Электрохимическое устройство

Использование: нанотехнология, в химической и электротехнической промышленности. Сущность решения: два металлических электрода 1, например цинковый (Zn) и медный (Сu), помещают в электролизер 2, содержащий растворы электролитов, например ZnSO₄ и CuSO₄, разделенные перегородкой 3. Перегородку 3 изготавливают поливом из ацетонового раствора сополимера (1:1) перфторированного тетрафторэтилена с винилиденфторидом, содержащего 10% перхлората лития LiClO₄ и 10% наночастиц древесной целлюлозы со средним диаметром 50-70 нм. 1 ил.

Заявляемое техническое решение относится к области нанотехнологий, в частности, к получению и изготовлению высокоэнергоемких электрохимических устройств с использованием наноматериалов.

Техническое решение может использоваться в химической и электротехнической промышленности при производстве химических источников тока (аккумуляторов, топливных элементов и электрических батарей).

Известны устройства для преобразования химической энергии в электрическую, в которых для разделения растворов электролитов используют солевые мостики или пористые перегородки, изготовленные из различных материалов и имеющие различные конфигурации (Ипполитов Е.Г., Артемов А.В., Батраков В.В. Физическая химия. - М.: Академия, 2005, с.428-433. Дамаскин Б.Б., Петрий О.А. Цирлина Г.А. Электрохимия. - М.: Химия, 2001 - 624 с.). Недостатком данных устройств является недостаточная эффективность транспорта ионов и наночастиц из катодного пространства в анодное, в результате чего не достигается длительная и высокая токоотдача электрохимических устройств.

Наиболее близким аналогом предлагаемого технического решения является устройство, представляющее собой гальванический элемент Даниэля-Якоби, в котором в роли разделяющей пористой перегородки используется пористая керамика, пластмасса, углеграфитовые ткани и т.п. (Коровин Н.В. Общая химия. - М.: Высшая школа, 1998, с.264-265). Недостатками данного устройства являются: 1) недостаточно эффективное разделение растворов электролитов катодного и анодного пространства вследствие относительно больших пор в материале перегородок и их разброса по размеру (от 0,1 мкм до нескольких мкм); 2) недостаточно быстрое устранение диффузионного потенциала, связанное с относительно большой толщиной (до нескольких мм) пористой перегородки. Указанные недостатки снижают эффективность работы электрохимического устройства.

Задача, решаемая заявляемым предложением, заключается в повышении производительности устройства и его компактности.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что электрохимическое устройство, включающее два электрода, помещенные в растворы электролитов, и перегородку для разделения растворов электролитов на границе раздела фаз в межэлектродном пространстве, отличается тем, что в качестве перегородки использована электродиализная наномембрана, а также тем, что перегородка изготовлена поливом из ацетонового раствора сополимера (1:1) перфторированного тетрафторэтилена с винилиденфторидом, содержащего 10% перхлората лития LiClO ₄ и 10% наночастиц древесной целлюлозы со средним диаметром 50-70 нм.

Принципиальная схема предлагаемого электрохимического устройства приведена на фиг.1.

Электрохимическое устройство содержит два металлических электрода 1, например цинковый (Zn) и медный (Сu), помещенные в электролизер 2, представляющий собой емкость с растворами электролитов, например ZnSO₄ и CuSO₄, разделенными перегородкой 3. Перегородку 3 изготавливают поливом из ацетонового раствора сополимера (1:1) перфторированного тетрафторэтилена с винилиденфторидом, содержащего 10% перхлората лития LiClO₄ и 10% наночастиц древесной целлюлозы со средним диаметром 50-70 нм.

Электрохимическое устройство работает следующим образом. В электролизер 2, снабженный разделяющей перегородкой 3 в виде электродиализной мембраны, помещают растворы электролитов, соответствующих используемым металлическим электродам 1, например раствор сульфата цинка (цинковый электрод) и раствор сульфата меди (медный электрод). В растворы электролитов погружают электроды 1: Zn погружают в раствор ZnSO ₄, a Cu - в раствор СuSO₄. Потенциал цинкового электрода имеет более отрицательное значение, чем потенциал медного электрода. Если соединить оба электрода 1 металлическим проводом, то цинк будет играть роль анода, т.е. электрода, отдающего электроны, а медь будет катодом, т.е. электродом, присоединяющим электроны. В цепи появится электрический ток. Во внешней цепи электроны движутся от цинка к меди, а в электролитах движутся ионы: анионы от меди к цинку (просачиваются через пористую перегородку), катионы Сu²⁺ и Zn²⁺ к меди.

Применение указанной мембраны с наночастицами комплекса литиевой соли и целлюлозы позволяет снизить разброс пор в перегородке по размерам и уменьшить размер пор до 50-70 нм. Используемая мембрана имеет толщину порядка десятых долей мм, что существенно уменьшает сопротивление переносу ионов по ее толщине и приводит к эффективной ликвидации диффузионного потенциала; это в конечном итоге позволяет увеличить производительность работы электрохимического устройства (в частности, устойчиво повысить напряжение обычного гальванического медно-цинкового элемента не менее, чем на 10-15%). Небольшие размеры мембраны делают устройство более компактным и удобным в использовании.

1. Электрохимическое устройство, включающее два электрода, помещенные в растворы электролитов, и перегородку для разделения растворов электролитов на границе раздела фаз в межэлектродном пространстве, отличающееся тем, что в качестве перегородки использована электродиализная наномембрана.

2. Электрохимическое устройство по п.1, отличающееся тем, что перегородка изготовлена поливом из ацетонового раствора сополимера (1:1) перфторированного тетрафторэтилена с винилиденфторидом, содержащего 10% перхлората лития LiClO ₄ и 10% наночастиц древесной целлюлозы со средним диаметром 50-70 нм.