Жоспар

1.  Энергия және оның берілу формалары. Энергияның сақталу заңы. Адамзаттың энергетикалық мәселелері.

2.  Сутегі болашақ энергиясының негізі ретінде. Сутегі отын элементтері.

3.  Сутегі сақтауға арналған наноматериалдар

 

Ұсынылатын әдебиеттер тізімі:

1.    Нанотехнология мен наноматериалдардың физика-химиялық негіздері: оқу құралы/ М. Нажипқызы, Р.Е. Бейсенов, З.А. Мансұров. – Алматы: Қазақ университеті, 2015. – 214 б.

2.    https://him.1sept.ru/view_article.php?id=200902102

3.    Novel Nanomaterials for Hydrogen Production and Storage: Evaluating the Futurity of Graphene/Graphene Composites in Hydrogen Energy, Ahmed Hussain Jawhari

 

1.    Энергия және оның берілу формалары. Энергияның сақталу заңы. Адамзаттың энергетикалық мәселелері.

 

Энергия - материяның барлық түрлерінің қозғалысы мен өзара әрекеттесуінің жалпы сандық өлшемі

Энергияның сақталу заңы

1) Оқшауланған жүйенің толық энергиясы тұрақты. Энергия жоқтан пайда болмайды және ешқайда жоғалмайды.

2) Энергия бір түрден екінші түрге ауыса алады

Энергияның түрлері: механикалық, электрлік, жеңіл, химиялық және т.б.

Жыл сайын Жер Күннен 6•1024Дж, яғни. шамамен 1 м2 бетке секундына 1000 Дж. Бұл энергияның жартысынан сәл астамы жұтылады, қалған бөлігі атмосфера мен беткей арқылы көрінеді.

Figure 1. Жерге түсетін күн энергиясының жылдық энергетикалық балансы (1 ккал 4000 Дж)

Бүкіл адамзат жылына шамамен 5•1020 Дж энергия өндіреді (2006 жылғы деректер). Қазіргі заманғы энергия айқын отындық сипатқа ие және 90%-дан астамы көмірдің, мұнайдың және газдың, сондай-ақ олардың өңделген өнімдерінің тотығуына негізделген. Тотығу реакциялары нәтижесінде отын молекулаларының химиялық байланыстарының энергиясы жылуға және жұмысқа айналады. Жылу мен жұмыстың сандық өлшемдері химиялық реакциялардың термодинамикасы арқылы сипатталады.

Термодинамиканың бірінші заңы бойынша энергияны берудің екі түрі бар: реттелген, сыртқы параметрлердің өзгеруіне байланысты – жұмыс және ретсіз, тек температураның өзгеруіне әкелетін – жылу.

ΔU = Q – W

Іштен жанатын қозғалтқыштардағы нақты процестер

Отынның жануы:

2C8H18 + 25O2 = 16CO2 + 18H2O

Жанама процестер:

1)    отынның толық жанбауы:

     2C8H18 + 17O2 = 16CO + 18H2O

2)    Ауадағы азоттың тотығуы:

     N2 + O2 = 2NO

                        2NO + O2 = 2NO2

Шығарылған газдардың зиянды компоненттері:

1) Жанбаған отын: C8H18

2) Көміртек оксиді (көміртек тотығы) СО

3) Азот оксидтері NO, NO2 (әдетте – NOx)

Ағымдағы тұтыну статистикасына сүйене отырып, көмір, табиғи газ және мұнай сияқты қазбалы отындардан алынатын энергия қорлары сәйкесінше 50, 53 және 114 жылға дейін сақталады деп күтілуде. Дегенмен, қазбалы отынды пайдаланудың жалғасуы СО2 көп шығарындыларының салдарынан қоршаған ортаға теріс әсер етеді, бұл өз кезегінде жаһандық жылынуды күшейтіп, адам денсаулығына басқа да салдарларға әкелуі мүмкін.

 

2.       Сутегі болашақ энергиясының негізі ретінде. Сутегі отын элементтері.

Дәстүрлі энергия көздері жаңартылмайды, олардың қорлары бірте-бірте таусылады. Адамзаттың энергияға қажеттілігі экспоненциалды түрде өсуде, сондықтан жаңа мыңжылдықтың басында ең жоғары саяси деңгейде адамзаттың тұрақты дамуы және Жердің экологиялық сауығуы үшін энергетикалық бағдарламаны әзірлеу туралы ұсыныс жасалды. Бұл бағдарламаны жүзеге асырудың ең перспективті жолдарының бірі – сутегі энергиясы.

Сутегі энергиясы – жаңартылатын ресурстардан алынатын балама таза энергия. Өзін-өзі толықтыру мүмкіндігі бар сарқылмайтын энергия ресурстары біздің тұрақты болашақ құру мүмкіндігімізді оңды арттырады. Жаңартылатын энергия толқын энергиясы, биомасса энергиясы, геотермалдық энергия, жел энергиясы, күн энергиясы, су энергетикасы және басқа да табиғи көздерден келеді. Жаңартылатын ресурстарды таза энергия өндіруге бейімдеуге көп көңіл бөлінгенімен, олардың қолжетімділігі аймақтық және маусымдық факторларға байланысты.

Сутектен энергия алу оның оттегімен суға тотығу реакциясына негізделген:

H2 (г) + 1/2O2 (г) = H2O

Бұл реакциядағы энтальпияның өзгеруі: Н = –286 кДж/моль

Гиббс энергиясының өзгеруі G = –237 кДж/моль.

Бұл 1 моль немесе 2 г сутегінің жануы 286 кДж жылу бөлетінін білдіреді, оның 237 кДж (яғни, 83% немесе алтыдан бесі) пайдалы жұмысқа, атап айтқанда электрлік жұмысқа айналдыруға болады. Қалған 49 кДж/моль (немесе одан да көп, өйткені кез келген құрылғының ПӘК 100%-ға жетпейді) жылу ретінде бөлінеді.

Осылайша, сутекті алу үлкен энергияны қажет етеді. Қазіргі уақытта сутекті алудың негізгі әдісі (әлемдік өндірістің 85%) метанның бу конверсиясына негізделген – табиғи газдың негізгі бөлігі:

CH4 + H2O = CO + 3H2                                                                                         

CO + H2O = CO2 + H2.

Бұл әдістің басты кемшілігі – жанама өнім-көмірқышқыл газының пайда болуы.

H2 алудың басқа әдістері-көмірдің бумен конверсиясы, су мен су ерітінділерінің электролизі, биомасса пиролизі. Биомассаны (ағаш қалдықтары) оттегісіз 500–800 °C температураға дейін қыздырғанда, H2, CO және CH4 бөлінеді.

https://him.1sept.ru/2009/21/11-1.jpg

Дүниежүзілік сутегі өндірісінің көздері

Электр энергиясын өндірудің баламалы энергия тасымалдаушысы болып табылатын сутегі - электролиз деп аталатын қарапайым және түсінікті процесс арқылы суды бөлу арқылы алынады. Бұл жағдайда сутегі өндірісі жердегі судың болуына тікелей байланысты болады. Бұл қарапайым және таза технология, ол жанама өнім ретінде таза судан басқа улы ластаушы заттарды шығармайды. Сонымен қатар, негізгі артықшылық-сутектің басқа көмірсутектерге қарағанда салыстырмалы түрде жоғары энергия тығыздығына ие болуы. Болашақта сутегін алудың ең кең тараған технологиясы суды электролиздеу болады, дегенмен қазіргі уақытта электр энергиясының жоғары құнына байланысты бұл әдістің әлемдік сутегі өндірісіндегі үлесі 5%-дан аспайды. Сутегін алудың басқа перспективалы әдістері арнайы өсірілген балдырлар мен микроорганизмдер арқылы суды биохимиялық бөлу және күн энергиясын пайдаланып судың фотокаталитикалық ыдырауы (фотолиз) болып табылады. Соңғы әдіс ең перспективалы болып көрінеді және болашақта күн-сутегі энергиясына негіз бола алады, бірақ қазіргі уақытта адамзаттың күн энергиясын пайдалану тиімділігі өте төмен.

Суретте сутекті алу үшін судың фотокаталитикалық -ыдырау процесі(фотолиз)  көрсетілген. Алайда, сутегі экономикасын жүзеге асыру үшін көптеген техникалық мәселелерді шешу қажет, олардың ішіндегі ең маңыздысы-шектеулі кеңістікте H2 сақтаудың энергияны үнемдейтін әдісін табу.

Figure 2 Сутегін алу үшін судың фотокаталитикалық бөліну процесінің иллюстрациясы.

Энергия көзі ретінде сутегінің көмірсутекті шикізаттан артықшылығы көп. Біріншіден, бұл элемент жер бетінде өте көп. Жер қыртысындағы әрбір 100 атомның он бесі сутегі. Бір ғана Дүниежүзілік мұхиттың өзінде шамамен 100 мың миллиард (1014) тонна сутегі бар. Бірақ мұнай, табиғи газ және биомасса да бар. Екіншіден, сутегі – энергияны көп қажет ететін отын. Оның меншікті жану жылуы 143 кДж/г, ал көмірсутектер үшін 3 есе аз. Сонымен қатар, сутегі экологиялық таза отын деп санауға болады, өйткені оны өңдеу өнімі таза су болып табылады. Автокөлік қозғалтқыштарына сутегі мен бензин аралас жеткізілсе де, азот пен көміртегі оксидтерінің, сондай-ақ жанбаған көмірсутектердің шығарындылары бірнеше есе азаяды.

Дегенмен, сутегінің артықшылықтарымен қатар көптеген кемшіліктері де бар. Біріншіден, энергия өндіру үшін бос күйдегі сутегі қажет. Жерде сутегі өте көп, бірақ ол қарапайым зат түрінде іс жүзінде жоқ. Бұл оның физикалық және химиялық қасиеттеріне байланысты. Сутегі барлық газдардың ішіндегі ең жеңілі, сондықтан оның Жерге тартылу күші ең аз, ал қозғалыс жылдамдығы ең үлкен және Жер өмір сүрген кезде барлық сутегі ғарыш кеңістігіне буланып кеткен. Сонымен қатар, ауаның құрамында оттегімен әрекеттеспейтін газдар ғана бар, ал сутегі жанған кезде онымен оңай әрекеттеседі.

Сутегінің тағы бір кемшілігі оның жарылғыштығы. Сутегінің ауамен қоспалары концентрацияның кең диапазонында жарылады. Дегенмен, H2 жоғары диффузия жылдамдығы жоғары концентрациялардың пайда болуына жол бермейді, сондықтан нақты жағдайда сутегі табиғи газ сияқты жарылғыш емес. Ақырында, сутекті сұйылту қиын, өйткені оның қайнау температурасы өте төмен, ал жоғары қысымда ол цилиндр немесе газ құбырының қабырғалары арқылы «ағып кетеді». Сондықтан қолданыстағы табиғи газды тасымалдау инфрақұрылымы құны триллиондаған долларға бағаланатын тиісті модификациялардан кейін ғана сутегі үшін пайдаланылуы мүмкін.

Осылайша, сутегі технологияларын жасау үшін тиімді, үнемді және қауіпсіз әдістерді әзірлеу қажет: а) сутегі өндіру; б) оны тасымалдау және сақтау; в) энергия алу үшін сутегінің тотығуы.

Сутегі мен оттегі арасындағы тікелей реакция тек астронавтикада энергия алу үшін қолданылады, мұнда сұйық сутегі ракета қозғалтқыштары үшін отын, ал сұйық оттегі тотықтырғыш ретінде қызмет етеді. Автокөлік іштен жану қозғалтқыштары үшін бұл әдіс өзін ақтамайды, өйткені Сутегі жанған кезде температура тым жоғары дамиды, бұл кезде ауа компоненттері бір-бірімен қарқынды әрекеттесіп, улы азот оксидтерін түзеді.

 

3.       Сутегі сақтауға арналған наноматериалдар

Нанохимия маңызды үлес қоса алатын тағы бір маңызды мәселе - отын ұяшықтарында пайдалану үшін сутегінің компактлі және қауіпсіз жинақталуы және сақталуы. Идеал сутегі сақтау құрылғысы аз көлемде сутегінің көп мөлшерін қамтиды және қажет болған жағдайда оны оңай босатады. Сутегін сақтаудың бірнеше түбегейлі әртүрлі тәсілдер ұсынылды, олардың бірі көміртекті материалдарды, атап айтқанда нанотүтіктерді пайдалануға негізделген. АҚШ Энергетика министрлігінің Сутегі бағдарламасы (1992) келесі критерийді белгіледі: тиімді отын ұяшығын жасау үшін тасымалдаушының 63 кг H2/m3 көміртекті сақтау сыйымдылығына қол жеткізу қажет. Содан бері сутегі пайызы үшін жарыс басталды.

Сутегіні сақтау - сутегі өндірісі мен қолданылуына ықпал етеді, бұл оны сутегі экономикасын бастау үшін өте маңызды етеді. Жанармай ұяшықтары бар автомобильдердің қажеттіліктерін қанағаттандыру үшін борттық сутегі қоймасының маңызы зор. Автокөлік құралдарында қолданылатын сутегі сақтау материалдарының алғышарттары болып табылатын оңтайлы атрибуттарға мыналар жатады: (i) жеңіл салмақ, (ii) үнемді және оңай қол жетімді, (iii) жоғары көлемдік/гравиметриялық сутегі тығыздығы, (iv) жылдам кинетика, (v) белсендіру үшін оңай қол жетімді, (vi) төмен диссоциация немесе ыдырау температурасы, (vii) идеалды термодинамикалық қасиеттер, (viii) кеңейтілген цикл және (ix) қайтымдылықтың оңтайлы дәрежесі. Бұл белгілер сутегі катализаторларының негізгі механизмдерін және олардың атомдық немесе молекулалық масштабта сутегімен физикалық-химиялық әрекеттесуін түсінуге көмектеседі.

Сутекті сақтаудың барлық әдістерін үш үлкен класқа бөлуге болады: физикалық, физика-химиялық (адсорбциялық) және химиялық. Олардың әрқайсысының өзіндік артықшылықтары, кемшіліктері және қолдану аясы бар. Ең дәстүрлісі физикалық әдістер. Газ тәріздес сутегі сыйымдылығы бірнеше литрден бірнеше текше метрге дейінгі баллондарда 35 атм қысыммен, сұйық сутегі төмен температурада арнайы криогенді цистерналарда сақталады. Бөтелкедегі сақтаудың негізгі артықшылықтары қарапайымдылығы және газды өндіру үшін энергияны тұтынудың болмауы; Кемшіліктері - төмен көлемді тығыздық және ағып кету мүмкіндігі.

Сутегін сіңіруге қабілетті материалдардың ішінде көміртекті материалдар ерекше назар аударады. Төмен тығыздықтағы белсендірілген көмір 4 МПа қысымда және 65-75 К температурада сутегінің 7-8% (мас.) дейін сіңіруге қабілетті екені бұрыннан белгілі. Соңғы онжылдықта назар аударылған. ғалымдар көміртекті наноматериалдарға - атомдары байланысқан өтпелі металдар болып табылатын нанотүтіктерге және фуллерендерге назар аударды. Бұл материалдар басқаларға қарағанда салыстырмалы түрде арзан және оңай жаңартылатын, сонымен қатар олардың тығыздығы төмен. Көміртекті нанотүтіктердің басты артықшылығы - сутегін төмен қысымда сақтау мүмкіндігі. Олар сутегінің едәуір мөлшерін сіңіруге қабілетті, бұл жағынан екі қабырғалы түтіктер әсіресе перспективалы. Көміртекті материалдардың адсорбциялық қабілетін металдарды - сутегі диссоциациясының катализаторларын қосу арқылы арттыруға болады, олардың ішінде палладий ең жақсылардың бірі болып табылады.

Нанотүтікшелер арқылы сутегін сіңіру механизмдерінің бірі хемосорбция, яғни. кейіннен диссоциациялануымен және химиялық С–Н байланыстарының түзілуімен түтік бетінде Н2 сутегінің адсорбциясы. Барлық көміртек атомдарының сутегімен толық қанығуы байланысқан сутегінің 7,7% массалық үлесіне қол жеткізуге мүмкіндік береді. Рас, хемосорбция сутекті сақтау үшін онша қолайлы емес, өйткені байланысқан сутегін алу қиын: C–H байланыстары тек 600 °C температурада толық үзіледі. Байланыстырудың анағұрлым қолайлы механизмі - ван-дер-Ваальс әрекеттесуіне байланысты молекулалық сутегінің қайтымды физикалық адсорбциясы. Сонымен қатар, физикалық немесе химиялық байланыспаған сутегінің өзі нанотүтік ішіндегі немесе көп қабырғалы түтіктердің қабырғалары арасындағы қуыстарды толтыра алады. Есептеулер көрсеткендей, түтік диаметрі 3 нм болса, түтік ішіндегі сутегінің массалық үлесі 15% жетуі мүмкін. Дегенмен, көміртекті наноматериалдармен жұмыс әлі күнге дейін зертханалық шеңберден шықпады және олар сутегі қоймасында өнеркәсіптік қолдануды таба алмады.

Сутекті химиялық жолмен байланыстыратын материалдардың ішінде магний немесе кальций сияқты жеңіл және белсенді металдар ең перспективалы болып саналады. Магний сутегімен иондық гидрид түзеді, оның құрамында 7,6% (мас.) сутегі бар. Рас, кәдімгі магний металы мен сутегі газы арасындағы реакция тым баяу жүреді. Оны жеделдету үшін магний микро- және нанобөлшектер немесе қорытпалар түрінде қолданылады, мысалы, Mg2Ni немесе Mg2Cu.

Неғұрлым перспективалы тәсіл олардың құрамдас бөліктерінің артықшылықтарын біріктіретін және олардың кемшіліктері жоқ композициялық материалдарды жасауға негізделген. Композиттік материалдардың сутегінің жұтылуы мен бөліну реакцияларының жылдамдығы мен температурасын каталитикалық қоспалар мен наноқұрылымды материалдарды қалыптастыру арқылы басқаруға болады. Сондықтан жеңіл металл гидридтері сутегі сақтау технологияларын құрудың ең перспективалы объектілерінің бірі болып қала береді.

Көптеген ғылыми зертханаларда сутегі энергиясының әртүрлі аспектілерін зерттеу қарқынды жүргізілуде және олардың қайсысы технологиялық деңгейге жететінін болжау әлі қиын. Бір нәрсеге сенімді бола аласыз, бұл технологиялар нанохимиясыз жұмыс істемейді. Сонымен қатар, нанохимиядан энергетика саласындағы түбегейлі жетістіктер мен шешімдерді күтуге болмайды, бұл сауатты қолдану дәстүрлі материалдардың сандық сипаттамаларын айтарлықтай жақсартуға және жаңа материалдарды жасауға мүмкіндік беретін химияның бір саласы ғана.