Организмы, использующие энергию солнечного света

Солнце – это звезда, внутри которой, в непрерывном режиме, происходят термоядерные реакции. Результатом происходящих процессов, с поверхности солнца выделяется колоссальное количество энергии, часть которой нагревает атмосферу нашей планеты.

Организмы, использующие энергию солнечного света

Солнечная энергия – это источник жизни на планете Земля. Наша планета, и все живые организмы, существующие на ней, получает энергию солнца в виде солнечного света и тепла.

Солнечная энергия является источником возобновляемой и экологически чистой энергии.

Солнечная энергия как альтернативный источник энергии

Способы преобразования энергии солнца для получения различных видов энергии, используемой человеком, можно разделить по видам получаемой энергии и способам ее получения, это:

Организмы, использующие энергию солнечного света

Преобразование в электрическую энергию

Путем применения фотоэлектрических элементов

Фотоэлектрические элементы используются для изготовления солнечных панелей, которые служат приемниками солнечной энергии в системах солнечных электрических станций. Принцип работы основан на получении разности потенциалов внутри фотоэлемента при попадании на него солнечного света.

  • Панели различаются по структуре (поликристаллические, монокристаллические, с напылением кремния), габаритным размерам и мощности.
  • Организмы, использующие энергию солнечного света
  • Путем применения термоэлектрических генераторов.
  • Термоэлектрический генератор – это техническое устройство, позволяющее получать электрическую энергию из тепловой энергии. Принцип действия основан на преобразовании энергии получаемой из-за разности температур на разных частях элементов конструкции (термоэлектродвижущая сила).

Преобразование в тепловую энергию

Путем использования коллекторов различных типов и конструкций.

Организмы, использующие энергию солнечного света

  • Вакуумные коллекторы – трубчатого вида и в виде плоских коллекторов.

Принцип действия – под воздействием солнечных лучей, нагревается специальная жидкость, которая при достижении определённых параметров, начинает испаряться, после чего пар передает свою энергию теплоносителю. Отдав тепловую энергию пар конденсируется и процесс повторяется.

  • Плоские коллекторы – представляют из себя каркас с теплоизоляцией и абсорбер покрытые стеклом, с патрубками для входа и выхода теплоносителя.

Принцип действия – потоки солнечного света попадают на абсорбер и нагревают его, тепло с абсорбера переходит теплоносителю.
Путем использования гелиотермальных установок.Организмы, использующие энергию солнечного света
Принцип действия основан на нагревании поверхности способной поглощать солнечные лучи. Солнечные лучи фокусируются и посредством устройства линз концентрируются, после чего направляются на принимающее устройство, где энергия солнца передается для накопления или передачи потребителю посредством теплоносителя.

Распространение в России

Солнечная энергетика получает все более широкое распространение в разных странах и на разных континентах. Россия не является исключением из этой тенденции. Причиной более широкого распространения в последние годы стало:Организмы, использующие энергию солнечного света

  • Развитие новых технологий, позволившее снизить стоимость оборудования;
  • Желание людей иметь независимый источник энергии;
  • Чистота производства получаемой энергии («зеленая энергетика»);
  • Возобновляемый источник энергии.

Потенциалом для развития солнечной энергетики обладают южные районы нашей страны – республики Кавказа, Краснодарский и Ставропольский край, южные районы Сибири и Дальнего Востока.
Районы различаются по инсоляции в течение суток и времени года, так для разных регионов поток солнечной радиации, в летний период, составляет:

По состоянию на начало 2017 года мощность работающих солнечных электростанций на территории России составляет 0,03% от мощности электростанции энергетической системы нашей страны. В цифрах – это составляет 75,2 МВт.

Солнечные электростанции работают вОрганизмы, использующие энергию солнечного света

  • Оренбургской области:
    «Сакмарская им. А. А. Влазнева», установленной мощностью 25 МВт;
    «Переволоцкая», установленной мощностью 5,0 МВт.
  • Республике Башкортостан:
    «Бурибаевская», установленной мощностью 20,0 МВт;
    «Бугульчанская», установленной мощностью 15,0 МВт.
  • Республике Алтай:
    «Кош-Агачская», установленной мощностью 10,0 МВт;
    «Усть-Канская», установленной мощностью 5,0 МВт.
  • Республике Хакасия:
    «Абаканская», установленной мощностью 5,2 МВт.
  • Белгородской области:
    «АльтЭнерго», установленной мощностью 0,1 МВт.
  • В Республике Крым, независимо от Единой энергетической системы страны, работает 13 солнечных электрических станций, общей мощностью 289,5 МВт.
  • Также, вне системы работает станция в Республике Саха—Якутия (1,0 МВт) и в Забайкальском крае (0,12 МВт).

В стадии разработки проекта и строительства находятся электростанцииОрганизмы, использующие энергию солнечного света

  • В Алтайском крае, 2 станции, общей проектируемой мощностью 20,0 МВт, запуск в работу планируется в 2019 году.
  • В Астраханской области, 6 станций, общей проектируемой мощностью 90,0 МВт, запуск в работу планируется в 2017 году.
  • В Волгоградской области, 6 станций, общей проектируемой мощностью 100,0 МВт, запуск в работу планируется в 2017 и 2018 году.
  • В Забайкальском крае, 3 станции, общей проектируемой мощностью 40,0 МВт, запуск в работу планируется в 2017 и 2018 году.
  • В Иркутской области, 1 станция, проектируемой мощностью 15,0 МВт, запуск в работу планируется в 2018 году.
  • В Липецкой области, 3 станции, общей проектируемой мощностью 45,0 МВт, запуск в работу планируется в 2017 году.
  • В Омской области, 2 станции, проектируемой мощностью 40,0 МВт, запуск в работу планируется в 2017 и 2019 году.
  • В Оренбургской области, 7 станция, проектированной мощностью 260,0 МВт, запуск в работу планируется в 2017-2019 годах.
  • В Республике Башкортостан, 3 станции, проектируемой мощностью 29,0 МВт, запуск в работу планируется в 2017 и 2018 году.
  • В Республике Бурятия, 5 станции, проектируемой мощностью 70,0 МВт, запуск в работу планируется в 2017 и 2018 году.
  • В Республике Дагестан, 2 станции, проектируемой мощностью 10,0 МВт, запуск в работу планируется в 2017 году.
  • В Республике Калмыкия, 4 станции, проектируемой мощностью 70,0 МВт, запуск в работу планируется в 2017 и 2019 году.
  • В Самарской области, 1 станция, проектируемой мощностью 75,0 МВт, запуск в работу планируется в 2018 году.
  • В Саратовской области, 3 станции, проектируемой мощностью 40,0 МВт, запуск в работу планируется в 2017 и 2018 году.
  • В Ставропольском крае, 4 станции, проектируемой мощностью 115,0 МВт, запуск в работу планируется в 2017-2019 годы.
  • В Челябинской области, 4 станции, проектируемой мощностью 60,0 МВт, запуск в работу планируется в 2017 и 2018 году.

Организмы, использующие энергию солнечного света

Количество технических устройств, использующих энергию солнца для выработки электрической и тепловой энергий, а также количество строящихся солнечных электрических станций, их мощность, говорят сами за себя – в России альтернативным источникам энергии быть и развиваться.

Пригодна ли для обычного домаОрганизмы, использующие энергию солнечного света

  • Для бытового использования гелиоэнергетика – перспективный вид энергетики.
  • В качестве источника электрической энергии, для жилых домов, используют солнечные электрические станции, которые выпускают промышленные предприятия в России и за ее пределами. Установки выпускаются различной мощности и комплектации.
  • Использование теплового насоса – обеспечит жилой дом горячей водой, подогреет воду в бассейне, нагреет теплоноситель в системе отопления или воздух внутри помещений.
  • Гелиоколлекторы – можно использовать в системах отопления домов и горячего водоснабжения. Более эффективны, в этом случае, вакуумные трубчатые коллекторы.

Плюсы и минусы

К достоинствам солнечной энергетики относятся:

  • Экологическая безопасность установок;
  • Неисчерпаемость источника энергии в далекой перспективе;
  • Низкая себестоимость получаемой энергии;
  • Доступность производства энергии;
  • Хорошие перспективы развития отрасли, обусловленные развитием технологий и производством новых материалов с улучшенными характеристиками.

Недостатками являются:

  • Прямая зависимость количества вырабатываемой энергии от погодные условия, времени суток и времени года;
  • Сезонность работы, которую определяет географическое расположение;
  • Низкий КПД;
  • Высокая стоимость оборудования.

Перспективы

Перспективы развития данной отрасли энергетики обусловлены положительными и отрицательными свойствами присущим гелиоустановкам. Если с достоинствами все понятно, то с недостатками предстоит работать инженерам и разработчикам оборудования и материалов.

Факторами, вызывающими здоровый оптимизм, по развитию альтернативных источников энергии, являются:

  1. Запасы традиционных источников энергии постоянно сокращаются, что обуславливает рост их стоимости.
  2. Технический прогресс постоянно идет, появляются новые материалы и технологии, и что, в свою очередь, приводит к уменьшению стоимости оборудования и повышению КПД установок.
  3. Политика государства в энергетической области направлена на развитие альтернативной энергетики, о чем были приняты постановления правительства и соответствующие программы, как то:
  • В 2009 году – «Основные направления государственной политики в сфере повышения энергетической эффективностиэлектроэнергетики на основе использования возобновляемых источников энергии на период до 2020 года».
  • Помощь государства при реализации программы Международной финансовой корпорации (IFC) по развитию возобновляемых источников энергии.
  • Создание, на законодательном уровне, экономических рычагов, способствующих развитию «зеленой» энергетики, выражающихся в установлении льготных тарифов, финансовой помощи при строительстве, налоговые льготы и компенсация части кредитных затрат на строительство.

Россия – большая страна, поэтому для успешного развития всех отраслей промышленности и комфортного проживания людей во всех регионах, необходимо наличие запасов различных видов энергии. В связи с этим альтернативные источники все более прочно входят в общую систему энергоснабжения страны, обеспечивая самые отдаленные города и поселки источниками электричества и тепла.

Действительно зеленое электричество

В погоне за альтернативными источниками энергии ученые не обошли стороной и царство растений. Разумеется, речь идет о гораздо более продвинутых технологиях, чем «классическое» извлечение электроэнергии из картофелины или апельсина с помощью воткнутых в них электродов.

Целая область науки ищет, чем бы заполнить новую страницу в истории взаимоотношений человека и зеленых легких планеты.

Подробнее об этом, а также о развиваемом в России проекте «Green Spark», который уже дает энергию из биофотогальванических ячеек, можно будет узнать 19 мая на фестивале «Политех».

Как зарядиться от картошки

По интернету давно бродят фото- и видеоизображения горящих лампочек, присоединенных к картофелине (апельсину, лимону, яблоку). Также в сети полно инструкций, как в домашних условиях изготовить картошкобатарейку.

Достаточно взять картофелину, медный и оцинкованный электроды (гвозди, например), соединительные провода и светодиодную лампочку для демонстрации электрического эффекта.

В один бок корнеплода (или фрукта) втыкаем цинковый электрод, затем соединяем его с лампочкой, другой полюс лампочки соединяем с медным электродом, который втыкаем в ту же картофелину, но с другого бока.

Все эти действия рациональны и химически объяснимы: кислая среда внутри растительного источника создает необходимое количество свободных протонов (H+).

В такой среде при взаимодействии с активным (хорошо отдающим электроны) металлом выделяются свободные носители отрицательного элементарного заряда, готовые бежать по цепи и заставлять лампочку светиться.

В свою очередь, поток протонов от анода к катоду, как положено в батарейках, создает электродвижущую силу и замыкает цепь. Катод делается из менее активного металла (цинк против меди). А в качестве активной среды подойдет даже лист или стебель — любая, даже слабокислотная, часть растения.

Важный вопрос: насколько такие аккумуляторы эффективны? (И не полезнее ли будет их употреблять в классическом виде — в пищу?) Для ответа на него есть много экспериментальных демонстраций, которые позволяют рассчитать: чтобы зарядить смартфон, понадобится около 50 килограммов картофеля. Безусловно, конкретные характеристики растительного аккумулятора зависят от многих факторов — кислотности источника энергии (так, лимон явно кислее картофеля), свежести образца и даже кислотности почвы, в которой он вырос. Прибавим сюда качество гвоздей, сплавов, которыми эти гвозди покрыты и так далее. Но, как ни подбирай ингредиенты, явным недостатком вегетарианской подзарядки будет ее невысокая эффективность при большой отходности. Что картофелина, что лимон работать будут недолго, их придется часто менять, и пока зарядится смартфон, не один мешок опустеет.

Так что этот способ — скорее забавная шутка или фантазия для постапокалиптического сценария, чем надежда для удаленных и лишенных промышленных электростанций уголков Земли.

Зеленый лист — солнечная батарея мечты

Солнечная батарея — один из самых популярных экологичных энергетических девайсов. В ее основе лежит красивая идея — взять солнечную энергию, которая и так греет планету, и извлечь из нее электроэнергию без всяких побочных эффектов.

Однако у этих устройств, несмотря на то, что они изобретены уже давно и с тех пор постоянно совершенствуются, есть ряд существенных недостатков.

Читайте также:  Аккумулятор для acura

Главные из них — низкая эффективность (лишь некоторые коммерческие образцы обладают КПД на уровне 20 процентов) и ограниченная функциональность (работают, только пока светит солнце).

Растения — те же солнечные батареи, просто естественные. В процессе фотосинтеза молекулы пигментов, находящиеся в мембранах тилакоидов, поглощают энергию солнечного света и преобразуют ее в энергию химических соединений.

Физически при поглощении кванта света определенной частоты электрон в молекуле пигмента переходит из основного состояния в возбужденное, то есть на более высокий энергетический уровень.

«Разрядка» возбужденного состояния молекулы хлорофилла может происходить в виде выделения тепла или в флуоресценции, кроме того энергия возбужденного состояния может передаваться соседней молекуле пигмента или расходоваться на фотохимические процессы.

Более 90 процентов хлорофилла хлоропластов входит в состав светособирающих комплексов — своеобразных антенн, переносящих энергию возбуждения к реакционным центрам первой и второй фотосистемы для последующего первичного разделения зарядов.

В этих же фотосистемах сперва происходят окислительно-восстановительные превращения хлорофилла, а затем — фиксация энергии света в химическую энергию.

Окисленные молекулы хлорофилла восстанавливаются, отбирая электроны у воды, далее в ходе нескольких химических реакций образуются кислород и свободные электроны и протоны (H).

Кислород удаляется во внешнюю среду, а протоны приводя к тому, что мембрана тилакоида с одной стороны заряжается положительно за счет H+, с другой стороны — отрицательно за счет электронов. Далее процесс продолжается и завершается уже в без участия солнечного света синтезом органики из фиксированного из атмосферы углекислого газа.

Инженеры с завистью смотрят на зеленые листья и думают, как бы им подключиться к этому мембранному конденсатору.

Ведь фотосистемы растительных пигментов используют солнечную энергию с очень большой эффективностью (если считать в поглощенных фотонах на вырабатываемый электрон).

Некоторые даже утверждают, что нашли путь к хакингу фотосинтеза и уводу электронов прямо из-под носа у реакционных центров.

Биотехнический симбиоз

К счастью, растения помогают добыть электричество и другими способами, которые гораздо проще поддаются перепрофилированию в сторону удовлетворения потребностей цивилизации.

В последние годы популярным направлением развития «зеленых» гальванических элементов стали так называемые топливные ячейки «бактерия + растение» (plant-microbial fuel cells, PMFCs).

В отличие от батареек на картошке, такой тип растительных источников энергии, теоретически, является самообновляемым: все, что ему нужно для функционирования и генерации, — это солнечный свет, углекислый газ, вода и подходящие растения.

Прообразом подобной концепции был некоторый гальванический контейнер, в котором под воздействием бактерий в осадочном грунте (например, в иле на дне водоемов) расщеплялась содержащаяся в нем органика (Microbial fuel cells, MFCs). Такой осадочный реактор в комплекте с электродами играет роль анода, катод при этом погружен в воду. Как и в стандартной «батарейке», положительные ионы движутся от анода к катоду, замыкая цепь.

Биофотогальваника

Вышеописанную систему удалось усовершенствовать, пересадив в илистый реактор водные растения, — именно этот апгрейд позволяет инженерам надеяться на самовоспроизводимость источника питания.

Растения, поглощая солнечную энергию и углекислый газ, в процессе фотосинтеза генерируют органические вещества, часть из которых попадает в почву.

Симбиотические бактерии, живущие вблизи корней, расщепляют эту органику, выделяя электроны в качестве побочного продукта. Эти электроны могут быть захвачены анодом.

Эффективность биофотогальванических систем зависит от многих факторов. Это и количество выделяемой в почву органики, и доступность этой органики для микроорганизмов, и эффективность «сбора» электронов фотогальванической системой.

Первые два фактора практически недоступны для улучшения — в лучшем случае человек может подобрать растения, выделяющие органику с более длинными углеродными цепями или с более «удобной» для микроорганизмов корневой системой.

Поэтому наиболее перспективный пункт — повышение эффективности захвата электронов.

Организмы, использующие энергию солнечного света

Microbial fuel cells, MFCs

Организмы, использующие энергию солнечного света

Plant–microbial fuel cells, PMFCs

Но и тут инженеров и дизайнеров ожидает много сложностей. Например, более «легкая», с точки зрения расщепления бактериями, органика (глюкоза, аминокислоты), с одной стороны, могла бы привести к повышению эффективности выделения электронов. Однако это улучшение реализуется только в модельных системах, в реальной жизни в контейнере быстро заводятся бактерии, перерабатывающие простую органику без всякого выделения электронов. А ведь ученые хотели бы использовать в качестве фотогальванических ячеек не только лабораторные сосуды, но и реальные системы с подходящими свойствами — например, неиспользуемые рисовые поля (paddies).

Или, например, переход от MFCs к PMFCs дал надежду на самовоспроизводимость системы, но привел к нежелательному эффекту: растения, помимо постоянной подачи органики, еще и обогащают осадочный грунт кислородом, который успешно конкурирует с анодом в сборе электронов. Таких неожиданных препятствий, снижающих показатели эффективности ячеек, придется преодолеть еще много, и пока разработки находятся на начальном уровне, невозможно предположить, станет ли подобная технология экономически рентабельной.

«Зеленая искра»

В России биологические фотогальванические ячейки разрабатываются в рамках проекта «Green Spark». Координаторами проекта в «Шухов Лаб» (Лаборатории прототипирования городов будущего) являются Елена и Иван Митрофановы, совместно с Паоло Бомбелли из Кембриджского университета.

Сейчас они работают над конструкцией со стенами высотой два с половиной метра, состоящей из десятков подвешенных в керамических модулях ячеек-батарей, наполненных симбиотической системой растений и бактерий.

В зависимости от конфигурации, ячейки могут давать напряжение от 0,2 до 0,6 вольта. Средняя эффективность растительно-микробного симбиоза составляет примерно 3–5 микровольт с квадратного метра.

Итоговая сила тока, естественно, зависит от конфигурации соединения блоков.

Конструкция блоков специально разработана так, чтобы воссоздать естественный микроклимат для используемых растений. Роль анода в ячейках играет углеволокно, которое не окисляется, не вредит биосистеме и служит долго. Однако и эта конструкция требует оптимизации, так как ее текущая эффективность сбора электронов составляет примерно один процент.

«Проект и область исследования достаточно новые, то есть совсем немного людей ведут научные разработки в этом направлении. Наверняка через пять-десять лет мы сможем собирать если не все электричество [вырабатываемое в ячейках], то явно гораздо больший процент», — говорит Елена Митрофанова, архитектор-дизайнер и координатор проекта «Green Spark».

Инсталляцию, представляющую собой последовательные и параллельные электрические цепи блоков для подзарядки экрана, который транслирует сообщения и визуализирует поступающее напряжение, можно будет подробно изучить 19 мая на фестивале «Политех».

«Вода в ячейках необходима для электронной проводимости и служит солевым мостиком, поэтому мы выбираем влаголюбивые растения — это единственный критерий их отбора. В нашем проекте электроны — остаточный продукт расщепления органики, собирая их, мы никак не вредим экосистеме», — говорит Елена.

Помимо наших соотечественников и их коллег из Кембриджа, подобный проект развивает голландская компания Plant-e, но уже на промышленном, а не научном уровне.

Екатерина Жданова

Урок 24. энергетика живой клетки — Естествознание — 10 класс — Российская электронная школа

  • Конспект на интерактивный видео-урок
  • по предмету «Естествознание» для «10» класса
  • Урок № 24.Энергетика живой клетки
  • Перечень вопросов, рассматриваемых в теме:
  • Как энергия запасается в клетке;
  • Что такое метаболизм;
  • В чем суть процессов гликолиза, брожения и клеточного дыхания;
  • Какие процессы проходят на световой и темновой фазах фотосинтеза;
  • Как связаны процессы энергетического и пластического обмена;
  • Что представляет собой хемосинтез.

Глоссарий по теме:

Метаболизм (обмен веществ) — сложная цепь превращений веществ в организме начиная с момента их поступления из внешней среды и кончая удалением продуктов распада. Представляет собой совокупность процессов энергетического обмена (катаболизма диссимиляции) и пластического обмена (анаболизма, ассимиляции).

Энергетический обмен – это совокупность химических реакций постепенного распада органических соединений, сопровождающихся высвобождением энергии, часть которой расходуется на синтез АТФ. Синтезированная АТФ становится универсальным источником энергии для жизнедеятельности организмов. Значение энергетического обмена – снабжение клетки энергией, которая необходима для жизнедеятельности.

Пластический обмен – это совокупность химических реакций образования (синтеза) из простых веществ с затратой энергии более сложные. Непосредственным поставщиком энергии в клетках выступает АТФ.

Фотосинтез – процесс образования органических веществ из неорганических (углекислого газа и воды) с использованием солнечной энергии. Проходит в два этапа: световая фаза (происходит улавливание и фиксация энергии света в АТФ) и темновая (связывание углекислого газа в молекулы глюкозы с затратой энергии АТФ).

Хемосинтез — процесс образования органических веществ из неорганических (углекислого газа и воды) с использованием энергии окисления неорганических веществ. Например, такой тип питания используют азотфиксирующие бактерии.

Клеточное или тканевое дыхание — совокупность биохимических реакций, протекающих в клетках живых организмов, в ходе которых происходит окисление углеводов, липидов и аминокислот до углекислого газа и воды.

Основная и дополнительная литература по теме урока :

Естествознание. 10 класс [Текст]: учебник для общеобразоват. организаций: базовый уровень / И.Ю. Алексашина, К.В. Галактионов, И.С. Дмитриев, А.В. Ляпцев и др. / под ред. И.Ю. Алексашиной. – 3-е изд., испр. – М.: Просвещение, 2017.: с 115 — 118.

Электронные ресурсы:

Обмен веществ. Портал открытая биология // Электронный доступ: https://biology.ru/textbook/content.html

АТФ и её роль в клетке .Проект «вся биология» // Электронный доступ: http://www.sbio.info/materials/obbiology/obbkletka/stroenorg/12

Энергетика живой клетки. Научно-познавательный журнал «Познавайка» // Электронный доступ: http://www.poznavayka.org/biologiya/energiya-zhivoy-kletki/

Энергетика живой клетки. Журнал «В МИРЕ НАУКИ» №3, 2006 . БИОЛОГИЯ // электронный доступ: https://elementy.ru/nauchno-populyarnaya_biblioteka/430308/430310?SSL=1

Теоретический материал для самостоятельного изучения

Обязательным условием существования биологических систем являются потоки энергии. В этом заключается ключевое различие между живой и неживой природой. Энергия не хранится в клетке, а поступает извне.

Ключевую роль в трансформации энергии обеспечивает клетка, как элементарная структура живого.

Специальные биохимические механизмы трансформируют одни виды энергии в другие, для обеспечения необходимых функций клетки.

Основным источником энергии для всех живых существ планеты Земля, является энергия Солнца. Однако эта энергия может быть использована живым только после того, как она будет усвоена фотоавтотрофами (от греч. «фото» — свет, «авто» — сам, «трофос» — питание).

В процессе эволюции появились и другие организмы, которые научились потреблять готовые органические соединения для получения запасённой в них энергии – гетеротрофы (от греч. «гетерос» — другой, «трофос» — питание).

  1. Некоторые виды микроорганизмов (хемоавтотрофы) приобрели способность к использованию энергии, выделяемой при окислении неорганических веществ.
  2. Таким образом, из всего многообразия существующих форм энергии живые существа на нашей планете используют только две – световую и энергию химических связей.
  3. Главный переносчик энергии в клетке

Световая энергия Солнца и энергия, заключённая в потребляемой пище, запасаются в особых бимолекулярных аккумуляторах – молекулах АТФ (аденозинтрифосфат). В молекулах АТФ энергия запасается в виде высокоэнергетических химических связях между остатками фосфорной кислоты, которая освобождается при отщеплении фосфата: АТФ → АДФ + Ф + E.

Выделяемая энергия используется клетками для процессов выработки тепла, мышечных сокращений (мышечная клетка), для проведения нервного импульса (нервные клетки) и т.п.

Обратный процесс образования АТФ с затратой энергии, получил название энергетический обмен.

Синтез макромолекул важнейших органических соединений, необходимых для построения структур клетки, обеспечения всех процессов жизнедеятельности клеток – пластический обмен — обеспечивается также энергией АТФ.

Независимо от типа питания, универсальным аккумулятором энергии живых организмов выступают молекулы АТФ, где добытая энергия извне запасается в виде химических связей. Такая схожесть иллюстрирует единство происхождения всего живого.

Метаболизм

Поступившие вместе с пищей (или в результате фотосинтеза) органические вещества расщепляются на более простые (катаболизм или диссимиляция), которые служат для постройки макромолекул органических соединений (анаболизм или ассимиляция).

Читайте также:  Гирлянда на солнечных батареях

Эти процессы происходят в организме одновременно. Совокупность этих процессов получила название – метаболизм. В результате его организм осуществляет обмен веществом и энергией с окружающей средой.

Наибольшее значение для энергетического обмена являются многостадийные реакции расщепления глюкозы.

На стадии гликолиза в цитоплазме клетки происходит ферментативное расщепление молекулы глюкозы с образованием более простой пировиноградной кислоты и молекул АТФ: С6Н12О6 + 2 АДФ + 2 Ф → 2С3Н4О3 + 4Н+ + 2АТФ

Молекулы пировиноградной кислоты обладают значительной энергией, высвобождение которой происходит в митохондриях. В ходе так называемого клеточного дыхания (аэробного расщепления), вещество распадается на углекислый газ, который впоследствии выделяется из клетки и воду. По последним исследованиям, при этом образуется 30 молекул АТФ.

Суммарную реакцию окисления глюкозы можно представить следующим образом:

С6Н12О6 + 6О2 + 6Н2О + 32 АДФ + 32 Ф → 6 СО2 + 12 Н2О + 32АТФ

Некоторые микроорганизмы при недостатке кислорода расщепляют глюкозу в процессе анаэробного дыхания или брожения.

В зависимости от конечных продуктов такого расцепления различают спиртовое брожение (с образование этанола), молочнокислое (молочная кислота).

Последнее происходит и в мышцах, при недостатке кислорода, например во время длительной тренировки. Энергетический выход такого типа расщепления менее энергоэффективен.

Основным источником энергии для организмов является окисление глюкозы в митохондриях. При этом также может происходить окисление других органических соединений (белков, жиров), потребляемых, например, вместе с пищей.

Фотосинтез

Фотоавтотрофы имеют уникальные ферментативные системы, способные трансформировать энергию солнечного света в энергию химической связи. Процесс образования органических веществ из неорганических (углекислого газа и воды) с использованием солнечной энергии получил название фотосинтез.

В растениях фотосинтезирующие комплексы сосредоточены в специальных органеллах – хлоропластах. Основной пигмент – хлорофилл – выполняет функцию световых «антенн», улавливая световые волны практически всех диапазонов, кроме зелёного. Стоит отметить, что это обуславливает окраску листьев растений.

В так называемой, световой фазе, кванты света выбивают электроны из молекулы хлорофилла, и он начинает передаваться по специальным белковым переносчикам, расположенных на мембране хлоропластов.

Под действием света одновременно происходит разложение воды (фотолиз).

В реакции высвобождается, в том числе катион водорода (Н+), необходимый для последующего биосинтеза, который захватывает молекула НАДФ (никотинамидадениндинуклеотидфосфат): НАДФ+ + Н+→НАДФ∙Н

  • Энергия возбуждённого электрона заряжает известный нам биологический катализатор АТФ и молекулу НАДФ – в этом заключается биологический смысл световой фазы фотосинтеза.
  • Заметим, что побочными продуктами фотолиза воды становятся свободный кислород и свободные электроны, восстанавливающие хлорофилл: 2Н2О→ Н+ + 4е- + О2
  • Дальнейший процесс может уже проходить без света. Сущность реакций темновой фазы можно выразить следующим уравнением: СО2 + НАДФ∙Н + АТФ = С6Н12О6 +АДФ + НАДФ+

Не сложно заметить, что выделяются вещества необходимые на начальном этапе фотосинтеза, что замыкает цикл. Энергия молекулярных аккумуляторов была использована для фиксации углекислого газа в энергию химических связей углевода.

Фотосинтез, таким образом, является процессом превращения одной (световой) формы энергии в другую(химическую). Вся энергия биосферы запускается благодаря этому процессу.

Другими словами, фотосинтез является отражением космических потоков энергии.

Помимо этого, фотосинтезирующие организмы не только обеспечивают первичный синтез органических соединений, но и создают условия необходимые для существования других живых организмов.

Взаимосвязь энергетического и пластического обмена

Не сложно заметить, что процессы аккумулирования энергии в молекулах АТФ (энергетический обмен) и использование запасённой энергии для синтеза необходимых веществ (белков, жиров, углеводов, нуклеиновых кислот) неразрывно связаны.

Так синтез АТФ не возможен без разложения органических веществ, а синтез веществ клетки не возможен без энергии АТФ.

Причём, заметим, что и фотосинтез представляет собой единство этих процессов: темновая фаза – пластический обмен, световая фаза – энергетический.

Организмы, использующие энергию солнечного света

Оба процесса протекают одновременно и неотделимы друг от друга, обеспечивая жизнедеятельность организма. Таким образом, в клетках происходит трансформация вещества и энергии, которые лежат в основе существования жизни и непрерывного самообновления. Сходство процессов энергетического обмена в клетках всех живых организмов является доказательством единства их происхождения.

Вывод

В клетках происходят одновременно процессы энергетического и пластического обмена, это лежит в основе сохранения жизни. Взаимообмен энергией и веществом между живой и неживой природой является иллюстрацией принципа единства и взаимосвязи материального мира.

Примеры и разбор решения заданий тренировочного модуля:

Задание 1. Выберите один ответ:

  • Универсальным аккумулятором энергии в клетке является:
  • Жиры;
  • Белки;
  • АТФ;
  • НАДФ∙Н.

Ответ: АТФ

Пояснение: универсальной «разменной валютой» в энергетике живой клетки выступает АТФ. При его распаде выделяется энергия, которая расходуется на все жизненно важные процессы.

Задание 2. Исправьте ошибки, анализируя текст с позиции энергетического обмена:

В рационе питания человека помимо белков растительных и животных не обязательно должны присутствовать углеводы и жиры. Отсутствие жиров в пище не приводит к истощению. Человек толстеет, если употребляет в пищу избыточное количество углеводов. На сое и рисе можно прожить.

Ответ: В рационе питания человека помимо белков растительных и животных не обязательно должны присутствовать углеводы и жиры. Отсутствие жиров в пище не приводит к истощению. Человек толстеет, если употребляет в пищу много жиров. Исключительно на сое и рисе можно благополучно прожить.

Пояснение: с точки зрения энергетического обмена, наиболее энергоэффективными являются жиры. При этом, жиры, поступающие с пищей, используются в том числе, для построения многих важных соединений, например гормонов.

«Быстрая» энергия углеводов в избыточном количестве может приводить к полноте.

Употребление только растительного белка в пищу, по сравнению с животным, является менее энергоэффективным и при отсутствии других источников энергии может приводить к истощению организма.

Пластический обмен или ассимиляция. Фотосинтез. Автотрофное и гетеротрофное питание

 «Биология. Общая биология. Базовый уровень. 10-11 классы». В.И. Сивоглазов (гдз)

Вопрос 1. Что такое ассимиляция?Ассимиляция, или пластический обмен, — это совокупность всех процессов биосинтеза, протекающих в живых организмах.

Ассимиляция всегда сопровождается поглощением энергии, источником которой могут являться молекулы АТФ (например, в ходе биосинтеза белка) или солнечный свет (в случае фотосинтеза).

Кроме энергии для осуществления процессов ассимиляции нужен материал, из которого организм сможет образовывать необходимые ему органические соединения. Для автотрофов это углекислый газ (СО2), вода, минеральные соли. Гетеротрофам нужны готовые органические соединения.

В их числе так называемые незаменимые вещества; молекулы, которые гетеротрофы самостоятельно синтезировать не могут и должны получать с пищей. В случае человека это витамины, жирные кислоты с большим количеством двойных связей, многие аминокислоты.

Вопрос 2. Опишите известные вам типы питания.Существует три типа питания.

Автотрофное питание. Автотрофные организмы способны самостоятельно синтезировать необходимые органические соединения, используя в качестве источника углерода углекислый газ. Источником энергии при этом является солнечный свет или окисление неорганических соединений.

Гетеротрофное питание. Гетеротрофные организмы в качестве источника углерода и в качестве источника энергии используют готовые органические вещества.Миксотрофное питание. Миксотрофные организмы способны питаться и как автотрофы, и как гетеротрофы.

Например, эвглена зеленая на свету ведет себя как автотроф, самостоятельно синтезируя органические вещества, а в темноте — как гетеротроф (питается готовыми органическими соединениями). К миксотрофам относятся также некоторые паразитические высшие растения.

Вопрос 3.

Какие организмы называют автотрофными?Автотрофными называют организмы, способные синтезировать органические вещества за счет энергии солнечного света или энергии, выделяющейся при окислении неорганических соединений. При этом источником углерода является углекислый газ.

К организмам, использующим энергию солнечного света, относятся растения, цианобактерии и некоторые бактерии. Все они объединены в группу фотосинтетиков. Растения и цианобактериии (сине-зеленые водоросли) осуществляют фотосинтез с выделением кислорода; бактерии — без выделения кислорода.

Автотрофов, использующих для получения энергии окисление неорганических веществ, называют хемосинтетиками. К ним относят несколько древних групп прокариот: серобактерии (окисляют сероводород до серы), железобактерии (окисляют Fе2+ до Fе3+) и др.

Вопрос 4. Почему у зеленых растений в результате фотосинтеза выделяется в атмосферу свободный кислород?Если вода находится в жидком состоянии, то небольшая часть ее молекул обязательно распадается на ионы Н+ и ОН—.

Во время световой фазы фотосинтеза часть избыточной энергии хлорофилла тратится на превращение ионов Н+ в атомы водорода. Оставшиеся без своей «пары» ионы ОН— отдают электроны хлорофиллу, превращаясь в свободные радикалы ОН. Радикалы активно взаимодействуют между собой, образуя воду и молекулярный кислород: 4ОН             Н2О + О2.

Таким образом, выделение в атмосферу свободного кислорода происходит в ходе световой фазы фотосинтеза. Источником кислорода являются молекулы Н2О, в связи с чем описанный процесс называют еще фотолизом воды (разложением воды под действием света). Кислород является побочным продуктом фотосинтеза.

Однако в ходе эволюции живые организмы быстро научились использовать его для дыхания, т. е. для более полного окисления органических веществ.

Вопрос 5. Каковы признаки гетеротрофного типа питания? Приведите примеры гетеротрофных организмов.При гетеротрофном типе питания в качестве источника углерода и источника энергии организмы используют готовые органические соединения.

Следовательно, гетеротрофные организмы полностью зависят от автотрофных, которые служат для них поставщиками органических веществ — прямыми (в случае травоядных) либо опосредованными (в случае, например, хищников). Гетеротрофные организмы — это все животные, грибы, большинство бактерий.Вопрос 6.

Как вы думаете, почему все живое на Земле можно назвать «детьми Солнца»?

Основным процессом, обеспечивающим появление на Земле органических веществ, является фотосинтез. Источником же энергии для фотосинтеза является солнечный свет.

Почти все живые организмы используют энергию солнечного света, одни напрямую, запасая ее в виде органических соединений (фотосинтетики-автотрофы), другие опосредованно через использование готовых органических соединений, созданных растениями (гетеротрофы). Исключение составляет лишь уникальная группа бактерий-хемосинтетиков.

Фотосинтез

Поперечный срез листа

1. О том, что мы будем изучать

Сохранение жизни зависит от способности организмов использовать различные источники энергии. Какие же источники энергии используют живые организмы? (Можно предоставить учащимся дать ответ на этот вопрос. Как правило, ответы бывают довольно разнообразные, их лучше записать на доске.) При всем своем разнообразии организмы используют в основном два источника энергии: энергию химических связей органических веществ и энергию солнечного света. (Здесь нужно вернуться к ответам учащихся, записанным на доске, и распределить их на две группы в соответствии с источником энергии. Необходимо упомянуть, что есть особая группа живых организмов, которые используют в качестве источника энергии химические связи неорганических веществ. Учащиеся могут сами назвать некоторые из организмов, относящихся к этой группе.)

Вопросы учащимся

1. Какие организмы используют энергию солнца и как они называются? 2. Как называются организмы, которые используют энергию химических связей органических веществ, и кто к ним относится? Организмы, которые используют энергию органических веществ (совокупность всех органических веществ, используемых организмом, называется пищей), называются органотрофами. Все остальные организмы называют литотрофами. Эти названия для нас новые, однако обозначаемые этими терминами организмы нам хорошо знакомы: литотрофы относятся к автотрофам, а органотрофы – это гетеротрофы. Автотрофные организмы используют для питания соединения, не представляющие энергетической ценности, такие как предельные окислы углерода (СО2) или водорода (Н2О), поэтому они нуждаются в дополнительном источнике энергии. Этим источником энергии для большинства автотрофных организмов является солнечный свет. Автотрофные организмы испльзуют СО2 в качестве единственного или главного источника углерода и обладают как системой ферментов для ассимиляции СО2 , так и способностью синтезировать все компоненты клетки. Автотрофы делятся на две группы: – фотоавтотрофы – зеленые растения, водоросли, бактерии, способные к фотосинтезу; – хемоавтотрофы – бактерии, использующие окисление неорганических веществ (водород, сера, аммиак, нитраты, сероводород и др.). К ним относятся, например, водородные бактерии, нитрифицирующие бактерии, железобактерии, серобактерии, метанобразующие бактерии. Мы будем рассматривать только фотоавтотрофные организмы. Можно предложить учащимся подготовить доклады или рефераты о хемоавтотрофах. Поглощенный солнечный свет используется фотоавтотрофами для синтеза органических веществ. Поэтому можно дать следующее определение фотосинтеза. Фотосинтез – это процесс преобразования поглощенной энергии света в химическую энергию органических соединений. Фотосинтез – единственный процесс в биосфере, ведущий к увеличению энергии биосферы за счет внешнего источника – Солнца – и обеспечивающий существование как растений, так и практически всех гетеротрофных организмов.

2. Немного истории

Началом эры исследования фотосинтеза можно считать 1771 г., когда английский ученый Д.Пристли поставил классические опыты с растением мяты. Он помещал мяту под стеклянный колпак, под которым до того горела свеча. При этом «испорченный» горением свечи воздух становился пригодным для дыхания. Определяли это следующим образом. В одном случае под стеклянный колпак вместе с растением помещали мышь, в другом, для сравнения, – только мышь. Через некоторое время под вторым колпаком животное погибало, а под первым продолжало нормально себя чувствовать (рис. 1). Благодаря этим и другим опытам Д.Пристли в 1774 г. открыл кислород (одновременно с К.В. Шееле). Название этому газу дал французский ученый А.Л. Лавуазье, повторивший открытие год спустя. Дальнейшее изучение растений показало, что в темноте они, как и другие живые существа, выделяют не пригодный для дыхания газ СО2. В 1782 г. Жан Сенебье показал, что растения, выделяя кислород, одновременно поглощают двуокись углерода. Это позволило ему предположить, что в вещество растения превращается углерод, входящий в состав двуокиси углерода. Австрийский врач Ян Ингенхауз обнаружил, что растения выделяют кислород только на свету. Он погружал ветку ивы в воду и наблюдал на свету образование на листьях пузырьков кислорода. Если листья находились в темноте, пузырьки не появлялись. Дальнейшие опыты показали, что органическая масса растения формируется не только за счет углекислого газа, но и за счет воды. Обобщая результаты перечисленных опытов, немецкий ученый В.Пфеффер в 1877 г. дал описание процесса поглощения СО2 из воздуха при участии воды и света с образованием органического вещества и назвал его фотосинтезом. Большую роль в выявлении сущности фотосинтеза сыграло открытие закона сохранения и превращения энергии Ю.Р. Майером и Г.Гельмгольцем.

  • Для развития межпредметных связей рекомендуется, чтобы ученики дома письменно ответили на вопрос: почему открытие закона сохранения и превращения энергии имело большое значение для выявления сущности фотосинтеза?
  • Для дальнейшего изучения фотосинтеза, как показывает наш опыт, необходимо, чтобы учащиеся вспомнили материал по следующим вопросам из химии и физики (повторение материала можно дать как домашнее задание):
  • – строение атома; – виды орбиталей; – энергетические уровни;
  • – окислительно-восстановительные реакции.
  1. Дальнейшее изучение фотосинтеза строится по следующему плану:
  2. – физико-химические основы фотосинтеза; – состав и строение фотосинтетического аппарата; – фазы и процессы фотосинтеза;
  3. – виды фотосинтеза.
Читайте также:  Как продлить жизнь аккумулятору автомобиля

3. Физико-химические основы фотосинтеза

В общих чертах физико-химическую суть фотосинтеза можно описать следующим образом.

Молекула хлорофилла поглощает квант света и переходит в возбужденное состояние, характеризующееся электронной структурой с повышенной энергией и способностью легко отдавать электрон. Такой электрон можно сравнить с камнем, поднятым на высоту, – он также приобретает дополнительную потенциальную энергию.

Электрон, как по ступеням, перемещается по цепочке сложных органических соединений, встроенных в мембраны хлоропласта. Эти соединения отличаются друг от друга своими окислительно-восстановительными потенциалами, которые к концу цепи повышаются.

Перемещаясь с одной ступени на другую, электрон теряет энергию, которая используется для синтеза АТФ.

Растративший свою энергию электрон возвращается к хлорофиллу. Новая порция световой энергии вновь возбуждает молекулу хлорофилла. Электрон снова проходит по тому же пути, расходуя свою энергию на образование новых молекул АТФ, и весь цикл повторяется.

В этом описании выделены ключевые понятия, разбор которых поможет учащимся глубже понять суть процесса фотосинтеза.

Что же представляет собой главный «герой» фотосинтеза – квант света? Солнечный свет – это электромагнитные волны, распространяющиеся в вакууме с максимально возможной скоростью (с). Электромагнитное излучение характеризуется длиной волны, амплитудой и частотой. Свойства электромагнитного излучения сильно зависят от длины волны (рис. 2).

Рис. 2. Шкала электромагнитного излучения. Ангстрем – единица длины, равная 10-8 смм

  • Видимый свет занимает очень маленькую часть электромагнитного спектра, но именно ее используют растения для фотосинтеза.
  • Электромагнитные волны излучаются и поглощаются не непрерывно, а отдельными порциями – квантами (фотонами). Каждый квант света несет определенное количество энергии, которая находится в обратной зависимости от длины волны :
  • Е=hc/,

т.е. чем больше длина волны, тем меньше энергия кванта (h – постоянная Планка).

От длины волны зависит не только энергия кванта, но и его цвет (рис. 2).

Попадая на какую-либо поверхность, квант света отдает ей свою энергию, в результате чего поверхность нагревается. Но в некоторых случаях при поглощении кванта света молекулой его энергия не сразу превращается в тепло и может привести к различным изменениям внутри молекулы. Например, под действием света происходит фотолиз воды:

Н2О свет> Н+ + ОН–,

т.е. вода диссоциирует на ион водорода и ион гидроксила. Затем ион гидроксила теряет свой электрон, и радикалы гидроксила образуют воду и кислород:

2ОН– = Н2О + О–.

Что же происходит в молекуле под действием кванта света? Чтобы ответить на этот вопрос, надо вспомнить строение атома. В атоме электроны находятся на различных орбиталях и обладают различной энергией (рис. 3).

Рис. 3. Диаграмма энергетических уровней электронных оболочек

Энергия поглощенного кванта света в атоме или молекуле передается электрону. За счет этой дополнительной энергии он может перейти на другой, более высокий энергетический уровень, оставаясь по-прежнему в молекуле. Такое состояние атома или молекулы называют возбужденным.

Молекула в возбужденном состоянии нестабильна – она «стремится» отдать лишнюю энергию и перейти в стабильное состояние с наименьшей энергией. От избытка энергии молекула может избавиться разными путями: изменением спина электрона, выделением тепла, флуоресценцией, фосфоресценцией.

Если энергия кванта слишком велика, возможно «выбивание» электрона из молекулы, которая превращается в катион.

Вернемся к фотосинтезу. Следующим «героем» фотосинтеза является молекула хлорофилла, основная функция которой состоит в поглощении кванта света (рис. 4).

Рис. 4. Строение молекулы хлорофилла

Хлорофилл – зеленый пигмент. Основу молекулы составляет Мg-порфириновый комплекс, состоящий из четырех пирольных колец. Пирольные кольца в молекуле хлорофилла образуют систему сопряженных связей. Такая структура облегчает поглощение кванта света и передачи энергии света электрону хлорофилла.

Существует несколько типов хлорофиллов, различающихся строением, а следовательно, и спектрами поглощения.

Все растения имеют два вида хлорофилла: основной, присутствует у всех растений, это хлорофил a и дополнительный, который у разных растений разный: у высших растений и зеленых водорослей это хлорофилл b, у бурых и диатомовых – хлорофилл с, у красных водорослей – хлорофилл d. У фототрофных бактерий присутствует аналог хлорофилла – бактериохлорофилл.

Кроме хлорофилла, в растениях присутствуют и другие пигменты. К желтым пигментам, каротиноидам, относятся оранжевые или красные пигменты – каротины, желтые – ксантофиллы.

На фоне хлорофилла каротиноиды в листе не заметны, но осенью после разрушения хлорофилла придают листьям желтую и красную окраску.

Как и хлорофилл, каротиноиды принимают участие в поглощении света при фотосинтезе, но хлорофилл является основным пигментом, а каротиноиды – дополнительными. Каротиноиды выполняют роль стабилизаторов фотосинтеза, защищая хлорофилл от самоокисления и разрушения.

Все пигменты, участвующие в фотосинтезе, находятся в специальных органоидах растительной клетки – хлоропластах.

4. Состав и строение фотосинтетического аппарата

Перед изучением этого раздела рекомендуется дать домашнее задание на повторение строения листа.

Хлоропласты являются внутриклеточными двумембранными органоидами, в которых осуществляется фотосинтез.

У высших растений хлоропласты находятся преимущественно в клетках палисадной и губчатой тканей мезофилла листа. Они присутствуют также в замыкающих клетках устьиц эпидермиса листьев.

Хлоропласты сосудистых растений имеют форму двояковыпуклой, плоско-выпуклой или вогнуто-выпуклой линзы с круглым или эллипсоидным контуром. Внутренняя структура всех хлоропластов (рис. 5) характеризуется наличием системы мембран, называемых также ламеллами, погруженных в гидрофильный белковый матрикс, или строму.

Рис. 5. Строение хлоропласта

Основной субъединицей этой мембранной структуры является тилакоид – пузырек, образованный одинарной мембраной (рис. 6).

Рис. 6. Часть тилакоидной системы

Хлоропласты зрелых клеток имеют максимально развитую тилакоидную систему. Ее структура в хлоропластах разных растений различна и связана главным образом с отношением данного вида растений к свету: хлоропласты светолюбивых растений содержат много мелких гран, хлоропласты теневыносливых – меньшее количество гран, но крупных.

В клетке хлоропласты постоянно перемещаются с током цитоплазмы или самостоятельно, ориентируясь по отношению к свету.

Если падающий на лист поток света имеет высокую интенсивность, то хлоропласты располагаются вдоль световых лучей и занимают боковые стенки клеток.

Если свет слабый, то хлоропласты ориентируются перпендикулярно световому потоку, тем самым увеличивая площадь поглощения света. Это проявление фототаксиса у хлоропластов.

Продолжение следует

Ученые нашли новый способ "приручить" энергию Солнца

2020-04-16T09:00

2020-04-16T14:41

https://ria.ru/20200416/1570082977.html

Ученые нашли новый способ «приручить» энергию Солнца

https://cdn21.img.ria.ru/images/105320/57/1053205719_98:0:1918:1024_1036x0_80_0_0_2c5e9e1854b8275c0d999abe13a18e1d.jpg

РИА Новости

https://cdn22.img.ria.ru/i/export/ria/logo.png

РИА Новости

https://cdn22.img.ria.ru/i/export/ria/logo.png

МОСКВА, 16 апр — РИА Новости. Материал, позволяющий более чем в 20 раз повысить эффективность производства перспективного метанолового топлива, разработали ученые Национального исследовательского университета МИЭТ совместно с коллегами из Лодзинского технического университета (Лодзь, Польша). Результаты опубликованы в журнале Topics in Catalysis.

Превращение углекислого газа в топливо — например, в метанол — действенный способ снижения его ядовитых выбросов в атмосферу, считают авторы исследования. Оптимальным решением, по их мнению, является использование для этого возобновляемой энергии.

Сегодня синтез метанола из CO2 в основном осуществляют фотокаталитическим методом, при котором реакция протекает за счет энергии света. Однако оксид титана, применяемый в качестве фотокатализатора, реагирует только на ультрафиолет, составляющий всего пять процентов солнечного света.

Для того чтобы в полной мере использовать энергию Солнца, ученые модифицировали поверхность оксида титана металлическими наночастицами. Оказалось, что комбинация оксида титана с некоторыми металлами позволяет катализатору улавливать энергию также видимой части спектра, охватывая большую часть солнечного света.

«Мы показали, что модифицирование поверхности TiO2 частицами металлов увеличивает скорость образования метанола в 22 раза. Наиболее активными оказались частицы платины и никеля.

Развитие этой технологии позволит синтезировать органические вещества без использования сложного оборудования, необходимого в классическом методе синтеза», — рассказал старший научный сотрудник Института перспективных материалов и технологий НИУ МИЭТ Сергей Дубков.

По его словам, для изготовления модифицированного фотокатализатора применяют либо вакуумное испарение металлов с последующим их осаждением на оксиде титана, либо отжиг порошка оксида, пропитанного солями металлов.

Для изучения структуры полученных материалов применялись рентгеновский дифракционный анализ и растровая электронная микроскопия. Исследование проведено в рамках гранта РНФ № 19-000595, направленного на развитие принципов искусственного фотосинтеза в видимой области спектра.

В дальнейшем коллектив ученых намерен разработать гибридную фотокаталитическую систему, приспособленную к работе в видимой области спектра и способную решать такие задачи, как синтез органического топлива и очистка воды от органических загрязнений, а также производство водорода или кислорода разложением воды.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *