Nguyen HPQ, Maertens AJ, Baker BA et al. (2026) Molecular solar thermal energy storage in Dewar pyrimidone beyond 1.6 MJ/kg. Science 0, eaec6413 – https://doi.org/10.1126/science.aec64 – University of Ljubljana free access article pdf
Abstract (povzetek):
Shranjevanje sončne svetlobe v kompaktni in ponovno polnljivi obliki ostaja osrednji izziv za izkoriščanje sončne energije. Molekularni sistemi za shranjevanje sončne toplotne energije (angl. Molecular solar thermal – MOST energy storage system), ki izkoriščajo fotonsko energijo in jo po potrebi sproščajo v obliki toplote, ponujajo neposreden pristop, vendar že dolgo ne izpolnjujejo praktičnih meril. Navdihnjeni z arhitekturo DNK, poročamo o sistemu MOST na osnovi pirimidona, ki shranjuje energijo v napetem fotoizomeru Dewar ob vzbujanju pri 300 nm. Sistem, zasnovan z mislijo na trajnost, deluje brez topil in ostaja združljiv z vodnimi okolji, hkrati pa premaguje eno največjih ovir na tem področju: nadzorovano izločanje in prenos shranjene toplote. Ko ga katalizira kislina, izomer Dewar sprosti dovolj toplote, da zavre vodo (~0,5 ml). Ti napredki pomagajo pokazati pot k decentraliziranemu shranjevanju sončne toplote in energetskim rešitvam brez omrežja.
V prispevku je predstavljen inovativni molekularni sistem za shranjevanje sončne toplotne energije (MOST), ki temelji na pirimidonu in njegovem visoko napetem Dewarjevem izomeru. Raziskovalci so razvili kompaktno molekularno strukturo, ki dosega rekordno gostoto energije 1,65 MJ/kg, kar znatno presega zmogljivosti prejšnjih fotostikal. Sistem deluje na principu reverzibilne fotoizomerizacije, kjer se energija fotonov shrani v kemijske vezi in se pozneje na zahtevo sprosti v obliki toplote. Poseben dosežek študije je nadzorovano sproščanje toplote s pomočjo kislinskega katalizatorja v vodnem okolju, kar je omogočilo celo vretje vode. Avtorji poudarjajo, da te izboljšave, vključno z delovanjem brez topil in izjemno ciklično stabilnostjo, odpirajo pot do praktične uporabe za ogrevanje prostorov in vode v napravah zunaj omrežja. Tehnologija predstavlja trajnostno alternativo fosilnim gorivom, saj omogoča dolgotrajno hrambo sončne energije v varni, tekoči obliki.
V nadaljevanju podajamo podrobnejši povzetek raziskave o molekularnem solarnem termičnem (MOST) shranjevanju energije v Dewarjevem pirimidonu.
Pregled inovacije
- Koncept: Študija predstavlja sistem MOST na osnovi pirimidona, ki ga za shranjevanje sončne energije navdihuje fotokemija DNA (natančneje (6-4) fotoprodukti).
- Ključni dosežek: Sistem dosega rekordno visoko gostoto gravimetričnega shranjevanja energije 1,65 MJ/kg, s čimer presega litij-ionske baterije (~0,9 MJ/kg) in prejšnja merila za sisteme MOST (npr. norbornadiene pri ~0,97 MJ/kg).
- Trajnost: Za razliko od mnogih obstoječih sistemov, ki zahtevajo organska topila, ta zasnova deluje v pogojih brez topil (v čisti obliki) in je združljiva z vodnimi okolji.
Molekularna zasnova in mehanizem
- Ogrodje: Raziskovalci so sintetizirali metilirane derivate 2-pirimidona (spojine 1–4). Spojina 3 (1,4,6-trimetil-2-pirimidon) je bila prepoznana kot optimalen kandidat zaradi razširljivosti in zmogljivosti.
- Postopek izomerizacije:
- Polnjenje: Ob obsevanju pri 300–310 nm (UV) molekula vstopi v valenčno izomerizacijo in tvori metastabilni “Dewarjev” izomer.
- Struktura: Ta vključuje sestavljeno napetost (zlit biciklični motiv) in labilno vez C–N, hkrati pa izgubi aromatičnost, kar maksimizira količino shranjene energije.
- Praznjenje: Dewarjev izomer se s toplotno ali katalitsko aktivacijo povrne v stabilno obliko pirimidona in pri tem sprosti shranjeno toploto.
- Stabilnost: Sistem z metilacijo zavira konkurenčno tavtomerizacijo in dokazuje kemijsko odpornost v več kot 20 ciklih polnjenja in praznjenja.
Merila zmogljivosti
- Energijska gostota: Spojina 3 izkazuje gostoto shranjevanja 228 kJ/mol (1,65 MJ/kg), kar je znatno več od azaborininov in derivatov antracena.
- Termična stabilnost: Dewarjevi izomeri kažejo odlično kinetično stabilnost z ekstrapoliranimi razpolovnimi časi ($t_{1/2}$), ki segajo od nekaj mesecev do 3 let pri sobni temperaturi.
- Kvantni izkoristek: Kvantni izkoristki fotoizomerizacije se gibljejo od 0,9 % do 7,8 %, pri čemer je bila pri spojinah 3 in 4 dosežena kvantitativna pretvorba (100 %).
Praktična uporaba: Segrevanje vode
- Sprožilni mehanizem: Ekipa je uporabila kislinsko katalizo (HCl) za sprožitev hitre reverzije (povratka) Dewarjevega izomera v vodi.
- Demonstracija:
- S kislino katalizirana reverzija spojine 3 je sprostila dovolj toplote, da se je temperatura vode dvignila za ~75 °C, kar jo je dejansko privedlo do vretja.
- Infrardeče termalno slikanje je potrdilo učinkovitost prenosa toplote, primerljivo z meritvami diferenčne dinamične kalorimetrije (DSC).
- Primerjava: V kontrolnih poskusih je pirimidonski sistem prenesel znatno več toplote (153 J) kot primerljive mase diazetidina (14 J) ali cis-azobenzena (11 J).
Povzetek članka kot predstavitev z zdrski.