ФОТОЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ ЯЧЕЙКА Российский патент 2016 года по МПК A01G7/04 H01L31/04 B82Y99/00 

Изобретение относится к различным отраслям народного хозяйства, где используют превращение солнечной в электрическую энергию: сельское хозяйство, отопление, получение водорода из воды, питание электрической энергией приборов и т.д.

Фотоэлектрохимическая ячейка превращает энергию солнечного излучения в электрическую. В настоящее время известно три типа фотоэлектрохимических ячеек (Chimia, 2007, V.61, No. 12, 816). К первому типу относится комбинация солнечной полупроводниковой панели с обычным гальваническим элементом, например с платиновыми электродами (photovoltaic cells, PV approach). Ко второму типу относят электрохимическую ячейку, состоящую из одного или двух светочувствительных полупроводников n-, p-типа, выступающих в роли электродов и электролита (semiconductor-liquid junctions, SCLJ approach). Третий тип представляет комбинацию первых двух ячеек (PV/SCLJ). Известна (Bull. Korean Chem. Soc. 2010, Vol.31, No. 8, 2187) фотоэлектрохимическая ячейка: анод из пленки, покрытой FTO (SnO₂/F), на ней микрослой полупроводника СdSe, катод из микрослоя Pt на FTO. Между фотоэлектродом из СdSe и обычным металлическим электродом из Pt находится пористый термопластичный полимер, пропитанный электролитом полисульфидом (1 М Na₂S, 1 M S, 1 M NaOH). Максимальное ЭДС, создаваемое ячейкой, V=0,4 В.

К недостатку известных фотоэлектрохимических ячеек относится сложность их конструкции. Для ее выполнения требуются значительные материальные и трудовые ресурсы. Материалы со временем подвергаются коррозии и при утилизации загрязняют окружающую среду.

Техническая задача изобретения - упрощение конструкции фотоэлектрохимической ячейки.

Для решения задачи предлагается фотоэлектрохимическая ячейка, состоящая из фотоэлектродов, электролита, электролитного мостика, причем, что фотоэлектроды изготовлены из растений, с высокой интенсивностью роста. Растения должны иметь листья, где в хлоропластах содержится хлорофилл. 90% всего хлорофилла входит в состав светообразующих комплексов, выполняющих роль антенны, передающей энергию солнца к реакционным центрам I и II. Желательна большая способность к поглощению листьями солнечной энергии, механическая прочность листьев, устойчивость к перепадам температур, интенсивности излучения солнца. Для крепления электрических проводов необходим прочный ствол растения, а для питания растений и проникновения наночастиц мощная корневая система.

Все растение выступает в роли фотоэлектрода (анода, катода). Для этого оно насыщается наночастицами. Насыщение может происходить через семена (замачивание), при посадке в дисперсию наночастиц черенка растения и другими методами размножения растений, т.е. самопроизвольно. Кроме того, возможно и впрыскивание водной дисперсии наночастиц шприцом, т.е. ускоренное насыщение наночастицами уже выращенного растения. Наночастицы неорганических соединений через корни и ствол перемещаются в листья. Они дополняют мощность светообразующих комплексов растений, взаимодействуют с ними и создают контакт (двойной электрический слой) с электролитом. Для пропитки растений желательно использовать наночастицы металлов, обладающих свойствами гигантского комбинационного рассеяния Au, Ag, Cu, платиновые металлы и, кроме того, оксидов, солей, неметаллов с полупроводниковыми свойствами или их смесей размером от 0,2 до 100 нм. Малые наночастицы меньше 0,2 нм могут быстро растворяться в растении и поэтому нежелательны. Микрочастицы будут плохо проникать в растение из-за своего большого размера. Концентрация зависит от токсичности наночастиц для растения и ограничивается его существованием, т.е. выполнением им функций фотосинтеза.

В качестве электролита используют разные по строению вещества: водные растворы различных веществ, пасты, эмульсии, пористые материалы не токсичные для растения.

Изобретение иллюстрируется примерами.

Пример 1. Срезают два 8 см отростка фикуса бенджамина кинки. Один отросток опускают в водную дисперсию 40-50 нм наночастиц золота, полученных восстановлением H[AuCl₄] в водном растворе рутином. По мере испарения добавляют прозрачную водопроводную воду с микроколичеством удобрения для комнатных растений. Периодически перемешивают для поддержания стабилизации золя. После появления и формирования корневой системы и самопроизвольного проникновения наночастиц золота в листья без их угнетения и развития фикуса фотоэлектрод длиной 12 см готов для приготовления ячейки. Для проверки его фотосвойств фотоэлектрод опускают в водный 0,001 М раствор KCl. Один щуп мультиметра АРРА 62Т соединяют с одноствольной булавкой проколотого ею фотоэлектрода, а второй щуп опускают в электролит. Измеряют напряжение в тени (облако) 0,38 В. При солнечном облучении (появлением солнца) напряжение постепенно увеличивается.

Другой отросток фикуса опускают в водную дисперсию наночастиц меди 2-3 нм, полученных восстановлением гидразином CuCl₂ в водном мицеллярном растворе цетилпиридиний хлорида с глюкозой. Периодически перемешивают для поддержания стабилизации золя. После появления и формирования корневой системы и самопроизвольного проникновения наночастиц меди в листья без угнетения фикуса фотоэлектрод длиной 12 см готов для приготовления ячейки. Для проверки фотоэлектрод опускают в водный 0,001 М раствор KCl. Один щуп мультиметра АРРА 62Т соединяют с одноствольной булавкой проколотого ею фотоэлектрода, а второй щуп опускают в электролит. Измеряют напряжение между электродом и раствором в тени (облако) 0,11 В. При солнечном облучении напряжение постепенно увеличивается.

Для создания фотоэлектрохимической ячейки один фотоэлектрод опускают в 0,001 М раствор КСl, налитого в 50 мл стеклянный стакан анодного пространства, а другой фотоэлектрод опускают в такой же раствор катодного пространства. Анодное и катодное пространства соединяют электролитным (насыщенный раствор КСl) мостиком. Электродвижущую силу (ЭДС) фотоэлектрохимической ячейки измеряют компенсационным методом. ЭДС равна 0,24 В в тени (облако) и 0,45 В при солнечном освещении (без облака). Измерения напряжений постоянного электрического тока в катодном и анодном пространствах и ЭДС ячейки выполнялись в г. Курске, 20.08.2014 г. в 14-16 ч по московскому времени в тени и солнечном освещении при температуре 32°С.

Пример 2. Два отростка фикуса бенджамина кинки опускают в воду и выращивают растения с корневой системой, как в примере 1 без наночастиц. Из двух фикусов с корневой системой и новыми листьями составляют гальванический элемент, как в примере 1. Измеряют ЭДС элемента 0,00 В. ЭДС отсутствует в тени и на солнечном свету.

Таким образом, изобретение позволяет упростить конструкцию фотоэлектрохимической ячейки. Для ее создания необходимо меньше материальных и трудовых ресурсов, чем для известных ячеек (см.выше). Она проще в изготовлении, чем известные фотоэлектрохимические ячейки в настоящее время. Ее материал выращивается, возобновляется без загрязнения окружающей среды. После ухудшения качества фотоэлектрохимической ячейки она сжигается, а пепел можно использовать в виде качественного микроудобрения, в том числе и для получения фотоэлектродов новой ячейки. При замачивании семян злаковых культур, овощей, вики в водной дисперсии наночастиц металлов урожай этих культур увеличивается от 20 до 30% (J. Nano- Electr. Phys. 2013. Vol 5. No.4. P.04018; Нанотехника. 2013. №4. С.43). По-видимому, наночастицы металлов на первых стадиях развития и роста помогают сельскохозяйственным культурам использовать больше солнечной энергии за счет фотоэлектрохимических свойств самого растения, т.е. фотоэлектрохимической ячейки. Данное свойство позволяет растениям быть более устойчивыми к неблагоприятным изменениям погоды, грибкам.

Изобретение относится к области сельского хозяйства, в частности к растениеводству. Фотоэлектрохимическая ячейка содержит фотоэлектроды, электролит и электролитный мостик. При этом фотоэлектроды представляют собой растение с листьями, стволом и корнями, насыщенными наночастицами металлов, обладающих свойствами гигантского комбинационного рассеяния, например Au, Сu с размерами 0,2-100 нм. Причем электролит и концентрация наночастиц позволяют растению осуществлять фотосинтез. Растение насыщают искусственным путем, а именно замачиванием семян перед посадкой, посадкой черенков растения в наносодержащую среду или поливом. Использование устройства позволяет упростить конструкцию фотоэлектрохимической ячейки. 1 з.п. ф-лы, 2 пр.

1. Фотоэлектрохимическая ячейка, содержащая фотоэлектроды, электролит, электролитный мостик, отличающаяся тем, что фотоэлектроды представляют собой растение с листьями, стволом и корнями, насыщенными наночастицами металлов, обладающих свойствами гигантского комбинационного рассеяния, например Au, Сu с размерами 0,2-100 нм, причем электролит и концентрация наночастиц позволяет растению осуществлять фотосинтез.

2. Фотоэлектрохимическая ячейка по п.1, отличающаяся тем, что растение насыщается искусственным путем, а именно замачиванием семян перед посадкой, посадкой черенков растения в наносодержащую среду или поливом.