がこの薄い空乏層をトンネルすることになり、その際に電子の授受が行われる電位がオゾンの酸化還元電位以上になることにより、オゾン生成反応がより効率的に生起すると考えられる。   On the other hand, when the electrolysis electrode 21 formed with the surface layer 25 in the present invention is used, a thin depletion layer is formed on the surface of the electrolysis electrode (at the interface with the electrolytic solution), which is generated by the reaction on the surface of the electrolysis electrode. It is considered that the ozone generation reaction occurs more efficiently when the electrons tunnel through the thin depletion layer, and the potential at which electrons are transferred at that time becomes equal to or higher than the oxidation-reduction potential of ozone.

これにより、電解用電極21に所定の低電流密度、0.1mA/cm2乃至2000mA/cm2、望ましくは、1mA/cm2乃至1000mA/cm2の電流が印加されることで、高効率にてオゾンを生成させることが可能となる。また、電解質溶液の温度が格別に低温とすることなく、本実施例の如く+20℃などのように常温である場合であっても、高効率にてオゾンを生成させることが可能となる。そのため、オゾン生成に要する消費電力量の低減を図ることが可能となる。 As a result, a predetermined low current density of 0.1 mA / cm 2 to 2000 mA / cm 2 , preferably 1 mA / cm 2 to 1000 mA / cm 2 is applied to the electrode 21 for electrolysis, thereby achieving high efficiency. It is possible to generate ozone. Further, ozone can be generated with high efficiency even when the temperature of the electrolyte solution is not so low as it is at room temperature such as + 20 ° C. as in this embodiment. Therefore, it is possible to reduce the power consumption required for ozone generation.

また、このように、高効率にてオゾン生成を実現することができる電極21の表面層25は、スピンコート法により形成することも可能であるため、生産性を向上させることができると共に、安価な製造コストにて電解用電極を製造することが可能となり、設備の低廉化を図ることが可能となる。   Moreover, since the surface layer 25 of the electrode 21 that can realize ozone generation with high efficiency can be formed by a spin coating method, the productivity can be improved and the cost can be reduced. It is possible to manufacture the electrode for electrolysis at a low manufacturing cost, and it is possible to reduce the cost of the equipment.

また、表面層25は、熱CVD法により形成することも可能であり、安定性が良く、高い生産効率を実現することが可能となる。更に、二酸化鉛などの有毒物質を使用しないことから、環境負荷の低減を図ることができる。   The surface layer 25 can also be formed by a thermal CVD method, has good stability, and can achieve high production efficiency. Furthermore, since no toxic substances such as lead dioxide are used, the environmental burden can be reduced.

(比較例1)
中間層24が形成された基体22の表面に表面層25をスパッタ法により形成する際に、ターゲットを表面層構成材であるZrに変更し、投入電力を100W、ガスとしてArを用い、ガス圧を5mTorr、室温で5分間成膜を行った以外は、実施例1と同様にして電解用電極21を形成した。
(Comparative Example 1)
When the surface layer 25 is formed on the surface of the substrate 22 on which the intermediate layer 24 is formed by sputtering, the target is changed to Zr as the surface layer constituent material, the input power is 100 W, the gas is Ar, and the gas pressure Was formed in the same manner as in Example 1 except that film formation was performed at 5 mTorr and room temperature for 5 minutes.

図4に熱酸化処理温度と比較例1の表面層25の厚さ(蛍光X線法で測定した金属ジルコニウム換算値)(nm)の関係を示す。
比較例1の電解用電極21の表面層25の厚さは熱酸化処理温度に係わらず40〜50nm程度であった。
FIG. 4 shows the relationship between the thermal oxidation treatment temperature and the thickness of the surface layer 25 of Comparative Example 1 (converted to metal zirconium measured by the fluorescent X-ray method) (nm).
The thickness of the surface layer 25 of the electrode 21 for electrolysis of Comparative Example 1 was about 40 to 50 nm regardless of the thermal oxidation treatment temperature.

図7は比較例1の電解用電極21の表面層25のX線回折パターンを示す。 比較例1の電解用電極21の表面層25は、熱酸化処理温度に係わらずX線回折において斜方晶の酸化ジルコニウム(111)面の回折ピークが検出されるとともに、ピーク強度の大きい単斜晶の酸化ジルコニウム(−111)面の回折ピークが検出されており、斜方晶の酸化ジルコニウムおよび結晶性の高い単斜晶の酸化ジルコニウムが混在して形成されていることがわかる。   FIG. 7 shows an X-ray diffraction pattern of the surface layer 25 of the electrode 21 for electrolysis of Comparative Example 1. In the surface layer 25 of the electrode 21 for electrolysis of Comparative Example 1, the diffraction peak of the orthorhombic zirconium oxide (111) surface is detected in X-ray diffraction regardless of the thermal oxidation treatment temperature, and the monoclinic layer having a large peak intensity is detected. The diffraction peak of the zirconium oxide (−111) plane of the crystal is detected, and it can be seen that orthorhombic zirconium oxide and monoclinic zirconium oxide having high crystallinity are mixed.

(比較例2)
中間層24が形成された基体22の表面に表面層25をスパッタ法により形成する際に、ターゲットをZrO2 に変更し、投入電力を100W、ガスとしてArを用い、ガス圧を5mTorrとして、室温で60分間成膜を行った以外は、実施例1と同様にして電解用電極21を形成した。
(Comparative Example 2)
When the surface layer 25 is formed on the surface of the substrate 22 on which the intermediate layer 24 is formed by sputtering, the target is changed to ZrO 2 , the input power is 100 W, the gas is Ar, the gas pressure is 5 mTorr, the room temperature The electrode for electrolysis 21 was formed in the same manner as in Example 1 except that film formation was performed for 60 minutes.

図4に熱酸化処理温度と比較例2の表面層25の厚さ(蛍光X線法で測定した金属ジルコニウム換算値)(nm)の関係を示す。
比較例2の電解用電極21の表面層25の厚さは熱酸化処理温度に係わらず30〜50nm程度であった。
FIG. 4 shows the relationship between the thermal oxidation treatment temperature and the thickness of the surface layer 25 of Comparative Example 2 (converted to metal zirconium measured by the fluorescent X-ray method) (nm).
The thickness of the surface layer 25 of the electrode 21 for electrolysis of Comparative Example 2 was about 30 to 50 nm regardless of the thermal oxidation treatment temperature.

図8は比較例2の電解用電極21の表面層25のX線回折パターンを示す。
比較例2の電解用電極21の表面層25は、熱酸化処理温度に係わらずX線回折においてピーク強度の小さい斜方晶の酸化ジルコニウム(111)面の回折ピークが検出されるとともに、ピーク強度の小さい(結晶性の悪い)単斜晶の酸化ジルコニウム(−111)面の回折ピークが検出されており、斜方晶の酸化ジルコニウムおよび結晶性の悪い単斜晶の酸化ジルコニウムが混在して形成されていることがわかる。
FIG. 8 shows an X-ray diffraction pattern of the surface layer 25 of the electrode 21 for electrolysis of Comparative Example 2.
The surface layer 25 of the electrode for electrolysis 21 of Comparative Example 2 detects a diffraction peak of the orthorhombic zirconium oxide (111) surface having a small peak intensity in X-ray diffraction regardless of the thermal oxidation treatment temperature, and the peak intensity. The diffraction peak of the monoclinic zirconium oxide (-111) plane with a small (poor crystallinity) is detected, and it is formed by mixing orthorhombic zirconium oxide and poorly crystalline monoclinic zirconium oxide. You can see that

(各電解用電極による電解方法およびその評価)
各電解用電極による電解方法およびその評価結果は、上記実施例1における電解装置10を用いて得られたものである。
実験条件については下記の通りである。
(実験条件)
電極サイズ:1.5cm×1.5cm
電流:22.5mA
電流密度:10mA/cm2
電解時間:2分
電解質:模擬水道水
回数:2回
前記のように本実施例では、各電解用電極によるオゾンの生成量は、上記条件にて2分間電解後の模擬水道水13のオゾン生成量をインディゴ法(HACH社製 DR30000)により測定し、通電された総電荷量に対する前記オゾン生成に寄与した電荷の割合、即ち、オゾン生成電流効率を算出して評価を行う。
(Electrolysis method using each electrode for electrolysis and its evaluation)
The electrolysis method using each electrode for electrolysis and the evaluation results thereof were obtained using the electrolysis apparatus 10 in Example 1 above.
The experimental conditions are as follows.
(Experimental conditions)
Electrode size: 1.5cm x 1.5cm
Current: 22.5 mA
Current density: 10 mA / cm 2
Electrolysis time: 2 minutes Electrolyte: Number of simulated tap water: 2 As described above, in this embodiment, the amount of ozone generated by each electrode for electrolysis is the ozone generation of simulated tap water 13 after electrolysis for 2 minutes under the above conditions. The amount is measured by the indigo method (DR30000 manufactured by HACH), and the ratio of the electric charge that contributes to the ozone generation with respect to the total electric charge amount, that is, the ozone generation current efficiency is calculated and evaluated.

図9に、実施例1、比較例1、2の各条件により作成された電解用電極21を用いた場合のオゾン生成電流効率(%)のZrO2 (−111)面の回折ピーク強度(cps)依存性を示す。 FIG. 9 shows the diffraction peak intensity (cps) of the ZrO 2 (−111) plane of the ozone generation current efficiency (%) when the electrode 21 for electrolysis prepared under the conditions of Example 1 and Comparative Examples 1 and 2 is used. ) Show dependency.

図9に(イ)で示した範囲は斜方晶の酸化ジルコニウムが存在せず、単斜晶の酸化ジルコニウムのみが存在する範囲を示すものであり、(ロ)で示した範囲は斜方晶の酸化ジルコニウムと単斜晶の酸化ジルコニウムが存在する範囲を示すものである。   The range shown by (a) in FIG. 9 shows the range where there is no orthorhombic zirconium oxide and only monoclinic zirconium oxide exists, and the range shown by (b) shows the orthorhombic crystal range. This shows the range in which zirconium oxide and monoclinic zirconium oxide exist.

実施例1の電解用電極21の表面層25は(イ)−1で示した範囲内にあり、即ち、斜方晶の酸化ジルコニウムが存在せず、ピーク強度が凡そ200(cps)以下であるピーク強度の小さい(結晶性の悪い)単斜晶の酸化ジルコニウムのみが存在する範囲内にあり、オゾン生成電流効率が約4〜5.5(%)と高いことが判る。   The surface layer 25 of the electrode 21 for electrolysis of Example 1 is in the range indicated by (A) -1, that is, there is no orthorhombic zirconium oxide and the peak intensity is about 200 (cps) or less. It can be seen that only the monoclinic zirconium oxide having a small peak intensity (poor crystallinity) is present, and the ozone generation current efficiency is as high as about 4 to 5.5 (%).

それに対して、(イ)−2示した範囲内にあり、即ち、斜方晶の酸化ジルコニウムが存在しないが、ピーク強度の大きい(結晶性のよい)単斜晶の酸化ジルコニウムのみが存在する範囲内にある表面層25を備えた、説明を省略した比較のための電解用電極21は、オゾン生成電流効率が約2〜3(%)と低いことが判る。   On the other hand, (b) -2 is within the range indicated, that is, there is no orthorhombic zirconium oxide, but only monoclinic zirconium oxide having a high peak intensity (good crystallinity) is present. It can be seen that the electrolysis electrode 21 provided with the inner surface layer 25 and omitted for explanation has a low ozone generation current efficiency of about 2 to 3 (%).

また比較例1、2の電解用電極21の表面層25は、斜方晶の酸化ジルコニウムと単斜晶の酸化ジルコニウムが存在する(ロ)で示した範囲内にあり、オゾン生成電流効率が約1〜3.5(%)と低いことが判る。   In addition, the surface layer 25 of the electrode 21 for electrolysis of Comparative Examples 1 and 2 is in the range indicated by (b) where orthorhombic zirconium oxide and monoclinic zirconium oxide exist, and the ozone generation current efficiency is about It can be seen that it is as low as 1 to 3.5 (%).

表面層が斜方晶の酸化ジルコニウムが存在せず、ピーク強度の小さい(結晶性の悪い)単斜晶の酸化ジルコニウムのみが存在する薄膜に形成されているため、表面層中の不純物準位を介して、或いは、Fowler−Nordheimトンネルにより電子が導電性材料にて構成される中間層にまで移動すると考えられる。
また、通常、金属電極を電解用電極として使用した場合、アノードにおける電極反応は、フェルミ準位直上の空の準位が電解質から電子を受け取ることにより、優先的に酸素生成反応を生起する。
これに対し、表面層が斜方晶の酸化ジルコニウムが存在せず、ピーク強度の小さい(結晶性の悪い)単斜晶の酸化ジルコニウムのみが存在する表面層を形成した電解用電極を使用した場合、前記の理由でオゾン生成反応がより効率的に生起する。そのため、より高いエネルギーレベルでの電子の移動が起こってオゾン生成反応を生起するためにオゾンの生成効率が上昇するものと考えられる。
これにより、電解用電極1に所定の低電流密度、0.1mA/cm2乃至2000mA/cm2、望ましくは、1mA/cm2乃至1000mA/cm2の電流が印加されることで、高効率にてオゾンを生成させることが可能となる。また、電解質溶液の温度が格別に低温とすることなく、本実施例の如く+20℃などのように常温である場合であっても、高効率にてオゾンを生成させることが可能となる。そのため、オゾン生成に要する消費電力量の低減を図ることが可能となる。
Since the surface layer is formed of a thin film containing only monoclinic zirconium oxide with low peak intensity (poor crystallinity) and no orthorhombic zirconium oxide, the impurity levels in the surface layer are reduced. It is considered that electrons move to an intermediate layer made of a conductive material through a Fowler-Nordheim tunnel.
In general, when a metal electrode is used as an electrode for electrolysis, an electrode reaction at the anode preferentially causes an oxygen generation reaction when an empty level immediately above the Fermi level receives electrons from the electrolyte.
In contrast, when an electrode for electrolysis is used in which the surface layer has a surface layer in which there is no orthorhombic zirconium oxide and only a monoclinic zirconium oxide having a low peak intensity (poor crystallinity) exists. For the reasons described above, the ozone generation reaction occurs more efficiently. For this reason, it is considered that the efficiency of ozone generation increases because electrons move at a higher energy level to cause an ozone generation reaction.
As a result, a predetermined low current density of 0.1 mA / cm 2 to 2000 mA / cm 2 , preferably 1 mA / cm 2 to 1000 mA / cm 2 is applied to the electrode 1 for electrolysis, thereby achieving high efficiency. It is possible to generate ozone. Further, ozone can be generated with high efficiency even when the temperature of the electrolyte solution is not so low as it is at room temperature such as + 20 ° C. as in this embodiment. Therefore, it is possible to reduce the power consumption required for ozone generation.

また、このように、高効率にてオゾン生成を実現することができる電極21の表面層25は、スパッタ法により形成可能とされるのみ成らず、スピンコート法によっても形成することができるため、より一層、生産性を向上させることができると共に、安価な製造コストにて電解用電極を製造することが可能となり、設備の低廉化を図ることが可能となる。   Further, in this way, the surface layer 25 of the electrode 21 that can realize ozone generation with high efficiency can be formed not only by the sputtering method but also by the spin coating method. Further, productivity can be improved, and an electrode for electrolysis can be manufactured at a low manufacturing cost, and the cost of the facility can be reduced.

更に、上述した如く各実施例では、シリコンにて構成される基体に、少なくとも難酸化性の金属、または、導電性を有する金属酸化物、若しくは、酸化しても導電性を有する金属のいずれかを含む中間層を形成し、更に前記中間層の表面に上述した如き表面層を構成することで電解用電極を形成しているため、効果的に電子が表面層内を移動することが可能となる。そのため、表面層の表面において、高いエネルギーレベルで電極反応を生起することができ、より低い電流密度において効率的にオゾンを生成することが可能となる。   Furthermore, as described above, in each of the embodiments, the base made of silicon is at least one of a hardly oxidizable metal, a metal oxide having conductivity, or a metal having conductivity even when oxidized. In addition, an electrode for electrolysis is formed by forming a surface layer as described above on the surface of the intermediate layer, so that electrons can effectively move in the surface layer. Become. Therefore, an electrode reaction can occur at a high energy level on the surface of the surface layer, and ozone can be efficiently generated at a lower current density.

なお、基体を中間層と同様の材料、即ち、少なくとも難酸化性の金属、または、導電性を有する金属酸化物、若しくは、酸化しても導電性を有する金属のいずれかを含む材料にて構成する場合には、格別に中間層を形成しなくても同様にオゾンを効率的に生成することができる電極を構成することができる。ただし、本発明の如く基体に上記材料にて構成される中間層を被覆形成することにより、同様に効率的にオゾンを生成することができる電極を低廉な生産コストにて実現することが可能となる。   The base is made of the same material as that of the intermediate layer, that is, a material containing at least a hardly oxidizable metal, a conductive metal oxide, or a metal that has conductivity even when oxidized. In this case, it is possible to configure an electrode that can generate ozone efficiently without forming an intermediate layer. However, by forming an intermediate layer composed of the above-mentioned material on the substrate as in the present invention, it is possible to realize an electrode that can generate ozone efficiently at a low production cost. Become.

また、上記各実施例において示される本願発明の電解用電極は、上記電解装置10に示されるものに限定されるものではなく、例えば、図10に示すような電解ユニット26のアノードとして用いてもよい。   In addition, the electrode for electrolysis of the present invention shown in each of the above embodiments is not limited to that shown in the electrolysis apparatus 10, and may be used as an anode of an electrolysis unit 26 as shown in FIG. Good.

即ち、図10に示す如き電解ユニット26は、アノードを構成する上記各実施例において示される電解用電極1または21と、上記カソードを構成する電極28と、陽イオン交換膜29とから構成される。   That is, the electrolysis unit 26 as shown in FIG. 10 is constituted by the electrode 1 or 21 for electrolysis shown in each of the above embodiments constituting the anode, the electrode 28 constituting the cathode, and the cation exchange membrane 29. .

電極1(または21。アノード)および電極28(カソード)は、それぞれ通水性を確保するための複数の通水孔27Aおよび28Aがそれぞれ形成されている。そして、これら電極1および28は、陽イオン交換膜(本実施例では、デュポン社製Nafion(商品名)を使用)29の両面に配設されて、電解ユニット26が構成される。   The electrode 1 (or 21. anode) and the electrode 28 (cathode) are each formed with a plurality of water passage holes 27A and 28A for ensuring water permeability. These electrodes 1 and 28 are arranged on both surfaces of a cation exchange membrane (in this embodiment, Nafion (trade name) manufactured by DuPont) 29 to constitute an electrolysis unit 26.

係る構成により、電解質溶液を貯留した処理槽内に前記電解ユニット26を浸漬し、両電極1、28間に所定電流密度の定電流を印加する。これにより、電極1と、陽イオン交換膜29と電極28との間に適切なゼロギャップを維持し、陽イオン交換膜29をプロトンが移動することで、電解質溶液が純水であっても、効率的にオゾンを生成することが可能となる。また、通水孔27A、28Aより生成される気体の通過を許容することで、安定したオゾン生成を実現することが可能となる。   With such a configuration, the electrolysis unit 26 is immersed in a treatment tank in which an electrolyte solution is stored, and a constant current having a predetermined current density is applied between the electrodes 1 and 28. Thereby, an appropriate zero gap is maintained between the electrode 1, the cation exchange membrane 29 and the electrode 28, and protons move through the cation exchange membrane 29, so that even if the electrolyte solution is pure water, It becomes possible to generate ozone efficiently. In addition, by allowing the gas generated from the water holes 27A and 28A to pass therethrough, it is possible to realize stable ozone generation.

本発明の電解用電極は、基体と、前記基体の表面に構成された表面層を備えて成る電解用電極であって、
前記表面層は、X線回折において単斜晶の酸化ジルコニウム(−111)面の回折ピークが検出されるとともに、斜方晶の酸化ジルコニウム(111)面の回折ピークが検出されないことを特徴とするものであり、
熱酸化処理温度による結晶性の変化が小さく、地球上に比較的多量に存在し安価であるジルコニウムを利用して、前記電極をアノードとして使用して低電流密度による電解質溶液の電気分解により安定して確実に長期間にわたり効率的にオゾンを生成することができるので信頼性が高く、特に、従来の如く電解質溶液の温度を格別に低温とすることなく、且つ、高電流密度を必要としないため、オゾン生成に要する消費電力量の低減を図ることが可能となるという顕著な効果を奏する。
そして本発明の電解ユニットは、本発明の電解用電極により通水性を有したアノードが構成され、前記アノードと通水性を有したカソードが陽イオン交換膜の両面に配設されていることを特徴とするものであり、陽イオン交換膜をプロトンが移動することで、電解質溶液が純水であっても、効率的にオゾンを生成することが可能となるという顕著な効果を奏するという顕著な効果を奏するので、産業上の利用価値が甚だ大きい。
The electrode for electrolysis of the present invention is an electrode for electrolysis comprising a substrate and a surface layer formed on the surface of the substrate,
The surface layer is characterized in that a diffraction peak of a monoclinic zirconium oxide (-111) plane is detected by X-ray diffraction, and a diffraction peak of an orthorhombic zirconium oxide (111) plane is not detected. Is,
The change in crystallinity due to thermal oxidation treatment temperature is small, and it is stable by electrolysis of electrolyte solution with low current density by using zirconium, which is relatively inexpensive and exists on the earth and is inexpensive. It is reliable because it can generate ozone efficiently over a long period of time, especially because it does not require a particularly low electrolyte solution temperature and does not require high current density. Thus, a remarkable effect is achieved that it is possible to reduce the power consumption required for ozone generation.
In the electrolysis unit of the present invention, an anode having water permeability is constituted by the electrode for electrolysis of the present invention, and the anode and the cathode having water permeability are arranged on both surfaces of the cation exchange membrane. The remarkable effect is that the proton moves through the cation exchange membrane, so that even if the electrolyte solution is pure water, ozone can be generated efficiently. Therefore, the industrial utility value is very large.

本発明の電解用電極の平断面図である。It is a plane sectional view of the electrode for electrolysis of the present invention. 本発明の電解用電極の製造方法のフローチャートである(実施例1)。It is a flowchart of the manufacturing method of the electrode for electrolysis of this invention (Example 1). 本発明の電解用電極の平断面図である(実施例1)。It is a plane sectional view of the electrode for electrolysis of the present invention (Example 1). 蛍光X線法による膜厚評価結果(金属Zr換算)の熱酸化処理温度依存性を示すグラフである。It is a graph which shows the thermal oxidation processing temperature dependence of the film thickness evaluation result (metal Zr conversion) by a fluorescent X ray method. X線回折パターンの酸化処理温度依存性(Zr/Ar+O2 )(実施例1)を示すグラフである。Oxidation temperature dependence (Zr / Ar + O 2) ( Example 1) of X-ray diffraction pattern is a graph showing a. 本発明の電解装置の概略説明図である。It is a schematic explanatory drawing of the electrolyzer of this invention. X線回折パターンの酸化処理温度依存性(Zr/Ar)(比較例1)を示すグラフである。It is a graph which shows the oxidation process temperature dependence (Zr / Ar) (comparative example 1) of a X-ray-diffraction pattern. X線回折パターンの酸化処理温度依存性(ZrO2 /Ar)(比較例2)を示すグラフである。Oxidation treatment temperature dependence of the X-ray diffraction pattern (ZrO 2 / Ar) (Comparative Example 2) is a graph showing a. 各条件により作成された電解用電極を用いた場合のオゾン生成電流効率とZrO2 (−111)のピーク強度の関係を示す図である(実施例1、比較例1、2など)。Is a diagram showing the relationship between the peak intensity of the ozone generating current efficiency and ZrO 2 in the case of using the electrode for electrolysis created by the conditions (-111) (Example 1, such as Comparative Examples 1 and 2). 本発明の電解用電極を適用した電解ユニットの概略説明図である。It is a schematic explanatory drawing of the electrolysis unit to which the electrode for electrolysis of the present invention is applied.

符号の説明Explanation of symbols

1、21 電解用電極(アノード)
2、22 基体
3、23 密着層
4、24 中間層
5、25 表面層
10 電解装置
11 処理槽
12、28 電極(カソード)
13 模擬水道水
14、29 陽イオン交換膜
15 電源
26 電解ユニット
27A、28A 通水孔
1,21 Electrode for electrolysis (anode)
2, 22 Substrate 3, 23 Adhesion layer 4, 24 Intermediate layer 5, 25 Surface layer 10 Electrolyzer 11 Treatment tank 12, 28 Electrode (cathode)
13 Simulated tap water 14, 29 Cation exchange membrane 15 Power supply 26 Electrolytic unit 27A, 28A Water passage hole

Claims (4)

基体と、前記基体の表面に構成された表面層を備えて成る電解用電極であって、
前記表面層は、X線回折において単斜晶の酸化ジルコニウム(−111)面の回折ピークが検出されるとともに、斜方晶の酸化ジルコニウム(111)面の回折ピークが検出されないことを特徴とする電解用電極。
An electrode for electrolysis comprising a substrate and a surface layer formed on the surface of the substrate,
The surface layer is characterized in that a diffraction peak of a monoclinic zirconium oxide (-111) plane is detected by X-ray diffraction, and a diffraction peak of an orthorhombic zirconium oxide (111) plane is not detected. Electrode for electrolysis.
X線回折において単斜晶の酸化ジルコニウム(−111)面の回折ピークのピーク強度が200(cps)以下であることを特徴とする請求項1記載の電解用電極。   The electrode for electrolysis according to claim 1, wherein the peak intensity of a diffraction peak of a monoclinic zirconium oxide (-111) surface in X-ray diffraction is 200 (cps) or less. 前記基体には、前記表面層の内側に位置して、前記基体の表面に、難酸化性の金属で中間層が形成されることを特徴とする請求項1あるいは請求項2記載の電解用電極。   3. The electrode for electrolysis according to claim 1, wherein an intermediate layer is formed on the surface of the substrate on the surface of the substrate with a non-oxidizing metal on the surface of the substrate. . 請求項1から請求項3のいずれかに記載の電解用電極により通水性を有したアノードが構成され、前記アノードと通水性を有したカソードが陽イオン交換膜の両面に配設されていることを特徴とする電解ユニット。   An anode having water permeability is constituted by the electrode for electrolysis according to any one of claims 1 to 3, and the anode and the cathode having water permeability are disposed on both surfaces of a cation exchange membrane. Electrolytic unit characterized by
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