Titlul întreg al proiectului

CAPITOLUL 3: Aplicaţii pentru mediu şi energie

Nanotehnologiile oferă capacitatea de a controla materia la nivel de scară nanometrică pentru a crea materiale cu proprietăţi specifice, care pot servi funcţii specifice. Acest lucru este deosebit de util în aplicaţii de mediu şi energie datoriă materialelor cu proprietăţi adaptate care pot fi fabricate pentru a îmbunătăţi performanţa de conversie şi de stocare a energiei (panouri solare, celule de combustibil), baterii, eficienţa luminii, senzori de mediu şi multe altele.

CONVERSIA ŞI STOCAREA ENERGIEI SOLARE

S
Figura 8: Există deja variate panouri solare care utilizează nanotehnologia. Imagine: DyeSol
ocietatea noastră tehnologică depinde în mare măsură de combustibili fosili pentru a genera electricitatea de care avem nevoie. Acest lucru se va schimba în viitor, deoarece resursele de combustibili fosili sunt limitate, iar nivelurile ridicate de dioxid de carbon provenite din arderea combustibililor fosili afectează în mod negativ mediul nostru aducând schimbări climatice la nivel mondial. Problema nu este de a găsi alte surse de energie care pot produce cantitatea de energie de care avem nevoie, sursă pe care o avem deja, cum ar fi soarele; problema este găsirea unor modalitati eficiente de colectare, de conversie şi stocare a acestei energii într-un mod rentabil. Nanotehnologia va avea probabil cea mai mare importanţă în rezolvarea acestor provocări energetice. În domeniul energiei solare nanomaterialele pot creşte gradul de absorbţie al celulelor solare fotovoltaice convenţionale (PVs), de exemplu: utilizarea de "semiconductori sensitivi". Un exemplu fiind sensibilitatea la culoare a celulelor confecţionate dintr-un TiO2 mezoporos modificat cu molecule complexe de colorare (cunoscute de asemenea ca celulele Gräztel). Aceste molecule se comportă ca o antenă (mimand rolul de clorofilă în fotosinteza naturală, cum ar fi o "frunza artificială"), ceea ce înseamnă că mai multă lumină de o anumită culoare poate fi capturată, dar, de asemenea, că o gamă mai largă de culori de lumină pot fi absorbite în comparaţie cu TiO2 pur. Rezultatul este o creştere a eficienţei energetice a celulei PV. Natura foarte poroasă a oxidului dispune de o suprafaţă internă enormă, ​​reducând astfel cea necesară în celulă. Aceste celule sunt extrem de promiţătoare, deoarece acestea sunt realizate din materiale ieftine şi nu au nevoie de aparate elaborate pentru a fi fabricate. Există deja diverse panouri solare comerciale care utilizează această tehnologie (Figura 8).

"Antena" poate fi făcută din puncte cuantice (celule solare cu puncte cuantice sau QDSSCs). În general, QDs oferă mai multe avantaje în comparaţie cu coloranţii organici precum ar fi cei aflaţi într-o celulă Grätzel: oferă abilitatea de a se potrivi mai bine cu spectrul solar, deoarece spectrul lor de absorbţie poate fi reglat prin dimensiunea particulelor. De asemenea, s-a constatat că nanoparticulele PbSe produc cel puţin de două ori mai mulţi electroni în comparaţie cu semiconductorii convenţionali, un proces cunoscut sub numele de "multiplicare transport". În teorie, punctele cuantice ar putea stimula eficienţa celulelor solare de azi de la 20 - 30% la 65%.

Nanomaterialele sunt, de asemenea, studiate pentru a găsi modalităţi de a converti eficient energia termică în energie electrică, care ar putea permite producerea de celule termo-fotovoltaice eficiente.

SOCIETATEA PE HIDROGEN

Un alt tip de energie"verde" alternativă este aşa-numita societate pe bază de hidrogen, în cazul în care hidrogenul este folosit ca un transportator de energie. Există trei niveluri de probleme asociate cu această energie alternativă: extragerea hidrogenului, depozitarea şi transformarea lui în energie electrică. Deşi hidrogenul este abundent în natură, acesta nu este disponibil liber şi trebuie să fie extras dintr-o sursă, precum ar fi hidrocarburile (de exemplu, metan), care produce CO2 la extracţie sau din apă. Extracţia de hidrogen din apă este lucrul cel mai de dorit şi, în principiu, apa poate fi împărţită în hidrogen şi oxigen în trei moduri: prin electroliză, prin catalizare chimică şi prin utilizarea luminii soarelui. Deşi lumina soarelui ar fi calea cea mai ecologică, cum s-a discutat anterior, există probleme legate de conversia eficientă şi accesibilă prin energie solară. Extracţia chimică a hidrogenului din apă necesită catalizatori extrem de eficienţi. Nanomaterialele care au proprietăţi catalitice excepționale, cel mai probabil, vor juca un rol crucial în acest sector, în special pentru industria de automobile.

A

Figura 9: Ansamblu membrană electrod din nanotuburi de carbon aliniate pentru aplicaţii cu celule de combustibil. (Imagine: Laboratorul Naţional Argonne, Creative Commons Share Alike 3.0).
doua problemă asociată cu hidrogenul este cea de stocare. Având în vedere acelaşi volum, energia produsă pe bază de hidrogen este de aproximativ de zece ori mai mică decât cea de la benzina convenţională. Acest lucru, împreună cu faptul că hidrogenul este un gaz, înseamnă că vor fi necesare rezervoare mari pentru depozitarea acestuia. Alternativa este să fie comprimat intr-un lichid şi stocat în rezervoare grele şi groase, lucru care este de nedorit, de exemplu, în industria de automobile. Lucrul dorit este de a stoca hidrogenul în suporturi mai mici şi solide şi în care acesta să fie prins. Hidrogenul "prins" poate fi apoi eliberat termic în celula de combustibil atunci când este necesar. Nanomateriale noi care în mod ideal pot fi utilizate pentru a stoca cantităţi mari de hidrogen, în volume mici sunt in curs de sintetizare. Există două materiale candidat: hidrurile metalice complexe care au o aderenţă intermediară de hidrogen şi materialele nanostructurate pe bază de carbon, cum ar fi nanotuburile de carbon.

A treia provocare pentru societatea pe bază de hidrogen este conversia eficientă a hidrogenului în energie electrică. Astăzi, celulele combustibil care folosesc hidrogen şi oxigen pentru a produce energie electrică prin eliberare de apă pură ca subprodus sunt costisitoare şi au o eficienţă limitată. Nanomaterialele permit celulelor de combustie cu hidrogen să fie mai eficiente şi rentabile. Proprietăţile fizice reglabile, nanostructura şi suprafaţa activă a acestora poate îmbunătăţi electrolitul celulei, să crească activitatea catalizatorului pilelor de combustie şi reduce cantitatea de catalizator utilizat (mai ales platină). În cele din urmă aceste progrese au potenţialul de a oferi mai ieftin celule combustibil mai eficiente, permiţând hidrogenului să devină un sistem viabil de transport de energie alternativă şi nu în ultimul rând pentru automobile şi alte aplicaţii mobile.

BATERIILE

Dezvoltarea în domeniul de stocare a energiei este de asemenea necesară pentru fabricarea de baterii mici, uşoare, reîncărcabile pentru a porni dispozitivele electronice personale. Nanomateriale noi pot fi în măsură să crească capacitatea, puterea şi rata de încărcare a bateriilor cu litiu actuale, îmbunătăţind în acelaşi timp durata de viaţă şi siguranţa atât pentru utilizator, cât şi pentru mediul înconjurător. De exemplu, una din problemele critice ale bateriilor cu litiu este capacitatea lor energetică: pentru ioni si electroni pentru a se deplasa rapid în şi din materialul activ (grafit), permiţând încărcarea şi descărcarea rapidă, materialul trebuie să fie un film subţire. Nanomaterialele oferă o suprafaţă mai mare, având în vedere acelaşi volum de materiale şi prin urmare poate îmbunătăţi capacitatea bateriei. O altă problemă este durata de viață a bateriei: în bateriile actuale, de fiecare dată când intră Li + / iese electrodul de grafit, porii electrodului trebuind să se extindă sau să se micşoreze. Această expansiune repetată în cele din urmă distruge grafitul reducând performanţa bateriei. Materiale compozite nanocristaline şi nanotuburile pot fi folosite pentru a înlocui grafitul convenţional sau electrodul Li-grafit. Acestea pot fi fabricate pentru a avea golurile de aceeaşi dimensiune ca şi ionii de litiu pentru a se potrivi. Acest lucru permite împachetarea a mai mult material activ într-un electrod, crescând capacitatea de energie. În viitor, nanotehnologia va permite trecerea de la straturile netede ale materialelor pentru electrozi la electrozi pozitivi şi negativi care se întrepătrund (nano-arhitectură 3D), care ar putea îmbunătăţi mobilitatea ionilor si electronilor crescând astfel puterea bateriei. Nanomaterialele care sunt în studiu includ: nano fire de siliciu, nanotuburi de carbon şi de grafen.

ECONOMIA DE ENERGIE

"Rezolvarea" provocărilor viitorului energetic al societăţii noastre impune dezvoltarea nu numai în domeniul de conversie a energiei şi de stocare, dar, de asemenea, de economisire a energiei având în vedere câtă energie este irosită folosind lumini incandescente convenţionale sau în transportul energiei de la locul de producţie la utilizatorul final. În acest domeniu, nanotehnologia permite dezvoltarea de straturi de acoperire inteligente, de exemplu prin întunecarea ferestrelor conform cantităţii de lumina aflată în exterior. Aceste straturi de acoperire reduc căldura solară nedorită în timpul verii pentru a reduce timpul de folosire al aerului condiţionat, fapt care duce la economii de energie uriaşe. Mai multe dispozitive de iluminat mai eficiente sunt în curs de dezvoltare. O opţiune reprezintă dispozitivele semiconductoare de lumină sub formă de diode emiţătoare de lumină (LED-uri). Nanomaterialele sub forma unui amestec de nanocristale semiconductoare sunt acum investigate pentru producerea de lumină albă, LED-uri. De asemenea, punctele cuantice (QD) sunt o altă clasă de nanomateriale care ar putea fi utilizate pentru realizarea de afişaje şi surse de lumina (QD-LED-uri) mai eficiente.

Nano ZnO are proprietăţi similare cu nano TiO2 şi în plus, are proprietatea specifică de a creşte în structuri auto-organizate, cum ar fi "nano-matricea". Firele ZnO aşezate pe o suprafaţă sunt studiate ca elemente piezoelectrice pentru surse de alimentare miniaturizate. Acest lucru ar permite crearea unor surse flexibile, portabile de alimentare care ar putea fi incluse în materialele textile, astfel încât acestea să poată să obţină energie din organism prin mişcare, vânt, flux de aer, etc.

PREVENIREA POLUĂRII, DETECTAREA, ATENUAREA ŞI REMEDIEREA

P
Figura 10: Nano membrană ceramică (Fotografie primită de la Profesor M. Wiesner, Laboratorul Wiesner, Universitatea Duke)
rovocarea energetică este una dintre numeroasele provocări pentru mediu cu care societatea noastră se confruntă. Activitatea umană duce la poluarea aerului, a solului şi a apei, astfel încât în viitor vom avea nevoie de noi instrumente pentru a reduce, preveni, monitoriza şi trata deşeurile rezultate din activităţile noastre. Protecţia sănătăţii noastre şi a mediului va fi în mod semnificativ ajutată dacă am putea detecta agenţii patogeni şi poluatori printr-o detectare rapidă şi sensitivă şi cu o precizie moleculară. Nanotehnologia poate fi utilizată pentru dezvoltarea de senzori selectivi, sensitivi şi precişi pentru detectarea locală, portabili şi la distanţă, pentru monitorizarea în timp real a zonelor mari de pe teren. Scalarea joasă folosind nanomateriale permite realizarea detecţiei la mai multe locaţii de detectare cu acelaşi dispozitiv, permiţând astfel detectarea de analize multiple. Aceasta capacitate de scalare joasă, împreună cu specificitate de detecţie ridicată va permite fabricarea de senzori "multiplex" foarte mici, în acest fel reducând costul de analiză şi reducând numărul de dispozitive necesare pentru a efectua analiza.

Nanotehnologia are potenţialul de a îmbunătăţi drastic procesele de fabricaţie, reducând la minim utilizarea materialelor şi producerea de deşeuri, asigurând în acelaşi timp utilizarea celei mai puţine cantităţi de energie posibil. Nanomaterialele permit optimizarea unor procese şi reduc cantitatea de deşeuri care decurg din acestea, cum ar fi arderea combustibililor. Un exemplu fiind noile dimensiuni pentru nano-catalizatorii care urmează să fie utilizaţi pentru desulfurizarea combustibilor, cu scopul de a dezvolta carburanţi "curaţi" care conţin produse cu un nivel foarte scăzut de sulf. Unele materiale care sunt inerte la macro-scară devin catalitice la nano-scară, cum ar fi aurul, care a fost dovedit a fi un catalizator extrem de eficient în numeroase studii pentru controlul poluării.

În zona de remediere prin eliminarea poluanţilor din mediu, nanomaterialele pot ajuta la accesul în zone altfel inaccesibile, cum ar fi crăpăturile si acviferele, eliminând astfel necesitatea unei operațiuni costisitoare gen "pompă şi tratament" în locurile cu deşeuri. De exemplu, nanoparticule de metal, cum ar fi fierul, sunt deja în uz pentru depoluarea apelor subterane contaminate şi a solului deoarece aceste particule sunt foarte eficiente pentru a"ucide" multe din substanţele contaminante comune de mediu, cum ar fi solvenţi organici cloruraţi şi pesticidele organice. Mai mult, nanotehnologia poate fi utilizată pentru a dezvolta instrumente de remediere care sunt de dimensiuni nano şi specifice pentru un anumit poluant, cum ar fi un metal toxic. Acest lucru este crucial pentru a asigura calitatea apei potabile şi pentru monitorizarea contaminarii acesteia de la poluanţi. Dintre acestea, mercurul si arsenicul sunt două metale extrem de toxice care prezintă riscuri foarte mari asupra sănătății. Nanotehnologia poate fi folosită pentru fabricarea de nano-filtre, nano-absorbanţi şi nano-membrane cu proprietăţi specifice care urmează să fie utilizate pentru decontaminarea apei, precum şi a aerului. Unele realităţi comerciale există (a se vedea capitolul 6).

Filtre si membrane pot fi proiectate pentru a fi "active", în sensul de a fi capabile nu numai de a captura un contaminant specific, ci şi de a reacţiona chimic cu el şi de a-l converti la un produs non-toxic. În cele din urmă, nanoparticulele pot fi incluse în membrane pentru desalinizarea apei.

Materialele care sunt mai prietenoase cu mediul pot fi fabricate cu ajutorul nanotehnologiilor, cum ar fi materiale plastice biodegradabile fabricate din polimeri care au o structură moleculară optimă pentru degradare şi ochelari sau materiale textile care necesită o curăţare mai redusă. Câteva exemple comerciale sunt prezentate în Capitolul 5. Nanoparticule de metal sunt folosite ca întăriri în aliaje pentru aplicarea în construcţii uşoare din sectorul aerospaţial şi tot mai mult în sectorul automobilelor. Autovehiculele mai uşoare şi avioanele vor avea nevoie de mai puţin combustibil pentru a călători, astfel vor fi mai puţin poluante.