Фотоелектрохімічний напівпровідниковий елемент з накопиченням водню

Фотоелектрохімічний напівпровідниковий елемент з накопиченням водню, до складу якого входить накопичувальний електрод, що знаходиться у лужному розчині в електродному просторі, відділеному катіонообмінною мембраною, та фотоелектрод, що знаходиться у полісульфідному розчині, який відрізняється тим, що накопичувальний електрод виготовлений із сплаву-сорбенту водню LaNi2,5Co2,4Al0,1, а фотоелектрод виготовлений із арсеніду галію електронного типу провідності, поверхня якого модифікована наночастинками платини. (19) (21) 20040503320 (22) 05.05.2004 (24) 15.06.2006 (46) 15.06.2006, Бюл. № 6, 2006 р. (72) Солонін Юрій Михайлович, Колбасов Геннадій Якович, Русецький Ігор Анатолійович, Данько Дмитро Борисович (73) Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України, Інститут загальної та неорганічної хімії НАН України (56) UA 8341, A, 23.04.2003 UA 55978, A, 15.04.2003 RU 2064209, C1, 20.07.1996 US 4064326, A, 20.12.1977 US 4172925, A, 30.10.1979 US 4259418, A, 31.03.1981 3 75975 4 тоанод використовується анод з арсеніду галію сті. Наночастинки платини наносилися на його електронного типу провідності, поверхня якого поверхню методом електроосаджування з розчину модифікована наночастинками платини. платинохлористоводневої кислоти. Пристрій складається з напівпровідникового Визначення характеристик фотоелементу фотоелектрода, катіонообмінної мембрани і накопроводилося наступним чином. пичувального електрода (катода). Фотоанод знаК.к.д. фотоелементу визначався, як відношенходиться у полісульфідному електроліті, а катод ня потужностей: =Ρκ/Ρ, де Рк - максимальна елеку лужному електроліті. трична потужність, яка може відбиратися від фоРобота пристрою відбувається наступним читоелемента на зовнішньому опорі, а Р ном. Сонячне світло проходить крізь прозоре вікпотужність, яку отримує фотоелемент від світла. но, яке розміщене у верхній частині корпуса приЯк джерела світла використовувалася ксенонова ладу та тонкий шар прозорого електроліту і лампа, спектр випромінювання якої близький до попадає на поверхню фотоанода. Під дією світла у сонячного. Потужність потоку світла становила фотоаноді на границі з електролітом генеруються р=75мВт/см2. Потужність, яку отримує фотоелеелектронно-діркові пари. Під дією електричного мент від світла, буде рівною Ρ=pS, де S - площа поля, що існує на границі фотоанода з електроліфотоанода. том, вони розділяються - дірки йдуть на окислення К.к.д. віддачі по енергії для накопичувального сульфат-іонів, а електрони по зовнішньому колу електрода визначалася як відношення розрядної йдуть до катода, де відбувається реакція відновємності до зарядної. Для її визначення електрод лення води і утворення металогідриду, МН: спочатку заряджали під дією світла, а потім розряН2О+е-+Μ ОН-+МН, джали в окремій електрохімічній комірці на нікеде Μ - матеріал катоду. Таким чином утворюльоксидний протиелектрод. ється гідридна фаза складу LaNi2,5Со2,4Аl0,1Hу, де у К.к.д. фотоперетворення при накопиченні виможе приймати значення від 4 до 6,5, тобто відбузначався як добуток к.к.д. фотоелемента і к.к.д. вається накопичення водню в матеріалі катода. віддачі по енергії. Значне підвищення к.к.д. приладу порівняно з Об'єм накопиченого водню визначався по прототипом (у 3-3,5 рази) досягається за рахунок об'єму водню, що виділявся при прогріві заряджеоптимального підбору матеріалів фотоелектроду них катодів у спеціально сконструйованій для цьота катоду, а також за рахунок модифікації поверхні го установці. фотоанода наночастинками платини. З наведених прикладів використання винаходу Для ефективної зарядки катода воднем фотовидно, що заявлений фотоелемент дозволяє випотенціал фотоанода повинен бути більш негатикористовувати енергію світлового потоку для навний, ніж рівноважний електрохімічний потенціал копичення водню. катода. З фотоанодом на основі арсеніду галію, Приклад 1 (Прототип) поверхня якого не модифікована, ця вимога не Електрохімічний напівпровідниковий фотоевиконується, тому процес зарядки відбувається лемент складається з фотоелектрода на основі досить повільно (Приклад 2). Нанесення наночаснапівпровідникових з'єднань А2Вб - CdSexTe1-x чи тинок платини на поверхню фотоанода призводить CdSe, протиелектроду, електроліту та накопичудо зменшення швидкості поверхневої рекомбінації вального електроди на основі CunS чи суміші Cd генерованих світлом носіїв (електронів та дірок) і, та In, електрично з'єднаного з фотоелектродом, як наслідок, призводить до збільшення фотопотеякий знаходиться в електродному просторі, віддінціалу фотоанода на 0,25-0,3В (до значень леному катіоннообмінною мембраною МФ-4СК. Протиелектродом є суміш запресованих порошків 1,1 1,2В відносно хлор-срібного електроду порівCoS та NiS. Робочим електролітом для фотоанод, няння). В результаті цього режим зарядки катода і протиелектрода є 2м Na2S + 2м S + 2н NaOH. стає оптимальним, значно зростає к.к.д. фотопеРобочими електролітами для CunS - електрода є ретворення при накопиченні та скорочується час 2н NaOH + 2м Na2S, для Cd : In - електрода - 3н зарядки (накопичення водню) (Приклад 3). Як воNaOH. день - сорбуючий матеріал (катод) вибрано сплав Характеристики напівпровідникових електроLaNi2,5Со2,4Аl0,1, який має відповідний рівноважний хімічних фотоелементів визначалися за методиелектрохімічний потенціал (-1,04В відносно хлоркою, описаною в прототипі [Кузьмінський Є.В., Косрібного електроду порівняння) та здатний легко лбасов Г.Я., Тевтуль Я.Ю., Голуб Н.Б. накопичувати та віддавати водень. Таким чином, Нетрадиційні електрохімічні системи перетворення підбором відповідних матеріалів фотоанода і каенергії. - Київ: Академперіодика, 2002. - с.67-76], тода, а також нанесенням наночастинок платини та порівнювалися за наступними даними: на поверхню фотоанода вдається досягнути узго1. К.к.д. фотоелементf % - 4,9. дження їх параметрів (фотопотенціалу фотоанода 2. К.к.д. фотоперетворення при накопиченні, % і рівноважного електрохімічного потенціалу като- 2,3. да) і на цій основі досягнути високої ефективності 3. Віддача по енергії для накопичуючого елекнакопичення водню в матеріалі катода під дією троду при перетворенні хімічної енергії в електрисонячного світла. чну, % - 47. Сплави LaNi2,5Со2,4Аl0,1 отримували плавлен4. Об'єм водню, виділеного з накопичувальноням у дуговій печі в атмосфері очищеного аргону з го електрода - 0. наступним відпалом при температурі 1050°-1100°С Приклад 2. на протязі кількох днів. Фотоелектрохімічний напівпровідниковий елеЯк матеріал фотоанода використовувався момент складається з фотоелектрода на основі напінокристалічний GaAs електронного типу провідно 5 75975 6 впровідникового з'єднання XІІІBv - GaAs та накопизнаходиться в електродному просторі, відділеному чувального LaNi2,5Со2,4Аl0,1, електрода, електрично катіонообмінною мембраною МФ-4СК. Робочим з'єднаного з фотоелектродом, який знаходиться в електролітом в електродному просторі, в якому електродному просторі, відділеному катіоннообзнаходиться фотоанод, є полісульфідна система. мінною мембраною МФ-4СК. Робочим електроліРобочим електролітом - для накопичувального том в електродному просторі фотоанода є полісуLaNi2,5Со2,4Аl0,1, електрода є лужний розчин. льфідна система. Робочим електролітом для Характеристики напівпровідникових електронакопичувального LaNi2,5Со2,4Аl0,1, електрода є хімічних фотоелементів порівнювалися за наступлужний розчин. ними даними: Характеристики напівпровідникових електро1. К.к.д. фотоелемента, % - 11-15. хімічних фотоелементів порівнювалися за наступ2. К.к.д. фотоперетворення при накопиченні, % ними даними: -6-8. 1. К.к.д. фотоелемента, % - 10-14. 3. Віддача по енергії для накопичуючого елек2. К.к.д. фотоперетворення при накопиченні, % трода при перетворенні хімічної енергії в електри- 5-7. чну, % - 53. 3. Віддача по енергії для накопичувального 4. Об'єм водню, виділеного з накопичуючого електродгд при перетворенні хімічної енергії в електрода - 62см3/г. електричну, % - 50. З наведених прикладів видно, що запропоно4. Об'єм водню, виділеного з накопичуючого ваний фотоелемент має к.к.д. в 2-3 рази більший, електрода - 60см3/г. порівняно з прототипом, а також дозволяє накопиПриклад 3. чувати водень в об'ємі накопичувального електроФотоелектрохімічний напівпровідниковий еледа. мент складається з фотоелектрода на основі напіЗапропонований фотоелемент може бути вивпровідникового з'єднання А3В5 - GaAs, поверхня користаний у водневій енергетиці для перетворенякого модифікована нанорозмірними частками Pt, ня енергії сонячного світла у хімічну енергію водню та накопичувального LaNi2,5Со2,4Аl0,1, електрода, з можливістю накопичення водню, як екологічно електрично з'єднаного з фотоелектродом, який чистого джерела енергії. Комп’ютерна верстка О. Гапоненко Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601