Presentación del Dr. Ricardo Faccio

Nanotecnología:
Energía
Dr. Ricardo Faccio
Cryssmat-Lab. DETEMA.
Facultad de Química
Centro NanoMat PTP-Pando,
Facultad de Química
Temario:
• Ejemplos Generales de aplicaciones
Nano
• Energía Solar
• Grafito Magnético
Ejemplos de aplicación de
nanomateriales
Nanopartículas
• Lubricantes secos
– Materiales duraderos
– Resistentes
– Flexibles
Ej: Empresa NanoMaterials www.apnano.com
Celdas Solares de Bajo Costo (II)
¿Qué es la energía solar?
Panel solar fotovoltaico
• Energía producida por
el sol
• Limpia y renovable
• Convertible y usable
(electricidad)
fuente: http://www1.eere.energy.gov/solar/pv_systems.html
http://thomashawk.com/hello/209/1017/1024/Staring%20at%20the%20Sun.jpg
Una energía abundante…
• Sistemas de
energía solar
instalados.
• Podrían cubrir la
demanda total del
planeta
(eficiencia 8%)
fuente: http://www.ez2c.de/ml/solar_land_area/
Demanda actual de EEUU
20 TW
FUENTE: http://energy.cr.usgs.gov/energy/stats_ctry/Stat1.html
http://www.census.gov/main/www/popclock.html
• EEUU consume
~25% de la energía
del planeta, pero solo
tiene un 4.5% de la
población mundial
• Se necesitaría una
superficie que cubra
Texas para cubrir la
demanda de EEUU
… 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: http://ebiomedia.com/prod/cyclops/images/image004.jpg
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: http://nanosense.org/activities/cleanenergy/solarcellanimation.html
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: http://www.powerhousekids.com/stellent2/groups/public/documents/pub/phk_ee_re_001505-2.gif
Celdas Solares DSSC
• Funcionamiento equivalente a las de Si
• Los electrones se arrancan del
colorante y se inyectan en TiO2,
para transportarlo fuera de la
celda
• Los “huecos” permanencen en
la tinta
• La separación hueco-electrón
genera un voltaje y corriente.
fuente: http://nanosense.org/activities/cleanenergy/solarcellanimation.html
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: http://www.imo.uhasselt.be/polytech/images/zonnecel1.jpg
Celdas solares de sensibilización espectral (Celdas solares
sensibilizadas con colorantes, DSSC)
TiO2
- Bajo costo
- Ampliamente disponible
- No tóxico
- Biocompatible
Foto-electrodo
- Conductor
- Semiconductor
- Colorante
Contraelectrodo
- Conductor
- Catalizador
Electrolito
11% estándar AM 1.5
•Grätzel M., Inorg. Chem. 2005, 44, 6841
•Faccio, R; Fernández-Werner, L.; Pardo, H.; W. Mombrú, A. Recent
Patents on Nanotechnology 2011, 5(1), 46-61.
Fase cristalina.
Cristalinidad.
Tamaño de partícula.
Estructura porosa.
Método hidrotermal
bajo presión endógena
NaOH(ac) 10M
5A
120 C <Tr<150 C
24h<tr<68h
(A, R, o A/R 50% p/p)
Cálculos teóricos
por primeros
principios
Tesis Doctoral: Ing. Luciana Fernández-Werner
Cómo se preparan las nanopartículas?
• HRTEM: nanorods de TiO2
• TEM:
-Nanotubos
• Ensamblado de Dispositivos
• Caracterización Eléctrica
P = 0.0011W,
a = 9.8cm2,
Isc = 5.5mA,
Jsc = 0.56mA/cm2,
Voc = 0.594V
FF = 33.7%
Simulaciones Computacionales
•Simular nuevos materiales:
- TiO2 (B)
•Simular comportamientos conocidos
- N719@TiO2
•Entender la dinámica de los procesos
-N719@TiO2(B)
LCAO-
• Simulación: Modelos
GGA
Eslab
NTi ETiO2
bulk
2S
Vittadini A. et al, J. Phys. Chem. C 2009, 113 (44), 18973
Fernández-Werner et al. (en preparación 2012)
Exp.
GGA mBJ
(eV)
2.2
2.1
2.7
3.0 [1]
Anatasa
2.4
2.3
3.0
3.2 [1]
TiO2(B)
3.1
3.1
3.4
3.22 [27,28]
# of
TiO2
Ti
layers
A(101)
8
A(100)
SE
SE
(J/m2)
(J/m2)
LCAO
PW
2
0.31
0.40
12
2
0.57
0.64
A(001)
5
4
0.89
0.90
R(110)
6
3
0.70
0.77
R(101)
6
3
1.09
1.14
R(100)
27
3
0.76
0.77
TB(001)
24
2
0.35
0.33
TB(100)
8
4
0.67
0.69
Slabs
ES
PW-
Rutilo
SIESTA
“ Nanohoja pentacoordinada”
PW-
Modelos unidimensionales iniciales: Nanotubos
x'
D20, D20_BF
D40, D40_BF
D40_DW_BF
D20x - Inconvenientes
R
z cos
x
R
z'
R
z sen
x
R
Reconstrucción estructural
TB_wire_y
TB_wire_x
TB_wire_200_z
A_wire_z
Cálculo de fonones
TB_wire_y
- Frecuencias positivas: estabilidad,
mínimo local.
- Posibilidad de correlación con
espectroscopías IR y Raman
• Simulación:
Abs (u.a.)
Theory
Experimental
350
400
450
500
550
600
(nm)
650
700
750
800
• Simulación:
UV-VIS
20000
Abs. (u.a.)
16000
12000
8000
4000
0
350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000
A
• Otros Sistemas:
Ricardo Faccio, Helena Pardo, Álvaro W. Mombrú, (enviado 2012)
Otro ejemplo: Grafito Magnético
A. W. Mombrú, H. Pardo, R. Faccio, et al., Phys. Rev. B 71, 100404(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), 035416 (2008).
R. Faccio et al., J. Phys.: Cond. Matt. 21, 285304 (2009).
R. Faccio, R., Fernández-Werner, L., Pardo, H., Goyenola, C., Mombrú, A.W. J. Phys. Chem. C 114 (44) , pp. 18961-18971 (2011).
Kaloni, T.P., Cheng, Y.C., Faccio, R., Schwingenschlögl, U., Journal of Material Chemistry 21 (45) , pp. 18284-18288 (2011).
Muchas Gracias!!
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