Химические преобразователи солнечной энергии

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+?Н.

Основные требования сводятся следующему:

. Реагент А должен поглощать свет в УФ и видимых частях спектра (400-650

нм), так как более 50% СЕ, достигающей Земли, распределено в области 300-

700 нм. Фотоизомер В, наоборот, не должен поглощать в этой области, чтобы

избежать фотоинициирования обратной реакции. Во избежание потерь энергии

оба компонента должны быть нелюминесцирующими;

. 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 + 1/2ClІ

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 (2?+2?) – циклоприсоединения. В этих реакциях две ? –

связи преобразуются в две ? – 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.

Заключение.

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:

Введение.

Системы, аккумулирующие солнечную энергию, и требования к ним.

Система норборнадиен – квадрициклан.

Использование сенсиблизаторов.

Заключение.

Список литературы:

Эткинс П. Физическая химия. Мир, 1980.

Беккер Г. О. Введение в фотохимию органических соединений. Химия1976.

Брень В. А. Успехи химии.1991.

Флид В.Р. Журнал общей химии.1992.