197415. lajstromszámú szabadalom • Fotoelektrokémiai cella napenergia hasznosítására hidrogén vízből történő előállítása révén és eljárás fotóanód előállítására, valamint a cella üzemeltetésére
3 197415 4 A találmány tárgya fotoelektrokémiai cella napenergia hasznosítására, hidrogén vízből történő előállítása révén, melynek zárt fényáteresztó cellafala, kadmiumszulfid felületű anódja, platina lemez vagy háló katódja és vízben oldott fémszulfid és/vagy poliszulfid elektrolitja van. A vlzbontást döntő részben a napenergia átalakításából származó elektromos energiával biztosítja. A találmánynak tárgya még továbbá a fotoelektrokémiai cella anódjának előállítása fémszulfidból és kadmiumlemezból, valamint a cella működtetési eljárása. Ismeretes, hogy a viz fotolizise történhet molekuláris fotokatalitikus rendszerekben, vagy fotoelektrokémiai elemekben, fotokatalitikus félvezető elektródokon. Ez utóbbiak változatát képezik a regeneratív típusú fotoelektrokémiai cellák, az ún. folyadék napelemek, amelyekben elektromos áram állítható elő. [Plaszkov Ju. V.: Elektrohimija 17.(1) 3- -31 (1981), Zamarajev K.I., Parson V.N.: Uszpehi Mimii 1980.(8) 1457-1497). A fotoelektrolízisnél a vegyi folyamat ugyanolyan, mint a hagyományos elektrolízisnél, azonban a két elektród egyikének olyan anyagból kell lenni, ami a napenergiát elektromos energiává alakítja és ezzel egyidöben megindul az elektrolízis folyamata. A fotoelektrolízis heterogén katalitikus reakció, amely a katalizátor elektródokon megy végbe, abszorbeált aktív részecskék képződésén keresztül. A szükséges energiával rendelkező fotonok az elektronokat a fotoelektródon a vegyértéksévból a vezetési sávba emelik. A fotoelektród és az elektrolit érintkezési felületén megváltozik a félvezető sávszerkezete. A határfelület egyenirányítóként viselkedik. A fény a határfelületen nyelődik el. Hatására az n-típusú (elektronvezető) anyagok esetében az elektronok a félvezető belseje felé, a lyukak pedig az elektrolit oldatba áramlanak, miközben - megfelelően - a H* és H* -ionokkal reagálva, megindul a vizes oldat bomlása. A fotoelektrolízisnél a legnagyobb problémát a reakció energetikájának és a napsugárzás spektrumának egyezetetése jelenti. (Gurevics Ju.Ja., Pleszkov Ju.V,: Uszpehi Himii 52 (4) 583-595 (1983). A fotokémiai folyamat akkor megy végbe, ha a fénykvantum energiája elér egy küszöbértéket, amit a folyamat szabadenergiája szab meg. Ez a küszöbérték a napenergia-átalakítás kvantumos folyamatában 1,1-1,4 eV. A vizbontási reakció szabadenergia-változása 1,23 eV, ami a fenti intervallumba beleesik. A gyakorlatban azonban a folyamat jelentős túlfeszültséggel megy végbe, ami azt jelenti, hogy a víz fotoelektrokémiai bontásához szükséges energia 2,0 eV-ig is nőhet, jelentősen meghaladva a napsugárzásból nyerhető küszöbenergia felső határét is. Ez az akadály úgy küzdhető le, hogy a vizbontáshoz szükséges, még hiányzó energiát külső forrásból pótoljuk. Ahhoz, hogy a regeneratív típusú fotoelektrokémiai cellában a napenergia-átalakítás hatékonysága megfelelő legyen, szükséges, hogy a kiválasztott redox rendszer több követelménynek tegyen eleget. Ezek a következők:- nagy különbség legyen a rendszer egyensúlyi potenciálja és a félvezető lapos sávjának potenciálja között,- az elem két elektródján végbemenő reakció reverzibilis legyen,- az elektrolit fényáteresztó képessége jó legyen,- a rendszer ohmikus ellenállása kicsi legyen. A találmány azon a felismerésen alapul, hogy ha .n-típusú" kadmiumszulfid fotoanódot, platina felületű katódot és elektrolitként fémszulfid oldatot alkalmazunk az elektrolit megvédi a félvezetó-anódot a fotokorróziótól, mivel redox reverzibilis potenciál kevésbé pozitív, mint a kalkogenidek anódos bomlásának potenciálja. A lyukak a megvilágított félvezetőből átmennek az oldatba és a fotoanódon végbemegy az oxidáció: 2S2' —S2_-z + 2e~, az elektronok pedig a külső vezetéken átmennek a Pt-katódra, ahol megtörténik a redukció: S2'2 + 2e----->■ 2 S2*. A félvezető és a fém elektród potenciálja IR-értékkel különbözik egymástól. Az ábrán látható a találmány szerinti fotoelektrokémiai cella napenergia hasznosítására a hidrogén vízből történő előállítása révén, amely zárt terű cellafalból, kátédból, anódból, elektrolitból és cellafedélből áll. Az 1 cellafal fényáteresztő anyagból célszerűen üvegből készül, a 2 fotoanódja kadmiumszulfid felületű fémlemezből, célszerűen kadmiumlemezből, a 3 katódja platina lemezből vagy hálóból vagy platinázott fémből van és a 4 elektrolitja vízben oldott 2-20 tömeg* menynyiBégű fémszulfid és/vagy poliszulfid, az 5 fedele az elektródok rögzítésére és a segédfeszültség bevezetésére alkalmas 6 kapcsolóelemmel, valamint a bontott gáz elvezetésére alkalmas 7 csonkkal van ellátva. A találmány szerint a fotoanód készítésénél úgy járunk el, hogy üvegből, vagy szilárdságilag megfelelő más átlátszó anyagból - az elektródok méreteinek megfelelő nagyságú cellát készítünk. A cellába 10- -20 tömeg%-os nátriumszulfid oldatot töltünk, majd letisztított kadmium-lemezt helyezünk az oldatba anódként és platinalemezt (Pt-hálót, vagy platinázott lemezt) kálódként és 0,1-8,0 A/dm2 áramsűrűséggel 3-10 percen keresztül az anódon vékony kadmiumszulfid réteget hozunk létre. Szelénes savat viszünk az elektorlitba, a CdS-réteg vörös szelénnel szennyeződik, ami a hőkezelés folyamán fekete szelénné alakul és ezzel alkalmassá válik a fotoanód hatékonyságának növelésére. Egyes szerves festékek is kiváló szenzibilizáló hatással rendelkeznek, amelyeket szintén elekt-5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 3
