Forskningsopdatering:Ny måde at opbevare solens varme på

En ny anvendelse af kulstof nanorør, udviklet af MIT forskere, viser lovende som en innovativ tilgang til opbevaring af solenergi til brug, når det er nødvendigt.

At lagre solens varme i kemisk form - i stedet for at omdanne den til elektricitet eller lagre selve varmen i en stærkt isoleret beholder - har betydelige fordele, da det kemiske materiale i princippet kan opbevares i lange perioder uden at miste noget af dets lagrede energi. Problemet med denne tilgang har været, at indtil nu er de kemikalier, der er nødvendige for at udføre denne omdannelse og opbevaring, enten nedbrudt inden for få cyklusser, eller inkluderet grundstoffet ruthenium, hvilket er sjældent og dyrt.

Sidste år, MIT lektor Jeffrey Grossman og fire medforfattere fandt ud af præcis, hvordan fulvalen diruthenium - kendt af videnskabsmænd som det bedste kemikalie til reversibel lagring af solenergi, da den ikke nedbrydes - var i stand til at udføre denne bedrift. Grossman sagde på det tidspunkt, at en bedre forståelse af denne proces kunne gøre det lettere at søge efter andre forbindelser, lavet af rigelige og billige materialer, som kunne bruges på samme måde.

Nu, det er lykkedes ham og postdoc Alexie Kolpak. Et papir, der beskriver deres nye resultater, er netop blevet offentliggjort online i tidsskriftet Nano bogstaver , og vil fremkomme på tryk i et kommende nummer.

Det nye materiale fundet af Grossman og Kolpak er lavet ved hjælp af kulstof nanorør, små rørformede strukturer af rent kulstof, i kombination med en forbindelse kaldet azobenzen. De resulterende molekyler, produceret ved hjælp af nanoskala skabeloner til at forme og begrænse deres fysiske struktur, få "nye egenskaber, der ikke er tilgængelige" i de separate materialer, siger Grossman, Carl Richard Soderberg lektor i Power Engineering.

Ikke alene er dette nye kemiske system billigere end den tidligere rutheniumholdige forbindelse, men det er også langt mere effektivt til at lagre energi i en given mængde plads - omkring 10, 000 gange højere i volumetrisk energitæthed, Kolpak siger - gør dens energitæthed sammenlignelig med lithium-ion-batterier. Ved at bruge nanofabrikationsmetoder, "du kan kontrollere [molekylernes] interaktioner, at øge mængden af ​​energi, de kan lagre, og hvor længe de kan opbevare den – og vigtigst af alt, du kan styre begge uafhængigt, ” siger hun.

Termokemisk lagring af solenergi bruger et molekyle, hvis struktur ændres, når det udsættes for sollys, og kan forblive stabil i den form på ubestemt tid. Derefter, når det skubbes af en stimulus - en katalysator, en lille temperaturændring, et lysglimt - det kan hurtigt snappe tilbage til sin anden form, frigiver sin lagrede energi i et udbrud af varme. Grossman beskriver det som at skabe et genopladeligt varmebatteri med lang holdbarhed, som et konventionelt batteri.

En af de store fordele ved den nye tilgang til at udnytte solenergi, Grossman siger, er, at det forenkler processen ved at kombinere energihøst og lagring i et enkelt trin. "Du har et materiale, der både omdanner og lagrer energi, ” siger han. "Det er robust, det nedbrydes ikke, og det er billigt." En begrænsning, imidlertid, er, at selvom denne proces er nyttig til opvarmningsapplikationer, at producere elektricitet ville kræve endnu et konverteringstrin, bruge termoelektriske enheder eller producere damp til at drive en generator.

Mens det nye arbejde viser energilagringsevnen for en specifik type molekyle - azobenzen-funktionaliserede kulstof nanorør - siger Grossman, at den måde, materialet blev designet på, involverer "et generelt koncept, der kan anvendes på mange nye materialer." Mange af disse har allerede blevet syntetiseret af andre forskere til forskellige applikationer, og ville simpelthen skulle have deres egenskaber finjusteret til solvarmeopbevaring.

Nøglen til styring af solvarmelagring er en energibarriere, der adskiller de to stabile tilstande, som molekylet kan indtage; den detaljerede forståelse af denne barriere var central for Grossmans tidligere forskning om fulvalen dirunthenium, tegner sig for dens langsigtede stabilitet. For lav barriere, og molekylet ville for let vende tilbage til sin "uladede" tilstand, undlader at lagre energi i lange perioder; hvis barrieren var for høj, det ville ikke nemt kunne frigive sin energi, når det var nødvendigt. "Barrieren skal optimeres, " siger Grossman.

Allerede, holdet "kigger meget aktivt på en række nye materialer, ” siger han. Mens de allerede har identificeret det ene meget lovende materiale, der er beskrevet i dette papir, han siger, "Jeg ser det her som toppen af ​​isbjerget. Vi er ret nervøse over det."

Yosuke Kanai, assisterende professor i kemi ved University of North Carolina i Chapel Hill, siger "ideen om reversibelt at lagre solenergi i kemiske bindinger får stor opmærksomhed i disse dage. Det nye ved dette arbejde er, hvordan disse forfattere har vist, at energitætheden kan øges betydeligt ved at bruge kulstof-nanorør som skabeloner i nanoskala. Denne innovative idé åbner også en interessant vej til at skræddersy allerede kendte fotoaktive molekyler til solvarmebrændstoffer og lagring generelt."