En ny tillämpning av kolnanorör, utvecklad av MIT-forskare, visar lovande som ett innovativt tillvägagångssätt för att lagra solenergi för användning närhelst det behövs.

Att lagra solens värme i kemisk form - snarare än att omvandla den till elektricitet eller lagra själva värmen i en kraftigt isolerad behållare - har betydande fördelar, eftersom det kemiska materialet i princip kan lagras under långa perioder utan att förlora någon av sin lagrade energi. Problemet med det tillvägagångssättet har varit att de kemikalier som behövts för att utföra denna omvandling och lagring fram tills nu antingen försämrades inom några cykler, eller inkluderade grundämnet rutenium, vilket är sällsynt och dyrt.

Förra året, MIT docent Jeffrey Grossman och fyra medförfattare räknade ut exakt hur fulvalen diruthenium - känd för forskare som den bästa kemikalien för att reversibelt lagra solenergi, eftersom det inte försämrades - kunde utföra denna bedrift. Grossman sa då att bättre förståelse av denna process kan göra det lättare att söka efter andra föreningar, gjorda av rikliga och billiga material, som skulle kunna användas på samma sätt.

Nu, han och postdoc Alexie Kolpak har lyckats med just det. En artikel som beskriver deras nya rön har precis publicerats online i tidskriften Nanobokstäver , och kommer att finnas i tryck i ett kommande nummer.

Det nya materialet som hittats av Grossman och Kolpak är tillverkat av kolnanorör, små rörformiga strukturer av rent kol, i kombination med en förening som kallas azobensen. De resulterande molekylerna, producerade med nanoskala mallar för att forma och begränsa deras fysiska struktur, få "nya egenskaper som inte är tillgängliga" i de separata materialen, säger Grossman, Carl Richard Söderberg docent i kraftteknik.

Detta nya kemiska system är inte bara billigare än den tidigare ruteniumhaltiga föreningen, men det är också mycket effektivare när det gäller att lagra energi i en given mängd utrymme - cirka 10, 000 gånger högre i volymetrisk energitäthet, Kolpak säger — vilket gör dess energitäthet jämförbar med litiumjonbatterier. Genom att använda nanotillverkningsmetoder, "du kan kontrollera [molekylernas] interaktioner, öka mängden energi de kan lagra och hur länge de kan lagra den - och viktigast av allt, du kan styra båda oberoende, " säger hon.

Termokemisk lagring av solenergi använder en molekyl vars struktur förändras när den utsätts för solljus, och kan förbli stabil i den formen på obestämd tid. Sedan, när den knuffas av en stimulans - en katalysator, en liten temperaturförändring, en ljusblixt — den kan snabbt knäppa tillbaka till sin andra form, frigör sin lagrade energi i en värmesprängning. Grossman beskriver det som att skapa ett uppladdningsbart värmebatteri med lång hållbarhet, som ett vanligt batteri.

En av de stora fördelarna med det nya tillvägagångssättet för att utnyttja solenergi, Grossman säger, är att det förenklar processen genom att kombinera energiskörd och lagring i ett enda steg. "Du har ett material som både omvandlar och lagrar energi, ” säger han. "Det är robust, det försämras inte, och det är billigt.” En begränsning, dock, är att även om denna process är användbar för uppvärmningstillämpningar, att producera el skulle kräva ytterligare ett konverteringssteg, använda termoelektriska enheter eller producera ånga för att driva en generator.

Medan det nya arbetet visar energilagringsförmågan hos en specifik typ av molekyl - azobensenfunktionaliserade kolnanorör - säger Grossman att hur materialet utformades involverar "ett allmänt koncept som kan tillämpas på många nya material." Många av dessa har redan syntetiserats av andra forskare för olika tillämpningar, och skulle helt enkelt behöva få sina egenskaper finjusterade för solvärmelagring.

Nyckeln till att kontrollera solvärmelagring är en energibarriär som separerar de två stabila tillstånd som molekylen kan anta; den detaljerade förståelsen av den barriären var central för Grossmans tidigare forskning om fulvalen dirunthenium, står för dess långsiktiga stabilitet. För låg barriär, och molekylen skulle för lätt återgå till sitt "oladdade" tillstånd, misslyckas med att lagra energi under långa perioder; om barriären var för hög, det skulle inte lätt kunna frigöra sin energi när det behövs. "Barriären måste optimeras, säger Grossman.

Redan, teamet tittar mycket aktivt på en rad nya material, ” säger han. Även om de redan har identifierat det mycket lovande materialet som beskrivs i detta dokument, han säger, "Jag ser det här som toppen av ett isberg. Vi är ganska upprörda över det."

Yosuke Kanai, biträdande professor i kemi vid University of North Carolina i Chapel Hill, säger "idén att reversibelt lagra solenergi i kemiska bindningar får mycket uppmärksamhet nuförtiden. Det nya med detta arbete är hur dessa författare har visat att energitätheten kan ökas avsevärt genom att använda kolnanorör som mallar i nanoskala. Denna innovativa idé öppnar också en intressant väg för att skräddarsy redan kända fotoaktiva molekyler för solvärmebränslen och lagring i allmänhet."