NANOSTRUTTURE DI CARBONIO
IN AMBITO ENERGETICO
I Nanotubi
I nanotubi di carbonio sono un
esempio di nanostrutture, studiate
dal 1985 e sono, quindi, una recente
scoperta.
Essi sono tubi di carbonio ottenuti
tramite vaporizzazione o ablazione
laser.
A seconda del loro diametro e della chiralità (cioè il
modo con cui i legami carbonio-carbonio si
susseguono lungo la circonferenza del tubo) essi
possiedono caratteristiche differenti.
I Fullereni
I fullereni sono un altro tipo di
nanostrutture a forma sferica o
ellissoidale vuote al loro interno. Sono
costituiti da soli atomi di carbonio che
formano delle figure esagonali e
pentagonali. Esistono vari modi per ottenere i fullereni:
tramite un arco elettrico, per ablazione laser, ecc.
Comprimendo i fullereni si ottiene un materiale con alta
resistenza meccanica e durezza maggiore di quella del
diamante. Altre caratteristiche notevoli sono la resistenza
termica e la superconduttività.
Il Grafene
La Grafite
Il grafene è costituito da uno strato
monoatomico di atomi di carbonio,
che si dispongono a formare
esagoni regolari. Possiede un’alta
resistenza e la flessibilità della
plastica. Viene ottenuto in laboratorio a partire dalla
grafite, attraverso vari metodi: tagliando nanotubi di
carbonio, mediante la crescita su substrati metallici oppure
grazie alla riduzione del diossido di carbonio. Il grafene
presenta ottime caratteristiche come conduttore sia
termico che elettrico e può quindi essere utilizzato in molti
oggetti tecnologici.
Nanostrutture vs Silicio
Il silicio è un materiale largamente usato oggigiorno in
componenti elettronici che vanno dai transistor alle celle
solari dei pannelli fotovoltaici e che può essere
sostituito efficientemente da alcune nanostrutture del
carbonio.
Onions
Scoperte nel 1992, sono
nanostrutture di carbonio formate da
fullereni concentrici; si possono
ottenere da catalisi da gas (sfere di
carbonio da gas naturali) o da
nanodiamanti (a 1000°C i diamanti si
treasformano in materiale grafitico a
base di onions.
Esperimento della batteria
Cicli successivi
3
2,5
1,5
Potenziale
1
Potenziale (V)
Potenza (V)
2,5
2
2
1,5
Potenziale
1
0,5
0,5
0
1
2917 5833 8749 11665 14581 17497 20413 23329 26245 29161
-0,5
0
1
Tempo (s)
745 1489 2233 2977 3721 4465 5209 5953 6697 7441 8185 8929
Tempo (s)
Possibili utilizzi futuri
Stoccaggio di energia
Di seguito sono riportati i dati raccolti durante i test.
3
La nanoschiuma di carbonio è una
struttura tridimensionale a strati con
una densità molto bassa e, quindi,
con alta porosità, viene spesso
prodotta per ablazione laser ed è uno
scarso conduttore elettrico.
È stata studiata nei trattamenti anticancro e per immagazzinare
l’idrogeno.
Grazie alla loro stabilità chimica, conduttività termica e resistenza meccanica,
sono anche molto efficaci per realizzare sorgenti luminose: con essi si potrebbe
realizzare una nuova generazione di dispositivi per l’illuminazione a basso
consumo (un consumo 100 volte inferiore a quello dei led), in cui i hanno una
funzione elettrodo come un filamento di tungsteno.
A questo punto gli elettrodi e l’elettrolita si presentano non omogenei e
devono essere mescolati da piccoli magneti nei becher, posti sopra degli
agitatori magnetici. Dopodiché, abbiamo steso i composti dei due
elettrodi, quello dell’anodo sull’alluminio e quello del catodo sul rame,
utilizzando un particolare strumento metallico, chiamato notchbar. Dopo
aver creato il vuoto e lasciate riposare le lamine metalliche in una stufa a
65° affinchè si seccassero, le abbiamo tagliate in piccoli dischetti.
Nell’assemblarli nella glove-box, per fare in modo che i due elettrodi non
si tocchino e non si crei un corto circuito, abbiamo posto tra loro un
polimero poroso imbevuto dell’elettrolita.
3,5
Nanoschiuma
I nanotubi di carbonio possono sostituire il silicio nelle celle solari dei pannelli
fotovoltaici, poiché sono molto più efficienti nel convertire la luce solare in
energia (80% di luce solare convertita per le nanostrutture, contro 33,7% per
il silicio).
Per produrre una batteria si necessita la creazione di due
elettrodi intercalatati da un elettrolita. L’anodo è
costituito da LiCoO2+PVDC(binder)+CarbonBlack, che
abbiamo mescolato insieme in un becher. Questo
procedimento è stato effetuato nella glove-box, una
camera chiusa ermeticamente, riempita di Argon e isolata
dall’atmosfera esterna, dato che alcune sostanze
reagiscono violentemente con l’ossigeno e con l’acqua (per
es. il Litio). Il catodo è stato realizzato in due passaggi: il
primo nella glove-box, dove abbiamo mescolato la grafite e
il binder( PVDF) ed il secondo fuori, in modo d’aggiungere il
solvente. Anche l’elettrolita è stato sintetizzato nella glovebox, mescolando l’etilene carbonato ed il ditelene
carbonato, uno solido e l’altro liquido, e successivamente,
aggiungendo loro il sale LiPO6.
Prima carica
La grafite è un minerale che ha molte
applicazioni nell’ambito tecnologico.
Essa è formata da piani monoatomici di
carbonio legati fra loro da legami di
Van-der-Wals, ha forma vetrosa e si
sfalda lungo piani preferenziali, il che
risulta utile per ottenere il grafene.
Era, in passato, utilizzata nei reattori a fusione
nucleare come moderatore di neutroni, ma troppo
tardi si scoprì che poteva generare una reazione
nucleare e fu causa di alcuni disastri. Oggi la grafite
viene utilizzata come elettrodo e lubrificante solido.
Le nanostrutture di carbonio possono essere usate per immagazzinare gas come
l’idrogeno, in questo caso i metodi principali sono 2:
- Tramite i fullereni: questi se “decorati” con atomi di litio mostrano capacità di stoccaggio.
Ogni atomo di litio è in grado di accerchiarsi di 5 molecole di idrogeno, quindi si può
ottenere, per esempio, un fullerene con formula Li12 C60 H120. Inoltre, l’efficienza migliora
se oltre al litio si inseriscono anche atomi di platino o palladio.
- Nanotubi : a causa della loro forma tubolare i nanotubi mostrano delle forti proprietà di
capillarità, e il loro rapporto superficie/peso li rende teoricamente ideali per l’adsorbimento
di gas. È però necessario aprire le estremità dei tubi per permettere al liquido o al gas di
entrare. Le proprietà di adsorbimento dei nanotubi sono studiati, nel caso dell’idrogeno, in
vista di un loro possibile uso nelle celle a combustibile.
Nel caso dello stoccaggio di energia, i supercapacitori, a differenza della normali batterie,
che sfruttano principi elettro-chimici, e dei capacitori, che sfruttano principi elettrici, si
basano su un principio fisico: essi, grazie alla porosità delle nanostrutture di carbonio (in
particolare nanotubi o grafene), sono in grado di immagazzinare energia molto più
velocemente delle batterie e hanno maggiore prospettiva di vita. Inoltre, rispetto ai normali
capacitori, possiedono una capacità di gran lunga maggiore, anche se sempre minore delle
batterie, e, anche a causa della bassa densità energetica raggiungono dimensioni
sconvenienti. (In futuro, un mezzo di trasporto dotato di supercapacitori potrebbe
accumulare durante la frenata energia da utilizzare nella ripartenza, risparmiando
carburante, questi, inoltre, potrebbero venire montati anche su tram o metropolitane. Oggi
essi sono già utilizzati nelle pale eoliche.)
3b e 3c sc. Liceo Paciolo D’Annunzio in collaborazione con il professor D. Pontiroli
Dipartimento di Fisica e Scienze della Terra
