Фотоелектрохімічний елемент для виділення водню з lі-провідною мембраною

Реферат: Фотоелектрохімічний елемент для виділення водню з Li-провідною мембраною містить напівпровідниковий CdSe-фотоелектрод, який знаходиться у сульфідному лужному розчині в анодному електродному просторі, відділеному іонопровідною мембраною від Pt електрода, який знаходиться в кислому розчині в катодному електродному просторі. Для розділення електролітів з різним значенням рН в анодному та катодному просторах як мембрану використовують керамічну Li-провідну мембрану. До сульфідного лужного розчину додають гідроксид літію, а до кислого розчину - сульфат літію. UA 73554 U (54) ФОТОЕЛЕКТРОХІМІЧНИЙ ЕЛЕМЕНТ ДЛЯ ВИДІЛЕННЯ ВОДНЮ З Lі-ПРОВІДНОЮ МЕМБРАНОЮ UA 73554 U UA 73554 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до енергетики і може бути використана для перетворення енергії світлового потоку в хімічну енергію водню. Задачею корисної моделі є вдосконалення електрохімічного напівпровідникового елемента для отримання газоподібного водню. Відомі елементи для отримання водню [1], які складаються з напівпровідникових ТiО2, WO3, Fe2O3 фотоанодів і катода з каталізатором для виділення водню (Pt, Rh), з'єднаних між собою та поміщених у водний розчин електроліту [2-5]. При освітленні фотоанода сонячним світлом у ньому на границі з електролітом генеруються електронно-діркові пари, які стимулюють протікання реакцій окислювання і відновлення води. Результатом цих реакцій є розкладання води на водень і кисень. Однак, такий прилад вимагає, у випадку WO 3 або Fе2О3, використання складного у виробництві і дорогого варизонного твердотільного фотоелемента. Недоліками цих систем є обмеженість області поглинання сонячного випромінювання, що пов'язано з їх відносно широкою забороненою зоною напівпровідника. Також відомий фотоелемент, який складається з ТiО 2фотоелектрода, що знаходиться в анодному просторі фотоелектрохімічної комірки та протиелектроду з платинової черні у катодному просторі фотоелектрохімічної комірки. В анодному просторі знаходиться лужний розчин, в катодному - кислотний. Для розділення аноліту та католіту використовується сольовий місток з агару, насичений КСl [6]. Недоліком цієї системи є обмеженість області поглинання ТіО 2 (біля 3 % усього сонячного спектра), а також нестійкість у часі мембранного матеріалу. Найближчим аналогом за технічною суттю до корисної моделі є електрохімічний напівпровідниковий фотоелемент з накопиченням, який складається з фотоелектрода на основі n-CdSe, катода що накопичує Cd, електрично з'єднаного з фотоелектродом, які знаходяться в електродному просторі розділеному катіонообмінною мембраною Nation. Робочим електролітом для фотоанода, в електродному просторі є 1М Na2S + 1М S + 0.1М NaOH. Робочим електролітом для Cd-електрода є 2М NaOH [7]. Недоліками цього найближчого аналога є те, що відсутня можливість отримання газоподібного водню, а також те, що катіонообмінна мембрана Nafion, яка розділяє катодний та анодний простори, є протонопровідною, в результаті чого, при застосуванні електролітів з різними значеннями рН, відбувається вирівнювання їх рН протягом ~1 місяця, що унеможливлює її довготривале застосування в електрохімічному напівпровідниковому елементі для отримання газоподібного водню. Так, для ефективного протікання процесу виділення водню на катоді потрібно, щоб рН розчину у катодному просторі фотоелектрохімічної комірки мав значення (0І [8], в той час як рН анодного простору цієї комірки повинно бути 1214 для забезпечення ефективності та корозійної стійкості фотоанода [6]. Основною вимогою до іонпровідної мембрани, яка буде розділяти анод та катод є висока іонна провідність і повна відсутність протонної провідності. В основу корисної моделі поставлено задачу вдосконалення електрохімічного напівпровідникового елемента для отримання газоподібного водню. Задача вирішується тим, що у фотоелектрохімічному напівпровідниковому елементі з виділенням водню, який складається з фотоелектрода на основі напівпровідникової сполуки А 2В6-n-CdSe, що знаходиться у анодному просторі фотоелектрохімічної комірки та Pt електрода, що знаходиться у катодному просторі фотоелектрохімічної комірки, для розділення анодного та катодного просторів була вибрана керамічна мембрана складу Lа( 2/3-x)Lі(3х)ТіO3 (1/24x1/6), яка + -3 . -1 характеризується високою провідністю по іонах Li при кімнатній температурі ( = 10 сім см ). Робочим електролітом в електродному просторі, в якому знаходиться фотоанод, є водний розчин 1М NaOH + 1М Na2S+10 % LiOH. Робочим електролітом для Pt протиелектрода є водний розчин 30 % H2SO4 + 1М Li2SO4. Гідроксид та сульфат літію додаються до електрохімічної + системи для забезпечення її провідності по іонам Li . Різниця рН аноліту та католіту обумовлює виникнення хімічного потенціалу, який сприяє процесам у фотоелектрохімічній комірці за рахунок зменшення необхідної для розкладу води на водень зовнішньої різниці потенціалів. Цим фактором також обумовлено більше значення струму у фотоелектрохімічній комірці, ніж у комірці з рівними рН (лужний розчин) католіту та аноліту. Приклади виконання. Приклад 1 Електрохімічний напівпровідниковий фотоелемент з накопиченням, який складається з фотоелектрода, на основі n-CdSe, катода, що накопичує Cd, електрично з'єднаного з фотоелектродом, які знаходяться в електродному просторі, розділеному катіонообмінною 1 UA 73554 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 мембраною Nafion. Робочим електролітом для фотоанода, в електродному просторі, є 1М Na 2S + 1М S + 0.1М NaOH. Робочим електролітом для Cd - електрода є 2М NaOH. 1. Фактор заповнення вольт-амперної характеристики - 0,45. 22. Потужність освітлення, мВт/см 100. 3. Напруга холостого ходу, мВ - 400. 4. Водень у такому фотоелементі не виділяється. Приклад 2 Фотоелектрохімічний напівпровідниковий елемент з виділенням водню, який складається з фотоелектрода, на основі n-CdSe, що знаходиться в анодному просторі фотоелектрохімічної комірки та Pt - електрода, що знаходиться у катодному просторі фотоелектрохімічної комірки; для розділення анодного та катодного просторів використовується керамічна Li-провідна мембрана. Робочим електролітом в електродному просторі, в якому знаходиться фотоанод, є водний розчин 1М NaOH + 1М Na2S + 10 % LiOH. Робочим електролітом для Pt -електрода є водний розчин 30 % КОН + 2М LiOH. 1. Фактор заповнення вольт-амперної характеристики - 0,40. 22. Потужність освітлення, мВт/см 10. 3. Напруга холостого ходу, мВ - 418. 4. Ефективність перетворення світлового потоку в хімічну енергію водню, % -0,5. 4. Значення рН аноліта і католіта не змінились протягом 12 місяців випробувань Приклад 3 Фотоелектрохімічний напівпровідниковий елемент з виділенням водню, який складається з фотоелектрода, на основі n-CdSe, що знаходиться в анодному просторі фотоелектрохімічної комірки та Pt - електрода, що знаходиться у катодному просторі фотоелектрохімічної комірки; для розділення анодного та катодного просторів використовується керамічна Li-провідна мембрана. Робочим електролітом в електродному просторі, в якому знаходиться фотоанод, є водний розчин 1М NaOH + 1М Na2S + 10 % LiOH. Робочим електролітом для Pt-електрода є водний розчин 30 % H2SO4 + 1М Li2SO4. 1. Фактор заповнення вольт-амперної характеристики - 0,40. 22. Потужність освітлення, мВт/см 10. 3. Напруга холостого ходу, мВ - 558. 4. Ефективність перетворення світлового потоку в хімічну енергію водню, % -1.0. 5. Значення рН аноліту і католіту не змінились протягом 12 місяців випробувань. Виходячи з наведених даних, можна зробити висновок, що запропоноване нами вдосконалення електрохімічного напівпровідникового елемента для отримання газоподібного водню шляхом використання керамічної Li-провідної мембрани дозволяє використовувати електроліти для анодного і катодного просторів з різними значеннями рН, що приводить до більш ефективного протікання процесу виділення водню на катоді. Джерела інформації: 1. Fujishima A., Honda K., Electrochemical photolysis of water at a semiconductor electrode, Nature.-1972. - V. 238, №5358. - P. 37-38. 2. Miller E., Rocheleau R., Deng X.M., Design considerations for a hybrid amorphous silicon/photoelectrochemical multijunction cell for hydrogen production, International J. of Hydrogen Energy.-2003.-V. 28, № 6. - P. 615-623. 3. Baeck S.H., Jaramillo T.F., Jeong D.H. McFarland E.W., Parallel synthesis and characterization of photoelectrochemically and electrochromically active tungsten-molybdenum oxides, Chem. Comm.2004.-4. - P. 390-396. 4. Miller E., Rocheleau R., Khan S., A hybrid multijunction photoelectrode for hydrogen production fabricated with amorphous silicon/germanium and iron oxide thin films, International J. of Hydrogen Energy.-2004. - V. 29, № 9. -P. 907-914. 5. Marsen В., Miller E., Paluselli D., Rocheleau R.E., Progress in sputtered tungsten trioxide for photoelectrode applications, International J. of Hydrogen Energy.-2007. - V. 32, № 15. - P. 31103115. 6. Энергетические ресурсы сквозь призму фотохимии и катализа. Под ред. М. Гретцеля – М.: Мир, 1986. - 632 с. 7. P.G. Ang, P.A.F. Sammells, Faraday Discussions of the Chemical Society, General Discussions 1980, No. 70, Photoelectrochemistry, St. Catherine's College, Oxford, Sept 8-10. 8. Плесков Ю.В. Фотоэлектрохимическое преобразование солнечной энергии. - М.: Химия, 1990. - 176 с. 2 UA 73554 U ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 5 10 Фотоелектрохімічний елемент для виділення водню з Li-провідною мембраною, до складу якого входить напівпровідниковий CdSe-фотоелектрод, який знаходиться у сульфідному лужному розчині в анодному електродному просторі, відділеному іонопровідною мембраною від Pt електрода, який знаходиться в кислому розчині в катодному електродному просторі, який відрізняється тим, що для розділення електролітів з різним значенням рН в анодному та катодному просторах як мембрану використовують керамічну Li-провідну мембрану складу La(2/3-x)Li(3x)TiO3 (1/24  х  1/6), при цьому для забезпечення провідності електрохімічної + системи по іонах Li до сульфідного лужного розчину додають гідроксид літію, а до кислого розчину додають сульфат літію. Комп’ютерна верстка В. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3