Luce solare in entrata - energia elettrica in uscita, molto tempo dopo il tramonto
Batteria solare basata su materiale organico poroso
Questo materiale agisce come un serbatoio solare, immagazzinando energia e rilasciandola sotto forma di elettricità molto tempo dopo il tramonto. L'energia solare catturata può quindi essere utilizzata per fornire elettricità anche al buio. Per la prima volta è stato possibile combinare la raccolta solare e l'immagazzinamento di energia a lungo termine in un'unica struttura molecolare priva di metalli, fondendo di fatto le funzioni di una cella solare e di una batteria in un unico sistema leggero e sostenibile.
I ricercatori dell'Università Tecnica di Monaco (TUM), dell'Istituto Max Planck per la ricerca sullo stato solido di Stoccarda e dell'Università di Stoccarda, con il supporto del Cluster of Excellence e-conversion, hanno sviluppato una struttura organica covalente (COF) altamente porosa e bidimensionale basata sulla naftalenediimmide. Questa struttura non solo assorbe la luce solare, ma stabilizza anche le cariche fotoindotte risultanti, consentendo l'accumulo di energia per oltre 48 ore in ambienti acquosi.
Le cariche immagazzinate non vengono semplicemente trattenute, ma possono essere scaricate attivamente per alimentare un carico esterno, consentendo un reale utilizzo energetico. "Questo materiale ha una doppia funzionalità e agisce sia come assorbitore solare che come serbatoio di carica a lungo termine", ha dichiarato il dott. Bibhuti Bhusan Rath, autore principale dello studio e postdoc nel team di ricerca della prof.ssa Bettina Lotsch (direttrice del Max Planck Institute for Solid State Research). "Le sue prestazioni superano quelle di molti materiali optoionici esistenti e lo fanno senza ricorrere a metalli o elementi rari".
Combinando tecniche ottiche, elettrochimiche e computazionali avanzate, i ricercatori hanno scoperto che l'acqua svolge un ruolo centrale nella stabilizzazione delle cariche immagazzinate. Invece di interagire fortemente con gli ioni esterni, le molecole d'acqua rispondono alle cariche della spina dorsale COF in modo da creare una barriera energetica, impedendo di fatto la ricombinazione delle cariche intrappolate generate dalla luce e conservando l'energia per un successivo rilascio. Il materiale presenta una capacità di accumulo di carica di 38 mAh/g, superando strutture simili e altri materiali reattivi alla luce come i nitruri di carbonio e le strutture metallo-organiche.
Semplicità e robustezza
Il meccanismo teorico alla base di questo comportamento è stato chiarito insieme al team di Frank Ortmann, professore di Metodi teorici in spettroscopia presso la Scuola di Scienze Naturali della TUM, secondo autore corrispondente dello studio. Attraverso ampie simulazioni, hanno valutato vari scenari di stabilizzazione della carica. Hanno collaborato strettamente con il team sperimentale per comprendere l'interazione tra la struttura del COF, gli stati elettronici e l'ambiente idrico circostante. "La bellezza di questo sistema sta nella sua semplicità e robustezza", ha detto Ortmann. "Immagazzina le cariche indotte dalla luce in uno stato stabile, frutto dell'interazione unica tra design molecolare, architettura della struttura e ambiente, e le rilascia quando necessario".
Il team, che ha collaborato con i ricercatori del gruppo del Prof. Joris van Slageren dell'Università di Stoccarda, ha inoltre dimostrato un'eccellente stabilità nel ciclo, con oltre il 90% di mantenimento della capacità dopo diversi cicli di carica, indicando una nuova potente piattaforma per le batterie solari. "Questo lavoro mette in evidenza il potenziale delle strutture organiche da mettere a punto per applicazioni energetiche avanzate, utilizzando solo blocchi di costruzione organici e acqua", ha dichiarato l'autore principale Lotsch. "Segna un passo significativo verso soluzioni di accumulo di energia sostenibili e guidate dai materiali e applicazioni off-grid".
L'approccio innovativo alle batterie solari è oggetto di ulteriori ricerche presso il centro MPG-TUM Solar Battery Center (SolBat), fondato di recente.
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Pubblicazione originale
Bibhuti Bhusan Rath, Laura Fuchs, Friedrich Stemmler, Andrés Rodríguez-Camargo, Yang Wang, Maximilian F. X. Dorfner, Johann Olbrich, Joris van Slageren, Frank Ortmann, Bettina V. Lotsch; "Insights into Decoupled Solar Energy Conversion and Charge Storage in a 2D Covalent Organic Framework for Solar Battery Function"; Journal of the American Chemical Society, 2025-4-28
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