Введение
Солнечная химия охватывает ряд возможных процессов, использующих солнечную энергию путем поглощения солнечного света в химической реакции. Эта идея концептуально схожа с фотосинтезом в растениях, который преобразует солнечную энергию в химические связи молекул глюкозы, но без использования живых организмов, поэтому её также называют искусственным фотосинтезом. Многообещающим подходом является использование сфокусированного солнечного света для обеспечения энергии, необходимой для разложения воды на водород и кислород в присутствии металлического катализатора, например, цинка. Обычно это выполняется в два этапа, чтобы избежать одновременного образования водорода и кислорода в одной камере, что создает взрывоопасную ситуацию. Другой подход предполагает использование водорода, полученного в этом процессе, для соединения с углекислым газом с образованием метана. Преимущество этого подхода заключается в наличии развитой инфраструктуры для транспортировки и сжигания метана для выработки электроэнергии, чего нельзя сказать о водороде. Основной недостаток обоих этих подходов, как и большинства методов накопления энергии, заключается в том, что добавление промежуточного этапа между сбором энергии и производством электроэнергии значительно снижает общую эффективность процесса.
Предыстория
Уже в 1909 году димеризация антрацена в диантрацен исследовалась как способ хранения солнечной энергии, а также фотодимеризация ряда нафталина. В 70-х и 80-х годах из другого обратимого химического процесса – цикла превращения норборнадиена в квадрициклан – пытались получить топливо, но это не увенчалось успехом из-за низкого потенциала обратного процесса. Также предпринимались попытки использования молекул на основе рутения, однако от этой идеи отказались, поскольку рутений является редким и слишком тяжелым металлом. В последнее десятилетие была предложена новая гибридная наноструктура как новый подход к этой известной ранее концепции хранения солнечной энергии.
Хранение химических веществ
Фотодимеризация – это светоиндуцированное образование димеров, а фотоизомеризация – светоиндуцированное образование изомеров. В то время как фотодимеризация запасает энергию солнечного света в новых химических связях, фотоизомеризация запасает солнечную энергию, переориентируя существующие химические связи в конфигурацию с более высокой энергией. Для того чтобы изомер мог запасать энергию, он должен быть метастабильным, как показано выше. Это приводит к компромиссу между стабильностью топливного изомера и количеством энергии, необходимой для обратной реакции, когда потребуется использовать топливо. Изомер запасает энергию в виде энергии деформации в своих связях. Чем сильнее деформированы связи, тем больше энергии они могут запасать, но тем менее стабильна молекула. Энергия активации, Ea, используется для оценки того, насколько легко или сложно протекает реакция. Если энергия активации слишком мала, топливо будет склонно спонтанно переходить в более стабильное состояние, что ограничит его полезность в качестве накопителя энергии. Однако, если энергия активации очень велика, энергия, затрачиваемая на извлечение энергии из топлива, фактически уменьшит количество энергии, которое топливо может запасать. Для поиска полезной молекулы для солнечного топлива необходимо найти оптимальный баланс между выходом, поглощением света молекулой, стабильностью молекулы в метастабильном состоянии и количеством циклов, которые молекула может выдержать без деградации. Различные кетоны, азепины и норборнадиены, а также другие соединения, такие как азобензол и его производные, были исследованы в качестве потенциальных изомеров для хранения энергии. Пара норборнадиен-квадрициклан и ее производные широко исследовались в процессах хранения солнечной энергии. Норборнадиен превращается в квадрициклан с использованием энергии, извлеченной из солнечного света, и контролируемое высвобождение энергии деформации, запасенной в квадрициклане (около 110 кДж/моль) при его возврате в норборнадиен, позволяет снова извлекать энергию для последующего использования. Исследования как азобензола, так и системы норборнадиен-квадрициклан были прекращены в 1980-х годах как непрактичные из-за проблем с деградацией, нестабильностью, низкой плотностью энергии и высокой стоимостью. Однако, благодаря недавним достижениям в области вычислительной мощности, вновь возник интерес к поиску материалов для солнечного топлива. В 2011 году исследователи из MIT использовали теорию функционала плотности, зависящую от времени, которая моделирует системы на атомном уровне, для разработки системы, состоящей из молекул азобензола, связанных с шаблонами из углеродных нанотрубок (УНТ). Подложки из УНТ позволят настраивать взаимодействия между соседними молекулами, что значительно поможет в тонкой настройке свойств топлива, например, в увеличении количества запасенной энергии. Переход обратно из цис-формы в транс-форму также может быть инициирован синим видимым светом. Эта система обеспечивает плотность энергии, сопоставимую с литий-ионными батареями, одновременно увеличивая стабильность активированного топлива с нескольких минут до более чем года и обеспечивая возможность большого количества циклов без значительной деградации. Продолжаются дальнейшие исследования для поиска еще большего улучшения путем изучения различных возможных комбинаций субстратов и фотоактивных молекул.
Приложения
Существует большое разнообразие как потенциальных, так и существующих применений солнечного химического топлива. Одним из главных преимуществ этой технологии является её масштабируемость. Поскольку энергию можно запасать, а затем преобразовывать в тепло по мере необходимости, она идеально подходит для небольших портативных устройств. Они варьируются от портативных плит или небольших персональных обогревателей, которые можно заряжать на солнце, до обеспечения медицинской санитарии в районах, не подключенных к электросети, и даже разрабатываются планы по использованию системы, разработанной в MIT, в качестве системы размораживания окон в автомобилях. Также возможно масштабирование технологии для обогрева больших домов или зданий, или даже больших объемов воды. В идеале, солнечное тепловое топливо должно быть способно циклически использоваться неограниченно долго без деградации, что делает его идеальным для крупномасштабных применений, где другие формы хранения обычно требуют более частой замены.