Реферат: Химические преобразователи солнечной энергии
Реферат: 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:
·
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 + 1/2Cl²
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.
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:
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.
2. Беккер Г. О. Введение
в фотохимию органических соединений. Химия1976.
3. Брень В. А. Успехи
химии.1991.
4. Флид В.Р. Журнал
общей химии.1992.
|