Солнечная химия

Солнечная химия относится к ряду возможных процессов, в которых используется солнечная энергия путем поглощения солнечного света в химической реакции . Идея концептуально аналогична фотосинтезу у растений, который преобразует солнечную энергию в химические связи молекул глюкозы, но без использования живых организмов, поэтому его еще называют искусственным фотосинтезом . ^[1]

Многообещающим подходом является использование сфокусированного солнечного света для получения энергии, необходимой для расщепления воды на составляющие ее водород и кислород в присутствии металлического катализатора, такого как цинк . Обычно это делается в два этапа, чтобы водород и кислород не производились в одной камере, что создает опасность взрыва. Другой подход предполагает использование образующегося в этом процессе водорода и объединение его с углекислым газом для создания метана. Преимущество этого подхода заключается в том, что существует налаженная инфраструктура для транспортировки и сжигания метана для производства электроэнергии, чего нельзя сказать о водороде. Один главный недостаток обоих этих подходов является общим для большинства методов хранения энергии: добавление дополнительного этапа между сбором энергии и ее производством резко снижает эффективность всего процесса.

Фон

Еще в 1909 г. была исследована димеризация антрацена в диантрацен как средство хранения солнечной энергии, а также фотодимеризация нафталинового ряда. ^[2] В 70-х и 80-х годах топливо было изготовлено из другого обратимого химического вещества, цикла превращения норборнадиена в квадрициклан, но это не удалось, поскольку процесс обращения имел низкий потенциал. Были также попытки создания молекул на основе рутения, но они были отклонены, поскольку рутений является редким и слишком тяжелым материалом. ^[3] В последнее десятилетие была выдвинута теория новой гибридной наноструктуры как нового подхода к ранее известной концепции хранения солнечной энергии.

Хранение химикатов

Фотодимеризация — это индуцированное светом образование димеров , а фотоизомеризация — это индуцированное светом образование изомеров . В то время как фотодимеризация сохраняет энергию солнечного света в новых химических связях, фотоизомеризация сохраняет солнечную энергию за счет переориентации существующих химических связей в конфигурацию с более высокой энергией.

Чтобы изомер мог сохранять энергию, он должен быть метастабильным, как показано выше. Это приводит к компромиссу между стабильностью топливного изомера и тем, сколько энергии необходимо вложить, чтобы обратить реакцию вспять, когда придет время использовать топливо. Изомер запасает энергию в виде энергии деформации в своих связях. Чем более натянуты связи, тем больше энергии они могут хранить, но тем менее стабильна молекула. Энергия активации Ea используется для характеристики того, насколько легко или трудно протекает реакция. Если энергия активации слишком мала, топливо будет иметь тенденцию самопроизвольно переходить в более стабильное состояние, что ограничивает его полезность в качестве носителя информации. Однако если энергия активации очень велика, энергия, затраченная на извлечение энергии из топлива, будет эффективно уменьшать количество энергии, которую может хранить топливо. Чтобы найти полезную молекулу для солнечного топлива, необходимо найти правильный баланс между выходом, светопоглощением молекулы, стабильностью молекулы в метастабильном состоянии и тем, сколько раз молекула может пройти цикл без разложения.

Различные кетоны, азепины и норборнадиены , а также другие соединения, такие как азобензол и его производные, были исследованы как изомеры, потенциально способные накапливать энергию. ^[4] Пара норборнадиен квадрициклан - . и ее производные широко исследовались на предмет использования в процессах хранения солнечной энергии Норборнадиен преобразуется в квадрициклан с использованием энергии, извлеченной из солнечного света, а контролируемое высвобождение энергии деформации, накопленной в квадрициклане (около 110 кДж / моль ), когда он снова расслабляется до норборнадиена, позволяет снова извлечь энергию для использования позже.

Исследования систем азобензола и норбонадиен-квадрициклана были прекращены в 1980-х годах как непрактичные из-за проблем с разложением, нестабильностью, низкой плотностью энергии и стоимостью. ^[5] Однако с недавними достижениями в области вычислительной мощности возобновился интерес к поиску материалов для солнечного теплового топлива. В 2011 году исследователи из Массачусетского технологического института использовали теорию функционала плотности, зависящую от времени, которая моделирует системы на атомном уровне, для разработки системы, состоящей из молекул азобензола, связанных с шаблонами углеродных нанотрубок (УНТ). Подложки из УНТ позволят настраивать взаимодействие между соседними молекулами, что значительно поможет в точной настройке свойств топлива, например, увеличении количества запасаемой энергии. ^[3] С помощью экспериментальных процедур исследователи смогли получить первое принципиальное доказательство того, что гибридная наноструктура работает как функциональное тепловое топливо. Преимущество азобензолов состоит в том, что они поглощают длины волн, которых очень много в солнечном свете. Когда это происходит, молекула превращается из транс-изомера в цис-изомер, который имеет более высокое энергетическое состояние, около 0,6 эВ. ^[5] Чтобы вернуть молекулу в исходное состояние, то есть высвободить накопленную ею энергию, есть несколько вариантов. Первый заключается в применении тепла, но это связано с затратами, которые по сравнению с количеством тепла, которое будет произведено в результате выброса, не являются экономически эффективными. Второй, более эффективный вариант — использовать катализатор, который снижает тепловой барьер и позволяет выделять тепло, почти как переключатель. ^[6] Обратный переход от цис к транс также может быть вызван синим видимым светом.

Эта система обеспечивает плотность энергии, сравнимую с литий-ионными батареями, одновременно увеличивая стабильность активированного топлива с нескольких минут до более года и позволяя проводить большое количество циклов без существенной деградации. ^[3] Дальнейшие исследования проводятся в поисках еще большего улучшения путем изучения различных возможных комбинаций субстратов и фотоактивных молекул.

Приложения

Существует широкий спектр потенциальных и текущих применений солнечного химического топлива. Одним из главных плюсов этой технологии является ее масштабируемость. Поскольку энергию можно хранить, а затем при необходимости преобразовывать в тепло, она идеально подходит для небольших мобильных устройств. Они варьируются от портативных печей или небольших персональных обогревателей, которые можно заряжать на солнце, до обеспечения медицинских санитарных услуг в зонах, не подключенных к электросети. В разработке даже находятся планы по использованию системы, разработанной в Массачусетском технологическом институте, в качестве системы противообледенения стекол в автомобилях. Его также можно масштабировать и обогревать большие дома или здания или даже нагревать водоемы. Солнечное тепловое топливо в идеале могло бы работать бесконечно без деградации, что делает его идеальным для более масштабных проектов, которые, как правило, требуют большего количества замен других форм хранения.

Ссылки

^ Магнусон, А; и др. (2009). «Биомиметические и микробные подходы к производству солнечного топлива». Отчеты о химических исследованиях . 42 (12): 1899–1908. дои : 10.1021/ar900127h . ПМИД 19757805 .
^ Болтон, Джеймс (1977). Солнечная энергия и топливо . Academic Press, Inc. ISBN 978-0-12-112350-5 . , с. 235-237
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Колпак, Алексий; Джеффри Гроссман (2011). «Углеродные нанотрубки, функционализированные азобензолом, как солнечное тепловое топливо с высокой плотностью энергии». Нано-буквы . 11 (8): 3156–3162. Бибкод : 2011NanoL..11.3156K . дои : 10.1021/nl201357n . ПМИД 21688811 .
^ Болтон, Джеймс (1977). Солнечная энергия и топливо . Academic Press, Inc. ISBN 978-0-12-112350-5 . , с. 238-240
^ Перейти обратно: ^а ^б Дурган, Э.; Джеффри Гроссман (4 марта 2013 г.). «Фотопереключаемые молекулярные кольца для хранения солнечно-тепловой энергии». Журнал писем по физической химии . 4 (6): 854–860. CiteSeerX 10.1.1.707.1787 . дои : 10.1021/jz301877n . ПМИД 26291346 .
^ «Центр обработки материалов» . Проверено 9 августа 2017 г.

Внешние ссылки

Система термохимического хранения энергии АНУ – Австралийский национальный университет, Канберра.
Лаборатория солнечных технологий – Институт Пауля Шеррера, Виллиген, Швейцария.
Журнал Power & Energy , март 2004 г., статья о работе Института Пола Шеррера.
Проект солнечной химии Plataforma Solar de Almería, Испания,
Исракаст – Израиль,
Водородная солнечная энергия – Великобритания.

[1] Магнусон, А; и др. (2009). «Биомиметические и микробные подходы к производству солнечного топлива». Отчеты о химических исследованиях . 42 (12): 1899–1908. дои : 10.1021/ar900127h . ПМИД 19757805 .

[2] Болтон, Джеймс (1977). Солнечная энергия и топливо . Academic Press, Inc. ISBN 978-0-12-112350-5 . , с. 235-237

[:0-3] Перейти обратно: ^а ^б ^с Колпак, Алексий; Джеффри Гроссман (2011). «Углеродные нанотрубки, функционализированные азобензолом, как солнечное тепловое топливо с высокой плотностью энергии». Нано-буквы . 11 (8): 3156–3162. Бибкод : 2011NanoL..11.3156K . дои : 10.1021/nl201357n . ПМИД 21688811 .

[4] Болтон, Джеймс (1977). Солнечная энергия и топливо . Academic Press, Inc. ISBN 978-0-12-112350-5 . , с. 238-240

[Durgan_854–860-5] Перейти обратно: ^а ^б Дурган, Э.; Джеффри Гроссман (4 марта 2013 г.). «Фотопереключаемые молекулярные кольца для хранения солнечно-тепловой энергии». Журнал писем по физической химии . 4 (6): 854–860. CiteSeerX 10.1.1.707.1787 . дои : 10.1021/jz301877n . ПМИД 26291346 .

[6] «Центр обработки материалов» . Проверено 9 августа 2017 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]