Изучение новых возможностей получения дешевого горючего Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

УДК 546.681.19: 541.67+541.123.2

И.А. Кировская, Е.О. Карпова, К.В. Дзюба

Омский государственный технический университет, г. Омск

ИЗУЧЕНИЕ НОВЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ПОЛУЧЕНИЯ ДЕШЕВОГО ГОРЮЧЕГО

Фотокатализ как самостоятельный раздел науки сформировался в последние десятилетия благодаря исследованиям фотокаталитических процессов, направленных на решение энергетических и связанных с потреблением и получением энергии экологических проблем. Наиболее привлекательными представляются фотокаталитические процессы, в которых энергия солнечного света запасается в виде энергии топлива - водорода: в реакциях разложения воды или какого-либо дешевого соединения, например, сероводорода [1].

Наиболее перспективны для практического использования гетерогенные фотокатализаторы полупроводниковой природы и системы, использующие гетерогенные катализаторы процессов восстановления и окисления.

Осуществление процесса невозможно без глубокого понимания механизмов действия используемых фотокатализаторов. Такая ситуация в значительной степени определяет актуальность детального исследования механизмов фотокаталитических реакций с участием дисперсных полупроводников и металлов, и в особенности закономерностей реакции межфазно-го переноса электрона, т. к. большинство рассматриваемых процессов являются окислительно-восстановительными [2-4].

153

Рис. 1. Схема разложения воды с участием частицы СёБ

Преобразование солнечной энергии в хи- мическую может происходить в результате лю- бой эндотермической реакции, протекающей под действием видимого света.

Система фотохимической конверсии, ос- нованная на окислительно-восстановительном процессе, должна включать фотоиндуцирован- ную реакцию переноса электрона [5]. В таком случае молекула поглощает квант энергии оп- ределенной величины, переходит в электронно- возбужденное состояние, в котором является лучшим окислителем и восстановителем, чем в основном состоянии.

Исходное вещество, например вода, которую желательно превратить в топливо по реакции

Н2О ——Н2(г) + " °2(г),

не возбуждается солнечным светом (спектр электронного поглощения воды не совпадает со спектром излучения солнца). Именно поэтому мы используем полупроводниковые сенсибилизаторы системы СёБ^пТе.

Процесс окисления воды с использованием, в частности указанных полупроводников идет по реакции:

4Ь (СёБ) + 2Н2О — О2 + 4Н+

Водород и кислород генерируют соответственно с помощью электронов зоны проводимости и дырок валентной зоны, полученных при зон-зонном возбуждении [6].

Приготовленные водные суспензии СёБ, 2пТе, и (Сё8)х(2пТе)1-х подвергали облучению галогенной лампой при X = 364-670 нм. Оптимальная длина волны, при которой следует ожидать наиболее эффективного протекания фотокаталитического процесса, должна соответствовать значению ширины запрещенной зоны (табл. 1). Если использовать кванты света больше ДЕ, то их энергии вполне достаточно для переноса электрона из валентной зоны полупроводников системы СёБ^пТе в зону проводимости.

Таблица 1

Значения ширины запрещенной зоны компонентов системы CdS-ZnTe

Состав ДЕ, эВ

CdS 2,44

^Ь^пТе),,! 2,16

(CdS)o,75(ZnTe)o,25 2,66

^Ь^пТеЬ 1,56

(CdS)o,25(ZnTe)o,75 2,02

^^л^пТеЬ 2,23

ZnTe 2,24

154

Условия облучения суспензий отражены в табл. 2. Из полученных данных изменения концентрации ионов водорода в водных суспензиях полупроводников системы СёБ^пТе при облучении длинами волн видимой части спектра (X = 364-670 нм) следует: происходит выделение водорода, что подтверждено потенциометрически (рН изменяется от ~ 12,90 до ~9,25) и хроматографически. Наибольший скачок разницы водородного показателя наблюдается не только в течение первого часа облучения, но и при последующей выдержке суспензии в свете облучения.

Таблица 2

Оптимальная длина волны для преодоления энергетического барьера в полупроводниках системы (CdS)x-(ZnTe)l-x

Состав X, нм

CdS < 509

(CdS)o,9(ZnTe)o,l < 575

< 466

(CdS)o,5(ZnTe)o,5 < 763

< 615

(CdS)o,l(ZnTe)o,9 < 555

ZnTe < 554

По интенсивности выделения ионов водорода в процессе облучения полупроводников системы СёБ^пТе можно говорить о следующих зависимостях: при X = 364 нм -

CdS>(CdS)o,9(ZnTe)o,1>(CdS)o,75(ZnTe)o,25>(CdS)o,5(ZnTe)o,5>(CdS)o,25(ZnTe)o,7>

^8)о,1^пТе)о,9> ZnTe

457,09 > 120,23 > 21,38 > 5,13 > 3,77 > 1,54 > 1,09

при X = 490 нм -

(CdS)o,9(ZnTe)o,1>CdS>(CdS)o,5(ZnTe)o,5>(CdS)o,25(ZnTe)o,7>

(CdS)o,l(ZnTe)o,9> ZnTe

12,59 > 9,55 > 3,25 > 2,38 > 1,02 > 0,97

при X = 540 нм -

(CdS)o,9(ZnTe)o,l>(CdS)o,5(ZnTe)o,5>(CdS)o,25(ZnTe)o,7>(CdS)o,l(ZnTe)o,9> ZnTe

4,47 > 1,33 > 1,84 > 0,59 > 0,41

при X = 590 нм -

(CdS)o,5(ZnTe)o,5>(CdS)o,25(ZnTe)o,7 1,03 > 0,64

На основе УФ-спектроскопических исследований установлено: края полос отражения для названных полупроводников лежат почти во всем диапазоне спектра, т.е. они могут проявлять фотокаталитическую активность при длинах волн от 364 до 670 нм.

155

По впервые разработанной методике создана схема модельной установки (рис. 2) для получения водорода из воды. О водородной энергетике мечтают давно и небезосновательно: удельная теплота сгорания водорода в три раза выше, чем теплота сгорания у нефти или бензина; продуктом сгорания водорода является водяной пар; ресурсы сырья для получения водорода безграничны.

Рис. 2. Принципиальная схема получения водорода из воды с использованием в качестве фотокатализаторов исследуемых бинарных соединений

и твердых растворов системы CdS-ZnTe

Таким образом, применение водорода как топлива не только полезно с экологической точки зрения, но и вполне экономически оправдано.

Библиографический список

1. Бокрис, Дж. Солнечно-водородная энергия / Дж. Бокрис, Т. Н. Везироглу ; пер. с англ. Д. О. Дуникова. - М. : МЭИ, 2002. - 164 с.

2. Энергетические ресурсы сквозь призму фотохимии и катализа : пер с англ. / под ред. Гретцель М. - М. : Мир, 1986. - 632 с.

3. Гуревич, Ю. Я. Фотоэлектрохимия полупроводников / Ю. Я. Гуревич, Ю. В. Плесков. - М. : Наука, 1983. - 342 с.

4. Синицына, З. А. Влияние условий приготовления сульфида кадмия на фотохимическое выделение водорода из метанола / З. А. Синицына, Ю. И. Кирюхин, Е. В. Шепелин // Химия высоких энергий. - 1986. - Т.19, № 2. - С.133-135.

5. Саката, Т. Фотосинтез и фотокатализ на полупроводниковых порошках / Т. Саката, Т. Каваи // Энергетические ресурсы сквозь призму фотохимии и катализа. - М. : Мир, 1986. -С.361-388.

6. Джабиев, Т. С. Моделирование фотофизических и фотокаталитических стадий фотосинтеза с целью создания искусственной системы фоторазложения воды : дис. ... д-ра хим. наук / Т. С. Джабиев. -Черноголовка, 1986. - 445 с.