Materiales especiales para el uso de la energía solar

Abel Gutarra EspinozaLaboratorio de Materiales Nanoestructurados

Facultad de Ciencias-UNI

Arequipa, Noviembre de 2009

XVI SIMPOSIO PERUANO DE ENERGIA SOLAR

Indice

1. Nanopartículas de dióxido de titanio para descontaminación de agua

2. Películas delgadas de dióxido de titanio como material electrocrómico

3. Arcillas porosas infiltradas con cera como material de cambio de fase

1. Nanopartículas de dióxido de titanio para descontaminación de agua

- El TiO2 es un oxido semiconductor de gran ancho de banda (3,4 eV).

- Si recibe radiación ultravioleta de 380 nm puede generar pares electron-hueco.

- Si la partícula es pequeña, el electrón y el hueco pueden llegar a la superficie de la partícula y transferirse a una especie adsorbida.

- La radiación solar tienen una pequeña componente UV, por lo tanto puede producir pares e-h en nanopartículas (20nm) de TiO2

- Las nanopartículas de TiO2 son accesibles comercialmente (ejm. Degussa P25)

Algunas caracteristicas del TiO2

TiIVOH

TiIVOH • +

Intermediariooxidado

CO2

{HO2., HO2

-, H2O2, OH.}

H2O

Contaminanteorgánico

Intermediariooxidado

CO2

TiIVOH

TiIIIOH O2

O2• -

+

-hv

FOTOCATÁLISIS HETEROGÉNEA

Radiación UV, Pares e-/h+, Fotoreducción y Fotoxidación

TiO2

Fuente: A. Mills, S. Le Hunte, 1 997

BV

BC

Contaminanteorgánico

Reactor fotocatalítico

Tubos de vidrio

Gas portador

Anillo de teflón

Tubo de cuarzo

Lámpara UV

(1)

(2)

(3)

(5) (6)

(1)(2)

(3)

(4)(5)

a) Sistema de monitoreo de vapores orgánicos. b) Esquema del fotoreactor. (1) Lámpara UV. (2) Tubo de cuarzo. (3) Anillo separador. (4) Tubo recubierto con TiO2. (5) Entrada de la mezcla aire-vapor [8]

(4) (a) (b)

Reactor fotocatalitico y sistema de monitoreo

Degradación fotocatalítica de un alcohol

Fotodecoloración de colorante textil negro

1.Introducción

2.Fabricación

3.Aplicaciones

NH2NN

H2N

NaO3S

NH2 SO3NaOH

SO3Na

NN NN N H

OH

H2N NN

0’ 10’ 20’ 30’ 40’ 50’ 60’

1.Introducción

2.Fabricación

3.Aplicaciones

Fotodecoloración de colorante textil rojo

NaO3S N N N N

NaO3S

HO

NHCOHN

NOH

SO3Na

N

NaO3S

N N SO3Na

SO3Na

0 min 10 20 30 40 50

J. Rodriguez

Yaurisque, Cuzco-2005

Proyecto OEA-SOLWATER IPEN-UNI

J. Rodriguez

2. Películas delgadas de dióxido de titanio como material electrocrómico

Estructura cristalina del dióxido de titanio

Fase rutilo Fase anatasa

Estructura abierta que permite intercalación iónica reversible

+

Tra

nsm

itan

cia

Tra

nsm

itan

cia

Longitud de onda Longitud de onda

e-

+ +e-

(-) (+)+

+

TiO2

Electrolito

Conductortransparente\SnO2:F

+

2(s)x2(s) TiOLi xeLixTiO

Electrocromismo: Cambio de color por aplicacion de voltaje

Bomba de vacío

+

Cátodo de Ti

Fuente de poder

Entrada de gas

reactivo

Substrato

++

+

Sistema de deposición de películas de TiO2 por sputtering reactivo: Cámara con Ar ionizado y oxígeno. Estequiometría controlada.

Fabicacion de peliculas delgadas de TiO2: Sputtering

Celda electroquímica para observar el efecto electrocrómico. Se establece un potencial negativo entre el electrodo de trabajo y el electrodo de referencia. Los iones Li+ son intercalados en la película de TiO2 y esta se oscurece

VidrioITO TiO2

Electrodo de Trabajo

Electrodo de

ReferenciaContra

electrodo

LiClO4

LiLi

Intercalación de cationes en celda electroquímica

vidrio

cond

ucto

r

tran

spar

ente

elec

trolito

TiO 2

vidriocond

ucto

r

tran

spar

ente

[-][+]

++++

Dispositivo electrocrómico de estado sólido

C.G.Granqvist

Cambios de transmitancia del sistema vidrio/ITO/TiO2

para diferentes cantidades de carga intercalada Q[1]

A. Gutarra (2000)

Figura 8. Cambios de reflectancia para el sistema anterior con las mismas cantidades de carga intercalada Q[1]

A. Gutarra (2000)

 Diagrama de bandas de varios óxidos de

estructura rutilo indicando la posición del nivel de Fermi en cada caso. Al aumentar la población electrónica debido a la intercalación, se desplaza el nivel de Fermi hasta permitir la absorción de luz visible hasta la banda de conducción [4]

2+4

2

48

22

42

4

RhO2, IrO2

RuO2

MnO2

CrO2, MoO2, WO2

VO2, NbO2

TiO2

sp

d

s

p

Me

O2

C.G.Granqvist

Control de radiación solar directa en una habitación

Estado transparente

Estado oscuro

3. Arcillas porosas infiltradas con cera como material de cambio de fase

30x30x1,5 cm

A. Gutarra. UNI

Antecedentes:

Se habian desarrollado tecnicas para fabricar estrcturas de arcillaporosa poe el metodo de la esponja polimérica para ser usados como filtros.

0mm 1mm 2mm 3mm 4mm 5mm 0mm 1mm 2mm 3mm 4mm 5mm

Esponja A (2-3 poros por 1mm)

Esponja A (1-2 poros por 1mm)

3. Caracterización del filtro

Adsorción de colorantes textiles con filtros de arcilla

+

Cera:Parafina de alto peso moleclar

Cuando 20 ≤ n ≤ 40 se tiene fase solida (cera). Para n menores: fase liquida

22 nnHC

Proyecto CER-UNI: Confort termico en viviendas altoandinas Usar la matriz de arcilla-esponja como soporte de un material de cambio de fase (MCF) como la cera.

Arcilla esponja = ?

)(1 TaTmcQ fs

mLQcf

)(2 fs TTmcQ

T (oC)

solid

o

liqui

do

Tf

Q (J)

Acumulación de calor en un material de cambio de fase

Infiltracion de cera en la estructura porosa de la arcilla

(a) Inmersión de la arcilla esponja en la cera fundida. (b) Muestra de arcilla esponja conteniendo la parafina solidificada en su interior.

(a) (b)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 10030

35

40

45

50

55

60

Tem

pera

tura

de

fusi

on (

o C)

Peso de parafina liquida (%)

Absortancia infrarroja de la mezcla cera-parafina líquida en 725 cm-1 para diferentes proporciones en peso de parafina líquida. Esta absorción es notable en la cera y casi nula en la parafina líquida. La disminución de la absortancia indica una mezcla homogénea

Disminución de la temperatura de fusión de la cera cuando se mezcla con parafina líquida.

Es posible disminuir la temperatura de fusion de la cera mezcalndola con parafina liquida

Se colocaron muestras de cera con diferentes proporciones de parafina liquida en un horno electrico con temperatura de aire controlada (linea negra)

Calentamiento Enfriamiento

20 cm 40 cm 20 cm

1

2

5

3

4

6

(1) Temperatura interna de la caja de tecnopor; (2) Caja cúbica de tecnopor; (3) Fuente de radiación formada por 6 lámparas incandescentes de 100 W c/u; (4) Lámina de vidrio; (5) Arcilla-esponja con cera; (6) Temperatura interna de la caja de tecnopor

-Se observo escurrimiento lento de la cera contenida en la arcilla-esponja-El tamaño de poro es demasiado grande para soportar la fase liquida-Si el tamaño de poro fuera suficientemente pequeño, la fase liquida quedaria retenida por capilaridad.

Propuesta:

Nueva estructura:

Arcilla compacta microporosa con porosidad variable

Conclusiones

• Se han presentado ejemplos de usos de TiO2 para descontaminar agua (fotocatalisis) y control de radiacion radiacion solar (electrocromicos)

• Se han mostrado resultados preliminares del uso de arcillas porosas como soporte de MCF para almacenamiento de calor en viviendas

• En todos los casos, la innovacion no esta en los materiales usados sino en su estructura particular. Peliculas delgadas, nanoparticulas y materiales micro/nano porosos.

• Las aplicaciones para el uso de la energia solar abren muchas posibilidades de investigacion en ciencia e ingenieria de materiales y de manera especial en nanomateriales

Agradecimientos

• CONCYTEC• Facultad de Ciencias de la UNI

• CER• FINCYT

Investigadores

Jose IngaFredy Huaylla

Rafael EspinozaGonzalo Saavedra

David PeraltaErika Gabriel