Nanotecnología: Energía

Transcripción

1 Nanotecnología: Energía Dr. Ricardo Faccio Cryssmat-Lab. DETEMA. Facultad de Química Centro NanoMat PTP-Pando, Facultad de Química

2 Temario: Ejemplos Generales de aplicaciones Nano Energía Solar Grafito Magnético

3 Ejemplos de aplicación de nanomateriales

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5 Nanopartículas Lubricantes secos Materiales duraderos Resistentes Flexibles Ej: Empresa NanoMaterials

6 Celdas Solares de Bajo Costo (II)

7 Qué es la energía solar? Energía producida por el sol Limpia y renovable Convertible y usable (electricidad) Panel solar - fotovoltaico fuente:

8 Una energía abundante Sistemas de energía solar instalados. Podrían cubrir la demanda total del planeta (eficiencia 8%) fuente:

9 Demanda actual de EEUU EEUU consume ~25% de la energía del planeta, pero solo tiene un 4.5% de la 20 TW población mundial Se necesitaría una superficie que cubra Texas para cubrir la demanda de EEUU FUENTE:

10 no toda la energía es absorbida Al igual que los cloroplastos, solo absorbe ciertas regiones del espectro de luz Clorofila absorbe el rojo y azul, pero refleja el verde fuente:

11 Funcionamiento celda solar Silicio La energía de la luz solar se absorbe por los electrones. Estos son bombeados al resto del cristal. Se generan electrones y huecos La separación en huecoelectrón genera un voltaje y una corriente fuente:

12 Características celdas de Silicio Caros Alto vació y alta temperatura Alto costo de manufactura Frágiles, rígidos y finos. Alto retorno de inversión 4 años para recuperar los costos de producción. fuente:

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14 Celdas Solares DSSC Funcionamiento equivalente a las de Si Los electrones se arrancan del colorante y se inyectan en TiO 2, para transportarlo fuera de la celda Los huecos permanencen en la tinta La separación hueco-electrón genera un voltaje y corriente. fuente:

15 Características Relativamente barato No es necesario vacío ni altas temperaturas Relativamente sencillo de armar Finos, livianos y flexibles. Retorno de inversión corto 3 meses de ahorro energético cubren los costos de producción fuente:

16 Celdas solares de sensibilización espectral (Celdas solares sensibilizadas con colorantes, DSSC) TiO 2 - Bajo costo - Ampliamente disponible - No tóxico - Biocompatible Grätzel M., Inorg. Chem. 2005, 44, 6841 Faccio, R; Fernández-Werner, L.; Pardo, H.; W. Mombrú, A. Recent Patents on Nanotechnology 2011, 5(1), Foto-electrodo - Conductor - Semiconductor - Colorante Contraelectrodo - Conductor - Catalizador Electrolito 11% estándar AM 1.5 Fase cristalina. Cristalinidad. Tamaño de partícula. Estructura porosa.

17 Método hidrotermal bajo presión endógena NaOH(ac) 10M 5A (A, R, o A/R 50% p/p) 120 C <T r <150 C 24h<t r <68h Cálculos teóricos por primeros principios Tesis Doctoral: Ing. Luciana Fernández-Werner

18 Cómo se preparan las nanopartículas?

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21 HRTEM: nanorods de TiO 2

22 TEM: -Nanotubos

23 Ensamblado de Dispositivos

24 Caracterización Eléctrica P = W, a = 9.8cm2, Isc = 5.5mA, Jsc = 0.56mA/cm2, Voc = 0.594V FF = 33.7%

25 Simulaciones Computacionales Simular nuevos materiales: - TiO 2 (B) Simular comportamientos conocidos - N719@TiO 2 Entender la dinámica de los procesos -N719@TiO 2 (B)

26 Simulación: Modelos LCAO- GGA PW- GGA PWmBJ Exp. (ev) Rutilo [1] Anatasa [1] TiO 2 (B) [27,28] Nanohoja pentacoordinada E S SIESTA E N E slab Ti TiO bulk 2S Vittadini A. et al, J. Phys. Chem. C 2009, 113 (44), Fernández-Werner et al. (en preparación 2012) 2 Slabs SE SE # of TiO 2 (J/m 2 ) (J/m 2 ) Ti layers LCAO PW A(101) A(100) A(001) R(110) R(101) R(100) TB(001) TB(100)

27 Modelos unidimensionales iniciales: Nanotubos x' R z cos x R x z ' R z sen R D20, D20_BF D40, D40_BF D40_DW_BF D20x - Inconvenientes

28 Reconstrucción estructural TB_wire_y TB_wire_x TB_wire_200_z A_wire_z

29 Cálculo de fonones TB_wire_y - Frecuencias positivas: estabilidad, mínimo local. - Posibilidad de correlación con espectroscopías IR y Raman

30 Abs (u.a.) Simulación: Theory Experimental (nm)

31 Abs. (u.a.) Simulación: UV-VIS A

32 Otros Sistemas: Ricardo Faccio, Helena Pardo, Álvaro W. Mombrú, (enviado 2012)

33 Otro ejemplo: Grafito Magnético

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37 A. W. Mombrú, H. Pardo, R. Faccio, et al., Phys. Rev. B 71, (R), (2005). H. Pardo, R. Faccio, F. M. Araújo-Moreira, O. F. de Lima, and A. W. Mombrú, Carbon 44, 565 (2006). R. Faccio, H. Pardo, P. A. Denis, F. M. Araújo-Moreira, A. W. Mombrú, Phys. Rev. B 77 (3), (2008). R. Faccio et al., J. Phys.: Cond. Matt. 21, (2009). R. Faccio, R., Fernández-Werner, L., Pardo, H., Goyenola, C., Mombrú, A.W. J. Phys. Chem. C 114 (44), pp (2011). Kaloni, T.P., Cheng, Y.C., Faccio, R., Schwingenschlögl, U., Journal of Material Chemistry 21 (45), pp (2011).

38 Muchas Gracias!!

39 Integrantes Prof. Dr. Álvaro W. Mombrú Dra. Helena Pardo Dr. Leopoldo Suescun Ing. Quím. Luciana Fernández Qco. Mariano Romero Lic. Sebastian Piriz Bachiller Magdalena Irazoqui Dr. Ricardo Faccio