Η αξιοποίηση της ηλιακής ενέργειας είναι ένα ζήτημα που ανέκαθεν απασχολούσε την
ανθρωπότητα. Η ευεργετική επίδραση του Ήλιου έχει γίνει αντιληπτή εδώ και χιλιάδες
χρόνια, με τους ανθρώπους ανά τους αιώνες να αναπτύσσουν ολοένα και πιο
ευφάνταστους και λειτουργικούς μηχανισμούς για να επωφεληθούν από αυτόν.
Ωστόσο, οι διαρκώς αυξανόμενες ενεργειακές απαιτήσεις της ανθρώπινης κοινωνίας
καθιστούν επιτακτική την ανάγκη για εύρεση σύγχρονων και αποδοτικών μεθόδων
άντλησης της ηλιακής ενέργειας. Σύμφωνα με εκτενείς έρευνες, η ενέργεια που
προσφέρει ο Ήλιος στη Γη είναι όχι μόνο ανεξάντλητη, αλλά και ιδιαίτερα ισχυρή,
καθώς επαρκεί για να τροφοδοτήσει αποκλειστικά τις καθημερινές δραστηριότητες
ολόκληρου του πλανήτη.
Σε μία αναζήτηση τρόπων παραγωγής ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές, η
ερευνητική κοινότητα ασχολείται ενεργά με την εκμετάλλευση της προσπίπτουσας
ηλιακής ακτινοβολίας. Ιδιαίτερα φερέλπιδες έχουν αποδειχθεί οι προσπάθειες
μετατροπής της ηλιακής ενέργειας σε άλλες, άμεσα αξιοποιήσιμες μορφές, οι
επικρατέστερες εκ των οποίων είναι η ηλεκτρική και η χημική ενέργεια.
Ο συνδετικός κρίκος ανάμεσα στο φως και τον ηλεκτρισμό είναι οι φωτοβολταϊκές
συσκευές, οι οποίες δύνανται να μετατρέψουν την ηλιακή ακτινοβολία απευθείας σε
ηλεκτρικό ρεύμα. Σημαντική πρόοδος έχει καταγραφεί για την κατασκευή τέτοιων
διατάξεων, όμως το υψηλό κόστος παραμένει ένα εμπόδιο στη μαζική τους χρήση. Τα
τελευταία χρόνια, έχει δοθεί αρκετή έμφαση στην κατασκευή φωτοβολταϊκών κελιών
ευαισθητοποιούμενων με χρωστική (DSSCs), στα οποία προστίθεται μία χρωμοφόρος
οντότητα, υπεύθυνη για την ευκολότερη δέσμευση του ηλιακού φωτός.
Μία δεύτερη και εξίσου χρήσιμη διαδικασία είναι η χρήση του Ήλιου ως εφαλτήριο για
τη διεξαγωγή αντιδράσεων που οδηγούν σε σχηματισμό ουσιών που μπορούν να
αποθηκευτούν και να απελευθερώσουν ενέργεια, όπως τα καύσιμα. Η συνολική
διεργασία ονομάζεται «φωτοκατάλυση» και αφορά τη μετατροπή της ηλιακής ενέργειας
σε χημική. Με περιγραφή αυτήν εναρμονίζεται πλήρως το μόριο του υδρογόνου (Η2),
το οποίο μπορεί να παραχθεί με φωτοκαταλυτική αναγωγή της πιο άφθονης ένωσης
στον πλανήτη, του νερού. Στη τη φωτοκατάλυση συμμετέχει και πάλι ένα σύστημα που
φέρει χρώση, ώστε να γίνει η δέσμευση των ηλιακών φωτονίων.
Στο παρόν Μεταπτυχιακό Δίπλωμα Ειδίκευσης, παρουσιάζονται ο σχεδιασμός, η
σύνθεση κι ο χαρακτηρισμός συστημάτων με βάση τις χρωστικές, τα οποία μπορούν
δυνητικά να χρησιμοποιηθούν στις δύο εφαρμογές που αναφέρθηκαν παραπάνω. Ως
χρωμοφόρα και στις δύο περιπτώσεις επιλέχθηκαν πορφυρινικά παράγωγα, λόγω της
σημαντικής ικανότητας άντλησης ορατού φωτός που διαθέτουν.
Το πρώτο τμήμα της εργασίας πραγματεύεται τη σύνθεση πορφυρινών για μελέτη σε
φωτοβολταϊκά κελιά τύπου DSSC. Συντέθηκαν επιτυχώς τρία νέα πορφυρινικά
παράγωγα, τα οποία διέφεραν ως προς την ύπαρξη ομάδων-δοτών ή -δεκτών
ηλεκτρονίων, με το ένα εξ αυτών να μη διαθέτει χαρακτηριστικές ομάδες, ώστε να είναι
εφικτή η σύγκριση της απόδοσης στη μετατροπή ενέργειας και να κατασκευαστεί ένα
μοτίβο επίδρασης των υποκαταστατών. Παρ’ όλο που πραγματοποιήθηκαν βασικοί
φυσικοχημικοί έλεγχοι στα τελικά προϊόντα, οι φωτοβολταϊκές δοκιμές βρίσκονται
ακόμα σε εξέλιξη.
Στο δεύτερο και τελευταίο μέρος της συγκεκριμένης έρευνας, επιδιώκεται η ανάπτυξη
μοριακών φωτοκαταλυτών για παραγωγή Η2. Ειδικότερα, επιβεβαιώθηκε η επιτυχής
σύνθεση ενός διπυρηνικού συμπλόκου του μολυβδαινίου(ΙΙ) (καταλύτης) και μίας
σειράς τριών πορφυρινών (φωτοευαισθητοποιητές), με σκοπό να κατασκευαστούν
τριάδες καταλύτη-φωτοευαισθητοποιητή-καταλύτη και να ελεγχθούν ως προς την
ικανότητά τους να παράγουν Η2. Πραγματοποιήθηκαν βασικές φωτοκαταλυτικές
μελέτες σε ένα από τα τρία συστήματα που σχεδιάστηκαν, με τα αποτελέσματα να είναι
μεν ενθαρρυντικά, αλλά να απαιτούν περαιτέρω διερεύνηση.
(EL)
The utilization of solar energy is an issue that has always concerned mankind. The beneficial effect of the Sun has been recognized for thousands of years, with humans developing even more imaginative and functional mechanisms over the centuries to benefit from it. However, the ever-increasing energy demands of human society make the need to find modern and efficient methods of harvesting solar energy imperative. According to extensive research, the energy that the Sun offers to the Earth is not only inexhaustible, but also particularly powerful, as it is sufficient to exclusively cover the energy demand required for the daily activities of the entire planet. In an attempt to invent ways to produce energy from renewable sources, the research community is actively engaged in exploiting incident solar radiation. Attempts to convert solar energy into other, readily usable forms, the most prevalent of which are electrical and chemical energy, have proven to be particularly attractive. The immediate link between light and electricity are photovoltaic devices, which are setups capable of converting solar radiation directly into electrical current. Significant progress has been made in the field of manufacturing such devices, but the high cost remains an obstacle to their mass use. In recent years, considerable emphasis has been placed on the construction of Dye-Sensitized Solar Cells (DSSCs), in which a chromophore entity is added, responsible for the easier capture of sunlight. A second and equally useful process is to use the Sun as a springboard to carry out reactions that lead to the formation of substances that are capable of being stored and releasing energy, such as fuels. The overall process is called "photocatalysis" and involves the conversion of solar energy into chemical energy. Molecular hydrogen (H2) is in full agreement with this description, as it can be produced by photocatalytic reduction of water, the most abundant compound on the planet. In photocatalysis, a dye-containing system is involved in order to capture the solar photons. In the present Master Thesis, the design, synthesis and characterization of systems based on pigments, which can be used in the two applications mentioned above, are presented. Porphyrin derivatives were chosen as chromophores in both cases, due to their significant ability to absorb visible light. The first part of this work deals with the synthesis of porphyrins for study in DSSC-type photovoltaic cells. Three new porphyrin derivatives were successfully synthesized, which were differentiated by the existence of electron-donating or -accepting groups, with one of them bearing no functional groups, so that their power conversion efficiency could be compared and a pattern regarding the effect of the substituents could be determined. Although fundamental physicochemical tests were performed on the final products, photovoltaic measurements are still ongoing. In the second and final part of this research, the aim is the development of molecular photocatalysts for H2 evolution. More specifically, the successful synthesis of a dinuclear complex of molybdenum(II) (catalyst) and a series of three porphyrins (photosensitizers) was confirmed, in order to construct catalyst-photosensitizer catalyst triads and test their ability to produce H2. A few basic photocatalytic studies were performed on one of the three systems designed, providing encouraging results but requiring further investigation.
(EN)
