Фотокаталитический реактор

012085 Область применения изобретения Настоящее изобретение в общем относится к использованию топливных элементов и, в частности, к топливным элементам на жидком исходном органическом топливе, в которых окисление топлива достигается с помощью фотокатализа. Изобретение, конкретно описываемое далее, обеспечивает получение энергоэффективного фотокаталитического реактора. Предпосылки к созданию изобретения Топливные элементы - это электрохимические элементы, в которых изменение свободной энергии,происходящее в результате реакции окисления топлива, преобразуется в электрическую энергию. В топливном элементе, работающем на органическом веществе и воздухе, органический материал, такой как метанол или другое подходящее топливо, окисляется до диоксида углерода на аноде, в то время как кислород из воздуха или обогащенного кислородом воздуха, или сам газообразный кислород восстанавливается до воды на катоде. Общеизвестны два типа топливных элементов, работающих на органическом веществе и воздухе. 1. Топливный элемент непрямого действия, в котором органическое топливо подвергается каталитическому риформингу и перерабатывается в водород, который используется в качестве фактического топлива для топливного элемента путем окисления на аноде. 2. Топливный элемент прямого окисления, в котором органическое топливо подается непосредственно в топливный элемент и окисляется на аноде и в котором в качестве катализатора обычно применяются металлы платиновой группы или сплавы, содержащие металл платиновой группы. В настоящее время топливные элементы прямого окисления являются предметом значительного интереса для использования в самых разнообразных вариантах применения. Такие топливные элементы обладают потенциальной возможностью обеспечивать полезные выходы вырабатываемой энергии "чистым" и эффективным образом, используя возобновляемые виды топлива, такие как метанол. Такие виды топлива могут быть получены, например, посредством процессов ферментации биомассы. В число трудностей, встречающихся при изготовлении практического топливного элемента прямого действия, входят конструкция и эффективность электрода и катализатора, позволяющие избежать отравления катализатора и свести к минимуму образование нежелательных побочных продуктов, таких как монооксид углерода; эффективность катода, особенно если в качестве кислородсодержащего газа используется воздух,так как присутствующий азот может "заглушать" или замедлять перенос кислорода к поверхности катализатора;"пропускание" топлива, т.е. анод и катод топливного элемента разделены ионопроводящей средой,такой как высокомолекулярный электролит или твердая протонпроводящая мембрана, однако если топливо может проникать через эту мембрану и перемещаться от аноду к катоду, то в таком случае теряется эффективность; и выбор электролита - в топливных элементах прямого окисления в качестве электролита часто применяется серная кислота, однако, вызванное этим присутствие сульфат-ионов и серы может привести к плохим рабочим характеристикам. В патенте США 5599638 описывается усовершенствованный тип топливного элемента, в котором используются твердый полимерный электролит и усовершенствованные электроды, а в патенте США 6303244 теми же самыми изобретателями предлагаются другие дополнительные усовершенствования. Примечательной особенностью этой работы является использование твердого полимерного электролита содержащего перфторсульфоновую кислоту полимера, такого как "Nafion". Это исключает использование серно-кислотного электролита и обеспечивает улучшение рабочих характеристик топливного элемента. В патенте США 5094927 описывается альтернативный твердый электролит - протонпроводящее твердое вещество, содержащее по меньшей мере один оксид элемента, выбранного из элементов группIVB, VB, VIB и VIII Периодической таблицы элементов, диоксид кремния и по меньшей мере один фторид элемента, выбранного из элементов групп IIA и IIIB Периодической таблицы элементов. В этом патенте такой электролит предложен в качестве отличительной особенности топливного элемента непрямого действия (водород-кислородного топливного элемента). Недостатком топливных элементов известных типов является то, что они обычно нуждаются в высокоочищенном топливе для предотвращения отравления катализатора. Топливный элемент по патенту США 6303244 нуждается в высокоочищенном метаноле, и изобретатели предусматривают необходимость установки фильтрующих систем для удаления следов углеводородов из топлива, когда их изобретение используется в условиях автомобиля. Целью настоящего изобретения является создание усовершенствований в топливных элементах или усовершенствований, касающихся топливных элементов, посредством которых могут быть устранены или частично преодолены вышеназванные недостатки, присущие предшествующему уровню техники. Дополнительной целью изобретения является создание топливного элемента прямого окисления на жидком исходном топливе, в котором используется фотокаталитическое окисление на аноде.-1 012085 Другой целью изобретения является создание средств сбора и направления света на фотокаталитический анод. Еще одной целью изобретения является создание фотокаталитического реактора, который может быть энергоэффективным образом использован при намеренном разрушении органических соединений,присутствующих в потоках отходов из промышленных процессов. Сущность изобретения Таким образом, вышеназванные цели достигаются согласно настоящему изобретению путем создания фотокаталитического реактора, который обладает признаками модифицированного топливного элемента прямого окисления, в котором окисление топлива осуществляют на аноде, который содержит фотокатализатор на проводящей подложке. Как будет понятно, благодаря такому применению фотокатализатора получают анод, в котором фотокатализатор используется для того, чтобы вызывать необходимое разделение зарядов для обеспечения возможности реакции с топливом, т.е. функцией фотокатализатора является получение электронов и дырок. Как будет понятно специалистам в данной области техники,электроны удаляются посредством внешней цепи, а дырки образуют протоны посредством взаимодействия с топливом. Этот подход к стадии окисления предоставляет преимущества, заключающиеся в том,что, по сравнению с обычным топливным элементом прямого окисления, применяется другая каталитическая технология с возможностью использования в дальнейшем широкого ряда видов топлива, даже загрязненных видов топлива. Таким образом, согласно настоящему изобретению предлагается фотокаталитический реактор, способный вырабатывать электрический ток за счет потребления топлива, содержащего органический материал, причем упомянутый реактор содержит топливный элемент прямого окисления, включающий в себя анод и катод, при этом анод представляет собой действующий с помощью фотокатализа анод, который содержит фотокатализатор на поверхности электропроводящей подложки, расположенной так, чтобы быть восприимчивой к свету, и протонпроводящую мембрану, расположенную между упомянутым анодом и катодом, так что свет проходит через упомянутую мембрану в качестве конечной стадии на оптическом пути к фотокатализатору, причем упомянутый фотокатализатор способен промотировать окисление органического материала и генерировать пары электрон-дырка, а упомянутый реактор снабжен средствами для введения упомянутого топлива и средствами для соединения с внешней электрической цепью. Катод может быть выбран из сетки, пористого элемента или перфорированной полосы, а его материалом является благородный металл, например, платина или серебро, или каталитические металлы или сплавы, известные из уровня техники как пригодные для этой цели, или более современные материалы,такие как различные виды керамики. Реактор предпочтительно выполнен с возможностью поддержки многочисленных топливных элементов вышеназванного типа при их расположении в виде пакета. Расположение (компоновка) фотокатализатора для приема света может означать использование оптического пути, при этом вышеупомянутую протонпроводящую мембрану помещают рядом (совмещают) с дополнительными светопроводящими материалами, например, так называемыми "световодами"(оптическими волноводами) для усиления подачи света к фотокаталитической поверхности. Такая компоновка способствует размещению множества фотокаталитических элементов в виде батареи или пакета,предпочтительно из тонких (0,3-0,5 мм) элементов. В тех случаях, когда используются световоды, толщина топливного элемента может увеличиться до приблизительно 1 мм или более. Источником света предпочтительно является естественный свет (солнечный свет), но могут быть также предусмотрены источники искусственного света. Функционирование изобретения может быть улучшено за счет обеспечения светособирающей и светоусиливающей оптики. Примеры подходящих материалов, которые могут служить в качестве фотокатализаторов для целей этого изобретения, включают в себя, но не ограничиваются ими, оксиды титана, легированные азотом оксиды титана, оксиды вольфрама, смешанные оксидные системы, такие как оксиды титана в сочетании с оксидами вольфрама или оксидами молибдена, или танталаты индия-никеля. Является предпочтительным, чтобы фотокатализатор содержал элементы, обладающие стабильными смешанными состояниями окисления (степенями окисления). В целях лучшего понимания изобретения отметим, что, хотя в этом изобретении и в литературе эти материалы называют "фотокатализаторами", эти материалы, строго говоря, действуют как активируемые светом окислительные агенты (окислители), которые только проявляют каталитические свойства в электрохимическом элементе. При условии, что окисление топлива приводит к восстановлению металла "фотокатализатора" (вольфрама, титана, молибдена, ванадия и т.д.), Mz до Mz-1, полагают, что катодная реакция приводит к повторному окислению этого металла посредством отвода лишних электронов (генерируемых при окислении топлива), так что Mz-1Mz+e-. Без этого катодного эффекта концентрация восстановленной формы данного металла увеличилась бы до некоторого уровня насыщения (который зависит от относительных стабильностей Mz и Mz-1 (например, Ti4+/Ti3+, W6+/W5+, что со временем приводило бы к изменению в стехиометрии оксида, т.е. используется не истинный катализатор в подлинном смысле этого термина. Следовательно, не требуется рассматривать лишь ограниченный класс истинных катали-2 012085 заторов для выявления такого материала, который обеспечивал бы соответствующие фотокаталитические эффекты для осуществления описываемого здесь изобретения. Хотя фотокаталитический топливный элемент уже описан в патенте Японии 59165379, он, как полагают, не обладает преимуществами топливного элемента, конкретнее описываемого ниже. В этом патенте описывается топливный элемент, в котором в качестве топлива используются органические вещества, такие как раствор формиата натрия. Анод состоит из монокристалла сульфида кадмия (CdS), который действует как реакционноспособная окислительная поверхность при облучении ультрафиолетовым светом, проходящим в этот элемент через кварцевое окошко. Данный элемент завершается катодом из платиновой черни, погруженным в серно-кислотный электролит, и агаровым солевым мостиком для соединения анодной и катодной камер. В число недостатков такой конструкции входит плохая эффективность фотокаталитической поверхности GdS, ограниченный ряд тех органических соединений, которые могут быть использованы, и необходимость в камерах с кварцевыми окошками и ультрафиолетовом свете. Хотя в более поздних публикациях описываются сходные, но более эффективные фотоэлектрокаталитические элементы, все же сохраняется потребность в источниках ультрафиолетового света и в кварцевом устройстве. В противоположность этому, настоящее изобретение позволяет использовать ряд фотокатализаторов, таких как оксиды титана, которые были разработаны для применения при фотокаталитическом разложении органических соединений. Такие металлооксидные материалы могут быть модифицированы для взаимодействия с видимым, а не ультрафиолетовым светом, например, посредством легирования азотом или введения в состав катализатора других веществ, таких как другие оксиды металлов. Кроме того, согласно настоящему изобретению предлагаются усовершенствованные средства подачи света к фотокаталитической поверхности посредством использования светопроводов или световодов(оптических волноводов), как описано далее. Согласно дополнительному аспекту изобретения предлагается способ выработки электроэнергии, в частности, за счет потребления органического топлива, посредством фотокаталитической реакции, проводимой в топливном элементе прямого окисления, причем упомянутый способ включает в себя обеспечение наличия топливного элемента и источника топлива для этого элемента, при этом анод элемента представляет собой действующий с помощью фотокатализа анод, который содержит фотокатализатор на поверхности электропроводящей подложки, расположенной так, чтобы быть восприимчивой к свету, и светопропускающую протонпроводящую мембрану, расположенную между упомянутым анодом и катодом, так что свет проходит через упомянутую мембрану в качестве конечной стадии на оптическом пути к фотокатализатору, причем упомянутый фотокатализатор способен промотировать окисление органического материала и генерировать пары электрон-дырка; воздействие на фотокаталитическую поверхность света; подачу топлива к аноду для фотокаталитического окисления; и выработку электроэнергии в результате упомянутого фотокаталитического окисления топлива. Необходимо понять, что "топливо", которое может быть использовано для целей изобретения, не ограничивается метанолом или фактически другими спиртами, и поэтому могут быть использованы другие органические вещества в виде текучей среды для обеспечения возможности их перекачивания и доставки по трубопроводам. "Топливный элемент", описанный здесь, уже проявил себя при разложении сильных загрязнителей окружающей среды, таких как, например, гербициды, пестициды, патогены (болезнетворные микроорганизмы), разрушители эндокринной системы (от англ. endocrine disruptors) и токсичные побочные продукты, образующиеся при разложении компонентов мусорной свалки и загрязненной земли. Таким образом, это изобретение идеально подходит для применения в водном хозяйстве при повышении качества воды. Топливный элемент, сконструированный в соответствии с принципами этого изобретения, состоит из трех основных составных частей, а именно анода, протонпроводящей мембраны и катода, которые обладают следующими отличительными признаками.(i) Анод. Анод содержит фотокатализатор, нанесенный в виде покрытия на проводящую подложку, которая предпочтительно является перфорированной или пористой для облегчения доступа протонов к протонпроводящей мембране. Фотокаталитическая активность основывается на фотонах от внешнего источника света, генерирующих пары электрон-дырка на поверхности катализатора (е- и h+). Подложка представляет собой хороший электронный проводник (с быстрым переносом электронов). Ее расположение должно быть тщательно продумано с целью обеспечения возможности удаления электронов с анода к внешней цепи, таким образом препятствуя их рекомбинации с дырками и обеспечивая внешний электрический ток. Образованные дырки взаимодействуют с топливом (в этом примере - с метанолом), приводя к его окислению с получением в результате этого СО 2 и протонов(ii) Протонпроводящая мембрана (ППМ). ППМ разделяет анод и катод и изготовлена из протонпроводящего материала, такого как в уже известных из уровня техники обычных топливных элементах, например, такого как содержащий перфторсульфоновую кислоту полимер (например, Nafion). Однако предпочтительным является использование-3 012085 протонпроводящего стекла, такого как стекло высокой проводимости с составом 5% Р 2 О 5: 95% SiO2,описанное Ногами (Nogami) с соавторами в журнале Electrochemistry and Solid State Letters (2, 415-417,1999). Преимущества использования такого стекла заключаются в уменьшенной потенциальной возможности "пропускания" топлива к катоду и, что наиболее особенно, в возможности стекла пропускать свет к аноду. ППМ обеспечивает диффузию протонов посредством механизма перескока протонов, а содержание влаги в пористом стекле увеличивает его проводимость (обычно до 10-1,5 Смсм-1). Пропускание света к аноду путем использования ППМ в качестве волновода может быть еще более улучшено соответствующими модификациями в структуре мембраны или дополнительными "световодами". Оптимального потока света на поверхность анода можно достигнуть, например, избирательно изменяя характеристики показателя преломления или изготавливая мембрану или световоды из кусков или волокон стекла с различными показателями преломления, посредством использования светорассеивающих частиц, распределенных по всей мембране, или с помощью других средств, вполне очевидных для специалистов в области изготовления оптических устройств. Подходящие "световоды" могут быть встроены (внедрены) в ППМ (или быть на поверхностях анода, не соприкасающихся с ППМ) для того, чтобы поставлять достаточное количество света к фотокаталитической поверхности.(iii) Катод. Катод предоставляет необходимую поверхность для рекомбинации - в присутствии кислорода от внешнего источника (такого как воздух, кислород, обогащенный кислородом воздух или обогащенная кислородом текучая среда) - электронов из внешней цепи и протонов, перемещаемых через ППМ. Результирующей реакцией на катоде является следующая: Предпочтительным катодом является, но не ограничивается им, жидкостной диффузионный электрод с применением катализатора, такого как платина или соответствующие каталитические металлы(такие как серебро) или сплавы, такие как те, что хорошо известны из уровня техники, или более современные материалы, такие как керамика. Топливный элемент согласно настоящему изобретению может быть выполнен в различных видах и формах в соответствии с предполагаемым применением. Достаточный подвод света к аноду может быть обеспечен путем применения дополнительных средств, таких как световоды, или придания соответствующих форм составным частям элемента или всему элементу для оптимизации способности к направлению света (естественного или искусственного) к фотокаталитической поверхности анода. Для получения большей выходной мощности топливный элемент согласно изобретению может быть выполнен в виде "пакетов", т.е. последовательно соединенных топливных элементов, как это будет подробнее описано ниже. Топливный элемент согласно этому изобретению может быть использован для любого из предложенных вариантов применения обычного топливного элемента прямого окисления при условии, что имеется подходящий источник света. Например, топливные элементы, потребляющие в качестве топлива окисляемое вещество, предпочтительно - сравнительно недорогую органическую жидкость, такую как метанол, могут быть использованы для энергоснабжения приводимых в действие электричеством устройств. Способность фотокатализаторов тех типов, которые выбраны для использования в этом изобретении, окислять (и тем самым потреблять, разлагать или разрушать) широкий ряд органических материалов также позволяет использовать изобретение в качестве энергоэффективного способа обработки (обезвреживания) отходов промышленных процессов, таких как сточные воды, содержащие органические материалы. Топливный элемент может запитываться такими потоками отходов, которые будут окисляться на аноде, вырабатывая при этом электроэнергию, которая может быть использована для электропитания необходимого оборудования, такого как насосы, или может быть использована где-нибудь в другом месте в случае выработки избыточной электроэнергии. Таким образом, достижимы две цели: вредные материалы удаляются приемлемым для окружающей среды образом, и при этом генерируется полезная энергия. Фотокаталитическое окисление опасных органических загрязнителей в последние двадцать лет становится растущей областью экологически приемлемой технологии. Были продемонстрированы минерализация низкомолекулярных спиртов и хлорированных алканов, ацетона и частичное окисление микроцистинов до менее токсичных форм в питьевой воде, причем все это с использованием катализатора на основе TiO2. В обычных процессах фотокаталитического окисления в данном случае обычно используют суспензии фотокатализатора. Это изобретение направлено на усиление эффективности катализатора посредством использования тонких пленок, как и в области фотоэлектрокатализа и фотоэлектрической энергетики, соединенных с внешней электрической цепью. Перспектива извлечения электроэнергии при разлагающем окислении органических загрязнений является особенно привлекательной в связи с возобновляемостью и утилизацией отходов. Имеются, например, варианты применения изобретения в нефтяной и газовой промышленности. Эта технология была бы применима при проточных процессах, сходных с теми, которые в настоящее время применяются в гидроциклонных сепараторах и при других операциях по обработке текучих сред. В число исходных органических веществ входят алифатические и ароматические углеводороды, "де-4 012085 эмульгаторы" (мочевиноформальдегидные, фенольные смолы, амины и сульфонаты), жирные кислоты,альдегиды и кетоны. Реактор согласно настоящему изобретения особенно подходит для разложения этих загрязняющих химических веществ, которые присутствуют в виде небольших капель в низких остаточных концентрациях в тех случаях, когда к загрязненному водному потоку применяли обычные способы разделительной обработки. Теперь изобретение будет подробнее описано в качестве примера со ссылкой на сопровождающие чертежи. Описание чертежей На сопровождающих чертежах: фиг. 1 показывает схематический чертеж топливного элемента фотокаталитического реактора согласно изобретению, в варианте выполнения с использованием метанола в качестве топлива; фиг. 2 А и В показывают конструкцию топливного элемента в трех вариантах его выполнения, при этом фиг. 2 В показывает использование "световодов" в двух разных вариантах расположения для провода света к фотокаталитическому аноду; фиг. 3 показывает пакет или батареютопливных элементов согласно изобретению; фиг. 4 показывает данные дифракции рентгеновских лучей для материала на основе поливольфрамовой кислоты, приготовленного для использования в качестве фотокатализатора в топливном элементе согласно изобретению; фиг. 5 показывает результаты термогравиметрических анализов материала на основе поливольфрамовой кислоты, приготовленного для использования в качестве фотокатализатора в топливном элементе согласно изобретению; фиг. 6 показывает инфракрасные спектры с преобразованием Фурье для материала на основе поливольфрамовой кислоты, приготовленного для использования в качестве фотокатализатора в топливном элементе согласно изобретению; фиг. 7 показывает спектр отражения УФ/видимого света материала на основе поливольфрамовой кислоты, приготовленного для использования в качестве фотокатализатора в топливном элементе согласно изобретению; фиг. 8 показывает фотокаталитическую активность материала на основе поливольфрамовой кислоты, приготовленного для использования в качестве фотокатализатора в топливном элементе согласно изобретению; фиг. 9 показывает изображения, полученные с помощью просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ), и корреляцию между выходным фототоком и размером частиц катализатора; и фиг. 10 показывает данные, полученные с помощью метода импедансной спектроскопии на переменном токе для материалов фотокатализатора "на основе WO3". Варианты осуществления изобретения Теперь в качестве примера будет описан топливный элемент согласно настоящему изобретению на примере элемента, который использует метанол в качестве топлива и функционирует как фотокаталитический реактор, в котором топливо окисляется на аноде, высвобождая протоны; однако следует понимать, что могут быть использованы другие виды топлива и что в качестве "топлива" могут служить органические загрязнители в текучих средах, например, загрязненная нефтью вода. Топливный элемент содержит узлы, представляющие собой электроды и протонпроводящие мембраны, показанные на фиг. 2. Перфорированные, пористые или сетчатые электроды гарантируют, что носители заряда могут проходить через все поверхности раздела и что все электрические контакты в электрохимическом элементе являются непрерывными, так что будет достаточно одного внешнего соединения с сеткой или перфорированным металлическим листом (см. фиг. 2), однако, не исключаются и множественные соединения. Фотокатализатор (1) может быть нанесен в виде покрытия окунанием или другими средствами на предварительно изготовленную протонпроводящую мембрану (ППМ) (3), имеющую платиновую или другую электронпроводящую сетку (2), частично заделанную в ее поверхность. Катод (4) представляет собой сетку или пористый элемент либо перфорированные полосы, изготовленные из платины или серебра. ППМ от катода может отделять протонпроводящая металлическая пленка. Анод (1) и катод (4) внешне соединены посредством электрической нагрузки. Светопропускаемость ППМ может быть усилена введением световодов (5) (см. фиг. 2, варианты В). Они могут иметь одинаковый с ППМ состав и быть способными рассеивать свет, направленный посредством световодов через перфорированный проводник на поверхность катализатора. Кроме того, они могут служить для увеличения механической прочности всей сборки, которая обычно может быть толщиной вплоть до 1 мм или более (измеренной в направлении транспортировки протонов), но может иметь и другие подходящие размеры в зависимости от того применения, для которого предлагается данный элемент. На фиг. 2 в варианте В показаны две из возможных конструкций со световодами. Вторая показанная конструкция со световодами, внедренными в тело ППМ, имеет преимущества. В этом случае улучшается механическая прочность конструкции топливного элемента, а оба электрода могут иметь максимальную площадь поверхности в контакте с ППМ, что улучшает эффективность. Кроме того, гребенчатая или гофрированная форма такого элемента еще более увеличивает площадь поверхности элемента и,-5 012085 следовательно, возможную выходную мощность. Каждый отдельный топливный элемент, показанный на фиг. 2, может быть использован для выработки электроэнергии только в виде единственного элемента, однако, более высокая эффективность может быть достигнута при изготовлении устройства, содержащего несколько или много единиц топливных элементов, расположенных, например, в виде "пакета" или батареи, как это показано на фиг. 3. Сборки топливных элементов (1) установлены бок о бок друг с другом таким образом, что топливо может подводиться по линиям подачи (3) и через редукционные клапаны (клапаны регулировки давления) (2) в камеры (8) с фотокатализатором. Свет подходящими средствами направляют в элементы (1) перпендикулярно к плоскости чертежа. Окислитель, такой как, например, воздух или обогащенный кислородом воздух (или некоторый другой подходящий окислитель) подается по линиям подачи окислителя (5) и через редукционные клапаны (4) в камеры (9) с окислителем. Электрический ток снимается с проводящих сеток или перфорированных/пористых металлических листов. Если это целесообразно, то подаваемое топливо и окислитель (6 и 7) можно привести в требуемое состояние для оптимизации рабочих характеристик элемента путем использования компрессоров и теплообменников (не показаны). Необходимо отметить, что множество топливных элементов может быть смонтировано в модули, способные соединяться с проточной системой и отсоединяться от нее. Это дает возможность удалять и заменять модули или обходить их для обеспечения возможности осмотра и текущего ремонта, регенерации катализатора или другого технического обслуживания. В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения, в котором активирование катализатора светом достигается за счет освещения изнутри ППМ, возможна большая гибкость в отношении конструкции пакета элементов. Многочисленные элементы могут быть смонтированы в модули таким образом, что потоки топлива и окислителя могут направляться одновременно на их соответствующие поверхности. В предпочтительном варианте осуществления изобретения, который, как полагают, в настоящее время обеспечивает наилучший режим работы, катализатором является материал на основе WO3, свойства которого соответствуют поливольфрамовой кислоте и который, несмотря на его наличие на рынке в качестве фотохромного материала, дополнительно характеризуется ниже. Приготовление катализатора "на основе WO3", пригодного для использования при осуществлении изобретения Приготовление. Вольфрамат аммония (0,5 г) (99,999%) (Alfa Cesar) добавляли к дистиллированной воде (200 мл) при комнатной температуре с постоянным перемешиванием. Регулировали pH до 1, используя азотную кислоту (67%-ную, AnalaR). Осаждение происходило в течение 2 ч. После этого периода времени перемешивание прекращали, и в течение 24 ч давали возможность осадиться бело-желтому осадку. Затем большую часть жидкости декантировали, а осадок высушивали в течение 2 ч при температуре 100 С. Затем полученный желтый порошок смешивали с 10 мл деионизированной воды и наносили на участок покрытого золотом предметного стекла (32,5 см); обычное количество нанесенного на предметное стекло катализатора составляло 0,01 г. Затем предметное стекло подвергали термообработке до температуры между 100 и 450 С (обычно в течение 10 мин), получая бело-желтый катализатор. Характеризация. Дифракция рентгеновских лучей. На фиг. 4 показана дифрактограмма, полученная на осажденном продукте. Показанные положения пиков согласуются с WO3, но широкая полоса от приблизительно 13 до 32 2 предполагает, что также присутствует менее хорошо кристаллизованный (или нанокристаллизованный) компонент. Данные термогравиметрии. На фиг. 5 показаны результаты термогравиметрических анализов материала катализатора, высушенного при 450 С, затем повторно диспергированного в воде и после этого снова высушенного при 100 или 450 С перед конечным уравновешиванием в воде. Хотя здесь не показаны данные TG-MS (термогравиметрии - масс-спектрометрии), потеря массы в обоих случаях связана с водой. Так как WO3 не содержит воды, то очевидно, что твердый катализатор не является чистым WO3, а частично гидратирован, причем температура дегидратации свидетельствует о том, что вода сильно связана, вероятно - с поверхностями, в виде гидрооксида. Рентгеновские данные указывают на то, что уровень содержания хорошо кристаллизованного гидрооксидного материала является низким (ниже пределов обнаружения), однако, предполагают, что плохо кристаллизованный поверхностный гидрооксидный слой может иметь важное значение при определении фотокаталитических характеристик этого материала. Следует отметить, что у образца, нагретого до 450 С, потеря воды больше, и это может быть связа-6 012085 но с влияниями площади поверхности. Просвечивающая электронная микроскопия выявила довольно широкое распределение частиц по размеру в этих образцах, ограничивающее ту степень уверенности,которая может быть приписана такой интерпретации. Однако при переходе к золь-гель методике получения может быть достигнуто лучшее управление размером частиц в продуктах (см. ниже). Инфракрасные спектры с преобразованием Фурье (FTIR). Образцы катализатора диспергировали в диспергирующем агенте (KBr) и прессовали в диски. Затем получали инфракрасные спектры с преобразованием Фурье (FTIR), показанные на фиг. 6 (верхний спектр относится к образцу, повторно высушенному при 450 С; нижний спектр - образцу, повторно высушенному при 100 С). Отражательная спектроскопия в УФ/видимой области. На фиг. 7 показан спектр отражения УФ/видимого света катализатора "на основе WO3", и этот спектр указывает на то, что запрещенная энергетическая зона соответствует приблизительно 450 нм. Это подтверждает, что катализатор поглощает излучение в фиолетовой области видимого спектра, и согласуется с наблюдавшимся желтым цветом катализатора. Характеристики катализатора в фотокаталитическом топливном элементе. Действие материала в качестве фотокатализатора измеряют по его способности обесцвечивать растворы метиленового синего (метиленовой сини), введенные в фотокаталитический топливный элемент. На фиг. 8 показана обесцвечивающая активность катализатора (предварительно высушенного при 450 С) как функция времени, с облучением видимым светом или без него. Следует отметить, что градиент на графике зависит от того, включен ли источник света или нет; более крутые наклоны наблюдаются при освещении катализатора. Активная площадь катализатора составляла приблизительно 6 см 2, а объем раствора метиленового синего составлял приблизительно 70 мл. Отбираемый фототок составлял 18 мкА(максимальный наклон). Скорость обесцвечивания метиленового синего первоначально соотносили (коррелировали) с отбираемым от элемента фототоком, но затем, благодаря применению вышеописанного золь-гель метода(Santato С. et al., J. Am. Chem. Soc, 123, 2001, 10639-49), было показано, что существовала строгая обратная корреляция между током и размером частиц катализатора. Удельная электропроводность. Электроны, сгенерированные на поверхностях катализатора, могут быть потеряны из-за взаимодействия с адсорбированным кислородом, если они не могут легко перемещаться через катализатор к электронпроводящей подложке. Следовательно, дополнительным фактором при определении токосъема с топливного элемента является удельная электропроводность катализатора. Для определения характеристик проводимости катализатора использовали измерения с помощью метода импедансной спектроскопии на переменном токе, и предварительные данные сообщаются ниже и на фиг. 10. Считают, что при более высокой температуре обжига достигается лучший контакт частица-частица за счет частичного спекания. Это обеспечивает лучшие средства для перемещения электронов между зернами и согласуется с более высокой удельной проводимостью образца, предварительно высушенного при 450 С. Выводы и первоначальная интерпретация. Как полагают, восстановленный вольфрам (W(V в значительной степени связан с поверхностными "синими" составами гидроксилированного вольфрама общей формы HxWO3-x/2. Чем меньше размер частиц, тем больше площадь поверхности и больше ожидаемая доля гидратированного материала. Возможно, что эта более высокая доля может коррелироваться с числом образованных носителей заряда. В таком случае важной (существенной) функцией катода является вытягивание этих носителей из катализатора, и это, следовательно, основывается на низком электронном сопротивлении катализатора. Промышленная применимость Топливный элемент, описанный здесь, обеспечивает получение фотокаталитического реактора, который может быть применен по всему ряду вариантов применения, предусмотренных для обычных топливных элементов прямого окисления, и может быть также применен для окисления опасных органических загрязнителей в ходе анодной реакции в топливном элементе согласно изобретению. Таким образом, изобретение применимо в области водоочистки, в технологии улучшения состояния окружающей среды, в качестве реактора для обезвреживания жизненно важных текучих сред и особенно при удалении опасных органических загрязнителей. Такой реактор обезвреживания может быть применен в нефтяной и газовой промышленности, например, при функциональном использовании с гидроциклонными сепараторами и в других операциях по обработке текучих сред, будучи установленным в виде встраиваемого в процесс оборудования для обработки органических загрязнений. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Фотокаталитический реактор, способный вырабатывать электрический ток за счет потребления топлива, содержащего органический материал, причем упомянутый реактор содержит топливный элемент прямого окисления, включающий в себя анод и катод, при этом анод представляет собой действующий с помощью фотокатализа анод, который содержит фотокатализатор на поверхности электропроводящей подложки, располагаемой так, чтобы она была восприимчивой к свету, и светопропускающую протонпроводящую мембрану, расположенную между упомянутым анодом и катодом, причем эта протонпроводящая мембрана находится в контакте с фотокатализатором, так что свет проходит через упомянутую мембрану в качестве конечной стадии на оптическом пути к фотокатализатору, причем упомянутый фотокатализатор способен промотировать окисление органического материала и генерировать пары электрон-дырка, а упомянутый реактор снабжен средствами для введения упомянутого топлива и средствами для соединения с внешней электрической цепью. 2. Фотокаталитический реактор по п.1, в котором упомянутая протонпроводящая мембрана образована из светопроводящего материала. 3. Фотокаталитический реактор по п.1 или 2, в котором мембрана содержит протонпроводящее стекло. 4. Фотокаталитический реактор по любому из пп.1-3, в котором протонпроводящую мембрану от катода отделяет протонпроводящая металлическая пленка. 5. Фотокаталитический реактор по любому из пп.1-4, в котором мембрана представляет собой твердый электролит, который способен проводить свет на фотокаталитическую поверхность анода. 6. Фотокаталитический реактор по п.5, в котором светопроводящий твердый электролит является химически модифицированным для усиления пропускания света на фотокаталитическую поверхность. 7. Фотокаталитический реактор по п.5, в котором светопроводящий твердый электролит является физически модифицированным для усиления пропускания света на фотокаталитическую поверхность. 8. Фотокаталитический реактор по любому из предшествующих пунктов, в котором анод содержит материал, способный проявлять фотокаталитические эффекты, причем упомянутый материал содержит системы оксидов металлов со стабильными смешанными валентностями. 9. Фотокаталитический реактор по любому из пп.1-8, в котором анод содержит материал, способный проявлять фотокаталитические эффекты и выбранный из танталатов индия-никеля, оксидов вольфрама, оксидов титана и их сочетаний по меньшей мере с одним из оксидов вольфрама, оксидов молибдена и азота. 10. Фотокаталитический реактор по п.1, в котором фотокатализатор активируется видимым светом(400-750 нм). 11. Фотокаталитический реактор по любому из предшествующих пунктов, в котором топливо представляет собой водную жидкость, которая содержит органические загрязнители, которые способны разрушаться посредством реакции фотокаталитического окисления на аноде. 12. Фотокаталитический реактор по любому из предшествующих пунктов, в котором катод выбран из сетки, пористого элемента или перфорированной полосы. 13. Фотокаталитический реактор по любому из предшествующих пунктов, в котором катод выполнен из материала, выбранного из благородных металлов, каталитических сплавов или керамики. 14. Фотокаталитический реактор по любому из предшествующих пунктов, функционально соединенный в проточном исполнении с линией подачи потока текучей среды, содержащей загрязненную текучую среду, содержащую органические загрязнители, используемые в качестве топлива для топливного элемента прямого окисления. 15. Фотокаталитический реактор по любому из предшествующих пунктов, в котором протонпроводящая мембрана находится в контакте с анодом и катодом. 16. Источник электроэнергии, содержащий множество модифицированных топливных элементов прямого окисления, в которых анод представляет собой действующий с помощью фотокатализа анод,который содержит фотокатализатор на поверхности электропроводящей подложки, располагаемой так,чтобы она была восприимчивой к свету, и светопропускающую протонпроводящую мембрану, расположенную между упомянутым анодом и катодом, причем эта протонпроводящая мембрана находится в контакте с фотокатализатором, так что свет проходит через упомянутую мембрану в качестве конечной стадии на оптическом пути к фотокатализатору, причем упомянутый фотокатализатор способен промотировать окисление органического материала и генерировать пары электрон-дырка, а упомянутые топливные элементы расположены с образованием пакета или батареи. 17. Способ выработки электроэнергии, в частности, за счет потребления органического топлива, посредством фотокаталитической реакции, проводимой в топливном элементе прямого окисления, включающий в себя воздействие на фотокаталитическую поверхность топливного элемента света; подачу топлива к аноду для фотокаталитического окисления; и генерирование электроэнергии в результате фотокаталитического окисления топлива, при этом топливный элемент включает в себя анод и катод, причем-8 012085 анод представляет собой действующий с помощью фотокатализа анод, который содержит фотокатализатор на поверхности электропроводящей подложки, располагаемой так, чтобы она была восприимчивой к свету, и светопропускающую протонпроводящую мембрану, расположенную между упомянутым анодом и катодом, причем эта протонпроводящая мембрана находится в контакте с фотокатализатором, так что свет проходит через упомянутую мембрану в качестве конечной стадии на оптическом пути к фотокатализатору, причем упомянутый фотокатализатор способен промотировать окисление органического материала и генерировать пары электрон-дырка. 18. Способ по п.17, в котором топливный элемент содержится в фотокаталитическом реакторе по любому из пп.1-15. 19. Способ обработки загрязненной органическим материалом текучей среды, включающий в себя использование упомянутой текучей среды при подаче топлива к топливному элементу, содержащемуся в фотокаталитическом реакторе по любому из пп.1-15.