RU2579782C1

RU2579782C1 - Photoelectrochemical cell

Info

Publication number: RU2579782C1
Application number: RU2014148091/13A
Authority: RU
Inventors: Юрий Александрович Миргород
Priority date: 2014-11-28
Filing date: 2014-11-28
Publication date: 2016-04-10

Abstract

FIELD: agriculture.

SUBSTANCE: invention relates to agriculture, in particular, to plant growing. Photoelectrochemical cell comprises a photoelectrode, an electrolyte and an electrolyte bridge. Said photoelectrode is a plant with leaves, stem and roots, saturated metal nanoparticles with giant Raman scattering properties, for example, Au, Cu with size of 0.2-100 nm. Electrolyte and concentration of nanoparticles allow plant to carry out photosynthesis. Plant is saturated with artificial means, specifically by soaking seeds before planting, planting cuttings of plants nano-containing medium or watering.

EFFECT: use of device allows simplifies design of photoelectrochemical cell.

2 cl, 2 ex

Description

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.The invention relates to various sectors of the economy, which use the conversion of solar into electrical energy: agriculture, heating, the production of hydrogen from water, power supply of electrical energy devices, etc.

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.A photoelectrochemical cell converts the energy of solar radiation into electrical energy. Three types of photoelectrochemical cells are currently known (Chimia, 2007, V.61, No. 12, 816). The first type is the combination of a solar semiconductor panel with a conventional galvanic cell, for example with platinum electrodes (photovoltaic cells, PV approach). The second type includes an electrochemical cell consisting of one or two photosensitive semiconductors of n-, p-type, acting as electrodes and electrolyte (semiconductor-liquid junctions, SCLJ approach). The third type is a combination of the first two cells (PV / SCLJ). A photoelectrochemical cell is known (Bull. Korean Chem. Soc. 2010, Vol.31, No. 8, 2187): an anode of a film coated with FTO (SnO ₂ / F), on it a microlayer of a semiconductor СdSe, a cathode made of a Pt microlayer on FTO. Between the CdSe photoelectrode and the ordinary Pt metal electrode, there is a porous thermoplastic polymer impregnated with an electrolyte polysulfide (1 M Na ₂ S, 1 MS, 1 M NaOH). The maximum EMF created by the cell, V = 0.4 V.

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.The disadvantage of the known photoelectrochemical cells is the complexity of their design. Its implementation requires significant material and labor resources. Materials corrode over time and pollute the environment during disposal.

Техническая задача изобретения - упрощение конструкции фотоэлектрохимической ячейки.The technical task of the invention is to simplify the design of the photoelectrochemical cell.

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.To solve the problem, a photoelectrochemical cell is proposed, consisting of photoelectrodes, an electrolyte, an electrolyte bridge, moreover, the photoelectrodes are made of plants with a high growth rate. Plants should have leaves where chlorophyll is contained in chloroplasts. 90% of all chlorophyll is part of light-forming complexes that act as an antenna that transmits solar energy to reaction centers I and II. A great ability to absorb solar energy by leaves, mechanical strength of leaves, resistance to temperature extremes, and solar radiation intensity is desirable. A solid plant trunk is needed to attach electrical wires, and a powerful root system is needed to power plants and penetrate nanoparticles.

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.The whole plant acts as a photoelectrode (anode, cathode). For this, it is saturated with nanoparticles. Saturation can occur through seeds (soaking), when planting plant cuttings in the dispersion of nanoparticles, and by other methods of plant propagation, i.e. spontaneously. In addition, it is possible to inject an aqueous dispersion of nanoparticles with a syringe, i.e. accelerated saturation with nanoparticles of an already grown plant. Inorganic nanoparticles move through the roots and trunk to the leaves. They supplement the power of light-forming plant complexes, interact with them and create contact (double electric layer) with the electrolyte. For plant impregnation, it is desirable to use metal nanoparticles with giant Raman scattering properties of Au, Ag, Cu, platinum metals and, in addition, oxides, salts, non-metals with semiconductor properties, or mixtures thereof ranging in size from 0.2 to 100 nm. Small nanoparticles less than 0.2 nm can quickly dissolve in the plant and are therefore undesirable. Microparticles will poorly penetrate the plant due to its large size. The concentration depends on the toxicity of nanoparticles for the plant and is limited by its existence, i.e. performing the functions of photosynthesis.

В качестве электролита используют разные по строению вещества: водные растворы различных веществ, пасты, эмульсии, пористые материалы не токсичные для растения.Different electrolytes are used as electrolyte: aqueous solutions of various substances, pastes, emulsions, porous materials that are not toxic to plants.

Изобретение иллюстрируется примерами.The invention is illustrated by examples.

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.Example 1. Cut off two 8 cm processes of ficus benjamin kinki. One process is immersed in an aqueous dispersion of 40-50 nm of gold nanoparticles obtained by reduction of H [AuCl ₄ ] in an aqueous solution of rutin. As evaporation is added clear tap water with a micro amount of fertilizer for indoor plants. Stir periodically to maintain stabilization of the sol. After the appearance and formation of the root system and spontaneous penetration of gold nanoparticles into the leaves without their inhibition and the development of ficus, a 12-cm photoelectric electrode is ready for cell preparation. To test its photographic properties, the photoelectrode is immersed in an aqueous 0.001 M KCl solution. One probe of the APRA 62T multimeter is connected to a single-pin pin of the photoelectric electrode pierced by it, and the second probe is lowered into the electrolyte. The voltage in the shade (cloud) of 0.38 V is measured. When exposed to sunlight (by the appearance of the sun), the voltage gradually increases.

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.Another process of the ficus is immersed in an aqueous dispersion of 2-3 nm copper nanoparticles obtained by reduction with hydrazine CuCl ₂ in an aqueous micellar solution of cetylpyridinium chloride with glucose. Stir periodically to maintain stabilization of the sol. After the appearance and formation of the root system and spontaneous penetration of copper nanoparticles into the leaves without oppression of the ficus, a 12 cm long photoelectric electrode is ready for cell preparation. For verification, the photoelectrode is immersed in an aqueous 0.001 M KCl solution. One probe of the APRA 62T multimeter is connected to a single-pin pin of the photoelectric electrode pierced by it, and the second probe is lowered into the electrolyte. Measure the voltage between the electrode and the solution in the shade (cloud) of 0.11 V. When exposed to sunlight, the voltage gradually increases.

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.To create a photoelectrochemical cell, one photoelectrode is immersed in a 0.001 M KCl solution poured into a 50 ml glass beaker of the anode space, and the other photoelectrode is immersed in the same solution of the cathode space. The anode and cathode spaces are connected by an electrolyte (saturated KCl solution) bridge. The electromotive force (EMF) of the photoelectrochemical cell is measured by the compensation method. EMF is 0.24 V in the shade (cloud) and 0.45 V in sunlight (without a cloud). DC voltage measurements in the cathodic and anode spaces and the EMF of the cell were carried out in Kursk, 08.20.2014 at 14-16 hours Moscow time in shadow and sunlight at a temperature of 32 ° C.

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.Example 2. Two processes of ficus benjamin kinks are lowered into water and plants with a root system are grown, as in example 1 without nanoparticles. Of the two ficuses with a root system and new leaves, a galvanic cell is made up, as in Example 1. The EMF of an element of 0.00 V is measured. EMF is absent in the shade and in sunlight.

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.Thus, the invention allows to simplify the design of the photoelectrochemical cell. To create it, less material and labor resources are needed than for well-known cells (see above). It is easier to manufacture than the well-known photoelectrochemical cells at present. Its material is grown, renewed without pollution. After deterioration in the quality of the photoelectrochemical cell, it is burned, and the ash can be used in the form of high-quality microfertilizers, including the production of photoelectrodes of a new cell. When soaking the seeds of cereal crops, vegetables, vetch in an aqueous dispersion of metal nanoparticles, the yield of these crops increases from 20 to 30% (J. Nano-Electr. Phys. 2013. Vol 5. No.4. P.04018; Nanotechnology. 2013. No. 4. S.43). Apparently, metal nanoparticles at the first stages of development and growth help crops use more solar energy due to the photoelectrochemical properties of the plant itself, i.e. photoelectrochemical cell. This property allows plants to be more resistant to adverse weather changes, fungi.

Claims

1. A photoelectrochemical cell containing photoelectrodes, an electrolyte, an electrolyte bridge, characterized in that the photoelectrodes are a plant with leaves, stem and roots saturated with metal nanoparticles having giant Raman scattering properties, for example, Au, Cu with sizes of 0.2-100 nm moreover, the electrolyte and the concentration of nanoparticles allows the plant to carry out photosynthesis.

2. The photoelectrochemical cell according to claim 1, characterized in that the plant is saturated artificially, namely, by soaking the seeds before planting, planting the cuttings of the plant in a nano-containing medium or by irrigation.