Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Күн химиясы – химиялық реакция кезінде күн сәулесін сіңіру арқылы күн энергиясын пайдаланатын бірнеше мүмкін процестерді қамтиды. Бұл идея тұжырымдық тұрғыдан өсімдіктердегі фотосинтез процесіне ұқсас, ол күн энергиясын глюкоза молекулаларының химиялық байланыстарына айналдырады, бірақ тірі организмдерді қолданбайды, сондықтан оны жасанды фотосинтез деп те атайды. Үміт беретін тәсілдердің бірі – цинк сияқты металл катализаторының қатысуымен суды құрамына кіретін сутегі мен оттегіге бөлу үшін қажетті энергияны қамтамасыз ету үшін шоғырланған күн сәулесін пайдалану. Бұл әдетте екі кезеңді процесс ретінде жүзеге асырылады, осылайша сутегі мен оттегі бір камерада түзілмейді, бұл жарылыс қаупін тудырады. Тағы бір тәсіл – осы процесс барысында алынған сутекті көмірқышқыл газымен біріктіріп, метан жасау. Бұл тәсілдің артықшылығы – метанды тасымалдау және электр энергиясын өндіру үшін жағуға арналған инфрақұрылымның дамығандығы, ал сутегі үшін мұндай жағдай жоқ. Аталған екі тәсілдің де басты кемшілігі – энергияны сақтаудың көптеген әдістеріне тән: энергияны жинау мен электр энергиясын өндіру арасына қосымша кезең енгізу процестің жалпы тиімділігін күрт төмендетеді.
Solar chemical refers to a number of possible processes that harness solar energy by absorbing sunlight in a chemical reaction. The idea is conceptually similar to photosynthesis in plants, which converts solar energy into the chemical bonds of glucose molecules, but without using living organisms, which is why it is also called artificial photosynthesis. A promising approach is to use focused sunlight to provide the energy needed to split water into its constituent hydrogen and oxygen in the presence of a metallic catalyst such as zinc. This is normally done in a two step process so that hydrogen and oxygen are not produced in the same chamber, which creates an explosion hazard. Another approach involves taking the hydrogen created in this process and combining it with carbon dioxide to create methane. The benefit of this approach is that there is an established infrastructure for transporting and burning methane for power generation, which is not true for hydrogen. One main drawback to both of these approaches is common to most methods of energy storage: adding an extra step between energy collection and electricity production drastically decreases the efficiency of the overall process.
Өмірбаян
1909 жылдан бастап, антраценнің диантраценге димеризациясы күн энергиясын сақтау құралы ретінде, сондай-ақ нафталин қатарының фотодимеризациясы зерттелді. 70-80 жылдары норбондадиеннен квадрицикләнға айналу циклінен басқа кері қайтатын химиялық заттан отын жасауға талпыныс жасалды, бірақ кері процестің потенциалы төмен болғандықтан бұл сәтсіз аяқталды. Рутений негізді молекулалар да сынақтан өтті, бірақ рутений сирек кездесетін және тым ауыр материал болғандықтан бұл идея қабылданбады. Соңғы он жылда күн энергиясын сақтаудың бұрыннан белгілі түсінігіне жаңа тәсіл ретінде жаңа гибридтік наноқұрылым теориялық тұрғыдан қарастырылды.
As early as 1909, the dimerization of anthracene into dianthracene was investigated as a means of storing solar energy, as well as the photodimerization of the naphthalene series. In the 70’s and 80’s a fuel had been made from another reversible chemical, the norbornadiene to quadricyclane transformation cycle, but this failed because the reversal process had a low potential. Ruthenium based molecules were also attempted, but this was dismissed because ruthenium is both rare and too heavy of a material. In the past decade, a new hybrid nanostructure was theorized as a new approach to this previously known concept of solar energy storage.
Химиялық сақтау
Фотодимеризация – димерлердің жарық әсерінен түзілуі, ал фотоизомеризация – изомерлердің жарық әсерінен түзілуі. Фотодимеризация күн сәулесінің энергиясын жаңа химиялық байланыстарда сақтайды, ал фотоизомеризация күн энергиясын қолданыстағы химиялық байланыстарды жоғары энергетикалық конфигурацияға өзгерту арқылы сақтайды. Изомер энергияны сақтау үшін, жоғарыда көрсетілгендей, метастабильді болуы керек. Бұл отын изомерінің тұрақтылығы мен отынды пайдалану қажеттілігі туғанда реакцияны кері қайтаруға жұмсалатын энергия мөлшері арасындағы қақтығысқа әкеледі. Изомер энергияны байланыстарындағы кернеу энергиясы түрінде сақтайды. Байланыстардың кернеуі жоғары болған сайын, олар көбірек энергия сақтай алады, бірақ молекуланың тұрақтылығы төмендейді. Реакцияның жүруінің қаншалықты оңай немесе қиын екенін сипаттау үшін активация энергиясы, Ea қолданылады. Егер активация энергиясы тым төмен болса, отын өздігінен тұрақты күйге өтуге бейім, бұл оны сақтау ортасы ретінде пайдалылығын шектейді. Дегенмен, егер активация энергиясы өте жоғары болса, отыннан энергияны алуға жұмсалатын энергия, отын сақтай алатын энергия мөлшерін тиімді түрде азайтады. Күн отыны үшін пайдалы молекула табу үшін өнімділік, молекуланың жарық сіңіру қабілеті, метастабильді күйдегі молекуланың тұрақтылығы және молекуланың бұзылмай қанша рет айналуға болатыны ескерілуі керек. Әртүрлі кетондар, азепиндер және норборнадиендер, сондай-ақ азобензол және оның туындылары энергияны сақтаудың әлеуетті изомерлері ретінде зерттелді. Норборнадиен квадрициклан жұбы және оның туындылары күн энергиясын сақтау процестері үшін кеңінен зерттелді. Норборнадиен күн сәулесінен алынған энергияны пайдалана отырып квадрицикланға айналады, ал квадрицикланда сақталған кернеу энергиясының (шамамен 110 кДж/моль) бақыланатын босатылуы, ол норборнадиенге оралған кезде, энергияны кейін пайдалану үшін қайтадан алуға мүмкіндік береді. Азобензол және норборнадиен квадрициклан жүйелеріндегі зерттеулер 1980 жылдары ыдырау, тұрақсыздық, энергия тығыздығының төмендігі және құнына байланысты практикалық емес деп тоқтатылды. Бірақ, соңғы уақытта компьютерлік қуаттың жетістіктеріне байланысты, күн энергиясын өндіруге қажетті материалдарды табуға қызығушылық жаңадан оянды. 2011 жылы MIT зерттеушілері атомдық деңгейде жүйелерді модельдейтін уақытқа тәуелді тығыздық функционалдық теориясын пайдаланып, көміртек нанотүтікшелерінің (CNT) матрицасына байланысты азобензол молекулаларынан тұратын жүйе жасады. CNT матрицалары көршілес молекулалар арасындағы бейімделген өзара әрекеттесуге мүмкіндік береді, бұл отынның қасиеттерін жақсартуға, мысалы, сақталған энергия мөлшерін арттыруға көмектеседі. Цис-транс күйге қайта өтуді көк түсті жарық та итермелейді. Бұл жүйе литий-ионды аккумуляторлармен салыстырылатын энергия тығыздығын қамтамасыз етеді, сонымен бірге белсенді отынның тұрақтылығын бірнеше минуттан бір жылдан астамға дейін ұзартады және айтарлықтай бұзылусыз көптеген циклдарға мүмкіндік береді. Субстраттар мен фотоактивті молекулалардың әртүрлі комбинацияларын зерттеу арқылы одан да жақсартуды іздеу үшін қосымша зерттеулер жүргізілуде.
Photodimerization is the light induced formation of dimers and photoisomerization is the light induced formation of isomers. While photodimerization stores the energy from sunlight in new chemical bonds, photoisomerization stores solar energy by reorienting existing chemical bonds into a higher energy configuration. In order for an isomer to store energy then, it must be metastable as shown above. This results in a trade off between the stability of the fuel isomer and how much energy must be put in to reverse the reaction when it is time to use the fuel. The isomer stores energy as strain energy in its bonds. The more strained the bonds are the more energy they can store, but the less stable the molecule is. The activation energy, Ea, is used to characterize how easy or hard it is for the reaction to proceed. If the activation energy is too small the fuel will tend to spontaneously move to the more stable state, providing limited usefulness as a storage medium. However, if the activation energy is very large, the energy expended to extract the energy from the fuel will effectively reduce the amount of energy that the fuel can store. Finding a useful molecule for a solar fuel requires finding the proper balance between the yield, the light absorption of the molecule, the stability of the molecule in the metastable state, and how many times the molecule can be cycled without degrading. Various ketones, azepines and norbornadienes among other compounds, such as azobenzene and its derivatives, have been investigated as potential energy storing isomers. The norbornadiene quadricyclane couple and its derivatives have been extensively investigated for solar energy storage processes. Norbornadiene is converted to quadricyclane using energy extracted from sunlight, and the controlled release of the strain energy stored in quadricyclane (about 110 kJ/mole) as it relaxes back to norbornadiene allows the energy to be extracted again for use later. Research into both the azobenzene and norbonadiene quadricyclane systems was abandoned in the 1980s as unpractical due to problems with degradation, instability, low energy density, and cost. With recent advances in computing power though, there has been renewed interest in finding materials for solar thermal fuels. In 2011, researchers at MIT used time dependent density functional theory, which models systems at an atomic level, to design a system composed of azobenzene molecules bonded to carbon nanotube (CNT) templates. The CNT substrates will allow customizable interactions between neighboring molecules which greatly helps in fine tuning the properties of the fuel, for example an increase in the amount of energy stored. The transition back from cis to trans can also be triggered by blue visible light. This system provides an energy density comparable to lithium ion batteries, while simultaneously increasing the stability of the activated fuel from several minutes to more than a year and allowing for large numbers of cycles without significant degradation. Further research is being done in search of even more improvement by examining different possible combinations of substrates and photoactive molecules.
Қолданбалар
Күн химиялық отындарының әлеуетті және қолданыстағы қолданыс салалары өте кең. Бұл технологияның басты артықшылықтарының бірі – оның кеңейтілу мүмкіндігі. Энергияны сақтап, қажет болған кезде жылуға айналдыруға болатындықтан, ол кішкентай, жылдам қолданылатын құрылғылар үшін өте ыңғайлы. Бұлар күн сәулесінде зарядталатын портативті пештер мен кішкентай жеке жылытқыштардан бастап, желіден тыс аймақтарда медициналық санитарияны қамтамасыз етуге дейін жетеді. Тіпті MIT-де жасалған жүйені автомобильдерде терезелерді мұздан тазартатын жүйе ретінде қолдану жоспарлануда. Сонымен қатар, оны кеңейтіп, үлкен үйлерді, ғимараттарды, тіпті су көлемдерін жылытуға болады. Күн жылу отыны идеалды жағдайда ешқандай тозусыз, шексіз циклды қайталай алуға тиіс, бұл оны әдетте басқа сақтау түрлерін жиі алмастыруды талап ететін, ірі масштабтағы жүзеге асырулар үшін өте қолайлы етеді.
There are a wide variety of both potential and current applications for solar chemical fuels. One of the major pros of this technology is its scalability. Since the energy can be stored and then later converted to heat when needed, it is ideal for smaller on the go units. These range from portable stoves or small personal heaters that can be charged in the sun to providing medical sanitation in off grid areas, and plans are even in the works to use the system developed at MIT as a window de icing system in automobiles. It also has the ability to be scaled up and heat larger homes or buildings or even heat bodies of water. A solar thermal fuel would ideally be able to cycle indefinitely without degradation, making it ideal for larger scale implementations that generally would need more replacements of other forms of storage.