專(zhuān)利名稱(chēng)：強(qiáng)化覆層與金屬基板間結(jié)合耐久性的電化學(xué)觸媒電極的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明為一種強(qiáng)化覆層與金屬基板間結(jié)合耐久性的電化學(xué)觸媒電極，可應(yīng)用于與電解或電鍍相關(guān)的產(chǎn)業(yè)。
為實(shí)現(xiàn)上述的目的，本發(fā)明提供一種強(qiáng)化覆層與金屬基板間結(jié)合耐久性的電化學(xué)觸媒電極，利用一相轉(zhuǎn)換并氧化該金屬基板表面，使該金屬基板與氧化層接口晶粒長(zhǎng)出析出物而敏化；一噴砂清除表面氧化層，露出敏化接口；一蝕刻處理，于金屬基板敏化表面以酸液蝕刻使該基板表面的晶粒晶面上產(chǎn)生大量孔隙，借以增加附著的表面積；一含氧加熱處理，該金屬基板表面經(jīng)蝕刻處理后，于含氧環(huán)境下以加熱方式去除表面的亞穩(wěn)金屬氫化物，并同時(shí)使其表面轉(zhuǎn)化成一金屬氧化膜；最后再以一覆層堆疊處理，依序形成一內(nèi)覆層與外覆層于該金屬氧化膜上，并于外覆層上添加一些安定的元素，可增加組件的使用壽命。


圖1-1為圖1中的X局部放大圖。
圖2為本發(fā)明的Ti基板截面氧化層結(jié)構(gòu)圖。
圖3-1為本發(fā)明析出物分布于金屬基板表面晶面上的掃描電子顯微鏡觀察照片。
圖3-2為本發(fā)明金屬基板表面晶面上蝕孔孔隙分布的掃描電子顯微鏡觀察照片。
圖3-3為本發(fā)明多孔性金屬基板截面的掃描電子顯微鏡觀察照片。
圖4-1為本發(fā)明的析出物分布于金屬基板表面晶界的掃描電子顯微鏡觀察照片。
圖4-2為本發(fā)明的孔隙分布于金屬基板表面晶面與晶界的掃描電子顯微鏡觀察照片。
圖5為本發(fā)明的氧化物堆疊結(jié)構(gòu)圖。
圖6為本發(fā)明電化學(xué)觸媒電極的耐久性測(cè)試圖。
圖7-1為本發(fā)明于無(wú)加強(qiáng)結(jié)合處理極板因覆層與基板接口產(chǎn)生剝離而提早劣化的破損形態(tài)。
圖7-2為本發(fā)明于加強(qiáng)結(jié)合處理極板因覆層溶析速率低而緩慢劣化破損形態(tài)。
附圖中標(biāo)號(hào)金屬基板....................................1金屬氧化膜..................................2內(nèi)覆層......................................3外覆層......................................4
(b)保持高溫爐溫度低于900℃并維持1小時(shí)，此時(shí)基板上的Ti保持于α相。
(c)高溫爐冷卻后以噴砂清除基板表面的氧化層。
經(jīng)上述處理步驟后，使金屬基板1表面晶粒上呈析出物而敏化，參見(jiàn)圖1，為本發(fā)明的Ti金屬相轉(zhuǎn)換特性及氧化特性反應(yīng)說(shuō)明圖，圖1為T(mén)i金屬β相與α相轉(zhuǎn)換的溫度變化及氧化關(guān)系，圖中的X區(qū)域?yàn)榧僒i金屬與氧化層接口，圖1-1所示可清楚看出純Ti金屬β相與α相轉(zhuǎn)換的溫度大約在882℃；其Ti金屬基板1如圖2所示，為本發(fā)明的Ti基板截面氧化層結(jié)構(gòu)圖。金屬基板1借由高溫相轉(zhuǎn)換并氧化的特性，促使該金屬基板1與氧化層接口晶粒長(zhǎng)出析出物而敏化的情形如圖3-1所示，為本發(fā)明析出物分布于金屬基板1表面晶面上的掃描電子顯微鏡觀察照片(SEM)。
(B)蝕刻處理以噴砂清除基板表面的氧化層，露出敏化接口后，再利用一蝕刻方式于金屬基板1敏化表面以酸液蝕刻(以60℃的6M HCl，持續(xù)1小時(shí)以上)，使整個(gè)金屬基板1表面的晶面上產(chǎn)生大量的蝕孔，其情形如圖3-2所示，為本發(fā)明金屬基板1表面晶面上蝕孔孔隙分布的SEM圖，如此可增加覆層附著的表面積，同時(shí)覆層得以填充在基材孔隙以形成具固定作用的夾角，由圖3-3(本發(fā)明多孔性金屬基板截面的SEM圖)，可清楚看到金屬基板1的側(cè)表面上有許多微小的孔隙；其中該金屬基板1經(jīng)一相轉(zhuǎn)換高溫氧化處理與蝕刻處理后，金屬基板1表面晶面孔隙密度可于每平方公分達(dá)20以上，孔隙寬距介于30μm～100μm，孔隙深度介于30μm～100μm。
圖4為比較金屬基板經(jīng)未經(jīng)相轉(zhuǎn)換后高溫氧化，以噴砂清除基板表面的氧化層，露出敏化接口后，再利用一蝕刻方式于金屬基板1表面以酸液蝕刻的情形；圖4-1為所產(chǎn)生的析出物分布于金屬基板表面晶面與晶界的SEM圖，圖4-2為本發(fā)明的孔隙分布于金屬基板表面晶面與晶界的SEM圖，可以看出蝕孔孔隙密度、深度及寬距均相對(duì)較低。
(C)含氧加熱處理及覆層堆疊處理當(dāng)金屬基板1表面經(jīng)蝕刻處理后，于含氧環(huán)境下以加熱方式去除表面的亞穩(wěn)金屬氫化物，并將金屬表面轉(zhuǎn)化成一金屬氧化膜2，其中，為使含貴金屬覆層能更易于結(jié)合該金屬基板1，所以于內(nèi)覆層3中含一與金屬基板1兼容的元素，并以氧化態(tài)與貴金屬氧化結(jié)合，為抑制覆層外表面貴金屬溶析到電解液，于覆層上再形成一添加安定元素的外覆層4，如圖5所示為本發(fā)明的氧化物堆疊結(jié)構(gòu)圖，于金屬基板1上依序形成一金屬氧化膜2、內(nèi)覆層3與外覆層4，而覆層堆疊可利用熱分解、化學(xué)氣相沉積(CVD)、溶膠-凝膠程序(sol-gel process)或電漿噴灑氧化(plasma spray oxide)等方式依序形成一內(nèi)覆層3與外覆層4于該金屬氧化膜2上；該內(nèi)覆層3至少包含可與金屬氧化膜2兼容的金屬(Ti，Ta，Zr)及一鉑族金屬(Pt，Ir，Ru，Pd，Os，Rh)，而該外覆層4至少包含一鉑族金屬(Pt，Ir，Ru，Pd，Os，Rh)及一摻質(zhì)，該摻質(zhì)可選自Ti，Ta，Zr，Sb，Nb，Sn，添加這些摻質(zhì)(安定元素)于外覆層4中可抑制貴金屬溶析以延長(zhǎng)組件的壽命。
上述所組成的強(qiáng)化覆層與金屬基板1間結(jié)合耐久性的電化學(xué)觸媒電極，不但各層間的兼容性提高，接口所產(chǎn)生剝離及鈍化的影響也大幅降低，而延長(zhǎng)使用的壽命，參見(jiàn)圖6為本發(fā)明電化學(xué)觸媒電極的耐久性測(cè)試圖，于圖6中可看到sample A是經(jīng)α-β高溫相轉(zhuǎn)換處理及添加安定元素于覆層中的本發(fā)明樣品，其使用時(shí)間在6500小時(shí)左右；而sample B則是有添加安定元素，但未經(jīng)α-β相轉(zhuǎn)換過(guò)程(僅經(jīng)高溫α相)，其使用的時(shí)間在2000～3000小時(shí)之間；sampleC則是未經(jīng)相轉(zhuǎn)換處理也未添加安定元素于覆層中，其使用時(shí)間僅在1000小時(shí)之內(nèi)。所以經(jīng)過(guò)高溫相轉(zhuǎn)換處理與覆層中添加安定元素都可大幅提高其使用的時(shí)間，延長(zhǎng)組件壽命。
圖7-1與圖7-2則分別為本發(fā)明于無(wú)加強(qiáng)結(jié)合處理極板因覆層與基板接口產(chǎn)生剝離而提早劣化的破損形態(tài)與本發(fā)明于加強(qiáng)結(jié)合處理極板因覆層溶析速率低而緩慢劣化破損形態(tài)，由此兩圖可知加強(qiáng)結(jié)合處理，具有防止覆層剝離的效果，可大幅延長(zhǎng)組件壽命。
權(quán)利要求
1.一種利用強(qiáng)化覆層與金屬基板間結(jié)合耐久性的電化學(xué)觸媒電極，其特征在于一多孔表面金屬基板(1)上依序形成金屬氧化膜(2)、內(nèi)覆層(3)與外覆層(4)，其制作步驟為提供一金屬基板(1)；一高溫相轉(zhuǎn)換處理，利用一高溫相轉(zhuǎn)換并氧化該金屬基板(1)表面，使該金屬基板(1)表面長(zhǎng)出析出物于晶面而敏化；一蝕刻處理，于金屬基板(1)表面以酸液蝕刻使該金屬基板(1)表面的晶粒晶面上產(chǎn)生大量孔隙；一含氧加熱處理，于含氧環(huán)境下以加熱方式，去除表面的亞穩(wěn)金屬氫化物，同時(shí)將金屬表面(1)轉(zhuǎn)化成一金屬氧化膜(2)；及一覆層堆疊處理，可利用熱分解、化學(xué)氣相沉積法、溶膠-凝膠程序或電漿噴灑氧化等方式依序形成一內(nèi)覆層(3)與外覆層(4)于該金屬氧化膜(2)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的強(qiáng)化覆層與金屬基板間結(jié)合耐久性的電化學(xué)觸媒電極，其中該金屬基板(1)可為T(mén)i、Ta、Zr或其合金。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的強(qiáng)化覆層與金屬基板間結(jié)合耐久性的電化學(xué)觸媒電極，其中該金屬基板(1)經(jīng)一高溫處理與蝕刻處理后，金屬基板(1)表面晶面孔隙密度可于每平方公分達(dá)20以上，孔隙寬距介于30μm～100μm，孔隙深度介于30μm～100μm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的強(qiáng)化覆層與金屬基板間結(jié)合耐久性的電化學(xué)觸媒電極，其中該內(nèi)覆層(3)至少包含可與金屬氧化膜(2)兼容的金屬(Ti，Ta，Zr)及一鉑族金屬(Pt，Ir，Ru，Pd，Os，Rh)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的強(qiáng)化覆層與金屬基板間結(jié)合耐久性的電化學(xué)觸媒電極，其中該外覆層(4)至少包含一鉑族金屬(Pt，Ir，Ru，Pd，Os，Rh)及一摻質(zhì)，該摻質(zhì)可選自Ti，Ta，Zr，Sb，Nb，Sn。
全文摘要
本發(fā)明提供一種強(qiáng)化覆層與金屬基板間結(jié)合耐久性的電化學(xué)觸媒電極，將該電化學(xué)觸媒電極的金屬基板經(jīng)過(guò)一高溫處理與蝕刻處理，能于晶面上產(chǎn)生大量蝕孔，再以通氧加熱方式使其表面轉(zhuǎn)化成一金屬氧化膜同時(shí)除去表面的亞穩(wěn)金屬氫化物，內(nèi)覆層堆疊時(shí)能深入孔隙中形成一夾角，該金屬氧化膜可促使增加內(nèi)覆層與基板間的附著，可降低接口產(chǎn)生剝離，同時(shí)為提高覆層外表面的安定性，于覆層上再形成一添加安定元素的外覆層，可降低貴金屬溶析的現(xiàn)象，可大幅增加穩(wěn)定度與使用壽命。
文檔編號(hào)H05K3/38GK1441088SQ0210653
公開(kāi)日2003年9月10日 申請(qǐng)日期2002年2月27日 優(yōu)先權(quán)日2002年2月27日
發(fā)明者林葆喜, 顏宇欣, 郭娌禎, 翁榮洲, 賴(lài)玄金 申請(qǐng)人:財(cái)團(tuán)法人工業(yè)技術(shù)研究院