Химические преобразователи солнечной энергии
Министерство образования РФ
МГЭГ №26.
Химические преобразователи
солнечной энергии.
Выполнил:
ученик 11В класса
Прушинский Евгений.
Томск 2001.
Введение.
Современная
энергетика опирается главным образом на такие источники, в которых запасена
солнечная энергия (СЭ). Прежде всего это ископаемые виды топлива, для
образования которых требуются миллионы лет. В своей деятельности человечество с
постоянно возрастающими темпами растрачивает их поистине гигантский запас.
Истощение месторождений нефти, угля и природного газа неизбежно, и, по
различным оценкам, время, отпущенное на то, чтобы переключиться на
альтернативные источники энергии (солнечную, океаническую, ветровую,
вулканическую), составляет 100-150 лет. Большой интерес также представляют
поиски химических способов аккумулирования СЭ.
Системы, аккумулирующие
солнечную энергию, и требования к ним.
Диапазон использования солнечного
излучения чрезвычайно широк. Энергией Солнца питаются высоко температурные
установки, концентрирующие поток лучей с помощью зеркал. В качестве
аккумуляторов энергии в них используются как физические теплоносители, так и
некоторые неорганические вещества, способные к циклическим реакциям
термического разложения- синтеза (оксиды, гидраты, сульфаты, карбонаты).
Устройства другого типа преобразуют энергию излучения в электрическую, тепловую
или энергию химических реакций посредством фотофизических или фотохимических
процессов. Среди фотохимических путей преобразования СЭ наиболее значимыми
являются следующие:
·
Фотокаталитическое
разложение воды под действием металлокомплексных соединений;
·
Создание
«солнечных фотоэлектролизёров», основанных на фотоэлектронных переносах или фотогальваническом
эффекте;
·
Фотосинтез
- наиболее эффективный биохимический способ преобразования энергии Солнца.
Наряду
с ними значительный интерес представляют химические системы, способные
аккумулировать СЭ в виде энергии напряжения химических связей. Такие системы удовлетворять требованиям , которые относятся как к
фотохромному реагенту А и продукту В, так и к параметрам процесса.
А↔В+ΔН.
Основные
требования сводятся следующему:
·
Обратная
реакция должна иметь значительный тепловой эффект (>300 Дж/г);
·
Для длительного
сохранения запасённой фотопродуктом В энергии активационный барьер термического
перехода В→А должен быть достаточно большим – порядка 100 кДж/моль;
·
Прямая фотохимическая
реакция должна характеризоваться высоким квантовым выходом, обратная подвержена
каталитическому ускорению или тепловому инициированию;
·
Прямой и
обратный процессы должны характеризоваться высокими степенями превращения и
отсутствием побочных продуктов;
·
Вещества
А и В должны достаточно дешёвыми, доступными, нетоксичными, взрывобезопасными и
химически устойчивыми по отношению к атмосферной влаге и воздуху.
Среди органических
систем, удовлетворяющих указанным выше условиям, наиболее важными являются
следующие:
·
Валентная
изомеризация нитрон – оксазиридин;
·
Геометрическая
(Е)↔(Z) изомеризация производных
индиго;
·
Геометрическая
изомеризация N – ацилированных аминов
и нитрилов с последующей внутримолекулярной перегруппировкой;
·
Термически
обратимая реакция фотодимеризации производных антрацена.
Циклические реакции
фотораспада – термической рекомбинации свойственны и некоторым неорганическим
системам, например фоторазложению нитрозилхлорида:
NOCl ↔NO + 1/2Cl²
Основное преимущество органических систем перед
неорганическими связано с возможностью широкого варьирования строения молекул с
целью улучшения их спектральных характеристик как аккумуляторов и преобразователей
СЭ.
Система норборнадиен – квадрициклан.
Исследования, проводимые в последние годы, указывают
на перспективность использования систем, для которых характерна
фотоинициируемая валентная изомеризация по типу (2π+2π) – циклоприсоединения.
В этих реакциях две π – связи преобразуются в две σ – связи с
образованием циклобутанового производного.
Как правило, в подобных системах термодинамическое
равновесие полностью смещено в сторону реагента.
Рассмотрим более детально один из наиболее
перспективных объектов для такого рода превращений – норборнадиен (бицикло [2.2.1] гепта – 2,5 – диен) и его производные. Соединения норборнадиенового
ряда могут быть достаточно легко синтезированы по реакции дневного синтеза. Реагентами
для получения норборнадиен производных являются крупнотоннажные продукты органического
синтеза – циклопентадиен и ацетилен.
Норборнадиен – интересная и во многом уникальная
молекула. Это редкий пример 1,4 – диеновых углеводородов, в которых такое
расположение двойных связей является наиболее термодинамически устойчивым.
Использование сенсиблизаторов.
Фотопревращение незамещённого норборнадиена в
квадрициклан характеризуется низким квантовым выходом, который, однако, может
быть значительно повышен при использовании сенсибилизаторов. Наилучшие результаты
получены при использовании солей меди или фенилкетонов. Однако и в этих
системах имеются недостатки: во-первых, они “работают” только в УФ – области спектра;
во-вторых, комплексы Cu(|) окисляются до соединений Cu(||), не проявляющих фотоактивности, а
кетоны химически взаимодействуют с норборнадиеном при облучении, образуя
продукты фотоприсоединения. Эти причины затрудняют практическое использование
такого рода сенсибилизаторов.
Глобальная экологическая проблема предъявляет к
химико – технологическим процессам всё более жёсткие требования. В этих
условиях фотохимические методы, которые позволяют весьма избирательно подводить
энергию и использовать её в химических превращениях, могут сыграть важную роль.
Свет представляет собой как бы безынерционный химический реагент, не дающий
отходов. Тем не менее в настоящее время фотохимические процессы в
крупномасштабном производстве имеют подчинённое значение прежде всего потому,
что ещё не решены сложные сопутствующие технические проблемы. Всё сказанное выше
в полной мере относится к системе норборнадиен – квадрициклан. Её практическая
ценность очевидна. В некоторых развитых странах уже проводятся разработки
малогабаритных экспериментальных установок, работающих на норборнадиене, для
обогрева зданий, садовых домиков, теплиц.
Однако на пути крупномасштабного использования
тепловой энергии, выделяющейся при каталитическом превращении квадрициклана в
норборнадиен, имеются препятствия экономического характера. Так, в настоящее
время стоимость тепла (в виде водяного пара), получаемого этим способом, в 50 –
100 раз превышает аналогичные показатели для традиционных методов. Необходима дальнейшая
модификация этих систем. Основные направления усовершенствования: увеличение числа
рабочих циклов до 10000 и выше, повышение квантового выхода и конверсии
норборнадиена в каждом цикле, а также удешевление синтеза производных
норборнадиена, обладающих подходящими спектральными характеристиками. Тем не
менее создание малогабаритных установок может быть оправданно и сегодня – для солнечных
регионов, удалённых от других источников энергии, для искусственных спутников.
Содержание:
1.
Введение.
2.
Системы,
аккумулирующие солнечную энергию, и требования к ним.
3.
Система
норборнадиен – квадрициклан.
4.
Использование
сенсиблизаторов.
5.
Заключение.
Список литературы:
1. Эткинс П. Физическая химия.
Мир, 1980.
3. Брень В. А. Успехи
химии.1991.
4. Флид В.Р. Журнал общей
химии.1992.