JP2919169B2 - 酸素発生用電極およびその製造方法 - Google Patents
酸素発生用電極およびその製造方法Info
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Description
と、その製造方法とに関するものである。さらに、詳し
くいえば、本発明は、所望の水溶液を電解して、陽極で
酸素を発生させる反応に好適に用いられる、優れた耐久
性と低い酸素過電圧とを有する酸素発生用電極と、これ
を製造するための方法に関するものである。
の上に白金族金属やその酸化物の被覆層を設けた金属電
極が、種々の電解工業の分野において使用されている。
例えば、チタン基板上に、ルテニウムとチタンの酸化物
や、ルテニウムとスズの酸化物の被覆を施した電極が食
塩電解による酸素発生用陽極として知られている(特公
昭46−21884号、特公昭48−3954号公報、
特公昭50−11330号公報)。
塩電解の場合のように塩素発生を伴う電解のほかに、
酸、アルカリあるいは塩の回収、銅、亜鉛などの金属の
採取、めっき、陰極防食など酸素発生を伴う場合があ
る。
に、塩素発生用として慣用されている電極、例えば前記
のチタン基板上に、ルテニウムとチタンの酸化物やルテ
ニウムとスズの酸化物の被覆を施した電極を用いると、
短期間で腐食し、電解が不能になる。このため、特に酸
素発生用として構成された電極が用いられている。この
ような電極としては、酸化イリジウム−白金系電極、酸
化イリジウム−酸化スズ系電極、白金めっきチタン電極
などが知られているが、最も一般的に使用されているの
は鉛系電極や可溶性亜鉛陽極である。
の使用目的によっては種々のトラブルを生じ、必ずしも
適当なものとはいえない。例えば亜鉛めっき用の陽極と
して可溶性亜鉛陽極を用いると、陽極の溶解が著しいの
で極間距離の調節を頻繁に行わなければならないし、ま
た鉛系の不溶性陽極を用いると、電解液中に混入した鉛
の影響によりめっき不良を生じる。また、白金めっきチ
タン電極は、100A/dm2 以上の高電流密度で、いわゆ
る高速亜鉛めっきを行う場合には、消耗が激しく使用す
ることができない。
て、なんら障害を伴わずに、広い分野に普遍的に適用で
きる電極の開発が、電極製造技術における重要な課題の
1つになっている。
極を陽極として、酸素発生を伴う電解を行うと、基板と
被覆層との間に酸化チタン層を生じ、次第に陽極電位が
高くなり、ついには被覆層が剥離して陽極が不働態化す
ることがしばしばみられる。このため、このような中間
に形成される酸化チタンの生成を抑制し、陽極の不働態
化を防止し、電気抵抗の上昇を防止するために、各種金
属酸化物を適当な中間層として設けることが行われてい
る(特公昭60−21232号公報、特公昭60−22
075号公報、特開昭57−116786号公報、特開
昭60−184690号公報など。)
中間層は、一般に被覆層よりも導電性が低いため、高電
流密度で電解を行う場合には、期待するほどの効果が得
られないのが実状である。また、卑金属酸化物に白金を
分散させた中間層を設けること(特開昭60−1846
91号公報)や、バルブ金属酸化物と貴金属からなる中
間層を設けること(特開昭57−73193号公報)も
提案されているが、白金はそれ自体耐食性が低いため、
中間層としての効果が不十分であるし、またバルブ金属
酸化物を混合する場合には、その種類や配合量におのず
から制約があり、所期の効果を奏することが困難であ
る。
ジウムと酸化タンタルを含む中間層を介して二酸化鉛被
覆を施した電極も知られているが(特開昭56−123
388号公報、特開昭56−123389号公報)、こ
の中間層は単に金属基体と二酸化鉛被覆との間の密着性
を改善し、ピンホールなどに起因する腐食を防止する効
果があるだけで、これを酸素発生を伴う電解に用いた場
合、酸化チタンの生成抑制の効果が不十分な上に、電解
液中に鉛が混入するのを避けられないという欠点があ
る。
ウムと酸化タンタルを中間層として、上地層に酸化イリ
ジウムを施した電極(特開昭63−235493号公
報)や、上地層に酸化イリジウム量を増大した酸化イリ
ジウム−酸化タンタル電極(特開平2−61083号公
報、特開平3−193889号公報)も提案されてい
る。しかし、このものは上地層の酸化イリジウムが酸化
イリジウムと酸化タンタルからなる中間層よりも酸素過
電圧が高いため、電力ロスを生じる上に、電解後の酸素
過電圧の経時変化や電極寿命の点で満足できず、しかも
電解後に密着強度が低下するという欠点がある。
イリジウムと酸化タンタルと白金を含むものが知られて
いる(特開平1−301876号公報)。しかし、この
ものでも、下地層にイリジウムや白金を用いる必要があ
るためコスト高になるのを免れない上に、寿命や経時劣
化の点においても、酸化イリジウムと酸化タンタルを含
む電極以上に長くすることはできない。また電解後の密
着強度の点でも不十分である。
と酸化イリジウムあるいは卑金属酸化物とを設け、外層
に酸化イリジウムあるいは白金とバルブ金属の酸化物と
を設けた電極も知られている(特開平2−190491
号公報、特開平2−200790号公報、特開昭59−
150091号公報など)。しかし、この電極は中間層
がコスト的も高く、予想以上の耐久性が期待できない。
属の酸化物との中間層と、この中間層上に、白金または
二酸化鉛層からなる電極も知られている(特開平2−2
94494号公報)が、酸素過電圧も高く、寿命も不十
分である。
チタン等の導電性基板上に、酸化イリジウムを主体とす
る被覆を有する電極において、中間に酸化チタンが生成
するのを効果的に抑制し、酸素発生を伴う電解に用いた
場合に、長期間に亘って、なんの支障もなく使用するこ
とができ、しかも高電流密度での電解においても低い陽
極電位を示す電極を提供することである。
久性を有し、長期間にわたって使用可能な酸素発生用電
極を開発するために種々研究を重ねた結果、チタンのよ
うな導電性基体上の酸化タンタル被覆層に白金金属を特
定割合添加することにより電気抵抗を低下させうる上
に、電極の消耗劣化を抑制しうることを見出した。ま
た、この白金金属の添加された被覆層の上にさらに酸化
イリジウム−酸化タンタル層を設けることにより電気抵
抗の増大を伴うことなく中間被覆層部における劣化を抑
制しうることを見出し、これらの知見に基づいて本発明
をなすに至った。
発明により達成される。 (1) 導電性基体上に、金属換算で白金1〜20モル
%およびタンタル80〜99モル%を含有する白金金属
と酸化タンタルとの下地層を有し、この下地層を介し
て、金属換算でイリジウム80〜99.9モル%および
タンタル20〜0.1モル%を含有する酸化イリジウム
と酸化タンタルとの上地層を設けた酸素発生用電極。
1〜20モル%およびタンタル80〜99モル%を含有
する白金金属と酸化タンタルとの第1層を設け、この第
1層を介して、金属換算でイリジウム80〜99.9モ
ル%およびタンタル20〜0.1モル%を含有する酸化
イリジウムと酸化タンタルとの第2層を設け、さらにそ
の上に金属換算でイリジウム40〜79.9モル%およ
びタンタル60〜20.1モル%を含有する酸化イリジ
ウムと酸化タンタルとの第3層を設けた酸素発生用電
極。
1〜20モル%およびタンタル80〜99モル%を含有
する白金金属と酸化タンタルとの第1層を設け、この第
1層を介して金属換算でイリジウム80〜99.9モル
%およびタンタル20〜0.1モル%を含有する酸化イ
リジウムと酸化タンタルとの第2層を設け、さらにその
上に金属換算でイリジウム40〜79.9モル%および
タンタル60〜20.1モル%を含有する酸化イリジウ
ムと酸化タンタルとの第3層を設け、さらにその上に前
記第2層および第3層を積層したユニットを少なくとも
一単位以上設けた酸素発生用電極。
とタンタル化合物とを含有する溶液を塗布した後、酸化
性雰囲気中で熱処理して、金属換算で白金1〜20モル
%およびタンタル80〜99モル%を含有する白金金属
と酸化タンタルとの第1層を形成し、次いで、この上に
イリジウム化合物およびタンタル化合物を含有する溶液
を塗布した後、酸化性雰囲気中で熱処理して、金属換算
でイリジウム80〜99.9モル%およびタンタル20
〜0.1モル%を含有する酸化イリジウムと酸化タンタ
ルとの第2層を形成する酸素発生用電極の製造方法。
とタンタル化合物とを含有する溶液を塗布した後、酸化
性雰囲気中で熱処理して、金属換算で白金1〜20モル
%およびタンタル80〜99モル%を含有する白金金属
と酸化タンタルとの第1層を形成し、次いで、この上に
イリジウム化合物およびタンタル化合物を含有する溶液
を塗布した後、酸化性雰囲気中で熱処理して、金属換算
でイリジウム80〜99.9モル%およびタンタル20
〜0.1モル%を含有する酸化イリジウムと酸化タンタ
ルとの第2層を設け、さらに、この上にイリジウム化合
物およびタンタル化合物を含有する溶液を塗布した後、
酸化性雰囲気中で熱処理して、金属換算でイリジウム4
0〜79.9モル%およびタンタル60〜20.1モル
%を含有する酸化イリジウムと酸化タンタルとの第3層
を形成する酸素発生用電極の製造方法。
とタンタル化合物とを含有する溶液を塗布した後、酸化
性雰囲気中で熱処理して、金属換算で白金1〜20モル
%およびタンタル80〜99モル%を含有する白金金属
と酸化タンタルとの第1層を形成し、次いで、この上に
イリジウム化合物およびタンタル化合物を含有する溶液
を塗布した後、酸化性雰囲気中で熱処理して、金属換算
でイリジウム80〜99.9モル%およびタンタル20
〜0.1モル%を含有する酸化イリジウムと酸化タンタ
ルとの第2層を設け、さらに、この上にイリジウム化合
物およびタンタル化合物を含有する溶液を塗布した後、
酸化性雰囲気中で熱処理して、金属換算でイリジウム4
0〜79.9モル%およびタンタル60〜20.1モル
%を含有する酸化イリジウムと酸化タンタルとの第3層
を形成し、さらにこの上に、前記第2層および第3層を
交互に少なくとも1層ずつ形成する酸素発生用電極の製
造方法。
に説明する。本発明の電極に用いられる導電性基板とし
ては、例えばチタン、タンタル、ジルコニウム、ニオブ
などのバルブ金属またはこれらのバルブ金属の中から選
ばれた2種以上の金属の合金が挙げられる。
基体上に、下地層として、白金金属および酸化タンタル
からなる層が設けられている。そして、この下地層の白
金金属およびタンタルの割合は、金属換算で、白金が1
〜20モル%およびタンタルが80〜99モル%の範囲
にあることが必要である。この範囲内においては、白金
の割合が少ない方の領域で良好な結果が得られ、白金が
多すぎるとコスト高を招く上、上地層と導電性基体との
密着強度を高める効果が十分に発揮されない。また、白
金が少なすぎると、下地膜の膜抵抗低下を招き、酸素通
電圧の上昇を招くことになる。
おいて、下地層中の白金金属を金属換算で0.1〜3mg
/cm2の割合となるように施すのが好ましい。なお、白金
はいわゆるスピルオーバーした状態で層中に含有され、
X線回折におけるピークは生じないか、ブロードな状態
で生じる。
イリジウムおよび酸化タンタルからなる上地層が被覆さ
れて設けられる。この上地被覆層の金属換算のイリジウ
ムおよびタンタルの割合は、イリジウムが80〜99.
9モル%、タンタルが20〜0.1モル%の範囲にある
ことが必要である。この範囲内においては、酸化イリジ
ウムの割合が多い方が良好な結果が得られるが、あまり
多すぎると密着強度が低下し十分な効果が発揮されな
い。また、酸化イリジウムが少なすぎると、過電圧の増
加を招く。
ウムをイリジウム換算で0.01〜7mg/cm2の割合で施
すのが好ましい。この被覆層がイリジウム換算で0.0
1mg/cm2未満では電解時の電極消耗量が多く、耐久性が
低下するし、また7mg/cm2を超えると密着強度が低下す
る。
の良好な実施態様を説明すると、導電性基体上に、白金
化合物およびタンタル化合物を含有する溶液を塗布した
後、酸化性雰囲気中で熱処理して、金属換算で白金1〜
20モル%およびタンタル80〜99モル%を含有す
る、白金金属および酸化タンタルからなる被覆層を設け
る。
白金金属になる化合物、例えば塩化白金酸(H2 PtC
l6 ・6H2 O)、塩化白金などの白金化合物と、熱分
解によって酸化タンタルになる化合物、例えば塩化タン
タルのようなハロゲン化タンタルやエトキシタンタルの
ようなタンタルアルコキシドなどのタンタル化合物と
を、所定の割合で適当な溶媒に溶解することによって調
整することができる。
塗布液を導電性基体上に塗布し、乾燥した後、酸素の存
在下に、一般に0.05気圧以上の酸素分圧で、好まし
くは400〜550℃の範囲の温度において焼成するこ
とによって行われる。この操作は必要な担持量になるま
で複数回繰り返される。
得られるが、本発明においては、さらにこの上にイリジ
ウム化合物およびタンタル化合物を含有する溶液を塗布
した後、酸化性雰囲気中で熱処理して金属換算でイリジ
ウム80〜99.9モル%およびタンタル20〜0.1
モル%を含有する酸化イリジウムおよび酸化タンタルか
らなる上地被覆層を形成させる。この際使用する塗布液
は、熱分解によって酸化イリジウムになる化合物、例え
ば塩化イリジウム酸(H2 IrCl6 ・6H2O)塩化
イリジウムなどのイリジウム化合物と、熱分解によって
酸化タンタルになる化合物例えば塩化タンタルのような
ハロゲン化タンタルやエトキシタンタルのようなタンタ
ルアルコキシドなどのタンタル化合物を所定の割合で適
当な溶媒に溶解することによって調整することができ
る。
塗布液を下地層の上に塗布し、乾燥したのち、酸素の存
在下好ましくは400〜550℃の範囲の温度におい
て、焼成することによって行われる。この操作は必要な
担持量に達するまで複数回繰り返される。このようにし
て、下地層の上に所望の担持量を有する酸化イリジウム
−酸化タンタル上地層が施され、本発明の電極が得られ
る。
を形成するための熱処理を酸化性雰囲気中で行わない場
合には、酸化が不十分になり、金属が遊離状態で存在す
るので得られる電極の耐久性が低下する。
上地層を第1層および第2層として、この上にさらに酸
化イリジウム−酸化タンタルの第3層を設けることがで
きる。第3層の組成は、金属換算で、イリジウム40〜
79.9モル%、タンタル60〜20.1モル%であ
る。この第3層により、より一層の密着強度ならびに電
解中の機械的強度が向上する。
すぎると、電解中の機械的強度が低下することとなり、
また、少なすぎると、過電圧の増加を招くことになる。
なお、この第3層の設層法は前記と全く同様である。
ジウム換算で0.01〜7mg/cm2が好ましい。少なすぎ
ると密着強度の低下を招きまた、多すぎると、密着強度
が低下することとなる。
1層上に交互に複数積層してもよい。ただし、第3層を
最上層に存在させると、その効果が発揮されるので、第
2層と第3層との積層ユニットを2単位以上、特に2〜
10単位設けることが好ましい。このように第2層と第
3層とのユニットを積層することにより、電解中の機械
的強度が向上する。なお、このように、第2層と第3層
とのユニットを積層する際に、その担持量は、第2層お
よび第3層の総計が上記のとおりとなるようにすればよ
い。さらに、第1層、第2層、第3層中にはルテニウ
ム、パラジウム、ロジウム、オスミウムなどの白金族金
属や、これらの白金族酸化物、あるいはチタン、ニオ
ブ、ジリコンニウムなどのバルブ金属酸化物や酸化スズ
等が10重量%以下含有されてもよい。
するが、本発明はこれらの例によってなんら限定される
ものではない。
化イリジウムと酸化タンタルあるいは酸化イリジウム
と、白金金属と酸化タンタルとが所定の組成比に相当す
るような所定の割合で、塩化白金酸(H2 PtCl6 ・
6H2 O)とタンタルエトキシド[Ta(OC2 H5 )
5 ]、塩化イリジウム酸(H2 IrCl6・6H2 O)
とタンタルエトキシド[Ta(OC2 H5 )5 ]、ある
いは塩化イリジウム酸(H2 IrCl6 ・6H2 O)と
塩化白金酸(H2 PtCl6 ・6H2 O)とタンタルエ
トキシド[Ta(OC2 H5 )5 ]をブタノールに溶解
して白金/タンタルの組成比、イリジウム/タンタルの
組成比、または白金/イリジウム/タンタルの組成比を
変化させた金属換算濃度80g/l の下地または上地用塗
布液を調整した。
基体上に、前記下地用塗布液を刷毛で塗布し、乾燥した
後、電気炉に入れて空気を吹き込みながら500℃で焼
き付けた。この塗布、乾燥、焼き付けの操作を適当な回
数所定の担持量になるまで繰り返して、酸化イリジウム
と酸化タンタル等の表1に示される各種被覆下地層を作
製した。なお、下地層の白金担持量は0.3〜0.7mg
/cm2とし、その他の白金を含まない下地層でも同等の金
属担持量とした。
刷毛で塗布し、乾燥した後、電気炉に入れて空気を吹き
込みながら500℃で焼き付けた。この塗布、乾燥、焼
き付けの操作を適当な回数所定の担持量になるまで繰り
返して、下地層の上に酸化イリジウムと酸化タンタルの
上地層が被覆した電極試料を作製した。上地層のイリジ
ウムの担持量は1.3〜1.7mg/cm2とした。
電圧を測定した。測定方法は電位走査法により、30
℃、1モル/l硫酸水溶液中で電流密度20A/dm2 にお
ける値を求めた。その結果を表1に示す。
l硫酸水溶液中で寿命試験を行った。この電極を陽極と
して陰極には白金を用い、電流密度200A/dm2 で電解
を行った。その結果も第1表に示した。
命試験を1000時間まで行い、試験を一時中断して上
記の酸素過電圧の測定法により1000時間経過後の酸
素過電圧を求め、その値と初期値との差を求めて評価を
行った。
地層を設けた電極の効果を明らかにするため電解中の電
極の機械的強度を試験した。試験方法は、上記寿命試験
を1000時間まで行い、その後超音波による振動剥離
試験を5分間行い、振動剥離試験前後の膜厚を蛍光X線
分析により測定し、減量を求め評価を行った。
上、△:1000〜2000時間、×:1000時間以
下で表示してあり、電解可能時間を示している。
V 以下、△:0.3〜0.7V 、×:0.7V 以上の過
電圧の上昇で示している。
△:5〜10%、×:10%以上の超音波減量で表示し
ている。
2層、第3層をこの順で有する電極を作製した。結果を
表2に示す。なお、実施例21〜25において、第1層
の白金担持量は0.3〜0.7mg/cm2、第2層のイリジ
ウム担持量は1.2〜1.6mg/cm2、第3層のイリジウ
ム担持量は0.3〜0.7mg/cm2とし、比較例もこれら
と同等ないし、これに準じるものとした。
ィングパターンで被覆を形成した。結果を表3に示す。
なお、Aの被覆層の白金担持量は、実施例31〜37で
0.3〜0.7mg/cm2、比較例31で0.8〜1.2mg
/cm2、Bの被覆層のイリジウム担持量は、実施例31〜
37で1.2〜1.6mg/cm2、比較例31で0.7〜
1.1mg/cm2、Cの被覆層のイリジウム担持量は、実施
例31、32で0.5〜0.9mg/cm2、実施例33〜3
7で0.6〜1.0mg/cm2、比較例31で1.0〜1.
4mg/cm2とした。
電極は低い酸素過電圧を示し、しかも酸素過電圧の経時
変化も小さく、機械的密着強度も強く著しく長い寿命を
有する。
おいて陽極として使用する場合、低い槽電圧で長期間の
使用に耐える上、100A/dm2 以上の高電流密度で電解
を行っても、耐久性に優れ、機械的強度も高く、長期間
の使用が可能である。また、酸素過電圧の経時変化も少
ない。このようにして、本発明の電極は、酸素発生用電
極として、好適である。
Claims (6)
- 【請求項1】 導電性基体上に、金属換算で白金1〜2
0モル%およびタンタル80〜99モル%を含有する白
金金属と酸化タンタルとの下地層を有し、この下地層を
介して、金属換算でイリジウム80〜99.9モル%お
よびタンタル20〜0.1モル%を含有する酸化イリジ
ウムと酸化タンタルとの上地層を設けた酸素発生用電
極。 - 【請求項2】 導電性基体上に、金属換算で白金1〜2
0モル%およびタンタル80〜99モル%を含有する白
金金属と酸化タンタルとの第1層を設け、この第1層を
介して、金属換算でイリジウム80〜99.9モル%お
よびタンタル20〜0.1モル%を含有する酸化イリジ
ウムと酸化タンタルとの第2層を設け、さらにその上に
金属換算でイリジウム40〜79.9モル%およびタン
タル60〜20.1モル%を含有する酸化イリジウムと
酸化タンタルとの第3層を設けた酸素発生用電極。 - 【請求項3】 導電性基体上に、金属換算で白金1〜2
0モル%およびタンタル80〜99モル%を含有する白
金金属と酸化タンタルとの第1層を設け、この第1層を
介して金属換算でイリジウム80〜99.9モル%およ
びタンタル20〜0.1モル%を含有する酸化イリジウ
ムと酸化タンタルとの第2層を設け、さらにその上に金
属換算でイリジウム40〜79.9モル%およびタンタ
ル60〜20.1モル%を含有する酸化イリジウムと酸
化タンタルとの第3層を設け、さらにその上に前記第2
層および第3層を積層したユニットを少なくとも一単位
以上設けた酸素発生用電極。 - 【請求項4】 導電性基体上に、まず白金化合物とタン
タル化合物とを含有する溶液を塗布した後、酸化性雰囲
気中で熱処理して、金属換算で白金1〜20モル%およ
びタンタル80〜99モル%を含有する白金金属と酸化
タンタルとの第1層を形成し、 次いで、この上にイリジウム化合物およびタンタル化合
物を含有する溶液を塗布した後、酸化性雰囲気中で熱処
理して、金属換算でイリジウム80〜99.9モル%お
よびタンタル20〜0.1モル%を含有する酸化イリジ
ウムと酸化タンタルとの第2層を形成する酸素発生用電
極の製造方法。 - 【請求項5】 導電性基体上に、まず白金化合物とタン
タル化合物とを含有する溶液を塗布した後、酸化性雰囲
気中で熱処理して、金属換算で白金1〜20モル%およ
びタンタル80〜99モル%を含有する白金金属と酸化
タンタルとの第1層を形成し、 次いで、この上にイリジウム化合物およびタンタル化合
物を含有する溶液を塗布した後、酸化性雰囲気中で熱処
理して、金属換算でイリジウム80〜99.9モル%お
よびタンタル20〜0.1モル%を含有する酸化イリジ
ウムと酸化タンタルとの第2層を設け、 さらに、この上にイリジウム化合物およびタンタル化合
物を含有する溶液を塗布した後、酸化性雰囲気中で熱処
理して、金属換算でイリジウム40〜79.9モル%お
よびタンタル60〜20.1モル%を含有する酸化イリ
ジウムと酸化タンタルとの第3層を形成する酸素発生用
電極の製造方法。 - 【請求項6】 導電性基体上に、まず白金化合物とタン
タル化合物とを含有する溶液を塗布した後、酸化性雰囲
気中で熱処理して、金属換算で白金1〜20モル%およ
びタンタル80〜99モル%を含有する白金金属と酸化
タンタルとの第1層を形成し、 次いで、この上にイリジウム化合物およびタンタル化合
物を含有する溶液を塗布した後、酸化性雰囲気中で熱処
理して、金属換算でイリジウム80〜99.9モル%お
よびタンタル20〜0.1モル%を含有する酸化イリジ
ウムと酸化タンタルとの第2層を設け、 さらに、この上にイリジウム化合物およびタンタル化合
物を含有する溶液を塗布した後、酸化性雰囲気中で熱処
理して、金属換算でイリジウム40〜79.9モル%お
よびタンタル60〜20.1モル%を含有する酸化イリ
ジウムと酸化タンタルとの第3層を形成し、 さらにこの上に、前記第2層および第3層を交互に少な
くとも1層ずつ形成する酸素発生用電極の製造方法。
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