PL249059B1 - Urządzenie do prowadzenia reakcji elektrochemicznej w przesuwanym menisku i sposób prowadzenia reakcji elektrochemicznej w przesuwanym menisku - Google Patents

Abstract

Urządzenie do prowadzenia reakcji elektrochemicznej w przesuwanym menisku, zawierające układ prowadzący do przesuwania na podłożu roztworu tworzącego menisk, charakteryzuje się tym, że: układ prowadzący zawiera dwie nieruchome, styczne i równoległe względem siebie rurki (31, 32), wykonane z materiału nieprzewodzącego prądu elektrycznego, w przestrzeni pomiędzy dolnymi częściami przystających do siebie bocznych powierzchni rurek (31, 32) znajduje się, ograniczona dolną membraną (35) przyległą do dolnych części powierzchni bocznych rurek (31, 32), komora z materiałem (34) utrzymującym potencjał jonowy, pomiędzy rurkami (31, 32) zamontowany jest pręt (33) zanurzony w materiale (34) utrzymującym potencjał jonowy, przy czym membrana (35) jest wykonana z materiału umożliwiającego wymianę jonową pomiędzy roztworem w menisku a prętem (33); na powierzchni drugiej rurki (32), na wysokości pomiędzy membraną (35) a dolnym krańcem drugiej rurki (32) znajduje się przewodzący elektrycznie pasek (38); do potencjostatu (41), jako elektroda pracująca, podłączone jest podłoże, jako elektroda referencyjna podłączony jest pręt (33), a jako przeciwelektroda jest podłączony pasek (38). Przedmiotem zgłoszenia jest również sposób prowadzenia reakcji elektrochemicznej w przesuwnym menisku.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie do prowadzenia reakcji elektrochemicznej w przesuwanym menisku oraz sposób prowadzenia reakcji elektrochemicznej w przesuwanym menisku, w szczególności metodą trójelektrodową.

Przedstawione tu urządzenie i sposób są szczególnie przydatne do otrzymywania struktur (zarówno z materiałów nieorganicznych jak i organicznych) o kontrolowanym kształcie, grubości i/lub szerokości na różnego rodzaju podłożach przewodzących. Przykładowo, znajdują zastosowanie w produkcji podłoży ze ścieżkami przewodzącymi, jak również wielkopowierzchniowych urządzeń „plastikowej” elektroniki i ogniw słonecznych, powierzchni antyodbiciowych, powierzchni katalitycznych, powłok superhydrofobowych, mikromacierzy białkowych czy podłoży do hodowli komórkowych.

Z publikacji międzynarodowego zgłoszenia patentowego WO2019179794A1 znane jest urządzenie zawierające platformę na podłoże, element prowadzący, ruchomy względem platformy do rozciągania cieczy na podłożu w menisk, oraz układ aktywujący do wywoływania reakcji elektrochemicznej w cieczy w menisku, sprzężony z elementem prowadzącym. Element prowadzący jest pojedynczą bryłą, która może być walcem lub bryłą asymetryczną obrotowo. W rozwiązaniu tym występują dwie elektrody: pierwszą elektrodę stanowi przewodząca warstwa na podłożu, a drugą elektrodę stanowi element prowadzący menisk. Rozwiązanie takie ma pewne ograniczenia, gdyż potencjał osadzania wyraźnie się zmienia wraz z odległością od elektrody uziemiającej przyłączonej na jednym z końców podłoża. Może to prowadzić do trudności w uzyskaniu jednolitych parametrów reakcji w trakcie prowadzenia procesu.

Celowym byłoby zatem usprawnienie znanych rozwiązań w zakresie prowadzenia reakcji elektrochemicznych w przesuwanym menisku, tak aby zapewnić większą stabilność prowadzonego procesu.

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie do prowadzenia reakcji elektrochemicznej w przesuwanym menisku, zawierające układ prowadzący do przesuwania na podłożu roztworu tworzącego menisk, charakteryzujące się tym, że: układ prowadzący zawiera dwie nieruchome, styczne i równoległe względem siebie rurki wykonane z materiału nieprzewodzącego prądu elektrycznego, w przestrzeni pomiędzy dolnymi częściami przystających do siebie bocznych powierzchni rurek znajduje się, ograniczona dolną membraną przyległą do dolnych części powierzchni bocznych rurek, komora z materiałem utrzymującym potencjał jonowy, pomiędzy rurkami zamontowany jest pręt, zanurzony w materiale utrzymującym potencjał jonowy, przy czym membrana jest wykonana z materiału umożliwiającego wymianę jonową pomiędzy roztworem w menisku a prętem; na powierzchni drugiej rurki, na wysokości pomiędzy membraną a dolnym krańcem drugiej rurki znajduje się przewodzący elektrycznie pasek; do potencjostatu jako elektroda pracująca podłączone jest podłoże, jako elektroda referencyjna podłączony jest pręt, a jako przeciwelektroda jest podłączony pasek.

Korzystnie, pręt jest wykonany ze srebra, a materiał utrzymujący potencjał jonowy jest roztworem chlorowym.

Korzystnie, w pierwszej rurce znajduje się co najmniej jeden otwór doprowadzający roztwór do menisku z komory wewnątrz pierwszej rurki.

Korzystnie, w pierwszej rurce w jej górnej lub bocznej powierzchni znajduje się otwór do doprowadzania roztworu do komory.

Przedmiotem wynalazku jest ponadto sposób prowadzenia reakcji elektrochemicznej w przesuwanym menisku za pomocą urządzenia według wynalazku, charakteryzujący się tym, że: pomiędzy podłoże a układ prowadzący wprowadza się roztwór, w którym ma być prowadzona reakcja elektrochemiczna; przemieszcza się układ prowadzący względem podłoża przesuwając roztwór tworzący menisk na podłożu; podczas przesuwania roztworu, za pomocą potencjostatu generuje się przepływ prądu elektrycznego pomiędzy podłożem stanowiącym elektrodę pracującą a przewodzącym paskiem stanowiącym przeciwelektrodę, wywołując reakcję elektrochemiczną w menisku, przy czym stabilizuje się napięcie pomiędzy elektrodą pracującą a referencyjną ustawiając odpowiedni potencjał na pasku stanowiącym przeciwelektrodę.

Korzystnie, w sposób ciągły doprowadza się roztwór do menisku z komory wewnątrz pierwszej rurki.

Przedmiot wynalazku został przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym:

Fig. 1 przedstawia schematycznie przykładowe urządzenie do stosowania w sposobie według wynalazku;

Fig. 2 przedstawia przykład wykonania układu prowadzącego.

Sposób według wynalazku może być prowadzony przykładowo za pomocą urządzenia przedstawionego na Fig. 1.

Urządzenie to służy do przesuwania roztworu za pomocą układu prowadzącego 3 (przedstawionego szczegółowo na Fig. 2) znajdującego się w niewielkiej odległości od przesuwanego podłoża 22. Między podłoże 22 a układ prowadzący 3 dozowana jest niewielka ilość roztworu tak, że tworzy on menisk.

Urządzenie zawiera przesuw liniowy 1 pozwalający na poruszanie podłożem względem nieruchomego układu prowadzącego 3 w wyniku czego następuje przesuwanie roztworu względem podłoża. Przesuw liniowy 1 pozwala na dobór odpowiedniej prędkości, jak również przyspieszenia. Uchwyt 2 pozwala na zamontowanie układu prowadzącego 3 prowadzącego roztwór.

W celu uzyskania jednorodnej warstwy na jak największej powierzchni ważne jest odpowiednie ułożenie układu prowadzącego 3 rozciągającego warstwę względem powierzchni podłoża 22, jak również wypoziomowanie całego układu. W tym celu zastosowano szereg elementów pozwalających na odpowiednie ustawienie poszczególnych komponentów urządzenia. Śruba mikrometryczna 9 pozwala na ustawienie układu prowadzącego 3 na odpowiedniej wysokości nad podłożem z dokładnością do kilku μm. Pierwsza platforma 8 pozwala z kolei na skorygowanie pochyłu podłoża 22, tak że układ prowadzący 3 na całej jej długości porusza się na stałej wysokości. Druga platforma 10 pozwala natomiast na korekcję przechyłu układu prowadzącego 3, tak żeby był on równoległy do powierzchni podłoża. Całe urządzenie zostało dodatkowo umieszczone na trzeciej platformie 11 z zamontowanymi trzema śrubami, pozwalającymi na wypoziomowanie urządzenia.

Do opisanego powyżej urządzenia wprowadza się przewodzące prąd elektryczny podłoże 22, które umieszcza się na platformie 8, osadzonej na przesuwie liniowym 1. Dzięki platformie 11 umieszczonej na trzech nogach poziomujących możliwe jest wypoziomowanie całego urządzenia. Dodatkowe poziomowanie zapewnia platforma 8 wyposażona w układ regulacji pochyłu w co najmniej w jednej płaszczyźnie, korzystnie w trzech płaszczyznach. Podobnie platforma 10 układu prowadzącego 3 wyposażona jest też w układ regulacji pochyłu w co najmniej dwóch płaszczyznach (korzystnie w trzech płaszczyznach), do której przymocowany jest sztywno uchwyt na szkiełko 5 z prętem 4 i układem prowadzącym 3 zawierającym dwie elektrody: referencyjną 33 i przeciwelektrodę 38.

W alternatywnych przykładach wykonania urządzenia, to układ prowadzący 3 może być elementem przesuwanym, a w miejscu przesuwu liniowego 1 może znajdować się stacjonarna podstawa.

W jeszcze innych przykładach wykonania, zamiast przesuwu liniowego 1 mogą być wykorzystane inne mechanizmy przesuwu podłoża, przykładowo układ rolek przesuwający podłoża sztywne lub systemy rozpinające podłoża giętkie.

W kolejnym przykładzie wykonania ruchome mogą być jednocześnie obydwa elementy - zarówno układ prowadzący 3 jak i podłoże na przesuwie liniowym lub innym mechanizmie przesuwu.

W przedstawionym tu przykładzie wykonania, dąży się do tego (za pomocą wspomnianych elementów regulujących) aby podłoże było ustawione poziomo. Możliwe są jednak alternatywne przykłady wykonania, w których podłoże jest ustawione pod określonym kątem względem poziomu lub też pionowo.

W rozwiązaniu według wynalazku zastosowano układ prowadzący 3 zawierający dwie nieruchome, styczne i równoległe względem siebie rurki 31, 32 oraz zamontowany pomiędzy nimi pręt 33, jak przedstawiono w przykładzie wykonania na Fig. 2. Rurki 31, 32 są wykonane z nieprzewodzącego prądu materiału np. tworzywa sztucznego, szkła lub innego.

W przestrzeni pomiędzy dolnymi częściami przystających do siebie bocznych powierzchni rurek 31, 32 znajduje się, ograniczona dolną membraną 35 (frytą) przyległą do dolnych części powierzchni bocznych rurek 31,32 komora z materiałem 34 utrzymującym potencjał jonowy.

Pręt 33 stanowi elektrodę referencyjną i jest zanurzony w materiale 34 utrzymującym potencjał jonowy. Przykładowo, pręt 33 może być ze srebra i być zanurzony w roztworze chlorowym. Alternatywnie, może to być pręt wykonany z innego metalu, zanurzony w odpowiedniej substancji utrzymującej potencjał jonowy. Membrana 35 (fryta) utrzymuje w miejscu roztwór otaczający elektrodę referencyjną i umożliwia wymianę jonową pomiędzy meniskiem a elektrodą referencyjną 33.

W pierwszej rurce 31 znajduje się co najmniej jeden otwór 36 (lub szereg otworów wzdłuż długości rurki 31), doprowadzający roztwór do menisku z komory 37 wewnątrz pierwszej rurki 31. Pozwala to na dozowanie lub wymianę roztworu do obszaru menisku 21, w przypadku, gdy pokrywane mają być duże powierzchnie. Rurka 31 może być z obydwu stron zamknięta i mieć otwór (niewidoczny na rysunku) do doprowadzania roztworu do komory 37 w swej górnej lub bocznej powierzchni.

Na powierzchni drugiej rurki 32, na wysokości pomiędzy membraną 35 (w oddaleniu od niej) a dolnym krańcem rurki 32, znajduje się przewodzący elektrycznie pasek 38 stanowiący przeciwelektrodę, wykonany np. z platyny. Im większa szerokość paska 38, tym większa zdolność do dostarczania ładunku, optymalnie pasek ten powinien mieć taką samą długość jak rurka 32.

W trakcie pracy urządzenia pomiędzy przewodzącym elektrycznie podłożem 22 a układem prowadzącym 3 przesuwany jest roztwór tworzący menisk 21, w której ma być prowadzona reakcja. Podłoże 22 stanowi elektrodę pracującą. Elektrody: pracująca 22, referencyjna 33 i przeciwelektroda 38 podłączone są do potencjostatu 41, który kontroluje potencjały i prądy płynące w układzie w trakcie prowadzenia reakcji.

Sposób prowadzi się następująco. Po wypoziomowaniu układu wprowadza się pomiędzy podłoże 22 a układ prowadzący 3 roztwór, w którym ma być prowadzona reakcja elektrochemiczna.

Następnie, zapewniając przemieszczenie pomiędzy układem prowadzącym 3 a podłożem 22, przesuwa się roztwór tworzący menisk na podłożu 22. Podczas przesuwania roztworu, pomiędzy elektrody pracującą 22, referencyjną 33 i przeciwelektrodę 38 za pomocą potencjostatu zadaje się odpowiednie napięcia, w szczególności stabilizuje się napięcie pomiędzy elektrodą pracującą 22 a referencyjną 33 ustawiając odpowiedni potencjał na przeciwelektrodzie 38 stosownie do rodzaju reakcji, jaka ma być wywołana na powierzchni przeciwelektrody. Wartości potencjału przeciwelektrody 38 dla różnych materiałów i rodzajów reakcji są znane specjalistom w dziedzinie. W ten sposób wywołuje się reakcje elektrochemiczne w menisku 21 pomiędzy układem prowadzącym 3 a podłożem 22.

Stosując dozowanie roztworu z komory 37 zapewnia się stały dopływ roztworu do menisku, w szczególności tak aby w menisku znajdowała się stała objętość roztworu w trakcie całego procesu, umożliwiając rozciąganie menisku na dużych powierzchniach.

Przykład wykonania

Zastosowano rurki 31, 32 o średnicy zewnętrznej 6 mm i grubości ścianki 1 mm wykonane z pleksi. Jako elektrodę referencyjną 33 zastosowano drut srebrny o średnicy 1 mm, a jako materiał 34 utrzymujący potencjał jonowy zastosowano pastę DuPont 5874, zawierającą srebro (Ag) i chlorek srebra (AgCI). Jako membranę 35 zastosowano warstwę pasty DuPont 5018 wzbogaconą jonami chloru (Cl). Jako przeciwelektrodę zastosowano pasek platynowy o szerokości 5 mm i grubości 0,5 mm.

Jako roztwór zastosowano roztwór zawierający jony cynku (0,1M wodny roztwór Zn(NO3>6H2O=. Zastosowano potencjostat 41 typ T2006B1-EU firmy Ossila.

Jako podłoże zastosowano szkiełka pokryte ITO. Oczekiwaną reakcją było osadzenie tlenku cynku na ITO.

W trakcie prowadzenia reakcji za pomocą potencjostatu 41, zadawano potencjał pomiędzy elektrodą pracującą 22 a elektrodą referencyjną 33 w zakresie - 0,8 V do -1,6 V. Stwierdzono, że przy potencjale - 0,75 V uzyskano tlenek cynku osadzony w postaci płatków, a przy potencjale -1,2 V uzyskano tlenek cynku w postaci gęsto upakowanych ziaren.

Claims (6)

1. Urządzenie do prowadzenia reakcji elektrochemicznej w przesuwanym menisku, zawierające układ prowadzący (3) do przesuwania na podłożu (22) roztworu tworzącego menisk, znamienne tym, że:

- układ prowadzący (3) zawiera dwie nieruchome, styczne i równoległe względem siebie rurki (31, 32) wykonane z materiału nieprzewodzącego prądu elektrycznego,

- w przestrzeni pomiędzy dolnymi częściami przystających do siebie bocznych powierzchni rurek (31, 32) znajduje się, ograniczona dolną membraną (35) przyległą do dolnych części powierzchni bocznych rurek (31, 32), komora z materiałem (34) utrzymującym potencjał jonowy,

- pomiędzy rurkami (31,32) zamontowany jest pręt (33), zanurzony w materiale (34) utrzymującym potencjał jonowy, przy czym membrana (35) jest wykonana z materiału umożliwiającego wymianę jonową pomiędzy roztworem w menisku a prętem (33);

- na powierzchni drugiej rurki (32), na wysokości pomiędzy membraną (35) a dolnym krańcem drugiej rurki (32) znajduje się przewodzący elektrycznie pasek (38);

- do potencjostatu (41) jako elektroda pracująca podłączone jest podłoże (22), jako elektroda referencyjna podłączony jest pręt (33), a jako przeciwelektroda jest podłączony pasek (38).

PL 249059 Β1

2. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że pręt (33) jest wykonany ze srebra, a materiał (34) utrzymujący potencjał jonowy jest roztworem chlorowym.

3. Urządzenie według jednego z wcześniejszych zastrzeżeń, znamienne tym, że w pierwszej rurce (31) znajduje się co najmniej jeden otwór (36) doprowadzający roztwór do menisku z komory (37) wewnątrz pierwszej rurki (31).

4. Urządzenie według zastrzeżenia 3, znamienne tym, że w pierwszej rurce (31) w jej górnej lub bocznej powierzchni znajduje się otwór do doprowadzania roztworu do komory (37).

5. Sposób prowadzenia reakcji elektrochemicznej w przesuwanym menisku za pomocą urządzenia zgodnego z dowolnym z zastrzeżeń od 1 do 4, znamienny tym, że:

- pomiędzy podłoże (22) a układ prowadzący (3) wprowadza się roztwór, w którym ma być prowadzona reakcja elektrochemiczna;

- przemieszcza się układ prowadzący (3) względem podłoża (22) przesuwając roztwór tworzący menisk na podłożu (22);

- podczas przesuwania roztworu, za pomocą potencjostatu (41) generuje się przepływ prądu elektrycznego pomiędzy podłożem (22) stanowiącym elektrodę pracującą a paskiem przewodzącym (38) stanowiącym przeciwelektrodę, wywołując reakcję elektrochemiczną w menisku, przy czym stabilizuje się napięcie pomiędzy elektrodą pracującą (22) a referencyjną (33) ustawiając odpowiedni potencjał na pasku (38) stanowiącym przeciwelektrodę.

6. Sposób według zastrzeżenia 5, znamienny tym, że w sposób ciągły doprowadza się roztwór do menisku z komory (37) wewnątrz pierwszej rurki (31).