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

Doctoral thesis, 2021

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.