Məlumat

Potensial enerjini bioloji olaraq kimyəvi enerjiyə çevirmək mümkündürmü?

Potensial enerjini bioloji olaraq kimyəvi enerjiyə çevirmək mümkündürmü?


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Bir obyekti qaldırmaq üçün x metr hündürlüyün artması ilə əlaqəli potensial enerjinin o cisimlərin artmasına uyğun gələn minimum enerji miqdarını sərf etmək lazımdır. Cisim yerə qoyulduqda, köçürüldüyü vəziyyətə qaytarıldıqda, onun cazibə qüvvəsinə görə potensial enerjisi ilkin miqdarına qayıdır. Lakin bu potensial enerji qaldırma aparan şəxsə qaytarılmır. Əksinə, bir cismi yumşaq bir şəkildə yerə qoymaq, əks halda sərbəst enişi yavaşlatmaq üçün əlavə enerji sərf edilməsini tələb edir.

Hər hansı bir orqanizm cazibə potensial enerjisini kimyəvi enerjiyə çevirə bilərmi? Bu, ümumiyyətlə, bioloji cəhətdən mümkündürmü?


Biologiya Mühəndisliyi

Biologiya Mühəndisliyi bioloji sistemləri təhlil etmək və bu cür sistemlərin -- bitki, heyvan və ya mikrobik - insan tərəfindən hazırlanmış maşınlar, strukturlar, proseslər və cihazlarla qarşılıqlı əlaqədə problemləri həll etmək üçün mühəndislik prinsiplərinin tətbiqinə diqqət yetirən fənlərarası sahədir. Bioloji inqilab yetkinləşməyə və hamımıza təsir etməyə davam edir. İnsan əsaslı gen manipulyasiyası demək olar ki, bütün Şimali Amerika qida ehtiyatlarına təsir göstərir. Bitkilər və heyvanlar artıq molekulyar əsasda müəyyən edilir. Canlı orqanizmlər indi heç vaxt olmadığı kimi analiz edilə, ölçülə və "inhəndisləşdirilə" ola bilər. Bioloji prosesləri gücləndirmək üçün dizayner "bugs" hazırlanır. Bu dəyişikliklər bioloji, ətraf mühit və qida və lif mühəndisliyini vurğulamağa davam edən tədqiqat və magistr proqramlarımızı yenidən müəyyənləşdirməyə davam edir. Kənd təsərrüfatı və qida sistemləri ilə əlaqələrimiz qalır, lakin müasir kənd təsərrüfatı biotexnologiyanın böyük təsiri altındadır və kənd təsərrüfatı ilə əlaqələrimiz bu həqiqəti əks etdirir. Əsas məqsəd canlı sistemlərin biologiyası ilə ahəngdar şəkildə fəaliyyət göstərən texnologiya dizayn etməkdir. Bir çox hallarda, hazırda mövcud olan biliklər qida və bioloji proseslərin mühəndis dizaynını dəstəkləmək üçün kifayət deyil. Beləliklə, biologiyaya dair daha fundamental biliklər və onun potensial tətbiqləri biologiya mühəndisini də narahat edir.


Kimyəvi reaksiya nədir?

A kimyəvi reaksiya bəzi kimyəvi maddələrin digərlərinə çevrilməsi prosesidir. Kimyəvi reaksiyaya başlayan maddəyə a deyilir reaktiv, kimyəvi reaksiya nəticəsində əmələ gələn maddə isə adlanır məhsul. Reaksiya zamanı reaktivlər məhsul yaratmaq üçün istifadə olunur.

Kimyəvi reaksiyanın başqa bir nümunəsi Şəkil (PageIndex<2>)-də göstərilən metan qazının yanmasıdır. Bu kimyəvi reaksiyada reaktivlər metan (CH4) və oksigen (O2), məhsullar isə karbon dioksid (CO2) və su (H2O) olur. Bu nümunədən göründüyü kimi, kimyəvi reaksiya kimyəvi bağların qırılmasını və əmələ gəlməsini əhatə edir. Kimyəvi bağlar bir molekulun atomlarını birləşdirən qüvvələrdir. Bağlar atomlar elektronları paylaşdıqda yaranır. Metan yandıqda, məsələn, metan və oksigen molekullarında bağlar qırılır və karbon qazı və su molekullarında yeni bağlar yaranır.

Şəkil (PageIndex<2>): Metan yanmasından alovlar


Qısa cavab YOX-dur - bioloji parçalanma reaktoru da qüsurlu dizayndır və o, sizin bioloji orqanizminizi bişirəcək ki, bu, sadəcə baş verməyəcək. Qırılma nöqtəsinə çatmaq üçün təkcə enerji xərcləri, bu cür konsentrasiya edilmiş miqdarda saxlamaq və buraxmaq üçün yaşadığımız bioloji çərçivədən çox uzaqdır.

Bununla belə, bioloji orqanizmlərin artıq molekulyar şəkildə idarə olunduğunu qeyd etmək vacibdir, hətta bu, atomla idarə olunduğumuz zaman əldə edəcəyimiz gücü təmin etməsə belə.

Yer biologiyası (ən azı) enerjini molekulyar səviyyədə saxlayır və buraxır. Yəni bitkilər CO kimi molekulyar birləşmələr alırlar2 və H2O və fotosintez adlı endotermik reaksiya vasitəsilə molekulları O kimi fərqli olanlara dəyişdirin2 və əmələ gəlməsi üçün daha çox enerji tələb edən karbohidratlar, beləliklə, günəş işığından alınan enerjini molekulyar formada saxlayır. Bitkilər bunun bir hissəsini öz maddələr mübadiləsi üçün istifadə edirlər və bizim kimi heyvanlar daha sonra bitkiləri yeyərək, atmosferdən saxladıqları karbohidratları və oksigeni götürür və onları yenidən CO-yə çevirən ekzotermik reaksiya yaradırlar.2 və su, içimizdəki enerjini öz ehtiyaclarımız üçün buraxır.

Bu proseslər zamanı saxlanılan və sərbəst buraxılan enerji, birləşmə ilə müqayisədə parçalanma ilə müqayisədə cib dəyişikliyidir, lakin məlum oldu ki, hətta insan sinir sistemi də təxminən 0,07 voltda işləyir, belə görünür ki, yaşamaq üçün o qədər də çox enerjiyə ehtiyacımız yoxdur. Əgər lazım gəlsəydi, standart AA batareyasında təxminən 21 nəfəri paralel olaraq işlədə bilərdiniz (ancaq nə qədər müddətə daha çox araşdırma aparmalıyam).

Nəticə odur ki, biologiyamızı idarə etmək üçün atom enerjisinə ehtiyacımız yoxdur və hazırkı bioloji dizaynımızın enerji saxlama qabiliyyəti bizi istənilən halda onunla uyğunsuz edəcək. Məlum oldu ki, atom enerjisi ilə deyil, molekulyar güclə işləmək bizə lazım olan bütün enerjini verir və bizim üçün daha təhlükəsiz və davamlıdır.

Təzyiqli mayeni çox qızdırmaq üçün radioaktiv materialın konsentrat kütləsindən istifadə etmək və bu mayedən elektrik enerjisi yaratmaq üçün keçirici metal rulonun içərisində daimi maqniti döndərən üzvi turbini çevirmək üçün bir orqanizm təkamül edə bilərmi? Demək olar ki, yox. Bu, bir orqanizmin özünü enerjiyə çevirmək üçün nüvə parçalanmasından istifadə edə bilməyəcəyi anlamına gəlirmi? Dəyməz.

Atom miqyasında parçalana bilən elementlər əsasən kiçik bombalardır: onlar xoşbəxtlikdən hər hansı molekulda bir element kimi orada otururlar, sonra bam, bir və ya bir neçə yüksək enerjili fraqment təsadüfi istiqamətdə sökülür və potensial olaraq yaxınlıqdakı başqa bir molekulu məhv edir və orijinal atom indi fərqli kimyaya malik iki tamamilə fərqli elementdir. Parçalanan materialı cəmləyərək parçalanma reaksiyalarını daha enerjili edirik ki, fraqmentlər tez-tez tərəfindən tutulsun. başqa parçalana bilən atomlar onları növbə ilə reaksiya verərək zəncirvari reaksiya yaradır, lakin ən sadə formada belə parçalanan material yığını yüksək enerjili fraqmentləri tutaraq enerji buraxır. bir şey və beləliklə, bir az qızdırılır, heç bir rəy döngəsi tələb olunmur. Bu enerji mənbəyindən təhlükəsiz istifadə edən bir orqanizm üçün problemlər aşağıdakılardır:

  1. Yeməyindən parçalanan materialları çıxarın və onları konsentrə edin
  2. Parçalanma reaksiyasının ağır element əlavə məhsulları ilə məşğul olun
  3. Yüksək enerjili (adətən neytron) fraqmentlərlə məşğul olun və onların kinetik enerjisini istiliyə çevirin, sonra bu istiliyi orqanizm üçün daha faydalı enerji formasına çevirin.

Bioloji orqanizmlər kimyanı molekulyar səviyyədə manipulyasiya etmək üçün təkamül yolu ilə inkişaf etmişdir, onlar demək olar ki, hər hansı bir canlı kimyəvi reaksiyanı kataliz edə bilər, müəyyən atomları sərhədin bu və ya digər tərəfində cəmləyə bilər və s. Əgər məxluqun qidasından, məsələn, uran və ya plutonium çıxarması təkamül baxımından əlverişli olsaydı, o, bunu məməlilərin Yer üzündə maqnezium, kalsium və ya kalium ionlarını çıxarmasından daha çətinliklə edə bilməzdi. Atomları izotopla süzmək daha çətindir, lakin bir izotopla digərinə nisbətən daha güclü bir şəkildə bağlanan həyəcanverici zülalın təkamül edə bilməsi qeyri-mümkün deyil. Problem 1 həll olundu.

Problem 2 eyni dərəcədə inandırıcıdır: parçalanma reaksiyasının dəqiq əlavə məhsulları təsadüfi olsa da, onlar elementlərin kiçik diapazonunu əhatə edəcəklər və əgər orqanizm onları "gözləyirsə", onları idarə etmək və xaric etmək üçün mexanizmlər ola bilər. istifadəyə yararlı deyil. Zəhərlər yalnız orqanizm onun mövcudluğu ilə mübarizə aparmağa uyğunlaşmadıqda zəhərlidir: arsen insanlar üçün çox zəhərlidir, lakin onun yüksək konsentrasiyasına dözmək üçün çoxlu yerüstü orqanizmlər təkamülə uğramışdır.

Bir orqanizmin qarşılaşacağı əsas problem, parçalanma reaksiyasından çıxan enerji ilə molekulyar səviyyədə faydalı bir şey etməkdir. Parçalanma məhsullarını suda və ya daha güclü bir neytron tutma mayesində həll etməklə. Bor əla neytron uducudur, ona görə də bor turşusu burada yaxşı seçim ola bilər. Nüvə reaksiyasının xalis təsiri soyuq bor turşusunu isti bor turşusuna çevirməkdir. O zaman artıq yerüstü orqanizmlər var ki, onlar hidrotermal ventilyasiyalarda tapılanlar kimi temperatur gradientlərindən istifadə edən reaksiyalar əsasında sağ qalırlar: orqanizm ya bu reaksiyalardan özləri istifadə edə bilər, ya da bunu edən bakteriyalarla simbiozda yaşaya bilər.

Qısacası, bir orqanizmin insanların "parçalanma reaktoru" hesab edəcəyi yüksək qeyri-sabit, aşağı entropiyaya malik, mürəkkəb material düzülüşü yaratmaq üçün təkamül etdiyini görmək çətin olsa da, parçalanma enerji buraxan bir prosesdir və orqanizm bu prosesi daha rahat, axın kimi istifadə etmək üçün təkamül etdi. üzvi şəkildə, tamamilə mümkündür.


Günəş enerjisinin kimyəvi yanacağa çevrilməsi perspektivləri: günəş yanacağı sənayesi konsepsiyası

Tükənməkdə olan qalıq yanacaq ehtiyatlarımızı bərpa olunan enerji mənbələri ilə əvəz etmək üçün yaxşı elan edilmiş ehtiyaclara baxmayaraq, hazırda dünyanın heç bir yerində günəş yanacağı sənayesi yoxdur. Günəş işığını kimyəvi potensial şəklində saxlamaq üçün bir çox maneələri aşmaq lazımdır və kütləvi miqyasda, münasib qiymətə və əlverişli formada enerji istehsal etmək üçün ciddi maneələri aşmaq lazımdır. Günəş işığının fasiləli təbiətinə, onun diffuziyasına və dəyişkənliyinə imkan vermək və işığın toplanması üçün geniş səth sahələrindən istifadə etmək üçün aşkar ehtiyacın öhdəsindən gəlmək də vacibdir. Buna baxmayaraq, günəş işığının biokütlə və ya kimyəvi xammal kimi saxlanması üçün əlverişli strategiyalar hazırlamaqdan başqa alternativimiz yoxdur. Günəş istilik kimi sadə alternativlər sürətli nümayişlər baxımından cəlbedicidir, lakin cavab deyil. Fotoelektrokimyəvi cihazlar elektron yük yaratmaq üçün lazımi mexanizm kimi xidmət edə bilər, lakin əsas problem bu yükləri enerji saxlayan kimyəvi reaksiyaları idarə etmək üçün lazım olan çox elektron katalizlə birləşdirməkdir. Bir neçə potensial yanacaq (CO, H2, HCOOH, NH3, O2, xüsusi üzvi maddələr və s.) mümkündür, lakin CO-nun fotokimyəvi azalması2 istixana qazlarının həddindən artıq istehsalı ilə bağlı daim artan narahatlıqlar səbəbindən xüsusi qeyd edilməlidir. Ətraf mühit şəraitində bu reaksiyaların əldə edilməsi perspektivləri burada nəzərdən keçirilir.

1. Fon

Təxmini təxmini desək, dünya miqyasında hazırkı enerji istehlakımız təxminən 15 trilyon vatt gücə bərabərdir ki, bunun da təxminən 85 faizi neft, kömür və təbii qaz kimi qalıq yanacaqların yanmasından əldə edilir. Bu kütləvi qalıq yanacaq istehlakı, iqlim dəyişikliyi, turşulaşmış okeanlar və neft dağılmaları da daxil olmaqla, özləri böyük problemlər yaradan uğursuz yan məhsulların qaçılmaz istehsalına gətirib çıxarır. Önümüzdəki illərdə bu problemlərin əhəmiyyətinin artacağına şübhə ola bilməz, ən azı əhali artımı və enerji istifadəmizin artması səbəbindən sonuncunun 2050-ci ilə qədər iki dəfə artacağı gözlənilir (Lewis & Nocera [1] tərəfindən müzakirə edildiyi kimi). Davamlı enerji təchizatının təmin edilməsi baxımından milli təhlükəsizliklə bağlı əlavə narahatlıqlar qaldırıla bilər. Həqiqətən də, Avropa (və ayrı-ayrı ölkələrin əksəriyyəti) xarici enerji təchizatından çox asılıdır və bu vəziyyət sağlam deyil. Nəticədə, ekoloji cəhətdən təmiz yanacaq istehsalı həm milli, həm də beynəlxalq səviyyədə bütün dünyada böyük strateji əhəmiyyət kəsb edən məqsədə çevrilmişdir. Bərpa olunan enerji mənbələrinin təcili olmasa da, dərhal tətbiqi müasir elm üçün ciddi problemlər yaradır [2], lakin artıq əsas addımlar atılıb. Müvəffəqiyyətli olmaq və kritik elmi problemləri əhatə etmək ehtiyacını qorumaq üçün kimya, fizika, mühəndislik və biologiyanı əhatə edən məqsədyönlü, multidisiplinar yanaşmanı izləmək lazımdır. Biz bu macəranın başlanğıcındayıq və elmi tələbləri ödəmək üçün kifayət qədər maliyyənin ayrılıb-açılmaması bəlli deyil. Yalnız ümid etmək olar ki, benzinin qiyməti süni fotosintezə dəstək səviyyəsini müəyyən edən keçmişdən alınan dərslərdən səmərəli istifadə olunacaq.

Bərpa olunan enerji mənbələri, xüsusən günəş batareyaları [3,4], gelgit [5] və külək [6] turbinləri şəklində, qalıq yanacaqları əvəz etməyə kömək etmək üçün qurulmuşdur və bu baxımdan təkmilləşdirilmiş səmərəlilik və aşağı xərcləri təklif edən hesabat axınları mövcuddur. elektrik enerjisi istehsalı. Bu vacibdir və daha da təşviq edilməlidir. Bununla belə, elektrik enerjisi ilə bağlı əsas problem ondan ibarətdir ki, onu böyük miqyasda saxlamaq çətindir və öz-özünə CO-nun artmasının qarşısını almaq üçün çox az şey edir.2 səviyyələri. Beləliklə, gəmilər, təyyarələr və ya kənd təsərrüfatı avtomobilləri kimi əksər ağır sənaye və nəqliyyat tətbiqləri üçün etibar edilə bilməz. Bir çox vətəndaşlar yeni AES tikməkdən narahatdırlar. Bir çox tədqiqatçının fikrincə cavab günəş işığını kimyəvi potensial şəklində tutmaq [7] və xammal rolunu yerinə yetirə biləcək bir sıra yanacaqların istehsalı üçün strategiyalar hazırlamaqdır. Bu marşrutun əlverişli olduğuna dair əlamətlər var, lakin hazırda günəş yanacağı sənayesi yoxdur. Ehtimal olunan günəş yanacaqlarının seçimi böyükdür, bəlkə də bu, diqqəti itirən zərərli bir nöqtədir və bütün bu imkanları araşdırmalı olduğumuza çox az şübhə ola bilər. Bununla belə, bu (nisbətən) yeni sahənin əhatə dairəsini nümayiş etdirmək və həddən artıq inamdan qaçmaq üçün böyük bir zərurət var.

2. Məqsəd

Potensial bərpa olunan enerji mənbələri arasında günəş enerjisi ən boldur və səmərəli yığılarsa, yaxın gələcək üçün qlobal enerji tələbatını ödəməyə qadirdir [1]. Davam edən günəş enerjisi tədqiqatlarının əksəriyyəti fotovoltaik qurğular [8,9,10] vasitəsilə birbaşa elektrik enerjisinə və ya günəş istilik prosedurları [11] vasitəsilə yüksək temperaturlu istiliyə çevrilməyə yönəldilmişdir. Xərc-effektivlik və konvertasiya səmərəliliyi böyük əhəmiyyət kəsb edir, eyni zamanda saxlama da vacibdir. Sonuncu, ilk növbədə, ucuz batareyalar şəklindədir [12]. Əlavə tədqiqat şəxsi enerji təchizatı kimi və ya dəyərin daha az əhəmiyyət kəsb etdiyi uzaq qurğular üçün istifadə üçün kiçik enerji bloklarının təmin edilməsinə yönəldilmişdir. İndi biz diqqəti əsas problemə yönəldirik: günəş işığının tutulması və saxlanması yolu ilə kütləvi enerji təchizatının təmin edilməsi, günəş enerjisinin qeyri-intensiv (tutqun olmasa da) mühitdə çevrilməsi ilə bağlı məlum çətinlikləri aradan qaldırmağa imkan verir (məsələn! ) Şimali Avropa.

3. Günəş yanacağı

Yanacaq, mexaniki, elektrik və ya kimyəvi işləri idarə olunan şəkildə yerinə yetirmək üçün sonradan çıxarıla bilən enerji saxlayan hər hansı bir materialdır. İnsanların istifadə etdiyi yanacaqların əksəriyyəti, yanan bir maddənin alovlandıqdan və havadakı oksigenlə reaksiya verdikdən sonra enerji buraxdığı redoks reaksiyasına məruz qalır. Yanacağın enerjiyə çevrilməsi üçün istifadə edilən digər proseslərə müxtəlif ekzotermik kimyəvi reaksiyalar və nüvə prosesləri daxildir. Yanacaqlar həm də hüceyrə tənəffüsündə istifadə olunur, burada üzvi molekullar istifadə edilə bilən enerjini buraxmaq üçün oksidləşir. Karbohidrogenlər ən çox yayılmış yanacaq mənbəyidir. Biz biokütlədən ibarət və ya ondan əldə edilən bərk, maye və ya qaz yanacağı kimi geniş şəkildə müəyyən edilə bilən bioyanacaq adlananları tanıya bilərik. Biokütlə birbaşa istilik və ya enerji üçün də istifadə edilə bilər. Bioyanacağın əsas üstünlüyü onun istənilən karbon mənbəyindən istehsal oluna bilməsi ilə əlaqədardır ki, onun özü də sürətlə doldurula bilər. Biz yüz milyonlarla il ərzində qədim bitki və heyvanların daşlaşmış qalıqlarından əmələ gələn mədən yanacaqları, ilk növbədə kömür və neft (həm maye, həm də qaz) ilə tanışıq. Nəhayət, biz nüvə yanacağını bilirik, bu, nüvə enerjisi əldə etmək üçün istehlak edilən hər hansı bir materialdır. Hazırda günəş yanacağının nə demək olduğuna dair konsensus yoxdur!

Günəş yanacağı "su və ya CO kimi bol, ucuz maddədən yaranan enerji ilə zəngin material" kimi müəyyən edilə bilər.2, günəş işığının yeganə enerji girişi kimi istifadə edilməsi. Əslində məqsəd CO istehsal etməkdir2 sudan arıq yanacaq və ya günəş işığı ilə işıqlandırma altında mövcud sənaye proseslərinin əlavə məhsulları kimi istehsal olunan hazır reagentlər. Yanacaq kimi təsnif edilən məhsul saxlanıla bilən olmalıdır. Bəzi sıx məskunlaşmış yerlərdə uzun müddətə uzanan, müəyyən vaxtlarda günəş işığının olmaması ilə məşğul olan yanaşmaya əvvəldən bəzi vacib kompromislər daxil edilməlidir. Hər şeydən əvvəl, bu sahə üzrə elmi tədqiqatların gələcək maliyyələşdirilməsi geniş miqyaslı nümayiş modellərinin gec deyil, tez bir zamanda tətbiq edilməsini tələb edir.

4. Ehtiyacların müəyyən edilməsi

2008-ci ildə dünya üzrə elektrik enerjisi istehsalı 20 261 TWh (Dünya Enerjisinin Statistik İcmalı 2009, BP) təşkil etmişdir ki, bu da Yerin 1 saat ərzində aldığı günəş enerjisinin 11 faizini (174 000 TWh) təşkil edir. Elektrik enerjisinin mənbələri qalıq yanacaqlar 67 faiz, bərpa olunan enerji 18 faiz və nüvə enerjisi 13 faiz idi: neftin birbaşa yanması cəmi 5,5 faiz təşkil edirdi. Bərpa olunan enerjinin 92 faizi hidroelektrik, 6 faiz külək və 1,8 faiz geotermal enerjidir. Əksər elm adamları ABŞ-da dünya istixana qazı emissiyalarının əhəmiyyətli hissəsinin qalıq yanacaq əsaslı elektrik enerjisinin istehsalının, emissiyaların təxminən 40 faizini elektrik enerjisinin, 65 faizinin isə elektrik enerjisi istehsalı üçün qalıq yanacağın yanmasının təşkil etdiyi ilə razılaşırlar. SO-nun bütün emissiyalarının2, turşu yağışlarının və NO kimi digər mühüm çirkləndiricilərin əsas töhfəsidirx, CO və hissəciklər. Böyük miqyaslı istilik elektrik stansiyalarının əksəriyyətinin soyutma məqsədləri üçün xeyli miqdarda su istehlak etdiyini və bu faktın özlüyündə narahatlıq doğurduğunu xatırlatmaq da vacibdir. Ümumi elektrik istehsalımızın əhəmiyyətli bir hissəsi sənaye və məişət isitmə və/və ya soyutma üçün istifadə olunur. Aydındır ki, günəş enerjisinin çevrilməsi bu sahədə əvəzolunmaz ola bilər.

Yenə 2008-ci ilə istinadla, günəş fotovoltaik elementləri ümumi elektrik enerjisi istehsalının yalnız 0,06 faizini, günəş istilik cihazları isə sadəcə 0,004 faizini təşkil edirdi. Günəş istilik konsentratorlarından fərqli olaraq, fotovoltaik panellər günəş işığını birbaşa elektrik enerjisinə çevirir. Günəş işığının sərbəst və bol olmasına baxmayaraq, panellərin dəyərinə görə günəş elektrik enerjisinin istehsalı hələ də geniş miqyaslı mexaniki şəkildə yaradılan enerjidən daha baha başa gəlir. Aşağı səmərəli silikon günəş batareyaları qiymətləri azalır və 30 faizə yaxın çevrilmə səmərəliliyi ilə çox qovşaqlı hüceyrələr indi kommersiya baxımından mövcuddur. Müəyyən eksperimental sistemlərdə 40 faizdən çox səmərəlilik nümayiş etdirilmişdir. Son vaxtlara qədər fotovoltaiklər ən çox kommersiya elektrik şəbəkəsinə çıxışı olmayan uzaq ərazilərdə və ya fərdi evlər və müəssisələr üçün əlavə elektrik mənbəyi kimi istifadə olunurdu. İstehsal səmərəliliyi və fotovoltaik texnologiyadakı son irəliləyişlər, ətraf mühitlə bağlı narahatlıqlardan irəli gələn subsidiyalarla birlikdə günəş panellərinin yerləşdirilməsini kəskin surətdə sürətləndirdi. Almaniya, Yaponiya, Kaliforniya və Nyu-Cersidəki artımlar sayəsində quraşdırılmış güc ildə 40 faiz artır.

Böyük Britaniya daxilində biz 1-ci cədvələ uyğun olaraq enerji ehtiyaclarımızın (DECC hesabatı: Böyük Britaniyada enerji istehlakı) kobud bölgüsünü edə bilərik. Bu, enerji istehlakı üçün iki əsas sahənin nəqliyyat və daxili ehtiyaclar olduğunu göstərir. Böyük Britaniyanın ağır sənaye bölgəsi olması ilə bağlı geniş yayılmış fikir baxımından bu, təəccüblü ola bilər. Buna baxmayaraq, aydındır ki, biz daxili istifadədə istifadə olunan qalıq yanacaqları günəş yanacağı ilə əvəz etməklə qlobal enerji mənzərəmizə mühüm töhfə verə bilərik. Böyük Britaniyanın daxili enerji istehlakının bölgüsünə baxsaq, isitmə ən böyük tək amil kimi müəyyən edə bilərik. Bu, nəzərdən keçirə biləcəyimiz günəş yanacaqlarının növü üçün prioritetlərimizi müəyyən etmək üçün vacib məlumatdır.

Cədvəl 1. Böyük Britaniya üçün əsas enerji istehlakı rejimlərinin bölgüsü.

a Sərbəst şəkildə “kommersiya” adlandırıla bilənləri ehtiva edir.

5. Fotokimyəvi istilik istehsalı

Günəş işığından məişət isitmə mənbəyi kimi istifadə etmək üçün alternativ yollar nəzərdən keçirilmişdir. Bu baxımdan maraqlı bir müşahidə Cənubi Andros Qara Dəliklər adlanan yerlə bağlıdır. Burada təxminən 18 m dərinlikdə 1 m qalınlığında sıx fototrofik bənövşəyi-kükürdlü bakteriya təbəqəsi mövcuddur və xarakterik rəng verir. Bu bakteriyalar yüksək effektiv istilik mühərriki kimi fəaliyyət göstərir və bakteriyaların yaxınlığındakı temperaturu sabit 36°C-də saxlayır. Bu, əlamətdar nailiyyətdir, lakin biz bunu süni səviyyədə təkrarlaya bilərik [13]. Əslində, qeyri-radiativ kanallar vasitəsilə fotonik enerjini (aşağı temperaturlu) istiliyə çevirə bilən fotokimyəvi dövrlərin işlənib hazırlanmasında heç bir çətinlik yoxdur. Problem yüksək temperaturlu istilik yaratmaq və enerjini elə bir şəkildə saxlamaqdır ki, istənilən istiliyi lazım olduqda buraxa bilsin. Bu, həyəcandan dərhal sonra istiliyi yerli mühitə yatırmaqdan tamamilə fərqlidir.

Bu vəziyyətə ilk dəfə təxminən 30 il əvvəl baxılmış və bir neçə ehtimal dövrü müəyyən edilmişdir. Ən yaxşı fotokimyəvi saxlama sistemlərindən biri norbornadien və kvadrisiklan arasında qarşılıqlı çevrilmədir [14]. Bu tip fotoizomerləşmə xüsusilə təmizdir və əsasən temperaturdan asılı deyil. Norbornadienin izomerləşməsini sürətləndirmək üçün yaxın UV işığı tələb olunsa da, görünən bölgədə udulan üçlü vəziyyət sensibilizatorlarından [15] istifadə edərək reaksiyanı təşviq etmək mümkündür. İzomerləşmə mərhələsi kvadrisiklan məhsulunu keçid metal katalizatoru üzərindən keçirərək istiliyə çevrilə bilən əhəmiyyətli miqdarda enerji saxlaya bilər (şəkil 1). Əsas çatışmazlıqlar zəif işıq toplama imkanları, üzvi həlledicilərdən istifadə ehtiyacı və təkrar emal agentinin zəif katalitik xüsusiyyətləridir. Buna baxmayaraq, bu, günəş enerjisinin çevrilməsinin dəyərli praktik tətbiqidir.

Şəkil 1. Norbornadienin məhlulda fotolizi nəticəsində yaranan istiliyin saxlanması və buraxılması üçün istifadə olunan dövr. Kvadrisiklanın norbornadienə ekzotermik çevrilməsi yalnız katalizatorun iştirakı ilə baş verir.

Sulu məhlulda işləyən fotoizomer əsaslı dövrlərin yeni formalarının tapıla biləcəyini düşünməyə dəyər. İdeal olaraq, bu, görünən işıq tərəfindən idarə olunan fotokimyəvi adenozin trifosfat (ATP) sintezini əhatə edəcəkdir. Özlüyündə bu, böyük bir problemdir, lakin qeyri-real deyil. Daha sadə bir alternativ olaraq, nikotinamid adenin dinukleotidinin (NAD+) və onun azaldılmış formasının (NADH) qarşılıqlı çevrilməsi ətrafında fotokimyəvi dövrlərin layihələndirilməsi nəzərdə tutulur, baxmayaraq ki, vasitəçi NAD⋅ radikalının dimerləşməsinin qarşısını almaq lazımdır. Bu dövrə giriş kimi fotonik enerjidən istifadə etməklə enzimatik şəkildə idarə oluna bilər, lakin bu proses adətən trietanolamin kimi əlavə qurbanlıq üzvi substratın istehlakı hesabına əldə edilir [16]. NADH-nin oksidləşməsini (və ya NAD+-nın azaldılmasını) qurbansız reaksiya ilə birləşdirən tandem fotosistemlərinin layihələndirilməsi daha çətindir. Qismən, bu problem protonların balanssızlığı ilə kəskinləşir: məsələn, NAD + azaldılması hidrid transfer reaksiyası kimi qəbul edilə bilər, halbuki O2 sudan təkamül dörd protonun yığılmasına səbəb olur. Buna baxmayaraq, bu dövrələr yanacağın yığılması və saxlanması ilə bağlı problemlərin aradan qaldırılması üçün bir vasitə kimi vacibdir. Çox güman ki, yaxın gələcəkdə bu cür sistemlərə, xüsusən də süni ATP sintezinə daha çox diqqət yetiriləcək.

6. Fotokimyəvi sintez

Fotokimyadan qiymətli materialların, o cümlədən yeni dərman preparatlarının sintezi üçün alət kimi istifadə oluna bilər. Tez-tez günəş işığından epoksidlər kimi sənaye miqyaslı miqdarda əsas başlanğıc birləşmələri yaratmaq üçün sərfəli şəkildə istifadə oluna biləcəyi təklif olunur. Səbəb daxilində bu, təkli molekulyar oksigenin sensibilizasiya edilmiş formalaşması və onun bir alkenlə sonrakı reaksiyası ilə əldə edilə bilər. Bununla belə, üzvi birləşmələrə təkli molekulyar oksigen hücumu ilə bağlı seçicilik və spesifiklik problemləri var. Oksigen sudan alına bilərmi? Yaxşı, bu imkan nəzərdən keçirilib, lakin nəticə o qədər də ümidverici deyil.

Alternativ yanaşma, fotokimyəvi üsullardan istifadə edərək qiymətli yanacaq yaratmaq üçün tullantı üzvi substratdan qurbanlıq agent kimi istifadə etməkdir [17]. Belə bir strategiya tez-tez müəyyən bir katalitik dövrü optimallaşdırmaq üçün redoks dövrünün yarısını təcrid etmək üçün istifadə olunur (məsələn, H2 nəsil) lakin sonrakı mərhələdə ciddi problemlərə gətirib çıxarır. Burada həyat qabiliyyətli yanacaq yaradan fotokimyəvi reaksiya yolu ilə təkmilləşdirilə bilən uyğun tullantı məhsul zibilinin olub-olmaması ilə bağlı sual verə bilərik. Bir az fərqli yapışdırmada, sənaye prosesini müşayiət edən mühüm çirkləndiricini çıxarmaq üçün oxşar reaksiya istifadə edilə bilər. Ağla gələn bir substrat biodizel istehsalının əlavə məhsulu olan qliserindir [18]. Qliserin kosmetik məhsullarda faydalı bir tərkib hissəsi olsa da, ehtiyatları ağlabatan səviyyədə saxlamaq üçün indi yüksək temperaturda yandırılacaq dərəcədə böyük bir ehtiyat var. Tərkibində asanlıqla çıxarıla bilən hidrogen atomları olduğundan, qliserol H. üçün substrat kimi istifadə edilə bilər2 UV-yə yaxın işıqlandırma altında həssaslaşdırıcı kimi sadə benzofenon törəməsi [19] istifadə edərək nəsil (şəkil 2). Həqiqətən, suda həll olunan benzofenon törəməsinin həcmcə bir neçə faizdən yuxarı konsentrasiyalarda və uyğun reduksiya katalizatoru (məsələn, kolloid Pt) tərkibində qliserol olan sulu məhlulda işıqlandırılması H-yə gətirib çıxarır.2 nəsil. Hidrogen atomlarının çoxu bu şəkildə qliseroldan çıxarıla və toplana bilən H-yə çevrilə bilər2. Bu cür benzofenon əsaslı həssaslaşdırıcılar toksik deyil, diş plombları üçün UV təşəbbüskarları və emulsiya boyası üçün aktivatorlar kimi istifadə olunur və ucuzdur. Təbii ki, onlar proses zamanı məhv olurlar, lakin ümumi reaksiya avtokatalitikdir, çünki sərbəst radikallar dövrü zamanı digər karbonil birləşmələri əmələ gəlir. Bundan əlavə, karbon əsaslı son qalıq qeyri-toksik reagent kimi uyğun şəkildə aşağı salına bilər və ya karbon magistralında sabitləşən ilkin reaksiya qarışığına ammonyak əlavə etməklə xam gübrəyə çevrilə bilər. Sulu etanol və ya biokütlə kimi digər tullantı substratları bu xətlər boyunca nəzərdən keçirilə və H üçün substrat kimi istifadə edilə bilər.2 formalaşması.

Şəkil 2. Biodizel istehsalı zamanı yan məhsul kimi istehsal olunan qliserolun fotokimyəvi dehidrogenləşdirilməsi üçün təklif olunan dövr. Benzofenon törəməsi (BP) sol altda göstərilmişdir, burada R suda həlledici qalıqdır.

1970-ci illərin sonu və 1980-ci illərin əvvəllərində nəşr olunmuş saysız-hesabsız süni fotosintetik sistemlərə nəzər saldıqda, bir xüsusi sistemin indiki müzakirə üçün xüsusilə aktual olduğu görünür [20]. Bu fotosistem etanolu asetaldehid və H-yə parçalamaq üçün bioilhamlanmış ideyaların kompleks qarışığından istifadə edir2 ətraf mühit şəraitində suda (şəkil 3). Əsas komponent suda həll olunan qalay (IV) porfirindir (SnP), xlorofilin əvəzedicisi kimi çıxış edir və asanlıqla müvafiq π-radikal aniona qədər azalır. Əksər metalloporfirinlərdən [21] fərqli olaraq, SnP-dən əmələ gələn π-radikal anion sulu məhlulda sabitdir və qeyri-mütənasibliyə qarşı davamlıdır, bu, sistemin ümumi sabitliyi baxımından kritik nöqtədir. İşıqlandırma altında SnP əlavə NADH ilə azaldılır, lakin nəticədə yaranan π-radikal anion metil viologeni (MV 2+) azaldır ki, özü də suyu H-yə qədər azaldan stabil mono-kation radikalını verir.2 kolloid Pt katalizatorunun səthində. Bu strategiya NADH-nin oksidləşmiş formasını, yəni NAD-ı geridə qoyur, lakin bu sonuncu növ H üçün lazım olan protonları vermək üçün spirt dehidrogenazın (ADH) iştirakı ilə etanolla reaksiya verir.2 təkamül. PH-da heç bir dəyişiklik yoxdur və sistem uzun müddətli işıqlandırma dövrlərində işləyir, çünki qismən SnP-dən parçalanma məhsulları (yəni, florin və xlor tipli birləşmələr) fotokimyəvi dövr üçün həssaslaşdırıcı kimi fəaliyyət göstərir. H üçün ümumi kvant səmərəliliyi2 pH 7-də istehsal 55 faiz təşkil edir və günəş spektrinin əhəmiyyətli bir hissəsi yığılır. Bundan əlavə, sistem suda yalnız 1% həcmdə etanol istifadə edir və beləliklə, distillə mərhələsindən sonra bioyanacaq istehsalından qalıq etanolu çıxarmaq üçün tətbiq oluna bilər.

Şəkil 3. Müxtəlif bioinspired ideyalardan istifadə edərək etanolu dehidrogenləşdirmək üçün istifadə edilən fotokimyəvi dövr. (Rəngli onlayn versiya.)

7. Suyun fotokimyəvi parçalanması

Günəş yanacağı istehsalı üçün ideal metodologiya ətraf mühit şəraitində suyun fotokimyəvi dissosiasiyasına əsaslanır. Bu, çoxlu elektronların ötürülməsi ehtiyacı ilə xüsusilə çətinləşdirilən qeyri-trivial əməliyyatdır. H kimi çoxunda da uyğunsuzluq problemi var2 əmələ gəlməsi ən asan turşu məhlulda olur, lakin O2 nəsil qələvi pH-da daha yaxşı baş verir. Ayrı-ayrı elektrokimyəvi reaksiyalarla bağlı əhəmiyyətli həddindən artıq potensialı aradan qaldırmaq ehtiyacı səbəbindən suyun parçalanması üçün enerji tələbatı yüksəkdir. Həqiqətən, xam təxmini olaraq, bir gallon suyun dissosiasiyası təxminən 25 kVt saatlıq bir giriş tələb edir. Suyun fotokimyəvi parçalanması ilə bağlı başqa bir problem, yan reaksiyalara girə bilən və bununla da ümumi səmərəliliyi azaltmağa xidmət edən bir neçə mühüm ara məhsulun olmasıdır. Bu sonuncu problem, dövrü son məhsula çatdırmaq üçün elektronların və/və ya müsbət dəliklərin katalitik sahələrə yüksək sürətlə vurulmasını tələb edir. Burada əsas problem O ilə bağlıdır2 təkamül.

Bu nöqtədə vurğulamaq vacibdir ki, persulfat ionları və ya trietanolamin kimi qurbanlıq redoks reagentlərinin tətbiqindən qaçınmaq lazımdır. Ənənəvi olaraq [17], bu reagentlər ya H2 və ya O2 təkamül. Onlar son dərəcə yaxşı işləyirlər, lakin vasitəçi radikalların sonrakı kimyada kritik rol oynaması faktını gizlədirlər - bu məqam H.2 və ya O2 məhsul verir. Qurbanlıq reagentin geri qaytarıla bilən redoks cütü ilə dəyişdirilməsi reaksiya səmərəliliyinin kütləvi şəkildə azalmasına səbəb olur və ya reaksiyanı tamamilə dayandırır. Həqiqətən də, O. ilə bağlı çox az hal var2 geri çevrilən redoks mekikinin iştirak etdiyi sudan təkamül. Bu proseslərin ən uğurlusu redoks cütü kimi Fe 2+ /Fe 3+ istifadə edir [22] və O-ya imkan verir.2 təkamülün asidik məhlulda cüzi kvant məhsuldarlığı ilə davam etməsi (şəkil 4). Uzun müddətdir ki, qurbanlıq reagentlərin katalitik performansı optimallaşdırmağa kömək etdiyi iddia edilsə də, əslində belə deyil. Tələb olunan katalitik addımı təcrid etmək üçün qurbanlıq redoks reagentlərinin istifadə edildiyi minlərlə nümunədən yalnız kiçik bir ovuc növbəti mərhələyə uğurla keçib.

Şəkil 4. Geri çevrilən redoks cütlüyündən istifadə edərək sudan oksigenin ayrılması üçün istifadə olunan fotokimyəvi dövr.

Fotonik girişə gəldikdə, bəlkə də üzvi əsaslı günəş konsentratoru ilə konsolidasiyada istifadə edilən faktiki işıq toplama vahidi kimi yarımkeçiricilərə etibar etməkdən başqa alternativ görünmür. The latter ensures an adequate supply of photons/electrons to the catalytic site. It seems appropriate to go one stage further and insist on coupling together two such units, rather than rely on a single unit with or without the ancillary solar concentrator. The main advantage of tandem units is that their individual properties can be tailored for particular purposes. Continuing along this line, it can be argued that water splitting can only be realized by way of two coupled photo-electrochemical steps, each performed at a specific electrode. Such a system is an upgrade of the original Fujishima–Honda photo-assisted electrolysis of water—this remains one of the most important observations in the field [7]. A prototype of this design was described recently by Mallouk and co-workers [23,24] and serves as a useful starting point for future discussion. It might also be mentioned that a molecular-based photo-electrochemical system was introduced [25] recently whereby prior reduction of an appended electron acceptor was used as a means by which to amplify the reduction potential of a nearby excited state. This system, being the first of its kind, functions as a crude harmonic generator to increase redox power (figure 5) and could have important applications for light-driven energy storage.

Figure 5. Scheme used for the photo-assisted electrolysis of a substrate (S) by a zinc porphyrin (ZnP) covalently attached to a polyoxometallate (POM). The approach requires prior reduction of the POM at an electrode surface. Illumination at ZnP causes a charge-shift reaction (csr) to occur and so generate a strongly reducing form of ZnP.

Regardless of the exact nature of the solar fuel, it is essential that any large-scale operation evolves O2 from water during the photochemical cycle [26]. This reaction involves the transfer of four electrons and liberates four protons consequently, the pH will decrease during illumination, thereby changing the chemical potential, unless there is a complementary light-driven process that uses these protons at the same rate. Several metal oxides are known to function as good anodes for O2 evolution and a critical comparison of such materials has been made under photochemical conditions [27]. The main results of this latter study are compiled in table 2. Unfortunately, most of the effective materials are based on very expensive and rare elements, although Co3O4 stands out as being a useful alternative. Despite its involvement in natural oxygen evolution, MnO2 is a relatively poor catalyst for water oxidation under these conditions. This study does not address the mechanism of water oxidation, which might differ according to the type of oxide used as catalyst, but makes clear recommendations as to which materials are likely to work under illumination in any prototypic photo-electrochemical system. As such, we can identify IrO2, RuO2, Co3O4 and (to a lesser extent!) Rh2O3 and MnO2 as being suitable materials for the anode. It is important to note that these experiments were made at pH 5, rather than in alkaline solution where O2 evolution is more favoured thermodynamically. Other work with similar RuO2- and IrO2-based colloidal catalysts has stressed the importance of pH in terms of reaction kinetics and, in particular, the over-potential needed for water oxidation [28,29,30,31]. The need for a wide pH profile stems from the requirement to couple O2 evolution with fuel formation.

Table 2. Comparison of the observed rates and quantum efficiencies of O2 evolution observed for various metal oxide catalysts under photochemical conditions.

Of course, it is important to consider the physical state of the catalyst before reaching critical conclusions about which materials should be used in a large-scale practical system. Similar studies were carried out to assess the ability of hydrous metal oxides to function as good O2 evolving catalysts under photochemical conditions. Again, it was found [27] that IrO2nH2O forms the most effective catalytic centres at pH 5, with RuO2nH2O and MnO2nH2O being less effective but still viable candidates for the anode (table 3). A point of interest with colloidal IrO2nH2O is that the material possesses a clear blue colour, presumably due to intervalence charge-transfer transitions, that should favour detailed mechanistic investigations. Indeed, some preliminary work has been performed [30,31] under pulse radiolytic conditions to monitor the dynamics of hole injection into the colloid. It was found that the rate of the initial hole injection was sensitive to pH but always remained slow. Clearly, this step is going to be one of the rate-limiting issues in water oxidation, even allowing for the slow provision of holes at the catalytic site.

Table 3. Rates of O2 evolution using various metal oxide hydrates (x H2O) as catalysts and the effect of heating the hydrate for 2 hours in air at a particular temperature.

The natural water oxidation catalyst found [32] in green plants is based on a tetrameric manganese cubane structure that shuttles between the +2 and +3 oxidation states. At present, it is beyond our capabilities to prepare an artificial analogue based on manganese, although considerable research has been expended on designing manganese porphyrins able to sample multiple redox states [33]. The situation with cobalt catalysts is much improved, and recent results indicate that an effective electrochemical catalyst for water oxidation can be engineered [34] from cobalt(II) phosphate. Thus, the cathode developed therein exhibits many elements of natural photosynthesis, including (i) its yerində formation from Earth-abundant metal ions in aqueous solution, (ii) a potential route for self-repair, (iii) a carrier for protons in neutral water, and (iv) the generation of O2 at low over-potential at neutral pH, atmospheric pressure and room temperature. Furthermore, the new material has been interfaced [35] with light-harvesting semiconductors so as to develop devices capable of the solar-to-fuels conversion at an overall efficiency of 4.7 per cent for a wired configuration and 2.5 per cent for a wireless configuration when illuminated with 1 sun (100 mW cm −2 ) of air mass 1.5 simulated sunlight. These cells consist of a triple junction, amorphous silicon photovoltaic interfaced to a NiMoZn H2-evolving catalyst and the above-mentioned oxygen-evolving catalyst (figure 6). The devices described here are able to realize the desired solar-driven water-splitting reaction at reasonable efficiency and hold considerable promise for the future, provided the systems can be increased in scale from laboratory demonstration models to practical entities.

Figure 6. Illustration of the system developed by Nocera və b. for the photochemical splitting of water. The cathode is fabricated from a Ni mesh coated with a NiMoZn H2-evolving catalyst. The photoanode is prepared from a stainless steel band coated with Si in contact with an indium-tin-oxide (ITO) layer. Oxygen evolution occurs at a selective catalyst prepared from cobalt phosphate. (Rəngli onlayn versiya.)

Fujishima and Honda reported [7] the first example of the UV photo-assisted electrolysis of water using a platinized TiO2 electrode in 1972 and more efficient multi-junction photoelectrodes have been developed subsequently [36,37,38]. More recently, Mallouk and co-workers reported a system (figure 7) that uses visible light to split water into hydrogen and oxygen assisted by a small applied voltage [23]. Their system uses the above IrO2nH2O cluster as the water oxidation catalyst, together with a Pt cathode. The photochemical reaction centre comprises a TiO2 film impregnated with a ruthenium(II) poly(pyridine) complex as sensitizer. The system is a hybrid between the Fujishima–Honda cell and the well-known Grätzel-type dye-injection solar cell. The low quantum efficiency of approximately 1 per cent is due to slow hole injection into the IrO2nH2O nanoparticles from the oxidized dye. This reaction does not compete effectively with back electron transfer from TiO2 to the dye. However, further tuning is possible [24] and a viable prototype looks likely to emerge in the near future.

Figure 7. Illustration of the set-up used by Mallouk və b. for the photodissociation of water using IrO2 nanoparticles as the O2-evolving catalyst. The photoanode is a ruthenium(II) poly(pyridine), RuC, sensitized TiO2 electrode. (Rəngli onlayn versiya.)

Catalysts for the reduction of water to H2 have been available for many decades [39], although most are based on expensive and rare metals such as Pt, Ru or Ir. These materials require small over-potentials but are not selective and tend to catalyse hydrogenation of any unsaturated organic matter present in the system. Suitable photocathodes for water reduction can be fabricated from stabilized Cu2O, and this p-type semiconductor is a promising material for the photo-assisted electrolysis of water [40]. A critical operating problem in this domain relates to the simultaneous presence of H2 and O2. This situation makes separation of the gases a difficult task and, because a catalyst is usually in the close vicinity, results in recombination reactions (i.e. a Groves type fuel cell). Molecular oxygen competes with protons for the solar-generated reducing equivalents and leads to corrosion of the materials. The search for highly effective catalysts that display excellent specificity for H2 evolution has included certain enzymes [41] that can be adhered to semiconductor electrodes. The enzymes can demonstrate high turnover numbers and good selectivity but most are poisoned by the presence of molecular oxygen. Recent research, however, has identified [42] certain hydrogenase strains able to tolerate a low pressure of O2.

The competing chemistry introduced by the presence of O2, together with the difficulty associated with the collection of H2 over a widespread area, has helped direct research towards other targets. Most notable among these is the photochemical reduction of O2 to hydrogen peroxide. The latter is a useful product provided it is generated at concentrations in excess of approximately 10 per cent by volume. Again, there are problems to identify selective catalysts, although Au nanoparticles look promising in this field. It is necessary to avoid the simultaneous presence of H2 və H2O2 because of catalysed chemical reactions, but rapid progress seems highly likely in the very near future. As with H2 liberation, enzyme catalysts are available to promote the key reduction step.

8. Carbon dioxide reduction

Solar-based production of organic chemicals by the reduction of CO2 is an increasingly important area that addresses global warming and fossil fuel shortages. A major advantage of this route is that CO2 can be converted to other energy-storing chemicals such as syngas, formic acid, methane, ethylene, methanol and dimethyl ether: an excellent review of the available directions for CO2 reduction has appeared recently [43]. In developing a viable strategy along this direction, it must be accepted that water is the sole reagent to be considered as the source of both electrons and protons. There are, in fact, many metal complexes able to reduce CO2 with low quantum efficiency under illumination in the presence of sacrificial reagents. Usually, these systems operate in anhydrous organic media, typically N,N-dimethylformamide, saturated with high concentrations of CO2. These conditions are not conducive to setting up a solar fuels industry! On the other hand, natural photosynthesis does a fine job of the photochemical fixation of CO2 to carbohydrates under ambient conditions. This realization has led to the installation of large-scale facilities using microalgae to extract CO2 from effluent gases produced by essential industrial processes. Most notable in this area is the Secil process operating in Portugal that uses CO2 from cement manufacture as a feedstock for biomass production (see http://www.secil.pt/default_en.asp).

Major problems associated with the photochemical reduction of CO2, which is clearly the best way forward in terms of environmental protection, stem from the high over-potentials associated with most electrodes, poor selectivity because of competing H2 formation or O2 reduction, and low concentration of CO2 in the atmosphere. Nonetheless, certain semiconductors are known to display photocatalytic activity towards CO2 reduction in water, albeit with low quantum efficiencies. A recent breakthrough [44] in this field has seen the introduction of a tandem arrangement that couples an InP photocathode for CO2 reduction in water with a TiO2 photoanode for H2O oxidation (figure 8). Selectivity for the reduction of CO2 to formate is provided by coating the zinc-doped indium phosphide p-type photocathode with a ruthenium-based polymer, [Ru<4,40-di(1H-pyrrolyl-3-propyl carbonate)-2,20-bipyridine>(CO)2], as the electrocatalyst. The efficiency for converting sunlight into chemical energy is only around 0.04 per cent but this is a promising start.

Figure 8. Tandem (or Z-scheme) photo-electrochemical approach used to reduce CO2 to formate in aqueous solution. The photoanode comprises band gap excitation of platinized TiO2, whereas the photocathode is a Zn-doped InP electrode coated with a polymeric ruthenium(II) complex. (Rəngli onlayn versiya.)

While many attempts at the two-electron photoreduction of CO2 to CO or formic acid have been described in the literature, little success has been achieved in regards to the six-electron reduction of CO2 to methanol. The complete reduction of CO2 to CH4 using water vapour as the source of hydrogen has been observed with wide-band-gap semiconductors such as TiO2 [45] or zinc orthogermantate (Zn2GeO4) nanostructures [46]. The latter material, which has a band gap of 4.5 eV, is a poor sensitizer for CH4 production but, in line with earlier reports concerning water cleavage on TiO2, performs better with co-deposits of Pt and RuO2. Even so, the amount of CH4 produced under UV illumination remains very small. Somewhat surprisingly, Bocarsly and co-workers [47] have found that the pyridinium cation and its substituted derivatives are effective homogeneous electrocatalysts for the aqueous multiple-electron, multiple-proton reduction of carbon dioxide to products such as formic acid, formaldehyde and methanol. Importantly, high faradaic yields for methanol have been observed at low over-potentials such that detailed mechanistic studies become possible [48]. In this aqueous system, the pyridinium cation functions as redox mediator and might pre-adsorb CO2 in the form of a carbamate. Its involvement in the reductive chemistry is critical. Furthermore, it was demonstrated that similar chemistry could be transferred to a photo-electrochemical set-up using a p-GaP semiconductor as the supplier of electrons. In this case, CO2 was reduced to methanol in water at pH 5.2 with near 100 per cent faradaic efficiency at under-potentials greater than 300 mV below the standard potential of −0.52 V versus saturated calomel electrode. Early work on optimization of the cell has produced sustained cathodic currents as high as 0.20 mA cm −2 with no applied bias. This intriguing system opens the way to sustainable photoreduction of CO2 and is one of the most significant breakthroughs to emerge in recent years.

9. Nitrogen fixation

Ammonia is essential for life, because it provides the nitrogen needed for building proteins and DNA, and because of its critical role as a fertilizer. It is considered that in excess of almost one billion tonnes of ammonia are formed each year via reduction of atmospheric nitrogen by nitrogenase enzymes. About the same amount is produced abiotically through the Haber–Bosch reaction, which is arguably the single most significant industrial process ever discovered. This artificial route to NH3 is energy intensive but necessary to sustain agriculture and human development. It is natural to consider developing photochemical routes to N2 fixation that might circumvent the Haber–Bosch process, possibly by incorporating some aspects of nitrogenases in the chemistry. Discovering an effective catalyst for the mild generation of NH3, either by direct reduction of N2 or its combination with H2, would be a tremendous advance over current technology and, by itself, could ensure stable future funding for artificial photosynthesis. Of course, this chemistry is exceedingly difficult.

It is generally considered that the abiotic fixation of N2 requires a Mo-based catalyst. Indeed, few catalytic cycles are known that will reduce N2 to NH3 under ambient conditions [49]. In one case, a single Mo(III) centre serves as catalyst [50], whereas a second system yields hydrazine as the primary product, which disproportionates into nitrogen and ammonia [51]. Quite separately, the radiolytic and UV-photochemical reduction of N2 to NH3 has been realized in aqueous solution using colloidal metal particles as catalyst [52]. In this case, the catalysts were far from selective for N2 reduction, with H2 evolution occurring in acidic solution, whereas the overall efficacy of the process was found to depend on the type of reducing radical. Nonetheless, this pioneering work provides encouragement for further exploratory research in this important area.

10. Conclusions and prospects

The supply of secure, clean, sustainable energy is a major scientific and technological challenge that must be solved within the next few decades in order to avoid catastrophic changes in society. There are related issues for national and economic security and environmental control that are likely to raise our urgency for seeking genuine solutions to the renewable energy problem. To overcome the technical problems associated with the development of a national solar fuels industry demands the identification of new protocols for the photochemical production of carbon-based fuels and for the recovery of CO2 from the atmosphere. The conversion of sunlight into chemical potential is based on the capture and conversion of solar energy, the liberation of molecular oxygen from water and the subsequent collection and storage of the fuel. In addition to concerns about cost-effectiveness of this basic strategy, it is necessary to accept that, relative to fossil fuel-derived energy, solar energy is diffuse and seasonal, at least in northern Europe. As such, materials costs must be kept very low and long-term storage is essential if we are to succeed in establishing a viable solar fuels industry on these shores.

Molecular-based artificial photosynthetic models have played important roles in the historical development of the field. There have been some hugely imaginative attempts to construct molecular analogues of both the natural light-harvesting antennae and the bacterial reaction centre complex. Although numerous photosystems have been set up that evolve H2 or O2 under illumination, there seems little likelihood that such approaches can be made practical. The same situation holds for reduction of atmospheric CO2 in the presence of molecular oxygen. By contrast, the photochemical dehydrogenation of waste materials is both viable and economical, provided adequate stocks of the waste compound are available and that the entire process is carried out locally. Equally promising is the development of practical outlets for light-induced heat storage. There can be little doubt that commercial outlets could be found along this route and that domestic heating could be delivered by such bioinspired strategies. The only remaining requisite here is to develop water-based systems using small molecular fragments such as ATP analogues.

Large-scale solar capture and conversion can be accomplished by making use of photovoltaic devices. The primary challenge here is to increase the cost-effectiveness for delivered solar electricity. Do we have sufficient sunlight in the UK to drive such technology? If not, is it possible to harvest solar energy from the desert and transport the generated electricity several thousands of miles to the UK? These are major issues but, in terms of solar fuel production, change nothing: there is still the critical need to develop effective and selective catalysts capable of water oxidation and fuel generation under ambient conditions. Other reports will focus attention on the cost of solar electricity but we have to recognize that storage is best achieved by way of fuel generation. The latter requires water oxidation to O2 at minimum over-potential and on a huge scale. What about the fuel?

The storage of sustainable energy in the form of chemical fuels (e.g. hydrocarbons and alcohols) by means of artificial photosynthesis using CO2 və H2O should enable a CO2 neutral power generation infrastructure close to our present commitment to fossil fuels. This would require minimum disruption of our current machinery but demands the identification of selective and ultra-efficient catalysts. The on-site collection of gases over a wide area is problematical, as is the prior removal of O2 from the cell housing the cathode. In this respect, the conversion of O2 to HOOH looks to be the easiest option. The corresponding conversion of CO2 to HCOOH is more attractive, in many respects, but an order of magnitude more difficult to achieve. In terms of setting up a large-scale demonstration of solar fuel production, we could do worse that develop a robust protocol for local production of hydrogen peroxide. On a longer-term basis, the route to methanol production from CO2, no doubt this is a hazardous journey, has been opened by the concept of involving a pyridinium-based relay and this could be our most realistic target. Mimicking the role of the FeMo nitrogenases in N2 fixation might be a step too far at the moment but fundamental research in this area is needed desperately. A high fraction of worldwide energy supplies is diverted to the fixation of N2, a process that by itself is responsible for massive population growth, using established chemistry at high temperatures and pressures. The selective reduction of N2, probably the most stable diatomic molecule, to NH3 by protons and electrons at room temperature and atmospheric pressure remains a challenge for future generations.


Biological Transformation of Solar Energy

This chapter presents a description of a hypothetical solar energy conversion plant in which an algal culture pond, algal digester, and a thermal power generator are combined to transform solar energy into electrical power. Description, specifications, and cost estimates are provided for designing, maintaining, and operating each of the units. The cost of line power as a function of latitude and photosynthetic efficiency is estimated in the chapter. According to the data and information presented, the cost of line power in the lower latitudes of the earth would be from 15 –20 mills/kw.-hr. This compares with the estimated 16.7 mills/kw.-hr. For a fission plant of equivalent capacity, but is about three times the cost of present day thermal power in the U. S. By increasing the efficiency of the solar energy collecting ponds and improvements in digester design, power costs could be decreased to the extent that solar energy would compare favorably in cost with other sources of energy in special areas of the world.


Ask An Engineer

“Imagine a straight-line, one-hill roller coaster. It’s boring to ride, but it’s a useful example,” says Aaron Johnson, a PhD student in aeronautics and astronautics. If you start your ride at ground level, the first challenge is getting the coaster to the top of the hill. This takes energy, so you expend what you need against gravity and friction to get the coaster to the top. When the coaster crests the hill, all of the energy you have just expended against gravity is now stored as potential energy — though exactly how much depends on the height of the hill and the weight of the cars and passengers.

In an ideal world, Johnson says, a perfectly efficient energy collector on a frictionless coaster in a vacuum should be able to harness that potential energy and convert it to enough kinetic energy on the way down to drive you up a hill of exactly the same height. But in the real world, energy collection is more complicated. Much of the potential energy you have just gathered is going to scatter. Friction generates heat energy in the track and wheels, and drag buffets the cars and passengers, heating them and the air around them and dissipating more of your energy. This dispersion means realizing all of your potential is nearly impossible.

Interestingly, not all of this energy needs to be completely lost — whether it’s from a roller coaster or any other moving vehicle. One way to collect some of the energy that dissipates from moving vehicles is through something called regenerative braking, as used in hybrid cars such as the Toyota Prius. Regenerative brakes use energy normally lost to heat and friction during braking to charge batteries that power the car. “It works, but you’re never going to get enough energy to bring you back up the hill again,” says Johnson. “You’ve lost some of it to heat, plus the regenerative braking process isn’t 100 percent efficient.” (In Pittsburgh, engineers recently created just such a demonstration coaster and used the collected energy to power a display of amusement park lights.)

Another approach is to add a turbine to the coaster to collect wind energy. Airplanes do this. In an emergency, such as a power failure, a plane drops a so-called ram air turbine from a hatch. The turbine collects wind energy to power hydraulics and critical instruments. “It’s very inefficient, so it’s usually only for emergency use,” says Johnson.

While no solution is perfect, regenerative brakes and turbines are constantly being reworked and redesigned to become more efficient. For instance, in turbines, the shape and twist of the blade matters. “There’s a lot of people trying to design the most efficient blade possible,” says Johnson.


Is it possible to biologically convert potential energy to chemical energy? - Biologiya

Anabolik yollar daha sadə olanlardan mürəkkəb molekulları sintez etmək üçün enerji girişini tələb edir. CO-dan şəkərin sintezi2 bir misaldır. Other examples are the synthesis of large proteins from amino acid building blocks, and the synthesis of new DNA strands from nucleic acid building blocks. These biosynthetic processes are critical to the life of the cell, take place constantly, and demand energy provided by ATP and other high-energy molecules like NADH (nicotinamide adenine dinucleotide) and NADPH (Figure 1).

ATP, hüceyrələrin hər zaman kifayət qədər ehtiyata sahib olması üçün vacib bir molekuldur. The breakdown of sugars illustrates how a single molecule of glucose can store enough energy to make a great deal of ATP, 36 to 38 molecules. Bu katabolik bir yoldur. Catabolic pathways involve the degradation (or breakdown) of complex molecules into simpler ones. Molecular energy stored in the bonds of complex molecules is released in catabolic pathways and harvested in such a way that it can be used to produce ATP. Other energy-storing molecules, such as fats, are also broken down through similar catabolic reactions to release energy and make ATP (Figure 1).

Figure 1. Anabolic pathways are those that require energy to synthesize larger molecules. Catabolic pathways are those that generate energy by breaking down larger molecules. Hüceyrənin enerji balansını saxlamaq üçün hər iki növ yol tələb olunur.

It is important to know that the chemical reactions of metabolic pathways don’t take place spontaneously. Hər bir reaksiya mərhələsi ferment adlanan zülal tərəfindən asanlaşdırılır və ya katalizlənir. Fermentlər bütün növ bioloji reaksiyaları kataliz etmək üçün vacibdir - enerji tələb edənlər və enerji buraxanlar.


Chemical Energy to Thermal Energy Examples

1. Coal is burned at a power plant. The chemical energy released as the coal is burned heats water and turns it into steam. The chemical energy causes the liquid water molecules to move faster increasing their thermal energy.

2. Gasoline is burned in a car engine. As the gas burns, small explosions release heat or thermal energy which makes the pistons move so the car go.

3. A furnace burns natural gas in a chemical reaction. As the natural gas burns, heat is released causing air molecules to move faster. The temperature of the air increases because they have more thermal energy which is used to heat a house.

4. Hand warmers used for hunting operate by chemical reaction. When the contents of the bag are mixed together, a chemical reaction causes chemical bonds to break releasing energy. This energy causes the thermal energy of the solution inside the bag to increase and we feel heat to warm our hands.

5. A butane torch burns butane gas. As the chemical bonds are broken during the reaction, heat is released. The heat is used to increase the thermal energy of a metal which melts and is used to weld pipes together.


Is it possible to biologically convert potential energy to chemical energy? - Biologiya

UCB chemistry professors James McCusker and Charles Shank, who is also the director of Berkeley Lab, along with graduate student Alvin Yeh, co-authored a paper in the August 11 issue of the journal Science in which they described a time-resolved spectroscopic study that followed the evolution of a photo-induced charge-transfer state in an inorganic chromophore. Their findings show, for the first time, two distinct factors that contribute to this evolution one which is strongly influenced by the chromophore's immediate surroundings, and the other which is influenced only by the molecule's internal electronic structure.

A TYPICAL SOLAR CELL CONSISTS OF A COVER GLASS WITH AN ANTI-REFLECTIVE LAYER, A FRONT CONTACT TO ALLOW ELECTRONS INTO A CIRCUIT AND A BACK CONTACT TO ALLOW THEM TO COMPLETE THE CIRCUIT, AND THE SEMICONDUCTOR LAYERS WHERE PHOTO-INDUCED CHARGE TRANSFER PROCESSES TAKE PLACE.
Image courtesy Dept. of Energy

"Although this work is very fundamental in nature, it suggests that medium-induced charge localization could be an important component of photo-induced charge transfer in a variety of settings that employ inorganic compounds as chromophores," says McCusker. "Since this is the necessary first step in almost any scheme one can come up with to convert light into usable energy, we believe that our results will help shape the way people think about this aspect of the problem."

In the process of photo-induced charge transfer, incident light upon a molecule redistributes electron density to create the chemical potential necessary for energy conversion. This process is central to a wide range of physical and chemical phenomena including photosynthesis in plants, and also forms the basis of the photovoltaic effect in semiconductors.

"Prior to our work, very little was known concerning the dynamics of photo-induced charge-transfer in inorganic chromophores," McCusker says. "But its only been within the last 10 years or so that the study of processes on such short time-scales has been experimentally accessible."

Understanding the dynamics behind photo-induced charge-transfer in inorganic chromophores is especially important for certain classes of solar cells where light absorption by dye-sensitized wide-bandgap semiconductors such as titanium oxide forms the basis for photoelectric conversion. Recently there has been considerable interest "both theoretically and experimentally" McCusker says, in the "dynamics of solvation." That is, scientists want to know what happens when the effects of incident light upon the chromophore and the dynamics of its nearby molecular neighbors take place on a comparable time-scale.

In their Science paper, McCusker, Shank, and Yeh report their observations of the factors that contributed to the formation of a charge-transfer state following the absorption of light by an inorganic chromophore in solution on a time-scale of less than one trillionth of a second. A chromophore known as [Ru(bpy) 3 ] 2+ , which is the prototype for the most widely used inorganic chromophores in sensitized solar cells, was photoexcited with flashes of light that were a mere 25 femtoseconds in duration. (A femtosecond is to one second what one second is to roughly 30 million years.) The chromophore's absorption of this light was then monitored as a function of time.

"Analysis of the data revealed that the excited electron is initially delocalized over all three bpy ligands, but eventually becomes trapped on a single ligand due to the rapid motion of the molecules in the surrounding solvent which occurs in response to the charge-transfer event," says McCusker. "In contrast, electronic relaxation from the initial excited state of the compound to lower energy states appears to occur independent of this charge localization process."

Whether or not the intramolecular effects of photoexcitation are totally independent of the environmental effects when it comes to localizing the charge-transfer is still not clear, the scientists report, but the identification of solvation dynamics as having a role to play answers some long-standing questions about the dynamics of charge-transfer states in inorganic chromophores. The researchers say it is possible that the surrounding medium might also play a similar role in localizing or directing charge-transfer states in the organic chromophores of biological systems.

"In this circumstance, the nearby residues within the proteins would act in much the same way as the solvent does in our experiment," says McCusker. "We have no evidence that this is the case, but it's interesting to think about."


Fact or Fiction?: Energy Can Neither Be Created Nor Destroyed

The conservation of energy is an absolute law, and yet it seems to fly in the face of things we observe every day. Sparks create a fire, which generates heat&mdashmanifest energy that wasn&rsquot there before. A battery produces power. A nuclear bomb creates an explosion. Each of these situations, however, is simply a case of energy changing form. Even the seemingly paradoxical dark energy causing the universe&rsquos expansion to accelerate, we will see, obeys this rule.

The law of conservation of energy, also known as the first law of thermodynamics, states that the energy of a closed system must remain constant&mdashit can neither increase nor decrease without interference from outside. The universe itself is a closed system, so the total amount of energy in existence has always been the same. The forms that energy takes, however, are constantly changing.

Potential and kinetic energy are two of the most basic forms, familiar from high school physics class: Gravitational potential is the stored energy of a boulder pushed up a hill, poised to roll down. Kinetic energy is the energy of its motion when it starts rolling. The sum of these is called mechanical energy. The heat in a hot object is the mechanical energy of its atoms and molecules in motion. In the 19th century physicists realized that the heat produced by a moving machine was the machine&rsquos gross mechanical energy converted into the microscopic mechanical energy of atoms. Chemical energy is another form of potential energy stored in molecular chemical bonds. It is this energy, stockpiled in your bodily cells, that allows you to run and jump. Other forms of energy include electromagnetic energy, or light, and nuclear energy&mdashthe potential energy of the nuclear forces in atoms. There are many more. Even mass is a form of energy, as Albert Einstein&rsquos famous E = mc 2 showed.

Fire is a conversion of chemical energy into thermal and electromagnetic energy via a chemical reaction that combines the molecules in fuel (wood, say) with oxygen from the air to create water and carbon dioxide. It releases energy in the form of heat and light. A battery converts chemical energy into electrical energy. A nuclear bomb converts nuclear energy into thermal, electromagnetic and kinetic energy.

As scientists have better understood the forms of energy, they have revealed new ways for energy to convert from one form to another. When physicists first formulated quantum theory they realized that an electron in an atom can jump from one energy level to another, giving off or absorbing light. In 1924 Niels Bohr, Hans Kramers, and John Slater proposed that these quantum jumps temporarily violated energy conservation. According to the physicists, each quantum jump would liberate or absorb energy, and only on average would energy be conserved.

Einstein objected fervently to the idea that quantum mechanics defied energy conservation. And it turns out he was right. After physicists refined quantum mechanics a few years later, scientists understood that although the energy of each electron might fluctuate in a probabilistic haze, the total energy of the electron and its radiation remained constant at every moment of the process. Energy was conserved.

Modern cosmology has offered up new riddles in energy conservation. We now know that the universe is expanding at a faster and faster rate&mdashpropelled by something scientists call dark energy. This is thought to be the intrinsic energy per cubic centimeter of empty space. But if the universe is a closed system with a finite amount of energy, how can it spawn more empty space, which must contain more intrinsic energy, without creating additional energy?

It turns out that in Einstein&rsquos theory of general relativity, regions of space with positive energy actually push space outward. As space expands, it releases stored up gravitational potential energy, which converts into the intrinsic energy that fills the newly created volume. So even the expansion of the universe is controlled by the law of energy conservation.

Müəllif(lər) HAQQINDA

Clara Moskowitz edir Elmi amerikalı's senior editor covering space and physics. She has a bachelor's degree in astronomy and physics from Wesleyan University and a graduate degree in science journalism from the University of California, Santa Cruz.


Videoya baxın: Conservation of Energy (BiləR 2022).