RU2805753C2 - Device and method of catalysis - Google Patents

Device and method of catalysis Download PDF

Info

Publication number
RU2805753C2
RU2805753C2 RU2020131442A RU2020131442A RU2805753C2 RU 2805753 C2 RU2805753 C2 RU 2805753C2 RU 2020131442 A RU2020131442 A RU 2020131442A RU 2020131442 A RU2020131442 A RU 2020131442A RU 2805753 C2 RU2805753 C2 RU 2805753C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
surface structures
structures
electrocatalyst
paragraphs
electrode
Prior art date
Application number
RU2020131442A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2020131442A (en
Inventor
Али ХОССЕЙНИ
Эштон Сайрил ПАРТРИДЖЕ
Андрю Лео ХАЙНЕС
Original Assignee
Мануфектуринг Системс Лимитед
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Мануфектуринг Системс Лимитед filed Critical Мануфектуринг Системс Лимитед
Priority claimed from PCT/IB2019/051640 external-priority patent/WO2019166999A1/en
Publication of RU2020131442A publication Critical patent/RU2020131442A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2805753C2 publication Critical patent/RU2805753C2/en

Links

Abstract

FIELD: catalysing electrochemical redox reaction.
SUBSTANCE: invention relates to a method for catalysing an electrochemical redox reaction of active particles in a conducting solution. The method includes: providing an electrocatalytic matrix containing a supporting substrate; surface structures protruding from the support substrate, the surface structures comprising an electrocatalyst; a functional surface on the electrocatalyst, wherein the functional surface is located in the upper part of the surface structures and wherein the functional surface is intended for contact with active particles in the conductive solution; immersing surface structures in the solution and introducing a counter electrode into it; and generating a current or voltage between the electrocatalyst and the counter electrode such that the charge density, voltage or current, is focused on the functional surfaces and the active particles undergo an oxidation-reduction reaction upon contact with the functional surfaces. In this case, the plurality of surface structures has a uniform size and edges and/or vertices that contain the catalyst, the catalyst is applied to the top surface of the surface structures and is a material different from the surface structure, the electrocatalyst is applied to the vertices of the surface structure, the electrocatalyst is applied to less than about 50% to approximately 0.000001% of the matrix surface when viewed from above.
EFFECT: invention provides an alternative method for catalysing an electrochemical redox reaction.
27 cl, 19 ex, 25 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретениеField of technology to which the invention relates

Изобретение относится к способу катализа электрохимической окислительно-восстановительной реакции. Более конкретно, изобретение относится к способу катализа электрохимической окислительно-восстановительной реакции с использованием электрокатализатора с поверхностной(-ыми) структурой(-ами), которые могут снизить затраты, связанные с использованием дорогих каталитических материалов. The invention relates to a method for catalyzing an electrochemical redox reaction. More specifically, the invention relates to a method for catalyzing an electrochemical redox reaction using an electrocatalyst with surface structure(s) that can reduce the costs associated with the use of expensive catalyst materials.

Уровень техникиState of the art

Гетерогенный катализ используется в ряде важных окислительно-восстановительных каталитических процессов, включая производство H2 для хранения энергии и восстановление O2 в топливных элементах. Однако катализаторы часто представляют собой дорогие материалы. Для данной электрокаталитической реакции желательно, чтобы каталитическая реакция протекала при потенциалах, максимально близких к потенциалу неполяризуемого электрода (термодинамическому электродному потенциалу) с удовлетворительной скоростью реакции. Однако, как правило, улучшение одного аспекта каталитического процесса отрицательно сказывается на другом, например, повышение скорости реакции часто требует большей движущей силы и, как следствие, большого отклонения от термодинамического потенциала.Heterogeneous catalysis is used in a number of important redox catalytic processes, including H2 production for energy storage and O2 reduction in fuel cells. However, catalysts are often expensive materials. For a given electrocatalytic reaction, it is desirable that the catalytic reaction proceed at potentials as close as possible to the potential of the non-polarizable electrode (thermodynamic electrode potential) with a satisfactory reaction rate. However, as a rule, improving one aspect of the catalytic process has a negative effect on another, for example, increasing the reaction rate often requires a larger driving force and, as a result, a large deviation from the thermodynamic potential.

При оптимизации каталитического процесса учитываются несколько параметров, включая: каталитический материал, используемый растворитель (например, водный, органический растворитель), характеристики раствора (например, pH, вязкость и электролит), текучесть по сравнению со статичностью, конструкцию ячейки, форму материала и ориентацию электрода. Основным компонентом является электрод, который включает в себя катализатор либо на поверхности, либо в теле матрицы электрода. В качестве альтернативы, в случае металла материал электрода также может быть каталитическим материалом. Several parameters are considered when optimizing a catalytic process, including: catalytic material, solvent used (e.g., aqueous, organic solvent), solution characteristics (e.g., pH, viscosity, and electrolyte), fluidity versus static, cell design, material shape, and electrode orientation . The main component is the electrode, which includes a catalyst either on the surface or in the body of the electrode matrix. Alternatively, in the case of a metal, the electrode material may also be a catalytic material.

Процесс оптимизации катализатора обычно включает в себя оптимизацию каждого из вышеупомянутых параметров с точки зрения влияния на кинетический и термодинамический отклик внутри системы и даёт понимание того, как каждая переменная влияет на каталитическую эффективность с точки зрения скорости и требуемой энергии. Однако до сих пор очень мало внимания уделялось влиянию топографии поверхности электрода на каталитическую эффективность. The catalyst optimization process typically involves optimizing each of the above parameters in terms of impact on the kinetic and thermodynamic response within the system and provides an understanding of how each variable affects catalytic efficiency in terms of rate and energy required. However, until now very little attention has been paid to the influence of electrode surface topography on catalytic efficiency.

Задачей изобретения является создание способа катализа электрохимической окислительно-восстановительной реакции активных частиц в проводящем растворе. Задачей изобретения является снижение стоимости катализа электрохимической окислительно-восстановительной реакции активных частиц в проводящем растворе. В качестве альтернативы, задача изобретения состоит в по меньшей мере обеспечении возможности выбора для общественности.The objective of the invention is to create a method for catalyzing the electrochemical redox reaction of active particles in a conducting solution. The objective of the invention is to reduce the cost of catalysis of the electrochemical redox reaction of active particles in a conducting solution. Alternatively, the object of the invention is to at least provide choice to the public.

Сущность изобретенияThe essence of the invention

Согласно первому аспекту изобретения предложен способ катализа электрохимической окислительно-восстановительной реакции активных частиц в проводящем растворе, включающий следующие этапы:According to a first aspect of the invention, there is provided a method for catalyzing an electrochemical redox reaction of active species in a conductive solution, comprising the following steps:

наличие электрокаталитической матрицы, содержащей:the presence of an electrocatalytic matrix containing:

несущую подложку;supporting substrate;

поверхностные структуры, выступающие из несущей подложки, причём поверхностные структуры включают электрокатализатор;surface structures protruding from the support substrate, the surface structures including an electrocatalyst;

функциональную поверхность на электрокатализаторе, причём функциональная поверхность находится в верхней части поверхностных структур и при этом функциональная поверхность предназначена для контакта с активными частицами в проводящем растворе;a functional surface on the electrocatalyst, wherein the functional surface is located in the upper part of the surface structures and wherein the functional surface is intended for contact with active particles in the conductive solution;

b. погружение поверхностных структур в раствор и введение в него противоэлектрода; иb. immersing surface structures in the solution and introducing a counter electrode into it; And

c. создание тока или напряжения между электрокатализатором и противоэлектродом таким образом, чтобы плотность заряда (напряжение или ток) фокусировалась на функциональных поверхностях, и активные частицы подвергались окислительно-восстановительной реакции после контакта с функциональными поверхностями.c. creating a current or voltage between the electrocatalyst and the counter electrode such that the charge density (voltage or current) is focused on the functional surfaces and the active species undergo a redox reaction upon contact with the functional surfaces.

В некоторых вариантах осуществления изобретения окислительно-восстановительная реакция выбирается из одного или нескольких следующих типов: выделение водорода из воды,In some embodiments of the invention, the redox reaction is selected from one or more of the following types: evolution of hydrogen from water,

выделение кислорода из воды,release of oxygen from water,

выделение водорода из воды,release of hydrogen from water,

выделение водорода из протонов,release of hydrogen from protons,

окисление водорода до воды,oxidation of hydrogen to water,

окисление водорода до протонов,oxidation of hydrogen to protons,

окисление водорода до пероксида водорода,oxidation of hydrogen to hydrogen peroxide,

восстановление кислорода до воды,reduction of oxygen to water,

восстановление кислорода до пероксида водорода,reduction of oxygen to hydrogen peroxide,

диоксид углерода в монооксид углерода,carbon dioxide to carbon monoxide,

диоксид углерода в метанол,carbon dioxide to methanol,

диоксид углерода в карбоновую кислоту (например, муравьиную кислоту),carbon dioxide to carboxylic acid (for example formic acid),

диоксид углерода в альдегид и/или кетон,carbon dioxide to aldehyde and/or ketone,

диоксид углерода в метан, этан, пропан и/или углеродные цепи более высокого порядка до C21,carbon dioxide to methane, ethane, propane and/or higher order carbon chains up to C21 ,

окисление метана до метанола,oxidation of methane to methanol,

азота в гидразин,nitrogen to hydrazine,

азота в аммиак,nitrogen to ammonia,

расщепление аммиака на водород и азот,splitting ammonia into hydrogen and nitrogen,

метана в метанолmethane to methanol

нитрата в азотnitrate to nitrogen

нитрата в аммиак.nitrate to ammonia.

В некоторых вариантах осуществления изобретения окислительно-восстановительная реакция представляет собой комбинацию окислительно-восстановительных реакций. Например, выделение водорода и кислорода из воды с последующим восстановлением кислорода обратно до воды; выделение водорода из воды с последующим объединением водорода с азотом до аммиака.In some embodiments, the redox reaction is a combination of redox reactions. For example, the release of hydrogen and oxygen from water, followed by the reduction of oxygen back to water; the separation of hydrogen from water, followed by the combination of hydrogen with nitrogen to form ammonia.

В некоторых вариантах осуществления изобретения окислительно-восстановительная реакция включает в себя ряд этапов, при этом промежуточное соединение предпочтительно не выделяется. Например, диоксид углерода превращается в монооксид углерода, затем монооксид углерода превращается в метанол, при этом монооксид углерода не выделяется.In some embodiments, the redox reaction involves a series of steps, preferably not releasing an intermediate. For example, carbon dioxide is converted to carbon monoxide, then carbon monoxide is converted to methanol, but no carbon monoxide is released.

В некоторых вариантах осуществления изобретения окислительно-восстановительная реакция представляет собой процесс с 2 или более электронами. В некоторых вариантах осуществления изобретения окислительно-восстановительная реакция представляет собой процесс с 2 электронами. В некоторых вариантах осуществления изобретения процесс с 2 электронами выбирают из следующего:In some embodiments, the redox reaction is a process with 2 or more electrons. In some embodiments, the redox reaction is a 2-electron process. In some embodiments of the invention, the 2 electron process is selected from the following:

выделение водорода из воды release of hydrogen from water

выделение водорода из протоновrelease of hydrogen from protons

окисление водорода до пероксида водорода oxidation of hydrogen to hydrogen peroxide

восстановление кислорода до пероксида водорода reduction of oxygen to hydrogen peroxide

диоксид углерода в монооксид углеродаcarbon dioxide to carbon monoxide

диоксид углерода в муравьиную кислотуcarbon dioxide to formic acid

метан в метанол.methane to methanol.

В некоторых вариантах осуществления изобретения окислительно-восстановительная реакция представляет собой процесс с 4 или более электронами. В некоторых вариантах осуществления изобретения окислительно-восстановительная реакция представляет собой процесс с 4 электронами. В некоторых вариантах осуществления изобретения процесс с 4 электронами выбирают из следующего: In some embodiments, the redox reaction is a process with 4 or more electrons. In some embodiments, the redox reaction is a 4-electron process. In some embodiments of the invention, the 4 electron process is selected from the following:

выделение кислорода из водыrelease of oxygen from water

восстановление кислорода до воды reduction of oxygen to water

азота в гидразинnitrogen to hydrazine

диоксид углерода в формальдегид carbon dioxide to formaldehyde

окисление водорода до воды.oxidation of hydrogen to water.

В некоторых вариантах осуществления изобретения окислительно-восстановительная реакция представляет собой процесс с 6 или более электронами. В некоторых вариантах осуществления изобретения процесс с 6 электронами выбирают из следующего:In some embodiments, the redox reaction is a process with 6 or more electrons. In some embodiments, the 6 electron process is selected from the following:

диоксид углерода в метанол,carbon dioxide to methanol,

азота в аммиак,nitrogen to ammonia,

расщепление аммиака на водород и азот.splitting ammonia into hydrogen and nitrogen.

В некоторых вариантах осуществления изобретения окислительно-восстановительная реакция представляет собой процесс с 8 или более электронами. В некоторых вариантах осуществления изобретения процесс с 8 или более электронами выбирают из следующего:In some embodiments, the redox reaction is a process with 8 or more electrons. In some embodiments, the 8 or more electron process is selected from the following:

диоксид углерода в метан, этан, пропан и/или углеродные цепи более высокого порядка до C21; carbon dioxide to methane, ethane, propane and/or higher order carbon chains up to C21 ;

диоксид углерода в уксусную кислоту, carbon dioxide to acetic acid,

диоксид углерода в кетон, carbon dioxide to ketone,

нитрата в азот, nitrate to nitrogen,

нитрата в аммиак.nitrate to ammonia.

Согласно другому аспекту предлагается способ катализа электрохимической окислительно-восстановительной реакции активных частиц в проводящем растворе, включающий в себя следующие этапы:According to another aspect, there is provided a method of catalyzing an electrochemical redox reaction of active species in a conductive solution, comprising the following steps:

a. наличие электрокаталитической матрицы, содержащей:a. the presence of an electrocatalytic matrix containing:

i. несущую подложку;i. supporting substrate;

ii. поверхностные структуры, выступающие из несущей подложки, причём поверхностные структуры включают в себя электрокатализатор;ii. surface structures protruding from the support substrate, the surface structures including an electrocatalyst;

iii. функциональную поверхность на электрокатализаторе, причём функциональная поверхность находится в верхней части поверхностных структур и при этом функциональная поверхность предназначена для контакта с активными частицами в проводящем растворе;iii. a functional surface on the electrocatalyst, wherein the functional surface is located in the upper part of the surface structures and wherein the functional surface is intended for contact with active particles in the conductive solution;

b. погружение поверхностных структур в раствор и введение в него противоэлектрода; иb. immersing surface structures in the solution and introducing a counter electrode into it; And

c. создание тока или напряжения между электрокатализатором и противоэлектродом таким образом, чтобы плотность заряда (напряжение или ток) фокусировалась на функциональных поверхностях, и активные частицы подвергались окислительно-восстановительной реакции после контакта с функциональными поверхностями,c. creating a current or voltage between the electrocatalyst and the counter electrode such that the charge density (voltage or current) is focused on the functional surfaces and the active species undergo a redox reaction after contact with the functional surfaces,

где активные частицы представляют собой кислород, и кислород восстанавливается до воды.where the active species is oxygen and the oxygen is reduced to water.

Согласно другому аспекту предлагается способ катализа электрохимической окислительно-восстановительной реакции активных частиц в проводящем растворе, включающий в себя следующие этапы:According to another aspect, there is provided a method of catalyzing an electrochemical redox reaction of active species in a conductive solution, comprising the following steps:

a. наличие электрокаталитической матрицы, содержащей:a. the presence of an electrocatalytic matrix containing:

i. несущую подложку;i. supporting substrate;

ii. поверхностные структуры, выступающие из несущей подложки, причём поверхностные структуры включают в себя электрокатализатор;ii. surface structures protruding from the support substrate, the surface structures including an electrocatalyst;

iii. функциональную поверхность на электрокатализаторе, причём функциональная поверхность находится в верхней части поверхностных структур и при этом функциональная поверхность предназначена для контакта с активными частицами в проводящем растворе;iii. a functional surface on the electrocatalyst, wherein the functional surface is located in the upper part of the surface structures and wherein the functional surface is intended for contact with active particles in the conductive solution;

b. погружение поверхностных структур в раствор и введение в него противоэлектрода; иb. immersing surface structures in the solution and introducing a counter electrode into it; And

c. создание тока или напряжения между электрокатализатором и противоэлектродом таким образом, чтобы плотность заряда (напряжение или ток) фокусировалась на функциональных поверхностях, и активные частицы подвергались окислительно-восстановительной реакции после контакта с функциональными поверхностями,c. creating a current or voltage between the electrocatalyst and the counter electrode such that the charge density (voltage or current) is focused on the functional surfaces and the active species undergo a redox reaction after contact with the functional surfaces,

где активные частицы представляют собой воду или протоны, и вода или протоны восстанавливаются до водорода.where the active species are water or protons, and the water or protons are reduced to hydrogen.

Согласно другому аспекту предлагается способ катализа электрохимической окислительно-восстановительной реакции активных частиц в проводящем растворе, включающий в себя следующие этапы:According to another aspect, there is provided a method of catalyzing an electrochemical redox reaction of active species in a conductive solution, comprising the following steps:

a. наличие электрокаталитической матрицы, содержащей:a. the presence of an electrocatalytic matrix containing:

i. несущую подложку;i. supporting substrate;

ii. поверхностные структуры, выступающие из несущей подложки, причём поверхностные структуры включают в себя электрокатализатор;ii. surface structures protruding from the support substrate, the surface structures including an electrocatalyst;

iii. функциональную поверхность на электрокатализаторе, причём функциональная поверхность находится в верхней части поверхностных структур и при этом функциональная поверхность предназначена для контакта с активными частицами в проводящем растворе;iii. a functional surface on the electrocatalyst, wherein the functional surface is located in the upper part of the surface structures and wherein the functional surface is intended for contact with active particles in the conductive solution;

b. погружение поверхностных структур в раствор и введение в него противоэлектрода; иb. immersing surface structures in the solution and introducing a counter electrode into it; And

c. создание тока или напряжения между электрокатализатором и противоэлектродом таким образом, чтобы плотность заряда (напряжение или ток) фокусировалась на функциональных поверхностях, и активные частицы подвергались окислительно-восстановительной реакции после контакта с функциональными поверхностями,c. creating a current or voltage between the electrocatalyst and the counter electrode such that the charge density (voltage or current) is focused on the functional surfaces and the active species undergo a redox reaction after contact with the functional surfaces,

где активные частицы представляют собой азот, и азот восстанавливается до аммиака.where the active species is nitrogen and the nitrogen is reduced to ammonia.

Согласно другому аспекту предлагается способ катализа электрохимической окислительно-восстановительной реакции активных частиц в проводящем растворе, включающий в себя следующие этапы:According to another aspect, there is provided a method of catalyzing an electrochemical redox reaction of active species in a conductive solution, comprising the following steps:

a. наличие электрокаталитической матрицы, содержащей:a. the presence of an electrocatalytic matrix containing:

i. несущую подложку;i. supporting substrate;

ii. поверхностные структуры, выступающие из несущей подложки, причём поверхностные структуры включают в себя электрокатализатор;ii. surface structures protruding from the support substrate, the surface structures including an electrocatalyst;

iii. функциональную поверхность на электрокатализаторе, причём функциональная поверхность находится в верхней части поверхностных структур и при этом функциональная поверхность предназначена для контакта с активными частицами в проводящем растворе;iii. a functional surface on the electrocatalyst, wherein the functional surface is located in the upper part of the surface structures and wherein the functional surface is intended for contact with active particles in the conductive solution;

b. погружение поверхностных структур в раствор и введение в него противоэлектрода; иb. immersing surface structures in the solution and introducing a counter electrode into it; And

c. создание тока или напряжения между электрокатализатором и противоэлектродом таким образом, чтобы плотность заряда (напряжение или ток) фокусировалась на функциональных поверхностях, и активные частицы подвергались окислительно-восстановительной реакции после контакта с функциональными поверхностями,c. creating a current or voltage between the electrocatalyst and the counter electrode such that the charge density (voltage or current) is focused on the functional surfaces and the active species undergo a redox reaction after contact with the functional surfaces,

где активные частицы представляют собой диоксид углерода, и диоксид углерода восстанавливается до метанола.where the active species is carbon dioxide and the carbon dioxide is reduced to methanol.

Согласно другому аспекту предлагается способ катализа окислительно-восстановительной реакции активных частиц в проводящем растворе, включающий в себя следующие этапы:According to another aspect, there is provided a method for catalyzing a redox reaction of active species in a conductive solution, comprising the following steps:

воздействие на электрокаталитическую систему активных частиц; иimpact on the electrocatalytic system of active particles; And

подачу напряжения в электрокаталитическую систему;supplying voltage to the electrocatalytic system;

причем:and:

напряжение является достаточным, чтобы вызвать многоэлектронное окисление или многоэлектронное восстановление активных частиц;the voltage is sufficient to cause multi-electron oxidation or multi-electron reduction of the active species;

электрокаталитическая система включает в себя:The electrocatalytic system includes:

противоэлектрод; иcounter electrode; And

электрокаталитическую матрицу, содержащую:electrocatalytic matrix containing:

несущую подложку;supporting substrate;

поверхностные структуры однородного размера, выступающие из поверхности несущей подложки; иsurface structures of uniform size protruding from the surface of the supporting substrate; And

поверхностные структуры однородного размера, включающие в себя рёбра и вершины, содержащие катализатор.surface structures of uniform size, including ridges and peaks containing the catalyst.

В некоторых вариантах осуществления изобретения рёбра и/или вершины составляют менее примерно 50% площади поверхности, менее примерно 40%, менее примерно 30%, менее примерно 20%, менее примерно 10%, менее примерно 1%, менее примерно 0,01%, менее примерно 0,001%, менее примерно 0,0001%, менее примерно 0,00001%, менее примерно 0,000001%. В некоторых вариантах осуществления изобретения ребра и/или вершины составляют от примерно 0,0000001% или от примерно 0,000001% до примерно 50% площади поверхности катализатора, если смотреть сверху. В некоторых вариантах осуществления изобретения вершины ребер составляют от примерно 0,0001% до примерно 50% площади поверхности катализатора, если смотреть сверху. В некоторых вариантах осуществления изобретения вершины ребер составляют от примерно 0,1% до примерно 50% площади поверхности катализатора, если смотреть сверху. В любом из вариантов осуществления настоящего изобретения поверхностные структуры с однородным размером также могут иметь однородную геометрию. In some embodiments, the edges and/or vertices comprise less than about 50% of the surface area, less than about 40%, less than about 30%, less than about 20%, less than about 10%, less than about 1%, less than about 0.01%, less than about 0.001%, less than about 0.0001%, less than about 0.00001%, less than about 0.000001%. In some embodiments, the fins and/or peaks comprise from about 0.0000001%, or from about 0.000001% to about 50% of the surface area of the catalyst as viewed from above. In some embodiments, the fin tips comprise from about 0.0001% to about 50% of the surface area of the catalyst when viewed from above. In some embodiments, the fin tips comprise from about 0.1% to about 50% of the surface area of the catalyst when viewed from above. In any of the embodiments of the present invention, surface structures with uniform size may also have uniform geometry.

Что касается поверхностных структур, может присутствовать множество поверхностных структур по существу однородного размера и/или однородной геометрии, и множество поверхностных структур может содержать катализатор или каталитический материал на одном или нескольких рёбрах и/или вершинах и/или кончиках и/или вершинах указанных структур. With respect to surface structures, a plurality of surface structures of substantially uniform size and/or uniform geometry may be present, and the plurality of surface structures may contain a catalyst or catalytic material at one or more edges and/or apexes and/or tips and/or apexes of said structures.

В некоторых вариантах осуществления изобретения многоэлектронное окисление или многоэлектронное восстановление активных частиц включает в себя 2-электронный процесс, 4-электронный процесс, 6-электронный процесс, 8-электронный процесс, 10-электронный процесс или 12-электронный процесс.In some embodiments, the multi-electron oxidation or multi-electron reduction of active species includes a 2-electron process, a 4-electron process, a 6-electron process, an 8-electron process, a 10-electron process, or a 12-electron process.

В некоторых вариантах осуществления изобретения многоэлектронное окисление или многоэлектронное восстановление активных частиц включает в себя 2-электронный процесс, включающий в себя выделение водорода из воды или протонов, окисление водорода до воды или протонов, окисление водорода до пероксида водорода, восстановление кислорода до пероксида водорода, преобразование диоксида углерода в монооксид углерода или восстановление азота (N2) до гидразина или метана до метанола.In some embodiments, multi-electron oxidation or multi-electron reduction of active species includes a 2-electron process including evolution of hydrogen from water or protons, oxidation of hydrogen to water or protons, oxidation of hydrogen to hydrogen peroxide, reduction of oxygen to hydrogen peroxide, conversion carbon dioxide to carbon monoxide or the reduction of nitrogen ( N2 ) to hydrazine or methane to methanol.

В некоторых вариантах осуществления изобретения многоэлектронное окисление или многоэлектронное восстановление активных частиц включает в себя 2-электронный процесс, включающий в себя преобразование диоксида углерода в монооксид углерода.In some embodiments, the multi-electron oxidation or multi-electron reduction of the active species includes a 2-electron process involving the conversion of carbon dioxide to carbon monoxide.

В некоторых вариантах осуществления изобретения многоэлектронное окисление или многоэлектронное восстановление активных частиц включает в себя 4-электронный процесс, включающий в себя выделение кислорода из воды, восстановление кислорода до воды, восстановление диоксида углерода до альдегида или восстановление диоксида углерода до муравьиной кислоты.In some embodiments, the multi-electron oxidation or multi-electron reduction of the reactive species includes a 4-electron process involving the evolution of oxygen from water, the reduction of oxygen to water, the reduction of carbon dioxide to an aldehyde, or the reduction of carbon dioxide to formic acid.

В некоторых вариантах осуществления изобретения многоэлектронное окисление или многоэлектронное восстановление активных частиц включает в себя 4-электронный процесс, включающий в себя восстановление диоксида углерода до альдегида или восстановление диоксида углерода до карбоновой кислоты.In some embodiments, the multi-electron oxidation or multi-electron reduction of the active species includes a 4-electron process involving the reduction of carbon dioxide to an aldehyde or the reduction of carbon dioxide to a carboxylic acid.

В некоторых вариантах осуществления изобретения многоэлектронное окисление или многоэлектронное восстановление активных частиц включает в себя 6-электронный процесс, включающий в себя восстановление диоксида углерода до спирта, восстановление азота (N2) до аммиака или получение водорода и азота из аммиака. В некоторых вариантах осуществления изобретения спирт представляет собой метанол.In some embodiments, multi-electron oxidation or multi-electron reduction of active species includes a 6-electron process involving the reduction of carbon dioxide to alcohol, the reduction of nitrogen (N 2 ) to ammonia, or the production of hydrogen and nitrogen from ammonia. In some embodiments, the alcohol is methanol.

В некоторых вариантах осуществления изобретения многоэлектронное окисление или многоэлектронное восстановление активных частиц включает в себя (2n+6)-электронный процесс, включающий в себя восстановление диоксида углерода до алкана формулы CnH2n+2, где n составляет от 2 до 21.In some embodiments, the multi-electron oxidation or multi-electron reduction of the active species includes a (2n+6)-electron process involving the reduction of carbon dioxide to an alkane of the formula CnH2n +2 , where n is from 2 to 21.

В некоторых вариантах осуществления изобретения многоэлектронное окисление или многоэлектронное восстановление активных частиц включает в себя 8-электронный процесс, включающий в себя преобразование анионов нитрата до аммиака.In some embodiments, the multi-electron oxidation or multi-electron reduction of the reactive species involves an 8-electron process involving the conversion of nitrate anions to ammonia.

В некоторых вариантах осуществления изобретения многоэлектронное окисление или многоэлектронное восстановление активных частиц включает в себя 10-электронный процесс, включающий в себя окисление этана.In some embodiments, the multi-electron oxidation or multi-electron reduction of the active species includes a 10-electron process involving the oxidation of ethane.

В некоторых вариантах осуществления изобретения многоэлектронное окисление или многоэлектронное восстановление активных частиц включает в себя 11-электронный процесс, включающий в себя преобразование анионов нитрата в азот.In some embodiments, the multi-electron oxidation or multi-electron reduction of the active species involves an 11-electron process involving the conversion of nitrate anions to nitrogen.

В некоторых вариантах осуществления изобретения многоэлектронное окисление или многоэлектронное восстановление активных частиц включает в себя 12-электронный процесс, включающий в себя окисление пропана.In some embodiments, the multi-electron oxidation or multi-electron reduction of the active species includes a 12-electron process involving the oxidation of propane.

Согласно другому аспекту предлагается способ каталитического газообразования из активных частиц в проводящем растворе. Такие способы включают в себя воздействие на электрокаталитическую систему активных частиц и подачу напряжения в электрокаталитическую систему. Что касается таких способов, напряжение является достаточным, чтобы вызвать многоэлектронное окисление или многоэлектронное восстановление активных частиц. Кроме того, электрокаталитическая система содержит: противоэлектрод; и электрокаталитическую матрицу, причём электрокаталитическая матрица включает в себя несущую подложку; поверхностные структуры однородного размера, выступающие из поверхности несущей подложки; причём поверхностные структуры однородного размера имеют рёбра и/или вершины, содержащие катализатор; и скорость газообразования увеличивается по меньшей мере в 1,5 раза по сравнению с той же электрокаталитической матрицей без поверхностных структур однородного размера, выступающих из поверхности несущей подложки. В любом из вариантов осуществления настоящего изобретения поверхностные структуры с однородным размером также могут иметь однородную геометрию.According to another aspect, a method is provided for catalytically gassing active species in a conductive solution. Such methods include exposing the electrocatalytic system to active species and applying a voltage to the electrocatalytic system. With regard to such methods, the voltage is sufficient to cause multi-electron oxidation or multi-electron reduction of the active species. In addition, the electrocatalytic system contains: a counter electrode; and an electrocatalytic matrix, wherein the electrocatalytic matrix includes a support substrate; surface structures of uniform size protruding from the surface of the supporting substrate; wherein the surface structures of uniform size have edges and/or vertices containing a catalyst; and the gas generation rate is increased by at least 1.5 times compared to the same electrocatalytic matrix without uniformly sized surface structures protruding from the surface of the supporting substrate. In any of the embodiments of the present invention, surface structures with uniform size may also have uniform geometry.

Что касается поверхностных структур, может присутствовать множество поверхностных структур по существу однородного размера и/или однородной геометрии, и множество поверхностных структур может содержать катализатор или каталитический материал на одном или нескольких рёбрах и/или вершинах и/или кончиках и/или вершинах указанных структур. With respect to surface structures, a plurality of surface structures of substantially uniform size and/or uniform geometry may be present, and the plurality of surface structures may contain a catalyst or catalytic material at one or more edges and/or apexes and/or tips and/or apexes of said structures.

В другом варианте осуществления изобретения скорость газообразования увеличивается с коэффициентом до 1000. В другом варианте осуществления изобретения скорость газообразования увеличивается с коэффициентом от 1,5 до 1000, в другом варианте осуществления изобретения — от 10 до 1000, в другом варианте осуществления изобретения — от 20 до 500, в другом варианте осуществления изобретения — от 50 до 500, в другом варианте осуществления изобретения — от 50 до 300.In another embodiment of the invention, the rate of gas formation is increased by a factor of up to 1000. In another embodiment of the invention, the rate of gas formation is increased by a factor of 1.5 to 1000, in another embodiment of the invention - from 10 to 1000, in another embodiment of the invention - from 20 to 1000. 500, in another embodiment of the invention - from 50 to 500, in another embodiment of the invention - from 50 to 300.

Согласно другому аспекту предлагается способ, который позволяет выбирать электрокаталитическую матрицу на основе желаемого выхода продуктов. Способы включают в себя воздействие на электрокаталитическую систему активного агента, растворенного или суспендированного в проводящем растворе; и подачу напряжения в электрокаталитическую систему. Что касается таких способов, напряжение является достаточным, чтобы вызвать многоэлектронное окисление или многоэлектронное восстановление активных частиц, и электрокаталитическая система включает в себя противоэлектрод; и электрокаталитическую матрицу. Электрокаталитическая матрица включает в себя несущую подложку; и поверхностные структуры однородного размера, выступающие из поверхности несущей подложки, при этом поверхностные структуры однородного размера имеют ребра и/или вершины, содержащие катализатор. Если поверхностные структуры с однородным размером имеют микрометровый масштаб, то получают первый продукт, однако если поверхностные структуры с однородным размером имеют нанометровый масштаб, получают второй продукт, причем первый и второй продукты различаются. Для получения второго продукта требуется электронный процесс более высокого порядка по сравнению с получением первого продукта. Другими словами, для получения второго продукта требуется большее количество электронов, чем для получения первого продукта. В любом из вариантов осуществления настоящего изобретения поверхностные структуры с однородным размером также могут иметь однородную геометрию.According to another aspect, a method is provided that allows the selection of an electrocatalytic matrix based on the desired product yield. The methods include exposing the electrocatalytic system to an active agent dissolved or suspended in a conductive solution; and applying voltage to the electrocatalytic system. As for such methods, the voltage is sufficient to cause multi-electron oxidation or multi-electron reduction of active species, and the electrocatalytic system includes a counter electrode; and electrocatalytic matrix. The electrocatalytic matrix includes a support substrate; and uniformly sized surface structures protruding from the surface of the support substrate, wherein the uniformly sized surface structures have ridges and/or apexes containing the catalyst. If the surface structures with a uniform size are on a micrometer scale, then a first product is obtained, however, if the surface structures with a uniform size are on a nanometer scale, a second product is obtained, the first and second products being different. To obtain the second product, a higher order electronic process is required compared to obtaining the first product. In other words, more electrons are required to produce the second product than to produce the first product. In any of the embodiments of the present invention, surface structures with uniform size may also have uniform geometry.

Что касается поверхностных структур, может присутствовать множество поверхностных структур по существу однородного размера и/или однородной геометрии, и множество поверхностных структур может содержать катализатор или каталитический материал на одном или нескольких рёбрах и/или вершинах и/или кончиках и/или вершинах указанных структур. With respect to surface structures, a plurality of surface structures of substantially uniform size and/or uniform geometry may be present, and the plurality of surface structures may contain a catalyst or catalytic material at one or more edges and/or apexes and/or tips and/or apexes of said structures.

Согласно другому аспекту предлагается способ, который позволяет выбрать электрокаталитическую матрицу в зависимости от желаемого выхода продуктов; способ включает в себя воздействие на электрокаталитическую систему активного агента, растворенного или суспендированного в проводящем растворе; и According to another aspect, a method is provided that allows the electrocatalytic matrix to be selected depending on the desired product yield; the method includes exposing an electrocatalytic system to an active agent dissolved or suspended in a conductive solution; And

подачу напряжения в электрокаталитическую систему, supplying voltage to the electrocatalytic system,

причем:and:

напряжение является достаточным, чтобы вызвать многоэлектронное окисление или многоэлектронное восстановление активных частиц;the voltage is sufficient to cause multi-electron oxidation or multi-electron reduction of the active species;

электрокаталитическая система включает в себя:The electrocatalytic system includes:

противоэлектрод; и counter electrode; And

электрокаталитическую матрицу, содержащую electrocatalytic matrix containing

несущую подложку; supporting substrate;

поверхностные структуры однородного размера, выступающие из поверхности несущей подложки; и surface structures of uniform size protruding from the surface of the supporting substrate; And

поверхностные структуры однородного размера, включающие в себя ребра и/или вершины, содержащие катализатор;uniformly sized surface structures including ridges and/or peaks containing catalyst;

причем если поверхностные структуры однородного размера имеют микрометровый масштаб, то получают первое соотношение продуктов, и если поверхностные структуры однородного размера имеют нанометровый масштаб, получают второе соотношение продуктов, причем первое и второе соотношения продуктов различаются; wherein if the uniformly sized surface structures are on a micrometer scale, a first product ratio is obtained, and if the uniformly sized surface structures are on a nanometer scale, a second product ratio is obtained, wherein the first and second product ratios are different;

для получения второго соотношения продуктов требуется электронный процесс более высокого порядка по сравнению с получением первого соотношения продуктов. obtaining the second product ratio requires a higher order electronic process than obtaining the first product ratio.

В некоторых вариантах осуществления изобретения активный компонент представляет собой кислород, первый продукт может быть пероксидом водорода (2-электронный процесс) (т.е. получаемое соотношение пероксида водорода к воде составляет 100:0), и второй продукт может быть водой (4-электронный процесс) (т.е. получаемое соотношение пероксида водорода к воде составляет 0:100).In some embodiments, the active component is oxygen, the first product may be hydrogen peroxide (2-electron process) (i.e., the resulting ratio of hydrogen peroxide to water is 100:0), and the second product may be water (4-electron process) process) (i.e. the resulting ratio of hydrogen peroxide to water is 0:100).

В некоторых вариантах осуществления изобретения ширина поверхностных структур в нанометровом масштабе в месте соединения с несущей подложкой составляет от около 25 нм до около 50000 нм.In some embodiments, the width of the nanometer-scale surface structures at the junction with the support substrate is from about 25 nm to about 50,000 nm.

В некоторых вариантах осуществления изобретения ширина поверхностных структур в микрометровом масштабе в месте соединения с несущей подложкой составляет от около 5 мкм до около 500 мкм.In some embodiments, the width of the surface structures on a micrometer scale at the junction with the support substrate is from about 5 μm to about 500 μm.

В некоторых вариантах осуществления изобретения между поверхностными структурами может располагаться инертный или пассивирующий слой для облегчения изменения соотношения продуктов. In some embodiments, an inert or passivation layer may be provided between the surface structures to facilitate changes in product ratios.

В некоторых вариантах осуществления изобретения инертный или пассивирующий или существенно менее активный слой может располагаться таким образом, чтобы его толщина позволяла регулировать относительное соотношение продуктов между вторым соотношением продуктов и первым соотношением продуктов.In some embodiments, the inert or passivating or substantially less active layer may be positioned such that its thickness allows the relative product ratio between the second product ratio and the first product ratio to be adjusted.

В некоторых вариантах осуществления изобретения, чем больше толщина или увеличенная толщина инертного или пассивирующего слоя, тем ближе становится относительное соотношение к первому соотношению продуктов. In some embodiments, the greater the thickness or increased thickness of the inert or passivation layer, the closer the relative ratio becomes to the first product ratio.

В некоторых вариантах осуществления изобретения относительное соотношение между первым соотношением продуктов и вторым соотношением продуктов может регулироваться в соответствии с относительной толщиной или высотой инертного или пассивирующего слоя (путём регулирования силы воздействия на поверхностную структуру, например, при меньшей площади поверхностной структуры или при большей площади поверхностной структуры). In some embodiments of the invention, the relative ratio between the first product ratio and the second product ratio may be adjusted in accordance with the relative thickness or height of the inert or passivation layer (by adjusting the force on the surface structure, for example, with a smaller surface structure area or with a larger surface structure area ).

Что касается толщины инертного или пассивирующего слоя, толщина выбирается в зависимости от высоты поверхностной структуры над несущей поверхностью. Regarding the thickness of the inert or passivation layer, the thickness is selected depending on the height of the surface structure above the load-bearing surface.

Указанная выше регулировка толщины инертного или пассивирующего слоя может применяться к производству функциональной поверхности или катализатора.The above adjustment of the thickness of the inert or passivation layer can be applied to the production of a functional surface or catalyst.

В некоторых вариантах осуществления изобретения толщина инертного или пассивирующего слоя может составлять от примерно 5% до примерно 95% от высоты поверхностной структуры. In some embodiments, the thickness of the inert or passivation layer may be from about 5% to about 95% of the height of the surface structure.

В некоторых вариантах осуществления изобретения толщина инертного или пассивирующего слоя может составлять не менее 99% от высоты поверхностной структуры.In some embodiments, the thickness of the inert or passivation layer may be at least 99% of the height of the surface structure.

В некоторых вариантах осуществления изобретения толщина инертного или пассивирующего слоя может составлять пропорцию от высоты поверхностной структуры для обнажения нанометрового размера вершины или вершин поверхностной структуры. In some embodiments of the invention, the thickness of the inert or passivation layer may be a proportion of the height of the surface structure to expose the nanometer-sized apex or apexes of the surface structure.

Например, в некоторых вариантах осуществления способов, где активные частицы представляют собой кислород, первым продуктом может быть пероксид водорода (2-электронный процесс), а вторым продуктом может быть вода (4-электронный процесс). For example, in some embodiments of methods where the active species is oxygen, the first product may be hydrogen peroxide (2-electron process) and the second product may be water (4-electron process).

В другом варианте осуществления способов, где активные частицы представляют собой СО2, первым продуктом может быть СО, вторым продуктом может быть муравьиная кислота, а третьим продуктом может быть метанол. В другом варианте осуществления способов, где активные частицы представляют собой нитрат, первым продуктом может быть аммиак, а вторым продуктом может быть азот. В другом варианте осуществления способов, где активные частицы представляют собой азот, первым продуктом может быть гидразин, а вторым продуктом может быть аммиак. In another embodiment of the methods where the active species is CO 2 , the first product may be CO, the second product may be formic acid, and the third product may be methanol. In another embodiment of the methods where the active species is a nitrate, the first product may be ammonia and the second product may be nitrogen. In another embodiment of the methods where the active species is nitrogen, the first product may be hydrazine and the second product may be ammonia.

Согласно другому аспекту предлагается способ выбора электрокаталитической матрицы на основе желаемого выхода продуктов. Способы включают в себя воздействие на электрокаталитическую систему активного агента, растворенного или суспендированного в проводящем растворе, подачу напряжения в электрокаталитическую систему и сбор продукта окислительно-восстановительной реакции. Что касается таких способов, напряжение является достаточным, чтобы вызвать многоэлектронное окисление или многоэлектронное восстановление активных частиц. Также в способах электрокаталитическая система включает в себя противоэлектрод; и электрокаталитическую матрицу, причем матрица включает в себя несущую подложку и поверхностные структуры однородного размера, выступающие с поверхности несущей подложки, причём поверхностные структуры однородного размера имеют ребра и/или вершины, содержащие катализатор. Также в способах размеры поверхностных структур однородного размера выбираются для изменения получаемого продукта окислительно-восстановительной реакции. In another aspect, a method is provided for selecting an electrocatalytic matrix based on desired product yields. The methods include exposing an electrocatalytic system to an active agent dissolved or suspended in a conductive solution, applying a voltage to the electrocatalytic system, and collecting the redox reaction product. With regard to such methods, the voltage is sufficient to cause multi-electron oxidation or multi-electron reduction of the active species. Also in the methods, the electrocatalytic system includes a counter electrode; and an electrocatalytic matrix, the matrix including a support substrate and uniformly sized surface structures protruding from a surface of the supporting substrate, wherein the uniformly sized surface structures have ridges and/or apexes containing the catalyst. Also in the methods, the sizes of uniformly sized surface structures are selected to vary the resulting redox reaction product.

В некоторых таких вариантах осуществления изобретения активный агент представляет собой кислород, поверхностные структуры однородного размера имеют микрометровый масштаб, а продукт реакции окисления-восстановления представляет собой пероксид водорода. В других таких вариантах осуществления изобретения активный агент представляет собой кислород, поверхностные структуры однородного размера имеют нанометровый масштаб, а продукт окислительно-восстановительной реакции представляет собой воду. In some such embodiments, the active agent is oxygen, the surface structures of uniform size are micrometer scale, and the product of the oxidation-reduction reaction is hydrogen peroxide. In other such embodiments, the active agent is oxygen, the uniform sized surface structures are on a nanometer scale, and the product of the redox reaction is water.

Согласно другому аспекту предлагается способ получения газа от электрода. Способ включает в себя воздействие на электрод проводящего раствора, содержащего активные частицы; и подачу на электрод напряжения, достаточного для восстановления или окисления активных частиц с образованием газа. В этом способе электрод содержит наноструктурную матрицу, которая, в свою очередь, включает в себя несущую подложку; и пирамидальные поверхностные структуры, выступающие из несущей подложки. В матрице каждая из пирамидальных поверхностных структур имеет основание, вершину и рёбра между основанием и вершиной, причем основание находится в контакте с несущей подложкой, и самый длинный боковой размер основания составляет от 50 нм до примерно 4000 нм, размер вершины составляет от около 1 нм до около 50 нм и расстояние между соседними вершинами составляет от около 50 нм до 1000 нм; причем ребра и вершина содержат катализатор.According to another aspect, a method for obtaining gas from an electrode is provided. The method includes exposing an electrode to a conductive solution containing active particles; and applying a voltage to the electrode sufficient to reduce or oxidize the active species to form a gas. In this method, the electrode contains a nanostructured matrix, which, in turn, includes a supporting substrate; and pyramidal surface structures protruding from the supporting substrate. In the array, each of the pyramidal surface structures has a base, an apex, and ridges between the base and the apex, the base being in contact with a supporting substrate, and the longest lateral dimension of the base being from 50 nm to about 4000 nm, the apex dimension being from about 1 nm to about 50 nm and the distance between adjacent vertices is from about 50 nm to 1000 nm; wherein the ribs and the top contain a catalyst.

В некоторых вариантах осуществления изобретения способ дополнительно включает в себя электролитическую систему, содержащую электрод и противоэлектрод. В некоторых вариантах осуществления изобретения вершины выполнены таким образом, что на вершине начинается образование газа. В любом таком варианте осуществления изобретения газ может быть водородом, кислородом или одновременно водородом и кислородом. В любом таком варианте осуществления изобретения газ может быть водородом, азотом или одновременно водородом и азотом. В любом из вариантов осуществления изобретения газ может быть аммиаком. In some embodiments, the method further includes an electrolytic system comprising an electrode and a counter electrode. In some embodiments, the apexes are designed such that gas formation begins at the apex. In any such embodiment, the gas may be hydrogen, oxygen, or both hydrogen and oxygen. In any such embodiment, the gas may be hydrogen, nitrogen, or both hydrogen and nitrogen. In any embodiment, the gas may be ammonia.

В некоторых вариантах осуществления изобретения пирамидальные поверхностные структуры в наноструктурированной матрице, по существу, имеют одинаковую форму и высоту.In some embodiments, the pyramidal surface structures in the nanostructured matrix are substantially the same shape and height.

Согласно другому аспекту предлагается электрокаталитическая матрица, содержащая:According to another aspect, there is provided an electrocatalytic matrix comprising:

несущую подложку;supporting substrate;

поверхностные структуры однородного размера, выступающие из поверхности несущей подложки; иsurface structures of uniform size protruding from the surface of the supporting substrate; And

равномерно расположенные поверхностные структуры однородного размера, включающие в себя ребра и вершины; иevenly spaced surface structures of uniform size, including ridges and vertices; And

платину и углерод, нанесенные по меньшей мере на часть поверхностных структур.platinum and carbon deposited on at least a portion of the surface structures.

Согласно другому аспекту любой один или несколько из вышеупомянутых аспектов или нижеприведенных вариантов осуществления изобретения, как описано в данном документе, могут способствовать замещению катализатора катализатором с более низкой экономической стоимостью и/или трудоемкостью, и/или уменьшенным количеством.In another aspect, any one or more of the above aspects or the following embodiments of the invention as described herein can facilitate catalyst replacement with a catalyst of lower economic cost and/or labor intensity and/or reduced quantity.

При этом замещенный катализатор имеет более низкую реакционную способность и/или меньшее количество, чем катализатор, который он замещает или должен замещать. In this case, the substituted catalyst has a lower reactivity and/or a smaller amount than the catalyst that it replaces or should replace.

Во избежание сомнений следующие варианты осуществления изобретения относятся ко всем аспектам, описанным выше.For the avoidance of doubt, the following embodiments of the invention relate to all aspects described above.

В некоторых вариантах осуществления изобретения площадь поперечного сечения поверхностной структуры уменьшается вдоль оси, ортогональной к верхней поверхности несущей подложки.In some embodiments of the invention, the cross-sectional area of the surface structure is reduced along an axis orthogonal to the top surface of the support substrate.

В некоторых вариантах осуществления изобретения верхняя часть поверхностной структуры имеет выпуклую верхнюю поверхность. In some embodiments of the invention, the upper portion of the surface structure has a convex upper surface.

В некоторых вариантах осуществления изобретения поверхностная структура имеет треугольное, выпуклое, полукруглое или папилловидное поперечное сечение по плоскости, ортогональной к верхней поверхности несущей подложки.In some embodiments, the surface structure has a triangular, convex, semicircular, or papillary cross-section along a plane orthogonal to the top surface of the support substrate.

В некоторых вариантах осуществления изобретения верхняя часть поверхностной структуры имеет угол около 90° или меньше на вершине. В некоторых вариантах осуществления изобретения поверхностная структура представляет собой острый конец или гребень.In some embodiments, the top of the surface structure has an angle of about 90° or less at the top. In some embodiments of the invention, the surface structure is a sharp end or ridge.

В некоторых вариантах осуществления изобретения поверхностные структуры являются пирамидальными, коническими, гребневыми, остроконечными, зубчатыми, цилиндрическими, квадратными пятигранниками, пятигранниками с плоской вершиной, пятиугольниками или шестиугольниками либо их сочетаниями. Любые такие структуры могут иметь ребра, вершины, гребни или любое сочетание двух или более таких признаков.In some embodiments, the surface structures are pyramidal, conical, ridged, pointed, jagged, cylindrical, square pentagonal, flat top pentagonal, pentagonal or hexagonal, or combinations thereof. Any such structures may have edges, vertices, ridges, or any combination of two or more such features.

В некоторых вариантах осуществления изобретения поверхностная структура имеет существенно треугольное, существенно круглое или существенно квадратное поперечное сечение по плоскости, параллельной верхней поверхности несущей подложки.In some embodiments, the surface structure has a substantially triangular, substantially circular, or substantially square cross-section along a plane parallel to the top surface of the support substrate.

В некоторых вариантах осуществления изобретения поверхностные структуры равномерно расположены на несущей подложке. В качестве альтернативы поверхностные структуры располагаются на несущей подложке случайным образом. In some embodiments of the invention, the surface structures are uniformly distributed on the support substrate. Alternatively, the surface structures are arranged randomly on the support substrate.

В некоторых вариантах осуществления изобретения поверхностные структуры, главным образом, имеют однородный размер. Считается, что однородный размер и/или геометрия могут обеспечить, главным образом, однородные результаты, такие как, помимо прочего, главным образом, одинаковый ток и/или напряжение на каждой структуре, производя, главным образом, однородный продукт. В примерном варианте осуществления изобретения поверхностные структуры и катализатор могут быть выполнены с возможностью обеспечения производства, главным образом, заранее определенного первичного или предпочтительного продукта. В качестве альтернативы, поверхностные структуры и катализатор могут быть выполнены с возможностью обеспечения производства одного или нескольких заранее определенных продуктов, например, предпочтительного или первичного продукта, и вторичного продукта (который также может быть предпочтительным). Подобным образом, поверхностные структуры и катализатор могут быть выполнены с возможностью сведения к минимуму производства нежелательного продукта.In some embodiments of the invention, the surface structures are substantially uniform in size. It is believed that uniform size and/or geometry can provide substantially uniform results, such as, but not limited to, substantially uniform current and/or voltage across each structure, producing a substantially uniform product. In an exemplary embodiment of the invention, the surface structures and catalyst may be configured to produce primarily a predetermined primary or preferred product. Alternatively, the surface structures and catalyst may be configured to produce one or more predetermined products, for example, a preferred or primary product, and a secondary product (which may also be preferred). Likewise, the surface structures and catalyst can be configured to minimize the production of undesired product.

Что касается поверхностных структур, может присутствовать множество поверхностных структур по существу однородного размера и/или однородной геометрии, и множество поверхностных структур может содержать катализатор или каталитический материал на одном или нескольких ребрах и/или вершинах и/или кончиках и/или вершинах указанных структур. With respect to surface structures, a plurality of surface structures of substantially uniform size and/or uniform geometry may be present, and the plurality of surface structures may comprise a catalyst or catalytic material at one or more edges and/or apexes and/or tips and/or apexes of said structures.

В некоторых вариантах осуществления изобретения поверхностные структуры имеют по меньшей мере одну линию симметрии. В некоторых вариантах осуществления изобретения поверхностные структуры имеют по меньшей мере две линии симметрии.In some embodiments of the invention, the surface structures have at least one line of symmetry. In some embodiments of the invention, the surface structures have at least two lines of symmetry.

В некоторых вариантах осуществления изобретения поверхностная структура (или структуры) характеризуется/характеризуются одним или нескольким из следующего:In some embodiments of the invention, the surface structure (or structures) is/are characterized by one or more of the following:

i. одинаковые или различные или разнородные высоты от поверхности несущей подложки,i. identical or different or dissimilar heights from the surface of the supporting substrate,

ii. одинаковая или различная или разнородная геометрия формы по отношению к другой поверхностной структуре (или структурам),ii. same or different or heterogeneous shape geometry in relation to other surface structure (or structures),

iii. правильная или неправильная геометрия,iii. correct or incorrect geometry,

iv. расположение на равном или неравном расстоянии друг от друга,iv. location at equal or unequal distances from each other,

v. одинаковая или различная или разнородная плотность,v. same or different or heterogeneous density,

vi. группа из множества упомянутых поверхностных структур, содержащих множество поверхностных структур по любому из п. i-v.vi. a group of a plurality of said surface structures containing a plurality of surface structures according to any one of items i-v.

В некоторых вариантах осуществления изобретения поверхностная структура (или структуры) характеризуется/характеризуются заданным расстоянием или плотностью, чтобы некоторое количество вершин или концов действовали в качестве функциональной поверхности, или чтобы на них формировалась функциональная поверхность требуемого размера и плотности для восстановления или окисления активных частиц, как описано в настоящем документе.In some embodiments, the surface structure (or structures) is/are characterized by a predetermined spacing or density such that a number of vertices or ends act as a functional surface, or so that a functional surface of the required size and density is formed on them for reduction or oxidation of active species, such as described in this document.

В некоторых вариантах осуществления изобретения поверхностная структура (или структуры) характеризуется/характеризуются заданным однородным расстоянием или плотностью, чтобы некоторое количество вершин и/или концов одного размера действовали в качестве функциональной поверхности, или чтобы на них формировалась функциональная поверхность требуемого размера и плотности для восстановления или окисления активных частиц, как описано в настоящем документе. В любом из вариантов осуществления настоящего изобретения поверхностные структуры с однородным размером также могут иметь однородную геометрию.In some embodiments of the invention, the surface structure (or structures) is/are characterized by a predetermined uniform spacing or density such that a number of vertices and/or ends of the same size act as a functional surface, or so that a functional surface of the required size and density is formed thereon to restore or oxidation of active species as described herein. In any of the embodiments of the present invention, surface structures with uniform size may also have uniform geometry.

Что касается поверхностных структур, может присутствовать множество поверхностных структур по существу однородного размера и/или однородной геометрии, и множество поверхностных структур может содержать катализатор или каталитический материал на одном или нескольких ребрах и/или вершинах и/или кончиках и/или вершинах указанных структур. With respect to surface structures, a plurality of surface structures of substantially uniform size and/or uniform geometry may be present, and the plurality of surface structures may comprise a catalyst or catalytic material at one or more edges and/or apexes and/or tips and/or apexes of said structures.

В некоторых вариантах осуществления изобретения поверхностная структура (или структуры) содержит/содержат дистальный концевой участок, при этом указанный дистальный концевой участок наиболее удален от поверхности, от которой отходит указанная поверхностная структура (или структуры), причем указанный дистальный концевой участок имеет заостренную форму, или форму вершины, или пика, или шипа, или гребня, которая позволяет выступать в качестве функциональной поверхности или позволяет сформировать на ней функциональную поверхность. In some embodiments of the invention, the surface structure (or structures) contains/contain a distal end portion, wherein said distal end portion is furthest from the surface from which said surface structure (or structures) extends, wherein said distal end portion has a pointed shape, or the shape of a vertex, or peak, or tenon, or ridge that allows to act as a functional surface or allows a functional surface to be formed upon it.

В некоторых вариантах осуществления изобретения поверхностная структура (или структуры) представлена/представлены в виде матрицы или множества матриц поверхностных структур, расположенных на несущей поверхности подложки.In some embodiments of the invention, the surface structure (or structures) is/are presented as an array or multiple arrays of surface structures located on a support surface of the substrate.

В некоторых вариантах осуществления изобретения матрица или каждая матрица представляет собой геометрически упорядоченный однородный узор.In some embodiments, the matrix or each matrix is a geometrically ordered uniform pattern.

В некоторых вариантах осуществления изобретения матрица или каждая матрица представляет собой последовательно упорядоченный узор группировки поверхностных структур.In some embodiments, the matrix or each matrix is a sequentially ordered pattern of grouping of surface structures.

В некоторых вариантах осуществления изобретения матрица или каждая матрица отдельно создается формовочным инструментом машины непрерывного формования, горячего тиснения, литографии, литья под давлением, штамповки, гальванопластики, литографии или другой технологии формования.In some embodiments, the matrix or each matrix is separately created by the molding tool of a continuous molding machine, hot stamping, lithography, injection molding, stamping, electroforming, lithography, or other molding technology.

В некоторых вариантах осуществления изобретения ширина поверхностной структуры в месте соединения с несущей подложкой составляет от примерно 20 нм до примерно 5000 мкм. В некоторых вариантах осуществления изобретения - от примерно 40 нм до примерно 4000 мкм; от примерно 55 нм до примерно 3000 мкм; от примерно 75 нм до примерно 2500 мкм; от примерно 100 нм до примерно 4000 мкм; от примерно 250 нм до примерно 3500 мкм, от примерно 20 нм до примерно 3500 мкм; от примерно 2 нм до примерно 4000 мкм; от примерно 20 нм до примерно 2500 мкм; от примерно 20 нм до примерно 4000 мкм; от примерно 20 нм до примерно 3000 мкм; от примерно 20 нм до примерно 2000 мкм. В некоторых вариантах осуществления изобретения - от примерно 5 нм до примерно 750 мкм; от примерно 5 нм до примерно 500 мкм; от примерно 5 нм до примерно 100 мкм.In some embodiments, the width of the surface structure at the junction with the support substrate is from about 20 nm to about 5000 μm. In some embodiments, from about 40 nm to about 4000 microns; from about 55 nm to about 3000 μm; from about 75 nm to about 2500 μm; from about 100 nm to about 4000 μm; from about 250 nm to about 3500 μm, from about 20 nm to about 3500 μm; from about 2 nm to about 4000 μm; from about 20 nm to about 2500 μm; from about 20 nm to about 4000 μm; from about 20 nm to about 3000 μm; from about 20 nm to about 2000 µm. In some embodiments, from about 5 nm to about 750 microns; from about 5 nm to about 500 μm; from about 5 nm to about 100 µm.

В некоторых вариантах осуществления изобретения ширина поверхностных структур в микрометровом масштабе в месте соединения с несущей подложкой составляет от около 5 мкм до около 500 мкм. В некоторых вариантах осуществления изобретения ширина поверхностной структуры в микрометровом масштабе составляет около 50 мкм.In some embodiments, the width of the surface structures on a micrometer scale at the junction with the support substrate is from about 5 μm to about 500 μm. In some embodiments, the width of the surface structure on a micrometer scale is about 50 microns.

В некоторых вариантах осуществления изобретения длина поверхностных структур в микрометровом масштабе в месте соединения с несущей подложкой составляет от около 5 мкм до около 500 мкм. В некоторых вариантах осуществления изобретения длина поверхностной структуры в микрометровом масштабе составляет около 50 мкм.In some embodiments, the micrometer-scale length of the surface structures at the junction with the support substrate is from about 5 μm to about 500 μm. In some embodiments of the invention, the length of the surface structure on a micrometer scale is about 50 microns.

В некоторых вариантах осуществления изобретения ширина поверхностных структур в нанометровом масштабе в месте соединения с несущей подложкой составляет от около 25 нм до около 5000 нм. В некоторых вариантах осуществления изобретения ширина поверхностной структуры в микрометровом масштабе составляет около 250 нм.In some embodiments, the width of the nanometer-scale surface structures at the junction with the support substrate is from about 25 nm to about 5000 nm. In some embodiments, the width of the surface structure on a micrometer scale is about 250 nm.

В некоторых вариантах осуществления изобретения длина поверхностных структур в нанометровом масштабе в месте соединения с несущей подложкой составляет от около 25 нм до около 5000 нм. В некоторых вариантах осуществления изобретения длина поверхностной структуры в микрометровом масштабе составляет около 250 нм.In some embodiments, the length of the nanometer-scale surface structures at the junction with the support substrate is from about 25 nm to about 5000 nm. In some embodiments, the micrometer-scale length of the surface structure is about 250 nm.

В некоторых вариантах осуществления изобретения высота поверхностной структуры (т.е. высота, на которую она выступает из несущей подложки) составляет от примерно 20 нм до примерно 5000 мкм. В некоторых вариантах осуществления изобретения - от примерно 40 нм до примерно 4000 мкм; от примерно 55 нм до примерно 3000 мкм; от примерно 75 нм до примерно 2500 мкм; от примерно 100 нм до примерно 4000 мкм; от примерно 250 нм до примерно 3500 мкм, от примерно 20 нм до примерно 3500 мкм; от примерно 2 нм до примерно 4000 мкм; от примерно 20 нм до примерно 2500 мкм; от примерно 20 нм до примерно 4000 мкм; от примерно 20 нм до примерно 3000 мкм; от примерно 20 нм до примерно 2000 мкм. В некоторых вариантах осуществления изобретения - от примерно 5 нм до примерно 750 мкм; от примерно 5 нм до примерно 500 мкм; от примерно 5 нм до примерно 100 мкм. In some embodiments, the height of the surface structure (ie, the height to which it protrudes from the support substrate) is from about 20 nm to about 5000 μm. In some embodiments, from about 40 nm to about 4000 microns; from about 55 nm to about 3000 μm; from about 75 nm to about 2500 μm; from about 100 nm to about 4000 μm; from about 250 nm to about 3500 μm, from about 20 nm to about 3500 μm; from about 2 nm to about 4000 μm; from about 20 nm to about 2500 μm; from about 20 nm to about 4000 μm; from about 20 nm to about 3000 μm; from about 20 nm to about 2000 µm. In some embodiments, from about 5 nm to about 750 microns; from about 5 nm to about 500 μm; from about 5 nm to about 100 µm.

В некоторых вариантах осуществления изобретения высота поверхностной структуры в микрометровом масштабе в месте соединения с несущей подложкой составляет от около 5 мкм до около 500 мкм. В некоторых вариантах осуществления изобретения высота поверхностной структуры в микрометровом масштабе составляет около 50 мкм.In some embodiments, the height of the surface structure on a micrometer scale at the junction with the support substrate is from about 5 μm to about 500 μm. In some embodiments of the invention, the height of the surface structure on a micrometer scale is about 50 microns.

В некоторых вариантах осуществления изобретения плотность поверхностных структур в микрометровом масштабе обеспечивает наличие от около 180000 до около 1800 вершин или пиков на квадратный сантиметр для обеспечения функциональной поверхности или формирования на ней функциональной поверхности. В некоторых вариантах осуществления изобретения плотность поверхностных структур в микрометровом масштабе обеспечивает наличие 18000 вершин или пиков на квадратный сантиметр для обеспечения функциональной поверхности или формирования на ней функциональной поверхности.In some embodiments, the density of micrometer-scale surface structures provides from about 180,000 to about 1800 vertices or peaks per square centimeter to provide or form a functional surface thereon. In some embodiments, the density of micrometer-scale surface structures provides 18,000 vertices or peaks per square centimeter to provide or form a functional surface thereon.

В некоторых вариантах осуществления изобретения высота поверхностной структуры в нанометровом масштабе в месте соединения с несущей подложкой составляет от около 25 нм до около 5000 нм. В некоторых вариантах осуществления изобретения высота поверхностной структуры в нанометровом масштабе составляет около 250 нм.In some embodiments of the invention, the height of the surface structure on a nanometer scale at the junction with the supporting substrate is from about 25 nm to about 5000 nm. In some embodiments of the invention, the height of the surface structure on a nanometer scale is about 250 nm.

В некоторых вариантах осуществления изобретения плотность поверхностных структур в нанометровом масштабе обеспечивает наличие от около 160 000 000 до около 16 000 000 000 вершин или пиков на квадратный сантиметр для обеспечения функциональной поверхности или формирования на ней функциональной поверхности. В некоторых вариантах осуществления плотность поверхностных структур в нанометровом масштабе обеспечивает наличие 1 600 000 000 вершин или пиков на квадратный сантиметр для обеспечения функциональной поверхности или формирования на ней функциональной поверхности.In some embodiments, the density of nanometer-scale surface structures provides from about 160,000,000 to about 16,000,000,000 vertices or peaks per square centimeter to provide or form a functional surface thereon. In some embodiments, the density of nanometer-scale surface structures provides 1,600,000,000 vertices or peaks per square centimeter to provide or form a functional surface thereon.

В некоторых вариантах осуществления изобретения функциональная поверхность находится на вершине или около вершины поверхностной структуры.In some embodiments of the invention, the functional surface is at or near the top of the surface structure.

В некоторых вариантах осуществления изобретения функциональная поверхность находится на вершине или около вершины поверхностной структуры, и поверхностная структура сужается к вершине и/или имеет главным образом треугольное поперечное сечение вдоль плоскости, параллельной верхней поверхности несущей подложки.In some embodiments, the functional surface is at or near the apex of the surface structure, and the surface structure tapers toward the apex and/or has a substantially triangular cross-section along a plane parallel to the top surface of the support substrate.

В некоторых вариантах осуществления изобретения функциональная поверхность находится на вершине или около вершины поверхностной структуры, и при этом ширина вершины каждой поверхностной структуры составляет от около 1 нм до около 5000 мкм. В некоторых вариантах осуществления изобретения - от примерно 10 нм до примерно 10 мкм, или от примерно 20 нм до примерно 2 мкм, или от примерно 30 нм до примерно 1 мкм. В некоторых вариантах осуществления изобретения - от примерно 1 нм до примерно 1000 нм, или от примерно 1 нм до примерно 500 нм, или от примерно 1 нм до примерно 100 нм, или от примерно 1 нм до примерно 50 нм. Ширина вершины каждой поверхностной структуры меньше, чем в месте соединения с несущей подложкой.In some embodiments, the functional surface is at or near the top of the surface structure, and the width of the top of each surface structure is from about 1 nm to about 5000 μm. In some embodiments, from about 10 nm to about 10 μm, or from about 20 nm to about 2 μm, or from about 30 nm to about 1 μm. In some embodiments, from about 1 nm to about 1000 nm, or from about 1 nm to about 500 nm, or from about 1 nm to about 100 nm, or from about 1 nm to about 50 nm. The width of the top of each surface structure is less than at the junction with the supporting substrate.

В некоторых вариантах осуществления изобретения функциональная поверхность находится на вершине или около вершины поверхностной структуры, и при этом вершины поверхностных структур отделены друг от друга на расстояние от примерно 5 нм до примерно 1000 мкм; от примерно 10 нм до примерно 1000 мкм; от примерно 25 нм до примерно 1000 мкм; от примерно 5 нм до примерно 750 мкм; от примерно 5 нм до примерно 500 мкм; от примерно 5 нм до примерно 100 мкм (от вершины до вершины). В некоторых вариантах осуществления изобретения - от примерно 5 нм до примерно 2000 нм; от примерно 5 нм до примерно 1000 нм; от примерно 5 нм до примерно 500 нм (от вершины до вершины). In some embodiments, the functional surface is at or near the top of the surface structure, and the tops of the surface structures are separated from each other by a distance of from about 5 nm to about 1000 μm; from about 10 nm to about 1000 μm; from about 25 nm to about 1000 μm; from about 5 nm to about 750 μm; from about 5 nm to about 500 μm; from about 5 nm to about 100 μm (vertex to vertex). In some embodiments, from about 5 nm to about 2000 nm; from about 5 nm to about 1000 nm; from about 5 nm to about 500 nm (vertex to vertex).

В некоторых вариантах осуществления изобретения несущая подложка содержит металл, композитный материал, полимер, кремний или стекло. In some embodiments, the support substrate comprises metal, composite material, polymer, silicon, or glass.

В некоторых вариантах осуществления изобретения несущая подложка содержит один слой или несколько слоёв. В некоторых вариантах осуществления изобретения несущая подложка является непроводящей, например, из непроводящего полимера, стекла и/или диоксида кремния. В некоторых вариантах осуществления изобретения несущая подложка является проводящей. В некоторых вариантах осуществления изобретения проводящий материал представляет собой легированный кремний (Si), полупроводник, металл, проводящий полимер, полимер с углеродным наполнением или композитный материал. В некоторых вариантах осуществления изобретения металл представляет собой переходный металл, включая Ni, Cu, Al, Pt, Au, Ag, Mg и Mn. In some embodiments of the invention, the support substrate comprises one layer or more layers. In some embodiments, the support substrate is non-conductive, such as non-conductive polymer, glass and/or silica. In some embodiments of the invention, the support substrate is conductive. In some embodiments, the conductive material is doped silicon (Si), a semiconductor, a metal, a conductive polymer, a carbon-filled polymer, or a composite material. In some embodiments, the metal is a transition metal, including Ni, Cu, Al, Pt, Au, Ag, Mg and Mn.

В некоторых вариантах осуществления изобретения поверхностные структуры составляют единое целое с несущей подложкой. В некоторых вариантах осуществления изобретения поверхностные структуры формируются вместе с несущей подложкой. В некоторых вариантах осуществления изобретения поверхностные структуры выполнены из того же материала, что и несущая подложка. В некоторых вариантах осуществления изобретения поверхностные структуры и несущая подложка состоят из металла. В некоторых вариантах осуществления изобретения несущая подложка и поверхностные структуры содержат композитный материал, полимер, диоксид кремния или стекло.In some embodiments of the invention, the surface structures are integral with the supporting substrate. In some embodiments of the invention, the surface structures are formed together with the supporting substrate. In some embodiments of the invention, the surface structures are made of the same material as the supporting substrate. In some embodiments of the invention, the surface structures and support substrate are composed of metal. In some embodiments, the support substrate and surface structures comprise a composite material, polymer, silica, or glass.

В некоторых вариантах осуществления изобретения несущая подложка и поверхностные структуры содержат первый материал, и поверхностные структуры однородного размера дополнительно содержат покрывающий их слой.In some embodiments, the support substrate and surface structures comprise a first material, and the uniformly sized surface structures further comprise a layer covering them.

В некоторых вариантах осуществления изобретения несущая подложка имеет толщину от примерно 50 мкм до 5 мм. В некоторых вариантах осуществления изобретения несущая подложка имеет толщину от примерно 1 мм до 2 мм; от примерно 85 мкм до примерно 2 мм; от примерно 85 мкм до примерно 1 мм; от примерно 1 мм до примерно 4 мм; от примерно 1 мм до примерно 3 мм; от примерно 85 мкм до примерно 2 мм.In some embodiments, the support substrate has a thickness of from about 50 μm to 5 mm. In some embodiments, the support substrate has a thickness of from about 1 mm to 2 mm; from about 85 μm to about 2 mm; from about 85 μm to about 1 mm; from about 1 mm to about 4 mm; from about 1 mm to about 3 mm; from about 85 µm to about 2 mm.

В некоторых вариантах осуществления изобретения электрокатализатор нанесен на верхнюю поверхность несущей подложки. В некоторых вариантах осуществления изобретения электрокатализатор нанесен на верхнюю поверхность поверхностных структур. В некоторых вариантах осуществления изобретения электрокатализатор нанесен на вершины поверхностной структуры. В некоторых вариантах осуществления изобретения электрокатализатор представляет собой материал, отличный от материала поверхностной структуры и/или несущей подложки.In some embodiments of the invention, the electrocatalyst is deposited on the top surface of the support substrate. In some embodiments of the invention, the electrocatalyst is applied to the top surface of the surface structures. In some embodiments of the invention, the electrocatalyst is deposited on the tops of the surface structure. In some embodiments of the invention, the electrocatalyst is a material other than the material of the surface structure and/or support substrate.

В некоторых вариантах осуществления изобретения электрокатализатор нанесен на менее, чем от примерно 50% до примерно 0,000001% поверхности, если смотреть сверху. В некоторых вариантах осуществления изобретения электрокатализатор нанесен на менее, чем примерно 50% площади поверхности, менее примерно 40%, менее примерно 30%, менее примерно 20%, менее примерно 10%, менее примерно 1%, менее примерно 0,01%, менее примерно 0,001%, менее примерно 0,0001%, менее примерно 0,00001%, менее примерно 0,000001%. В некоторых вариантах осуществления изобретения электрокатализатор нанесен на примерно 0,0000001% или от примерно 0,000001% до примерно 50% площади поверхности катализатора, если смотреть сверху. Очевидно, что наименьшая возможная площадь поверхности — это один атом на несущей структуре.In some embodiments, the electrocatalyst is deposited on less than about 50% to about 0.000001% of the surface as viewed from above. In some embodiments, the electrocatalyst is applied to less than about 50% of the surface area, less than about 40%, less than about 30%, less than about 20%, less than about 10%, less than about 1%, less than about 0.01%, less less than about 0.001%, less than about 0.0001%, less than about 0.00001%, less than about 0.000001%. In some embodiments, the electrocatalyst is deposited on about 0.0000001%, or from about 0.000001% to about 50% of the surface area of the catalyst as viewed from above. Obviously, the smallest possible surface area is one atom on the supporting structure.

В некоторых вариантах осуществления изобретения электрокатализатор нанесен на менее, чем от примерно 50% до примерно 0,0001% поверхности, если смотреть сверху. В некоторых вариантах осуществления изобретения электрокатализатор нанесен на менее, чем от примерно 50% до примерно 0,1% поверхности, если смотреть сверху. В некоторых вариантах осуществления изобретения электрокатализатор нанесен на менее, чем от примерно 30% до примерно 0,0001% поверхности матрицы, если смотреть сверху.In some embodiments, the electrocatalyst is deposited on less than about 50% to about 0.0001% of the surface as viewed from above. In some embodiments, the electrocatalyst is applied to less than about 50% to about 0.1% of the surface as viewed from above. In some embodiments, the electrocatalyst is deposited on less than about 30% to about 0.0001% of the matrix surface as viewed from above.

В некоторых вариантах осуществления изобретения электрокатализатор содержит слой, по существу, постоянной толщины. В некоторых вариантах осуществления изобретения толщина электрокатализатора составляет примерно от 1 нм до 5 мкм. В некоторых вариантах осуществления изобретения - от примерно 20 нм до 500 нм или от примерно 50 нм до 100 нм; от примерно 50 нм до 500 нм; от примерно 50 нм до 300 нм; от примерно 1 нм до примерно 3 мкм; от примерно 3 нм до примерно 5 мкм; от примерно 2 нм до примерно 4 мкм. В некоторых вариантах осуществления изобретения толщина электрокатализатора составляет больше 0 нм, но меньше примерно 1 нм.In some embodiments of the invention, the electrocatalyst contains a layer of substantially constant thickness. In some embodiments, the thickness of the electrocatalyst is from about 1 nm to about 5 μm. In some embodiments, from about 20 nm to 500 nm, or from about 50 nm to 100 nm; from about 50 nm to 500 nm; from about 50 nm to 300 nm; from about 1 nm to about 3 μm; from about 3 nm to about 5 μm; from about 2 nm to about 4 µm. In some embodiments, the thickness of the electrocatalyst is greater than 0 nm but less than about 1 nm.

В некоторых вариантах осуществления изобретения электрокатализаторы на верхней поверхности двух или более поверхностных структур электрически соединены внутри матрицы. In some embodiments, electrocatalysts on the top surface of two or more surface structures are electrically coupled within the matrix.

В качестве альтернативы, электрокатализатор является неотъемлемой частью поверхностной структуры (или структур). В некоторых вариантах осуществления изобретения электрокатализатор выполнен как единое целое с несущей структурой. В некоторых вариантах осуществления изобретения электрокатализатор выполнен из того же материала, что и поверхностная структура (или структуры).Alternatively, the electrocatalyst is an integral part of the surface structure (or structures). In some embodiments of the invention, the electrocatalyst is integral with the supporting structure. In some embodiments of the invention, the electrocatalyst is made of the same material as the surface structure (or structures).

В некоторых вариантах осуществления изобретения электрокатализатор содержит материал, который оказывает каталитический эффект. В некоторых вариантах осуществления изобретения электрокатализатор содержит проводящий материал. Проводящие материалы могут включать, помимо прочего, углерод (например, графит, графен, углеродные волокна, углеродные нанотрубки, фуллерены), проводящие полимеры (например, полипирролидон (PPy), полиацетилен, металл, сплав, металлоорганический комплекс или другой подобный проводящий материал. В некоторых вариантах осуществления изобретения электрокатализатор содержит медь, переходный металл, сплав, металлоорганический комплекс, содержащий переходный металл металлоорганический комплекс, органический материал, который может окисляться или восстанавливаться. В некоторых вариантах осуществления изобретения переходный металл выбирают из Ti, V, Cr, Fe, Co, Cu, Zn, Ga, Rb, Sr, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Ro, Pd, Ag, Cd, In, Sb, Sn, Cs, Ba, La, Ce, PR, Nd, W, Os, Ir, Au, Pb, Bi, Ra, U, Pt, Au и Ni. В некоторых вариантах осуществления изобретения электрокатализатор содержит никель. В некоторых вариантах осуществления изобретения металлоорганический комплекс и/или металлоорганический комплекс, содержащий переходный металл, выбирают из ферроцена, порфирина, фенантролина, порфирин-имидазола, триспиридиламина и/или триазола с переходным металлом (ферроцен уже содержит переходный металл, и порфирин может дополнительно включать в себя переходный металл).In some embodiments of the invention, the electrocatalyst contains a material that has a catalytic effect. In some embodiments of the invention, the electrocatalyst contains a conductive material. Conductive materials may include, but are not limited to, carbon (e.g., graphite, graphene, carbon fibers, carbon nanotubes, fullerenes), conductive polymers (e.g., polypyrrolidone (PPy), polyacetylene, metal, alloy, organometallic complex, or other similar conductive material. B In some embodiments, the electrocatalyst contains copper, a transition metal, an alloy, an organometallic complex, a transition metal-containing organometal complex, an organic material that can be oxidized or reduced.In some embodiments, the transition metal is selected from Ti, V, Cr, Fe, Co, Cu, Zn, Ga, Rb, Sr, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Ro, Pd, Ag, Cd, In, Sb, Sn, Cs, Ba, La, Ce, PR, Nd, W, Os, Ir, Au, Pb, Bi, Ra, U, Pt, Au and Ni. In some embodiments, the electrocatalyst contains nickel. In some embodiments, the organometallic complex and/or the transition metal-containing organometallic complex is selected from ferrocene, porphyrin, phenanthroline, porphyrin-imidazole, trispyridylamine and/or a transition metal triazole (ferrocene already contains a transition metal, and the porphyrin may further include a transition metal).

В некоторых вариантах осуществления изобретения проводящий раствор содержит воду и/или органический растворитель. В некоторых вариантах осуществления изобретения органический растворитель выбирают из спирта (например, этанола), простого эфира, ацетонитрила, этилацетата, ацетона и/или ДМСО. In some embodiments, the conductive solution contains water and/or an organic solvent. In some embodiments, the organic solvent is selected from alcohol (eg, ethanol), ether, acetonitrile, ethyl acetate, acetone, and/or DMSO.

В некоторых вариантах осуществления изобретения проводящий раствор содержит электролит. В некоторых вариантах осуществления изобретения электролит выбирают из буферного раствора (растворов), соли (например, NaCl) или растворов кислоты и основы (например, H2SO4, HNO3, NaOH)). В некоторых вариантах осуществления изобретения раствор содержит буферный раствор с ионами хлорида щелочного металла и ионами меди 2+. In some embodiments of the invention, the conductive solution contains an electrolyte. In some embodiments, the electrolyte is selected from a buffer solution(s), a salt (eg, NaCl), or acid-base solutions (eg, H2SO4 , HNO3 , NaOH )). In some embodiments, the solution contains a buffer solution with alkali metal chloride ions and copper 2+ ions.

В некоторых вариантах осуществления изобретения активные частицы находятся в газообразном или жидком состоянии. В некоторых вариантах осуществления изобретения активные частицы представляют собой газ, который пропускают через проводящий раствор. В некоторых вариантах осуществления изобретения газ выбирают из водорода, кислорода, азота, метана, монооксида углерода и/или диоксида углерода или воздуха, или смеси любых двух или более из них. В некоторых вариантах осуществления изобретения активные частицы являются жидкостью. В некоторых вариантах осуществления изобретения жидкость представляет собой воду, метанол, этанол, пропанол, ацетон, аммиак, жидкие углеводороды с короткой цепью (например, до C21). Когда активные частицы представляют собой воду, проводящий раствор предпочтительно также представляет собой воду с электролитом или органическим растворителем. Органический растворитель может быть добавлен для улучшения растворимости или участия в окислительных или восстановительных процессах.In some embodiments of the invention, the active particles are in a gaseous or liquid state. In some embodiments, the active species is a gas that is passed through the conductive solution. In some embodiments, the gas is selected from hydrogen, oxygen, nitrogen, methane, carbon monoxide and/or carbon dioxide or air, or a mixture of any two or more of these. In some embodiments of the invention, the active particles are a liquid. In some embodiments, the liquid is water, methanol, ethanol, propanol, acetone, ammonia, short chain liquid hydrocarbons (eg, up to C21). When the active species is water, the conductive solution is preferably also water with an electrolyte or organic solvent. An organic solvent may be added to improve solubility or participate in oxidation or reduction processes.

Противоэлектрод выполняет окислительно-восстановительные процессы уравновешивания заряда (окисление или восстановление, анод или катод) и дополняет окислительно-восстановительные процессы (окислительные или восстановительные, анодные или катодные), происходящие на рабочем электроде. The counter electrode performs redox charge balancing processes (oxidation or reduction, anode or cathode) and complements the redox processes (oxidation or reduction, anodic or cathode) occurring at the working electrode.

В некоторых вариантах осуществления изобретения, предпочтительно, противоэлектрод, который выполняет окислительно-восстановительные процессы (окисление или восстановление) уравновешивания заряда и дополняет окислительно-восстановительные (окислительные или восстановительные) процессы, происходящие на рабочем электроде, выполняют из материала, выбранного из группы, состоящей из инертного проводящего материала, проводящего материала, металла, Pt, золота, углерода, графита, графена, углеродного волокна, углеродных нанотрубок, фуллерена, проводящего полимера PPy, PA, PA-ацетилена или того же материала, что и рабочий электрод.  Противоэлектрод может иметь различные формы и размеры, включая ткань, плоский, перфорированный лист, волокна, сетку или трехмерную матрицу, как определено в этом документе. Ожидается, что трехмерные структуры улучшат окислительно-восстановительные свойства, включая катализ противоэлектрода, аналогично тому, как это происходит на рабочем электроде, как описано в этом документе.In some embodiments of the invention, preferably, the counter electrode, which performs the redox (oxidation or reduction) charge balancing processes and complements the redox (oxidation or reduction) processes occurring at the working electrode, is made of a material selected from the group consisting of inert conductive material, conductive material, metal, Pt, gold, carbon, graphite, graphene, carbon fiber, carbon nanotubes, fullerene, conductive polymer PPy, PA, PA-acetylene or the same material as the working electrode. The counter electrode can be of various shapes and sizes, including fabric, flat, perforated sheet, fiber, mesh, or three-dimensional matrix, as defined herein. The 3D structures are expected to improve redox properties, including catalysis of the counter electrode, similar to what occurs at the working electrode as described in this paper.

В некоторых вариантах осуществления изобретения структура противоэлектрода является плоской или представляет собой матрицу. Например, матрицу пирамид, матрицу конусов, пирамидальных, конических или ребристых. В некоторых вариантах осуществления изобретения противоэлектрод содержит поверхностные структуры, как описано в этом документе. В некоторых вариантах осуществления изобретения форма противоэлектрода отражает форму поверхностных структур. В некоторых вариантах осуществления изобретения противоэлектрод содержит поверхностные структуры, аналогичные матрице электрокатализаторов. В некоторых вариантах осуществления изобретения противоэлектрод содержит поверхностные структуры, которые не схожи по размеру, геометрии или рисунку на матрицу электрокатализатора.In some embodiments of the invention, the counter electrode structure is planar or in the form of a matrix. For example, a matrix of pyramids, a matrix of cones, pyramidal, conical or ribbed. In some embodiments, the counter electrode comprises surface structures as described herein. In some embodiments, the shape of the counter electrode reflects the shape of the surface structures. In some embodiments, the counter electrode contains surface structures similar to the matrix of electrocatalysts. In some embodiments, the counter electrode includes surface structures that are not similar in size, geometry, or pattern to the electrocatalyst matrix.

В некоторых вариантах осуществления изобретения противоэлектрод находится (а) в фиксированной ориентации по отношению к поверхностной структуре, или (b) прикреплен к матрице электрода, или (c) удерживается в ориентации, необходимой для сведения к минимуму разницы в расстоянии между поверхностными структурами матрицы, или (d) над верхней поверхностью матрицы, или (e) включает в себя трехмерные поверхностные элементы, которые выполнены таким образом, чтобы способствовать расположению плотности заряда (напряжения или тока) на трехмерном рабочем электроде, например, ряд пиков, отражающих пики рабочего электрода.In some embodiments, the counter electrode is (a) in a fixed orientation with respect to the surface structure, or (b) attached to the electrode array, or (c) held in an orientation necessary to minimize differences in distance between surface structures of the array, or (d) above the top surface of the array, or (e) includes three-dimensional surface features that are configured to promote the location of charge density (voltage or current) on the three-dimensional working electrode, for example, a series of peaks reflecting peaks of the working electrode.

В некоторых вариантах осуществления изобретения противоэлектрод расположен параллельно поверхностным структурам. In some embodiments, the counter electrode is positioned parallel to the surface structures.

Реакция на противоэлектроде может быть представлена любым окислительно-восстановительным процессом. Например, это может быть окисление спирта, воды или другого компонента в дополнение к восстановлению на поверхностной структуре или наоборот.The reaction at the counter electrode can be represented by any redox process. For example, this could be oxidation of alcohol, water or another component in addition to reduction on the surface structure, or vice versa.

В некоторых вариантах осуществления изобретения противоэлектрод выполнен из материала, выбираемого из группы, состоящей из инертного проводящего материала, проводящего материала, металла, Pt, Au, углерода, графита, графена, углеродного волокна, углеродных нанотрубок, фуллерена, проводящего полимера PPy, PA, PA-ацетилена или того же материала, что и матрица электрокатализатора. В некоторых вариантах осуществления изобретения противоэлектрод представляет собой ткань, плоский перфорированный лист, волокна, сетку или трехмерную матрицу, как определено в этом документе. Ожидается, что трехмерные структуры улучшат окислительно-восстановительные свойства, включая катализ противоэлектрода, аналогично тому, как это происходит на рабочем электроде, как описано в этом документе.In some embodiments, the counter electrode is made of a material selected from the group consisting of inert conductive material, conductive material, metal, Pt, Au, carbon, graphite, graphene, carbon fiber, carbon nanotubes, fullerene, conductive polymer PPy, PA, PA -acetylene or the same material as the electrocatalyst matrix. In some embodiments, the counter electrode is a fabric, flat perforated sheet, fiber, mesh, or three-dimensional matrix, as defined herein. The 3D structures are expected to improve redox properties, including catalysis of the counter electrode, similar to what occurs at the working electrode as described in this paper.

В некоторых вариантах осуществления изобретения разность потенциалов, возникающая между противоэлектродом и электрокатализатором, составляет примерно от -2 В до +2 В. В некоторых вариантах осуществления изобретения — от примерно -1 В до + 1 В. В некоторых вариантах осуществления изобретения разность потенциалов составляет от примерно -200 мВ до -1 В. Предпочтительно, разность потенциалов составляет от примерно 0 мВ до 1,8 В для окисления.In some embodiments, the potential difference between the counter electrode and the electrocatalyst is from about -2 V to +2 V. In some embodiments, from about -1 V to +1 V. In some embodiments, the potential difference is from about -200 mV to -1 V. Preferably, the potential difference is from about 0 mV to 1.8 V for oxidation.

В некоторых вариантах осуществления ток, возникающий между электрокатализатором и противоэлектродом, главным образом постоянен. In some embodiments, the current generated between the electrocatalyst and the counter electrode is substantially constant.

В некоторых вариантах осуществления изобретения ток, возникающий между электрокатализатором и противоэлектродом, пульсирует между активирующим потенциалом и инактивирующим потенциалом. В некоторых вариантах осуществления изобретения ток, возникающий между электрокатализатором и противоэлектродом, пульсирует между активирующим потенциалом и инактивирующим потенциалом в диапазоне.In some embodiments of the invention, the current generated between the electrocatalyst and the counter electrode pulsates between an activation potential and an inactivation potential. In some embodiments of the invention, the current generated between the electrocatalyst and the counter electrode pulsates between an activation potential and an inactivation potential within a range.

В одном варианте осуществления изобретения раствор дополнительно содержит контрольный электрод. In one embodiment of the invention, the solution further comprises a reference electrode.

В некоторых вариантах осуществления изобретения матрица электрокатализатора содержит связывающий слой, причем связывающий слой присутствует либо на функциональной поверхности со значительно более высокой плотностью, чем у нефункциональной поверхности на матрице электрокатализатора; либо на нефункциональной поверхности матрицы электрокатализатора со значительно более высокой плотностью, чем в точке на функциональной поверхности на поверхностной структуре.In some embodiments, the electrocatalyst matrix comprises a bonding layer, wherein the bonding layer is present either on a functional surface with a significantly higher density than a non-functional surface on the electrocatalyst matrix; or on a non-functional surface of the electrocatalyst matrix with a significantly higher density than at a point on the functional surface on the surface structure.

В некоторых вариантах осуществления изобретения связывающий слой содержит самоорганизующийся монослой (SAM). В некоторых вариантах осуществления изобретения SAM присутствует на верхней поверхности электрокатализатора. В некоторых вариантах осуществления изобретения SAM присутствует на верхней поверхности несущей подложки. В некоторых вариантах осуществления изобретения SAM присутствует возле поверхностных структур таким образом, что поверхностная структура или ее часть выступает с открытой функциональной поверхностью на ней.In some embodiments, the bonding layer comprises a self-assembled monolayer (SAM). In some embodiments, the SAM is present on the top surface of the electrocatalyst. In some embodiments of the invention, the SAM is present on the top surface of the support substrate. In some embodiments, the SAM is present near the surface structures such that the surface structure or portion thereof protrudes with an exposed functional surface thereon.

В некоторых вариантах осуществления изобретения SAM содержит молекулы с длинной цепью, содержащие углеродную цепь от C6 до C24, которая может быть алканом, алкеном, алкином или ароматическим веществом. В некоторых вариантах осуществления изобретения — C6, C7, C8, C9, C10, C11, C12, C13, C14, C15, C16, C17, C18, C19, C20, C21, C22, C23 или C24 или их смеси.In some embodiments, SAM contains long chain molecules containing a carbon chain from C6 to C24, which may be an alkane, alkene, alkyne or aromatic substance. In some embodiments, C6, C7, C8, C9, C10, C11, C12, C13, C14, C15, C16, C17, C18, C19, C20, C21, C22, C23, or C24, or mixtures thereof.

В некоторых вариантах осуществления изобретения SAM содержит молекулы с короткой цепью, содержащие углеродную цепь C10 или меньше. В некоторых вариантах осуществления изобретения — C1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 или 10 или их смеси. In some embodiments, SAM comprises short-chain molecules containing a C10 carbon chain or less. In some embodiments, C1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, or 10, or mixtures thereof.

В некоторых вариантах осуществления изобретения SAM представляет собой смешанный SAM, содержащий молекулы с длинной цепью (C10 - C24, как указано выше) и короткой цепью (C1 - C10, как указано выше), которые могут быть алканами, алкенами, алкинами или ароматическими соединениями. В некоторых вариантах осуществления изобретения смешанный SAM содержит молекулы с длинной цепью, содержащие углеродную цепь от C6 до C24 (как указано выше) и молекулы с короткой цепью от C1 до C5 (как указано выше). In some embodiments, the SAM is a mixed SAM containing long chain (C10 - C24, as above) and short chain (C1 - C10, as above) molecules, which may be alkanes, alkenes, alkynes, or aromatics. In some embodiments of the invention, the mixed SAM contains long chain molecules containing a carbon chain from C6 to C24 (as above) and short chain molecules from C1 to C5 (as above).

В некоторых вариантах осуществления изобретения SAM с длинной цепью содержит молекулы, выбираемые из группы, состоящей из азидов, аминов, карбоксилатов, альдегидов, кетонов, сложных эфиров или карбоновых кислот либо их смесей. Такие молекулы присутствуют в основе SAM. В некоторых вариантах осуществления изобретения SAM с короткой цепью содержит молекулы, выбираемые из группы, состоящей из алканов, азидов, аминов, гидроксилов, карбоксилатов или карбоновых кислот либо их смесей. Такие молекулы присутствуют в основе SAM. In some embodiments, the long chain SAM contains molecules selected from the group consisting of azides, amines, carboxylates, aldehydes, ketones, esters or carboxylic acids, or mixtures thereof. Such molecules are present at the core of SAM. In some embodiments, the short chain SAM contains molecules selected from the group consisting of alkanes, azides, amines, hydroxyls, carboxylates or carboxylic acids, or mixtures thereof. Such molecules are present at the core of SAM.

В одном варианте осуществления изобретения SAM содержит смесь молекул с длинной цепью, содержащих молекулы карбоновых кислот с числом более С6, и молекул с короткой цепью, содержащих молекулы гидроксила. В вышеупомянутых вариантах осуществления изобретения молекулы SAM с длинной цепью предпочтительно выбирают из молекул с числом от C6 до C24.In one embodiment of the invention, the SAM contains a mixture of long chain molecules containing carboxylic acid molecules greater than C6 and short chain molecules containing hydroxyl molecules. In the above embodiments, the long chain SAM molecules are preferably selected from C6 to C24.

В некоторых вариантах осуществления изобретения SAM присутствует на матрице электрокатализатора, но отсутствует в верхней части поверхностной структуры (включая функциональную поверхность), как определено выше. In some embodiments of the invention, SAM is present on the electrocatalyst matrix, but is absent from the top of the surface structure (including the functional surface) as defined above.

В некоторых вариантах осуществления изобретения SAM содержит молекулы с короткой цепью, содержащие углеродную цепь с числом C5 или меньше, и при этом верхняя часть поверхностной структуры (или структур) либо (а) не содержит SAM, либо (b) содержит SAM, предназначенный для удаления путем создания тока между слоем электрокатализатора и противоэлектродом. In some embodiments, the SAM contains short chain molecules containing a carbon chain of C5 or less, and wherein the upper portion of the surface structure (or structures) either (a) does not contain SAM, or (b) contains SAM intended to remove by creating a current between the electrocatalyst layer and the counter electrode.

В некоторых вариантах осуществления изобретения SAM содержит SAM с длинной цепью, содержащий углеродную цепь с числом от C6 до C24, и в котором верхняя часть поверхностной структуры (или структур) либо (а) не содержит SAM, либо (b) содержит SAM, предназначенный для удаления путем создания тока между слоем электрокатализатора и противоэлектродом. In some embodiments, the SAM comprises a long chain SAM containing a carbon chain number of C6 to C24, and wherein the upper portion of the surface structure(s) either (a) does not contain a SAM, or (b) contains a SAM designed to removal by creating a current between the electrocatalyst layer and the counter electrode.

В одном варианте осуществления изобретения матрица электрода содержит связывающий слой SAM на верхней и нижней части поверхностной структуры, и контакт активных частиц с функциональной поверхностью приводит к избирательному удалению связывающего слоя SAM с верхней части поверхностной структуры, где сфокусирована плотность заряда (напряжение или ток). В этом варианте осуществления изобретения способ дополнительно включает в себя этап избирательного осаждения дополнительного связывающего слоя на открытую часть слоя электрокатализатора на функциональной поверхности. In one embodiment of the invention, the electrode matrix contains a SAM bonding layer on the top and bottom of the surface structure, and contact of the active particles with the functional surface results in selective removal of the SAM bonding layer from the top of the surface structure where the charge density (voltage or current) is focused. In this embodiment of the invention, the method further includes the step of selectively depositing an additional bonding layer on the exposed portion of the electrocatalyst layer on the functional surface.

В некоторых вариантах осуществления изобретения SAM выбирают из группы, состоящей из алкантиола с концевым метилом, азидом, тиолом, альдегидом, цианом, диазонием, аминами, спиртами, силанами, фосфоновыми кислотами и карбоновыми кислотами.In some embodiments, the SAM is selected from the group consisting of methyl-terminated alkanethiol, azide, thiol, aldehyde, cyanogen, diazonium, amines, alcohols, silanes, phosphonic acids, and carboxylic acids.

В конкретных вариантах осуществления изобретения SAM содержит:In specific embodiments of the invention, the SAM contains:

R-(ароматическое вещество)n-SH, алканы, алкены, алкины или ароматические соединения, включая как прямые цепи, так и цепи, состоящие из амидных и сложноэфирных связей R-(aromatic) n -SH, alkanes, alkenes, alkynes or aromatics, including both straight chains and chains consisting of amide and ester bonds

R-(CH2)n-SH, R-(CH2)n-NH2, или R-(CH 2 ) n -SH, R-(CH 2 ) n -NH 2 , or

R-(CH2)n-Si(OR’)3 R-(CH 2 ) n -Si(OR') 3

где R = алкил, карбоновая кислота, амин, альдегид, спирт, азид, хинон или тетразин; иwhere R = alkyl, carboxylic acid, amine, aldehyde, alcohol, azide, quinone or tetrazine; And

R’ = Me, MeOH, Cl, (галогенид), Et, EtOH; иR’ = Me, MeOH, Cl, (halide), Et, EtOH; And

где n=1 - 50.where n=1 - 50.

В некоторых вариантах осуществления изобретения проводящий раствор содержит растворенный реагент, способный прикрепляться к связывающему слою. В некоторых вариантах осуществления изобретения SAM содержит функциональную группу, которая реагирует с растворенным реагентом. В некоторых вариантах осуществления изобретения функциональная группа представляет собой концевую функциональную группу. В некоторых вариантах осуществления изобретения SAM функционализируется функциональной группой. В некоторых вариантах осуществления изобретения функциональную группу выбирают из группы, состоящей из азида, карбоновой кислоты, амина, спирта, сложного эфира, кетона, циана и альдегида. In some embodiments of the invention, the conductive solution contains a dissolved reagent capable of attaching to the bonding layer. In some embodiments, the SAM contains a functional group that reacts with a dissolved reagent. In some embodiments, the functional group is a terminal functional group. In some embodiments, the SAM is functionalized with a functional group. In some embodiments, the functional group is selected from the group consisting of azide, carboxylic acid, amine, alcohol, ester, ketone, cyanogen, and aldehyde.

В некоторых вариантах осуществления изобретения матрица электрода, представленная на этапе а) первых аспектов, содержит пассивирующий слой, расположенный на несущей подложке и покрывающий нижнюю часть поверхностной структуры, и имеющий открытую верхнюю часть. In some embodiments, the electrode array illustrated in step a) of the first aspects comprises a passivation layer disposed on a support substrate and covering a bottom portion of the surface structure and having an open top portion.

В некоторых вариантах осуществления изобретения этап подачи тока или напряжения для фокусировки плотности заряда (напряжения или тока) приводит к удалению пассивирующего слоя с функциональной поверхности в верхней части поверхностных структур. In some embodiments, the step of applying current or voltage to focus the charge density (voltage or current) results in the removal of the passivation layer from the functional surface at the top of the surface structures.

В некоторых вариантах осуществления изобретения пассивирующий слой удаляется путем применения восстановительного или окислительного потенциала между противоэлектродом и поверхностью электрода. В некоторых вариантах осуществления изобретения потенциал составляет от -2 В до +2 В, и в некоторых вариантах осуществления изобретения — от -200 мВ до -1 В, и в некоторых вариантах осуществления изобретения — -400 мВ относительно контрольного электрода из серебра/хлорида серебра.In some embodiments of the invention, the passivation layer is removed by applying a reduction or oxidation potential between the counter electrode and the electrode surface. In some embodiments, the potential is -2 V to +2 V, and in some embodiments, -200 mV to -1 V, and in some embodiments, -400 mV relative to the silver/silver chloride reference electrode .

В некоторых вариантах осуществления изобретения пассивирующий слой содержит функциональную группу для прикрепления к поверхности электрода. В одном варианте осуществления изобретения пассивирующий слой содержит связующий слой, как описано и определено в данном документе. В одном варианте осуществления изобретения пассивирующий слой содержит SAM. В некоторых вариантах осуществления изобретения SAM крепится к поверхности электрода атомом серы. В некоторых вариантах осуществления изобретения поверхность электрода выполнена из золота. В некоторых вариантах осуществления изобретения SAM дополнительно содержит функциональную группу, например, алкильную цепь, а в некоторых вариантах осуществления изобретения он дополнительно содержит карбоновую кислоту, связанную с амином функциональной группы. In some embodiments of the invention, the passivation layer contains a functional group for attachment to the surface of the electrode. In one embodiment of the invention, the passivation layer comprises a tie layer as described and defined herein. In one embodiment of the invention, the passivation layer contains SAM. In some embodiments, the SAM is attached to the electrode surface by a sulfur atom. In some embodiments of the invention, the surface of the electrode is made of gold. In some embodiments, the SAM further contains a functional group, such as an alkyl chain, and in some embodiments, it further contains a carboxylic acid linked to an amine functional group.

Пассивирующий слой между вершинами может быть фоторезистом, который наносится методом центрифугирования, окраски или распыления. Когда этот слой сухо или поперечно сшивается, он становится пассивирующим слоем и помогает фокусировать ток. В идеале этот слой представляет собой лак или сшитый УФ-излучением фоторезист, такой как SU8. В некоторых вариантах осуществления изобретения пассивирующий слой или защитный слой может включать в себя каталитический материал, который находится в неактивном месте на поверхности, например, в других местах, помимо ребер, гребней и/или вершин, или непосредственно рядом с ними.The passivation layer between the vertices can be a photoresist, which is applied by spin coating, painting or sputtering. When this layer is dry or cross-linked, it becomes a passivation layer and helps focus the current. Ideally, this layer is a varnish or a UV cross-linked photoresist such as SU8. In some embodiments of the invention, the passivation layer or protective layer may include catalyst material that is located at an inactive location on the surface, for example, at locations other than or immediately adjacent to ridges, ridges and/or peaks.

В некоторых вариантах осуществления изобретения связующий слой присутствует по меньшей мере на одном из следующего: функциональной поверхности; поверхностных структурах; пассивирующем слое; или несущей подложке.In some embodiments, the adhesive layer is present on at least one of the following: a functional surface; surface structures; passivation layer; or carrier substrate.

В некоторых вариантах осуществления изобретения способ применяется в топливном элементе.In some embodiments of the invention, the method is applied to a fuel cell.

Для специалистов в данной области техники, к которой относится изобретение, будут очевидны многие изменения в конструкции и широко различающиеся варианты осуществления и применения изобретения, не выходящие за пределы объема изобретения, определенного в прилагаемой формуле изобретения. Раскрытия и описания в данном документе являются исключительно иллюстративными и ни в коем смысле не предназначены для ограничения. Those skilled in the art to which the invention relates will recognize many changes in design and widely varying embodiments and applications of the invention without departing from the scope of the invention as defined in the appended claims. The disclosures and descriptions herein are for illustrative purposes only and are not intended to be limiting in any way.

Дополнительные аспекты изобретения, которые следует рассматривать во всех его новых аспектах, станут очевидными для специалистов в данной области техники после прочтения следующего описания, которое предоставляет по меньшей мере один пример практического применения изобретения.Additional aspects of the invention that should be considered in all its novel aspects will become apparent to those skilled in the art upon reading the following description, which provides at least one example of the practical application of the invention.

Краткое описание чертежейBrief description of drawings

Ниже будут описаны варианты осуществления изобретения, приведенные только в качестве примера со ссылкой на прилагаемые чертежи:Embodiments of the invention will be described below, given by way of example only, with reference to the accompanying drawings:

На фиг. 1 показано поперечное сечение матрицы электрода согласно изобретению с треугольным поперечным сечением.In fig. 1 shows a cross-section of an electrode array according to the invention with a triangular cross-section.

На фиг. 2а показана быстрая электрохимическая десорбция самоорганизующегося монослоя (SAM) с трехмерной пирамидальной поверхности электрода.In fig. Figure 2a shows the rapid electrochemical desorption of a self-assembled monolayer (SAM) from a three-dimensional pyramidal electrode surface.

На фиг. 2b показана более медленная электрохимическая десорбция SAM с плоской поверхности электрода.In fig. Figure 2b shows the slower electrochemical desorption of SAM from a flat electrode surface.

На фиг. 2с представлена кинетическая кривая электрохимической десорбции SAM на трехмерных и плоских поверхностях электродов. In fig. Figure 2c shows the kinetic curve of electrochemical desorption of SAM on three-dimensional and flat electrode surfaces.

На фиг. 3, 4a и 4b показаны изображения SAM, иллюстрирующие осаждение Pt на вершине группы поверхностных структур.In fig. 3, 4a and 4b show SAM images illustrating the deposition of Pt on top of a group of surface structures.

На фиг. 5а показано систематическое изменение механизма реакции восстановления O2 от чисто 2-электронного процесса на плоском электрокатализаторе к частично 2-электронному и частично 4-электронному процессу на электрокатализаторе с микропирамидальной структурой с изолирующим слоем и без него, и к чисто 4-электронному процессу на электрокатализаторе с нанопирамидальной структурой. Различные золотые электроды, использованные в примере, изображены на фиг. 5b. На фиг. 6 показано отсутствие тока в фоновой кривой (верхняя линия) и повышенный каталитический ток из-за введения CO2 (нижняя линия). In fig. Figure 5a shows a systematic change in the mechanism of the O 2 reduction reaction from a purely 2-electron process on a planar electrocatalyst to a partially 2-electron and partially 4-electron process on a micropyramidal electrocatalyst with and without an insulating layer, and to a pure 4-electron process on an electrocatalyst with a nanopyramidal structure. Various gold electrodes used in the example are shown in FIG. 5b. In fig. Figure 6 shows the absence of current in the background curve (upper line) and the increased catalytic current due to the introduction of CO 2 (lower line).

На фиг. 7а показаны кривые для металлоорганического катализатора (ферроцена) на плоских и трехмерных пирамидальных поверхностях электродов. На фиг. 7b показаны соответствующие графики Тафеля для кривых на фиг. 7a.In fig. Figure 7a shows curves for an organometallic catalyst (ferrocene) on flat and three-dimensional pyramidal electrode surfaces. In fig. 7b shows the corresponding Tafel plots for the curves in Fig. 7a.

На фиг. 8 показана кривая восстановления кислорода плоскими и трехмерными пирамидальными золотыми электродами.In fig. Figure 8 shows the oxygen reduction curve of flat and three-dimensional pyramidal gold electrodes.

На фиг. 9 показаны графики вольтамперометрии с линейной разверткой при 1600 об/мин для различных покрытых платиной (Pt) золотых электродов. In fig. Figure 9 shows linear sweep voltammetry plots at 1600 rpm for various platinum (Pt) coated gold electrodes.

На фиг. 10 показано восстановление кислорода 30% Pt/C, нанесенным на плоские и нанопирамидальные структуры.In fig. Figure 10 shows the oxygen reduction of 30% Pt/C deposited on planar and nanopyramidal structures.

На фиг. 11 показано влияние трехмерности на восстановление нитрата до азота.In fig. Figure 11 shows the effect of three-dimensionality on the reduction of nitrate to nitrogen.

На фиг. 12а (верхний график) и 12b (нижний график) показана зависимость скорости сканирования иммобилизованного ферроцена от пирамидальной и плоской поверхности электрода, соответственно.In fig. 12a (upper graph) and 12b (lower graph) show the dependence of the scanning speed of immobilized ferrocene on the pyramidal and flat electrode surface, respectively.

На фиг. 13 показан пиковый потенциал в зависимости от скорости сканирования как для окисления, так и для восстановления ферроцена.In fig. Figure 13 shows the peak potential as a function of scan rate for both ferrocene oxidation and reduction.

На фиг. 14 показана кривая частоты вращения для пирамидальной поверхности, покрытой платиной (Pt).In fig. 14 shows the rotation speed curve for a pyramidal surface coated with platinum (Pt).

На фиг. 15 показан график Коутецкого – Левича как для пирамидальной, так и для плоской поверхности.In fig. Figure 15 shows the Koutecki–Levich plot for both a pyramidal and a flat surface.

На фиг. 16 показан поэтапный процесс изготовления трехмерной матрицы электрода.In fig. 16 shows the step-by-step manufacturing process of a three-dimensional electrode matrix.

На фиг. 17 показаны: а) изображения SEM кремниевого эталона и b) изображение SEM никелевого эталона, созданного из кремниевого эталона, и с) SEM матрицы с тисненым золотым покрытием. In fig. 17 shows a) SEM images of a silicon master and b) SEM images of a nickel master created from a silicon master and c) SEM of an embossed gold plate.

На фиг. 18 показано производство газообразного водорода в идентичных условиях для A) плоских поверхностей по сравнению с пирамидальными 50 мкм и B) плоских поверхностей по сравнению с пирамидальными 250 нм. Изображения SEM для каждой из пирамид показаны ниже в п. C (пирамида 50 мкм) и D (пирамида 250 нм).In fig. 18 shows the production of hydrogen gas under identical conditions for A) flat surfaces compared to 50 µm pyramidal and B) flat surfaces compared to 250 nm pyramidal. SEM images for each of the pyramids are shown below in C (50 µm pyramid) and D (250 nm pyramid).

На фиг. 19 показана кривая фосфатно-солевого буферного раствора, барботируемого аргоном (верхняя линия) и аргоном + азотом (нижняя линия).In fig. Figure 19 shows the curve of a phosphate-buffered saline solution bubbled with argon (top line) and argon + nitrogen (bottom line).

На фиг. 20 показано восстановление CO2. A) показывает кривую для аргона (верхняя линия) и аргона + CO2 (нижняя линия), B) и C) показывают анализ продуктов в свободном пространстве и подтверждают появление CO и муравьиной кислоты. In fig. Figure 20 shows the reduction of CO 2 . A) shows the curve for argon (top line) and argon + CO 2 (bottom line), B) and C) show headspace analysis of the products and confirm the appearance of CO and formic acid.

На фиг. 21 показано восстановление кислорода на плоской поверхности, Pt-пирамидальной (50 мкм) и Pt-нанопирамидальной (250 нм) поверхности.In fig. Figure 21 shows oxygen reduction on a flat surface, a Pt-pyramidal (50 µm) and a Pt-nanopyramidal (250 nm) surface.

На фиг. 22 показано длительное восстановление O2 на нанопирамидальной покрытой Pt поверхности, с использованием циклической вольтамперометрии.In fig. 22 shows the long-term reduction of O 2 on a nanopyramidal Pt-coated surface using cyclic voltammetry.

На фиг. 23 показано длительное восстановление O2 на нанопирамидальной покрытой Pt поверхности, с использованием хроноамперометрии.In fig. 23 shows long-term O2 reduction on a nanopyramidal Pt-coated surface using chronoamperometry.

На фиг. 24 показано контролируемое нанесение Pt-катализатора на вершину пирамид с использованием A) 5 импульсов и B) 10 импульсов.In fig. 24 shows controlled deposition of Pt catalyst onto the top of the pyramids using A) 5 pulses and B) 10 pulses.

На фиг. 25 и 26 показаны структуры, упомянутые в таблице 2.In fig. 25 and 26 show the structures mentioned in Table 2.

Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления изобретенияDetailed Description of Preferred Embodiments of the Invention

ОпределенияDefinitions

«Присоединение» или «связывание» означает ковалентное связывание, электростатическое связывание или какой-либо другой способ связывания, когда частицы каким-либо образом связываются с подложкой. Связывание может выполняться напрямую или посредством других частиц. “Attachment” or “binding” means covalent bonding, electrostatic bonding, or some other bonding method where the particles are bound in some way to a support. The binding can be done directly or through other particles.

«Конический» означает переход от более широкой поверхностной структуры к более узкой поверхностной структуре."Conical" refers to the transition from a wider surface structure to a narrower surface structure.

«Осажденный» означает сформированный на поверхности и может относиться к любой форме образования, наслоения или производства. В одном варианте осуществления изобретения осаждение достигается распылением, электронно-лучевым или термическим испарением. Предпочтительно осажденный слой имеет некоторую степень сцепления со слоем, на котором он расположен. Это сцепление может быть ковалентным, электростатическим или может включать силы Ван-дер-Ваальса."Deposited" means formed on a surface and can refer to any form of formation, layering or production. In one embodiment of the invention, deposition is achieved by sputtering, electron beam or thermal evaporation. Preferably, the deposited layer has some degree of adhesion to the layer on which it is located. This coupling may be covalent, electrostatic, or may involve van der Waals forces.

«Существенно постоянная толщина» по отношению к электрокатализатору означает, что электрокатализатор существенно не изменяется в зависимости от степени его покрытия несущей подложкой или связующим слоем. Подразумевается, что непреднамеренные изменения толщины слоя, которые по существу не влияют на работу датчика, включаются в термин «существенно постоянная толщина». "Substantially constant thickness" with respect to the electrocatalyst means that the electrocatalyst does not change significantly depending on the degree of coverage of the support substrate or tie layer. It is intended that unintentional changes in layer thickness that do not substantially affect sensor performance are included in the term “substantially constant thickness.”

«Включать в себя/содержать», «содержащий» и т.п., если контекст явно не требует иного, следует толковать во включающем смысле, в противоположность исключающему или исчерпывающему, то есть, в смысле «включая, помимо прочего».“Include/contain,” “containing,” etc., unless the context clearly requires otherwise, should be construed in an inclusive sense, as opposed to an exclusive or exhaustive sense, that is, in the sense of “including, but not limited to.”

Термины «поверхностная структура» и «функциональная поверхность», используемые в данном документе, предназначены для обозначения единственной или множественной структуры/поверхностей. The terms "surface structure" and "functional surface" as used herein are intended to refer to single or multiple structure/surfaces.

«Ширина» поверхностной структуры измеряется наибольшим расстоянием по площади поперечного сечения поверхностной структуры, где поперечное сечение, выполненное по плоскости, по существу, параллельно верхней поверхности несущей подложки. Где упоминается ширина, также описывается точка на поверхностной структуре, на которой расположена параллельная плоскость (например, на стыке между несущей подложкой и поверхностной структурой). The "width" of the surface structure is measured by the largest distance across the cross-sectional area of the surface structure, where the cross-sectional plane is substantially parallel to the top surface of the support substrate. Where width is mentioned, it also describes the point on the surface structure at which the parallel plane is located (for example, at the junction between the support substrate and the surface structure).

«Катализатор» относится к веществам, которые увеличивают скорость химической реакции."Catalyst" refers to substances that increase the rate of a chemical reaction.

«Электрохимически модифицированное» по отношению к активным частицам означает, что активный компонент подвергается восстановлению или окислению, т.е. приобретению или потере электронов. “Electrochemically modified” in relation to active species means that the active component is subject to reduction or oxidation, i.e. gain or loss of electrons.

«Растворенный реагент» означает реагент, находящийся в растворе, который принимает участие в реакции, катализируемой активными частицами катализатора. Растворенный реагент предпочтительно находится в другом проводящем растворе (т.е. отличном от проводящего раствора, содержащего активные частицы) или может находиться в том же растворе и при взаимодействии с активными частицами служить для связывания/реакции с молекулой-мишенью, которая должна быть обнаружена датчиком."Dissolved reactant" means a reactant in solution that takes part in a reaction catalyzed by the active catalyst species. The dissolved reagent is preferably in another conductive solution (i.e., different from the conductive solution containing the active species) or may be in the same solution and, upon interaction with the active species, serve to bind/react with the target molecule to be detected by the sensor .

«Связующий слой» включает слой молекул, прикрепленных к поверхности матрицы электрода. Связующий слой может быть сформирован из поперечно сшитого полимера, фоторезиста или самоорганизующегося монослоя (SAM). Предпочтительно поперечно сшитый полимер представляет собой отрицательный фоторезист на основе эпоксидной смолы, такой как SU-8. Связующий слой может быть нанесен на поверхность матрицы электрода способами, известными специалистам в данной области техники, например посредством центрифугирования, распыления, погружения, протирания или окрашивания. В альтернативных вариантах осуществления изобретения связующий слой прикрепляется к поверхности матрицы электрода путем электрохимической модификации прекурсора связующего слоя (то есть, активных частиц), предпочтительно в соответствии с описанными здесь способами. The "bonding layer" includes a layer of molecules attached to the surface of the electrode matrix. The bonding layer can be formed from a cross-linked polymer, a photoresist, or a self-assembled monolayer (SAM). Preferably, the cross-linked polymer is a negative epoxy photoresist such as SU-8. The bonding layer can be applied to the surface of the electrode matrix by methods known to those skilled in the art, for example by spinning, spraying, dipping, rubbing or painting. In alternative embodiments of the invention, the tie layer is attached to the surface of the electrode matrix by electrochemical modification of the tie layer precursor (ie, active species), preferably in accordance with the methods described herein.

«Сфокусированный» по отношению к электрическому току или напряжению означает, что плотность заряда (напряжение или ток) выше в сфокусированном положении на поверхности по сравнению с другим положением на поверхности. Плотность заряда (напряжение или ток) на поверхности можно измерить способами, известными специалистам в данной области. Однако в одном варианте осуществления изобретения плотность заряда (напряжение или ток) измеряется путем моделирования, а затем направленного прикрепления флуорофора или осаждения платины на поверхности. "Focused" in relation to electric current or voltage means that the charge density (voltage or current) is higher at a focused position on a surface compared to another position on the surface. The charge density (voltage or current) at a surface can be measured by methods known to those skilled in the art. However, in one embodiment of the invention, the charge density (voltage or current) is measured by modeling and then targeting a fluorophore or depositing platinum on a surface.

«Противоэлектрод» может быть любым проводящим элементом, который способствует протеканию тока от электродного слоя через раствор. В одном варианте осуществления изобретения противоэлектрод содержит проволоку или другую форму конструкции электрода, удерживаемую в растворе. Предпочтительно противоэлектрод выполняют из материала, выбираемого из группы, состоящей из металла, платины, золота, никеля, меди, железа, углерода, графита, графена, углеродного волокна, углеродных нанотрубок, фуллерена, проводящего полимера PPy, PA, полиацетилена, нержавеющей стали. Противоэлектрод может быть выполнен из твердого слоя или проводящего слоя, нанесенного на подходящую подложку, например, полимерное стекло, металл. Противоэлектрод также может быть чистым металлом (Au, Pt, нержавеющая сталь, медь) или подложкой, покрытой Au или Pt (металл, полимер или стекло), и может иметь трехмерные элементы поверхности, выполненные таким образом, чтобы способствовать расположению плотности заряда (напряжения или тока) на рабочем трехмерном электроде. Например, это может быть ряд пиков, отражающих пики рабочего электрода. A "counter electrode" can be any conductive element that facilitates the flow of current from the electrode layer through the solution. In one embodiment of the invention, the counter electrode comprises a wire or other form of electrode structure held in solution. Preferably, the counter electrode is made of a material selected from the group consisting of metal, platinum, gold, nickel, copper, iron, carbon, graphite, graphene, carbon fiber, carbon nanotubes, fullerene, conductive polymer PPy, PA, polyacetylene, stainless steel. The counter electrode can be made of a solid layer or a conductive layer deposited on a suitable substrate, for example, polymer glass, metal. The counter electrode may also be pure metal (Au, Pt, stainless steel, copper) or an Au or Pt coated substrate (metal, polymer or glass) and may have three-dimensional surface features designed to promote charge density (voltage or current) on the working three-dimensional electrode. For example, this could be a series of peaks reflecting the peaks of the working electrode.

«Активирующий» или «активация» означает преобразование активных частиц из неактивной формы в реактивную форму. Таким образом, «электрохимическая активация» означает преобразование активных частиц в реактивную форму путем их окисления или восстановления посредством подачи тока на электрод. "Activating" or "activating" means converting active species from an inactive form to a reactive form. Thus, "electrochemical activation" means the conversion of active species into a reactive form by oxidation or reduction by applying a current to the electrode.

«Активирующий потенциал» означает напряжение (окислительное или восстановительное в типичном диапазоне от +2 В до -2 В), необходимое для инициирования реакции связывания/присоединения/модификации. Обычно восстанавливающий активирующий потенциал для короткого импульса составляет от -500 мВ до -100 мВ."Activation potential" means the voltage (oxidative or reduction in the typical range of +2 V to -2 V) required to initiate a binding/addition/modification reaction. Typically, the restoring activating potential for a short pulse is between -500 mV and -100 mV.

«Инактивирующий потенциал» означает напряжение, необходимое для остановки реакции связывания/присоединения/модификации. “Inactivating potential” means the voltage required to stop a binding/addition/modification reaction.

«Активные частицы» означает вещество, присутствующее в растворе, которое может подвергаться электрохимической модификации. В одном варианте осуществления изобретения активные частицы представляют собой катализатор или прекурсор катализатора. В другом варианте осуществления изобретения активные частицы представляют собой компонент связующего слоя. В другом варианте осуществления изобретения активные частицы представляют собой заряженную частицу, способную прикрепляться к функциональной поверхности. В другом варианте осуществления изобретения активные частицы представляют собой связующий агент, способный обнаруживать целевой аналит в растворе. "Active species" means a substance present in a solution that can undergo electrochemical modification. In one embodiment of the invention, the active species is a catalyst or a catalyst precursor. In another embodiment of the invention, the active particles are a component of the binder layer. In another embodiment of the invention, the active particles are a charged particle capable of attaching to a functional surface. In another embodiment of the invention, the active particles are a coupling agent capable of detecting a target analyte in solution.

«Окисление» означает химическую реакцию с потерей электронов. Следовательно, «окислительный» означает способствующий потере электронов в химической реакции."Oxidation" means a chemical reaction that loses electrons. Therefore, "oxidizing" means promoting the loss of electrons in a chemical reaction.

«Восстановление» означает химическую реакцию с приобретением электронов. Следовательно, «восстановительный» означает способствующий приобретению электронов в химической реакции."Reduction" means a chemical reaction that gains electrons. Therefore, "reductive" means facilitating the acquisition of electrons in a chemical reaction.

«Импульсный» или «пульсирующий» означает модуляцию напряжения или тока от активирующего потенциала до инактивирующего потенциала. Пульсация может быть регулярной или прерывистой. "Pulsing" or "pulsating" means modulation of voltage or current from an activating potential to an inactivating potential. The pulsation may be regular or intermittent.

«Самоорганизующийся монослой (SAM)» означает молекулярные агрегаты, содержащие головные группы, связанные с хвостовой группой, которая заканчивается функциональной группой."Self-assembled monolayer (SAM)" refers to molecular aggregates containing head groups associated with a tail group that ends with a functional group.

«Селективное удаление» применительно к удалению вещества с функциональной поверхности означает, что удаление усиливается по сравнению с другой поверхностью на матрице, на которой не фокусируется ток. Например, удаление SAM будет происходить более быстрыми темпами, или будет удалена большая концентрация вещества по сравнению с другими поверхностями. Эта формулировка не означает, что удаление будет полным, или что удаление не происходит в меньшей степени на других поверхностях.“Selective removal,” when referring to the removal of a substance from a functional surface, means that removal is enhanced relative to another surface on the matrix that is not receiving current focus. For example, SAM removal will occur at a faster rate, or a greater concentration of the substance will be removed compared to other surfaces. This wording does not mean that removal will be complete or that removal will not occur to a lesser extent on other surfaces.

«Селективное осаждение» применительно к осаждению вещества на функциональной поверхности означает, что осаждение усиливается по сравнению с другой поверхностью на матрице, на которой не фокусируется ток. Например, отложение SAM будет происходить более быстрыми темпами, или будет отложена большая концентрация или плотность вещества по сравнению с другими поверхностями. Эта формулировка не исключает возможности того, что осаждение происходит в меньшей степени на других поверхностях."Selective deposition" when applied to the deposition of a substance onto a functional surface means that the deposition is enhanced relative to another surface on the matrix on which the current is not focused. For example, deposition of SAM will occur at a faster rate, or a greater concentration or density of material will be deposited compared to other surfaces. This formulation does not exclude the possibility that deposition occurs to a lesser extent on other surfaces.

«И/или» означает «и» или «или», или и то, и другое.“And/or” means “and” or “or” or both.

«(s)» после существительного означает формы множественного и/или единственного числа существительного."(s)" after a noun refers to the plural and/or singular forms of the noun.

Подразумевается, что ссылка на диапазон чисел, указанных в данном документе (например, от 1 до 10), также включает ссылку на все рациональные числа в этом диапазоне (например, 1; 1,1; 2; 3; 3,9; 4; 5; 6; 6,5; 7; 8; 9 и 10), а также любой диапазон рациональных чисел в этом диапазоне (например, от 2 до 8, от 1,5 до 5,5 и от 3,1 до 4,7).Reference to a range of numbers specified herein (e.g., 1 to 10) is intended to also include reference to all rational numbers within that range (e.g., 1; 1.1; 2; 3; 3.9; 4; 5; 6; 6.5; 7; 8; 9 and 10), as well as any range of rational numbers within that range (for example, 2 to 8, 1.5 to 5.5, and 3.1 to 4, 7).

ОписаниеDescription

Авторы изобретения обнаружили, что способ, соответствующий способу изобретения, позволяет снизить затраты, связанные с обычно дорогими каталитическими материалами. Снижение затрат достигается одним или несколькими из следующих способов:The inventors have found that the process according to the invention reduces the costs associated with typically expensive catalytic materials. Cost reduction is achieved in one or more of the following ways:

1. Повышение активности каталитического материала1. Increasing the activity of the catalytic material

2. Снижение количества необходимого каталитического материала2. Reducing the amount of catalytic material required

3. Возможность замены на более дешевый катализатор с более низкой активностью без потери эффективности3. Possibility of replacing with a cheaper catalyst with lower activity without loss of efficiency

4. Снижение количества энергии, необходимой для возникновения реакции 4. Reducing the amount of energy required for a reaction to occur

5. Увеличение плотности токообмена5. Increase in current exchange density

6. Увеличение скорости массообмена между реагентом и катализатором 6. Increasing the rate of mass transfer between the reagent and catalyst

7. Повышение скорости массообмена продукта/продуктов от катализатора 7. Increasing the rate of mass transfer of the product/products from the catalyst

Авторы изобретения обнаружили, что путем модификации поверхности электрода для образования электрокатализатора с матрицей поверхностных структур, когда ток или напряжение пропускается через электрокатализатор, подвергнутый воздействию проводящего раствора, плотность заряда (напряжение или ток) может быть сфокусирована в направлении вершины (или пика) поверхностных структур. Это может привести к резкому улучшению электрокаталитических реакций. Авторы изобретения наблюдали не только кинетическое усиление, то есть резкое увеличение скорости катализа и термодинамическое улучшение (например, производство водорода из воды, увеличенное более чем в 100 раз), то есть резкое снижение энергии, необходимой для проведения каталитической окислительно-восстановительной реакции на аналогичном плоском электрокатализаторе, но также неожиданно выявили изменение механизма реакции. Например, при электрохимическом восстановлении кислорода в водно-щелочной среде обычно образуется чистый пероксид (H2O2). Однако неожиданно, при использовании способа согласно изобретению, была получена вода. Возможные пути восстановления: The inventors have discovered that by modifying the surface of an electrode to form an electrocatalyst with an array of surface structures, when current or voltage is passed through the electrocatalyst exposed to a conductive solution, the charge density (voltage or current) can be focused towards the apex (or peak) of the surface structures. This can lead to dramatic improvements in electrocatalytic reactions. The inventors observed not only a kinetic enhancement, that is, a sharp increase in the rate of catalysis, and a thermodynamic improvement (for example, hydrogen production from water increased by more than 100 times), that is, a sharp reduction in the energy required to carry out a catalytic redox reaction on a similar flat surface. electrocatalyst, but also unexpectedly revealed a change in the reaction mechanism. For example, during the electrochemical reduction of oxygen in an aqueous alkaline medium, pure peroxide (H 2 O 2 ) is usually formed. However, unexpectedly, when using the method according to the invention, water was obtained. Possible recovery paths:

Способ согласно изобретению неожиданно способствует более эффективному 4-электронному процессу (см. пример 3). Это может привести к снижению потерь энергии и/или преодолению проблем, связанных с восстановлением O2 как с этапом, определяющим скорость. Это может быть особенно выгодным при использовании, например, в топливном элементе, поскольку это может обеспечить улучшенные характеристики элемента.The method according to the invention unexpectedly promotes a more efficient 4-electron process (see example 3). This may result in reduced energy losses and/or overcome problems associated with O 2 reduction as a rate determining step. This may be particularly advantageous when used in, for example, a fuel cell, as it may provide improved cell performance.

Этот 4-электронный процесс можно было наблюдать почти исключительно при использовании наноповерхностных структур, но он также наблюдался, в частности, при использовании микроповерхностных структур. This 4-electron process could be observed almost exclusively when using nanosurface structures, but it was also observed in particular when using microsurface structures.

Дальнейшие окислительно-восстановительные реакции, в которых может применяться способ, включают в себя, помимо прочего:Further redox reactions in which the method may be applied include, but are not limited to:

выделение водорода из воды;release of hydrogen from water;

выделение кислорода из воды;release of oxygen from water;

окисление водорода;hydrogen oxidation;

диоксид углерода в монооксид углерода;carbon dioxide to carbon monoxide;

диоксид углерода в метанол;carbon dioxide to methanol;

диоксид углерода в карбоновую кислоту (например, муравьиную кислоту);carbon dioxide to carboxylic acid (eg formic acid);

диоксид углерода в альдегид и/или кетон;carbon dioxide to aldehyde and/or ketone;

диоксид углерода в метан, этан, пропан и/или углеродные цепи более высокого порядка до C21;carbon dioxide to methane, ethane, propane and/or higher order carbon chains up to C21 ;

окисление метана до метанола;oxidation of methane to methanol;

азота в аммиак;nitrogen to ammonia;

расщепление аммиака на водород и азот.splitting ammonia into hydrogen and nitrogen.

Применение способа согласно изобретению включает в себя (помимо прочего) электроды, батареи, топливные элементы и/или производство водорода.Applications of the method according to the invention include (but are not limited to) electrodes, batteries, fuel cells and/or hydrogen production.

Стандартные электроды включают в себя проводящую твердую подложку с катализатором, зафиксированным на поверхности. Примеры проводящей твердой подложки включают в себя, помимо прочего:Standard electrodes include a conductive solid substrate with a catalyst fixed to the surface. Examples of a conductive solid substrate include, but are not limited to:

• полимер, стекло или кремний с металлическим покрытием• polymer, glass or silicon coated with metal

• углеродную сетку• carbon mesh

• углеродистый материал (волокна, вулкан, порошок, стеклообразный материал, плоскость резания, базисная плоскость , фуллерены, нанотрубки, графен)• carbon material (fibers, vulcan, powder, glassy material, cutting plane, basal plane, fullerenes, nanotubes, graphene)

• металлический лист, перфорированный и неперфорированный• metal sheet, perforated and non-perforated

• лист с покрытием ITO (оксид индия и олова) или FTO (оксид олова, легированный фтором) (полимер, стекло, силикон)• ITO (Indium Tin Oxide) or FTO (Fluorine Tin Oxide) coated sheet (polymer, glass, silicone)

• проводящий полимер• conductive polymer

Авторы изобретения считают, что катализ зависит от сочетания факторов:The inventors believe that catalysis depends on a combination of factors:

1. Диффузия реагентов и продукта как к месту катализа, так и от него1. Diffusion of reactants and product both to and from the site of catalysis

2. Подача электронов:2. Electron supply:

a. Окислительный процесс, требующий подачи электронов к месту катализа.a. An oxidative process that requires the supply of electrons to the site of catalysis.

b. Восстановительный процесс, требующий удаления электронов с места катализа. b. A reduction process that requires the removal of electrons from the site of catalysis.

3. Напряжение в месте катализа, достаточное для проведения каталитического процесса.3. The voltage at the site of catalysis is sufficient to carry out the catalytic process.

4. Легкий перенос электронов между реагентом и катализатором 4. Easy electron transfer between reactant and catalyst

5. Снижение энергии активации для преобразования5. Reducing activation energy for conversion

6. Используемый материал катализатора.6. Catalyst material used.

Трехмерность обеспечивает платформу для достижения вышеупомянутых факторов контролируемым образом и повышает эффективность существующих катализаторов, которые либо наносятся непосредственно на вершины трехмерных структур, либо подвешиваются в матрице, окружающей пики. Это позволяет получить доступ к преобразованиям с многоэлектронным переносом (окислительным или восстановительным), которые ранее были недоступны, и контролируемому получению большего количества продуктов из одного исходного материала с использованием одного и того же катализатора. 3D provides a platform to achieve the above factors in a controlled manner and improves the performance of existing catalysts that are either deposited directly on top of 3D structures or suspended in a matrix surrounding the peaks. This allows access to multi-electron transfer transformations (oxidative or reductive) that were previously unavailable and the controlled production of more products from the same starting material using the same catalyst.

Как будет очевидно для квалифицированного читателя, если описание изобретения относится к раствору, содержащему как активные частицы, так и противоэлектрод, это относится к раствору, содержащему положение противоэлектрода.As will be apparent to the skilled reader, if the description of the invention refers to a solution containing both the active species and a counter electrode, this refers to the solution containing the position of the counter electrode.

Не желая ограничиваться теорией, авторы изобретения полагают, что наблюдаемое увеличение кинетических и термодинамических скоростей, резкое увеличение реакционной способности электрокатализатора на вершинах пиков и/или альтернативный путь реакции могут быть вызваны одним или несколько из следующих механизмов:Without wishing to be bound by theory, the inventors believe that the observed increase in kinetic and thermodynamic rates, the sharp increase in reactivity of the electrocatalyst at the peaks, and/or an alternative reaction path may be caused by one or more of the following mechanisms:

Сочетание напряжения с высокой плотностью и распределения тока приводит к меньшим потерям напряжения (то есть напряжение на вершине существенно выше, следовательно, ниже сопротивление) и образованию большего количества реактивных электронов.The combination of high-density voltage and current distribution results in less voltage loss (that is, the voltage at the peak is significantly higher, therefore lower resistance) and the production of more reactive electrons.

Горячие электроны образуются за счет плазмонного эффекта, что приводит к более легкой инжекции электронов.Hot electrons are generated due to the plasmonic effect, resulting in easier electron injection.

Совместный эффект более высокого напряжения, более высокой плотности тока, более низкого сопротивления и более быстрой диффузии каталитических частиц приводит к сверхзаряженному состоянию каталитических частиц.The combined effect of higher voltage, higher current density, lower resistance, and faster diffusion of the catalyst particles results in a supercharged state of the catalyst particles.

Вышеуказанное, в сочетании с электромагнитным эффектом, влияет на константы, такие как потенциальное поле, градиенты концентрации, температура и pH.The above, in combination with the electromagnetic effect, influences constants such as potential field, concentration gradients, temperature and pH.

Квантовый эффект, увеличивающийся по мере получения меньшего эффективного размера пиков или размера частиц в среде горячих электронов, вызывается окружающей средой возле пиков. В результате повышается плотность тока горячих электронов для запуска реакции. Этот квантовый эффект усиливается по мере уменьшения размеров пиков. The quantum effect, which increases as a smaller effective peak size or particle size is obtained in the hot electron environment, is caused by the environment near the peaks. The result is an increased current density of hot electrons to drive the reaction. This quantum effect increases as the peak sizes decrease.

Быстрая диффузия в сочетании с вышеуказанной средой и небольшой эффективной площадью поверхности изменяет режимы связывания подложки и приводит к повышенной реакционной способности.Fast diffusion, combined with the above environment and small effective surface area, changes the substrate binding modes and results in increased reactivity.

Снижение падение ИК-излучения за счет сочетания вышеупомянутого снижения «потерь энергии» и, следовательно, затрат энергии на реакцию. Reducing the IR radiation drop due to a combination of the above-mentioned reduction in “energy loss” and therefore the energy required for the reaction.

Пониженное сопротивление раствора из-за воздействия окружающей среды, вызванное сочетанием эффектов, как описано выше. Reduced solution resistance due to environmental influences, caused by a combination of effects as described above.

Квантовый эффект, который приводит к улучшению ориентации связывания подложки. Quantum effect that results in improved substrate bonding orientation.

Квантовый эффект из-за изменения режимов связывания подложки на более высокую концентрацию подложки (например, H+) на меньшей площади поверхности из-за дифференциального тока и плотности потенциала. Quantum effect due to a change in substrate binding modes to a higher substrate concentration (e.g. H + ) over a smaller surface area due to differential current and potential density.

Снижение энергии активации каталитического процесса. Reducing the activation energy of the catalytic process.

Изменение плотности состояния катализатора.Change in the density of the catalyst state.

Изменение свободной энергии Гиббса равновесного процесса. Change in the Gibbs free energy of an equilibrium process.

Повышение энтальпии реакции и, следовательно, облегчение осуществления реакции.Increasing the enthalpy of the reaction and, therefore, facilitating the reaction.

Энтропийный эффектEntropy effect

Более высокая упорядоченностьHigher order

Высокая плотность тока и/или более высокая температура на пике.High current density and/or higher peak temperature.

Как будет очевидно, поверхностные структуры, выступающие из несущей подложки, создают трехмерную (3D) структуру на матрице.As will be apparent, the surface structures protruding from the support substrate create a three-dimensional (3D) structure on the matrix.

В одном варианте осуществления изобретения поверхностные структуры составляют единое целое с несущей подложкой. Это означает, что поверхностные структуры выполняются из того же материала, что и несущая подложка, и выступают из нее. В этом варианте осуществления изобретения верхняя поверхность несущей подложки может содержать матрицу поверхностных структур, расположенных в упорядоченной или случайной конфигурации. В этом варианте осуществления изобретения электрокатализатор может быть сформирован/нанесен на верхнюю поверхность поверхностных структур (и несущую подложку, где она обнажена), или электрокатализатор также может быть выполнен из того же материала, что и поверхностные структуры и/или несущая подложка. Несущая подложка с интегрированными поверхностными структурами может быть сформирована известными способами, например горячим тиснением, CFT-обработкой, литьем под давлением, штамповкой, гальванопластикой, литографией и другими подобными способами. In one embodiment of the invention, the surface structures are integral with the supporting substrate. This means that the surface structures are made of the same material as the supporting substrate and protrude from it. In this embodiment of the invention, the top surface of the support substrate may comprise an array of surface structures arranged in an ordered or random configuration. In this embodiment of the invention, the electrocatalyst may be formed/applied to the top surface of the surface structures (and the support substrate where exposed), or the electrocatalyst may also be made of the same material as the surface structures and/or the support substrate. The support substrate with integrated surface structures can be formed by known methods, such as hot stamping, CFT processing, injection molding, stamping, electroforming, lithography and the like.

В альтернативном варианте осуществления изобретения поверхностные структуры формируются из материала, отличающегося от материала несущей подложки, и наносятся или прикрепляются к несущей подложке. В этом варианте осуществления изобретения поверхностные структуры могут быть неотъемлемой частью электрокатализатора. Это означает, что поверхностные структуры являются частью электрокатализатора и формируются из того же материала, что и электрокатализатор. In an alternative embodiment of the invention, the surface structures are formed from a material different from the material of the support substrate and are applied or attached to the support substrate. In this embodiment of the invention, the surface structures may be an integral part of the electrocatalyst. This means that the surface structures are part of the electrocatalyst and are formed from the same material as the electrocatalyst.

В качестве альтернативы, электрокатализатор может быть нанесен или иным образом сформирован на поверхностных структурах, и упомянутые поверхностные структуры наносятся на несущую подложку, составляют единое целое с ней или иным образом формируются на ней. Несущая подложка с поверхностными структурами, сформированными из других материалов, может выполняться известными способами, например горячим тиснением, CFT-обработкой, лазерной обработкой с помощью фоторезиста, методами штамповки или литографии, а также методами осаждения, такими как выращивание углеродистых материалов или осаждение из паровой фазы.Alternatively, the electrocatalyst may be deposited on or otherwise formed on surface structures, and said surface structures are deposited on, integral with, or otherwise formed on a support substrate. The carrier substrate with surface structures formed from other materials can be produced by known methods, such as hot stamping, CFT processing, laser processing with photoresist, stamping or lithography methods, and deposition methods such as carbon material growth or vapor deposition .

Особенно предпочтительно, чтобы электрокатализатор мог быть нанесен или иным образом сформирован на поверхностных структурах. Авторы изобретения обнаружили, что это экономически выгодно, поскольку для этого требуется меньше катализатора. Катализаторы часто представляют собой дорогие материалы, например платину и/или золото. Возможность использовать небольшие количества катализатора очень выгодна. Авторы изобретения обнаружили, что использование небольших количеств катализатора приводит к таким же или даже лучшим характеристикам, чем в случае плоского электрода, когда используется гораздо больше катализатора. It is particularly preferred that the electrocatalyst can be deposited or otherwise formed on surface structures. The inventors have found that this is cost effective because it requires less catalyst. Catalysts are often expensive materials such as platinum and/or gold. The ability to use small amounts of catalyst is very advantageous. The inventors have discovered that using small amounts of catalyst results in the same or even better performance than a planar electrode where much more catalyst is used.

Изобретение также (или в качестве альтернативы) позволяет заменить активный, но обычно более дорогой катализатор, на менее дорогой катализатор, который при стандартных условиях менее активен. Например, если стоимость является важным фактором, катализатором может быть медь, титан или никель вместо платины, палладия, родия, иридия или золота. Считается, что с повышенной эффективностью переноса электронов от поверхностных структур к активным агентам можно использовать более дешевый катализатор, такой как никель, для замены более дорогого катализатора, такого как платина. Кроме того, количество катализатора, сфокусированного на пиках, вершинах, гребнях и/или ребрах поверхностных структур, позволяет свести к минимуму количество постороннего катализатора, который в противном случае может располагаться над другими структурными элементами или во впадинах между структурами, что снова приводит к экономии средств даже при использовании более дорогих каталитических материалов. Стоимость и активность ряда катализаторов показаны в таблице 1. The invention also (or alternatively) allows the replacement of an active, but usually more expensive catalyst, with a less expensive catalyst that is less active under standard conditions. For example, if cost is an important factor, the catalyst may be copper, titanium, or nickel instead of platinum, palladium, rhodium, iridium, or gold. It is believed that with the increased efficiency of electron transfer from surface structures to active agents, a cheaper catalyst such as nickel can be used to replace a more expensive catalyst such as platinum. Additionally, the amount of catalyst focused on the peaks, tops, ridges and/or edges of surface structures minimizes the amount of extraneous catalyst that might otherwise be located above other structures or in the valleys between structures, again resulting in cost savings. even when using more expensive catalytic materials. The cost and activity of a number of catalysts are shown in Table 1.

Таблица 1. Плотность обменного тока реакции выделения водорода/анодного окисления различных каталитических материалов в 1 моль/кг H2SO4 Table 1. Exchange current density of the hydrogen evolution/anodic oxidation reaction of various catalytic materials in 1 mol/kg H 2 SO 4

Каталитический материалCatalytic material Плотность обменного тока Exchange current density Текущая цена в долларах США (28.02.2019)Current price in US dollars ( 02/28/2019 ) ПалладийPalladium 1,0 x 10-3 1.0 x 10 -3 $1533 / унция$1533/oz ПлатинаPlatinum 8,0 x 10-4 8.0 x 10 -4 $870 / унция$870/oz РодийRhodium 2,5 x 10-4 2.5 x 10 -4 $2705 / унция$2705/oz ИридийIridium 2,0 x 10-4 2.0 x 10 -4 $1485 / унция$1485/oz НикельNickel 7,0 x 10-6 7.0 x 10 -6 $0,36 / унция $0.36/oz ЗолотоGold 4,0 x 10-6 4.0 x 10 -6 $1320 / унция$1320/oz ТитанTitanium 7,0 x 10-8 7.0 x 10 -8 $1,61 / фунт$1.61/lb

В некоторых вариантах осуществления изобретения площадь поперечного сечения поверхностной структуры уменьшается вдоль оси, ортогональной к верхней поверхности несущей подложки. В некоторых вариантах осуществления изобретения верхняя часть по меньшей мере одной поверхностной структуры имеет выпуклую верхнюю поверхность. В более предпочтительном варианте поверхностная структура имеет треугольное, выпуклое, полукруглое или папилловидное поперечное сечение по плоскости, ортогональной к верхней поверхности несущей подложки.In some embodiments of the invention, the cross-sectional area of the surface structure is reduced along an axis orthogonal to the top surface of the support substrate. In some embodiments, the top portion of the at least one surface structure has a convex top surface. More preferably, the surface structure has a triangular, convex, semicircular or papillary cross-section along a plane orthogonal to the top surface of the support substrate.

Верхняя часть поверхностной структуры предпочтительно имеет угол около 90° или меньше на вершине, например, поверхностная структура переходит в острие. Считается, что чем острее угол, то есть чем острее острие, тем сильнее эффект на электрокатализатор. В некоторых вариантах осуществления изобретения поверхностные структуры представляют собой пирамидальные, конические, гребневые структуры или их сочетания. В некоторых вариантах осуществления изобретения поверхностная структура имеет существенно треугольное, существенно круглое или существенно квадратное поперечное сечение по плоскости, параллельной верхней поверхности несущей подложки.The top of the surface structure preferably has an angle of about 90° or less at the apex, for example, the surface structure extends into a tip. It is believed that the sharper the angle, that is, the sharper the tip, the stronger the effect on the electrocatalyst. In some embodiments, the surface structures are pyramidal, conical, ridge structures, or combinations thereof. In some embodiments, the surface structure has a substantially triangular, substantially circular, or substantially square cross-section along a plane parallel to the top surface of the support substrate.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения поверхностные структуры равномерно расположены на несущей подложке, хотя при необходимости это можно изменить. Равномерность предпочтительнее, так как она приводит к более предсказуемому поведению и результатам. Также количество катализатора ограничено узкой областью на вершинах пиков. Это приводит к тому, что активность катализатора остается постоянной, а продукт становится более чистым.In a preferred embodiment of the invention, the surface structures are uniformly distributed on the support substrate, although this can be changed if necessary. Uniformity is preferable because it leads to more predictable behavior and results. Also, the amount of catalyst is limited to a narrow region at the tops of the peaks. This results in the catalyst activity remaining constant and the product becoming purer.

В некоторых вариантах осуществления изобретения катализатор может быть контролируемым образом нанесен на функциональную поверхность (например, ребра, вершины, пики и/или другие поверхности поверхностных структур) посредством воздействия на функциональную поверхность одного или нескольких из следующих методов: помимо прочего, гальваника, гальванопластика, электроосаждение, распыление, электронно-лучевое осаждение, осаждение из паровой фазы, термическое испарение, плазменное осаждение.In some embodiments of the invention, the catalyst may be applied in a controlled manner to a functional surface (e.g., ridges, vertices, peaks, and/or other surfaces of surface structures) by exposing the functional surface to one or more of the following methods: but not limited to, electroplating, electroplating, electroplating , sputtering, electron beam deposition, vapor deposition, thermal evaporation, plasma deposition.

В некоторых вариантах осуществления изобретения контролируемое осаждение может выполняться путем изменения одного или нескольких из следующих параметров осаждения, помимо прочих: напряжение, ток, время (время пребывания функциональной поверхности под воздействием метода осаждения, например, время погружения в раствор для гальваники), частота импульсов (например, частота импульсов электроосаждения) и пассивирующий слой (например, использование пассивирующего слоя для обнажения частичной поверхности поверхностной структуры, что может, например, изменить плотность тока электроосаждения). Следует понимать, что любые описанные здесь способы изготовления могут быть использованы для управления отложением катализатора, например литографическая маскировка, SAM. In some embodiments, controlled deposition may be accomplished by varying one or more of the following deposition parameters, among others: voltage, current, time (time the functional surface is exposed to the deposition method, such as immersion time in an plating solution), pulse frequency ( e.g., electrodeposition pulse frequency) and a passivation layer (e.g., using a passivation layer to expose a partial surface of the surface structure, which may, for example, change the electrodeposition current density). It should be understood that any fabrication methods described herein can be used to control catalyst deposition, such as lithographic masking, SAM.

Поверхностные структуры предпочтительно имеют, по существу, однородные размеры. Как показали авторы изобретения, размер поверхностных структур влияет на активность катализатора и продукта окислительно-восстановительной реакции. Однородность размеров поверхностных структур предпочтительна, поскольку она приводит к более предсказуемому и воспроизводимому продукту. Размер поверхностных структур может быть выбран в зависимости от требуемого продукта или соотношения продуктов. Полученный продукт также может быть практически однородным. The surface structures preferably have substantially uniform dimensions. As the inventors have shown, the size of surface structures affects the activity of the catalyst and the product of the redox reaction. Uniformity in the size of surface structures is preferred as it results in a more predictable and repeatable product. The size of the surface structures can be selected depending on the required product or product ratio. The resulting product can also be practically homogeneous.

В примерном варианте осуществления изобретения поверхностные структуры и катализатор могут быть выполнены с возможностью обеспечения производства, главным образом, заранее определенного первичного или предпочтительного продукта. В качестве альтернативы, поверхностные структуры и катализатор могут быть выполнены с возможностью обеспечения производства одного или нескольких заранее определенных продуктов, например, предпочтительного или первичного продукта, и вторичного продукта (который также может быть предпочтительным). Подобным образом, поверхностные структуры и катализатор могут быть выполнены с возможностью сведения к минимуму производства нежелательного продукта.In an exemplary embodiment of the invention, the surface structures and catalyst may be configured to produce primarily a predetermined primary or preferred product. Alternatively, the surface structures and catalyst may be configured to produce one or more predetermined products, for example, a preferred or primary product, and a secondary product (which may also be preferred). Likewise, the surface structures and catalyst can be configured to minimize the production of undesired product.

Поверхностные структуры предпочтительно имеют по меньшей мере одну линию симметрии и, более предпочтительно, поверхностные структуры имеют по меньшей мере две линии симметрии. Это является предпочтительным, с той целью, чтобы проводящий раствор окружал верхушку поверхностной структуры.The surface structures preferably have at least one line of symmetry and, more preferably, the surface structures have at least two lines of symmetry. This is preferred so that the conductive solution surrounds the top of the surface structure.

Ширина поверхностной структуры в месте соединения с несущей подложкой, в некоторых вариантах осуществления изобретения, составляет от примерно 20 нм до примерно 5000 мкм, в некоторых вариантах осуществления изобретения - от примерно 40 нм до примерно 4000 мкм; от примерно 55 нм до примерно 3000 мкм; от примерно 75 нм до примерно 2500 мкм; от примерно 100 нм до примерно 4000 мкм; от примерно 250 нм до примерно 3500 мкм, от примерно 20 нм до примерно 3500 мкм; от примерно 2 нм до примерно 4000 мкм; от примерно 20 нм до примерно 2500 мкм; от примерно 20 нм до примерно 4000 мкм; от примерно 20 нм до примерно 3000 мкм; от примерно 20 нм до примерно 2000 мкм. В некоторых вариантах осуществления изобретения - от примерно 5 нм до примерно 750 мкм; от примерно 5 нм до примерно 500 мкм; от примерно 5 нм до примерно 100 мкм. Особенно предпочтительные поверхностные структуры представляют собой наноструктуры, хотя микроструктуры также являются выгодными, в зависимости от требуемого продукта. The width of the surface structure at the junction with the supporting substrate, in some embodiments, is from about 20 nm to about 5000 μm, in some embodiments, from about 40 nm to about 4000 μm; from about 55 nm to about 3000 μm; from about 75 nm to about 2500 μm; from about 100 nm to about 4000 μm; from about 250 nm to about 3500 μm, from about 20 nm to about 3500 μm; from about 2 nm to about 4000 μm; from about 20 nm to about 2500 μm; from about 20 nm to about 4000 μm; from about 20 nm to about 3000 μm; from about 20 nm to about 2000 µm. In some embodiments, from about 5 nm to about 750 microns; from about 5 nm to about 500 μm; from about 5 nm to about 100 µm. Particularly preferred surface structures are nanostructures, although microstructures are also advantageous, depending on the desired product.

Функциональная поверхность предпочтительно находится на вершине или около вершины поверхностной структуры. Хотя вся поверхностная структура может быть изготовлена из материала электрокатализатора, именно вершина или верхушка считается функциональной поверхностью, которая обеспечивает большую часть каталитического эффекта окислительно-восстановительной реакции. Предпочтительно, чтобы электрохимическая активация катализатора происходила на функциональной поверхности с существенно большей скоростью, чем в другом месте поверхности на слое электрокатализатора.The functional surface is preferably at or near the top of the surface structure. Although the entire surface structure may be made of electrocatalyst material, it is the apex or apex that is considered to be the functional surface that provides most of the catalytic effect of the redox reaction. Preferably, electrochemical activation of the catalyst occurs at a substantially higher rate on the functional surface than elsewhere on the surface on the electrocatalyst layer.

В некоторых вариантах осуществления изобретения функциональная поверхность находится на вершине или около вершины поверхностной структуры, и поверхностная структура сужается к вершине и/или имеет главным образом треугольное поперечное сечение вдоль плоскости, параллельной верхней поверхности несущей подложки. Функциональная поверхность находится, в некоторых вариантах осуществления изобретения, на вершине или около вершины поверхностной структуры, и при этом ширина вершины каждой поверхностной структуры составляет от примерно 1 нм до примерно 5000 мкм, в некоторых вариантах осуществления — от примерно 10 нм до примерно 10 мкм, или от примерно 20 нм до примерно 2 мкм, или от примерно 30 нм до примерно 1 мкм. В некоторых вариантах осуществления изобретения - от примерно 1 нм до примерно 1000 нм, или от примерно 1 нм до примерно 500 нм, или от примерно 1 нм до примерно 100 нм, или от примерно 1 нм до примерно 50 нм. Ширина вершины каждой поверхностной структуры меньше, чем в месте соединения с несущей подложкой.In some embodiments, the functional surface is at or near the apex of the surface structure, and the surface structure tapers toward the apex and/or has a substantially triangular cross-section along a plane parallel to the top surface of the support substrate. The functional surface is, in some embodiments, at or near the top of the surface structure, and the width of the top of each surface structure is from about 1 nm to about 5000 μm, in some embodiments from about 10 nm to about 10 μm, or from about 20 nm to about 2 μm, or from about 30 nm to about 1 μm. In some embodiments, from about 1 nm to about 1000 nm, or from about 1 nm to about 500 nm, or from about 1 nm to about 100 nm, or from about 1 nm to about 50 nm. The width of the top of each surface structure is less than at the junction with the supporting substrate.

В некоторых вариантах осуществления изобретения вершины поверхностных структур отделены друг от друга на расстояние от примерно 5 нм до примерно 1000 мкм; от примерно 10 нм до примерно 1000 мкм; от примерно 25 нм до примерно 1000 мкм; от примерно 5 нм до примерно 750 мкм; от примерно 5 нм до примерно 500 мкм; от примерно 5 нм до примерно 100 мкм (от вершины до вершины). В некоторых вариантах осуществления изобретения - от примерно 5 нм до примерно 2000 нм; от примерно 5 нм до примерно 1000 нм; от примерно 5 нм до примерно 500 нм (от вершины до вершины).In some embodiments, the vertices of the surface structures are separated from each other by a distance of from about 5 nm to about 1000 μm; from about 10 nm to about 1000 μm; from about 25 nm to about 1000 μm; from about 5 nm to about 750 μm; from about 5 nm to about 500 μm; from about 5 nm to about 100 μm (vertex to vertex). In some embodiments, from about 5 nm to about 2000 nm; from about 5 nm to about 1000 nm; from about 5 nm to about 500 nm (vertex to vertex).

Следует понимать, что поверхностные структуры по любому из вариантов осуществления в данном документе включают в себя любые подходящие элементы поверхности, которые эффективно увеличивают относительную площадь поверхности и/или обеспечивают множество вершин или пиков по сравнению с плоской гладкой областью эквивалентного размера. Размер, форма, плотность, однородность, расположение и пропорции элементарных частей матрицы поверхностных структур могут отличаться от описанных вариантов осуществления изобретения.It should be understood that the surface structures of any of the embodiments herein include any suitable surface features that effectively increase the relative surface area and/or provide multiple vertices or peaks compared to a flat, smooth area of equivalent size. The size, shape, density, uniformity, arrangement and proportions of the elementary parts of the matrix of surface structures may differ from the described embodiments of the invention.

В одном варианте осуществления изобретения поверхностные структуры могут иметь однородную форму и/или геометрию, плотность и/или размер. Поверхностные структуры могут иметь форму, размер и/или иметь определенную плотность в соответствии с заранее определенной характеристикой, например, наличием количества или размера вершин либо пиков для конкретного раствора, подлежащего катализу, или требуемой формой, размером, плотностью или однородностью вершин либо пиков, по мере необходимости.In one embodiment of the invention, the surface structures may have a uniform shape and/or geometry, density and/or size. The surface structures may have a shape, size and/or density in accordance with a predetermined characteristic, for example, the presence of a number or size of vertices or peaks for a particular solution to be catalyzed, or a desired shape, size, density or uniformity of vertices or peaks, according to as necessary.

В альтернативных вариантах осуществления изобретения поверхностные структуры могут иметь неоднородный размер, форму и/или плотность. Например, поверхностные структуры могут иметь однородную высоту и форму выступов, но различное расстояние между ними или плотность. В качестве альтернативы, поверхностные структуры могут иметь разную высоту, но однородную форму, расстояние между ними или плотность. Следует понимать, что любое изменение формы, размера и/или плотности поверхностной структуры может быть предпринято для облегчения конкретной реакции или катализа благодаря наличию вершины или пика, или множества вершин или пиков, которые действуют как функциональная поверхность, или позволяют сформироваться на них функциональной поверхности.In alternative embodiments of the invention, the surface structures may have a non-uniform size, shape and/or density. For example, surface structures may have uniform protrusion heights and shapes, but varying protrusion spacing or densities. Alternatively, the surface structures may have different heights but uniform shape, spacing, or density. It should be understood that any change in the shape, size and/or density of the surface structure can be made to facilitate a particular reaction or catalysis due to the presence of a vertex or peak, or a plurality of vertices or peaks, that act as a functional surface, or allow the formation of a functional surface thereon.

Примерами форм поверхностных структур могут быть, по существу, коническая, цилиндрическая или пирамидальная, остроконечная, зубчатая, квадратная, пятигранная, пятиугольная или шестиугольная. В предпочтительном варианте осуществления изобретения может использоваться любая форма, образующая вершину или пик, подходящая для использования в качестве функциональной поверхности или для формирования функциональной поверхности для катализа.Examples of the shapes of the surface structures may be substantially conical, cylindrical or pyramidal, pointed, jagged, square, pentagonal, pentagonal or hexagonal. In a preferred embodiment of the invention, any apex or peak forming shape suitable for use as a functional surface or for forming a functional surface for catalysis can be used.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения однородная матрица поверхностных структур может преимущественно обеспечивать, по существу, гомогенный продукт или результат катализа из раствора. Это может быть связано с однородными гребнями, вершинами и/или размерами и формой пика каждой поверхностной структуры, что может обеспечить равномерную плотность тока через каждую вершину или пик поверхностной структуры.In a preferred embodiment of the invention, a homogeneous matrix of surface structures can advantageously provide a substantially homogeneous product or result of catalysis from solution. This may be due to the uniform ridges, vertices, and/or peak sizes and shapes of each surface structure, which may provide uniform current density through each vertex or peak of the surface structure.

В альтернативных вариантах осуществления изобретения неоднородная матрица поверхностных структур может преимущественно обеспечивать возможность производства множества продуктов или результатов катализа из раствора. Это может быть связано с разным размером вершин или пиков с различной геометрией поверхностных структур в такой неоднородной матрице, что приводит к изменяющейся плотности тока на вершине или пике. Например, первая группа поверхностных структур может быть однородной по размеру, а вторая группа, отличающаяся по размеру от первой, также однородна по размеру внутри второй группы. In alternative embodiments of the invention, a heterogeneous matrix of surface structures may advantageously enable the production of multiple products or catalytic outputs from solution. This may be due to the different sizes of vertices or peaks with different geometries of surface structures in such a heterogeneous matrix, resulting in varying current density at the vertex or peak. For example, a first group of surface structures may be uniform in size, and a second group, different in size from the first, is also uniform in size within the second group.

На фиг. 1 показан вариант осуществления изобретения, в котором матрица 400 электрокатализатора содержит несущую подложку 410, поверхностные структуры 415 и функциональную поверхность 420. Функциональная поверхность образуется из электрокатализатора (например, Pt, Au, Ni), который активируется путем электрохимической модификации посредством тока или напряжения между электрокатализатором и противоэлектродом.In fig. 1 shows an embodiment of the invention in which an electrocatalyst matrix 400 includes a support substrate 410, surface structures 415, and a functional surface 420. The functional surface is formed from an electrocatalyst (eg, Pt, Au, Ni) that is activated by electrochemical modification via current or voltage between the electrocatalyst and a counter electrode.

Матрица необязательно включает в себя катализатор на вершине структуры поверхности и сокатализатор во впадинах между поверхностными структурами.The matrix optionally includes a catalyst at the top of the surface structure and a cocatalyst in the valleys between the surface structures.

Активные частицы в некоторых вариантах осуществления изобретения подвергаются электрохимической модификации после контакта с функциональной поверхностью, причем термодинамическая эффективность и кинетическая эффективность электрохимической модификации улучшаются по сравнению с соответствующим плоским электродом.The active particles in some embodiments of the invention undergo electrochemical modification upon contact with the functional surface, and the thermodynamic efficiency and kinetic efficiency of the electrochemical modification are improved compared to a corresponding planar electrode.

В некоторых вариантах осуществления изобретения матрица электрокатализатора включает в себя часть системы. Система содержит подходящую проводку, уплотнения, электроды и растворы, позволяющие образцу контактировать с функциональной поверхностью и обеспечивающие электрохимическую модификацию активных частиц. Система предпочтительно содержит контейнер, канал (например, внутри пакета электродов или для него) или другой сосуд для удержания проводящего раствора на функциональной поверхности. Матричная система также предпочтительно дополнительно содержит контрольный электрод и противоэлектрод, выполненные с возможностью контакта с проводящим раствором во время окислительно-восстановительной реакции. Предпочтительно контрольный электрод и/или противоэлектрод являются неподвижными и находятся на фиксированном расстоянии от функциональной поверхности. Подходящие системы и конфигурации должны быть известны специалистам в данной области. In some embodiments, the electrocatalyst matrix includes part of the system. The system contains suitable wiring, seals, electrodes and solutions to allow the sample to contact the functional surface and enable electrochemical modification of the active species. The system preferably includes a container, channel (eg, within or for an electrode package), or other vessel for holding the conductive solution on the functional surface. The matrix system also preferably further comprises a reference electrode and a counter electrode configured to contact the conductive solution during the redox reaction. Preferably, the reference electrode and/or counter electrode are stationary and at a fixed distance from the functional surface. Suitable systems and configurations should be known to those skilled in the art.

Для специалиста в данной области техники будет очевидно, что матрица электрокатализатора («рабочий электрод») может действовать как анод, когда происходит реакция окисления, или как катод, когда протекает реакция восстановления. Термин «рабочий электрод» часто используется в данной области для описания электрода, на котором происходит интересующая реакция. Однако для уравновешивания окислительно-восстановительного заряда требуется противоэлектрод. Например, если на рабочем электроде происходит окисление, на противоэлектроде будет происходить восстановление. It will be apparent to one skilled in the art that the electrocatalyst matrix (the "working electrode") can act as an anode when an oxidation reaction occurs or as a cathode when a reduction reaction occurs. The term "working electrode" is often used in the art to describe the electrode at which a reaction of interest occurs. However, a counter electrode is required to balance the redox charge. For example, if oxidation occurs at the working electrode, reduction will occur at the counter electrode.

В некоторых вариантах осуществления изобретения противоэлектрод также можно использовать для проведения полезных окислительно-восстановительных реакций. В таком случае противоэлектрод может быть плоским или иметь матричную структуру. В некоторых вариантах осуществления изобретения противоэлектрод содержит несущую подложку и поверхностные структуры, подобные описанным в отношении матрицы электрокатализатора. Все особенности поверхностных структур, описанные здесь в отношении электрокатализатора, могут относиться к противоэлектроду. Поверхностные структуры противоэлектрода могут иметь тот же размер и/или геометрию, что и электрокатализатор, или могут иметь размер и/или геометрию, отличные от электрокатализатора.In some embodiments, the counter electrode can also be used to conduct useful redox reactions. In this case, the counter electrode can be flat or have a matrix structure. In some embodiments, the counter electrode includes a support substrate and surface structures similar to those described for the electrocatalyst matrix. All features of the surface structures described herein with respect to the electrocatalyst may apply to the counter electrode. The surface structures of the counter electrode may have the same size and/or geometry as the electrocatalyst, or may have a different size and/or geometry than the electrocatalyst.

В качестве альтернативы, противоэлектрод по любому варианту осуществления изобретения содержит, по существу, инертный проводящий материал. В этом случае термин «инертный» означает, что противоэлектрод, по существу, не изменяется по массе и состоянию после подачи и прохождения тока от электрокатализатора к противоэлектроду. Следовательно, «инертный» противоэлектрод практически не реагирует с компонентами раствора. Предпочтительно противоэлектрод выполняют из материала, выбираемого из группы, состоящей из металла, платины, золота, никеля, меди, железа, углерода, графита, графена, углеродного волокна, углеродных нанотрубок, фуллерена, проводящего полимера PPy, PA, полиацетилена, нержавеющей стали. Противоэлектрод может быть выполнен из твердого слоя или проводящего слоя, нанесенного на подходящую подложку, например, полимерное стекло, металл. Противоэлектрод может быть выполнен из твердого слоя или проводящего слоя, нанесенного на подходящую подложку, например, полимерное стекло, металл. Предпочтительно противоэлектрод представляет собой чистый металл (такой как Au, Pt, нержавеющая сталь и/или медь) или подложку с покрытием из Au или Pt (например, металл, полимер и/или стекло). Предпочтительно противоэлектрод по любому варианту осуществления изобретения находится в фиксированной ориентации по отношению к поверхностной структуре. Alternatively, the counter electrode of any embodiment of the invention comprises a substantially inert conductive material. In this case, the term "inert" means that the counter electrode is substantially unchanged in mass and condition after current is applied and passed from the electrocatalyst to the counter electrode. Consequently, the “inert” counter electrode practically does not react with the components of the solution. Preferably, the counter electrode is made of a material selected from the group consisting of metal, platinum, gold, nickel, copper, iron, carbon, graphite, graphene, carbon fiber, carbon nanotubes, fullerene, conductive polymer PPy, PA, polyacetylene, stainless steel. The counter electrode can be made of a solid layer or a conductive layer deposited on a suitable substrate, for example, polymer glass, metal. The counter electrode can be made of a solid layer or a conductive layer deposited on a suitable substrate, for example, polymer glass, metal. Preferably, the counter electrode is a bare metal (such as Au, Pt, stainless steel and/or copper) or an Au or Pt coated substrate (such as metal, polymer and/or glass). Preferably, the counter electrode of any embodiment of the invention is in a fixed orientation with respect to the surface structure.

Предпочтительно противоэлектрод по любому варианту осуществления изобретения прикреплен к матрице электрода.Preferably, the counter electrode according to any embodiment of the invention is attached to the electrode matrix.

Предпочтительно противоэлектрод удерживается в определенной ориентации, чтобы свести к минимуму разницу в расстоянии между каждой из поверхностных структур матрицы. Предпочтительно противоэлектрод располагается над верхней поверхностью матрицы. В этих вариантах осуществления изобретения расстояние от противоэлектрода до вершины каждой поверхностной структуры, по существу, является одинаковым (равноудалено). Это сводит к минимуму помехи обнаружения, вызванные размещением противоэлектрода. Preferably, the counter electrode is held in a specific orientation to minimize the difference in distance between each of the surface structures of the array. Preferably, the counter electrode is located above the top surface of the matrix. In these embodiments, the distance from the counter electrode to the top of each surface structure is substantially the same (equidistant). This minimizes detection interference caused by counter electrode placement.

Поэтому предпочтительно, чтобы противоэлектрод (а) находился в фиксированной ориентации по отношению к поверхностной структуре, (b) был прикреплен к матрице электрода, (с) удерживался в требуемой ориентации для сведения к минимуму разницы в расстоянии между каждой из поверхностных структур матрицы или (d) располагался над верхней поверхностью матрицы.Therefore, it is preferable that the counter electrode (a) be in a fixed orientation with respect to the surface structure, (b) attached to the electrode array, (c) held in the desired orientation to minimize the difference in distance between each of the surface structures of the array, or (d ) was located above the upper surface of the matrix.

В одном варианте осуществления изобретения раствор дополнительно содержит контрольный электрод. Контрольный электрод помогает измерять и контролировать напряжение во время протекания тока, например, в процессе осаждения. Свойства и расположение контрольного электрода должны быть известны специалистам в данной области техники.In one embodiment of the invention, the solution further comprises a reference electrode. The reference electrode helps measure and monitor voltage while current is flowing, such as during the deposition process. The properties and location of the reference electrode should be known to those skilled in the art.

Предпочтительно матрица электрода дополнительно содержит контрольный электрод, контактирующий с раствором. Предпочтительно контрольный электрод включает в себя электрод, выполненный из Ag/AgCl. Другие варианты включают в себя следующее: стандартный водородный электрод (SHE); нормальный водородный электрод (NHE); обратимый водородный электрод (RHE); динамический водородный электрод (DHE); стандартный каломельный электрод (SCE); медно(II)-сульфатный электрод (CSE); ртутно-сульфатный электрод; Pt, нержавеющая сталь, Au.Preferably, the electrode matrix further comprises a reference electrode in contact with the solution. Preferably, the reference electrode includes an electrode made of Ag/AgCl. Other options include the following: standard hydrogen electrode (SHE); normal hydrogen electrode (NHE); reversible hydrogen electrode (RHE); dynamic hydrogen electrode (DHE); standard calomel electrode (SCE); copper(II) sulfate electrode (CSE); mercury sulfate electrode; Pt, stainless steel, Au.

Предпочтительно, чтобы ток, подаваемый между электрокатализатором и противоэлектродом, измеренный на электрокатализаторе, был током окисления или восстановления. Это облегчает электрохимическую модификацию активных частиц после контакта с функциональной поверхностью каждой поверхностной структуры. Preferably, the current supplied between the electrocatalyst and the counter electrode, measured at the electrocatalyst, is an oxidation or reduction current. This facilitates the electrochemical modification of the active species after contact with the functional surface of each surface structure.

Предпочтительно ток содержит восстановительный или окислительный потенциал между противоэлектродом и поверхностью электрода. Предпочтительно потенциал составляет от примерно -2 В до + 2 В, от примерно -200 мВ до -1 В или примерно -400 мВ относительно контрольного электрода из серебра/хлорида серебра.Preferably, the current contains a reduction or oxidation potential between the counter electrode and the electrode surface. Preferably, the potential is from about -2 V to + 2 V, from about -200 mV to -1 V, or about -400 mV relative to the silver/silver chloride reference electrode.

Предпочтительно ток по любому варианту осуществления изобретения пульсирует между активирующим потенциалом и инактивирующим потенциалом. Эта пульсация позволяет локализовать реакцию, происходящую на функциональной поверхности. Пульсация также максимально увеличивает количество активных частиц, прикрепляющихся к вершине каждой поверхностной структуры, и сводит к минимуму диффузию активных частиц от вершины каждой поверхностной структуры в раствор. Частота пульсации и ее рабочий цикл определяют степень локализации на функциональной поверхности. Регулярный цикл включения/выключения приводит к дезактивации активных частиц, поэтому распространение активированных активных частиц с функциональной поверхности на другие места на матрице сводится к минимуму.Preferably, the current according to any embodiment of the invention pulsates between an activating potential and an inactivating potential. This pulsation allows the reaction occurring on the functional surface to be localized. Pulsation also maximizes the number of active species attaching to the top of each surface structure and minimizes the diffusion of active particles from the top of each surface structure into solution. The pulsation frequency and its duty cycle determine the degree of localization on the functional surface. A regular on/off cycle deactivates the active particles so that the spread of activated active particles from the functional surface to other locations on the matrix is minimized.

Перед подачей тока чувствительные агенты остаются неактивными, и активные частицы, присутствующие в растворе, не могут связываться с чувствительными агентами. При применении активирующего потенциала плотность заряда (напряжение или ток) на функциональной поверхности увеличивается, таким образом активируя любые активные частицы, которые диффундируют к функциональной поверхности. Before current is applied, the sensing agents remain inactive and the active species present in the solution cannot bind to the sensing agents. When an activating potential is applied, the charge density (voltage or current) at the functional surface increases, thereby activating any active species that diffuses to the functional surface.

Соответственно, ток по любому варианту осуществления изобретения пульсирует между активирующим потенциалом и инактивирующим потенциалом.Accordingly, the current in any embodiment of the invention pulsates between an activating potential and an inactivating potential.

Полное раскрытие всех заявок, патентов и публикаций, процитированных выше и ниже, если таковые имеются, включено в данный документ посредством ссылки.The entire disclosure of all applications, patents and publications cited above and below, if any, is incorporated herein by reference.

Ссылка на какой-либо известный уровень техники в этом описании не является и не должна восприниматься как подтверждение или любая форма предположения, что этот известный уровень техники является частью общеизвестных знаний в интересующей области в какой-либо стране мира.Reference to any prior art in this description is not and should not be taken as an endorsement or any form of suggestion that such prior art is part of the generally known knowledge in the field of interest anywhere in the world.

В широком смысле можно сказать, что изобретение состоит из частей, элементов и признаков, упомянутых или указанных в описании заявки, по отдельности или вместе, в любой или всех сочетаниях двух или более упомянутых частей, элементов или признаков.In a broad sense, the invention can be said to consist of the parts, elements and features mentioned or specified in the specification of the application, individually or together, in any or all combinations of two or more of the mentioned parts, elements or features.

Если в приведенном выше описании делалась ссылка на целые числа или компоненты, имеющие известные эквиваленты, эти целые числа включены в данное описание, как если бы они были приведены отдельно.If reference was made in the above description to integers or components having known equivalents, those integers are included in this description as if they were given separately.

Следует отметить, что специалистам в данной области техники должны быть очевидны различные изменения и модификации описанных здесь предпочтительных в настоящее время вариантов осуществления изобретения. Такие изменения и модификации могут быть сделаны без отхода от сущности и объема изобретения и без приуменьшения связанных с ним преимуществ. Поэтому предполагается, что такие изменения и модификации включены в объем изобретения.It should be noted that various changes and modifications to the presently preferred embodiments of the invention described herein will be apparent to those skilled in the art. Such changes and modifications may be made without departing from the spirit and scope of the invention and without diminishing the advantages associated therewith. It is therefore intended that such changes and modifications be included within the scope of the invention.

ПримерыExamples

МатериалыMaterials

Контейнеры с фосфатно-солевым буферным раствором (PBS), K3FeCN6, K4FeCN6, K2PtCl4 и тиолы были закуплены у компании Sigma Aldrich и использовались без изменений.Containers containing phosphate buffered saline (PBS), K 3 FeCN 6 , K 4 FeCN 6 , K 2 PtCl 4 and thiols were purchased from Sigma Aldrich and used unchanged.

Электроды, использованные в этих экспериментах, были выполнены из поликарбоната с золотым покрытием. Матрица электрода была выполнена из поликарбоната, на котором был выдавлен ряд пирамид. The electrodes used in these experiments were made of gold-coated polycarbonate. The electrode matrix was made of polycarbonate, on which a number of pyramids were extruded.

Микропирамидальные структуры имели расстояние от пика до пика (от вершины до вершины) 70 мкм и основание 50 мкм x 50 мкм. Размер пика составляет от 1 до 5 микрон. Высота микропирамид составляет около 35 микрон. The micropyramidal structures had a peak-to-peak distance of 70 μm and a base of 50 μm x 50 μm. The peak size ranges from 1 to 5 microns. The height of micropyramids is about 35 microns.

Нанопирамиды были приобретены в виде штампованной никелевой матрицы и состояли из ряда пиков, имеющих длину 250 нм в основании и от 3 до 10 нм на пике. Расстояние от пика до пика (от вершины поверхностной структуры до вершины следующей поверхностной структуры) составляло около 250 нм, а размер пика составлял от 3 до 10 нм. Высота нанопирамид составляет около 250 нм. The nanopyramids were purchased as a stamped nickel matrix and consisted of a series of peaks measuring 250 nm at the base and 3 to 10 nm at the peak. The peak-to-peak distance (from the top of a surface structure to the top of the next surface structure) was about 250 nm, and the peak size ranged from 3 to 10 nm. The height of the nanopyramids is about 250 nm.

Электрохимические исследованияElectrochemical research

Электрохимические исследования проводились с использованием бипотенциостатической установки Pine E-chem в трехэлектродной компоновке с платиной в качестве противоэлектрода. Electrochemical studies were carried out using a Pine E-chem bipotentiostatic setup in a three-electrode arrangement with platinum as the counter electrode.

Все электрохимические потенциалы, представленные в этой работе, измеряют и оценивают с использованием герметичного миниатюрного контрольного электрода Ag/AgCl (eDAQ). Электрохимическая ячейка была заключена в тефлоновый конус с цилиндрическим отверстием (внутренний диаметр 4 мм), прижатым к образцу. Все измерения проводили при комнатной температуре без исключения воздуха.All electrochemical potentials presented in this work are measured and evaluated using a sealed miniature Ag/AgCl reference electrode (eDAQ). The electrochemical cell was enclosed in a Teflon cone with a cylindrical hole (inner diameter 4 mm) pressed against the sample. All measurements were carried out at room temperature without excluding air.

Формирование самоорганизующегося монослоя (SAM)Formation of a self-assembled monolayer (SAM)

Растворы для осаждения получали растворением требуемого количества алкантиола в этаноле. Общая концентрация тиола поддерживалась в диапазоне от 0,1 до 1 мМ. Свежеприготовленные золотые подложки погружали в раствор для осаждения на 24 ч. Осаждение происходило при отсутствии света, чтобы исключить любое фотонное окисление на тиоловых монослоях. Затем подложки промывали этанолом и деионизированной водой для удаления избытка адсорбата, а затем сушили с помощью N2 для удаления остаточного растворителя. Precipitation solutions were prepared by dissolving the required amount of alkanethiol in ethanol. The total thiol concentration was maintained between 0.1 and 1 mM. Freshly prepared gold substrates were immersed in the deposition solution for 24 hours. Deposition occurred in the absence of light to prevent any photonic oxidation on the thiol monolayers. The substrates were then washed with ethanol and deionized water to remove excess adsorbate and then dried with N2 to remove residual solvent.

Пример 1. Удаление SAM с пикаExample 1: Removing SAM from a Peak

Цель: продемонстрировать, что распределение плотности заряда (напряжения или тока) в матрице электрода с поверхностными структурами может быть использовано для выборочного удаления самоорганизующегося монослоя с вершин поверхностных структур. Objective: To demonstrate that the distribution of charge density (voltage or current) in an electrode matrix with surface structures can be used to selectively remove a self-assembled monolayer from the tops of surface structures.

Способ: электроды с покрытием SAM погружали в фосфатно-солевой буферный раствор (PBS). Десорбцию осуществляли хроноамперометрией с применением восстановительного потенциала (-1,1 В при совокупной продолжительности 0 с, 2,5 с, 5 с, 10 с, 20 с, 40 с, 80 с, 160 с, 320 с, 640 с и 900 с), и скорость десорбции контролировали с использованием циклической вольтамперометрии в K3FeCN6 при 20 мВ/с. Method: SAM coated electrodes were immersed in phosphate buffered saline (PBS). Desorption was carried out by chronoamperometry using a reduction potential (-1.1 V for a cumulative duration of 0 s, 2.5 s, 5 s, 10 s, 20 s, 40 s, 80 s, 160 s, 320 s, 640 s and 900 s ), and the desorption rate was monitored using cyclic voltammetry in K 3 FeCN 6 at 20 mV/s.

Результаты: покрытые золотом поверхностные структуры на матрице электрода продемонстрировали более быстрый профиль десорбции с максимальным пиком окисления, возникающим примерно через 10 секунд (фиг. 2a), по сравнению с плоским электродом (фиг. 2b), с максимальным пиком окисления, наблюдаемым примерно через 20-30 минут. Results: Gold-coated surface structures on the electrode matrix exhibited a faster desorption profile with a maximum oxidation peak occurring at approximately 10 seconds (Figure 2a) compared to the planar electrode (Figure 2b), with a maximum oxidation peak occurring at approximately 20 seconds. -30 minutes.

Заключение: распределение дифференциальной плотности заряда (напряжения или тока) на трехмерной поверхности привело к значительно более быстрой десорбции SAM с пиков поверхностных структур по сравнению с плоской поверхностью (фиг. 2c). Это происходило из-за концентрации плотности заряда (напряжения или тока) на вершине или около вершины поверхностных структур. Это дает возможность изменить функциональную поверхность электрокатализатора или обнажить только пик, то есть функциональную поверхность электрокатализатора. Conclusion: The distribution of differential charge density (voltage or current) on the 3D surface resulted in significantly faster desorption of SAM from the peaks of surface structures compared to the flat surface (Figure 2c). This was due to the concentration of charge density (voltage or current) at or near the top of the surface structures. This makes it possible to change the functional surface of the electrocatalyst or to expose only the peak, that is, the functional surface of the electrocatalyst.

Пример 1b. Пассивирующий слой SU8Example 1b. Passivation layer SU8

Цель: продемонстрировать, что распределение плотности заряда (напряжения или тока) в матрице электрода может быть увеличено путем нанесения покрытия из фоторезиста в углублениях между пиками. Purpose: To demonstrate that the distribution of charge density (voltage or current) in the electrode matrix can be increased by applying a photoresist coating in the recesses between the peaks.

Способ: покрытые золотом электроды имели слой SU8, нанесенный методом центрифугирования на поверхность при 2000-5000 об/мин, и поперечно сшитый под воздействием УФ-излучения. Это должно обеспечить толщину пассивирующего слоя в диапазоне от 10 мкм до 30 мкм. Method: Gold-coated electrodes had a layer of SU8, spin-coated on the surface at 2000-5000 rpm, and cross-linked under the influence of UV radiation. This should provide a passivation layer thickness in the range of 10 µm to 30 µm.

Результаты: платина была электрохимически восстановлена на открытых пиках, образуясь в виде ряда наночастиц в результате фокусировки тока (см. фиг 3). Results: Platinum was electrochemically reduced at the open peaks, forming as a series of nanoparticles as a result of current focusing (see Figure 3).

Заключение: дифференциальная плотность заряда (напряжения или тока) усиливается пассивирующим слоем и вызывает образование наночастиц вместо пленки, что может привести к усилению каталитической активности. Conclusion: The differential charge density (voltage or current) is enhanced by the passivation layer and causes the formation of nanoparticles instead of a film, which can lead to enhanced catalytic activity.

Пример 2. Функционализация Pt на пикеExample 2: Pt Functionalization at its Peak

Цель: продемонстрировать, что распределение дифференциальной плотности заряда (напряжения или тока) матрицы электрода с поверхностными структурами можно использовать для выборочного осаждения металлов на вершине структур. Objective: To demonstrate that the differential charge density (voltage or current) distribution of an electrode array with surface structures can be used to selectively deposit metals on top of the structures.

Способ: поверхностные структуры со слоем электрокатализатора из золота очищали посредством реактивного ионного травления (RIE) плазмой O2 (2 мин) и погружали в раствор хлорида платины (IV) (1 мМ) в PBS. Рост мезо-частиц Pt осуществлялся с использованием прямоугольного волнового потенциала следующим образом: восстановительный потенциал (-500 мВ) применялся для восстановления Pt (II) до Pt (0) на поверхности в течение 15 с, а затем использовался окислительный потенциал (300 мВ) для остановки процесса. Этот цикл продолжался до тех пор, пока не было получено желаемое количество осадочной Pt. Method: Surface structures with a gold electrocatalyst layer were cleaned by reactive ion etching (RIE) with O 2 plasma (2 min) and immersed in a solution of platinum (IV) chloride (1 mM) in PBS. The growth of Pt meso particles was carried out using a square wave potential as follows: a reduction potential (−500 mV) was used to reduce Pt(II) to Pt(0) at the surface within 15 s, and then an oxidation potential (300 mV) was used to stopping the process. This cycle continued until the desired amount of sedimentary Pt was obtained.

Результаты: осаждение Pt происходило преимущественно на вершине или около вершины поверхностных структур, как показано на фиг. 4a и 4b (без пассивирования) и на фиг. 3 (с пассивирующим слоем SU8). Results: Pt deposition occurred predominantly at or near the top of surface structures, as shown in FIG. 4a and 4b (without passivation) and FIG. 3 (with SU8 passivation layer).

Заключение: из-за более высокого распределения плотности заряда (напряжения или тока) на вершине или около вершины поверхностной структуры, Pt осаждается с большей плотностью, чем на других поверхностях. Это дает возможность модифицировать функциональную поверхность электрокатализатора. Conclusion: Due to the higher charge density (voltage or current) distribution at or near the top of the surface structure, Pt is deposited at a higher density than on other surfaces. This makes it possible to modify the functional surface of the electrocatalyst.

Пример 3. Наномасштабный катализ с переходными металлами и изменение механизмаExample 3: Nanoscale Transition Metal Catalysis and Mechanism Change

Цель: продемонстрировать, что трехмерность электрокатализатора изменяет механизм реакции и ее эффективность при преобразовании в продукт, сводя к минимуму «утечку» электронов за счет образования побочного продукта. Это снижает каталитическую эффективность и может привести к образованию побочных продуктов, повреждающих реакцию. Objective: To demonstrate that the three-dimensionality of an electrocatalyst changes the reaction mechanism and its efficiency in converting to a product, minimizing the "leakage" of electrons through the formation of a by-product. This reduces catalytic efficiency and can lead to the formation of byproducts that damage the reaction.

Способ: 4-электродная система (Pt, 2 рабочих коллекторных электрода H2O2 и 1 Au-электрод в качестве рабочего электрода катализатора восстановления O2) использовалась с Pt в качестве противоэлектрода и Ag/AgCl в качестве контрольного электрода для измерения уровня пероксида водорода, образующегося во время реакции восстановления кислорода посредством плоской, микропирамидальной и нанопирамидальной поверхностной структуры. Высота коллектора (Pt) была откалибрована путем опускания рабочего электрода Pt до поверхности электрода Au. От этой базовой линии он поднимался на расстояние до 200 мкм. Циклическую вольтамперограмму выполняли на золотых электродах, в то время как электрод Pt выдерживали при окислительном потенциале, достаточном для окисления H2O2. Затем оценивали эффективность восстановления O2 как отношение тока Pt к Au. Method: A 4-electrode system (Pt, 2 H2O2 working collector electrodes and 1 Au electrode as the O2 reduction catalyst working electrode ) was used with Pt as the counter electrode and Ag/ AgCl as the reference electrode to measure the hydrogen peroxide level , formed during the oxygen reduction reaction through planar, micropyramidal and nanopyramidal surface structures. The collector height (Pt) was calibrated by lowering the Pt working electrode to the surface of the Au electrode. From this baseline it rose up to 200 µm. Cyclic voltammogram was performed on gold electrodes while the Pt electrode was kept at an oxidation potential sufficient to oxidize H 2 O 2 . The O2 reduction efficiency was then assessed as the ratio of Pt to Au current.

Результаты: результаты показаны на фиг. 5a для различных золотых электродов (как показано на фиг. 5b): плоских, микропирамидальных, микропирамидальных, изолированных инертным слоем между вершинами пирамид (называемым пирамидальным лаком на фигуре) и нанопирамидальных при pH 13. Известно, что в этих условиях золото вырабатывает чистый H2O2 (пероксид водорода) при электрохимическом восстановлении O2 в щелочной среде. Следовательно, пероксид водорода будет предполагаемым продуктом для этого типа реакции. Введение трехмерности, в частности наноструктур, но в меньшей степени микроструктур, неожиданно меняет механистическое поведение, переходя от 2-электронного восстановления (100% H2O2) к 4-электронному восстановлению (100% H2O). Это стало очевидным только при измерении восстановления пероксида водорода. Results: the results are shown in Fig. 5a for various gold electrodes (as shown in Fig. 5b): flat, micropyramidal, micropyramidal, insulated with an inert layer between the tops of the pyramids (called pyramidal varnish in the figure) and nanopyramidal at pH 13. Under these conditions, gold is known to produce pure H2O2 (hydrogen peroxide) during electrochemical reduction of O2 in an alkaline environment. Therefore, hydrogen peroxide would be the expected product for this type of reaction. The introduction of three-dimensionality, in particular nanostructures, but to a lesser extent microstructures, unexpectedly changes the mechanistic behavior, moving from 2-electron reduction (100% H2O2) to 4-electron reduction (100% H2O). This only became apparent when measuring the reduction of hydrogen peroxide.

Приведенный выше пример (как показано на фиг. 5 и 5a) показывает, что изменение размера и/или формы трехмерной структуры может привести к образованию различных продуктов каталитического процесса, например О2 трансформируется в пероксид или воду. Это также может быть применено ко всем примерам, приведенным ниже, включая, помимо прочего, N2 в NH3, NO3 в N2 и CO2 в HCOOH.The above example (as shown in Figures 5 and 5a) shows that changing the size and/or shape of the three-dimensional structure can lead to the formation of various products of the catalytic process, for example O 2 is transformed into peroxide or water. This can also be applied to all of the examples below, including but not limited to N2 to NH3 , NO3 to N2 , and CO2 to HCOOH.

Выбранный размер пиков зависит от требуемого продукта. Чем меньше размеры элементов, тем эффективнее преобразование в конечный продукт, и особенно там, где возможно несколько продуктов, в большую концентрацию продукта с более высоким содержанием энергии. The selected peak size depends on the product required. The smaller the element sizes, the more efficient the conversion into the final product, and especially where multiple products are possible, into a greater concentration of product with a higher energy content.

Считается, что вершина, и/или пик, и/или ребро структуры (функциональная поверхность) является одним из наиболее важных факторов, определяющих активность электрокатализатора. Считается, что сечение вершины и/или размер пика можно использовать для выбора желаемого продукта окисления-восстановления. В общих чертах, чем уже, меньше или острее угол вершины или вершин (или ребер) и/или пика, тем больше фокусировка тока и напряжения, и тем выше каталитический оборот.It is believed that the vertex and/or peak and/or edge of the structure (functional surface) is one of the most important factors determining the activity of the electrocatalyst. It is believed that the apex cross section and/or peak size can be used to select the desired oxidation-reduction product. In general, the narrower, smaller or sharper the angle of the apex or apexes (or ridges) and/or peak, the greater the focusing of current and voltage, and the higher the catalytic turnover.

Заключение: топография поверхности электрокатализатора приводит к резкому изменению механизма реакции. Conclusion : The surface topography of the electrocatalyst leads to a dramatic change in the reaction mechanism.

Пример 4. Электрокаталитическое восстановление COExample 4: Electrocatalytic CO Reduction 22

Цель: продемонстрировать разнообразие наномасштабного электрокатализа путем восстановления CO2. Objective: To demonstrate the diversity of nanoscale electrocatalysis through CO 2 reduction.

Способ: использовали трехэлектродную систему с наноструктурированной поверхностью Au в качестве рабочего электрода, Pt в качестве противоэлектрода и Ag/AgCl в качестве контрольного электрода. Раствор сначала дегазировали продувкой газообразным аргоном, а фоновое измерение производили с помощью циклической вольтамперометрии. Затем путем интенсивного барботирования вводили СО2, и активность восстановления СО2 измеряли с помощью циклической вольтамперометрии. Method: A three-electrode system with a nanostructured surface of Au as the working electrode, Pt as the counter electrode, and Ag/AgCl as the reference electrode was used. The solution was first degassed by purging with argon gas, and background measurements were taken using cyclic voltammetry. CO 2 was then introduced by vigorous bubbling and the CO 2 reduction activity was measured by cyclic voltammetry.

Результат: результаты показаны на фиг. 6. На фиг. 6 при введении СО2 наблюдался значительный ток, приводящий к образованию СО и метанола. Result: The results are shown in Fig. 6. In FIG. 6, when CO2 was introduced, a significant current was observed, leading to the formation of CO and methanol.

Заключение: используемый здесь электрокатализатор продемонстрировал способность к восстановлению CO2. Conclusion: The electrocatalyst used here demonstrated CO2 reduction ability.

Пример 5. Электрокаталитическое восстановление OExample 5: Electrocatalytic O reduction 22 посредством Pt via Pt

Цель: продемонстрировать, что трехмерность механистически эффективного электрокатализатора увеличивает каталитическую активность за счет снижения затрат энергии (термодинамики) процесса при одновременном повышении его кинетической эффективности. Objective: To demonstrate that the three-dimensionality of a mechanistically efficient electrocatalyst increases catalytic activity by reducing the energy cost (thermodynamics) of the process while increasing its kinetic efficiency.

Способ: катализатор Pt (30 нм) наносили на плоские, микропирамидальные и нанопирамидальные поверхности. Использовали трехэлектродную систему с платиновой (Pt) проволокой в качестве противоэлектрода и Ag/AgCl в качестве контрольного электрода для измерения активности восстановления O2 на каждой поверхности. Циклическую вольтамперограмму выполняли на покрытых платиной (Pt) электродах. Затем оценивали эффективность восстановления O2 по начальному потенциалу (мера термодинамического усиления) и максимальному току (мера кинетики). Method: Pt catalyst (30 nm) was deposited on flat, micropyramidal and nanopyramidal surfaces. A three-electrode system with a platinum (Pt) wire as the counter electrode and Ag/AgCl as the reference electrode was used to measure the O2 reduction activity on each surface. Cyclic voltammogram was performed on platinum (Pt) coated electrodes. The efficiency of O2 reduction was then assessed by initial potential (a measure of thermodynamic enhancement) and maximum current (a measure of kinetics).

Результаты: результаты показаны на фиг. 21 для различных покрытых платиной электродов: плоских, микропирамидальных и нанопирамидальных при pH 2. Авторы изобретения наблюдали значительный сдвиг в начальном потенциале в порядке плоских<микропирамидальных<<нанопирамидальных поверхностей. Эту тенденцию (плоские<микропирамидальные<<нанопирамидальные) также наблюдали в генерируемом относительном токе. Results: The results are shown in Fig. 21 for various platinum-coated electrodes: planar, micropyramidal and nanopyramidal at pH 2. The inventors observed a significant shift in the initial potential in the order of planar<micropyramidal<<nanopyramidal surfaces. This trend (flat<micropyramidal<<nanopyramidal) was also observed in the generated relative current.

Заключение: топография поверхности электрокатализатора приводит к значительному увеличению гетерогенного катализа как с точки зрения затрат энергии, так и с точки зрения каталитической кинетики. Conclusion: The surface topography of the electrocatalyst leads to a significant increase in heterogeneous catalysis, both in terms of energy consumption and catalytic kinetics.

Пример 6. Зависимость аскорбиновой кислоты от pH, Тафель, зависимость от концентрацииExample 6: pH Dependence of Ascorbic Acid, Tafel, Concentration Dependence

Цель: продемонстрировать общность сдвига потенциала в различных условиях Purpose: to demonstrate the generality of potential shifts in different conditions

Способ: использовали трехэлектродную систему с пирамидально-структурированной поверхностью Au в качестве рабочего электрода, Pt в качестве противоэлектрода и Ag/AgCl в качестве контрольного электрода. Ферроцен иммобилизовали как на плоском, так и на пирамидальном электродах с использованием электрохимической модификации поверхности с дифференциальным распределением тока. Эксперимент проводили таким образом, чтобы покрытие поверхности ферроценом как на плоской, так и на пирамидальной поверхности было сопоставимым (фиг. 7а). Электрохимическое преобразование 1 (фиг. 7a и b) и 100 мМ аскорбата натрия проводили в диапазоне pH 1-14. Method: A three-electrode system with a pyramidal structured surface of Au as the working electrode, Pt as the counter electrode, and Ag/AgCl as the reference electrode was used. Ferrocene was immobilized on both planar and pyramidal electrodes using electrochemical surface modification with differential current distribution. The experiment was carried out in such a way that the surface coverage of ferrocene on both the flat and pyramidal surfaces was comparable (Fig. 7a). Electrochemical conversion of 1 (Fig. 7a and b) and 100 mM sodium ascorbate was carried out in the pH range 1-14.

Результаты: известно, что ферроцен способствует окислению аскорбата при включении в золотой электрод, модифицированный SAM. Известно, что окисление аскорбиновой кислоты — это процесс 2-электронного 2-протонного окисления, в результате которого образуется один продукт. В результате может произойти ожидаемый сдвиг pH в процессе окисления. Когда ферроцен присоединяется к N3-C11SH/C10SH, ток растет, достигает пика и уменьшается, показывая процесс, ограниченный диффузией. Подобно производству водорода и восстановлению кислорода, при использовании значительного снижения напряжения, необходимого для инициирования процесса окисления, наблюдали повышение каталитических характеристик (фиг. 8а). Это каталитическое усиление наблюдается при всех значениях pH. Results: Ferrocene is known to promote ascorbate oxidation when incorporated into a SAM-modified gold electrode. It is known that the oxidation of ascorbic acid is a process of 2-electron 2-proton oxidation, which results in the formation of one product. As a result, the expected pH shift during oxidation may occur. When ferrocene is added to N3-C11SH/C10SH, the current increases, peaks, and decreases, showing a diffusion-limited process. Similar to hydrogen production and oxygen reduction, an increase in catalytic performance was observed when using a significant voltage reduction required to initiate the oxidation process (Figure 8a). This catalytic enhancement is observed at all pH values.

График Тафеля ясно показал снижение как термодинамической стоимости, так и плотности токообмена (фиг. 7b).The Tafel plot clearly showed a reduction in both thermodynamic cost and current exchange density (Fig. 7b).

Заключение: трехмерная форма электрохимически дифференцирует активность пика от основания, даже если они выполнены из того же материала. Катализ улучшается за счет снижения затрат энергии на преобразование путем уменьшения энергии активации и повышения скорости реакции, протекающей в различных средах. Conclusion: The 3D shape electrochemically differentiates the activity of the peak from the base, even if they are made of the same material. Catalysis is improved by reducing the energy required for conversion by decreasing the activation energy and increasing the rate of reaction occurring in different media.

Пример 7. Восстановление OExample 7: O Recovery 22 золотым (Au) электродом gold (Au) electrode

Способ: использовали трехэлектродную систему с пирамидально-структурированной поверхностью Au в качестве рабочего электрода, Pt в качестве противоэлектрода и Ag/AgCl в качестве контрольного электрода. Циклическую вольтамперометрию проводили на золотых электродах в насыщенной O2 перхлорной кислоте. Method: A three-electrode system with a pyramidal structured surface of Au as the working electrode, Pt as the counter electrode, and Ag/AgCl as the reference electrode was used. Cyclic voltammetry was carried out on gold electrodes in perchloric acid saturated with O2 .

Результаты: результаты показаны на фиг. 8 для плоской и микропирамидальной формы при pH 1. Известно, что при этом pH Au восстанавливает O2 на 4 электрона и 4 протона до воды. Введение трехмерности резко снижает начальный потенциал, и наблюдаются два пика: один при низком перенапряжении для вершины, а другой — при высоком перенапряжении для плоских областей. Results: The results are shown in Fig. 8 for planar and micropyramidal shapes at pH 1. At this pH Au is known to reduce O 2 by 4 electrons and 4 protons to water. The introduction of three-dimensionality sharply reduces the initial potential and two peaks are observed: one at low overpotential for the vertex and the other at high overvoltage for the flat regions.

Заключение: топография поверхности электрокатализатора приводит к значительному увеличению гетерогенного катализа как с точки зрения затрат энергии, так и с точки зрения каталитической кинетики (фиг. 8). Conclusion: The surface topography of the electrocatalyst leads to a significant increase in heterogeneous catalysis, both in terms of energy consumption and catalytic kinetics (Fig. 8).

Пример 8. Массовая активность катализатора в устойчивом состоянии. Example 8. Mass activity of the catalyst in a steady state.

Цель: изучить влияние трехмерности на массовую активность катализатора. Purpose: to study the effect of three-dimensionality on the mass activity of the catalyst.

Способ: использовалась трехэлектродная система с пирамидальной структурой, электроосажденная Pt, в соответствии с примером 2 на микропирамидальной структуре и плоским Au-электродом на 5-миллиметровой вставке для использования во вращающемся дисковом электроде. Циклическую вольтамперограмму выполняли при 1600 об/мин в насыщенной O2 перхлорной кислоте. Method: A three-electrode system was used with a pyramidal structure electrodeposited with Pt according to Example 2 on a micropyramidal structure and a flat Au electrode on a 5mm insert for use in a rotating disk electrode. Cyclic voltammogram was performed at 1600 rpm in O2 - saturated perchloric acid.

Результаты: наблюдали подобный термодинамический сдвиг при восстановлении O2 при 1600 об/мин, что и в случае статической поверхности (фиг. 9). Results: A similar thermodynamic shift was observed during O 2 reduction at 1600 rpm as in the case of a static surface (Fig. 9).

Заключение: вращение увеличивает массообмен O2 с электродом и сводит к минимуму любое усиление, производимое трехмерными поверхностями. Таким образом, эксперименты с вращающимся дисковым электродом позволили напрямую сравнить массовую активность плоской и трехмерной поверхностей без какого-либо влияния диффузионных факторов. Conclusion: Rotation increases O2 mass transfer to the electrode and minimizes any enhancement produced by the three-dimensional surfaces. Thus, experiments with a rotating disk electrode allowed a direct comparison of the mass activity of flat and three-dimensional surfaces without any influence of diffusion factors.

Пример 8b. Каталитическая активность Pt/C с трехмерностью. Example 8b. Catalytic activity of Pt/C with three-dimensionality.

Цель: изучить электрокаталитическое улучшение при использовании трехмерности с существующими материалами Pt/C Objective: To explore electrocatalytic enhancement using 3D with existing Pt/C materials

Способ: приготовили краску 10% Pt/C согласно описанной ранее процедуре. 10 мкл чернил нанесли каплями на плоские поверхности и нанопирамидальные поверхности. Затем осуществляли восстановление O2 в насыщенном O2 растворе NaOH. Результаты: наблюдали значительное усиление каталитической активности Pt/C в случае трехмерной платформы (фиг. 10) по сравнению с плоской поверхностью. Method: Prepare 10% Pt/C paint according to the previously described procedure. 10 μL of ink was dropped onto flat surfaces and nanopyramidal surfaces. Then O 2 reduction was carried out in an O 2 -saturated NaOH solution. Results: A significant enhancement in the catalytic activity of Pt/C was observed in the case of the 3D platform (Figure 10) compared to the flat surface.

Заключение: трехмерность может использоваться для улучшения каталитических характеристик существующих материалов. Conclusion: 3D can be used to improve the catalytic performance of existing materials.

Пример 9. Преобразование нитрата в азот Example 9: Converting Nitrate to Nitrogen

Цель: применить каталитическую трехмерную поверхность для восстановления нитрата Goal: Apply catalytic 3D surface for nitrate reduction

Способ: использовали трехэлектродную систему с нанопирамидальной поверхностью Au в качестве рабочего электрода, Pt в качестве противоэлектрода и Ag/AgCl в качестве контрольного электрода в буфере PBS. Кривые выполняли с добавлением 6 ммоль нитрата натрия и без него. Method: A three-electrode system with a nanopyramidal surface of Au as the working electrode, Pt as the counter electrode, and Ag/AgCl as the reference electrode in PBS buffer was used. Curves were performed with and without the addition of 6 mmol sodium nitrate.

Результаты: после добавления нитрата натрия к раствору на кривой наблюдался пик примерно при -0,85 мВ относительно Ag/AgCl (фиг. 11). Удержание напряжения на уровне -0,8 мВ привело к выделению газа без запаха, который предположительно соответствовал азоту. Results: After sodium nitrate was added to the solution, the curve showed a peak at approximately -0.85 mV vs. Ag/AgCl (Figure 11). Holding the voltage at -0.8 mV resulted in the release of an odorless gas thought to be nitrogen.

Заключение: кривая ясно показывает пик, соответствующий восстановлению нитрата. Точную идентичность выделяемого газа еще предстоит определить, однако тот факт, что он не имеет запаха, исключает образование аммиака и выступает в подтверждение производства азота. Conclusion: The curve clearly shows a peak corresponding to nitrate reduction. The exact identity of the gas produced has yet to be determined, but the fact that it is odorless rules out the formation of ammonia and supports the production of nitrogen.

Пример 10. Повышение кинетики переноса электронов на ферроцен через монослой Example 10. Increasing the kinetics of electron transfer to ferrocene through a monolayer

Цель: продемонстрировать повышенную кинетику переноса электронов (KET) на иммобилизованный ферроценовый SAM на трехмерной поверхности в сравнении с плоской. Objective: To demonstrate enhanced electron transfer (KET) kinetics to immobilized ferrocene SAM on a 3D surface compared to a flat one.

Способ: смешанный самоорганизующийся монослой (SAM) с равным молярным составом, состоящий из 1-декантиола и монослоя с концевыми азидными группами с углеродной цепью 11, сформировали на плоской и пирамидальной поверхности с золотым напылением. Использовали трехэлектродную систему с платиновой (Pt) проволокой в качестве противоэлектрода и Ag/AgCl в качестве контрольного электрода для прикрепления ферроцена к поверхности с использованием хроноамперометрии. На электродах выполняли циклическую вольтамперограмму с разной скоростью сканирования, для оценки механизма переноса электронов на плоской и пирамидальной поверхности. Method: A mixed self-assembled monolayer (SAM) with equal molar composition consisting of 1-decanethiol and azide-terminated monolayer with carbon chain 11 was formed on a flat and pyramidal surface with gold sputtering. A three-electrode system with a platinum (Pt) wire as the counter electrode and Ag/AgCl as the reference electrode was used to attach ferrocene to the surface using chronoamperometry. Cyclic voltammograms were performed on the electrodes at different scanning speeds to evaluate the electron transfer mechanism on flat and pyramidal surfaces.

Результаты: результаты показаны на фиг. 12 для пирамидальной (а) и плоской (b) поверхности при нейтральном pH. Авторы изобретения наблюдали более быстрый перенос электронов с использованием пирамидальной поверхности, о чем свидетельствует меньшая разница в разделении пиков окисления и восстановления в зависимости от скорости сканирования (фиг. 13). Результаты демонстрируют более легкое перемещение электронов между химическим веществом и микроструктурированной поверхностью электрода, тогда как плоская поверхность показала медленную скорость на протяжении всего эксперимента. Results: The results are shown in Fig. 12 for pyramidal (a) and flat (b) surfaces at neutral pH. The inventors observed faster electron transfer using the pyramidal surface, as evidenced by a smaller difference in the separation of oxidation and reduction peaks depending on the scan speed (Fig. 13). The results demonstrate an easier transfer of electrons between the chemical and the microstructured electrode surface, whereas the flat surface showed a slower rate throughout the experiment.

Заключение: топография поверхности электрода приводит к значительному увеличению кинетики переноса электронов за счет снижения затрат энергии. Conclusion: the topography of the electrode surface leads to a significant increase in the kinetics of electron transfer by reducing energy costs.

Пример 11. Электрокаталитическое восстановление O2 с использованием Pt в эксперименте с вращающимся дисковым электродом (RDE) Example 11: Electrocatalytic O2 Reduction Using Pt in a Rotating Disc Electrode (RDE) Experiment

Цель: продемонстрировать, что трехмерность обеспечивает кинетическое усиление и поддерживает устойчивые условия массопереноса с использованием (RDE) Objective: Demonstrate that three-dimensionality provides kinetic enhancement and maintains stable mass transfer conditions using (RDE)

Способ: подготовили плоские и пирамидальные электроды (диски 5 мм), как в примере 5, где использовали напыление катализатора Pt. Использовали трехэлектродную систему с платиновой (Pt) проволокой в качестве противоэлектрода и Ag/AgCl в качестве контрольного электрода для измерения активности восстановления O2 на каждой поверхности путем проведения циклической вольтамперометрии со скоростью вращения 400, 900, 1600, 2500, 3600 и 4900 об/мин (фиг. 14). Затем эффективность восстановления O2 оценивали по начальному потенциалу, максимальному току и уравнению Коутецкого – Левича (фиг. 15). Method: prepared flat and pyramidal electrodes (5 mm disks), as in example 5, where Pt catalyst spraying was used. A three-electrode system with a platinum (Pt) wire as the counter electrode and Ag/AgCl as the reference electrode was used to measure the O2 reduction activity on each surface by performing cyclic voltammetry at rotation speeds of 400, 900, 1600, 2500, 3600 and 4900 rpm (Fig. 14). The O2 reduction efficiency was then assessed using the initial potential, maximum current and the Koutecki–Levich equation (Fig. 15).

Результаты: результаты для покрытого платиной (Pt) микропирамидального электрода показаны на фиг. 15. Авторы изобретения наблюдали значительный сдвиг начального потенциала при увеличении скорости вращения, сопровождаемый высоким током для обеих поверхностей из-за уменьшения массообмена в системе. Уравнение Коутецкого-Левича показывает аналогичную кривую с более высокой степенью переноса электронов, демонстрируемую пирамидальными электродами. Results: Results for the platinum (Pt) coated micropyramidal electrode are shown in FIG. 15. The inventors observed a significant shift in the initial potential with increasing rotation speed, accompanied by high current for both surfaces due to the decrease in mass transfer in the system. The Koutecki-Levich equation shows a similar curve with a higher degree of electron transfer exhibited by pyramidal electrodes.

Заключение: топография поверхности электрокатализатора приводит к значительному усилению гетерогенного катализа как с точки зрения затрат энергии, так и с точки зрения каталитической кинетики с использованием трехмерного пирамидального электрода. Conclusion: Electrocatalyst surface topography results in significant enhancement of heterogeneous catalysis both in terms of energy cost and catalytic kinetics using a 3D pyramidal electrode.

Пример 12. Репрезентативное изготовление трехмерной матрицы из поликарбоната с золотым покрытием (фиг. 16) Example 12: Representative Fabrication of a 3D Gold Coated Polycarbonate Matrix (FIG. 16)

Перевернутую пирамидальную матрицу преобразовали в кремниевую (Si) пластину путем модификации ранее описанного метода анизотропного влажного травления. В данном примере микроструктуры перевернутой пирамидальной матрицы изготавливали в три этапа с использованием кремния Si, покрытого нитридом кремния (Si3N4) (фиг. 16): фотолитографию использовали для определения пирамидального основания (50 мкм x 50 мкм) и расстояния (75 мкм от вершины до вершины), изотропного травления слоя Si3N4 с использованием буферной плавиковой кислоты с последующим анизотропным травлением Si с использованием раствора гидроксида калия (КОН). Анизотропное травление с использованием щелочного травителя (30% КОН) приводит к образованию матрицы из перевернутых пирамидальных микроструктур под углом 54,7°. Этот угол зависит от ориентации кристаллической плоскости и отличается для разных материалов. Следует отметить, что получение контролируемой скорости травления на большой площади затруднено, а воспроизводимость была низкой из-за сложных параметров влажного травления.The inverted pyramidal array was converted into a silicon (Si) wafer by modifying a previously described anisotropic wet etching method. In this example, inverted pyramidal array microstructures were fabricated in three steps using silicon nitride (Si 3 N 4 ) coated silicon (FIG. 16): photolithography was used to determine the pyramid base (50 µm x 50 µm) and distance (75 µm from vertex to vertex), isotropic etching of the Si3N4 layer using buffered hydrofluoric acid followed by anisotropic etching of Si using potassium hydroxide (KOH) solution. Anisotropic etching using an alkaline etchant (30% KOH) results in the formation of a matrix of inverted pyramidal microstructures at an angle of 54.7°. This angle depends on the orientation of the crystal plane and differs for different materials. It should be noted that obtaining a controlled etch rate over a large area is difficult, and reproducibility was low due to the complex parameters of wet etching.

Полированную пластину из Si [100], покрытую Si3N4 (удельное сопротивление 4-7 Ом·см), очищали изопропанолом. Затем отрицательный фоторезист AZ nLOF 2070 нанесли методом центрифугирования на пластину при 3000 об/мин с получением толщины 6,5 мкм. Затем фоторезист нагревали при 110 °C на нагревательной пластине в течение 60 секунд. После охлаждения до комнатной температуры подложку затем переносили в установку совмещения (модель) и подвергали воздействию ультрафиолетового света (180 мДж/см2) через маску с квадратной матрицей, чтобы определить размер и интервал перевернутой матрицы. Затем подложку повторно нагревали при 110 °C в течение 60 секунд. После охлаждения до комнатной температуры фоторезист проявляли воздействием AZ326 MIF в течение 60 секунд. Затем поверхность промывали деионизированной водой и сушили в потоке азота. Затем исследовали целостность процесса литографии с помощью оптического микроскопа после дополнительного отверждения в течение 5 минут при 140 °C. A polished Si [100] plate coated with Si3N4 (resistivity 4-7 Ohm cm) was cleaned with isopropanol. The negative photoresist AZ nLOF 2070 was then spin-coated onto the wafer at 3000 rpm to obtain a thickness of 6.5 μm. The photoresist was then heated at 110 °C on a heating plate for 60 seconds. After cooling to room temperature, the substrate was then transferred to the alignment machine (model) and exposed to ultraviolet light (180 mJ/cm 2 ) through a square matrix mask to determine the size and spacing of the inverted matrix. The substrate was then reheated at 110 °C for 60 seconds. After cooling to room temperature, the photoresist was developed by exposing it to AZ326 MIF for 60 seconds. The surface was then washed with deionized water and dried under a stream of nitrogen. The integrity of the lithography process was then examined using an optical microscope after an additional 5 min of curing at 140 °C.

Рисунок фоторезиста вытравливали на слое Si3N4 с использованием забуферированного раствора фтористого водорода в течение 8 часов для сведения к минимуму чрезмерного травления. Затем пластину промывали обильным количеством деионизированной воды. Затем остаточный фоторезист удаляли ацетоном, промывали деионизированной водой и сушили в потоке азота. Затем микроструктуры перевернутой пирамидальной матрицы протравливали через маску Si3N4 анизотропным травлением. Этого достигали путем погружения пластины в смесь, состоящую из 30% водного раствора КОН с 16% изопропанола при 70 ºC в течение 75 минут при постоянном перемешивании со скоростью 300 об/мин. В этих условиях подложку Si подвергали травлению со скоростью ~60 мкм/час. Затем пластину промывали обильным количеством деионизированной воды и сушили в потоке азота перед исследованием под сканирующим электронным микроскопом (SEM) (фиг. 17a).The photoresist pattern was etched onto the Si 3 N 4 layer using a buffered hydrogen fluoride solution for 8 hours to minimize excessive etching. The plate was then washed with copious amounts of deionized water. The residual photoresist was then removed with acetone, washed with deionized water, and dried under a stream of nitrogen. The microstructures of the inverted pyramidal matrix were then etched through the Si3N4 mask by anisotropic etching. This was achieved by immersing the plate in a mixture of 30% aqueous KOH with 16% isopropanol at 70 ºC for 75 minutes with constant stirring at 300 rpm. Under these conditions, the Si substrate was etched at a rate of ~60 μm/hour. The plate was then washed with copious amounts of deionized water and dried under a stream of nitrogen before examination under a scanning electron microscope (SEM) (Fig. 17a).

Никелевый (Ni) штамп с перевернутой пирамидальной матрицей приготовили путем двух последовательных циклов гальванопластики из Si-эталона с использованием ранее описанной методики. Первую инверсию выполнили путем распыления тонкого слоя Ni (100 нм) на перевернутую пирамидальную матрицу Si-эталона (3 мТорр в атмосфере аргона при 200 Вт, в течение 180 секунд). Затем подложку, покрытую никелем, немедленно погружали в раствор сульфамата никеля, содержащий хлорид никеля. Затем между Si-катодом, покрытым Ni (0,015 см2), и Ni-анодом в течение 12 часов при 55 °C пропускали постоянный ток 2,7 А. Во время гальванопластики катод (Si-эталон, покрытый Ni) вращали со скоростью 60 об/мин для обеспечения однородного и непрерывного электроосаждения. Когда толщина пирамидальной матрицы Ni достигла ~350 мкм, подачу питания отключили и гальванически сформированный Ni отделили от Si-эталона, промыли большим количеством воды и высушили в потоке азота. Пирамидальную матрицу Ni затем исследовали с помощью SEM и провели вторую инверсию Ni в Ni путем повторения описанного выше процесса гальванопластики для получения штампа перевернутой пирамидальной матрицы Ni (фиг. 17b).A nickel (Ni) inverted pyramid die stamp was prepared by two successive electroforming cycles of a Si master using a previously described technique. The first inversion was performed by sputtering a thin layer of Ni (100 nm) onto an inverted pyramidal array of Si reference (3 mTorr under argon at 200 W, for 180 seconds). The nickel coated substrate was then immediately immersed in a nickel sulfamate solution containing nickel chloride. Then a constant current of 2.7 A was passed between the Ni-coated Si cathode (0.015 cm 2 ) and the Ni anode for 12 hours at 55 °C. During electroforming, the cathode (Ni-coated Si standard) was rotated at a speed of 60 rpm to ensure uniform and continuous electrodeposition. When the thickness of the Ni pyramidal matrix reached ~350 μm, the power supply was turned off and the electroformed Ni was separated from the Si reference, washed with copious amounts of water, and dried under a stream of nitrogen. The Ni pyramidal matrix was then examined by SEM and a second Ni to Ni inversion was performed by repeating the electroforming process described above to produce an inverted Ni pyramidal matrix stamp (Fig. 17b).

Штамп перевернутой пирамидальной матрицы Ni вдавили в поликарбонат с использованием устройства для горячего тиснения (модель по индивидуальному заказу YPL-NIL-SI402, Wu Xi Imprint Nano Tech. Ltd.). Лист ПК (толщиной 0,5 мм) поместили поверх никелевого штампа, который затем зажали между двумя полированными нержавеющими пластинами и поместили в камеру для тиснения, причем нагреватель был обращен к стороне стопки с Ni. Тиснение проводили в вакууме (1,5 × 102 Па) при 220 °C и давлении 1,5 МПа/см2 в течение 15 минут. Затем подложку охлаждали до комнатной температуры, и тисненый поликарбонат отделяли и исследовали под оптическим микроскопом. Затем подложку из поликарбоната немедленно покрывали золотом посредством магнетронного распыления на постоянном токе (Torus Sputtering Machine, Kurt J. Lesker) в атмосфере аргона 3 мТорр при 200 Вт в течение 180 секунд с вращением для обеспечения равномерного осаждения с получением толщины ~60 нм (фиг. 17c).The Ni inverted pyramid die stamp was pressed into the polycarbonate using a hot stamping machine (customized model YPL-NIL-SI402, Wu Xi Imprint Nano Tech. Ltd.). A sheet of PC (0.5 mm thick) was placed on top of the nickel die, which was then sandwiched between two polished stainless steel plates and placed in the embossing chamber with the heater facing the Ni side of the stack. Embossing was carried out in vacuum (1.5 × 102 Pa) at 220 °C and a pressure of 1.5 MPa/ cm2 for 15 minutes. The substrate was then cooled to room temperature and the embossed polycarbonate was peeled off and examined under an optical microscope. The polycarbonate substrate was then immediately coated with gold by DC magnetron sputtering (Torus Sputtering Machine, Kurt J. Lesker) under 3 mTorr argon at 200 W for 180 seconds, rotating to ensure uniform deposition to produce a thickness of ∼60 nm (Fig. 17c).

Пример 13. Выделение водорода частицами Pt на плоских и трехмерных электродахExample 13. Hydrogen evolution by Pt particles on flat and three-dimensional electrodes

Цель: Продемонстрировать, что трехмерность улучшает каталитические характеристики катализатора, расположенного на вершине пика. Objective: Demonstrate that three-dimensionality improves the catalytic performance of a peak-topped catalyst.

Способ: K2(PtCl4) (6 миллимолярный) в буфере PBS электрохимически осаждали как на плоские, так и на покрытые SAM трехмерные электроды с использованием хроноамперометрии при -0,4 В в сравнении с Ag/AgCl. Method: K 2 (PtCl 4 ) (6 millimolar) in PBS buffer was electrochemically deposited onto both flat and SAM-coated 3D electrodes using chronoamperometry at -0.4 V versus Ag/AgCl.

Результаты: в результате использования этого способа Pt осаждалась в виде частиц как на плоском, так и на трехмерном электроде (см. таблицу 2). На плоских электродах частицы были относительно равномерно распределены по всей поверхности электрода, тогда как для трехмерных электродов частицы Pt были расположены исключительно на вершинах и пиках гребней. В таблице 2 подробно описаны параметры покрытых Pt электродов и достигнутые плотности тока для восстановления воды с образованием водорода. Results: Using this method, Pt was deposited as particulates on both the planar and three-dimensional electrodes (see Table 2). For planar electrodes, the particles were relatively uniformly distributed over the entire electrode surface, whereas for three-dimensional electrodes, Pt particles were located exclusively at the tops and peaks of the ridges. Table 2 details the parameters of the Pt-coated electrodes and the current densities achieved for the reduction of water to produce hydrogen.

Заключение: результаты показывают, что частицы Pt, расположенные на вершине пиков, были более чем в 100 раз активнее, благодаря расположению на вершине. Большая разница в плотности тока на площади платины показывает, что активность молекулы платины на структуре в 130 раз превышает активность той же молекулы платины на плоском электроде. Плотность тока можно приравнять к активности катализатора и скорости производства водорода. Conclusion: The results show that Pt particles located at the top of the peaks were more than 100 times more active due to the location at the top. The large difference in current density across the platinum area shows that the activity of a platinum molecule on a structure is 130 times greater than the activity of the same platinum molecule on a flat electrode. The current density can be equated to the activity of the catalyst and the rate of hydrogen production.

Данные в таблице 2 относятся к пирамидам микронного размера, наноразмерные пирамиды дают значительно больший оборот.The data in Table 2 refers to micron-sized pyramids; nano-sized pyramids give significantly greater turnover.

Таблица 2. Частицы Pt на плоской поверхности и частицы Pt на пиках Table 2. Pt particles on a flat surface and Pt particles on peaks

Pt NP на плоской поверхностиPt NP on flat surface Pt NP на пирамидахPt NP on pyramids См. фиг. 25See fig. 25 См. фиг. 26See fig. 26 Частицы/(100мкм)2 Particles/(100µm) 2 15401540 160160 Средний размер частиц (мкм)Average particle size (µm) 0,60.6 0,20.2 Средняя площадь поверхности Pt, мкм2 Average surface area of Pt, µm 2 0,70.7 0,0630.063 Общая площадь поверхности Pt/(100 мкм)2 Total surface area Pt/(100 µm) 2 13001300 10,010.0 Плотность тока (мА/см2)Current density (mA/ cm2 ) 4848 56,1756.17 Плотность тока/площадь Pt Current density/area Pt 0,040.04 5,65.6

Пример 14. Преобразование азота в аммиакExample 14: Converting Nitrogen to Ammonia

Цель: применить каталитическую трехмерную поверхность для восстановления азота Goal: Apply catalytic 3D surface for nitrogen reduction

Способ: использовали трехэлектродную систему с нанопирамидальной поверхностью Au в качестве рабочего электрода, Pt в качестве противоэлектрода и Ag/AgCl в качестве контрольного электрода в буфере PBS. Кривые выполняли с и без добавления азота к раствору. Method: A three-electrode system with a nanopyramidal surface of Au as the working electrode, Pt as the counter electrode, and Ag/AgCl as the reference electrode in PBS buffer was used. Curves were performed with and without the addition of nitrogen to the solution.

Результаты: После добавления газообразного азота заметили отчетливое, но обратимое отклонение на кривой, как показано на фиг. 19. Считалось, что это соответствует образованию аммиака, что подтверждается появлением пика при 420 нм в УФ-видимом спектре. Results: After adding nitrogen gas, a clear but reversible deviation in the curve was noticed, as shown in FIG. 19. This was thought to correspond to the formation of ammonia, as evidenced by the appearance of a peak at 420 nm in the UV-visible spectrum.

Заключение: Кривая ясно показывает пик, соответствующий восстановлению азота. Точная идентичность всех продуктов еще не подтверждена полностью, однако появление пика в УФ-видимой области выступает в подтверждение образования аммиака. Conclusion: The curve clearly shows a peak corresponding to nitrogen reduction. The exact identity of all products has not yet been fully confirmed, but the appearance of a peak in the UV-visible region supports the formation of ammonia.

Пример 15. Выделение газообразного водорода на плоских и трехмерных электродахExample 15: Hydrogen Gas Evolution on Planar and 3D Electrodes

Цель: продемонстрировать, что трехмерные структуры производят больше газа, чем плоские, и что чем мельче структура, тем выше производительность. Кроме того, трехмерные структуры создают пузырьки, которые эффективно и постоянно удаляются с поверхностей трехмерных электродов, и чем меньше элементы структуры, тем меньше пузырьки. Goal: To demonstrate that 3D structures produce more gas than flat structures and that the smaller the structure, the higher the performance. In addition, the 3D structures create bubbles that are effectively and continuously removed from the surfaces of the 3D electrodes, and the smaller the structure elements, the smaller the bubbles.

Способ: K2(PtCl4) (6 миллимолярный) в буфере PBS электрохимически осаждали как на плоские, так и на покрытые SAM трехмерные электроды с использованием хроноамперометрии при -0,4 В в сравнении с Ag/AgCl. Электроды установили в элементах, показанных на фиг. 18, и позволяли сравнивать производство водорода на пирамидах 50 мкм и 250 нм с плоским электродом. Method: K 2 (PtCl 4 ) (6 millimolar) in PBS buffer was electrochemically deposited onto both flat and SAM-coated 3D electrodes using chronoamperometry at -0.4 V versus Ag/AgCl. The electrodes were installed in the elements shown in Fig. 18, and allowed comparison of hydrogen production on 50 µm and 250 nm pyramids with a flat electrode.

Результаты: подобная установка также позволила исследовать скорость образования пузырьков и относительный размер пузырьков и подтвердила, что трехмерные поверхности эффективно удаляют водород с пиков и не мешают производству. Results: This setup also allowed us to investigate the rate of bubble formation and the relative size of the bubbles and confirmed that the 3D surfaces effectively remove hydrogen from the peaks and do not interfere with production.

Заключение: результаты показали, что трехмерные поверхности преодолевают одно из основных ограничений производства газообразного водорода и эффективно удаляют водород с поверхности. Conclusion: The results showed that 3D surfaces overcome one of the major limitations of hydrogen gas production and effectively remove hydrogen from the surface.

Пример 16. Преобразование CO2 в CO и муравьиную кислоту Example 16 Conversion of CO 2 to CO and formic acid

Цель: применить каталитическую трехмерную поверхность для восстановления CO2 Goal: Apply catalytic 3D surface for CO2 reduction

Способ: использовали трехэлектродную систему с нанопирамидальной поверхностью Au в качестве рабочего электрода, Pt в качестве противоэлектрода и Ag/AgCl в качестве контрольного электрода в буфере PBS. Кривые выполняли с и без добавления CO2 в аргоне к раствору. Method: A three-electrode system with a nanopyramidal surface of Au as the working electrode, Pt as the counter electrode, and Ag/AgCl as the reference electrode in PBS buffer was used. Curves were performed with and without the addition of CO 2 in argon to the solution.

Результаты: после добавления газообразного CO2 заметили отчетливое, но обратимое отклонение на кривой, как показано на фиг. 20А. Анализ свободного пространства подтвердил, что это соответствует производству CO и появлению комплекса CO-миоглобина в УФ-видимой области (фиг. 20B) и муравьиной кислоты при появлении пика при 320 нм в УФ-спектре (фиг. 20C). Results: After adding CO2 gas, a clear but reversible deviation in the curve was noticed, as shown in FIG. 20A. Headspace analysis confirmed that this corresponded to the production of CO and the appearance of a CO-myoglobin complex in the UV-visible region (Fig. 20B) and formic acid at the appearance of a peak at 320 nm in the UV spectrum (Fig. 20C).

Заключение: кривая ясно показывает пик, соответствующий восстановлению азота. Точная идентичность всех продуктов еще не подтверждена полностью, однако появление пика в УФ-видимой области выступает в подтверждение образования аммиака. Conclusion: The curve clearly shows a peak corresponding to nitrogen reduction. The exact identity of all products has not yet been fully confirmed, but the appearance of a peak in the UV-visible region supports the formation of ammonia.

Пример 17. Устойчивость нанопирамидальной матрицы, покрытой Pt, во время окислительно-восстановительного цикла Example 17 Stability of a Pt-coated nanopyramidal matrix during redox cycling

Цель: продемонстрировать устойчивость нанопирамидальной матрицы, покрытой Pt, в продолжительных каталитических условиях с использованием циклической вольтамперометрии. Objective: To demonstrate the stability of Pt-coated nanopyramidal matrix under long-term catalytic conditions using cyclic voltammetry.

Способ: катализатор Pt (30 нм) напылили на нанопирамидальные поверхности. Использовали трехэлектродную систему с платиновой (Pt) проволокой в качестве противоэлектрода и Ag/AgCl в качестве контрольного электрода. Поверхность подвергали непрерывным циклам от 200 мВ до -300 мВ в течение 500 циклов при 10 мВ/с для восстановления O2 в растворе с pH 13. Method: Pt catalyst (30 nm) was sprayed onto nanopyramidal surfaces. A three-electrode system was used with a platinum (Pt) wire as the counter electrode and Ag/AgCl as the reference electrode. The surface was continuously cycled from 200 mV to -300 mV for 500 cycles at 10 mV/s to reduce O2 in a pH 13 solution.

Результаты: на фиг. 22 не отражено заметного ухудшения активности Pt, поскольку максимальный ток восстановления O2 был постоянным при -300 мВ. Results: in Fig. 22 does not show a noticeable deterioration in Pt activity, since the maximum O 2 reduction current was constant at -300 mV.

Заключение: при длительной циклической вольтамперометрии поверхность не показала признаков разложения. Если бы катализатор разлагался, можно было бы наблюдать уменьшение каталитического тока по направлению к базовой никелевой подложке. Conclusion: Long-term cyclic voltammetry showed no signs of decomposition on the surface. If the catalyst were to decompose, a decrease in the catalytic current would be observed towards the underlying nickel substrate.

Пример 18. Устойчивость нанопирамидальной матрицы, покрытой Pt, при постоянном токе Example 18. Stability of a Pt-coated nanopyramidal matrix at constant current

Цель: продемонстрировать устойчивость нанопирамидальной матрицы электрода, покрытой Pt, в продолжительных каталитических условиях с использованием хроноамперометрии. Objective: To demonstrate the stability of Pt-coated nanopyramidal electrode array under long-term catalytic conditions using chronoamperometry.

Способ: катализатор Pt (30 нм) напылили на нанопирамидальные поверхности. Использовали трехэлектродную систему с платиновой (Pt) проволокой в качестве противоэлектрода и Ag/AgCl в качестве контрольного электрода. Восстановительный потенциал -150 мВ применяли в течение 2,5 дней для непрерывного восстановления O2 в растворе с pH 13. Method: Pt catalyst (30 nm) was sprayed onto nanopyramidal surfaces. A three-electrode system was used with a platinum (Pt) wire as the counter electrode and Ag/AgCl as the reference electrode. A reduction potential of -150 mV was applied for 2.5 days to continuously reduce O2 in the pH 13 solution.

Результаты: на фиг. 23 не отражено заметного ухудшения активности Pt, поскольку максимальный ток восстановления O2 был постоянным при -5 мА. Results: in Fig. 23 does not show a noticeable deterioration in Pt activity, since the maximum O 2 reduction current was constant at -5 mA.

Заключение: при длительном каталитическом процессе поверхность не показала признаков разложения. Conclusion: After a long catalytic process, the surface showed no signs of decomposition.

Пример 19. Управление отложением катализатора Example 19 Control of Catalyst Deposition

Цель: продемонстрировать, что трехмерные структуры позволяют контролировать количество осаждаемого катализатора на пиках. Objective: To demonstrate that 3D structures allow control of the amount of catalyst deposited on the peaks.

Способ: поверхностные структуры со слоем золота очищали посредством реактивного ионного травления (RIE) плазмой O2 (2 мин) и погружали в раствор хлорида платины (IV) (1 мМ) в PBS. Рост мезо-частиц Pt осуществляли с использованием прямоугольного волнового потенциала следующим образом: восстановительный потенциал (-500 мВ) применяли для восстановления Pt (II) до Pt (0) на поверхности в течение 15 с, а затем использовали окислительный потенциал (300 мВ) в течение 15 с для остановки процесса. Этот цикл продолжали до тех пор, пока не получили желаемое количество осадочной Pt. Method: Gold layered surface structures were cleaned by reactive ion etching (RIE) with O 2 plasma (2 min) and immersed in a solution of platinum (IV) chloride (1 mM) in PBS. The growth of Pt meso particles was carried out using a square wave potential as follows: a reduction potential (−500 mV) was used to reduce Pt(II) to Pt(0) at the surface within 15 s, and then an oxidation potential (300 mV) was used at for 15 s to stop the process. This cycle was continued until the desired amount of sedimentary Pt was obtained.

Результаты: Осаждение Pt происходило преимущественно на вершине или около вершины поверхностных структур, как показано на фиг. 24, для 5 импульсов (фиг. 24 A) и 10 импульсов (фиг. 24 B). Как показано на фигуре, количество осажденной Pt явно увеличивается пропорционально количеству импульсов на пике и вокруг него. Results: Pt deposition occurred predominantly at or near the top of surface structures, as shown in FIG. 24, for 5 pulses (Fig. 24 A) and 10 pulses (Fig. 24 B). As shown in the figure, the amount of deposited Pt clearly increases in proportion to the number of pulses in and around the peak.

Заключение: возможность точно определять местонахождение и контролировать количество катализатора имеет решающее значение для сведения к минимуму количества материала катализатора, необходимого для нанесения на поверхность, и, следовательно, сведения к минимуму стоимости производства каталитической системы. Conclusion: The ability to precisely locate and control the amount of catalyst is critical to minimizing the amount of catalyst material required to be applied to a surface and therefore minimizing the cost of producing a catalyst system.

Не желая ограничиваться теорией, предполагается, что изобретение основано на одной или нескольких из следующих неограничивающих концепций:Without wishing to be limited by theory, it is intended that the invention is based on one or more of the following non-limiting concepts:

Плотность обменного токаExchange current density

Важный кинетический параметр, представляющий скорость электрохимической реакции в состоянии равновесия и определяющий, насколько быстро может происходить электрохимическая реакция. Плотность обменного тока электрохимической реакции зависит от реакции и от поверхности электрода, на которой происходит электрохимическая реакция, и, следовательно, она связана с истинной площадью электрода и концентрацией реагента.An important kinetic parameter that represents the rate of an electrochemical reaction at equilibrium and determines how quickly the electrochemical reaction can occur. The exchange current density of an electrochemical reaction depends on the reaction and on the electrode surface on which the electrochemical reaction occurs, and is therefore related to the true electrode area and the concentration of the reactant.

Трехмерные поверхности имеют более высокую плотность обменного тока, чем плоский электрод 3D surfaces have higher exchange current density than a flat electrode

Коэффициент переноса электроновElectron transfer coefficient

Определяется как доля электростатической потенциальной энергии, влияющая на скорость восстановления при электродной реакции:Defined as the fraction of electrostatic potential energy that affects the rate of reduction during an electrode reaction:

Трехмерные поверхности имеют более высокий коэффициент переноса электронов, чем плоские. Three-dimensional surfaces have a higher electron transfer coefficient than flat surfaces.

Энергия активации Activation energy

Снижение энергии активации снижает затраты энергии для данного каталитического процесса, тем самым снижая термодинамические затраты. Reducing the activation energy reduces the energy cost for a given catalytic process, thereby reducing the thermodynamic cost.

Трехмерная поверхность имеет более низкий потенциал, чем плоская поверхность A three-dimensional surface has a lower potential than a flat surface

В заключение, результаты In conclusion, the results

- показывают, что чем меньше размеры пика, тем больше эффект на пике, как с дополнительным каталитическим покрытием, так и без него. - show that the smaller the peak size, the greater the effect on the peak, both with and without additional catalytic coating.

- Размер пиков делает их идеальными для применения в микрожидкостных условиях как для каталитического разделения, так и для рекомбинации ряда углеродных, кислородных и азотсодержащих частиц. Можно ожидать, что микрожидкостная среда увеличит скорость реакции и общую эффективность преобразования.- The size of the peaks makes them ideal for microfluidic applications for both catalytic separation and recombination of a range of carbon, oxygen and nitrogen species. The microfluidic environment can be expected to increase the reaction rate and overall conversion efficiency.

- Как микрожидкостные, так и немикрожидкостные условия могут использоваться для создания каскада каталитических процессов.- Both microfluidic and non-microfluidic conditions can be used to create a cascade of catalytic processes.

Claims (66)

1. Способ катализа электрохимической окислительно-восстановительной реакции активных частиц в проводящем растворе, включающий:1. A method for catalyzing an electrochemical redox reaction of active particles in a conducting solution, including: a) обеспечение электрокаталитической матрицы, содержащейa) providing an electrocatalytic matrix containing i) несущую подложку;i) a support substrate; ii) поверхностные структуры, выступающие из несущей подложки, причём поверхностные структуры содержат электрокатализатор;ii) surface structures protruding from the support substrate, the surface structures comprising an electrocatalyst; iii) функциональную поверхность на электрокатализаторе, причём функциональная поверхность находится в верхней части поверхностных структур и при этом функциональная поверхность предназначена для контакта с активными частицами в проводящем растворе;iii) a functional surface on the electrocatalyst, wherein the functional surface is located at the top of the surface structures and wherein the functional surface is intended to contact active species in the conductive solution; b) погружение поверхностных структур в раствор и введение в него противоэлектрода; иb) immersing the surface structures in the solution and introducing a counter electrode into it; And c) создание тока или напряжения между электрокатализатором и противоэлектродом таким образом, чтобы плотность заряда (напряжение или ток) фокусировалась на функциональных поверхностях, и активные частицы подвергались реакции окисления-восстановления после контакта с функциональными поверхностями.c) creating a current or voltage between the electrocatalyst and the counter electrode such that the charge density (voltage or current) is focused on the functional surfaces and the active species undergo an oxidation-reduction reaction upon contact with the functional surfaces. 2. Способ по п. 1, в котором поверхностная структура или структуры характеризуются одним или нескольким из следующего:2. The method of claim 1, wherein the surface structure or structures are characterized by one or more of the following: i) одинаковые или различные или разнородные высоты от поверхности несущей подложки,i) equal or different or dissimilar heights from the surface of the supporting substrate, ii) одинаковая или различная или разнородная геометрия формы по отношению к другой поверхностной структуре или структурам,ii) same or different or dissimilar shape geometry in relation to other surface structure or structures, iii) правильная или неправильная геометрия,iii) regular or irregular geometry, iv) расположение на равном или неравном расстоянии друг от друга,iv) location at equal or unequal distances from each other, v) одинаковая, или различная, или разнородная плотность,v) same or different or heterogeneous density, vi) группа из множества упомянутых поверхностных структур, содержащих множество поверхностных структур по любому из пп. i-v).vi) a group of a plurality of said surface structures, comprising a plurality of surface structures according to any one of claims. i-v). 3. Способ по п. 1 или 2, в котором поверхностные структуры имеют однородный размер и по существу одинаковую геометрию.3. The method of claim 1 or 2, wherein the surface structures are of uniform size and substantially the same geometry. 4. Способ по любому из пп. 1-3, в котором поверхностные структуры выполнены из того же материала, что и несущая подложка.4. Method according to any one of paragraphs. 1-3, in which the surface structures are made of the same material as the supporting substrate. 5. Способ по любому из пп. 1-4, в котором поверхностные структуры составляют единое целое с несущей подложкой.5. Method according to any one of paragraphs. 1-4, in which the surface structures are integral with the supporting substrate. 6. Способ по любому из пп. 1-4, в котором катализатор наносится на верхнюю поверхность поверхностных структур и представляет собой материал, отличный от поверхностной структуры.6. Method according to any one of paragraphs. 1-4, in which the catalyst is applied to the top surface of the surface structures and is a material other than the surface structure. 7. Способ по п. 6, в котором электрокатализатор нанесен на вершины поверхностной структуры.7. The method according to claim 6, in which the electrocatalyst is deposited on the tops of the surface structure. 8. Способ по п. 6 или 7, в котором электрокатализатор наносится на менее чем от примерно 50% до примерно 0,000001% поверхности матрицы, если смотреть сверху.8. The method of claim 6 or 7, wherein the electrocatalyst is applied to less than about 50% to about 0.000001% of the surface of the matrix as viewed from above. 9. Способ по любому из пп. 1-8, в котором окислительно-восстановительная реакция представляет собой процесс с 2 или более электронами, или9. Method according to any one of paragraphs. 1-8, in which the redox reaction is a process with 2 or more electrons, or в котором окислительно-восстановительная реакция представляет собой процесс с 4 или более электронами, илиin which the redox reaction is a process with 4 or more electrons, or в котором окислительно-восстановительная реакция представляет собой процесс с 6 или более электронами, или in which the redox reaction is a process with 6 or more electrons, or в котором окислительно-восстановительная реакция представляет собой процесс с 8 или более электронами. in which the redox reaction is a process with 8 or more electrons. 10. Способ по любому из пп. 1-9, в котором функциональная поверхность находится на вершине или около вершины поверхностной структуры, и при этом ширина вершины каждой поверхностной структуры составляет от около 1 нм до около 5000 мкм. 10. Method according to any one of paragraphs. 1-9, wherein the functional surface is at or near the top of the surface structure, and wherein the width of the top of each surface structure is from about 1 nm to about 5000 μm. 11. Способ по п. 1, в котором напряжение является достаточным, чтобы вызвать многоэлектронное окисление или многоэлектронное восстановление активных частиц;11. The method according to claim 1, wherein the voltage is sufficient to cause multi-electron oxidation or multi-electron reduction of the active species; при этом поверхностные структуры имеют однородный размер и рёбра и/или вершины, которые содержат катализатор;wherein the surface structures have a uniform size and edges and/or vertices that contain the catalyst; при этом если поверхностные структуры с однородным размером имеют микрометровый масштаб, то получают первый продукт, и если поверхностные структуры с однородным размером имеют нанометровый масштаб, получают второй продукт, при этом первый и второй продукты различаются; wherein if surface structures with a uniform size have a micrometer scale, then a first product is obtained, and if surface structures with a uniform size have a nanometer scale, a second product is obtained, wherein the first and second products are different; при этом для получения второго продукта требуется электронный процесс более высокого порядка по сравнению с получением первого продукта. Moreover, to obtain the second product, a higher order electronic process is required compared to obtaining the first product. 12. Способ по п. 11, в котором ширина поверхностных структур в микрометровом масштабе в месте соединения с несущей подложкой составляет от около 5 мкм до около 500 мкм и/или ширина поверхностных структур в нанометровом масштабе в месте соединения с несущей подложкой составляет от около 25 нм до около 5000 нм. 12. The method of claim 11, wherein the width of the micrometer-scale surface structures at the junction with the support substrate is from about 5 µm to about 500 µm and/or the width of the nanometer-scale surface structures at the junction with the support substrate is from about 25 nm to about 5000 nm. 13. Способ по п. 1, в котором способ катализирует газообразование, в котором напряжение является достаточным, чтобы вызвать многоэлектронное окисление или многоэлектронное восстановление активных частиц,13. The method according to claim 1, wherein the method catalyzes gas formation, in which the voltage is sufficient to cause multi-electron oxidation or multi-electron reduction of the active species, при этом поверхностные структуры имеют однородный размер и рёбра и/или вершины, которые содержат катализатор; иwherein the surface structures have a uniform size and edges and/or vertices that contain the catalyst; And при этом скорость газообразования увеличивается по меньшей мере в 1,5 раза по сравнению с такой же матрицей электрокатализатора без поверхностных структур размера, выступающих из поверхности несущей подложки. in this case, the rate of gas formation increases by at least 1.5 times compared to the same electrocatalyst matrix without surface structures of size protruding from the surface of the supporting substrate. 14. Способ по любому из пп. 1-10, в котором окислительно-восстановительная реакция включает ряд этапов, при этом промежуточное соединение не выделяется. 14. Method according to any one of paragraphs. 1-10, in which the redox reaction involves a series of steps without isolating an intermediate. 15. Способ по любому из пп. 1-10, в котором окислительно-восстановительную реакцию выбирают из одной или нескольких следующих: 15. Method according to any one of paragraphs. 1-10, wherein the redox reaction is selected from one or more of the following: выделение водорода из воды;release of hydrogen from water; выделение кислорода из воды;release of oxygen from water; выделение водорода из протонов;release of hydrogen from protons; окисление водорода до воды;oxidation of hydrogen to water; окисление водорода до пероксида водорода;oxidation of hydrogen to hydrogen peroxide; восстановление кислорода до воды;reduction of oxygen to water; восстановление кислорода до пероксида водорода;reduction of oxygen to hydrogen peroxide; диоксид углерода в монооксид углерода;carbon dioxide to carbon monoxide; диоксид углерода в метанол;carbon dioxide to methanol; диоксид углерода в карбоновую кислоту (например, муравьиную кислоту);carbon dioxide to carboxylic acid (eg formic acid); диоксид углерода в альдегид и/или кетон;carbon dioxide to aldehyde and/or ketone; диоксид углерода в метан, этан, пропан и/или углеродные цепи более высокого порядка до C21; carbon dioxide to methane, ethane, propane and/or higher order carbon chains up to C21 ; окисление метана до метанола;oxidation of methane to methanol; азота в гидразин;nitrogen to hydrazine; азота в аммиак;nitrogen to ammonia; расщепление аммиака на водород и азот;splitting ammonia into hydrogen and nitrogen; метана в метанол;methane to methanol; нитрата в азот;nitrate to nitrogen; нитрата в аммиак.nitrate to ammonia. 16. Способ по любому из пп. 1-15, в котором электрокатализатор подвешивается в матрице, окружающей пики поверхностных структур. 16. Method according to any one of paragraphs. 1-15, in which the electrocatalyst is suspended in a matrix surrounding peaks of surface structures. 17. Способ по любому из пп. 1-16, в котором катализатор содержит переходный металл, сплав, металлоорганический комплекс, металлоорганический комплекс, содержащий переходный металл, органический материал, который может окисляться или восстанавливаться.17. Method according to any one of paragraphs. 1-16, wherein the catalyst contains a transition metal, an alloy, an organometallic complex, an organometallic complex containing a transition metal, an organic material that can be oxidized or reduced. 18. Способ по любому из пп. 1-17, в котором размеры поверхностных структур однородного размера выбирают для изменения получаемого продукта окислительно-восстановительной реакции.18. Method according to any one of paragraphs. 1-17, in which the sizes of uniformly sized surface structures are selected to vary the resulting redox reaction product. 19. Способ по любому из пп. 1-18, в котором если структуры имеют микрометровый масштаб, то получают первый продукт или соотношение продуктов, а если поверхностные структуры имеют нанометровый масштаб, получают второй продукт или соотношение продуктов, причем первый и второй продукты и соотношения продуктов различаются. 19. Method according to any one of paragraphs. 1-18, wherein if the structures are on a micrometer scale, a first product or product ratio is obtained, and if the surface structures are on a nanometer scale, a second product or product ratio is obtained, wherein the first and second products and product ratios are different. 20. Способ по любому из пп. 1-19, в котором для получения второго продукта требуется электронный процесс более высокого порядка по сравнению с получением первого продукта. 20. Method according to any one of paragraphs. 1-19, in which the production of the second product requires a higher order electronic process compared to the production of the first product. 21. Способ по любому из пп. 1-20, в котором электрокатализатор содержит переходный металл, сплав, металлоорганический комплекс, металлоорганический комплекс, содержащий переходный металл, органический материал, который может окисляться или восстанавливаться.21. Method according to any one of paragraphs. 1-20, wherein the electrocatalyst contains a transition metal, an alloy, an organometallic complex, an organometallic complex containing a transition metal, an organic material that can be oxidized or reduced. 22. Способ по любому из пп. 1-21, в котором способ позволяет замену на более дешевый катализатор с более низкой активностью без потери эффективности. 22. Method according to any one of paragraphs. 1-21, in which the method allows the replacement of a cheaper catalyst with lower activity without loss of efficiency. 23. Способ по любому из пп. 1-22, в котором активные частицы подвергаются электрохимической модификации после контакта с функциональной поверхностью, причем термодинамическая эффективность и кинетическая эффективность электрохимической модификации улучшаются по сравнению с соответствующим плоским электродом. 23. Method according to any one of paragraphs. 1-22, in which the active particles undergo electrochemical modification after contact with the functional surface, and the thermodynamic efficiency and kinetic efficiency of the electrochemical modification are improved compared to the corresponding planar electrode. 24. Способ по любому из пп. 1-23, в котором электрохимическая активация катализатора происходит на функциональной поверхности с существенно большей скоростью, чем в другом месте поверхности на слое электрокатализатора.24. Method according to any one of paragraphs. 1-23, in which electrochemical activation of the catalyst occurs on the functional surface at a significantly higher rate than elsewhere on the surface on the electrocatalyst layer. 25. Способ по любому из пп. 1-24, в котором снижена энергия, необходимая для проведения каталитической окислительно-восстановительной реакции, в сравнении с аналогичным плоским электрокатализатором.25. Method according to any one of paragraphs. 1-24, which reduces the energy required to carry out a catalytic redox reaction compared to a similar planar electrocatalyst. 26. Способ по любому из пп. 1-25, в котором ширина или длина поверхностных структур в нанометровом масштабе в месте соединения с несущей подложкой составляет от около 25 нм до около 5000 нм, или ширина или длина поверхностных структур в микрометровом масштабе в месте соединения с несущей подложкой составляет от около 5 мкм до около 500 мкм.26. Method according to any one of paragraphs. 1-25, wherein the width or length of the nanometer-scale surface structures at the junction with the support substrate is from about 25 nm to about 5000 nm, or the width or length of the micrometer-scale surface structures at the junction with the support substrate is from about 5 μm up to about 500 microns. 27. Способ по п. 26, в котором снижена энергия, необходимая для проведения каталитической окислительно-восстановительной реакции, в способе, если поверхностные структуры имеют нанометровый масштаб, в сравнении со способом, если поверхностные структуры имеют микрометровый масштаб.27. The method of claim 26, wherein the energy required to carry out the catalytic redox reaction is reduced in the method if the surface structures are on a nanometer scale compared to the method if the surface structures are on a micrometer scale.
RU2020131442A 2018-02-28 2019-02-28 Device and method of catalysis RU2805753C2 (en)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201862636814P 2018-02-28 2018-02-28
US62/636,814 2018-02-28
PCT/IB2019/051640 WO2019166999A1 (en) 2018-02-28 2019-02-28 Apparatus and method of catalysis

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2020131442A RU2020131442A (en) 2022-03-28
RU2805753C2 true RU2805753C2 (en) 2023-10-23

Family

ID=

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU95118872A (en) * 1993-01-27 1997-10-10 Олин Корпорейшн HIGH SURFACE ELECTRODE STRUCTURES FOR ELECTROCHEMICAL PROCESSES
RU2383660C1 (en) * 2008-07-01 2010-03-10 Открытое акционерное общество "Каустик" (ОАО "Каустик") Method of fabrication of electrode for electrolysis of water solutions of alkali metal chlorides
WO2013055234A1 (en) * 2011-10-14 2013-04-18 Digital Sensing Limited Arrays and methods of manufacture

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU95118872A (en) * 1993-01-27 1997-10-10 Олин Корпорейшн HIGH SURFACE ELECTRODE STRUCTURES FOR ELECTROCHEMICAL PROCESSES
RU2383660C1 (en) * 2008-07-01 2010-03-10 Открытое акционерное общество "Каустик" (ОАО "Каустик") Method of fabrication of electrode for electrolysis of water solutions of alkali metal chlorides
WO2013055234A1 (en) * 2011-10-14 2013-04-18 Digital Sensing Limited Arrays and methods of manufacture

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11976370B2 (en) Apparatus and method of catalysis
JP7237000B2 (en) Apparatus and method for controlled electrochemical surface modification
Tian et al. Synthesis and characterization of platinum catalysts on multiwalled carbon nanotubes by intermittent microwave irradiation for fuel cell applications
Girishkumar et al. Carbon nanostructures in portable fuel cells: single-walled carbon nanotube electrodes for methanol oxidation and oxygen reduction
Ren et al. Clean method for the synthesis of reduced graphene oxide-supported PtPd alloys with high electrocatalytic activity for ethanol oxidation in alkaline medium
Lin et al. Platinum/carbon nanotube nanocomposite synthesized in supercritical fluid as electrocatalysts for low-temperature fuel cells
Zhang et al. Pd@ Pt core− shell nanostructures with controllable composition synthesized by a microwave method and their enhanced electrocatalytic activity toward oxygen reduction and methanol oxidation
US8491999B2 (en) Metal-coated vertically aligned carbon nanofibers
Tao et al. Pd-on-Au supra-nanostructures decorated graphene oxide: an advanced electrocatalyst for fuel cell application
Jiwanti et al. Metal modified carbon-based electrode for CO2 electrochemical reduction: A review
Huang et al. Correlating surface structures and electrochemical activity using shape-controlled single-pt nanoparticles
Jiang et al. Nanoporous gold microelectrode prepared from potential modulated electrochemical alloying–dealloying in ionic liquid
Pajootan et al. Two-step dry synthesis of binderless 3D low Pt-loading electrocatalysts for direct alkaline methanol fuel cell anodes
US20220384818A1 (en) Materials and methods of manufacture
RU2805753C2 (en) Device and method of catalysis
Pu et al. Twinned and single-crystal palladium nanocrystals for the electrooxidation of HCOOH
Tian et al. Performance of ethanol electro-oxidation on Ni–Cu alloy nanowires through composition modulation
Metz et al. Molecular monolayers enhance the formation of electrocatalytic platinum nanoparticles on vertically aligned carbon nanofiber scaffolds
Eshghi et al. Surface modification of glassy carbon electrode by Ni-Cu nanoparticles as a competitive electrode for ethanol electro-oxidation
KR20200046289A (en) Method for manufacturing ordered metal nanowire and method for manufacturing three-dimensional nano-structured metal catalyst for water electrolysis using the same
Adam Elaboration of chiral material by electrochemistry
Kiran Physicochemical, Electrical and Electrochemical Studies on Titanium Carbide-Based Nanostructures
Wu et al. Micro and nano structured reaction device for micro DMFC
Corno Jr Structural and chemical modification of porous silicon for energy storage and conversion
Kleijn Electrocatalysis at single nanoparticles