Изогнутые молекулы научились запасать солнечную энергию и отдавать её по требованию

Изогнутые производные антрацена с объёмными заместителями, способные к эффективной обратимой изомеризации Девара при поглощении видимого света. Автор: Chem (2025). DOI: 10.1016/j.chempr.2025.102660

Изогнутые молекулы, способные поглощать солнечный свет, запасать энергию и высвобождать её в виде тепла по требованию, открывают новые горизонты в технологиях солнечного теплового аккумулирования.

В недавнем исследовании, опубликованном в журнале Chem, учёные представили модифицированные производные антрацена — органических молекул, содержащихся в каменноугольной смоле. Эти молекулы меняют свою структуру под действием солнечного света, а при возвращении в исходную форму выделяют запасённую энергию в виде тепла.

Системы на основе антрацена, полученного из побочного продукта нефтепереработки, продемонстрировали высокую плотность энергонакопления, что делает их перспективной альтернативой традиционным системам теплового аккумулирования, не требующей использования растворителей.

Технология молекулярного солнечного теплового аккумулирования (MOST) основана на принципе хранения энергии в химических связях. Специально разработанные фоточувствительные молекулы подвергаются обратимым структурным изменениям, известным как изомеризация Девара. Под действием света они переходят из стабильной формы в высокоэнергетическую, «запирая» солнечную энергию в напряжённых химических структурах.

Материалы MOST способны сохранять энергию в течение длительного времени, а её высвобождение может быть инициировано по требованию с помощью тепла, света определённой длины волны или катализатора.

Процесс накопления и высвобождения энергии через обратимую изомеризацию Девара в изогнутых антраценах. Автор: Chem (2025). DOI: 10.1016/j.chempr.2025.102660

Солнечный свет содержит излучение разных длин волн, но существующие системы MOST используют лишь ультрафиолетовую составляющую, игнорируя видимый спектр. Кроме того, они требуют применения органических растворителей, что снижает гравиметрическую плотность энергии (количество энергии на единицу массы).

Новые изогнутые антраценовые системы не только поглощают видимый свет, но и работают без растворителей, выдерживая более 28 циклов накопления-высвобождения без значительной деградации.

Исследователи выбрали антрацен — органическую молекулу из трёх линейно соединённых бензольных колец — в качестве основы. Они создали четыре различных производных, введя объёмные группы в 9-позицию антрацена, чтобы придать молекуле изогнутую структуру. Обычный антрацен при поглощении энергии склонен образовывать димеры, а не изомеры, что критически важно для процесса аккумулирования энергии.

Демонстрация сбора солнечной энергии, цикличности и фотоизомеризации в жидкой фазе изогнутых антраценов. Автор: Chem (2025). DOI: 10.1016/j.chempr.2025.102660

Разработанные системы показали эффективную изомеризацию Девара при поглощении видимого света с плотностью накопления энергии до 170 кДж/моль и 0,65 МДж/кг — значения сопоставимы с коммерчески доступными материалами. Жидкофазные антраценовые системы не требуют растворителей, что максимизирует полезную энергоёмкость.

Одна из систем выдержала 28 циклов фотоиндуцированной изомеризации и термически активируемого возврата с минимальным снижением поглощения и без значительной деградации. Все четыре системы могли перезаряжаться под искусственным солнечным светом за 6–8 часов, оставаясь готовыми к выделению тепла по требованию.

Исследователи отмечают, что эта работа демонстрирует потенциал полностью углеродных систем для хранения значительных объёмов солнечной энергии, представляя важный шаг к практическому и масштабируемому солнечному тепловому аккумулированию.

Дополнительная информация: Subhayan Chakraborty et al, Curved anthracenes for visible-light photon energy storage via Dewar isomerization, Chem (2025). DOI: 10.1016/j.chempr.2025.102660