Progetto di ricerca Tutor: Prof. Mario Berrettoni Ricercatori coinvolti: Prof. Luciano Fusina, Prof. Riccardo Tarroni Assegno : ”Ossido di Titanio modificato con esacianometallati misti per applicazioni fotovoltaiche” Il biossido di Titanio (TiO2) è attualmente uno dei composti chiave nelle celle di Graetzel che rappresentano l’alternativa alla più nota tecnologia al Silicio per la produzione di energia fotovoltaica. L’altro componente determinate in questo tipo di celle è il composto chimico capace di catturare l’energia solare e così dare inizio al processo ciclico per la produzione di energia elettrica. L’insieme di questi due composti determina, per la maggior parte, l’efficienza totale del sistema. Gli sforzi dei ricercatori sono concentrati nel cercare di ridurre la band gap del TiO2 in modo da poter utilizzare materiali fotochimici meno costosi di quelli attualmente utilizzati. Le soluzioni proposte variano dall’utilizzo di TiO2 in forma nano alla possibilità di diminuire la band gap mediante drogaggio della superficie con vari molecole, tra tre le quali lo ione esacianoferrato. In questo progetto di ricerca si intende studiare l’effetto degli esacinometallati misti sulla band gap del TiO2. In particolare si intende, prima, valutare mediante tecniche di chimica computazionale l’effetto dell’esacinomretallato misto selezionato sulle proprietà elettroniche del TiO2 e poi passare alla realizzazione pratica del device studiato. Verrà utilizzato il metodo Time-Dependent Density Functional Theory (TDDFT) per calcolo degli spettri di assorbimento elettronici del clusters di titania, di dimensione variabile, legati superficialmente con uno o più gruppi di tipo esaciano metallato, Me(CN)64-, Me=Fe,Co studiando gli effetti combinati del metallo centrale e del tipo di controione sugli orbitali di frontiera e sugli spettri elettronici del sistema. Gli esacianometallati sono una classe di composti con formula generale AxMay[Mb(CN)6]·zH2O, dove A è un controione, generalmente metallo alcalino, e x e y che dipendono dallo stato di ossidazione degli elementi Ma e Mb, in genere metalli di transizione. Questi composti sono caratterizzati, da un punto di vista strutturale, dalla presenza di tre catene ortogonali di —Mb—CN—Ma—NC—Mb— che creano delle cavità di tipo zeolitico nelle quali trova posto il metallo alcalino A. In particolare fino ad oggi ci siamo concentrati sul composto AxCoy[Fe(CN)6]·zH2O sintetizzato sia per via chimica che elettrochimica, anche con dimensioni nanometriche1. 1 M. Berrettoni, M. Giorgetti, A. Mignani, E. Caponetti+, A. Zanotto, M. L.a Saladino, S. Zamponi, P. Conti, D. Ranganathan Nanotec 2008, Venezia Nella struttura a catene infinite di —CN—CoII(HS)—NC—FeIII—CN—, ortogonali tra loro, il Cobalto si trova circondato da sei gruppi Fe(CN)6 . Quando alcuni di questi gruppi sono sostituiti da molecole di H2O è possibile il passaggio di un elettrone dal Co al Fe e ottenere CN—CoIII(LS)— NC—FeII—CN—. La struttura dell’intorno del Cobalto2 determina la possibilità di passare in modo reversibile dallo stato HS a quello LS. Si intende poi sintetizzare e studiare con le stesse metodologie il composto analogo con Ma=Fe e Mb=Co che, al contrario del precedente, è stato molto meno investigato. In questo caso il Co è legato al C ed i Fe a N invertendo la geometria del più conosciuto esacianoferrato di cobalto. Questi analoghi del blu di Prussia sono molto interessanti poichè entrambi i centri metallici possono presentarsi in diversi stati di ossidazione( FeII/III e CoII/III) e dunque presentare caratteristiche uniche. In particolare l’inversione del Co con il Fe potrebbe modificare le caratteristice elettrochimiche ed elettroniche del composto. 2 M. Giorgetti, M. Berrettoni, A. Filippini, P.J. Kulesza, R. Marassi, Chem. Phys. Lett.,275, 108-112 (1997) Piano di formazione scientifica Tutor: Mario Berrettoni Assegno: __”Ossido di Titanio modificato con esacianometallati misti per applicazioni fotovoltaiche” Il piano di formazione prevede, innanzitutto, la completa autonomia nella sintesi chimica ed elettrochimica del composito TiO2 con vari esacianometallati misti e la capacità di prevederne, mediante calcoli ab-initio le proprietà elettroniche. Lo svolgimento delle attività sperimentali riguarderà soprattutto l’utilizzo delle principali tecniche elettrochimiche, quali ad esempio la voltammetria ciclica, la cronoamperometria, la cronocoulometria, la spettroscopia di impedenza. La strumentazione necessaria per tali misure sperimentali èdisponibile presso i laboratori di Chimica ricerca del Polo di Rimini. Inoltre, poiché il progetto prevede l’utilizzo di conduttori metallici modificati con uno o più strati dei materiali investigati lo studio della morfologia e della reattività chimica ed elettrochimica degli stessi potrebbe essere condotto con la tecnica della microscopia elettrochimica a scansione (SECM) la cui strumentazione è in fase di acquisizione. La persona incaricata della conduzione del progetto dovrà anche acquisire gli elementi necessari per la caratterizzazione strutturale degli esacianometallati , particolarmente nel campo delle tecniche utilizzanti Raggi X, quali la diffrazione (XRD) e l’assorbimento (XAS). Quest’ultima tecnica richiede la conoscenza delle sorgenti normalmente utilizzate per l’acquisizione sperimentale di dati XAS, ossia la radiazione di sincrotrone. Le acquisizioni sperimentali di dati XAS verranno effettuate presso grandi installazioni internazionali di luce di sincrotrone dove il gruppo di ricerca abitualmente dispone di beamtime in varie stazioni sperimentali dedicate. Durante lo svolgimento del programma di ricerca si prevede la possibilità di collaborazioni con gruppi di ricerca italiani (es.Dipartimento di Chimica, Università di Camerino e Dipartimento di Chimica Fisica dell’università di Palermo) e stranieri, altamente qualificati a livello internazionale nel settore elettrochimico quale il Department of Chemistry, University of Warsaw.