TW201347282A - 使用於液體中之碳電極裝置及相關方法 - Google Patents

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Abstract

本發明係關於一種使用於液體環境中的電極裝置及系統，包括相關方法之提供。在一態樣中，例如，使用於液體環境下之一電極裝置，其包括：一質子交換膜，其具有第一側面及第二側面；一第一電極，其含有一碳質材料，且該第一電極位於質子交換膜之第一側面；以及一第二電極，其含有一碳質材料，且該第二電極位於質子交換膜之第二側面並相對於第一電極。該質子交換膜係間隔第一電極及第二電極相距小於或等於約100微米之距離。

Description

使用於液體中之碳電極裝置及相關方法
本發明係關於一種電極裝置及相關方法，尤指一種使用於液體中之碳電極裝置及相關方法。
本發明係主張2012年4月23日於美國專利局提出美國臨時專利申請案第61/636,857號之優先權，其所揭露之內容均併入本發明中以供參酌。
許多應用於液體中使用導電電極，包括液體淨化、臭氧及氫氣生成、及其它電解處理。然而，許多習知電極中，由於各種限制使其在液體中呈現低效率的性能。例如，由於液體中(如，水)的電解作用，金屬電極常會在使用過程中分解。在腐蝕性液體作為液體化學分解電極之金屬表面時，這個問題是更複雜。塗層可有利於防止上述的電解及腐蝕分解，然而，此類的塗層一般都是由具有低傳導性材料所製得，進而降低習知電極的效率。
本發明係提供使用於液體環境中之電極裝置及系統，包括相關的方法。在一態樣中，例如，提供一電極裝置以使用於液體環境中，上述的裝置包括：一質子交換膜，其具有第一側面及第二側面；一第一電極，其含有一碳質材料，且該第一電極位於質子交換膜之第一側面；以及一第二電極，其含有一碳質材料，且該第二電極位於質子交換膜之第二側面並相對於第一電極。該質子交換膜為間隔第一電極及第二電極相距小於或等於約100微米之距離。在另一態樣中，該質子交換膜為間隔該第一電極及該第二電極相距小於或等於約50微米之距離。
各種材料都可以被考慮作為第一及/或第二電極。在一態樣中，第一及/或第二電極可包括一類鑽碳多孔層、一塗佈類鑽碳之碳布、一硼摻雜之碳化矽粉末、一硼摻雜之碳化矽多孔層、一塗佈硼摻雜碳化矽之碳布、及其類似物、包括其組合。在一具體態樣中，第一及/或第二電極可包括一塗佈類鑽碳之碳布。在另一具體態樣中，第一及/或第二電極可包括一類鑽碳材料之多孔層。所使用的各種類鑽碳材料可以是摻雜的或是未摻雜的。在一態樣中，該類鑽碳摻雜氮。在另一態樣中，該類鑽碳可以為一傳導性類鑽碳材料，其具有sp3碳鍵結含量由約20原子百分比至約80原子百分比，及sp2碳鍵結含量由約20原子百分比至約80原子百分比。在又另一態樣中，該第一電極或該第二電極之至少之一包括一硼摻雜之碳化矽粉末。
本發明另外提供一種使用於離子化一液體之系統。在一態樣中，例如，一上述系統提供：一液體密封容器，其具有一第一腔室及一第二腔室，該第一腔室及該第二腔室為連續的；以及一質子交換膜，其具有面對該第一腔室之一第一側面及面對該第二腔室之一第二側面，該質子交換膜位於該液體密封容器內部以分隔該第一腔室及該第二腔室。該系統也可以包括：一第一電極，其含有一碳質材料，且該第一電極位於該質子交換膜之該第一側面；以及一第二電極，其含有一碳質材料，且該第二電極位於該質子交換膜之該第二側面並相對於該第一電極。該質子交換膜為間隔該第一電極及該第二電極相距小於或等於約100微米之距離。該系統另外包括：一第一液體入口，接合至該液體密封容器且操作以輸送一液體至該第一腔室；一第一液體出口，接合至該液體密封容器且操作以自該第一腔室中移除液體；一第二液體入口，接合至該液體密封容器且操作以輸送一液體至該第二腔室；以及一第二液體出口，接合至該液體密封容器且操作以自該第二腔室中移除液體。該系統更包括一電源，其電耦接於該第一電極及該第二電極之間。
本發明另外提供用於離子化一液體之方法。在一態樣中，關於上述之系統，例如，該方法可包括：致動該電源以驅動一電流自該第二電極至該第一電極，進而充電該第一電極作為一陽極及該第二電極作為一陰極；輸送一工作液體通過該第一液體入口進入該第一腔室；以及輸送一載液 通過該第二液體入口進入該第二腔室。該方法也可以包括：離子化該工作液體以由此生成質子，使生成質子遷移穿過該離子交換膜以朝向該陰極，並進入該第二腔室中的載液；以及自該第二液體出口移除該載液。在一具體態樣中，該工作液體為水，並在該陽極離子化該水以生成一臭氧。在又另一態樣中，該臭氧與該水藉由該第一液體出口以自該第一腔室中移除。
以上係廣泛地概述本發明之重要特徵，而由以下係詳述描述使更能了解本發明，並更可理解本發明技術之貢獻。本發明之其他特徵將由以下伴隨的圖式及申請專利範圍而更詳細描述本發明，或可透過具體實施而得知本發明。
102,208‧‧‧質子交換膜
104,210‧‧‧第一側面
106,212‧‧‧第二側面
108‧‧‧第一電極
110‧‧‧第二電極
202‧‧‧液體密封容器
204‧‧‧第一腔室
206‧‧‧第二腔室
214‧‧‧第一電極
216‧‧‧第二電極
218‧‧‧第一液體入口
220‧‧‧第一液體出口
222‧‧‧第二液體入口
224‧‧‧第二液體出口
圖1係根據本發明一態樣之液體電極裝置之剖面圖。
圖2係根據本發明又另一態樣之液體電極裝置之剖面圖。
圖3係根據本發明更一態樣之離子化一液體之流程圖。
上述圖式僅為能更了解本發明之說明目的。此外，該些圖式並未按照比例繪製，僅供說明尺寸和幾何形狀，並可以從相關說明而變化。
在揭露及敘述本發明前，應了解本發明不限於 在此所揭示之該特定結構、方法步驟、或材料，而可擴大延伸至其相等物，如該些具有通常相關習知技術者可推之。並且，應了解在此所用之術語僅用於描述特定實施例，而非侷限本發明。
須注意的是，本發明之說明書及所附申請專利 範圍中，單數形式的「一(a、an)」及「該(the)」包括複數個所指示對象，除非文中另有特別指示。因此，例如關於「該層」，其包括一層或多層；關於「一添加物」，其包括指一種或多種此類的物質；關於「陰極電弧技術」，其包括指一種或多種此類的技術。
定義
在本發明之描述及申請專利範圍中，使用根據如下文所定義之專門用語。
在本文中，「電極」一詞意指用於電路中並使至少兩個點之間的電性接觸之一導體。
在本文中，「sp3碳鍵結」一詞意指在碳原子鍵結至相鄰的碳原子為一結晶結構，實質上相當於碳同位素鑽石(即，純粹的sp3鍵結)，且更包括碳原子配置於一扭曲四面體配位之sp3鍵結，如，非結晶性鑽石及類鑽碳。
在本文中，「sp2碳鍵結」一詞意指在碳原子鍵結至相鄰的碳原子為一結晶結構，實質上相當於碳同位素石墨。
在本文中，「鑽石」一詞意指一碳原子鍵結至其它碳原子之結晶結構為四面體配位晶格，稱為sp3碳鍵。具體而言，每一碳原子被包圍並鍵結至其它四個碳原子，且其位於正四面體之尖端。此外，雖然實驗結果可能略有不同，在環境溫度條件下，任何兩個碳原子間的鍵長度為1.54埃，且任何兩個鍵間的角度為109度28分16秒。鑽石的結構及性質，包括其物理及電氣性質在本領域中為眾所皆知的。
在本文中，「扭曲四面體配位」一詞意指碳原子之四面體鍵結為不規則的，或者偏離上述鑽石的正常四面體結構。上述的扭曲通常會導致一些鍵結變長及其它鍵結變短，以及在鍵間的鍵角變化。此外，四面體的扭曲改變碳的特性及性質，並有效展現於sp3結構(即，鑽石)碳鍵結及sp2結構(即，石墨)碳鍵結特性之間。在具有碳原子之材料以扭曲四面體鍵結之例子中為非結晶性鑽石。可以被理解是，許多可能的扭曲四面體結構的存在及扭曲結構之各種變化為目前普遍於非結晶性鑽石中。
在本文中，「類鑽碳」一詞意指具有碳原子作為主要成分之碳質材料，且多數的碳原子以扭曲四面體鍵結。雖然化學氣相沉積(CVD)或其它方法可使用作為氣相沉積方法，類鑽碳(DLC)通常為藉由物理氣相沉積(PVD)形成。尤其是，各種各樣的其它元素可包含在類鑽碳材料以作為一雜質，或作為摻雜物，包括：氫、硫、磷、硼、氮、矽、鎢、等等，但不限於此。
在本文中，「非結晶性鑽石」一詞意指具有碳原子作為主要成分之一種類鑽碳型式，且多數的碳原子以扭曲四面體鍵結。在一態樣中，在非結晶性鑽石中碳含量可至少為約90%，且上述碳之至少約20%以扭曲四面體鍵結。非結晶性鑽石比起鑽石(176原子數/立方公分)也具有較高的原子密度。此外，非結晶性鑽石及鑽石材料在熔化後通常會縮小。
在本文中，「氣相沉積」一詞意指物質利用氣相沉積技術形成。「氣相沉積」係指沉積物質藉由氣相方式形成於底材上。氣相沉積法可包括任何類似方法，如化學氣相沉積(CVD)及物理氣相沉積(PVD)，但不侷限於此。各種氣相沉積方法的各種變化都可被相關習知技術者所實施。氣相沉積方法的例子中，包括：熱絲CVD、射頻CVD、雷射CVD(LCVD)、雷射消熔法(Laser ablation)、敷形鑽石塗佈法(conformal diamond coating processes)、金屬-有機CVD(MOCVD)法、濺鍍法、熱蒸鍍PVD、離子化金屬PVD(IMPVD)、電子束PVD(EBPVD)、反應性PVD、原子層沉積(ALD)、及其類似方法。
在本文中，「電耦接」一詞意指允許電流至少部分地在它們之間流動之結構間關係。此定義包括結構為物理接觸之態樣及那些結構不是物理接觸之態樣。通常情況下，電耦接的兩種材料可具有一電位或實際電流在兩種材料之間。例如，物理接合一起的兩個極板藉由電阻器以物理接觸，並進而允許電流在它們之間流動。相反地，兩 個極板藉由一介電材料分離並未物理接觸，但是，在接合至一交流電源時，藉由電容裝置以允許電流在它們之間流動。此外，依據介電材料之絕緣性質，在施加足夠能量時，電子可被允許通過或躍過介電材料。
在本文中，「相鄰的」一詞意指接近或緊密地足以達到所需的影響。
在本文中，「實質上(substantially)」一詞意指一動作、特徵、特性、狀態、結構、項目、或結果具有完全的或接近完全的範圍或程度。相較於絕對的完全，其確切可接受之誤差程度可視文中具體情況而定。然而，一般談到接近完成可視為如同絕對及完全得到具有相同的整體結果。「實質上」一詞可同樣地應用於一負面含意，其意指一動作、特徵、特性、狀態、結構、項目、或結果為完全的或接近完全的缺乏。舉例而言，一組成物「實質上沒有」顆粒意指該組成物不是完全地缺乏顆粒，就是接近完全地缺乏顆粒，其影響如同完全地缺乏顆粒一樣。換句話說，「實質上沒有」一成分或元素之組成物，只要不具有重要的影響，實際上可仍包含此項目(指該成分或元素)。
在本文中，「約(about)」一詞意指提供彈性空間於一數值範圍端點，即一給定值可以「稍微高於」或「稍微低於」此數值端點，此端點的彈性程度可為一般相關習知技術者所理解。此外，所述約一詞包括明確地確切端點，除非文中有另外的陳述。
在本文中，複數個項目、結構元件、組成元件、及/或材料可為了方便以一般的列舉呈現。然而，這些舉例應被解釋為所述舉例的每一構件可個別被認定為單獨且獨特的元件。因此，基於一般群組內所呈現而未有其它相對的描述，此列舉的單獨構件不需要單獨地被解釋為事實上相等於其它相同列舉出的構件。
在本文中，濃度、總量及其他數值資料可以一範圍形式表達或呈現。應瞭解的是此範圍形式僅為方便及簡化描述，因此應更具彈性的解釋此範圍，其不僅包含明確列舉為範圍界限的數值，且包括所述範圍內包含的所有單獨數值或子範圍，如同各數值和子範圍被明確列舉一樣。舉例而言，一數值範圍為「約1至約5」應解釋為不僅包括大約1至約5的明確列舉的值，更包括在指出的範圍內的單獨數值及子範圍。因此，其在該數值範圍內包括如2、3、及4的單獨數值及如自1至3、自2至4、及自3至5等的子範圍等，以及分別為1、2、3、4及5。此相同的原則適用於一範圍，其僅指出一數值為一最小值或一最大值。此外，不論是範圍之幅度或特性，此解釋應被適用。
本發明
本發明係提供使用於液體環境中之電極裝置及系統，包括相關的方法。上述電極的多種用途都可被考慮，及任何類似的使用都可以被認定為本發明之範疇內。上述 的用途可包括離子化一液體、由水生成氫、由水生成臭氧、淨化液體、及其類似者，但不限於此。
如圖1所示，在一實施態樣中，使用於一液體環境中之一電極裝置，可包括：一質子交換膜(PEM)102，其具有一第一側面104及一第二側面106；一第一電極108，其含有一碳質材料，且該第一電極108位於該質子交換膜102之該第一側面104；一第二電極110，其位於該質子交換膜102之該第二側面106並相對於該第一電極108。該質子交換膜102可起作用以間隔該第一電極108及該第二電極110相距小於或等於約100微米之距離。在另一態樣中，該質子交換膜102可作用以間隔該第一電極108及該第二電極110相距小於或等於約50微米之距離。
該質子交換膜為一半穿透膜，其可穿透質子，並同時阻擋分子，例如，氧、臭氧、等等。儘管具有此半穿透性質的任何材料都可被認定為本發明範疇內，在一些態樣中，該質子交換膜可由各種離子鍵聚合物所製得。因此，該質子交換膜有利於從處理液體內殘留的離子化分子中使質子分離。在一態樣中，該質子交換膜可以由一實質上之純聚合物薄膜而形成。在另一態樣中，該質子交換膜可以由具有附加物質嵌入於其中之複合薄膜而形成。各種市售的質子交換膜之例子，例如，杜邦公司銷售的納菲薄膜(Nafion)，為一種類似於聚四氟乙烯(Teflon)之具有全氟化主鏈的離子鍵聚合物，但不限於此。其它的例子中可包括：聚芳香族聚合物、部分氟化聚合物、固態聚合物薄膜、及 其類似物。該質子交換膜為本技術領域中具有通常知識者而眾所皆知的。
使用作為第一及/或第二電極之各種材料都可以被考慮。在一態樣中，該第一及/或第二電極可包括一類鑽碳多孔層、一塗佈類鑽碳之碳布、一硼摻雜之碳化矽粉末、一硼摻雜之碳化矽多孔層、一塗佈硼摻雜碳化矽之碳布、一類鑽碳粉末、及其類似物、包括其組合。在一具體態樣中，該第一及/或第二電極可包括一塗佈類鑽碳之碳布。在另一具體態樣中，該第一及/或第二電極可包括一類鑽碳材料之多孔層。所使用的各種類鑽碳材料可以是摻雜的或是未摻雜的。在一態樣中，該類鑽碳摻雜氮。在另一態樣中，該類鑽碳可以為一傳導性類鑽碳材料，其具有sp3碳鍵結含量由約20原子百分比至約80原子百分比，及sp2碳鍵結含量由約20原子百分比至約80原子百分比。在又另一態樣中，該第一電極或該第二電極之至少之一包括一硼摻雜之碳化矽粉末。
本發明另外提供使用於離子化一液體之系統。在一態樣中，如圖2所示，一上述系統提供：一液體密封容器202，其具有一第一腔室204及一第二腔室206，該第一腔室及該第二腔室為連續的；以及一質子交換膜208，其具有面對該第一腔室204之一第一側面210及面對該第二腔室206之一第二側面212，該質子交換膜208位於該液體密封容器202內部以分隔該第一腔室204及該第二腔室206。該系統也可以包括：一第一電極214，其含有一碳質材料，且該 第一電極214位於該質子交換膜208之該第一側面210；以及一第二電極216，其含有一碳質材料，該第二電極216位於該質子交換膜208之該第二側面212並相對於該第一電極214。該質子交換膜208係間隔該第一電極214及該第二電極216於足以離子化液體之距離。在一態樣中，例如，該距離可以為相距小於或等於約100微米。該系統另外包括：一第一液體入口218，接合至該液體密封容器202且操作以輸送一液體至該第一腔室204；一第一液體出口220，接合至該液體密封容器202且操作以自該第一腔室204中移除液體；一第二液體入口222，接合至該液體密封容器202且操作以輸送一液體至該第二腔室206；以及一第二液體出口224，接合至該液體密封容器202且操作以自該第二腔室206中移除液體。該系統更包括一電源(圖未顯示)，其電耦接於該第一電極及該第二電極之間。
因此，質子從第一腔室204內之離子化液體通過該質子交換膜208以移動至第二腔室206，進而允許在第一腔室204中的離子化液體保持於一離子化狀態以用於收集或進一步使用。在水的情況下，例如，該充電電極可以從水中解離氫質子。這些質子可以移動穿過該質子交換膜208並進入第二腔室206，並防止其與由水中解離的氧重組。在一些態樣中，質子可被收集以用於進一步使用。該解離的氧形成臭氧，其可經由第一液體出口220而收集。
本發明另外提供用於離子化一液體之方法。在一態樣中，關於上述之系統，如一實施例及圖3所示，該方 法可包括：致動該電源以驅動一電流自該第二電極至該第一電極，進而充電該第一電極作為一陽極及該第二電極作為一陰極302；輸送一工作液體通過該第一液體入口進入該第一腔室304；以及輸送一載液通過該第二液體入口進入該第二腔室306。該方法也可以包括：離子化該工作液體以由此生成質子，使得生成質子遷移穿過該離子交換膜以朝向該陰極，並進入該第二腔室中的載液308。該工作液體含有一離子化成份並可藉由第一液體出口移除，以及該載液可自該第二液體出口移除。在一具體態樣中，該工作液體係為水，並在該陽極離子化該水以生成一臭氧。在又另一態樣中，該臭氧與該水藉由該第一液體出口以自該第一腔室中移除。
如上所述，在一態樣中，一電極可含有一類鑽碳材料或一非結晶性碳質材料。類鑽碳及非結晶碳質電極在功能性及大幅降低製造成本這兩個方面提供了更甚於硼摻雜鑽石之電極之顯著的優點。要注意的是，於本發明中為了方便，類鑽碳及非結晶性鑽石可交換使用。然而，值得一提的是，類鑽碳及非結晶性鑽石可表現出不同的功能或製造特性，因此在一些情況下可以被明確地區隔的。
因此，可利用類鑽碳於液體環境中作為電極而具有益的效果。該電極可為一實質上固態類鑽碳材料(即不含有一支撐底材)，或電極可含有一類鑽碳層沉積於一底材上，且該底材提供結構支撐及/或電性或半導體功能。如上所述，在一態樣中，DLC為不連續的將是有益的，進而使液 體由此通過，並進入與其結合的質子交換膜。這可以藉由沉積類鑽碳於一具有多孔性質之底材上而完成。例如，類鑽碳可沉積於一碳布上。類鑽碳將附著於碳布之纖維上，並在纖維展開之間留下至少一部份的孔洞。這可以允許液體透過類鑽碳電極而通過。此外，具有孔洞形成於其中的任何底材都可以利用作為類似效果。在另一態樣中，類鑽碳可沉積於一底材上，且孔洞於沉積後形成於其中。類鑽碳也可以為粉末或其它顆粒形式材料，且維持於限定結構中以允許液體經此流過。類似結構可另外可慮其它材料作為電極，例如，氮化硼。進一步，如文中所述，類鑽碳或氮化硼可以為未摻雜的或是有摻雜的。
相較於普通的電極，類鑽碳電極具有各種優異性能，包括金屬及玻璃化碳電極。例如，類鑽碳在許多化學反應中具有高度惰性。因此，即使是在高反應性液體中的電解條件下，類鑽碳電極仍可防止裂解。此外，類鑽碳電極在水中所呈現的過電壓明顯大過於其它電極。在水藉由陰極及陽極解離為H+及OH-時，將在陰極形成H2，並在陽極形成O2。
在水溶液液體中更廣泛的工作電位範圍也可以允許強氧化劑的生成(例如，過氧化氫、臭氧、氯)。例如，類鑽碳電極可用於電解離濃硫酸(H2SO4)以產生過二硫酸(H2S2O8)，使用一般金屬電極得到強氧化劑並非完全不可能，只是很困難。類鑽碳電極也可以用於解離KF．2HF熔融 鹽以產生氟氣。此類的應用，使用普通電極是無法達成的，其缺乏類鑽碳電極材料之過電壓解離及防腐蝕保護。
在一態樣中，類鑽碳電極材料可用於減少液體中的汙染物。一例子中，可包括水淨化系統。由於類鑽碳電極之過電壓，相較於普通的電極，此更高的電流效率使羥基自由基可以更容易地形成，進而更有效地自液體中移除雜質。極性是可以反轉的，以移除形成於電極上的雜質，進而還原該淨化系統。此外，上述系統也可以自液體中消除細菌、病毒、及其它潛在的致病性汙染物。
一電源可用於提供電力至第一電極及第二電極。該電源可以為能夠提供電力至電極之任何來源。該電源可以為交流、直流、或一交流及直流之組合，例如，一具有直流補償之交流電流，或一短暫交流並接續直流。在一態樣中，電源充電該電極於從約0.5伏特至約15伏特之範圍內。在另一態樣中，電源充電該電極於從約0.5伏特至約10伏特之範圍內。在又另一態樣中，電源充電該電極於從約0.5伏特至約5伏特之範圍內。在更一態樣中，電源充電該電極於從約0.5伏特至約2.5伏特之範圍內。
取決於所需裝置的特性，各種的支撐底材材料都可被用於製作電極。於支撐底材材料之例子中，包括：金屬、金屬合金、半導體、陶瓷、高分子、碳質材料、及其類似物、包括其組合，但不限於此。在另一態樣中，該支撐底材可為一纖維布，例如，一碳布。在一些態樣中，支撐底材可以為一含有破碎或粉末電極材料之容器 (container)。該支撐底材也可以為於此提升類鑽碳之附著力之材料。上述材料之一例子為鈦或鈦合金。在一態樣中，電源供應器可耦接至一支撐底材。在另一態樣中，電源供應器可耦接至一傳導性類鑽碳或其它電極材料。
此外，該支撐底材可具有一任何外型或結構之表面。類鑽碳或其它電極材料可塗佈於任何外型或結構上，包括作為一共形層。在一態樣中，該表面為一平面的。在另一態樣中，該表面可以是粗糙的及/或波紋狀的。在又另一態樣中，該表面可以是標準型管(pipe)或非標準型管(tube)的外側及/或內側。例如，在一態樣中，一類鑽碳層可以沉積於一非標準型管之內側表面上，在這裡因此該非標準型管為一類鑽碳電極。一第二電極可位於該非標準型管內側，且液體可以流動通過此處，在其連續地或不連續地流動通過該非標準型管時，進而有效地自液體中移除汙染物。
在一例子中，傳導性類鑽碳材料代表類鑽碳材料之一種區別類型，其具有不同的有利性質，例如，低電阻性、高透射率等。這些特性至少部分相關於可變因素，例如：氫含量、sp2及sp3碳鍵結含量、及任意的添加物或摻雜物。傳導性類鑽碳可以藉由能夠形成具有傳導性質之類鑽碳的任何方法而形成。例如，在一態樣中，傳導性類鑽碳可以使用一適當的氣相沉積方法以沉積於基板上。此外，在一特定態樣中，該類鑽碳材料可以為非結晶性鑽石。
類鑽碳材料中的氫含量增加可提供使透明度增加。如果上述材料為所需求的，氫含量可被吸收遍及於傳導性類鑽碳材料或實質上僅在其表面。通常原則下，在一態樣中，氫含量可以從0.01原子百分比至約30原子百分比之範圍內。在另一態樣中，氫含量可以從約15原子百分比至約25原子百分比之範圍內。在各種的態樣中，傳導性類鑽碳可以實質上為不含有氫含量。氫含量可以藉由在類鑽碳材料沉積期間以增加氫氣濃度。或者，類鑽碳材料可以與氫氣進行加熱處理以形成一類鑽碳之氫末端表面層。雖然可利用其它合適的方式，但沉積可以使用氣相沉積方法產生，例如，化學氣相沉積。此外，在一些態樣中，一類鑽碳材料之表面可以為粗糙化或斑點化以增加接觸於液體之表面積。
在一些態樣中，可以將傳導性添加物及摻雜物導入至類鑽碳材料以提升或控制傳導性類鑽碳材料之傳導性。可經由許多方法以導入合適的傳導性添加物，例如，在氣相中共沉積、經由類鑽碳材料塗佈傳導性添加物、滲透、每一材料之交替沉積、及其類似方式，但不限制於此。有利於本發明之傳導性類鑽碳材料之各種摻雜物都可以被考慮。可包括：鎳、矽、磷、鋰、傳導性材料、及其類似物、包括其組合，但不限制於此。在一態樣中，合適的傳導性材料可包括傳導性金屬微粒導入至一氫化類鑽碳材料。在一例子中，金屬微粒包括：銀、銅、金、鈦、及其類似物、包括其組合，但不限制於此。在一具體態樣中， 該金屬微粒可以為奈米粒子，即100奈米或更小，且通常為50奈米或更小。在一態樣中，儘管上述微粒之粒徑可以為從約1奈米至約1微米，但其它金屬微粒可以為任何合適的粒徑。在另一態樣中，金屬微粒之粒徑可以為從約2奈米至約100奈米。在又另一態樣中，金屬微粒之粒徑可以為從約0.1微米至約0.6微米。儘管最佳的粒子粒徑及濃度可取決於特定的粒子材料、sp2及sp3碳鍵結含量、及氫含量而有許多的變化，但金屬微粒之濃度一般可以在從約2體積百分比至約60體積百分比之範圍內。在另一態樣中，該傳導性類鑽碳材料可以摻雜氮。在又另一態樣中，該傳導性類鑽碳材料可以為未摻雜的。
關於傳導性類鑽碳材料的另一個變數為sp3碳鍵結含量。當材料的鑽石特性增加時，有利的是，增加sp3碳鍵結含量，結果將增加其透射率。然而，這也會伴隨著相關傳導性的下降。通常，傳導性類鑽碳材料可具有sp3碳鍵結含量由約20原子百分比至約90原子百分比。在另一態樣中，傳導性類鑽碳材料可具有sp3碳鍵結含量由約20原子百分比至約80原子百分比。在又另一態樣中，傳導性類鑽碳材料可具有sp3碳鍵結含量由約40原子百分比至約65原子百分比。在較高的sp3碳鍵結含量，例如，由約50原子百分比至約90原子百分比，額外的添加物及/或摻雜物可被導入以增加足夠傳導性於使用的材料，作為裝置內之傳導性電極。例如，摻雜氮或其它類似摻雜物可提供良好的傳導性以作為一傳導性類鑽碳電極。
在類鑽碳材料之結晶結構中，sp2碳鍵結含量具有一石墨形式，並進而可以有導電性。因此，在類鑽碳材料中適當平衡的sp3碳鍵結含量可用於形成一具有良好導電性的類鑽碳電極。在一態樣中，傳導性類鑽碳材料可具有sp2碳鍵結含量由約10原子百分比至約80原子百分比。在另一態樣中，傳導性類鑽碳材料可具有sp2碳鍵結含量由約20原子百分比至約80原子百分比。在又另一態樣中，傳導性類鑽碳材料可具有sp2碳鍵結含量由約35原子百分比至約60原子百分比。具體的含量也可以取決於氫含量、sp3碳鍵結含量、及其它任選的添加物或摻雜物而變化。
類鑽碳材料可使用任何合適的方式製作，例如，各種氣相沉積方法。在本發明揭示之一態樣中，可使用一陰極電弧方式形成類鑽碳材料。各種的陰極電弧方式都可以被利用，例如，在已公開的美國專利第4,448,799號、第4,511,593號、第4,556,471號、第4,556,471號、第4,620,913號、第4,622,452號、第5,294,322號、第5,458,754號、及第6,139,964號，其所揭露之內容均併入本發明中以供參酌。一般來說，陰極電弧技術包括物理氣相沉積(PVD)以將碳原子沉積至一靶材或一底材上。該電弧藉由傳遞大電流通過作為陽極之石墨電極而產生，並利用電流以氣化碳原子。若碳原子含有足夠能量時(即約100eV)，它們將會撞擊於靶材上並附著於其表面以形成一碳質材料，如類鑽碳或非結晶性鑽石。類鑽碳材料可被塗佈於許多金屬底材，通常沒有接觸電阻，或實質上會降低接觸電阻。一般情況下，衝擊碳原子之動能可藉由在 底材之不同負偏壓而調整，且沉積速率可藉由電弧電流而控制。這些參數及其它的控制也可以調整碳原子四面體配位之扭曲程度及幾何形狀，或類鑽碳材料之構型(即，例如，高度負偏壓可以加速碳原子並增加sp3鍵結)。藉由測定材料的拉曼光譜可以確定sp3/sp2比率。然而，應該注意的是，類鑽碳材料之扭曲四面體部分，通常不是相鄰的純sp3，也不是sp2，而是為中間性質鍵結之範圍。然而，增加電弧電流時，可以增加高流量碳離子之靶材轟擊率。因此，溫度上升，可以使沉積碳轉換成更穩定的石墨形式。如此，類鑽碳材料之最終形態或組成(即，帶隙(band gaps)、NEA、及發射表面粗糙度)可藉由操縱陰極電弧條件以控制材料形成。在一些態樣中，陰極電弧沉積可被用於形成非結晶性鑽石材料。
此外，可使用於形成類鑽碳之其它方法，如各種氣相沉積方法，例如，化學氣相沉積或其它類似方法。在製備一多結晶性類鑽碳時，可使用化學氣相沉積。一般藉由導入一提升溫度之碳源氣體至一容納沉積底材之腔室而實行類鑽碳之化學氣相沉積(CVD)。如果沉積溫度為高溫(例如，800℃)，類鑽碳將生長為一結晶性化學氣相沉積之鑽石膜。一合適的化學氣相沉積方法之例子為在部分真空(millitorr(毫托))下藉由解離乙炔(C2H2)及氫氣之高頻(13.6MHz)化學氣相沉積。另外，脈衝直流可用於替代高頻化學氣相沉積。在非結晶性鑽石之情況中，藉由陰極電弧或雷射消融(laser ablation)之沉積可形成一合適的沉積層。
類鑽碳材料的形成更可以透過一類鑽碳共形層之沉積而更為容易。共形鑽石塗佈方法甚於普通的鑽石薄膜方法可提供許多的優點。共形鑽石可完成於廣泛地各種底材上，包括非平面底材。一生長表面可在偏壓缺乏之鑽石生長條件下進行預處理，以形成一碳膜。鑽石生長條件可以為用於類鑽碳之普通化學氣相沉積條件，並未施加一偏壓。因此，一薄碳膜可被形成，其通常小於約100埃。儘管在約500℃以下的低溫可以特別地有用，但該預處理步驟幾乎可以在任何生長溫度進行，如從約200℃至約900℃。在不受到任何特定理論的限制下，該薄碳膜顯示在很短的時間內形成，例如，少於一小時，且為氫末端之非結晶性碳。
下述的薄碳膜之形成中，生長表面形成類鑽碳層時會受到鑽石生長條件的影響。鑽石生長條件可以為傳統氣相沉積鑽石生長時所通常使用之條件。然而，不同於普通類鑽碳層生長，類鑽碳使用上述預處理步驟製作生成一共形類鑽碳層，其通常開始於實質上沒有潛伏時間下而實質上生長遍及整體生長表面上。
在一態樣中，有利於導電性之類鑽碳材料為具有許多碳原子鍵結之扭曲四面體配位。由扭曲四面體結構中碳原子鍵的不同鍵長，四面體配位容許碳原子維持sp3鍵結特性以提供許多有效的間隙。具有不同導電程度之類鑽碳材料都可以被考慮。值得注意的是，本發明揭示之類鑽碳材料之導電性以電阻率表示。例如，在一態樣中，傳導性類鑽碳材料在20℃下具有電阻率從約0 μΩ-cm至約80 μΩ-cm，使材 料為導電性。在另一態樣中，傳導性類鑽碳材料之電阻率從約0 μΩ-cm至約40 μΩ-cm。
此外，在傳導性類鑽碳材料內的過量晶粒間界會增加材料之電阻率。晶粒間界可使用各種技術而被最小化。例如，在一方式中，可以由奈米鑽石晶種而開始類鑽碳材料的形成。另一種方式可包括類鑽碳材料之高溫退火以減少晶粒間界。另外，具有小於約30奈米之類鑽碳表面粗糙度是有利的。各種技術都可被用於製作上述的平坦表面，例如，使用一平坦反轉模具之反轉鑄造、拋光、或其它類似方法。在另一方式中，支撐底材之製作可藉由蝕刻粗糙化支撐底材表面並將類鑽碳沉積於其上。上述的粗糙化表面可提高類鑽碳晶粒生長及進一步增加在生長期間的電流進入類鑽碳材料。
傳導性類鑽碳材料可具有任何功用的厚度。例如，在一些態樣中，類鑽碳電極係為完全由類鑽碳材料或實質上完全由類鑽碳材料而製得。因此，在此情況下，類鑽碳材料可與所需的類鑽碳電極為相同厚度或更厚以支撐本身。在一態樣中，類鑽碳材料為藉由一支撐底材以支撐，並可以是足夠的厚度以有利於所需的導電性，並達成類鑽碳電極裝置之功能。在一具體態樣中，類鑽碳材料可具有一厚度由約0.01微米至約10微米。在另一態樣中，類鑽碳材料可以為由約1微米至約50微米。在又另一態樣中，類鑽碳材料可以為由約50微米至約100微米。
當然，這是可以理解的是，上述的配置僅是為了說明本發明之原則應用。許多修改和替代的配置，都可以由本發明相關技術領域者在不違背本發明的精神和範圍的情況下，可以設計出許多修改和替代的配置，在所附的申請專利範圍已涵蓋此類的修改及配置。因此，雖然前述內容已描述本發明的特殊性及結合本發明認為最具體及最佳之實施例，但在不違背此處的原則及概念下，都可以由本發明相關技術領域者呈現出許多修改，包括，不同的尺寸、物質、外形、型式、功能，及運作、組裝及使用方式，並不侷限於此。
102‧‧‧質子交換膜
104‧‧‧第一側面
106‧‧‧第二側面
108‧‧‧第一電極
110‧‧‧第二電極

Claims (18)

  1. 一種使用於液體環境中之電極裝置，包括：一質子交換膜，其具有一第一側面及一第二側面；一第一電極，其含有一碳質材料，且該第一電極位於該質子交換膜之該第一側面；以及一第二電極，其位於該質子交換膜之該第二側面並相對於該第一電極，其中，該質子交換膜係間隔該第一電極及該第二電極相距小於或等於約100微米之距離。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之使用於液體環境中之電極裝置，其中，該質子交換膜係間隔該第一電極及該第二電極相距小於或等於約50微米之距離。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之使用於液體環境中之電極裝置，其中，該第一電極係包括一選自由一類鑽碳多孔層、一塗佈類鑽碳之碳布、一硼摻雜之碳化矽粉末、一硼摻雜之碳化矽多孔層、一塗佈硼摻雜碳化矽之碳布、或其組合所組成之群組。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之使用於液體環境中之電極裝置，其中，該第一電極係為一塗佈類鑽碳之碳布，且該類鑽碳係摻雜氮。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之使用於液體環境中之電極裝置，其中，該第一電極係包括一傳導性類鑽碳材料之多孔層，其具有一sp3碳鍵結含量由約20原子百分比至約80原子百分比，及一sp2碳鍵結含量由約20原子百分比至約80原子百分比。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之使用於液體環境中之電極裝置，其中，該第二電極係包括一選自由一類鑽碳多孔層、一塗佈類鑽碳之碳布、一硼摻雜之碳化矽粉末、一硼摻雜之碳化矽多孔層、一塗佈硼摻雜碳化矽之碳布、或其組合所組成之群組。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之使用於液體環境中之電極裝置，其中，該第二電極係為一塗佈類鑽碳之碳布，且該類鑽碳係摻雜氮。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之使用於液體環境中之電極裝置，其中，該第二電極係包括一傳導性類鑽碳材料之多孔層，其具有一sp3碳鍵結含量由約20原子百分比至約80原子百分比，及一sp2碳鍵結含量由約20原子百分比至約80原子百分比。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之使用於液體環境中之電極裝置，其中，該第一電極或該第二電極係至少一包括一硼摻雜之碳化矽粉末。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之使用於液體環境中之電極裝置，其中，該第一電極及該第二電極係直接接觸該質子交換膜。
  11. 一種使用於離子化一液體之系統，包括：一液體密封容器，其具有一第一腔室及一第二腔室，該第一腔室及該第二腔室係為連續的；一質子交換膜，其具有面對該第一腔室之一第一側面及面對該第二腔室之一第二側面，該質子交換膜係位於該液體密封容器內部以分隔該第一腔室及該第二腔室； 一第一電極，其含有一碳質材料，且該第一電極位於該質子交換膜之該第一側面；一第二電極，該第二電極位於該質子交換膜之該第二側面並相對於該第一電極，其中，該質子交換膜係間隔該第一電極及該第二電極相距小於或等於約100微米之距離；一第一液體入口，係接合至該液體密封容器且操作以輸送一液體至該第一腔室；一第一液體出口，係接合至該液體密封容器且操作以自該第一腔室中移除液體；一第二液體入口，係接合至該液體密封容器且操作以輸送一液體至該第二腔室；以及一第二液體出口，係接合至該液體密封容器且操作以自該第二腔室中移除液體。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之使用於離子化一液體之系統，更包括一電源，其電耦接於該第一電極及該第二電極之間。
  13. 如申請專利範圍第11項所述之使用於離子化一液體之系統，其中，該質子交換膜係間隔該第一電極及該第二電極相距小於或等於約50微米之距離。
  14. 如申請專利範圍第11項所述之使用於離子化一液體之系統，其中，該第一電極係包括一選自由一類鑽碳多孔層、一塗佈類鑽碳之碳布、一硼摻雜之碳化矽粉末、一硼摻雜之碳化矽多孔層、一塗佈硼摻雜碳化矽之碳布、或其組合所組成之群組。
  15. 如申請專利範圍第11項所述之使用於離子化一液體之系統，其中，該第二電極係包括一選自由一類鑽碳多孔層、一塗佈類鑽碳之碳布、一硼摻雜之碳化矽粉末、一硼摻雜之碳化矽多孔層、一塗佈硼摻雜碳化矽之碳布、或其組合所組成之群組。
  16. 一種使用申請專利範圍第12項之系統以用於離子化一液體之方法，包括：致動該電源以驅動一電流自該第二電極至該第一電極，進而充電該第一電極作為一陽極及該第二電極作為一陰極；輸送一工作液體通過該第一液體入口進入該第一腔室；輸送一載液通過該第二液體入口進入該第二腔室；離子化該工作液體以由此生成質子，使得生成質子遷移穿過該離子交換膜以朝向該陰極，並進入該第二腔室中的載液；以及自該第二液體出口移除該載液。
  17. 如申請專利範圍第16項所述之用於離子化一液體之方法，其中，該工作液體係為一水，並在該陽極上離子化該水以生成一臭氧。
  18. 如申請專利範圍第17項所述之用於離子化一液體之方法，其中，該臭氧與該水藉由該第一液體出口從該第一腔室中移除。
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