ITMI20121909A1 - Cella elettrolitica dotata di microelettrodi - Google Patents

Cella elettrolitica dotata di microelettrodi Download PDF

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Description

CELLA ELETTROLITICA DOTATA DI MICROELETTRODI
AMBITO DELL’INVENZIONE
L’invenzione è relativa a una cella elettrolitica per la generazione di prodotti non separati dotata di microelettrodi e al metodo per il suo ottenimento. La cella e i microelettrodi della presente invenzione sono ottenuti tramite tecnologie di fabbricazione di dispositivi a semiconduttore impiegati nella produzione di sistemi microelettromeccanici (MEMS).
ANTECEDENTI DELL’INVENZIONE
L’invenzione è relativa a una cella elettrolitica che può essere in configurazione monopolare o bipolare adatta a processi che non richiedano la separazione dei prodotti generati agli anodi e ai catodi.
Metodi e tecnologie di fabbricazione di dispositivi a semiconduttore impiegati nella produzione di sistemi microelettromeccanici (MEMS), nonché tecniche litografiche per la produzione di microelettrodi o la semplice deposizione di metalli catalitici per reazioni elettrochimiche su substrati a base di materiali semiconduttori sono noti nell’arte. Microelettrodi e metodi per il loro ottenimento tramite le tecniche sopracitate e loro applicazione in celle elettrolitiche dirette all’elettrolisi dell’acqua sono per esempio descritti in WO2012078396. In questo caso è descritto un processo di elettrolisi dell’acqua tramite celle elettrolitiche dotate di microelettrodi, dove i prodotti finali, idrogeno e ossigeno, vengono separati. Sempre in WO2012078396 è descritta una coppia di piatti aventi incorporati rispettivamente microelettrodi anodici e microelettrodi catodici le cui distanze interelettrodiche, cioè le distanze tra ciascuna coppia di microelettrodi anodici e catodici, nonostante le dimensioni di ordine micrometrico dei microelettrodi, sono di ordine macroscopico. Questo perché i due piatti, che hanno incorporati rispettivamente i microelettrodi anodici e i microelettrodi catodici, non possono essere avvicinati oltre un certo limite per ragioni di tolleranze meccaniche o per lo spessore di diaframmi o membrane, quando presenti, interposti tra detti piatti. Per questo motivo la tensione di cella può rimanere a valori ragionevoli con densità di corrente utili nella pratica solo se la solo se la resistività dell’elettrolita è sufficientemente piccola. Per lo stesso motivo anche in celle elettrolitiche di tipo tradizionale, dove cioè anche gli elettrodi hanno dimensioni di ordine macroscopico, la tensione di cella può rimanere a valori ragionevoli con densità di corrente utili nella pratica solo se la solo se la resistività dell’elettrolita è sufficientemente piccola. L’inventore ha sorprendentemente trovato che celle elettrolitiche comprendenti pluralità di microlettrodi anodici e catodici in un unico piatto, ottenuti con tecnologie (MEMS) note nell’arte, reciprocamente intercalati a distanze però di ordine micrometrico, possono funzionare in presenza anche di elettroliti acquosi di altissima resistività (bassissima conducibilità) producendo miscele di prodotto in quantità sufficienti per essere utilizzate in varie applicazioni.
SOMMARIO DELL’INVENZIONE
Vari aspetti della presente invenzione sono enunciati nelle rivendicazioni annesse. Sotto un primo aspetto, l’invenzione è relativa a una cella elettrolitica per la generazione di prodotti anodici e catodici non separati costituita da un substrato modellabile litograficamente avente una superficie, una pluralità di microelettrodi incorporati in detta superficie, detta pluralità di elettrodi essendo costituita da microelettrodi anodici ed microelettrodi catodici comprendenti un rivestimento elettrocatalitico, detti microelettrodi anodici e catodici essendo reciprocamente intercalati a una distanza interelettrodica inferiore a 300 micrometri.
Con il termine “incorporati” nella superficie del substrato, si intende che i microelettrodi sono depositati sulla superficie del substrato in modo tale che la loro parte elettrocatalitica sia esposta in modo da poter entrare in contatto con l’elettrolita acquoso durante il funzionamento.
Il fatto che i microelettrodi anodici e catodici delle celle elettrolitiche secondo l’invenzione siano spaziati da distanze interelettrodiche micrometriche consente di ridurre notevolmente la componente resistiva della tensione di cella, che è infatti proporzionale alla distanza interelettrodica. Di conseguenza, celle elettrolitiche con questa caratteristica hanno il vantaggio di poter essere impiegate con elettroliti molto resistivi, cioè a bassissima conducibilità, come ad esempio acqua pura o acqua contenente bassissime quantità di sali.
Un ulteriore vantaggio della riduzione della componente resistiva della tensione di cella è quello di poter mantenere sotto controllo l’aumento di temperatura dovuto all’effetto Joule, aumento di temperatura che ridurrebbe la formazione di specie ossidanti quali ad esempio ozono e acqua ossigenata.
Con il termine "pluralità di microelettrodi", come qui utilizzato, si vogliono indicare almeno due microelettrodi.
Con il termine "microelettrodi”, come qui utilizzato, si vogliono indicare elettrodi aventi dimensioni di ordine micrometrico, cioè inferiori a 300 micrometri.
In una forma di realizzazione, la cella elettrolitica dell’invenzione ha i microelettrodi anodici e catodici reciprocamente spaziati a una distanza interelettrodica inferiore a 100 micrometri.
In una ulteriore forma di realizzazione la cella elettrolitica secondo l’invenzione ha il rivestimento elettrocatalitico dei microelettrodi contenente un elemento scelto tra Pt, Pd, Ir, Ru, Rh, Nb e loro leghe e loro ossidi.
Con il termine “strato elettrocatalitico”, come qui utilizzato, si intende uno strato di materiale che sia efficace come anodo o come catodo in processi elettrochimici.
La possibilità di variare le composizioni dello strato elettrocataliticho dei microelettrodi, differenziando la composizione relativa ai microanodi da quella dei microcatodi, consente di regolare la reattività dei microelettrodi così da poter produrre diverse specie.
Il substrato può essere scelto tra i substrati litograficamente modellabili dell’arte nota. Può essere di natura semiconduttiva o isolante, rigido o flessibile, può includere composizioni inorganiche, ad esempio contenenti silicio od organiche, ad esempio polimeri di varia natura.
In una ulteriore forma di realizzazione, la cella elettrolitica secondo l’invenzione, il rivestimento elettrocatalitico e detto substrato litograficamente modellabile hanno interposto tra loro uno strato di un elemento scelto tra Co, Cr, Mo, W, Ni, Ti e loro leghe, il quale strato garantisce vantaggiosamente una migliorata adesione dello strato elettrocatalitico esposto all’elettrolita al substrato durante il funzionamento della cella.
Sotto un altro aspetto, l’invenzione è relativa a un metodo per la produzione di una cella elettrolitica secondo l’invenzione come sopra riportato che comprende i seguenti stadi:
modellamento di un substrato tramite una tecnica litografica secondo una geometria predefinita
deposizione fisica o chimica in fase vapore (PVD o CVD) di uno strato di un elemento scelto tra Pt, Rh, Ru, Ir, Pd, Nb e loro ossidi su detto strato di metallo intermedio.
Nel caso in cui si prediliga l'inserimento di uno strato intermedio tra substrato ed elettrocatalizzatore, l’invenzione è relativa anche a un metodo per la produzione di una cella elettrolitica che comprende i seguenti stadi:
modellamento di un substrato tramite una tecnica litografica secondo una geometria predefinita
deposizione fisica o chimica in fase vapore (PVD o CVD) di uno strato di un metallo scelto tra Co, Cr, Mo, W, Ni, Ti e loro leghe su detto substrato
deposizione fisica o chimica in fase vapore (PVD o CVD) di uno strato di metallo scelto tra Pt, Rh, Ru, Ir, Pd, Nb e loro ossidi su detto strato intermedio. Sotto un ulteriore aspetto, l’invenzione è relativa a un metodo per la produzione di miscele ossidanti a composizione variabile comprendente l’applicazione programmabile di diverse densità di corrente tramite un microprocessore integrato a una cella secondo l’invenzione come sopra descritto.
La possibilità di miscelare le varie specie prodotte qualitativamente e quantitativamente, ha il vantaggio di rendere la cella dell’invenzione utile in svariate applicazioni nel campo della sterilizzazione e disinfezione quali ad esempio sterilizzazione di strumentazione medicale, potabilizzazione di acqua, sterilizzazione di acqua nelle lavatrici ecc.
L’invenzione è dunque anche relativa a metodo per la produzione di miscele ossidanti a composizione variabile secondo l’invenzione contenenti almeno una specie scelta tra ozono, radicali di ossigeno, ossigeno nascente, perossidi, ione ipoclorito e cloro nascente.
Sotto un ulteriore aspetto, l’invenzione è relativa a un dispositivo per la erogazione di sostanze sterilizzanti o disinfettanti attrezzato con almeno una cella secondo l’invenzione.
Alcune forme di realizzazione esemplificative dell’invenzione sono descritte nel seguito con riferimento ai disegni allegati, i quali hanno il solo scopo di illustrare la disposizione reciproca dei diversi elementi relativamente a dette forme di realizzazione dell’invenzione; in particolare, i disegni non saranno intesi come riproduzioni in scala.
DESCRIZIONE IN BREVE DELLE FIGURE
La figura 1 mostra una vista in sezione di una molteplicità di microelettrodi anodici e catodici incorporati nello stesso substrato secondo una forma di realizzazione dell'invenzione.
La figura 2 mostra una vista dall’alto di una molteplicità di microelettrodi anodici e catodici incorporati nello stesso substrato modellato per via litografica con geometria interdigitata e corrispondenti distanze interelettrodiche secondo una forma di realizzazione dell'invenzione.
DESCRIZIONE DETTAGLIATA DELLE FIGURE
In figura 1 è mostrata una vista in sezione di una forma di realizzazione dell’invenzione che consiste in una molteplicità di microelettrodi 1 , che possono essere microelettrodi anodici e microelettrodi catodici incorporati nello stesso substrato modellato per via litografica con geometria interdigitata 2 a una distanza interelettrodica 3. I microelettrodi anodici e catodici 1 sono deposita sulle pareti delle dita 4 che vengono a formarsi a seguito della modellazione litografica. La zona che separa i microelettrodi anodici dai microelettrodi catodici 5 è opportunamente di materiale isolante.
In figura 2 è mostrata una vista dall’alto di una forma di realizzazione dell’invenzione che consiste in una molteplicità di microelettrodi 1 incorporati in un substrato modellato per via litografica con geometria interdigitata a una distanza interelettrodica 2.
Alcuni tra i più significativi risultati ottenuti dagli inventori sono presentati nel seguente esempio, che non intende limitare l’ambito dell’invenzione.
ESEMPIO
Su un wafer di silicio a forma circolare avente diametro di 200mm per uno spessore di 2 mm è stato trasferito uno schema interdigitato tramite fotolitografia. La superficie del wafer è stata di seguito sottoposta a etching con KOH al 30% per 15 minuti a temperatura ambiente. Sul wafer così ottenuto è stato depositato uno strato di titanio tramite deposizione fisica in fase vapore (PVD). Successivamente è stato depositato uno strato elettrocatalitico di platino sempre tramite deposizione fisica in fase vapore in due sessioni: una prima deposizione mantenendo l’asse principale del substrato (target) inclinato di 45 gradi rispetto al piano, così da depositare l’elettrocatalizzatore su una prima faccia delle dita sagomate sul substrato, e una seconda sessione mantenendo il substrato inclinato di 45 gradi rispetto al piano nel verso opposto al precedente così da depositare l’elettrocatalizzatore sulla seconda faccia delle dita sagomate. E’ stata misurata una distanza interelettrodica di 100 micrometri.
La cella così ottenuta testata con una soluzione acquosa di KOH con concentrazione 60 ppm, densità di corrente 40 mA/cm<2>, tensione di cella 5V è stata misurata una efficienza di corrente per la produzione di ozono pari al 5%.
La precedente descrizione non intende limitare l’invenzione, che può essere utilizzata secondo diverse forme di realizzazione senza per questo discostarsi dagli scopi e la cui portata è univocamente definita dalle rivendicazioni allegate.
Nella descrizione e nelle rivendicazioni della presente domanda la parola “comprendere” e le sue variazioni quali “comprendente” e “comprende” non escludono la presenza di altri elementi, componenti o stadi di processo aggiuntivi. La discussione di documenti, atti, materiali, apparati, articoli e simili è inclusa nel testo al solo scopo di fornire un contesto alla presente invenzione; non è comunque da intendersi che questa materia o parte di essa costituisse una conoscenza generale nel campo relativo all’invenzione prima della data di priorità di ciascuna delle rivendicazioni allegate alla presente domanda.

Claims (10)

  1. CELLA ELETTROLITICA DOTATA DI MICROELETTRODI RIVENDICAZIONI 1. Cella elettrolitica per la generazione di prodotti anodici e catodici non separati costituita da un substrato modellabile litograficamente avente una superficie, una pluralità di microelettrodi incorporati in detta superficie, detta pluralità di microelettrodi essendo costituita da microelettrodi anodici ed microelettrodi catodici comprendenti un rivestimento elettrocatalitico, detti microelettrodi anodici e catodici essendo reciprocamente intercalati a una distanza interelettrodica inferiore a 300 micrometri.
  2. 2. Cella elettrolitica secondo la rivendicazione 1 , ove detti microelettrodi anodici e catodici reciprocamente intercalati sono a una distanza interelettrodica inferiore a 100 micrometri.
  3. 3. Cella elettrolitica secondo una delle rivendicazioni precedenti, ove detto rivestimento e I ettto rcatal i ti co di detti microelettrodi contiene un elemento scelto tra Pt, Pd, Ir, Ru, Rh, Nb e loro leghe e loro ossidi.
  4. 4. Cella elettrolitica secondo una delle rivendicazioni precedenti, ove detto substrato litograficamente modellabile è costituto da un materiale semiconduttore.
  5. 5. Cella elettrolitica secondo una delle rivendicazioni precedenti, ove tra detto rivestimento catalitico e detto substrato litograficamente modellabile è interposto uno strato intermedio di un metallo scelto tra Co, Cr, Mo, W, Ni, Ti e loro leghe.
  6. 6. Metodo per la produzione di una cella elettrolitica secondo le rivendicazioni 1-4 che comprende i seguenti stadi: modellamento di un substrato tramite una tecnica litografica secondo una geometria predefinita; deposizione fisica o chimica in fase vapore (PVD o CVD) di uno strato un elemento scelto tra Pt, Rh, Ru, Ir, Pd, Nb e loro ossidi su detto strato di metallo intermedio.
  7. 7. Metodo per la produzione di una cella elettrolitica secondo la rivendicazione 5 che comprende i seguenti stadi: modellamento di un substrato tramite una tecnica litografica secondo una geometria predefinita; deposizione fisica o chimica in fase vapore (PVD o CVD) di uno strato di un metallo scelto tra Co, Cr, Mo, W, Ni, Ti e loro leghe su detto substrato; deposizione fisica o chimica in fase vapore (PVD o CVD) di uno strato di metallo scelto tra Pt, Rh, Ru, Ir, Pd, Nb e loro ossidi su detto strato intermedio.
  8. 8. Metodo per la produzione di miscele di prodotti a composizione variabile comprendente l'applicazione programmabile di diverse densità di corrente tramite un microprocessore integrato a una cella secondo una delle rivendicazioni da 1 a 5.
  9. 9. Metodo per la produzione di miscele di prodotti a composizione variabile secondo la rivendicazione 8, ove dette miscele sono miscele ossidanti e contengono almeno una specie scelta tra ozono, radicali di ossigeno, ossigeno nascente, perossidi, ione ipoclorito e cloro nascente.
  10. 10. Dispositivo per la erogazione di sostanze sterilizzanti o disinfettanti attrezzato con almeno una cella secondo una delle rivendicazioni da 1 a 5.
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