По мере того, как мы отказываемся от ископаемого топлива и переходим на возобновляемые источники энергии для борьбы с изменением климата, потребность в новых способах сбора и хранения энергии становится все более важной.
Исследователи Ланкастерского университета, изучающие кристаллический материал, обнаружили, что он обладает свойствами, которые позволяют ему улавливать энергию солнца. Энергия может сохраняться в течение нескольких месяцев при комнатной температуре, а по требованию может быть высвобождена в виде тепла.
При дальнейшем развитии эти виды материалов могут предложить захватывающий потенциал в качестве способа улавливания солнечной энергии в летние месяцы и хранения ее для использования зимой, когда доступно меньше солнечной энергии.
Это оказалось бы бесценным для таких применений, как системы отопления в автономных системах или удаленных местах, или в качестве экологически чистого дополнения к обычному отоплению в домах и офисах. Потенциально его можно также производить в виде тонкого покрытия и наносить на поверхность зданий или использовать на ветровых стеклах автомобилей, где аккумулированное тепло можно использовать для удаления льда со стекол морозным зимним утром.
Материал основан на типе «металлоорганического каркаса» (MOF). Они состоят из сети ионов металлов, связанных молекулами на основе углерода, образующих трехмерные структуры. Ключевым свойством MOF является то, что они пористые, а это означает, что они могут образовывать композитные материалы, вмещая в свои структуры другие небольшие молекулы.
Исследовательская группа из Ланкастера решила выяснить, можно ли использовать композит MOF, ранее подготовленный отдельной исследовательской группой в Киотском университете в Японии и известный как «DMOF1», для хранения энергии, что ранее не исследовалось.
Поры MOF были заполнены молекулами азобензола - соединения, сильно поглощающего свет. Эти молекулы действуют как фотопереключатели, которые представляют собой своего рода «молекулярную машину», способную изменять форму при воздействии внешнего раздражителя, такого как свет или тепло.
В ходе испытаний исследователи подвергли материал воздействию УФ-излучения, в результате чего молекулы азобензола меняют форму на напряженную конфигурацию внутри пор MOF. Этот процесс накапливает энергию аналогично потенциальной энергии изогнутой пружины. Важно отметить, что узкие поры MOF захватывают молекулы азобензола в их напряженной форме, а это означает, что потенциальная энергия может храниться в течение длительного периода времени при комнатной температуре.
Энергия высвобождается снова, когда внешнее тепло применяется в качестве триггера для «переключения» ее состояния, и это высвобождение может быть очень быстрым - немного похоже на то, как пружина распрямляется. Это обеспечивает дополнительный нагрев, который можно использовать для нагрева других материалов устройств.
Дальнейшие испытания показали, что материал способен сохранять энергию не менее четырех месяцев. Это захватывающий аспект открытия, поскольку многие светочувствительные материалы переключаются обратно в течение нескольких часов или нескольких дней. Длительный срок хранения энергии открывает возможности для межсезонного хранения.
Концепция хранения солнечной энергии в фотопереключателях уже изучалась ранее, но в большинстве предыдущих примеров требовалось, чтобы фотопереключатели находились в жидкости. Поскольку композит MOF представляет собой твердое, а не жидкое топливо, он химически стабилен и легко локализуется. Это значительно упрощает разработку покрытий или автономных устройств.
Доктор Джон Гриффин, старший преподаватель химии материалов в Ланкастерском университете и главный исследователь исследования, сказал: «Материал немного похож на материалы с фазовым переходом, которые используются для подачи тепла в грелки для рук. в то время как грелки для рук необходимо нагревать, чтобы перезарядить их, в этом материале хорошо то, что он улавливает «бесплатную» энергию непосредственно от солнца. Он также не имеет движущихся или электронных частей, поэтому нет потерь, связанных с хранением и высвобождением солнечной энергии. Мы надеемся, что при дальнейшем развитии мы сможем производить другие материалы, которые сохраняют еще больше энергии».
Эти результаты, подтверждающие концепцию, открывают новые направления исследований, чтобы увидеть, какие другие пористые материалы могут иметь хорошие свойства накопления энергии, используя концепцию замкнутых фотопереключателей.
Совместный исследователь д-р Натан Халкович добавил: «Наш подход означает, что существует несколько способов оптимизации этих материалов либо путем замены самого фотопереключателя, либо пористого каркаса носителя».
Другие потенциальные области применения кристаллических материалов, содержащих молекулы фотопереключателя, включают хранение данных - четко определенное расположение фотопереключателей в кристаллической структуре означает, что они, в принципе, могут переключаться один за другим с использованием точного источника света и, следовательно, сохранять данные как на CD или DVD, но на молекулярном уровне. У них также есть потенциал для доставки лекарств - лекарства могут быть заперты внутри материала с помощью фотопереключателей, а затем выпущены по требованию внутри тела с помощью светового или теплового триггера.
Хотя результаты были многообещающими в отношении способности этого материала сохранять энергию в течение длительного периода времени, его плотность энергии была скромной. Следующими шагами являются исследования других структур MOF, а также альтернативных типов кристаллических материалов с большим потенциалом накопления энергии.
Исследование, проведенное при поддержке Leverhulme Trust, изложено в статье «Долговременное хранение солнечной энергии в условиях окружающей среды в материале с фазовым переходом твердое тело на основе MOF», опубликованном журнал Химия материалов.
Исследователи - Джон Гриффин, Киран Гриффитс и Натан Халкович, все с химического факультета Ланкастерского университета.