ES2637797T3 - Rendimiento potenciado en campo eléctrico en dispositivos de electrolito sólido que implican gases - Google Patents

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Abstract

Celda electroquímica, que comprende un sustrato (3), en la que el sustrato (3) comprende un electrolito, por lo menos dos electrodos de detección (1, 2), en la que dichos por lo menos dos electrodos de detección (1, 2) están posicionados sobre el sustrato (3), en la que dichos por lo menos dos electrodos de detección (1, 2) están en contacto eléctrico con el electrolito, un medio para medir una característica con respecto a uno o más de dichos por lo menos dos electrodos de detección (1, 2), caracterizada por un medio para crear un campo eléctrico, comprendiendo el medio para crear el campo eléctrico por lo menos dos electrodos de campo eléctrico (6, 7) posicionados sobre el sustrato (3), no dando el medio para crear el campo eléctrico como resultado el paso de corriente a través de la celda electroquímica cuando la corriente es bloqueada por un aislante (4, 5), y estando uno de dichos por lo menos dos electrodos de detección (1, 2) formado por La2CuO4, y estando otro de dichos por lo menos dos electrodos de detección (1, 2) formado por un material diferente, y alterando una aplicación del campo eléctrico creado por dichos por lo menos dos electrodos de campo eléctrico (6, 7) por lo menos en el electrodo de detección (1) formado por La2CuO4 la característica eléctrica medida, siendo la característica eléctrica una tensión entre el electrodo de detección (1) formado por La2CuO4 y el electrodo de detección (2) formado por el material diferente.

Description

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DESCRIPCION
Rendimiento potenciado en campo electrico en dispositivos de electrolito solido que implican gases. Antecedentes de la invencion
Una celda electroqufmica es el acoplamiento de dos materiales de electrodo entre un conductor ionico, por lo que se producen reacciones electroqufmicas en la superficie de contacto entre el conductor ionico, un electrodo y gas. Los materiales de electrodo son normalmente metal o semiconductor y el conductor ionico es normalmente un electrolito. Los electrodos tambien pueden incluir materiales electronicos/ionicos mixtos. En la actualidad, esta utilizandose circona estabilizada con itria (YSZ) como material de electrolito para determinados sensores de gas y pilas de combustible.
Las celdas electroqufmicas pueden funcionar en modo de circuito abierto o pueden utilizarse para accionar reacciones con la aplicacion de corriente o tension a la celda. Las celdas electroqufmicas se utilizan en muchos dispositivos, tales como sensores de gas y pilas de combustible, y aplicaciones, tales como electrodeposicion. Las celdas electroqufmicas tambien se utilizan en catalisis para la conversion de reactantes en subproductos utiles.
Un sensor de gas es un dispositivo que detecta la concentracion o la presencia de una sola o de multiples especies de gas. Un sensor de gas puede incluir, pero no es necesario, una celda electroqufmica. Un sensor de gas sin una celda electroqufmica puede considerarse un dispositivo no electroqufmico. Un sensor de gas puede presentar diferentes mecanismos de transduccion para detectar gas y puede ser multifuncional detectando multiples especies de gas. Por ejemplo, puede utilizarse un mecanismo de transduccion potenciometrico, amperometrico o impedanciometrico. Un problema con la mayorfa de los sensores de gas es la interferencia cruzada con otra especie o la mala selectividad.
Una pila de combustible es un dispositivo que convierte directamente la energfa qufmica en energfa electrica para el consumo de energfa en aplicaciones tales como para automoviles y hogares. Una pila de combustible de oxido solido (SOFC) es un tipo de pila de combustible que incorpora un electrolito solido intercalado entre por lo menos dos electrodos, funcionando un electrodo como un catodo y funcionando el otro electrodo como un anodo. Las pilas de combustible tambien pueden incorporarse en apilamientos con el fin de aumentar el rendimiento energetico. En el caso de que el electrolito sea un conductor de ion oxfgeno, el oxfgeno reacciona en el catodo y se transporta al anodo a traves del electrolito como un ion donde el oxfgeno reacciona electroqufmicamente con combustible, tal como, por ejemplo, H2 o CO, para producir electricidad.
En determinados dispositivos que utilizan celdas electroqufmicas, se incorpora la modificacion no faradaica de la actividad catalftica (NEMCA) para la potenciacion de las reacciones catalfticas a traves de la aplicacion directa de tension o corriente a los electrodos en una celda electroqufmica.
En la catalisis, la cinetica de una reaccion implica el proceso de cambiar las velocidades de las etapas intermedias y otros procesos durante una reaccion. Estos cambios afectan a la velocidad global de la reaccion.
El perfil energetico de una reaccion se refiere a las muchas barreras de energfa diferentes para activar las etapas de una reaccion. Como ejemplo, una barrera de difusion es un tipo de barrera de energfa. Estas barreras pueden superarse anadiendo energfa al sistema. A menudo se utiliza energfa termica para superar las barreras.
Una ruta de reaccion es las etapas que sigue una reaccion cuando avanza desde los reactantes de partida hasta los productos finales. La ruta que sigue una reaccion tiene que ver, en parte, con la cinetica y el perfil energetico del sistema. La adsorcion y la desorcion son procesos en los que moleculas de gas procedentes de la fase gaseosa quedan atrapadas (fisisorcion) o unidas a la superficie (quimisorcion). Estos procesos a menudo tambien afectan a la cinetica y el perfil energetico de una reaccion.
La relajacion de superficie implica el movimiento de capa(s) adsorbida(s) completas, mientras que la reconstruccion de superficie implica cambios en la periodicidad de la superficie. Ambos procesos pueden cambiar el modo en que avanza una reaccion. La dinamica de superficie puede referirse a los procesos que implican el movimiento dinamico sobre una superficie, tal como moleculas (en fase) de gas que colisionan con una superficie o difusion de una especie sobre una superficie.
Un catalizador puede existir como parte de un dispositivo electroqufmico o encima de un “soporte de catalizador” que actua o bien para proporcionar una estructura determinada para los catalizadores o para dispersar el catalizador entre sitios de reaccion diferentes.
Un problema principal en la catalisis es la conversion disminuida debido a la presencia de “venenos.” La presencia de “venenos” tambien puede tener efectos negativos en los sensores de gas, pilas de combustible y otros dispositivos relacionados. Los venenos pueden bloquear sitios de adsorcion o producir la reconstruccion de
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fases; este ultimo caso puede producirse por venenos que forman complejos con, por ejemplo, especies de oxfgeno procedentes de un electrolito, y seguido posiblemente por desorcion del complejo. Esto puede impedir que se produzcan determinados mecanismos que se basan en la presencia de ese oxfgeno, dificultando asf que el dispositivo o catalizador funcione apropiadamente.
El documento WO 2005/036158 A1 da a conocer un sensor que comprende una celda electroqufmica que comprende un conductor de anion de oxfgeno en estado solido en el que se produce conduccion de anion oxfgeno a o por encima de una temperatura crftica Tc, un electrodo de medicion activo formado sobre una primera superficie del conductor para exponer el entorno monitorizado, un electrodo de medicion inerte formado sobre la primera superficie del conductor adyacente a e independiente del electrodo de medicion activo, y un electrodo de referencia formado sobre una segunda superficie del conductor para exponerse a un entorno de referencia, medios para controlar y monitorizar la temperatura de la celda, medios para controlar la corriente electrica que fluye entre el electrodo de referencia y el electrodo de medicion activo y la corriente electrica que fluye entre el electrodo de referencia y el electrodo de medicion inerte, y medios para monitorizar la diferencia de potencial entre el electrodo de medicion activo y el electrodo inerte.
El documento US 2005/0235735 A1 da a conocer un sensor de gas que incluye un sustrato de semiconductor sobre el que esta dispuesto por lo menos un electrodo de campo, en el que el electrodo de campo esta dispuesto bajo una pelfcula resistiva de semiconductor sensible a los gases, con una capa aislante entre ellos. Los electrodos de campo producen un campo electrico que actua sobre el semiconductor, y puede producirse un efecto de electroadsorcion cuando el grosor de la pelfcula sensible a los gases es del orden de la longitud de Debye.
El documento US 2004/0026268 A1 da a conocer un sensor de gas que comprende un elemento de sensor de gas de tipo fuerza electromotriz que presenta un elemento de calentamiento formado sobre el sustrato, una capa de electrolito solido formado con una capa aislante interpuesta sobre el elemento de calentamiento y dos electrodos formados sobre el electrolito solido, en el que el sustrato es un sustrato de base de vidrio resistente al calor.
Breve sumario
La invencion se define en la reivindicacion independiente 1.
Las formas de realizacion de la presente invencion se refieren a potenciacion en campo electrico de reacciones qufmicas y/o electroqufmicas. Puede producirse un campo electrico y conformarse para alterar la adsorcion de gases y otras reacciones qufmicas para diversas aplicaciones. El campo electrico generado puede proporcionarse utilizando electrodos de campo electrico, que son superficies conductoras polarizadas deliberadamente para generar un campo electrico. Determinadas formas de realizacion de la presente invencion pueden aplicarse a sensores de gas, pilas de combustible y otros dispositivos electroqufmicos. Ademas, pueden utilizarse determinadas formas de realizacion para mejorar el rendimiento de reacciones promovidas electroqufmicamente (NEMCA) y cualquier otra reaccion de catalisis general que implique por lo menos una especie gaseosa, tales como, por ejemplo, oxidacion de etileno. Tambien pueden aplicarse electrodos de campo electrico dispuestos segun una forma de realizacion de la presente invencion a dispositivos no electroqufmicos tales como sensores de gas que no utilizan un electrolito.
En una forma de realizacion, pueden aplicarse electrodos de campo electrico a un sensor de gas. Los electrodos de campo electrico pueden disponerse para mejorar la sensibilidad, la selectividad y el tiempo de respuesta en el sensor de gas.
En una forma de realizacion, pueden posicionarse unos electrodos de campo electrico para aplicar un campo electrico paralelo a un electrodo de deteccion del sensor de gas.
En otra forma de realizacion, pueden aplicarse electrodos de campo electrico a un sensor de gas para conformar el perfil de campo electrico. En una forma de realizacion de este tipo, los electrodos de campo electrico pueden posicionarse con respecto a los electrodos de deteccion del sensor de gas para aplicar un perfil de campo electrico deseado con respecto a ubicaciones especfficas en un dispositivo o soporte de catalizador. Los campos electricos pueden conformarse para que sean perpendiculares, paralelos o formando cualquier angulo entre medias con respecto a una zona de reaccion local particular o el dispositivo completo. Ademas, las intensidades relativas de los campos electricos en regiones diferentes del dispositivo pueden ser diferentes. En una forma de realizacion adicional, los electrodos de campo electrico pueden aplicarse a un sensor de gas que incorpora un electrodo de referencia de aire.
En un ejemplo no reivindicado por la presente invencion, pueden aplicarse electrodos de campo electrico a una pila de combustible. Los electrodos de campo electrico pueden utilizarse para estabilizar/desestabilizar complejos de adsorbato sobre una superficie y para retirar o inhibir la acumulacion de venenos procedentes de una superficie de pila de combustible.
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Pueden aplicarse electrodos de campo electrico dispuestos segun una forma de realizacion de la presente invencion para alterar los campos ubicados que existen alrededor de una region de capa de dipolo en un sistema electroqufmico utilizando los campos electricos generados externamente.
Pueden utilizarse “electrodos de campo electrico” para potenciar reacciones qufmicas/electroqufmicas y el rendimiento en diversos dispositivos y aplicaciones. Tales “electrodos de campo electrico” pueden conformarse de manera eficaz y activa para lograr un rendimiento potenciado. En formas de realizacion para dispositivos electroqufmicos, se introduce poca o ninguna corriente o carga (ionica o electronica) en la superficie de contacto de metal/electrolito o semiconductor/electrolito. Ademas, tales “electrodos de campo electrico” pueden incorporar cualquier otra estructura o componente del dispositivo que tenga por lo menos un fin adicional distinto que contribuir a la conformacion del campo electrico.
Puede aplicarse tension con una baterfa u otra fuente de tension donde puede utilizarse mas de una fuente de tension si se desea. Puede distribuirse una o mas senales tension con un microcontrolador, multiplexador, divisor de tension (resistivo) y/u otros medios de aplicar diferentes magnitudes de tension o esquemas de polarizacion a diversos “electrodos de campo electrico”.
Hay numerosas tecnicas que pueden emplearse en la fabricacion de estos dispositivos. Pueden obtenerse multiples dispositivos simultaneamente y separarse mediante diversos medios tras la fabricacion. Ademas, estas y otras tecnicas pueden utilizarse para depositar catalizadores sobre soportes de catalizador potenciados en campo electrico. Puede utilizarse cualquier combinacion de las siguientes tecnicas u otras tecnicas conocidas por los expertos en la materia:
i) Fabricacion de multiples capas colada laminar, serigraffa;
ii) Enfoque ascendente (aditivo)
metodos de escritura directa (por ejemplo, deposicion basado en bomba o aerosol), recubrimiento por inmersion, recubrimiento por centrifugacion, sinterizacion por laser;
iii) Enfoque de multiples etapas (sustractivo)
microfabricacion utilizando fotolitograffa y otras tecnicas utilizadas en la fabricacion de componentes microelectronicos y sistemas microelectro-mecanicos (MEMS), fabricacion sustractiva basada en haz de subelectrones y en laser, micromecanizado con laser;
iv) Metodos de conexion por hilo y metalizacion
los metales utilizados para metalizacion o la conexion por hilo pueden resistir preferentemente entornos rigurosos, union por hilo (por ejemplo, hilo de Au o Pt), soldadura fuerte y/o cualquier otro metodo de conexion por hilo. Puede existir metalizacion diferente en multiples capas y conectarse entre si mediante trayectorias que existen entre medias de las capas;
v) Empaquetamiento de dispositivo
pueden utilizarse tecnicas de empaquetamiento convencionales o nuevas y disenos de componentes electronicos y/o sensores a alta temperatura (o cualquier otro) con este dispositivo; y
vi) Deposicion de catalizador
pueden depositarse materiales de catalizador sobre soportes utilizando cualquier metodo tal como recubrimiento por centrifugacion, recubrimiento por inmersion o pulverizacion termica.
Las formas de realizacion de la invencion objeto pueden estar dirigidas a sensores de gas, pilas de combustible y otros dispositivos electroqufmicos o no electroqufmicos de rendimiento potenciado, reacciones catalfticas potenciadas en procesamiento qufmico y convertidores catalfticos mejorados. Las formas de realizacion pueden lograr costes inferiores, productividad aumentada, eficacia y/o exactitud dependiendo de la aplicacion, incluyendo fabricantes de automoviles, empresas de sensores, empresas electricas y/o empresas de fabricacion qufmica.
Breve descripcion de los dibujos
Las figuras 1A-1C muestran un sensor de gas plano segun una forma de realizacion de la presente invencion. La figura 1A muestra una vista en seccion transversal del sensor de gas plano con campo electrico aplicado paralelo
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a los electrodos de deteccion segun una forma de realizacion de la presente invencion, la figura 1B muestra una vista desde arriba del sensor de gas plano de la figura 1A, y la figura 1C muestra una vista desde abajo del sensor de gas plano de la figura 1A.
Las figuras 2A-2C muestran un sensor de gas plano segun una forma de realizacion de la presente invencion. La figura 2A muestra una vista en seccion transversal del sensor de gas plano con electrodos de campo electrico para conformar activamente el campo electrico segun una forma de realizacion de la presente invencion, la figura 2B muestra una vista desde arriba del sensor de gas plano de la figura 2A, y la figura 2C muestra una vista desde abajo del sensor de gas plano de la figura 2A.
Las figuras 3A-3B muestran graficos que comparan cambios en la sensibilidad a NO y NO2 con y sin la utilizacion de los electrodos de campo electrico (esquema de polarizacion 1, tabla 2) para una variedad de temperaturas ambientales.
Las figuras 3C-3D muestran los resultados de la sensibilidad a NO y NO2 para el esquema de polarizacion 1 (tabla 2) con polarizacion de campo negativa (-) a 500°C aplicado para la forma de realizacion mostrada en las figuras 2a-2C.
La figura 3E muestra la respuesta del sensor a NO y NO2 a 500°C para el esquema de polarizacion 2 (tabla 2) aplicado a la forma de realizacion mostrada en las figuras 2A-2C.
La figura 3F muestra los resultados de NO2 para el esquema de polarizacion 3 (tabla 2) aplicado a la forma de realizacion mostrada en las figuras 2A-2C, donde solo se cargan las capas de conduccion 11 y 19 en el lado de La2CuO4 del dispositivo; las otras capas de conduccion se dejan sin cargar.
La figura 3G muestra los resultados de NO para el esquema de polarizacion 3 (tabla 2) aplicado a la forma de realizacion mostrada en las figuras 2A-2C, donde solo se cargan las capas de conduccion 11 y 19 en el lado de La2CuO4 del dispositivo; las otras capas de conduccion se dejan sin cargar.
La figura 3H muestra los resultados para el esquema de polarizacion 4 (tabla 2) aplicado a la forma de realizacion mostrada en las figuras 2A-2C.
Las figuras 4A-4D muestran graficos de campo electrico de tres campos electricos conformados activamente diferentes utilizando el sensor plano segun la forma de realizacion mostrada en las figuras 2A-2C.
Las figuras 5A-5C muestran un sensor de gas plano segun una forma de realizacion de la presente invencion. La figura 5A muestra una vista en seccion transversal del sensor de gas plano con electrodo de referencia de aire segun una forma de realizacion de la presente invencion, la figura 5B muestra una vista desde arriba del sensor de gas plano de la figura 5A, y la figura 5C muestra una vista desde abajo del sensor de gas plano de la figura 5A.
Las figuras 6A-6B muestran comparaciones de espectrometrfa de masas de los cambios en concentraciones de NOx procedentes del material semiconductor para diversas tensiones de campo aplicadas durante la exposicion a composiciones de alimentacion de gas de 650 ppm de NO o NO2 a diversas temperaturas, segun la forma de realizacion mostrada en las figuras 5A-5C.
Las figuras 6C-6D muestran graficos de sensibilidad del sensor de gas plano segun la forma de realizacion en las figuras 5A-5C a NO y NO2 y los cambios correspondientes en concentraciones de NOx durante la composicion de alimentacion de 650 ppm, todos ellos a 450°C. La figura 6C muestra un grafico de sensibilidad y niveles de NOx para un sensor expuesto a NO, y la figura 6D muestra un grafico de sensibilidad y niveles de NOx para un sensor expuesto a NO2.
La figura 7A muestra una representacion esquematica de una muestra utilizada para pruebas de desorcion programada por temperatura (TPD).
Las figuras 7B-7E muestran graficos de perfiles de desorcion. Las figuras 7B y 7C muestran perfiles de desorcion para NO y NO2 medidos, respectivamente, con adsorcion inicial de NO a 300°C segun una forma de realizacion de la presente invencion, y las figuras 7D y 7E muestran perfiles de desorcion para NO y NO2 medidos, respectivamente, con adsorcion inicial de NO2 a 300°C segun una forma de realizacion de la presente invencion.
Las figuras 8A-8F muestran otras diversas configuraciones posibles para dispositivos (incluyendo sensores de gas) utilizando las potenciaciones electrificadas. La figura 8a muestra una vista desde arriba de un sustrato (electrolito u otro material), estando rodeado cada electrodo de deteccion por varios “electrodos de campo electrico” que forman una conformacion de anillo de lfneas discontinuas alrededor de los electrodos de deteccion. La figura 8b muestra la seccion transversal de 8A, con los electrodos de deteccion y “electrodos de campo electrico” presentados sobre una superficie y estructuras de calentador (en serpentina u otro patron) sobre una
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segunda superficie. La figura 8C muestra la seccion transversal de 8A, pero ahora con los “electrodos de campo electrico” y estructuras de calentador embebidas dentro del sustrato, y una nueva capa (electrolito u otro material) entre el sustrato y los electrodos de deteccion.
Las figuras 8D y 8E muestran secciones transversales de 8A, con estructuras de calentador embebidas en el sustrato y la segunda capa entre el sustrato y los electrodos de deteccion; los electrodos de campo electrico forman ahora conformaciones de tipo placa en lugar de una disposicion de lfneas discontinuas. Ademas, 8D muestra la estructura que crea una cavidad por encima de cada electrodo de deteccion; los electrodos de campo electrico estan unidos al lado interior de esta estructura. La figura 8E muestra una estructura de creacion de cavidad similar, pero con los electrodos de campo electrico por encima de esta estructura.
Las figuras 8F-8H muestran varias configuraciones adicionales de dispositivos que utilizan potenciaciones de campo electrico. 8F muestra la vista desde arriba de la forma de realizacion con dos capas rectangulares por encima del sustrato que contiene por lo menos dos electrodos de deteccion cada una. Varios electrodos de campo electrico rodean cada una de estas capas rectangulares en una disposicion de lfneas discontinuas. 8G muestra una seccion transversal de 8F, con capas rectangulares y electrodos de deteccion y electrodos de campo electrico correspondientes. Las estructuras de calentamiento se muestran sobre la superficie inferior. La figura 8H muestra otra posible forma de realizacion donde una de las regiones rectangulares con electrodos de deteccion por encima se reemplaza por un material sensible al gas en contacto con el sustrato. Los contactos electricos se realizan para este material en dos lugares. El resto de esta forma de realizacion es igual que en 8G.
Las figuras 9A-9C muestran un dispositivo electroqufmico (por ejemplo, una pila de combustible) segun un
ejemplo no reivindicado por la presente invencion. La figura 9A muestra una vista en seccion transversal del
dispositivo electroqufmico (por ejemplo, una pila de combustible) con electrodos de campo electrico segun un ejemplo no reivindicado por la presente invencion, la figura 9B muestra una vista desde arriba del dispositivo electroqufmico (por ejemplo, una pila de combustible) de la figura 9A, y la figura 9C muestra una vista desde abajo del dispositivo electroqufmico (por ejemplo, una pila de combustible) de la figura 9A.
Las figuras 10A-10C muestran un dispositivo electroqufmico (por ejemplo, una pila de combustible) segun un
ejemplo no reivindicado por la presente invencion. La figura 10A muestra una vista en seccion transversal del
dispositivo electroqufmico (por ejemplo, una pila de combustible) con electrodos de campo electrico en una configuracion plana segun un ejemplo no reivindicado por la presente invencion, la figura 10B muestra una vista desde arriba del dispositivo electroqufmico (por ejemplo, una pila de combustible) de la figura 10A, y la figura 10C muestra una vista desde abajo del dispositivo electroqufmico (por ejemplo, una pila de combustible) de la figura 10A.
Las figuras 11A-11C muestran un lecho de catalizador segun un ejemplo no reivindicado por la presente invencion. La figura 11A muestra una vista en seccion transversal del lecho de catalizador utilizado para procesos de catalisis segun un ejemplo no reivindicado por la presente invencion, la figura 10B muestra una vista desde arriba de la conformacion de cilindro poligonal del lecho de catalizador de la figura 11 A, y la figura 11C muestra una representacion de partfculas de catalizador.
Divulgacion detallada
Las formas de realizacion de la presente invencion estan relacionadas con la potenciacion de reacciones qufmicas y procesos asociados a traves de la utilizacion de campos electricos creados (o “conformados”) especfficamente entorno al dispositivo o la ubicacion de la reaccion o el proceso. Los campos electricos conformados pueden utilizarse para mejorar el rendimiento en varias aplicaciones, incluyendo la utilizacion en sensores de gas, pilas de combustible, y otros dispositivos electroqufmicos, tales como, por ejemplo, membranas de separacion de hidrogeno. Los campos electricos conformados tambien se utilizan para mejorar el rendimiento de reacciones “promovidas” electromecanicamente tales como modificacion electroqufmica no faradaica de la actividad catalftica (NEMCA), que se sabe que potencian las velocidades catalfticas a traves de la polarizacion directa de una celda electroqufmica. Ademas, el campo electrico “conformado” puede utilizarse para potenciar cualquier reaccion de catalisis general que implique especies gaseosas. Por ejemplo, puede potenciarse el reformado de gas y la conversion catalftica general. Esto incluye el rendimiento potenciado en otros dispositivos no electroqufmicos, tales como sensores de gas de tipo resistivo o aplicaciones tales como separacion de gas, que se basan o utilizan la adsorcion de gas o reacciones catalfticas para el mismo fin.
Segun las formas de realizacion de la presente invencion, puede utilizarse un campo electrico para alterar reacciones qufmicas y de adsorcion de gas para diversas aplicaciones. El campo electrico puede generarse cuando se aplica una tension entre (por lo menos) dos superficies. Ademas, pueden aplicarse multiples tensiones. No es necesario que ninguna de estas superficies sea local para el dispositivo. Una de las superficies puede ser tierra. Un elemento conductor que se polariza deliberadamente con la tension aplicada para generar un campo electrico puede denominarse un “electrodo de campo electrico”.
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Un campo electrico externo generado indirectamente se crea de modo que no da como resultado el paso de corriente (electronica o ionica) a traves de un dispositivo. En el campo electrico generado indirectamente, la corriente se bloquea mediante un aislante como en el caso de un condensador y mediante material que no conduce iones.
Sin embargo, un campo electrico generado directamente se crea cuando un metal o semiconductor presenta una tension aplicada directamente a el, por lo que la corriente electrica fluye a traves del material. Esto tambien es el caso cuando una celda electroqufmica se polariza directamente, excepto que, en la superficie de contacto entre el electrolito y el metal o electrodo semiconductor, la corriente proporciona electrones para que se produzca la reaccion electroqufmica en lugar de pasar a traves del dispositivo.
En el caso de una celda electroqufmica, un campo electrico generado indirectamente no da como resultado una carga que alcance el electrolito o los electrodos que constituyen la celda. Sin embargo, un campo generado directamente proporciona carga a la superficie de contacto del metal o el semiconductor y el electrolito.
Segun determinadas formas de realizacion de la presente invencion, otras partes del dispositivo o soporte de catalizador pueden participar, o bien directamente o bien indirectamente, en la generacion del campo electrico. Un ejemplo de participacion directa es cuando se aplica directamente tension o corriente a una celda como en el caso de NEMCA. Un ejemplo de participacion indirecta es cuando existe un campo “natural” en el material.
Las formas de realizacion de la presente invencion proporcionan la conformacion activa de un campo electrico. Durante la conformacion activa, la distribucion del campo electrico puede hacerse uniforme o no uniforme, y puede “conformarse” de manera eficaz y activa para cualquier perfil (contorno) deseado con respecto a ubicaciones especfficas en el dispositivo o soporte de catalizador (por ejemplo, zonas de reaccion locales) o para el soporte/dispositivo completo. Los campos electricos pueden ser perpendiculares, paralelos o formando cualquier angulo entre medias, con respecto a las zonas de reaccion locales o el soporte/dispositivo completo. Los campos electricos tambien pueden penetrar en cualquier punto dentro del dispositivo. Ademas, las intensidades de campo en diversos puntos en el dispositivo/soporte pueden diferir.
Los electrodos de campo electrico pueden posicionarse en cualquier numero y/o disposicion alrededor de zonas de reaccion locales o del soporte/dispositivo completo. Pueden utilizarse “electrodos de campo electrico” individuales o multiples en cualquier momento dado. Pueden utilizarse materiales de capa diferentes para “electrodos de campo electrico” diferentes para su compatibilidad con los materiales circundantes. Los “electrodos de campo electrico” pueden proporcionarse como casos individuales o multiples de capas de aislamiento, conduccion y superiores. No es necesario que el numero de cada tipo de capa para un “electrodo de campo electrico” sea igual que el numero de capas en otros “electrodos de campo electrico”. Los “electrodos de campo electrico” pueden estar embebidos en o sobre la superficie de un dispositivo. Los “electrodos de campo electrico” pueden existir en cavidades disenadas especialmente dentro del dispositivo/soporte y pueden incorporar huecos entre segmentos.
La capa aislante para un electrodo de campo electrico actua como una barrera para cargar flujo (es decir, electronico o ionico) a traves de zonas de un dispositivo, catalizador o soporte de catalizador (es decir, sustrato que contiene un catalizador) donde no se desea una corriente de este tipo. La capa puede participar, aunque no es necesario, en reacciones qufmicas y/o electroqufmicas.
La capa de conduccion de un electrodo de campo electrico actua como una trayectoria para que la carga alcance la capa aislante (bloqueo) desde la fuente de carga (por ejemplo, fuente de alimentacion). La capa de conduccion puede participar, aunque no es necesario, en reacciones qufmicas y/o electroqufmicas. La capa de conduccion puede estar formada por materiales conductores tales como oro (Au).
La capa superior, o cubierta, de un electrodo de campo electrico actua para evitar que el gas se adsorba sobre la capa de conduccion de un electrodo de campo electrico. La capa superior tambien actua para sujetar adicionalmente (de manera mecanica) la capa de conduccion y la capa aislante al sustrato. La capa superior puede participar, aunque no es necesario, en reacciones qufmicas y/o electroqufmicas. La capa superior puede estar formada, aunque no es necesario, por materiales aislantes.
Un electrodo de campo electrico puede adoptar la forma de cualquier geometrfa tal como un cuadrado o un cfrculo, incluyendo variaciones en grosor y otras dimensiones. La geometrfa de las diversas capas del electrodo de campo electrico y los tipos de capa pueden ser, aunque no es necesario, diferentes entre sf.
La carga aplicada a cualquier “electrodo de campo electrico” dado puede ser positiva o negativa. Un “electrodo de campo electrico” puede, alternativamente, conectarse a tierra o dejarse flotante. El “sentido” del campo electrico puede alterarse cambiando la ubicacion de las cargas positivas o negativas, o cambiando que “electrodos de campo electrico” estan conectados a tierra o se dejan flotantes.
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Puede aplicarse una tension fija (CC) de cualquier magnitud o signo a los “electrodos de campo electrico”. La tension fija tension en los “electrodos de campo electrico” puede diferir de o puede ser igual a la de todos (o algunos) de los otros “electrodos de campo electrico”. Para cualquier “electrodo de campo electrico” dado, la tension aplicada puede cambiarse entre esquemas de polarizacion “constantes” o “pulsados”. Para cualquier “electrodo de campo electrico” dado, la tension aplicada puede cambiarse entre esquemas de polarizacion “constantes” (tension CC) y (tension AC).
Pueden generarse campos electricos pulsados (tension CC) en diferentes puntos en el tiempo con amplitud y periodo fijos o variables. En este esquema, los campos electricos se pulsan aplicando y retirando la(s) tension/tensiones (CC) aplicada(s) desde todos o algunos de los “electrodos de campo electrico”. El periodo y/o la amplitud de los pulsos puede ser igual, aunque no es necesario, para los diferentes “electrodos de campo electrico”. Para cualquier “electrodo de campo electrico” dado, la tension aplicada puede cambiarse entre esquemas de polarizacion “pulsados” o “constantes”. Para cualquier “electrodo de campo electrico” dado, la tension aplicada puede cambiarse entre esquemas de polarizacion “pulsados” (tension CC) y (tension AC).
En algunas formas de realizacion, puede aplicarse una tension variable con el tiempo (por ejemplo, sinusoidal) a los “electrodos de campo electrico”. Para cualquier “electrodo de campo electrico” dado la tension aplicada puede cambiarse entre esquemas de polarizacion “pulsados” (tension CC) y (tension AC).
La corriente y la tension de cualquier “electrodo de campo electrico” pueden medirse mediante diversos medios en cualquier momento para garantizar que continuan funcionado durante el funcionamiento del dispositivo o catalizador.
Mediante la manipulacion del campo electrico utilizando electrodos de campo electrico segun las formas de realizacion de la presente invencion, puede sacarse partido de determinados mecanismos para el rendimiento potenciado en la catalisis y dispositivos de estado solido que implican gases. La potenciacion en campo electrico puede dar como resultado cambios en las frecuencias de los modos de plegado molecular de uniones de adsorbato intramolecular o uniones de superficie-adsorbato. Estos mecanismos electrostaticos pueden dar como resultado cambios en los angulos de union y/o las longitudes de union. Ademas, tambien puede producirse polarizacion y estabilizacion resultante, alineacion o cambios en la orientacion de los atomos de superficie o atomos en volumen o en adsorbatos (que pueden ser especies polares).
Los mecanismos qufmicos pueden incluir modificacion de orbitales y en la cantidad de donacion/retrodonacion. Puede haber cambios en la densidad de electrones de la superficie y/o el adsorbato y cambios en la repulsion de Pauli, lo que puede afectar a la estabilidad y la formacion de complejos (para especies cargadas y no cargadas). Estos mecanismos qufmicos pueden cambiar la fuerza de uniones de adsorbato intramolecular o uniones de superficie-adsorbato.
En algunos casos, el campo electrico puede dar como resultado mecanismos tanto electrostaticos como qufmicos. Puede haber una contribucion igual de ambos mecanismos, o uno puede ser mas dominante que el otro. Ademas, ambos mecanismos electrostatico y qufmico tambien pueden alterar las interacciones laterales entre adsorbatos en una capa adsorbida.
En otros casos, el campo electrico puede producir cambios en el/los nivel(es) de Fermi del material(es) implicado en el dispositivo o proceso, cambiando asf las propiedades de adsorcion y/o catalfticas de algunos o todos los materiales.
Los cambios resultantes en un sistema tras la potenciacion en campo electrico pueden producir varios efectos diferentes. Un efecto es la alteracion de las rutas de reaccion. Por ejemplo, puede disponerse de nuevas rutas de reaccion como resultado de la potenciacion en campo electrico. Esto puede permitir mejoras en velocidades catalfticas, concentraciones de subproductos o nuevos subproductos en conjunto. La cinetica de una reaccion puede cambiarse a nuevas rutas de reaccion abiertas, o disminuir (o elevar) la temperatura requerida para que se produzcan reacciones.
Otro efecto es la alteracion de los procesos de adsorcion/desorcion o disociativos/de recombinacion. Por ejemplo, puede impedirse la acumulacion de la adsorcion de inhibidores (o “venenos”) de la reaccion o puede hacerse que se desorban de un modo deseado. Pueden atraerse promotores de la reaccion (por ejemplo, coadsorbatos que potencian reacciones) por el campo electrico entre sf o a sitios de reaccion especfficos. Ademas, pueden acelerarse reacciones deseadas o pueden ralentizarse reacciones no deseables. Los campos electricos pueden afectar a las temperaturas a la que se producen estos procesos y pueden estabilizar o desestabilizar estos procesos.
Pueden cambiarse las relajaciones o reconstrucciones de superficie a temperaturas inferiores (o superiores). Pueden evitarse procesos de relajacion/reconstruccion anteriores o pueden facilitarse otros nuevos. En una forma de realizacion, pueden utilizarse unos “electrodos de campo electrico” para impedir la reconstruccion de
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fases renovando la superficie con, por ejemplo, especies de oxfgeno que se perdieron como resultado de envenenamiento, y dieron como resultado posteriormente que se formaran nuevas fases de superficie.
La potenciacion en campo electrico puede acelerar o ralentizar la difusion de determinadas especies, dando como resultado cambios en una reaccion. La colision de moleculas de gas procedentes de la fase gaseosa tambien puede cambiarse si el campo electrico presenta efectos de gran alcance; esto puede alterar el modo en que avanza una reaccion.
El campo electrico puede dar como resultado en cambios la termodinamica de un sistema, lo que con frecuencia desempena un papel importante en como avanzan las reacciones. En dispositivos o aplicaciones donde las reacciones dependen de la termodinamica de diversas especies o complejos, los “electrodos de campo electrico” pueden cambiar el equilibrio para lograr nuevas reacciones y/o complejos, o para cambiar la temperatura a la que se producen tales reacciones.
Ademas, puede ser posible afectar a la fase gaseosa de tal manera que se alteren los procesos mencionados anteriormente.
Por consiguiente, el campo electrico generado con los “electrodos de campo electrico” puede “conformarse” eficazmente para producir el perfil de campo deseado en el dispositivo/soporte o en ubicaciones especfficas en el dispositivo/soporte. Ademas, el campo electrico conformado puede cambiarse activamente con el tiempo si se desea.
El campo electrico generado con los “electrodos de campo electrico” puede utilizarse para la adsorcion, desorcion o reacciones especfficas de “fuerza” de manera deliberada (o no intencionada).
El campo electrico generado con los “electrodos de campo electrico” puede utilizarse para invertir los efectos de envenenamiento por inhibidores.
El campo electrico generado con los “electrodos de campo electrico” puede utilizarse para atraer promotores de reaccion.
El campo electrico generado con los “electrodos de campo electrico” puede utilizarse para potenciar el rendimiento en dispositivos electroqufmicos, por ejemplo sensores de gas.
Los electrodos de campo electrico pueden utilizarse para mejorar caracterfsticas tales como sensibilidad, selectividad y tiempo de respuesta en un sensor de gas. Los “electrodos de campo electrico” pueden incorporarse en una red de sensores de gas, que presenta otras caracterfsticas de potenciacion del rendimiento, tales como calentadores embebidos, etc. La red de sensores de gas puede tener multiples electrodos y puede utilizarse para detectar una multitud de gases. Los electrodos de deteccion en una red de sensores de gas de este tipo pueden estar en el mismo entorno de gas y pueden incluir, aunque no es necesario, una referencia de aire u otro tipo de electrodo de referencia.
En un sistema electroqufmico, existen campos localizados alrededor de una region conocida como capa de dipolo. Esta region es importante para el modo en que se producen las reacciones electroqufmicas en tales sistemas. Mediante la utilizacion del campo electrico externo generado con los “electrodos de campo electrico”, pueden alterarse estos campos electricos “naturales”. El control directo del campo puede dar como resultado cambios deseables en el sistema. NEMCA puede limitarse en el control del campo electrico que resulta de una polarizacion directa, ya que polarizaciones directas aumentadas pueden dar como resultado calentamiento de Joule y/o descomposicion del electrolito o electrodos. Sin embargo, el lfmite del campo electrico producido con los “electrodos de campo electrico” es probablemente muchos ordenes de magnitud superiores.
Los “electrodos de campo electrico” pueden utilizarse en un sensor de gas para cambiar la sensibilidad, la selectividad y el tiempo de respuesta del dispositivo. Los “electrodos de campo electrico” tambien pueden utilizarse para alterar las reacciones catalfticas tal como se demuestra por sus efectos sobre la composicion de gas que procede del dispositivo y especies que existen en la superficie del dispositivo.
Las formas de realizacion de la presente invencion implican sensores de gas potenciometricos.
Las figuras 1A-1C muestran una forma de realizacion para aplicar un campo electrico utilizando electrodos de campo electrico que son paralelos a los electrodos de deteccion de un sensor de gas. En referencia a la figura 1A, que muestra una seccion transversal de la forma de realizacion de campos paralelos para aplicaciones de sensor de gas segun una forma de realizacion de la presente invencion, los electrodos de deteccion 1 y 2 pueden unirse al sustrato 3. El sustrato 3 es un electrolito. En una forma de realizacion especffica, el sustrato puede estar formado por circonia estabilizada con itria (YSZ). Los electrodos de deteccion 1 y 2 estan formados por materiales diferentes. Por ejemplo, en una forma de realizacion especffica, el primer electrodo de deteccion 1 puede estar formado por La2CuO4, y el segundo electrodo de deteccion 2 puede estar formado por platino (Pt).
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Una celda electroqufmica se forma cuando el primer electrodo 1 y el segundo electrodo 2 estan en contacto con el sustrato 3, cuando el sustrato 3 es un electrolito.
Los electrodos de deteccion 1 y 2 pueden proporcionarse en un entorno de gas individual. En el lado opuesto del electrolito solido 3 desde los electrodos de deteccion primero y segundo 1 y 2, pueden proporcionarse electrodos de campo electrico para aplicar un campo electrico paralelo. Pueden proporcionarse un primer electrodo de campo electrico 6 y un segundo electrodo de campo electrico 8 de manera correspondiente al primer electrodo de deteccion 1. Pueden proporcionarse un tercer electrodo de campo electrico 7 y un cuarto electrodo de campo electrico 9 de manera correspondiente al segundo electrodo de deteccion 2. En una forma de realizacion especffica, puede proporcionarse un primer aislante 4 por debajo de los electrodos de campo electrico primero y segundo 6 y 8 y el electrolito solido 3, y puede proporcionare un segundo aislante 5 entre los electrodos de campo electrico tercero y cuarto 7 y 9 y el electrolito solido 3. Los aislantes primero y segundo 4 y 5 pueden estar formados por, por ejemplo, A^Oa. Los electrodos de los electrodos de campo electrico pueden estar formados por un material conductor. Por ejemplo, los electrodos pueden estar formados por oro (Au). Puede proporcionarse una capa superior sobre cada uno de los electrodos de campo electrico para el aislamiento y la adhesion mejorada. Las capas superiores pueden estar formadas por, por ejemplo, AhO3. Las capas de aislamiento 4 y 5 pueden permitir que las capas de conduccion de los electrodos de campo electrico 6 y 7 no hagan contacto con el sustrato 3.
La figura 1B muestra la superficie superior de la forma de realizacion de campos paralelos mostrada en la figura 1A, con el electrodo 1 y el electrodo 2 de deteccion posicionados sobre el sustrato 3. Pueden unirse cables metalicos u otra metalizacion (no mostrados) a los electrodos de deteccion de muchos modos. Para la aplicacion de sensor pueden utilizarse estos cables para transmitir informacion sobre el campo electromotor (EMF) en el electrodo para un dispositivo de medicion.
La figura 1C muestra la superficie inferior de la forma de realizacion de campos paralelos mostrada en la figura 1A, constituyendo la capa aislante 4 y las capas de conduccion 6 y 8 dos “electrodos de campo electrico.” Pueden unirse cables metalicos (no mostrados) a los electrodos de campo electrico de muchos modos.
Pueden utilizarse diferentes “esquemas de carga” para obtener variaciones en la sensibilidad, la selectividad, el tiempo de respuesta, etc. del sensor de gas Esto se realiza mediante la acumulacion de carga positiva (+) o negativa (-) a traves de una tension aplicada en cualquiera de las capas de conduccion 6 a 9.
Tal como se muestra en la tabla 1 a continuacion, hay varios “esquemas de carga” diferentes dando como resultado cada uno una distribucion de campo electrico diferente en el dispositivo, y por tanto una modificacion diferente del comportamiento del sensor.
Tabla 1
n.°
Capa de conduccion 6 Capa de conduccion 7 Capa de conduccion 8 Capa de conduccion 9
1
carga + (-) flotante flotante flotante
2
carga + (-) carga + (-) flotante flotante
3
carga + (-) carga + (-) carga + (-) carga + (-)
4
carga + (-) carga - (+) carga + (-) carga - (+)
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carga + (-) carga + (-) carga - (+) carga - (+)
6
carga + (-) suelo flotante carga - (+)
7
Etc. Etc. Etc. Etc.
Tal como se comenta en la presente memoria, los electrodos de campo electrico pueden utilizarse para “conformar” el perfil de campo en un dispositivo. Esta tecnica puede someterse a prueba en un dispositivo de sensor de gas y modelarse para mostrar como puede cambiar el perfil de campo durante la “conformacion.
Las figuras 2A-2C muestran una forma de realizacion para aplicar un campo electrico conformado a electrodos de deteccion de un sensor de gas plano.
En referencia a la figura 2A, que muestra una seccion transversal de la forma de realizacion de campo conformado para aplicaciones de sensor de gas, los electrodos de deteccion 13 y 17 pueden unirse a un sustrato 24. El sustrato 24 puede ser un electrolito u otro material. En una forma de realizacion especffica, el sustrato puede estar formado por YSZ. Tal como se describe con respecto a la forma de realizacion ilustrada en las figuras 1A-1C, los electrodos de deteccion estan formados por un material diferente. Por ejemplo, el primer electrodo de deteccion 13 puede estar formado por La2CuO4 y el segundo electrodo de deteccion 17 puede estar formado por Pt. El primer electrodo de deteccion 13, el segundo electrodo de deteccion 17 y el sustrato 24 constituyen una celda electroqufmica. Los electrodos de deteccion 13 y 17 pueden proporcionarse en un entorno de gas individual.
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Los electrodos de campo electrico pueden proporcionarse en posiciones en el electrolito solido 24 para aplicar un campo electrico conformado activamente. Puede proporcionarse un primer electrodo de campo electrico 11 en una conformacion de anillo alrededor del primer electrodo de deteccion 13, y puede proporcionarse un segundo electrodo de campo electrico 15 en una conformacion de anillo alrededor del segundo electrodo de deteccion 17. Puede proporcionarse un tercer electrodo de campo electrico 19 en el lado opuesto del electrolito solido 24 desde el primer electrodo de deteccion 13 y en una conformacion de anillo correspondiente al primer electrodo de campo electrico 11, y puede proporcionarse un cuarto electrodo de campo electrico 22 en el lado opuesto del electrolito solido 24 desde el segundo electrodo de deteccion 17 y en una conformacion de anillo correspondiente al segundo electrodo de campo electrico 15. En una forma de realizacion especffica, puede proporcionarse un primer aislante 10 en una conformacion de anillo entre el primer electrodo de campo electrico 11 y el electrolito solido 24, puede proporcionarse un segundo aislante 14 en una conformacion de anillo entre el segundo electrodo de campo electrico 15 y el electrolito solido 24, puede proporcionarse un tercer aislante 18 en una conformacion de anillo entre el tercer electrodo de campo electrico 19 y el electrolito solido 24, y puede proporcionarse un cuarto aislante 21 en una conformacion de anillo entre el cuarto electrodo de campo electrico 22 y el electrolito solido 24. Los aislantes primero, segundo, tercero y cuarto 10, 14, 18 y 21 pueden estar formados por, por ejemplo, AhO3. Los electrodos de los electrodos de campo electrico pueden estar formados por un material conductor. Por ejemplo, los electrodos pueden estar formados por oro (Au).
Puede proporcionarse una capa superior sobre cada uno de los electrodos de campo electrico para aislamiento. En una forma de realizacion especffica, puede proporcionarse una primera capa superior 12 sobre el primer electrodo de campo electrico 11, puede proporcionarse una segunda capa superior 16 sobre el segundo electrodo de campo electrico 15, puede proporcionarse una tercera capa superior 20 sobre el tercer electrodo de campo electrico 19, y puede proporcionarse una cuarta capa superior 23 sobre el cuarto electrodo de campo electrico 22. Las capas superiores pueden estar formadas por, por ejemplo, AhO3. Puede omitirse la capa superior si se desea. Pueden intercalarse cables metalicos u otra metalizacion (no mostrados) entre las capas de conduccion y las capas superiores individuales. Las capas de conduccion de los electrodos de campo electrico no realizan contacto con el sustrato 24, aunque si se desea, la capa superior puede hacerlo. Si el sustrato 24 es un electrolito, entonces las capas 10 a 12, 14 a 16, 18 a 20, y 21 a 23 no forman parte de la celda electroqufmica.
La figura 2B muestra una superficie superior de la forma de realizacion de campo conformado, con el electrodo de deteccion 13 y el electrodo 17 unidos al sustrato 24. Pueden unirse cables metalicos u otra metalizacion (no mostrados) a los electrodos de deteccion de muchos modos. Para la aplicacion de sensor, estos cables se utilizan para transmitir informacion sobre el EMF en el electrodo a un dispositivo de medicion. Tambien pueden incorporarse multiples electrodos de deteccion y “electrodos de campo electrico” en un dispositivo de este tipo, constituyendo una red de sensores de gas.
La figura 2C muestra una superficie inferior de la forma de realizacion de campo conformado, con capas de aislamiento 10, 14, 18 y 21, y capas de conduccion 11, 15, 19 y 22 que constituyen cuatro electrodos de campo electrico. Pueden unirse cables metalicos (no mostrados) a “electrodos de campo electrico” (que hacen contacto con las capas de conduccion) de muchos modos. Estos electrodos de campo electrico tambien pueden tener geometrfas que son diferentes de una conformacion de anillo; de hecho la deteccion (u otro material activo) puede formarse en un anillo con el electrodo de campo electrico dispuesto en el centro. Pueden utilizarse diferentes “esquemas de carga” para obtener variaciones en la sensibilidad, la selectividad, el tiempo de respuesta, etc. del sensor de gas. Esto se realiza mediante la acumulacion de carga positiva (+) o negativa (-) a traves de una tension aplicada en cualquiera de las capas de conduccion 11, 15, 19 y 22.
Tal como se muestra en la tabla 2 a continuacion, hay varios “esquemas de carga” diferentes dando como resultado cada uno una distribucion de campo electrico diferente en el dispositivo, y por tanto una modificacion diferente del comportamiento del sensor. Se sometieron a prueba los esquemas de carga 1 a 3 utilizando la forma de realizacion de campo conformado. Nota, en el esquema de carga 6, las capas de conduccion 11 (y 19) y 15 (y 22) presentan valores de carga diferentes (es decir, la tension aplicada a cada una es de una magnitud diferente). Los otros esquemas son posibles pero todavfa no se han sometido a prueba; se incluyen para mostrar las ventajas de un dispositivo de “campo conformado”.
Tabla 2
n.°
Capa de conduccion 11 Capa de conduccion 15 Capa de conduccion 19 Capa de conduccion 22
1
carga + (-) carga + (-) carga - (+) carga - (+)
2
carga + (-) carga - (+) carga - (+) carga + (-)
3
carga + (-) flotante carga - (+) flotante
4
flotante carga + (-) flotante carga - (+)
5
carga + (-) suelo flotante carga - (+)
6
suelo carga + (-) carga + (-) flotante
7
carga 1 + (-) carga 2 + (-) carga 1 - (+) carga 2 - (+)
8
Etc. Etc. Etc. Etc.
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Las figuras 3A-3H ilustran los resultados de la forma de realizacion de campo conformado mostrada en las figuras 2A-2C. Los electrodos de deteccion 13 y 17 son La2CuO4 y Pt, respectivamente.
La figura 3A representa los resultados del sensor de NO (potenciometrico) de la forma de realizacion de campo conformado mostrada en las figuras 2A-2C. Los electrodos de deteccion son Pt y La2CuO4, que se expusieron al mismo entorno de gas (es decir, sin referencia de aire). Este grafico compara las condiciones sin campo electrico con las de una polarizacion de +1 V utilizando el esquema de carga 1 a 450°C, 500°C, 550°C y 600°C. En el experimento representado en esta figura, los electrodos de campo electrico superiores (que rodean a los electrodos de deteccion de Pt y La2CuO4) se polarizaron positivamente. Los “electrodos de campo electrico” correspondientes en el lado opuesto del sustrato se polarizaron ambos negativamente. En otras palabras, se aplico una tension entre los electrodo de campos superiores (potencial alto) y los electrodos de campo inferiores (potencial bajo).
La figura 3B representa los resultados del sensor de NO2 de la forma de realizacion de campo conformado mostrada en las figuras 2A-2C. Los electrodos de deteccion son Pt y La2CuO4. Este grafico compara las condiciones sin campo electrico con las de una polarizacion de +1 V utilizando el esquema de carga 1. En el experimento representado en esta figura, los electrodos de campo electrico superiores (que rodean a los electrodos de deteccion de Pt y La2CuO4) se polarizaron positivamente. Los “electrodos de campo electrico” correspondientes en el lado opuesto del sustrato se polarizaron ambos negativamente.
La figura 3C muestra la respuesta del sensor en estado estacionario de la forma de realizacion de campo conformado mostrada en las figuras 2A-2C. En este caso, se utilizo el esquema de carga 1 (tabla 2) para aplicar polarizaciones negativas (-) de intensidad diferente a los “electrodos de campo electrico” superiores (que rodean a los electros de deteccion de Pt y La2CuO4). Los “electrodos de campo electrico” correspondientes en el lado opuesto del sustrato se polarizaron ambos positivamente.
Las figuras 3E muestra la respuesta del sensor de NO y NO2 para el esquema de polarizacion 2 (tabla 2) aplicado a la forma de realizacion mostrada en las figuras 2A-2C. En los casos marcados como polarizacion positiva, se aplico un potencial alto al electrodo de campo electrico que rodea al electrodo de deteccion de La2CuO4 (capa de conduccion 11) y en el electrodo de campo electrico en el lado opuesto del sustrato, alineado con el electrodo de deteccion de Pt (capa de conduccion 22). Simultaneamente, se aplico un potencial bajo en el electrodo de campo electrico que rodea al electrodo de deteccion de Pt (capa de conduccion 15) y en el electrodo de campo electrico en el lado opuesto del sustrato, alineado con el electrodo de La2CuO4 (capa de conduccion 19). En los casos marcados como polarizacion negativa (-), se invirtieron los potenciales alto y bajo aplicados a los electrodos de campo electrico.
Las figuras 3F y 3G muestran los resultados de sensibilidad a NO y NO2 para el esquema de polarizacion 3 aplicado a la forma de realizacion mostrada en las figuras 2A-2C. En este caso se aplico una polarizacion negativa a los electrodos de campo electrico (capa de conduccion 11) que rodea al electrodo de deteccion de La2CuO4, con una polarizacion positiva aplicada al electrodo de campo electrico correspondiente en el lado opuesto del sustrato (capa de conduccion 19). Los otros dos electrodos de campo electrico (capas de conduccion 15 y 22), alineados con los electrodo de deteccion de Pt, se dejaron sin polarizar (flotantes).
La figura 3H muestra los resultados de sensibilidad a NO y NO2 para el esquema de polarizacion 4 aplicado a la forma de realizacion mostrada en las figuras 2A-2C. En este caso se aplico una polarizacion positiva (o negativa (-)) a los electrodos de campo electrico (capa de conduccion 15) que rodea al electrodo de deteccion de Pt, aplicandose una polarizacion negativa (o positiva) al electrodo de campo electrico correspondiente en el lado opuesto del sustrato (capa de conduccion 22). Los otros dos electrodos de campo electrico (capas de conduccion 15 y 22), alineados con los electrodos de deteccion de La2CuO4, se dejaron sin polarizar (flotantes).
La utilizacion de los electrodos de campo electrico en los diversos esquemas de carga de la tabla 2 con la forma de realizacion mostrada en las figuras 2A-2C, dio como resultado un comportamiento de deteccion diferente para el sensor de gas (figuras 3A-3H). Tal como se ilustra en la figura 3A, para el esquema de carga 1 (tabla 2), la respuesta del sensor a NO cambio cuando se aplico la polarizacion de campo electrico de 1 V. Ademas, la magnitud de los cambios fue diferente cuando se vario la temperatura ambiental. Sin embargo, cuando se compara con la figura 3B, esta claro que los electrodos de campo electrico potenciaron la respuesta a NO2 del dispositivo bastante mas. La potenciacion o reduccion selectiva de los mecanismos puede hacer que la respuesta del sensor pueda ser muy util en varios dispositivos electroqufmicos, dispositivos no electroqufmicos y otros procesos relacionados. El esquema de carga 1 (tabla 2) dio como resultado un aumento extremadamente grande (aumento de ~20X en la sensibilidad a NO y aumento de ~10X en la sensibilidad a NO2) tal como se muestra en las figuras 3C y 3D. Ademas, la sensibilidad a NO2 comienza siendo negativa y tiende hacia sensibilidad cero antes de lograr una respuesta positiva. Al mismo tiempo, la respuesta a NO solo se vuelve cada vez mas positiva. Por tanto, es posible que pueda lograrse la selectividad de NO con respecto a NO2.
La utilizacion de esquema de carga 2 mostrado en la figura 3E demuestra la capacidad de un campo electrico conformado para potenciar adicionalmente un sensor de gas. En este caso, una polarizacion de campo positiva
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dio como resultado una respuesta a NO2 aumentada con el aumento de la polarizacion, con una sensibilidad a NO ligeramente aumentada pero sin cambios adicionales cuando aumento la polarizacion. Por otra parte, polarizaciones de campo negativas, dieron como resultado una sensibilidad a NO disminuida hasta casi cero, mientras que se mantiene la sensibilidad a NO. De hecho, para la polarizacion de -0,5 V para los electrodos de campo electrico, la sensibilidad a NO fue insignificante mientras que la sensibilidad a NO2 aumento realmente.
Tal como se muestra en las figuras 3F-3G, el esquema de carga 3 (tabla 2) dio como resultado cambios similares tanto en la sensibilidad a NO como a NO2 cuando se cambio la polarizacion del campo electrico. Esto sugiere que este esquema de carga podrfa utilizarse para lograr una senal de sensor de NOx total potenciada.
La figura 3H demuestra ademas la capacidad de los diversos campos electricos conformados para potenciar un dispositivo de varios modos. En este caso, los resultados indican que el esquema de polarizacion puede dar como resultado la selectividad de NO porque la sensibilidad a NO2 tiende hacia cero mientras que la sensibilidad a NO permanece relativamente sin cambios. Ademas, el hecho de que se lograran resultados diferentes para cada esquema de polarizacion de campo conformado sugiere que pueden utilizarse potenciaciones similares para mejorar otros dispositivos electroqufmicos, dispositivos no electroqufmicos y otros procesos relacionados.
La figura 4A es una representacion del mapa de contornos de campo electrico 25 que muestran intensidades de campo relativas para la forma de realizacion de campo conformado de las figuras 2A-2C utilizando el esquema de carga 3. En este caso, el “electrodo de campo electrico” 26 presenta una carga positiva, mientras que “electrodo de campo electrico” 28 presenta una carga negativa de igual magnitud. Los “electrodos de campo electrico” 27 y 29 se dejan flotantes. Cada contorno 25 en la figura representa diferentes intensidades de campo que se desplazan desde la superficie del dispositivo y por todo el entorno de gas que rodea al dispositivo. Aunque no se muestra, debe observarse que los contornos de campo tambien se extienden a traves del sustrato 30 y otras partes del dispositivo (es decir, el campo penetra en el dispositivo).
La figura 4B es una representacion del mapa de vectores de campo electrico 31 para el mismo esquema de carga que el presentado en la figura 4A. Cada flecha en la figura representa el sentido del campo electrico en el espacio. El campo electrico se mueve desde las regiones de carga positiva a negativa. Considerando la figura 4B y en referencia a la figura 2B, esta claro que para este esquema de carga (en el caso ideal) el campo electrico es uniforme cerca del centro de los anillos que constituyen los “electrodos de campo electrico” 26 y 28. Sin embargo, el campo no es uniforme cerca del centro de los anillos para los “electrodos de campo electrico” 27 y 29. El mapa de contornos de campo electrico y el mapa de vectores de campo electrico en las figuras 4A y 4B, cambiara dependiendo de los valores de varios parametros (por ejemplo, la tension en los “electrodos de campo electrico” y/o el esquema de carga utilizado). Aunque no se muestra, debe observarse que los vectores de campo tambien se extienden a traves del sustrato 30 y otras partes del dispositivo (es decir, el campo penetra en el dispositivo). Ademas, observese que en el caso ideal, no se han considerado los efectos marginales cerca de los bordes de los electrodos de “campo electrico”.
La figura 4C es una representacion del mapa de vectores de campo electrico 32 para el esquema de carga 1 de la forma de realizacion de campo conformado en las figuras 2A-2C. En este caso, los “electrodos de campo electrico” 33 y 34 presentan una carga positiva, mientras que los “electrodos de campo electrico” 35 y 36 presentan una carga negativa. Considerando la figura 4C y en referencia a la figura 2C, esta claro que para este esquema de carga (en el caso ideal) el campo electrico es uniforme cerca del centro de los anillos que constituyen los “electrodos de campo electrico” 33, 34, 35 y 36. Ademas, el sentido de los vectores de campo a traves de la parte media de los anillos es igual para el par izquierdo de anillos (33 y 35) que para el par derecho de anillos (34 y 36). Este es tambien el mismo sentido que entre los dos pares de anillos (es decir, a traves de la misma parte media del dispositivo, perpendicular a la superficie). Observese ademas que la distribucion de campo en este esquema es simetrica alrededor del dispositivo y rodeando al entorno de gas (suponiendo el caso ideal y sin interferencia de objetos vecinos). Este mapa de vectores de campo electrico cambiara dependiendo de los valores de la tension en los “electrodos de campo electrico” (y si el esquema de carga cambia). Aunque no se muestra, debe observarse que los vectores de campo tambien se extienden a traves del sustrato 37 y otras partes del dispositivo (es decir, el campo penetra en el dispositivo).
La figura 4D es una representacion del mapa de vectores de campo electrico 38 para el esquema de carga 2 de la forma de realizacion de campo conformado en las figuras 2A-2C. En este caso, los “electrodos de campo electrico” 39 y 42 presentan una carga positiva, mientras que los “electrodos de campo electrico” 40 y 41 presentan una carga negativa. Considerando la figura 4D y en referencia a la figura 2C, esta claro que para este esquema de carga (en el caso ideal) el campo electrico es uniforme cerca del centro de los anillos que constituyen los “electrodos de campo electrico” 39, 40, 41 y 42. Ademas, el sentido de los vectores de campo a traves de la parte media de los anillos NO es igual para el par izquierdo de anillos (39 y 41) que para el par derecho de anillos (40 y 42); los sentidos son opuestos entre si (y perpendiculares a la superficie). Observese ademas que la distribucion de campo en este esquema es simetrica alrededor del dispositivo y rodeando al entorno de gas (suponiendo el caso ideal y sin interferencia de objetos vecinos). Aunque este ultimo hecho refleja la situacion presentada en la figura 4C, el campo entre medias de los dos pares de anillos (es decir, en la misma parte media del dispositivo) ya no es perpendicular a la superficie; en cambio, el campo ahora es paralelo
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a la superficie. Este mapa de vectores de campo electrico cambiara dependiendo de los valores de la tension en los “electrodos de campo electrico” (y si el esquema de carga cambia). Aunque no se muestra, debe observarse que los vectores de campo tambien se extienden a traves del sustrato 43 y otras partes del dispositivo (es decir, el campo penetra en el dispositivo). Asimismo, ademas de las diferencias en el mapa de vectores de campo entre los esquemas de carga 2 (figura 4D) y 1 (figura 4C), no sirve de nada que la intensidad de campo representado por el mapa de contornos para estos dos casos tambien haya cambiado (no mostrado).
Las figuras 4A-4D son modelos 2D sencillos principalmente para representar la idea de que esquemas de carga (y formas de realizacion) diferentes pueden permitir que la potenciacion en campo electrico se ajuste (activamente) en un dispositivo o proceso de catalisis general. La distribucion de campo, etc. puede ser diferente en un dispositivo o proceso real debido a la presencia de los electrodos de deteccion y otros componentes tambien contribuiran al campo, haciendolo diferente de los casos sencillos mostrados. La interaccion electrostatica y qufmica con el dispositivo, el catalizador, el gas, los adsorbatos, etc. dependera de estos mapas de contornos y vectores de campo. Por tanto, estas interacciones pueden ajustarse (activamente) dependiendo del dispositivo o proceso de catalisis general para una aplicacion dada.
La figura 5A representa una forma de realizacion de sensor que utiliza un electrodo de referencia de aire 51. Esta forma de realizacion se utilizo para mostrar que las reacciones catalfticas estan cambiando durante la utilizacion de los electrodos de campo electrico, tal como se muestra por la alteracion de la composicion del gas medido. Las capas de aislamiento 45 y 48, las capas de conduccion 46 y 49 y las capas superiores 47 y 50 constituyen cuatro “electrodos de campo electrico.” El electrodo de deteccion 44 y el electrodo de referencia de aire 51 estan unidos al sustrato (electrolito) 52.
La figura 5B muestra una superficie superior de la forma de realizacion de muestra de referencia de aire con “electrodos de campo electrico”, mostrandose la capa superior 47. Pueden unirse cables metalicos u otra metalizacion (no mostrados) a los electrodos de deteccion o de referencia de aire de muchos modos. Para la aplicacion de sensor, estos cables se utilizan para transmitir informacion sobre el EMF en el electrodo a un dispositivo de medicion. Tambien pueden incorporarse multiples electrodos de deteccion y “electrodos de campo electrico” en un dispositivo de este tipo, constituyendo una red de sensores de gas.
La figura 5C muestra una superficie inferior de la forma de realizacion de muestra de referencia de aire con “electrodos de campo electrico”. El electrodo de referencia de aire 51 esta unido al sustrato 52 y esta rodeado por el “electrodo de campo electrico en esta superficie. Desde este punto de vista, la capa superior 50 es visible.
Este dispositivo de sensor incluye un primer “electrodo de campo electrico” rectangular de conformacion de anillo en un lado de un electrolito. En la parte media de este anillo se deposito un electrodo de referencia de aire de Pt. En el lado opuesto, se unio un electrodo de La2CuO4 al electrolito. Por encima de este electrodo habfa un segundo “electrodo de campo electrico” en forma de placa. El electrodo de La2CuO4 y el segundo electrodo de campo se expusieron a la corriente de gas activo, mientras que el electrodo de referencia de aire de Pt y el primer electrodo de campo permanecieron a presion parcial de oxfgeno constante (es decir, aire).
Se evaluo el sensor para multiples concentraciones de NOx en el 3% de O2 bajo una polarizacion de “electrodo de campo electrico” de 0, 2, 5 y 8 V en los sentidos positivo (potencial alto en el lado de La2CuO4) y negativo (potencial alto en el lado de Pt). Estas pruebas se realizaron a temperaturas de 450°C, 500°C y 550°C y se repitieron dos veces para cada estado. Se compararon los sensores bajo la influencia del campo electrico con el dispositivo no polarizado a cada temperatura. Las senales de sensor fueron muy bajas a 550°C y 500°C, lo que dio como resultado poco o ningun cambio en la sensibilidad con el campo aplicado (no mostrado), excepto para el punto de referencia de - 8 V con NO a 500°C. Sin embargo, tal como se observa en las figuras 6A y 6B, a todas las temperaturas, la alteracion de la polarizacion de campo produjo cambios en la composicion de gas procedente del electrodo de deteccion de La2CuO4 tal como se detecta mediante espectrometrfa de masas. Estos graficos se realizaron utilizando las composiciones de NOx medidas a partir de la composicion de alimentacion de 650 ppm de NO o NO2 de las etapas de gas respectivas. Estos graficos son en terminos de tension de polarizacion de campo electrico debido a la dificultad para garantizar que las intensidades de campo modeladas representan la realidad con exactitud cuando se aplican a muestras obtenidas a mano. Como resulta evidente a partir de ambos graficos en la figura 4, hubo cambios principales en los niveles de NOx para ambas etapas de gas NO y NO2. Ademas, en el caso de las etapas de gas NO2, se desarrolla un hombro/pico en las curvas de NO2 medidas (aproximadamente polarizacion de campo de -5 V) cuando aumenta la temperatura.
A 450°C, hubo cambios significativos para la sensibilidad tanto a NO como a NO2 cuando se creo el campo electrico en el dispositivo. En las figuras 6C y 6D puede observarse la sensibilidad (mV/decada de ppm de NOx) a las etapas y concentraciones de gas medidas durante la composicion de alimentacion de 650 ppm de NO o NO2. En el caso de las etapas de gas NO, desde la region I a la II una disminucion en la polarizacion de (+) dio como resultado aumentos simultaneos de las concentraciones de NO y NO2 sin mucho cambio en la sensibilidad. En la region II, se produjo una transicion desde el campo (+) al (-) con el resultado de una disminucion brusca en el NO medido y una disminucion mas gradual en NO2. Esta diferencia en el cambio de concentraciones de especies parece haber producido que la sensibilidad disminuya al ir de la region II a la III. Con una disminucion
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adicional en la polarizacion de campo ahora (-) se dio como resultado una disminucion continua en los niveles NO2 esencialmente sin cambio en NO. Esto estuvo acompanado por una aumento espectacular en la sensibilidad a NO del dispositivo. Finalmente, en la transicion de la region III a la IV, hubo una disminucion relativamente grande en la sensibilidad cuando las concentraciones de NO y NO2 cayeron en respuesta a mas polarizacion de campo (-).
Considerando ahora las cuatro regiones de inflexion en la figura 5 para etapas de gas NO2 a 450°C, parece haber habido cambios mas complicados en el mecanismo de deteccion. Al ir de la region I a la II, hubo un aumento brusco en la concentracion de NO2 acompanada por una disminucion mas lenta en NO. Esto dio como resultado un cambio brusco en la sensibilidad a NO2 hacia valores mas positivos mas pequenos. En la parte media de la region II, hubo un cruce de las concentraciones de NO y NO2 con una cafda concomitante en la sensibilidad a NO2. Tras un pequeno aumento en el extremo mas (-) de la region II, hubo una disminucion brusca en la sensibilidad a NO2 cuando comienza la region III. Ademas, durante esta transicion hubo un segundo cruce de las concentraciones de NO y NO2 cuando la cantidad de NO2 disminuyo bruscamente y NO aumento mas lentamente. Cuando la region III se aproxima a la region IV, la concentracion de NO medida comenzo a declinar y disminuyo mientras que el NO2 continuo disminuyendo. Como resultado, la sensibilidad a NO2 amento ligeramente en la region IV.
Los resultados de la forma de realizacion en las figuras 5A-5C, tal como se muestra en las figuras 6A-6D demuestran que la utilizacion de los electrodos de campo electrico puede cambiar las propiedades catalfticas de un material, que puede utilizarse en un dispositivo electroqufmico, dispositivo no electroqufmico u otros procesos relacionados (catalfticos). Ademas, estos resultados pueden potenciar un sensor de gas produciendo grandes cambios en la sensibilidad a diversas especies de gas.
La muestra mostrada en la figura 7A se utilizo en las mediciones de desorcion asistida por campo mostradas en las figuras 7B a 7E. Estos resultados demostraron que un campo electrico aplicado indirectamente puede afectar al comportamiento de NOx sobre la superficie de La2CuO4 incluso a intensidades de campo relativamente pequenas. Se realizaron experimentos de desorcion programada por temperatura (TPD) en una muestra con “electrodos de campo electrico” tal como se muestra en la figura 7A. Esta muestra incluyo una seccion de una barra 53 de La2CuO4 porosa con la capa aislante 54 y 55 (AhOa) y las capas de conduccion 56 y 57 (Au) unidas a cada extremo. Aunque no se muestra, tambien se observo un efecto en una muestra en polvo de alta area superficial de La2CuO4. Durante varios conjuntos de experimentos, se polarizo la muestra en las capas de conduccion 56 y 57 con diversas tensiones aplicadas.
TPD es una tecnica experimental en la que las cantidades iniciales de un gas se adsorben a temperaturas relativamente bajas (por ejemplo, 300°C) y luego se enfrfan hasta temperatura ambiente. El gas de interes se desconecta entonces y se hace fluir un gas inerte tal como helio a traves del reactor. Entonces se cambia en rampa la temperatura a una velocidad lineal alta (por ejemplo, 30°C/min) a medida que se monitoriza la evolucion de las especies adsorbidas con un espectrometro de masas.
Cuando aumento el punto de referencia de la tension de campo electrico, los picos de desorcion para NO (figura 7B) cambiaron a temperaturas superiores, mientras que se mantuvieron formas de pico iniciales similares, pese a las diferentes intensidades. Ademas del campo de temperatura ascendente de los picos, la desorcion persistente de NO a temperaturas altas se expreso como picos mas definidos. Este campo estuvo acompanado por la aparicion de picos de desorcion de NO2 sustanciales a la misma temperaturas que la desorcion de NO (figura 7C). Los cambios en la intensidad y el area de pico indican que las energfas de adsorcion/desorcion y los mecanismos de quimisorcion estan cambiando probablemente como resultado del campo electrico. La cantidad de gases desorbidos de la muestra puede encontrarse en la tabla 3.
Tabla 3
Adsorcion de NO
TABLA 3. Cantidad total de NOx adsorbida durante TPD de NO + O2.
Tension de polarizacion de campo electrico
mmol de NO totales adsorbidos mmol de NO2 totales adsorbidos mmol de NOx totales adsorbidos
0 V
13,080 7,848 20,868
2 V
13,450 5,165 18,615
5 V
6,706 8,591 15,297
8 V
11,040 4,994 16,034
Se realizaron experimentos identicos para la adsorcion de NO2 (figuras 7D y 7E). En estos resultados, hubo cambios menos pronunciados en las energfas de desorcion, pero cambios definitivos en las intensidades de los diversos picos indican posibles cambios en los mecanismos de quimisorcion. Las cantidades de desorcion pueden observarse en la tabla 4.
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Tabla 4
Adsorcion de NO2
TABLA 4. Cantidad total de NOx adsorbida durante TPD de NO2 + O2.
Tension de polarizacion de campo electrico
mmol de NO totales adsorbidos mmol de NO2 totales adsorbidos mmol de NOx totales adsorbidos
0 V
15,220 13,240 28,460
2 V
14,550 11,470 26,020
5 V
13,290 10,380 23,670
8 V
14,000 9,105 23,105
Los resultados de las formas de realizacion de sensor segun las mediciones potenciometricas de la invencion objeto. Los sensores pueden ubicar todos los electrodos en el mismo entorno de gas y puede utilizar una referencia de aire o algun otro tipo de referencia.
En diversas formas de realizacion, la(s) tension/tensiones aplicadas a los “electrodos de campo electrico” pueden suministrarse alternativamente con un potenciostato u otro dispositivo que mantiene la carga en los “electrodos de campo electrico” igual al valor deseado. De este modo, si el entorno de gas (o algun fenomeno) hace que la carga cambie, el potenciostato u otro dispositivo pueden compensar para garantizar que la carga vuelve al valor deseado. La carga puede calcularse a partir de un cambio de corriente medido con el tiempo ya que, por lo
menos en el caso ideal, no hay corriente electronica que fluya a traves el dispositivo como resultado de la tension
aplicada a los “electrodos de campo electrico”. Esta corriente medida en el “circuito” se produce como resultado de cambios en la carga acumulada en la capa aislante, que es solo un aislante perfecto en el caso ideal.
Las figuras 8A-8H representan algunas de las otras diversas configuraciones no reivindicadas en las que pueden utilizarse las potenciaciones en campo electricos. La figura 8A muestra una vista desde arriba de un sustrato 58 (electrolito u otro material), con cada electrodo de deteccion 59, 60 y 61 rodeado por varios “electrodos de campo electrico” 62, 63 y 64 que forman una conformacion de anillo de lfneas discontinuas alrededor de los electrodos de deteccion. En las figuras 8A-8H, los electrodos de campo electrico se muestran como un cuerpo, que consiste en por lo menos una capa aislante y la capa de conduccion y posiblemente una capa superior tal como se mostro en la forma de realizacion de las figuras 2A-2C. La figura 8B muestra la seccion transversal de la figura 8A, con los electrodos de deteccion 59, 60 y 61 y los “electrodos de campo electrico” 62, 63 y 64 presentados sobre una superficie y las estructuras de calentador 65, 66 y 67 (serpentina u otro patron) sobre una segunda superficie. La
figura 8C muestra la seccion transversal de 8A, pero ahora con los “electrodos de campo electrico” 62, 63 y 64 y
las estructuras de calentador 65, 66 y 67 embebidas dentro del sustrato 58. Ademas, hay una nueva capa 68 (electrolito u otro material) entre el sustrato 58 y los electrodos de deteccion 59, 60 y 61.
Las figuras 8D y 8E muestran secciones transversales de la figura 8A, con estructuras de calentador 65, 66 y 67 embebidas en el sustrato y la segunda capa 68 entre el sustrato 58 y los electrodos de deteccion 59, 60 y 61; los electrodos de campo electrico 70, 71 y 72 presentan ahora la forma de conformaciones de tipo placa en lugar de la disposicion de lfneas discontinuas observada en la figura 8A. Ademas, la figura 8D muestra una estructura 69 que crea una cavidad por encima de cada electrodo de deteccion 59, 60 y 61; los electrodos de campo electrico 70, 71 y 72 estan unidos al lado interior de esta estructura. La figura 8E muestra una cavidad similar que crea la estructura 69, pero con los electrodos de campo electrico 70, 71 y 72 sobre la superficie superior de esta estructura.
Las figuras 8F-8H muestran varias configuraciones adicionales de dispositivos que utilizan las potenciaciones en campo electrico. La figura 8F muestra la vista desde arriba de la forma de realizacion con dos capas rectangulares 83 y 84 (electrolito u otro material) por encima del sustrato 76 (electrolito u otro material) que contienen por lo menos dos electrodos de deteccion 79, 80, 81 y 82 cada una. Las capas 83 y 84 sirven para separar los electrodos de deteccion 79, 80, 81 y 82 del sustrato 76. Las estructuras 76 y 77 rodean a cada una de estas capas rectangulares y representan varios electrodos de campo electrico en una disposicion de lfneas discontinuas. La figura 8G representa una seccion transversal de la figura 8F, que muestra las capas rectangulares 83 y 84 y los electrodos de deteccion 79, 80, 81 y 82 correspondientes. Tambien se muestran los electrodos de campo electrico 77 y 78 y las estructuras de calentamiento 68 y 70 sobre la superficie inferior. La figura 8H muestra otra posible forma de realizacion en la que una de las capas rectangulares (83 en 8F) con electrodos de deteccion (79 y 80 en 8F) se reemplaza por un material sensible al gas 85 (por ejemplo, cambios de resistencia electrica tras la exposicion al gas) en contacto con el sustrato 76. Los contacto electricos 86 y 87 estan compuestos por este material en dos lugares. El resto de esta forma de realizacion es igual que en 8G.
En una pila de combustible (por ejemplo, SOFC) el oxfgeno esta en disociacion en el catodo y las reacciones y la disociacion de combustible se producen en el anodo. Tal como se comenta en la presente memoria, la presencia de un campo electrico puede estabilizar/desestabilizar los complejos de adsorbato sobre una superficie. Esto
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puede dar como resultado alteraciones en la cinetica o los mecanismos de reaccion que mejoraran el rendimiento de una pila de combustible (por ejemplo, potenciar el rendimiento de densidad energetica). Ademas, tal como se ha comentado, puede lograrse la eliminacion o prevencion de la acumulacion de venenos de la superficie de pila de combustible, particularmente en el lado del combustible segun las formas de realizacion de la invencion utilizando “electrodos de campo electrico”. La utilizacion de “electrodos de campo electrico” con SOFC puede disminuir las temperaturas de funcionamiento y permitir la utilizacion de materiales mas baratos en las pilas de combustible. Ademas, los electrodos electricos pueden utilizarse para modificar el dispositivo para obtener un rendimiento potenciado o mantenido cuando cambian las condiciones de carga.
La figura 9A representa un ejemplo no reivindicado por la presente invencion de una celda electroqufmica potenciada en campo electrico (por ejemplo, pila de combustible). En este caso, el sustrato 95, que puede ser un electrolito, presenta un anodo (88 o 96) y un catodo (96 o 88) unidos. En otras formas de realizacion, otros materiales sirven como soporte u otro material de soporte, tal como un soporte de anodo, con el electrolito y otras capas correspondientes por encima. Pueden utilizarse disposiciones diferentes cuando el dispositivo presenta soporte de anodo, y el electrolito es una capa muy fina unida al soporte. El catodo puede depositarse entonces por encima del electrolito, completando la celda. Los “electrodos de campo electrico” estan compuestos por las capas de aislamiento 89 y 92, las capas de conduccion 90 y 93, y las capas superiores 91 y 99. Pueden unirse cables metalicos u otras interconexiones (no mostrados) a los electrodos de muchos modos diferentes. Esta disposicion tambien puede formarse en un apilamiento compuesto por multiples celdas.
La figura 9B es una forma de realizacion de la superficie de la celda electroqufmica (por ejemplo, pila de combustible). En este caso, son visibles las capas superiores 91 y 94. El electrodo 88 puede ser el anodo o el catodo y esta unido al sustrato 95. La figura 9C es otro ejemplo no reivindicado por la presente invencion de superficie de la pila de combustible. En este caso solo es visible el electrodo 96. Esta unido al sustrato 95 y puede ser el anodo o el catodo.
Las figuras 10A-10C muestran un ejemplo no reivindicado por la presente invencion de dispositivo electroqufmico potenciado en campo electrico diferente (por ejemplo, una pila de combustible) en una configuracion plana. Se muestra una configuracion de apilamiento que puede consistir en varias celdas. En la figura 10A, existen varios electrodos de campo electrico, que consisten en las capas de conduccion 98, 103 y 110 y las capas aislantes 97, 99, 102, 104, 109 y 111. En esta configuracion, la distincion entre las capas aislantes y las capas superiores es insignificante. Estas capas se depositan sobre los sustratos 100 y 112, que presentan diversos electrodos 101, 105, 106 y 107 (anodos y catodos) unidos. Aunque no es necesario, en algunos casos los electrodos de campo electrico presentan el beneficio anadido de actuar como sellos para separar gases entre las diversas celdas electroqufmicas. La figura 10B muestra la superficie superior de la forma de realizacion en la figura 10A con el sustrato 100, el electrodo 101 (anodo o catodo) y la capa aislante 99 de un electrodo de campo electrico. La figura 10C muestra la superficie inferior de la forma de realizacion en la figura 10A con el sustrato 112, el electrodo 107 (anodo o catodo) y la capa aislante 111 de un electrodo de campo electrico.
NEMCA puede potenciar enormemente las velocidades de la reaccion catalftica. En el caso de NEMCA, el campo electrico creado por el potencial o la corriente (electronica) aplicada a los electrodos de celda es limitado debido al hecho de que el potencial aumentado (y por tanto las intensidades de campo) pueden dar como resultado el dano permanente del dispositivo. Sin embargo, la utilizacion de los “electrodos de campo electrico” puede potenciar el campo electrico de NEMCA. Ademas, los “electrodos de campo electrico” pueden presentar mas control con respecto a la adsorcion y las reacciones que NEMCA porque pueden ubicarse en cualquier sitio en el dispositivo.
Tal como se comenta en la presente memoria, las reacciones catalfticas pueden alterarse con la utilizacion de campos electricos. Los “electrodos de campo electrico” pueden incorporarse en un soporte de catalizador y de ese modo alterar rutas de reaccion de un modo deseable. Las mejoras incluyen un rendimiento de conversion aumentado y/o necesidades de temperatura inferior para las reacciones. Esto puede dar como resultado costes inferiores y rentabilidad mejorada para las reacciones catalfticas.
La figura 11A representa un ejemplo no reivindicado por la presente invencion de seccion transversal de lecho de catalizador utilizado en procesos de catalisis. El nucleo metalico 113 esta embebido a traves de la parte medida de por el centro de la estructura de panal 115. El electrodo exterior 114 esta unido al perfmetro de la estructura de panal 115. El patron de estructura de panal tambien puede ser de otra conformacion relacionada, cuyo fin es contener las partfculas de catalizador 116. Esta forma de realizacion es un cilindro poligonal, y se aplica una tension entre el nucleo metalico 113 y el electrodo exterior 114 para crear un campo electrico alrededor de las partfculas de catalizador que se dispersan por toda la estructura de panal 115. Se hace fluir el gas reactante a traves de la estructura de panal 115, donde puede reaccionar en las partfculas de catalizador. Observese que la estructura de panal 115 tambien puede realizarse de material de electrolito. En este caso, se coloca una capa aislante entre el nucleo metalico 113 y la estructura de panal 115. Tambien se coloca una capa aislante entre el electrodo exterior 114 y la estructura de panal 115. Ademas, un ejemplo tal como este con una estructura de panal de electrolito 115 puede hacerse funcionar en un modo potenciado en campo electrico. La figura 11B representa una vista desde arriba de la conformacion de cilindro poligonal, mostrandose el nucleo metalico 113 y
el electrodo exterior 114. Tambien se muestra la estructura de panal 115. La figura 11C representa una agrupacion de partfculas de catalizador 116 que podrfan dispersarse por toda la estructura de panal observada en las figuras 11A y 11B.
5 La figura 11B representa una vista desde arriba de la conformacion de cilindro poligonal, mostrandose el nucleo metalico 77 y el electrodo exterior 78. Tambien se muestra la estructura de panal 79. La figura 11C representa una agrupacion de partfculas de catalizador 80 que podrfan dispersarse por toda la estructura de panal estructura observada en las figuras 11A y 11B.
10 En todas las formas de realizacion mostradas y en cualquier otra que utilice los electrodos de campo electrico, cuando esta implicada una celda electroqufmica, un efecto combinado de NEMCA (polarizacion directa) y potenciaciones en campo electrico (proporcionados por los “electrodos de campo electrico”) pueden mejorar la catalisis tal como se comenta en otra parte.
15 Ademas, pueden utilizarse multiples “electrodos de campo electrico” en tales configuraciones o una forma de realizacion relacionada.

Claims (9)

  1. 5
    10
    15
    20
    25
    30
    35
    40
    45
    REIVINDICACIONES
    1. Celda electroqufmica, que comprende un sustrato (3), en la que el sustrato (3) comprende un electrolito, por lo menos dos electrodos de deteccion (1, 2), en la que dichos por lo menos dos electrodos de deteccion (1, 2) estan posicionados sobre el sustrato (3), en la que dichos por lo menos dos electrodos de deteccion (1, 2) estan en contacto electrico con el electrolito, un medio para medir una caracterfstica con respecto a uno o mas de dichos por lo menos dos electrodos de deteccion (1, 2), caracterizada por
    un medio para crear un campo electrico, comprendiendo el medio para crear el campo electrico por lo menos dos electrodos de campo electrico (6, 7) posicionados sobre el sustrato (3), no dando el medio para crear el campo electrico como resultado el paso de corriente a traves de la celda electroqufmica cuando la corriente es bloqueada por un aislante (4, 5), y estando uno de dichos por lo menos dos electrodos de deteccion (1, 2) formado por La2CuO4, y estando otro de dichos por lo menos dos electrodos de deteccion (1, 2) formado por un material diferente, y alterando una aplicacion del campo electrico creado por dichos por lo menos dos electrodos de campo electrico (6, 7) por lo menos en el electrodo de deteccion (1) formado por La2CuO4 la caracterfstica electrica medida, siendo la caracterfstica electrica una tension entre el electrodo de deteccion (1) formado por La2CuO4 y el electrodo de deteccion (2) formado por el material diferente.
  2. 2. Celda electroqufmica segun la reivindicacion 1, en la que la celda electroqufmica es un sensor de gas que esta configurado para medir una concentracion de un componente de una mezcla de gases o detecta una presencia de un gas, y en la que el componente se selecciona de entre el grupo siguiente: NO, NO2 y NOx.
  3. 3. Celda electroqufmica segun la reivindicacion 1, que ademas comprende un medio para modificar una temperatura de por lo menos uno de dichos por lo menos dos electrodos de deteccion (1, 2).
  4. 4. Celda electroqufmica segun la reivindicacion 1 o 3, que ademas comprende un medio para monitorizar la temperatura de dicho por lo menos uno de entre dichos por lo menos dos electrodos de deteccion (1, 2).
  5. 5. Celda electroqufmica segun la reivindicacion 1, en la que dichos por lo menos dos electrodos de deteccion (1, 2) y dichos por lo menos dos electrodos de campo electrico (6, 7) estan posicionados sobre unos lados opuestos del sustrato (3) o sobre el mismo lado del sustrato (3).
  6. 6. Celda electroqufmica segun la reivindicacion 1, en la que cada uno de entre dichos por lo menos dos electrodos de campo electrico (6, 7) comprende una capa de conduccion y una capa aislante (4, 5), en la que la capa aislante (4, 5) esta posicionada entre el sustrato (3) y la capa de conduccion.
  7. 7. Celda electroqufmica segun la reivindicacion 1, en la que el medio para medir la caracterfstica electrica esta configurado para medir una dependencia del tiempo de la caracterfstica electrica.
  8. 8. Celda electroqufmica segun la reivindicacion 1, en la que un primero de entre dichos por lo menos dos electrodos de deteccion (1, 2) esta posicionado sobre una primera superficie del electrolito, en la que un segundo de entre dichos por lo menos dos electrodos de deteccion (1, 2) esta posicionado sobre la primera superficie del electrolito.
  9. 9. Celda electroqufmica segun la reivindicacion 8, en la que dichos por lo menos dos electrodos de campo electrico (6, 7) comprenden un primer electrodo en forma de anillo (11) que rodea el primer electrodo de deteccion (1).
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