Tối ưu hóa quá trình chuyển đổi quang học phân tử để thu năng lượng mặt trời
Một nghiên cứu đột phá đã xác định được các công tắc quang học phân tử có thể cải thiện việc lưu trữ năng lượng mặt trời. Bằng cách sử dụng điện toán lượng tử, các nhà nghiên cứu đã phân tích một cơ sở dữ liệu lớn để tìm ra các phân tử phù hợp nhất cho công nghệ này, đánh dấu một bước quan trọng trong việc sử dụng năng lượng mặt trời không phát thải. Tín dụng: SciTechDaily.com
Các công tắc quang học phân tử có thể vừa chuyển đổi vừa lưu trữ năng lượng có thể được sử dụng để thu năng lượng mặt trời hiệu quả hơn. Một nhóm các nhà nghiên cứu đã sử dụng phương pháp tính toán lượng tử để tìm ra cấu trúc phân tử đặc biệt hiệu quả cho mục đích này. Như nhóm đã mô tả trên tạp chí Angewandte Chemie , quy trình của họ dựa trên bộ dữ liệu gồm hơn 400.000 phân tử mà họ đã sàng lọc để tìm ra cấu trúc phân tử tối ưu cho vật liệu lưu trữ năng lượng mặt trời.
Dự án MOST: Con đường năng lượng mặt trời mới
Hiện nay, năng lượng mặt trời được sử dụng trực tiếp để tạo ra điện hoặc gián tiếp thông qua năng lượng được lưu trữ trong các bể chứa nhiệt. Lộ trình thứ ba trước tiên có thể liên quan đến việc lưu trữ năng lượng từ mặt trời trong các vật liệu nhạy sáng và sau đó giải phóng nó khi cần thiết. Dự án MOST (“Lưu trữ năng lượng nhiệt mặt trời phân tử”) do EU hậu thuẫn đang khám phá các phân tử như công tắc quang học có thể hấp thụ và lưu trữ năng lượng mặt trời ở nhiệt độ phòng để tạo ra khả năng sử dụng năng lượng mặt trời hoàn toàn không phát thải thành hiện thực.
Các nhóm nghiên cứu của Kurt V. Mikkelsen tại Đại học Copenhagen, (Đan Mạch) và Kasper Moth–Poulsen tại Đại học Kỹ thuật Catalonia, Barcelona (Tây Ban Nha), đã xem xét kỹ hơn các công tắc quang phù hợp nhất cho nhiệm vụ này. Họ nghiên cứu các phân tử được gọi là diene hai vòng, chúng chuyển sang trạng thái năng lượng cao khi được chiếu sáng. Ví dụ nổi bật nhất của hệ thống diene hai vòng này được gọi là norbornadiene quadricyclane, nhưng vẫn tồn tại một số lượng lớn các ứng cử viên tương tự. Các nhà nghiên cứu giải thích: “Không gian hóa học thu được bao gồm khoảng 466.000 dien hai vòng mà chúng tôi đã sàng lọc về khả năng ứng dụng của chúng trong công nghệ MOST”.
Phương pháp sàng lọc sáng tạo và kết quả đầy hứa hẹn
Việc sàng lọc cơ sở dữ liệu có kích thước này thường được thực hiện bằng máy học, nhưng điều này đòi hỏi lượng lớn dữ liệu đào tạo dựa trên các thử nghiệm trong thế giới thực mà nhóm không có. Sử dụng thuật toán được phát triển trước đó và điểm đánh giá mới, “eta”, việc sàng lọc và đánh giá các phân tử cơ sở dữ liệu đã mang lại kết quả rõ ràng: tất cả sáu phân tử đạt điểm cao nhất đều khác với hệ thống norbornadiene quadricyclane ban đầu ở một điểm quan trọng trong cấu trúc. Các nhà nghiên cứu kết luận rằng sự thay đổi cấu trúc này, sự mở rộng cầu phân tử giữa hai vòng carbon ở phần hai vòng, cho phép các phân tử mới lưu trữ nhiều năng lượng hơn norbornadiene ban đầu.
Công trình của các nhà nghiên cứu chứng tỏ tiềm năng tối ưu hóa các phân tử lưu trữ năng lượng mặt trời. Tuy nhiên, các phân tử mới trước tiên phải được tổng hợp và thử nghiệm trong điều kiện thực tế. Các tác giả cảnh báo: “Mặc dù các hệ thống có thể được điều chế tổng hợp, nhưng không có gì đảm bảo rằng chúng hòa tan trong các dung môi liên quan và chúng sẽ thực sự chuyển đổi quang học ở hiệu suất cao hoặc hoàn toàn không, như chúng tôi đã giả định trong eta”.
Tác động và tiềm năng tương lai
Mặc dù vậy, nhóm đã phát triển một bộ dữ liệu đào tạo mới, lớn cho các thuật toán học máy và do đó đã rút ngắn bước nghiên cứu gian khổ trước khi tổng hợp cho các nhà hóa học xử lý các hệ thống như vậy trong tương lai. Các tác giả hình dung kho lưu trữ diene hai vòng lớn hơn nhiều này sẽ được sử dụng để nghiên cứu về công tắc quang cho nhiều ứng dụng khác nhau, có khả năng giúp các phân tử dễ dàng điều chỉnh theo các yêu cầu cụ thể hơn.
Tham khảo: “Tìm kiếm không gian hóa học của dienes hai vòng để tìm ứng cử viên lưu trữ năng lượng nhiệt mặt trời phân tử” của Andreas Erbs Hillers-Bendtsen, Jacob Lynge Elholm, Oscar Berlin Obel, Helen Hölzel, Kasper Moth-Poulsen và Kurt V. Mikkelsen, ngày 25 tháng 7 năm 2023, Phiên bản quốc tế Angewandte Chemie .
