Нанотехнологическое сообщество Нанометр, все о нанотехнологиях
на первую страницу Новости Публикации Библиотека Галерея Сообщество Объявления Олимпиада ABC О проекте
 
  регистрация
помощь
 

Мощь альтернативы: Альтернативная энергетика – думая о будущем планеты Земля

Ключевые слова:  Интернет-олимпиада, мнение, Наноазбука

Автор(ы): Родионов Иван Алексеевич

Опубликовал(а):  Гудилин Евгений Алексеевич

23 мая 2009

Предлагаем Вашему вниманию самые оригинальные работы конкурса Мощь альтернативы, организованного в рамках Третьей Всероссийской Интернет-олимпиады "Нанотехнологии - прорыв в Будущее" генеральным партнером Олимпиады – группой ОНЭКСИМ. Автор: Родионов Иван Алексеевич

Развитие человеческой цивилизации неразрывно связано с потребностью в источниках энергии. Технологический прорыв, повсеместное распространение топливных двигателей и электроприборов, стал возможным только благодаря освоению таких ископаемых, как нефть, газ и уголь. Они же остаются основными источниками энергии и по сей день. Однако, ограниченность запасов полезных ископаемых, а также экологические проблемы, связанные с их использованием, ставят нас перед выбором: либо осваивать альтернативные источники энергии, лишенные этих недостатков, либо ограничивать энергопотребление. Последнее препятствует стремлению человечества к дальнейшему технологическому развитию и может стать лишь временным решением. Поэтому в последние годы значительные усилия были направлены на освоение альтернативных возобновляемых и экологически безопасных энергетических ресурсов. К подобным можно отнести следующие источники:

  • Геотермальные
  • Гравитационные
  • Солнечное излучение
  • Течения рек и морские течения
  • Атмосферные явления

Последние два источника являются производными солнечной энергии, поскольку обязаны своим происхождением нагреву земной поверхности и атмосферы солнечными лучами. Их уже довольно давно и эффективно используют в ветряных и гидроэлектростанциях, обеспечивающих вместе порядка 20% мирового производства электроэнергии. Существуют проекты по использованию энергии ветровых волн, морских течений, дождя. Однако использование данных энергетических ресурсов территориально ограничено, ибо существуют области вдали от морского побережья, где нет крупных рек и сильных ветров. Запасы геотермальной энергии огромны и во много раз превосходят потребности человечества. Однако применение этого вида энергии затруднено, и лишь в немногих районах Земли есть естественный выход геотермальной энергии на поверхность – гейзеры. В таких местах уже действуют геотермальные электростанции. Силы притяжения Луны и Солнца вызывают приливы и отливы. Общий объем энергии приливов на Земле оценивается примерно в 3 млрд. кВт·ч в год, что составляет лишь примерно 15% всей потребляемой человечеством электроэнергии[1]. Таким образом, использование только геотермальных и гравитационных ресурсов земли не может стать решением энергетических проблем человечества.

Фаворитом среди альтернативных источников энергии является солнечная радиация. Поток солнечного излучения за пределами земной атмосферы равен 1367 Вт/м². Из-за поглощения атмосферой максимальный поток солнечного излучения на уровне моря составляет 1020 Вт/м². За год на Землю попадает 1018 кВт·ч солнечной энергии [2], 2% которой могут быть использованы без заметного ущерба для окружающей среды, что в сотни раз превышает современные потребности планеты.

Известно несколько основных методов преобразования солнечного излучения в запасаемые виды энергии: косвенный - фототермический (энергия света превращается в тепло, за счет которого затем совершается механическая работа) и прямые - фотоэлектрический и фотохимический (без совершения механической работы). В настоящее время предпочтение отдается полупроводниковым солнечным батареям, уже доказавшим свою эффективность при обеспечении электроэнергией космических аппаратов. В таких батареях происходит прямое преобразование солнечных лучей в электрический ток с эффективностью около 15%. Другое перспективное направление, связанное с интенсивным развитием водородной энергетики, - фотолиз воды, в ходе которого солнечная энергия используется для получения кислорода и водорода из воды. Остановимся кратко на механизме этого процесса, который представляется нам одним из наиболее интересных способов преобразования солнечного света.

Поглощение полупроводниковым кристаллом (так называемым фотокатализатором) кванта света приводит к переходу электрона из валентной зоны в зону проводимости, то есть к образованию электронно-дырочной пары [3]. Электрон и дырка перемещаются по кристаллу, в результате чего они либо рекомбинируют, либо выходят на поверхность твердого тела, где могут взаимодействовать с частицами, находящимися в поверхностном слое. В подобных реакциях электрон является восстановителем, а дырка - окислителем. Если речь идет о фотолизе воды, то электрон восстанавливает ион H+ до водорода, а дырка окисляет воду до кислорода. Однако возможность этих процессов зависит от значений энергии дна зоны проводимости Ec и потолка валентной зоны Ev полупроводника, которые характеризуют соответственно восстановительную способность электрона и окислительную способность дырки. Для протекания реакций восстановления и окисления Ec и Ev должны быть соответственно больше и меньше соответствующих редокс-потенциалов воды (рис. 1). С другой стороны, ширина запрещенной зоны Ec - Ev определяет ту минимальную энергию, которой должен обладать квант света, чтобы вызвать электронный переход в полупроводнике. Эффективный фотокатализатор для утилизации солнечного света должен обладать следующими свойствами:

  • Поглощать свет в видимой области
  • Иметь большую удельную площадь поверхности
  • Обладать оптимальными значениями Ec и Ev для осуществления желаемых реакций

На данный момент наиболее распространенным фотокатализатором является диоксид титана. Ширина его запрещенной зоны 3,1 эВ. На поверхности TiO2 легко окисляются органические соединения, и на его основе уже созданы приборы для очистки воздуха. Он может быть использован и для фотолиза воды. Например, авторы работы [4] проводили фотолиз воды в электрохимической ячейке, состоящей из двух электродов: стеклянного электрода с TiO2-SnO и противоположного ему из Pt-Ti. В этой ячейке происходило окисление веществ-загрязнителей с одновременным выделением водорода. Недостатком TiO2 является то, что он поглощает свет не в видимой области, а в ультрафиолетовой, что сильно ограничивает возможности его применения для преобразования солнечного света. Несмотря на это, он привлекает большой интерес благодаря своей химической устойчивости и высокой активности при облучении УФ-светом. В настоящее время успешно продолжают разрабатываться методы получения диоксида титана с большой удельной площадью поверхности [5].

Важным для достижения хороших выходов фотолиза воды является разделение окислительных и восстановительных центров (на которых выделяются соответственно кислород и водород). Одним из подходов является структурирование поверхности фотокатализатора на наноуровне. В этом отношении особый интерес представляют слоистые соединения, в частности, перовскитоподобные оксиды, в которых фотореакция может протекать как на поверхности, так и в межслоевом пространстве. Это позволяет, при должной модификации, например, при нанесении частиц металла платиновой группы на поверхность фотокатализатора или при их внедрении между слоями, пространственно разделить центры выделения кислорода и водорода [6], рис.2.

Разумеется, и в этом случае увеличение удельной площади поверхности за счет уменьшения размеров частиц, должно привести к увеличению фотокаталитической активности. Кристалл подобного оксида можно рассматривать как нанореактор для расщепления воды. Перспективность слоистых оксидов связана с широкими возможностями варьирования их свойств путем модификации, например, ионного обмена, допирования, интеркаляции или даже их расщепления на монослои с последующим осаждением на подложку. Многие слоистые проявляют фотокаталитическую активность при облучении видимым светом [7], правда, добиться высоких квантовых выходов пока не удается. В настоящее время ведутся работы по получению наноразмерных частиц слоистых оксидов.

Основные причины медленного развития солнечной энергетики – малая интенсивность потока энергии, его прерывистый характер, зависимость от времени суток, сезона, погоды и т.д. Эти недостатки можно скомпенсировать, собирая и концентрируя солнечный свет с большой площади, преобразуя и запасая энергию в той или иной форме. Емкость современных аккумуляторов хотя и достаточна для того, чтобы запасать энергию в течение дня и расходовать её ночью, но явно недостаточна для того, чтобы компенсировать возростающее зимой энергопотребление за счет запасенных летом излишков. Сохранение солнечной энергии в виде водородного топлива с дальнейшим превращением последнего в электроэнергию в топливном элементе может решить эту проблему. Возможно, не за горами лежит и создание комбинированных устройств, способных сочетать в себе как функцию фотокаталитичекого реактора (или электролизера), так и топливного элемента. В подобных устройствах, в зависимости от ситуации, будет возможно как получение электроэнергии и/или водорода под действием света, так и получение электроэнергии за счет переработки запасенного ранее водородного топлива.

Существуют две основные концепции использования фотоэлементов. Первая (которая очевидно получит распространение, если стоимость фотоэлементов существенно не снизится) заключается в организации больших солнечных электростанций в подходящих для этого районах земного шара, собирающих солнечный свет с огромных площадей, и способных обеспечивать электричеством значительное количество городов и предприятий. Основные проблемы, которые здесь возникают – проблемы обслуживания подобных сооружений и транспортировки полученной энергии на большие расстояния. Суть второй концепции состоит в превращении каждого отдельного дома в минифабрику по производству солнечной электроэнергии, с размещением фотоэлементов на крышах, дорогах, тротуарах и т.д., способную не только обеспечивать свои собственные нужды и запасать энергию, но и при необходимости снабжать избытком энергии другие городские объекты. Выгоды такой концепции очевидны, однако её использование станет возможным только с появлением более дешевых и эффективных фотоэлементов. Что касается так называемых фотокатализаторов, то для них представляется перспективным применение, связанное не только с разложением воды, но и с разложением различных загрязнителей сточных вод и природных водоемов под действием естественного солнечного света (в противоположность искусственно генерируемому УФ-излучению, используемому для этого сейчас). Более того, в качестве побочного продукта подобных процессов может выделяться водород [8], что сделает подобные технологические процессы экономически более выгодными (например, на нефтеперерабатывающих предприятиях).

Список использованной литературы

  1. Мешков П.И. Наноматериалы в солнечных батареях – новые перспективы альтернативной энергетики.// www.nanometer.ru
  2. Б.И.Лучков Солнечная энергетика
  3. Ю.М.Артемьев, В. К. Рябчук, «Введение в гетерогенный фотокатализ», издательство Санкт-Петербургского университета, 1999 г.
  4. J.A. Byrne, A. Davidson, P.S.M. Dunlop, B.R. Eggins Water treatment using nano-crystalline TiO2 electrodes. // J Photochemistry and Photobiology A: Chemistry, 2002, V. 148, P. 365–374
  5. Anna V. Korzhak Photocatalytic hydrogen evolution over mesoporous TiO2/metal nanocomposites.// Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry, 2008
  6. A. Kudo, K. Sayama, A. Tanaka, K. Asakura, K. Domen, K. Maruya, T. Onishi Nickel-Loaded K4Nb6O17 Photocatalyst in the Decomposition of H2O into H2 and O2: Structure and Reaction Mechanism.// Journal of catalysis V. 120, P. 337-352, 1989
  7. Hyun Gyu Kim, Dong Won Hwang, and Jae Sung Lee An Undoped, Single-Phase Oxide Photocatalyst Working under Visible Light.// J. AM. CHEM. SOC. 2004. V. 126. P. 8912-8913.
  8. Jindo Kim, Dong Won Hwang, Hyun-Gyu Kim, Sang Won Bae, Sang Min Ji and Jae Sung Lee, «Nickel-loaded La2Ti2O7 as a bifunctional photocatalyst», Chem. Commun., 2002.

Прикрепленные файлы:
rodionov.doc (89.50 КБ.)

 

В статье использованы материалы: Творческий тур


Средний балл: 8.3 (голосов 6)

 


Комментарии
Пара-тройка вопросов:

1 Как решена проблема посторонних ионов в воде? Хлор (из хлоридов) по идее должен выделяться легче чем кислород.
2 Как решена проблема разделения газовой смеси водорода и кислорода?
3 Как решена проблема минерального обраствния? (например накипь, силикаты, гипс...)
Стеколщиков Михаил, 25 мая 2009 11:43 
Не согласен с автором по следующим причинам:
Все приведённые технологии альтернативной энергетики основаны на разработках 19 века, устарели морально и малопригодны для РФ. Он не учитывает теплоаккумулирующую способность Гидросферы Земли. Гидросфера Земли относится к классу аккумуляторов с фазовым переходом(см.Яндекс.ру), с высокой удельной плотностью энергии. Гидросфера аккумулирует тепло равное 170-ти летнему приходу солнечной энергии(1 Солнечный тепловой год = 10^14 тУ.Т)или 1 000 000 летнему потреблению энергии человечеством. Энтальпия воды имеет термальную и межфазную составляющие, и вода является вечным источником энергии. Просто пришла пора изменить технологию использования гидроэнергии, отказавшись от феодальных способов. Пора переходить от использования потенциальной энергии гидростатического напора воды к потенциальной энергии межфазного перехода Вода-Лёд, которая эффективнее в 1000 раз. Так 1 куб.м воды при 6 о С содержит 100 кВт•час тепловой энергии."Межфазная гидроэнергетика” (МГ)- можно посмотреть на Яндексе.ру или http://http://sunempire.by/development/desing/116-me zhfaznaja-gidrojenergetika.-ispolzovanie. html. Проекты переработки теплового градиента в электрогенерацию, разработаны как для Арктических вод (в СССР), так и для экваториальных вод (технология ОТЭС). Они могут быть использованы после адаптации.Об этом много информации в рунете. МГ позволяет увеличить тепловой градиент с 20 К, до 100 К, что позволяет испльзовать газовую турбину с КПД = 30% (около).
Прямой пересчёт энергии: 334 кДж/кг, соответствует подъёму воды на 34 000 м.
Все приведённые технологии альтернативной энергетики основаны на разработках 19 века, устарели морально - это не совсем так, перспективы применения перечисленных в работе технологий всерьез обсуждаются в недавней статье Energy alternatives: Electricity without carbon. /Nature. 2008. V.454. P. 816-823

Для того чтобы оставить комментарий или оценить данную публикацию Вам необходимо войти на сайт под своим логином и паролем. Зарегистрироваться можно здесь

 

Наносеть
Наносеть

Визит Президента ИЮПАК в Образовательный центр "Сириус"
22 июля состоялся визит Президента Международного Союза теоретической и прикладной химии (IUPAC), члена - корреспондента РАН, директора Института химии и проблем устойчивого развития РХТУ имени Д.И.Менделеева, профессора Н.П.Тарасовой в Образовательный центр "Сириус", в ходе которого всемирно известный ученый выступила перед школьниками направлений "Нанотехнологии", "Новые материалы", "Микромир и микроскопия", "Агропромышленные и биотехнологии", "Беспилотный транспорт и логистические системы" с публичной лекцией "Устойчивое развитие: планетарные границы и зеленая химия".

Фестиваль проектов Образовательного центра "Сириус": красивый эксперимент
21 июля 2017 года впервые состоялся грандиозный Фестиваль - выставка школьных проектов, разработанных в рамках Образовательной программы "Большие вызовы", на котором было представлено свыше 80 работ по 12 тематическим направлениям. В ходе Фестиваля в рамках нового формата общения около 800 школьников и 100 экспертов обсуждали у стендов результаты работы проектных команд. Завершился Фестиваль встречей и "Недетским разговором" с Президентом Российской Федерации В.В.Путиным.

Молодые ученые МГУ делятся научным опытом с воспитанниками Образовательного центра Сириус
16 - 17 июля 2017 года в Образовательном центре "Сириус" состоялись лекция и семинар выдающегося молодого ученого, ведущего научного сотрудника лаборатории материалов для электрохимической энергетики, Химического факультета, доцента факультета наук о материалах МГУ, сотрудника центра электрохимической энергетики МГУ, Массачусетского Технологического Института и Сколтеха, к.х.н. Д.М.Иткиса, посвященные принципам разработки современных электрохимических устройств для хранения энергии.

Научно-исследовательская работа студентов в 7 семестре. Тезисы докладов на студенческой научной конференции.
Сафронова Т.В.
Научные конференции студентов на факультете наук о материалах Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова (ФНМ МГУ) – являются многолетней традицией. Зимняя конференция в 7 семестре - как контрольная точка для студентов, неотрывно от учебного процесса выполняющих квалификационную работу бакалавра.

Система практик ФНМ МГУ
А.Б.Тарасов, А.В.Кнотько, Е.А.Гудилин

Проектная работа

Сегодня становится все более популярной так называемая проектная работа школьников, однако на этот счет есть очень разные мнения. Мы были бы признательны, если бы Вы высказали кратко свое мнение по этому поводу путем голосования. Заранее благодарны!

Закон о реформировании РАН

В Совместном заявлении Совета по науке и членов Общественного совета Минобрнауки предлагается отозвать нынешний проект закона о "реформировании" РАН из Государственной думы и вернуться к его рассмотрению с соблюдением процедуры утвержденной постановлением Правительства РФ №851 от 25.08.2012, и указом Президента РФ №601 от 07.05.2012, которая была грубо нарушена. Мы предлагаем Вам высказать (анонимно) свое мнение в данном опросе, чтобы его статистические результаты были видны всем участникам опроса и общественности.

Проектная деятельность с точки зрения учителя

Это специальный опрос для учителей и представителей школ, которых мы просим оценить значимость предлагаемых материалов, мероприятий и перспективы их дальнейшего совершенствования на пути эффективного взаимодействия школ и ВУЗов. В опросе могут также участвовать школьники, студенты и аспиранты, особенно со своими критическими замечаниями в комментариях.



 
Сайт создан в 2006 году совместными усилиями группы сотрудников и выпускников ФНМ МГУ.
Сайт модернизирован для ресурсной поддержки проектной деятельности учащихся в рамках ГК 16.647.12.2059 (МОН РФ)
Частичное или полное копирование материалов сайта возможно. Но прежде чем это делать ознакомьтесь с инструкцией.