Een nieuwe toepassing van koolstofnanobuisjes, ontwikkeld door MIT-onderzoekers, is veelbelovend als een innovatieve benadering voor het opslaan van zonne-energie voor gebruik wanneer dat nodig is.

Het opslaan van de warmte van de zon in chemische vorm - in plaats van deze om te zetten in elektriciteit of de warmte zelf op te slaan in een sterk geïsoleerde container - heeft aanzienlijke voordelen, omdat het chemische materiaal in principe voor lange tijd kan worden opgeslagen zonder dat de opgeslagen energie verloren gaat. Het probleem met die aanpak was dat tot nu toe de chemicaliën die nodig waren om deze omzetting en opslag uit te voeren, ofwel binnen enkele cycli werden afgebroken, of het element ruthenium bevatte, wat zeldzaam en duur is.

Vorig jaar, MIT universitair hoofddocent Jeffrey Grossman en vier co-auteurs ontdekten precies hoe fulvaleen diruthenium - bij wetenschappers bekend als de beste chemische stof voor het omkeerbaar opslaan van zonne-energie, omdat het niet degradeerde - was in staat om deze prestatie te volbrengen. Grossman zei destijds dat een beter begrip van dit proces het gemakkelijker zou kunnen maken om naar andere verbindingen te zoeken, gemaakt van overvloedige en goedkope materialen, die op dezelfde manier kunnen worden gebruikt.

Nutsvoorzieningen, hij en postdoc Alexie Kolpak zijn daarin geslaagd. Een paper waarin hun nieuwe bevindingen worden beschreven, is zojuist online gepubliceerd in het tijdschrift Nano-letters , en zal in een volgend nummer verschijnen.

Het nieuwe materiaal dat Grossman en Kolpak hebben gevonden, is gemaakt van koolstofnanobuisjes, kleine buisvormige structuren van pure koolstof, in combinatie met een verbinding genaamd azobenzeen. De resulterende moleculen, geproduceerd met behulp van sjablonen op nanoschaal om hun fysieke structuur vorm te geven en te beperken, "nieuwe eigenschappen krijgen die niet beschikbaar zijn" in de afzonderlijke materialen, zegt Grossman, de Carl Richard Soderberg universitair hoofddocent energietechniek.

Dit nieuwe chemische systeem is niet alleen goedkoper dan de eerdere rutheniumhoudende verbinding, maar het is ook veel efficiënter in het opslaan van energie in een bepaalde hoeveelheid ruimte - ongeveer 10, 000 keer hoger in volumetrische energiedichtheid, Kolpak zegt - waardoor de energiedichtheid vergelijkbaar is met lithium-ionbatterijen. Door gebruik te maken van nanofabricagemethoden, "u kunt de interacties van [de moleculen] controleren, het vergroten van de hoeveelheid energie die ze kunnen opslaan en de tijdsduur dat ze het kunnen opslaan - en vooral, u kunt beide onafhankelijk van elkaar bedienen, ' zegt ze.

Thermochemische opslag van zonne-energie maakt gebruik van een molecuul waarvan de structuur verandert bij blootstelling aan zonlicht, en kan in die vorm voor onbepaalde tijd stabiel blijven. Vervolgens, wanneer geduwd door een stimulus - een katalysator, een kleine temperatuurverandering, een lichtflits - het kan snel terugspringen naar zijn andere vorm, zijn opgeslagen energie in een uitbarsting van hitte vrijgeven. Grossman beschrijft het als het creëren van een oplaadbare warmtebatterij met een lange houdbaarheid, als een conventionele batterij.

Een van de grote voordelen van de nieuwe benadering van het benutten van zonne-energie, Grossman zegt, is dat het het proces vereenvoudigt door het oogsten en opslaan van energie in één stap te combineren. “Je hebt een materiaal dat zowel energie omzet als opslaat, ' zegt hij. “Het is robuust, het verslechtert niet, en het is goedkoop.” Een beperking, echter, is dat hoewel dit proces nuttig is voor verwarmingstoepassingen, om elektriciteit te produceren zou een andere conversiestap nodig zijn, thermo-elektrische apparaten gebruiken of stoom produceren om een ​​generator aan te drijven.

Hoewel het nieuwe werk de energieopslagcapaciteit van een specifiek type molecuul laat zien - azobenzeen-gefunctionaliseerde koolstofnanobuizen - zegt Grossman dat de manier waarop het materiaal is ontworpen "een algemeen concept omvat dat op veel nieuwe materialen kan worden toegepast". al gesynthetiseerd door andere onderzoekers voor verschillende toepassingen, en zouden eenvoudig hun eigenschappen moeten hebben afgestemd op thermische zonne-energieopslag.

De sleutel tot het beheersen van thermische zonne-opslag is een energiebarrière die de twee stabiele toestanden scheidt die het molecuul kan aannemen; het gedetailleerde begrip van die barrière stond centraal in Grossman's eerdere onderzoek naar fulvaleendirunthenium, goed voor de stabiliteit op lange termijn. Een te lage drempel, en het molecuul zou te gemakkelijk terugkeren naar zijn "ongeladen" staat, het niet opslaan van energie voor lange periodes; als de drempel te hoog zou zijn, het zou niet gemakkelijk zijn energie kunnen vrijgeven wanneer dat nodig is. “De barrière moet geoptimaliseerd worden, ’ zegt Grosman.

Nu al, het team is “zeer actief aan het kijken naar een reeks nieuwe materialen, ' zegt hij. Hoewel ze het enige veelbelovende materiaal dat in dit artikel wordt beschreven al hebben geïdentificeerd, hij zegt, “Ik zie dit als het topje van de ijsberg. We zijn er behoorlijk lyrisch over."

Yosuke Kanai, assistent-professor scheikunde aan de Universiteit van North Carolina in Chapel Hill, zegt:"het idee om zonne-energie omkeerbaar op te slaan in chemische bindingen krijgt tegenwoordig veel aandacht. De nieuwigheid van dit werk is hoe deze auteurs hebben aangetoond dat de energiedichtheid aanzienlijk kan worden verhoogd door koolstofnanobuisjes te gebruiken als sjablonen op nanoschaal. Dit innovatieve idee opent ook een interessante weg voor het afstemmen van reeds bekende fotoactieve moleculen voor thermische zonnebrandstoffen en opslag in het algemeen.”