JP7665138B2 - Conductive diamond electrode, manufacturing method thereof, and electrolysis unit - Google Patents
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Description
本発明は、導電性ダイヤモンド電極及びその製造方法、並びに当該導電性ダイヤモンド電極を備える電解ユニットに関する。 The present invention relates to a conductive diamond electrode, a method for manufacturing the same, and an electrolysis unit equipped with the conductive diamond electrode.
軽量で強度の高い炭素繊維強化プラスチック(CFRP)等の炭素繊維複合材料は、自動車の軽量化に大きく貢献する先端材料であり、軽量化による燃費向上や環境規制の観点でも重要な素材である。しかしながら、炭素繊維は化学的、物理的に非常に安定であるため、廃棄された後長年残存し、海洋プラスチック汚染の一因となるという課題があった。
近年、この炭素繊維複合材料のリサイクルプロセスとして、有機物を容易に分解することのできる電解硫酸法が注目されている。この電解硫酸法における電解条件は、高電位かつ濃硫酸中と過酷であるため、硫酸電解用の電極には高い耐久性が要求される。
Carbon fiber composite materials, such as lightweight and strong carbon fiber reinforced plastics (CFRP), are advanced materials that contribute greatly to reducing the weight of automobiles, and are also important materials from the viewpoints of improving fuel efficiency and complying with environmental regulations through weight reduction. However, because carbon fibers are very stable both chemically and physically, they remain for many years after disposal, which is an issue in that they contribute to marine plastic pollution.
In recent years, the electrolytic sulfuric acid process, which can easily decompose organic matter, has been attracting attention as a recycling process for carbon fiber composite materials. Since the electrolytic sulfuric acid process requires harsh electrolysis conditions, such as high potential and concentrated sulfuric acid, the electrodes used in sulfuric acid electrolysis must be highly durable.
ダイヤモンドにホウ素をドープした導電性ボロンドープダイヤモンド(BDD)は、物理的、化学的安定性に優れ、自身が分解することなく高電位で硫酸を効率よく分解できることから、硫酸電解に適した電極材料として期待されている。
例えば、特許文献1には、金属板表面にBDDを薄膜状にコーティングした薄膜型ダイヤモンド電極(いわゆるダイヤモンド電極)を用い、電解硫酸法によりCFRPから補強材(炭素繊維)を回収する技術が開示されている。薄膜型ダイヤモンド電極は、通常、化学的気相合成(CVD)法により基材にBDDを直接コーティングすることにより製造される。
また、BDDと電極基材との接着性を高めた電極として、特許文献2には、BDD粉末(BDDP)を樹脂バインダー(イオン交換性樹脂、又は絶縁性バインダー及びシリコーンゴム)に分散させた塗料を電極基材に塗布して得られる塗布型ダイヤモンド電極が開示されている。
Conductive boron-doped diamond (BDD), which is diamond doped with boron, has excellent physical and chemical stability and can efficiently decompose sulfuric acid at high potential without decomposing itself, making it a promising electrode material for sulfuric acid electrolysis.
For example,
Furthermore, as an electrode with enhanced adhesion between BDD and an electrode substrate,
しかしながら、特許文献1に記載されるような薄膜型ダイヤモンド電極では、基材にBDDをコーティングするCVD装置の大型化が困難であるため、大面積のダイヤモンド電極の製造は難しく、工業利用に向けたスケールアップの点で改良が望まれる。
その点、BDDPが分散した樹脂バインダーを基材に塗布することにより製造する特許文献2に記載の塗布型ダイヤモンド電極は、電極の大面積化に対応することができるが、電解硫酸法における高電位かつ濃硫酸中という過酷な電解条件下での使用には、耐久性の点で不十分である。
However, with the thin-film diamond electrode described in
In this regard, the coated diamond electrode described in
そこで、本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、強酸・高電圧の過酷な電解条件下でも高い耐久性を備え、優れた電解性能を有し、大面積化が可能な電極を提供することを目的とする。 The present invention was made in consideration of the above problems, and aims to provide an electrode that has high durability even under harsh electrolytic conditions of strong acid and high voltage, has excellent electrolytic performance, and can be made large in area.
本発明者は、上記課題を解決するために鋭意検討した結果、導電性ダイヤモンド粉末と、主として無機材料を含むマトリックスとを含む導電性ダイヤモンド粉末層を有する電極とすることにより、上記目的を達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。 As a result of intensive research into solving the above problems, the inventors discovered that the above object could be achieved by forming an electrode having a conductive diamond powder layer that contains conductive diamond powder and a matrix that mainly contains an inorganic material, and thus completed the present invention.
すなわち、本発明は、以下のとおりである。
[1]
導電性ダイヤモンド電極の製造方法であり、
前記導電性ダイヤモンド電極は、
基材と、前記基材の表面上に導電性ダイヤモンド粉末層とを有する電極であり、
前記導電性ダイヤモンド粉末層は、少なくとも導電性ダイヤモンド粉末と、主として無機材料を含むマトリクスとを含み、
前記無機材料が主としてシリカを含み、
但し、導電性ダイヤモンド粉末層が導電性ロウ材によって基材の少なくとも一つの表面に接合されている場合を除く、導電性ダイヤモンド電極であり、
前記導電性ダイヤモンド電極の製造方法は、
導電性ダイヤモンド粉末を含む粉体と、前記導電性ダイヤモンド粉末層のマトリクスを形成するマトリクス形成材料とを分散させたスラリーを調製するスラリー調製工程と、
前記スラリー調製工程で調製されたスラリーを基材にコーティングしてコーティング層を形成するコーティング工程と、
前記コーティング工程で形成されたコーティング層に熱処理を施して成膜する成膜工程と
を有し、
前記マトリクス形成材料が、テトラメトキシシラン、テトラエトキシシラン、テトライソプロポキシシラン、メチルトリメトキシシラン、メチルトリエトキシシラン、メチルトリイソプロポキシシラン、エチルトリメトキシシラン、エチルトリエトキシシラン、エチルトリイソプロポキシシラン、プロピルトリメトキシシラン、プロピルトリエトキシシラン、プロピルトリイソプロポキシシラン、ブチルトリメトキシシラン、ブチルトリエトキシシラン、ブチルトリイソプロポキシシラン、ヘキシルトリメトキシシラン、ヘキシルトリエトキシシラン、ヘキシルトリイソプロポキシシラン、オクチルトリメトキシシラン、オクチルトリエトキシシラン、オクチルトリイソプロポキシシラン、デシルトリメトキシシラン、デシルトリエトキシシラン、デシルトリイソプロポキシシラン、オクタデシルトリメトキシシラン、オクタデシルトリエトキシシラン、オクタデシルトリイソプロポキシシラン、ビニルクロロシラン、ビニルトリメトキシシラン、ビニルトリエトキシシラン、2-(3,4-エポキシシクロヘキシル)エチルトリメトキシシラン、3-グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、3-グリシドキシプロピルメチルジエトキシシラン、3-グリシドキシプロピルジエトキシシラン、3-グリシドキシプロピルトリエトキシシラン、フェニルトリメトキシシラン、フェニルトリエトキシシラン、p-アミノフェニルトリメトキシシラン、p-スチリルトリメトキシシラン、3-(メタ)アクリルオキシプロピルトリエトキシシラン、3-(メタ)アクリルオキシプロピルトリメトキシシラン、3-(メタ)アクリルオキシプロピルメチルジメトキシシラン、3-(メタ)アクリルオキシプロピルメチルジエトキシシラン、3-アクリルオキシプロピルトリメトキシシラン、N-2-(アミノエチル)-3-アミノプロピルメチルジメトキシシラン、N-2-(アミノエチル)-3-アミノプロピルトリメトキシシラン、N-2-(アミノエチル)-3-アミノプロピルメチルジエトキシシラン、3-アミノプロピルトリメトキシシラン、3-アミノプロピルトリエトキシシラン、3-トリエトキシシリル-N-(1,3-ジメチルブチリデン)プロピルアミン、N-フェニル-3-アミノプロピルトリメトキシシラン、3-クロロプロピルトリメトキシシラン、3-メルカプトプロピルメチルジメトキシシラン、3-メルカプトプロピルトリメトキシシラン、ビス(トリエトキシシリルプロピル)テトラスルフィド、3-イソシアネートプロピルトリエトキシシラン、1H,1H,2H,2H-パーフルオロオクチルトリメトキシシラン、1H,1H,2H,2H-パーフルオロオクチルトリエトキシシラン、及び1H,1H,2H,2H-パーフルオロオクチルトリクロロシランからなる群より選ばれる1種以上を含む
ことを特徴とする、導電性ダイヤモンド電極の製造方法。
[2]
前記導電性ダイヤモンド粉末の表面は、X線光電子分光法(XPS)を用いて算出される酸素原子の濃度が1%以上である、[1]に記載の導電性ダイヤモンド電極の製造方法。
[3]
前記マトリクス中の無機材料の含有量が90質量%以上である、[1]又は[2]に記載の導電性ダイヤモンド電極の製造方法。
[4]
前記導電性ダイヤモンド粉末と前記シリカとの質量比(導電性ダイヤモンド粉末:シリカ)が2:8~8:2である、[1]~[3]のいずれかに記載の電極の製造方法。
[5]
前記導電性ダイヤモンド粉末の平均粒子径が5nm~100μmである、[1]~[4]のいずれかに記載の導電性ダイヤモンド電極の製造方法。
[6]
前記導電性ダイヤモンド粉末層の平均厚みが5nm~500μmである、[1]~[5]のいずれかに記載の導電性ダイヤモンド電極の製造方法。
[7]
前記マトリクス形成材料に対する前記導電性ダイヤモンド粉末の質量割合(導電性ダイヤモンド粉末/マトリクス形成材料)が、25~400質量%である、[1]~[6]のいずれかに記載の導電性ダイヤモンド電極の製造方法。
[8]
前記コーティング工程において、スピンコート法によりコーティングする、[1]~[7]のいずれかに記載の導電性ダイヤモンド電極の製造方法。
[9]
[1]~[8]のいずれかに記載の導電性ダイヤモンド電極の製造方法を用いて導電性ダイヤモンド電極を製造し、得られた導電性ダイヤモンド電極を用いることを特徴とする、電解ユニットの製造方法。
[10]
[9]に記載の電解ユニットの製造方法を用いて電解ユニットを製造し、得られた電解ユニットを硫酸の電気分解に用いることを特徴とする、電解ユニットの使用。
[11]
[9]に記載の電解ユニットの製造方法を用いて電解ユニットを製造する電解ユニット製造工程と、
前記電解ユニット製造工程で得られた電解ユニットを用いて硫酸の電気分解を行い、酸化性活性種を含む溶液を得る溶液調製工程と、
前記溶液調製工程で得られた酸化性活性種を含む溶液を用いて、半導体基板上より、有機材料のパターン及び/又は不純物を除去する除去工程と
を有することを特徴とする、半導体の製造方法。
[12]
[9]に記載の電解ユニットの製造方法を用いて電解ユニットを製造する電解ユニット製造工程と、
前記電解ユニット製造工程で得られた電解ユニットを用いて硫酸の電気分解を行い、酸化性活性種を含む溶液を得る溶液調製工程と、
前記溶液調製工程で得られた酸化性活性種を含む溶液を用いて、樹脂と補強材とからなる複合材の樹脂を分解し、前記補強材を取り出す補強材回収工程と
を有することを特徴とする、複合材の処理方法。
[13]
[12]に記載の複合材の処理方法により取り出された補強材を用いることを特徴とする、複合材の製造方法。
That is, the present invention is as follows.
[1]
A method for producing a conductive diamond electrode,
The conductive diamond electrode is
An electrode having a substrate and a conductive diamond powder layer on a surface of the substrate,
The conductive diamond powder layer includes at least a conductive diamond powder and a matrix mainly including an inorganic material,
the inorganic material primarily comprises silica;
However, a conductive diamond electrode except that the conductive diamond powder layer is bonded to at least one surface of the substrate by a conductive brazing material;
The method for producing the conductive diamond electrode includes the steps of:
a slurry preparation step of preparing a slurry in which a powder containing a conductive diamond powder and a matrix forming material that forms a matrix of the conductive diamond powder layer are dispersed;
a coating step of coating a substrate with the slurry prepared in the slurry preparation step to form a coating layer;
a film-forming step of forming a film by subjecting the coating layer formed in the coating step to a heat treatment;
having
The matrix forming material may be tetramethoxysilane, tetraethoxysilane, tetraisopropoxysilane, methyltrimethoxysilane, methyltriethoxysilane, methyltriisopropoxysilane, ethyltrimethoxysilane, ethyltriethoxysilane, ethyltriisopropoxysilane, propyltrimethoxysilane, propyltriethoxysilane, propyltriisopropoxysilane, butyltrimethoxysilane, butyltriethoxysilane, butyltriisopropoxysilane, hexyltrimethoxysilane, hexyltriethoxysilane, hexyltriisopropoxysilane, octyltrimethoxysilane, octyltriethoxysilane, oct ... triisopropoxysilane, decyltrimethoxysilane, decyltriethoxysilane, decyltriisopropoxysilane, octadecyltrimethoxysilane, octadecyltriethoxysilane, octadecyltriisopropoxysilane, vinylchlorosilane, vinyltrimethoxysilane, vinyltriethoxysilane, 2-(3,4-epoxycyclohexyl)ethyltrimethoxysilane, 3-glycidoxypropyltrimethoxysilane, 3-glycidoxypropylmethyldiethoxysilane, 3-glycidoxypropyldiethoxysilane, 3-glycidoxypropyltriethoxysilane, phenyltrimethoxysilane, phenyltriethoxysilane, p-amino Nophenyltrimethoxysilane, p-styryltrimethoxysilane, 3-(meth)acryloxypropyltriethoxysilane, 3-(meth)acryloxypropyltrimethoxysilane, 3-(meth)acryloxypropylmethyldimethoxysilane, 3-(meth)acryloxypropylmethyldiethoxysilane, 3-acryloxypropyltrimethoxysilane, N-2-(aminoethyl)-3-aminopropylmethyldimethoxysilane, N-2-(aminoethyl)-3-aminopropyltrimethoxysilane, N-2-(aminoethyl)-3-aminopropylmethyldiethoxysilane, 3-aminopropyltrimethoxysilane, 3-aminopropyltrimethoxysilane, At least one selected from the group consisting of ethoxysilane, 3-triethoxysilyl-N-(1,3-dimethylbutylidene)propylamine, N-phenyl-3-aminopropyltrimethoxysilane, 3-chloropropyltrimethoxysilane, 3-mercaptopropylmethyldimethoxysilane, 3-mercaptopropyltrimethoxysilane, bis(triethoxysilylpropyl)tetrasulfide, 3-isocyanatopropyltriethoxysilane, 1H,1H,2H,2H-perfluorooctyltrimethoxysilane, 1H,1H,2H,2H-perfluorooctyltriethoxysilane, and 1H,1H,2H,2H-perfluorooctyltrichlorosilane.
A method for producing a conductive diamond electrode.
[2]
The method for producing a conductive diamond electrode according to [1], wherein the surface of the conductive diamond powder has an oxygen atom concentration of 1% or more as calculated using X-ray photoelectron spectroscopy (XPS).
[3]
A method for producing a conductive diamond electrode according to [1] or [2], wherein the content of inorganic material in the matrix is 90 mass% or more.
[4]
The method for manufacturing an electrode according to any one of [1] to [3], wherein a mass ratio of the conductive diamond powder to the silica (conductive diamond powder:silica) is 2:8 to 8:2.
[5]
The method for producing a conductive diamond electrode according to any one of [1] to [4], wherein the conductive diamond powder has an average particle size of 5 nm to 100 μm.
[6]
The method for producing a conductive diamond electrode according to any one of [1] to [5], wherein the conductive diamond powder layer has an average thickness of 5 nm to 500 μm.
[7 ]
The method for producing a conductive diamond electrode according to any one of [1] to [6] , wherein the mass ratio of the conductive diamond powder to the matrix-forming material (conductive diamond powder/matrix-forming material) is 25 to 400 mass % .
[8 ]
The method for producing a conductive diamond electrode according to any one of [ 1 ] to [ 7 ], wherein in the coating step, coating is performed by a spin coating method .
[9 ]
A method for producing an electrolysis unit, comprising producing a conductive diamond electrode using the method for producing a conductive diamond electrode according to any one of [1] to [ 8 ], and using the obtained conductive diamond electrode .
[ 10 ]
Use of an electrolysis unit, comprising: an electrolysis unit produced by the production method for an electrolysis unit according to [9]; and using the obtained electrolysis unit for electrolysis of sulfuric acid.
[ 11 ]
an electrolysis unit manufacturing step of manufacturing an electrolysis unit using the manufacturing method for an electrolysis unit according to [ 9 ];
a solution preparation step in which sulfuric acid is electrolyzed using the electrolysis unit obtained in the electrolysis unit manufacturing step to obtain a solution containing an oxidizing active species;
a removing step of removing an organic material pattern and/or impurities from a semiconductor substrate using the solution containing an oxidizing active species obtained in the solution preparation step.
[ 12 ]
an electrolysis unit manufacturing step of manufacturing an electrolysis unit using the manufacturing method for an electrolysis unit according to [ 9 ];
a solution preparation step in which sulfuric acid is electrolyzed using the electrolysis unit obtained in the electrolysis unit manufacturing step to obtain a solution containing an oxidizing active species;
A method for treating a composite material, comprising a reinforcing material recovery step of decomposing the resin of a composite material consisting of a resin and a reinforcing material using the solution containing the oxidizing active species obtained in the solution preparation step, and extracting the reinforcing material.
[ 13 ]
A method for producing a composite material, comprising using a reinforcing material extracted by the method for treating a composite material according to [ 12 ].
本発明によれば、強酸・高電圧の過酷な電解条件下でも高い耐久性を備え、優れた電解性能を有し、大面積化が可能な電極を提供することができる。 The present invention provides an electrode that is highly durable even under harsh electrolytic conditions of strong acid and high voltage, has excellent electrolytic performance, and can be made large in area.
以下、本発明を実施するための形態(以下、「本実施形態」という。)について詳細に説明する。なお、本発明は以下の記載に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で種々変形して実施できる。 The following describes in detail the form for carrying out the present invention (hereinafter referred to as the "present embodiment"). Note that the present invention is not limited to the following description, and can be carried out in various modifications within the scope of the gist of the invention.
[電極]
本実施形態の導電性ダイヤモンド電極は、基材と、前記基材の表面上に導電性ダイヤモンド粉末層とを有する電極であり、前記導電性ダイヤモンド粉末層は、少なくとも導電性ダイヤモンド粉末と、主として無機材料を含むマトリクスとを含む。
[electrode]
The conductive diamond electrode of this embodiment is an electrode having a substrate and a conductive diamond powder layer on the surface of the substrate, and the conductive diamond powder layer contains at least conductive diamond powder and a matrix mainly containing an inorganic material.
[基材]
本実施形態の導電性ダイヤモンド電極を構成する基材は、特に限定されないが、例えば、チタン、クロム、ニッケル、ジルコニウム、ニオブ、モリブテン、タンタル、タングステン等の純金属、チタン合金、ステンレス鋼、真鍮、ジュラルミン等の合金等の金属類、金、銀、白金、パラジウム、ロジウム、イリジウム、ルテニウム、オスミウム等の貴金属類が好適に用いられる。中でも、耐食性に優れ、比較的安価で入手しやすいという観点から、チタン、ステンレス鋼が好ましい。
基材の形状及びサイズは、特に限定されず、本実施形態の電極の用途に応じて適宜定められてよい。
[Substrate]
The substrate constituting the conductive diamond electrode of this embodiment is not particularly limited, but for example, titanium, chromium, nickel, zirconium, niobium, molybdenum, tantalum, tungsten, etc. pure metal, titanium alloy, stainless steel, brass, duralumin, etc. alloy metal, gold, silver, platinum, palladium, rhodium, iridium, ruthenium, osmium, etc. precious metal are preferably used. Among them, titanium and stainless steel are preferable from the viewpoint of excellent corrosion resistance, relatively cheap and easy to obtain.
The shape and size of the substrate are not particularly limited and may be appropriately determined depending on the application of the electrode of this embodiment.
[導電性ダイヤモンド粉末層]
本実施形態の導電性ダイヤモンド電極は、基材の表面上に導電性ダイヤモンド粉末層を有する。導電性ダイヤモンド粉末層は、基材の表面の少なくとも一部に設けられていればよい。
[Conductive diamond powder layer]
The conductive diamond electrode of this embodiment has a conductive diamond powder layer on the surface of a substrate. The conductive diamond powder layer may be provided on at least a part of the surface of the substrate.
導電性ダイヤモンド粉末層は、少なくとも導電性ダイヤモンド粉末と、主として無機材料を含むマトリクスとを含む。マトリクスが主として無機材料を含むことにより、導電性ダイヤモンド粉末層は、基材との接着性に優れるとともに、強酸・高電圧の過酷な電解条件下にも耐え得る高い耐久性を有する。 The conductive diamond powder layer contains at least conductive diamond powder and a matrix that mainly contains inorganic materials. Because the matrix mainly contains inorganic materials, the conductive diamond powder layer has excellent adhesion to the substrate and is highly durable enough to withstand harsh electrolytic conditions of strong acid and high voltage.
導電性ダイヤモンド粉末層の平均厚みは、導電性ダイヤモンド粉末の粒径や含有量に応じて適宜選択可能であるが、5nm~500μmであることが好ましく、より好ましくは7nm~200μm、更に好ましくは10nm~150μmである。平均厚みが5nm以上であると、強酸・高電圧の過酷な電解条件下でも優れた電解性能を発揮することができ、500μm以下であると、十分に電気抵抗が低く、エネルギーのロスを低減することができる。
なお、本開示で、導電性ダイヤモンド粉末層の平均厚みは、走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて測定される値である。
The average thickness of the conductive diamond powder layer can be appropriately selected according to the particle size and content of the conductive diamond powder, but is preferably 5 nm to 500 μm, more preferably 7 nm to 200 μm, and even more preferably 10 nm to 150 μm. If the average thickness is 5 nm or more, excellent electrolytic performance can be exhibited even under harsh electrolytic conditions of strong acid and high voltage, and if it is 500 μm or less, the electrical resistance is sufficiently low and energy loss can be reduced.
In the present disclosure, the average thickness of the conductive diamond powder layer is a value measured using a scanning electron microscope (SEM).
[[導電性ダイヤモンド粉末]]
導電性ダイヤモンド粉末層に含まれる導電性ダイヤモンド粉末は、マトリクス中に分散している。
導電性ダイヤモンド粉末としては、例えば、ボロンドープダイヤモンド粉末(BDDP)、リンドープダイヤモンド粉末、窒素ドープダイヤモンド粉末等が挙げられる。中でも、低抵抗のダイヤモンド粉末が得られるという観点から、BDDPが好ましい。
[[Conductive diamond powder]]
The conductive diamond powder contained in the conductive diamond powder layer is dispersed in a matrix.
Examples of conductive diamond powder include boron-doped diamond powder (BDDP), phosphorus-doped diamond powder, nitrogen-doped diamond powder, etc. Among these, BDDP is preferred from the viewpoint of obtaining diamond powder with low resistance.
導電性ダイヤモンド粉末は、粒子状基材と、前記粒子状基材の表面の少なくとも一部に導電性ダイヤモンド膜とを有しており、前記粒子状基材の表面の一部に導電性ダイヤモンド膜を被覆してもよく、前記粒子状基材表面のすべてを導電性ダイヤモンド膜で被覆していてもよい。
ここで、前記導電性ダイヤモンド粉末における導電性とは、粉体導電率が0.01S/cm以上であることを意味する。
前記粒子状基材に用いる材料としては、導電性ダイヤモンド膜の成膜時に加わる熱によって溶融・変形するものでなければ特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、砥粒として市販されている絶縁性のダイヤモンド粒子等の天然もしくは合成されたダイヤモンド粒子、シリコンやモリブデン等の金属微粒子、窒化ホウ素等の金属合金微粒子、石英やアルミナ等の金属酸化物微粒子などが挙げられる。これらの中でも、天然ダイヤモンド粒子及び合成ダイヤモンド粒子が好ましい。
これら粒子状基材の材料は、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
The conductive diamond powder has a particulate base material and a conductive diamond film on at least a portion of the surface of the particulate base material, and the conductive diamond film may be coated on only a portion of the surface of the particulate base material, or the entire surface of the particulate base material may be coated with the conductive diamond film.
Here, the term "conductive" in the conductive diamond powder means that the powder conductivity is 0.01 S/cm or more.
The material used for the particulate substrate is not particularly limited as long as it is not melted or deformed by the heat applied during the formation of the conductive diamond film, and can be appropriately selected according to purpose, and examples thereof include natural or synthetic diamond particles such as insulating diamond particles that are commercially available as abrasive grains, metal particles such as silicon and molybdenum, metal alloy particles such as boron nitride, metal oxide particles such as quartz and alumina, etc. Among these, natural diamond particles and synthetic diamond particles are preferred.
These particulate base materials may be used alone or in combination of two or more.
人工的なダイヤモンド粉末は、熱CVD法、RFプラズマCVD法、熱フィラメントCVD法等のCVD法、イオンビーム法、イオン化蒸着法等のPVD法、高温高圧法等により作製することができる。 Artificial diamond powder can be produced by CVD methods such as thermal CVD, RF plasma CVD, and hot filament CVD, PVD methods such as ion beam and ionized vapor deposition, and high temperature and high pressure methods.
基材粒子の表面上に導電性ダイヤモンド層を形成する方法としては、例えば、プラズマCVD法、熱CVD法、光CVD法、レーザーCVD法等のCVD法により、基材上にドーピング元素を含有するダイヤモンド層を成長させる方法等が挙げられる。
導電性ダイヤモンド層の材料となる炭素及びドーピング元素は、炭素の原子数に対するドーピング元素の原子数の比率(ドーピング元素/炭素)が、10~100,000ppmであることが好ましく、より好ましくは100~50,000ppm、更に好ましくは1000~30,000ppmである。ドーピング元素の原子数の比率が上記範囲であると、結晶性が高く、優れた導電性を発揮する導電性ダイヤモンド粒子を得ることができる。
Methods for forming a conductive diamond layer on the surface of a base particle include, for example, methods in which a diamond layer containing a doping element is grown on the base material by a CVD method such as a plasma CVD method, a thermal CVD method, a photo CVD method, or a laser CVD method.
The carbon and doping element that are the materials of the conductive diamond layer preferably have a ratio of the number of atoms of the doping element to the number of atoms of carbon (doping element/carbon) of 10 to 100,000 ppm, more preferably 100 to 50,000 ppm, and even more preferably 1000 to 30,000 ppm. When the ratio of the number of atoms of the doping element is within the above range, conductive diamond particles that are highly crystallizable and exhibit excellent conductivity can be obtained.
導電性ダイヤモンド層を構成する炭素の炭素源としては、例えば、メタン、エタン、プロパン、ブタン、ペンタン、ヘキサン、ヘプタン、オクタン等の脂肪族炭化水素;シクロヘキサン等の脂環式炭化水素;ベンゼン、トルエン、キシレン、エチルベンゼン等の芳香族炭化水素;メタノール、エタノール、イソプロピルアルコール、ブタノール等のアルコール;アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン等のケトン;ジエチルエーテル、ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン、ジオキサン等のエーテル;酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸イソプロピル、酢酸ブチル等のエステル等が挙げられる。
これらの炭素源は、1種を単独で使用しても、2種以上を組み合わせて使用してもよい。
Examples of carbon sources for the carbon that constitutes the conductive diamond layer include aliphatic hydrocarbons such as methane, ethane, propane, butane, pentane, hexane, heptane, and octane; alicyclic hydrocarbons such as cyclohexane; aromatic hydrocarbons such as benzene, toluene, xylene, and ethylbenzene; alcohols such as methanol, ethanol, isopropyl alcohol, and butanol; ketones such as acetone, methyl ethyl ketone, and methyl isobutyl ketone; ethers such as diethyl ether, dimethoxyethane, tetrahydrofuran, and dioxane; and esters such as methyl acetate, ethyl acetate, isopropyl acetate, and butyl acetate.
These carbon sources may be used alone or in combination of two or more.
ドーピング元素がホウ素である場合、ホウ素源としては、例えば、酸化ホウ素、炭化ホウ素、窒化ホウ素、ホウ酸、ジボラン、トリエチルボラン、トリメトキシボラン、トリエトキシボラン、トリプロポキシボラン、トリ(1,1-ジメチルエトキシ)ボラン等が挙げられる。
これらのホウ素源は、1種を単独で使用しても、2種以上を組み合わせて使用してもよい。
When the doping element is boron, boron sources include, for example, boron oxide, boron carbide, boron nitride, boric acid, diborane, triethylborane, trimethoxyborane, triethoxyborane, tripropoxyborane, tri(1,1-dimethylethoxy)borane, and the like.
These boron sources may be used alone or in combination of two or more.
導電性ダイヤモンド粉末の形状は、特に限定されず、球状、多面体状、針状、紡錘状等が挙げられる。
導電性ダイヤモンド粉末は、サイズの異なる粒子が混在していてもよい。
導電性ダイヤモンド粉末の平均粒子径は、5nm~100μmであることが好ましく、より好ましくは50nm~10μm、更に好ましくは100nm~1μmである。平均粒子径が5nm以上であると、結晶性の良好な導電性ダイヤモンド粉末を得ることができ、100μm以下であると、マトリクス中に導電性ダイヤモンド粉末を良好に分散させることができる。
なお、本開示で、導電性ダイヤモンド粉末の平均粒子径は、動的光散乱法(DLS)により測定される体積平均粒子径であり、具体的には、後述の実施例に記載の方法により測定することができる。
The shape of the conductive diamond powder is not particularly limited, and examples thereof include spherical, polyhedral, needle, and spindle shapes.
The conductive diamond powder may be a mixture of particles of different sizes.
The average particle size of the conductive diamond powder is preferably 5 nm to 100 μm, more preferably 50 nm to 10 μm, and even more preferably 100 nm to 1 μm. If the average particle size is 5 nm or more, a conductive diamond powder with good crystallinity can be obtained, and if it is 100 μm or less, the conductive diamond powder can be well dispersed in the matrix.
In the present disclosure, the average particle size of the conductive diamond powder is the volume average particle size measured by dynamic light scattering (DLS), and specifically, can be measured by the method described in the examples below.
導電性ダイヤモンド粉末の表面は、X線光電子分光法(XPS)を用いて算出される酸素原子の濃度が、1%以上であることが好ましく、より好ましくは5%以上、更に好ましくは7%以上である。酸素原子の濃度が1%以上であると、導電性ダイヤモンド粉末と基材との接着性が高く、強酸・高電圧の電解条件下でも導電性ダイヤモンド粉末層が安定して機能する電極となる傾向にある。
なお、XPSによる酸素原子の表面濃度の測定は、具体的には、後述の実施例に記載の方法により実施することができる。
The surface of conductive diamond powder preferably has an oxygen atom concentration calculated by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) of 1% or more, more preferably 5% or more, and even more preferably 7% or more.When the oxygen atom concentration is 1% or more, the adhesiveness between conductive diamond powder and substrate is high, and the conductive diamond powder layer tends to become an electrode that functions stably even under the electrolytic condition of strong acid and high voltage.
Specifically, the measurement of the surface concentration of oxygen atoms by XPS can be carried out by the method described in the examples below.
導電性ダイヤモンド粉末の含有量は、導電性ダイヤモンド粉末層に含まれる導電性粉末の総質量を100質量%として、90質量%以上であることが好ましく、より好ましくは95質量%以上、更に好ましくは98質量%以上である。 The content of the conductive diamond powder is preferably 90% by mass or more, more preferably 95% by mass or more, and even more preferably 98% by mass or more, with the total mass of the conductive powder contained in the conductive diamond powder layer being 100% by mass.
[[その他の導電性粉末]]
本実施形態の電極の導電性ダイヤモンド粉末層には、電極の導電性、耐久性等を担保、維持、又は向上させる観点から、導電性ダイヤモンド粉末の他に、例えば、スズドープ酸化インジウム(ITO)、フッ素ドープ酸化スズ(FTO)、アンチモンドープ酸化スズ(ATO)、アルミニウムドープ酸化亜鉛(AZO)、ガリウムドープ酸化亜鉛(GZO)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化インジウム(In2O3)、酸化スズ(SnO2)、IZO(In-Zn-O)、IGZO(In-Ga-Zn-O)、カーボンナノチューブ、フラーレン)、カーボンブラック、グラフェン等の導電助剤、Ag、Au、Cu、Pd、Pt、Al等の金属粒子等のその他の導電性粉末を含んでいてもよい。
上記その他の導電性粉末は、1種単独であっても、2種以上の組み合わせであってもよい。
その他の導電性粉末の含有量は、導電性ダイヤモンド粉末層に含まれる導電性粉末の総質量を100質量%として、10質量%以下であることが好ましい。
[[Other conductive powders]]
In order to ensure, maintain or improve the conductivity, durability, etc. of the electrode, the conductive diamond powder layer of the electrode of this embodiment may contain, in addition to the conductive diamond powder, other conductive powders such as, for example, tin-doped indium oxide (ITO), fluorine-doped tin oxide (FTO), antimony-doped tin oxide (ATO), aluminum-doped zinc oxide (AZO), gallium-doped zinc oxide (GZO), zinc oxide (ZnO), indium oxide (In 2 O 3 ), tin oxide (SnO 2 ), IZO (In-Zn-O), IGZO (In-Ga-Zn-O), carbon nanotubes, fullerenes), conductive assistants such as carbon black and graphene, and metal particles such as Ag, Au, Cu, Pd, Pt and Al.
The other conductive powders may be used alone or in combination of two or more kinds.
The content of the other conductive powders is preferably 10 mass % or less, with the total mass of the conductive powders contained in the conductive diamond powder layer being 100 mass %.
[[マトリクス]]
導電性ダイヤモンド粉末層のマトリクスは、主として無機材料を含む。
なお、マトリクスが「主として」無機材料を含むとは、マトリクスを100質量%として、マトリクス中の無機材料の含有量が70質量%以上であることを指す。当該マトリクス中の無機材料の含有量は、90質量%以上であることが好ましく、より好ましくは95質量%以上、更に好ましくは97質量%以上である。
[[Matrix]]
The matrix of the conductive diamond powder layer mainly comprises inorganic materials.
The matrix "mainly" containing an inorganic material means that the content of the inorganic material in the matrix is 70% by mass or more, with the matrix being 100% by mass. The content of the inorganic material in the matrix is preferably 90% by mass or more, more preferably 95% by mass or more, and even more preferably 97% by mass or more.
無機材料は、耐強酸性、機械的強度の担保、面内応力の制御性の良さの観点から、主としてシリカを含むことが好ましい。シリカ以外の無機材料としては、特に限定されないが、耐強酸性のものが好ましく、例えば、チタニア、ジルコニア、アルミナ等の金属酸化物等が挙げられる。
なお、無機材料が「主として」シリカを含むとは、無機材料を100質量%として、無機材料中のシリカの含有量が50質量%超であることを指す。
From the viewpoints of strong acid resistance, securing mechanical strength, and good controllability of in-plane stress, it is preferable that the inorganic material mainly contains silica. Although there is no particular limitation, inorganic materials other than silica are preferably those that are strong acid resistant, such as metal oxides such as titania, zirconia, and alumina.
The term "inorganic material mainly contains" silica means that the content of silica in the inorganic material is more than 50 mass % with the inorganic material being 100 mass %.
導電性ダイヤモンド粉末層のマトリクスは、無機材料の他に、樹脂等の有機材料、無機酸化物と有機分子とが複合した有機無機複合材料を含んでいてもよい。
このような無機材料以外のマトリクス構成成分の含有量は、マトリクスを100質量%として30質量%以下であることが好ましい。
The matrix of the conductive diamond powder layer may contain, in addition to inorganic materials, organic materials such as resins, and organic-inorganic composite materials in which inorganic oxides and organic molecules are combined.
The content of such matrix constituent components other than the inorganic material is preferably 30% by mass or less, assuming the matrix to be 100% by mass.
導電性ダイヤモンド粉末層において、導電性ダイヤモンド粉末と無機材料との質量比(導電性ダイヤモンド粉末:無機材料)は、1:9~9:1であることが好ましく、より好ましくは2:8~8:2、更に好ましくは3:7~7:3、より更に好ましくは4:6~6:4である。導電性ダイヤモンド粉末と無機材料との質量比が上記範囲であると、導電性ダイヤモンド粉末の緻密性に優れ、優れた電解性能を示すことができる。
また、特に、導電性ダイヤモンド粉末層における導電性ダイヤモンド粉末とシリカとの質量比(導電性ダイヤモンド粉末:シリカ)は、2:8~8:2であることが好ましく、より好ましくは3:7~7:3、更に好ましくは4:6~6:4である。
In the conductive diamond powder layer, the mass ratio of the conductive diamond powder to the inorganic material (conductive diamond powder:inorganic material) is preferably 1:9 to 9:1, more preferably 2:8 to 8:2, even more preferably 3:7 to 7:3, and even more preferably 4:6 to 6:4. When the mass ratio of the conductive diamond powder to the inorganic material is within the above range, the conductive diamond powder has excellent density and can exhibit excellent electrolytic performance.
In particular, the mass ratio of the conductive diamond powder to silica in the conductive diamond powder layer (conductive diamond powder:silica) is preferably 2:8 to 8:2, more preferably 3:7 to 7:3, and even more preferably 4:6 to 6:4.
[導電性ダイヤモンド電極の製造方法]
本実施形態の導電性ダイヤモンド電極の製造方法は、導電性ダイヤモンド粉末を含む粉体と、上述の導電性ダイヤモンド粉末層のマトリクスを形成するマトリクス形成材料とを分散させたスラリーを調製するスラリー調製工程と、前記スラリー調製工程で調製されたスラリーを基材にコーティングしてコーティング層を形成するコーティング工程と、前記コーティング工程で形成されたコーティング層に熱処理を施して成膜する成膜工程とを有する。
[Method of manufacturing conductive diamond electrodes]
The manufacturing method of the conductive diamond electrode of this embodiment includes a slurry preparation step of preparing a slurry in which a powder containing conductive diamond powder and a matrix forming material that forms the matrix of the above-mentioned conductive diamond powder layer are dispersed, a coating step of coating a substrate with the slurry prepared in the slurry preparation step to form a coating layer, and a film formation step of subjecting the coating layer formed in the coating step to heat treatment to form a film.
[[スラリー調製工程]]
スラリー調製工程では、導電性ダイヤモンド粉末を含む粉体と、導電性ダイヤモンド粉末層のマトリクスを形成するマトリクス形成材料と、溶媒とを撹拌混合することにより、溶媒中に導電性ダイヤモンド粉末を含む粉体とマトリクス形成材料とを分散させたスラリーを調製する。
[[Slurry preparation process]]
In the slurry preparation process, a powder containing conductive diamond powder, a matrix-forming material that forms the matrix of the conductive diamond powder layer, and a solvent are stirred and mixed to prepare a slurry in which the powder containing conductive diamond powder and the matrix-forming material are dispersed in the solvent.
導電性ダイヤモンド粉末を含む粉体は、導電性ダイヤモンド粉末と、任意選択で上述のその他の粉末とを含む。
導電性ダイヤモンド粉末は、目的に応じて表面処理を行った後に用いてもよい。表面処理としては、例えば、水素終端化処理、酸素終端化処理、ハロゲン化処理、フェロセン修飾処理、スルホ基修飾処理、四級アンモニア基終端化処理、有機官能基修飾処理(カルボキシル基終端化処理等)等の化学修飾による処理、熱的処理等が挙げられる。中でも、マトリクス形成材料との相溶性向上の観点から、酸素終端化処理を施すことが好ましい。
特に、後述のコーティング工程において、スピンコート法によりコーティングする場合には、基材及びスラリー溶媒との親和性向上の観点から、導電性ダイヤモンド粉末に酸素終端化処理(親水化処理)を行っておくことが好ましい。
The powder containing conductive diamond powder comprises conductive diamond powder and, optionally, other powders as described above.
Conductive diamond powder may be used after surface treatment according to purpose.Surface treatment may include, for example, hydrogen termination treatment, oxygen termination treatment, halogenation treatment, ferrocene modification treatment, sulfo group modification treatment, quaternary ammonia group termination treatment, organic functional group modification treatment (carboxyl group termination treatment, etc.), and other chemical modification treatments, heat treatments, etc.Among them, from the viewpoint of improving compatibility with matrix forming material, it is preferable to carry out oxygen termination treatment.
In particular, when coating is performed by spin coating in the coating step described below, it is preferable to subject the conductive diamond powder to oxygen termination treatment (hydrophilization treatment) in order to improve affinity with the substrate and the slurry solvent.
マトリクス形成材料は、マトリクスの主たる構成成分である無機材料の原材料と、任意選択でその他のマトリクス構成成分の原材料とを含む。
無機材料としてシリカを含むマトリクスを形成するマトリクス形成材料としては、ゾル-ゲル膜を形成可能な公知の材料を適宜用いることができ、テトラメトキシシラン、テトラエトキシシラン、テトライソプロポキシシラン、メチルトリメトキシシラン、メチルトリエトキシシラン、メチルトリイソプロポキシシラン、エチルトリメトキシシラン、エチルトリエトキシシラン、エチルトリイソプロポキシシラン、プロピルトリメトキシシラン、プロピルトリエトキシシラン、プロピルトリイソプロポキシシラン、ブチルトリメトキシシラン、ブチルトリエトキシシラン、ブチルトリイソプロポキシシラン、ヘキシルトリメトキシシラン、ヘキシルトリエトキシシラン、ヘキシルトリイソプロポキシシラン、オクチルトリメトキシシラン、オクチルトリエトキシシラン、オクチルトリイソプロポキシシラン、デシルトリメトキシシラン、デシルトリエトキシシラン、デシルトリイソプロポキシシラン、オクタデシルトリメトキシシラン、オクタデシルトリエトキシシラン、オクタデシルトリイソプロポキシシラン、ビニルクロロシラン、ビニルトリメトキシシラン、ビニルトリエトキシシラン、2-(3,4-エポキシシクロヘキシル)エチルトリメトキシシラン、3-グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、3-グリシドキシプロピルメチルジエトキシシラン、3-グリシドキシプロピルジエトキシシラン、3-グリシドキシプロピルトリエトキシシラン、フェニルトリメトキシシラン、フェニルトリエトキシシラン、p-アミノフェニルトリメトキシシラン、p-スチリルトリメトキシシラン、3-(メタ)アクリルオキシプロピルトリエトキシシラン、3-(メタ)アクリルオキシプロピルトリメトキシシラン、3-(メタ)アクリルオキシプロピルメチルジメトキシシラン、3-(メタ)アクリルオキシプロピルメチルジエトキシシラン、3-アクリルオキシプロピルトリメトキシシラン、N-2-(アミノエチル)-3-アミノプロピルメチルジメトキシシラン、N-2-(アミノエチル)-3-アミノプロピルトリメトキシシラン、N-2-(アミノエチル)-3-アミノプロピルメチルジエトキシシラン、3-アミノプロピルトリメトキシシラン、3-アミノプロピルトリエトキシシラン、3-トリエトキシシリル-N-(1,3-ジメチルブチリデン)プロピルアミン、N-フェニル-3-アミノプロピルトリメトキシシラン、3-クロロプロピルトリメトキシシラン、3-メルカプトプロピルメチルジメトキシシラン、3-メルカプトプロピルトリメトキシシラン、ビス(トリエトキシシリルプロピル)テトラスルフィド、3-イソシアネートプロピルトリエトキシシラン、1H,1H,2H,2H-パーフルオロオクチルトリメトキシシラン、1H,1H,2H,2H-パーフルオロオクチルトリエトキシシランおよび1H,1H,2H,2H-パーフルオロオクチルトリクロロシランからなる群より選ばれる1種以上を含むことが好ましい。
The matrix-forming material includes raw materials of the inorganic material that is the main component of the matrix, and optionally raw materials of other matrix components.
As a matrix forming material for forming a matrix containing silica as an inorganic material, a known material capable of forming a sol-gel film can be appropriately used, and examples thereof include tetramethoxysilane, tetraethoxysilane, tetraisopropoxysilane, methyltrimethoxysilane, methyltriethoxysilane, methyltriisopropoxysilane, ethyltrimethoxysilane, ethyltriethoxysilane, ethyltriisopropoxysilane, propyltrimethoxysilane, propyltriethoxysilane, propyltriisopropoxysilane, butyltrimethoxysilane, butyltriethoxysilane, butyltriisopropoxysilane, hexyltrimethoxysilane, hexyltriethoxysilane, hexyltriisoprop ... epoxysilane, octyltrimethoxysilane, octyltriethoxysilane, octyltriisopropoxysilane, decyltrimethoxysilane, decyltriethoxysilane, decyltriisopropoxysilane, octadecyltrimethoxysilane, octadecyltriethoxysilane, octadecyltriisopropoxysilane, vinylchlorosilane, vinyltrimethoxysilane, vinyltriethoxysilane, 2-(3,4-epoxycyclohexyl)ethyltrimethoxysilane, 3-glycidoxypropyltrimethoxysilane, 3-glycidoxypropylmethyldiethoxysilane, 3-glycidoxypropyldiethoxysilane, 3-glycidoxypropyltriethoxysilane, phenyltrimethoxysilane Silane, phenyltriethoxysilane, p-aminophenyltrimethoxysilane, p-styryltrimethoxysilane, 3-(meth)acryloxypropyltriethoxysilane, 3-(meth)acryloxypropyltrimethoxysilane, 3-(meth)acryloxypropylmethyldimethoxysilane, 3-(meth)acryloxypropylmethyldiethoxysilane, 3-acryloxypropyltrimethoxysilane, N-2-(aminoethyl)-3-aminopropylmethyldimethoxysilane, N-2-(aminoethyl)-3-aminopropyltrimethoxysilane, N-2-(aminoethyl)-3-aminopropylmethyldiethoxysilane, 3-aminopropyltrimethoxysilane, 3-aminopropyltrimethoxysilane, [0113] It is preferable that the isocyanate-containing silane compound contains at least one selected from the group consisting of 1H,1H,2H,2H-perfluorooctyltrimethoxysilane, 1H,1H,2H,2H-perfluorooctyltriethoxysilane, 1H,1H,2H,2H-perfluorooctyltriethoxysilane, and 1H,1H,2H,2H-perfluorooctyltrichlorosilane.
無機材料としてチタニア、ジルコニア、アルミナを含むマトリクスを形成するマトリクス形成材料としては、ゾル-ゲル膜を形成可能な公知の材料を適宜用いることができる。
これらは、1種を単独で使用しても、2種以上を組み合わせて使用してもよい。
As a matrix-forming material for forming a matrix containing titania, zirconia, or alumina as an inorganic material, any known material capable of forming a sol-gel film can be appropriately used.
These may be used alone or in combination of two or more.
溶媒としては、メタノール、エタノール等の有機溶媒を好適に用いることができる。
更に、反応触媒のため、硝酸、塩酸、アンモニア等の無機酸やアルカリ水溶液を加えてもよい。
As the solvent, an organic solvent such as methanol or ethanol can be suitably used.
Furthermore, an inorganic acid such as nitric acid, hydrochloric acid, or ammonia, or an aqueous alkali solution may be added as a reaction catalyst.
スラリー調製において、マトリクス形成材料に対する導電性ダイヤモンド粉末の質量割合(導電性ダイヤモンド粉末/マトリクス形成材料)は、適宜選択可能であるが、10~900質量%であることが好ましく、より好ましくは25~400質量%、更に好ましくは40~200質量%、より更に好ましくは60~150質量%である。導電性ダイヤモンド粉末の質量割合が上記範囲であると、十分な導電性を有し、かつ安定な導電性ダイヤモンド粉末層を得ることができる。 In preparing the slurry, the mass ratio of the conductive diamond powder to the matrix-forming material (conductive diamond powder/matrix-forming material) can be selected as appropriate, but is preferably 10 to 900 mass%, more preferably 25 to 400 mass%, even more preferably 40 to 200 mass%, and even more preferably 60 to 150 mass%. When the mass ratio of the conductive diamond powder is within the above range, a conductive diamond powder layer that has sufficient conductivity and is stable can be obtained.
[[コーティング工程]]
コーティング工程では、スラリー調製工程で調製されたスラリーを基材にコーティングして、コーティング層を形成する。
基材は、スラリーとの親和性向上の観点から、コーティング前に予めUV/オゾン処理等により親水化処理を行ってもよい。
[[Coating process]]
In the coating step, the slurry prepared in the slurry preparation step is applied to a substrate to form a coating layer.
From the viewpoint of improving affinity with the slurry, the substrate may be subjected to a hydrophilization treatment such as a UV/ozone treatment before coating.
コーティング方法としては、特に限定されず、スピンコート法、ディップコート法、ラミナーフローコート法、プリンティング法、スプレーコート法、バーコート法等が挙げられる。また、特に、基材が板状である場合に、少量のスラリーで均一に展開(コーティング)することができることから、スピンコート法が好ましい。 The coating method is not particularly limited, and examples include spin coating, dip coating, laminar flow coating, printing, spray coating, bar coating, etc. In particular, when the substrate is plate-shaped, spin coating is preferred because it allows uniform spreading (coating) with a small amount of slurry.
スピンコート法によりコーティングする場合、基盤の回転速度及び回転時間は、スラリーの粘度や、目的とする導電性ダイヤモンド層の厚さ等に応じて適宜選択され、例えば、基盤の回転速度を1000~30,000rpmとし、かつ回転時間を10~300秒とすることができる。 When coating by spin coating, the rotation speed and rotation time of the substrate are appropriately selected depending on the viscosity of the slurry and the desired thickness of the conductive diamond layer. For example, the rotation speed of the substrate can be 1000 to 30,000 rpm and the rotation time can be 10 to 300 seconds.
[[成膜工程]]
成膜工程では、コーティング工程で形成されたコーティング層に熱処理を施して成膜する。
熱処理を施して成膜する方法としては、ゾル-ゲル法、水熱反応等が挙げられる。すべて常温で行えることから、ゾル-ゲル法が好ましい。
[[Film formation process]]
In the film-forming step, the coating layer formed in the coating step is subjected to a heat treatment to form a film.
Examples of the method for forming a film by heat treatment include the sol-gel method, hydrothermal reaction, etc. The sol-gel method is preferred because it can be carried out at room temperature.
熱処理温度は、50~500℃であることが好ましく、より好ましくは100~250℃である。 The heat treatment temperature is preferably 50 to 500°C, and more preferably 100 to 250°C.
[電解ユニット]
本実施形態の電解ユニットは、上述の本実施形態の導電性ダイヤモンド電極を備える。
本実施形態の導電性ダイヤモンド電極以外の電解ユニットの構成(対極、隔膜等)は、特に限定されず、電解用途に応じて従来公知のものを用いることができる。
[Electrolysis unit]
The electrolysis unit of this embodiment is equipped with the conductive diamond electrode of this embodiment described above.
The configuration of the electrolysis unit other than the conductive diamond electrode of this embodiment (counter electrode, diaphragm, etc.) is not particularly limited, and conventionally known ones can be used depending on the electrolysis application.
本実施形態の電解ユニットは、上述の本実施形態の電極を備えるため、硫酸の電気分解等の強酸・高電圧の過酷な電解にも使用することができる。
本実施形態の電解ユニットを用いて硫酸を電気分解すると、酸化性活性種(OHラジカル、ペルオキソ一硫酸、ペルオキソ二硫酸、オゾン、過酸化水素等)を含む溶液を得ることができる。
The electrolysis unit of this embodiment includes the electrodes of this embodiment described above, and can therefore be used for severe electrolysis of strong acids and high voltages, such as the electrolysis of sulfuric acid.
When sulfuric acid is electrolyzed using the electrolysis unit of this embodiment, a solution containing oxidizing active species (OH radicals, peroxomonosulfuric acid, peroxodisulfuric acid, ozone, hydrogen peroxide, etc.) can be obtained.
本実施形態の電解ユニットは、硫酸の電気分解に用いることができるため、例えば、本実施形態の電解ユニットを用いて硫酸の電気分解を行い、酸化性活性種を含む溶液を得る溶液調製工程と、前記溶液調製工程で得られた前記酸化性活性種を含む溶液を用いて、半導体基板上より、有機材料のパターン及び/又は不純物を除去する除去工程とを有することを特徴とする、半導体の製造方法に用いることができる。
除去工程において、酸化性活性種を含む溶液に半導体基板を浸漬することにより、半導体基板上の有機材料のパターン(感光性樹脂等)及び/又は不純物(金属、パーティクル等)が分解し、半導体基板上から除去される。
The electrolysis unit of the present embodiment can be used for electrolyzing sulfuric acid. Therefore, for example, the electrolysis unit of the present embodiment can be used in a semiconductor manufacturing method comprising: a solution preparation step of electrolyzing sulfuric acid using the electrolysis unit of the present embodiment to obtain a solution containing an oxidizing active species; and a removal step of removing an organic material pattern and/or impurities from a semiconductor substrate by using the solution containing the oxidizing active species obtained in the solution preparation step.
In the removal process, the semiconductor substrate is immersed in a solution containing an oxidizing active species, whereby the organic material pattern (e.g., photosensitive resin) and/or impurities (e.g., metals, particles) on the semiconductor substrate are decomposed and removed from the semiconductor substrate.
また、本実施形態の電解ユニットは、本実施形態の電解ユニットを用いて硫酸の電気分解を行い、酸化性活性種を含む溶液を得る溶液調製工程と、前記溶液調製工程で得られた前記酸化性活性種を含む溶液を用いて、樹脂と補強材とからなる複合材の樹脂を分解し、前記補強材を取り出す補強材回収工程とを有することを特徴とする、複合材の処理方法に用いることができる。また、上記複合材の処理方法により取り出された補強材は、複合材の製造に再利用してリサイクルすることができる。
補強材回収工程において、酸化性活性種を含む溶液に、樹脂と補強材とからなる複合材を浸漬することにより樹脂が分解し、分解後の分解物が溶液に溶解され、その後、補強材を溶液から取り出すことにより、補強材を回収することができる。
The electrolysis unit of this embodiment can be used in a method for treating a composite material, the method comprising: a solution preparation step of electrolyzing sulfuric acid using the electrolysis unit of this embodiment to obtain a solution containing oxidizing active species; and a reinforcing material recovery step of decomposing a resin of a composite material composed of a resin and a reinforcing material using the solution containing the oxidizing active species obtained in the solution preparation step, and extracting the reinforcing material. The reinforcing material extracted by the method for treating a composite material can be recycled by being reused in the production of a composite material.
In the reinforcing material recovery process, a composite material consisting of a resin and a reinforcing material is immersed in a solution containing an oxidizing active species, whereby the resin is decomposed, and the decomposition products are dissolved in the solution. The reinforcing material can then be recovered by removing it from the solution.
複合材に含まれる樹脂としては、複合材に一般的に用いられるものであれば特に限定されず、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂等が挙げられる。熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリエーテルエーテルケトンやポリエーテルスルフォンのようなスーパーエンジニアリングプラスチック、ポリエステル、ナイロン、ポリプロピレン、ポリエチレンのような汎用プラスチック等が挙げられる。熱硬化性樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂、ビスマレイミド樹脂、ポリイミド樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂等が挙げられる。これらの樹脂は、1種単独であっても、2種以上の組み合わせであってもよい。 The resin contained in the composite material is not particularly limited as long as it is one that is generally used in composite materials, and examples thereof include thermosetting resins and thermoplastic resins. Examples of thermoplastic resins include super engineering plastics such as polyether ether ketone and polyether sulfone, and general-purpose plastics such as polyester, nylon, polypropylene, and polyethylene. Examples of thermosetting resins include epoxy resins, bismaleimide resins, polyimide resins, unsaturated polyester resins, and vinyl ester resins. These resins may be used alone or in combination of two or more types.
複合材に含まれる補強材としては、例えば、炭素繊維、ガラス繊維、金属繊維、アラミド等の有機系高強度繊維、カーボンナノチューブやセルロース系ナノ繊維のような有機系・無機系のナノ繊維等が挙げられる。これらの繊維は、1種単独であっても、2種以上を複合したハイブリット系の繊維であってもよい。 Examples of reinforcing materials contained in composite materials include carbon fiber, glass fiber, metal fiber, organic high-strength fibers such as aramid, and organic and inorganic nanofibers such as carbon nanotubes and cellulose nanofibers. These fibers may be of one type alone or may be hybrid fibers that combine two or more types.
以下、具体的な実施例、比較例を挙げて本発明を説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。 The present invention will be explained below with specific examples and comparative examples, but the present invention is not limited to the following examples.
実施例及び比較例において使用した測定方法は、以下のとおりである。 The measurement methods used in the examples and comparative examples are as follows:
(1)導電性ダイヤモンド粉末の平均粒子径
実施例で用いたBDDPについて、動的光散乱(DLS)式測定装置(Particle Sizing Systems社製、NICOMP380)を用いて平均粒子径(nm)を求めた。
(1) Average Particle Diameter of Conductive Diamond Powder The average particle diameter (nm) of the BDDP used in the examples was determined using a dynamic light scattering (DLS) measuring device (NICOMP380, manufactured by Particle Sizing Systems).
(2)導電性ダイヤモンド粉末表面の酸素原子濃度
実施例で用いたBDDPについて、BDDP表面における酸素原子の濃度(%)を、X線光電子分光法(XPS)により求めた。
具体的には、下記条件により測定を行い、酸素の1sスペクトル(525~545eV)のピーク面積に基づいて酸素原子の濃度を算出した。なお、BDDP上の3箇所について測定を行い、その測定結果を平均した。
〈XPS測定条件〉
使用機器: Kratos Analytical社製、AXIS-NOVA
励起源:monoAlKα線(加速電圧15kV)
分析サイズ:100μmφ
光電子取出角:90°
スキャン範囲:0~1100eV
(2) Oxygen Atom Concentration on the Surface of Conductive Diamond Powder For the BDDP used in the examples, the oxygen atom concentration (%) on the BDDP surface was determined by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS).
Specifically, the measurement was performed under the following conditions, and the concentration of oxygen atoms was calculated based on the peak area of the oxygen 1s spectrum (525 to 545 eV). The measurement was performed at three points on the BDDP, and the measurement results were averaged.
<XPS Measurement Conditions>
Equipment used: AXIS-NOVA manufactured by Kratos Analytical
Excitation source: monoAlKα ray (accelerating voltage 15 kV)
Analysis size: 100 μmφ
Photoelectron take-off angle: 90°
Scan range: 0 to 1100 eV
(3)サイクリックボルタンメトリー(CV)
実施例及び比較例で得られた電極について、電気化学測定装置(北斗電工製、HZ-7000)を用いて1M H2SO4中のCVを測定した。参照極に銀/塩化銀(Ag/AgCl)電極、対極に白金線を用いた。
測定結果を図2に示す。
なお、硫酸電解において、酸化性活性種であるペルオキソ二硫酸の生成は、水の電解により生じるOHラジカルの生成が基点となる。OHラジカルの生成は酸素(O2)の生成と競争するため、酸素発生に対する過電圧が大きいほど効率的なOHラジカル生成が可能となり、ペルオキソ二硫酸生成、すなわち硫酸電解に有利であると考えられる。
(3) Cyclic voltammetry (CV)
The CV of the electrodes obtained in the examples and comparative examples was measured in 1M H2SO4 using an electrochemical measurement device (HZ-7000, manufactured by Hokuto Denko). A silver/silver chloride (Ag/AgCl) electrode was used as the reference electrode, and a platinum wire was used as the counter electrode.
The measurement results are shown in FIG.
In sulfuric acid electrolysis, the generation of peroxodisulfuric acid, an oxidizing active species, begins with the generation of OH radicals produced by the electrolysis of water. The generation of OH radicals competes with the generation of oxygen ( O2 ), so the greater the overpotential for oxygen generation, the more efficient the generation of OH radicals becomes, which is considered to be advantageous for the generation of peroxodisulfuric acid, i.e., sulfuric acid electrolysis.
(4)硫酸の定電流電解
(i)1M H2SO4の定電流電解
2室電解セル(イーシーフロンティア製、VB9)を用い、対極を白金線として、実施例1、3、及び比較例2で得られた電極(電極面積:0.5cm2)による1M H2SO4の定電流電解(電解電流:0.3mA)を行った。
測定結果を図3に示す。
(ii)10M H2SO4の定電流電解
2室電解セル(イーシーフロンティア製、VB9)を用い、対極を白金線として、実施例1及び比較例1で得られた電極(電極面積:0.5cm2)による10M H2SO4の定電流電解を行った。電解電位が+2~+3V vs.Ag/AgCl程度になるように電解電流値を設定し、90分間の電解を実施した。
実施例1の測定結果(電解電流:0.2mA、0.25mA、0.3mA)を図4に示す。
(iii)酸化性活性種の濃度及び生成効率
上記(ii)10M H2SO4の定電流電解後の硫酸に含まれる酸化性活性種の濃度(mM)について、ヨウ化カリウムと酸化性活性種とを反応させてヨウ素を遊離させ、ヨウ素の全濃度をチオ硫酸ナトリウム標準溶液にて滴定することにより測定した(ヨウ化カリウム滴定法)。
また、通電電荷量1Cあたりの酸化性活性種の生成効率(μmol/C)を算出した。
実施例1の測定結果を図5に示す。図5において、酸化性活性種の濃度を白四角形、酸化性活性種の生成効率を黒丸で示している。
なお、酸化性活性種の濃度及び物質量は、滴定におけるヨウ素(I2)相当量として表した。
(4) Constant-current electrolysis of sulfuric acid (i) Constant-current electrolysis of 1 M H2SO4 Constant-current electrolysis (electrolysis current: 0.3 mA) of 1 M H2SO4 was carried out using a two-chamber electrolysis cell (EC Frontier, VB9) and the electrodes (electrode area: 0.5 cm2 ) obtained in Examples 1 and 3, and Comparative Example 2 , with a platinum wire as the counter electrode.
The measurement results are shown in FIG.
(ii) Constant-current electrolysis of 10 M H 2 SO 4 Constant-current electrolysis of 10
The measurement results of Example 1 (electrolysis current: 0.2 mA, 0.25 mA, 0.3 mA) are shown in FIG.
(iii) Concentration and generation efficiency of oxidizing active species The concentration (mM) of the oxidizing active species contained in sulfuric acid after constant current electrolysis of 10 M H2SO4 above (ii) was measured by reacting potassium iodide with the oxidizing active species to liberate iodine, and titrating the total iodine concentration with a sodium thiosulfate standard solution (potassium iodide titration method).
In addition, the generation efficiency of oxidizing active species per 1 C of applied charge (μmol/C) was calculated.
The measurement results of Example 1 are shown in Fig. 5. In Fig. 5, the concentration of oxidizing active species is shown by white squares, and the generation efficiency of oxidizing active species is shown by black circles.
The concentrations and amounts of oxidizing active species were expressed as iodine (I 2 ) equivalent amounts in titration.
[実施例1]
(BDDPの作製)
ダイヤモンドパウダー(エレメントシックス製、Micron+MDA0-0.5、平均粒子径:約300nm)を基材とし、マイクロ波プラズマCVD法を用いて基材表面にBDD層を成長させることにより、as-grown BDDPを作製した。
炭素源としてアセトン・メタノール混合溶液(9:1、v/v)、ホウ素源としてトリメトキシボランを用い、炭素の原子数に対するホウ素の原子数の比率(ホウ素/炭素)を20,000ppmとした。CVD条件を下記に示す。
as-grown BDDPに、マッフル炉を用いて空気中で425℃、5時間の加熱酸化処理(酸素終端化処理)を施すことにより、BDDPを得た。
〈CVD条件〉
マイクロ波出力:1300W
圧力:50Torr
水素ガス流量:400sccm
ホウ素/炭素比率:20,000ppm
成長時間:8h
得られたBDDPの平均粒子径は350nm、BDDP表面の酸素原子濃度は、7.6%であった。
(塗布型BDD電極の作製)
上記で得られたBDDP0.34g、テトラエトキシシラン0.5mL、エタノール1.3mL、4.2M硝酸1.3mLを混合し、24時間攪拌して、スラリーを調製した(BDDP:テトラエトキシシラン質量比=4:6)。洗浄し、UV/オゾン処理装置(セン特殊光源製、PL17-110)により親水化処理を施したチタン板(1.5cm×1.5cm)の表面に0.1mLのスラリーを滴下し、スピンコート法(回転速度:3000rpm、時間:120秒)により液膜を展開した。その後、120℃で1時間の焼成処理を施して塗布型BDD電極を得た。
また、得られたBDD電極の表面を走査型電子顕微鏡(SEM)(日本電子製、JSM-7600F)により観察した。図1に得られたSEM像を示す。上図は低倍率像(倍率1,000倍)であり、下図は、上図の点線部分付近を拡大した高倍率像(倍率20,000倍)である。細かな亀裂が見られるものの、基板の露出は観察されず、BDDP層が良好に形成されていた。なお、上記細かな亀裂は、後述する硫酸の定電流電解の結果から、電極特性の劣化に至る亀裂ではないことが分かった。
[Example 1]
(Preparation of BDDP)
Diamond powder (Element Six, Micron+MDA0-0.5, average particle size: approximately 300 nm) was used as a substrate, and a BDD layer was grown on the substrate surface by microwave plasma CVD to produce an as-grown BDDP.
A mixed solution of acetone and methanol (9:1, v/v) was used as the carbon source, trimethoxyborane was used as the boron source, and the ratio of the number of boron atoms to the number of carbon atoms (boron/carbon) was set to 20,000 ppm. The CVD conditions are shown below.
The as-grown BDDP was subjected to a thermal oxidation treatment (oxygen termination treatment) at 425° C. for 5 hours in air using a muffle furnace to obtain BDDP.
<CVD conditions>
Microwave power: 1300W
Pressure: 50 Torr
Hydrogen gas flow rate: 400 sccm
Boron/carbon ratio: 20,000 ppm
Growth time: 8 hours
The average particle size of the obtained BDDP was 350 nm, and the oxygen atom concentration on the surface of the BDDP was 7.6%.
(Preparation of coated BDD electrode)
0.34 g of the BDDP obtained above, 0.5 mL of tetraethoxysilane, 1.3 mL of ethanol, and 1.3 mL of 4.2 M nitric acid were mixed and stirred for 24 hours to prepare a slurry (BDDP: tetraethoxysilane mass ratio = 4: 6). 0.1 mL of the slurry was dropped onto the surface of a titanium plate (1.5 cm x 1.5 cm) that had been washed and hydrophilized using a UV/ozone treatment device (Sen Special Light Source, PL17-110), and a liquid film was developed by spin coating (rotation speed: 3000 rpm, time: 120 seconds). Then, a baking treatment was performed at 120 ° C. for 1 hour to obtain a coating type BDD electrode.
The surface of the obtained BDD electrode was observed with a scanning electron microscope (SEM) (JSM-7600F, manufactured by JEOL). The obtained SEM image is shown in Figure 1. The upper image is a low-magnification image (1,000x), and the lower image is a high-magnification image (20,000x) enlarged around the dotted line in the upper image. Although fine cracks were observed, no exposure of the substrate was observed, and the BDDP layer was well formed. It was found that the fine cracks did not lead to deterioration of the electrode characteristics, based on the results of constant current electrolysis of sulfuric acid described below.
[実施例2]
BDDPとテトラエトキシシランとの質量比(BDDP:テトラエトキシシラン)を2:8としたこと以外は実施例1と同様にして、塗布型BDD電極を得た。
[Example 2]
A coating-type BDD electrode was obtained in the same manner as in Example 1, except that the mass ratio of BDDP to tetraethoxysilane (BDDP:tetraethoxysilane) was 2:8.
[実施例3]
BDDPとテトラエトキシシランとの質量比(BDDP:テトラエトキシシラン)を2:8とし、焼成温度を200℃としたこと以外は実施例1と同様にして、塗布型BDD電極を得た。
[Example 3]
A coating type BDD electrode was obtained in the same manner as in Example 1, except that the mass ratio of BDDP to tetraethoxysilane (BDDP:tetraethoxysilane) was 2:8 and the firing temperature was 200°C.
[比較例1]
電極として、低抵抗シリコンウエハを基板として下記のように作製した薄膜型ダイヤモンド(BDD)電極を用いた。
(薄膜型BDD電極の作製)
マイクロ波プラズマCVD法を用いて基板表面にBDD層を成長させることにより、薄膜型BDD電極を作製した。
炭素源としてアセトン、ホウ素源として酸化ホウ素を用い、炭素の原子数に対するホウ素の原子数の比率(ホウ素/炭素)を10,000ppmとした。CVD条件を下記に示す。
〈CVD条件〉
マイクロ波出力:5500W
圧力:90Torr
水素ガス流量:500sccm
ホウ素/炭素比率:10,000ppm
成長時間:4h
[Comparative Example 1]
The electrodes used were thin-film diamond (BDD) electrodes fabricated as described below using a low-resistance silicon wafer as a substrate.
(Fabrication of thin-film BDD electrodes)
A thin-film BDD electrode was fabricated by growing a BDD layer on the substrate surface using microwave plasma CVD.
Acetone was used as the carbon source, boron oxide was used as the boron source, and the ratio of the number of boron atoms to the number of carbon atoms (boron/carbon) was set to 10,000 ppm. The CVD conditions are shown below.
<CVD conditions>
Microwave power: 5500W
Pressure: 90 Torr
Hydrogen gas flow rate: 500 sccm
Boron/carbon ratio: 10,000 ppm
Growth time: 4h
[比較例2]
電極としてチタン板を用いた。
[Comparative Example 2]
Titanium plates were used as electrodes.
CVの結果について、図2に示されるように、比較例1の薄膜型ダイヤモンド電極は、3V程度の広い電位窓を示し、酸素発生電流の立ち上がりは+2.2V vs.Ag/AgCl付近であった。これに対し、比較例2では、+1.2V vs.Ag/AgCl付近から酸素発生電流の立ち上がりが見られた。
実施例1~3の塗布型BDD電極は、いずれも3V以上の広い電位窓を示し、+1.8V vs.Ag/AgCl以上で酸素発生電流の立ち上がりが見られたため、硫酸電解に使用可能な電極であった。
As shown in Fig. 2, the CV results show that the thin-film diamond electrode of Comparative Example 1 exhibits a wide potential window of about 3 V, and the rise of the oxygen generating current was near +2.2 V vs. Ag/AgCl. In contrast, in Comparative Example 2, the rise of the oxygen generating current was observed near +1.2 V vs. Ag/AgCl.
The coated BDD electrodes of Examples 1 to 3 all showed a wide potential window of 3 V or more, and a rise in oxygen generating current was observed at +1.8 V vs. Ag/AgCl or more, and therefore were electrodes usable for sulfuric acid electrolysis.
硫酸(1M H2SO4)の定電流電解について、図3に示されるように、比較例2では、電解開始直後から電解電位が大きく高電位に推移し、これは、チタン板表面における酸化膜形成による抵抗の増加によるものと考えられた。実施例3においても、電解開始直後から電解電位が高電位に推移し、チタン基板が露出した部分を介したチタン基板の酸化膜形成による抵抗増加によるものと考えられたが、硫酸電解での使用に問題ないレベルであった。実施例1では、著しい電位の上昇(すなわち、抵抗の増加)が見られず、チタン基板が塗膜(BDDP層)に完全に被覆されており、また、その塗膜が安定であることが示唆された。 As shown in Fig. 3, in the constant current electrolysis of sulfuric acid (1M H2SO4 ), in Comparative Example 2, the electrolysis potential shifted significantly to a high potential immediately after the start of electrolysis, which was considered to be due to an increase in resistance caused by the formation of an oxide film on the titanium plate surface. In Example 3, the electrolysis potential also shifted to a high potential immediately after the start of electrolysis, which was considered to be due to an increase in resistance caused by the formation of an oxide film on the titanium substrate through the exposed portion of the titanium substrate, but the level was not problematic for use in sulfuric acid electrolysis. In Example 1, no significant increase in potential (i.e., an increase in resistance) was observed, suggesting that the titanium substrate was completely covered with the coating film (BDDP layer) and that the coating film was stable.
高濃度硫酸(10M H2SO4)の定電流電解について、実施例1(図4参照)及び比較例1はいずれも安定な電位で推移し、高濃度硫酸の高電位電解に対して十分な安定性を有していた。 In the constant current electrolysis of high concentration sulfuric acid (10 MH 2 SO 4 ), both Example 1 (see FIG. 4) and Comparative Example 1 remained at a stable potential and had sufficient stability against the high potential electrolysis of high concentration sulfuric acid.
酸化性活性種の濃度測定結果について、図5に示されるように、電流密度の増加、すなわち、通電電荷量の増加に伴い、酸化性活性種濃度が増加したことから、酸化性活性種は、硫酸の電解により生じた物質であることが示唆された。
また、実施例1の酸化性活性種の生成効率は、図5に示されるように、0.3mAで6.2μmol/Cであった。比較例1について、電流値は異なるが、同等の電位(+2.8V vs.Ag/AgCl付近)となるようにして定電流電解(5mA)を実施したところ、酸化性活性種の生成効率は5.3μmol/Cであり、実施例1と同等の生成効率であることがわかった。
As shown in FIG. 5, the concentration of the oxidizing active species increased with an increase in the current density, i.e., with an increase in the amount of electric charge passed through the current. This suggests that the oxidizing active species are substances generated by the electrolysis of sulfuric acid.
The generation efficiency of the oxidizing active species in Example 1 was 6.2 μmol/C at 0.3 mA, as shown in Fig. 5. For Comparative Example 1, when constant current electrolysis (5 mA) was performed at a similar potential (near +2.8 V vs. Ag/AgCl) although the current value was different, the generation efficiency of the oxidizing active species was 5.3 μmol/C, which was found to be the same as that of Example 1.
上記の結果から、実施例の塗布型ダイヤモンド電極は、薄膜型BDD電極と同等の生成効率で電解硫酸を製造可能であり、大面積化が可能な硫酸電解用電極として使用できることが示唆された。 The above results suggest that the coated diamond electrode of the embodiment can produce electrolytic sulfuric acid with the same production efficiency as the thin-film BDD electrode, and can be used as a sulfuric acid electrolysis electrode that can be made large-area.
本発明の電極は、強酸・高電圧の過酷な電解条件下でも高い耐久性を備え、薄膜型BDD電極と同等以上の優れた電解性能を有しながら、より安価で大面積化が可能であるため、電解硫酸法を用いた複合材料(炭素繊維複合材料等)のリサイクル、半導体製造における基板からの有機材料のパターン及び/又は不純物の除去等に好適に用いることができる。 The electrode of the present invention has high durability even under harsh electrolytic conditions of strong acid and high voltage, and has excellent electrolytic performance equal to or better than that of thin-film BDD electrodes, while being cheaper and capable of being made larger in area. Therefore, it can be suitably used for recycling composite materials (carbon fiber composite materials, etc.) using the electrolytic sulfuric acid method, removing organic material patterns and/or impurities from substrates in semiconductor manufacturing, etc.
Claims (13)
前記導電性ダイヤモンド電極は、
基材と、前記基材の表面上に導電性ダイヤモンド粉末層とを有する電極であり、
前記導電性ダイヤモンド粉末層は、少なくとも導電性ダイヤモンド粉末と、主として無機材料を含むマトリクスとを含み、
前記無機材料が主としてシリカを含み、
但し、導電性ダイヤモンド粉末層が導電性ロウ材によって基材の少なくとも一つの表面に接合されている場合を除く、導電性ダイヤモンド電極であり、
前記導電性ダイヤモンド電極の製造方法は、
導電性ダイヤモンド粉末を含む粉体と、前記導電性ダイヤモンド粉末層のマトリクスを形成するマトリクス形成材料とを分散させたスラリーを調製するスラリー調製工程と、
前記スラリー調製工程で調製されたスラリーを基材にコーティングしてコーティング層を形成するコーティング工程と、
前記コーティング工程で形成されたコーティング層に熱処理を施して成膜する成膜工程と
を有し、
前記マトリクス形成材料が、テトラメトキシシラン、テトラエトキシシラン、テトライソプロポキシシラン、メチルトリメトキシシラン、メチルトリエトキシシラン、メチルトリイソプロポキシシラン、エチルトリメトキシシラン、エチルトリエトキシシラン、エチルトリイソプロポキシシラン、プロピルトリメトキシシラン、プロピルトリエトキシシラン、プロピルトリイソプロポキシシラン、ブチルトリメトキシシラン、ブチルトリエトキシシラン、ブチルトリイソプロポキシシラン、ヘキシルトリメトキシシラン、ヘキシルトリエトキシシラン、ヘキシルトリイソプロポキシシラン、オクチルトリメトキシシラン、オクチルトリエトキシシラン、オクチルトリイソプロポキシシラン、デシルトリメトキシシラン、デシルトリエトキシシラン、デシルトリイソプロポキシシラン、オクタデシルトリメトキシシラン、オクタデシルトリエトキシシラン、オクタデシルトリイソプロポキシシラン、ビニルクロロシラン、ビニルトリメトキシシラン、ビニルトリエトキシシラン、2-(3,4-エポキシシクロヘキシル)エチルトリメトキシシラン、3-グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、3-グリシドキシプロピルメチルジエトキシシラン、3-グリシドキシプロピルジエトキシシラン、3-グリシドキシプロピルトリエトキシシラン、フェニルトリメトキシシラン、フェニルトリエトキシシラン、p-アミノフェニルトリメトキシシラン、p-スチリルトリメトキシシラン、3-(メタ)アクリルオキシプロピルトリエトキシシラン、3-(メタ)アクリルオキシプロピルトリメトキシシラン、3-(メタ)アクリルオキシプロピルメチルジメトキシシラン、3-(メタ)アクリルオキシプロピルメチルジエトキシシラン、3-アクリルオキシプロピルトリメトキシシラン、N-2-(アミノエチル)-3-アミノプロピルメチルジメトキシシラン、N-2-(アミノエチル)-3-アミノプロピルトリメトキシシラン、N-2-(アミノエチル)-3-アミノプロピルメチルジエトキシシラン、3-アミノプロピルトリメトキシシラン、3-アミノプロピルトリエトキシシラン、3-トリエトキシシリル-N-(1,3-ジメチルブチリデン)プロピルアミン、N-フェニル-3-アミノプロピルトリメトキシシラン、3-クロロプロピルトリメトキシシラン、3-メルカプトプロピルメチルジメトキシシラン、3-メルカプトプロピルトリメトキシシラン、ビス(トリエトキシシリルプロピル)テトラスルフィド、3-イソシアネートプロピルトリエトキシシラン、1H,1H,2H,2H-パーフルオロオクチルトリメトキシシラン、1H,1H,2H,2H-パーフルオロオクチルトリエトキシシラン、及び1H,1H,2H,2H-パーフルオロオクチルトリクロロシランからなる群より選ばれる1種以上を含む
ことを特徴とする、導電性ダイヤモンド電極の製造方法。 A method for producing a conductive diamond electrode, comprising:
The conductive diamond electrode is
An electrode having a substrate and a layer of conductive diamond powder on a surface of the substrate,
The conductive diamond powder layer includes at least a conductive diamond powder and a matrix mainly including an inorganic material,
the inorganic material primarily comprises silica;
However, a conductive diamond electrode except that the conductive diamond powder layer is bonded to at least one surface of the substrate by a conductive brazing material;
The method for producing the conductive diamond electrode includes the steps of:
a slurry preparation step of preparing a slurry in which a powder containing a conductive diamond powder and a matrix forming material that forms a matrix of the conductive diamond powder layer are dispersed;
a coating step of coating a substrate with the slurry prepared in the slurry preparation step to form a coating layer;
a film-forming step of forming a film by subjecting the coating layer formed in the coating step to a heat treatment;
having
The matrix forming material may be tetramethoxysilane, tetraethoxysilane, tetraisopropoxysilane, methyltrimethoxysilane, methyltriethoxysilane, methyltriisopropoxysilane, ethyltrimethoxysilane, ethyltriethoxysilane, ethyltriisopropoxysilane, propyltrimethoxysilane, propyltriethoxysilane, propyltriisopropoxysilane, butyltrimethoxysilane, butyltriethoxysilane, butyltriisopropoxysilane, hexyltrimethoxysilane, hexyltriethoxysilane, hexyltriisopropoxysilane, octyltrimethoxysilane, octyltriethoxysilane, oct ... triisopropoxysilane, decyltrimethoxysilane, decyltriethoxysilane, decyltriisopropoxysilane, octadecyltrimethoxysilane, octadecyltriethoxysilane, octadecyltriisopropoxysilane, vinylchlorosilane, vinyltrimethoxysilane, vinyltriethoxysilane, 2-(3,4-epoxycyclohexyl)ethyltrimethoxysilane, 3-glycidoxypropyltrimethoxysilane, 3-glycidoxypropylmethyldiethoxysilane, 3-glycidoxypropyldiethoxysilane, 3-glycidoxypropyltriethoxysilane, phenyltrimethoxysilane, phenyltriethoxysilane, p-amino Nophenyltrimethoxysilane, p-styryltrimethoxysilane, 3-(meth)acryloxypropyltriethoxysilane, 3-(meth)acryloxypropyltrimethoxysilane, 3-(meth)acryloxypropylmethyldimethoxysilane, 3-(meth)acryloxypropylmethyldiethoxysilane, 3-acryloxypropyltrimethoxysilane, N-2-(aminoethyl)-3-aminopropylmethyldimethoxysilane, N-2-(aminoethyl)-3-aminopropyltrimethoxysilane, N-2-(aminoethyl)-3-aminopropylmethyldiethoxysilane, 3-aminopropyltrimethoxysilane, 3-aminopropyltrimethoxysilane, At least one selected from the group consisting of ethoxysilane, 3-triethoxysilyl-N-(1,3-dimethylbutylidene)propylamine, N-phenyl-3-aminopropyltrimethoxysilane, 3-chloropropyltrimethoxysilane, 3-mercaptopropylmethyldimethoxysilane, 3-mercaptopropyltrimethoxysilane, bis(triethoxysilylpropyl)tetrasulfide, 3-isocyanatopropyltriethoxysilane, 1H,1H,2H,2H-perfluorooctyltrimethoxysilane, 1H,1H,2H,2H-perfluorooctyltriethoxysilane, and 1H,1H,2H,2H-perfluorooctyltrichlorosilane.
A method for producing a conductive diamond electrode.
前記電解ユニット製造工程で得られた電解ユニットを用いて硫酸の電気分解を行い、酸化性活性種を含む溶液を得る溶液調製工程と、
前記溶液調製工程で得られた酸化性活性種を含む溶液を用いて、半導体基板上より、有機材料のパターン及び/又は不純物を除去する除去工程と
を有することを特徴とする、半導体の製造方法。 an electrolysis unit manufacturing step of manufacturing an electrolysis unit using the manufacturing method for an electrolysis unit according to claim 9 ;
a solution preparation step in which sulfuric acid is electrolyzed using the electrolysis unit obtained in the electrolysis unit manufacturing step to obtain a solution containing an oxidizing active species;
a removing step of removing an organic material pattern and/or impurities from a semiconductor substrate using the solution containing an oxidizing active species obtained in the solution preparation step.
前記電解ユニット製造工程で得られた電解ユニットを用いて硫酸の電気分解を行い、酸化性活性種を含む溶液を得る溶液調製工程と、
前記溶液調製工程で得られた酸化性活性種を含む溶液を用いて、樹脂と補強材とからなる複合材の樹脂を分解し、前記補強材を取り出す補強材回収工程と
を有することを特徴とする、複合材の処理方法。 an electrolysis unit manufacturing step of manufacturing an electrolysis unit using the manufacturing method for an electrolysis unit according to claim 9 ;
a solution preparation step in which sulfuric acid is electrolyzed using the electrolysis unit obtained in the electrolysis unit manufacturing step to obtain a solution containing an oxidizing active species;
A method for treating a composite material, comprising a reinforcing material recovery step of decomposing the resin of a composite material consisting of a resin and a reinforcing material using the solution containing the oxidizing active species obtained in the solution preparation step, and extracting the reinforcing material.
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| JP2016030806A (en) | 2014-07-30 | 2016-03-07 | 公益財団法人神奈川科学技術アカデミー | Conductive diamond powder-containing coating material for forming electrode, electrode and dental treatment equipment |
| JP2020199478A (en) | 2019-06-13 | 2020-12-17 | 株式会社エーワンテクニカ | Diamond electrode, manufacturing method of diamond electrode, and coating method of conductive diamond |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 速水 直哉ら,"環境負荷を大幅に低減する半導体のレジスト除去技術",東芝レビュー,日本,Vol.64 No.5,pp.38-41 |
Also Published As
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