P. L. S. 2008/2009 Liceo Scientifico “E. FERMI” – Bari Classe V Sez. C CELLA DI GRAETZEL INDICE

CHI E’ MICHAEL GRAETZEL? Michael Graetzel, docente di chimica fisica, insegna all’Università di Losanna. Suoi campi di ricerca sono la fotosintesi artificiale, la bioelettronica, la caratterizzazione delle membrane. Nel 1991 ha presentato la cella fotovoltaica, basata sul processo che si ispira alla fotosintesi delle piante (cella di Graetzel o di Dye Sensitized Solar Cell). INDICE

GRAETZEL…UNA NUOVA FOTOSINTESI? La fotosintesi avviene primariamente grazie alla luce raccolta da molecole di coloranti (pigmenti) che, disposte attorno a centri di reazione, agiscono essenzialmente da antenne per raccogliere la luce. L’assorbimento di un fotone da parte di un sistema-antenna eccita una molecola di pigmento che acquisisce in questo l’energia necessaria ad innescare il trasferimento di elettroni dall’acqua al NADP (nicotinammide-adenosin-dinucleotide fosfato), tramite il quale avverrà in seguito la sintesi dei carboidrati. Sia il trasferimento di energia dal fotone ai centri di reazione che il trasporto degli elettroni dall’acqua al NADP, avvengono con un’efficienza altissima: misure accurate hanno dimostrato che, in condizioni ottimali, l’efficienza complessiva con cui le piante raccolgono la luce e la trasformano in energia chimica è vicina al 90%. Le celle di Graetzel, chiamate anche celle fotoelettrochimiche o celle solari sensibilizzate da coloranti, si ispirano concettualmente ai principi della fotosintesi: uno strato sottile di particelle micrometriche di ossido di titanio rimpiazza il NADP ed il biossido di carbonio come accettore di elettroni, mentre lo iodio in soluzione sostituisce l’acqua come fonte di elettroni. INDICE

COME FUNZIONA UNA CELLA DI GRAETZEL? Il principio di funzionamento della cella di Graetzel è molto simile al processo di fotosintesi. Quando un fotone colpisce la cella, il colorante trasferisce un elettrone al biossido di titanio (il quale lo trasporta fino al vetro conduttore che funge da elettrodo) e una carica positiva (buca) ad un elettrolita (il quale, ossidandosi, lo trasporta al contro-elettrodo. Questa migrazione di cariche elettriche da un elettrodo all’altro è in grado di produrre energia elettrica. INDICE

QUALI MATERIALI SERVONO PER LA PREPARAZIONE? - 2 vetrini conduttori 25x25 mm; gocce di TiO 2 in sospensione acquosa; - 2 gocce di soluzione elettrolitica; - Nastro adesivo; clips; - Etanolo; - 5 ml di acido nitrico pH3; frutti di bosco. INDICE

COME SI PREPARA E ASSEMBLA UNA CELLA? Fase 1: Preparazione della sospensione di biossido di titanio La sospensione di TiO 2 viene preparata in un mortaio macinando il biossido di titanio e aggiungendo lentamente una soluzione di acido nitrico a pH 3 INDICE

Fase 2: Deposito della sospensione di Biossido di Titanio sul vetrino conduttivo Il vetrino viene pulito con l’etanolo ed assicurato al banco di lavoro con lo scotch (maschera); lo scotch creerà un solco da riempire con la sospensione di biossido di titanio che viene depositata tramite una spatola. La sospensione viene spalmata, con una bacchetta di vetro sulla superficie del vetrino. In questo modo lo strato di TiO 2 dovrebbe avere lo stesso spessore dello scotch. INDICE

Fase 3: Cottura del vetrino Viene utilizzata una muffola dove il vetrino subisce il trattamento di sinterizzazione a 450°C per circa 10 minuti, poi viene lasciato raffreddare gradualmente a temperatura ambiente. La cottura del vetrino e quindi la sinterizzazione del TiO 2 ha lo scopo di formare una struttura porosa, che facilita il passaggio degli elettroni dal colorante, attraverso il semiconduttore, al contro-elettrodo. INDICE

Fase 4: Preparazione della tintura antocianina I mirtilli e i lamponi vengono spremuti e nel frattempo il succo viene filtrato per ottenere la soluzione di antociani che fungerà da colorante. INDICE

Fase 5: Immersione del vetrino La soluzione colorata viene versata in un vetrino ad orologio. Il vetrino viene immerso per 10 minuti con il biossido di titanio rivolto verso il basso. INDICE

Fase 6: Lavaggio del vetrino Dopo aver depositato il colorante sul vetrino, questo viene lavato prima con etanolo e poi con acqua. La cella poi viene asciugata delicatamente con della carta. INDICE

Fase 7: Preparazione del contro-elettrodo La preparazione del contro-elettrodo si ottiene depositando un leggero strato di carbonio sull’intera faccia conduttiva del secondo vetrino conduttore affumicandolo con l’uso di una fiamma INDICE

Fase 8: Assemblaggio della cella Versare alcune gocce di elettrolita con l’aiuto di una pipetta sul vetrino che presenta il TiO 2. Il liquido viene assorbito per capillarità dallo strato di biossido di titanio. Vengono sovrapposti il vetrino coperto di TiO 2 e il contro-elettrodo con il carbonio con i lati trattati rivolti verso l’interno, lievemente sfalsati per lasciare esposti i bordi scoperti per i contatti elettrici. Ora la cella è pronta per il funzionamento. INDICE

Con l’aiuto di un amperometro calcoliamo l’intensità di corrente generata dal flusso di elettroni facilitato dall’elettrolita. Dopo aver completato l’assemblaggio della cella, questa viene esposta ad un fascio di luce abbastanza intenso in modo da simulare la luce del sole. Fase 9: “Collaudo” della cella INDICE

Il Progetto Lauree Scientifiche ha stimolato ad approfondire l’argomento relativo alle celle fotoelettrochimiche tramite la ricerca delle fonti bibliografiche (pubblicazioni scientifiche), a cercare collegamenti tra diverse discipline curricolari (chimica fisica, chimica analitica e chimica organica). Questa attività è stata interessante in quanto ci ha consentito di effettuare esperienze, organizzate per gruppi di lavoro, che hanno coinvolto studenti provenienti da istituti diversi. E’ stata un’opportunità per conoscere come viene condotta la ricerca scientifica in un ambiente universitario dotato di attrezzature di livello tecnologico molto avanzato. In particolare si è cercato di riprodurre, almeno in parte, il metodo della ricerca sperimentale mettendo a punto le condizioni operative tratte dalla pubblicazione di Graetzel del CONCLUSIONI: INDICE

RINGRAZIAMENTI A cura del gruppo di lavoro Barbone Erika Madeo Domingo Papadia Francesca Si ringraziano per la disponibilità, la collaborazione e i materiali forniti i docenti del Dipartimento di Chimica dell’Università di Bari, il Professor Maurizio Castagnolo e la Professoressa Pina Lisa Cosma. Si ringraziano, inoltre, il Dirigente Scolastico G.M. Forenza e la Professoressa di chimica Gemma Rutigliano del Liceo scientifico “E. Fermi” per la disponibilità dimostrata nella realizzazione del progetto. INDICE

INDICE Chi è Michael Graetzel? Graetzel…Una nuova fotosintesi? Come funziona una cella di Graetzel? Quali materiali servono per la preparazione? Come si prepara e assembla una cella? Conclusioni Ringraziamenti Slide 2 Slide 3 Slide 4 Slide 6 Slide 15 Slide 16 Slide 5