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Nanotecnología por un Futuro Más Brillante y Más Sostenible

por Profesor Javier García-Martínez

Profesor Javier García-Martínez, Elena Serrano y Guillermo Rusb, Laboratorio Molecular de la Nanotecnología, Dpt de la Química Inorgánica, Universidad de Alicante, Alicante, España. bDpt. Mecánicos Estructurales, Universidad de Granada, Granada, España.
Autor Correspondiente: j.garcia@ua.es

La Nanotecnología, con su mando sin precedente sobre la estructura de materiales, puede proveer de nosotros los materiales superiores que abrirán el enorme potencial de muchas tecnologías de energía actualmente en la fase del descubrimiento. La búsqueda para tecnologías de energía más sostenibles es no sólo un esfuerzo científico que puede inspirar una generación entera de científicos, solamente la mejor manera para establecer una nueva economía basada en la innovación, trabajos más bien pagados, y cuidado para el ambiente1,2.

Energía solar: Nanotecnología Para Capturar la Energía del Sun

Según las Estadísticas de Energía del IEA3, la energía renovable explicada alrededor de 13,1% de la parte del combustible de la energía primaria total del suministro de energía del mundo en 2004, donde la tecnología fotovoltaica representó solamente el 0,04%. Así incluso si la energía solar es libre y abundante, todavía estamos lejos de un sistema enérgico basado en esta tecnología.

Además, la actual en 2006 Perspectiva de Energía Mundial del Plan De Acción Alternativo Decorado4 ha predicho un aumento del photovoltaics del año de alrededor 60 veces a partir de 2004 a 2030. De hecho, la evolución de la tecnología fotovoltaica ha provocado que su precio ha caído hacia abajo a un décima en los 20 años pasados (a partir de 2,00 $/kWh en 1980 a 0.20-0.30 $/kWh en 2003). Los estudios de la Independiente sugieren que los costos continúen bajar y que es plausible considerar costos de alrededor 0,06 $/kWh en 2020.

La aplicación de la nanotecnología en células del PICOVOLTIO está produciendo ya algunas ventajas importantes para aumentar la eficiencia/relación de transformación costada usando los materiales con diversos bandgaps, es decir, multilayers de los materiales ultrafinos del nanocrystalline, nuevos tintes o puntos del quantum, entre otros. Por ejemplo, la capacidad de controlar el bandgap de la energía proporciona a adaptabilidad y a capacidad de intercambio. También, los materiales nanostructured aumentan el camino óptico efectivo y disminuyen importante la probabilidad de la recombinación de la carga. Quantum mana los dispositivos tales como puntos del quantum y cables del quantum, así como los dispositivos que incorporan nanotubes del carbón, se están estudiando para las aplicaciones del espacio con una eficiencia potencial hasta el 45%.

Los puntos del quantum de Nanocrystal (NQDs)5 son partículas monocristalinas de la nanómetro-escala de semiconductores. Debido al efecto del arresto del quantum, sus longitudes de onda de la absorción de la luz y de la emisión pueden ser controladas adaptando la talla de NQDs. Hoy En Día, las células solares convencionales se emplean sobre todo el silicio (Cuadro 1). Porque el alto costo de silicio del Picovoltio-grado, esta tecnología no es likeky ser el que está para derribar el costo de la electricidad generada solar below1 $/kWh. En cambio, como ejemplo de su futuro atractivo como células solares más eficientes, los puntos análogos del quantum del nanocrystalline tienen cerca de la eficiencia del 40%.

Cuadro 1. Evolución de la tecnología del PICOVOLTIO: de convencional (células solares silicio-basadas) a las células solares nanostructured (células solares quantum-basadas y tinte-sensibilizadas)1

El uso de los materiales del nanocrystalline en células de varias capas de la fino-película también ayuda a lograr una estructura cristalina regular, que aumenta más lejos la eficiencia de conversión de energía. Un ejemplo de capas nanostructured en células solares de la fino-película ha sido señalado recientemente por Singh y otros6 Nanocrystalline CdTe y las películas de los Cdes en (los substratos de cristal ITO-revestidos del óxido del estaño del indio) se han sintetizado como n-tipo potencial capas de la ventana en las células solares de CdTe de la fino-película de la unión del homo del p-n (hetero). Nanocrystals de CdTe de alrededor 12 nanómetro en la pieza de convicción del diámetro una separación de banda efectiva del eV 2,8, una rotación azul obvia del eV 1,5 de CdTe a granel (Cuadro 2).

Cuadro 2. Ejemplo de los nanomaterials para la fabricación de las células fotovoltaicas. Parte Izquierda: Imagen de FE-SEM de una película de CdTe del nanocrystalline en el substrato de cristal ITO-revestido. La inserción muestra el espectro de amortiguación de una película de CdTe del nanocrystalline en el substrato de cristal ITO-revestido. Parte Correcta: Configuración de Dispositivo de un Glass/ITO/n-Nano-CdTe/p-bulk CdTe/de la célula solar del grafito. Adaptado con permiso de ref.6. Derechos De Autor 2004, Elsevier

Otra opción ofrecida por la nanotecnología a las células solares silicio-basadas convencionales es el uso de células solares tinte-sensibilizadas. las células solares photoelectrochemical Tinte-Sensibilizadas (PES o las células de Grätzel) representan relativamente una nueva clase de las células solares de la fino-película barata7. TiO Nano-Estructurado2, el CEO2, los Cdes y CsTe están de grandes intereses como la visualización en una ventana y las capas absorbentes pálidas8,9. Éstos tinte-sensibilizaron las células solares nanostructured, que comprenden los dispositivos tales como células solares nanocrystal, células photoelectrochemical y células solares del polímero, se están estudiando para las aplicaciones terrestres y representan la tercera generación de photovoltaics.

Los avances pasados en tecnología fotovoltaica se basan en la preparación de los nanocomposites basados en la mezcla de nanoparticles con los polímeros conductores o los óxidos metálicos mesoporous con las altas superficies que aumentan así reflexiones internas y, por lo tanto, teniendo una única capa del multispectrum.

Nanomaterials Avanzados para el Almacenamiento de Energía Rápido y Eficiente

Muchas de las opciones de la energía limpia producen (e.g. las células solares, viento del PICOVOLTIO) o requieren (e.g producción, agua del hidrógeno partiendo) electricidad. Por Lo Tanto, una más novela y modo eficaz de salvar electricidad es necesarios. Los sistemas del almacenamiento de Energía incluyen las baterías, y entre ellas los Batería li-ion son especialmente atractivos porque llevan a un aumento de 100-150% en la capacidad de almacenamiento de la energía por peso de unidad y del volumen con respecto a las baterías acuosas más tradicionales. Sin Embargo, algunas desventajas se presentan, se relacionaron con la energía y densidad de potencia inferior, cambio de gran capacidad en la reacción, seguro y los costos.

La Nanotecnología está produciendo ya algunas soluciones muy específicas al campo de baterías recargables. La conductividad del Electrólito aumenta hasta seis veces introduciendo nanoparticles del alúmina, del silicio o del circonio a los electrólitos líquidos no acuosos. La Mayoría de los esfuerzos se han centrado en los electrólitos de estado sólido, electrólitos sólidos del polímero (SPE).

Polivinílico (óxido de etileno) - SPE (PEO-basado) recibieron la mayoría de la atención puesto que PEO es seguro, verde basados y llevan a las películas flexibles. Sin Embargo, los polímeros tienen generalmente conductividad inferior en la temperatura ambiente y, dependiendo de las composiciones de SPE, su actividad y estabilidad mecánica de cara a cara no están arriba bastante.

En este sentido, los electrólitos del polímero del nanocomposite podían ayudar en la fabricación de baterías muy eficientes, seguras y verdes. Por ejemplo, la introducción de nanomaterials de cerámica como separadores en electrólitos del polímero aumenta la conductividad eléctrica de estos materiales en la temperatura ambiente a partir del 10 a 100 veces comparadas con el sistema undispersed correspondiente de SPE. TiO2, los AlO23 y SiO2 y S-ZrO2 (circona sulfato-ascendida del superacid) se han utilizado con este fin y los resultados revelan que la introducción de S-ZrO2 llevó al mejor funcionamiento6.

Otras Oportunidades por un Futuro Más Brillante

Hay muchos otros ejemplos del uso de la nanotecnología de hacer la producción energética, el almacenamiento y el uso más eficientes, como el uso de electrodos nanostructured en supercapacitors10, de catalizadores porosos jerárquicos nuevos para la substancia química avanzada que tramita o de electrodos catalíticos nanostructured para las aplicaciones de la pila de combustible. Por ejemplo, los materiales de carbón nanostructured con diversas estructuras se han sintetizado en nuestro laboratorio vía nanofoams de obtención templating supramoleculares del cabon con alta superficie y buena conductividad eléctrica, substancia química, mecánicas excelentes, y las estabilidades térmicas (Cuadro 3)10.

El Cuadro 3. materiales de carbón de Nanostructured con diversas estructuras se preparó vía templating supramolecular y la imagen de TEM para las películas finas nanostructured del carbón. Adaptado con permiso de la referencia. 10. Derechos De Autor 2008, Wiley Interscience.

Estos materiales fueron probados por la voltametría cíclica como los electrodos del supercapacitor y estos materiales exhiben capacitancias específicas sobre 120 F A/g o 100 F A/cm3, las densidades del polvo de 10 kilovatios A/kg y las densidades de energía de 10 Wh A/kg. Pero hay muchas otras oportunidades, como los nanocomposites pálidos para un transporte más económico de energía, el uso de nanomaterials en la construcción y los adsorbentes nanoporous para el CO2 capturan11.

El mando sin precedente de la Nanotecnología sobre la talla, la estructura, y la organización de la materia está proporcionando a ejemplos muy tangibles de cómo mejores materiales están contribuyendo al bienestar de generaciones presentes y futuras probando maneras alternativas del producto de limpieza de discos de producir y de utilizar energía.


Referencias

1. J. García Martínez, Ed. “Nanotecnología para el Reto de la Energía”, Wiley-VCH, Weinheim, 2010.
2. Serrano E., Rus G., García-Martínez J. “Nanotecnología para la energía sostenible”, Renueva. Sust. Rev. de la Energía, 13(9), 2373-84, 2009.
3. “Energías Renovables en suministro de energía global: una hoja de hechos del IEA”, IEA/OECD. 2007.
4. Perspectiva de Energía Mundial 2006, OECD/IEA 2006.
5. Ganadero M., “dispositivos Luminescentes: De las nano-ópticas Naturaleza Mater a las luces de calle”. 3 (7), 423-4, 2004.
6. Singh R.S., Rangari V.K., Sanagapalli S., Jayaraman V., Mahendra S., Singh V.P., “Nano-Estructuró CdTe, los Cdes y TiO2 para Solenoide de las aplicaciones de la célula solar de la película fina”. Solenoide de la Energía. Células 82, 315-33, 2004.
7. O'Regan B., Grätzel M., “Una célula solar barata, de gran eficacia basada en TiO2 coloidal tinte-sensibilizado filma” la Naturaleza 353, 737-40, 1991.
8. Corma A., Atienzar P., García H., y otros “CeO2 dopado Jerárquico mesostructured con el potencial para el uso de célula solar”, Naturaleza Mater. 3, 394-7 (2004).
9. Singh V.P., Singh R.S., Thompson G.W., Jayaraman V., Sanagapalli S., Rangari V.K., “Características de las películas de los Cdes del nanocrystalline fabricadas por los métodos sonochemical, de la microonda y de la solución del incremento para Solenoide de las aplicaciones de la célula solar”. Energía Mater. Solenoide. Células 81(3), 293-303, 2004.
10. García-Martínez J, Lancaster TM, Ying JY, “Síntesis y aplicaciones catalíticas de los nanofoams uno mismo-ensamblados del carbón”, Adv. Mater. 20(2), 288-92, 2008.
11. Willis R.R., Benin A., Snurr R.Q., Yazaydin O., “Nanotecnología para la Captura del Dióxido de Carbono, en Nanotecnología para el Reto de la Energía”, en Nanotecnología para el Reto de la Energía, Ed. J. García Martínez, Wiley-VCH (2010).

Derechos De Autor AZoNano.com, Profesor Javier García-Martínez, (Universidad de Alicante)

Date Added: Jun 7, 2010 | Updated: Jun 11, 2013

Last Update: 14. June 2013 01:55

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