Химические преобразователи солнечной энергии

План.

1.Общая ситуация.

2.Виды преобразователей солнечной энергии.

3.Норборнадиен — квадрициклан, как система преобразования солнечной энергии.

4.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+ΔН.

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 + ½Cl2

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 (2π+2π). В подобных системах, как правило, термодинамическое равновесие полностью смещено в сторону реагента.

Две π-связи в этих реакциях преобразуются в две σ-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:



Теги: энергии