Способ получения электрического тока в гелевых оксигидратных системах

Изобретение относится к способам получения токов и может быть использовано для создания батарей или суперконденсаторов. Техническим результатом изобретения является получение с помощью химического источника на основе гелей оксигидратов металлов больших токовых величин с большей частотой. Способ получения электрического тока включает в себя стадии: получение геля оксигидрата металла путем щелочного осаждения из раствора соли металла, помещение свежеприготовленного геля оксигидрата металла в полую трубку с закрепленными на концах платиновыми электродами, с которых снимается электроток на аккумулирующей установке. Согласно изобретению, осаждение геля осуществляют в реакторе объемом не менее 5 л путем медленного осаждения 2%-ным раствором аммиака. 3 ил.

 

Изобретение относится к коллоидно-химическим процессам, а именно к способу получения токов, которые могут быть использованы для создания батарей или суперконденсаторов.

Известны химические источники тока, в которых энергия окислительно-восстановительного процесса переходит в электрическую (Шпак И.Е. Химические источники тока. Саратов, 2003. - 95 с.). Известны тепловые химические источники тока, в которых тепловая энергия переходит в электрическую (Купов Ф.И. и др. Тепловые химические источники тока. Ростов-на-Дону, 1989-174 с.). Они широко используются в технике.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению являлся известный способ получения электрического тока с использованием гелей оксигидрата циркония, включающий щелочное осаждение геля оксигидрата металла 10%-ным раствором аммиака из раствора соли металла, помещение свежеприготовленного геля оксигидрата металла в полую трубку, на концах которой закреплены круглые платиновые электроды, с которых снимается электроток на аккумулирующей установке (Сухарев Ю.И., Кострюкова А.М. Вариации тока самоорганизации гелевых оксигидратных систем циркония как отражение температуры термотропного перехода // Известия Челябинского научного центра УрО РАН. - 2005. - Вып.3. - С.45-49). Данный способ позволяет принципиально новым способом получить электрический ток, он не имеет аналогов, хотя основывается на известных в коллоидной химии электрокинетических явлениях (Духин С.С. Электропроводимость и электрокинетические свойства дисперсных систем. Киев, 1975. - 246 с.).

Недостатком способа является небольшая величина токов, с его помощью можно получить малые пульсационные токи величиной до 2 мкА, а частота токовых выплесков незначительна.

Задачей настоящего изобретения является получение электрического тока с помощью химического источника на основе гелей оксигидратов металлов больших токовых величин с большей частотой.

Указанная задача решается тем, что в предложенном способе получения электрического тока в гелевых оксигидратных системах, включающем получение геля оксигидрата металла путем щелочного осаждения из раствора соли металла, помещение свежеприготовленного геля оксигидрата металла в полую трубку с закрепленными на концах платиновыми электродами, с которых снимают ток на аккумулирующую установку, согласно изобретению осаждение геля осуществляют 2%-ным раствором аммиака в реакторе объемом не менее 5 л, при этом введение раствора аммиака осуществляют в начальный момент со скоростью 0,025 мл/с, а после помутнения смеси и ее перемешивания скорость увеличивают до 0,04...0,05 мл/с.

Как показали исследования, проведенные заявителем, при получении геля оксигидрата металла путем медленного щелочного осаждения 2%-ным раствором аммиака из раствора соли металла в реакторе объемом 5 л происходит неожиданное значительное увеличение значений тока до 10 мкА. Причинами возникновения токовых пульсаций (выбросов) является самоорганизация неравновесного оксигидратного геля во времени. Удлиненные гелевые структурные единицы в поле самопроизвольно созданного электрического потенциала совершают линейные перемещательные и вращательные движения. В условиях избытка в дисперсионной среде ионов возникает поляризация ДЭС, привязанного к определенной структуре удлиненных фрагментов геля. Эта структура самопроизвольно конформационно видоизменяется, что приводит к постоянному разрыву (уничтожению) прежних поляризованных ДЭС и формированию новых. Высвобождающиеся при этом свободные ионы образуют движущийся ионный поток в поле самопроизвольно возникшей разности потенциалов на платиновых электродах. Этот процесс представляется практически мгновенным, так как определяется туннельным переходом протонов на границе "коллоидная частица - дисперсионная среда" (а также "коллоидная частица - поверхность платинового электрода") при синхронизированном сближении повернутых гелевых диполей с поляризованными ДЭС.

Впервые получен способ получения электрического тока в оксигидратных системах величиной до 10 мкА. Особенностью способа является осуществление процесса осаждения геля низкоконцентрированным раствором аммиака в большом реакционном объеме, что обеспечивает синхронизацию полимерной сшивки удлиненных оксигидратных диполей геля.

Способ осуществляют, получая гель оксигидрата металла путем щелочного осаждения 2%-ным раствором аммиака в реакторе объемом не менее 5 л, при этом введение раствора аммиака осуществляют в начальный момент со скоростью 0,025 мл/с, а после помутнения смеси и ее перемешивания скорость увеличивают до 0,04...0,05 мл/с, помещая свежеприготовленный гель оксигидрата металла в полую трубку с закрепленными на концах платиновыми электродами, с которых снимают ток на аккумулирующую установку.

Пример 1. Химический источник тока на основе оксигидрата железа

200 мл раствора соли хлорида железа (III) с концентрацией 1 моль/л помещают в реактор для синтеза (емкость 5 л), разбавляют дистиллированной водой до 3 л. Производят щелочное осаждение оксигидрата железа 2%-ным раствором аммиака при постоянном перемешивании реакционной смеси. Мешалку располагают по центру реактора на расстоянии 1...2 см от дна так, чтобы раствор полностью перемешивался. Из капельной воронки начинают добавлять по каплям раствор аммиака. В начале скорость капания составляет около 0,025 мл/с. При появлении помутнения капанье прекращают и перемешивают смесь в течение 5...7 мин. После этого скорость капания увеличивают до 0,04...0,05 мл/с. Контролируют рН раствора и устанавливают рН синтеза 8. После этого доводят объем раствора до 5 л. Помещают свежеприготовленный гель оксигидрата железа в полую трубку, закрепленную на мешалке для предотвращения расслоения и помещенную в термостат, на концах которой закреплены круглые платиновые электроды (R=0,4 см), с которых снимают ток на аккумулирующую установку.

Полученные значения тока самоорганизации геля оксигидрата железа представлены на фиг.1

Пример 2. Химический источник тока на основе оксигидрата ниобия

350 мл раствора соли оксихлорида ниобия (V) с концентрацией 0,2 моль/л помещают в реактор для синтеза (емкость 5 л), разбавляют дистиллированной водой до 3 л. Производят щелочное осаждение оксигидрата ниобия 2%-ным раствором аммиака при постоянном перемешивании реакционной смеси. Мешалку располагают по центру реактора на расстоянии 1...2 см от дна так, чтобы раствор полностью перемешивался. Из капельной воронки начинают добавлять по каплям раствор аммиака. В начале скорость капания составляет около 0,025 мл/с. При появлении помутнения капанье прекращают и перемешивают смесь в течение 5...7 мин. После этого скорость капания увеличивают до 0,04...0,05 мл/с. Контролируют рН раствора и устанавливают рН синтеза 3,5. После этого доводят объем раствора до 5 л. Помещают свежеприготовленный гель оксигидрата ниобия в полую трубку, закрепленную на мешалке для предотвращения расслоения и помещенную в термостат, на концах которой закреплены круглые платиновые электроды (R=0,4 см), с которых снимают ток на аккумулирующую установку.

Полученные значения тока самоорганизации геля оксигидрата ниобия представлены на фиг.2

Пример 3. Химический источник тока на основе оксигидрата циркония

200 мл раствора соли оксихлорида циркония с концентрацией 1 моль/л помещают в реактор для синтеза (емкость 5 л), разбавляют дистиллированной водой до 3 л. Производят щелочное осаждение оксигидрата циркония 2%-ным раствором аммиака при постоянном перемешивании реакционной смеси. Мешалку располагают по центру реактора на расстоянии 1...2 см от дна так, чтобы раствор полностью перемешивался. Из капельной воронки начинают добавлять по каплям раствор аммиака. В начале скорость капания составляет около 0,025 мл/с. При появлении помутнения капанье прекращают и перемешивают смесь в течение 5...7 минут. После этого скорость капания увеличивают до 0,04...0,05 мл/с. Контролируют рН раствора и устанавливают рН синтеза 3,5. После этого доводят объем раствора до 5 л. Помещают свежеприготовленный гель оксигидрата циркония в полую трубку, закрепленную на мешалке для предотвращения расслоения и помещенную в термостат, на концах которой закреплены круглые платиновые электроды (R=0,4 см), с которых снимают ток на аккумулирующую установку.

Полученные значения тока самоорганизации геля оксигидрата циркония представлены на фиг.3.

Изобретение может быть использовано как источник электрического тока, где в качестве накопителей могут быть использованы сверхпроводящие соленоиды или суперконденсаторы.

Способ получения электрического тока в гелевых оксигидратных системах, включающий получение геля оксигидрата металла путем щелочного осаждения из раствора соли металла, помещение свежеприготовленного геля оксигидрата металла в полую трубку с закрепленными на концах платиновыми электродами, с которых снимают ток на аккумулирующую установку, отличающийся тем, что осаждение геля осуществляют 2%-ным раствором аммиака в реакторе объемом не менее 5 л, при этом введение раствора аммиака осуществляют в начальный момент со скоростью 0,025 мл/с, а после помутнения смеси и ее перемешивания скорость увеличивают до 0,04...0,05 мл/с.