Найден перспективный химический способ запасания солнечной энергии

В Массачусетском технологическом институте (МТИ) открыт перспективный химический способ запасания солнечной энергии с помощью гибридных наноструктур.

Накопителями в предложенной американцами схеме должны стать химические связи светочувствительных молекул. При поглощении фотона h? такие молекулы могут изменять форму и переходить в метастабильное возбуждённое состояние, тем самым запасая энергию ?Н. Чтобы высвободить её, необходимо преодолеть барьер Еа; когда некое внешнее воздействие (тепло, излучение, напряжение и т. п.) сообщает молекулам требуемую энергию, они выдают сохранённую ?Н, после чего весь процесс повторяется заново. Методика, как видим, технологична, проста и экологически безопасна.

Эту идею химики пытались реализовать ещё в семидесятых годах прошлого века, экспериментируя с самыми разными реакциями фотоизомеризации. Опыты показали, что энергию действительно можно сохранять и извлекать, но после нескольких рабочих циклов молекулы теряют свои свойства.

Проблема быстрого ухудшения характеристик накопителей была решена с появлением нового соединения — (фульвален)тетракарбонилдирутения. Эта молекула могла многократно проходить цикл запасания и высвобождения энергии, но на практике также не использовалась, поскольку в её состав входит редкий и дорогой рутений.

Свои вычисления учёные МТИ проводили уже не для отдельных молекул, а для гибридных наноструктур, образованных производными азобензола, ковалентно связанными с углеродными нанотрубками. Азобензолом, поясним, называют простейшее ароматическое азосоединение (органическое соединение, содержащее группу —N=N—) с двумя изомерами, переход между которыми инициируется ультрафиолетовым и голубым светом. Нанотрубки в данном случае играют роль подложки, которая задаёт упорядоченное и плотное расположение светочувствительных молекул и помогает увеличить ?Н и время жизни фотовозбуждённого состояния.

Выполнив расчёты в рамках теории функционала плотности, учёные отыскали вполне подходящий вариант гибридной наноструктуры, построенной на основе 2,2’,5’-тригидроксидиазобензола. Если сравнить её со свободным азобензолом, то изменение ?Н составит целых 260%, а высота Еа должна увеличиваться на 20%. Фотовозбуждённое состояние такой структуры может просуществовать более года.

По данным авторов, объёмная плотность энергии, достижимая с применением описанных гибридов, приближается к 690 Вт•ч/л. Эта величина сравнима с показателями лучших литий-ионных аккумуляторов.

Перспективный вариант гибридной структуры на основе 2,2’,5’-тригидроксидиазобензола, молекулы которого изомеризуются под действием света, запасая энергию ?Н = 1,55 эВ в пересчёте на один азобензол. Справа внизу указаны параметры ?Н и Еа для обычного свободного азобензола. Белым, серым, синим и красным выделены атомы водорода, углерода, азота и кислорода.