Da wir eine effizientere Nutzung der thermischen Abwärme anstreben, ist der Einsatz von „Phasenwechselmaterialien (PCMs)“ eine gute Option. PCMs verfügen über eine große latente Wärmekapazität und die Fähigkeit, Wärme zu speichern und abzugeben, wenn sie von einem Aggregatzustand in einen anderen wechseln. Unter vielen PCMs stechen Zuckeralkohole (SAs), eine Klasse organischer Verbindungen, die üblicherweise als Süßstoffe verwendet werden, aufgrund ihrer geringen Kosten, ihrer ungiftigen, nicht korrosiven und biologisch abbaubaren Natur hervor.
Insbesondere haben SAs im Allgemeinen ihren Schmelzpunkt bei 100–200 °C, einem wichtigen Temperaturbereich, in dem eine große Menge an Abwärme vorhanden ist, die jedoch derzeit in unserer Welt vernichtet wird.
Allerdings leiden SAs in der Regel unter dem Problem der Unterkühlung, bei der sie selbst bei Temperaturen deutlich unter dem Schmelzpunkt im flüssigen Zustand bleiben, anstatt sich zu verfestigen. Die Unterkühlung verschlechtert die Qualität (oder „Exergie“) der gespeicherten Wärmeenergie, da Wärmeenergie bei niedrigeren Temperaturen weniger nützlich ist. (Hinweis: Wärmeenergie ist bei Raumtemperatur völlig nutzlos, egal wie viel davon vorhanden ist.)
Jetzt haben Forscher des Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) unter der Leitung von Professor Yoichi Murakami in einer neuen Studie herausgefunden, dass der Einschluss von SAs in COF-Kristallen (Covalent Organic Framework) das Problem der Unterkühlung effektiv löst. Ihre Ergebnisse, veröffentlicht in der Zeitschrift Materialhorizontehaben das Potenzial, SAs als Wärmespeichermaterialien zu revolutionieren.
Dr. Murakami, Professor am Labor für kohlenstofffreie Energie an der Tokyo Tech, erklärt: „Wir schlagen ein neues Materialkonzept vor, mit dem die gespeicherte Wärmeenergie bei einer viel höheren Temperatur als bisher zurückgewonnen werden kann, indem die Temperatur weitgehend abgeschwächt wird.“ „Es ist ein seit langem bestehendes Problem der Unterkühlung, die die gespeicherte Wärmeenergie beeinträchtigt. Wir haben eine neue Klasse von Festkörper-PCMs geschaffen, die auf reichlich vorhandenen, ungiftigen und kostengünstigen SAs basieren.“
Normalerweise hat reines D-Mannitol (Man), eines der SAs, einen Schmelzpunkt von 167 °C, verfestigt sich jedoch normalerweise bei zufälligen Temperaturen um 80–120 °C, was einer starken Unterkühlung von etwa 47–87 °C entspricht. Um dieses Problem zu lösen, führten die Forscher den Menschen in die Kristalle von COF-300 ein, einem der typischsten COFs. Sie fanden heraus, dass das Schmelzen des im COF eingeschlossenen Menschen bei etwa 150–155 °C stattfand, das Gefrieren des im COF eingeschlossenen Menschen jedoch reproduzierbar im etwas niedrigeren Temperaturbereich von 130–145 °C auftrat. Daher wurde die Unterkühlung auf nur 10–20 °C gedrückt, viel kleiner als die vorherige Unterkühlung von etwa 47–87 °C.
„Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Fusions-Gefrier-Zyklen des Man-COF-Verbundwerkstoffs in einem engen Temperaturbereich von 130–155 °C ohne große oder zufällige Unterkühlung ablaufen“, sagt Prof. Murakami und hebt den entdeckten Effekt des COF-Einschlusses hervor.
Laut ihrer veröffentlichten Arbeit beschränkten frühere Arbeiten SAs auf starre anorganische poröse Materialien wie nanoporöses Siliciumdioxid und Aluminiumoxid, um Festkörper-PCMs zu bilden, konnten das Unterkühlungsproblem von SAs jedoch nicht lösen. COFs sind nicht nur flexible poröse Materialien, sondern haben auch viel kleinere Poren (in der Größenordnung von einem Nanometer) als frühere anorganische nanoporöse Materialien.
Es wird erwartet, dass die vorliegende Studie den Weg für die neue Klasse von Festkörper-Wärmespeichermaterialien ebnet, die auf umweltfreundlichen und kostengünstigen SAs für die effiziente Speicherung thermischer Energie basieren.
Mehr Informationen:
Yoichi Murakami et al., Verbundbildung aus kovalenten organischen Gerüstkristallen und Zuckeralkoholen zur Erforschung einer neuen Klasse von Wärmespeichermaterialien, Materialhorizonte (2023). DOI: 10.1039/D3MH00905J