Aplicacions energètiques de la nanotecnología
Ya que la demanda mundial d'energia no deixa de créixer, el desenroll de tecnologies més eficients i sostenibles per a generar-la i almagasenar-la és cada volta més important. Segons el Dr. Wade Adams, de l'Universitat Rulle, l'energia serà el problema més apressant al que s'enfrontarà la humanitat en els pròxims 50 anys i la nanotecnología té potencial per a resoldre-ho.[1] La nanotecnología, un camp relativament nou de la ciència i l'ingenieria, promet tindre un impacte significatiu en l'indústria energètica. La nanotecnología es definix com qualsevol tecnologia que continga partícules en una dimensió inferior a 100 nm de llongitut. A escala, una sola partícula de virus medix uns 100 nm d'ample.
En els camps de la ciència i l'ingenieria ya s'han escomençat a desenrollar formes d'utilisar la nanotecnología per al desenroll de productes de consum. Els beneficis que ya s'observen en el disseny d'estos productes són una major eficiència de l'allumenament i la calefacció, una major capacitat d'almagasenament elèctric i una disminució de la contaminació per l'us de l'energia. Beneficis com estos fan que l'inversió de capital en l'investigació i el desenroll de la nanotecnología siga una prioritat absoluta.
Nanomateriales d'us comú en energia
[editar | editar còdic]Un important subcampo de la nanotecnología relacionat en l'energia és la nanofabricación, el procés de disseny i creació de dispositius a nanoescala. La capacitat de crear dispositius de menys de 100 nm obri moltes portes al desenroll de noves formes de capturar, almagasenar i transferir energia.
Materials a pur de grafeno
[editar | editar còdic]Existix un enorme interés en l'us de materials basats en grafeno per al almagasenament d'energia. L'investigació sobre l'us del grafeno per a l'almagasenament d'energia va començar molt recentment, pero la taxa de creiximent de l'investigació relativa és ràpida.[2]
El grafeno s'ha revelat recentment com un material prometedor per a l'almagasenament d'energia per vàries propietats, com el seu baix pes, el seu inèrcia química i el seu baix preu. El grafeno és un alótropo del carbono que existix com una làmina bidimensional d'àtoms de carbono organisats en una ret hexagonal. Una família de materials relacionats en el grafeno, denominada "grafenos" per la comunitat investigadora, està formada per derivats estructurals o químics del grafeno.[2] El grafeno químicament derivat més important és l'òxit de grafeno[3] (definit com una sola capa d'òxit de grafit, l'òxit de grafit pot obtindre's fent reaccionar grafit en oxidants forts, per eixemple, una mescla d'àcit sulfúric, nitrat de sodi i permanganato de potassi[4]) que sol preparar-se a partir de grafit per mig d'oxidació a òxit de grafit i la consegüent exfoliació. Les propietats del grafeno depenen en gran mida del método de fabricació. Per eixemple, la reducció de l'òxit de grafeno a grafeno dona lloc a una estructura de grafeno que també té una gruixa d'un àtom, pero conté una alta concentració de defectes, com nanoagujeros i defectes Stone-Wales.[5] Ademés, els materials de carbono, que tenen una conductivitat elèctrica relativament alta i estructures variables, s'utilisen molt en la modificació del sofre. S'han sintetisat composts de sofre-carbono en diverses estructures i han mostrat un rendiment electroquímic notablement millor que el sofre pur, lo que resulta crucial per al disseny de bateries.[6][7][8][9] El grafeno té un gran potencial en la modificació d'un càtodo de sofre per a bateries Li-S d'alt rendiment, que s'ha investigat àmpliament en els últims anys.[2]
Nanosemiconductores a pur de silici
[editar | editar còdic]Els nanosemiconductors a pur de silici tenen l'aplicació més útil en energia solar i també s'han estudiat àmpliament en molts llocs, com l'Universitat de Kyoto. Utilisen nanopartículas de silici per a absorbir una major gama de llongituts d'ona del espectre electromagnètic. Per a això, es coloquen moltes barres de silici idèntiques i igualment espayades en la superfície. Ademés, cal optimisar l'altura i la llongitut de l'espayat per a obtindre els millors resultats. Esta disposició de les partícules de silici permet que l'energia solar siga reabsorbida per moltes partícules diferents, excitant els electrons i donant lloc a que gran part de l'energia es convertixca en calor. A continuació, la calor pot convertir-se en electricitat. Investigadors de l'Universitat de Kyoto han demostrat que estos semiconductors a escala nanométrica poden aumentar l'eficiència a lo manco un 40 %, en comparació a les cèlules solars normals.[10]
Materials a pur de nanocelulosa
[editar | editar còdic]La celulosa és el polímero natural més abundant de la Terra. En l'actualitat, s'estan desenrollant estructures mesoporosas basades en nanocelulosa, películes fines flexibles, fibres i rets que s'utilisen en dispositius fotovoltaics, sistemes d'almagasenament d'energia, captadores d'energia mecànica i components catalisadors. L'inclusió de nanocelulosa en eixos dispositius relacionats en l'energia eleva en gran medida la porció de materials ecològics i resulta molt prometedora per a abordar les preocupacions migambientals pertinents. Ademés, la celulosa es manifesta en les promeses de baix cost i gran escala.[11]
Nanoestructuras en energia
[editar | editar còdic]Nanomateriales unidimensionals
[editar | editar còdic]Les nanoestructuras unidimensionals han demostrat ser prometedores per a aumentar la densitat energètica, la seguritat i la vida útil dels cicles dels sistemes d'almagasenament d'energia, un àrea que necessita millores en les bateries de ions de liti. Estes nanoestructuras s'utilisen principalment en els electrodos de les bateries degut a que les seues vies de transport de ions i electrons són bicontinuas i més curtes, lo que es traduïx en un major rendiment de la bateria.[12]
Ademés, les nanoestructuras 1D són capaces d'aumentar l'almagasenament de càrrega per mig de capes dobles i també es poden usar en supercondensadores pels seus ràpits processos redox de superfície pseudocapacitivos. En el futur, el disseny nou i la síntesis controlable d'estos materials es desenrollaran molt més en profunditat. Els nanomateriales 1D també són ecològics i rendables.[13]
Nanomateriales bidimensionales
[editar | editar còdic]La característica més important dels nanomateriales bidimensionales és que les seues propietats poden controlar-se en precisió. Açò significa que els nanomateriales 2D poden modificar-se i manipular-se fàcilment en nanoestructuras. L'espai entre capes també pot manipular-se en materials sense capes, denominats canals nanofluídicos 2D. Els nanomateriales 2D també poden transformar-se en estructures porosas per al seu us en aplicacions catalítiques i d'almagasenament d'energia per mig de l'aplicació de tècniques senzilles de transport de càrrega i massa.[14]
Els nanomateriales 2D també presenten alguns reptes. La modificació de les propietats dels materials, com l'activitat i l'estabilitat estructural, pot tindre efectes secundaris. Per eixemple, la creació d'alguns defectes pot aumentar el número de llocs actius per a obtindre un major rendiment catalític, pero també poden produir-se reaccions secundàries que podrien danyar l'estructura del catalisador. Un atre eixemple és que l'expansió entre capes pot reduir la barrera de difusió de ions en la reacció catalítica, pero també pot reduir potencialment la seua estabilitat estructural. Per això, existix un compromís entre rendiment i estabilitat. Una segona qüestió és la coherència dels métodos de disseny. Per eixemple, les heteroestructuras són les principals estructures del catalisador en l'espai entre capes i els dispositius d'almagasenament d'energia, pero estes estructures poden carir de la comprensió del mecanisme en la reacció catalítica o els mecanismes d'almagasenament de càrrega. Es requerix una comprensió més profunda del disseny de nanomateriales 2D, perque el coneiximent fonamental conduirà a métodos coherents i eficients de disseny d'estes estructures. Un tercer repte és l'aplicació pràctica d'estes tecnologies. Existix una enorme diferència entre les aplicacions a escala de laboratori i a escala industrial dels nanomateriales 2D per la seua inestabilitat intrínseca durant l'almagasenament i el processament. Per eixemple, les estructures porosas de nanomateriales 2D tenen densitat de empaquetamiento baixes, lo que dificulta la seua empaquetamiento en películes denses. Encara s'estan desenrollant nous processos per a l'aplicació d'estos materials a escala industrial.[14]
Referències
[editar | editar còdic]- ↑ «TEDxHouston 2011 - Wade Adams - Nanotechnology and Energy».
- ↑ 2,0 2,1 2,2 Energy & Environmental Science.4(3)
- 668–674.ISSN 1754-5706.doi:10.1039/C0EE00295J.
- ↑ “Graphene and Graphene Oxide: Synthesis, Properties, and Applications” (en) . Advanced Materials 22 (35): 3906–3924. doi:. ISSN 1521-4095. PMID 20706983.
- ↑ Tjong, Sie Chin. «Synthesis and Structural–Mechanical Property Characteristics of Graphene–Polymer Nanocomposites», 10 - Synthesis and Structural–Mechanical Property Characteristics of Graphene–Polymer Nanocomposites (en en), Elsevier, pp. 335–375. doi:10.1016/B978-0-12-407796-6.00010-5. ISBN 978-0-12-407796-6.
- ↑ “Atomic Structure of Reduced Graphene Oxide” . Nano Letters 10 (4): 1144–1148. doi:. ISSN 1530-6984. PMID 20199057. Bibcode: 2010NanoL..10.1144G.
- ↑ “Porous Hollow Carbonsulfur Composites for High-Power Lithium–Sulfur Batteries” . Angewandte Chemie International Edition 50 (26): 5904–5908. doi:. ISSN 1521-3773. PMID 21591036.
- ↑ “Spherical Ordered Mesoporous Carbon Nanoparticles with High Porosity for Lithium–Sulfur Batteries” . Angewandte Chemie International Edition 51 (15): 3591–3595. doi:. ISSN 1521-3773. PMID 22383067.
- ↑ “Hollow Carbon Nanofiber-Encapsulated Sulfur Cathodes for High Specific Capacity Rechargeable Lithium Batteries” . Nano Letters 11 (10): 4462–4467. doi:. ISSN 1530-6984. PMID 21916442. Bibcode: 2011NanoL..11.4462Z.
- ↑ “A highly ordered nanostructured carbon–sulphur cathode for lithium–sulphur batteries” (en) . Nature Materials 8 (6): 500–506. doi:. ISSN 1476-4660. PMID 19448613. Bibcode: 2009NatMa...8..500J.
- ↑ Erro en la seqüencia d'órdens: no existix el mòdul «Citas».
- ↑ “Cellulose-Based Nanomaterials for Energy Applications” (en) . Small 13 (42): 1702240. doi:. ISSN 1613-6829. PMID 28902985.
- ↑ Advanced Materials.29(20)
- 1602300.ISSN 1521-4095.doi:10.1002/adma.201602300.
- ↑ Journal of Physics D: Applied Physics.51(11)
- 113002.ISSN 0022-3727.doi:10.1088/1361-6463/aaa98d.
- ↑ 14,0 14,1 Advanced Materials.30(15)
- 1706347.doi:10.1002/adma.201706347.
- Este artícul conté una traducció derivada de «Aplicaciones energéticas de la nanotecnología» de Wikipedia en castellà publicada baix la Llicència de documentació lliure de GNU i la Llicència Creative Commons Reconeiximent-CompartirIgual 4.0 Internacional.