Wykład 6

Barwnikowe ogniwo fotowoltaiczne
Potencjał standardowy
układu redox
V
Pt
−
Red
e
Ox
H2
Energie krawędzi pasma walencyjnego i pasma przewodnictwa półprzewodników w
wodnym elektrolicie o pH 1 względem elektrody wodorowej. Po prawej: potencjały
standardowe niektórych układów redoks.
∆V
hν
red
ox
I /I3−
−
TiO2 w mikroskopie skaningowym
Hagfeld i Graetzel, Chem. Rev. 1995
8,6 %
7,5%
MK-2 : ∆µ = 39 D
IPCE = Incident Photon to Current Efficiency
IPCE =
natężenie prądu
padający strumień fotonów
wydajność energetyczna = moc elektryczna / moc padającego światła
Charakterystyka prądowo-napięciowa ogniwa („1 sun, 1.5 air mass”)
Nanostruktury w fotokatalizie
Fotokatalityczny rozkład wody na tlen i wodór. Fujishima i Honda, 1972:
anoda pokryta TiO2 i katoda z Pt. W warunkach zwarcia, oświetlenie
anody powoduje wydzielanie tlenu na anodzie i wodoru na katodzie.
Ponad 14000 cytowań (kryzys paliwowy 1973 r.!).
Dwa rodzaje badanych procesów: bezpośrednie wzbudzanie elektronów do stanu
aktywnego fotochemicznie oraz dwustopniowa „sztuczna fotosynteza”.
Bionanostruktury i biomimetyka
Nature 405 (2000) 681
Stopa gekona posiada 5000 miotełek keratynowych (seta) na 1 mm2 i może
wytworzyć siłę adhezji nawet 10 N na powierzchni przylegania 1 cm2.
Pomiar maksymalnej siły wywieranej w momencie odrywania od cienkiego drucika
aluminiowego, mierzonej jako jego zgięcie: zmierzona siła odrywająca wynosi 1-20
µN, zgodnie z powyższym oszacowaniem.
Z podobnych sił przylegania korzystają owady (mucha).
Jednak siła przylegania (van der Waals)
radykalnie zmniejsza się na mokrej powierzchni.
Co powoduje silne przyleganie
nici wiążacych małże do skały?
Wiązanie grup katecholowych
z atomami metalu w tlenkach.
Widać to w strukturze pierwszorzędowej białek.
Połączenie metody gekona (przyleganie molekularne w dużej liczbie punktów) z
odpornością na wilgoć = syntetyczna powierzchnia polimerowa przylegająca do
wszelkich materiałów.
skala: 10 µm
Lee, Lee, Messersmith – Nature 448 (2007) 338; PNAS 103, 12999
Autorzy nazwali ten żel przylepny jako „geckel” (gecko + gel).
1 cm2 wytrzymuje siłę 9 N pod wodą oraz 1000 cykli przyklejania i odklejania.
Właściwą miarą przylegania powierzchni jest stosunek pracy potrzebnej do ich
oderwania do pola powierzchni: W/S = ....
Sklejanie tkanek
S. Rose, ... Ludwik Leibler – Nature 505 (2014) 382
A.Meddahi, ... Ludwik Leibler – Angew. Chem. Int. Ed. 53 (2014) 6369
Sklejone dwa paski żelu poli(dimetyloakrylamidu)
wytrzymują siłę rozciągającą je o 50% i pękają poza
obszarem złącza.
Nanocząstki:
Silica Ludox (krzemionka)
średnica: 15 nm
Sklejone dwa wycinki wątroby
Nanocząstki:
kuliste SiO2 : Na2O ≈ 1
średnice 5 nm, 9 nm, 15 nm
Energia adhezji: 6 J/m2
Operacyjne sklejanie rozcięć w wątrobie, płucach, sercu szczura daje bardzo dobre
wyniki; po 1 minucie całkowicie ustaje krwawienie a rany całkowicie zrastają się w
ciągu 3 dni.
Doświadczenia z hydrożelami z:
- poli(dimetyloakrylamidu),
- poliakryloamidu
wykazują, że warunkiem efektywnego klejenia jest obecność rozgałęzień
w łańcuchu polimeru, nawet krótkich.
Złącze nanocząstka-żel tworzy się w sposób nieodwracalny. W stanie
rónowagi lub pod działaniem naprężenia, fragment łańcucha, który odrywa
się od nanocząstki, zostaje zastąpiony przez inny fragment lub przez inny
łańcuch, który nie był zaadsorbowany. Taki proces wzajemnego
zastępowania pozwala na duże odkształcenia i rozprasza energię naprężeń.
Paradoksalnie, rozdrobnione minerały bywają używane jako środki
zapobiegające adhezji różnych materiałów. Przykład: talk
(hydroksykrzemian magnezu Mg3(OH)2Si4O10). Jednak jest tak dopóki
rozdrobnienie jest niewielkie: cząstki rzędu kilku µm lub większe. Gdy
rozmiary zmniejszają się poniżej mikrometra, pojawia się adhezja w której
pośredniczą nanocząstki.