研究者は植物からインスピレーションを得た化学を利用して、エネルギー貯蔵と光制御を組み合わせています

トゥルク大学の博士研究員は、最終的には家の中の光レベルを調整しながらエネルギーを蓄えるスマートウィンドウに使用できる多機能材料を開発した。

この研究は、クロロフィルやヘモグロビンなどの生体系に存在する天然分子であるポルフィリンに焦点を当てました。

これらの分子は、エネルギー伝達やその他の重要な化学プロセスに関与する能力があることで知られています。

自然からインスピレーションを得た素材は 2 つの機能を兼ね備えています

この研究で開発されたポリマーフィルムは、エレクトロクロミック動作と電気エネルギー貯蔵を単一の材料で組み合わせたものです。

このシステムでは、電気が印加されるとエレクトロクロミック材料が色を変化させ、エネルギー貯蔵材料が電荷を捕捉および放出します。

2 つの機能を組み合わせることで、エネルギー効率の高い技術やその他のアプリケーションにおけるスマートサーフェスの使用が拡大する可能性があります。

博士研究員のサチン・コクレカール氏は、ポルフィリンには、制御された条件下で電子を伝達し、電子状態を変化させる自然な能力があるため、有用な出発点となると述べた。

「例えば、クロロフィルに含まれるポルフィリン構造のおかげで、植物は光合成を通じて太陽光からエネルギーを回収することができます」とサチン・クチャカール氏は語った。

「この天然分子が電子を伝達し、制御された方法でその状態を変化させる能力は、私たち材料科学者にとって興味深い出発点でもあります。」

この研究では 2 つの異なるアプローチが使用されています。1 つはポルフィリンと導電性化合物を組み合わせた方法です。

もう 1 つの方法では、特別に修飾された出発物質を必要とせずに、分子架橋構造を介してポルフィリンを結合し、高分子膜を形成します。

どちらの方法でも、エレクトロクロミック特性とエネルギー貯蔵特性を組み合わせた高分子膜が得られましたが、その性能は合成経路に依存していました。

この研究では、ポルフィリン構造の主要成分の変更が材料の性能にどのような影響を与えるかについても調査しました。

彼は、ニッケル、亜鉛、またはあらゆる金属を分子骨格に組み込み、挙動の顕著な違いを観察しました。

その結果、ニッケル含有フィルムは 3 つの異なる色の間で可逆的に切り替わり、亜鉛含有フィルムと金属を含まないフィルムでは 2 つの状態の間で切り替わることがわかりました。

色の変化は通常 2 秒以内に迅速に発生しましたが、操作中に材料は強い視覚的コントラストを維持しました。

電力が除去された後もフィルムは色を保っていました。この特性により、連続電力が望ましくない実際の用途でエネルギー消費を削減できます。

色の変化挙動を超えて、材料は水ベースの電解質を使用するエレクトロクロミックスーパーキャパシターとして評価されました。

このようなシステムは一般に、多くの従来の電解質技術よりも安全で環境的に好ましいと考えられています。

実験用フィルムは、測定可能なエネルギー貯蔵能力を実証し、数千回の充電と放電サイクルにわたって性能を維持しました。

トゥルク大学によると、これは、水性電解質環境内でエレクトロクロミックスーパーキャパシタとして機能するこれらの特定のポルフィリンベースのポリマーフィルムの最初の研究である。

この研究にはいくつかの潜在的な用途があり、材料の製造コストが比較的低いため、さらなる評価に関連性があります。

「この材料は製造コストが安く、制御が容易で適応性が高く、柔軟で伸縮性のある基板を含む幅広い用途に組み込むことができます」とクチャカール氏は述べた。

「将来的には、これらの材料をセンサー技術、フレキシブルエレクトロニクス、スマート衣類、太陽エネルギーソリューションなどに使用できるようになるでしょう。」

潜在的な用途の 1 つは、透明度を調整しながら、同時に 1 日を通して収集された太陽エネルギーを蓄えることができる窓システムです。

「たとえば、新しいタイプのスマート窓は太陽エネルギーを蓄えると同時に、明るい太陽の下では暗くすることができるため、建物内の冷房の必要性が減ります。」

ただし、この研究はまだ材料開発段階にあり、商業用建物や消費者向け製品に採用されるまでにはさらなるエンジニアリング作業が必要です。

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