Une nouvelle application des nanotubes de carbone, développé par des chercheurs du MIT, est prometteur en tant qu'approche innovante pour stocker l'énergie solaire à utiliser chaque fois que cela est nécessaire.

Stocker la chaleur du soleil sous forme chimique - plutôt que de la convertir en électricité ou de stocker la chaleur elle-même dans un conteneur fortement isolé - présente des avantages significatifs, car en principe, le matériau chimique peut être stocké pendant de longues périodes sans perdre aucune de son énergie stockée. Le problème avec cette approche était que jusqu'à présent, les produits chimiques nécessaires pour effectuer cette conversion et ce stockage se dégradaient en quelques cycles, ou inclus l'élément ruthénium, ce qui est rare et cher.

L'année dernière, Le professeur agrégé du MIT Jeffrey Grossman et quatre co-auteurs ont découvert exactement comment le fulvalène diruthénium - connu des scientifiques comme le meilleur produit chimique pour stocker de manière réversible l'énergie solaire, puisqu'il ne s'est pas dégradé - a pu accomplir cet exploit. Grossman a déclaré à l'époque qu'une meilleure compréhension de ce processus pourrait faciliter la recherche d'autres composés, fait de matériaux abondants et peu coûteux, qui pourrait être utilisé de la même manière.

Maintenant, lui et le postdoctorant Alexie Kolpak y sont parvenus. Un article décrivant leurs nouvelles découvertes vient d'être publié en ligne dans la revue Lettres nano , et paraîtra sous forme imprimée dans un prochain numéro.

Le nouveau matériau trouvé par Grossman et Kolpak est fabriqué à partir de nanotubes de carbone, minuscules structures tubulaires de carbone pur, en combinaison avec un composé appelé azobenzène. Les molécules résultantes, produites à l'aide de modèles à l'échelle nanométrique pour façonner et contraindre leur structure physique, gagner de « nouvelles propriétés qui ne sont pas disponibles » dans les matériaux séparés, dit Grossman, le professeur agrégé Carl Richard Soderberg d'ingénierie énergétique.

Non seulement ce nouveau système chimique est-il moins cher que le précédent composé contenant du ruthénium, mais il est également beaucoup plus efficace pour stocker de l'énergie dans un espace donné - environ 10, 000 fois plus élevée en densité d'énergie volumétrique, Kolpak dit — rendant sa densité énergétique comparable à celle des batteries lithium-ion. En utilisant des méthodes de nanofabrication, « vous pouvez contrôler les interactions [des molécules], augmenter la quantité d'énergie qu'ils peuvent stocker et la durée pendant laquelle ils peuvent la stocker - et plus important encore, vous pouvez contrôler les deux indépendamment, " dit-elle.

Le stockage thermochimique de l'énergie solaire utilise une molécule dont la structure change lorsqu'elle est exposée au soleil, et peut rester stable sous cette forme indéfiniment. Puis, lorsqu'il est poussé par un stimulus - un catalyseur, un petit changement de température, un éclair de lumière - il peut rapidement revenir à son autre forme, libérant son énergie stockée dans une bouffée de chaleur. Grossman le décrit comme la création d'une batterie thermique rechargeable avec une longue durée de vie, comme une batterie classique.

L'un des grands avantages de la nouvelle approche de l'exploitation de l'énergie solaire, Grossman dit, est qu'il simplifie le processus en combinant la récupération et le stockage d'énergie en une seule étape. « Vous avez un matériau qui convertit et stocke l'énergie, " dit-il. « C'est robuste, ça ne se dégrade pas, et c'est bon marché. » Une limitation, cependant, est que bien que ce processus soit utile pour les applications de chauffage, produire de l'électricité nécessiterait une autre étape de conversion, utiliser des appareils thermoélectriques ou produire de la vapeur pour faire fonctionner un générateur.

Alors que les nouveaux travaux montrent la capacité de stockage d'énergie d'un type spécifique de molécule - les nanotubes de carbone fonctionnalisés à l'azobenzène - Grossman dit que la façon dont le matériau a été conçu implique "un concept général qui peut être appliqué à de nombreux nouveaux matériaux". déjà été synthétisé par d'autres chercheurs pour différentes applications, et auraient simplement besoin d'avoir leurs propriétés affinées pour le stockage thermique solaire.

La clé du contrôle du stockage thermique solaire est une barrière énergétique séparant les deux états stables que la molécule peut adopter; la compréhension détaillée de cette barrière était au cœur des recherches antérieures de Grossman sur le fulvalène dirunthénium, ce qui explique sa stabilité à long terme. Une barrière trop basse, et la molécule reviendrait trop facilement à son état « non chargé », ne pas stocker l'énergie pendant de longues périodes ; si la barrière était trop haute, il ne serait pas en mesure de libérer facilement son énergie en cas de besoin. « La barrière doit être optimisée, ", dit Grossman.

Déjà, l'équipe « étudie très activement une gamme de nouveaux matériaux, " dit-il. Bien qu'ils aient déjà identifié le matériau très prometteur décrit dans cet article, il dit, «Je vois cela comme la pointe de l'iceberg. Nous sommes assez excités à ce sujet.

Yosuke Kanai, professeur adjoint de chimie à l'Université de Caroline du Nord à Chapel Hill, dit "l'idée de stocker de manière réversible l'énergie solaire dans des liaisons chimiques gagne beaucoup d'attention ces jours-ci. La nouveauté de ce travail est la façon dont ces auteurs ont montré que la densité d'énergie peut être considérablement augmentée en utilisant des nanotubes de carbone comme modèles à l'échelle nanométrique. Cette idée innovante ouvre également une voie intéressante pour adapter des molécules photoactives déjà connues pour les combustibles solaires thermiques et le stockage en général. »