電解用電極
【課題】動作中の信頼性が高くかつ長寿命の電解用電極を提供する。
【解決手段】電極基板１７は炭素材料、好ましくは特定範囲の密度を有するグラファイトからなる基体１８を有する。さらに、基体１８と、多結晶ダイアモンド又はダイアモンドライクカーボンからなる基板コーティング１９との間に、ホウ素がドーピングされた炭化珪素等の非金属の電導性材料からなり、コーティングを支持する少なくとも１つの接触層２０が形成される。
【解決手段】電極基板１７は炭素材料、好ましくは特定範囲の密度を有するグラファイトからなる基体１８を有する。さらに、基体１８と、多結晶ダイアモンド又はダイアモンドライクカーボンからなる基板コーティング１９との間に、ホウ素がドーピングされた炭化珪素等の非金属の電導性材料からなり、コーティングを支持する少なくとも１つの接触層２０が形成される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電極基板と、多結晶ダイヤモンド材料又はダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）材料からなる電極基板コーティングとを備えた電解用電極に関する。
【背景技術】
【０００２】
以前から、水素、オゾン、過酸化水素及びその他の酸素化合物を生成するために、水溶液系において電解プロセスを使用することが知られている。電解プロセス又は電解の際に副次的に生じる酸素過電圧の他の用途としては、電解中に生じる酸化剤を、廃水の処理、特にバクテリアの処理に使用することが知られている。酸素過電圧は、電解の際に先に例示した物質を生成するのに必要となる電位よりも高い電位で水溶液を処理することを可能にする。
【０００３】
水溶液をこのように酸化するために使用される電解用電極（アノード）の材料として、ダイヤモンド又はダイヤモンドライクカーボン材料が近年用いられている。ダイヤモンド等は金属材料からなる電極基板のコーティングとして用いられる。ダイヤモンドライクカーボン材料は、当業者にはＤＬＣ（diamond like carbon）として知られている。
【０００４】
特許文献１によれば、適切な電極を製造するために、ダイヤモンドパウダーを金属電極基板の上に配置することが知られている。
【０００５】
特許文献２に、化学気相蒸着（ＣＶＤ）によって製造されたダイヤモンド層により被覆された基体を備える電解用ダイヤモンド電極が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】欧州特許出願公開第１４６８９６５号明細書
【特許文献２】欧州特許出願公開第０９９４０７４号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
多結晶ダイヤモンドによる電極基板のコーティングを形成するための方法は様々であるが、既知の電極はダイヤモンドコーティングを金属電極基板の上に配置した構造を有している。
【０００８】
多結晶ダイヤモンド材料によって金属電極基板を直接被覆すると、アノードとして使用される電極の動作中にコーティングに欠陥が生じる可能性がある。この欠陥は、電極に高い局所電流を生じさせ、その結果、交互の熱的負荷が生じるおそれがある。ダイヤモンドと金属とは熱膨張係数が大きく異なるので、金属面に微小クラックが形成されるおそれがある。微小クラックにより、特に、電解中に生じる電気化学プロセスに晒された金属が表面から失われてしまう。その結果、電極を完全な破壊に導くコーティングの欠陥がさらに深刻化する。これに対応して寿命が短くなるので、既知のダイヤモンド電極は頻繁に取り替える必要がある。
【０００９】
したがって、本発明の目的は、既知の電極と比べて、動作中の信頼性が高く且つ長寿命の電解用電極を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明の電極は、請求項１の特徴を有する。
【００１１】
本発明の電極は、炭素材料からなる基体により構成された電極基板と、コーティングを支持するする非金属の導電性材料からなる少なくとも１つの接触層とを備えている。
【００１２】
本発明の電極では、金属電極基板の代わりに、炭素材料で構成された電極基板を使用する。炭素材料は、ダイヤモンドコーティングとの類縁性により、金属とダイヤモンドとを組み合わせる場合よりも温度係数の差が実質的に小さい。基体とコーティングとの間に境界層を形成する電極基板の接触層は、非金属材料からなる。非金属材料は、導電性であると共に、ダイヤモンドの温度係数に対して不都合な金属の温度係数を有してはいない。
【００１３】
導電性を向上させるために、多結晶ダイヤモンド又はＤＬＣ材料にホウ素をドープすることが好ましい。
【００１４】
本発明の電極は、以下のような基体を備えている。基体は、特に、導電性と、多結晶ダイヤモンド又はＤＬＣ材料に対する接触領域における被覆適性とに関しては、金属の電極基板に匹敵する。しかし、電極基板が金属である場合に特に金属の温度係数に起因して生じる材料特有の欠点は有していない。
【００１５】
被覆適性及びコーティングとの接着性を改善することができ、孔径を小さくすることによる欠陥形成のリスクを低減することができるので、好ましくは接触層の表面を平坦にする。
【００１６】
好ましい形態では、接触層は、表面粗度Ｒaが１５μｍ未満、最も好ましくは最大表面粗度が１５μｍ未満であるように構成されている。よって、以下のような電極基板が形成されている電極基板は、一方では、炭素材料なので、金属と比べて比較的低い温度係数と共に、良好な導電性を特徴とし、他方では、接触層の表面の表面粗度が低いので、多結晶ダイヤモンド材料又はＤＬＣによって被覆される接触領域における孔の形成が回避される。その結果、既知の電極においてコーティングの欠陥及び電極基板のクラックを誘導する影響が適切に回避されている。
【００１７】
電極の好ましい形態では、電極基板は、基体の仕上げられた表面として形成された接触層を有する、ガラス状炭素材料からなる基体により形成されている。この形態では、基体と接触層とは、同じ材料からなり、接触層に特有の特性は、基体の表面処理によって得られる。その結果、このような形態では、多結晶ダイヤモンド材料又はＤＬＣによって基体自体を被覆することができ、他の材料で形成された中間層によって接触層を製造する必要はない。
【００１８】
さらに有利な形態では、接触層が、基体上に形成された、セラミック材料、特に炭化物、好ましくは炭化珪素からなるコーティングにより形成されている。この場合、被覆を、電極基板の基体への炭化珪素層の形成に続いて被覆を行うことができる。また、炭素材料によって形成された基体を外側領域において変性することによって被覆することもできる。このようにすれば、炭化珪素は、基体の外側領域に変性の結果形成される。
【００１９】
コーティングが所望の導電性となるように、炭化珪素を、例えばホウ素等の半導体でドープしてもよい。
【００２０】
実験により、窒素によるドーピングもコーティングの所望の導電性を付与できることが見出された。
【００２１】
電極の寿命と性能とに関しては、電極基板の基体が、２．１ｇ／ｃｍ3未満の密度（グロス密度）を有するグラファイト材料からなる場合が特に有利だということが見出された。密度が１．６ｇ／ｃｍ3を上回り且つ１．８５ｇ／ｃｍ3未満のグラファイト材料を電極に使用する場合は特に良好な結果が得られる。
【００２２】
炭化珪素による被覆の層厚に関しては、１５０μｍ未満の層厚が有利だということが見出された。０．２μｍを上回り且つ１５０μｍ未満の層厚は特に有利である。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】第１実施形態の電極を示す図である。
【図２】第２実施形態の電極を示す図である。
【図３】第３実施形態の電極を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下に、図面を参照して、電極の好ましい実施形態について詳しく説明する。
【００２５】
図１は、定義された空孔率を有するガラス状炭素からなる電極基板１１を有する電極１０を示す。本実施形態では、電極基板１１のガラス状炭素は、最大孔サイズ又は最大孔径が１２μｍの孔１２を有している。図１に示す電極１０では、接触層１３は、電極基板１１の基体１４とコーティング１５との間に形成されている。接触層１３は、電極基板１１の研磨された表面によって形成されており、研磨処理の結果、表面の領域における孔が平坦になっていたり、研磨処理によって生じる炭素屑が少なくとも一部を埋めるようになっていたりする。その結果、電極基板１１の表面の表面粗度Ｒaは孔１２のサイズよりも小さい。
【００２６】
図２は、電極基板１７を備えた電極１６を示す。電極基板１７は、炭素材料、特にグラファイトからなる基体１８を有している。基体は、１．６ｇ／ｃｍ3の密度を有する。接触層２０が、基体１８と多結晶ダイヤモンド材料で構成されるコーティング１９との間に設けられている。接触層２０は、ホウ素がドーピングされた炭化珪素からなる。
【００２７】
図３は、基体２３を有する電極基板２２を備えた電極２１を示す。基体２３は、多結晶ダイヤモンド材料からなるコーティング２４と接している。電極２１では、接触層２５は、コーティング２４に対向した基体２３の表面領域により形成されており、表面領域は、例えば炭化珪素のようなセラミック材料を含浸させている。含浸により、接触層２５は、空孔率が基体２３の空孔率よりも小さくなっており、表面粗度Ｒaも低減されている。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電極基板と、多結晶ダイヤモンド材料又はダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）材料からなる電極基板コーティングとを備えた電解用電極に関する。
【背景技術】
【０００２】
以前から、水素、オゾン、過酸化水素及びその他の酸素化合物を生成するために、水溶液系において電解プロセスを使用することが知られている。電解プロセス又は電解の際に副次的に生じる酸素過電圧の他の用途としては、電解中に生じる酸化剤を、廃水の処理、特にバクテリアの処理に使用することが知られている。酸素過電圧は、電解の際に先に例示した物質を生成するのに必要となる電位よりも高い電位で水溶液を処理することを可能にする。
【０００３】
水溶液をこのように酸化するために使用される電解用電極（アノード）の材料として、ダイヤモンド又はダイヤモンドライクカーボン材料が近年用いられている。ダイヤモンド等は金属材料からなる電極基板のコーティングとして用いられる。ダイヤモンドライクカーボン材料は、当業者にはＤＬＣ（diamond like carbon）として知られている。
【０００４】
特許文献１によれば、適切な電極を製造するために、ダイヤモンドパウダーを金属電極基板の上に配置することが知られている。
【０００５】
特許文献２に、化学気相蒸着（ＣＶＤ）によって製造されたダイヤモンド層により被覆された基体を備える電解用ダイヤモンド電極が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】欧州特許出願公開第１４６８９６５号明細書
【特許文献２】欧州特許出願公開第０９９４０７４号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
多結晶ダイヤモンドによる電極基板のコーティングを形成するための方法は様々であるが、既知の電極はダイヤモンドコーティングを金属電極基板の上に配置した構造を有している。
【０００８】
多結晶ダイヤモンド材料によって金属電極基板を直接被覆すると、アノードとして使用される電極の動作中にコーティングに欠陥が生じる可能性がある。この欠陥は、電極に高い局所電流を生じさせ、その結果、交互の熱的負荷が生じるおそれがある。ダイヤモンドと金属とは熱膨張係数が大きく異なるので、金属面に微小クラックが形成されるおそれがある。微小クラックにより、特に、電解中に生じる電気化学プロセスに晒された金属が表面から失われてしまう。その結果、電極を完全な破壊に導くコーティングの欠陥がさらに深刻化する。これに対応して寿命が短くなるので、既知のダイヤモンド電極は頻繁に取り替える必要がある。
【０００９】
したがって、本発明の目的は、既知の電極と比べて、動作中の信頼性が高く且つ長寿命の電解用電極を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明の電極は、請求項１の特徴を有する。
【００１１】
本発明の電極は、炭素材料からなる基体により構成された電極基板と、コーティングを支持するする非金属の導電性材料からなる少なくとも１つの接触層とを備えている。
【００１２】
本発明の電極では、金属電極基板の代わりに、炭素材料で構成された電極基板を使用する。炭素材料は、ダイヤモンドコーティングとの類縁性により、金属とダイヤモンドとを組み合わせる場合よりも温度係数の差が実質的に小さい。基体とコーティングとの間に境界層を形成する電極基板の接触層は、非金属材料からなる。非金属材料は、導電性であると共に、ダイヤモンドの温度係数に対して不都合な金属の温度係数を有してはいない。
【００１３】
導電性を向上させるために、多結晶ダイヤモンド又はＤＬＣ材料にホウ素をドープすることが好ましい。
【００１４】
本発明の電極は、以下のような基体を備えている。基体は、特に、導電性と、多結晶ダイヤモンド又はＤＬＣ材料に対する接触領域における被覆適性とに関しては、金属の電極基板に匹敵する。しかし、電極基板が金属である場合に特に金属の温度係数に起因して生じる材料特有の欠点は有していない。
【００１５】
被覆適性及びコーティングとの接着性を改善することができ、孔径を小さくすることによる欠陥形成のリスクを低減することができるので、好ましくは接触層の表面を平坦にする。
【００１６】
好ましい形態では、接触層は、表面粗度Ｒaが１５μｍ未満、最も好ましくは最大表面粗度が１５μｍ未満であるように構成されている。よって、以下のような電極基板が形成されている電極基板は、一方では、炭素材料なので、金属と比べて比較的低い温度係数と共に、良好な導電性を特徴とし、他方では、接触層の表面の表面粗度が低いので、多結晶ダイヤモンド材料又はＤＬＣによって被覆される接触領域における孔の形成が回避される。その結果、既知の電極においてコーティングの欠陥及び電極基板のクラックを誘導する影響が適切に回避されている。
【００１７】
電極の好ましい形態では、電極基板は、基体の仕上げられた表面として形成された接触層を有する、ガラス状炭素材料からなる基体により形成されている。この形態では、基体と接触層とは、同じ材料からなり、接触層に特有の特性は、基体の表面処理によって得られる。その結果、このような形態では、多結晶ダイヤモンド材料又はＤＬＣによって基体自体を被覆することができ、他の材料で形成された中間層によって接触層を製造する必要はない。
【００１８】
さらに有利な形態では、接触層が、基体上に形成された、セラミック材料、特に炭化物、好ましくは炭化珪素からなるコーティングにより形成されている。この場合、被覆を、電極基板の基体への炭化珪素層の形成に続いて被覆を行うことができる。また、炭素材料によって形成された基体を外側領域において変性することによって被覆することもできる。このようにすれば、炭化珪素は、基体の外側領域に変性の結果形成される。
【００１９】
コーティングが所望の導電性となるように、炭化珪素を、例えばホウ素等の半導体でドープしてもよい。
【００２０】
実験により、窒素によるドーピングもコーティングの所望の導電性を付与できることが見出された。
【００２１】
電極の寿命と性能とに関しては、電極基板の基体が、２．１ｇ／ｃｍ3未満の密度（グロス密度）を有するグラファイト材料からなる場合が特に有利だということが見出された。密度が１．６ｇ／ｃｍ3を上回り且つ１．８５ｇ／ｃｍ3未満のグラファイト材料を電極に使用する場合は特に良好な結果が得られる。
【００２２】
炭化珪素による被覆の層厚に関しては、１５０μｍ未満の層厚が有利だということが見出された。０．２μｍを上回り且つ１５０μｍ未満の層厚は特に有利である。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】第１実施形態の電極を示す図である。
【図２】第２実施形態の電極を示す図である。
【図３】第３実施形態の電極を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下に、図面を参照して、電極の好ましい実施形態について詳しく説明する。
【００２５】
図１は、定義された空孔率を有するガラス状炭素からなる電極基板１１を有する電極１０を示す。本実施形態では、電極基板１１のガラス状炭素は、最大孔サイズ又は最大孔径が１２μｍの孔１２を有している。図１に示す電極１０では、接触層１３は、電極基板１１の基体１４とコーティング１５との間に形成されている。接触層１３は、電極基板１１の研磨された表面によって形成されており、研磨処理の結果、表面の領域における孔が平坦になっていたり、研磨処理によって生じる炭素屑が少なくとも一部を埋めるようになっていたりする。その結果、電極基板１１の表面の表面粗度Ｒaは孔１２のサイズよりも小さい。
【００２６】
図２は、電極基板１７を備えた電極１６を示す。電極基板１７は、炭素材料、特にグラファイトからなる基体１８を有している。基体は、１．６ｇ／ｃｍ3の密度を有する。接触層２０が、基体１８と多結晶ダイヤモンド材料で構成されるコーティング１９との間に設けられている。接触層２０は、ホウ素がドーピングされた炭化珪素からなる。
【００２７】
図３は、基体２３を有する電極基板２２を備えた電極２１を示す。基体２３は、多結晶ダイヤモンド材料からなるコーティング２４と接している。電極２１では、接触層２５は、コーティング２４に対向した基体２３の表面領域により形成されており、表面領域は、例えば炭化珪素のようなセラミック材料を含浸させている。含浸により、接触層２５は、空孔率が基体２３の空孔率よりも小さくなっており、表面粗度Ｒaも低減されている。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解用電極は、
電極基板と、
多結晶ダイヤモンド材料又はダイヤモンドライクカーボンからなる電極基板コーティングとを備え、
前記電極基板は、炭素材料からなる基体により構成されており、
前記電極基板の少なくとも１つの接触層は、前記コーティングを支持し、非金属の導電性材料により構成されている。
【請求項２】
請求項１に記載の電極において、
前記接触層は、前記電極基板と比べて孔の孔径が小さい。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の電極において、
前記接触層は、表面が平坦化されている。
【請求項４】
前記請求項１〜３のいずれか１つに記載の電極において、
前記接触層は、表面粗度Ｒaが１５μｍ未満の表面を有する。
【請求項５】
前記請求項１〜４のいずれか１つに記載の電極において、
前記電極基板は、ガラス状炭素で構成され、前記接触層を有する基体により形成され、
前記接触層は、前記基体の仕上げられた表面によって形成されている。
【請求項６】
請求項１〜４のいずれか１つに記載の電極において、
前記接触層は、前記基体の上に配置した炭化物からなるコーティングにより形成されている。
【請求項７】
請求項６に記載の電極において、
前記接触層は、炭化珪素からなる。
【請求項８】
請求項６又は７に記載の電極において、
前記コーティングに電導性を付与するため、前記炭化珪素は半導体がドープされている。
【請求項９】
請求項８に記載の電極において、
前記炭化珪素は、ホウ素がドープされている。
【請求項１０】
請求項６〜８のいずれか１つに記載の電極において、
前記炭化物は、窒素がドープされている。
【請求項１１】
前記請求項１〜１０のいずれか１つに記載の電極において、
前記基体の前記炭素材料は、密度が２．１ｇ／ｃｍ3未満のグラファイトからなる。
【請求項１２】
請求項１１に記載の電極において、
前記炭素材料は、１．６ｇ／ｃｍ3を上回り且つ１．８５ｇ／ｃｍ3未満の密度を有する。
【請求項１３】
前記請求項１〜１２のいずれか１つに記載の電極において、
前記コーティングの層厚は、１５０μｍ未満である。
【請求項１４】
請求項１３に記載の電極において、
前記コーティングの層厚は、０．２μｍを上回り且つ１００μｍ未満である。
【請求項１】
電解用電極は、
電極基板と、
多結晶ダイヤモンド材料又はダイヤモンドライクカーボンからなる電極基板コーティングとを備え、
前記電極基板は、炭素材料からなる基体により構成されており、
前記電極基板の少なくとも１つの接触層は、前記コーティングを支持し、非金属の導電性材料により構成されている。
【請求項２】
請求項１に記載の電極において、
前記接触層は、前記電極基板と比べて孔の孔径が小さい。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の電極において、
前記接触層は、表面が平坦化されている。
【請求項４】
前記請求項１〜３のいずれか１つに記載の電極において、
前記接触層は、表面粗度Ｒaが１５μｍ未満の表面を有する。
【請求項５】
前記請求項１〜４のいずれか１つに記載の電極において、
前記電極基板は、ガラス状炭素で構成され、前記接触層を有する基体により形成され、
前記接触層は、前記基体の仕上げられた表面によって形成されている。
【請求項６】
請求項１〜４のいずれか１つに記載の電極において、
前記接触層は、前記基体の上に配置した炭化物からなるコーティングにより形成されている。
【請求項７】
請求項６に記載の電極において、
前記接触層は、炭化珪素からなる。
【請求項８】
請求項６又は７に記載の電極において、
前記コーティングに電導性を付与するため、前記炭化珪素は半導体がドープされている。
【請求項９】
請求項８に記載の電極において、
前記炭化珪素は、ホウ素がドープされている。
【請求項１０】
請求項６〜８のいずれか１つに記載の電極において、
前記炭化物は、窒素がドープされている。
【請求項１１】
前記請求項１〜１０のいずれか１つに記載の電極において、
前記基体の前記炭素材料は、密度が２．１ｇ／ｃｍ3未満のグラファイトからなる。
【請求項１２】
請求項１１に記載の電極において、
前記炭素材料は、１．６ｇ／ｃｍ3を上回り且つ１．８５ｇ／ｃｍ3未満の密度を有する。
【請求項１３】
前記請求項１〜１２のいずれか１つに記載の電極において、
前記コーティングの層厚は、１５０μｍ未満である。
【請求項１４】
請求項１３に記載の電極において、
前記コーティングの層厚は、０．２μｍを上回り且つ１００μｍ未満である。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１０−２４５５０（Ｐ２０１０−２４５５０Ａ）
【公開日】平成２２年２月４日（２０１０．２．４）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２００９−１６９００６（Ｐ２００９−１６９００６）
【出願日】平成２１年７月１７日（２００９．７．１７）
【出願人】（５０９２０３０２７）ホフマン ウント コー エレクトロコーレ アーゲー (1)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年２月４日（２０１０．２．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１６９００６（Ｐ２００９−１６９００６）
【出願日】平成２１年７月１７日（２００９．７．１７）
【出願人】（５０９２０３０２７）ホフマン ウント コー エレクトロコーレ アーゲー (1)
【Ｆターム（参考）】
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