Nuevas vías para acumular calor solar mediante reacciones moleculares fotoactivadas

Autor: Juan M. Coronado, Instituto de Catálisis y Petroleoquímica de Madrid, CSIC

La utilización de las energías renovables es uno de los pilares de la descarbonización del sistema energético que es necesaria para estabilizar el clima. Sin embargo, la intermitencia inherente a estos recursos requiere el apoyo de sistemas de acumulación de energía, que permitan adaptar la generación de energía al ritmo de consumo que precisa una sociedad tecnológicamente avanzada. Aunque existen diversas soluciones para hacer frente a la disminución temporal de la producción renovable, que van desde el uso de baterías de distinta tipo a los sistemas de bombeo de agua, la diversidad de aplicaciones posibles requiere una elevada flexibilidad tecnológica que sólo es posible alcanzar combinando distintas aproximaciones.

En este sentido, el almacenamiento molecular de energía solar térmica (MOST según el acrónimo en inglés) es una vía novedosa y muy prometedora para acumular este recurso renovable [1]. Esta tecnología se basa en la activación de una molécula orgánica adecuada (por ejemplo, norbornadienos, dihidroazulenos, y azobencenos entre otras) mediante su iluminación. Como consecuencia el compuesto se fotoisomeriza, es decir, cambia de configuración por efecto de la luz, pero mantiene invariable su composición (ver Figura). De este modo, la energía de los fotones queda almacenada en los enlaces químicos en estas moléculas, que actúan como foto-conmutadores, y puede ser liberada a demanda en forma de calor. En este proceso, la molécula fotoactiva alterna entre la configuración del estado fundamental y un estado excitado metaestable, y la diferencia de energía entre ambas es la entalpía de isomerización (ΔH_iso), que se acumula en este sistema químico.  Los derivados del azobenceno, compuestos que están constituidos por un grupo -N=N- enlazando dos fenilos (ver Figura), experimentan importantes cambios estructurales y de polaridad tras la isomerización E-Z, lo que a menudo da lugar a un cambio de estado de sólido a líquido. Esta transición de fase fotoinducida aumenta la densidad total de energía, ya que además de la energía de   isomerización ΔH_iso, el calor latente de la fusión del sólido se puede almacenar también de forma simultánea. Los compuestos MOST con transición de fase presentan densidades de energía superiores a 300 J/g, que son muy atractivas para diversas aplicaciones energéticas. 

Sin embargo, en estos sistemas moleculares la transición de fase sólido-líquido puede presentar algunos inconvenientes prácticos. Por una parte, la fusión puede aumentar el riesgo de fuga del compuesto orgánico del sistema, provocando potenciales problemas de seguridad. Por otro lado, las importantes interacciones moleculares de tipo π-π, dificultad la transformación de fase a temperatura ambiente, por lo que a menudo la activación mediante iluminación no es suficiente para inducir la fusión y resulta necesario aportar calor adicional. Para solventar estos problemas, recientemente investigadores de la Universidad de Brandeis, (EE.UU.) han propuesto la utilización de separadores moleculares 3D en la matriz sólida de las moléculas fotoactivas de azobenceno [2], lo que reduce su densidad de empaquetamiento y permite que la isomerización ocurra a temperatura ambiente en la fase cristalina.  Para faciltar esta función se ha seleccionado el compuesto adamantano, ya que permite establecer una disposición tetraédrica de azobencenos, y reduce el grado de interacciones intermoleculares π-π.  Este nuevo sistema compuesto da lugar a una transición de fase de cristalina a amorfa tras la fotoactivación, y la energía implicada en este proceso también puede ser acumulada, pero manteniendo el material en estado sólido y evitando por tanto las complicaciones derivadas de la formación de líquidos. No obstante, la densidad energética total (141 J/g) no es tan alta como en otros sistemas debido al efecto de dilución por la presencia del aditivo.

Referencias

[1].  Z. Wang, A. Roffey, R. Losantos, A. Lennartson, M. Jevric, A. U. Petersen, M. Quant, A. Dreos, X. Wen, D. Sampedro, K. Börjesson, K Moth-Poulsen, Energy Environ. Sci., , 12 (2019) 187-193. DOI: 10.1039/C8EE01011K

[2]. X. Li, S. Cho, G. G. D. Han, ACS Mater. Au, 3 (2023) 37−42. doi.org/10.1021/acsmaterialsau.2c00055

Contacto

Antonio López de Lacey, Investigador Responsable del grupo FCF del Programa FotoArt-CM.
Coordina FotoArt-CM: Víctor A. de la Peña O´Shea, Instituto IMDEA Energía.