物質・材料研究機 共用基盤部門 強磁場共用ステーション 2008 年度 ...

垂 直 磁 場 中 における 銅 電 析 反 応 の 電 流 応 答
Electrolytic Current of Copper Electrodeposition in Perpendicular Magneticdeno Field
早 稲 田 大 学 高 等 研 究 所 杉 山 敦 史
Atsushi Sugiyama , Waseda Institute for Advance Study, Waseda University
埼 玉 県 産 業 技 術 総 合 センター 森 本 良 一
Ryoichi Morimoto , Saitama Industrial Technology Center
物 質 ・ 材 料 研 究 機 構 山 内 悠 輔
Yusuke Yamauchi , MANA, National Institute for Materials Science; PRESTO, JST
東 北 大 学 金 属 材 料 研 究 所 茂 木 巖
Iwao Mogi , Institute for Materials Research, Tohoku University
早 稲 田 大 学 理 工 学 術 院 逢 坂 哲 彌
Tetsuya Osaka , Waseda University
職 業 能 力 開 発 総 合 大 学 校 青 柿 良 一
Ryoichi Aogaki , Polytechnic University
Abstract:
Using a sheathed micro disk electrode called "spin electrode", which enables to measure the change in electron-spin
state during an electrode reaction containing transient metal ion, the response of the electrode in a high magnetic field was
experimentally examined. The change in electron-spin states is obtained from change in magnetic susceptibilities between
product and reactant, measured by a diffusion current promoted by magneto-convection in a heterogeneous vertical magnetic
field. As a result, the diffusion current of copper electrodeposition were divided into two groups by the product of magnetic
field and its gradient (B(dB/dz)). While the slope of diffusion current under applying B(dB/dz) within the range from 100
T 2 m -1 to 250 T 2 m -1 detected theoretical value, an unstable diffusion current was observed in higher region of B(dB/dz) = 250
T 2 m -1 .
Keywords: spin electrode, perpendicular magnetic field, magneto convection, copper electrodeposition
E-mail: sugiyama@waseda.jp
1. はじめに
磁 場 中 における 電 気 化 学 反 応 では 均 一 磁 場 や 不 均 一
( 勾 配 ) 磁 場 に 基 づく 種 々の 磁 気 力 により 溶 液 対 流 が
生 じ、 反 応 量 に 大 きな 変 化 をもたらす。 通 常 、 電 解 中
はひとつの 磁 気 対 流 が 現 れるわけではなく、 幾 つかの
磁 気 対 流 が 並 列 もしくは 逐 次 的 に 起 こり、それらが 干
渉 することで 電 解 電 流 値 を 増 加 させるだけでは 無 く、
ある 場 合 には 電 解 電 流 を 低 下 させることもある。 均 一
磁 場 を 由 来 にする 電 磁 流 体 力 学 (Magnetohydrodynamic:
MHD) 流 れについては、 青 柿 や 森 本 らによってマクロ
スケールで 運 動 する MHD 流 れの 他 、 数 マイクロメー
トルおよびサブミリメートルスケールに 働 く 一 次 と 二
次 のマイクロ MHD 流 れの 存 在 が 明 らかにされつつあ
り、またそれら 流 れを 利 用 した 磁 場 めっきプロセスの
提 案 がされている[1,2]。
本 研 究 では、 不 均 一 磁 場 を 由 来 とする 磁 気 対 流 のみ
を 検 知 可 能 なスピン 電 極 を 用 いて、 低 磁 場 から 高 磁 場
までの 拡 散 電 流 を 測 定 することでスピン 電 極 の 安 定 性
を 確 認 するともに、イオンの 特 異 吸 着 といった 電 極 界
面 への 新 たな 磁 場 効 果 の 有 無 を 探 った 結 果 を 報 告 する。
また、 円 筒 型 MHD 電 極 を 用 いたときの 垂 直 磁 場 中 で
の 電 極 応 答 についても 併 せて 報 告 する。
2. 実 験 方 法
図 1 にスピン 電 極 の 模 式 図 を 示 す。スピン 電 極 は 不
均 一 磁 場 由 来 の 磁 気 対 流 成 分 のみを 検 出 可 能 とする 電
極 である。 電 極 に 装 着 したさやは 電 極 反 応 に 特 有 なマ
クロな MHD 流 れの 効 果 を 防 ぐものである。 電 極 界 面
では 反 応 種 と 電 極 の 間 で 直 接 電 子 移 動 がおこることに
よって、 反 応 が 進 行 する。すなわち、 電 気 化 学 反 応 で
は、 電 極 を 用 いて 反 応 種 や 生 成 種 の 電 子 状 態 を 制 御 し
ているといえる。 一 方 、 遷 移 金 属 からなる 錯 体 イオン
では、 孤 立 電 子 のスピンの 数 と 磁 化 率 に 簡 単 な 関 係 が
成 り 立 つ 場 合 が 多 く、そのため 磁 化 率 から 電 子 状 態 を
推 定 することができる。また、スピン 電 極 は 溶 液 中 に
含 まれる 水 や 共 存 イオン 種 からの 環 境 ノイズの 影 響 が
少 なく、 他 に 比 類 しない 高 い 検 出 感 度 が 見 積 もられる。
不 均 一 磁 場 によって 不 均 一 磁 気 対 流 が 引 き 起 こされ
る 場 合 には、 理 論 式 (1)に 従 い 磁 場 と 磁 場 勾 配 の 積
(B(dB/dz))の 3 分 の 1 乗 に 比 例 して 拡 散 電 流 値 が 増
加 することになる。
i 0.0969z
m
1
FD
0D
1/ 3
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1/ 3
C
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dB
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1/ 3
…..(1)
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