Design, Synthesis and Evaluation of Photoswitches for Molecular Solar Thermal Energy Storage Systems
Doctoral thesis, 2021

To meet the future energy demands and handle climate changes, new sustainable energy sources must be developed. Over the last decades, great scientific progress on harvesting solar energy has been made, but storing the energy is still a challenge. One way to store solar energy is in a compound that absorbs solar energy while being converted to a metastable isomer through a photoisomerization process, a technique referred to as molecular solar thermal energy storage (MOST). In this work, the norbornadiene/quadricyclane system, a promising candidate for MOST, was evaluated and new synthetic methods were developed to obtain a series of novel norbornadiene derivatives in an efficient way. Photophysical characterization of the series revealed a better solar spectrum match and high energy storage densities (114–124 kJ/mol) compared to previous series. Quantum yields for the photoisomerization processes were between 28–58% and the half-lives of the photoisomers in the range of hours to days. Solvent effects on the norbornadiene/quadricyclane system were studied, showing a pronounced effect on both the half-lives of the photoisomers and on the photoisomerization process when going from polar to non-polar solvents. Additionally, bicyclooctadiene derivatives were synthesized and for the first time evaluated as MOST candidates. The series exhibited very high storage densities (143–153 kJ/mol) compared to the corresponding norbornadiene derivatives (52–63 kJ/mol) and could switch back and forth for 645 cycles without significant degradation. The absorption profile and half-lives of the photoisomers need further improvement for MOST applications, but the molecular engineering concepts presented here can be used to develop future MOST systems based on the bicyclooctadiene/tetracyclooctane system. Altogether, this work illustrates the importance of detailed molecular design and the importance of the local environment of the photoswitches for obtaining desired MOST properties.

Energy conversion

Diels-Alder reaction

Bicyclooctadiene

Energy storage and release

Solar energy

Molecular solar thermal energy storage

Norbornadiene

Quadricyclane

Photoswitches

Solar fuels

Tetracyclooctane.

HA2
Opponent: Grace Han, Brandeis University, USA

Author

Maria Quant

Chalmers, Chemistry and Chemical Engineering, Applied Chemistry, Kasper Moth-Poulsen Group

Low Molecular Weight Norbornadiene Derivatives for Molecular Solar-Thermal Energy Storage

Chemistry - A European Journal,; Vol. 22(2016)p. 13265-13274

Journal article

Maria Quant, Andreas Erbs Hillers-Bendtsen, Shima Ghasemi, Máté Erdélyi, Zhihang Wang, Lidiya Muhammad, Nina Kann, Kurt V. Mikkelsen, Kasper Moth-Poulsen. Synthesis, Characterization and Computational Evaluation of Bicyclooctadienes Towards Molecular Solar Thermal Energy Storage

För att kunna hantera klimatförändringarna behöver användningen av fossila bränslen avvecklas och ersättas av miljövänliga och förnyelsebara energikällor. Under de senaste decennierna har det skett en enorm utvecklingen av metoder för att fånga solenergi men att lagra den tillvaratagna energin är fortfarande en utmaning. Batterier fungerar bra för kortare lagringsperioder men löser inte problemet med att lagra längre över tid då kapaciteten avtar. Andra metoder för lagring av solenergi, exempelvis i fasförändringsmaterial eller i form av vätgas från elektrolys av vatten, är under utveckling men är inte tillräckligt för att möta framtidens energibehov. En alternativ metod som är mindre utforskad är att lagra solenergin i kemiska bindningar hos molekyler, en teknik som kallas molekylar termisk lagring av solenergin (MOST, från engelskan molecular solar thermal energy storage). Principen går ut på att en aktiv molekyl absorberar energi (en foton) från solen och därefter omlagras till en annan form, en fotoisomer.  Fotoisomeren lagar energin tills man vill utvinna den genom att starta den omvända processen då fotoisomeren återgår till sin ursprungliga form, med hjälp av tex. en katalysator. Under processen frigörs energin i form av värme. Tekniken kan jämföras med att man laddar upp och laddar ur ett batteri genom att solen laddar upp den aktiva molekylen som laddas ur när katalysator tillsätts.

Studierna som presenteras i denna avhandling fokuserar på att förbättra egenskaperna för aktiva föreningar för lagring av solenergi. En förening som har visat sig vara väldigt lovande är norbornadien och den första delen av arbetet fokuserade på att hitta nya sätt att framställa norbornadienderivat. Studien resulterade i att ett nytt effektivt sätt att framställa norbornadienderivat utvecklades där en stor fördel är att ett mycket cancerframkallande ämne som tidigare varit del av syntesen uteslöts. Genom den nya metoden framställdes en serie med nya norbornadienederivat vars egenskaper utvärderades med hjälp av olika spektroskopiska tekniker. Norbornadienderivaten uppvisade en starkt förbättrad förmåga att absorbera solljus jämfört med tidigare varianter, och kunde även lagra energin under en period från timmar till dagar. En studie på hur lösningsmedlet påverkar egenskaperna för norbornadienderivat utfördes och visade att för några föreningar kunde lagringstiden dubbleras genom att välja rätt lösningsmedel. Även processen för omlagring till fotoisomeren påverkades av lösningsmedlet. Slutligen utvärderades för första gången en annan sorts aktiv förening, bicyklooktadien. Derivat av bicyklooktadien visade sig kunna lagra mer energi än motsvarande norbornadienderivat och kunde omlagras över 645 gånger (laddas upp/laddas ur) utan att sönderfalla mer än 0,01%. Dock behöver andra egenskaper så som halveringstid för fotoisomeren förbättras för att dessa ska kunna användas praktiskt  för MOST.

Resultaten presenterade i denna avhandling är lovande och delar av arbetet har redan varit till nytta när nya generationer av norbornadienderivat framställts. Arbetet visar på att inte bara egenskaperna för de aktiva föreningarna är viktiga utan att även den kemiska omgivningen, till exempel lösningsmedlet, spelar en stor roll. Resultaten från bicyklooktadienstudien banar väg för fortsatt design och utveckling och molekyler för lagring av solenergi.

Driving Forces

Sustainable development

Infrastructure

Chalmers Infrastructure for Mass spectrometry

Roots

Basic sciences

Subject Categories

Chemical Sciences

ISBN

978-91-7905-578-3

Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 5045

Publisher

Chalmers University of Technology

HA2

Opponent: Grace Han, Brandeis University, USA

More information

Latest update

10/18/2021