RU2637195C1

RU2637195C1 - Электродное устройство

Info

Publication number: RU2637195C1
Application number: RU2016134173A
Authority: RU
Inventors: Евгений Юрьевич Шелковников; Павел Валентинович Гуляев; Александр Валерьевич Тюриков; Святослав Иванович Липанов; Богдан Леонидович Жуйков; Виктор Гелиевич Маклецов; Диана Константиновна Авдеева
Original assignee: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт Механики УрО РАН
Priority date: 2016-08-19
Filing date: 2016-08-19
Publication date: 2017-11-30

Abstract

Изобретение относится к области научного приборостроения и предназначено для использования в качестве электрода сравнения при электрохимических исследованиях. Электродное устройство содержит токоотводящий элемент, диэлектрический пористый корпус, поры которого заполнены металлическими наночастицами и пропитаны гелевым электролитом, а металлические наночастицы покрыты солью данного металла, при этом диэлектрический пористый корпус выполнен в виде сосуда с заостренной нижней донной частью, поры верхней части корпуса заполнены металлическими наночастицами, покрытыми солью этого металла, и пропитаны гелевым электролитом, наружная поверхность верхней части корпуса покрыта сначала слоем серебра, а затем слоем изолирующего материала за исключением небольшого участка в нижней донной части, не заполненного наночастицами и не пропитанного гелевым электролитом, при этом токоотводящий элемент выполнен в виде покрытой серебром металлической крышки корпуса с металлическим выводом, имеющей электрический контакт со слоем серебра на наружной поверхности верхней части корпуса и снабженной отверстием с пробкой для заполнения корпуса в виде сосуда жидким равнопереносящим электролитом. Технический результат - расширение функциональных возможностей и повышение точности измерений при электрохимических исследованиях. 1 ил.

Description

Изобретение относится к области научного приборостроения и предназначено для использования в качестве электрода сравнения при электрохимических исследованиях.

Известно электродное устройство [Патент РФ №1200901, МПК A61B 5/04. Электродное устройство / Авдеева Д.К., Дмитриев В.В., Добролюбов А.Т., Нагиев В.А., Самохвалов С.Я.], содержащее диэлектрический корпус, диэлектрический пористый контактный элемент, насыщенный электролитом, и токоотводящий элемент. Недостаток устройства - плохая работа в жидких средах.

Известен одноключевой хлоридсеребряный электрод сравнения [Электрод сравнения ЭСр-10103. Паспорт [Электронный ресурс]. URL: http://www.izmteh.ru/upload/Instr(electrod)/esr_l03.pdf], содержащий стеклянный корпус, серебряную проволоку, покрытую слоем хлорида серебра и помещенную в насыщенный раствор малорастворимого хлорида калия. Контакт электролита внутри электрода с исследуемым раствором осуществляется через электролитический ключ на основе химически устойчивого волокнистого материала - асбеста и насыщенного раствора хлорида калия. Недостаток устройства - недостаточная стабильность его потенциала и, как следствие, недостаточная точность измерений, особенно в экспериментах, когда попадание хлорида калия в исследуемый раствор мешает проведению измерений.

Известен двухключевой хлоридсеребряный электрод сравнения [Электрод сравнения ЭСр-10101. Паспорт [Электронный ресурс]. URL: http://www.izmteh.ru/upload/Instr(electrod)/esr_101_102.pdf], (используемый, когда попадание хлорида калия в анализируемый раствор нежелательно, например, при питтинговой коррозии [ГОСТ 9.914-91. Стали коррозионно-стойкие аустенитные. Электрохимические методы определения стойкости против межкристаллитной коррозии]), содержащий одноключевой хлоридсеребряный электрод, соединенный через свой первый внутренний ключ с дополнительной емкостью с равнопереносящим электролитом KNO₃, образующим второй внешний ключ для контакта с исследуемым раствором. Недостаток устройства - сложность конструкции, а также недостаточная стабильность его потенциала и, как следствие, недостаточная точность измерений.

Известно электродное устройство [Патент РФ 2234851, МПК A61B 5/04, A61B 5/0408. Электродное устройство / Авдеева Д.К., Садовников Ю.Г.], содержащее диэлектрический пористый контактный элемент, при этом вся поверхность электродного устройства покрыта слоем серебра-хлорида серебра, а часть пор, прилегающих к слою серебра-хлорида серебра, заполнена серебром-хлоридом серебра, рабочая часть пористого контактного элемента имеет многочисленные конусообразные углубления, заполненные электролитом. Недостаток - электролит, заполняющий поры и углубления, находится на внешней поверхности, что требует его защиты при длительной работе в электрохимическом растворе.

Наиболее близким по технической сущности является электродное устройство [Патент РФ №2469642, МПК A61B 5/04, A61B 5/0408. Электродное устройство / Авдеева Д.К., Садовников Ю.Г., Пеньков П.Г.] (прототип), содержащее диэлектрический пористый контактный элемент, на нерабочей стороне которого выполнено углубление с нанесенным на его поверхность слоем серебра, снабженным токоотводящим серебряным элементом, а весь объем пор диэлектрического пористого контактного элемента заполнен наночастицами серебра, покрытыми хлоридом серебра и пропитан гелевым электролитом. Недостаток - недостаточные функциональные возможности электродного устройства, не позволяющие ему работать в электрохимическом растворе.

Задача изобретения состоит в создании электродного устройства, которое обеспечивает повышение точности и надежности измерений, а также расширение функциональных возможностей при исследовании жидких электрохимических растворов.

Поставленная задача решается тем, что в устройстве, содержащем токоотводящий элемент, диэлектрический пористый корпус, поры которого заполнены металлическими наночастицами, покрытыми солью этого же металла и пропитаны гелевым электролитом, диэлектрический пористый корпус выполнен в виде сосуда с заостренной нижней донной частью, наружная поверхность верхней части корпуса покрыта сначала слоем серебра, а затем слоем изолирующего материала за исключением небольшого участка в нижней донной части, не заполненного наночастицами и не пропитанного гелевым электролитом, при этом токоотводящий элемент выполнен в виде покрытой серебром металлической крышки корпуса с металлическим выводом, имеющей электрический контакт с слоем серебра на наружной поверхности верхней части корпуса и снабженной отверстием с пробкой для заполнения корпуса в виде сосуда жидким равнопереносящим электролитом.

На фиг. 1 приведена конструкция устройства. Электродное устройство является двухключевым хлоридсеребряным наноэлектродом и содержит диэлектрический пористый корпус 1 в виде сосуда, объем пор верхней части которого заполнен наночастицами металла 2, затем поверхность наночастиц покрыта солью данного металла, поры с наночастицами металла пропитаны гелевым электролитом 3, объем пор нижней донной части корпуса 1 не заполнен наночастицами 2 и не пропитан гелевым электролитом 3, на внешнюю поверхность верхней части корпуса 1 нанесены сначала слой серебра 4, а затем слой изолирующего материала 5 за исключением небольшого участка (~5% от верхней части корпуса электрода) нижней (донной) части. Токоотводящий элемент выполнен в виде металлической и покрытой серебром крышки 6 корпуса 1 с припаянным к ней металлическим выводом 7, имеющей электрический контакт с слоем серебра 4 и снабженной отверстием 8 с пробкой 9 для заполнения внутренней части корпуса 1 равнопереносящим электролитом 10 (ионы которого имеют примерно равные подвижности для исключения диффузионного потенциала в месте контакта двух жидкостей различного состава). Равнопереносящий электролит 9 (например, KNO₃) поддерживает работоспособность электродного устройства при негативном влиянии исследуемого раствора.

Контакт электролита 10 с исследуемым электрохимическим раствором осуществляется через внешний электролитический ключ на основе непокрытой слоем серебра 4 и изолирующего материала 5 донной части пористого керамического корпуса 1. Контакт равнопереносящего электролита 10 с токоотводящим элементом осуществляется через внутренний электролитический ключ на основе гелевого электролита 3 и равнопереносящего раствора 10.

В качестве металла, из которого изготавливаются наночастицы 2, используется серебро. Слой хлорида серебра на поверхности наночастиц 2 формируется, например, анодной поляризацией в подкисленном растворе хлорида калия. В качестве диэлектрика используется пористая керамика, изготовленная, например, из оксида циркония и оксида алюминия, или материал, выполненный из спрессованной смеси равномерно распределенных частиц гидрофильного материала в гидрофобном связующем (например, в качестве гидрофильного материала можно использовать перлит, а в качестве гидрофобного связующего - фторопласт при следующем соотношении компонентов, мас.%: перлит 5-15; фторопласт 90-95) [Патент РФ 2367725, МПК C23F 13/00. Электрод сравнения длительного действия / Синявин А.Л.].

Поры диэлектрического пористого корпуса 1 являются сложной системой сообщающихся между собой полостей. Внешняя поверхность верхней части корпуса 1 покрыта сначала слоем серебра 4, а затем слоем изолирующего материала 5 (типа апьезон). Устройство и способ покрытия изоляционным материалом могут быть реализованы в соответствии с [Патент РФ 2439209, МПК C25D 5/02, C25D 19/00. Устройство для нанесения покрытия на зондирующую иглу / Гуляев П.В., Тюриков А.В., Шелковников Е.Ю. и др.].

Электродное устройство работает следующим образом. При погружении в исследуемый электрохимический раствор его потенциал прикладывается к неизолированной поверхности донной части корпуса 1 электродного устройства. Электрический контакт (обмен ионами) с исследуемым раствором осуществляется через внешний ключ (например, на основе равнопереносящего раствора KNO₃) в донной части корпуса 1 электродного устройства и далее через внутренний ключ на основе контакта: равнопереносящий раствор 10 (например, раствор KNO₃) и гелевый электролит 3 (например, KCl), пропитывающий поры верхней части диэлектрического пористого корпуса 1. Токоотвод осуществляется посредством электрического контакта слоя серебра 4 с гелевым электролитом 3 корпуса 1. Изолирующее покрытие 5 обеспечивает сохранность наночастиц и гелевого электролита в электрохимическом растворе. Наночастицы 2 металла и гелевый электролит 3 образуют множество наноэлектродов, обеспечивающих при соединении между собой высокие метрологические характеристики (предельно малое напряжение шума и, как следствие, предельно высокое отношение сигнал/шум, а также предельно малый дрейф электродного потенциала [Патент РФ №2469642, МПК A61B 5/04, A61B 5/0408. Электродное устройство / Авдеева Д.К., Садовников Ю.Г., Пеньков П.Г.]) электродного устройства. Электрический контакт (обмен ионами) наноэлектродов с исследуемым раствором и между собой осуществляется через гелевый электролит 3 (например, KCl) в порах корпуса 1 и жидкий электролит 10 (например, KNO₃) внутри корпуса 1 электродного устройства. Количество связанных между собой наноэлектродов при этом существенно увеличивается, обеспечивая лучшие метрологические характеристики устройства.

Предлагаемая конструкция электродного устройства для проведения электрохимических исследований обладает:

- предельно высокой стабильностью электродного потенциала, обусловленной использованием диэлектрического пористого корпуса, объем пор верхней части которого заполнен наночастицами серебра, покрытыми хлоридом серебра, и пропитан гелевым электролитом;

- высокой точностью измерений, обеспечиваемой использованием двух ключей для контакта токоотводящего элемента с исследуемым раствором;

- простотой конструкции благодаря использованию объемно-поверхностного перехода «электролит-хлорид серебра-серебро».

Claims

Электродное устройство, содержащее токоотводящий элемент, диэлектрический пористый корпус, поры которого заполнены металлическими наночастицами и пропитаны гелевым электролитом, а металлические наночастицы покрыты солью данного металла, отличающееся тем, что диэлектрический пористый корпус выполнен в виде сосуда с заостренной нижней донной частью, поры верхней части корпуса заполнены металлическими наночастицами, покрытыми солью этого металла, и пропитаны гелевым электролитом, наружная поверхность верхней части корпуса покрыта сначала слоем серебра, а затем слоем изолирующего материала за исключением небольшого участка в нижней донной части, не заполненного наночастицами и не пропитанного гелевым электролитом, при этом токоотводящий элемент выполнен в виде покрытой серебром металлической крышки корпуса с металлическим выводом, имеющей электрический контакт со слоем серебра на наружной поверхности верхней части корпуса и снабженной отверстием с пробкой для заполнения корпуса в виде сосуда жидким равнопереносящим электролитом.