MENA1001 – Materialer, energi og nanoteknologi MENA1001-Materialer, energi og nanoteknologi- Kursgjennomgang Teknologivis – på kryss av kapitlene Her kommer en liste over hvilke teknologier vi går gjennom Truls Norby Kjemisk institutt/ Senter for Materialvitenskap og nanoteknologi (SMN) Universitetet i Oslo Forskningsparken Gaustadalleen 21 0349 Oslo truls.norby@kjemi.uio.no MENA1001 – Materialer, energi og nanoteknologi

MENA1001 – Materialer, energi og nanoteknologi

MENA1001 – Materialer, energi og nanoteknologi Kjerne-energi Kjernereaksjoner Hydrogenfusjon på solen 411p = 42He…? Hvor kommer energien fra? Fusjonskraft Fisjonskraft 235U + n = 236U = 92Kr + 142Ba…? MENA1001 – Materialer, energi og nanoteknologi

Stråling til og fra Jorden Hva stråler? Hva bestemmer bølgelengden? Hva bestemmer intensiteten? Hva absorberer? Hvilke prosesser absorberer? MENA1001 – Materialer, energi og nanoteknologi Figur: Ekern, Isnes, Nilsen: Univers 3FY.

Direkte solenergi - termisk Absorbsjon Hvor mye energi per grad? Hva skjer når stoffer varmes opp? Hva er indre energi? Figurer: Bellona, Høgskolen i Volda, BrightSource Energy MENA1001 – Materialer, energi og nanoteknologi

MENA1001 – Materialer, energi og nanoteknologi Fra elektromagnetisk stråling (lys) til elektrisitet Fotovoltaiske celler - solceller Atomorbitaler Molekylorbitaler Energibånd Elektroner og elektronhull Metaller – halvledere – isolatorer Doping; n- og p-ledere Hva er ledningsevne? n-p-koblinger. Båndene flyttes og bøyes. Dioder. LEDs. Solceller. MENA1001 – Materialer, energi og nanoteknologi

MENA1001 – Materialer, energi og nanoteknologi n-p-overganger MENA1001 – Materialer, energi og nanoteknologi

MENA1001 – Materialer, energi og nanoteknologi Fra lys til elektrokjemiske prosesser Fotoelektrokjemiske celler – forts. Grätzel-celler ”dye-sensitized” Ledende glasselektroder Halvleder (nano-TiO2) Adsorbert fargestoff (”dye”) Elektrolytt Redokspar (I- / I3-) Se på Ru-komplekset: Hvor mange «tenner» har ligandene? Hva er energinivåene i komplekset? Hva er energinivåene I TiO2? MENA1001 – Materialer, energi og nanoteknologi

Indirekte solenergi - vannkraft Potensiell energi i vann Turbin El-generator Induksjon Magnetiske materialer Harde og bløte ferromagneter Magnetisme Dia- og paramagnetisme Spinn MENA1001 – Materialer, energi og nanoteknologi Figur: NVE, Energi teknikk AS, Mikrokraft AS

MENA1001 – Materialer, energi og nanoteknologi Fossile energikilder Kull Hydrokarboner Bindinger Sammensetning Forbrenning Petrokjemi Katalyse MENA1001 – Materialer, energi og nanoteknologi

Fischer-Tropsch-syntese Fra syntesegass til høyere hydrokarboner, mest alkaner: (2n + 1) H2 + n CO → CnH2n+2 + n H2O 150-300°C, Katalysatorer: Co, Fe, Ru... Image Source: BioPact/Syntroleum MENA1001 – Materialer, energi og nanoteknologi

MENA1001 – Materialer, energi og nanoteknologi Varmemaskiner Brensel Materialer Effektivitet Utslipp MENA1001 – Materialer, energi og nanoteknologi

”Combined cycle” kraftverk Hvorfor øker dette effektiviteten? MENA1001 – Materialer, energi og nanoteknologi

MENA1001 – Materialer, energi og nanoteknologi Ren eksos Reaksjoner mellom avgass-molekylene Hvordan virker Lambdasensoren for pO2? MENA1001 – Materialer, energi og nanoteknologi

CO2-separasjon – ”CO2-fritt kraftverk” C eller CO2 må mest mulig fjernes fra fossile brensel, og deponeres, slik at vi i praksis brenner bare hydrogenet Separasjon… MENA1001 – Materialer, energi og nanoteknologi Figur: http://www.co2captureproject.org.

MENA1001 – Materialer, energi og nanoteknologi Post-combustion Figur: Bellona MENA1001 – Materialer, energi og nanoteknologi

MENA1001 – Materialer, energi og nanoteknologi Pre-combustion Figur: Bellona MENA1001 – Materialer, energi og nanoteknologi

MENA1001 – Materialer, energi og nanoteknologi Oxyfuel-prosess Figur: Bellona MENA1001 – Materialer, energi og nanoteknologi

Blandede ledere for gasseparasjonsmembraner CH4 CO + 2H2 H+ e- 4H2 CH4 + 2H2O CO2 MENA1001 – Materialer, energi og nanoteknologi

MENA1001 – Materialer, energi og nanoteknologi CO2-deponering Mange muligheter: Et spørsmål om kostnad og pris for energi og for CO2-utslipp Figur: http://script3.ftech.net/~ieagreen/what_is_co2.htm MENA1001 – Materialer, energi og nanoteknologi

Fra kjemisk til elektrisk energi Brenselceller MENA1001 – Materialer, energi og nanoteknologi

Fastoksid-brenselcelle - Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) MENA1001 – Materialer, energi og nanoteknologi

MENA1001 – Materialer, energi og nanoteknologi Brenselcelle med rent protonledende elektrolytt Proton Conducting Fuel Cell (PCFC) MENA1001 – Materialer, energi og nanoteknologi

Polymer-elektrolytt-brenselcelle Oak Ridge Natl. Lab. MENA1001 – Materialer, energi og nanoteknologi

Potensial og effekt vs strøm for en brenselcelle MENA1001 – Materialer, energi og nanoteknologi

Lagring av elektrisitet Elektrokjemisk konvertering; akkumulatorer Studentene bør lære Li-ion figuren og å kunne tegne og forklare den i opplafning (som over) og utladning: Strømmen reverseres – spenningsfortegnet opprettholdes. MENA1001 – Materialer, energi og nanoteknologi

MENA1001 – Materialer, energi og nanoteknologi Hydrogen MENA1001 – Materialer, energi og nanoteknologi

Temaer kapittelvis som dekker læringsmålene Oppgave 1 Generelle temaer fra Kap. 1, Lab, nano, etc. Oppgave 2 Mekanisk energi Elektromagnetisk Stråling Oppgave 3 Entalpi Entropi Gibbs energi, spontanitet, likevekt Oppgave 4 Atomorbitaler, periodesystemet Elektronkonfigurasjoner Atomegenskaper; størrelse, ionisering/elektronaffinitet/elektronegativitet Oppgave 5 Molekylorbitaler, bindinger Molekyler, faste stoffer, Nanoteknologi Grunnstoffer og forbindelsers egenskaper Oppgave 6 Støkiometri, mengde, syre-base, løsninger, komplekser, redoks Likevekt, sponanitet, kinetikk Elektrokjemi Likevektsberegninger, cellepotensialer Oppgave 7 Struktur. Metoder. Defekter. Fasediagram. Oppgave 8 Mekaniske egenskaper Konstruksjonsmaterialer Kompositter, biomimetiske og –kompatible materialer Oppgave 9 Optiske egenskaper Magnetiske egenskaper Elektriske egenskaper Katalytiske, kjemiske, termiske egenskaper Oppgave 10 Fornybare og fossile energikilder Konvertering og lagring Miljø- og klimagassutslipp. Karbonfangst MENA1001 – Materialer, energi og nanoteknologi