ES2257280T3 - Pila electrolitica con electrodo bipolar. - Google Patents
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Abstract
Una pila electrolítica que incluye un ánodo (14), un cátodo (16) y al menos un electrodo bipolar (18) dispuesto entre el ánodo y el cátodo, caracterizada porque dicho electrodo bipolar incluye un sustrato y una capa compacta de diamante que se ha hecho conductor mediante un agente dopante, y que recubre dicho sustrato.
Description
Pila electrolítica con electrodo bipolar.
La presente invención se refiere a una pila
electrolítica con electrodo bipolar, es decir, una pila en la que
el ánodo y el cátodo están separados por al menos un tercer
electrodo, formando dicho electrodo bipolar a la vez un ánodo y un
cátodo. Se comprende fácilmente que la presencia de tal electrodo
permite aumentar la superficie de reacción electroquímica y, por
esto, la eficacia de la pila.
Para más detalles sobre pilas electrolíticas con
electrodo(s) bipolar(es), se podrá hacer referencia,
por ejemplo, a la publicación de Ch. Comninellis et al., en
Journal of applied electrochemistry, 21 (1991)
415-418.
Para que un electrodo bipolar pueda asegurar su
función, es imperativo que se fabrique en un material compatible a
la vez con la función de ánodo y la de cátodo. En el estado actual
de la técnica, se utilizan generalmente níquel, cobre y plomo.
Una aplicación interesante de los electrodos
bipolares es su integración en pilas electrolíticas destinadas a
la depuración de aguas residuales, por oxidación de los
contaminantes que contienen. De esta manera pueden descomponerse
ciertos compuestos orgánicos que no son biodegradables. Tal
aproximación presenta sin embargo dos inconvenientes. Por una
parte, los electrodos utilizados hasta ahora tienen tendencia a
desgastarse rápidamente. Por otra parte, liberan metales,
especialmente metales pesados que son contaminantes.
Se ha propuesto igualmente fabricar electrodos
bipolares de platino, pero tienen el inconveniente de gastarse
bastante rápidamente. O, este metal es muy costoso.
Los electrodos bipolares pueden presentarse ya en
forma de placas, ya en forma de una pluralidad de bolas que
tengan, típicamente, un diámetro comprendido entre 0,5 y 10 mm,
mantenidas en suspensión en el electrolito en movimiento, como
proponen, por ejemplo, M. Fleischmann et al., en Journal
of Electrochemical Society, Vol. 116, Nº 11, Nov. 1969.
Desgraciadamente, la duración en vida de estas
bolas conductoras, generalmente fabricadas en cobre o en grafito,
es bastante reducida a causa de los efectos mecánicos debidos a su
agitación en el electrolito, y de la disolución, respectivamente
oxidación, del mismo material. Las pilas electrolíticas que
incluyen tales electrodos necesitan pues una vigilancia casi
permanente. Por esto, apenas pueden utilizarse en aplicaciones
tales como la depuración de aguas.
El objeto principal de la presente invención es
proponer una pila electrolítica con electrodo bipolar que presenta
la doble particularidad de tener una larga duración en vida y de no
liberar productos contaminantes en el electrolito.
De manera más precisa, la invención se refiere a
una pila electrolítica que incluye un ánodo, un cátodo y al menos
un electrodo bipolar dispuesto entre el ánodo y el cátodo,
caracterizada porque este electrodo bipolar incluye un sustrato y
una capa compacta de diamante que se ha hecho conductor mediante un
agente dopante, y que recubre el sustrato.
Ventajosamente, el ánodo y el cátodo incluyen
igualmente un sustrato y una capa compacta de diamante que se ha
hecho conductor mediante un agente dopante, y que recubre el
sustrato.
El material que forma el sustrato puede elegirse
entre silicio y carburo de silicio, habiéndose los dos hechos
conductores mediante dopado, el cuarzo y el vidrio. También puede
ser un metal de transición refractario elegido, preferiblemente,
entre circonio, molibdeno, tántalo, niobio, titanio, y sus
siliciuros.
Preferiblemente, el agente dopante utilizado para
hacer conductor el diamante es el boro, el nitrógeno, o una mezcla
de los dos. La capa de diamante tiene, por otra parte, un espesor
de 0,1 a 1 \mum.
La pila conforme a la invención puede incluir ya
un electrodo bipolar en forma de una placa, ya una pluralidad de
electrodos bipolares en forma de bolas.
Otras características de la invención se
desprenden de la descripción que sigue, hecha a la vista del
diseño adjunto, en el que:
- la figura 1 representa una
pila electrolítica que incluye electrodos bipolares formados por
placas;
- la figura 2 representa una
pila electrolítica que incluye electrodos bipolares en forma de
bolas en suspensión, y
- la figura 3 muestra, en
sección, una de las bolas de la figura 2.
En la figura 1, puede verse, en sección, una pila
electrolítica que incluye un recipiente rectangular 10 de material
aislante, que contiene un electrolito 12. Comprende dos tabiques
extremos 101 y 102, en cuya proximidad están dispuestos
respectivamente un ánodo 14 y un cátodo 16, que se presentan en
forma de placas paralelas entre sí.
Están interpuestos varios electrodos bipolares
18, igualmente formados por placas, a intervalos regulares, en el
espacio comprendido entre el ánodo y el cátodo, paralelamente a
ellos.
Por supuesto, el ánodo 14, el cátodo 16, y los
electrodos bipolares 18 no deben estar en contacto los unos con
los otros. A tal efecto, se disponen pues entre ellos unas cuñas 20
de material aislante.
En el caso de una pila electrolítica destinada a
la purificación de agua residual, ésta forma el electrolito y
atraviesa el recipiente 10. Los conductos que permiten esta
circulación no están representados.
Conforme a la presente invención, tanto el ánodo
14 y el cátodo 16 como los electrodos bipolares 18 están formados
por un sustrato eléctricamente conductor, con referencia a,
revestido sobre sus dos caras, al menos en su parte sumergida, de
una capa b de diamante dopado para ser eléctricamente
conductor.
El sustrato puede estar formado por una placa de
silicio o de carburo de silicio que, los dos, han sido dopados por
procedimientos conocidos por una persona de experiencia en la
materia, para reducir su resistividad a un valor que, típicamente,
es del orden de 1 a 3 m\Omega.cm. El sustrato puede estar formado
igualmente por carbono vítreo o de un material compuesto que
incluye una red de fibras de carbono amalgamada con carbono
pirolítico y/o carburo de silicio.
El sustrato puede ser también una placa de metal,
preferiblemente un metal de transición refractario, elegido
ventajosamente entre circonio, molibdeno, tántalo, niobio, titanio,
y sus siliciuros.
Sea cual sea, el sustrato conductor debe llevar
inicialmente partículas de diamante que formen núcleos de
crecimiento para la capa de diamante que se forma en su superficie,
conforme a un procedimiento conocido, por HFCVD (deposición
química en fase de vapor con filamento caliente) en un recinto a
una temperatura comprendida entre 600 y 900ºC. El diamante se ha
hecho conductor mediante dopado con boro, nitrógeno, o una mezcla
de los dos, que se introduce durante la operación de depósito de la
capa en forma de trimetilborano (TMB) gaseoso, de amoniaco o de
toda otra sustancia (fósforo, carbono) que tenga el mismo
efecto.
El procedimiento descrito anteriormente permite
fabricar ánodos, cátodos y electrodos bipolares recubiertos sobre
sus dos caras de una película de diamante con estructura
policristalina compacta, cuya resistividad es inferior o igual a
0,2 \Omega.cm, para una concentración de boro de alrededor de
3500 ppm. El espesor de esta capa conductora de diamante dopado
está comprendida, típicamente, entre 0,1 y 1 \mum.
Para más detalles sobre la fabricación de tales
electrodos, se hará referencia al artículo titulado "Diamond
electrodes and microelectrodes", de A. Perret et al.,
aparecido en Electrochemical Society Proceedings, volumen
97-32.
Como variante, las caras externas del ánodo 14 y
del cátodo 16 (es decir, las que están en frente de los extremos
101 y 102 del recipiente) pueden estar revestidas igualmente de una
capa de diamante.
Conforme a otra variante, solamente los
electrodos bipolares están fabricados como se ha indicado
anteriormente, siendo entonces el ánodo y el cátodo de un material
conductor, tal como silicio, carburo de silicio, grafito, carbono
vítreo, un material compuesto a base de fibras de carbono, como se
ha mencionado anteriormente, o aún de tántalo, titanio, circonio,
niobio, molibdeno, o sus siliciuros.
La figura 2 muestra otro tipo de pila
electrolítica que utiliza electrodos bipolares en forma de bolas,
conforme a la estructura descrita en la publicación de M.
Fleischmann, ya citada. Esta pila incluye un recipiente cilíndrico
22, que contiene en el interior un ánodo tubular 24 y un cátodo en
forma de varilla 26, dispuesto según el eje del ánodo. El ánodo 24
y el cátodo 26 son, aparte de su forma, y por lo que concierne al
sustrato y a la capa de diamante que los constituyen, idénticos a
los electrodos 14 y 16 descritos en el modo de realización de la
figura 1.
El recipiente 22 incluye, en su base, una entrada
22a y, en su parte superior, una salida 22b, destinadas
respectivamente a hacer penetrar y salir una disolución de
electrolito 28. Se coloca una membrana 30 en la parte inferior del
recipiente, bajo los dos electrodos y por encima de la entrada 22a.
Presenta una estructura porosa, de manera que deja pasar el
electrolito cuando sube desde la entrada 22a hacia la salida 22b.
Unos electrodos bipolares 32, formados por una pluralidad de
partículas esféricas mantenidas en suspensión en el electrolito,
conforme a las enseñanzas de la publicación de M. Fleischmann,
están dispuestos en el espacio situado por encima de la membrana.
Su diámetro está comprendido, típicamente, entre 0,5 y 10 mm. La
estructura de la membrana se elige para que estas bolas no puedan
atravesarla.
Como muestra la figura 3, cada electrodo bipolar
32 incluye un núcleo esférico 34, ventajosamente de silicio o
carburo de silicio dopado, por procedimientos conocidos por una
persona de experiencia en la materia, a fin de reducir su
resistividad a un valor del orden de 1 a 3 m\Omega.cm. La bola
que se ha hecho conductora de esta manera está totalmente
recubierta de una capa 36 de diamante conductor dopado con boro que
tiene, típicamente, un espesor del orden de 0,1 a 1 \mum. Como se
ha indicado a propósito de la fabricación de los electrodos de la
figura 1, el dopado con boro se lleva a cabo por medio de
trimetilborano (TMB) gaseoso o de amoniaco, introducido en el
recinto de HFCVD durante la operación de depósito del diamante. Como
ya se ha mencionado, pueden utilizarse otros agentes dopantes,
tales como nitrógeno, fósforo o carbono, para hacer el diamante
eléctricamente conductor. Esta capa presenta una estructura
policristalina compacta, de modo que el núcleo 34 está totalmente
protegido.
La fabricación de bolas de carburo de silicio
revestido de diamante es conocida para aplicaciones de rodamientos
de bolas. Para más detalles, se hará referencia, por ejemplo, a la
publicación de M. Drory et al., titulada "Microstructural
effects on the performance of CVD diamond coatings for bearing
applications" en la 2^{nd} International Conference on the
applications of Diamond Films and Related Materials'', celebrada en
Tokio en 1993.
Los electrodos bipolares esféricos obtenidos de
esta manera permiten evitar el desgaste y contaminación, por el
solo hecho de ser recubiertos de una capa de diamante.
El carburo de silicio dopado se elige, conforme a
la invención, para constituir el núcleo de los electrodos
bipolares, a causa de su poca densidad, que permite que estas bolas
32 permanezcan en suspensión en el electrolito cuando éste sube
dentro del recipiente. Como variante, el núcleo 34 de las esferas
puede ser sin embargo de silicio dopado, de óxido de silicio, de
cuarzo, de grafito, o de metal de transición refractario y, más
particularmente, circonio, molibdeno, tántalo, niobio, titanio, o
sus siliciuros.
Claims (9)
1. Una pila electrolítica que incluye un ánodo
(14), un cátodo (16) y al menos un electrodo bipolar (18)
dispuesto entre el ánodo y el cátodo, caracterizada porque
dicho electrodo bipolar incluye un sustrato y una capa compacta de
diamante que se ha hecho conductor mediante un agente dopante, y
que recubre dicho sustrato.
2. Una pila electrolítica conforme a la
reivindicación 1, caracterizada porque el ánodo y el cátodo
incluyen igualmente un sustrato y una capa compacta de diamante
conductor que recubre dicho sustrato.
3. Una pila electrolítica conforme a una de las
reivindicaciones 1 y 2, caracterizada porque el material
que forma dicho sustrato se elige entre silicio, carburo de silicio,
los dos hechos conductores mediante dopado, cuarzo, grafito,
carbono vítreo, y un material compuesto que incluye una red de
fibras de carbono amalgamada con carbono pirolítico y/o carburo de
silicio.
4. Una pila electrolítica conforme a una de las
reivindicaciones 1 y 2, caracterizada porque el material
que forma dicho sustrato es un metal de transición refractario.
5. Una pila electrolítica conforme a la
reivindicación 4, caracterizada porque dicho metal de
transición se elige entre circonio, molibdeno, tántalo, niobio,
titanio, y sus siliciuros.
6. Una pila electrolítica conforme a una de las
reivindicaciones 1 a 5, caracterizada porque el agente
dopante del diamante se elige entre boro, nitrógeno, o una mezcla
de boro y nitrógeno, fósforo y carbono.
7. Una pila electrolítica conforme a una de las
reivindicaciones 1 a 6, caracterizada porque la capa de
diamante tiene un espesor comprendido entre 0,1 y 1 \mum.
8. Una pila electrolítica conforme a una de las
reivindicaciones 1 a 7, caracterizada porque dicho electrodo
bipolar está en forma de una placa.
9. Una pila electrolítica conforme a una de las
reivindicaciones 1 a 7, caracterizada porque incluye una
pluralidad de electrodos bipolares en forma de bolas.
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