ノースウェスタン大学の研究チームは最近、従来の電池とはまったく異なる新しいエネルギー貯蔵材料を実証しました。それは黄色の液体の形で存在します。可視光、電流、化学燃料、または X 線の作用下で「帯電」した後、自発的に集合して黒色の導電性ヒドロゲルに変化します。酸素の不在下で数か月間電子を保存し、必要に応じてこれらの電子を酸素に放出して、その後の化学反応に酸化力を提供することができます。
Chem誌に掲載された研究結果は、エネルギーハーベスティング、エネルギー貯蔵、構造リモデリング、触媒機能を単一のソフトマテリアルプラットフォーム上に統合できる「細胞にインスピレーションを得た」化学システムであると研究チームは説明している。携帯電話やその他の機器の電源として使用されるリチウムイオン電池の従来の概念とは異なり、この材料は安定した電流を出力する電気化学電池ではなく、化学酸化還元エネルギーの「充填」と「放出」を繰り返すことができるソフトマター倉庫のようなものです。
帯電していない状態では、この物質は小さな球状の分子集合体で構成される黄色の液体です。可視光、電流、化学燃料、X線などのエネルギー源にさらされると、分子は電子を受け取って電子構造を変化させ、π-π相互作用やフリーラジカル「ピマー」の形成を通じて分子の積み重ねや結合を引き起こし、最終的には長鎖の超分子ポリマー繊維に再編成され、元は緩い液体が黒色の導電性ヒドロゲルに再構築される。このとき、「充電状態」そのものが「組み立て状態」となる。この分子は、従来のバッテリー電極のイオンのように受動的に電荷を蓄積するのではなく、余分な電子の周囲に再配置して新しい柔らかい構造を構築し、それによってこれらの蓄積された電子を物理的に安定化させます。
この黒色のゲルは、酸素のない環境下では長時間電子を封じ込めることができます。研究チームは、酸素なしでもエネルギー貯蔵状態を数か月間維持できると主張している。エネルギーを放出する必要がある場合、酸素が導入されます。酸素分子はゲルに蓄えられた電子を受け取り、高活性酸素含有種を生成します。これらの活性酸素種は有機基質を酸化し、一連の酸化還元反応を促進する可能性があります。言い換えれば、材料は電流ではなく化学的酸化還元仕事を出力します。貯蔵されているのは、ゲル内に余分な電子の形で存在する化学エネルギーです。空気にさらされると、酸素がこれらの電子を消費し、材料が徐々に元の黄色の液体状態に戻るよう促します。
研究チームは、このシステムを「暗黒光触媒」のモデルと見なしています。従来の光触媒では、反応が起こるときに光が継続的に関与する必要があります。この研究では、材料を光エネルギーまたはその他のエネルギーによって事前に「プリチャージ」し、その後、暗い環境で電子を長期間保存することができます。将来必要になった場合、これらの蓄積された電子を使用して酸化による化学反応を促進できます。これは、特定の光駆動触媒プロセスが将来的に光の不在下でも継続すると予想され、環境修復、汚染物質の分解、表面殺菌、および一連の光触媒化学に新たな時間と空間の柔軟性を提供することを意味します。
ノースウェスタン大学のチームは、これが「自己再構成」によってエネルギーを貯蔵する材料の最初の例であると強調した。エネルギーの捕捉、貯蔵、放出はもはや固定構造の工学装置（電池の電極や太陽電池の半導体など）に依存せず、充放電プロセス中に自身の構造を動的に変化させることができるソフトマタープラットフォームに与えられる。酸化反応が完了した後、酸素はゲル内の電子を消費し続け、徐々にゲルを黄色の液体に戻します。この「リセット」プロセスにより、システムの再充電も可能になり、リサイクルできる可能性があります。
現時点では、研究はまだ概念的な段階と実験室の段階にあります。この論文は雑誌「Chem」に掲載されました。ノースウェスタン大学の公式プレスリリースでは、これを「エネルギーを捕捉し、オンデマンドで放出する」一種の細胞からインスピレーションを得た材料と位置づけており、長期持続するエネルギー貯蔵、プログラム可能な触媒作用、および環境用途の分野での将来の探求に向けた新しい設計アイデアを提供している。