07.12.2020 - Lancaster University

El estudio muestra que un material prometedor puede almacenar energía solar durante meses o años

Materiales como este podrían potencialmente desarrollarse como finos recubrimientos para descongelar las ventanas de los coches

A medida que nos alejamos de los combustibles fósiles y pasamos a la energía renovable para hacer frente al cambio climático, la necesidad de nuevas formas de captar y almacenar energía se hace cada vez más importante.

Los investigadores de la Universidad de Lancaster que estudian un material cristalino han descubierto que tiene propiedades que le permiten capturar la energía del sol. La energía puede ser almacenada durante varios meses a temperatura ambiente, y puede ser liberada a demanda en forma de calor.

Con un mayor desarrollo, este tipo de materiales podría ofrecer un interesante potencial como forma de capturar la energía solar durante los meses de verano, y almacenarla para su uso en invierno, donde hay menos energía solar disponible.

Esto resultaría invaluable para aplicaciones tales como sistemas de calefacción en sistemas fuera de la red o en lugares remotos, o como un complemento ecológico de la calefacción convencional en casas y oficinas. Potencialmente también podría producirse como una fina capa y aplicarse a la superficie de los edificios, o utilizarse en los parabrisas de los coches donde el calor almacenado podría utilizarse para descongelar el vidrio en las heladas mañanas de invierno.

El material se basa en un tipo de "marco orgánico-metálico" (MOF). Estos consisten en una red de iones metálicos unidos por moléculas basadas en el carbono para formar estructuras tridimensionales. Una propiedad clave de los MOF es que son porosos, lo que significa que pueden formar materiales compuestos al albergar otras pequeñas moléculas dentro de sus estructuras.

El equipo de investigación de Lancaster se propuso descubrir si un compuesto de MOF, previamente preparado por un equipo de investigación separado en la Universidad de Kyoto en Japón y conocido como "DMOF1", puede ser utilizado para almacenar energía, algo que no se había investigado anteriormente.

Los poros del MOF estaban cargados con moléculas de azobenceno, un compuesto que absorbe fuertemente la luz. Estas moléculas actúan como fotoconmutadores, que son un tipo de "máquina molecular" que puede cambiar de forma cuando se aplica un estímulo externo, como la luz o el calor.

En las pruebas, los investigadores expusieron el material a la luz UV, lo que hace que las moléculas de azobenceno cambien de forma a una configuración tensa dentro de los poros del MOF. Este proceso almacena la energía de forma similar a la energía potencial de un resorte doblado. Es importante que los estrechos poros del MOF atrapen las moléculas de azobenceno en su forma colada, lo que significa que la energía potencial puede almacenarse durante largos períodos de tiempo a temperatura ambiente.

La energía se libera de nuevo cuando el calor externo se aplica como un disparador para "cambiar" su estado, y esta liberación puede ser muy rápida, un poco como un resorte que se vuelve a curvar. Esto proporciona un impulso de calor que podría ser utilizado para calentar otros materiales de los dispositivos.

Pruebas posteriores mostraron que el material era capaz de almacenar la energía durante al menos cuatro meses. Este es un aspecto emocionante del descubrimiento, ya que muchos materiales sensibles a la luz vuelven a cambiar en horas o días. La larga duración de la energía almacenada abre posibilidades para el almacenamiento transestacional.

El concepto de almacenar la energía solar en fotointerruptores ha sido estudiado anteriormente, pero la mayoría de los ejemplos anteriores han requerido que los fotointerruptores estén en un líquido. Debido a que el compuesto MOF es un sólido, y no un combustible líquido, es químicamente estable y fácil de contener. Esto hace que sea mucho más fácil de convertirlo en revestimientos o dispositivos independientes.

El Dr. John Griffin, profesor titular de Química de Materiales en la Universidad de Lancaster e investigador principal del estudio, dijo: "El material funciona un poco como los materiales de cambio de fase, que se utilizan para suministrar calor en calentadores de manos. Sin embargo, mientras que los calentadores de manos necesitan ser calentados para poder recargarlos, lo bueno de este material es que captura energía "libre" directamente del sol. Tampoco tiene partes móviles o electrónicas, por lo que no hay pérdidas en el almacenamiento y la liberación de la energía solar. Esperamos que con un mayor desarrollo seamos capaces de hacer otros materiales que almacenen aún más energía".

Estos hallazgos de la prueba de concepto abren nuevas vías de investigación para ver qué otros materiales porosos podrían tener buenas propiedades de almacenamiento de energía usando el concepto de fotointerruptores confinados.

El investigador conjunto Dr. Nathan Halcovitch añadió: "Nuestro enfoque significa que hay varias maneras de tratar de optimizar estos materiales, ya sea cambiando el propio fotoconmutador, o el marco poroso del anfitrión".

Otras aplicaciones potenciales para los materiales cristalinos que contienen moléculas de fotoconmutadores incluyen el almacenamiento de datos - la disposición bien definida de los fotoconmutadores en la estructura cristalina significa que en principio podrían ser cambiados uno a uno usando una fuente de luz precisa y por lo tanto almacenar datos como en un CD o DVD, pero a nivel molecular. También tienen potencial para la administración de drogas - las drogas podrían ser encerradas dentro de un material usando fotoconmutadores y luego liberadas a demanda dentro del cuerpo usando un disparador de luz o calor.

Aunque los resultados fueron prometedores en cuanto a la capacidad de este material para almacenar energía durante largos períodos de tiempo, su densidad energética fue modesta. Los próximos pasos son investigar otras estructuras MOF así como tipos alternativos de materiales cristalinos con mayor potencial de almacenamiento de energía.

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