Молекулярное солнечное хранилище: новая тепловая батарея, вдохновленная ДНК

Новая компактная органическая молекула продемонстрировала способность стабильно хранить солнечную энергию, выделяя ее в виде тепла, когда это необходимо. А достигаемая плотность энергии превосходит плотность литиевых батарей.

Возможность улавливать и хранить солнечную энергию эффективным и компактным способом по-прежнему остается одной из важнейших задач исследований в области устойчивой энергетики сегодня. Именно в этой области в последние годы продвинулась MOST, английская аббревиатура, используемая для обозначения систем хранения солнечной тепловой энергии на молекулярной основе.

Основная задача в этой области — найти идеальную молекулу. На протяжении многих лет несколько кандидатов MOST были протестированы в поисках того, который лучше всего соответствует требованиям плотности энергии, спектра поглощения, кинетического барьера, квантового выхода и стабильности.

От ДНК к искусственному пиримидону

Удовлетворительных результатов на практике пока мало, но новые исследования, проведенные в химических лабораториях Калифорнийского университета, возможно, нашли новый многообещающий подход. Здесь, по сути, группа ученых под руководством профессора Грейс Хан разработала биоинспирированную систему MOST. В частности, группа черпала вдохновение из архитектуры ДНК для создания молекулярной системы хранения солнечной энергии на основе пиримидона.

Это органическое соединение представляет собой кетоновое производное пиримидина, молекулы, которая имеет структуру, аналогичную структуре компонента, присутствующего в ДНК, и которая может претерпевать обратимые структурные изменения после воздействия УФ-излучения.

Группа разработала синтетическую версию этой структуры, дав жизнь новому фотопереключателю, который стабильно сохраняет солнечную энергию (даже в течение многих лет), а затем обратимо высвобождает ее по требованию. Точнее, пиримидон запасает энергию в метастабильном фотоизомере Дьюара (деформированном возбуждением при 300 нм).

«Мы отдали предпочтение легкой и компактной молекулярной конструкции»«, — сказал Хан Нгуен, ведущий автор исследования. «Для этого проекта мы устранили все ненужное».

Термальная батарея с рекордной плотностью энергии

Результат является многообещающим для сектора молекулярного хранения солнечной энергии. Новый MOST имеет плотность энергии более 1,6 МДж/кг, что примерно вдвое превышает плотность энергии стандартной литий-ионной батареи (0,9 МДж/кг). Значение, которого никогда не достигали в предыдущих экспериментах.

Разработанная с учетом принципов устойчивого развития, система работает без растворителей и остается совместимой с водными средами, преодолевая при этом одно из самых больших препятствий в отрасли: контролируемое извлечение и передачу накопленного тепла. При катализе кислотой изомер Дьюара выделяет достаточно тепла, чтобы вскипятить воду.

«Кипячение воды – энергозатратный процесс»добавил Нгуен. «Поэтому достижение этого при комнатной температуре представляет собой большое достижение».

Эта возможность открывает двери для практических применений, начиная от мобильного теплоснабжения (например, в кемпингах) и заканчивая нагревом воды в бытовых целях. Мало того: поскольку соединение растворимо в воде, его можно использовать для создания солнечных тепловых коллекторов нового поколения.

Исследование «Молекулярное хранение солнечной тепловой энергии в пиримидоне Дьюара свыше 1,6 МДж/кг» был опубликован на Наука.