JP7168729B1 - 工業用電解プロセス用電極 - Google Patents
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Abstract
【課題】高い耐久性を有し、製造コストがより低い電極及びその製造方法を提供することを目的とする。【解決手段】バルブ金属基材上に、チタン成分及びタンタル成分を含有する合金を含む中間層を介して混合金属酸化物を含有するコーティングを備えた、電極であって、前記混合金属酸化物における金属元素のモル比が、イリジウム元素及びルテニウム元素の合計３５～４８％、スズ元素４５～６０％及びタンタル元素３～９％であり、前記混合金属酸化物におけるイリジウム元素及びルテニウム元素の合計に対するイリジウム元素のモル比が、３２％以上６０％以下である、電極とする。【選択図】なし
Description
本発明は、電解採取、電気めっきなどの工業用電解プロセスにおける酸素発生用電極及びその製造方法に関する。
チタンを代表とする耐食性金属を基体とし、白金族金属酸化物を含む混合金属酸化物を被覆した電極は、優れた不溶性電極として知られ、種々の電気化学の分野、特に酸素発生用電極として広く工業的に実用化されている。この種の電極に関して電気化学的特性の改良と共に耐久性等の物理的特性の改良が種々なされているが、未だ十分とはいえない。特に、電解液に硫酸やその塩を含むような溶液中で電解する場合の主として酸素発生反応を行うための電極は極めて厳しい環境下に置かれ、電極寿命が短くなる問題がある。さらに、近年の電気化学工業の進展は製品特性や生産性等の向上の強い要求があり、電解液の多様化、電流密度や電解温度の上昇等、電解条件がより過酷となり、使用される電極の耐久性等のより一層の向上が望まれている。
そこで、酸素発生反応に触媒作用を及ぼすのに適した組成物として、例えばイリジウム及びスズの酸化物の混合物からなる組成物を用いた電極が提案されている（特許文献１）。このような電極は、耐久性の点で優れているが、イリジウム酸化物を多く含むことから、材料であるイリジウムの高騰により、製造コストが高くなってきている。
イリジウム酸化物の代替物質の候補として、イリジウムと同じ白金族金属の酸化物が考えられていた。しかしながら、ルテニウム酸化物（ＲｕＯ２）は、高い電流密度における安定性がイリジウムよりも低いことが知られており（非特許文献１）、高電流密度用途ではイリジウム酸化物の代替物質としては適さないと考えられていた。
Characterization of DSA-type O2 evolving electrodes Journal of Applied Electrochemistry, 1991，21，p335－345
本発明は、高い耐久性を有し、製造コストがより低い電極及びその製造方法を提供することを目的とする。
本発明者は、種々の研究を行った結果、イリジウム酸化物の一部をルテニウム酸化物に替えることにより、高い耐久性を維持しつつ、製造コストを抑制できるとの知見を得て、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明は、以下に関するものである。
［１］バルブ金属基材上に、チタン成分及びタンタル成分を含有する合金を含む中間層を介して混合金属酸化物を含有するコーティングを備えた、電極であって、前記混合金属酸化物における金属元素のモル比が、イリジウム元素及びルテニウム元素の合計３５～４８％、スズ元素４５～６０％及びタンタル元素３～９％であり、前記混合金属酸化物におけるイリジウム元素及びルテニウム元素の合計に対するイリジウム元素のモル比が、３２％以上６０％以下である、電極。
［２］前記混合金属酸化物における金属元素のモル比が、イリジウム元素１２～２５％、ルテニウム元素１８～２９％、スズ元素４５～６０％及びタンタル元素３～９％であり、前記混合金属酸化物におけるイリジウム元素及びルテニウム元素の合計に対するイリジウム元素のモル比が３３％以上５２％以下である、［１］に記載の電極。
［３］前記混合金属酸化物における金属元素のモル比が、イリジウム元素１３～１６％、ルテニウム元素２４～２８％、スズ元素５０～５６％及びタンタル元素４～８％であり、前記混合金属酸化物におけるイリジウム元素及びルテニウム元素の合計に対するイリジウム元素のモル比が３４％以上４０％以下である、［１］又は［２］に記載の電極。
［４］電解過程における酸素発生用の電極である、［１］から［３］のいずれかに記載の電極。
［５］１）バルブ金属基材の表面に、アークイオンプレーティング法によりチタン成分及びタンタル成分を含有する合金を含む中間層前駆体を形成する工程、２）中間層前駆体の表面に、イリジウムイオン、ルテニウムイオン、スズイオン及びタンタルイオンを含む溶液を塗布し、乾燥してコーティング前駆体を形成する工程、及び３）４００℃から６００℃の温度で０．５時間から２時間、酸素を含む雰囲気中で熱処理する工程を含む、電極の製造方法。
［１］バルブ金属基材上に、チタン成分及びタンタル成分を含有する合金を含む中間層を介して混合金属酸化物を含有するコーティングを備えた、電極であって、前記混合金属酸化物における金属元素のモル比が、イリジウム元素及びルテニウム元素の合計３５～４８％、スズ元素４５～６０％及びタンタル元素３～９％であり、前記混合金属酸化物におけるイリジウム元素及びルテニウム元素の合計に対するイリジウム元素のモル比が、３２％以上６０％以下である、電極。
［２］前記混合金属酸化物における金属元素のモル比が、イリジウム元素１２～２５％、ルテニウム元素１８～２９％、スズ元素４５～６０％及びタンタル元素３～９％であり、前記混合金属酸化物におけるイリジウム元素及びルテニウム元素の合計に対するイリジウム元素のモル比が３３％以上５２％以下である、［１］に記載の電極。
［３］前記混合金属酸化物における金属元素のモル比が、イリジウム元素１３～１６％、ルテニウム元素２４～２８％、スズ元素５０～５６％及びタンタル元素４～８％であり、前記混合金属酸化物におけるイリジウム元素及びルテニウム元素の合計に対するイリジウム元素のモル比が３４％以上４０％以下である、［１］又は［２］に記載の電極。
［４］電解過程における酸素発生用の電極である、［１］から［３］のいずれかに記載の電極。
［５］１）バルブ金属基材の表面に、アークイオンプレーティング法によりチタン成分及びタンタル成分を含有する合金を含む中間層前駆体を形成する工程、２）中間層前駆体の表面に、イリジウムイオン、ルテニウムイオン、スズイオン及びタンタルイオンを含む溶液を塗布し、乾燥してコーティング前駆体を形成する工程、及び３）４００℃から６００℃の温度で０．５時間から２時間、酸素を含む雰囲気中で熱処理する工程を含む、電極の製造方法。
本発明によれば、高い耐久性を有し、製造コストがより低い電極を提供することができる。
以下、本発明の一実施形態について詳細に説明する。本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の効果を阻害しない範囲で適宜変更を加えて実施することができる。なお、以下の説明において、「ＡからＢ」は、「Ａ以上かつＢ以下」を意味する。
本発明の第一の実施形態に係る電極は、バルブ金属基材上に、チタン成分及びタンタル成分を含有する合金を含む中間層を介して混合金属酸化物を含有するコーティングを備え、混合金属酸化物における金属元素のモル比が、イリジウム元素及びルテニウム元素の合計３５～４８％、スズ元素４５～６０％及びタンタル元素３～９％であり、混合金属酸化物におけるイリジウム元素及びルテニウム元素の合計に対するイリジウム元素のモル比が、３２％以上６０％以下である。このような構成にすることにより、高い耐久性を有し、製造コストがより低減されている。また、電解過程における酸素発生に適した電極となっている。
＜バルブ金属基材＞
本実施形態においては、バルブ金属基材は、導電性や適当な剛性を有するものであれば材質や形状は特に限定されない。バルブ金属としては、チタン、タンタル、ニオブ、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、モリブデン、タングステンを用いることができる。また、非晶質層を含む耐食性被覆により表面を十分に耐食性にすればＣｕ、Ａｌ等の良導電性金属を用いることも可能である。本実施形態においては、バルブ金属基材の材料としては、チタン又はチタン基合金が好適に使用される。チタン及びチタン基合金が好ましいのは、その耐食性と経済性のほか、強度／比重つまり比強度が大きくかつ圧延等の加工が比較的容易で、切削等の加工技術も近年非常に向上しているからである。その形状は棒状、板状の単純なものでも、機械加工による複雑な形状を持つものでもよく、表面は平滑なものでも多孔質なものでも対応が可能である。ここで表面とは電解液に浸漬したとき電解液に触れることが可能な部分のことをいう。
本実施形態においては、バルブ金属基材は、導電性や適当な剛性を有するものであれば材質や形状は特に限定されない。バルブ金属としては、チタン、タンタル、ニオブ、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、モリブデン、タングステンを用いることができる。また、非晶質層を含む耐食性被覆により表面を十分に耐食性にすればＣｕ、Ａｌ等の良導電性金属を用いることも可能である。本実施形態においては、バルブ金属基材の材料としては、チタン又はチタン基合金が好適に使用される。チタン及びチタン基合金が好ましいのは、その耐食性と経済性のほか、強度／比重つまり比強度が大きくかつ圧延等の加工が比較的容易で、切削等の加工技術も近年非常に向上しているからである。その形状は棒状、板状の単純なものでも、機械加工による複雑な形状を持つものでもよく、表面は平滑なものでも多孔質なものでも対応が可能である。ここで表面とは電解液に浸漬したとき電解液に触れることが可能な部分のことをいう。
また、必要に応じて、予め焼鈍、表面粗化、表面清浄化等の物理的、化学的前処理を適宜行う。洗浄は水洗、アルカリ洗浄、超音波洗浄、蒸気洗浄、スクラブ洗浄等を用いることができる。表面粗化は、ブラストにより行われ、表面積を拡大することによって、接合強度を高め、電解電流密度を実質的に下げることができる。表面洗浄化は、塩酸、硫酸、蓚酸等の非酸化性酸又はこれらの混合酸を用いて沸点かそれに近い温度で行うか、硝弗酸を用いて室温付近で行う。しかる後、仕上げとして、純水でリンスした後十分乾燥させておく。純水を使う前には、大量の水道水でリンスしておくことが好ましい。
表面粗化後の算術平均粗さＲａは、０．１μｍ以上であることが好ましく、１．０μｍ以上であることがより好ましく、１．５μｍ以上であることがさらに好ましい。
表面粗化後の算術平均粗さＲａは、０．１μｍ以上であることが好ましく、１．０μｍ以上であることがより好ましく、１．５μｍ以上であることがさらに好ましい。
＜中間層＞
本実施形態においては、バルブ金属基材上に（好ましくはバルブ金属基材に接するように）、チタン成分及びタンタル成分を含有する合金を含む中間層が形成されている。
中間層の形成に使用する金属としての好ましい組み合わせとしては、タンタルとチタン；又はタンタルとチタンに加えてニオブ、ジルコニウム及びハフニウムの３種から選ばれた少なくとも１種の金属；の組み合わせが使用される。これらの金属を用いて、バルブ金属基材の表面に中間層を形成することができ、中間層中の金属はすべて結晶質となっている。
本実施形態においては、バルブ金属基材上に（好ましくはバルブ金属基材に接するように）、チタン成分及びタンタル成分を含有する合金を含む中間層が形成されている。
中間層の形成に使用する金属としての好ましい組み合わせとしては、タンタルとチタン；又はタンタルとチタンに加えてニオブ、ジルコニウム及びハフニウムの３種から選ばれた少なくとも１種の金属；の組み合わせが使用される。これらの金属を用いて、バルブ金属基材の表面に中間層を形成することができ、中間層中の金属はすべて結晶質となっている。
また、本発明の一実施形態において、中間層中に存在するチタン成分とタンタル成分との比率は、モル比で９５：５～５：９５であることが好ましく、９０：１０～１０：９０であることがより好ましく、８０：２０～２０：８０であることがさらに好ましい。
中間層中の金属元素の比率の測定は、中間層前駆体に用いる原料から算出することも可能であるが、蛍光Ｘ線装置及び／又は高周波誘導結合プラズマ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ：ＩＣＰ）発光分光分析法などを用いて測定することも可能である。
中間層中の金属元素の比率の測定は、中間層前駆体に用いる原料から算出することも可能であるが、蛍光Ｘ線装置及び／又は高周波誘導結合プラズマ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ：ＩＣＰ）発光分光分析法などを用いて測定することも可能である。
さらなる実施形態においては、中間層には上記チタン成分及びタンタル成分以外の物質（例えば、ニオブ、ジルコニウム及びハフニウムの３種から選ばれた少なくとも１種の金属）も含まれる。中間層に含まれるこれらの物質の比率は、５０モル％以下であることが好ましく、３０モル％以下であることがより好ましく、１０モル％以下であることがさらに好ましい。
中間層の平均厚みは、耐食性や生産性等の実用的見地から適宜選定すればよいが、０．１～１０μｍが好ましく、０．５～５μｍがより好ましく、１～３μｍがさらに好ましい。中間層の平均厚みは、走査型電子顕微鏡を用いて取得した断面写真画像から、最低５点の厚みを測定し、その平均値を平均厚みとする。
＜コーティング＞
本実施形態においては、中間層上に（好ましくは中間層に接するように）、混合金属酸化物を含有するコーティングが形成されている。混合金属酸化物における金属元素のモル比は、イリジウム元素及びルテニウム元素の合計３５～４８％、スズ元素４５～６０％及びタンタル元素３～９％であり、前記混合金属酸化物におけるイリジウム元素及びルテニウム元素の合計に対するイリジウム元素のモル比は、３２％以上６０％以下である。
より好ましくは、混合金属酸化物における金属元素のモル比が、イリジウム元素１２～２５％、ルテニウム元素１８～２９％、スズ元素４５～６０％及びタンタル元素３～９％であり、前記混合金属酸化物におけるイリジウム元素及びルテニウム元素の合計に対するイリジウム元素のモル比が３３％以上５２％以下である。
さらに好ましくは、混合金属酸化物における金属元素のモル比が、イリジウム元素１３～１６％、ルテニウム元素２４～２８％、スズ元素５０～５６％及びタンタル元素４～８％であり、前記混合金属酸化物におけるイリジウム元素及びルテニウム元素の合計に対するイリジウム元素のモル比が３４％以上４０％以下である。
コーティング中の金属元素の比率の測定は、コーティング前駆体に用いる原料から算出することも可能であるが、蛍光Ｘ線装置及び／又は高周波誘導結合プラズマ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ：ＩＣＰ）発光分光分析法などを用いて測定することも可能である。
本実施形態においては、中間層上に（好ましくは中間層に接するように）、混合金属酸化物を含有するコーティングが形成されている。混合金属酸化物における金属元素のモル比は、イリジウム元素及びルテニウム元素の合計３５～４８％、スズ元素４５～６０％及びタンタル元素３～９％であり、前記混合金属酸化物におけるイリジウム元素及びルテニウム元素の合計に対するイリジウム元素のモル比は、３２％以上６０％以下である。
より好ましくは、混合金属酸化物における金属元素のモル比が、イリジウム元素１２～２５％、ルテニウム元素１８～２９％、スズ元素４５～６０％及びタンタル元素３～９％であり、前記混合金属酸化物におけるイリジウム元素及びルテニウム元素の合計に対するイリジウム元素のモル比が３３％以上５２％以下である。
さらに好ましくは、混合金属酸化物における金属元素のモル比が、イリジウム元素１３～１６％、ルテニウム元素２４～２８％、スズ元素５０～５６％及びタンタル元素４～８％であり、前記混合金属酸化物におけるイリジウム元素及びルテニウム元素の合計に対するイリジウム元素のモル比が３４％以上４０％以下である。
コーティング中の金属元素の比率の測定は、コーティング前駆体に用いる原料から算出することも可能であるが、蛍光Ｘ線装置及び／又は高周波誘導結合プラズマ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ：ＩＣＰ）発光分光分析法などを用いて測定することも可能である。
コーティング中のイリジウム元素、ルテニウム元素、スズ元素及びタンタル元素は、それぞれ酸化物として存在している。イリジウム酸化物の例としては、ＩｒＯ２が挙げられる。ルテニウム酸化物の例としては、ＲｕＯ２が挙げられる。スズ酸化物の例としては、ＳｎＯ２が挙げられる。タンタル酸化物の例としては、Ｔａ２Ｏ５が挙げられる。
コーティング中のイリジウム酸化物及びルテニウム酸化物の量としては、構成成分のメタルに換算して、合計で１ｇ／ｍ２以上であることが好ましい。
ある実施形態においては、コーティングはイリジウム酸化物、ルテニウム酸化物、スズ酸化物及びタンタル酸化物及び不可避不純物のみからなるが、さらなる実施形態においては、コーティングには上記の酸化物以外の物質も含まれる。コーティングに含まれ得る上記の酸化物以外の物質としては、特に限定されないが、例えば、ニオブ酸化物、モリブデン酸化物、タングステン酸化物等が挙げられる。
イリジウム酸化物、ルテニウム酸化物、スズ酸化物及びタンタル酸化物以外の酸化物の含有量は、５モル％以下であることが好ましく、３モル％以下であることがより好ましい。
イリジウム酸化物、ルテニウム酸化物、スズ酸化物及びタンタル酸化物以外の酸化物の含有量は、５モル％以下であることが好ましく、３モル％以下であることがより好ましい。
（電極の用途）
本実施形態に係る電極は、電解温度５０℃、電解面積３０ｍｍ×３０ｍｍ、電流密度３２Ａ／ｄｍ２において硫酸塩を含む電解液を電解する場合に、１５００時間後のセル電圧の上昇が２．０Ｖ以下である。つまり、本実施形態に係る電極は、高い耐久性を有するので、種々の用途における電極として用いることができる。特に、電解過程における酸素発生用の電極として好ましく用いることができる。
本実施形態に係る電極は、電解温度５０℃、電解面積３０ｍｍ×３０ｍｍ、電流密度３２Ａ／ｄｍ２において硫酸塩を含む電解液を電解する場合に、１５００時間後のセル電圧の上昇が２．０Ｖ以下である。つまり、本実施形態に係る電極は、高い耐久性を有するので、種々の用途における電極として用いることができる。特に、電解過程における酸素発生用の電極として好ましく用いることができる。
＜電極の製造方法＞
本実施形態に係る電極の製造方法は、１）バルブ金属基材の表面に、アークイオンプレーティング（ＡＩＰ）法によりチタン成分及びタンタル成分を含有する合金を含む中間層前駆体を形成する工程、２）中間層前駆体の表面に、イリジウムイオン、ルテニウムイオン、スズイオン及びタンタルイオンを含む溶液を塗布し、乾燥してコーティング前駆体を形成する工程、及び３）４００℃から６００℃の温度で０．５時間から２時間、酸素を含む雰囲気中で熱処理する工程を含む。
本実施形態に係る電極の製造方法は、１）バルブ金属基材の表面に、アークイオンプレーティング（ＡＩＰ）法によりチタン成分及びタンタル成分を含有する合金を含む中間層前駆体を形成する工程、２）中間層前駆体の表面に、イリジウムイオン、ルテニウムイオン、スズイオン及びタンタルイオンを含む溶液を塗布し、乾燥してコーティング前駆体を形成する工程、及び３）４００℃から６００℃の温度で０．５時間から２時間、酸素を含む雰囲気中で熱処理する工程を含む。
（工程１：中間層前駆体の形成）
本実施形態においては、中間層前駆体は、ＡＩＰ法を用いて形成される。ＡＩＰ法とは、真空中において、金属ターゲット（蒸発源）を陰極としてアーク放電を起こし、それにより発生した電気エネルギーにより、ターゲット金属を瞬時に蒸発させると同時に、真空中に飛び出させ、一方、バイアス電圧（負圧）を被コーティング物に印加することで、金属イオンを加速し、反応ガス粒子とともに、被コーティング物の表面に密着させ、強固で緻密な膜を生成する方法である。ＡＩＰ法によれば、アーク放電の驚異的なエネルギーを使用し、超硬質膜を強固な密着力で生成することができる。また、真空アーク放電の特性により、ターゲット材料のイオン化率が高く、緻密で密着力の優れた皮膜を容易に高速で形成できる。
ドライコーティング技術として、ＰＶＤ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、物理的吸着法）とＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、化学的吸着法）とがあり、ＡＩＰ法は、ＰＶＤ法の代表的手法であるイオンプレーティング法の一種であるが、真空アーク放電を利用した特殊なイオンプレーティング法である。従って、このＡＩＰ法によれば、高蒸発レートが簡単に得られ、他方式のイオンプレーティング法では困難とされている高融点金属の蒸発や融点や蒸気圧の異なる材料を組み合わせた合金ターゲット材料でも略合金成分比のまま蒸発させることが可能であり、本発明による下地層の形成に必須の方法である。
上述したように、中間層の形成に使用する金属としての好ましい組み合わせとしては、タンタルとチタン又はタンタルとチタンに加えてニオブ、ジルコニウム及びハフニウムの３種から選ばれた少なくとも１種の金属の組み合わせが使用される。
また、上記工程１の後に、空気雰囲気中で熱処理してもよい。熱処理の温度は、４５０℃から６５０℃が好ましく、５００℃から６００℃がより好ましく、５２０℃から５５０℃がさらに好ましい。また、熱処理の時間は、０．５時間から３時間が好ましい。
本実施形態においては、中間層前駆体は、ＡＩＰ法を用いて形成される。ＡＩＰ法とは、真空中において、金属ターゲット（蒸発源）を陰極としてアーク放電を起こし、それにより発生した電気エネルギーにより、ターゲット金属を瞬時に蒸発させると同時に、真空中に飛び出させ、一方、バイアス電圧（負圧）を被コーティング物に印加することで、金属イオンを加速し、反応ガス粒子とともに、被コーティング物の表面に密着させ、強固で緻密な膜を生成する方法である。ＡＩＰ法によれば、アーク放電の驚異的なエネルギーを使用し、超硬質膜を強固な密着力で生成することができる。また、真空アーク放電の特性により、ターゲット材料のイオン化率が高く、緻密で密着力の優れた皮膜を容易に高速で形成できる。
ドライコーティング技術として、ＰＶＤ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、物理的吸着法）とＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、化学的吸着法）とがあり、ＡＩＰ法は、ＰＶＤ法の代表的手法であるイオンプレーティング法の一種であるが、真空アーク放電を利用した特殊なイオンプレーティング法である。従って、このＡＩＰ法によれば、高蒸発レートが簡単に得られ、他方式のイオンプレーティング法では困難とされている高融点金属の蒸発や融点や蒸気圧の異なる材料を組み合わせた合金ターゲット材料でも略合金成分比のまま蒸発させることが可能であり、本発明による下地層の形成に必須の方法である。
上述したように、中間層の形成に使用する金属としての好ましい組み合わせとしては、タンタルとチタン又はタンタルとチタンに加えてニオブ、ジルコニウム及びハフニウムの３種から選ばれた少なくとも１種の金属の組み合わせが使用される。
また、上記工程１の後に、空気雰囲気中で熱処理してもよい。熱処理の温度は、４５０℃から６５０℃が好ましく、５００℃から６００℃がより好ましく、５２０℃から５５０℃がさらに好ましい。また、熱処理の時間は、０．５時間から３時間が好ましい。
（工程２：コーティング前駆体の形成）
本実施形態においては、コーティングは、イリジウムイオン、ルテニウムイオン、スズイオン及びタンタルイオンを含む溶液を塗布し、乾燥してコーティング前駆体を形成する。
本実施形態においては、コーティングは、イリジウムイオン、ルテニウムイオン、スズイオン及びタンタルイオンを含む溶液を塗布し、乾燥してコーティング前駆体を形成する。
イリジウムイオンの原料としては、イリジウムヒドロキシアセトクロリド錯体の溶液や塩化イリジウム（ＩＩＩ）、塩化イリジウム酸の塩を用いることができる。ルテニウムイオンの原料としては、ルテニウムヒドロキシアセトクロリド錯体の溶液や塩化ルテニウム（ＩＩＩ）の塩を用いることができる。スズイオンの原料としては、ヒドロキシアセトクロリド錯体の溶液や塩化スズ（ＩＶ）の塩を用いることができる。タンタルイオンの原料としては、五塩化タンタルの塩を用いることができる。
溶液中のイリジウム元素の濃度は、例えば、５～３０ｇ／Ｌであることが好ましく、１０～２５ｇ／Ｌあることがさらに好ましい。
溶液中のルテニウム元素の濃度は、例えば、５～３０ｇ／Ｌであることが好ましく、１０～２５ｇ／Ｌであることがさらに好ましい。
溶液中のスズ元素の濃度は、例えば、１０～７０ｇ／Ｌであることが好ましく、２０～６０ｇ／Ｌであることがさらに好ましい。
溶液中のタンタル元素の濃度は、例えば、２～１５ｇ／Ｌであることが好ましく、４～１２ｇ／Ｌであることがさらに好ましい。
溶液中のルテニウム元素の濃度は、例えば、５～３０ｇ／Ｌであることが好ましく、１０～２５ｇ／Ｌであることがさらに好ましい。
溶液中のスズ元素の濃度は、例えば、１０～７０ｇ／Ｌであることが好ましく、２０～６０ｇ／Ｌであることがさらに好ましい。
溶液中のタンタル元素の濃度は、例えば、２～１５ｇ／Ｌであることが好ましく、４～１２ｇ／Ｌであることがさらに好ましい。
溶液中のイリジウムイオン、ルテニウムイオン、スズイオン及びタンタルイオンのモル比は、イリジウムイオン及びルテニウムイオンの合計：スズイオン：タンタルイオンが、３５～４８：４５～６０：３～９であることが好ましい。
また、イリジウムイオン：ルテニウムイオン：スズイオン：タンタルイオンのモル比として、１２～２５：１８～２９：４５～６０：３～９がより好ましく、１３～１６：２４～２８：５０～５６：４～８がさらに好ましい。
イリジウム元素及びルテニウム元素の合計に対するイリジウム元素のモル比は、３２％以上６０％以下であることが好ましく、３３％以上５２％以下であることがより好ましく、３４％以上４０％以下であることがさらに好ましい。
また、イリジウムイオン：ルテニウムイオン：スズイオン：タンタルイオンのモル比として、１２～２５：１８～２９：４５～６０：３～９がより好ましく、１３～１６：２４～２８：５０～５６：４～８がさらに好ましい。
イリジウム元素及びルテニウム元素の合計に対するイリジウム元素のモル比は、３２％以上６０％以下であることが好ましく、３３％以上５２％以下であることがより好ましく、３４％以上４０％以下であることがさらに好ましい。
溶液を塗布する方法は、特に限定されず、スプレーコーティング、刷毛、ローラー、スピンコート、静電塗装等の従来公知の方法を用いることができる。
コーティング前駆体の形成方法として、表面に溶液を塗布する以外の方法として、ＣＶＤ、ＰＶＤなどの皮膜形成技術を用いることも可能である。
コーティング前駆体の形成方法として、表面に溶液を塗布する以外の方法として、ＣＶＤ、ＰＶＤなどの皮膜形成技術を用いることも可能である。
塗布した溶液を乾燥する温度は、３０℃から９０℃が好ましく、４０℃から８０℃がより好ましく、５０℃から７０℃がさらに好ましい。乾燥時間は、５分から３０分が好ましく、５分から２０分がより好ましく、５分から１５分がさらに好ましい。
（工程３：熱処理工程）
コーティング前駆体を、４００℃から６００℃の温度で０．５時間から２時間、酸素を含む雰囲気中で熱処理することによりコーティングが形成される。熱処理することにより、コーティング成分として所望の酸化物が得られると共に、被覆強度が強固となる。熱処理温度は、４００℃から６００℃が好ましく、４５０℃から５５０℃がより好ましく、４７５℃から５２５℃がさらに好ましく、５００℃が特に好ましい。即ち、本実施形態に係る電極の製造方法は、量産が可能な実用的な温度条件で行うことができるため、生産性が高い。
熱処理の時間は、５～６０分とすることが好ましく、５～２０分とすることがより好ましく、５～１５分とすることが更により好ましく、１０分とすることが特に好ましい。
前記の工程を、例えば３～３０回繰り返すことで、コーティング中のメタル量を所望の値にすることができる。
コーティング前駆体を、４００℃から６００℃の温度で０．５時間から２時間、酸素を含む雰囲気中で熱処理することによりコーティングが形成される。熱処理することにより、コーティング成分として所望の酸化物が得られると共に、被覆強度が強固となる。熱処理温度は、４００℃から６００℃が好ましく、４５０℃から５５０℃がより好ましく、４７５℃から５２５℃がさらに好ましく、５００℃が特に好ましい。即ち、本実施形態に係る電極の製造方法は、量産が可能な実用的な温度条件で行うことができるため、生産性が高い。
熱処理の時間は、５～６０分とすることが好ましく、５～２０分とすることがより好ましく、５～１５分とすることが更により好ましく、１０分とすることが特に好ましい。
前記の工程を、例えば３～３０回繰り返すことで、コーティング中のメタル量を所望の値にすることができる。
上記工程３の後に、後熱処理を行ってもよい。後熱処理の温度は、４００℃から６００℃、好ましくは４５０℃から５５０℃、より好ましくは４７５℃から５２５℃、特に好ましくは５００℃である。また、後熱処理の時間は、０．５時間から２時間が好ましく、０．５時間から１．５時間がより好ましく、１時間がさらに好ましい。
酸素を含む雰囲気は、熱処理によりイリジウム酸化物、ニッケル酸化物及びリチウム酸化物が得られるのに十分な酸素を含む。酸素を含む雰囲気の酸素濃度として、例えば１～４０％、５～３０％、１０～２５％が挙げられる。
＜その他の処理＞
コーティングの密着力を高めるために、溶液を塗布する工程（工程２）の前に、バルブ金属基材上に形成された中間層の表面に粗面化処理を行ってもよい。粗面化処理としては、ブラスト処理、基体可溶性の酸又はアルカリを用いたエッチング処理、プラズマ溶射処理などがある。更に、表面の汚染物質を除去するための化学エッチング処理を行うことが好ましい。粗面化処理後の算術平均粗さＲａは、０．１μｍ以上であることが好ましく、１．０μｍ以上であることがより好ましく、１．５μｍ以上であることがさらに好ましい。
コーティングの密着力を高めるために、溶液を塗布する工程（工程２）の前に、バルブ金属基材上に形成された中間層の表面に粗面化処理を行ってもよい。粗面化処理としては、ブラスト処理、基体可溶性の酸又はアルカリを用いたエッチング処理、プラズマ溶射処理などがある。更に、表面の汚染物質を除去するための化学エッチング処理を行うことが好ましい。粗面化処理後の算術平均粗さＲａは、０．１μｍ以上であることが好ましく、１．０μｍ以上であることがより好ましく、１．５μｍ以上であることがさらに好ましい。
以下に本発明の実施例を示す。本発明の内容はこれらの実施例により限定して解釈されるものではない。
（実施例１）
バルブ金属基材としてＪＩＳＩ種チタン板を用意し、その表面を鉄グリット（Ｇ１２０サイズ）にて乾式ブラスト処理を施し、次いで、沸騰濃塩酸水溶液中にて１０分間酸洗処理を行い、バルブ金属基材の洗浄処理を行った。洗浄したバルブ金属基材を、蒸発源としてＴｉ－Ｔａ合金ターゲットを用いたアークイオンプレーティング装置にセットし、バルブ金属基材表面にＴｉ－Ｔａ合金被覆を行い、中間層を形成した。被覆条件は、表１の通りである。
バルブ金属基材としてＪＩＳＩ種チタン板を用意し、その表面を鉄グリット（Ｇ１２０サイズ）にて乾式ブラスト処理を施し、次いで、沸騰濃塩酸水溶液中にて１０分間酸洗処理を行い、バルブ金属基材の洗浄処理を行った。洗浄したバルブ金属基材を、蒸発源としてＴｉ－Ｔａ合金ターゲットを用いたアークイオンプレーティング装置にセットし、バルブ金属基材表面にＴｉ－Ｔａ合金被覆を行い、中間層を形成した。被覆条件は、表１の通りである。
次に、国際公開第２００５／０１４８８５号に記載される手順と同様に、１．６５Ｍのスズヒドロキシアセトクロリド錯体溶液を調製した。また、国際公開第２０１０／０５５０６５号に記載される手順と同様に、０．９Ｍのイリジウムヒドロキシアセトクロリド錯体溶液を調製した。また、国際公開第２０１０／０５５０６５号に記載される手順と同様に、０．９Ｍのルテニウムヒドロキシアセトクロリド錯体溶液を調製した。また、五塩化タンタルを濃塩酸に溶解させることにより、１２５ｇ／Ｌのタンタル溶液を調製した。上記の溶液を混合し、Ｉｒ：Ｒｕ：Ｓｎ：Ｔａのモル比が２１：２０：５３：６である塗布液を調製した。
調製した塗布液を中間層上に塗布し、６０℃で１０分間乾燥後、空気循環式の電気炉中にて４８０℃、１０分間の熱処理を行い、その後空気中で冷却することでコーティングを形成した。塗布液の１回あたりの塗布厚みがイリジウム金属に換算してほぼ０．５ｇ／ｍ２になる様に前記塗布液の量を設定し、この塗布～焼成の操作を１２回繰り返して、イリジウム及びルテニウムの金属換算で約１２ｇ／ｍ２のコーティングを得た。その後、空気循環式の電気炉中にて５２０℃、６０分間の後熱処理（後焼成）を行い、電極を作製した。
調製した塗布液を中間層上に塗布し、６０℃で１０分間乾燥後、空気循環式の電気炉中にて４８０℃、１０分間の熱処理を行い、その後空気中で冷却することでコーティングを形成した。塗布液の１回あたりの塗布厚みがイリジウム金属に換算してほぼ０．５ｇ／ｍ２になる様に前記塗布液の量を設定し、この塗布～焼成の操作を１２回繰り返して、イリジウム及びルテニウムの金属換算で約１２ｇ／ｍ２のコーティングを得た。その後、空気循環式の電気炉中にて５２０℃、６０分間の後熱処理（後焼成）を行い、電極を作製した。
（実施例２及び比較例１－４）
実施例１と同様に、コーティングが表２に記載される組成となるようにそれぞれの材料を用いて、実施例２及び比較例１－４の電極を作製した。
実施例１と同様に、コーティングが表２に記載される組成となるようにそれぞれの材料を用いて、実施例２及び比較例１－４の電極を作製した。
（比較例５）
コーティング層のタンタルをビスマスに置き換えた以外、実施例２と同様に比較例５の電極を作製した。
コーティング層のタンタルをビスマスに置き換えた以外、実施例２と同様に比較例５の電極を作製した。
このようにして作製した電極について、以下の条件で電解寿命評価を行った。
電解液：８．５７ｇ／ＬのＥＮＳＡ、２０ｇ／ＬのＰＳＡ及び１５ｇ／ＬのＮａ２ＳＯ４の水溶液
電解温度：５０℃
電解面積：３０ｍｍ×３０ｍｍ
対極：Ｐｔ板（３０ｍｍ×３０ｍｍ）
電流密度：３２Ａ／ｄｍ２
初期セル電圧より２．０Ｖの上昇が見られた時点を電解寿命とした。
この電極の電解寿命を表３に示した。
電解液：８．５７ｇ／ＬのＥＮＳＡ、２０ｇ／ＬのＰＳＡ及び１５ｇ／ＬのＮａ２ＳＯ４の水溶液
電解温度：５０℃
電解面積：３０ｍｍ×３０ｍｍ
対極：Ｐｔ板（３０ｍｍ×３０ｍｍ）
電流密度：３２Ａ／ｄｍ２
初期セル電圧より２．０Ｖの上昇が見られた時点を電解寿命とした。
この電極の電解寿命を表３に示した。
表３に示す電解寿命結果により、コーティング中の混合金属酸化物におけるイリジウム元素及びルテニウム元素の合計に対するイリジウム元素のモル比が減少するに従って、電極寿命も減少することが分かった。一方、コーティング中の混合金属酸化物におけるイリジウム元素及びルテニウム元素の合計に対するイリジウム元素のモル比が３４％以上であると、イリジウム元素のモル比が高い電極と同等の寿命を有することが示された。
また、タンタルに替えてビスマスを用いた電極では、タンタルを用いた電極よりも電解寿命が短いことが示された。
また、タンタルに替えてビスマスを用いた電極では、タンタルを用いた電極よりも電解寿命が短いことが示された。
Claims (4)
- バルブ金属基材上に、チタン成分及びタンタル成分を含有する合金を含む中間層を介して混合金属酸化物を含有するコーティングを備えた、電解過程における酸素発生用の電極であって、
前記混合金属酸化物における金属元素のモル比が、イリジウム元素及びルテニウム元素の合計３５～４８％、スズ元素４５～６０％及びタンタル元素３～９％であり、
前記混合金属酸化物におけるイリジウム元素及びルテニウム元素の合計に対するイリジウム元素のモル比が、３２％以上６０％以下である、電極。 - 前記混合金属酸化物における金属元素のモル比が、イリジウム元素１２～２５％、ルテニウム元素１８～２９％、スズ元素４５～６０％及びタンタル元素３～９％であり、
前記混合金属酸化物におけるイリジウム元素及びルテニウム元素の合計に対するイリジウム元素のモル比が３３％以上５２％以下である、請求項１に記載の電極。 - 前記混合金属酸化物における金属元素のモル比が、イリジウム元素１３～１６％、ルテニウム元素２４～２８％、スズ元素５０～５６％及びタンタル元素４～８％であり、
前記混合金属酸化物におけるイリジウム元素及びルテニウム元素の合計に対するイリジウム元素のモル比が３４％以上４０％以下である、請求項１又は２に記載の電極。 - １）バルブ金属基材の表面に、アークイオンプレーティング法によりチタン成分及びタンタル成分を含有する合金を含む中間層前駆体を形成する工程、
２）中間層前駆体の表面に、イリジウムイオン、ルテニウムイオン、スズイオン及びタンタルイオンを含む溶液を塗布し、乾燥してコーティング前駆体を形成する工程、及び
３）４００℃から６００℃の温度で０．５時間から２時間、酸素を含む雰囲気中で熱処理する工程
を含む、請求項１から３のいずれか一項に記載の電極の製造方法。
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