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Nanotecnologia por um Futuro Mais Brilhante e Mais Sustentável

pelo Professor Javier García-Martínez

Professor Javier García-Martínez, Elena Serrano e Guillermo Rusb, Laboratório Molecular da Nanotecnologia, DPT da Química Inorgánica, Universidade de Alicante, Alicante, Espanha. bDPT. Mecânicos Estruturais, Universidade de Granada, Granada, Espanha.
Autor Correspondente: j.garcia@ua.es

A Nanotecnologia, com seu controle inaudito sobre a estrutura dos materiais, pode fornecer-nos os materiais superiores que destravarão o potencial tremendo de muitas tecnologias energéticas actualmente na fase da descoberta. A procura para umas tecnologias energéticas mais sustentáveis é não somente um esforço científico que possa inspirar uma geração inteira de cientistas, mas a melhor maneira estabelecer uma economia nova baseada na inovação, em melhores trabalhos pagos, e em cuidado para o ambiente1,2.

Energia Solar: Nanotecnologia Para Capturar a Energia do Sun

De acordo com as Estatísticas de Energia do IEA3, a energia renovável esclarecida em torno de 13,1% da parte do combustível da energia preliminar total do abastecimento de energia do mundo em 2004, onde a tecnologia fotovoltaico representou o somente o 0,04%. Assim mesmo se a energia solar é livre e abundante, nós somos ainda longe de um sistema energético baseado nesta tecnologia.

Além Disso, a Probabilidade de Energias Mundiais apresentada Encenação da Política Alternativa em 20064 previu um aumento do photovoltaics de um ano de ao redor 60 vezes desde 2004 até 2030. De facto, a evolução da tecnologia fotovoltaico provocou que seu preço caiu para baixo a um décima nos últimos 20 anos (de 2,00 $/kWh em 1980 a 0.20-0.30 $/kWh em 2003). Os estudos do Independente sugerem que os custos continuem a cair e que é plausível prever custos de ao redor 0,06 $/kWh em 2020.

A aplicação da nanotecnologia em pilhas do PICOVOLT já está produzindo algumas vantagens significativas para aumentar a eficiência/relação custada usando materiais com bandgaps diferentes, isto é, multilayers de materiais ultra-finos do nanocrystalline, tinturas novas ou pontos do quantum, entre outros. Por exemplo, a capacidade para controlar o bandgap da energia fornece a flexibilidade e a permutabilidade. Também, os materiais nanostructured aumentam o trajecto óptico eficaz e diminuem significativamente a probabilidade da recombinação da carga. Os dispositivos bons do Quantum tais como pontos do quantum e fios do quantum, assim como dispositivos que incorporam nanotubes do carbono, estão sendo estudados para aplicações do espaço com uma eficiência potencial até 45%.

Os pontos do quantum de Nanocrystal (NQDs)5 são partículas monocristalinas da nanômetro-escala dos semicondutores. Devido ao efeito do confinamento do quantum, seus comprimentos de onda da absorção de luz e da emissão podem ser controlados costurando o tamanho de NQDs. Hoje Em Dia, as células solares convencionais são construídas na maior parte no silicone (Figura 1). Porque o custo alto do silicone da Picovolt-categoria, esta tecnologia não é likeky ser esse para derrubar o custo da electricidade gerada solar below1 $/kWh. Ao contrário, como exemplo de seu futuro atractivo como umas células solares mais eficientes, os pontos análogos do quantum do nanocrystalline têm perto da eficiência de 40%.

Figura 1. Evolução da tecnologia do PICOVOLT: de convencional (células solares silicone-baseadas) às células solares nanostructured (células solares quantum-baseadas e tintura-sensibilizadas)1

O uso de materiais do nanocrystalline em pilhas multicamadas de fita fina igualmente ajuda a conseguir uma estrutura cristalina regular, que aumente mais a eficiência de conversão da energia. Um exemplo de camadas nanostructured em células solares de fita fina foi relatado recentemente por Singh e outros6 Nanocrystalline CdTe e os filmes dos Cd (em carcaças de vidro ITO-revestidas do óxido do estanho do índio) foram sintetizados como o n-tipo potencial camadas do indicador em células solares de fita fina de CdTe da junção do homo do p-n (hetero). Nanocrystals de CdTe de ao redor 12 nanômetro na exibição do diâmetro uma diferença de faixa eficaz do eV 2,8, uma SHIFT azul óbvia do eV 1,5 de CdTe maioria (Figura 2).

Figura 2. Exemplo dos nanomaterials para a fabricação das pilhas fotovoltaicos. Parte Esquerda: Imagem de FE-SEM de um filme de CdTe do nanocrystalline em carcaça de vidro ITO-revestida. Inserir mostra o espectro de absorção de um filme de CdTe do nanocrystalline em carcaça de vidro ITO-revestida. Parte Direita: Configuração de Dispositivo de um Glass/ITO/n-Nano-CdTe/p-bulk CdTe/célula solar da grafite. Adaptado com autorização de ref.6. Copyright 2004, Elsevier

Uma Outra alternativa oferecida pela nanotecnologia às células solares silicone-baseadas convencionais é o uso de células solares tintura-sensibilizadas. as células solares photoelectrochemical Tintura-Sensibilizadas (PES ou pilhas de Grätzel) representam uma classe relativamente nova das células solares de fita fina baratas7. TiO Nano-Estruturado2, o CEO2, os Cd e CsTe são de grandes interesses como o windowing e as camadas absorventes claras8,9. Estes tintura-sensibilizaram as células solares nanostructured, que compreendem dispositivos tais como células solares nanocrystal, pilhas photoelectrochemical e células solares do polímero, estão sendo estudadas para aplicações terrestres e representam a terceira geração de photovoltaics.

Os últimos avanços na tecnologia fotovoltaico são baseados na preparação dos nanocomposites baseados na mistura de nanoparticles com polímeros condutores ou os óxidos de metal mesoporous com as áreas de superfície altas que aumentam assim reflexões internas e, conseqüentemente, tendo uma única camada do multispectrum.

Nanomaterials Avançados para o Armazenamento de Energia Rápido e Eficiente

Muitas das alternativas da energia limpa produzem (por exemplo células solares, vento do PICOVOLT) ou exigem (por exemplo produção, água do hidrogênio rachando) a electricidade. Conseqüentemente, mais novela e maneira eficaz armazenar a electricidade são necessários. Os sistemas do armazenamento de Energia incluem baterias, e entre elas as baterias do Li-Íon estão especialmente atractivas porque conduzem a um aumento de 100-150% na capacidade de armazenamento da energia pelo peso de unidade e do volume em comparação às baterias aquosas mais tradicionais. Não Obstante, algumas desvantagens elevaram, relacionaram-se à baixa energia e densidade de potência, mudança de grande volume na reacção, segurança e custos.

A Nanotecnologia já está produzindo algumas soluções muito específicas ao campo de baterias recarregáveis. A condutibilidade do Eletrólito aumenta até seis vezes introduzindo nanoparticles da alumina, do silicone ou do zircónio aos eletrólitos líquidos não-aquosos. A Maioria de esforços foram focalizados em eletrólitos de circuito integrado, eletrólitos contínuos do polímero (SPE).

Poli (óxido de etileno) - o SPE (PEO-baseado) receberam a maioria de atenção desde que PEO é seguro, verde baseados e conduzem-na aos filmes flexíveis. Não Obstante, os polímeros têm geralmente a baixa condutibilidade na temperatura ambiente e, segundo composições do SPE, suas actividade e estabilidade mecânica interfacial não são altamente bastante.

Neste sentido, os eletrólitos do polímero do nanocomposite podiam ajudar na fabricação de baterias altamente eficientes, seguras e verdes. Por exemplo, a introdução de nanomaterials cerâmicos como separadores em eletrólitos do polímero aumenta a condutibilidade elétrica destes materiais na temperatura ambiente de 10 a 100 vezes comparadas com o sistema undispersed correspondente do SPE. TiO2, os AlO23 e SiO2 e S-ZrO2 (zircônia sulfato-promovida do superacid) foram usados com esta finalidade e resultados revelam que a introdução de S-ZrO2 conduziu ao melhor desempenho6.

Outras Oportunidades por um Futuro Mais Brilhante

Há muitos outros exemplos do uso da nanotecnologia fazer a produção energética, o armazenamento e o uso mais eficientes, como o uso dos eléctrodos nanostructured nos supercapacitors10, de catalizadores porosos hierárquicos novos para produto químico avançado que processa ou dos eléctrodos catalíticos nanostructured para aplicações da célula combustível. Por exemplo, os materiais de carbono nanostructured com estruturas diferentes foram sintetizados em nosso laboratório através dos nanofoams de obtenção templating supramoleculares do cabon com área de superfície alta e boa condutibilidade elétrica, produto químico, mecânicos excelentes, e estabilidades térmicas (Figura 3)10.

A Figura 3. materiais de carbono de Nanostructured com estruturas diferentes preparou-se através de templating supramolecular e de imagem de TEM para filmes finos nanostructured do carbono. Adaptado com autorização da referência. 10. Copyright 2008, Wiley Interscience.

Estes materiais foram testados pelo voltammetry cíclico como os eléctrodos do supercapacitor e estes materiais exibem capacidades específicas sobre 120 F A/g ou 100 F A/cm3, densidades do pó de 10 quilowatts A/kg e densidades de energia de 10 Wh A/kg. Mas há muitas outras oportunidades, como nanocomposites claros para mais transporte eficiente da energia, o uso dos nanomaterials na construção e os adsorventes nanoporous para o CO2 capturam11.

O controle inaudito da Nanotecnologia sobre o tamanho, a estrutura, e a organização da matéria está fornecendo exemplos muito reais de como os melhores materiais estão contribuindo ao bem estar de gerações presentes e futuras provando maneiras alternativas do líquido de limpeza de produzir e usar a energia.


Referências

1. J. García Marti'nez, Ed. “Nanotecnologia para o Desafio da Energia”, Wiley-VCH, Weinheim, 2010.
2. Serrano E., Rus G., García-Marti'nez J. “Nanotecnologia para a energia sustentável”, Renova. Sust. Rev. da Energia, 13(9), 2373-84, 2009.
3. “Energias Renováveis no abastecimento de energia global: uma folha de factos do IEA”, IEA/OECD. 2007.
4. Probabilidade de Energias Mundiais 2006, OECD/IEA 2006.
5. Criador de gado M., “dispositivos Luminescentes: Dos nano-sistemas óticos Natureza Mater às luzes de rua”. 3 (7), 423-4, 2004.
6. Singh R.S., Rangari V.K., Sanagapalli S., Jayaraman V., Mahendra S., Singh V.P., “Nano-Estruturou CdTe, Cd e TiO2 para Solenóide das aplicações da célula solar do filme fino”. Solenóide da Energia. Pilhas 82, 315-33, 2004.
7. O'Regan B., Grätzel M., “Uma célula solar barata, de grande eficacia baseada em TiO2 coloidal tintura-sensibilizado filma” a Natureza 353, 737-40, 1991.
8. Corma A., Atienzar P., García H., e outros “CeO2 lubrificado Hieràrquica mesostructured com potencial para o uso da célula solar”, Natureza Mater. 3, 394-7 (2004).
9. Singh V.P., Singh R.S., Thompson G.W., Jayaraman V., Sanagapalli S., Rangari V.K., “Características dos filmes dos Cd do nanocrystalline fabricados por métodos sonochemical, da microonda e da solução do crescimento para Solenóide das aplicações da célula solar”. Energia Mater. Solenóide. Pilhas 81(3), 293-303, 2004.
10. García-Marti'nez J, Lancaster TM, Ying JY, “Síntese e aplicações catalíticas de nanofoams auto-montados do carbono”, Adv. Mater. 20(2), 288-92, 2008.
11. Willis R.R., Benin A., Snurr R.Q., Yazaydin O., “Nanotecnologia para a Captação do Dióxido de Carbono, na Nanotecnologia para o Desafio da Energia”, na Nanotecnologia para o Desafio da Energia, Ed. J. García Marti'nez, Wiley-VCH (2010).

Copyright AZoNano.com, Professor Javier García-Martínez, (Universidade de Alicante)

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

Last Update: 14. June 2013 01:48

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