Smart materials Kleverige polymeren Inleiding polymeren



Dovnload 63.95 Kb.
Datum24.08.2016
Grootte63.95 Kb.







Smart materials


1. Kleverige polymeren

Inleiding polymeren

Polymeren bestaan uit lange moleculen, ook wel macromoleculen genoemd. De meeste polymeren kun je maken uit één eenvoudige grondstof. Een dergelijke beginstof wordt een monomeer genoemd, het is een klein molecuul. Bij het ontstaan van een polymeermolecuul worden heel veel monomeermoleculen aan elkaar gekoppeld. Dit geldt voor alle polymeren of ze nu natuurlijk (wol, zijde, katoen) zijn of dat ze synthetisch (nylon, polyetheen, polyvinylalcohol) zijn. De synthetische polymeren worden vaak plastics of kunststoffen genoemd.


Een polymeer krijgt de naam van het monomeer waaruit het is gemaakt, vooraf gegaan door het woord ‘poly’. Je kunt dus zeggen dat heel veel monomeren samen een polymeer vormen.

Bouw van polymeren

Een polymeer is opgebouwd uit lange moleculen. Hoe langer het molecuul des te groter is de aantrekking van de moleculen onderling (vanderwaalsbinding). Deze aantrekking zorgt ervoor dat het polymeer bij kamertemperatuur een vaste stof is. Is de aantrekking groot dan is het polymeer ook hard.

Korte polymeermoleculen vormen soepele zachte materialen. De aantrekkingskracht tussen de moleculen onderling is kleiner. Daarom zijn korte polymeermoleculen gemakkelijk te vervormen. Lange polymeermoleculen vormen door de grote onderlinge aantrekkingskracht stevigere en hardere materialen. De lange, met elkaar verstrengelde polymeermoleculen, zijn vrijwel niet te vervormen, zie figuur 1.






Trekkrachten

Trekkrachten

Korte polymeermoleculen kun je gemakkelijk uit elkaar halen.

Lange polymeermoleculen zijn verstrengeld en heel lastig uit elkaar te halen.


Figuur 1 Schematische weergave van trekkrachten op korte- en lange polymeermoleculen.

Hard of zacht

Bij het maken van een kunststof kijken we naar wat we ermee willen doen. Hebben we een afvoerpijp nodig dan moet die hard en stevig zijn. Kleding moet zacht en lekker te dragen zijn en speelgoed is soms hard en soms zacht. Afhankelijk van het gebruik maken we een bepaalde kunststof met de juiste materiaaleigenschappen. We weten inmiddels dat die eigenschappen te maken hebben met de lengte van de moleculen van het polymeer.


Laten we eens een polymeermolecuul onder de loep bekijken. Bijvoorbeeld het polymeer dat PVA (polyvinylalcohol) heet. Dit is een polymeer dat gebruikt wordt in de lijmindustrie.

Aan het materiaal voegt men een vloeistof toe die uit kleine moleculen bestaat. Deze kleine moleculen gaan tussen de polymeermoleculen in zitten. Hierdoor zitten de ketens van het polymeer verder van elkaar af. Dit zorgt ervoor dat de aantrekking tussen de moleculen zwakker wordt. Hierdoor kunnen de polymeerketens gemakkelijk over elkaar glijden. Het polymeer is nu zacht en flexibel. Zulke stoffen noemen we weekmakers.


Laten we dit vergelijken met een bord met spaghetti. Als we tomatensaus hebben toegevoegd glijden de spaghettislierten veel gemakkelijker langs elkaar.

Als we een stijve kunststof willen produceren, moeten we zorgen dat de moleculen van het polymeer niet over elkaar heen kunnen glijden. We gaan dan uit van een monomeer dat een polymeer oplevert waarbij een ‘brug’ wordt gelegd tussen de ene en de andere keten. Als je dan een polymeermolecuul zou kunnen oppakken, neem je uiteraard de andere die eraan vastzitten mee. Het polymeer wordt nu hard en stevig. De brug tussen twee ketens noemen we een crosslink (dwarsverbinding).





Figuur 2 Schematische weergave van polymeermoleculen met en zonder crosslinks.

Thermoharders en thermoplasten

Polymeerketens met veel crosslinks kunnen nauwelijks meer vrij ten opzichte van elkaar draaien en er vormt zich een “star/stijf” polymeermolecuul. De kunststof noemen we een thermoharder (thermos is Grieks voor warmte en harder van de eigenschap hard).

Als er geen crosslinks zijn, blijft de kunststof zacht. De ketens kunnen gemakkelijk over elkaar of langs elkaar glijden. Als we deze kunststoffen gaan verhitten worden ze steeds zachter tot ze vloeibaar worden, je kunt er dan draden van trekken. Zo’n kunststof noemen we een thermoplast (thermos is Grieks voor warmte en plast van de eigenschap plastisch of flexibel).
Slime beter bekeken

Het maken van slime is eigenlijk een gel maken. Een gel bestaat in principe uit twee verschillende bestanddelen: een vloeistof en een vaste stof. Hij vertoont de eigenschappen van beide. Als we de gel in een bekertje doen, dan neemt deze de vorm van het bekertje aan zoals elke vloeistof zou doen. Als we de gel op de grond zouden laten vallen, kunnen we deze gewoon oprapen. De gel gedraagt zich dan als een vaste stof.


Om een gel te maken hebben we een polymeeroplossing nodig. Slime wordt gemaakt van polyvinylalcohol (PVA). Dit is een kleverige stof, die gebruikt wordt als lijm. Met lijm uit een lijmstift (Action) kun je slime maken.
De werking van lijm

Action-lijm is een waterige oplossing van polyvinylalcohol (PVA). Als je plaatjes gaat plakken moet je wachten tot de lijm opgedroogd is. Als het water uit het lijmmengsel verdampt zullen de polymeermoleculen van het polyvinylalcohol met waterstofbruggen niet alleen aan elkaar plakken, maar ook aan de cellulosemoleculen van het papier van je schrift.




Figuur 3: papier met polyvinylalcohol als lijm
De werking van slime

De waterige lijmoplossing kun je mengen met een boraxoplossing. De borax zorgt ervoor dat er een netwerk van lijm komt die het aanwezige water insluit in holle ruimtes.

PVA bestaat uit lange polymeermoleculen die vrij kunnen bewegen in een oplossing. Als er boraxoplossing wordt toegevoegd worden er crosslinks gevormd tussen een PVA molecuul en de borax-ionen en er wordt een slijmerige stof gevormd die op een vaste stof lijkt. De crosslinks worden bijeen gehouden door waterstofbruggen.



Figuur 4: In slime vormen borax-ionen via waterstofbruggen, de crosslinks tussen de PVA ketens (versimpeld weergegeven).


Vragen


  1. a. Wat zijn de belangrijkste aantrekkingskrachten tussen polymeermoleculen?
    b. Leg uit wat het verschil is tussen een thermoplast en een thermoharder.
    c. Zoek in Binas tabel 67A3 de structuurformule van cellulose op en leg uit hoe de waterstofbruggen tot stand komen tussen het papier en de lijm.




  1. Geef de structuurformule van het monomeer van polyvinylalcohol.



Polyvinylalcohol


  1. Leg met structuurformules uit waarom ethanol goed oplost in water.
    Teken 3 moleculen ethanol en 3 moleculen water.




  1. Verklaar met behulp van de elektronegativiteit of de volgende moleculen polair of apolair zijn.
    - koolstofdioxide
    - ammoniak
    - 2-hydroxypropeen




  1. Verklaar nu, na bestudering van de theorie, de resultaten van proef 1 en 2.




  1. Ga naar het internet en zoek een aantal toepassingen van kleverige polymeren, die nu al in gebruik zijn. Zoek ook naar een paar toepassingen, waarvan wordt verwacht dat deze in de nabije toekomst bruikbaar zijn. Gebruik deze informatie in de tentoonstelling die je gaat maken.




2. Elektrisch geleidende polymeren

Elektrische geleiding bij metalen

Elektrische geleiding kan alleen plaatsvinden als er sprake is van bewegende elektrische lading. Alle metalen geleiden elektrische stroom. Om deze geleiding te kunnen beschrijven moeten we eerst gaan kijken naar de opbouw van een metaalatoom.


Een metaalatoom is opgebouwd uit positief geladen atoomresten, met daar omheen vrij bewegende elektronen in verschillende energieniveaus. Metaalatomen hebben volgens het atoommodel van Bohr weinig elektronen in de buitenste schil. In de buitenste schil van een metaalatoom zitten vaak maar 1 of 2 elektronen (zie het periodiek systeem). Deze elektronen worden bovendien niet erg stevig vastgehouden, omdat e ver van de kern zijn verwijderd. We noemen deze elektronen dan ook vrije elektronen.
De metaalatomen zijn in de vaste stof netjes gerangschikt in een metaalrooster. Deze metaalatomen zijn daarbij elektronen uit de Figuur 5: een metaal met vrije elektronen

buitenste schil kwijt geraakt, zodat er positief

geladen metaalatomen overblijven.
De elektronen, die vrij door het metaalrooster kunnen bewegen houden de positief geladen metaalatomen bijeen. Elektronen kunnen zich nu heel gemakkelijk verspreiden ten gevolge van een aangelegd spanningsverschil (een batterij of spanningsbron). Bij stroomgeleiding verplaatsen deze ‘vrije elektronen’ zich door het metaalrooster.
De elektrische geleiding bij polymeren

Bij isolatoren, zoals de meeste plastics (polymeren), zijn de buitenste schillen van de elektronen helemaal gevuld. Er is geen mogelijkheid voor de elektronen om te bewegen en er kan dus geen stroom lopen.

Waarom kunnen bepaalde soorten polymeren dan toch de stroom geleiden?

Om antwoord op deze vraag te geven moeten we eerst de bouw van polymeren nader bezien. Zoals je al eerder hebt geleerd zijn polymeren macromoleculen. Elk macromolecuul is opgebouwd uit bouwstenen, die monomeren worden genoemd. Een grote groep van stoffen waarvan de moleculen bruikbaar zijn als monomeren zijn de alkenen.


Alkenen, een korte uitbreiding op je kennis

De soorten bindingen in alkenen.

In een etheenmolecuul zit tussen de koolstofatomen een dubbel elektronenpaar. We spreken in zo’n geval van een dubbele binding en geven dit als volgt weer:

H H


\ /

C = C of CH2 = CH2 etheen en CH2 = CH – CH3 is propeen

/ \

H H
Bij een enkele binding zijn twee elektronen betrokken. Zoals je weet is een streepje tussen twee atomen een gemeenschappelijk elektronenpaar en dit elektronenpaar vormt een atoombinding. Het gemeenschappelijk elektronenpaar plaatst zich tussen de twee te binden C-atomen en dat noemen we ook wel een zogenaamde σ-binding (sigma-binding).


Een dubbele binding tussen twee C-atomen bevat echter twee bindingen. In een dubbele binding is één van de twee bindingen ook een σ-binding, de andere is een zogenaamde π-binding (pi-binding), en de twee elektronen van het gemeenschappelijk elektronenpaar worden π-elektronen (pi-elektronen) genoemd. De π-elektronen bevinden zich niet tussen de twee atomen in, maar in een ruimte boven en onder de binding zoals onderstaande figuur van het molecuul etheen laat zien.
De zes atomen (2 C-atomen en 4 H-atomen) liggen in een plat vlak samen met de 5 enkelvoudige atoombindingen (de σ-bindingen). De π-binding tussen de twee C-atomen ligt gedeeltelijk boven en gedeeltelijk onder het vlak in de vorm van halters. Door de overlap aan de bovenkant en aan de onderkant van halters vormen deze elektronenwolken als het ware een extra binding en dit noemen we de tweede binding, ofwel de dubbele binding, ofwel π-binding. Deze elektronen zijn zwakker gebonden aan beide C-atomen en dus is dit een zwakkere binding dan de σ-binding.


Figuur 6: molecuulmodellen van etheen. De pijltjes in het rechtplaatje geven elektronen weer.
Een dubbele binding kan niet alleen tussen C-atomen, maar ook tussen andere atomen voorkomen. Zo bestaat het zuurstofmolecuul uit twee zuurstofatomen die met een dubbele binding aan elkaar gebonden zijn. Ook combinaties van verschillende atomen kunnen een dubbele binding hebben. Zie ook voor een animatie in het Engels de volgende link:

http://users.skynet.be/eddy/sigmapi.html
Aromaten

Een groep van cyclische koolwaterstoffen zijn de aromaten. Stoffen die tot de aromaten behoren, bevatten een zogenaamde benzeenring: C6H6.

Hier is sprake van een ringvormige verbinding met drie dubbele bindingen. De π elektronen van deze drie dubbele bindingen bevinden zich niet vast tussen twee C-atomen, maar vormen een bindende elektronenwolk in het midden van de ring koolstofatomen. Daarom zeggen we dat de π-elektronen gedelokaliseerd zijn, dat wil zeggen: niet aan een bepaalde plaats gebonden. Symbolisch worden de drie π-bindingen daarom ook wel met een rondje aangegeven.


Figuur 7: structuurmodellen van benzeen

Als de benzeenring een zijgroep van een groter molecule is, dan noemt men de benzeenring een fenylgroep (molecuulformule dus dus C6H5 –).


Tabel 1: naamgeving

naam

structuurformule

benzeen

C6H6

methylbenzeen of tolueen

C6H5 – CH3

fenyletheen of styreen

C5H5 – CH = CH2



Vragen

  1. Geef de systematische naam bij onderstaande structuurformules:


a.


b.


c.

d.



e.



Additiereactie bij alkenen

Alkenen kunnen gemakkelijk met andere stoffen reageren. Als bijvoorbeeld etheen reageert met broomwater, ontstaat 1,2 – dibroomethaan.



Eén van de twee gemeenschappelijke elektronenparen in de dubbele binding van etheen kan ‘open springen’. Bij bovenstaande reactie wordt de π-binding van etheen gebroken in twee losse elektronen. Het is ‘de zwakste schakel’ in het molecuul. Hierdoor kunnen de beide koolstofatomen ieder een ander atoom aan zich binden.

Dit noemen we een additiereactie. Adderen komt uit het Latijn en betekent toevoegen. Broom wordt als het ware aan etheen toegevoegd en er ontstaat één nieuw molecuul. Behalve broom kunnen bijvoorbeeld ook fluor, chloor, jood, waterstof en water worden geaddeerd aan alkenen.


Vraag

  1. Geef de reactievergelijking van de onderstaande reacties en gebruik voor alle stoffen structuurformules.
    a. Waterstofgas reageert met propeen tot propaan.
    b. Waterdamp (voorgesteld door H – OH) wordt geaddeerd aan propeen.
    c. Hoeveel reactieproducten kunnen er ontstaan?



Polyadditiereactie


Bij een hoge temperatuur en een grote druk kan in etheen de π binding openspringen, waarbij de moleculen zich aan elkaar rijgen tot een enorm lang molecuul van duizenden eenheden of monomeren. Dit noemen we een polyadditiereactie. We spreken hier van polyetheen. (toepassingen zijn boterhamzakjes, afwasbakken enz).



Vragen

  1. Propeen kan polymeriseren tot polypropeen.

  1. Teken de structuurformule van propeen zodanig dat alleen de dubbele binding horizontaal wordt getekend.

  2. Teken een stuk van de structuurformule van polypropeen bestaande uit drie monomeren.

  3. Geef de structuurformule van 1-buteen.

  4. Teken een stuk van de structuurformule van poly-1-buteen bestaande uit drie monomeren.

10. Leg uit waarom polyetheen geen elektrische stroom geleidt.


11. Acetyleen of ethyn (C2H2) heeft een drievoudige binding tussen de atomen:


Bij polymerisatie klapt één π-binding open, waarbij één dubbele binding overblijft. Teken een stukje van dit polymeer, opgebouwd uit drie monomeren in structuurformule.
Hoe kunnen polymeren elektrische stroom geleiden?

Elektrische geleiding bij polymeren treedt op wanneer er sprake is van een geconjugeerd systeem in ene polymeermolecuul. Een geconjugeerd systeem betekent dat dit soort polymeermoleculen om en om een dubbele en een enkele binding tussen de koolstofatomen hebben. Zie het onderstaande voorbeeld. In plaats van de structuurformule met C- en H-atomen gebruiken we een zogenaamde verkorte schrijfwijzen, waarbij alleen de bindingen tussen de C-atomen zijn aangegeven. De H-atomen worden weggelaten.




Figuur 8: Model geconjugeerd systeem in een polymeermolecuul


Vragen

  1. Leg uit dat het in vraag 1 verkregen polymeer een geconjugeerd systeem vormt.

13. Propyn kan ook polymeriseren. Teken in structuurformule een stukje van het polymeer polypropyn, opgebouwd uit drie monomeren.


14. Leg uit of polypropyn een geconjugeerd systeem heeft.


  1. Geef het deel van polypropyn uit vraag 13 weer in de verkorte schrijfwijze.

De π elektronen in de dubbele bindingen in een geconjugeerd systeem bevinden zich als het ware in een band van elektronenwolken aan de boven en aan de onderkant van de koolstofketen. In principe kunnen deze π-elektronen niet vrij bewegen.

Door nu, met behulp van bijvoorbeeld een batterij, een spannigsverschil aan te leggen tussen het begin en het eind van een polymeer, kunnen de π-elektronen, door het ‘omklappen’ van de dubbele bindingen naar het naastgelegen atoom, door het molecuul gaan bewegen.

+


Figuur 9: De π elektronen bewegen vrij door een polymeermolecuul
Dit principe van het omklappen van de dubbele bindingen is de oorzaak van de stroomgeleiding in deze polymeren.
Vraag


  1. Ga naar het internet en zoek een aantal toepassingen van geleidende polymeren, die nu al in gebruik zijn. Zoek ook naar een paar toepassingen, waarvan wordt verwacht dat deze in de nabije toekomst bruikbaar zijn. Gebruik deze informatie in de tentoonstelling die je gaat maken.



3. De lichtgevende polymeren



Fluorescentie: grondtoestand en aangeslagen toestand.

Wil je het licht geven van stoffen en dus ook van LED’s en polymere LED’s kunnen verklaren, dan moet je eerst weten wat het begrip fluorescentie (het lichtgeven van stoffen) inhoudt.


Om te begrijpen hoe stoffen licht kunnen geven moeten we kijken hoe stoffen zijn opgebouwd en hoe ze reageren op licht (energie). Volgens het atoommodel van Bohr bevinden zich in de kern van een atoom de protonen en de neutronen en om de kern zijn een aantal vaste banen (schillen) waarin de elektronen bewegen. Je kunt ook zeggen dat in normale toestand de elektronen rond de kern regelmatig verdeeld zijn over de beschikbare schillen. Dit noemen we de grondtoestand.
Als er UV-licht op het atoom valt kunnen de elketronen de energie van het licht opnemen en daardoor verplaatst worden naar een schil die verder van de kern verwijderd is. Een elektron dat op deze manier is verplaatst, bevindt zich in de aangeslagen toestand. De aangeslagen toestand is geen stabiele toestand en na verloop van tijd zullen de elketronen in de aangeslagen toestand weer terugvallen naar de grondtoestand, dus naar de schil waar ze zich eerst bevonden.
Bij dit terugvallen, komt er een hoeveelheid energie vrij die overeenkomt met de energie die nodig was om het elektron naar de betreffende verder gelegen schil te brengen. Deze energie komt vrij in de vorm van warmte en licht, licht dat door het atoom wordt uitgestraald. Omdat een deel van de opgenomen energie vrijkomt als warmte heeft het licht dat ontstaat een grotere golflengte dan het opgenomen UV-licht. Het is nu zichtbaar licht geworden, waarbij allerlei kleuren mogelijk zijn.
Dit verschijnsel, het uitstralen van licht door een atoom, wordt fluorescentie genoemd.


Figuur 10: UV-licht valt op het elektron, dit raakt in de aangeslagen toestand en valt
daarna onder het uitzenden van licht terug naar de grondtoestand


De opbouw en de werking van een polymere LED

Een polymere LED (OLED) bestaat uit drie laagjes: Het onderste laagje is een metaal elektrode (min pool). Het middelste laagje is een speciaal soort polymeer en de toplaag is een transparante (licht doorlatende) electrode (plus pool). Hier bovenop kan nog een laagje komen om het af te dekken en om de OLED te beschermen.





Figuur 11: een model van een polymere LED
Het licht geven geschiedt in de volgende 5 stappen:

  1. Door de polymere LED aan te sluiten op een spanningsbron worden elektronen door de negatieve metaalelektrode gestuurd. Deze elektronen bevatten meer energie dan elektronen in de grondtoestand. Er loopt nu dus stroom van de negatieve metaalelektrode via het speciale polymeer naar de positieve elektrode.




  1. De elektronen verlaten de min pool en komen in aanraking met het deel van het polymeer, dat een geconjugeerd systeem bezit. De π-elektronen in het geconjugeerde systeem van de polymeer verplaatsten zich nu over de polymeermoleculen in het polymeer.




  1. Als een π-elektron zich verplaatst blijft er een positief gat achter. Het atoom waar het elektron bij hoort heeft nu immers een elektron te weinig. De elektronen die vanuit de spanningsbron het polymeer in gaan, vallen in zo’n positief gat.




  1. De elektronen die in een positief gat terechtkomen, vallen vervolgens snel terug naar de grondtoestand en zenden de vrijgekomen energie uit in de vorm van zichtbaar licht. De kleur van het licht is afhankelijk van de soort polymeer moleculen in de OLED. Fabrikanten plaatsen meerdere soorten polymeermoleculen in lagen om kleuren OLED displays te maken.




  1. Het zichtbare licht verlaat de polymere LED via het bovenste transparante laagje. Je ziet nu gekleurd licht.




Figuur 12: een polymere LED zendt licht uit als een elektron in een positief gat valt
Dit proces gebeurt niet alleen op één plaats, maar dit gebeurt op het hele oppervlakte van de polymere LED. Op elke vierkante centimeter van een LED gebeurt dit 1.000.000.000.000.000 keer (dit is 1015, heel vaak dus) per seconde!!
Vragen

  1. Maak een schematische voorstelling van de hierboven beschreven 5 stappen en vergelijk dit met de PPT die je docent laat zien. Verbeter je eigen voorstelling indien nodig.




  1. Ga naar het internet en zoek een aantal toepassingen van lichtgevende polymeren, die nu al in gebruik zijn. Zoek ook naar een paar toepassingen, waarvan wordt verwacht dat deze in de nabije toekomst bruikbaar zijn. Gebruik deze informatie in de tentoonstelling die je gaat maken.


3. Organische zonnecellen



Silicium zonnecellen

Moderne zonnecellen worden gemaakt van een silicium-halfgeleider die onder invloed van licht een elektrische stroom kan leveren. Hoe werkt dat? Laten we eerst eens kijken naar het silicium. Silicium staat het periodiek systeem in dezelfde groep als koolstof. Silicium heeft net als koolstof covalentie vier. Dat betekent dat het vier valentie-elektronen heeft en dus vier bindingen aan kan gaan. We zeggen dat silicium vier valentie elektronen heeft.

Als silicium in vaste toestand een kristalrooster vormt is elk siliciumatoom door vier andere siliciumatomen omringd. Elk atoom heeft dus vier bindingen gevormd. De elektronen zitten dan zo stevig tussen de atomen in de atoombinding dat dat ze niet voor geleiding kunnen zorgen:

een kristal zuiver silicium geleidt bijna geen stroom.




Dat verandert als een heel klein deel (1:100.000) van de siliciumatomen vervangen worden door een atoom met een extra valentie-elektron, zoals fosforatomen. Fosfor heeft 5 elektronen in de buitenste schil, dus 5 valentie elektronen. Fosfor gebruikt in het kristalrooster van silicium echter maar 4 valentie elektronen. Per fosforatoom is er dan een elektron dat niet bij een binding betrokken is. Dat elektron is dan beschikbaar voor geleiding. Silicium, waar fosfor atomen in voorkomen wordt n-geleidend genoemd.




Een andere manier om silicium geleidend te maken, is door weer een klein deel (1:100.000) van de siliciumatomen te vervangen door een atoom met een valentie-elektron minder, bijvoorbeeld booratomen. Boor heeft maar drie valentie-elektronen in de buitenste schil. Ook die passen mooi in het kristal, met rond elk atoom vier andere atomen. Maar per booratoom is er nu een elektron te weinig voor binding. Dat wordt een gat genoemd. Elektronen in het kristal kunnen zich nu van gat tot gat verplaatsen. Zulk silicium wordt p-geleidend genoemd.





Figuur 13: Model van een siliciumkristal Figuur 14: Schematische weergave silicium zonnecel

In een siliciumzonnecel wordt een stukje n-geleidend silicium tegen een stukje p-geleidend silicium gezet. In het raakvlak zullen de elektronen uit het n-geleidend silicium de gaten in het p-geleidend silicium vullen.


Hierdoor ontstaat in het n-geleidende deel een tekort aan elektronen (wordt dus positief geladen) en in het p-geleidende deel een overschot aan elektronen en dus negatief geladen.

Dit proces gaat niet zomaar en moet als het ware op gang gebracht woden door (zon)licht. Onder invloed van de energie van het zonlicht zullen elektronen uit de n-laag gaan bewegen naar het p-geleidende deel. Zo ontstaat dan een potentiaalverschil tussen de twee lagen.



Organische zonnecellen





Figuur 15: fotosynthese

Dagelijks zien we in de natuur de meest fantastische zonnecellen, bijvoorbeeld groene spinazie, algen, peterselie en de groene bladeren van de bomen. Met behulp van de fotosynthese leggen zij allemaal zonne-energie vast en vormen daarbij glucose (een koolhydraat), waaruit belangrijke grond- en voedingsstoffen worden gevormd. De hierin opgeslagen chemische energie komt vrij als die voedingsstoffen in ons lichaam verwerkt worden of als we een stuk hout verbranden.




Zou het mogelijk zijn om spinazie te gebruiken en dat met behulp van zonlicht om te zetten in elektrische energie? Is het echt mogelijk om met deze natuurstoffen een zonnecel te bouwen? Het antwoord kwam in 1991 van de Zwitserse professor Michael Grätzel, de ontdekker van de ‘kleurstofzonnecel’ ook wel Grätzel-cel of organische zonnecel genoemd.

Werking van de organische zonnecel


Ook bij de organische zonnecel of Grätzel-cel zorgt de energie van het zonlicht ervoor dat elektronen in beweging komen.
Een kleurstofzonnecel werkt op basis van een halfgeleider, in dit geval titaal(IV)oxide. De elektronen in titaan(IV)oxide bevinden zich normaal gesproken in de grondtoestand. Zonlicht kan door lichtenergie een elektron naar een hoger energieniveau brengen, de aangeslagen toestand. Dit proces noemen we exciteren. Het probleem is alleen dat er voor die excitatie heel veel energie nodig is, omdat het energieverschil tussen de grondtoestand en de aangeslagen toestand van de elektronen in titaan(IV)oxide heel groot is.

Het grote verschil tussen de energieniveaus is te zien in figuur 18 (zie de grijze balkjes). Zonlicht heeft niet genoeg energie om het elektron te exciteren. Het elektron zal dus niet naar de aangeslagen toestand worden gebracht, maar in de grondtoestand blijven.


Functie kleurstof



Figuur 16: schematisch doorsnede van een kleurstofzonnecel
Dit probleem kan opgelost worden door kleurstof toe te voegen aan de zonnecel. In de kleurstof is het energieverschil tussen de grondtoestand en de aangeslagen toestand van de elektronen veel kleiner dan bij titaan(IV)oxide. (zie paarse balkjes van figuur 17. Zonlicht heeft wel genoeg energie om in de kleurstof een elektron naar de aangeslagen toestand te brengen.
Het energieniveau van de aangeslagen toestand van het elketron in de kleurstof ligt, zoals te zien is in figuur 17, hoger dan het energieniveau van de aangeslagen toestand van titaan(IV)oxide. De afstand tussen de kleurstofmoleculen en de titaan(IV)oxidemoleculen is heel klein. Het elektron dat geëxciteerd is naar de aangeslagen toestand van de kleurstof, zal terugvallen naar een energetisch gunstiger (en dus lager) energieniveuo.
Er zijn twee mogelijkheden om terug te vallen: terug naar de grondtoestand van de kleurstof, of naar de aangeslagen toestand van de titaandioxide. De hoeveelheid elektronen die vanuit de aangeslagen toestand van de kleurstof naar de aangeslagen toestand van de titaan(IV)oxide overspringt en niet terugvalt naar de grondtoestand van de kleurstof, bepaalt het rendement van de kleustofzonnecel.


Figuur 17: schematische weergave van de werking van een kleurstofzonnecel
group 89

De stroomkring

Het elektron dat vanuit de aangeslagen toestand van de kleurstof naar de aangeslagen toestand van de titaa(IV)oxide is gesprongen, zal terugvallen naar de grondtoestand van het titaan(IV)oxide. Dit is het eerste deel van de stroomkring in de zonnecel.


Door het overspringen van een elektron van de kleurstof naar het titaan(IV)oxide, ontstaan er een ladingsverschil: het titaan(IV)oxide wordt negatief geladen en de kleurstof wordt positief geladen. Om dit ladingsverschil op te heffen, moet er weer een elektron terug naar de kleurstof. Dit elektron kan niet rechtstreeks terug naar de kleurstof, omdat het verschil tussen de energieniveaus van titaan(IV)oxide dan overbrugd moet worden: het elektron bevindt zich namelijk in de grondtoestand van titaan(IV)oxide en zou dan via de aangeslagen toestand van titaan(IV)oxide weer geëxciteerd moeten worden naar de grondtoestand van de kleurstof, maar hiervoor is heel veel energie nodig, dus dat zal niet gebeuren. Daarom gaat het elektron via een extern circuit (bijvoorbeeld een lampje) naar de positieve elektrode. Via het elektrolyt gaat het elektron weer terug naar de kleurstof: In het elektrolyt vindt onderstaand ereactie plaats (zie figuur 17), wardoor het elektron weer terug kan naar de kleurstof:

Bij de kleurstof verloopt de omgekeerde reactie en wordt 2I- weer I2 en wordt het elektron weer terug gegeven aan de kleurstof.

Zo is de stroomkring gesloten en is de energie, die ontstaan was bij het terugvallen van het elektron naar de grondtoestand van het titaan(IV)oxide, nuttig gebruikt om bijvoorbeeld een lampje te laten branden.


Vraag

  1. Ga naar het internet en zoek een aantal toepassingen van organische zonnecellen, die nu al in gebruik zijn. Zoek ook naar een paar toepassingen, waarvan wordt verwacht dat deze in de nabije toekomst bruikbaar zijn. Gebruik deze informatie in de tentoonstelling die je gaat maken.



Stercollectie Scheikunde| Smart Materials v456 | Theorie






De database wordt beschermd door het auteursrecht ©opleid.info 2019
stuur bericht

    Hoofdpagina