Гидроэлемент - Hydroelectric cell

А гидроэлектрическая ячейка это тип гальванический элемент который производит электричество диссоциация молекулы воды.[1][2][3][4]

Он был изобретен доктором Р. К. Котнала и доктором Джоти Шах в 2016 году в Национальная физическая лаборатория Индии, Нью-Дели.[5][6][7] Диссоциация молекул воды на дефицитной по кислороду нанопористой поверхности феррита / оксида создает гидроксоний и гидроксид ионы, собираемые электродами Ag и Zn соответственно для выработки электричества. Следовательно, комбинация нанопористого феррита магния / оксида металла с дефицитом кислорода вместе с электродами из цинка и серебра получила название гидроэлектрической ячейки.[8][9] При комнатной температуре для диссоциации одной молекулы воды требуется потенциал 1,23 В, требуется внешняя энергия для разделения молекул воды на составляющие ионы. Традиционным способом это осуществляется снаружи с использованием ультрафиолетового света (УФ), катализаторов, фотонов, термических и биохимических средств.[10] Нанопористая поверхность ферритного / оксидного материала обеспечивает высокореакционные поверхности для диссоциации молекул воды на составляющие ионы при комнатной температуре, которые обычно доступны в адсорбированном состоянии.

Нанопористая поверхность ячейки обеспечивает химически диссоциированные ионы H + и OH- на начальной стадии, а затем следует обильная физическая диссоциация из-за высокого электрического поля, развиваемого внутри нанопор, что приводит к непрерывной генерации большого количества ионов. Электроды из цинка (цинка) и серебра (серебра), прикрепленные к противоположным поверхностям таблетки феррита / оксида металла, разделяются и собирают ионы противоположной полярности, в результате чего в ячейке протекает электрический ток. Ячейка диаметром два дюйма может развивать максимальное напряжение 0,98 В и ток короткого замыкания 120 мА.[11][12][13][14][15][16][17][18][19][20]

Принцип работы

Гидроэлемент работает по принципу диссоциации воды на нанопористой поверхности таблеток феррита / оксида с дефицитом кислорода. Молекулы воды сначала химически диссоциируют на нанопористой поверхности с дефицитом кислорода на ионы H + и OH-, а затем следует непрерывная физическая диссоциация под действием электростатического поля, возникающего из-за захваченного H + внутри нанопоры на поверхности гранул. Диссоциированные ионы H + и OH- мигрируют к инертному катоду серебра (Ag) и аноду цинка (Zn) соответственно и собираются через эти электроды для генерации тока во внешних цепях. В этом процессе в гидроэлектрической ячейке площадью 4,5 кв. См генерируется 0,98 В и 70 мА. Цинк расходуется в этой реакции и медленно превращается в Zn (OH) 2, при этом выделяется газообразный водород высокой чистоты.

Механизм реакции

На литиево-замещенном феррите магния:

4H2O → 2H3О+ + 2OH−

на аноде (Zn):

2OH− + Zn → Zn (ОН)2 + 2e− (-0,76 В)

на катоде (Ag):

ЧАС3О+ + H3О+ + 2e− → H2↑ + 2H2O (+0,22 В)

Ecell = 0,22 - (-,76) = 0,98 В

Дизайн

Гидроэлектрические элементы: изображение феррита магния и оксида олова разного размера (белый), изготовленных в лаборатории.

Изготовление гидроэлектрической ячейки включает получение ферритного материала путем простой термической обработки методом твердотельной реакции. Таблетка из материала феррит / оксид металла покрыта серебряными электродами с гребенчатым рисунком на одной поверхности, а задняя поверхность ячейки покрыта цинковым электродом. Вода разбрызгивается на поверхность элемента, в то время как ток собирается через два электрода во внешней цепи.

Рекомендации

  1. ^ R..K. Котнала; Джиоти Шах (6 июня 2016 г.). «Зеленый гидроэлектрический источник энергии на основе диссоциации воды нанопористый феррит ». Международный журнал энергетических исследований. 40 (12): 1652–1661. Дои:10.1002 / эр.3545.
  2. ^ «Гидроэлемент на основе литийзамещенного магниевого феррита и способ его получения». Патенты Google. Патенты Google. Получено 27 мая 2020.
  3. ^ Котнала, Р. К .; Гупта, Рекха; Шукла, Абха; Джайн, Шипра; Гаур, Анураг; Шах, Джоти (23.08.2018). «Гидроэлемент на основе оксида металла для выработки электроэнергии путем диссоциации молекул воды без электролита / кислоты». Журнал физической химии C. Американское химическое общество. 122 (33): 18841–18849. Дои:10.1021 / acs.jpcc.8b04999.
  4. ^ Шах, Джоти; Гупта, Рекха; Котнала, Р. К. (2020). "Колоссальное индуцирование гумидосопротивления в тонкой пленке феррита магния привело к изобретению устройства зеленой энергии: гидроэлектрической ячейки". Последние достижения в тонких пленках: 389–411. Дои:10.1007/978-981-15-6116-0_13.
  5. ^ «Индийские ученые производят электричество из воды без использования энергии». aninews.in. Asian News International. Получено 31 мая 2020.
  6. ^ «Индийские ученые используют воду для производства электроэнергии». Scienceworldreport.com. Science World Report. Получено 31 мая 2020.
  7. ^ «Ученый, работающий с водой из воды, стремится к коммерциализации изобретения». Economictimes.com. Экономическое время. Получено 28 мая 2020.
  8. ^ Нзеогу, Узо (1 января 2017 г.). «Индийские ученые получают« энергию »из пресной воды». EnergyNews. EnergyNews. Получено 31 мая 2020.
  9. ^ Джайн, Шипра; Шах, Джоти; Dhakate, S. R .; Гупта, Говинд; Sharma, C .; Котнала, Р.К. (20 февраля 2018 г.). «Экологически чистая гидроэлектрическая ячейка на основе наночастиц мезопористого магнетита». Журнал физической химии C. 122 (11): 5908–5916. Дои:10.1021 / acs.jpcc.7b12561.
  10. ^ Geissler, Phillip L .; Деллаго, Кристоф; Чендлер, Дэвид (21 апреля 1999 г.). «Кинетические пути диссоциации ионных пар в воде». Журнал физической химии B. 103 (18): 3706–3710. Дои:10.1021 / jp984837g.
  11. ^ Шах, Джоти; Verma, K.C .; Агарвал, Ашиш; Котнала, Р. (1 января 2020 г.). «Новое применение мультиферроика для производства экологически чистой электроэнергии в виде гидроэлемента». Химия и физика материалов. 239: 122068. Дои:10.1016 / j.matchemphys.2019.122068.
  12. ^ Шах, Джоти; Кумар Котнала, Равиндер (сентябрь 2017 г.). «Быстрый зеленый синтез наночастиц ZnO с использованием гидроэлектрической ячейки без электролита». Журнал физики и химии твердого тела. 108: 15–20. Bibcode:2017JPCS..108 ... 15S. Дои:10.1016 / j.jpcs.2017.04.007.
  13. ^ Шах, Джоти; Джайн, Шипра; Шукла, Абха; Гупта, Рекха; Котнала, Равиндер Кумар (28 декабря 2017 г.). «Простой нефотокаталитический метод производства газообразного водорода с помощью гидроэлектрической ячейки». Международный журнал водородной энергетики. 42 (52): 30584–30590. Дои:10.1016 / j.ijhydene.2017.10.105.
  14. ^ Джайн, Шипра; Шах, Джоти; Неги, Найнджит Сингх; Шарма, Чхемендра; Котнала, Равиндер Кумар (6 июня 2019 г.). «Значение межфазного барьера на электроде гематитового гидроэлемента для выработки эко-энергии путем разделения воды». Международный журнал энергетических исследований. 43 (9): 4743–4755. Дои:10.1002 / er.4613.
  15. ^ Соланки, В .; Krupanidhi, S. B .; Нанда, К. К. (5 сентября 2018 г.). «Одновременный мониторинг качества воды и деградация опасных органических загрязнителей». Обзор научных инструментов. 89 (9): 096102. Дои:10.1063/1.5041488. PMID  30278693.
  16. ^ Харбанда, Пранати; Мадаан, Тушар; Шарма, Иша; Вашиштха, Шрути; Кумар, Парвин; Чаухан, Арти; Миттал, Сумит; Bangruwa, Jarnail S .; Верма, Вивек (24 января 2019 г.). «Ферриты: магнитные материалы как альтернативный источник зеленой электроэнергии». Гелион. 5 (1): 1151. Дои:10.1016 / j.heliyon.2019.e01151. ЧВК  6351576. PMID  30723829.
  17. ^ Gobara, Heba M .; Nassar, Ibrahim M .; Эль Наггар, Ахмед М.А.; Eshaq, Gh. (1 января 2017 г.). «Нанокристаллический феррит шпинели для обогащенного производства водорода посредством процесса расщепления воды, стимулированного солнечной энергией». Энергия. 118: 1234–1242. Дои:10.1016 / j.energy.2016.11.001.
  18. ^ Соланки, Ванарадж; Крупанидхи, Салуру Баба; Нанда, Каруна Кар (25 ноября 2019 г.). «Сбор энергии за счет диссоциации воды / влаги без стимулов с помощью мезопористой гидроэлектрической ячейки на основе SnO2 и CuO в качестве насоса для атмосферной влаги». Международный журнал энергетических исследований. 44 (2): 1276–1283. Дои:10.1002 / er.4993.
  19. ^ Чаухан, Шикха Сингх; Гаур, Анураг; Котнала, Р. К. (март 2019 г.). «Применение гидроэлемента для светодиодной лампы». 2019 Инновации в области энергетики и передовых вычислительных технологий (I-PACT). 2019 Инновации в области энергетики и передовых вычислительных технологий (i-PACT). С. 1–3. Дои:10.1109 / i-PACT44901.2019.8960035. ISBN  978-1-5386-8190-9. S2CID  210697518.
  20. ^ Гаур, Анураг; Кумар, Анураг; Кумар, Пурушоттам; Агравал, Рекха; Шах, Джоти; Котнала, Равиндер К. (12 мая 2020 г.). «Изготовление гидроэлементов на основе SnO2 для производства зеленой энергии». СКУД Омега. 5 (18): 10240–10246. Дои:10.1021 / acsomega.9b03309. ISSN  2470-1343. ЧВК  7226856. PMID  32426580.