el proyecto de energía limpia: química teórica aplicada · 2015-09-12 · resultados del...
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El Proyecto de Energía
Limpia: de la predicción a la
síntesis
Carlos Amador Bedolla
Facultad de Química
UNAM, México
Ciencia y Sociedad
11 de septiembre, 2015
Der Wanderer über dem Nebelmeer(El viajero en un mar de niebla)Caspar David Friedrich (1818)Kunsthalle, Hamburgo
Un caminante en el Ajusco(El viajero en un mar de niebla)Foto 2006México D. F.
Nightlights 2012. Flat Map18 de abril — 23 de octubre, 2012Earth Observatory, NASAhttp://earthobservatory.nasa.gov/NaturalHazards/view.php?id=79765
Energy Information Administration (2011)http://www.eia.doe.gov/emeu/aer/eh/intro.html
Mauna Loa ObservatoryDr. Pieter Tans, NOAA/ESRL (www.esrl.noaa.gov/gmd/ccgg/trends/)
Visualizing the 2012 Sea Ice Minimum (14.septiembre.1984)http://earthobservatory.nasa.gov/IOTD/view.php?id=79256
Visualizing the 2012 Sea Ice Minimum (13.septiembre.2012)http://earthobservatory.nasa.gov/IOTD/view.php?id=79256
Energía, energía, energía… el problema central del siglo
XXI
BP Statistical Review of World Energy (June 2014)
carbón
hidro +
nuclear
gas natural
petróleo
2013: 12 730
Mtoe/year
2035: 18 600
30.1 %
(29.8)
6.7 + 4.4 %
23.7 % (23.9)
32.9 % (33.1)
2.2 %
2010: 12 004 Mtoe/year
EL DERRAME DE DEEP HORIZON
El pozo tiene profundidad de 1250 mde agua y 9400 m de roca
Comparable al del Ixtoc de 1979 (50m de agua, 3000 m de roca)
http://earthobservatory.nasa.gov/ images/imagerecords/44000/44375/ USA7TMO2010170lrg.jpg23 de junio, 2010
¿Qué se puede esperar de los renovables?
Geothermal 0.017 W/m2
Plants/Bioenergy 0.5 W/m2
Wind (terrestrial) 2 W/m2
Wind (offshore) 3 W/m2
Photovoltaics 5-20 W/m2
Sustainable energy — without the hot air. David J. C. MacKay www.withouthotair.com (2009)
Renewable energies have a sizable footprint
The Wealth of Nature: Economics as if
survival matters
John Michael Greer
New Society Publishers (2011)
The Great Disruption: Why the Climate
Crisis Will Bring On the End of Shopping
and the Birth of a New World
Paul Gilding
Bloomsbury Press (2011)
The End of the World: The science and
ethics of human extinction
John Leslie
Routledge (1996)Plows, Plagues & Petroleum: How humans
took control of climate
William F. Ruddiman
Princeton Universty Press (2005)
State of the World 2013: Is sustainability
still possible?
The Worldwatch Institute (2013)
Bankrupting Nature: Denying our planetary
boundaries
Anders Wijkman & Johan Rockström
A report to the Club of Rome, Routledge
(New York, 2012)Hubbert´s Peak: The Impending World Oil
Shortage
Kenneth S. Deffeyes
Princeton University Press (2001)
Something New Under The Sun: An
environmental history of the twentieth-
century world
J. R. McNeill
Norton (2001)
The Long Emergency: Surviving the
converging catastrophes of the twenty-first
century
James Howard Kunstler
Atlantic Monthly Press (2005)
Global Catastrophes and Trends: The next
fifty years
Vaclav Smil
The MIT Press (2008)
The Medea Hypothesis: Is life on earth
ultimately self-destructive?
Peter Ward
Princeton University Press (2009)
Collapse: How Societies Choose to Fail or
Succeed
Jared Diamond
Viking Adult (2004)
Harvesting the biosphere: What we have
taken from nature
Vaclav Smil
MIT Press (2012)
World on the Edge: How to prevent
environmental and economic collapse
Lester R. Brown
W. W. Norton (2011)
Ten Billion
Stephen Emmott
Vintage (2013)
Energy Autonomy: The economical, social
and technological case for renewable
energy
Herman Scheer
Earthscan (2007)
Sustainable Energy --- Without the hot air
David MacKay
UIT Cambridge (2009)
¿Demasiados libros sobre el tema?
Photovoltaics all time records
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/35/Best_Research-Cell_Efficiencies.png
OPV’s: Organic PhotoVoltaics
Especialmente atractivas porque…
• sus elementos constitutivos son abundantes
(CHONSPSeSi)
• su síntesis orgánica es ambientalmente
correcta
• la tecnología de síntesis y producción es
masiva y está bien establecida
• la tecnología de instalación es masiva y está
bien establecida
OPV’s: mecanismo de producción de energía
De la absorción del fotón
a la recolección en los
electrodos
• absorción de fotón
• formación del excitón
• difusión del excitón
• disociación del
excitón en la interfase
donador-aceptor
• transporte de carga
• recolección de la
carga en los
electrodos
OPV’s: parámetros importantes para la eficiencia
electrónica
• aparatos fotovoltaicos
de heterojuntas
• morfología bicontinua
de la capa activa:
donador−aceptor
• aceptor estándar:
PCBM [6,6]-phenyl-
C61-butyric acid methyl
ester
• Donador: polímero por
encontrar; los
monómeros serán
moléculas
heterocíclicas
conjugadas
Polymer-Fullerene Composite Solar Cells. B. C. Thompson and
M. J. Fréchet. Angew. Chem. Int. Ed. 2008, 47, 58-77
OPV’s: Propiedades ideales esperadas para los mejores
monómeros
• absorción correspondiente
al espectro solar en la
superficie: HOMO-LUMO
del donador
• alta movilidad del excitón,
buena transferencia de
carga
• niveles electrónicos
particulares: HOMO(don)-
LUMO(don), LUMO(acc)-
LUMO(don),
LUMO(acc)-anode,
HOMO(don)-cathode
• estabilidad en la
atmósfera HOMO(don)[email protected] 20
OPV’s: parámetros de eficiencia
Eficiencia de conversión de potencia (%PCE)
%PCE=Pout / Pin
Potencia de salida: max curriente, max voltaje
%PCE=JmVm / Pin
Factor de llenado, corriente de circuito cerrado,
voltaje de circuito abierto
FF=JmVm / JscVoc
%PCE=FF JscVoc / Pin
OPV’s: algunos donadores prometedores
MDMO-PPV was one of the first donor materials used. P3HT is a
prevalent donor which has shown higher Jsc, and refined morphological
characteristics. PFDTBT and PCDTBT are co-monomers, in which the
donor-acceptor polymer strategy was applied to obtain higher PCE.
TTP-BDT is a co-monomer, which features quinoidal stabilization and
with the aid of the flourine group has yielded an efficiency of 7.7%
¿Cómo buscar los mejores donadores?
• búsqueda computacional (in silico)
• unidades de heterociclos ligadas y
fusionadas
• cálculos químico-cuánticos (HF, DFT, post-
HF, otros)
• ¿cuántas moléculas calcular?
• ¿cuántas unidades combinar?
• ¿cómo calcular eficientemente tantas
moléculas?
• ¿qué calcular para cada molé[email protected] 25
¿Cómo buscar los mejores donadores?
Molecules most likely
to be of interest
Computational
cost
Del espacio químico (1060) a la síntesis (200)
Conjunto inicial
Cribado computacional
Síntesis, construcción y
prueba Moléculas con mayor
probabilidad de aplicación
Costo
computacional
¿Cómo calcular millones de moléculas?
• Harvard Clean Energy
Project (Alán Aspuru-Guzik
PI)
• cómputo distribuido
(screensaver)
• IBM World Community Grid
(http://www.worldcommunity
grid.org)
• http://www.worldcommunityg
rid.org/The Clean Energy
Project
¿Qué calcular para cada molécula?
• estimación empírica de la geometría seguida
de optimización (BP86, SVP)
• conjuntos de base distintos: SVP, TZVP
• diferentes implementaciones de DFT: BP86,
PBE0, M062X, BHandHLYP, B3LYP
• cálculos restringidos y no restringidos
• 16 cálculos distintos de QChem por
molécula
¿Qué conjunto de unidades básicas combinar?
• 30 unidades de
heterociclos básicos
• (fusionados, ligados,
mezclados) en (dímeros,
trímeros, tetrameros)
• 2,671,405 moléculas
distintas, sin repeticiones,
sin ausencia de moléculas
posibles
• cada molécula como una
cuerda de smiles
(smiles: simplified molecular
input line entry specification) [email protected] 30
¿Cómo armar las moléculas?
• smiles y smarts
• síntesis computacional à la Grignard
• ligado: c1ccccc1-c1ccc[nH]1
• fusionado: c1cccc2c1[nH]cc2
(smarts: smiles arbitrary target specification)
Resultados del cómputo distribuido
Histogram of the HOMO energies: BP86, PBE0, M062X, BHandHLYP,
B3LYP
Resultados del cómputo distribuido: gráfica de
Scharber
• PCE≥11%: 1,000 candidates
(0.04%)
• PCE≥10%: 35,000 candidates
(1.5%)
• analysis of the top candidates
Resultados del cómputo distribuido
• base de datos de referencia extensa• abierta, acceso libre, Creative Commons ASA license,
publicación abierta como parte del Materials Genome Initiative
• mmoléculas candidato con propiedades específicas sobre demanda
• repositorio para datos experimentales (cf. PDB)
• repositorio para parámetros (e.g., for model Ĥ, FF)
• base de datos para modelos químicos model chemistry (cf. NIST CCCBDB)
The Clean Energy Project Team
HarvardProf Alán Aspuru-Guzik
Martin Blood-Forsythe
Adrian Jinich
László Seress
Aidan Daly
Carolina Roman-Salgado
Dr Suleyman Er
Dr Xavier Andrade
Jarrod McClean
Kai Trepte
Prof Johannes Hachmann (now @ UatBuffalo)
Prof Şule Atahan-Evrenk (now @ Ankara)
Dr Roberto Olivares-Amaya (now @ Princeton)
Prof Carlos Amador-Bedolla (UNAM)
Aryeh Gold-Parker (now @ Stanford)
Leon Liu (now @ Harvard)
Lauren Kaye (now @ Pixar)
Dr Roel Sanchez-Carrera (now @ BASF)
Supriya Shrestha (now @ Harvard)
Alexander Ramek (now @ DE Shaw)
Dr Sergio Boixo (now @ USC)
Anna Brockway (REU, Haverford)
Dr Leslie Vogt (now @ Yale)
StanfordProf Zhenan Bao
Prof Michael Toney
Dr Anthony Appleton
Dr Rajib Mondal
Dr Anatoliy Sokolov
Dr Arjan Zoombelt
Q-Chem IncDr Yihan Shao
Dr Alexander Sodt
Dr Zhenting Gan
Dr Jing Kong
A la síntesis: el equipo Frontera (en preparación)
UNAMCarlos Amador (FQ)
Miguel Robles (IER)
Norberto Farfán (FQ)
Alfredo Vázquez (FQ)
Martha Albores (FQ)
Gustavo García (FQ)
Gustavo Ávila (FQ)
Carlos Rius (FQ)
Margarita Romero (FQ)
José Manuel Méndez (FQ)
Hector García (FQ)
Blas Flores (FQ)
Marcos Hernández (IQ)
José Guadalupe López (IQ)
Luis Demetrio Miranda (IQ)
Víctor Ugalde (FQ)
Hailin Zhao (IER)
Marina Rincón (IER)
Margarita Miranda (IER)
CInvEstAvEusebio Juaristi
Armando Ariza
Tere Mancilla
Rosa Santillán
CIOJosé Luis Maldonado
UAMIgnacio González