Фундаментальні аспекти відновлювано-водневої енергетики і паливно-комірчаних технологій

Фотоелектрохімічні комірки з акумулюванням «сонячного» водню

Експериментальна фотоелектрохімічна комірка для накопичення водню з системою стеження за сонцем: при освітленні напівпровідникового фотоанода відбувається утворення та акумулювання водню на катоді. Реакції, які протікають на електродах у загальному вигляді: Катодна реакція: M + H2O + e- = OH- + MH Анодна реакція: 2S2- + 2p+ > S22-

Області застосування

Передбачається використання фотоелектрохімічної системи, що розробляється, для одержання чистого водню у якості енергоносія для виробництва електроенергії водневими паливними елементами за рахунок реакції окислення водню киснем повітря, а також для хімічних потреб. Оборотна фотоелектрохімічна комірка (фотоакумулятор) зможе забезпечити безперебійне енергопостачання споживачів за умов зміни інтенсивності освітлення.

Короткий опис

Синтез електрохімічними і хімічними методами фоточутливих електродів на основі полікристалічних плівок напівпровідникових оксидів, сульфідів та селенідів металів (Ti, Zn, Zr, W, V, Sn, Cd та ін.), які будуть містити графенові структури (оксид графена та відновленний оксид графена) та модифікуватися нанорозмірними частинками (квантовими крапками) деяких напівпровідників (ZnS, CdS, CdSе та інш), буде досліджуватись енергетика міжфазної межі поділу і механізм фотостимульованого переносу заряду на фотоелектродах та визначатимуться напрями досягнення високої ефективності цих систем у фотоелектрохімчних комірках з акумулюванням водню.
Планується використати МН сплави на основі інтерметалічні сполуки типу АВБ₅, АВ₂, АВ₃ з добавками магнію, а також композиті на їх основі, у якості катодів фотоелектрохімічних комірок, а також дослідити ефективність акумулювання «сонячного» водню у катодах на основі графенових структур, модифікованих металічними чи напівпровідниковими нанокаталізаторами.
Буде обґрунтувана та розроблена оборотна фотоелектрохімічна комірка (фотоакумулятор), в якій хімічна енергія накопиченого водню використовується для генерування електричної енергії.

Очікувані властивості

Використання в якості фотоанода матеріалів, які добре поглинають видиме світло (наприклад, ряд сполук типу A^IIB^VI та A^IIIB^V та інші), з шириною забороненої зони меншою 2.7 еВ з модифікованою поверхнею, в результаті чого суттєво збільшується величина фотопотенціалу та зменшується міжфазова рекомбінація та металгідридних катодів, а також катодів на основі графенових структур, модифікованих металічними чи напівпровідниковими нанокаталізаторами з оптимізованою кінетикою сорбції водню до характеристик фотоанодів, дозволить більш ефективно перетворювати сонячну енергію в хімічну енергію водню та дає можливість збудувати фотоелектрохімічну комірку та сонячні модулі на її основі з ефективністю перетворення енергії сонячного світла в хімічну енергію водню з ефективністю та собівартістю, достатніх для практичного використання.
Буде обґрунтувана та розроблена оборотна фотоелектрохімічна комірка (фотоакумулятор), в якій хімічна енергія накопиченого водню використовується для генерування електричної енергії, та яка зможе забезпечити безперебійне енергопостачання споживачів за умов зміни інтенсивності освітлення.

Переваги

Водень, одержаний у фотоелектрохімічній системі, дуже чистий і не вимагає додаткового очищення для використання. Крім того, він більш дешевий, чим той, що одержують із використанням твердотільних сонячних елементів і електролізера, тому що не вимагає дорогих і високотехнологічних сонячних елементів.

Конкуренти

MER (Material and Electrochemical Research) Corporation (U.S.),
MV Systems,SRI International (Menlo Park,U.S.),
Japanese New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO),
Siemens (Німеччина),
Hydrogenics (Канада),
BPplc, Praxair, Iwatani International (Япония)

Стан розробки

Розроблено методику формування фоточутливих наногетероструктур на основі нанотрубок (NT)-TiO₂/CdSe^-, (NT)-TiO₂/CdSe_xTe_1-x- та (NT)-TiO₂/Cd_xZn_1-xSe та модифікування їх поверхні нанорозмірними частинками (квантовими крапками) деяких металів чи напівпровідників.
Розроблена методика отримання графенових структур (оксиду графена та відновленного оксиду графена).
Розроблено технологію одержання МГ катодів з високим вмістом водень сорбуючого компоненту з використанням в якости струмопроводящей матриці металевих пеноматеріалів.
Проведені натурні випробування експериментальної фотоелектрохімічної комірки для акумулювання водню.

Інтелектуальна власність

Патент України №75975 „Фотоелектрохімічний елемент з накопиченням водню”/ Колбасов Г.Я., Солонін Ю.М., Русецький І.А., Данько Д.Б.; заявники Iнститут проблем матерiалознавства iм. I.М. Францевича НАН України, Iнститут загальної та неорганiчної хiмiї iм. В.I. Вернадського НАН України; Бюл. № 6, видано 15.06.06.

Патент України на корисну модель №73554 „Фотоелектрохімічний елемент для виділення водню з Li провідною мембраной” Слободянюк І.О., Русецький І.А., Колбасов Г.Я., Кобилянська С.Д., Білоус А.Г.; заявник Iнститут загальної та неорганiчної хiмiї iм. В.I. Вернадського НАН України; Бюл. № 18, видано 25.09.2012.

Патент України на корисну модель №78047 „Кисневий електрод для джерел струму на основі відновленого оксиду графену” Данилов М.О., Слободянюк І.О., Русецький І.А., Колбасов Г.Я.; заявник Iнститут загальної та неорганiчної хiмiї iм. В.I. Вернадського НАН України; Бюл. № 5, видано 11.03.2013.

Контактна інформація

Виконавець:
Інститут загальної та неорганічної хімії ім. В.І. Вернадського НАН України
Iнститут проблем матерiалознавства iм. I.М. Францевича НАН України

Проект №7. «Фотоелектрохімічні комірки з акумулюванням «сонячного» водню.»
Проект №15. «Композитні металогідридні матеріали для фото електрохімічного отримання та акумулювання водню та його збегегання в стаціонарних умовах»

Контактна особа:

Teл. +38 044 424-22-80

Е-mail: kolbasov@ionc.kiev.ua

Щербакова Лариса Григорівна

відповідальний виконавець проекту №15

Teл. +38 099 314-77-06.

Е-mail: larisa_c@ukr.net