Percobaan Mempelajari Perubahan Iklim
1) Sel Grätzel: energi dari sinar matahari
Matahari, tentu saja, adalah sumber energi yang paling banyak digunakan di Bumi, selain energi panas bumi dan nuklir termasuk yang dilepaskan dari bahan bakar fosil atau bahan bakar ‘hijau’ modern. Tetapi sinar matahari juga dapat digunakan secara langsung sebagai sumber energi, sel Grätzel, juga disebut ‘sel surya pewarna nanokristalin’ atau ‘sel surya organik’. Dinamai setelah penemunya, insinyur Swiss Michael Grätzel, sel-sel Grätzel mengubah sinar matahari langsung menjadi listrik dengan fotosintesis buatan menggunakan pewarna alami yang ditemukan, misalnya, dalam ceri, blackberry, raspberry dan blackcurrant. Pewarna ungu-merah ini, yang dikenal sebagai antosianin, sangat mudah bagi kita untuk mengekstrak dari buah-buahan dan daun hanya dengan merebusnya dalam volume kecil air dan penyaringan.
Molekul pewarna cukup kecil (pada skala nanometer), jadi untuk menangkap cahaya masuk yang masuk akal, lapisan molekul pewarna harus cukup tebal, jauh lebih tebal daripada molekul itu sendiri. Untuk mengatasi masalah ini, nanomaterial digunakan sebagai perancah untuk menahan sejumlah besar molekul pewarna dalam matriks 3D, meningkatkan jumlah molekul untuk area permukaan sel tertentu. Dalam desain yang ada, perancah ini disediakan oleh bahan semikonduktor (titanium oksida), yang berfungsi ganda.
Sel-sel Grätzel dapat dibuat sendiri dengan menggore, tetapi memegang kaca pra-pembuata yang membuat satu sisi konduktif tidak mudah. Selain itu, memanggang pasta titanium dioksida ke permukaan kaca membutuhkan penggunaan tungku selama sekitar 24 jam. Oleh karena itu, sering lebih mudah untuk menggunakan kit komersial, seperti yang tersedia dari perusahaan Belanda Mansolar, yang memungkinkan enam sel Grätzel dirakit per set. Sel Grätze dapat digambarkan kurang lebih seperti di bawah ini:
1. Ambil dua plat kaca, masing-masing seukuran slide mikroskop, satu sisi yang telah dibuat dengan indium seng oksida untuk menjadikannya elektrokonduktor.
2. Satu plat harus memiliki titanium dioksida yang dipanggang di sisi yang tidak dilapisi. Titanium dioksida membentuk struktur yang sangat berpori dengan luas permukaan yang sangat tinggi, yang dapat diikat oleh pewarna.
3. Tutupi pelat lainnya dengan lapisan pensil grafit hanya dengan menggosokkan pensil di atas permukaan kaca yang tidak dilapisi.
4. Isi cawan Petri dengan pewarna antosianin. Rendam pewarna antosianin fotosensitif ke titanium dioksida dengan menempatkan pelat yang sesuai di cawan Petri, lalu keringkan dengan pengering rambut. Zat pewarna dibiarkan terikat secara kovalen ke permukaan titanium dioksida. Setelah digunakan, mudah untuk menghilangkan pigmen antosianin lama menggunakan etanol atau propanon (aseton).
Di bagian bawah akan menjadi pelat grafit, sisi grafit atas, berfungsi sebagai katoda.
6. Gunakan klip kertas untuk menyatukan plat.
7. Gunakan dua klip buaya untuk memotong potongan kaca yang tumpang tindih (atas dan bawah, lihat gambar) sel Grätzel dan hubungkan dengan dua kabel listrik ke multimeter untuk membaca.
8. Berikan cahaya ke sel.
9. Gunakan pengukur cahaya untuk menentukan intensitas cahaya yang jatuh pada sel Grätzel.
Mendeteksi tingkat karbon dioksida atmosfer
Karbon dioksida atau CO2 adalah gas rumah kaca yang paling dikenal dan salah satu perhatian utama dalam diskusi tentang perubahan iklim. Orang mungkin bertanya bagaimana kadar CO2 diukur dalam sampel udara, terutama karena konsentrasinya sangat rendah: jawabannya adalah spektroskopi infra merah. Molekul karbon dioksida menyerap frekuensi spesifik radiasi infra-merah, yang memengaruhi ikatan kovalen antara atom karbon dan oksigen, tergantung pada energinya. Energi rendah menyebabkan gerakan pelengkungan ikatan, dan energi tinggi menyebabkan peregangan ikatan. Frekuensi di mana hal ini terjadi berada dalam bagian infra merah dari spektrum elektromagnetik (antara 4000 dan 650 bilangan gelombang). Suatu bilangan gelombang adalah kebalikan dari panjang gelombang dan merupakan satuan yang biasa digunakan dalam spektroskopi infra merah. Efek ini dapat digunakan untuk menentukan konsentrasi CO2 sebagai berikut
Ada dua jenis utama sensor karbon dioksida (Harrison et al, 2006). Sensor penelitian yang lebih mahal memompa udara melalui sensor, sedangkan perangkat yang lebih murah bergantung pada difusi udara. Udara masuk ke dalam sel absorpsi, yang secara efektif adalah sebuah silinder gelap kecil di dalam sensor.
Di salah satu ujung sel absorpsi, ada sumber cahaya infra-merah yang digabungkan dengan filter panjang gelombang tetap, sehingga memberikan sumber pita cahaya infra-merah yang sempit di sekitar 2350 cm-1 (bilangan gelombang). Di ujung lain dari tabung, ada detektor infra-merah atau penghitung foton yang mengukur intensitas cahaya infra-merah. Semakin banyak molekul CO2 dalam sampel udara, semakin banyak radiasi infra-merah diserap dalam sel, dan semakin sedikit radiasi infra-merah mencapai detektor. Untuk serapan kecil, hukum Beer-Lambert memberi tahu kita hal itu
Konsentrasi = (1-(I/I0)) / σl
Dimana :
- l adalah panjang jalur (panjang sel)
- σ adalah penampang absorpsi untuk CO2 pada panjang gelombang yang digunakan dan dikenal dengan akurasi tinggi
- (I/I0) adalah rasio radiasi infra-merah yang tiba di detektor ketika memiliki sampel udara di dalamnya (I) hingga ketika sel kosong (I0)
I0 tidak diukur untuk setiap pembacaan, tetapi akan diukur sering untuk memeriksa bahwa tidak ada fluktuasi yang cukup besar dalam intensitas cahaya infra-merah instrumen.