JP4290169B2 - Electrode for electrolysis and method for producing persulfate-dissolved water using the electrode - Google Patents
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Description
本発明は、工業用又は民生用電解プロセスに使用される電解用電極及び当該電解用電極を用いた過硫酸溶解水の生成方法に関する。 The present invention relates to an electrode for electrolysis used in an industrial or consumer electrolysis process and a method for producing persulfate-dissolved water using the electrode for electrolysis.
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、所謂オゾン水は上下水道や、食品等、又は、半導体デバイス製造プロセス等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, food, etc., and cleaning treatment 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水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。
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な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 generating method in which ozone gas is generated by the ultraviolet lamp or discharge method 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 generating device and 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オゾン水を得る方法が開示されている。係る方法では、多孔質体又は網状体で形成された電極基材と白金族元素の酸化物等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と、このオゾン生成用電極を用いる。
他方、非常に強い酸化力を有する物質として過硫酸が知られている。この過硫酸は、半導体の洗浄や重合開始剤、酸化剤、漂白剤、写真処理剤、マンガンやクロムなどの試薬用酸化剤、分析試薬などにおいて広範に用いられる酸化剤である。一般に半導体の洗浄として硫酸を用いられるが、当該過硫酸は、硫酸よりも強い酸化力を有するため、硫酸よりも低い濃度で、且つ、少ない量にて効率的に洗浄を行うことが可能となる。 On the other hand, persulfuric acid is known as a substance having a very strong oxidizing power. This persulfuric acid is an oxidant widely used in semiconductor cleaning, polymerization initiators, oxidizing agents, bleaching agents, photographic processing agents, oxidizing agents for reagents such as manganese and chromium, and analytical reagents. In general, sulfuric acid is used for cleaning semiconductors. However, since persulfuric acid has a stronger oxidizing power than sulfuric acid, it is possible to perform cleaning efficiently at a lower concentration and in a smaller amount than sulfuric acid. .
この過硫酸の製造方法としては、一般に電気化学的手法によるものが多く、例えば、過硫酸製造用電極として、白金リボンが使用される。しかしながら、当該白金リボンを用いた電解処理では、電解条件によって消耗量が大きくなり、不純物の混入による不都合や、電極交換を頻回に行わなければならないなどの不都合があった。 The persulfuric acid production method is generally based on an electrochemical method. For example, a platinum ribbon is used as an electrode for persulfuric acid production. However, in the electrolytic treatment using the platinum ribbon, the amount of consumption increases depending on the electrolysis conditions, and there are inconveniences such as contamination by impurities and frequent electrode replacement.
そこで、特許文献4に示される如く過硫酸の製造用電極として基体上に担持された導電性ダイアモンドを使用するものが開発されている。
上述した如き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、オゾン生成のために高電流密度での電気分解が必要であり、エネルギー消費量や電極寿命に問題がある。 In the method of generating ozone water by electrolysis of water as described above, 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. However, as an electrode for generating ozone, Ozone generation efficiency is low, and it is difficult to generate ozone water by a highly efficient electrolysis method. In addition, such conventional ozone water generation by electrolysis using an electrode for ozone generation requires electrolysis at a high current density for ozone generation, and there is a problem in energy consumption and electrode life.
また、上述した如き導電性ダイアモンドを使用した過硫酸の製造用電極では、電極自体の生産コストが高騰する問題があり、安価に、過硫酸を生成することが可能となる電極材料の開発が望まれていた。 In addition, in the electrode for producing persulfuric acid using the conductive diamond as described above, there is a problem that the production cost of the electrode itself rises, and development of an electrode material capable of producing persulfuric acid at low cost is desired. It was rare.
そこで、本発明は従来の技術的課題を解決するために成されたものであり、低電流密度による水の電気分解によって、高効率にてオゾン水を生成することを可能とする電解用電極及び当該電極を用いた過硫酸溶解水生成方法を提供する。 Therefore, the present invention has been made to solve the conventional technical problem, and an electrolysis electrode capable of generating ozone water with high efficiency by electrolysis of water with low current density and A method for producing persulfate-dissolved water using the electrode is provided.
本発明のオゾン生成用の電解用電極は、基体と、この基体の表面に形成され た
白金を含む導電性の中間層と、この中間層の表面にスパッタ法で形成された誘電体である表面層と、が層状に形成され、前記誘電体は、酸化タンタル、酸化ニオブ、酸化ジルコニウム、酸化チタン、又は酸化タングステンの何れかであり、前記表面層の厚さは、40nm以上1000nm未満に形成されることを特徴とする。
The electrode for electrolysis for generating ozone of the present invention includes a base, a conductive intermediate layer containing platinum formed on the surface of the base, and a surface that is a dielectric formed by sputtering on the surface of the intermediate layer. And the dielectric is any one of tantalum oxide, niobium oxide, zirconium oxide, titanium oxide, or tungsten oxide, and the thickness of the surface layer is 40 nm or more and less than 1000 nm. It is characterized by that.
請求項2記載の発明の過硫酸溶解水の生成方法は、硫酸イオンを含む水溶液を電解処理して過硫酸溶解水を生成する過硫酸溶解水の生成方法であって、請求項1記載の電解用電極をアノードとして用いることを特徴とする。
Method of generating a persulfate dissolved water of a second aspect of the present invention, electrolysis of a generation method of persulfate dissolved water to form an aqueous solution to an electrolytic process to persulfate dissolved water containing sulfate ions, according to
本発明の電解用電極で電気分解を行うことで、低電流密度にて効率的にオゾンを生成することができる。
By performing electrolysis with the electrode for electrolysis of the present invention , ozone can be efficiently generated at a low current density.
また本発明の過硫酸溶解水の生成方法によれば、硫酸イオンを含む水溶液を電解処理して過硫酸溶解水を生成する過硫酸溶解水の生成方法であって、本発明の電解用電極をアノードとして用いることにより、効率的に、過硫酸溶解水を生成することが可能となる。
Moreover , according to the method for producing persulfate-dissolved water of the present invention, there is provided a method for producing persulfate-dissolved water by electrolytically treating an aqueous solution containing sulfate ions to produce persulfate-dissolved water, wherein By using it as an anode, it becomes possible to efficiently produce persulfuric acid-dissolved 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。
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
図1に示すように電解用電極1は、基体2と、当該基体2の表面に形成される中間層3と、当該中間層3の表面に形成される表面層4とから構成される。
As shown in FIG. 1, the electrode for
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、タンタル(Ta)、ジルコニウム(Zr)、ニオブ(Nb)などの金属やこれらの金属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、表面が格別に平坦であることが好ましいことから、表面が平坦に処理されたシリコンを用いる。
中間層3は、酸化し難い金属、例えば、白金、金(Au)、又は、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、又は、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。尚、金属酸化物については、予め酸化物として中間層3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。本実施例では、中間層3は、白金により構成するものとする。尚、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、当該中間層3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、当該基体2を低廉な材料にて構成し、当該基体2の表面に貴金属等で構成される中間層3を形成することが好ましい。
The
また、表面層4は、前記中間層3を被覆するように当該中間層3と共に、誘電体により基体2の表面に層状に形成され、この表面層4は、所定厚み、本実施例では0より大きく2000nm以下に構成される。尚、当該表面層4の厚みについては、詳細は後述するが、更に好ましくは、40nm以上1000nm未満の厚みとなるように形成されるものとする。
Further, the
表面層4を構成する誘電体としては、酸化タンタル、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化タングステン、酸化ニオブなどが用いられる。
As the dielectric constituting the
また、表面層4は、チタン酸バリウム(BaTiO3)等のペロブスカイト型酸化物に代表されるような2種類以上の金属元素を含む酸化物や、酸化チタンと酸化タンタルのように結晶構造が異なる2種類以上の酸化物の混合体であってもよく、この場合にもこれらの酸化物の他に上記貴金属又は貴金属酸化物を含むものも用いることができる。
The
ここで酸化タンタルとは、結晶性のTaO、Ta2O5や、このような酸化物に多少の酸素欠損が生じたTaO1-X、Ta2O5-X、及び不定形(アモルファス状)のTaOX等、タンタルと酸素が化合した物質全般を示すものである。また酸化アルミニウムとはAl2O3、AlOX等、酸化チタンとはTiO2、Ti2O3、TiOx等、酸化タングステンとはWO3、WOx等を示すものである。尚、上記表面層4を形成する誘電体としては、他に、Na2O、NaOx、MgO、MgOx、SiO2、SiOx、K2O、KOx、CaO、CaOx、Sc2O3、ScOx、V2O5、VOx、CrO2、CrOx、Mn3O4、MnOx、Fe2O3、FeOx、CoO、CoOx、NiO、NiOx、CuO、CuOx、ZnO、ZnOx、GaO、GaOx、GeO2、GeOx、Rb2O3、RbOx、SrO、SrOx、Y2O3、YOx、ZrO2、ZrOx、Nb2O5、NbOx、MoO3、MoOx、In2O3、InOx、SnO2、SnOx、Sb2O5、SbOx、Cs2O5、CsOx、BaO、BaOx、La2O3、LaOx、CeO2、CeOx、PrO2、PrOx、Nd2O3、NdOx、Pm2O3、PmOx、Sm2O3、SmOx、Eu2O3、EuOx、Gd2O3、GdOx、Tb2O3、TbOx、Dy2O3、DyOx、Ho2O3、HoOx、Er2O3、ErOx、Tm2O3、TmOx、Yb2O3、YbOx、Lu2O3、LuOx、HfO2、HfOx、PbO2、PbOx、Bi2O3、BiOx等が適用可能である。
Here, tantalum oxide means crystalline TaO, Ta 2 O 5 , TaO 1-X , Ta 2 O 5-X in which some oxygen vacancies are generated in such an oxide, and amorphous (amorphous) TaO X, etc., is intended to indicate a substance in general that tantalum and oxygen and compounds. Aluminum oxide refers to Al 2 O 3 , AlO x, etc., titanium oxide refers to TiO 2 , Ti 2 O 3 , TiOx, etc., and tungsten oxide refers to WO 3 , WOx, etc. In addition, other dielectrics for forming the
次に、本発明の電解用電極の製造方法について図2のフローチャート図を参照して説明する。基体2としてシリコンを用いる。当該シリコンは、表面が非常に平坦なものを用いる。尚、本実施例では、基体2としてシリコンを用いるが、これ以外にも上述した如き導電性材料であって、好ましくは表面が平坦に処理されたものを用いてもよいものとする。
Next, the manufacturing method of the electrode for electrolysis of this invention is demonstrated with reference to the flowchart figure of FIG. Silicon is used as the
先ず初めに、ステップS1において前記シリコンの基体2を5%のフッ酸により前処理を行い、当該シリコン基体2の表面に形成された自然酸化膜の除去を行う。これにより、基体2の表面をより平坦な状態とする。その後、ステップS2において純水にて基体2の表面のリンスを行い、以降ステップS3及びステップS4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。
First, in step S1, the
本実施例では、基体2への中間層3及び表面層4の形成は、rfスパッタ法により実行する。本実施例では、中間層3は、白金により構成するため、最初のターゲットとして中間層構成材であるPt(80mmφ)を用い、rfパワーを100W、Arガス圧を0.9Pa、基体2とターゲットとの間の距離を60mmとして、室温で20分間成膜を実行する(ステップS3)。これにより、基体2の表面には、厚さ100nm程度の中間層3が形成される。
In the present embodiment, the formation of the
次に、中間層3が形成された基体2の表面に表面層4を形成する。本実施例では、表面層4は、タンタルにより構成するため、ターゲットを表面層構成材であるTaに変更し、上記と同様の条件、即ち、rfパワーを100W、Arガス圧を0.9Pa、基体2とターゲットとの間の距離を60mmとして、室温で5〜180分間成膜を実行する(ステップS4)。これにより、基体2の中間層3の表面には、厚さ7nm〜1000nm程度の表面層4が形成される。尚、これら中間層3及び表面層4の膜厚は、蛍光X線による評価により、Pt及びTa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, the
これにより、適切な厚さ、適切な量で、面内均一性高く、中間層3及び表面層4を形成することが可能となり、密着性の高い中間層3及び表面層4を形成することができるようになる。そのため、電解用電極1の耐久性を向上させることができる。
This makes it possible to form the
その後、当該中間層3及び表面層4が形成された基体2は、ステップS5においてマッフル炉において600℃、大気雰囲気中にて30分、熱焼成(アニール)が実行され、電解用電極1が得られる。これにより、中間層3の表面に形成された表面層4を構成する金属タンタルは、均一に酸化される。尚、当該熱焼成により金属タンタルが酸化され酸化タンタルとなるため、表面層4の厚さは、14nm〜2000nm程度となる。また、本実施例では、スパッタ法による中間層3及び表面層4の形成後、当該熱焼成が行われ、電極1表面の酸化処理がなされるが、当該電極1を電解に使用した際に、電極表面の酸化が行われるため、当該熱焼成を実行しなくてもよいものとする。
Thereafter, the
上述した如く得られる電解用電極1は、表面層4は、すべて酸化されている。また、中間層3は、基体2のシリコンと、白金シリサイドを形成している。また、シリコンは、中間層3までで止まっており、表面層4の内部にまで拡散されていない。また、同様に、中間層3を構成する白金も表面層4内部にまでは到達していない。更にまた、表面層4は、中間層3の表面に非常に均一に分布しており、中間層3の表面全体に一様に層が形成される。これにより、電解用電極1の表面は、一様に表面層4にて覆われることから、基体2及び中間層3は、露出していない。そのため、表面層4には、隙間や亀裂などが形成されていないため、電解処理対象となる電解質が直接内部の中間層3や基体2にまで到達しない構成とされる。そのため、基体2が電解中に侵食されるような不都合を回避することができる。
In the
尚、本実施例では、表面層4を誘電体のみで構成しているため、当該表面層4への貴金属又は貴金属酸化物の使用を削減することができ、コストの低廉化を図ることができる。
In the present embodiment, since the
次に、上記実施例において製造された電解用電極1を用いた電解によるオゾン生成について図3を参照して説明する。図3は本実施例の電解用電極1を適用したオゾン水生成装置20の概略説明図である。オゾン水生成装置20は、処理槽21と、上述した如きアノードとしての電解用電極1と、カソードとしての電極22と、陽イオン交換膜24と、電極1、22に直流電流を印加する電源25とから構成される。また、この処理槽21内には、電解質溶液としての模擬水道水23が貯溜される。
Next, ozone generation by electrolysis using the
電解用電極1は、上述した如き製造方法により作製したものである。オゾン水生成装置20に用いる電解用電極1は、表面層4の厚さが、約14nm、約56nm、約170nm、約730nm、約1800nmのものの合計5種類使用する。これにより、それぞれの電解用電極1をアノードとして用いた場合のオゾン生成量を測定することで、各電解用電極1の評価を行う。
The
他方、カソードとしての電極22には白金を用いる。これ以外にもシリコン基体2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
陽イオン交換膜24は、過酸化水素のような酸化剤に耐久性を有するフッ素樹脂系の膜により構成される。代表的な陽イオン交換膜として、デュポン社製の商品名Nafion115、117、315、350等のパーフルオロスルフォン酸系の膜があり、本実施例においても陽イオン交換膜24として、Nafionを使用するものとする。
The
また、本実施例において電解処理される電解質溶液は、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である。
The electrolyte solution to be electrolytically treated in this example is an aqueous solution simulating tap water. The component composition of the
以上の構成により、処理槽21内に水温:15℃の模擬水道水23を陽イオン交換膜24にて仕切られたアノード側及びカソード側にそれぞれ150mlずつ、合計300ml貯溜する。電解用電極1及び電極22をそれぞれアノード側の模擬水道水及びカソード側
の模擬水道水中に、陽イオン交換膜24を挟んで浸漬させる。尚、本実施例における電解用電極1及び電極22の面積は40mm×20mm(浸漬部35mm×15mm)、電極間距離は10mmとする。そして、電源25により100mA、電流密度20mA/cm2程度の定電流が電解用電極1及び電極22に印加される。
With the above configuration, the
尚、本実施例では電解用電極1によるオゾン生成量は、上記条件にて1分間電解後の模擬水道水23中のオゾン濃度を比色法を用いて測定する。
In this embodiment, the amount of ozone generated by the
次に、図4を用いて本実施例の電解用電極1における表面層4の厚さに対するオゾン生成量について説明する。図4は本実施例における上記5種類の電解用電極の上記同一条件下でのそれぞれの電解用電極1のオゾン生成量を示している。この図4における縦軸はオゾン生成量(mg/l)であり、横軸は電解用電極1の表面層4の厚さ(nm)を示している。
Next, the ozone generation amount with respect to the thickness of the
この図4の実験結果によると、電解用電極1の表面層4の厚さが、約1800nmである場合には、オゾン生成量は0.05mg/l、約14nmである場合には、オゾン生成量は0.12と微量であるが、40nm以上1000nm未満である場合に急激にオゾン生成量が増加した。実験結果では、表面層4の厚さが、約56nmでは0.275mg/l、約170nmでは0.28mg/l、約730nmでは0.25mg/lのオゾン生成量を示した。
According to the experimental results of FIG. 4, when the thickness of the
一方、図5は上記電解用電極1の表面層4を構成する物質を酸化タンタル以外に、酸化ニオブ、酸化ジルコニウム、酸化チタン及び酸化タングステンとした場合における実験結果について説明する。図5は上記5種類の物質それぞれについて、熱焼成(上記ステップS5)における温度に対するオゾンを対象とした電流効率を示した実験結果である。
On the other hand, FIG. 5 illustrates experimental results when the material constituting the
尚、上記実験における各熱焼成温度は、300℃、400℃、500℃、600℃であり、いずれも表面層4の厚さは、50nm前後である。各物質それぞれに対し4種類使用し、これにより、それぞれの電解用電極1をアノードとして用いた場合のオゾンを対象とした電流効率を測定することで、各電解用電極1の評価を行う。
In addition, each heat-firing temperature in the said experiment is 300 degreeC, 400 degreeC, 500 degreeC, 600 degreeC, and the thickness of the
また、カソードとしての電極22には、上記図4における実験と同様に白金を用い、陽イオン交換膜24は、Nafionを用いる。電解処理される電解質溶液も、上記水溶液と同様の模擬水道水23を用いる。
Further, platinum is used for the
以上の構成により、処理槽21内に水温+15℃の模擬水道水23を陽イオン交換膜24にて仕切られたアノード側及びカソード側にそれぞれ150mlずつ、合計300ml貯溜する。電解用電極1及び電極22をそれぞれアノード側の模擬水道水及びカソード側の模擬水道水中に、陽イオン交換膜24を挟んで浸漬させる。尚、本実施例における電解用電極1及び電極22の面積は2.25cm2、電極間距離は10mmとする。そして、電源25により50mA、電流密度22.2mA/cm2程度の定電流が電解用電極1及び電極22に印加される。上記条件にて1分間電解を行い、それぞれについて。
With the above configuration, a
この図5の実験結果によると、電解用電極1の表面層4を酸化タンタルにて構成した場合には、焼成温度が300℃のときのオゾンを対象とする電流効率は8.4%、400℃のときの電流効率は9.6%、500℃のときの電流効率は9.6%、600℃のときの電流効率は10.8%であった。電解用電極1の表面層4を酸化ニオブにて構成した場合には、焼成温度が300℃のときのオゾンを対象とする電流効率は6.0%、500℃のときの電流効率は6.0%、600℃のときの電流効率は7.2%であった。電解用電極1の表面層4を酸化ジルコニウムにて構成した場合には、焼成温度が300℃のときのオゾンを対象とする電流効率は7.8%、400℃のときの電流効率は5.4%、500℃のときの電流効率は6.6%、600℃のときの電流効率は7.2%であった。電解用電極1の表面層4を酸化チタンにて構成した場合には、焼成温度が300℃のときのオゾンを対象とする電流効率は6.0%、400℃のときの電流効率は3.6%、500℃のときの電流効率は6.0%、600℃のときの電流効率は8.4%であった。電解用電極1の表面層4を酸化タングステンにて構成した場合には、焼成温度が300℃のときのオゾンを対象とする電流効率は7.2%、400℃のときの電流効率は10.2%、500℃のときの電流効率は9.6%、600℃のときの電流効率は0.6%であった。
According to the experimental results in FIG. 5, when the
以上の実験結果より、電解用電極1の表面を構成する表面層4が金属ではない酸化タンタルや酸化ニオブ、酸化ジルコニウム、酸化チタン、酸化タングステンなどにより構成された場合であっても、上述した如く電解質溶液の電気分解が可能であることが分かる。この理由としては、酸化タンタルや酸化ニオブ、酸化ジルコニウム、酸化チタン、酸化タングステンなどにより構成される表面層4の厚さが上述した如く例えば40nm程度と比較的薄いために、当該表面層4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3にまで移動したためと考えられる。
From the above experimental results, even when the
また、上述した如き図4に示される実験では、電解時における電極間の電圧は、約90Vであった(表面層4の厚さが56nmの電極を使用)。これは、当該電解用電極1を白金シリサイドのみで構成した場合における電解時の電極間電圧が、約75Vであるのに対し、著しく大きな値には至っていない。また、本発明の電解用電極1を使用した場合におけるオゾン生成効率は、白金シリサイドにより構成される電極を使用した場合に比して高い。
In the experiment shown in FIG. 4 as described above, the voltage between the electrodes at the time of electrolysis was about 90 V (using an electrode having a thickness of the
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が、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生起する。これに対し、本発明における誘電体により構成される表面層4を形成した電解用電極1を使用した場合、フェルミ準位よりバンドギャップの半分程度高いエネルギーレベルにある伝導体の底付近の空の準位が電解質から電子を受け取ることにより生起する。
Usually, when a metal electrode is used as an electrode for electrolysis, an electrode reaction at the anode occurs when an empty level just above the Fermi level receives electrons from the electrolyte. On the other hand, when the
そのため、本発明における電解用電極1を使用した場合、白金シリサイド電極を使用した場合に比して、より高いエネルギーレベルでの電子の移動が起こって電極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。
Therefore, when the
これにより、当該電解用電極1の誘電体により構成される表面層4を0より大きく2000nm以下に形成することで、低電流密度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電極を得ることができる。また、特に、表面層4を40nm以上1000nm未満の厚さにて構成することにより、より一層、顕著に低電流密度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。
Thereby, by forming the
また、本実施例では、中間層3及び表面層4を形成する基体2は、表面が平坦な材料にて構成することにより、基体2の表面に均一に中間層3及び表面層4を形成することができる。そのため、各層3又は4の厚さが、電極表面に対し均一に形成されることで電解用電極1の表面全体に対して一様な電気伝導を実現することができる。これにより、電極表面全体における電気伝導のバラツキを抑制することができ、オゾン生成効率の向上を図ることができる。
In this embodiment, the
また、本実施例では、中間層3及び表面層4は、スパッタ法により基体2の表面に形成されていることから、より均一に基体2の表面に層を形成することができる。これによっても、そのため、基体2の表面の全体に厚さが均一な中間層3及び表面層4を構成することが可能となるため、電極表面全体に対して一様に電気伝導を行うことができるようになり、オゾン生成効率の向上を図ることができるようになる。また、係る場合は、基体2の表面を平坦とする処理が多少不十分な場合であっても、スパッタ法では、層を形成する面全体に対し、一様な厚さにて層を形成することが可能であるため、これによっても、電極表面全体に対して一様に電気伝導を行うことができるようになる。
In the present embodiment, since the
尚、中間層3及び表面層4の形成方法としては、本実施例の如きスパッタ法に限られるものではなく、例えば、CVD法、蒸着法、イオンプレーティング法、メッキ法などであっても良いものとする。
The method for forming the
尚、実験に使用した表面層4の材料は、酸化タンタルや酸化ニオブ、酸化ジルコニウム、酸化チタン、酸化タングステンなどを使用しているが、これ以外にも、酸化アルミニウムなどによっても、低電流密度において顕著に高いオゾン生成効率が見られる。
The material of the
また、上述した如く本実施例では、シリコンにて構成される基体2に、少なくとも難酸化性の金属、又は、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3を形成し、更に当該中間層3の表面に上述した如き表面層4を構成することで電解用電極1を形成しているが、基体2を中間層3と同様の材料、即ち、少なくとも難酸化性の金属、又は、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3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2に上記材料にて構成される中間層3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1を低廉な生産コストにて実現することが可能となる。
Further, as described above, in this embodiment, the
次に、上記実施例において製造された電解用電極1を用いた電解による過硫酸(ペルオキソ二硫酸:H2S2O8)の生成について図6を参照して説明する。図6は本実施例の電解用電極1を適用した過硫酸溶解水生成装置30の概略説明図である。過硫酸溶解水生成装置30は、処理槽31と、上述した如きアノードとしての電解用電極1と、カソードとしての電極32と、陽イオン交換膜34と、電極1、32に直流電流を印加する電源35とから構成される。また、この処理槽31内には、陽イオン交換膜34を挟んでアノード側には、硫酸イオンを含む電解質溶液として0.1Mの硫酸(電解質溶液33)が貯溜される。
Next, the production of persulfuric acid (peroxodisulfuric acid: H 2 S 2 O 8 ) by electrolysis using the
電解用電極1は、上述した如き製造方法により作製したものである。過硫酸溶解水生成装置30に用いる電解用電極1は、表面層4に含まれる誘電体としての酸化物は、酸化タンタルが用いられるものとし、当該表面層4の膜の厚さは、0より大きく2000nm以下、好ましくは、40nm以上1000nm未満の厚さにて構成する。尚、本実施例では、約56nmのものを使用する。
The
他方、カソードとしての電極32には白金を用いる。これ以外にもシリコン基体2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
陽イオン交換膜34は、所定の酸化剤に耐久性を有するフッ素樹脂系の膜により構成される。代表的な陽イオン交換膜として、デュポン社製の商品名Nafion115、117、315、350等のパーフルオロスルフォン酸系の膜があり、本実施例においても陽イオン交換膜34として、Nafionを使用するものとする。
The
以上の構成により、処理槽31内に0.1M硫酸(電解質溶液33)を陽イオン交換膜34にて仕切られたアノード側及びカソード側のそれぞれに貯溜し、電解用電極1及び電極32をそれぞれアノード側の電解質溶液33及びカソード側の電解質溶液33中に、陽イオン交換膜34を挟んで浸漬させる。その後、電源35により、電極1、32に直流電流を印加し、電解質溶液33を電解する。
With the above configuration, 0.1 M sulfuric acid (electrolyte solution 33) is stored in the
通常、電解用電極を用いて水の電気分解を行うと、アノード側では、酸素ガスが生成する(反応A)。また、電解用電極の材料を選択することで酸素の他にも、オゾンや過酸化水素が生成する(反応B及び反応C)。以下、反応A乃至Cを示す。
反応A 2H2O→O2+4H++4e-
反応B 3H2O→O3+6H++6e-
反応C 2H2O→H2O2+2H++2e-
Normally, when water is electrolyzed using an electrode for electrolysis, oxygen gas is generated on the anode side (reaction A). In addition to oxygen, ozone and hydrogen peroxide are generated by selecting a material for the electrode for electrolysis (reaction B and reaction C). Hereinafter, reactions A to C are shown.
Reaction A 2H 2 O → O 2 + 4H + + 4e −
Reaction B 3H 2 O → O 3 + 6H + + 6e −
Reaction C 2 H 2 O → H 2 O 2 + 2H + + 2e −
本発明における電解用電極1をアノードとして硫酸イオンを含む電解質溶液33の電気分解を行うと、アノード側では、過硫酸が生成される(反応D)。尚、電解質溶液33に亜硫酸イオンが含まれている場合にも同様に過硫酸イオンが生成される(反応E)。以下、反応D及びEを示す。
反応D 2SO4 2-→S2O8 2-+2e-
反応E 2HSO4 -→S2O8 2-+2H++2e-
When the
Reaction D 2SO 4 2− → S 2 O 8 2− + 2e −
Reaction E 2HSO 4 − → S 2 O 8 2− + 2H + + 2e −
これは、通常の電解用電極は、電位窓が狭いため、理論電解電圧の低いアノード側の反応、特に、酸素生成反応が優先的に生起する。他方、本実施例における電解用電極1は、極端に電位窓が広く、酸素生成反応に対する活性過電圧が非常に高いことから酸素生成反応に優先して、目的の酸化反応、即ち、本実施例では、電解質溶液33に含まれる硫酸イオンの酸化反応が進行する。これにより、硫酸イオンを含有する水溶液を電解処理することで過硫酸溶解水を得ることができる。
This is because a normal electrolysis electrode has a narrow potential window, and therefore, a reaction on the anode side having a low theoretical electrolysis voltage, particularly an oxygen generation reaction occurs preferentially. On the other hand, the
一方、図7は、定電位電解装置(ポテンシオスタット)を用いて、アノードを構成する電解用電極1の電位を時間と共に変化させることで、当該電解用電極1により電解質溶液33を電解したときの電流−電位曲線(サイクリックボルタモグラム)である。尚、図8は図7と対比するために示される過塩酸を含む電解質溶液を電解したときの電流−電位曲線である。
On the other hand, FIG. 7 shows a case where the
図7に示す硫酸イオンを含有する電解質溶液33を電解した場合における電流−電位曲線によると、電位が3.5V付近に酸素の生成ピークが示されており、当該酸素の生成ピークに至るまでの2.5V付近に化学反応ピークが示されている。当該電解質溶液33には、硫酸及び水以外の物質は含有されていないことから、硫酸イオンの酸化反応があったことがわかる。尚、図8に示される電流−電位曲線は、過塩酸を含む電解質溶液を電解したものであり、当該電流−電位曲線では、酸素の生成ピーク以外に化学反応ピークが示されていない。これら図7及び図8を対比することによっても、図7には、酸素生成ピーク以外に化学反応ピークが示されていることが明らかである。
According to the current-potential curve in the case where the
従って、アノードを構成する電解用電極1の電位を当該化学反応ピークが示される2.5V付近に固定することにより、硫酸イオンを含む溶液、即ち、電解質溶液33を電解処理することにより、高い電流効率で過硫酸を生成することができる。
Therefore, by fixing the potential of the
このように、非常に強い酸化力を有する過硫酸を使用現場において、硫酸イオンを含む水溶液を電解処理することで、効率的に生成することが可能となることから、運搬や保管等を行うことによる危険性を回避することができる。そのため、硫酸等に比べて非常に酸化力の強い過硫酸を半導体の洗浄や重合開始剤、酸化剤、漂白剤、写真処理剤、マンガンやクロムなどの試薬用酸化剤、分析試薬などとして用いやすくなる。特に、半導体の洗浄において、当該過硫酸溶解水を使用する際には、従来に比して低い濃度、少量にて目的を達成することが可能となるため、洗浄に要した溶液の量を減少させることができ、排水処理の簡素化を図ることができるようになる。 In this way, persulfuric acid having a very strong oxidizing power can be efficiently produced by electrolytic treatment of an aqueous solution containing sulfate ions at the site of use. The danger due to can be avoided. Therefore, it is easy to use persulfuric acid, which has a stronger oxidizing power than sulfuric acid, as a cleaning agent for semiconductors, a polymerization initiator, an oxidizing agent, a bleaching agent, a photographic processing agent, an oxidizing agent for reagents such as manganese and chromium, and an analytical reagent. Become. In particular, when using the persulfuric acid-dissolved water in semiconductor cleaning, it is possible to achieve the purpose with a lower concentration and a smaller amount than before, so the amount of solution required for cleaning is reduced. This makes it possible to simplify waste water treatment.
また、本実施例における過硫酸の生成を実現することができる電解用電極1は、基体2を構成するシリコンと、中間層3を構成する白金と、表面層4を構成する酸化タンタルにより構成されるものであるため、従来の導電性ダイアモンドを使用した電極と比して、安価に製造することが可能となり、生産コストの低廉化を図ることが可能となる。
Further, the
1 電解用電極
2 基体
3 中間層
4 表面層
20 オゾン水生成装置
21、31 処理槽
22、32 電極
23 模擬水道水
24、34 陽イオン交換膜
25、35 電源
30 過硫酸溶解水生成装置
33 電解質溶液
DESCRIPTION OF
Claims (2)
層の表面にスパッタ法で形成された誘電体である表面層と、が層状に形成され、
前記誘電体は、酸化タンタル、酸化ニオブ、酸化ジルコニウム、酸化チタン、
又は酸化タングステンの何れかであり、
前記表面層の厚さは、40nm以上1000nm未満に形成されることを特徴
とするオゾン生成用の電解用電極。 A substrate, a conductive intermediate layer containing platinum formed on the surface of the substrate, and an intermediate layer
A surface layer, which is a dielectric formed by sputtering on the surface of the layer, and is formed in layers,
The dielectric is tantalum oxide, niobium oxide, zirconium oxide, titanium oxide,
Or tungsten oxide,
The surface layer has a thickness of 40 nm or more and less than 1000 nm.
Electrode for electrolysis for generating ozone.
の生成方法であって、
請求項1記載のオゾン生成用の電解用電極をアノードとして用いることを特徴
とする過硫酸溶解水の生成方法。 Persulfate-dissolved water that produces persulfate-dissolved water by electrolytic treatment of aqueous solutions containing sulfate ions
A generation method of
The electrolysis electrode for ozone generation according to claim 1 is used as an anode.
A method for producing persulfate-dissolved water.
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