Descrizione del modulo "Sintesi di nuovi sensibilizzatori con sistemi di ancoraggio ottimizzabili (PM.P04.012.003)"

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  • Descrizione del modulo "Sintesi di nuovi sensibilizzatori con sistemi di ancoraggio ottimizzabili (PM.P04.012.003)" (literal)
Potenziale impiego per bisogni individuali e collettivi
  • La ricerca proposta rappresenta un interessante innovazione nel settore del fotovoltaico in quanto è mirata alla realizzazione di nuovi impianti non convenzionali, caratterizzati da bassi costi di produzione e facile integrabilità architettonica. I risultati che si attendono ben si adattano ad un possibile trasferimento tecnologico nel settore dedicato ad uno sfruttamento efficiente della energia solare come fonte alternativa e rinnovabile. La corrispondente riduzione del consumo di energia da fonte tradizionale è volta a determinare un risparmio economico sul fabbisogno delle singole comunità ma anche un rispetto per l'ambiente determinato sia dalla riduzione delle emissioni inquinanti che dalla ecocompatibilità dei dispositivi proposti. (literal)
Tematiche di ricerca
  • Il modulo si propone il design e la sintesi di nuovi materiali organici caratterizzati da un elevato assorbimento della radiazione luminosa, per l' applicazione nel campo delle celle fotovoltaiche DSSC. In particolare verrà considerata la sintesi di coloranti a struttura D-p-A le cui proprietà elettroniche e spettroscopiche saranno predette attraverso procedure di molecular modeling (in collaborazione con ISTM – Perugia, Università di Siena). Lo studio di nuovi \"spacers\" eterociclici coniugati (quali ad esempio i sistemi tiasolotiazolici) sara' finalizzato soprattutto all'ottenimento di celle trasparenti e con varie colorazioni, particolarmente adatte per l'integrazione architettonica, e all'inserimento di nuovi sistemi di ancoraggio alla TiO2 che possano dar luogo ad una maggiore stabilità dei dispositivi. La ottimizzazione delle procedure sintetiche e la realizzazione di processi eco-compatibili caratterizzati da efficienza, selettività, applicabilità su larga scala saranno strumenti fondamentali per la realizzazione di questo progetto. (literal)
Competenze
  • Nel gruppo proponente sono presenti competenze nel settore della sintesi organica ed organometallica e nella purificazione e caratterizzazione analitica e spettroscopica di nuove strutture. Il gruppo ha una lunga e comprovata esperienza nella progettazione e sintesi di molecole complesse che potrà essere utilizzata per intraprendere uno studio sulle relazioni fra struttura/attività dei sensibilizzatori. In particolare è presente una lunga esperienza sullo studio e le applicazioni sintetiche delle reazioni di cross-coupling catalizzate da metalli di transizione che sono in generale riconosciute come un valido strumento sintetico per la realizzazione di strutture di tipo D-p-A come quelle da noi individuate. Infine l'esperienza maturata nel gruppo di ricerca sull'utilizzo di tecniche non convenzionali (catalisi in acqua, liquidi ionici, attivazione con MW), per la realizzazione di processi eco-compatibili potrà rivestire particolare interesse per l'eventuale scale-up di molecole che mostrino buona efficienza nel dispositivo. (literal)
Potenziale impiego per processi produttivi
  • Scale - up dei coloranti piu' attivi. Utilizzazione dei materiali più promettenti per la costruzione di elettrodi a TiO2 da assemblare in un dispositivi fotovoltaici di cui valutare le performances. L'obbiettivo è quello di migliorare l'efficienza, la stabilità, la trasparenza e di poter influenzare il colore delle celle DSSC in modo da renderle competitive con altri dispositivi fotovoltaici che attualmente dominano il mercato. Produzione di prototipi caratterizzati da buona efficienza ed elevata stabilità. (literal)
Tecnologie
  • Le tecnologie impiegate saranno soprattutto mirate ad individuare vie sintetiche nuove, versatili ed afficienti per i nuovi materiali progettati. Particolare riguardo sarà rivolto alla ricerca di strategie di sintesi che consentano di inserire facilmente modificazioni strutturali sugli scaffold molecolari individuati, in modo da potere ottenere librerie di composti con cui fabbricare le celle e verificare l'efficienza, il colore, la trasparenza. Uno strumento ideale per la realizzazione di strutture come quelle descritte e rappresentato dalle reazioni di cross- coupling che rappresentano uno dei metodi più efficienti per la formazione di nuovi legami fra atomi di carbonio insaturi o anche fra carbonio ed eteroatomi. Per conseguire questo obbiettivo si prevede di privilegiare l'utilizzo di tecniche sintetiche ecocompatibili caratterizzate da elevata efficienza (alta resa e selettività), minimizzazione dei prodotti di scarto, sostituzione di intermedi e solventi nocivi con altri non tossici o a basso impatto ambientale (acqua, etanolo, liquidi ionici), uso di prodotti rinnovabili e di tecniche non convenzionali (micro-onde) in condizioni di alta efficienza energetica (literal)
Obiettivi
  • Individuare le strategie sintetiche ottimali per realizzare le molecole target, con particolare riguardo alla introduzione di un'ampia diversità molecolare e alla possibilità di effettuare con facilità modificazioni strutturali per ottenere librerie di composti. Effettuare uno screening su librerie di composti (anche di origine natuarale) al fine di individuare nuovi scaffolds molecolari con elevata capacità foto sensibilizzante. Studiare una serie di nuovi gruppi ancoranti caratterizzati da elevati stabilità di legame con TiO2 e elevata capacità di iniezione Confrontare i dati calcolati con i dati sperimentali, derivanti dalla caratterizzazione spettroscopica, elettrochimica e fotofisica delle molecole sintetizzate al fine di: • validare i calcoli • migliorare l'interpretazione dei dati sperimentali • suggerire ulteriori/migliori sensibilizzatori da sintetizzare. Ottimizzare le condizioni di reazione e studiare nuove procedure eco-compatibili, caratterizzate da elevata efficienza (alta resa e selettività) e basso impatto ambientale Scale-up delle procedure per le molecole più promettenti. (literal)
Stato dell'arte
  • Le DSSC) rappresentano una valida alternativa al fotovoltaico tradizionale. Questo tipo di celle sono basate sulla sensibilizzazione di uno strato di TiO2 da parte di un colorante organico: la scelta del fotosensibilizzatore riveste dunque un ruolo fondamentale per incrementarne l'efficienza. Oltre a sistemi di natura organometallica, recentemente sono stati sviluppati coloranti di natura organica che, seppur al momento meno efficienti, presentano il vantaggio di essere poco costosi, piu' stabili e permettere una grande versatilità strutturale. In genere le molecole piu' utilizzate a questo scopo sono strutture di tipo D-p-A in cui sono presenti gruppi elettronricchi (donatori) collegati attraverso spaziatori coniugati (aromatici, eteroaromatici o polienici) a gruppi funzionali accettori. Questi sono utilizzati anche per l'ancoraggio alla TiO2. Progettare nuovi coloranti che presentino un elevato assorbimento della radiazione e stabilità chimica risulta molto importante per un miglioramento generale della efficienza di una DSSC. Le reazioni di cross-coupling Pd catalizzate sono un valido strumento sintetico per la realizzazione di strutture di tipo D-p-A. (literal)
Tecniche di indagine
  • Le tecniche di indagine saranno rivolte alla completa caratterizzazione strutturale e chimico fisica dei derivati sintetizzati che verrà condotta da un punto di vista spettroscopico: NMR, spettrometria di massa, UV-vis-NIR (per valutare se le proprietà di assorbimento dei materiali), spettri di fluorescenza (per determinare i livelli energetici dello stato eccitato di singoletto); elettrochimico: voltammetria ciclica (per la determinazione del potenziale di prima ossidazione), determinazione della curva I/V delle celle. I laboratori coinvolti dispongono di strumentazioni adeguate molte delle quali disponibili in self service o utilizzabili grazie alla presenza di personale tecnico dedicato: X-ray (2 diffrattometri) NMR (spettrometri a 400, 300, 200 MHz) Spettroscopia di massa Spettroscopia ottica (UV-VIS, IR, IR ad alte pressioni) Tecniche di separazione (GC, HPLC) Reattore Micro-onde Solarimetro A Firenze sono inoltre presenti alcuni centri interdipartimentali di supporto quali: CRIST (http://www.crist.unifi.it/; Cristallografia e diffrattometria per singoli cristalli e polveri); CISM (http://www.cism.unifi.it/; spettrometria di massa: GC-MS; LC-MS; Maldi TOF/TOF). (literal)
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