Chemikalia słoneczne

Chemia słoneczna odnosi się do szeregu możliwych procesów, które wykorzystują energię słoneczną poprzez pochłanianie światła słonecznego w reakcji chemicznej . Pomysł jest koncepcyjnie podobny do fotosyntezy w roślinach, która przekształca energię słoneczną w wiązania chemiczne cząsteczek glukozy, ale bez udziału żywych organizmów, dlatego nazywa się to również sztuczną fotosyntezą .

Obiecującym podejściem jest wykorzystanie skupionego światła słonecznego w celu dostarczenia energii potrzebnej do rozbicia wody na składowy wodór i tlen w obecności metalicznego katalizatora, takiego jak cynk . Zwykle odbywa się to w procesie dwuetapowym, tak aby wodór i tlen nie były wytwarzane w tej samej komorze, co stwarza zagrożenie wybuchem. Inne podejście polega na pobraniu wodoru powstałego w tym procesie i połączeniu go z dwutlenkiem węgla w celu wytworzenia metanu. Zaletą tego podejścia jest to, że istnieje ustalona infrastruktura do transportu i spalania metanu do wytwarzania energii, co nie jest prawdą w przypadku wodoru. Jedna główna wada obu tych podejść jest wspólna dla większości metod magazynowania energii: dodanie dodatkowego etapu między gromadzeniem energii a produkcją energii elektrycznej drastycznie zmniejsza wydajność całego procesu.

Tło

Już w 1909 roku badano dimeryzację antracenu do diantracenu jako sposobu magazynowania energii słonecznej, a także fotodimeryzację szeregu naftalenowego. W latach 70-tych i 80-tych wytwarzano paliwo z innego odwracalnego związku chemicznego, cykl przemiany norbornadienu w czterocyklan, ale to się nie powiodło, ponieważ proces odwrócenia miał niski potencjał. Podjęto również próby stworzenia cząsteczek na bazie rutenu, ale zostało to odrzucone, ponieważ ruten jest zarówno rzadkim, jak i zbyt ciężkim materiałem. W ostatniej dekadzie pojawiła się teoria dotycząca nowej nanostruktury hybrydowej jako nowego podejścia do znanej wcześniej koncepcji magazynowania energii słonecznej.

Schowek na chemikalia

Fotodimeryzacja to indukowane światłem tworzenie dimerów , a fotoizomeryzacja to indukowane światłem tworzenie izomerów . Podczas gdy fotodimeryzacja przechowuje energię światła słonecznego w nowych wiązaniach chemicznych, fotoizomeryzacja przechowuje energię słoneczną poprzez zmianę orientacji istniejących wiązań chemicznych w konfigurację o wyższej energii.

Dimeryzacja antracenu

Aby więc izomer mógł magazynować energię, musi być metastabilny, jak pokazano powyżej. Powoduje to kompromis między stabilnością izomeru paliwa a ilością energii, którą należy włożyć, aby odwrócić reakcję, gdy nadejdzie czas na użycie paliwa. Izomer przechowuje energię jako energię odkształcenia w swoich wiązaniach. Im bardziej napięte są wiązania, tym więcej energii mogą magazynować, ale tym mniej stabilna jest cząsteczka. Energia aktywacji , Ea, służy do scharakteryzowania łatwości lub trudności przebiegu reakcji. Jeśli energia aktywacji jest zbyt mała, paliwo będzie miało tendencję do spontanicznego przejścia do bardziej stabilnego stanu, zapewniając ograniczoną użyteczność jako nośnika. Jeśli jednak energia aktywacji jest bardzo duża, energia wydatkowana na wydobycie energii z paliwa skutecznie zmniejszy ilość energii, którą paliwo może zmagazynować. Znalezienie użytecznej cząsteczki do paliwa słonecznego wymaga znalezienia właściwej równowagi między wydajnością, absorpcją światła przez cząsteczkę, stabilnością cząsteczki w stanie metastabilnym i tym, ile cykli cząsteczka może przejść bez degradacji.

różne ketony, azepiny i norbornadieny , wśród innych związków, takich jak azobenzen i jego pochodne, jako potencjalne izomery magazynujące energię. Para norbornadien - czterocyklan i jej pochodne były szeroko badane pod kątem procesów magazynowania energii słonecznej. Norbornadien jest przekształcany w czterocyklan przy użyciu energii pozyskiwanej ze światła słonecznego, a kontrolowane uwalnianie energii odkształcenia zmagazynowanej w czterocyklanie (około 110 kJ/mol ), gdy relaksuje się on z powrotem do norbornadienu, pozwala na ponowne wydobycie energii do późniejszego wykorzystania.

Norbornadien - para czterocyklanów jest potencjalnie interesująca do magazynowania energii słonecznej

Badania zarówno nad układami azobenzenu, jak i norbonadienu-kwadrycyklanu zostały porzucone w latach 80. XX wieku jako niepraktyczne ze względu na problemy z degradacją, niestabilnością, niską gęstością energii i kosztami. Jednak wraz z ostatnimi postępami w zakresie mocy obliczeniowej ponownie wzrosło zainteresowanie znalezieniem materiałów na słoneczne paliwa termiczne. W 2011 roku naukowcy z MIT wykorzystali zależną od czasu teorię funkcjonału gęstości, która modeluje układy na poziomie atomowym, do zaprojektowania układu złożonego z cząsteczek azobenzenu związanych z nanorurkami węglowymi (CNT) szablony. Substraty CNT umożliwią konfigurowalne interakcje między sąsiednimi cząsteczkami, co znacznie pomaga w dostrojeniu właściwości paliwa, na przykład zwiększeniu ilości zmagazynowanej energii. Dzięki procedurom eksperymentalnym naukowcom udało się uzyskać pierwszy dowód na to, że hybrydowa nanostruktura działa jako funkcjonalne paliwo termiczne. Azobenzeny mają tę zaletę, że absorbują długości fal, które są bardzo obfite w światło słoneczne, kiedy to się dzieje, cząsteczka przekształca się z izomeru trans w izomer cis, który ma wyższy stan energetyczny około 0,6 eV. Aby przywrócić cząsteczkę do pierwotnego stanu, tj. uwolnić energię, którą zgromadziła, istnieje kilka opcji. Pierwszym z nich jest zastosowanie ciepła, ale wiąże się to z kosztami, które w stosunku do ilości ciepła, które będzie wytwarzane z uwolnienia, nie są opłacalne. Drugą, skuteczniejszą opcją jest zastosowanie katalizatora, który obniża barierę termiczną i pozwala na uwolnienie ciepła, prawie jak wyłącznik. Przejście z powrotem z cis do trans może być również wywołane przez niebieskie światło widzialne.

System ten zapewnia gęstość energii porównywalną z akumulatorami litowo-jonowymi, jednocześnie zwiększając stabilność aktywowanego paliwa z kilku minut do ponad roku i pozwalając na dużą liczbę cykli bez znacznej degradacji. Prowadzone są dalsze badania w poszukiwaniu jeszcze większej poprawy poprzez badanie różnych możliwych kombinacji substratów i cząsteczek fotoaktywnych.

Aplikacje

Istnieje wiele potencjalnych i obecnych zastosowań chemicznych paliw słonecznych. Jedną z głównych zalet tej technologii jest jej skalowalność. Ponieważ energia może być magazynowana, a następnie w razie potrzeby przekształcana w ciepło, jest idealna dla mniejszych jednostek mobilnych. Obejmują one od przenośnych piecyków lub małych osobistych grzejników, które można ładować na słońcu, po zapewnienie sanitariatów medycznych w obszarach poza siecią, a nawet planuje się wykorzystanie systemu opracowanego na MIT jako systemu odladzania szyb w samochodach. Ma również możliwość skalowania i ogrzewania większych domów lub budynków, a nawet podgrzewania zbiorników wodnych. Idealnie byłoby, gdyby paliwo słoneczne mogło krążyć w nieskończoność bez degradacji, dzięki czemu idealnie nadaje się do wdrożeń na większą skalę, które generalnie wymagałyby częstszej wymiany innych form przechowywania.

Linki zewnętrzne

Pobrane z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Solar_chemical&oldid=1073949913 ”