Навигация
ИСКУССТВЕННЫЕ ФОТОКАТАЛИТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ РАЗЛОЖЕНИЯ ВОДЫ
74799
знаков
3
таблицы
1
изображение
2.5. ИСКУССТВЕННЫЕ ФОТОКАТАЛИТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ РАЗЛОЖЕНИЯ ВОДЫ
Созданный природой в ходе эволюции уникальный восьмиквантовый фотосинтетический аппарат, включающий две фотосистемы, объединенные сложной многоступенчатой электрон-транспортной цепью, обеспечивает не только окисление воды и восстановление NADP+, но и синтез энергоемких соединений аденозинтрифосфата из аденозинди-фосфата и неорганического фосфата, которые в дальнейшем выполняют роль универсального источника энергии в клетке, обеспечивая протекание большинства биохимических процессов [1-3]. В связи с этим заманчивым представляется создание искусственных фотокаталитических систем, выполняющих узкоспециализированную функцию фоторазложение воды. При этом нет необходимости моделировать весь сложный механизм фотосинтеза, а следует использовать только основные принципы фотохимического преобразования солнечной энергии в химическую.
Поскольку выделение одной Молекулы кислорода требует разложения двух молекул воды, энергетические затраты на проведение одного каталитического цикла фоторазложения воды при комнатной температуре не могут быть меньше 113,4 ккал/моль, что соответствует энергии квантов ультрафиолетового света (К — 0,252 мкм), практически отсутствующих в спектре солнечного излучения (0,3-1,0 мкм), падающего на поверхность Земли. Это означает, что с точки зрения наиболее полного использования солнечного излучения, достигающего поверхности Земли, наиболее рациональной является четырех-квантовая схема процесса разложения воды, при котором каждый квант света используется для переноса одного электрона. В этом случае пороговая длина волны света составляет 1,008 мкм, что соответствует красной границе солнечного излучения и как следствие этого обеспечивает максимальную эффективность преобразования солнечной энергии в химическую. Таким образом, в отличие от природного фотосинтеза искусственные фотокаталитические системы разложения воды могли бы работать по принципу не двухтактного (см. схему 3), а однотактного фотонасоса.
В настоящее время разрабатываются два типа искусственных фотокаталитических систем: полупроводниковая и молекулярная. В первом случае в качестве фотокатализатора используются полупроводниковые материалы на основе халькогенидов, фосфидов и арсенидов переходных металлов. Поглощение кванта света приводит к переносу электрона между энергетическими уровнями твердого тела, называемыми зонами: заполненной зоной и зоной проводимости . Образующиеся заряды — электрон (е~) в зоне проводимости и положительно заряженная "дырка" (р+) в заполненной зоне — растягиваются в разные стороны электрическим полем, существующим на границе полупроводник-раствор, и участвуют в дальнейших каталитических процессах восстановления и окисления воды в присутствии нанесенных на поверхность полупроводника катализаторов Pt и RuO2. Иммобилизация на поверхности полупроводника различных органических и неорганических красителей, выполняющих функцию фотосенсибилизатора S , позволяет обеспечивать -10% КПД преобразования солнечной энергии в химическую. Основная проблема для практического применения таких систем - предотвращение фотокоррозии полупроводников и повышение стабильности систем во времени. В молекулярных фотокаталитических системах разложения воды в качестве фотокатализатора, доноров и акцепторов электрона, участвующих в реакциях, используются индивидуальные химические соединения, удовлетворяющие некоторым требованиям. Фотокатализаторы должны обеспечивать интенсивное поглощение солнечного излучения, иметь высокоэнергетические, долгоживущие возбужденные состояния (ФК*), способные участвовать в бимолекулярных реакциях переноса электрона, обладать высокой химической и фотохимической устойчивостью и эффективно регенерировать свою форму в результате взаимодействия с промежуточными акцепторами или донорами. Наряду с фотохимической и химической устойчивостью основным требованием к промежуточным донорам и акцепторам электрона является их способность участвовать в обратимых каталитических процессах выделения водорода и кислорода из воды.
В настоящее время показана возможность использования в качестве компонентов молекулярных фотокаталитических систем достаточно большого круга химических соединений различной природы. Так, в качестве фотокатализаторов предложены системы на основе органических красителей, соединений переходных металлов, порфиринов, фталоцианинов и их металлокомплексов.
Основной прогресс, достигнутый в разработке молекулярных фотокаталитических систем разложения воды, связан с созданием так называемых жертвенных систем, моделирующих фотосистемы растительного фотосинтеза и осуществляющих выделение либо водорода, либо кислорода из воды с одновременным необратимым расходованием жертвы — специально добавленного донора или акцептора электрона. Примером такой жертвенной системы фотокаталитического восстановления воды является система, содержащая трисбипиридильные комплексы рутения и родия [Ru(bpy)3]2+, [Rh(bpy)3]3+ в качестве фотокатализатора и промежуточного акцептора электрона. Фотовозбуждение такой системы приводит к фотостимулированному переносу электрона:
и последующему каталитическому выделению водорода из воды на платиновом катализаторе:
В качестве необратимо расходуемой жертвы, обеспечивающей регенерацию фотокатализатора, используется триэтаноламин.
Осуществить замкнутый, не требующий введения дополнительно расходуемых веществ цикл фоторазложения воды солнечным светом в молекулярных фотокаталитических системах пока еще не удается. Основной задачей является разработка методов предотвращения реакции рекомбинации первичных продуктов фоторазделения зарядов, которая протекает намного быстрее, чем сложные каталитические реакции окисления и восстановления воды. Предполагается, что такая задача может быть решена при переходе к молекулярно-организованным системам, позволяющим (по аналогии с природным фотосинтезом) получать пространственно разделенные продукты фоторазделения зарядов. Исследования в этом направлении интенсивно развиваются в последнее время.
Похожие работы
... . Солнечные электростанции. Солнечные батареи. Широкий спектр применения солнечных батарей. Энергопассивные дома. Город «Солнца». Ограничение масштабов использования фотоэлектрических солнечных батарей. Главная помеха для развития солнечной энергетики – земная атмосфера. Идея космической СЭС. Перспективы развития солнечной энергетики в России. 2.2. Ветровая энергия Ветер служит человеку. ...
... материалов, специфическая планировка помещения, размещение окон. 3) Непосредственные или «прямым» - системы, преобразовывающие солнечную энергию в ходе одного уровня или этапа. 4) «Непрямые» технологии - системы, процесс функционирования которых включает в себя многоуровневые преобразования и трансформации для получений требуемой формы энергии. Исходя из выше представленной классификации групп ...
... период многие страны приняли решение о полном или постепенном отказе от развития атомной энергетики. 1.3 Особенности альтернативной водородной энергетики Водородная энергетика включает следующие основные направления: Разработка эффективных методов и процессов крупномасштабного получения дешевого водорода из метана и сероводородсодержащего природного газа, а также на базе разложения воды; ...
... варианте при максимальном потреблении энергоресурсов в 2020 г. составят 99% от уровня соответствующих выбросов в 1990 г., а в 2030 г. превысят их на 3…4%. Экологические проблемы развития электроэнергетики в РАО «ЕЭС России» Основными факторами, определяющими экологическую нагрузку при производстве электрической энергии, являются: Наличие высокого уровня валовых выбросов вредных веществ в ...
0 комментариев