Het onderzoeksteam van de Northwestern University heeft onlangs een nieuw energieopslagmateriaal gedemonstreerd dat totaal anders is dan traditionele batterijen: het bestaat in de vorm van een gele vloeistof. Nadat het is "opgeladen" onder invloed van zichtbaar licht, elektrische stroom, chemische brandstoffen of röntgenstralen, zal het zich spontaan verzamelen en transformeren in een zwarte geleidende hydrogel. Het kan elektronen gedurende enkele maanden opslaan in afwezigheid van zuurstof, en deze elektronen vrijgeven aan zuurstof wanneer dat nodig is om oxidatieve kracht te leveren voor daaropvolgende chemische reacties.
De onderzoeksresultaten, gepubliceerd in het tijdschrift Chem, worden door het team beschreven als een ‘celgeïnspireerd’ chemisch systeem dat in staat is om energieoogst, energieopslag, structurele hermodellering en katalytische functies te integreren op één enkel zacht materiaalplatform. Anders dan het traditionele concept van lithium-ionbatterijen die worden gebruikt om mobiele telefoons en andere apparaten van stroom te voorzien, is dit materiaal geen elektrochemische batterij die een stabiele stroom afgeeft, maar lijkt het meer op een pakhuis van zachte materie dat herhaaldelijk chemische redox-energie kan 'vullen' en 'vrijgeven'.
In ongeladen toestand is het materiaal een gele vloeistof die bestaat uit kleine bolvormige moleculaire aggregaten; wanneer het wordt blootgesteld aan energiebronnen zoals zichtbaar licht, elektrische stroom, chemische brandstoffen of röntgenstraling, accepteren de moleculen elektronen en veranderen hun elektronische structuur, waardoor de stapeling en combinatie van moleculen wordt geactiveerd, door π-π-interacties en de vorming van vrije radicalen "pimeren", en uiteindelijk gereorganiseerd in supramoleculaire polymeervezels met lange keten, waardoor de oorspronkelijk losse vloeistof kan worden gereconstrueerd tot een zwarte, geleidende hydrogel. In dit proces is de ‘geladen toestand’ zelf een ‘assemblagetoestand’. De moleculen slaan lading niet passief op zoals ionen in traditionele batterijelektroden, maar herschikken rond extra elektronen om een nieuwe zachte structuur te bouwen, waardoor deze opgeslagen elektronen fysiek worden gestabiliseerd.
In een zuurstofvrije omgeving kan deze zwarte gel elektronen lange tijd afdichten. Het team beweert dat het de energieopslagstatus enkele maanden kan handhaven zonder zuurstof. Wanneer energie moet worden vrijgegeven, wordt zuurstof geïntroduceerd. Zuurstofmoleculen accepteren elektronen die in de gel zijn opgeslagen om zeer reactieve zuurstofhoudende soorten te genereren. Deze reactieve zuurstofsoorten kunnen organische substraten oxideren en een reeks redoxreacties bevorderen. Met andere woorden: het materiaal produceert chemisch redoxwerk in plaats van elektrische stroom. Wat het opslaat is chemische energie die in de gel aanwezig is in de vorm van extra elektronen. Eenmaal blootgesteld aan lucht, verbruikt zuurstof deze elektronen en zorgt ervoor dat het materiaal geleidelijk terugkeert naar zijn oorspronkelijke gele vloeibare toestand.
Het onderzoeksteam beschouwt dit systeem als een model van "donkere fotokatalyse": bij traditionele fotokatalyse moet er continu licht betrokken zijn wanneer de reactie plaatsvindt; in dit werk kan het materiaal vooraf worden "voorgeladen" door lichtenergie of andere energie, en vervolgens elektronen gedurende lange tijd in een donkere omgeving opslaan. Wanneer dit in de toekomst nodig is, kunnen deze opgeslagen elektronen worden gebruikt om chemische reacties via oxidatie aan te sturen. Dit betekent dat bepaalde door licht aangedreven katalytische processen naar verwachting in de toekomst zullen doorgaan bij gebrek aan licht, waardoor nieuwe tijd- en ruimteflexibiliteit ontstaat voor milieusanering, afbraak van verontreinigende stoffen, oppervlaktesterilisatie en een reeks fotokatalytische chemie.
Het team van de Northwestern University benadrukte dat dit het eerste voorbeeld is van een materiaal dat energie opslaat door middel van ‘zelfherconfiguratie’: het opvangen, opslaan en vrijgeven van energie is niet langer afhankelijk van technische apparaten met een vaste structuur (zoals elektroden in batterijen of halfgeleiders in zonnecellen), maar wordt gegeven aan een platform van zachte materie dat zijn eigen structuur dynamisch kan veranderen tijdens het laad- en ontlaadproces. Na voltooiing van de oxidatiereactie zal zuurstof elektronen in de gel blijven verbruiken en deze geleidelijk weer omzetten in een gele vloeistof. Door dit "reset"-proces kan het systeem ook worden opgeladen en kan het worden gerecycled.
Momenteel bevindt het onderzoek zich nog in de conceptuele en laboratoriumfase. Het artikel werd gepubliceerd door het tijdschrift "Chem". Het officiële persbericht van Northwestern University positioneert het als een soort celgeïnspireerd materiaal dat "energie opvangt en op verzoek vrijgeeft", wat nieuwe ontwerpideeën oplevert voor toekomstig onderzoek op het gebied van langdurige energieopslag, programmeerbare katalyse en milieutoepassingen.