Zmiany klimatyczne i postępująca degradacja środowiska naturalnego wymuszają konieczność przeprowadzenia zmian w gospodarce energetycznej. Dużo uwagi i prac poświęca się odnawialnym źródłom energii. Jednym z rozwiązań jest energetyka oparta na wodorze. Wodór w reakcji z tlenem uwalnia aż 143,1 \( MJ/kg \) energii. Największą zaletą tej reakcji jest fakt, że w jej wyniku nie trafiają do środowiska żadne zanieczyszczenia, bo jedynym produktem jest woda.
Przetwarzanie energii wytworzonej w tej reakcji na energię elektryczną przeprowadza się w ogniwach paliwowych (zob. Ogniwo wodorowo - tlenowe ) w podręczniku Chemia ogólna
. Wodór, który jest dostarczany do ogniwa paliwowego wytwarza się metodami, które nie przynoszą szkód dla środowiska naturalnego (zob. Elektroliza wody ).
Kolejnym obszarem energetyki, gdzie szeroko są stosowane związki nieorganiczne, jest fotowoltaika.
Fotowoltaika – jest to dziedzina nauki, która zajmuje się transformacją światła słonecznego w energię elektryczną, wykorzystując zjawisko fotowoltaiczne.
Podstawy fizyczne tego procesu zostały opisane w rozdziale 3.5 Podstawy fizyczne konwersji energii słonecznej na energię elektryczną w podręczniku Fotowoltaika.
Ogniwa fotowoltaiczne mają budowę warstwową (zob. 4.1 Elementy struktury ogniw fotowoltaicznych ) w podręczniku Fotowoltaika). Warstwy te składają się z różnego rodzaju związków nieorganicznych. Ogniwa te bazują głównie na krzemie, ale również popularne są selenki miedziowo-idowo-galowe \( Cu(In,Ga)Se_2 \) [1], [2], siarczek kadmu \( CdS \) i tellurek kadmu \( CdTe \) [3], czy selenek molibdenu \( MoSe \) [4].
Jako transparentne elektrody przewodzące stosuje się tlenek indowo-cynowy, tlenek cynku, tlenek cyny [5]. W fazie badań i testów są nanorurki węglowe [6].
Energetyka jądrowa opiera się na związkach uranu. Energię jądrową uzyskuje się w wyniku rozszczepienia jąder w reaktorach jądrowych, przy czy powstają ogromne ilości energii. Jako paliwo jądrowe stosuje się wzbogacony uran \( U-235 \) w postaci stałej lub w postaci roztworu \( \ce{UO_2(NO_3)_2} \) – azotan uranylu lub \( \ce{UO_2SO_4} \) – siarczan uranylu albo w postaci gazowej fluorek uranu (VI), \( \ce{UF_6} \). Innym materiałem wykorzystywanym jako paliwo jądrowe jest pluton \( \ce{Pu-239} \) [7].
Wiele związków nieorganicznych stosuje się w postaci nanomateriałów. Nanotechnologia jest jedną z przodujących dziedzin nauki, która obecnie szybko się rozwija. Jej istotną część stanowią synteza i badania nanocząstek. Różnego rodzaju cząstki o rozmiarach nanometrycznych znajdują zastosowanie do celów badawczych, w wielu gałęziach przemysłu i coraz częściej są spotykane w życiu codziennym.
Nanomateriałem możemy nazwać taki materiał, którego przynajmniej jeden wymiar jest poniżej 100 nm. Można powiedzieć, że są to struktury pośrednie pomiędzy atomami i cząsteczkami, a materiałem makroskopowym. Materiał w skali nano często wykazuje inne właściwości, niż w skali makroskopowej.
Nanomateriały mogą być zerowymiarowe (kropki kwantowe), jednowymiarowe (nanodruty, nanopręty, nanorurki), dwuwymiarowe (cienkie warstwy), czy trójwymiarowe (np. Nanostruktury srebra ).
Związki nieorganiczne wykorzystywane w ogniwach fotowoltaicznych, opisane powyżej są wytwarzane w postaci cienkich warstw.
Szerokie wykorzystanie nanocząstek ma miejsce w medycynie, farmacji i przemyśle kosmetycznym. Nanocząstki \( \ce{Au} \), \( \ce{Ag} \), \( \ce{Cu} \), \( \ce{ZnO} \), \( \ce{TiO_2} \) wykazują właściwości bakteriobójcze.
Nanocząstki srebra można znaleźć w tkaninach, bandażach, dezodorantach i plastrach leczniczych. Stosowanie plastrów z cząsteczkami srebra powoduje szybsze gojenie się ran. Nanocząstki srebra chronią kosmetyki przed zanieczyszczeniami mikrobiologicznymi.
Za przykład wykorzystywania cząstek o rozmiarach nanometrycznych można podać elektronikę i energetykę. Magnetyczne nanocząstki żelaza są stosowane w magnetycznych nośnikach danych. Nanocząstki miedzi i srebra stosuje się do produkcji przewodzącego atramentu, który jest wykorzystywany w przemyśle elektronicznym.
Nanocząstki \( \ce{Cu} \) znalazły zastosowanie w nanocieczach do transportu ciepła. Dla przykładu dodatek 4 \( \% \) nanocząstek \( \ce{Cu} \) do wody, zwiększa o 20 \( \% \) jej przewodność cieplną.
Nanocząstki metali i tlenków metali są stosowane jako katalizatory w wielu reakcjach chemicznych, co umożliwia ich zastosowanie w przemyśle chemicznym i nie tylko. Srebro stosowano jako katalizator do utleniania metanolu do formaldehydu i etylenu do tlenku etylenu. Miedź jako katalizator do utleniania aminokwasów. Tlenek miedzi \( \ce{Cu_2O} \) stosowano do fotokatalicznego rozkładu wody na tlen i wodór w świetle widzialnym.
Fotokatalityczne właściwości również wykazuje tlenek tytanu \( \ce{TiO_2} \), dlatego znalazł zastosowanie do oczyszczania wody i powietrza. Właściwości hydrofilowe i utleniające sprawiły, że \( \ce{TiO_2} \) jest materiałem stosowanym do powłok samoczyszczących, do szkieł przeciwmgielnych i do powierzchni samosterylizujących [8].Bibliografia
1. M. Powalla, B. Dimmler: Scaling up issues of CIGS solar cells, Thin Solid Films (2000) 361, pp. 540-546, dostęp:28.11.20212. J. Ramanujam, D. M. Bishop, T. K. Todorov, O. Gunawan, J. Rath, R. Nekovei, E. Artegiani, A. Romeo: Flexible CIGS, CdTe and a-Si:H based thin film solar cells: A review, Progress in Materials Science (2020) 110, article nr 100619, dostęp:28.11.2021
3. R. W. Birkmire, B. E. McCandless: CdTe thin film technology: Leading thin film PV into the future, Current Opinion in Solid State and Materials Science (2010) 14, Iss. 6, pp. 139-142, dostęp:28.11.2021
4. H. Basher, M. N. Zulkifli, M. K. Rahmat, M. G. A. Rahman, A. Jalar, M. Daenen: Bondability of ultrasonic Aluminum bonds on the molybdenum (de) selenide and molybdenum of back contact layer of copper indium gallium (de)selenide CIGS thin film photovoltaic solar panel, Solar Energy (2021) 228, pp. 516-522, dostęp:28.11.2021
5. M. Sibiński, K. Znajdek: Przyrządy i instalacje fotowoltaiczne, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2016.
6. W. Jang et.al.: Strong dark current suppression in flexible organic photodetectors by carbon nanotube transparent electrodes, Nano Today (2021) 37, p. 101081, dostęp:28.11.2021
7. Wikipedia: Paliwo jądrowe, dostęp:28.11.2021
8. M. Starowicz: Anodowe roztwarzanie metali jako metoda otrzymywania nanocząstek metali i tlenków, Wydawnictwo Naukowe AKAPIT, Kraków 2013.