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화석 연료에서 벗어나 기후 변화에 대처하기 위해 재생 가능 에너지로 전환함에 있어서 에너지를 수집하고 저장하는 새로운 방법의 필요성이 점점 더 중요해지고 있음.

영국의 랭커스터 대학교(Lancaster University) 연구팀이 결정질 물질이 태양으로부터 에너지를 포착할 수 있는 특성을 가지고 있음을 발견했음. 에너지는 실온에서 수개월 동안 저장될 수 있으며 열의 형태로 필요에 따라 방출될 수 있음. 추가 개발을 통해 이러한 종류의 재료는 여름철에 태양 에너지를 수집하고 태양 에너지를 더 적게 수집하는 겨울에 사용하기 위해 저장하는 방법으로 흥미로운 잠재력을 제공할 수 있음. 이것은 오프 그리드 시스템 또는 원격 위치의 난방 시스템과 같은 응용 분야 또는 주택 및 사무실의 기존 난방에 대한 환경 친화적인 보완재로 매우 유용함. 그것은 잠재적으로 얇은 코팅으로 생산되어 건물 표면에 적용되거나 저장된 열을 사용하여 추운 겨울 아침에 유리를 제빙할 수 있는 자동차의 앞 유리에 사용될 수 있음. 재료는 금속 유기 프레임워크(MOF) 유형을 기반으로 함. 이들은 탄소 기반 분자로 연결된 금속 이온 네트워크로 구성되어 3D 구조를 형성함. MOF의 주요 특성은 다공성이라는 것임. 즉, 구조 내에 다른 작은 분자를 호스팅하여 복합 재료를 형성할 수 있음. 연구팀은 이전에 일본 교토 대학의 별도 연구팀이 준비하고 'DMOF1'으로 알려진 MOF 합성물이 이전에 연구되지 않은 에너지 저장에 사용될 수 있는지 확인하기 시작했음. MOF 기공에는 빛을 강하게 흡수하는 화합물인 아조벤젠 분자가 들어 있음. 이 분자들은 빛이나 열과 같은 외부 자극이 가해지면 모양을 바꿀 수 있는 일종의 '분자 기계'인 광 스위치 역할을 함. 테스트에서 연구원들은 이 물질을 자외선에 노출시켜 아조벤젠 분자가 MOF 기공 내부의 변형된 구성으로 모양을 바꾸도록 했음. 이 과정은 구부러진 스프링의 위치 에너지와 유사한 방식으로 에너지를 저장함. 중요한 것은 좁은 MOF 기공이 아조벤젠 분자를 변형된 형태로 가두어 놓는다는 것임. 이는 잠재적인 에너지가 실온에서 장기간 저장될 수 있음을 의미함. 외부 열이 상태를 '전환'하는 방아쇠로 가해지면 에너지가 다시 방출되며, 이 방출은 매우 빠를 수 있음. 이것은 장치의 다른 재료를 따뜻하게 하는 데 사용할 수 있는 열 부스트를 제공함. 추가 테스트는 이 물질이 최소 4 개월 동안 에너지를 저장할 수 있음을 보여주었음. 많은 빛에 반응하는 재료가 몇 시간 또는 며칠 내에 다시 전환되므로 이것은 흥미로운 발견임. 저장된 에너지의 긴 기간은 계절에 따른 유용한 활용 가능성을 열어줌. 광 스위치에 태양 에너지를 저장하는 개념은 이전에 연구되었지만 이전에는 광 스위치가 액체에 있어야 했음. MOF 복합재는 액체 연료가 아닌 고체이기 때문에 화학적으로 안정적이고 쉽게 보관됨. 이것은 코팅 또는 독립형 장치로 개발하는 것을 훨씬 쉽게 하는 요소임. 이 재료는 손난로에 열을 공급하는 데 사용되는 상변화 재료와 약간 유사함. 그러나 손난로에는 재충전을 위해 가열해야 함. 이 물질의 좋은 점은 태양으로부터 직접 "자유"에너지를 포획한다는 것임. 또한 움직이는 부품이나 전자 부품이 없으므로 태양열의 저장 및 방출과 관련된 손실이 없음. 더 많은 개발을 통해 더 많은 에너지를 저장하는 다른 재료를 만들 수 있기를 기대함.

이러한 개념 증명 결과는 제한된 포토 스위치 개념을 사용하여 다른 다공성 물질이 좋은 에너지 저장 특성을 가질 수 있는지 확인하기 위한 새로운 연구의 길을 열어줌. 이 접근 방식은 포토 스위치 자체 또는 다공성 호스트 프레임 워크를 변경하여 이러한 물질을 최적화하는 여러 가지 방법이 있음을 의미함. 포토 스위치 분자를 포함하는 결정질 물질에 대한 다른 잠재적인 응용 분야로는 데이터 저장이 포함됨. 결정 구조에서 잘 정의된 포토 스위치 배열은 원칙적으로 정확한 광원을 사용하여 하나씩 전환할 수 있으므로 CD와 같은 데이터를 저장할 수 있음을 의미함. 또는 DVD이지만 분자 수준임. 또한 약물 전달 가능성이 있음. 포토 스위치를 사용하여 약물을 물질 내부에 탑재한 다음 빛이나 열 방아쇠를 사용하여 필요에 따라 신체 내부에 방출할 수 있음. 이 물질이 장기간 에너지를 저장하는 능력에 대한 결과는 유망했지만 에너지 밀도는 평범했음. 다음 단계는 다른 MOF 구조와 더 큰 에너지 저장 잠재력을 가진 결정 물질의 대체 유형을 연구하는 것임.

본 연구 성과는 ‘Chemistry of Materials’ ("Long-Term Solar Energy Storage under Ambient Conditions in a MOF-Based Solid–Solid Phase-Change Material") 지에 게재됨