El proyecto de energía limpia: química teórica aplicada · 2015-09-12 · Resultados del...

El Proyecto de Energía

Limpia: de la predicción a la

síntesis

Carlos Amador Bedolla

Facultad de Química

UNAM, México

Ciencia y Sociedad

11 de septiembre, 2015

carlos.amador@unam.mx 1

Der Wanderer über dem Nebelmeer(El viajero en un mar de niebla)Caspar David Friedrich (1818)Kunsthalle, Hamburgo

Un caminante en el Ajusco(El viajero en un mar de niebla)Foto 2006México D. F.

Nightlights 2012. Flat Map18 de abril — 23 de octubre, 2012Earth Observatory, NASAhttp://earthobservatory.nasa.gov/NaturalHazards/view.php?id=79765

Energy Information Administration (2011)http://www.eia.doe.gov/emeu/aer/eh/intro.html

Mauna Loa ObservatoryDr. Pieter Tans, NOAA/ESRL (www.esrl.noaa.gov/gmd/ccgg/trends/)

Visualizing the 2012 Sea Ice Minimum (14.septiembre.1984)http://earthobservatory.nasa.gov/IOTD/view.php?id=79256

Visualizing the 2012 Sea Ice Minimum (13.septiembre.2012)http://earthobservatory.nasa.gov/IOTD/view.php?id=79256

Energía, energía, energía… el problema central del siglo

BP Statistical Review of World Energy (June 2014)

carbón

hidro +

nuclear

gas natural

petróleo

2013: 12 730

Mtoe/year

2035: 18 600

30.1 %

(29.8)

6.7 + 4.4 %

23.7 % (23.9)

32.9 % (33.1)

2010: 12 004 Mtoe/year

EL DERRAME DE DEEP HORIZON

El pozo tiene profundidad de 1250 mde agua y 9400 m de roca

Comparable al del Ixtoc de 1979 (50m de agua, 3000 m de roca)

http://earthobservatory.nasa.gov/ images/imagerecords/44000/44375/ USA7TMO2010170lrg.jpg23 de junio, 2010

¿Qué se puede esperar de los renovables?

Geothermal 0.017 W/m2

Plants/Bioenergy 0.5 W/m2

Wind (terrestrial) 2 W/m2

Wind (offshore) 3 W/m2

Photovoltaics 5-20 W/m2

Sustainable energy — without the hot air. David J. C. MacKay www.withouthotair.com (2009)

Renewable energies have a sizable footprint

The Wealth of Nature: Economics as if

survival matters

John Michael Greer

New Society Publishers (2011)

The Great Disruption: Why the Climate

Crisis Will Bring On the End of Shopping

and the Birth of a New World

Paul Gilding

Bloomsbury Press (2011)

The End of the World: The science and

ethics of human extinction

John Leslie

Routledge (1996)Plows, Plagues & Petroleum: How humans

took control of climate

William F. Ruddiman

Princeton Universty Press (2005)

State of the World 2013: Is sustainability

still possible?

The Worldwatch Institute (2013)

Bankrupting Nature: Denying our planetary

boundaries

Anders Wijkman & Johan Rockström

A report to the Club of Rome, Routledge

(New York, 2012)Hubbert´s Peak: The Impending World Oil

Shortage

Kenneth S. Deffeyes

Princeton University Press (2001)

Something New Under The Sun: An

environmental history of the twentieth-

century world

J. R. McNeill

Norton (2001)

The Long Emergency: Surviving the

converging catastrophes of the twenty-first

century

James Howard Kunstler

Atlantic Monthly Press (2005)

Global Catastrophes and Trends: The next

fifty years

Vaclav Smil

The MIT Press (2008)

The Medea Hypothesis: Is life on earth

ultimately self-destructive?

Peter Ward

Princeton University Press (2009)

Collapse: How Societies Choose to Fail or

Succeed

Jared Diamond

Viking Adult (2004)

Harvesting the biosphere: What we have

taken from nature

Vaclav Smil

MIT Press (2012)

World on the Edge: How to prevent

environmental and economic collapse

Lester R. Brown

W. W. Norton (2011)

Ten Billion

Stephen Emmott

Vintage (2013)

Energy Autonomy: The economical, social

and technological case for renewable

energy

Herman Scheer

Earthscan (2007)

Sustainable Energy --- Without the hot air

David MacKay

UIT Cambridge (2009)

¿Demasiados libros sobre el tema?

Photovoltaics all time records

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/35/Best_Research-Cell_Efficiencies.png

OPV’s: Organic PhotoVoltaics

Especialmente atractivas porque…

• sus elementos constitutivos son abundantes

(CHONSPSeSi)

• su síntesis orgánica es ambientalmente

correcta

• la tecnología de síntesis y producción es

masiva y está bien establecida

• la tecnología de instalación es masiva y está

bien establecida

OPV’s: mecanismo de producción de energía

De la absorción del fotón

a la recolección en los

electrodos

• absorción de fotón

• formación del excitón

• difusión del excitón

• disociación del

excitón en la interfase

donador-aceptor

• transporte de carga

• recolección de la

carga en los

electrodos

OPV’s: parámetros importantes para la eficiencia

electrónica

• aparatos fotovoltaicos

de heterojuntas

• morfología bicontinua

de la capa activa:

donador−aceptor

• aceptor estándar:

PCBM [6,6]-phenyl-

C61-butyric acid methyl

• Donador: polímero por

encontrar; los

monómeros serán

moléculas

heterocíclicas

conjugadas

Polymer-Fullerene Composite Solar Cells. B. C. Thompson and

M. J. Fréchet. Angew. Chem. Int. Ed. 2008, 47, 58-77

OPV’s: Propiedades ideales esperadas para los mejores

monómeros

• absorción correspondiente

al espectro solar en la

superficie: HOMO-LUMO

del donador

• alta movilidad del excitón,

buena transferencia de

• niveles electrónicos

particulares: HOMO(don)-

LUMO(don), LUMO(acc)-

LUMO(don),

LUMO(acc)-anode,

HOMO(don)-cathode

• estabilidad en la

atmósfera HOMO(don)carlos.amador@unam.mx 20

OPV’s: parámetros de eficiencia

Eficiencia de conversión de potencia (%PCE)

%PCE=Pout / Pin

Potencia de salida: max curriente, max voltaje

%PCE=JmVm / Pin

Factor de llenado, corriente de circuito cerrado,

voltaje de circuito abierto

FF=JmVm / JscVoc

%PCE=FF JscVoc / Pin

OPV’s: algunos monómeros prometedores

OPV’s: algunos donadores prometedores

MDMO-PPV was one of the first donor materials used. P3HT is a

prevalent donor which has shown higher Jsc, and refined morphological

characteristics. PFDTBT and PCDTBT are co-monomers, in which the

donor-acceptor polymer strategy was applied to obtain higher PCE.

TTP-BDT is a co-monomer, which features quinoidal stabilization and

with the aid of the flourine group has yielded an efficiency of 7.7%

¿Cómo buscar los mejores donadores?

• búsqueda computacional (in silico)

• unidades de heterociclos ligadas y

fusionadas

• cálculos químico-cuánticos (HF, DFT, post-

HF, otros)

• ¿cuántas moléculas calcular?

• ¿cuántas unidades combinar?

• ¿cómo calcular eficientemente tantas

moléculas?

• ¿qué calcular para cada molécula?carlos.amador@unam.mx 25

Molecules most likely

to be of interest

Computational

Del espacio químico (1060) a la síntesis (200)

Conjunto inicial

Cribado computacional

Síntesis, construcción y

prueba Moléculas con mayor

probabilidad de aplicación

computacional

La edad de oro de la química computacional

¿Cómo calcular millones de moléculas?

• Harvard Clean Energy

Project (Alán Aspuru-Guzik

• cómputo distribuido

(screensaver)

• IBM World Community Grid

(http://www.worldcommunity

grid.org)

• http://www.worldcommunityg

rid.org/The Clean Energy

Project

¿Qué calcular para cada molécula?

• estimación empírica de la geometría seguida

de optimización (BP86, SVP)

• conjuntos de base distintos: SVP, TZVP

• diferentes implementaciones de DFT: BP86,

PBE0, M062X, BHandHLYP, B3LYP

• cálculos restringidos y no restringidos

• 16 cálculos distintos de QChem por

molécula

¿Qué conjunto de unidades básicas combinar?

• 30 unidades de

heterociclos básicos

• (fusionados, ligados,

mezclados) en (dímeros,

trímeros, tetrameros)

• 2,671,405 moléculas

distintas, sin repeticiones,

sin ausencia de moléculas

posibles

• cada molécula como una

cuerda de smiles

(smiles: simplified molecular

input line entry specification) carlos.amador@unam.mx 30

¿Cómo armar las moléculas?

• smiles y smarts

• síntesis computacional à la Grignard

• ligado: c1ccccc1-c1ccc[nH]1

• fusionado: c1cccc2c1[nH]cc2

(smarts: smiles arbitrary target specification)

¿Cuántas moléculas armamos?

Resultados del cómputo distribuido

Histogram of the HOMO energies: BP86, PBE0, M062X, BHandHLYP,

Histogram of calibrated HOMO energies

Resultados del cómputo distribuido: gráfica de

Scharber

Scharber, et al. 2006

Resultados del cómputo distribuido: gráfica de

Scharber

• PCE≥11%: 1,000 candidates

(0.04%)

• PCE≥10%: 35,000 candidates

(1.5%)

• analysis of the top candidates

• base de datos de referencia extensa• abierta, acceso libre, Creative Commons ASA license,

publicación abierta como parte del Materials Genome Initiative

• mmoléculas candidato con propiedades específicas sobre demanda

• repositorio para datos experimentales (cf. PDB)

• repositorio para parámetros (e.g., for model Ĥ, FF)

• base de datos para modelos químicos model chemistry (cf. NIST CCCBDB)

The Clean Energy Project Team

HarvardProf Alán Aspuru-Guzik

Martin Blood-Forsythe

Adrian Jinich

László Seress

Aidan Daly

Carolina Roman-Salgado

Dr Suleyman Er

Dr Xavier Andrade

Jarrod McClean

Kai Trepte

Prof Johannes Hachmann (now @ UatBuffalo)

Prof Şule Atahan-Evrenk (now @ Ankara)

Dr Roberto Olivares-Amaya (now @ Princeton)

Prof Carlos Amador-Bedolla (UNAM)

Aryeh Gold-Parker (now @ Stanford)

Leon Liu (now @ Harvard)

Lauren Kaye (now @ Pixar)

Dr Roel Sanchez-Carrera (now @ BASF)

Supriya Shrestha (now @ Harvard)

Alexander Ramek (now @ DE Shaw)

Dr Sergio Boixo (now @ USC)

Anna Brockway (REU, Haverford)

Dr Leslie Vogt (now @ Yale)

StanfordProf Zhenan Bao

Prof Michael Toney

Dr Anthony Appleton

Dr Rajib Mondal

Dr Anatoliy Sokolov

Dr Arjan Zoombelt

Q-Chem IncDr Yihan Shao

Dr Alexander Sodt

Dr Zhenting Gan

Dr Jing Kong

A la síntesis: el equipo Frontera (en preparación)

UNAMCarlos Amador (FQ)

Miguel Robles (IER)

Norberto Farfán (FQ)

Alfredo Vázquez (FQ)

Martha Albores (FQ)

Gustavo García (FQ)

Gustavo Ávila (FQ)

Carlos Rius (FQ)

Margarita Romero (FQ)

José Manuel Méndez (FQ)

Hector García (FQ)

Blas Flores (FQ)

Marcos Hernández (IQ)

José Guadalupe López (IQ)

Luis Demetrio Miranda (IQ)

Víctor Ugalde (FQ)

Hailin Zhao (IER)

Marina Rincón (IER)

Margarita Miranda (IER)

CInvEstAvEusebio Juaristi

Armando Ariza

Tere Mancilla

Rosa Santillán

CIOJosé Luis Maldonado

UAMIgnacio González

El proyecto de energía limpia: química teórica aplicada · 2015-09-12 · Resultados del...

Documents

implementacion Sistema Control Distribuido

Arquitecturas de Control Distribuido[1]

Lacteos Extensa

Cambio horariosb v1-extensa

EDITORIAL - enp4.unam.mx

PROFESORA TITULAR: D. en C. María Dolores Ramírez González (mdrg@unam.mx): BÁSICAmdrg@unam.mx PROFESOR CO-TITULAR: Dr. José Moisés Álvarez Rueda (moiar@unam.mx):

DISTRIBUIDO POR - Caryosa

GUÍA EN VERSIÓN EXTENSA

UNÁMONOS PARA CRECER DISTRIBUIDO

El futuro es distribuido

Liderazgo transformacional distribuido

Liderazgo transformacional al liderazgo distribuido

Control Distribuido vs Scada

DISTRIBUIDO - ica.gov.co

DGENP - prepa9.unam.mx

Alvarez Fernando - version extensa

Información extensa

Combate de Incendios Distribuido

PRÁCTICAS DE LIDERAZGO DISTRIBUIDO

Liderazgo pedagógico distribuido