Химические преобразователи солнечной энергии

План

1. Общая ситуация

2. Виды преобразователей солнечной энергии

3. Норборнадиен - квадрициклан, как система преобразования солнечной энергии

Заключение

1. Общая ситуация

Одним из основных факторов уровня развития общества, является его энергетическая база, причем потребности человечества в энергии удваиваются каждые 10-15 лет.

Современная энергетика является топливной и более чем на 90% базируется на использовании химических топлив на основе природных горючих ископаемых: нефти, угля, газов, продуктов их переработки. А как известно все эти ресурсы ограничены и будут в конце концов истощены. Такое положение определяет поиск новых источников энергии и получение на их основе синтетических топлив.

Такими альтернативными источниками являются океаническая, ветровая, вулканическая и, конечно же, солнечная энергии. Резервы солнечной энергии значительно превышают не только современные, но и будущие энергетические потребности человечества.

2. Виды преобразователей солнечной энергии

Системы, аккумулирующие солнечную энергию, делятся на те, в которых используются физические теплоносители, и на системы, в которых используются неорганические вещества, способные к циклическим реакциям термического разложения- синтеза (оксиды, сульфаты, гидраты, карбонаты).

Далее другой тип устройств преобразует энергию излучения в электрическую, тепловую или энергию химических реакций, с использованием фотофизических или фотохимических процессов.

Рассмотрим методы преобразования солнечной энергии фотохимическими способами:

1. Наибболее эффективный способ преобразования энергии - фотосинтез;

2. Фотокаталитическое разложение воды под действием металлокомплексных соединений;

3. Создание фотокаталитических систем разложения воды.

Следующим методом являются химические системы, способные аккумулировать солнечную энергию в виде энергии напряжения химических связей.

Преобразование выглядит следующим образом:

А-В+ДН.

Требования, которым должны удовлетворять фотохромный реагент А и продукт В, а так же параметры процесса, сводятся к следущему:

- Прямая фотохимическая реакция должна характеризоваться высоким квантовым выходом, обратная подвержена каталитическому ускорению или тепловому инициированию;

- Должны соблюдаться условия экономической выгоды, экологической и производственной безопасности (А и В должны достаточно дешёвыми, доступными, нетоксичными, химически устойчивыми по отношению к атмосферной влаге и воздуху, взрывобезопасными;

- Процессы должны характеризоваться высокими степенями превращения и отсутствием побочных продуктов;

- Так как более 50% СЕ, достигающей Земли, распределено в области 300-700 нм, реагент А должен поглощать свет в УФ и видимых частях спектра (400-650 нм).

Чтобы избежать фотоинициирования обратной реакции, фотоизомер В, наоборот, не должен поглощать в этой области;

- Активационный барьер термического перехода В>А должен быть достаточно большим, порядка 100 кДж/моль (для длительного сохранения запасённой фотопродуктом В энергии);

- Обратная реакция должна иметь значительный тепловой эффект (>300 Дж/г).

Как органическим так и некоторым неорганическим системам свойственны циклические реакции фотораспада - термической рекомбинации.

Органические системы, отвечающие указанным условиям:

- Геометрическая изомеризация N - ацилированных аминов и нитрилов с последующей внутримолекулярной перегруппировкой;

- Валентная изомеризация нитрон - оксазиридин;

- Термически обратимая реакция фотодимеризации производных антрацена;

- Геометрическая (Е)-(Z) изомеризация производных индиго.

Из неорганических систем циклические реакции фотораспада присущи, например, фоторазложению нитрозилхлорида:

NOCl -NO + 1/2Cl2

Но органических систем обладают преимуществом перед неорганическими.

И связано оно с возможностью широкого варьирования строения молекул, что позволяет улучшить их спектральные характеристики, как аккумуляторов и преобразователей солнечной энергии.

3. Норборнадиен - квадрициклан, как система преобразования солнечной энергии

Исследования, проводимые в последние годы, указывают на перспективность использования систем, для которых характерна фотоинициируемая валентная изомеризация по типу (2р +2р). В подобных системах, как правило, термодинамическое равновесие полностью смещено в сторону реагента.

Две р - связи в этих реакциях преобразуются в две у- связи с образованием циклобутанового производного.

Один из наиболее перспективных объектов для такого рода превращений - норборнадиен, а также некоторые его производные.

Реагентами для получения норборнадиен производных являются крупнотоннажные продукты органического синтеза - циклопентадиен и ацетилен. Они могут быть легко синтезированы по реакции дневного синтеза.

Норборнадиен является своего рода уникальной молекулой. Это редкий пример, когда такое расположение двойных связей (1,4 - диеновых углеводородов) является наиболее термодинамически устойчивым.

Рассмотрим эффект превращения более детально.

Наилучшие результаты превращения достигаются при использовании сенсиблизаторов, какими являются - солей меди или фенилкетоны. Низкий квантовый выход, которым характеризуется фотопревращение незамещённого норборнадиена в квадрициклан может быть значительно повышен при использовании таких сенсибилизаторов.

Конечно, имеются недостатки и при таком методе, которые затрудняют практическое использование такого рода сенсибилизаторов:

сенсабилизаторы оказывают действие только в УФ - области спектра;

комплексы Cu(|) окисляются до соединений Cu(||), которые не не проявляют фотоактивности;

при химическом взаимодействии кетонов с норборнадиеном при облучении, образуются продукты фотоприсоединения.

Заключение

Если идти от частного к общему, оценивая фотохимические методы, которые позволяют весьма избирательно подводить энергию и использовать её в химических превращениях на примере системы норборнадиен - квадрициклан, очевидна практическая ценность таких методов. Надо сказать, что уже сейчас в некоторых развитых странах проводятся разработки малогабаритных экспериментальных установок, для обогрева зданий, садовых домиков, теплиц, работающих на норборнадиене. Создание малогабаритных установок оправдывает свое существование, несмотря на высокие расходы, уже сейчас, например, для солнечных регионов, удалённых от других источников энергии, для искусственных спутников.

И тем не менее в крупномасштабном производстве, где ещё не решены сложные сопутствующие технические проблемы, фотохимические процессы имеют подчинённое значение. Необходима дальнейшая разработка и модификация таких систем. Кроме того, крупномасштабное использовании тепловой энергии, выделяющейся при каталитическом превращении квадрициклана в норборнадиен, пока не выгодно с экономической точки зрения. Затраты на производство водяного пара (тепло), с помощью перечисленных методов, превышают в 50-100 раз затраты на производство тепла традиционными методами.

Уже определены направления усовершенствования и поставлены задачи. Это - удешевление синтеза производных норборнадиена, обладающих подходящими спектральными характеристиками, повышение квантового выхода и конверсии норборнадиена в каждом цикле, увеличение числа рабочих циклов до 10000 и выше.

Большое влияние на поиск новых решений в области использования солнечной энергии оказывает глобальная экологическая проблема истощения ресурсов и загрязнения окружающей среды. А солнечная энергия представляет собой как бы безынерционный химический реагент, не дающий отходов.

Список литературы

1. Беккер Г.О. Введение в фотохимию органических соединений. Химия 1976.

2. Флид В.Р. Журнал общей химии. 1992.

3. Эткинс П. Физическая химия. Мир, 1980.

4. Брень В.А. Успехи химии.1991.