Традиционные системы аккумулирования тепловой энергии позволяют накапливать энергию в течение короткого периода времени, например, в виде горячей воды. В отличие от этого, молекулярные системы аккумулирования солнечной энергии накапливают солнечную энергию в виде химических связей, что позволяет сохранять ее в течение нескольких недель или даже месяцев. Эти специализированные молекулы, или фотопереключатели, поглощают солнечную энергию и выделяют ее позже в виде тепла, по мере необходимости. Однако ключевой проблемой современных фотопереключателей является компромисс между способностью накапливать энергию и эффективным поглощением солнечного света, что ограничивает общую производительность. Чтобы решить эту проблему, исследовательские группы из Университета Йоханнеса Гутенберга в Майнце (JGU) и Университета Зигена представили новый подход в совместном исследовании.

Разделение процессов поглощения и накопления солнечной энергии

Новый класс фотопереключателей был впервые представлен группой профессора Хайко Ихмельса из Университета Зигена, демонстрируя исключительный потенциал накопления энергии, сравнимый с обычными литий-ионными батареями. Однако изначально их функциональность была ограничена активацией ультрафиолетовым излучением, которое составляет лишь небольшую часть солнечного спектра. Исследовательские группы в Майнце и Зигене внедрили метод непрямого сбора света, сравнимый с функцией светособирающего комплекса в фотосинтезе. В его состав входит второе соединение, так называемый сенсибилизатор, который обладает превосходными свойствами поглощения видимого света. "При таком подходе сенсибилизатор поглощает свет и впоследствии передает энергию на фотопереключатель, который в этих условиях не может быть активирован напрямую", - пояснил профессор Кристоф Керциг с химического факультета JGU.

Эта новая стратегия повысила эффективность накопления солнечной энергии более чем на порядок, что является важным шагом вперед для исследовательского сообщества в области преобразования энергии. Потенциальные области применения этих систем варьируются от бытовых систем отопления до крупномасштабных систем хранения энергии, что открывает многообещающий путь к устойчивому управлению энергией.

Механистические исследования, необходимые для обнаружения и оптимизации реакций

Команда исследователей из Майнца под руководством профессора Кристофа Керцига и аспиранта Тилля Церингера провела подробные спектроскопические анализы для изучения сложной системы, которые были необходимы для понимания лежащего в ее основе механизма. Каждый этап реакции был тщательно изучен первым автором статьи Тиллем Церингером, что позволило получить полное представление о том, как работает система. "Поступив таким образом, мы смогли не только существенно увеличить количество поглощаемого света, но и повысить эффективность преобразования света в накопленную химическую энергию", - пояснил Церингер. В рабочих условиях каждый поглощенный фотон может запустить процесс образования химической связи, который редко наблюдается в фотохимических реакциях из-за нескольких каналов потери энергии. Ученые успешно подтвердили надежность и практичность системы, многократно переключаясь между режимами накопления и высвобождения энергии с использованием солнечного света, что подчеркивает ее потенциал для применения в реальных условиях.

Результаты были опубликованы в прикладная химия, где работа была классифицирована как "Горячая" благодаря исключительным оценкам научных рецензентов.

Этот исследовательский проект получил финансовую поддержку от Немецкого исследовательского фонда (DFG) и Федерального экологического фонда Германии, которые предоставили грант на проект Кристофу Керцигу и стипендию Тиллю Церингеру соответственно. Дальнейшую поддержку оказали Дом молодых талантов и Фонд Нагельшнайдера Зигенского университета.