EP2616572A2 - Anordnung und verfahren zur beeinflussung der kinetik chemischer reaktionen mittels akustischer oberflächenwellen - Google Patents

Anordnung und verfahren zur beeinflussung der kinetik chemischer reaktionen mittels akustischer oberflächenwellen

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EP2616572A2
EP2616572A2 EP11771050.9A EP11771050A EP2616572A2 EP 2616572 A2 EP2616572 A2 EP 2616572A2 EP 11771050 A EP11771050 A EP 11771050A EP 2616572 A2 EP2616572 A2 EP 2616572A2
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EP
European Patent Office
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waves
active surface
fluid
active
acoustic waves
Prior art date
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Application number
EP11771050.9A
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English (en)
French (fr)
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EP2616572B1 (de
Inventor
Gerhard Lindner
Sandro Krempel
Katrin Schmidt
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Hochschule fuer Angewandte Wissenschaften Fachhochschule Coburg
Original Assignee
Hochschule fuer Angewandte Wissenschaften Fachhochschule Coburg
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Publication date
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Publication of EP2616572B1 publication Critical patent/EP2616572B1/de
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25D—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PRODUCTION OF COATINGS; ELECTROFORMING; APPARATUS THEREFOR
    • C25D5/00—Electroplating characterised by the process; Pretreatment or after-treatment of workpieces
    • C25D5/20—Electroplating using ultrasonic waves
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25D—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PRODUCTION OF COATINGS; ELECTROFORMING; APPARATUS THEREFOR
    • C25D21/00—Processes for servicing or operating cells for electrolytic coating
    • C25D21/10—Agitating of electrolytes; Moving of racks

Definitions

  • the invention relates to an arrangement for influencing the kinetics of chemical reactions by means of surface acoustic waves according to claim 1 and a method according to claim 13.
  • the invention relates to a method based on the use of surface acoustic waves, which in particular chemical reactions can be influenced in their course and thus the efficiency of these reactions can be increased (acceleration of the reaction processes, increased material turnover, etc.).
  • the slowest reaction step determines the kinetics of the overall reaction.
  • the speed of the overall reaction is therefore mainly due to the Rate determines with which the electrochemically active particles are transported to the working electrode. If this rate is insufficient, the current decreases continuously over time with constant voltage. This dependence of the speed is described in the literature (VM Schmidt: Electrochemical Process Engineering, Fundamentals, Reaction Engineering, Process Optimization, WILEY-VHC Verlag, 2004; ISBN: 9783527299584)
  • This gradient is the driving force for the subsequent delivery of further electrochemically active particles to the electrode and determines the rate at which the reaction proceeds. It is known from the literature that the use of ultrasound can influence the forming boundary layer and thus the chemical reaction. As a rule, high-power ultrasound in the frequency range from 20 kHz to 2 MHz is applied to the electrode with the aid of ultrasonic horns (so-called sonotrodes), but the sonotrode must be brought directly to or in the vicinity of the electrode, usually by immersing the sonotrode happens in the electrolyte.
  • the problem underlying the invention is to provide an arrangement and a method which make it possible to influence chemical reactions in the simplest and most effective manner possible.
  • reaction vessel in which at least one active surface, which is at least partially in contact with a fluid, is arranged
  • a chemical reaction at the at least one active surface or a physical process occurring there is influenced, in particular accelerated, by the surface waves in the at least one active area and / or by the volume sound waves in the fluid.
  • the means for generating surface waves comprise an acoustic transducer which converts an electrical signal into vibrations which are transmitted to the active surface.
  • the transducer is an interdigital transducer with which, e.g. Even in active surfaces of a non-piezoelectric material surface acoustic waves can be excited.
  • the turnover is also increased due to the increased mixing and the ultrasound-induced formation of radicals;
  • Another field of application of the arrangement according to the invention is polymer chemistry.
  • an improved emulsion of substances needed for polymerization reactions can be achieved.
  • the formation of thin polymer films on the active surface can be prevented (e.g., on an electrode surface) affecting the further electrode reaction.
  • the catalytic activity could be increased during a reaction.
  • the type of surface waves excited in the active area depends in particular on the thickness of the substrates used and the acoustic wavelength.
  • surface waves of the Rayleigh-wave type can be excited, in particular with thick substrates, i. if the substrate thickness (the thickness of the active area) is greater than the acoustic wavelength.
  • Surface waves of the lamb wave type can be excited with thin substrates, whereby the substrate thickness must be smaller than the acoustic wavelength.
  • the bulk waves are thus radiated into the liquid at the Rayleigh angle, thereby reducing the energy of the remaining surface acoustic wave.
  • An "active surface” is to be understood in particular as meaning the surface of a solid (for example of metal, glass, plastic, ceramic) on or in whose immediate vicinity a chemical reaction or a physical process takes place and / or is excited or influenced can.
  • the fluid disposed within the reaction vessel may be, for example, gases, but also liquids which may contain dissolved organic or inorganic substances (such as salts). Such liquids would be, for example, water, ammonia, THF, acetone, acetonitrile, DMSO, hexane, toluene or benzene. Alternatively, the fluid may also be a melt of organic or inorganic substances or metals.
  • the reaction vessel has a bottom, wherein an opening for filling in the fluid is present in relation to the bottom. From the bottom is a side wall of the reaction vessel from which limits together with the bottom of an inner volume of the reaction vessel.
  • the active area is e.g. at least partially in the internal volume of the reaction vessel.
  • the arrangement for performing a chemical reaction further comprises a means for generating surface acoustic waves, which is suitable to excite surface acoustic waves within the at least one active surface, wherein at least a portion of the surface waves excited in the at least one active surface are transformed into bulk acoustic waves (volume sound waves ) is converted within the fluid.
  • An increased mass transfer or heat exchange or increased mixing or a change in the reaction mechanisms are possible, for example.
  • the means for generating surface acoustic waves comprise at least one transmitter.
  • the transmitter is designed in particular in the form of an interdigital transducer.
  • the means for generating surface acoustic waves is arranged on a side facing the reaction vessel ("mounting side") of the at least one active surface, this side of the at least one active surface having, for example, the smallest distance between the reaction vessel and the at least one active surface, ie this side has, in one example, a smaller distance to the reaction vessel than a side facing away from the mounting side of the active surface.
  • an electrically insulating substrate extends on the side facing the reaction vessel (the mounting side) of the at least one active surface.
  • the substrate may be formed in the form of a portion of a wall of the reaction vessel.
  • the means for generating surface acoustic waves is arranged on a side of the electrically insulating substrate which faces away from the at least one active surface and generates surface acoustic waves in the substrate.
  • an intermediate layer to be arranged between the substrate and the at least one active surface, via which at least part of the surface wave excited in the substrate couples into the at least one active surface.
  • the active surface is partially in contact with the fluid and the surface acoustic wave generating means is on the active surface arranged in the area that is not in contact with the fluid.
  • a temperature control means is arranged on the reaction vessel, which is suitable for increasing or decreasing the temperature of the at least one active surface and / or of the fluid.
  • reaction vessel is disposed within a housing, wherein on the housing, a pressure control means is provided, which is adapted to set a pressure within the housing or within the reaction vessel above or below the atmospheric pressure. This can be done for example by means of conventional high-pressure pumps or vacuum pumps.
  • a second active surface is arranged within the reaction vessel, wherein the fluid can be arranged between the first and the second active surface.
  • the means for generating surface acoustic waves in the first and / or the second active surface excite surface acoustic waves, wherein at least a part of the surface waves excited in the first and / or the second active surface are reflected in bulk acoustic waves (volume sound waves) in the one between the two active surface fluid is converted.
  • the first and the second active surface is in each case designed as an electrode, which can be connected to one another via voltage sources.
  • the fluid may be formed as an electrolyte.
  • the means for generating surface acoustic waves in the first and / or the second electrode generates surface acoustic waves, wherein at least part of the surface waves applied in the first and / or the second electrode are in bulk acoustic waves (volume sound waves) in the electrolyte located between the electrodes is converted.
  • a chemical reaction in the electrolyte is influenced by the surface waves in the first and / or the second electrode and / or the volume sound waves in the electrolyte. In particular, the chemical reaction is accelerated.
  • the means for generating surface acoustic waves comprise at least one transmitter, as mentioned, in particular in the form of an interdigital transducer.
  • the transmitter is arranged on a side of the first electrode facing away from the electrolyte.
  • an electrically insulating substrate may extend on a side of the first electrode facing away from the electrolyte.
  • the electrically insulating substrate may be provided in particular in the form of a portion of a wall of a reaction vessel. It can be provided that the transmitter is disposed on a side facing away from the first electrode of the substrate and generates surface acoustic waves in the substrate.
  • the substrate may be an intermediate layer via which at least a portion of the surface waves excited in the substrate couples into the first electrode.
  • the invention also relates to a method for influencing the kinetics of chemical reactions by means of surface acoustic waves, comprising the steps Providing at least one active area;
  • Generating surface acoustic waves in the at least one active area wherein at least a portion of the surface waves excited in the at least one active area is converted into bulk acoustic waves within the fluid, such that a chemical reaction preceding the fluid or a preceding physical event is influenced, in particular accelerated, by the surface waves in the at least one active surface and / or the volume sound waves in the fluid.
  • surface acoustic waves are transmitted directly to the chemically active surface (for example an electrode) and specifically influence the reaction there.
  • the sound is introduced into the reaction system from the outside, so that the sound transducers which generate the surface waves, including the associated electronics, do not come into direct contact with the chemically active substances or impair any built-in parts of the experimental setup.
  • the process according to the invention is intended to be used primarily in electrochemical processes, but is also suitable for other chemical reaction processes.
  • the method is flexibly adaptable to different experimental setups, so that existing chemical plants can remain unchanged.
  • the speeds can be increased.
  • surface acoustic waves are transmitted directly to the chemically active surface (for example an electrode), in order to specifically influence the reaction there.
  • the sound is ideally introduced from the outside into the reaction system, so that the sound transducers which generate the surface waves, including the associated electronics, do not come into direct contact with the chemically active substances or impair any built-in parts of the experimental setup.
  • the surface waves to decouple in contact with liquids as a bulk wave and vice versa when impinging on solid substrates and re-generate a surface wave there, it is possible to transfer the sound directly to one or more chemically active surfaces. It is not necessary to introduce a sonotrode into the medium, as is the case with most sonokinetic methods, but it becomes a piezoelectric one Interdigital transducer outside the reaction vessel, the experimental setup or applied externally to the electrode, which generates the surface waves there. Use with gases is also possible.
  • the new in the inventive method and the arrangement according to the invention consists on the one hand that the sound irradiation in the reaction system is not done via introduced into the system components (eg sonotrodes), but the sound from the outside to the system (eg on the wall of the reaction vessel, or directly to the electrode) mounted special piezoelectric interdigital transducer, which stimulate surface acoustic waves occurs. That is, an internal reaction can be influenced by an externally mounted component, which could already be shown in individual experiments by a strong increase in the reaction rate, as already explained above.
  • the system components eg sonotrodes
  • the sound irradiation is not diffusely directed to the electrode or other chemically active surface, as is the case with an ultrasonic horn; Rather, the sound is directed, in particular via effects such as mode conversion and reverse mode conversion, at least substantially directly to the electrode, where again a surface wave is generated.
  • effects such as mode conversion and reverse mode conversion, at least substantially directly to the electrode, where again a surface wave is generated.
  • the method according to the invention has the advantage that it can be flexibly adapted to different constructions and furthermore it is not fixed to a very specific area of chemistry or a very specific chemical process but can be applied in a variety of ways. The same is true for the arrangement according to the invention.
  • a chemical reaction or a physical process within a reaction vessel is influenced, in particular accelerated, by targeted excitation of surface acoustic waves within at least one or more active surfaces and / or volume sound waves generated in a fluid. It is not necessary that the means for generating surface acoustic waves within the reaction vessel, in particular within the reaction fluid must be attached. This avoids that the means for generating surface acoustic waves is attacked by particularly aggressive chemical processes or such built-in parts affect the experimental design.
  • the arrangement according to the invention and the method according to the invention are characterized in that a targeted and controlled excitation of the active surfaces takes place by means of surface acoustic waves, e.g.
  • a targeted and controlled excitation of the active surfaces takes place by means of surface acoustic waves, e.g.
  • the significantly lower space requirement of the device according to the invention and the method according to the invention makes it possible to modify the chemical reactions better than a "sonication" over a wide area by means of, for example, an ultrasonic horn.
  • the method according to the invention (correspondingly also the arrangement according to the invention) can be used in particular in electrochemical processes, but it is also suitable for other chemical reaction sequences. It can be used in almost all areas of chemistry, where liquid media and Interfaces in the game are, as already indicated above, for example
  • Electrochemistry e.g., electroplating, accumulator industry, etc.
  • the process can be flexibly adapted to different experimental setups so that existing chemical plants can essentially remain unchanged.
  • Figure 1 is a schematic view of a first embodiment of the invention
  • Figure 2 is an illustration of the current-voltage curve of an inventive
  • FIG. 3 is an illustration of a current-voltage curve when acoustic is excited
  • Figure 4 shows a schematic structure of a second embodiment of the invention
  • Fig. 5 is a modification of Fig. 4.
  • FIG. 6 shows a diagram of a current curve whose influence shows the excited surface waves according to the invention.
  • FIG. 1 shows an embodiment for carrying out a chemical reaction in a schematic view.
  • the arrangement has a reaction vessel 8, in which a first and a second active area in the form of a first electrode 1 1 and a second Electrode 12 are arranged.
  • a fluid in the form of an electrolyte 31 is arranged between the first and the second electrode 1 1, 12.
  • the arrangement has a arranged on a side wall 81 of the reaction vessel 8 means for generating surface acoustic waves - here an interdigital transducer 4 -, wherein the interdigital transducer 4 on the side (Au JOseite) of the side wall 81 of the reaction vessel 8 is mounted, of the 1 1 facing away from the first electrode.
  • the interdigital transducer 81 surface waves 6 are excited in the side wall, wherein it is the excited surface waves in particular Lamb waves, which are then excited when the thickness of the substrate is smaller than the wavelength.
  • the reaction vessel 8 which is e.g. consists of an electrically insulating substance (for example, a reaction vessel made of glass) produces surface waves.
  • the first electrode 1 1, on which a diffusion boundary layer 31 1 is formed connected via an intermediate layer 51.
  • This intermediate layer 51 may consist, for example, of a liquid or a gas. It is also conceivable that the intermediate layer 51 is formed by the electrolyte 31.
  • the surface acoustic waves excited in the sidewall 81 partially couple at the Rayleigh angle into the intermediate layer 51 (mode conversion) and then vice versa again into the electrode 11, wherein surface waves 6 'are also excited in the electrode 11.
  • the excited surface wave 6 thus couples into the intermediate layer 51 and generates in the intermediate layer 51, so to speak, a volume sound wave (small arrows), which in turn can be coupled into the first electrode 1 1, to there again to produce a surface acoustic wave 6 '.
  • the process of a mode conversion takes place again, that is, the surface wave 6 'in the electrode 1 1 couples at a certain angle ( Rayleigh angle) in the surrounding medium, ie the electrolyte 31, and thus also in the diffusion boundary layer 31 1 and generates a volume sound wave 7 in the liquid medium.
  • a certain angle Rayleigh angle
  • volume sound wave 7 Due to the interaction of the sound wave (volume sound wave 7) with the diffusion boundary layer 31 1, the chemical reactions taking place there are positively influenced. Once the surface acoustic wave 6 'has been coupled out into the electrolyte 31, the sound wave (volume sound wave 7) is coupled in again into the second electrode 12, which again generates the excitation of surface waves 6 "there.
  • Figure 2 shows the current-voltage curve of an inventive arrangement comparable to Figure 1 in comparison with a standard arrangement (without generating surface sound waves).
  • the experimental set-up consisted of a Cu / Au electropolishing cell in which material was to be removed from a copper plate by applying a DC voltage.
  • the copper in this case acted as anode (corresponds to electrode 1 1 in Figure 1), the cathode was made of a pure gold plate (corresponding to electrode 12 in Figure 1).
  • the polishing cell itself is a beaker in which a copper sheet has been attached to the inner bottom. At about 1 cm from the copper sheet, a gold sheet was positioned parallel to the copper sheet.
  • the electrolyte 31 was a solution of nitric acid (65%) and methanol in a mixing ratio of 1: 2, which is filled in the beaker, so that the gold sheet is covered with it.
  • FIG. 2 shows the course of an electropolishing curve with and without ultrasound entry (SAW).
  • SAW ultrasound entry
  • FIG. 3 shows a current-voltage curve in an electropolishing test when surface acoustic waves 6 are excited via an interdigital transducer 4 mounted externally on the reaction vessel 8 in accordance with the arrangement according to the invention.
  • the illustrated current-voltage characteristic curve over the duration of a complete electropolishing experiment likewise shows once again that the current consumption can be increased by exciting surface acoustic waves 6.
  • FIG. 4 describes a further embodiment of the arrangement according to the invention.
  • Another alternative is the excitation of surface waves 6 directly on the first electrode surface 1 1, as shown schematically in Figure 4.
  • the interdigital transducer 4 used to generate the surface waves 6 is arranged elsewhere on the electrode 11.
  • the electrode 1 1, on which the surface waves run 6, depends freely and, for example, attached only via a clamping connection to the reaction vessel 8 in the electrolyte 31st It is not attached to the bottom of the reaction vessel 8, for example.
  • the anode (first electrode 1 1) immersed in the electrolyte liquid (electrolyte 31) the mode conversion (as already described in Figure 1) of the surface acoustic waves 6 and thus a decoupling of a portion of the sound energy (in the form of a Volume sound wave 7) in the surrounding medium (electrolyte 31) and thus also in any existing diffusion layer (not shown here for reasons of clarity).
  • the chemical reaction at the surface of the first electrode 1 1 is accelerated and the current flow is increased, which has already been experimentally confirmed by first measurements (see FIG. 5).
  • a re-coupling of the volume sound wave 7 in the second electrode 12 can be carried out, wherein again a surface wave is excited within the second electrode 12.
  • the region marked A in this exemplary embodiment describes the region in which increased chemical reactions take place on the surface of the first or second electrode 1 1, 12, which is caused by the coupling or coupling in of the surface waves 6.
  • Fig. 5 shows a modification of the arrangement of Fig. 4.
  • an additional (e.g., metallic) plate 100 is provided which is at least approximately parallel to the upper portion of the first electrode 11.
  • the plate 100 has e.g. one with the first electrode 1 1 comparable or identical thickness.
  • This acoustic waveguide performs volume sound waves which propagate in an electrolyte-filled gap between the first electrode 1 1 and the plate 100 and caused by conversion of the surface acoustic waves 6 excited by the transmitter 4 in the first electrode 1 1.
  • the leadership of the volume sound waves is generated in particular by the fact that both the first electrode 1 1 and on the plate 100, a reflection of the volume sound waves takes place (solid zigzag line). As a result, excessive energy loss of the volume sound waves excited in the electrolyte before reaching the second electrode 12 is counteracted.
  • the plate 100 is insofar as far as possible brought up to the second electrode 12, approximately to the curvature of the first electrode 11. It is also conceivable that the plate 100 extends beyond the curvature of the first electrode 1 1 and also has a curvature parallel to the curvature of the first electrode and corresponding to a portion which extends at least approximately parallel to a bottom of the reaction vessel.
  • the plate 100 can be at least approximately at the potential of the first electrode 1 1.
  • FIG. 6 shows a current curve of an electropolishing test, which shows the influence of a sound entry by actuation of an interdigital transducer 4.
  • FIG. 6 shows the current development on a time scale. It can be observed up to a time of about 7 minutes, a steady increase in current strength.
  • switching on B of the interdigital transducer 4 there is a sudden increase in the current intensity, which again drops sharply when switching off C of the interdigital transducer 4, that is to say removing the sound input, and in turn increases abruptly when it is switched on again.
  • switching off again C the current drops again.
  • FIG. 6 clearly shows that the current flow is increased by an arrangement according to the invention, and consequently the chemical reaction at the electrode surface is also accelerated.
  • the arrangement according to the invention thus enables a targeted acceleration of the electrochemical reaction.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Durchführen einer chemischen Reaktion, mit einem Reaktionsgefäß (8), in dem mindestens eine aktive Fläche (11), die wenigstens abschnittsweise mit einem Fluid (31) in Kontakt ist, angeordnet ist, Mittel (4) zum Erzeugen von akustischen Oberflächenwellen (6) in der mindestens einen aktiven Fläche (11), wobei zumindest ein Teil der in der mindestens einen aktiven Fläche (11) angeregten Oberflächenwellen (6) in Volumenschallwellen (7) innerhalb des Fluids (31) umgewandelt wird, so dass eine an der mindestens einen aktiven Fläche (11) vorgehende chemische Reaktion oder ein vorgehender physikalische Vorgang durch die Oberflächenwellen (6) in der mindestens einen aktiven Fläche (11) und/oder durch die Volumenschallwellen (7) in dem Fluid (31) beeinflusst, insbesondere beschleunigt, wird. Die Erfindung betrifft weiterhin auch Verfahren zur Beeinflussung der Kinetik chemischer Reaktionen mittels akustischer Oberflächenwellen.

Description

Anordnung und Verfahren zur Beeinflussung der Kinetik chemischer Reaktionen mittels akustischer Oberflächenwellen
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Beeinflussung der Kinetik chemischer Reaktionen mittels akustischer Oberflächenwellen gemäß Anspruch 1 sowie ein Verfahren gemäß Anspruch 13. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren basierend auf dem Einsatz akustischer Oberflächenwellen, über welches insbesondere chemische Reaktionen in Ihrem Ablauf beeinflusst werden können und damit die Effizienz dieser Reaktionen gesteigert werden kann (Beschleunigung der Reaktionsprozesse, erhöhter Stoffumsatz usw.).
Beim Ablauf chemischer Reaktionen bestimmt grundsätzlich der langsamste Reaktionsschritt die Kinetik der Gesamtreaktion. In elektrochemischen Prozessen beispielsweise wird die Geschwindigkeit der Gesamtreaktion daher vor allem durch die Rate bestimmt, mit welcher die elektrochemisch aktiven Teilchen zur Arbeitselektrode transportiert werden. Ist diese Rate nicht ausreichend, so nimmt bei konstanter Spannung der Strom über die Zeit kontinuierlich ab. Diese Abhängigkeit der Geschwindigkeit ist in der Literatur beschrieben (V.M. Schmidt: Elektrochemische Verfahrenstechnik. Grundlagen, Reaktionstechnik, Prozeßoptimierung. WILEY-VHC Verlag ;2004; ISBN-Nr.: 9783527299584)
Der Grund für diese Abnahme des Stroms liegt in der Ausbildung einer sogenannten Nernstschen Diffusionsschicht an der Grenzfläche Elektrode/Elektrolyt begründet. In dieser Diffusionsschicht findet nahezu keine Strömung statt und der Stofftransport kann alleine über Diffusionsprozesse geschehen. Die Ausbildung dieser Diffusionsschicht erfolgt dadurch, dass es gerade bei sehr hohen Stromdichten und einer schnellen Entladung von elektrochemisch aktiven Teilchen an der Elektrode vorkommt, dass die Elektrolytkonzentration an der Elektrodenoberfläche sehr stark abnimmt und dadurch ein Konzentrationsgradient zwischen Elektrode und Elektrolyt entsteht (vgl. C. Czeslik; H. Seemann; R. Winter: Basiswissen physikalische Chemie. Vieweg+Teubner Verlag; 4. Auflage; 2010; ISBN-Nr.: 978-3-8348-0937-7).
Dieser Gradient ist die treibende Kraft für die Nachlieferung von weiteren elektrochemisch aktiven Teilchen zur Elektrode und bestimmt die Geschwindigkeit, mit welcher die Reaktion abläuft. Aus der Literatur ist bekannt, dass über den Einsatz von Ultraschall die sich ausbildende Grenzschicht und damit die chemische Reaktion beeinflusst werden kann. In der Regel wird dabei Hochleistungsultraschall im Frequenzbereich von 20 KHz bis 2 MHz mithilfe von Ultraschallhörnern (sog. Sonotroden) auf die Elektrode eingebracht, dabei muss die Sonotrode jedoch direkt an bzw. in die Nähe der Elektrode gebracht werden, was meist durch Eintauchen der Sonotrode in den Elektrolyten geschieht.
Das der Erfindung zugrundeliegende Problem besteht darin, eine Anordnung und ein Verfahren bereitzustellen, die es ermöglichen, auf möglichst einfache und effektive Art und Weise chemische Reaktionen beeinflussen zu können.
Dieses Problem wird durch die Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 13 gelöst. Weiterbildungen der Erfindungen sind in den anhängigen Ansprüchen angegeben.
Danach wird eine Anordnung zum Durchführen einer chemischen Reaktion bereitgestellt, mit
- einem Reaktionsgefäß, in dem mindestens eine aktive Fläche, die wenigstens abschnittsweise mit einem Fluid in Kontakt ist, angeordnet ist,
- Mittel zum Erzeugen von akustischen Oberflächenwellen in der mindestens einen aktiven Fläche, wobei zumindest ein Teil der in der mindestens einen aktiven Fläche angeregten Oberflächenwellen in Volumenschallwellen innerhalb des Fluids umgewandelt wird, so dass
- eine an der mindestens einen aktiven Fläche vorgehende chemische Reaktion oder ein dort vorgehender physikalischer Vorgang durch die Oberflächenwellen in der mindestens einen aktiven Fläche und/oder durch die Volumenschallwellen in dem Fluid beeinflusst, insbesondere beschleunigt, wird.
Die Mittel zum Erzeugen von Oberflächenwellen umfassen insbesondere einen akustischen Wandler, der ein elektrisches Signal in Schwingungen umsetzt, die auf die aktive Fläche übertragen werden. Beispielsweise handelt es sich bei dem Wandler um einen Interdigitalwandler, mit dem z.B. auch in aktiven Flächen aus einem nichtpiezoelektrischen Material Oberflächenschallwellen angeregt werden können.
Durch Schalleintrag in das Fluid (z.B. in Form eines Elektrolyten), der durch die weiter unten erläuterte Konversion von Oberflächenschallwellen in Volumenschallwellen erfolgt, können an der Grenzfläche zwischen der aktiven Fläche und dem Fluid „Energie- Hotspots" entstehen, in welchen verschiedene Phänomene auftreten, die die ablaufende chemische Reaktion beeinflussen können. Dies ist zum einen der Effekt des„Acoustic Streaming", zum anderen turbulente Konvektion, Kavitation sowie MikroStrömungen. Bedingt durch die genannten Effekte konnte ein erhöhter Massetransport experimentell nachgewiesen werden, welcher durch eine Ausdünnung der oben beschriebenen Nernstschen Diffusionsschicht begründet werden kann.
All die genannten Effekte wirken sich z.B. folgendermaßen auf ablaufende Reaktionen aus (vgl. C.E. Banks; R.G. Compton: Ultrasonically Enhanced Voltammetric Analysis and Applications: An Overview. Electroanalysis 15(5- 6):329-346, 2003): der Stoffaustausch und Wärmeaustauch wird erhöht, die an der aktiven Fläche ablaufenden Diffusionsprozesse werden beschleunigt
der Stoffumsatz wird bedingt durch die erhöhte Durchmischung und die ultraschallbedingte Bildung von Radikalen ebenfalls erhöht ;
die Reaktionsmechanismen an der aktiven Fläche werden verändert;
es entsteht eine geringere Überspannung an der aktiven Fläche;
es kann eine erhöhte Oberflächenaktivierung der aktiven Fläche auftreten;
durch Ultraschall können Emulsionen von eigentlich nicht mischbaren Systemen erzeugt werden
Darüber hinaus kann z.B. in dem Bereich der Galvanotechnik Dicke, Qualität und Rate der metallischen Abscheidung erhöht werden. Auch die kathodische Effizienz kann gesteigert werden, da sich die Wasserstoffblasenbildung oder die Bildung von Oxidschichten an der aktiven Fläche verringert. Auch in der organischen Chemie finden sich Anwendungen, z.B. bei der Elektrosynthese verschiedener organischer Verbindungen.
Ein weiteres Anwendungsgebiet der erfindungsgemäßen Anordnung ist die Polymerchemie. Dort kann eine verbesserte Emulsion von Substanzen, die für Polymerisationsreaktionen benötigt werden, erreicht werden. Weiterhin kann die Entstehung dünner Polymerfilme an der aktiven Fläche verhindert werden(z.B. an einer Elektrodenoberfläche), die die weitere Elektrodenreaktion beeinflussen.
Weiterhin könnte sich die Kapazität und Lebensdauer von Akkumulatoren steigern lassen und die Selbstentladungsrate des Akkus reduziert werden. Derartige Effekte wurden im Prinzip von Gavrila beschrieben („I. Gavrila: The influence of ultrasound on the capacity of lead accumulators. Ultrasonics 16{4):156-158. 1978" und„I. Gavrila: Prolongation of accumulator life using ultrasound, Ultrasonics 18{5):210-212, 1980").
Des Weiteren könnte bei Verwendung der erfindungsgemäßen Anordnung die katalytische Aktivität während einer Reaktion gesteigert werden.
Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Anordnung ist es insbesondere möglich, auch Reaktionen zu beeinflussen, die nicht unmittelbar auf einem piezoelektrischen Substrat eines akustischen Wandlers ablaufen. Vielmehr kann der Wandler auf die aktive Fläche (z.B. eine Elektrode), die auch aus einem nicht piezoelektrischen Material bestehen kann, au ßen angeordnet (festgelegt) und Oberflächenwellen in der aktiven Fläche erzeugt werden. Mit dieser Technik ist es möglich, akustische Oberflächenwellen auf nichtpiezoelektrischen Substraten über von au ßen auf das Substrat aufgebrachte piezoelektrische Interdigitalwandler zu erzeugen, wobei es möglich ist, akustische Oberflächenwellen in nahezu allen technischen Substraten (Metalle, Glas, Kunststoffe, Keramiken) anzuregen.
Der Typ der in der aktiven Fläche angeregten Oberflächenwellen hängt insbesondere von der Dicke der verwendeten Substrate und der akustischen Wellenlänge ab. Beispielsweise können Oberflächenwellen vom Typ Rayleigh-Wellen insbesondere bei dicken Substraten angeregt werden, d.h. falls die Substratdicke (die Dicke der aktiven Fläche) größer ist als die akustische Wellenlänge. Oberflächenwellen vom Typ Lamb- Wellen können bei dünnen Substraten angeregt werden, wobei die Substratdicke kleiner sein muss als die akustische Wellenlänge.
Weiterhin ist bekannt, dass akustische Oberflächenwellen beim Kontakt mit Flüssigkeiten unter einem spezifischen Winkel, dem sog. Rayleighwinkel, in die Flüssigkeit auskoppeln (Modenkonversion), aber umgekehrt bei Kontakt mit Festkörpern auch wieder einkoppeln (umgekehrte Modenkonversion) und auf diesem festen Substrat erneut eine Oberflächenwelle erzeugen können, wie bereits von Lindner et al. beschrieben (vgl. G. Lindner: Sensors and actuators based on surface acoustic waves propagating along solid-liquid interfaces. J. Phys. D: Appl. Phys. 41 :123002 (13pp), 2008).
Bei beiden Wellenmoden (Rayleigh-Wellen und Lamb-Wellen) finden unter bestimmten Bedingungen Wechselwirkungen mit einer die Oberfläche bedeckenden Flüssigkeit statt. Die akustische Oberflächenwelle koppelt in die Flüssigkeit aus, sobald die Schallgeschwindigkeit der Flüssigkeit kleiner ist als die Schallgeschwindigkeit (Ausbreitungsgeschwindigkeit) der Oberflächenwelle. Der Rayleigh-Winkel für diese Auskopplung ist charakteristisch und durch das Verhältnis dieser Geschwindigkeiten bestimmt („akustisches Brechungsgesetz"), wobei sich der Rayleigh-Winkel O gemessen in Bezug auf eine vertikale Referenzlinie zu der Oberfläche des Substrats, bestimmt durch: 0=arcsin (cM/cs), wobei cM die Schallgeschwindigkeit der Volumenwelle innerhalb der Flüssigkeit ist und cs die Schallgeschwindigkeit der akustischen Oberflächenwelle in dem Substrat ist.
Sobald die oben genannten Bedingungen erfüllt sind, wird zumindest ein Teil der Energie der akustischen Oberflächenwellen, die durch einen Sender, wie beispielsweise einen Interdigitalwandler erzeugt werden, in Volumenwellen innerhalb der Flüssigkeit umgewandelt (Modenkonversion). Die Volumenwellen werden somit unter dem Rayleigh -Winkel in die Flüssigkeit abgestrahlt und dadurch wird die Energie der verbleibenden akustischen Oberflächenwelle reduziert.
Dieser Effekt wird mit dem Vermögen der Oberflächenwellen, in Flüssigkeiten Strömungen zu erzeugen, für das erfindungsgemäße Verfahren kombiniert. In einer Kombination aus beiden Effekten wird durch das erfindungsgemäße Verfahren die Kinetik chemischer Prozesses verändert, ohne direkt über eingebrachte Bauteile in den Prozess eingreifen zu müssen oder dass die Elektronik direkt mit den chemisch aktiven Substanzen in Kontakt kommt.
Problematisch an den bekannten Systemen ist, dass die Schallwandler, welche die Oberflächenwellen erzeugen, inklusive der dazugehörigen Elektronik mit den chemisch aktiven Substanzen direkt in Berührung kommen oder eventuelle Einbauteile den Versuchsaufbau beeinträchtigen.
Es entfällt somit die Notwendigkeit, auf der aktiven Fläche eine Beschichtung mit Katalysatorsubstanzen vorzusehen. Daher kann auch der mit einer Beschichtung verbundene Nachteil reduziert oder eliminiert werden, dass die Reaktion, die es über Oberflächenwellen zu beeinflussen gilt, direkt in der Nähe bzw. auf dem piezoelektrischen Substrat stattfinden muss und somit das komplette Versuchsdesign und die Reaktionsparameter an die Geometrie des piezoelektrischen Interdigitalwandlers angepasst werden müssen. Bereits bestehende Versuchsabläufe und Aufbauten können über diese Methode nicht ohne eine massive Änderung des kompletten Versuchsaufbaus beeinflusst werden. Darüber hinaus kann der Zeitaufwand für das Erzeugen der selektiven katalytischen Schicht entfallen. Entsprechend entfällt auch ein regelmäßiges Erneuern der katalytischen Schutzschicht.
Unter einer „aktiven Fläche" ist insbesondere die Oberfläche eines Festkörpers (beispielsweise aus Metall, Glas, Kunststoff, Keramik) zu verstehen, an der bzw. in deren nächster Umgebung eine chemische Reaktion oder ein physikalischer Vorgang abläuft und/oder angeregt bzw. beeinflusst werden kann.
Dabei können beispielsweise auch Stoffe im Zuge der chemischen Reaktion sich an der aktiven Fläche ablagern oder die aktive Fläche kann im Lauf der chemischen Reaktion verbraucht werden. Bei dem innerhalb des Reaktionsgefäßes angeordneten Fluid kann es sich beispielsweise um Gase handeln, aber auch um Flüssigkeiten, die gelöste organische oder anorganische Substanzen (wie beispielsweise Salze) enthalten können. Derartige Flüssigkeiten wären beispielsweise Wasser, Ammoniak, THF, Aceton, Acetonitril, DMSO, Hexan, Toluol oder Benzol. Alternativ kann es sich bei dem Fluid auch um Schmelzen organischer oder anorganischer Substanzen bzw. Metalle handeln.
Das Reaktionsgefäß weist insbesondere einen Boden auf, wobei gegenüber dem Boden eine Öffnung zum Einfüllen des Fluids vorhanden ist. Vom Boden steht eine Seitenwand des Reaktionsgefäßes ab, die zusammen mit dem Boden ein inneres Volumen des Reaktionsgefäßes begrenzt. Die aktive Fläche befindet sich z.B. zumindest teilweise in dem inneren Volumen des Reaktionsgefäßes.
Die Anordnung zur Durchführung einer chemischen Reaktion weist weiterhin ein Mittel zum Erzeugen von akustischen Oberflächenwellen auf, welches geeignet ist, akustische Oberflächenwellen innerhalb der mindestens einen aktiven Fläche anzuregen, wobei zumindest ein Teil der in der mindestens einen aktiven Fläche angeregten Oberflächenwellen in akustische Volumenwellen (Volumenschallwellen) innerhalb des Fluids umgewandelt wird.
Dadurch wird gewährleistet, dass eine an der mindestens einen aktiven Fläche vorgehende chemische Reaktion oder ein vorgehender physikalischer Vorgang durch die Oberflächenwellen in der mindestens einen aktiven Fläche und/oder durch die Volumenschallwellen in dem Fluid beeinflusst werden. Insbesondere wird dadurch die Reaktionsgeschwindigkeit erhöht. Auch ein erhöhter Stoffaustausch oder Wärmeaustausch bzw. eine erhöhte Durchmischung oder aber eine Änderung der Reaktionsmechanismen sind beispielsweise möglich.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weisen die Mittel zum Erzeugen von akustischen Oberflächenwellen mindestens einen Sender auf. Dabei ist der Sender insbesondere in Form eines Interdigitalwandlers ausgebildet.
Beispielsweise ist das Mittel zum Erzeugen von akustischen Oberflächenwellen auf einer dem Reaktionsgefäß zugewandten Seite („Montageseite") der mindestens einen aktiven Fläche angeordnet, wobei diese Seite der mindestens einen aktiven Fläche beispielsweise den geringsten Abstand zwischen dem Reaktionsgefäß und der mindestens einen aktiven Fläche aufweist, d.h. diese Seite weist in einem Beispiel einen geringeren Abstand zum Reaktionsgefäß auf als eine der Montageseite abgewandte Seite der aktiven Fläche.
Denkbar ist auch, dass sich ein elektrisch isolierendes Substrat an der dem Reaktionsgefäß zugewandten Seite (der Montageseite) der mindestens einen aktiven Fläche erstreckt. Insbesondere kann das Substrat in Form eines Abschnitts einer Wandung des Reaktionsgefäßes ausgebildet sein.
In einer weiteren Variante der Erfindung ist das Mittel zum Erzeugen von akustischen Oberflächenwellen an einer der mindestens einen aktiven Fläche abgewandten Seite des elektrisch isolierenden Substrats angeordnet und erzeugt akustische Oberflächenwellen in dem Substrat.
Möglich ist auch, dass zwischen dem Substrat und der mindestens einen aktiven Fläche eine Zwischenschicht angeordnet ist, über die zumindest ein Teil der in dem Substrat angeregten Oberflächenwelle in die mindestens eine aktive Fläche einkoppelt.
In einer weiteren Ausgestaltungsform befindet sich die aktive Fläche teilweise in Kontakt mit dem Fluid und das Mittel zur Erzeugung von akustischen Oberflächenwellen ist an der aktiven Fläche in dem Bereich angeordnet, der nicht in Kontakt mit dem Fluid steht.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist an dem Reaktionsgefäß ein Temperaturkontrollmittel angeordnet, welches geeignet ist, die Temperatur der mindestens einen aktiven Fläche und/oder des Fluids zu erhöhen oder zu erniedrigen.
Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass innerhalb der aktiven Fläche ein Hohlraum vorgesehen ist, mittels dessen ein Kühlmittel über ein Kühlkreislaufsystem durch die aktive Fläche eingeleitet wird und somit die aktive Fläche gekühlt wird. Auch ist es möglich, dass das Fluid direkt eine Temperaturerhöhung erfährt, beispielsweise mittels eines Tauchsieders oder indirekt mittels Öl- oder Wasserbädern, die zuerst das Reaktionsgefäß erhitzen und somit indirekt das Fluid eine Temperaturerhöhung über Wärmeleitung erhält. Es kann auch eine vergleichbare Kühlung des Fluids durch ein Eisbzw. Trockeneisbad oder beispielsweise mittels einer Aceton-Ether-Mischung, die mittels flüssigen Stickstoffs auf einen Tieftemperaturbereich abgekühlt wird, erfolgen.
Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass das Reaktionsgefäß innerhalb eines Gehäuses angeordnet ist, wobei an dem Gehäuse ein Druckkontrollmittel vorgesehen ist, welches geeignet ist, einen Druck innerhalb des Gehäuses bzw. innerhalb des Reaktionsgefäßes oberhalb oder unterhalb des Atmosphärendrucks einzustellen. Dies kann beispielsweise mittels üblicher Hochdruckpumpen bzw. Vakuumpumpen erfolgen.
Gemäß einer weiteren Erfindungsvariante ist innerhalb des Reaktionsgefäßes eine zweite aktive Fläche angeordnet, wobei das Fluid zwischen der ersten und der zweiten aktiven Fläche angeordnet werden kann. Dabei regen die Mittel zum Erzeugen von akustischen Oberflächenwellen in der ersten und/oder der zweiten aktiven Fläche akustische Oberflächenwellen an, wobei zumindest ein Teil der in der ersten und/oder der zweiten aktiven Fläche angeregten Oberflächenwellen in akustische Volumenwellen (Volumenschallwellen) in dem zwischen den aktiven Flächen befindlichen Fluid umgewandelt wird.
Dadurch wird eine an der ersten und/oder zweiten aktiven Fläche vorgehende chemische Reaktion oder ein vorgehender physikalischer Vorgang durch die Oberflächenwellen in der ersten und/oder der zweiten aktiven Fläche und/oder durch die Volumenschallwellen in dem Fluid beeinflusst. Insbesondere wird dabei die chemische Reaktion oder der physikalische Vorgang beschleunigt.
Alternativ kann vorgesehen sein, dass die erste und die zweite aktive Fläche jeweils als Elektrode ausgebildet ist, die über Spannungsquellen miteinander verbindbar sind. Alternativ oder zusätzlich kann das Fluid als ein Elektrolyt ausgebildet sein. Dabei erzeugt das Mittel zum Erzeugen von akustischen Oberflächenwellen in der ersten und/oder der zweiten Elektrode akustische Oberflächenwellen, wobei zumindest ein Teil der in der ersten und/oder der zweiten Elektrode angelegten Oberflächenwellen in akustische Volumenwellen (Volumenschallwellen) in dem zwischen den Elektroden befindlichen Elektrolyten umgewandelt wird. Dadurch wird eine in dem Elektrolyten vorgehende chemische Reaktion durch die Oberflächenwellen in der ersten und/oder der zweiten Elektrode und/oder die Volumenschallwellen in dem Elektrolyten beeinflusst. Insbesondere wird die chemische Reaktion beschleunigt.
Dabei kann vorgesehen sein, dass die Mittel zum Erzeugen von akustischen Oberflächenwellen mindestens einen Sender, wie erwähnt insbesondere in Form eines Interdigitalwandlers, aufweisen. In einer alternativen Ausgestaltungsform ist der Sender auf einer dem Elektrolyten abgewandten Seite der ersten Elektrode angeordnet.
In einer weiteren Anordnung kann sich ein elektrisch isolierendes Substrat an einer dem Elektrolyten abgewandten Seite der ersten Elektrode erstrecken. Dabei kann das elektrisch isolierende Substrat insbesondere in Form eines Abschnitts einer Wandung eines Reaktionsgefäßes vorgesehen sein. Dabei kann vorgesehen sein, dass der Sender an einer der ersten Elektrode abgewandten Seite des Substrates angeordnet ist und akustische Oberflächenwellen in dem Substrat erzeugt.
Darüber hinaus kann sich zwischen der dem Elektrolyten abgewandten Seite der ersten Elektrode und dem Substrat eine Zwischenschicht befinden, über die zumindest ein Teil der in dem Substrat angeregten Oberflächenwellen in die erste Elektrode einkoppelt.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Beeinflussung der Kinetik chemischer Reaktionen mittels akustischer Oberflächenwellen, mit den Schritten Bereitstellen mindestens einer aktiven Fläche;
- Anordnen der mindestens einen aktiven Fläche innerhalb eines Fluids;
Erzeugen von akustischen Oberflächenwellen in der mindestens einen aktiven Fläche, wobei zumindest ein Teil der in der mindestens einen aktiven Fläche angeregten Oberflächenwellen in akustische Volumenwellen (Volumenschallwellen) innerhalb des Fluids umgewandelt wird, so dass eine in dem Fluid vorgehende chemische Reaktion oder ein vorgehender physikalischer Vorgang durch die Oberflächenwellen in der mindestens einen aktiven Fläche und/oder die Volumenschallwellen in dem Fluid beeinflusst, insbesondere beschleunigt wird.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden akustischen Oberflächenwellen direkt auf die chemisch aktive Fläche (beispielsweise eine Elektrode) übertragen und beeinflussen dort gezielt die Reaktion. Dabei wird der Schall im Idealfall von außen in das Reaktionssystem eingebracht, so dass die Schallwandler, welche die Oberflächenwellen erzeugen inklusive der dazugehörigen Elektronik nicht mit den chemisch aktiven Substanzen direkt in Berührung kommen oder eventuelle Einbauteile den Versuchsaufbau beeinträchtigen. Das erfindungsgemäße Verfahren soll in erster Linie bei elektrochemischen Prozessen Anwendung finden, ist allerdings auch für andere chemische Reaktionsabläufe geeignet. Weiterhin ist das Verfahren flexibel an unterschiedliche Versuchsaufbauten anpassbar, so dass bereits bestehende chemische Anlagen unverändert bleiben können.
In einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens sind die folgenden Schritte vorgesehen:
Bereitstellen einer ersten und zweiten aktiven Fläche;
- Anordnen eines Fluids zwischen der ersten und der zweiten aktiven Fläche;
Erzeugen von akustischen Oberflächenwellen in der ersten und/oder zweiten aktiven Fläche, wobei zumindest ein Teil der in der ersten und/oder zweiten aktiven Fläche angeregten Oberflächenwellen in akustische Volumenschallwellen in einem zwischen den aktiven Flächen befindlichen Fluid umgewandelt wird, wobei
eine in dem Fluid vorgehende chemische Reaktion oder ein vorgehender physikalischer Vorgang durch die Oberflächenwellen in der ersten und/oder zweiten aktiven Fläche und/oder die Volumenschallwellen in dem Fluid beeinflusst. Insbesondere können die Geschwindigkeiten erhöht werden.
In einer weiteren Ausgestaltung können folgende Schritte vorgesehen sein:
Bereitstellen einer ersten und zweiten aktiven Fläche, die als Elektroden ausgebildet sind;
- Anordnung eines Fluids, das als Elektrolyt ausgebildet ist, zwischen der ersten und er zweiten Elektrode;
- Anlegen einer Spannung an die erste und die zweite Elektrode;
Erzeugen von akustischen Oberflächenwellen in der ersten und/oder zweiten Elektrode, wobei zumindest ein Teil der in der ersten und/oder zweiten Elektrode angeregten Oberflächenwellen in akustische Volumenwellen (Volumenschallwellen) in einem zwischen den Elektroden befindlichen Elektrolyten umgewandelt wird, wobei
eine in dem Elektrolyten vorgehende chemische Reaktion durch die Oberflächenwellen in der ersten und/oder zweiten Elektrode und/oder die Volumenschallwellen in dem Elektrolyten beeinflusst, insbesondere beschleunigt wird.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden akustischen Oberflächenwellen direkt auf die chemisch aktive Fläche (beispielsweise eine Elektrode) übertragen, um dort gezielt die Reaktion zu beeinflussen. Dabei wird der Schall im Idealfall von au ßen in das Reaktionssystem eingebracht, so dass die Schallwandler, welche die Oberflächenwellen erzeugen inklusive der dazugehörigen Elektronik nicht mit den chemisch aktiven Substanzen direkt in Berührung kommen oder eventuelle Einbauteile den Versuchsaufbau beeinträchtigen.
Insbesondere durch das Vermögen der Oberflächenwellen, bei Kontakt mit Flüssigkeiten als Volumenwelle auszukoppeln und umgekehrt beim Auftreffen auf feste Substrate wieder einzukoppeln und dort erneut eine Oberflächenwelle zu erzeugen, wird es ermöglicht, den Schall auch direkt auf eine oder mehrere chemisch aktive Flächen zu übertragen. Dabei ist es nicht notwendig, wie bei den meisten sonokinetischen Verfahren eine Sonotrode in das Medium einzubringen, sondern es wird ein piezoelektrischer Interdigitalwandler außerhalb des Reaktionsgefäßes, des Versuchsaufbaus oder aber von außen auf die Elektrode aufgebracht, welcher dort die Oberflächenwellen erzeugt. Eine Verwendung bei Gasen ist ebenfalls möglich.
Das neue bei dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Anordnung besteht zum einen darin, dass die Schalleinstrahlung in das Reaktionssystem nicht über in das System eingebrachte Komponenten geschieht (z.B. Sonotroden), sondern der Schall über außen an das System (z.B. an der Wand des Reaktionsgefäßes, oder direkt an der Elektrode) angebrachte spezielle piezoelektrische Interdigitalwandler, welche akustische Oberflächenwellen anregen, geschieht. Das heißt, eine im Inneren ablaufende Reaktion kann über ein au ßen angebrachtes Bauteil beeinflusst werden, was in einzelnen Experimenten durch eine starke Steigerung der Reaktionsrate bereits gezeigt werden konnte, wie oben bereits erläutert.
Weiterhin ist die Schalleinstrahlung nicht diffus auf die Elektrode oder eine andere chemisch aktive Fläche gerichtet, wie es bei einem Ultraschallhorn der Fall ist; vielmehr wird der Schall insbesondere über Effekte wie Modenkonversion und umgekehrte Modenkonversion zumindest im Wesentlichen direkt auf die Elektrode geleitet, wo ebenfalls wieder eine Oberflächenwelle erzeugt wird. Diese Effekte erlauben es, direkt an der Elektrode die ablaufenden Prozesse zu beeinflussen und damit gezielt dort zu wirken, wo sich den Stofftransport limitierende Grenzschichten oder ähnliche Phänomene ausbilden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Anordnung wird jedoch ein einfaches piezoelektrisches Bauteil mitsamt zugehöriger Ansteuerelektronik auch auf nichtpiezoelektrische Substrate aufgebracht und werden auf diesen Substraten Oberflächenwellen angeregt und damit Reaktionen, die au ßerhalb des piezoelektrischen Substrates ablaufen, beeinflusst.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Anordnung sind z.B. keine Änderungen an bereits bestehenden Versuchsaufbauten oder chemischen Prozessanlagen notwendig, da als Mittel zum Erzeugen der Oberflächenschallwellen ein piezoelektrischer Interdigitalwandler verwendet werden kann, der „von außen" an die Anlage angebracht werden kann. Damit müssen keine zusätzlichen Bauteile in das Reaktionssystem eingebracht werden, was Probleme mit Chemikalienbeständigkeit der Bauteile oder speziellen Anpassungen des Bauteils an die Geometrie des Versuchsaufbaus (damit die Reaktion durch das Bauteil nicht gestört wird) deutlich minimiert.
Ferner bietet das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil, dass es flexibel an unterschiedliche Aufbauten angepasst werden kann und es weiterhin nicht auf einen ganz bestimmten Bereich der Chemie oder ein ganz spezielles chemisches Verfahren festgelegt ist sondern vielfältig angewendet werden kann. Dasselbe ist für die erfindungsgemäße Anordnung zutreffend.
Folglich wird auf einfache Art und Weise eine chemische Reaktion oder ein physikalischer Vorgang innerhalb eines Reaktionsgefäßes durch ein gezieltes Anregen von akustischen Oberflächenwellen innerhalb mindestens einer oder mehrerer aktiver Flächen und/oder durch in einem Fluid erzeugte Volumenschallwellen beeinflusst, insbesondere beschleunigt. Dabei ist es nicht notwendig, dass das Mittel zur Erzeugung von akustischen Oberflächenwellen innerhalb des Reaktionsgefäßes insbesondere innerhalb des Reaktionsfluids angebracht werden muss. Dadurch wird vermieden, dass durch besonders aggressive chemische Vorgänge das Mittel zum Erzeugen von akustischen Oberflächenwellen angegriffen wird bzw. derartige Einbauteile den Versuchsaufbau beeinträchtigen.
Insbesondere zeichnen sich die erfindungsgemäße Anordnung und das erfindungsgemäße Verfahren dadurch aus, dass eine gezielte und gesteuerte Anregung der aktiven Flächen mittels akustischer Oberflächenwellen erfolgt, die z.B. eine bessere Beeinflussung der chemischen Reaktionen ermöglicht als eine„Beschallung" über eine breite Fläche mittels beispielsweise eines Ultraschallhorns. Weiterhin ermöglicht der deutlich geringere Platzaufwand der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens keine oder nur eine geringe Änderung eines bereits bekannten Versuchsaufbaus.
Das erfindungsgemäße Verfahren (entsprechend auch die erfindungsgemäße Anordnung) kann insbesondere bei elektrochemischen Prozessen angewendet werden, es ist allerdings auch für andere chemische Reaktionsabläufe geeignet. Es kann Anwendung in nahezu allen Teilbereichen der Chemie finden, wo flüssige Medien und Grenzflächen im Spiel sind, wie oben bereits angedeutet, z.B.
• Elektrochemie (z.B. Galvanotechnik, Akkumulatorindustrie usw.)
• Technische Chemie (Prozessoptimierung)
• Organische Chemie (z.B. Synthese organischer Substanzen)
Das Verfahren kann flexibel an unterschiedliche Versuchsaufbauten angepasst werden, so dass bereits bestehende chemische Anlagen im Wesentlichen unverändert bleiben können.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Ansicht einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
Figur 2 eine Abbildung des Strom-Spannungsverlaufes einer erfindungsgemäßen
Anordnung gemäß Figur 1 im Vergleich mit einer nicht-erfindungsgemäßen Anordnung;
Figur 3 eine Abbildung einer Strom-Spannungskurve bei Anregung akustischer
Oberflächenwellen der erfindungsgemäßen Anordnung gemäß Figur 1 ;
Figur 4 schematischer Aufbau einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 5 eine Abwandlung der Fig. 4; und
Figur 6 eine Abbildung einer Stromkurve deren Einfluss die erfindungsgemäßen angeregten Oberflächenwellen zeigt.
Figur 1 zeigt eine Ausführungsform zum Durchführen einer chemischen Reaktion in einer schematischen Ansicht. Die Anordnung weist ein Reaktionsgefäß 8 auf, in dem eine erste und eine zweite aktive Fläche in Form einer ersten Elektrode 1 1 und einer zweiten Elektrode 12 angeordnet sind. Dabei ist zwischen der ersten und der zweiten Elektrode 1 1 , 12 ein Fluid in Form eines Elektrolyts 31 angeordnet. Weiterhin weist die Anordnung ein an einer Seitenwand 81 des Reaktionsgefäßes 8 angeordnetes Mittel zum Erzeugen von akustischen Oberflächenwellen - hier ein Interdigitalwandler 4 - auf, wobei der Interdigitalwandler 4 an der Seite (Au ßenseite) der Seitenwand 81 des Reaktionsgefäßes 8 angebracht ist, die von der ersten Elektrode 1 1 abgewandt ist.
Über den Interdigitalwandler werden in der Seitenwand 81 Oberflächenwellen 6 angeregt, wobei es sich bei den angeregten Oberflächenwellen insbesondere um Lamb-Wellen handelt, welche dann angeregt werden, wenn die Dicke des Substrates kleiner ist als die Wellenlänge. Durch die Inbetriebnahme des Interdigitalwandlers 4 werden zunächst in der Wand 81 des Reaktionsgefäßes 8, welches z.B. aus einer elektrisch isolierenden Substanz besteht (zum Beispiel ein Reaktionsgefäß aus Glas) Oberflächenwellen erzeugt.
Mit dem Reaktionsgefäß 8 ist die erste Elektrode 1 1 , auf welcher sich eine Diffusionsgrenzschicht 31 1 ausbildet, über eine Zwischenschicht 51 verbunden. Diese Zwischenschicht 51 kann beispielsweise aus einer Flüssigkeit oder einem Gas bestehen. Denkbar ist auch, dass die Zwischenschicht 51 durch den Elektrolyten 31 gebildet wird.
Die in der Seitenwand 81 angeregten Oberflächenschallwellen koppeln zum Teil unter dem Rayleigh-Winkel in die Zwischenschicht 51 aus (Modenkonversion) und dann umgekehrt wieder in die Elektrode 1 1 ein, wobei in der Elektrode 1 1 ebenfalls Oberflächenwellen 6' angeregt werden. Die angeregte Oberflächenwelle 6 koppelt also in die Zwischenschicht 51 aus und erzeugt in der Zwischenschicht 51 gewissermaßen eine Volumenschallwelle (kleine Pfeile), welche wiederum in die erste Elektrode 1 1 eingekoppelt werden kann, um dort erneut eine akustische Oberflächenwelle 6' zu erzeugen.
An der Grenzschicht zwischen der ersten Elektrode 1 1 und dem Elektrolyten 31 , an der sich eine Diffusionsgrenzschicht 31 1 ausgebildet hat, findet anschließend erneut der Prozess einer Modenkonversion statt, das heißt die Oberflächenwelle 6' in der Elektrode 1 1 koppelt unter einem bestimmten Winkel (Rayleigh Winkel) in das umgebende Medium, also den Elektrolyten 31 , und damit auch in die Diffusionsgrenzschicht 31 1 aus und erzeugt in dem flüssigen Medium eine Volumenschallwelle 7.
Durch die Wechselwirkung der Schallwelle (Volumenschallwelle 7) mit der Diffusionsgrenzschicht 31 1 werden die dort ablaufenden chemischen Reaktionen positiv beeinflusst. Nach der Auskopplung der akustischen Oberflächenwelle 6' in den Elektrolyten 31 erfolgt wiederum eine Einkopplung der Schallwelle (Volumenschallwelle 7) in die zweite Elektrode 12, welche dort ebenfalls wieder die Anregung von Oberflächenwellen 6" erzeugt.
Figur 2 zeigt, den Strom-Spannungsverlauf einer erfindungsgemäßen Anordnung vergleichbar der Figur 1 im Vergleich mit einer Standardanordnung (ohne Erzeugung von Oberflächenschallwellen).
Um zu zeigen, dass mittels piezoelektrischer Interdigitalwandler 4, die von außen an ein System angebracht werden, eine chemische Reaktion im Inneren dieses Gefäßes 8 positiv beeinflusst werden kann, wurde ein einfacher Elektropolierversuch entsprechend dem Schema in Figur 1 aufgebaut, bei welchem bei konstanter Spannung ein von außen angebrachter piezoelektrischer Interdigitalwandler 4 eingeschaltet und dessen Einfluss auf die Stromaufnahme dokumentiert wurde.
Der Versuchsaufbau bestand aus einer Cu/Au Elektropolierzelle, bei welcher durch Anlegen einer Gleichspannung Material von einer Kupferplatte abgetragen werden sollte. Das Kupfer fungierte hierbei als Anode (entspricht Elektrode 1 1 in Figur 1 ), die Kathode bestand aus einem Reingoldblech (entspricht Elektrode 12 in Figur 1 ). Bei der Polierzelle an sich handelt es sich um ein Becherglas, in welches auf dem Innenboden ein Kupferblech befestigt wurde. In rund 1 cm Entfernung von dem Kupferblech wurde ein Goldblech parallel zum Kupferblech positioniert. Als Elektrolyt 31 fungierte eine Lösung aus Salpetersäure (65%) und Methanol im Mischungsverhältnis 1 :2, die in das Becherglas gefüllt wird, so dass das Goldblech damit überschichtet ist.
Auf dem Boden des Becherglases (auf der gegenüberliegenden Becherglaswand wie das Cu-Blech) wurde ein Interdigitalwandler 4 aufgeklebt, mit welchem Oberflächenwellen 6 erzeugt wurden. Der Interdigitalwandler 4 wurde hierbei mit einem kontinuierlichen Signal mit einer Spannung von 100 V Spitze-Spitze und einer Frequenz von 1 MHz angesteuert. In Figur 2 ist der Verlauf einer Elektropolierkurve mit und ohne Ultraschalleintrag (SAW) dargestellt. Zunächst wird die Spannung so lange schrittweise erhöht, bis die Stromstärke auch bei Spannungserhöhung nicht weiter ansteigt, was im Diagramm mit Phase 1 gekennzeichnet ist. In der Plateauphase, in welcher bei Spannungserhöhung die Stromstärke konstant bleibt, bildet sich die Diffusionsgrenzschicht aus, welche den Stofftransport limitiert, sie ist als Phase 2 gekennzeichnet. In einem Elektropolierversuch ohne Schalleintrag (graue Kurve) bleibt der Strom in der Plateauphase etwa bei 0,9 A konstant. Wird bei einem zweiten Versuch zu Beginn der Plateauphase der Interdigitalwandler 4 eingeschaltet (schwarzer Kurve), so steigt I auf etwa 1 ,4 A. Damit konnte deutlich gezeigt werden, dass der Stromfluss durch Schalleintrag erhöht wird, was sich durch den Einfluss des Schalls auf die Diffusionsgrenzschicht 31 1 erklären lässt.
Figur 3 zeigt eine Strom-Spannungskurve bei einem Elektropolierversuch bei Anregung akustischer Oberflächenwellen 6 über einen außen an das Reaktionsgefäß 8 angebrachten Interdigitalwandler 4 entsprechend der erfindungsgemäßen Anordnung. Die dargestellte Stromspannungs-Kennlinie über die Dauer eines kompletten Elektropolierversuchs zeigt ebenfalls nochmal, dass durch Anregung von akustischen Oberflächenwellen 6 die Stromaufnahme erhöht werden kann.
Die einzelnen wesentlichen Schritte des in der Figur 3 dargestellten Versuchs wurden mit den Nummern 1 bis 9 beschriftet und werden im Folgenden erläutert:
1/2: Zunächst erfolgt eine schrittweise Spannungserhöhung bis zu dem Zeitpunkt, an welchem die Stromstärke bei Spannungserhöhung relativ konstant bleibt und ein gleichmäßiger Materialabtrag vom Kupfer stattfindet sowie sich eine gelb-grüne Diffusionsgrenzschicht über dem Cu ausbildet.
3: Bei einer Spannung von 2,2 V überzieht eine zähe gelb-grüne Grenzschicht nahezu das komplette Cu. Der Stromwert pegelt sich nach kurzem Anstieg bei Erhöhung der Spannung auf 2,2 V auf einem konstanten Wert von 0,82 A ein. Nachdem I bei 0,82 A bleibt, wird der Interdigitalwandler 4 auf dem Boden des Becherglases erstmalig eingeschaltet.
4: Während des Wandlerbetriebs steigt die Stromstärke von 0,82 A auf 1 ,90 A an. Nach Inbetriebnahme des Wandlers 4 ist auch makroskopisch eine sichtbare starke Reaktion im Becherglas zu erkennen, so steigen zum Beispiel vermehrt kleine Luftbläschen vom Cu auf. Bei 1 ,90 A wird der Wandler 4 ausgeschaltet, I steigt aber zunächst noch weiter auf 2,2 A an und beginnt erst verzögert wieder zu sinken, d.h. auch nach dem Ausschalten des Wandlers 4 hält die verstärkte Reaktion noch an. Dabei kehrt I aber nicht mehr auf den Wert von 0,82 A zurück, bei welchem die Stromstärke vor dem erstmaligen Wandlerbetrieb lag, sondern pegelt sich bei rund 1 ,6 A ein.
5: Nachdem I bei etwa 1 ,6 A bleibt und nicht weiter sinkt, wird der Interdigitalwandler 4 ein weiteres Mal eingeschaltet, worauf der Strom auf 1 ,96 A ansteigt.
6: Nach Ausschalten des Wandlers 4 zeigt sich wiederum, dass die Reaktion auch im Nachhinein noch verstärkt anhält und der Strom auf über 2 A ansteigt und erst verzögert wieder zu sinken beginnt.
7: Nachdem I auf etwa 1 ,9 A abgefallen ist, wird der Wandler 4 ein drittes Mal eingeschaltet, worauf I bis auf 2,35 A ansteigt.
8: Bei 2,35 A wurde der Wandler 4 wieder ausgeschaltet und auch in diesem Fall hielt die verstärkte Reaktion noch nach Abschalten des Wandlers 4 an und I steigt bis auf 2,45 A an. Danach beginnt I stark zu sinken, da das Cu fast vollständig abgetragen ist.
9: Ein weiterer Versuch, den Wandler 4 bei 0,55 A nochmal einzuschalten bleibt ohne Wirkung, da das Cu nun komplett abgetragen ist.
Figur 4 beschreibt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung. Eine weitere Alternative stellt die Anregung von Oberflächenwellen 6 direkt auf der ersten Elektrodenfläche 1 1 dar, wie sie in Figur 4 schematisch dargestellt ist. Hier erfolgt die Erzeugung der Oberflächenwellen 6 in einem Bereich der Elektrode 1 1 , welche nicht in Kontakt mit dem Fluid (hier in Form eines Elektrolyten 31 ) steht. Denkbar ist jedoch auch, dass der zur Erzeugung der Oberflächenwellen 6 eingesetzte Interdigitalwandler 4 an anderer Stelle auf der Elektrode 1 1 angeordnet ist.
Die Elektrode 1 1 , auf welcher die Oberflächenwellen 6 laufen, hängt dabei frei und z.B. nur über eine Klemmverbindung am Reaktionsgefäß 8 befestigt im Elektrolyten 31 . Sie wird beispielsweise nicht auf dem Boden des Reaktionsgefäßes 8 befestigt. In dem Bereich, in welchem die Anode (erste Elektrode 1 1 ) in die Elektrolytflüssigkeit (Elektrolyt 31 ) eintaucht, erfolgt die Modenkonversion (wie sie bereits in Figur 1 beschrieben wurde) der akustischen Oberflächenwellen 6 und damit eine Auskopplung eines Teils der Schallenergie (in Form einer Volumenschallwelle 7) in das umgebende Medium (Elektrolyten 31 ) und damit auch in eine eventuell vorhandene Diffusionsschicht (hier aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt). Dadurch wird die chemische Reaktion an der Oberfläche der ersten Elektrode 1 1 beschleunigt und der Stromfluss erhöht, was durch erste Messungen auch bereits experimentell bestätigt wird (siehe Figur 5).
Dabei ist zu beachten, dass nach dem Auskoppeln der Oberflächenschallwelle 6 in den Elektrolyten 31 auch ein erneutes Einkoppeln der Volumenschallwelle 7 in die zweite Elektrode 12 erfolgen kann, wobei erneut eine Oberflächenwelle innerhalb der zweiten Elektrode 12 angeregt wird. Der in diesem Ausführungsbeispiel mit A gekennzeichnete Bereich beschreibt den Bereich in welchem verstärkt chemische Reaktionen an der Oberfläche der ersten bzw. zweiten Elektrode 1 1 , 12 ablaufen, welche durch die Auskopplung bzw. Einkopplung der Oberflächenwellen 6 bedingt ist.
Figur 5 zeigt eine Abwandlung der Anordnung der Fig. 4. Hiernach ist eine zusätzliche (z.B. metallische) Platte 100 vorgesehen, die zumindest näherungsweise parallel zum oberen Abschnitt der ersten Elektrode 1 1 verläuft. Die Platte 100 weist z.B. eine mit der ersten Elektrode 1 1 vergleichbare oder identische Dicke auf.
Die Platte 100 bildet zusammen mit der ersten Elektrode 1 1 einen akustischen Wellenleiter. Dieser akustische Wellenleiter führt Volumenschallwellen, die sich in einem mit Elektrolyt gefüllten Zwischenraum zwischen der ersten Elektrode 1 1 und der Platte 100 ausbreiten und die durch Konversion der vom Sender 4 in der ersten Elektrode 1 1 angeregten Oberflächenschallwellen 6 entstehen. Die Führung der Volumenschallwellen wird insbesondere dadurch erzeugt, dass sowohl an der ersten Elektrode 1 1 als auch an der Platte 100 eine Reflexion der Volumenschallwellen erfolgt (durchgezogene Zick- Zack-Linie). Hierdurch wird einem zu großen Energieverlust der in den Elektrolyten angeregten Volumenschallwellen vor Erreichen der zweiten Elektrode 12 entgegengewirkt.
Die Platte 100 wird insofern möglicht weit bis an die zweite Elektrode 12 herangeführt, etwa bis zur Krümmung der ersten Elektrode 1 1 . Denkbar ist auch, dass die Platte 100 über die Krümmung der ersten Elektrode 1 1 hinausreicht und ebenfalls eine Krümmung parallel zur Krümmung der ersten Elektrode aufweist und entsprechend einen Abschnitt, der sich zumindest näherungsweise parallel zu einem Boden des Reaktionsgefäßes erstreckt.
Des Weiteren kann die Platte 100 zumindest näherungsweise auf dem Potential der ersten Elektrode 1 1 liegen.
Figur 6 zeigt eine Stromkurve eines Elektropolierversuches, die den Einfluss einer Schalleintragung durch Betätigung eines Interdigitalwandlers 4 zeigt.
In Figur 6 ist die Stromstärkeentwicklung auf einer Zeitskala dargestellt. Dabei ist bis zu einem Zeitpunkt von ca. 7 Minuten ein stetiges Wachstum der Stromstärke zu beobachten. Bei einem Einschalten B des Interdigitalwandlers 4 erfolgt ein sprunghafter Anstieg der Stromstärke, die beim Ausschalten C des Interdigitalwandlers 4, also einem Entfernen des Schalleintrags, wiederum stark absinkt und bei einem erneuten Einschalten B' wiederum sprunghaft ansteigt. Bei einem erneuten Abschalten C sinkt die Stromstärke wieder.
Figur 6 zeigt deutlich, dass durch eine erfindungsgemäße Anordnung der Stromfluss erhöht wird, und folglich auch die chemische Reaktion an der Elektrodenoberfläche beschleunigt wird. Die erfindungsgemäße Anordnung ermöglicht also eine gezielte Beschleunigung der elektrochemischen Reaktion.
Bezugszeichenliste
31 Elektrolyt
31 1 Diffusionsgrenzschicht
4 Mittel zum Erzeugen von akustischen Oberflächenwellen
51 Zwischenschicht
6, 6', 6" Oberflächenwellen
7 Volumenschallwelle
8 Reaktionsgefäß
81 Seitenwand des Reaktionsgefäßes
1 1 Erste Elektrode
12 Zweite Elektrode
100 Platte

Claims

Patentansprüche
1 . Anordnung zum Durchführen einer chemischen Reaktion, mit
- einem Reaktionsgefäß (8), in dem mindestens eine aktive Fläche (1 1 ), die wenigstens abschnittsweise mit einem Fluid (31 ) in Kontakt ist, angeordnet ist,
- Mittel zum Erzeugen von akustischen Oberflächenwellen (6) in der mindestens einen aktiven Fläche (1 1 ), wobei zumindest ein Teil der in der mindestens einen aktiven Fläche (1 1 ) angeregten Oberflächenwellen (6) in Volumenschallwellen (7) innerhalb des Fluids (31 ) umgewandelt wird, so dass
- eine an der mindestens einen aktiven Fläche (1 1 ) vorgehende chemische Reaktion oder ein dort vorgehender physikalischer Vorgang durch die Oberflächenwellen (6) in der mindestens einen aktiven Fläche (1 1 ) und/oder durch die Volumenschallwellen (7) in dem Fluid (31 ) beeinflusst, insbesondere beschleunigt, wird.
2. Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (4) zum Erzeugen von akustischen Oberflächenwellen (6), mindestens einen Sender, insbesondere in Form eines Interdigitalwandlers (4), aufweisen.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (4) zum Erzeugen von akustischen Oberflächenwellen (6) auf einer dem Reaktionsgefäß (8) zugewandten Seite der mindestens einen aktiven Fläche (1 1 ) angeordnet ist.
4. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich an der dem Reaktionsgefäß (8) zugewandten Seite der mindestens einen aktiven Fläche (1 1 ) ein elektrisch isolierendes Substrat erstreckt.
5. Anordnung nach Anspruch 4 sofern rückbezogen auf Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (4) zum Erzeugen von akustischen Oberflächenwellen (6) an einer der mindestens einen aktiven Fläche (1 1 ) abgewandten Seite des Substrats angeordnet ist und akustische Oberflächenwellen (6) in dem Substrat erzeugt.
6. Anordnung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen dem Substrat und der mindestens einen aktiven Fläche (1 1 ) eine Zwischenschicht (51 ) befindet, über die zumindest ein Teil der in dem Substrat angeregten Oberflächenwellen (6) in die mindestens eine aktiven Fläche (1 1 ) einkoppelt.
7. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (4) zum Erzeugen von akustischen Oberflächenwellen (6) an einer der aktiven Fläche (1 1 ) abgewandten Seite einer Wandung (81 ) des Reaktionsgefäßes (8) angeordnet ist.
8. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Fläche (1 1 ) teilweise in Kontakt mit dem Fluid (31 ) ist und das Mittel (4) zur Erzeugung von akustischen Oberflächenwellen (6) an der aktiven Fläche (1 1 ) in einem Bereich angeordnet ist, der nicht in Kontakt mit dem Fluid (31 ) steht.
9. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Reaktionsgefäß (8) ein Temperaturkontrollmittel angeordnet ist, welches geeignet ist, die Temperatur der mindestens einen aktiven Fläche (1 1 ) und/oder des Fluids (31 ) zu erhöhen oder zu erniedrigen.
10. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Reaktionsgefäß (8) innerhalb eines Gehäuses angeordnet ist und an dem Gehäuse ein Druckkontrollmittel angeordnet ist, welches geeignet ist, einen Druck innerhalb des Gehäuses bzw. innerhalb des Reaktionsgefäßes (8) oberhalb oder unterhalb des Atmosphärendrucks einzustellen.
1 1 . Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Reaktionsgefäßes (8) eine zweite aktive Fläche (12) angeordnet ist, wobei das Fluid (31 ) zwischen der ersten und der zweiten aktiven Fläche (1 1 , 12) angeordnet werden kann, wobei die Mittel (4) zum Erzeugen von akustischen Oberflächenwellen (6) in der ersten und/oder der zweiten aktiven Fläche (1 1 ,12) akustische Oberflächenwellen (6) erzeugen, und wobei zumindest ein Teil der in der ersten und/oder der zweiten aktiven Fläche (1 1 ,12) angeregten Oberflächenwellen (6) in Volumenschallwellen (7) in dem zwischen den aktiven Flächen (1 1 ,12) befindlichen Fluid (31 ) umgewandelt wird, wodurch eine an der ersten und/oder zweiten aktiven Fläche (1 1 ,12) vorgehende chemische Reaktion oder ein vorgehender physikalischer Vorgang durch die Oberflächenwellen (6) in der der ersten und/oder zweiten aktiven Fläche (1 1 ,12) und/oder durch die Volumenschallwellen (7) in dem Fluid (31 ) beeinflusst, insbesondere beschleunigt, wird.
12. Anordnung nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite aktive Fläche (1 1 ,12), als Elektroden (1 1 ,12) ausgebildet sind, die über eine Spannungsquelle miteinander verbindbar sind und/oder das Fluid (31 ) als ein Elektrolyt (31 ) ausgebildet ist.
13. Verfahren zum Durchführen einer elektrochemischen Reaktion, insbesondere unter Verwendung der Anordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, mit den Schritten:
- Bereitstellen mindestens einer aktiven Fläche (1 1 );
- Anordnen der mindestens einer aktiven Fläche (1 1 ) innerhalb eines Fluids (31 );
- Erzeugen von akustischen Oberflächenwellen (6) in der mindestens einen aktiven Fläche (1 1 ), wobei zumindest ein Teil der in der mindestens einen aktiven Fläche (1 1 ) angeregten Oberflächenwellen (6) in akustische Volumenwellen (7) innerhalb des Fluids (31 ) umgewandelt wird, so dass
- eine in dem Fluid (31 ) vorgehende chemische Reaktion oder ein vorgehender physikalische Vorgang durch die Oberflächenwellen (6) in der mindestens einen aktiven Fläche (1 1 ) und/oder die Volumenschallwellen (7) in dem Fluid (31 ) beeinflusst, insbesondere beschleunigt, wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, mit den folgenden Schritten:
- Bereitstellen einer ersten und zweiten aktiven Fläche (1 1 ,12);
- Anordnen eines Fluids (31 ) zwischen der ersten und der zweiten aktiven Fläche (1 1 ,12);
- Erzeugen von akustischen Oberflächenwellen (6) in der ersten und/oder der zweiten aktiven Fläche (1 1 ,12), wobei zumindest ein Teil der in der ersten und/oder der zweiten aktiven Fläche (1 1 ,12) angeregten Oberflächenwellen (6) in akustische Volumenwellen (7) in einem zwischen den aktiven Flächen (1 1 ,12) befindlichen Fluid (31 ) umgewandelt wird, wobei
- eine in dem Fluid (31 ) vorgehende chemische Reaktion oder ein vorgehender physikalischer Vorgang durch die Oberflächenwellen (6) in der ersten und/oder der zweiten aktiven Fläche (1 1 ,12) und/oder die Volumenschallwellen (7) in dem Fluid (31 ) beeinflusst, insbesondere beschleunigt, wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite aktive Fläche (1 1 ,12) jeweils als Elektrode ausgebildet ist.
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