Telurură de cadmiu

Telurură de cadmiu
Imagine ilustrativă a articolului Tellurură de cadmiu
Imagine ilustrativă a articolului Tellurură de cadmiu
__ Cd __ Te
Aspectul și structura telururii de cadmiu.
Identificare
Numele IUPAC Telurură de cadmiu
N o CAS 1306-25-8
N o ECHA 100.013.773
N o EC 215-149-9
Aspect pulbere / cristal cubic gri-negru
Proprietăți chimice
Formula brută Cd Te   [Izomeri]
Masă molară 240,01 ± 0,04  g / mol
Cd 46,84%, Te 53,17%,
Proprietăți fizice
T ° fuziune 1041  ° C
T ° fierbere 1130  ° C
Masa volumică 5,85  g · cm -3 , solid
Proprietăți electronice
Trupa interzisă 1,44  eV la 300  K
(decalaj direct)
Cristalografie
Sistem de cristal cub
Clasa de cristal sau grup spațial F 4 3 m
Structura tipică sfalerită
Parametrii mesh a = 6,4805  Å
Precauții
Directiva 67/548 / CEE
Nociv
Xn Periculos pentru mediu
NU Clasificare  :
toxic și cancerigen

Simboluri  :
Xn  : Nociv
N  : Periculos pentru mediu

Fraze R  :
R20 / 21/22  : Nociv prin inhalare, în contact cu pielea și prin înghițire.
R50 / 53  : Foarte toxic pentru organismele acvatice, poate provoca efecte adverse pe termen lung asupra mediului acvatic.

Fraze S  :
S60  : Acest material și recipientul său trebuie eliminate ca deșeuri periculoase.
S61  : Evitați eliberarea în mediu. Consultați instrucțiunile speciale / fișa cu date de siguranță.

Fraze R  :  21/21/22, 50/53,
Fraze S  :  60, 61,
Inhalare nu inhalați
Piele curata cu apa
Ochi curata cu apa
Ingerare Inducerea vărsăturilor
Compuși înrudiți
Alți cationi Telurură de zinc
Alți anioni Selenura de cadmiu
Unități de SI și STP, cu excepția cazului în care se prevede altfel.

Cadmiu - telur ( CdTe ) este un material de structură cristalină (cub grupa de spațiu F 4 3 m ) compus din cadmiu și telur .

Este un semiconductor al familiei II-VI .
Telurura de cadmiu este disponibilă comercial sub formă de pulbere sau sub formă de cristale.

Utilizări

CdTe este utilizat pentru multe aplicații, inclusiv:

dezvoltat încă din anii 1960, acest tip de celulă are avantaje (preț mai mic) și dezavantaje (utilizarea materialelor rare și toxicitate potențial ridicată) comparativ cu celulele pe bază de siliciu;

CdTe și producția de celule fotovoltaice

În ultimii ani, pentru a produce un panou fotovoltaic , un număr tot mai mare de companii au folosit telurura de cadmiu ca compus semiconductor, în loc de siliciu .
Este într-adevăr un produs foarte stabil. Crește eficiența panourilor, reducând în același timp costurile acestora, datorită unei capacități mai bune de absorbție a luminii (menținând o performanță bună la lumină scăzută, mai ales dimineața și seara) și un coeficient termic scăzut.

Un strat de absorbție a telururii de cadmiu este așezat astfel pe un suport de sticlă și apoi acoperit de o altă placă de sticlă care sigilează ermetic panoul.
Metodele de producție și utilizare a CdTe au făcut posibilă reducerea amprentei de carbon a tehnicilor de producție pentru celule și panouri fotovoltaice. În domeniul panourilor fotovoltaice, tehnica are cea mai mică amprentă de carbon pentru ciclul de viață . Acest produs, ca derivat al cadmiului, este toxic.
În caz de incendiu și topire a panourilor, datorită faptului că filmul de telurură de cadmiu este plasat între două straturi de sticlă, datorită unei presiuni de vapori foarte scăzute și datorită punctelor de fierbere și topire ridicate, este puțin probabil ca moleculele toxice să contamineze mediu și rămân prinși în matricea de sticlă topită , dar telurura de cadmiu, datorită toxicității sale intrinseci, necesită totuși - în amonte și în aval de lanț - să fie produsă, utilizată și reciclată cu grijă.

Este recuperabil și reciclabil, canalele de recuperare și reciclare apar în anii 2000, cu de exemplu cel al First Solar, care a anunțat în 2008 că va recicla 90% (în masă) din modulul de producere a deșeurilor, dar și modulele returnate (în garanție sau la sfârșitul vieții sale), prin intermediul unui program complet și prefinanțat.

Proprietăți fizice

CdTe are mai multe proprietăți interesante din punct de vedere industrial:

Proprietăți magnetice

CdTe intrinsec este un semiconductor nemagnetic. Cu toate acestea, poate deveni astfel dopându-l cu metale de tranziție sau pământuri rare (elemente de corelație ridicată) și uneori chiar cu elemente nemagnetice, cum ar fi carbonul sau azotul. Au fost efectuate mai multe studii în această direcție folosind diferite tehnici, inclusiv metoda ab-initio sau metoda Monte Carlo.

Proprietati termice

Proprietăți opto-electronice

CdTe este transparent la anumite lungimi de undă (în infraroșu ) și fluoresc la 790  nm lungime de undă. Dacă dimensiunea cristalelor CdTe este redusă la câțiva nanometri (sau mai puțin), proprietățile sale cuantice ale punctelor , vârfurile de fluorescență se schimbă în domeniul vizibil la ultraviolet.

Proprietăți chimice

CdTe prezintă o solubilitate foarte scăzută în apă, dar ca nanoparticulă pare să producă mai ușor un amestec omogen în apă decât alte nanoparticule testate.
Poate fi atacat (sau gravat) de mulți acizi , inclusiv acizi clorhidric și bromhidric , formând hidrogen telur (care este un gaz otrăvitor).

Poate fi produs în nanocristale care pot pune probleme de sănătate a mediului .

Toxicitate

Toți compușii de cadmiu sunt presupuși a priori toxici. Ele pot fi mai mult sau mai puțin decât cadmiu singur, în funcție de proprietățile moleculei și în funcție de context.

Datele privind toxicitatea lipsei de CdTe, autoritățile și organismele de reglementare din diferitele țări în care există au făcut referire la toxicitatea cadmiului (Cd) ca o aproximare, deoarece toxicitatea specifică a telurului a rămas slabă pentru o lungă perioadă de timp. utilizarea sporită a acestui produs, în special pentru panourile solare, a făcut ca toxicologii să fie interesați (mai ales că este unul dintre numeroasele produse care ar putea fi produse în curând sub formă de nanoparticule).

Recent, un studiu a comparat toxicitatea CdTe cu cea a cadmiului (la șobolani, urmând o metodă standardizată recomandată de OCDE și Agenția pentru Protecția Mediului ) pentru a măsura efectele unui produs asupra sănătății. Concentrația letală de CdTe constatată a fost de 2,71  mg · l -1 , cu o variabilitate foarte mică între sexe. Doza letală medie așteptată a fost mai mare de 2000  mg · kg -1 . Aceste rezultate, conform autorilor lor, arată clar că CdTe este mai puțin toxic decât cadmiul, cel puțin în ceea ce privește expunerea acută.

Telurura de cadmiu este toxică dacă este injectată sau ingerată (în special din cauza acizilor stomacali care eliberează cadmiu, probabil făcându-l mai bioassimilabil, și a telururii de hidrogen (care nu pare a fi toxică) sau dacă este inhalată. Sub formă de praf fin sau nanoparticule pure (atunci este clar citotoxică ) sau dacă nu este manipulată corect (adică fără mănuși adecvate și alte măsuri de siguranță).

S-ar putea pune noi probleme dacă s-ar întâmpla ca telurul de cadmiu să fie eliberat în mediu sub formă non-inertă de micropulberă sau nanoparticule. Într-adevăr, la scări nanometrice , toxicitatea sau ecotoxicitatea unui material poate fi adesea foarte exacerbată. (Acesta pare să fie cazul multor metale și alte molecule care nu prezintă o problemă în forma lor „masivă”, inclusiv aurul și argintul, de exemplu). CdTe ar putea fi apoi un potențial poluant al aerului, dar și al apei, unde în laborator și sub formă de nanopraf (particule de aproximativ 5 nanometri) amestecat mult timp în apă, adoptă un comportament diferit de alții. aliaje testate.

Odată inertizat corespunzător (într-o matrice sau încapsulat sau acoperit cu un strat molecular în cazul nanoparticulelor) și atâta timp cât rămâne acolo, se presupune că CdTe utilizat în procesele de fabricație sau medicale este inofensiv. Cu toate acestea, nu se știe ce se întâmplă pe termen mediu și lung în mediu dacă se pierde acolo. Și în amonte de procesul de fabricație, atunci când este utilizat sub formă de microcristale, pulbere sau nanoparticule, acesta trebuie tratat cu toate măsurile de precauție posibile.

Studii recente confirmă faptul că suprafața proporțional mult mai reactivă a telururii de cadmiu pur, atunci când este prezentă sub formă de nanoparticule, o face mai toxică (fenomen frecvent pentru majoritatea nanoparticulelor).
Dimensiunea sa mică îi conferă apoi un comportament apropiat de cel al gazelor. Apoi poate pătrunde cu ușurință în organisme și poate produce daune semnificative (de către speciile reactive de oxigen) celulelor; adăugat sub formă de nanoparticule CdTe pure la culturile de celule canceroase de sân uman, declanșează daune extinse membranelor celulare, mitocondriilor și nucleelor ​​celulare. Și metabolismul celular a scăzut proporțional cu numărul de nanoparticule care au intrat în celule, în timp ce această scădere nu a fost corelată cu numărul de ioni Cd ++ prezenți în celulă.
Natura daunelor observate nu ar putea fi explicată doar prin singura toxicitate chimică intrinsecă a cadmiului, pe care totuși s-ar putea teme în mod legitim că, sub formă de ioni Cd ++, eventual eliberați de nanoparticulele CdTe, ar avea efecte dăunătoare asupra celulă. Dar in vitro , numai daunele lizozomilor (vizibile la microscopie) ar putea fi induse de ionii Cd ++ (precum și de speciile reactive de oxigen). Observarea celulelor și a metabolismului acestora sugerează mai degrabă un puternic stres oxidativ care ar putea fi indus de suprafața extrem de reactivă a nanoparticulelor CdTe. Pentru a testa această ipoteză, s-a adăugat un puternic antioxidant la culturile de celule; și într-adevăr, acest antioxidant a împiedicat apoi toate leziunile celulare observate în primul set de experimente. Combinarea acestor două fenomene poate în orice caz, in vitro , duce la moartea celulelor.

Filmele foarte subțiri de telurură de cadmiu se pot recristaliza în anumite condiții într-un alt compus toxic de cadmiu (clorură de cadmiu).

Ecotoxicitate

Abia începe să fie explorat, dar recent s-a arătat în Canada că midia mare de apă dulce Elliptio complanata expusă nanoparticulelor CdTe poate bioacumula aceste molecule. În acest experiment, 14% din Cd introdus inițial sub formă de CdTe a fost găsit în faza dizolvată, ceea ce arată că CdTe este mai puțin stabil în apă decât se credea anterior. CdTe s-a dovedit a fi la fel de bioacumulativ prin această matriță ca Cd în formă ionică. S-a găsit în principal în branhii și în glanda digestivă și în nivelurile de metalotioneină (MT, proteina care captează metalele în fenomenele naturale de detoxifiere la multe specii). La această specie, toxicitatea CdTe a fost comparată cu cea a Cd în forma CdSO 4 .

Managementul riscurilor

Unul dintre sectoarele care utilizează cel mai mult CdTe este producția de panouri solare. Gestionarea și eliminarea în condiții de siguranță pe termen lung a telururii de cadmiu este o problemă cunoscută în comercializarea pe scară largă a telururii de cadmiu și, în special, în această industrie. Potrivit producătorilor și utilizatorilor grei, s-au făcut eforturi serioase pentru a înțelege și a depăși aceste probleme. Încă din 2003, un document publicat de Institutele Naționale de Sănătate din SUA includea CdTe în Programul Național de Toxicologie al Statelor Unite (NTP), în colaborare cu First Solar Inc., una dintre companiile producătoare de panouri. CdTe, cu sprijinul Ministerului Energiei și al Laboratorului Național de Energii Regenerabile (NREL). Cercetătorii de la Laboratorul Național Brookhaven (BNL) au ajuns la concluzia că utilizarea pe scară largă a panourilor solare care le conțin nu prezintă riscuri pentru sănătate și mediu și că reciclarea modulelor la sfârșitul vieții lor utile ar reduce complet preocupările de mediu. În timpul funcționării lor, aceste module nu produc poluanți și, în plus, prin înlocuirea combustibililor fosili sau a altor surse mai puțin curate și sigure, oferă beneficii semnificative pentru mediu. Celulele fotovoltaice de acest tip par chiar să fie cele mai ecologice dintre toate utilizările actuale și cunoscute ale cadmiului.

Uniunea Europeană și China sunt chiar mai atent cu cadmiu. Europa consideră că cadmiul și toți compușii săi sunt cancerigeni toxici, iar reglementările în vigoare în China permit producerea de Cd doar pentru export.

Disponibilitate

Cadmiul este disponibil pe scară largă și este ieftin (este în special un deșeu din rafinarea minereului de zinc ). În prezent, prețul materiilor prime de cadmiu și telur este o proporție neglijabilă din costul celulelor solare de tip CdTe și a altor produse care conțin CdTe. Cu toate acestea, telurul este un element extrem de rar (1 până la 5 părți pe miliard de scoarță terestră (a se vedea abundența articolelor elementelor . Prin urmare, putem presupune că prețul său va crește pe măsură ce cererea sa crește, ceea ce explică parțial interesul industrial pentru reciclare CdTe.

Note și referințe

  1. calculate în masă moleculară de „  masele atomice ale elementelor 2007  “ pe www.chem.qmul.ac.uk .
  2. Telurură de cadmiu SIGMA-ALDRICH
  3. Producătorii de module fotovoltaice cu film subțire Costuri de producție mai mici și devin mai competitivi , Claire Vaille, buletine electronice.
  4. NnoNews Informații din 12-12-2005 (publicate de "Institutul Național al Cancerului", SUA) privind un studiu "Punctele cuantice de telurură de cadmiu nemodificate demonstrează toxicitatea" (nanoparticulele nemodificate de CdTe sunt toxice pentru celule)
  5. Imagine cu puncte cuantice vizate Tumoră Alimentare cu sânge  ; Știri Nanotech 2006/05/01; Centrul de Excelență în Nanotehnologie al Universității Stanford (CCNE)
  6. Fthenakis, VM, Kim, HC, Alsema, E., Emisiile din ciclurile de viață fotovoltaice, Știința și tehnologia mediului, 2008; 42: 2168-2174.
  7. Notă intitulată Cadmium Tellurium Photovoltaic Technology , First Solar, Dec 2009
  8. (în) F. Goumrhar L. Bahmad O. Mounkachi și A. Benyoussef , "  Proprietăți magnetice ale CdTe dopat cu vanadiu: calcule Ab initio  " , Journal of Magnetism and Magnetic Materials , vol.  428,aprilie 2017, p.  368–371 ( DOI  10.1016 / j.jmmm.2016.12.041 , citit online , accesat la 31 martie 2021 )
  9. (în) F. Goumrhar L. Bahmad O. Mounkachi și A. Benyoussef , "  Proprietăți magnetice calculate ale CdTe co-dopat (V, P): calcule ale primelor principii  " , Computational Condensed Matter , vol.  13,decembrie 2017, p.  87–90 ( DOI  10.1016 / j.cocom.2017.09.009 , citit online , accesat la 31 martie 2021 )
  10. (în) F. Goumrhar O. Mounkachi L. Bahmad și E. Salmani , "  Magnetism in d0 impurities doped CdTe: Ab initio calculations  " , Applied Physics A , vol.  126, nr .  1,ianuarie 2020, p.  9 ( ISSN  0947-8396 și 1432-0630 , DOI  10.1007 / s00339-019-3191-7 , citit online , accesat la 31 martie 2021 )
  11. Palmer, DW (martie 2008). Proprietățile semiconductorilor compuși II-VI . Semiconductori-Informații
  12. Bube, RH (1955). "Dependența de temperatură a lățimii spațiului de bandă în mai mulți fotoconductori". Revizuirea fizică 98: 431-3.
  13. Joseph Zayed și Suzanne Philippe; Toxicități acute orale și prin inhalare la șobolani cu telurură de cadmiu  ; Jurnalul internațional de toxicologie. 2009/08
  14. Conf. Am. De guvernator. Ind. Hygienists ACGIH 2000 Edition, inclus într-o foaie de informații scrisă de EIGA (Asociația Europeană a Gazelor Industriale)] despre tellurură de hidrogen
  15. Chem Biol. 2005 noiembrie; 12 (11): 1227-34. Lovrić J, Cho SJ, Winnik FM, Maysinger D .; Punctele cuantice de telurură de cadmiu nemodificate induc formarea de specii reactive de oxigen care duc la deteriorarea multiplă a organelor și moartea celulară  ; PMID 16298302
  16. Gagné și colab. Nanotoxicolgie acvatică. Perspective de cercetare . Environment Canada
  17. Cho SJ, Maysinger D, Jain M, Röder B, Hackbarth S, Winnik FM. Expunerea pe termen lung la punctele cuantice CdTe provoacă afectări funcționale în celulele vii  ; Langmuir; 13 februarie 2007; 23 (4): 1974-80. Epub 2007 12 ianuarie; PMID 17279683
  18. Su Y, Hu M, Fan C, He Y, Li Q, Li W, Wang LH, Shen P, Huang Q; Citotoxicitatea punctelor cuantice CdTe și contribuțiile relative de la ioni cadmiu eliberați și proprietăți nanoparticule  ; Biomateriale. Iunie 2010; 31 (18): 4829-34. Online martie 2010; PMID 20346495
  19. Peyrot C, Gagnon C, Gagné F, Willkinson KJ, Turcotte P, Sauvé S; Efectele punctelor cuantice ale telururii de cadmiu asupra bioacumulării cadmiului și producției de metalotioneină la midia de apă dulce, Elliptio complanata
  20. Nominalizarea telururii de cadmiu la Programul Național de Toxicologie ; Departamentul de Sănătate și Servicii Umane din Statele Unite. 2003-04-11. 2003, 13  p. Accesat la 25.08.2010
  21. Fthenakis, VM (2004). Analiza impactului ciclului de viață al cadmiului în producția PV CdTe . Recenzii privind energia regenerabilă și durabilă 8: 303–334. DOI : 10.1016 / j.rser.2003.12.001
  22. Sinha, Parikhit; Kriegner, Christopher J.; Schew, William A.; Kaczmar, Swiatoslav W.; Traister, Matthew; Wilson, David J. (2008). „  Politica de reglementare care guvernează fotovoltaica cu cadmiu-telurură: un studiu de caz care contrastează gestionarea ciclului de viață cu principiul precauției  ” ( Arhivă • Wikiwix • Archive.is • Google • Ce să faci? ) . Politica energetică 36: 381; DOI : 10.1016 / j.enpol.2007.09.017
  23. Telurura de cadmiu aruncă umbra morții pe primul solar

Vezi și tu

Articole similare

linkuri externe