Проекты

Порфирины – материал для технологии будущего

Работа призёра открытой городской научно-практической конференции «Инженеры будущего» в секции «Прикладная химия, физическая химия» среди работ учащихся 10−11 классов

Направление работы: Биофизика
Авторы работы: ГБОУ Школа им. А. Боровика
Предметы: Физика, Химия
Классы: 10 класс
Мероприятия: Открытая городская научно-практическая конференция «Инженеры будущего» 18−20 апреля 2019 года

Не секрет, что с каждым годом ресурсов на нашей планете становится всё меньше и меньше. Проблема энергетического кризиса актуальна и по сей день, вследствие чего возникает потребность в поиске оптимального возобновляемого энергоресурса. Солнечную энергетику можно условно разделить на термоэнергетику и фотовольтаику. Последние исследования в фотовольтаике сконцентрированы на применении красителей в фотоэлементах. Такие красители получили название DSSC, Dye-SensitizedSolarCell, то есть ячейка, в которой возбуждающийся краситель генерирует энергию. Краситель поглощает солнечный свет и передаёт синтезированную энергию солнца через подложку на электроды. В качестве усиления свойств фотосенсибилизатора выступает соединение металлокомплекс хлорина. Однако в отличие от большинства красителей хлорофилл и его производные обладают очень важными свойствами, такими как экологичность, относительная дешевизна изготовления и уникальность спектральных свойств.

Цель

Исследование свойств металлокомплексов производных хлоринов и их получение.

Описание работы

Получение хлорофилла. Классическим способом получения хлорофилла является его выделение из растений с помощью специальной установки. В своём опыте авторы использовали водоросль Spirulina platensis. Способ заключается в кипячении в растворе ацетона в реакторе установки, содержащей также холодильник, нагревательный элемент и хлоркальциевую трубку. После часа кипячения экстрагируется продукт от биомассы водоросли на фильтре Шотта, а остальная биомасса загружается обратно в реактор. Этот процесс является неудобным, так как требует большого количества прерываний. Поэтому авторы стали искать способ усовершенствования этого процесса для повышения выхода продукта реакции и удобства протекания процесса. В литературе авторы нашли довольно распространённый метод выделения растительных веществ с помощью насадки Сокслета, ранее не применяемый для выделения хлорофилла из Spirulina platensis. Этот способ не требует постоянного участия в реакции, а также довольствуется меньшим количеством растворителя. Его суть заключается в следующем: в колбе первоначально находится растворитель, в насадке Сокслета находится Spirulina platensis с керамической крошкой для увеличения площади поверхности взаимодействия. Растворитель, закипая, поднимается по трубке в холодильник, где конденсируется, после опускается в насадку Сокслета, взаимодействуя со Spirulina platensis. Далее по другой трубке хлорофилл с растворителем спускаются обратно в колбу, откуда растворитель заново проделывает тот же маршрут, а хлорофилл остаётся в реакторе. Далее раствор упаривается. Преимуществами данного способа являются высокий выход продукта и непрерывность процесса.

В дальнейшем авторы проводили модификацию полученного хлорофилла и получали разные молекулы. Так авторы получали феофорбид с помощью переэтерефикации в серной кислоте и спирте и замещения магния на водороды. Также получали пурпурин 18 с помощью щелочного окисления с последующим кислотным гидролизом. При этом происходило изменение цикла (нижнего). Затем авторы синтезировали аминамидфеофорбид из пурпурина 18, используя 1,4-диаминбутан для раскрытия цикла, применяя катализатор диизопропилэтиламин в растворе хлористого метилена. Все эти вещества были очищены с помощью тонкослойной хроматографии. Они обладают разными спектральными свойствами, также можно создать металлокомплексы этих веществ. Чтобы сравнить классы соединений, авторы синтезировали тетрафенилпорфирин, реагенты для его получения токсичны. Его очищали методом перекристаллизации. В полученные хлорины вставляли различные металлы: медь, олово, палладий. Образование металлокомплекса происходит следующим образом. Атом металла, встраиваясь в порфиринновый лиганд, вытесняет оттуда два атома водорода, образуя четыре эквивалентные координационные связи донорно-акцепторного типа. Синтез для всех металлокомплексов хлоринов проводился однотипно. Ацетаты меди и палладия, хлорид олова и хлорины растворялись в системе изопропилового спирта и метилена хлористого при постоянном перемешивании, далее происходило образование металлокомплексов с характерным изменением цвета вещества и спектральных свойств. Для начала авторы планировали проследить за тем, как металлы влияют на спектр поглощения одного и того же соединения; авторами был выбран феофорбид, авторы исследовали медный, палладиевый и оловянный комплексы. Регистрируя полученные спектральные данные, авторы наблюдали следующую зависимость: пик поглощения медного комплекса смещается влево менее всех остальных. Далее авторам было интересно проследить зависимость металла от лиганда. Для примера была выбрана медь: изменение лиганда также влияет на спектральные свойства. Стоит отметить, что образование металлокомплекса тетрафенилпорфирина было не так успешно, как у остальных хлоринов. Металл в комплекс даже при высоких температурах встраивался плохо, о чём свидетельствует незначительное изменение спектра поглощения.

Результаты

Авторы изучили свойства металлокомплексов хлоринов, а также методы их получения. Практически авторами был выделен хлорофилл из природного сырья различными методами, и показана перспективность одного из них. Изучая совокупность свойств комплексообразователя и хлорофилла, можно подобрать оптимальный краситель для фотовольтаики.

Оснащение и оборудование, использованное в работе

Круглодонные колбы, колбонагреватели, холодильник Аллина, магнитные мешалки, фильтр Шотта, колбы Бунзена, насадка Сокслета и хлоркальциевые трубки, делительные воронки.

Хроматография осуществлялась на пластинках Kieselgel 60F254 («Merck», Германия).

Перспективы развития результатов работы

Разработка природно-энергоэкономичных солнечных батарей.

Сотрудничество с вузом при создании работы

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «МИРЭА − Российский технологический университет».

Особое мнение

«Работа выполнена на высоком уровне, она достаточно сложная, но интересная. Познакомились с новыми понятиями, занимались научными исследованиями, которые бы без данной конференции сделать во время школьной учебы не удалось. Проект помог с выбором направления специальности»