Обещаващ материал може да съхранява слънчева енергия в продължение на месеци или години

Университетът в Ланкастър.

Тъй като все повече се отдалечаваме от изкопаемите горива и преминаваме към възобновяема енергия за справяне с изменението на климата, необходимостта от нови начини за улавяне и съхранение на енергия става все по-важна.

Изследователи от университета Ланкастър, изучаващи вид кристален материал, са открили, че той притежава свойства, които му позволяват да улавя енергия от слънцето. Енергията може да се съхранява в продължение на няколко месеца при стайна температура и може да се отделя при необходимост под формата на топлина.
С по-нататъшното развитие тези видове материали биха могли да предложат вълнуващ потенциал като начин за улавяне на слънчева енергия през летните месеци и съхраняването ѝ за използване през зимата – там, където има по-малко слънчева енергия.

Това би се оказало безценно за приложения като отоплителни съоръжения в системи извън мрежата или отдалечени места или просто като екологично допълнение към конвенционалното отопление в домове и офиси. Потенциално може да се произведе като тънко покритие и да се нанесе върху повърхността на сградите или да се разположи върху предните стъкла на автомобили, където съхранената топлина след това да се използва например за обезледяване на стъклото при замръзване през зимните сутрини.

Материалът се основава на тип „метално-органична рамка“ – MOF или мофове. Те се състоят от мрежа от метални йони, свързани от молекули на основата на въглерод, за да образуват триизмерни структури. Ключово свойство на MOF-овете е, че те са порести, което означава, че те могат да образуват композитни материали, като приемат други малки молекули в техните структури.


РЕКЛАМА:

***

Изследователският екип на Ланкастър се зае да открие дали композит от MOF, изготвен преди това от отделен изследователски екип от университета в Киото (Япония) и известен като „DMOF1“, може да се използва за съхраняване на енергия – нещо, което не е проучвано преди това.
Към MOF порите бяха добавени молекули азобензол – съединение, което силно абсорбира светлината. Тези молекули действат като фотопревключватели, представляващи вид „молекулярна машина“, която може да променя формата си, когато се прилага външен стимул, като светлина или топлина.

При тестове изследователите излагат материала на ултравиолетова светлина, което кара молекулите на азобензола да променят формата си до напрегната конфигурация вътре в порите на MOF.
Този процес съхранява енергията по подобен начин на потенциалната енергия на огъната пружина. Важно е, че тесните MOF пори улавят молекулите на азобензола в напрегнатата им форма, което означава, че потенциалната енергия може да се съхранява за дълги периоди от време при стайна температура.
Енергията се освобождава отново, когато външната топлина се приложи като спусък за „превключване“ на нейното състояние и това освобождаване може да бъде много бързо – нещо като пружина, отскачаща назад. Това осигурява усилване на топлината, което може да се използва за затопляне на други материали на устройствата.

По-нататъшни тестове показаха, че материалът е в състояние да съхранява енергията най-малко четири месеца. Това е вълнуващ аспект на откритието, тъй като много откликващи на светлина материали се връщат обратно в рамките на часове или няколко дни. Дългата продължителност на съхранената енергия отваря възможности за многосезонно съхранение.
Концепцията за съхранение на слънчева енергия във фотопревключватели е проучена и преди, но повечето предишни примери изискват фотопревключвателите да бъдат в течност. Тъй като композитът MOF е твърдо, а не течно гориво, той е химически стабилен и лесно се съхранява. Това го прави много по-лесен за превръщане в материал за покрития или самостоятелни устройства.

Д-р Джон Грифин, старши преподавател по химия на материалите в Университета в Ланкастър, съвместен главен изследовател на проучването, коментира:
„Този материал функционира малко като материалите за фазова промяна, които се използват за подаване на топлина при нагреватели за ръце. Хубавото на този материал е, че улавя „безплатна“ енергия директно от слънцето. Освен това няма движещи се или електронни части и така няма загуби, свързани със съхранението и освобождаването на слънчевата енергия енергия. Надяваме се, че с по-нататъшното развитие ще успеем да направим други материали, които съхраняват още повече енергия.“

Тези доказателства откриват нови пътища за изследвания, чрез които да се види кои други порести материали може да притежават добри свойства за съхранение на енергия, използвайки концепцията за ограничени фотопревключватели.
Съвместният изследовател д-р Нейтън Халкович добавя:
„Нашият подход означава, че има редица начини да се опитаме да оптимизираме тези материали или чрез промяна на самия фотопревключвател, или на порестата рамка на хоста.”

Други потенциални приложения за кристални материали, съдържащи молекули на фотопревключватели, включват съхранение на данни – добре дефинираното подреждане на фотопревключвателите в кристалната структура означава, че те по принцип могат да бъдат превключвани един по един с помощта на прецизен източник на светлина и следователно да съхраняват данни също като на CD или DVD, но на молекулярно ниво. Те имат потенциал да бъдат използвани и при дтретиране с лекарства, които могат да бъдат затворени вътре в даден материал с помощта на фотопревключватели и след това да бъдат освободени при необходимост в тялото с помощта на светлинен или топлинен спусък.

Въпреки че резултатите бяха обещаващи относно способността на този материал да съхранява енергия за дълги периоди от време, енергийната му плътност беше умерена. Следващите стъпки са да се изследват други MOF структури, както и алтернативни видове кристални материали с по-голям потенциал за съхранение на енергия.

Изследването, подкрепено от Leverhulme Trust, е описано подробно в статия, публикувана от списание Chemistry of Materials.
Изследователите са Джон Грифин, Кийрън Грифитс и Нейтън Халкович, всички от катедрата по химия на университета Ланкастър.
Референция: Kieran Griffiths, Nathan R. Halcovitch, John M. Griffin. Long-Term Solar Energy Storage under Ambient Conditions in a MOF-Based Solid–Solid Phase-Change Material. Chemistry of Materials, 2020; DOI: 10.1021/acs.chemmater.0c02708

Източници: ScienceDaily, Chemistry of Materials
Превод: Радослав Тодоров

Тази статия е част от Специалния брой „Зелени технологии“

 


Европейска нощ на учените 2022 г.: