[發明專利]配備有微電極的電解槽

有效

• 申請號: 201380057692.7
• 申請日: 2013-11-08
• 公開（公告）號: CN104769161A
• 公開（公告）日: 2015-07-08
• 發明（設計）人: A·F·古拉
• 申請（專利權）人: 德諾拉工業有限公司
• 主分類號: C25B1/13
• 分類號: C25B1/13;C25B1/26;C25B1/30;C25B11/04
• 代理公司: 中國國際貿易促進委員會專利商標事務所 11038
• 代理人: 李英

發明領域

本發明涉及用于產生未分離的產物的設有微電極的電解槽及其制造方法。本發明的電解槽和微電極通過在微機電系統(MEMS)的制備中使用的半導體器件制造技術獲得。

發明背景

本發明涉及可以被布置為單極或雙極構造的電解槽，適用于不需要分離在陽極和陰極處產生的產物的方法。

本領域已知用于制造在微機電系統(MEMS)的制備中使用的半導體器件的方法和技術，以及用于在基于半導體材料的襯底上直接沉積用于電化學反應的催化金屬或者制備微電極的光刻技術。例如在WO2012078396中描述了利用上述技術的微電極及其獲得方法，以及它們在針對水電解的電解槽中的用途。在此情況下，描述了通過配備有微電極的電解槽電解水的方法，其中最終產物氫和氧是分離的。WO2012078396還描述了一對板，其分別具有嵌入其中的陽極微電極和陰極微電極，盡管微電極大小的微米數量級，其電極間間隙即每對陽極微電極和陰極微電極之間的距離仍是宏觀級別。這是因為分別具有納入其中的陽極微電極和陰極微電極的該兩塊板，由于機械公差或者當存在時置于所述板之間的隔膜或膜的厚度，不能接近超過一定限度。因為這個原因，只有電解質的電阻率足夠小，才可以在實際有用的電流密度下將槽電壓限制在合理數值內。因為同樣的原因，在傳統型電解槽中，即甚至該電極具有宏觀數量級的尺寸時，也只有電解質的電阻率足夠小，才可以在實際有用的電流密度下將槽電壓限制在可以接受的數值內。

還已知原位臭氧微發生器，例如在US2009/0120863中所描述的，公開了制備臭氧的電路，其印刷在印刷電路板(PCB)的一面上，為了增加氫氣泡的大小該印刷電路板(PCB)設有適當粗糙化的表面，由此使產物臭氧與陰極析出的氫的重新組合最少化，因此增加有效的臭氧制備。除了其它缺點以外，US2009/0120863的粗糙陰極還需要定期再生，并且為此它們設有在PCB的相對面上布置的加熱元件。另外，US2009/0120863的臭氧發生器只能采用由最低水平的電導率開始的水(例如泉水或自來水)工作，不適用于由去礦物質或去離子的水制備臭氧。

發明人出乎預料地發現，在單一板中設有以微米級的距離彼此插入的多個陽極和陰極微電極的電解槽，甚至還可以采用非常高的電阻率(即低電導率)的水性電解質操作，制備數量足以用于各種用途的臭氧和混合氧化劑，只要該微電極表面極其光滑，例如鏡面狀。此外，設有鏡面狀微電極的制備臭氧的槽不需要任何定期再生，其臭氧制備速率高得多，從而由重新組合所致的損失產物部分不明顯。除了產生臭氧和混合氧化劑以外，設有鏡面狀微電極的電解槽還可以用于各種目的。這種類型的槽設計不能利用常規的PCB技術獲得，而且需要允許更精密的尺寸控制的先進制造技術，例如結合物理或化學氣相沉積的微機電系統(MEMS)。

發明內容

本發明的各個方面列在所附的權利要求書中。

在一個方面，本發明涉及用于產生未分離的陽極產物和陰極產物的電解槽，其由可光刻圖案的襯底(例如硅襯底)組成，該襯底具有嵌入其中的多個陽極微電極和陰極微電極的表面，陽極微電極和陰極微電極以小于100微米的電極間間隙彼此插入并且具有小于0.05μm的平均表面粗糙度Ra。在一個實施方案中，陽極微電極和陰極微電極具有小于0.01μm的平均表面粗糙度Ra。

在此使用術語“嵌入”襯底的表面中意味著以這樣的方式在襯底表面上形成微電極：使得使它們的外部暴露用于在操作過程中與水性電解質有效接觸。

發明人觀察到，電極表面的鏡面狀光滑度結合微米電極間間隙，允許在有效的電流密度下采用廣泛的電解質操作，所述電解質包括非常有電阻性的電解質(即具有非常低的電導率)，例如純水或離子物質含量極度減小的水。采用具有適當催化的外表面的微電極，出乎預料地可以制備出乎預料的量和各種不同的物質，例如氧化物質。不期望將本發明限制于特定理論，可以假設微電極的光滑度防止在其整個表面上發生反應，并且在其邊緣上集中電流線。因此，在微電極邊緣周圍局部電流密度變得如此的高，尤其是采用非常有電阻性的電解質，以致于相應的電勢觸發開始許多物質(例如氧自由基物質)的形成，這不會由現有技術的槽產生。

在此使用的術語“多個微電極”意指表示至少兩個微電極。

在此使用的術語“微電極”意指表示具有微米數量級即小于100微米的尺寸的電極。