Fém klaszter érzékenyített titán-dioxid napelem kvantumkémai modellezése, előállítása és vizsgálata
Napjainkban egyre fontosabbá válik az, hogy olyan technológiák kerüljenek kidolgozásra, amelyek segítségével kiszolgálhatóvá válik az emberiség folyamatosan növekedő energiaigénye, illetve amelyekkel kiválthatók hagyományos energiaforrásaink. Ezen megújuló energiaforrások egyike a Nap, melyet többek között napelem segítségével hasznosíthatunk.
A nanotechnológia segítségével számos új, különleges és ami a legfontosabb, tervezhető tulajdonságú anyag hozható létre. A számítástechnika fejlődésével a nanoméretű rendszerek különleges tulajdonságainak modellezését, mélyebb megértését és tervezését lehetővé tevő kvantumkémiai számítások is elvégezhetőek ebben a mérettartományban. Munkám célja fém-klaszterekkel érzékenyített napelemek előállítása volt, melyhez mind elméleti, mind pedig kísérleti módszerek széles skáláját alkalmaztam.
A sűrűségfunkcionál elméleten alapuló (DFT) számítások során két, különböző elemszámú titán-dioxid klasztert, arany klasztereket, illetve titán-dioxid – arany klasztereket építettem, majd elvégeztem geometriai optimalizációjukat. A megfelelő funkcionál – bázis pár (LRC-wPBE és DEF2-TZVP) kiválasztása után az optimalizált klasztereknek kiszámoltam az alapállapoti energiáit, a gerjesztési energiáit és az ahhoz tartozó állapotokat. Emellett a gerjesztés során fellépő elektrontranszfert is vizsgáltam. A titán-dioxid és az arany klaszterek közötti kölcsönhatás vizsgálatához kötési energiákat, kötésindexeket és a klasztert felépítő atomok töltéseit számoltam ki.
Az eredmények azt mutatták, hogy a tíz elemből álló titán-dioxid klaszter esetében az arany klaszterrel való kölcsönhatás jobban tervezhető, tudjuk, hogy a két klaszter mely atomokon keresztül fog kötéseket kialakítani. Illetve ebben az esetben stabilabb klasztereket kaptam, mint azon klaszterek esetében, ahol a titán-dioxid klaszter hat egységből áll. A Häkkinen által publikált „divide and protect” elv itt is beigazolódott, az oxigénhez kötődő arany atomok oxidált állapotba kerültek, míg a titánhoz kapcsolt, illetve a klaszter belső részét alkotó atomok töltése semleges maradt.
A gerjesztési energiák számításakor azt az eredményt kaptam, hogy az első gerjesztett állapot minden esetben triplett állapotú. Az arany esetén a jelentős relativisztikus hatások miatt ez felveti a foszforeszcencia lehetőségét.
Mivel a fém klaszterek abszorpciós spektruma a méret függvényében változik, ezért a kolloidkémiai módszerek használata során fő célom az volt, hogy olyan arannyal adalékolt titán-dioxid vékonyréteget állítsak elő, amelyben az arany klaszterek mérete szabályozható. Az aranyat kétféleképpen juttattam be a rendszerbe; egyrészt interkalálva, másrészt a titán-dioxid rétegben a felületaktív anyag által létrehozott pórusokba inkubálva. Az arany klaszter méretének változását a bejuttatott arany-klorid mennyiségének változtatásával értem el.
A készített vékonyrétegek vastagságának meghatározásának céljából UV-Vis spektrumokat vettem fel. Emellett fluoreszcenciás és foszforeszcenciás méréseket végeztem. A kapott spektrumok segítségével következtetni lehet az előállított arany-klaszterek méretére.
szerző
-
Barabás Júlia
Vegyészmérnöki mesterképzési szak, nappali MSc
mesterképzés (MA/MSc)
konzulens
-
Dr. Veszprémi Tamás
egyetemi tanár, Szervetlen és Analitikai Kémia Tanszék
