LINEA DI ATTIVITÀ
LA4.10
Strumento/i principale utilizzato per IEMAP
Laboratorio di sintesi e caratterizzazione strutturale (spettroscopia UV-Vis, Laboratorio di spettroscopia ultraveloce e risolta nel tempo, spettrofluorimetria steady state e time resolved con TCSPC, spettrometria NMR, spettroscopia IR e FTIR-ATR, spettrometria MS, diffrattometria a raggi X, spettroscopia Raman) e morfologica (microscopia a scansione-SEM, SEM-FEG e TEM) e di superficie (XPS).
Laboratorio per la sintesi sol-gel e colloidale. Laboratorio per la costruzione di dispositivi (elettrodi) attrezzato con apparecchiatura semi automatica per deposizione serigrafica.
Laboratorio di elettrochimica (a disposizione stazione elettrochimica e simulatore solare), laboratorio di sinterizzazione (a disposizione forni) e di formatura.
Tipo di misure che sono possibili da realizzare in questo laboratorio, con questo strumento/i
Sintesi di composti organici ed organometallici e loro completa caratterizzazione spettroscopica ed elettrochimica in soluzione.
Determinazione dei tempi di vita dello stato eccitato > 200 fs. Sintesi di nanoparticelle di ossidi con tecniche colloidali, sol-gel e per precipitazione, con caratterizzazione ottica e morfologica.
Preparazione di elettrodi per deposizione di paste di semiconduttori su materiali vetrosi e la loro caratterizzazione microscopica.
Determinazione delle proprietà elettrochimiche e foto-elettrochimiche (capacitanza, impedenza, foto-corrente prodotta) dei film realizzati sia come elettrodi di supporto sia come elettrodi foto-ricaricabili e per i medesimi campioni anche delle loro proprietà ottiche.
Determinazione della conducibilità di elettroliti liquidi. Sintesi e caratterizzazione di materiali a base di MnO2 ottenuti partendo da scarti industriali per applicazioni in supercapacitori elettrochimici.
Applicazione
Sintesi di vari composti organici con proprietà di assorbimento della radiazione solare e loro completa caratterizzazione.
Sintesi di ossidi metallici nanostrutturati e loro caratterizzazione.
Preparazione e caratterizzazione di elettrodi di supporto, elettroliti ed elettrodi foto-ricaricabili.
Sintesi e caratterizzazione di materiali a base di MnO2 ottenuti partendo da scarti industriali.
Descrizione risultati raggiunti SAL2
Sono stati preparati e completamente caratterizzati una collezione di sei coloranti organici, potenzialmente dotati delle proprietà spettroscopiche ed elettrochimiche necessarie per la preparazione dei foto-elettrodi. I composti ottenuti presentano assorbimenti ben centrati nella regione visibile e potenziali redox compatibili con i passaggi fondamentali di iniezione di carica e rigenerazione necessari per la loro utilizzazione nelle fasi successive del progetto. La fotofisica dei coloranti in soluzione è stata studiata sia in assorbimento che in emissione a temperatura ambiente e in matrice solida a 77° K, confermando proprietà compatibili con l’utilizzo nei dispositivi. È stata investigata spettroscopicamente, tramite misure di fotoluminescenza stazionaria e risolta in tempo, la fotofisica del sistema ibrido colorante-semiconduttore inorganico utilizzando film sottili a base di nanoparticelle di TiO2 di dimensioni e forma variabili, ottenute con tecniche sol gel o colloidali; inoltre, è stato esaminato l’effetto della chimica di superficie delle nanoparticelle, confrontando nanostrutture nude o calcinate con nanoparticelle funzionalizzate con leganti organici a catena corta. Si è evidenziato come il trasferimento di carica risulti più efficace su nanoparticelle nude di piccole dimensioni, grazie alla maggiore possibilità per il colorante di essere adsorbito sulla superficie del semiconduttore e al maggior rapporto superficie/volume. Sono stati, quindi, preparati e testati foto-elettrodi a base di film serigrafici di TiO2 (spessore di 11.8 µm) sensibilizzati con differenti coloranti, sia metallo-organici che totalmente organici, che sono risultati in grado di produrre foto-corrente in condizioni di illuminazione. I sistemi con le migliori proprietà a base di N3, BTD-DTP2 e AD418 sono stati utilizzati per la produzione e caratterizzazione di elettrodi per foto-accumulo. Come materiali per gli elettrodi di supporto sono stati utilizzati con successo grafene ossido, nanoparticelle di nichel ossido o magnetite, polimeri conduttori quali PANI e PEDOT. Questi sono stati utilizzati insieme a 4 miscele elettrolitiche ottenute utilizzando differenti sali e solventi (acqua o acetonitrile). Per il medesimo scopo sono stati anche preparati, tramite serigrafia, film di WO3 (spessore 22 µm). Con questi materiali sono state caratterizzate molte combinazioni di TiO2/colorante/materiale per accumulo, allo scopo di preparare elettrodi foto-ricaricabili (sia con l’approccio composito sia con l’approccio “layer by layer”). Tutti i sistemi studiati presentano caratteristiche adatte alla realizzazione di elettrodi foto-ricaricabili. I risultati migliori sono stati ottenuti utilizzando come materiali pseudocapacitivi il grafene ossido ed il PEDOT. È stato, infine, studiato un metodo di sintesi di MnO2 ottenuti da scarti industriali, al fine di esplorare la possibilità di realizzare dispositivi elettrochimici di accumulo e conversione dell’energia partendo da materie prime seconde, in accordo con i principi dell’Economia Circolare.
REFERENTE/I
Dott. Alessandro Mordini CNR – Istituto di Chimica dei Composti Organometallici – ICCOM
Via Madonna del Piano 10
FIGURE CON RELATIVE DIDASCALIE ESAUSTIVE
Figura 1
Didascalia
Formule di struttura (a) e spettri di assorbimento UV-Vis e di fotoluminescenza (b) del colorante TTZ5 in soluzione di CHCl3; (c) decadimento della fluorescenza del TTZ5 in soluzione di CHCl3 (traccia viola) e adsorbito sui film di TiO2 preparati in funzione dei diversi tipi di semiconduttore utilizzato (TiO2 P25 in celeste, TiO2 mesoporoso in verde, TiO2 NRs funzionalizzati con EA in giallo, TiO2 NRs calcinato in rosso, λecc. 485 nm).
Figura 2
Didascalia
Proprietà ottiche, elettrochimiche e di foto-ricarica di AD418 e PEDOT.
Livello di innovazione
L’energia solare può essere immagazzinata connettendo elettricamente cella solare e sistema di accumulo (supercapacitore o batteria). Questa architettura soffre di perdite di potenza a causa delle resistenze elettriche fornite dalle connessioni e richiede complessi processi di costruzione. La soluzione a questo problema è integrare in un unico dispositivo produzione di energia ed accumulo [N. K, C. S. Rout, J. Mater.Chem. A 2021, 9, 8248]. Attualmente, per questo scopo, vengono realizzati dispositivi in cui la cella solare (di tipo dye-sensitized, perovskite, organica o al silicio) ed il sistema di accumulo (supercapacitore o batteria) possono o no condividere un elettrodo (connessione a 2 e 3 terminali). Per incrementare l’efficienza è possibile costruire elettrodi “bifunzionali” in grado di assorbire e immagazzinare l’energia solare in maniera diretta.
Diversi materiali sono stati utilizzati per tale scopo, tuttavia, per la realizzazione di dispostivi altamente efficienti, risulta ancora difficile integrare materiali differenti che contemporaneamente devono fornire proprietà di assorbimento della luce, trasferimento di cariche ed accumulo delle stesse. In particolare, in questa attività vengono esplorati vari fronti, mirando proprio allo sviluppo di materiali innovativi e architetture di dispositivo avanzate. Partendo da TRL 3 ci si pone l’obiettivo di ottenere un TRL 4-5. L’aumento del TRL sarà conseguito mediante lo studio e la sperimentazione di materiali e processi che consentiranno di mettere a punto tecnologie fotovoltaiche esportabili in una fase successiva in ambito industriale.
Attraverso lo screening e lo sviluppo dei materiali più idonei allo scopo (TRL 2), e la successiva realizzazione di dispositivi da testare in laboratorio o in ambienti simulati (TRL 4-5).
Disseminazione
- “Prima Conferenza Nazionale della Rete Italiana Fotovoltaico per la Ricerca e l’Innovazione” Università Milano Bicocca 22-23 giugno 2023. (2 poster).
- 2nd Enerchem School – Chimica per le Energie Rinnovabili, Firenze 13-17 Febbraio 2023 (organizzazione e presentazione di vari poster).
- Presentazione orale dal titolo “Materiali e dispositivi foto-ricaricabili integrati a 2 terminali” al Workshop “IEMAP: la piattaforma italiana per la progettazione accelerata dei materiali per l’energia”, Frascati 22/11/2022.
- Italian Photochemistry Meeting 2022, Ferrara (Italy),15–17 December 2022 (1 poster).
- Articolo: Rational Design of Mono- and Bi-Nuclear Cyclometalated Ir(III) Complexes Containing Di-Pyridylamine Motifs: Synthesis, Structure, and Luminescent Properties; Hugo Sesolis, Geoffrey Gontard, Marie Noelle Rager, Elisa Bandini, Alejandra Saavedra Moncada, Andrea Barbieri, Hani Amouri; Molecules 2022, 27, 6003.
