制备金属氧化物薄膜、电容器、氢分离膜－电解质膜组合件和燃料电池的方法

摘要

一种制备金属氧化物薄膜(70)的方法，所述方法包括电镀步骤，在该步骤中使用含二甲基亚砜和卤素的基于甲基酮的有机溶液(20)作为电镀溶液。将该具有腐蚀性的有机溶液作为所述电镀溶液，能够形成非水溶性的金属氧化物薄膜。此外，由于所述有机溶液中含有卤素和二甲基亚砜，因此所形成的金属氧化物薄膜具有高厚度均匀性和高致密性。

说明书

技术领域

本发明涉及制备金属氧化物薄膜、电容器、氢分离膜-电解质膜组合件和燃料电池的方法。

背景技术

作为制备金属氧化物薄膜的方法，已知：利用浸渍涂覆法或旋转涂覆法将金属氧化物前体溶液施加到基底上，然后加热，从而形成氧化物薄膜的方法；和利用化学气相沉积法将金属氧化物前体溶液施加到基底上，然后加热，从而形成氧化物薄膜的方法。虽然这些方法相对简单，但要形成具有足够高的厚度均匀性的薄膜需要满足非常苛刻的条件。从此观点出发，这些形成薄膜的方法并不总是容易的。还已知通过向基底上溅射金属氧化物而在基底上形成薄膜的方法。然而，这种方法需要大规模的设备。

除了上述方法，近年来，已开发出通过电镀在基底上形成金属氧化物薄膜的技术。当通过电镀形成金属氧化物薄膜时，设备成本低且形成工艺简单。因此，这种基于电镀的形成方法能够容易地实际应用。在典型的金属氧化物电镀方法中，使用含金属离子的溶液作为电镀溶液。例如，日本专利申请特开2002-194556(JP-A-2002-194556)公开了使用含有Pb(铅)离子、Zr(锆)离子、Ti(钛)离子、La(镧)离子或硝酸根离子以及还原剂的水溶液作为电镀溶液的方法。

根据这种技术，所述还原剂在所述基底的表面上将硝酸根离子还原成亚硝酸根离子。同时，由于所述基底表面产生的氢氧根，金属离子以氢氧化物或氧化物的形式聚集到所述基底的表面。另一方面，已知另一种方法，在该方法中，通过施加电压代替使用还原剂，在导电基底上形成氢氧根，并使金属氢氧化物或金属氧化物电镀到所述基底的表面上。

但是，根据JP-A-2002-194556中所述的技术，当形成通常用于电容器的高介电的钽氧化物薄膜或高介电的铌氧化物薄膜时，不能使用基于水的电镀溶液，因为钽离子和铌离子不溶于水。

鉴于上述，已知如下技术：将由金属钽或金属铌等制成的阳极和作为导电电镀目标的阴极放入腐蚀性有机溶液中并对所述阳极和阴极施加电压使所述阳极腐蚀性溶解，因阳极腐蚀性溶解而产生的金属离子和所述阴极上产生的氢氧根或氧离子相互反应，从而实现氧化物电镀。

例如，作为腐蚀性有机溶剂，已知通过向丙酮中加入溴或碘获得的那些(参见Kai Kamada，Maki Mukai和YasumichiMatsumoto，“Anodic Dissolution of tantalum and niobium inacetone solvent with halogen additives for electrochemical synthesisof Ta₂O₅ and Nb₂O₅ thin films”，Elecrochimica Acta，第49卷，第321-327页)。在这种方法中，在所述阳极和所述阴极间施加50V的电压。

本发明人根据这种方法用钯板作为电镀目标形成了钽氧化物薄膜，但是，由于由所述阳极产生的氢等原因，所形成薄膜的厚度不均匀。

发明内容

本发明提供一种使用有机溶剂作电镀溶液，制备具有高厚度均匀性和高致密性的金属氧化物薄膜的方法。

本发明的第一方面涉及制备金属氧化物薄膜的方法，所述方法包括电镀步骤，在该步骤中使用含二甲基亚砜和卤素的基于甲基酮的有机溶液作为电镀溶液。根据本方法，由于所述有机溶液中含有的卤素和二甲基亚砜，所形成的金属氧化物薄膜具有高厚度均匀性和高致密性，此外，使用腐蚀性的有机溶液使得能够形成非水溶性金属氧化物的薄膜。

上述方法还可包括热处理步骤，在该步骤中对由所述电镀步骤得到的金属氧化物薄膜或金属氢氧化物薄膜进行加热。在该情况下，即使由所述电镀步骤产生的所述薄膜是非晶的，也能形成结晶的金属氧化物薄膜。

此外，在上述方法中，所述基于甲基酮的有机溶液可含有供质子有机物质。在该情况下，所述基于甲基酮的有机溶液的电导率增加，从而使薄膜形成得更快。此外，在上述方法中，所述供质子有机物质可包括甲醇、乙醇、丙醇和乙酸中的至少一种，所述卤素可为溴。

本发明的第二方面涉及制备电容器的方法，所述方法包括：制备第一电极的制备步骤；电介质部分形成步骤，在该步骤中利用根据本发明第一方面所述的方法在所述第一电极上形成由金属氧化物薄膜构成的电介质部分；以及电极形成步骤，在该步骤中在所述电介质部分上形成第二电极。根据本方法，可以制备出包含具有高厚度均匀性和高致密性的电介质部分的电容器。

本发明的第三方面涉及制备氢分离膜-电解质膜组合件的方法，所述方法包括：制备具有氢渗透性的氢分离膜的制备步骤；和电解质膜形成步骤，在该步骤中利用根据本发明第一方面所述的方法在所述氢分离膜上形成由金属氧化物薄膜构成的质子导电电解质膜。根据本方法，可以制备出包含具有高厚度均匀性和高致密性的电解质膜的氢分离膜-电解质膜组合件。

本发明的第四方面涉及制备燃料电池的方法，所述方法包括阴极形成步骤，在该步骤中在利用根据本发明第三方面所述的方法制备的所述氢分离膜-电解质膜组合件的质子导电电解质膜上形成阴极。根据本方法，可以制备出包含具有高厚度均匀性和高致密性的电解质膜的燃料电池。

如此，根据本发明，利用有机溶液作电镀溶液，能够制备出具有高厚度均匀性和高致密性的金属氧化物薄膜。

附图说明

根据下面参考附图对示例性实施方案的描述，前面提到的和更多的本发明的特征和优势将变得明了，在附图中，相同的附图标记用于表示相同的要素，其中：

图1A和图1B是说明根据本发明第一示例性实施方案制备金属氧化物薄膜的方法流程的示意图；

图2是说明其他金属氧化物薄膜生产方法的示意图；

图3A、图3B和图3C是说明根据本发明第二示例性实施方案制备电容器的方法流程的示意图；和

图4A、图4B和图4C是说明根据本发明第三示例性实施方案制备燃料电池的方法流程的示意图；

具体实施方式

图1A和图1B是说明根据本发明第一示例性实施方案制备金属氧化物薄膜的方法流程的示意图。首先，参考图1A，将由指定金属制成的阳极30和具有导电性的用作薄膜基底的阴极40浸入到容器10中的基于甲基酮的有机溶液20中。在示例性本实施方案中，所述基于甲基酮的有机溶液20含有二甲基亚砜和卤素。所述阳极30和阴极40连接至电源50。当所述电源50接通时，构成阳极30的金属的氧化物或氢氧化物电镀到所述阴极40上，从而形成具有均匀厚度和高致密性的薄膜60。注意，在施加电压时，所述基于甲基酮的有机溶液20可保持静止或被搅动。此外，可利用掩模等使所述电镀选择性地在所述阴极40的一个或多个特定部分处实施。

通过前述电镀方法形成的所述薄膜60是非晶的。所述薄膜60可以此状态实际应用。在需要将所述薄膜60形成为结晶金属氧化物薄膜的情况下，可通过加热所述薄膜60实现，如图1B所示。借此，能够形成结晶金属氧化物薄膜70。在此情况下，加热温度和加热时间的设置要考虑阴极40和薄膜60的耐热性、晶体生长特性等。

用于所述基于甲基酮的有机溶液20的甲基酮可选自具有CH₃COR(“R”代表C7或更小的烃基团)结构的那些。这是因为，如果所述基于甲基酮的有机溶液20是由C8或更大的烃基团(R)构成的甲基酮，则溶液的粘度高，溶液的离子扩散能力低，因而电镀效率低。下面是可用于所述基于甲基酮的有机溶液20的甲基酮的实例：丙酮、甲基乙基酮、甲基正丙基酮、甲基异丙基酮、2-戊酮、甲基异丁基酮、甲基叔丁基酮、2-己酮、3-甲基-2-戊酮、4-甲基-2-戊酮、2-庚酮、苯乙酮及这些物质的混合物。

所述甲基酮中包含的卤素可以是溴或碘，或更具体而言，可为溴。

卤素在所述基于甲基酮的有机溶液20中的浓度不限于任何特定值。例如，以卤素分子计，该值可设定为0.002至0.1mol/L，或者更具体而言，0.005至0.05mol/L。如果卤素的浓度低于0.002mol/L，则溶液的腐蚀性不够高而不足以充分地腐蚀性溶解所述阳极，如果所述卤素的浓度高于0.05mol/L，则该溶液使阳极过度氧化。

卤素和甲基酮引发卤仿反应，从而生成RCOCH₂X(“X”代表卤素)和HX。在此情况下，所述基于甲基酮的有机溶液20的电导率和腐蚀性提高。

在所述基于甲基酮的有机溶液20中二甲基亚砜的浓度不限于任何特定值。例如，该值设定为0.005至0.5mol/L，更具体而言为0.01至0.3mol/L。

通过与共存卤素的相互作用，所述二甲基亚砜提高了所述基于甲基酮的有机溶液20的腐蚀性，并使所述薄膜60均匀。

所述基于甲基酮的有机溶液20可进一步含有具有供质子性质的有机物质。在此情况下，所述基于甲基酮的溶液的电导率进一步提高，且所述薄膜60形成得更快。这种供质子有机物质的实例包括：甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、乙酸、丙酸以及这些物质的混合物。

在所述基于甲基酮的有机溶液20中所述供质子有机物质的浓度不限于任何特定值。例如，该值可设定为5mol/L或更低，更具体而言为2mol/L或更低。这是因为如果所述供质子有机物质的浓度高于5mol/L，则在电镀过程中产生氢，这导致镀层厚度均匀性劣化。

制成阳极30的金属不限于任何特定的金属。例如，该金属可选自：镁、铝、钛、锆、钒、铌、钽、铬、钼和钨。这些金属还原能力低，因此适于通过有机溶液电镀。所述阳极30的形状不限于任何特定的形状，可形成为例如板状、条状、圆柱形、网状等。可选择所述阳极30的形状以配合所述阴极40的形状。所述阴极40可由任何导电的材料制成。

从所述电源50施加的电压不限于任何特定的值，只要适合于溶解所述阳极30并在所述阴极40上形成所述薄膜60即可。例如，该值可设定在30至250V的范围内，更优选在50至200V范围内。此外，在如图2所示的例子中，一次可使用2个或更多个阳极，这样各个阴极和阳极施以不同的电压。在此情况下，在所述阴极40上由复合金属氧化物形成薄膜60。如果所述电压低于30V，则所述阳极腐蚀溶解的速率过低，另一方面，如果所述电压高于250V，则发生不希望的副反应。

在从所述电源50施加电压时，所述基于甲基酮的有机溶液20的温度不限于任何特定的值，只要所述基于甲基酮的有机溶液20不沸腾即可。例如，该值可设定在0至70℃范围内，更具体而言在15至50℃范围内。如果所述基于甲基酮的有机溶液20的温度低于0℃，则所述基于甲基酮的有机溶液20的离子溶解度过低，另一方面，如果所述基于甲基酮的有机溶液20的温度高于70℃，则所述溶液蒸发，从而使电镀条件显著变化。

根据本示例性实施方案的制备金属氧化物薄膜的方法，如上所述，因为使用腐蚀性有机溶剂作为电镀溶液，所以能够形成非水溶性金属氧化物薄膜。此外，因为所述有机溶剂中含有卤素和二甲基亚砜，所以形成的金属氧化物薄膜具有高厚度均匀性和高致密性。

接下来，将描述本发明的第二示例性实施方案，该实施方案涉及制备电容器100的方法。图3A至图3C描述制备电容器100的方法的流程。首先，如图3A所示制备电极110。所述电极110可由任何导电材料制成。然后，如图3B所示，在所述电极110一侧形成电介质部分120。此时，所述电介质部分120是根据所述第一示例性实施方案的制备金属氧化物薄膜的方法形成的。在所述第二示例性实施方案中，所述阳极是由氧化后能够用作电介质的金属制成的，如铌和钽。

随后，如图3C所示，通过溅射法或类似的方法，在所述电介质部分120上形成电极130，从而完成所述电容器100。所述电极130可由任何导电材料制备。根据所述第二示例性实施方案的制备电容器的方法，如上所述，能够制备具有由具有高厚度均匀性和高致密性的非水溶性金属氧化物薄膜形成的电介质部分的电容器。应指出，在所述第二示例性实施方案中，可将所述电极110和所述电极130分别视为对应于“第一电极”和“第二电极”。

接下来，将描述本发明的第三示例性实施方案，该实施方案涉及制备燃料电池200的方法。图4A至图4C描述制备燃料电池200的方法的流程。首先，如图4A所示制备氢分离膜210。所述氢分离膜210可由任何具有氢渗透性和导电性的材料制备。例如，所述氢分离膜210可由钯、铌、钒、钽、钛以及这些金属的合金制成。

随后，在所述氢分离膜210的一侧形成具有质子导电性的电解质膜220，从而完成氢分离膜-电解质膜组合件。此时，所述电解质膜220是根据所述第一示例性实施方案的制备金属氧化物的方法形成的。在所述第三示例性实施方案中，所述阳极是由氧化后可用作质子导电电解质的金属制成的，如铌和钽。

接下来，如图4C所示，在所述电解质膜220上形成阴极230，从而完成所述燃料电池200。所述阴极230是由导电材料如钴酸镧(lanthanum cobaltite)、锰酸镧、银、铂、负载铂的碳等制成的。所述阴极230可利用丝网印刷方法或类似的方法形成。

下面，将描述所述燃料电池200的运行概要。首先，向所述氢分离膜210提供含氢燃料气体。所述燃料气体中包含的氢穿过所述氢分离膜210，之后在所述氢分离膜210和所述电解质膜220之间的界面处转化成质子。这些质子移动穿过所述电解质膜220并到达所述阴极230。另一方面，将含氧的氧化性气体供给至阴极230。在阴极230处，氧化性气体中的氧和已经到达阴极230的质子相互反应，由此生成水并产生电能。这样，所述燃料电池200向各负载提供电能。

根据本发明所述第三示例性实施方案的制备所述燃料电池的方法，如上所述，可以形成由具有高厚度均匀性和高致密性的作为非水溶性金属氧化物薄膜的电解质膜构成的氢分离膜-电解质膜组合件，并由此制备各自由这种氢分离膜-电解质膜组合件构成的燃料电池。此外，根据所述第三示例性实施方案的制备燃料电池的方法，减小了所述电解质膜220的厚度，因此燃料电池200的发电阻抗也随之减小。

根据上述各示例性实施方案的方法形成了金属氧化物薄膜，并检测了所形成的各金属氧化物薄膜的厚度均匀性和致密性。表1表示形成各金属氧化物薄膜的条件。

(表1)

  阳极  阴极  甲基酮溶液  二甲基亚砜  卤素  供质子剂  电压  实施例1  Nb  Pd  2-戊酮  0.03mol/l  Br  0.01mol/l  不含  150V  实施例2  Nb  Pd  2-戊酮  0.03mol/l  Br  0.01mol/l  甲醇  0.4mol/l  150V  实施例3  Nb  Pd  2-戊酮  0.03mol/l  Br  0.01mol/l  乙醇  0.4mol/l  150V  实施例4  Nb  Pd  2-戊酮  0.03mol/l  Br  0.01mol/l  1-丙醇  0.4mol/l  150V  实施例5  Nb  Pd  2-戊酮  0.03mol/l  Br  0.01mol/l  乙酸  0.4mol/l  150V  实施例6  Nb  Pd  2-戊酮  0.03mol/l  Br  0.01mol/l  乙醇  0.8mol/l  150V  实施例7  Nb  Pd  2-戊酮  0.3mol/l  Br  0.01mol/l  乙醇  0.4mol/l  150V  实施例8  Nb  Pd  2-戊酮  0.03mol/l  Br  0.01mol/l  乙醇  0.4mol/l  50V  实施例9  Ti  Pd  2-戊酮  0.03mol/l  Br  0.01mol/l  乙醇  0.4mol/l  150V  实施例10  Ta  Pd  2-戊酮  0.03mol/l  Br  0.01mol/l  乙醇  0.4mol/l  150V  实施例11  Nb、Mg  Pd  2-戊酮  0.03mol/l  Br  0.01mol/l  乙醇  0.4mol/l  150V，  100V  实施例12  Nb  Pd  2-戊酮和丙酮  的混合物  0.03mol/l  Br  0.01mol/l  乙酸  0.4mol/l  150V  实施例13  Nb  Pd  2-戊酮  0.03mol/l  Br  0.05mol/l  乙醇  0.4mol/l  150V  实施例14  Ta  Pd  2-戊酮  0.08mol/l  Br  0.01mol/l  不含  50V  对比例1  Nb  Pd  2-戊酮  不含  Br  0.01mol/l  不含  150V  对比例2  Nb  Pd  2-戊酮  不含  Br  0.01mol/l  乙醇  0.4mol/l  150V

在实施例1中，金属氧化物薄膜70是根据上述示例性第一实施方案的方法形成的。用厚度为0.2mm的铌板作为所述阳极30，厚度为0.1mm的钯板作为所述阴极40。用溴浓度为0.01mol/L和二甲基亚砜浓度为0.03mol/L的2-戊酮溶液作为所述基于甲基酮的有机溶液20。

将所述阳极30和所述阴极40浸没到所述基于甲基酮的有机溶液20中。所述阳极30和所述阴极40间隔5mm平行排列。在所述阳极30和所述阴极40之间施加150V的直流电压30分钟，从而在所述阴极40上形成所述薄膜60。接下来，将所述薄膜60在700℃加热3小时，从而形成铌氧化物薄膜作为金属氧化物薄膜70。

在实施例2中，在所述基于甲基酮的有机溶液20中加入甲醇，使甲醇在所述基于甲基酮的有机溶液20中的浓度为0.4mol/L。其他条件与上述实施例1的条件相同。

在实施例3中，在所述基于甲基酮的有机溶液20中加入乙醇，使乙醇在所述基于甲基酮的有机溶液20中的浓度为0.4mol/L。其他条件与上述实施例1的条件相同。

在实施例4中，在所述基于甲基酮的有机溶液20中加入1-丙醇，使1-丙醇在所述基于甲基酮的有机溶液20中的浓度为0.4mol/L。其他条件与上述实施例1的条件相同。

在实施例5中，在所述基于甲基酮的有机溶液20中加入乙酸，使乙酸在所述基于甲基酮的有机溶液20中的浓度为0.4mol/L。其他条件与上述实施例1的条件相同。

在实施例6中，在所述基于甲基酮的有机溶液20中加入乙醇，使乙醇在所述基于甲基酮的有机溶液20中的浓度为0.8mol/L。其他条件与上述实施例1的条件相同。

在实施例7中，二甲基亚砜在所述基于甲基酮的有机溶液20中的浓度为0.3mol/L。其他条件与上述实施例3的条件相同。

在实施例8中，在所述阳极30和所述阴极40之间施加30V的电压。其他条件与上述实施例3的条件相同。

在实施例9中，用厚度为0.2mm的钛板作为所述阳极30，将所述薄膜60在700℃加热3小时，从而形成钛氧化物薄膜作为金属氧化物薄膜70。其他条件与上述实施例3的条件相同。

在实施例10中，用厚度为0.2mm的钽板作为所述阳极30，将所述薄膜60在700℃加热3小时，从而形成钽氧化物薄膜作为金属氧化物薄膜70。其他条件与上述实施例3的条件相同。

在实施例11中，用厚度为0.2mm的铌板和直径为1mm的镁棒作为所述阳极30，厚度为0.1mm的钯板作为所述阴极40。用溴浓度为0.01mol/L，二甲基亚砜浓度为0.03mol/L和乙醇浓度为0.4mol/L的2-戊酮溶液作为所述基于甲基酮的有机溶液20。

所述阴极40和所述镁棒间隔10mm平行排列，所述铌板排列在所述阴极40和所述镁棒之间，以与所述阴极40间隔5mm平行排列。在所述阴极40和所述铌板之间施加150V的直流(DC)电压30分钟，在所述阴极40和所述镁棒间施加100V的直流电压30分钟，从而形成所述薄膜60。将所述薄膜60在700℃加热3小时，从而形成由铌氧化物和镁氧化物构成的复合薄膜作为金属氧化物薄膜70。

在实施例12中，用2-戊酮和丙酮的混合物(丙酮30％)代替2-戊酮。其它条件与上述实施例5的条件相同。

在实施例13中，溴的浓度为0.05mol/L。其它条件与上述实施例3的条件相同。

在实施例14中，二甲基亚砜在所述基于甲基酮的有机溶液20中的浓度为0.08mol/L，且没有加入供质子剂，在所述阳极30和所述阴极40之间施加50V的电压。其他条件与上述实施例10的条件相同。

在对比例1中，在所述基于甲基酮的有机溶液20中不含二甲基亚砜。其他条件与上述实施例1的条件相同。

在对比例2中，在所述基于甲基酮的有机溶液20中不含二甲基亚砜。其他条件与上述实施例3的条件相同。

检测了实施例1至12和对比例1和2的金属氧化物薄膜的厚度均匀性和致密性。表2示出检测结果。将所述厚度均匀性和致密性评价为三个等级。关于所述厚度均匀性，如果所述阴极有任何部分暴露在外，则为“差”，如果所述阴极没有暴露在外的部分但厚度不均匀，则为“良”，如果所述阴极没有暴露在外的部分且厚度均匀，则为“优”。关于致密性，如果表面中有明显的孔，则为“差”，如果表面中没有明显的孔但表面上有明显的不平整，则为“良”，如果没有明显的孔且没有不平整，则为“优”。

  均匀性  致密性  实施例1  良  良  实施例2  良  良  实施例3  良  优  实施例4  优  良  实施例5  优  优  实施例6  良  良  实施例7  良  良  实施例8  良  良  实施例9  优  良  实施例10  良  优  实施例11  良  良  实施例12  优  优  实施例13  良  良  实施例14  优  良  对比例1  差  差  对比例2  差  良

如图2所示，对比例1的厚度均匀性和致密性均评为“差”，对比例2虽然致密性评为“良”但厚度均匀性评为“差”。这些结果是由在所述阴极上产生的氢导致的。

另一方面，由于在所述基于甲基酮的有机溶液20中加入的卤素和二甲基亚砜，实施例1的厚度均匀性和致密性均评为“良”。由于在所述基于甲基酮的有机溶液20中加入的供质子有机物使所述基于甲基酮的有机溶液20的电导率增高，所以实施例3、4、5、9、10和12的厚度均匀性和致密性中至少有一项被评为“优”。

因此，上述检测结果表明，如果在所述基于甲基酮的有机溶液20中加入卤素和二甲基亚砜，则能够制备出具有较高厚度均匀性和较高致密性的金属氧化物薄膜，且通过在所述基于甲基酮的有机溶液20中加入供质子有机物，能够进一步提高金属氧化物薄膜的均匀性和致密性。

虽然参考示例性实施方案描述了本发明，但应理解，本发明并不限于所描述的实施方案或构造。相反，本发明意于覆盖各种变化方案和等同构造。另外，虽然所述示例性实施方案的各种要素以不同的组合和配置示出，但包括更多、更少或仅单个要素的其他组合和配置也在本发明的精神和范围之内。