【公開日：2025.06.10】【最終更新日：2025.04.14】
課題データ / Project Data
課題番号 / Project Issue Number
24UT1216
利用課題名 / Title
水電解電極上の酸素気泡挙動の計測
利用した実施機関 / Support Institute
東京大学 / Tokyo Univ.
機関外・機関内の利用 / External or Internal Use
内部利用（ARIM事業参画者以外）/Internal Use (by non ARIM members)
技術領域 / Technology Area
【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）加工・デバイスプロセス/Nanofabrication（副 / Sub）-
【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）革新的なエネルギー変換を可能とするマテリアル/Materials enabling innovative energy conversion（副 / Sub）-
キーワード / Keywords
水電解電極,電子線リソグラフィ/ EB lithography,電極材料/ Electrode material,リソグラフィ/ Lithography,スパッタリング/ Sputtering,光リソグラフィ/ Photolithgraphy
利用者と利用形態 / User and Support Type
利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)
杵淵 郁也
所属名 / Affiliation
東京大学 大学院工学系研究科 機械工学専攻
共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes
佐藤 康平,鈴木 雄介,仲野 晃平
ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes
利用形態 / Support Type
（主 / Main）機器利用/Equipment Utilization（副 / Sub）-
利用した主な設備 / Equipment Used in This Project
UT-500：高速大面積電子線描画装置
UT-504：光リソグラフィ装置MA-6
UT-501：卓上アッシング装置
UT-716：LL式高密度汎用スパッタリング装置(2024)
UT-850：形状・膜厚・電気特性評価装置群
報告書データ / Report
概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)
水電解電極表面に生じる直径20-300 μm程度の気泡脱離挙動を詳細に観察するため，幅50 μm，厚さ100, 500 nmのニッケル微細パターン電極(図1)をガラス基板上に製作した．
微細パターン電極は，電子線描画装置(UT-500)で製作したフォトマスクを用いて以下の手順(図2)で製作した．
1. ガラス基板にレジストを塗布．2. 露光装置(UT-504)でマスクのパターンをレジストに転写．3. パターンを現像．4. 酸素アッシング装置(UT-501)でガラス基板表面を洗浄後，スパッタ装置(UT-716)でニッケル薄膜をガラス基板上に製作．5. リフトオフによりレジストを除去．
電極の製作後，形状・膜厚・電気特性評価装置群(UT-850)を用いて電極の幅や膜厚を評価した．
実験 / Experimental
アルカリ水電解における電極上気泡の脱離挙動の分析を目的とし，水電解実験を行った．1 mol/L水酸化カリウム水溶液中に設置した幅50 μmのガラス基板上ニッケル微細パターン電極(図3)から発生する酸素気泡を高速度カメラで撮影し，気泡の合体脱離挙動の観察とその電流密度依存性の分析を行った．
結果と考察 / Results and Discussion
気泡の合体後挙動に1.脱離2.脱離のち再付着3.脱離無しの3種類(図4)が存在することを確かめ，これらは合体前の2つの気泡の直径に応じて分類されることが分かった(図5)．脱離の有無に関しては，気泡合体に伴う表面エネルギー変化と粘性散逸を考慮した合体脱離モデル[1]に基づく予測結果と概ね一致した．従って，水電解環境下における合体脱離についても上記モデルと同様の説明ができるものと考えられる．一方，上記のモデルでは説明不可能な脱離後の再付着の有無に関しては，電場をはじめとする様々な支配要因が考えられる．脱離気泡の再付着現象に関する先行研究は乏しく，その機序については追加実験を行いながら今後検討する予定である．
図・表・数式 / Figures, Tables and Equations
図1 製作した幅 50 μmの微細パターン電極
図2 微細パターン電極製作プロセス
図3 KOH水溶液中に設置されたガラス基板上の微細パターン電極と酸素気泡
図4 合体後の3つの気泡脱離挙動．橙破線は気泡の輪郭，青実線は電極表面を表す．Δt = 1/1080 sである．
図5 合体前気泡直径と合体後気泡脱離挙動の関係．
その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)
[1] P. Lv et al., Phys. Rev. Lett. 127, 235501 (2022).
成果発表・成果利用 / Publication and Patents
論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)
口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.
- Yusuke Suzuki, Kohei Nakano, Kohei Sato, Ikuya Kinefuchi, “Experimental and numerical analysis of the growth, detachment and coalescence of oxygen bubbles on the electrode surfaces in alkaline water electrolysis”, APS DFD Annual Meeting 2024, Salt Lake City, 2024, 11．（ポスター発表，APS/DFD Student Poster Award受賞）
特許 / Patents
特許出願件数 / Number of Patent Applications：0件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件