Nanotechnologie voor een Rooskleurigere en Duurzamere Toekomst

door Professor Javier Garcia-Martínez

Professor Javier Garcia-Martínez, Elena Serrano en Guillermo Rusb, het Moleculaire Laboratorium van de Nanotechnologie, Anorganische Dpt van de Chemie, Universiteit van Alicante, Alicante, Spanje. bDpt. Structurele Werktuigkundigen, Universiteit van Granada, Granada, Spanje.
Overeenkomstige auteur: j.garcia@ua.es

De Nanotechnologie, met een zijn ongekende controle over de structuur van materialen, kan ons van superieure materialen voorzien die momenteel enorm potentieel van vele technologieën op energiegebied bij de ontdekkingsfase zullen openen. De zoektocht naar meer duurzame technologieën op energiegebied is niet alleen een wetenschappelijke inspanning die een gehele generatie van wetenschappers, maar de beste manier om een nieuwe die economie te vestigen bij de innovatie wordt gebaseerd, betere betaalde banen, en zorg voor het milieu kan inspireren1,2.

Zonne-energie: Nanotechnologie om de Energie van de Zon Te Vangen

Volgens de Statistieken van de IEA- Energie3, de vernieuwbare die energie rond 13.1% van het brandstofaandeel wordt vertegenwoordigd van totale primaire de energievoorzieningsenergie van de wereld in 2004, waar photovoltaic technologie slechts 0.04% vertegenwoordigde. Aldus zelfs als de zonne-energie vrij en overvloedig is, zijn wij nog veel weg van een energiek die systeem op deze technologie wordt gebaseerd.

Bovendien, het Alternatieve die Scenario van het Beleid in de Vooruitzichten van de Energie van de Wereld van 20064 wordt voorgesteld heeft een verhoging van photovoltaics van rond 60 keer vanaf 2004 tot het jaar van 2030 voorspeld. In feite, heeft de evolutie van photovoltaic technologie veroorzaakt dat zijn prijs neer aan een tiende in de laatste 20 jaar is gedaald (van 2.00 $/kWh in 1980 tot 0.20-0.30 $/kWh in 2003). De Onafhankelijke studies suggereren dat de kosten zullen blijven vallen en dat het aannemelijk is om kosten van rond 0.06 $/kWh tegen 2020 te overwegen.

De toepassing van nanotechnologie in PV cellen veroorzaakt reeds sommige significante voordelen om de efficiency/gekoste te verhogen verhouding door materialen met verschillende bandgaps, d.w.z., multilayers van uiterst dunne nanocrystallinematerialen, nieuwe kleurstoffen of quantumpunten, onder anderen te gebruiken. Bijvoorbeeld, verstrekt de capaciteit om de energie te controleren bandgap flexibiliteit en uitwisselbaarheid. Ook, nanostructured materialen verbeteren de efficiënte optische weg en beduidend verminderen de waarschijnlijkheid van lastennieuwe combinatie. De Quantum goed apparaten zoals quantumpunten en quantumdraden, evenals de apparaten die koolstof opnemen nanotubes, worden bestudeerd voor ruimtetoepassingen met een potentiële efficiency tot 45%.

Zijn de quantumpunten (NQDs)5 van Nanocrystal nanometer-schaal enige kristallijne deeltjes halfgeleiders. wegens het quantumbeperkingseffect, hun lichtabsorptie en emissie kunnen golflengten worden gecontroleerd door de grootte van NQDs te maken. Tegenwoordig, worden de conventionele zonnecellen meestal voortgebouwd op silicium (Figuur 1). Omdat de hoge kosten van PV-Rang silicium, deze technologie niet likeky om zijn te zijn om de kosten van zonne geproduceerde elektriciteit below1 $/kWh neer te halen. In tegenstelling, als voorbeeld van hun aantrekkelijke toekomst als efficiëntere zonnecellen, hebben de analoge nanocrystalline quantumpunten bijna 40% efficiency.

Figuur 1. Evolutie van PV technologie: van conventioneel (op silicium-gebaseerde zonnecellen) aan nanostructured quantum-gebaseerd en kleurstof-gevoelig gemaakte zonnecellen (zonnecellen)1

Het gebruik van nanocrystallinematerialen in thin-film multilayered cellenhulp bereikt ook een regelmatige kristallijne structuur, die verder de efficiency van de energieomzetting verbetert. Een voorbeeld van nanostructured lagen in thin-film zonnecellen onlangs is gerapporteerd door Singh et al.6 Nanocrystalline CdTe en CdS de films op ITO-Met een laag bedekte glas (het oxyde van het indiumtin) zijn substraten samengesteld als potentiële n-type vensterlagen in thin-film zonnecellen CdTe p-n van de homo (hetero) verbinding. Nanocrystals van CdTe van rond 12 NM in diameter stellen een efficiënt bandhiaat van 2.8 eV, een duidelijke blauwe verschuiving van eV 1.5 van bulkCdTe (Figuur 2) tentoon.

Figuur 2. Voorbeeld van nanomaterials voor photovoltaic cellenvervaardiging. Linker deel: FE-SEM beeld van een film van nanocrystallineCdTe op ITO-Met een laag bedekt glassubstraat. Het bijvoegsel toont het absorptiespectrum van een film van nanocrystallineCdTe op ITO-Met een laag bedekt glassubstraat. Juist deel: De configuratie van het Apparaat van een glass/ITO/n-Nano-CdTe/p-BulkCdTe/een grafietzonnecel. Aangepast met toestemming van ref.6. Copyright 2004, Elsevier

Een Ander die alternatief door nanotechnologie aan conventionele op silicium-gebaseerde zonnecellen wordt geboden is het gebruik van kleurstof-gevoelig gemaakte zonnecellen. De kleurstof-Gevoelig Gemaakte photoelectrochemical zonnecellen (PES of cellen Grätzel) vertegenwoordigen een vrij nieuwe klasse van goedkope thin-film zonnecellen7. Nano-Gestructureerde TiO2, CeO2, CdS en CsTe zijn van duidelijke belangstelling als windowing en lichte absorberende lagen8,9. Kleurstof-gevoelig gemaakt Deze nanostructured zonnecellen, die bestaan uit apparaten zoals nanocrystal zonnecellen, photoelectrochemical cellen en polymeerzonnecellen, voor aardse toepassingen bestudeerd en de derde generatie van photovoltaics vertegenwoordigen.

De laatste vooruitgang in photovoltaic technologie is gebaseerd die op de voorbereiding van nanocomposites op de mengeling van nanoparticles met geleidende polymeren of mesoporous metaaloxides met hoge oppervlakten wordt gebaseerd die zo interne discussies verhogen en, bijgevolg, één enkele multispectrumlaag hebben.

Geavanceerde Nanomaterials voor de Snelle en Efficiënte Opslag van de Energie

Veel van de schone energiealternatieven veroorzaken (b.v. PV zonnecellen, wind) of vereisen (b.v. waterstofproductie, water die verdelen) elektriciteit. Daarom is een nieuwere en efficiënte manier om elektriciteit op te slaan nodig. De de opslagsystemen van de Energie omvatten batterijen, en onder hen is Li batterijen speciaal aantrekkelijk omdat zij tot een verhoging van 100-150% op opslagvermogen van energie per eenheidsgewicht en volume vergeleken met de traditionelere waterige batterijen leiden. Niettemin, doen sommige nadelen zich voor, verwant met lage energie en machtsdichtheid, grote volumeverandering bij de reactie, veiligheid en kosten.

De Nanotechnologie veroorzaakt reeds sommige zeer specifieke oplossingen aan het gebied van navulbare batterijen. Het geleidingsvermogen van de Elektrolyt stijgt tot zes keer door nanoparticles van alumina, silicium of zirconium aan niet-waterachtige vloeibare elektrolyten te introduceren. De Meeste inspanningen zijn geconcentreerd op elektrolyten in vaste toestand, stevige polymeerelektrolyten (SPE).

Poly (ethyleenoxyde) - gebaseerd (op PEO-Gebaseerd) SPE kreeg de meeste aandacht aangezien PEO veilig is, groen en leidt tot flexibele films. Niettemin, hebben de polymeren gewoonlijk laag geleidingsvermogen bij kamertemperatuur en, afhankelijk van de samenstellingen van SPE, hun activiteit tussen twee raakvlakken en mechanische stabiliteit zijn niet hoog genoeg.

In deze betekenis, nanocomposite konden de polymeerelektrolyten in de vervaardiging van hoogst efficiënte, veilige en groene batterijen helpen. Bijvoorbeeld, undispersed de introductie van ceramische nanomaterials aangezien de separators in polymeerelektrolyten het elektrogeleidingsvermogen van deze materialen bij kamertemperatuur van 10 tot 100 keer vergelijkbaar geweest met het corresponderen verhoogt het systeem van SPE. TiO2, AlO23 en SiO2 en s-ZrO2 (sulfaat-bevorderd superacid zirconiumdioxyde) zijn met deze bedoeling gebruikt en de resultaten openbaren dat de introductie van s-ZrO2 tot de beste prestaties leidde6.

Andere Kansen voor een Rooskleurigere Toekomst

Er zijn veel andere voorbeelden van het gebruik van nanotechnologie om energieproductie, opslag te maken en gebruikt efficiënter, als het gebruik van nanostructured elektroden in supercapacitors10, nieuwe hiërarchische poreuze katalysators voor geavanceerde chemische verwerking of nanostructured katalytische elektroden voor de toepassingen van de brandstofcel. Bijvoorbeeld, nanostructured koolstofmaterialen met verschillende structuren is samengesteld in ons laboratorium via het supramolecular templating verkrijgend cabon nanofoams met hoge oppervlakte en goed elektrogeleidingsvermogen, uitstekende chemische, mechanische, en thermische stabiliteit (Figuur 3)10.

Figuur 3. De de koolstofmaterialen van Nanostructured met verschillende die structuren via het supramolecular templating en beeld TEM worden voorbereid voor nanostructured koolstof dunne films. Aangepast met toestemming van ref. 10. Copyright 2008, Wiley Interscience.

Deze materialen werden getest door cyclische voltametrie als supercapacitorelektroden en deze materialen stellen specifieke capacitieve weerstand meer dan 120 F A/g of 100 F A/cm3, poederdichtheid van 10 kW A/kg en energiedichtheid van tentoon 10 Wh A/kg. Maar er zijn veel andere kansen, zoals licht nanocomposites voor meer energie efficiënt vervoer, vangen het gebruik van nanomaterials in bouw en de nanoporous adsorbentia voor2 CO11.

Verstrekt een ongekende controle van de Nanotechnologie over de grootte, de structuur, en de organisatie van kwestie zeer tastbare voorbeelden van hoe de betere materialen tot het welzijn van huidige en toekomstige generaties door test alternatieve schonere manieren bijdragen om energie te veroorzaken en te gebruiken.


Verwijzingen

1. J. Garcia Martinez, ED. „Nanotechnologie voor de Uitdaging van de Energie“, Wiley-VCH, Weinheim, 2010.
2. Serrano E., Rus G., Garcia-Martinez J. „Nanotechnologie voor duurzame energie“, Vernieuwt. Sust. Toer van de Energie, 13(9), 2373-84, 2009.
3. „Renewables in globale energievoorziening: een IEA- feitenblad“, IEA/OECD. 2007.
4. De Vooruitzichten van de Energie van de Wereld 2006, OECD/IEA 2006.
5. Stockman M., „Lichtgevende apparaten: Van nano-optica aan straatlantaarns“ Aard Mater. 3 (7), 423-4, 2004.
6. Singh R.S., Rangari V.K., Sanagapalli S., Jayaraman V., Mahendra S., Singh V.P., „nano-Gestructureerde CdTe, CdS en TiO2 voor de toepassingen van de dunne filmzonnecel“ Sol. De Sol van de Energie. Cellen 82, 315-33, 2004.
7. O'Regan B., Grätzel M., een „goedkope, high-efficiency zonnecel baseerde op kleurstof-gevoelig gemaakte colloïdale TiO2 films“ Aard 353, 737-40, 1991.
8. Corma A., Atienzar P., Garcia H., et al. „Mesostructured Hiërarchisch gesmeerde CeO2 met potentieel voor zonnecel gebruik“, Aard Mater. 3, 394-7 (2004).
9. Singh V.P., Singh R.S., Thompson G.W., Jayaraman V., Sanagapalli S., Rangari V.K., „Kenmerken van nanocrystallineCdS films door sonochemical de methodes voor zonneceltoepassingen“ worden vervaardigd Sol die, van de microgolf en oplossingsgroei. Energie Mater. Sol. Cellen 81(3), 293-303, 2004.
10. Garcia-Martinez J, Lancaster TM, Ying JY, „Synthese en katalytische toepassingen van zelf-geassembleerde koolstof nanofoams“, Adv. Mater. 20(2), 288-92, 2008.
11. Willis R.R., Benin A., Snurr R.Q., Yazaydin O., „Nanotechnologie voor Kooldioxide Vangt, in Nanotechnologie voor de Uitdaging van de Energie“, in Nanotechnologie voor de Uitdaging van de Energie, ED. J. Garcia Martinez, Wiley-VCH (2010).

Copyright AZoNano.com, Professor Javier Garcia-Martínez, (Universiteit van Alicante)

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

Last Update: 14. June 2013 01:16

Tell Us What You Think

Do you have a review, update or anything you would like to add to this article?

Leave your feedback
Submit