Luce di Sincrotrone per l'energia

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Davide Barbato
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2 Luce di Sincrotrone per l'energia Andrea Goldoni Elettra Sincrotrone Trieste, s.s. 14 km in Area Science Park Alcuni esempi e prospettive future e - h + h + Andrea Goldoni 22 Aprile

3 Quali esperimenti di Luce di Sincrotrone sono dedicati all Energia? Sostanzialmente quasi tutti: dai superconduttori alla catalisi, dai processi di trasferimento di carica su fotoassorbitori ai sensori ecc ü La prossima generazione di tecnologie energetiche sostenibili ruotera` attorno a catalizzatori e processi chimico/fisici che convertono l'energia in modo efficiente tra fotoni, elettroni, e legami chimici. Questo richiede un controllo fine dell interazione tra fotoni, elettroni, e legami chimici tenendo conto, in particolare, delle loro lunghezze naturali e delle scale temporali di interazione. ü I sistemi per la produzione, stoccaggio e utilizzazione dell energia, come OLED, sistemi fotovoltaici, batterie e celle a combustibile, dipendono criticamente dallo sviluppo di nuovi materiali. Tali materiali, che ad esempio possano funzionare da antenna per le radiazioni, oppure da elettrodi in supercondensatori o che usano la scissione dell'acqua o il riciclaggio di anidride carbonica per ottenere carburante, dovranno essere molto più intelligenti e funzionali dei materiali attuali a base di materie prime. Questo richiede un coordinamento di vari passaggi, partendo dalla scienza di base, con la realizzazione di interfacce e materiali nanostrutturati, che tipicamente non si trovano in natura, progettati, sviluppati e fabbricati su misura in base alla loro funzione. Andrea Goldoni 22 Aprile

4 Quali esperimenti di Luce di Sincrotrone sono dedicati all Energia? ü I punti chiave includono l osservazione dei meccanismi di formazione del materiale desiderato e delle fasi intermedie, la determinazione della struttura alla nanoscala e di eventuali siti di nucleazione, e la possibilita` di studiare la dinamica strutturale, chimica ed elettronica su una scala dei tempi dall attosecondo al secondo. Inoltre, le proprieta` elettroniche come la generazione, il trasporto, il trasferimento e l intrappolamento delle cariche sono parametri chiave che devono poter essere osservati con sufficiente risoluzione temporale e spaziale al fine di caratterizzare il comportamento alle varie interfacce, grain boundaris e nanostrutture che controllano il comportamento macroscopico del sistema. ü Quindi sviluppare una tecnologia (sincrotrone) che ci permetta di osservare in situ tutti questi meccanismi di sintesi e funzionamento dei materiali e` essenziale per poter trasformare uno sforzo basato empiricamente su trialand-error (natura) in un sistema basato e disegnato sull osservazione scientifica. Andrea Goldoni 22 Aprile

5 Rapporto del Basic Energy Sciences Advisory Committee sottomesso al DOE Andrea Goldoni 22 Aprile

6 Altri Rapporti del Basic Energy Sciences Advisory Committee sottomesso al DOE Andrea Goldoni 22 Aprile

7 Altri Rapporti del Basic Energy Sciences Advisory Committee sottomesso al DOE Andrea Goldoni 22 Aprile

8 Pubblicazioni scientifiche sull energia vs Synchrotron Radiation Andrea Goldoni 22 Aprile

9 Pubblicazioni scientifiche sull energia vs Synchrotron Radiation Andrea Goldoni 22 Aprile

10 Esempi: water splitting utilizzando Ru 4 POM Utilizzare MWCNTs funzionalizzati con Ru 4 POM permette di ottenere elettrodi per water-splitting con efficienze notevolmente alte, basso bias, alta densita di corrente e aumentata stabilita` nel tempo. " <0.35 V overpotential Boos$ng effect in O 2 evolu$on with CNTs: TOF (turn over frequency) up to 350 h - 1, applied overpoten$al as low as 0.35V and TON (turn over number) ~ 40 Nature Chem. 2010, 2, 82, 831; Chem Sus Chem 2011, Early View Andrea Goldoni 22 Aprile

11 Andrea Goldoni 22 Aprile

12 SAXS XANES XPS Andrea Goldoni 22 Aprile

13 Esempi: celle solari organiche D/A heterojuctions HOMO e HOMO-1 su donore LUMO e LUMO+1 su accettore RESPES fornisce una scala dei tempi del trasferimento di carica da donore ad accettore (atto femto secondi) legata al tempo di vita medio della lacuna di core. Andrea Goldoni 22 Aprile

14 Esempi: celle solari organiche D/A heterojuctions HOMO e HOMO-1 su donore LUMO e LUMO+1 su accettore RESPES fornisce una scala dei tempi del trasferimento di carica da donore ad accettore (atto femto secondi) legata al tempo di vita medio della lacuna di core. ZnTPP multilayer Andrea Goldoni 22 Aprile

15 Esempi: celle solari organiche D/A heterojuctions HOMO e HOMO-1 su donore LUMO e LUMO+1 su accettore RESPES fornisce una scala dei tempi del trasferimento di carica da donore ad accettore (atto femto secondi) legata al tempo di vita medio della lacuna di core. ZnTPP multilayer Andrea Goldoni 22 Aprile

16 Esempi: nuove celle solari CH3NH3PbI3-xClx XRD, XPS, XAS Lithography Spectromicroscopy spin coating Andrea Goldoni 22 Aprile

17 Esempi: nuove celle solari CH3NH3PbI3-xClx XRD, XPS, XAS Lithography Spectromicroscopy spin coating Andrea Goldoni 22 Aprile

18 Esempi: celle a combustibile Liquid and gel electrolyte Si 3 N 4 window Electrodes Electrolyte Electrical connections Solid electrolyte Metallic Plate Corrosion and Uptake of Corrosion Products by Nafion in Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells B. Bozzini et al, ChemSusChem 3, 1, 2010 Corrosion of Ni in 1-butyl-1-methylpyrrolidinium bis (trifluoromethylsulfonyl) amide room-temperature ionic liquid: operated at anodic polarization of 0.5 V vs Au electrode B. Bozzini et al, ChemPhysPhysChem (in press) Corrosion experiments in-operando devices made on microscopy beamlines: TWINMIC and ESCAmicroscopy Andrea Goldoni 22 Aprile 2014

19 Esempi: batterie al litio, in-operando C-coated LiFe 0.33 Mn 0.67 PO 4 as cathode for Li-ion batteries a) XAS during the discharge 3 contributions: polysulfides, S, electrolyte (sulfate) Electrolyte unchanged Decrease of S (reduction of sulfur to polysulfide) Mn Li + insertion mechanism Techniques: XRD, XPS, XAS Redox of Mn and Fe Oxidation of both Mn and Fe during the first charge (delithiation): Mn 3+ /Mn 2+ and Fe 3+ /Fe 2+ Normalized absorption U / V vs. Li/Li + 3,25 3,00 2,75 2,50 2,25 2,00 1,75 1,50 1,25 Li 2 S x sulfur E / ev 5 0,00 0,25 0,50 0,75 1,00 1,25 1,50 1,75 x in Li x S electrolyte 0,2 b) Polysulfide migration to separator and anode. S constant in the low voltage plateau (not all the sulfur involved on the reaction) % of S 2- in cathode Fe cathode composite: 20 wt% S in carbon black (Electrolyte : 1M of LiTFSI in TMS) Fe: oxidation at the start of the cycle Mn: oxidation at the Fe plateau Main reaction of Li is the oxidation and reduction of Mn and Fe A. Perea et al., J. Sol. State Chem (2012) Project n Andrea Goldoni 22 Aprile

20 Esempi: Catalisi nanofilm nanoparticle The nanoparticles/nanofilm possess different oxidation/reduction ability than the micro particle Reducing rate: Micro-part.> Nano-crystalline film > Nano-particles Micro-particles of similar sizes show variation in the reactive properties: different structure, local environ. Andrea Goldoni 22 Aprile

21 CONCLUSIONI e PROSPETTIVE ü Nuovi materiali per l energia e l uso dei sincrotroni per il loro studio stanno aumentando esponenzialmente. ü IXS e fotoemissione ad alte energie: studio delle interfacce profonde (celle solari, a combustibile ed elettrochimiche) e misura in situ non invasiva di device funzionanti. ü Misure in funzione del tempo dai core levels con eccitazioni laser al femtos. (pump & probe). ü Misure a pressioni ambientali o quasi. ü Tutto quello sopra risolto spazialmente (nm) Andrea Goldoni 22 Aprile

22 Thank You!!

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