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.

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.

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.

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.