La química solar se refiere a una serie de procesos posibles que aprovechan la energía solar mediante la absorción de la luz solar en una reacción química . La idea es conceptualmente similar a la fotosíntesis en las plantas, que convierte la energía solar en enlaces químicos de moléculas de glucosa, pero sin utilizar organismos vivos, por lo que también se denomina fotosíntesis artificial . [1]
Un enfoque prometedor es utilizar la luz solar enfocada para proporcionar la energía necesaria para dividir el agua en sus constituyentes hidrógeno y oxígeno en presencia de un catalizador metálico como el zinc . Esto normalmente se hace en un proceso de dos pasos para que el hidrógeno y el oxígeno no se produzcan en la misma cámara, lo que crea un peligro de explosión. Otro enfoque implica tomar el hidrógeno creado en este proceso y combinarlo con dióxido de carbono para crear metano. El beneficio de este enfoque es que existe una infraestructura establecida para transportar y quemar metano para la generación de energía, lo que no es cierto para el hidrógeno. Un inconveniente principal de ambos enfoques es común a la mayoría de los métodos de almacenamiento de energía: agregar un paso adicional entre la recolección de energía y la producción de electricidad disminuye drásticamente la eficiencia del proceso general.
Ya en 1909 se investigó la dimerización del antraceno en diantraceno como medio de almacenar energía solar, así como la fotodimerización de la serie del naftaleno. [2] En los años 70 y 80 se había fabricado un combustible a partir de otro compuesto químico reversible, el ciclo de transformación de norbornadieno en cuadriciclano, pero fracasó porque el proceso de inversión tenía un potencial bajo. También se intentó desarrollar moléculas basadas en rutenio, pero se descartó porque el rutenio es un material raro y demasiado pesado. [3] En la última década, se teorizó una nueva nanoestructura híbrida como un nuevo enfoque a este concepto previamente conocido de almacenamiento de energía solar.
La fotodimerización es la formación de dímeros inducida por la luz y la fotoisomerización es la formación de isómeros inducida por la luz . Mientras que la fotodimerización almacena la energía de la luz solar en nuevos enlaces químicos, la fotoisomerización almacena la energía solar reorientando los enlaces químicos existentes hacia una configuración energética más alta.
Para que un isómero almacene energía, debe ser metaestable, como se muestra arriba. Esto da como resultado un equilibrio entre la estabilidad del isómero del combustible y la cantidad de energía que se debe invertir para revertir la reacción cuando llega el momento de usar el combustible. El isómero almacena energía como energía de tensión en sus enlaces. Cuanto más tensos sean los enlaces, más energía pueden almacenar, pero menos estable es la molécula. La energía de activación , Ea, se utiliza para caracterizar lo fácil o difícil que es que la reacción se lleve a cabo. Si la energía de activación es demasiado pequeña, el combustible tenderá a moverse espontáneamente al estado más estable, lo que proporciona una utilidad limitada como medio de almacenamiento. Sin embargo, si la energía de activación es muy grande, la energía gastada para extraer la energía del combustible reducirá efectivamente la cantidad de energía que el combustible puede almacenar. Encontrar una molécula útil para un combustible solar requiere encontrar el equilibrio adecuado entre el rendimiento, la absorción de luz de la molécula, la estabilidad de la molécula en el estado metaestable y cuántas veces se puede ciclar la molécula sin degradarse.
Se han investigado diversas cetonas, azepinas y norbornadienos , entre otros compuestos, como el azobenceno y sus derivados, como posibles isómeros de almacenamiento de energía. [4] La pareja norbornadieno - cuadriciclano y sus derivados se han investigado ampliamente para los procesos de almacenamiento de energía solar. El norbornadieno se convierte en cuadriciclano utilizando energía extraída de la luz solar, y la liberación controlada de la energía de deformación almacenada en el cuadriciclano (aproximadamente 110 kJ/mol ) a medida que se relaja de nuevo a norbornadieno permite que la energía se extraiga nuevamente para su uso posterior.
La investigación sobre los sistemas de azobenceno y norbonadieno-cuadriciclano se abandonó en la década de 1980 por no ser práctica debido a problemas de degradación, inestabilidad, baja densidad energética y costo. [5] Sin embargo, con los recientes avances en la potencia informática, ha habido un renovado interés en encontrar materiales para combustibles solares térmicos. En 2011, investigadores del MIT utilizaron la teoría funcional de la densidad dependiente del tiempo, que modela sistemas a nivel atómico, para diseñar un sistema compuesto de moléculas de azobenceno unidas a plantillas de nanotubos de carbono (CNT). Los sustratos de CNT permitirán interacciones personalizables entre moléculas vecinas, lo que ayuda en gran medida a ajustar las propiedades del combustible, por ejemplo, un aumento en la cantidad de energía almacenada. [3] A través de procedimientos experimentales, los investigadores pudieron obtener la primera prueba de principio de que la nanoestructura híbrida funciona como un combustible térmico funcional. Los azobencenos tienen la ventaja de absorber longitudes de onda que son muy abundantes en la luz solar, cuando esto sucede la molécula se transforma de un isómero trans a un isómero cis que tiene un estado de energía más alto de aproximadamente 0,6 eV. [5] Para devolver la molécula a su estado original, es decir, liberar la energía que había recogido, hay algunas opciones. La primera es aplicar calor, pero eso está asociado a un coste que, en relación con la cantidad de calor que se producirá a partir de la liberación, no es rentable. La segunda opción, más eficaz, es utilizar un catalizador que baja la barrera térmica y permite que se libere el calor, casi como un interruptor. [6] La transición de vuelta de cis a trans también puede ser provocada por la luz visible azul.
Este sistema proporciona una densidad de energía comparable a las baterías de iones de litio, al mismo tiempo que aumenta la estabilidad del combustible activado de varios minutos a más de un año y permite una gran cantidad de ciclos sin una degradación significativa. [3] Se están realizando más investigaciones en busca de aún más mejoras examinando diferentes combinaciones posibles de sustratos y moléculas fotoactivas.
Existe una amplia variedad de aplicaciones, tanto potenciales como actuales, para los combustibles químicos solares. Una de las principales ventajas de esta tecnología es su escalabilidad. Dado que la energía se puede almacenar y luego convertir en calor cuando se necesite, es ideal para unidades móviles más pequeñas. Estas van desde estufas portátiles o pequeños calentadores personales que se pueden cargar al sol hasta la provisión de servicios sanitarios médicos en áreas fuera de la red eléctrica, e incluso hay planes en marcha para utilizar el sistema desarrollado en el MIT como un sistema de descongelación de ventanas en automóviles. También tiene la capacidad de ampliarse y calentar casas o edificios más grandes o incluso calentar masas de agua. Lo ideal sería que un combustible solar térmico pudiera ciclar indefinidamente sin degradarse, lo que lo hace ideal para implementaciones a mayor escala que, por lo general, necesitarían más reemplazos de otras formas de almacenamiento.