(57)【要約】【課題】金属チタンの陽極酸化により得られる、微細で厚い多孔質皮膜を有する多孔性酸化チタン、およびその製造方法を提供する。【解決手段】金属チタンを電解液中で陽極酸化することにより形成され、酸化皮膜の厚さが0.8μm以上であることを特徴とする多孔性酸化チタン、および、特に塩酸を含む電解液を用いて陽極酸化することを特徴とする多孔性酸化チタンの製造方法。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属チタンを電解液中で陽極酸化することにより形成され、酸化皮膜の厚さが0.8μm以上であることを特徴とする多孔性酸化チタン。
【請求項２】
酸化皮膜の厚さが2.0μm以上であることを特徴とする、請求項１記載の多孔性酸化チタン。
【請求項３】
酸化皮膜の厚さが5.0μm以上であることを特徴とする、請求項２記載の多孔性酸化チタン。
【請求項４】
酸化皮膜の厚さが10μm以上であることを特徴とする、請求項３記載の多孔性酸化チタン。
【請求項５】
酸化皮膜の厚さが50μm以上であることを特徴とする、請求項４記載の多孔性酸化チタン。
【請求項６】
アナターゼ型の結晶構造を有することを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の多孔性酸化チタン。
【請求項７】
金属チタンを電解液中で陽極酸化することにより請求項１〜６のいずれかに記載の多孔性酸化チタンを製造することを特徴とする、多孔性酸化チタンの製造方法。
【請求項８】
塩酸を含む電解液を用いて陽極酸化することを特徴とする、請求項７記載の多孔性酸化チタンの製造方法。
【請求項９】
塩酸の濃度が0.005Mから10Mの範囲の電解液を用いて陽極酸化することを特徴とする、請求項８記載の多孔性酸化チタンの製造方法。
【請求項１０】
5.0 〜25V の範囲の電圧で陽極酸化することを特徴とする、請求項８または９に記載の多孔性酸化チタンの製造方法。
【請求項１１】
熱処理により結晶構造をアナターゼ型にすることを特徴とする、請求項７〜１０のいずれかに記載の多孔性酸化チタンの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属チタンを陽極酸化することにより作製される多孔性酸化チタン、およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
酸化チタンは、光触媒や色素増感型太陽電池をはじめとして様々な分野で用いられている。酸化チタンの反応活性を向上させる上で、酸化チタンの多孔質化は、その面積を増大させ、反応物質の拡散を促進する上で有効な手法と考えられている。
【０００３】
多孔性酸化チタンを得る手法としては、微粒子を焼結させる手法、酸化チタンを光電気化学的な手法でエッチングする手法がこれまでに開発されている。このほか、陽極酸化ポーラスアルミナを用いた鋳型プロセスにより、細孔が規則配列した多孔性酸化チタンを得ることも可能である（非特許文献１）。また、硫酸、りん酸、過酸化水素からなる電解液中で金属チタンに100V以上の高い電圧を印加する火花放電では、厚さ数μmの多孔性酸化チタンが得られる（非特許文献２）。しかし、この手法で作製される酸化チタンの細孔サイズは大きく、また密度が低いことから、酸化チタンの表面積を増大させて反応活性を充分に得ることが困難である。
【０００４】
これらの手法に対し、穏やかな条件で金属チタンを電気化学的に陽極酸化することにより、チタンの表面に微細な多孔性皮膜を形成する手法が報告されている。ふっ化水素を含む電解液を用いる陽極酸化により、厚さ数100nmのチューブ状の微細な多孔質酸化チタンが得られている（非特許文献３）。チタンの陽極酸化により多孔質酸化チタンを得る手法は、その他の手法と比較して作製が容易であり、構造の制御性にも優れている。ふっ化水素酸を含む電解液を用いて得られる酸化チタンは微細な多孔質構造が得られるものの、その厚さは数100nmが限界であり、より厚く表面積の大きい多孔質構造を得ることが困難であった。単位面積あたりの酸化チタンの反応活性量を充分に確保するために、微細で厚い多孔質酸化チタンが求められていた。
【非特許文献１】H. Masuda, K. Nishio, and N. Baba, Jpn. J. Appl. Phys., Vol. 31, L1775 (1992)
【非特許文献２】伊藤征司郎、羽田忠義、肥塚浩一、材料技術、Vol.10, pp. 152 (1992)
【非特許文献３】D. Gong, G. A. Grimes, O. K. Varghese, W. Hu, R. S. Singh, Z. Chen, and E. C. Dickey, J. Mater. Res., Vol. 16, pp. 3331 (2001)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上記従来技術における課題を解決するためになされたものであり、金属チタンの陽極酸化により得られる、緻密な細孔配列を有する厚い酸化チタン皮膜、およびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明に係る多孔性酸化チタンは、金属チタンを電解液中で陽極酸化することにより形成され、酸化皮膜の厚さが0.8μm以上であることを特徴とするものからなる。
【０００７】
また、本発明は、酸化皮膜の厚さが2.0μm以上、さらには酸化皮膜の厚さが5.0μm以上、また、酸化皮膜の厚さが10μm以上の多孔性酸化チタンも提供する。さらにまた、酸化皮膜の厚さが50μm以上の多孔性酸化チタンも提供する。
【０００８】
このような厚さ酸化皮膜を有する本発明に係る多孔性酸化チタンは、金属チタンを電解液中で陽極酸化することにより製造されるが、とくに、塩酸を含む電解液を用いて陽極酸化する方法により製造される。この場合、塩酸の濃度を0.005Mから10Mの範囲とすることで、また、陽極酸化の電圧を5.0 〜25V の範囲とすることで、より均一な多孔質構造を得ることができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、従来の方法に比較し、微細な多孔質酸化チタンの厚い膜が得られ、この結果，高性能なデバイスの作製が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下に、本発明の実施の具体的な方法について説明する。
陽極酸化に用いる金属チタンは、必要に応じて機械研磨、あるいは電気化学的な研磨により表面を平滑にする。チタンの純度は、作製される酸化チタンの特性を左右することから、できるだけ高いことが好ましい。チタンの陽極酸化に用いる電解液は塩酸を含むものであることが好ましい。この陽極酸化に用いる電解液は塩酸を含むものであればよく、塩酸の他に硫酸、りん酸、硝酸、ふっ化水素酸などを含んでいても構わないが、塩酸の濃度を0.005Ｍから10Mの範囲とすることで、広範囲にわたり均一な酸化チタンの多孔性皮膜を形成することができる。多孔性酸化チタンの緻密な細孔間隔は、陽極酸化ポーラスアルミナ同様、中心に細孔を有する６角セルの集合体として表される。また、セルのサイズ、つまり細孔の間隔は、陽極酸化電圧（化成電圧）1Vに対し約2nmの比例関係をとることから、目的の細孔間隔に合わせて電圧を設定することができる。電圧の範囲を5.0Vから25V の範囲とすることで、上記比例関係に従った規則細孔配列を形成することができる。このとき、高い温度での陽極酸化では電圧を一定にすることが困難であることから、10℃以下の温度で陽極酸化することが好ましい。また、陽極酸化時の電気量により、膜厚をある程度制御することが可能である。陽極酸化により得られた酸化チタンの結晶構造はアモルファス構造であるが、熱処理を行うことで、より光触媒活性の高いアナターゼ型へ結晶化させることができる。
【実施例】
【００１１】
次に、実施例に基づいて、本発明を更に具体的に説明する。
実施例１
純度99.5%の金属チタンを機械研磨により鏡面処理し、エタノール中で超音波洗浄を行った。これを濃度0.01M、温度-2℃の塩酸水溶液中で20V、60minの陽極酸化を行ったところ、試料のほぼ全面で白色の酸化皮膜が得られた。この酸化皮膜を走査型電子顕微鏡で観察したところ、直径約15nmの細孔が約40nmの間隔で厚さ約12μmにわたり形成されたことが確認された。
【００１２】
実施例２
実施例１と同様にして処理した金属チタンを濃度1.0M、温度16℃の塩酸水溶液を用いて電流密度130mA/cm2 で３分間の陽極酸化を行ったところ、電解面積の約1/5の領域で白色の酸化皮膜が得られた。また、このときの電圧は約9Vであった。実施例１と同様に酸化皮膜の観察を行ったところ、直径約10nmの細孔が約20nmの間隔で厚さ約53μmにわたり形成されたことが確認された。
【００１３】
実施例３
濃度1.0Mの塩酸水溶液を用いて9.0Vで陽極酸化を行ったほかは実施例１と同様にして金属チタンの陽極酸化を行ったところ、電解面積の約1/3の領域で白色の酸化皮膜が得られた。実施例１と同様に酸化皮膜の観察を行ったところ、直径約10nmの細孔が約20nmの間隔で厚さ約10μmにわたり形成されたことが確認された。
【産業上の利用可能性】
【００１４】
本発明により得られる厚い多孔性酸化チタンは、光触媒や色素増感型太陽電池をはじめとする様々な分野で適用可能であり、特に反応面積の拡大が要求される分野に好適なものである。