ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО

Заявляемое техническое решение относится к области нанотехнологий, в частности, к получению и изготовлению высокоэнергоемких электрохимических устройств, топливных элементов и электрохимических датчиков с использованием наноматериалов.
Техническое решение может использоваться в электротехнической промышленности при производстве химических источников тока, а также в аналитическом приборостроении при создании селективных датчиков органических и неорганических веществ.
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). 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, а материал анода достаточно быстро подвергается электрохимическому разрушению.
4
4
Наиболее близким аналогом предлагаемого технического решения является устройство, в котором два металлических электрода, например цинковый (Zn) и медный (Cu), помещены в электролизер, содержащий растворы соответствующих электролитов, например ZnSO и CuSO, разделенные перегородкой, которая представляет собой электродиализную мембрану (Патент RU 97062, МКИ B01J 19/00, 2010 г.). Недостатком данного устройства является сравнительно быстрый отток электронов с анода в электрическую цепь, что приводит к повышенной электрохимической нестабильности материала анода и его сравнительно быстрому разрушению.
Задача, решаемая заявляемым предложением, заключается в повышении долговечности устройства и улучшении его электрохимических характеристик.
4
6
Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в электрохимическом устройстве, включающем два электрода, помещенные в растворы электролитов, и перегородку для разделения растворов электролитов на границе раздела фаз в межэлектродном пространстве в виде электродиализной мембраны, на поверхность анода нанесено защитное покрытие, выполненное из высокопроводящего слоя кремниевых наночастиц, пропитанных 0,01%-ным ацетоновым раствором сополимера (1:1) гексафторпропилена или тетрафторэтилена с винилиденфторидом, содержащего до 10% от массы сополимера перхлората лития LiClO или гексафторфосфата лития LiPF.
Техническая сущность предложенного решения заключается в том, что использование защитного покрытия поверхности анода, представляющего собой химически стойкий высокопроводящий слой кремниевых наночастиц, предотвращает его электрохимическое разрушение и, таким образом увеличивает срок службы анода.
Принципиальная схема предлагаемого электрохимического устройства приведена на фиг.1.
4
4
4
6
Электрохимическое устройство содержит два металлических электрода 1, например цинковый (Zn) и медный (Cu), помещенные в электролизер 2, представляющий собой емкость с растворами электролитов, например ZnSO и CuSO, разделенными перегородкой 3 в виде электродиализной мембраны. На поверхность анода нанесено защитное покрытие 4, представляющее собой высокопроводящий слой из кремниевых наночастиц. Защитное покрытие 4 наносят на поверхность анода путем полива суспензии кремниевых наночастиц в 0,01%-ном ацетоновом растворе сополимера (1:1) гексафторпропилена или тетрафторэтилена с винилиден-фторидом, содержащего до 10% от массы сополимера перхлората лития LiClO или гексафторфосфата лития LiPF. Электрод с нанесенным покрытием высушивают при температуре до 100°C в течение 6 ч.
4
4
2+
2+
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: цинковый электрод с нанесенным на него защитным покрытием 4 погружают в раствор ZnSO, а медный электрод - в раствор CuSO. 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 Cu и Zn к меди.
Применение защитного покрытия из высокопроводящего слоя кремниевых наночастиц на поверхности анода позволяет увеличить срок службы анода примерно на 50% по сравнению с аналогом без защиты, что приводит в конечном итоге к увеличению долговечности устройства. Использование электродов с защитным покрытием в составе батарей позволяет увеличить их емкость более чем в два раза.