Entrada de luz solar - saída de energia, muito depois do pôr do sol
Bateria solar baseada em material orgânico poroso
Este material actua como um reservatório solar - armazenando energia e libertando-a como eletricidade muito depois do pôr do sol. Assim, a energia solar captada pode também ser utilizada para fornecer eletricidade no escuro. Pela primeira vez, foi possível combinar a captação de energia solar e o armazenamento de energia a longo prazo numa estrutura molecular única e sem metais - fundindo efetivamente as funções de uma célula solar e de uma bateria num sistema único, leve e sustentável.
Os investigadores da Universidade Técnica de Munique (TUM), do Instituto Max Planck de Investigação do Estado Sólido em Estugarda e da Universidade de Estugarda, com o apoio do Cluster of Excellence e-conversion, desenvolveram uma estrutura orgânica covalente bidimensional altamente porosa (COF) baseada na naftalenodiamida. Esta estrutura não só absorve a luz solar como também estabiliza as cargas foto-induzidas resultantes, permitindo o armazenamento de energia durante mais de 48 horas em ambientes aquosos.
As cargas armazenadas não são apenas retidas, mas podem ser ativamente descarregadas para alimentar uma carga externa, permitindo uma verdadeira utilização energética. "Bibhuti Bhusan Rath, autor principal do estudo e pós-doutorado na equipa de investigação da Professora Bettina Lotsch (diretora do Instituto Max Planck de Investigação do Estado Sólido). "O seu desempenho excede o de muitos materiais optoiónicos existentes - e fá-lo sem depender de metais ou elementos raros".
Ao combinar técnicas ópticas, electroquímicas e computacionais avançadas, os investigadores descobriram que a água desempenha um papel central na estabilização das cargas armazenadas. Em vez de interagirem fortemente com iões externos, as moléculas de água respondem às cargas na espinha dorsal do COF de uma forma que cria uma barreira energética, impedindo eficazmente a recombinação das cargas retidas geradas pela luz e preservando a energia para posterior libertação. O material apresenta uma capacidade de armazenamento de carga de 38 mAh/g, superando estruturas semelhantes e outros materiais sensíveis à luz, como nitretos de carbono e estruturas metal-orgânicas.
Simplicidade e robustez
O mecanismo teórico subjacente a este comportamento foi elucidado em conjunto com a equipa de Frank Ortmann, Professor de Métodos Teóricos em Espectroscopia na Escola de Ciências Naturais da TUM, o segundo autor correspondente do estudo. Através de simulações extensivas, avaliaram vários cenários de estabilização de carga. Colaboraram estreitamente com a equipa experimental para compreender a interação entre a estrutura do COF, os estados electrónicos e o ambiente aquoso circundante. "A beleza deste sistema reside na sua simplicidade e robustez", disse Ortmann. "Armazena cargas induzidas pela luz num estado estável, resultante da interação única entre o desenho molecular, a arquitetura da estrutura e o ambiente, e liberta-as quando necessário."
A equipa, que colaborou com investigadores do grupo do Prof. Joris van Slageren da Universidade de Estugarda, demonstrou ainda uma excelente estabilidade em ciclos, com mais de 90% de retenção de capacidade após vários ciclos de carregamento, apontando para uma nova e poderosa plataforma para baterias solares. "Este trabalho realça o potencial das estruturas orgânicas para serem aperfeiçoadas para aplicações energéticas avançadas - utilizando apenas blocos de construção orgânicos e água", disse o autor principal Lotsch. "Marca um passo significativo em direção a soluções de armazenamento de energia sustentáveis e orientadas para os materiais e aplicações fora da rede."
A abordagem inovadora das baterias solares está a ser investigada no recém-fundado Centro de Baterias Solares MPG-TUM (SolBat).
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Publicação original
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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