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太陽化学とは、太陽光を吸収して化学反応を起こすことで太陽エネルギーを利用する、さまざまなプロセスを指します。この考え方は、植物の光合成と概念的に似ています。植物の光合成は、太陽エネルギーをグルコース分子の化学結合に変換しますが、生物を使用しないため、人工光合成とも呼ばれます。[ 1 ]
有望なアプローチの一つは、集光した太陽光を利用して、亜鉛などの金属触媒の存在下で水を水素と酸素に分解するのに必要なエネルギーを供給することです。これは通常、水素と酸素が同じチャンバー内で生成されないように2段階のプロセスで行われます。同じチャンバー内で生成されると爆発の危険性があるためです。別のアプローチとしては、このプロセスで生成された水素を二酸化炭素と結合させてメタンを生成する方法があります。このアプローチの利点は、発電のためにメタンを輸送および燃焼するための確立されたインフラが存在することです。これは水素には当てはまりません。これら2つのアプローチの主な欠点は、ほとんどのエネルギー貯蔵方法に共通するものであり、エネルギーの収集と発電の間に余分なステップを追加すると、プロセス全体の効率が大幅に低下することです。
1909年には早くも、アントラセンのジアントラセンへの二量化とナフタレン系列の光二量化が太陽エネルギー貯蔵の手段として研究された。[ 2 ] 1970年代と1980年代には、別の可逆化学反応であるノルボルナジエンからクアドリシクランへの変換サイクルから燃料が作られたが、逆反応の電位が低かったため失敗に終わった。ルテニウムベースの分子も試みられたが、ルテニウムは希少で重すぎる物質であるため却下された。[ 3 ]過去10年間で、新しいハイブリッドナノ構造が、以前から知られていた太陽エネルギー貯蔵の概念への新しいアプローチとして理論化された。
光二量化とは、光によって二量体が形成される現象であり、光異性化とは、光によって異性体が形成される現象である。光二量化は太陽光のエネルギーを新たな化学結合に蓄えるのに対し、光異性化は既存の化学結合をより高いエネルギー配置に再配向させることで太陽エネルギーを蓄える。
異性体がエネルギーを貯蔵するためには、上記のように準安定状態である必要があります。これは、燃料異性体の安定性と、燃料を使用する際に反応を逆転させるために投入しなければならないエネルギー量との間にトレードオフが生じることを意味します。異性体は、結合のひずみエネルギーとしてエネルギーを貯蔵します。結合のひずみが大きいほど、貯蔵できるエネルギーは大きくなりますが、分子の安定性は低下します。活性化エネルギーEa は、反応の進行の容易さまたは困難さを特徴付けるために使用されます。活性化エネルギーが小さすぎると、燃料はより安定な状態に自発的に移行する傾向があり、貯蔵媒体としての有用性が限られます。しかし、活性化エネルギーが非常に大きい場合、燃料からエネルギーを取り出すために消費されるエネルギーによって、燃料が貯蔵できるエネルギー量が実質的に減少します。太陽燃料として有用な分子を見つけるには、収率、分子の光吸収、準安定状態における分子の安定性、および分子が劣化せずに何回サイクルできるかの間の適切なバランスを見つける必要があります。
アゾベンゼンとその誘導体などの他の化合物の中でも、さまざまなケトン、アゼピン、ノルボルナジエンが、潜在的なエネルギー貯蔵異性体として研究されてきた。 [ 4 ]ノルボルナジエン-クアドリシクラン対とその誘導体は、太陽エネルギー貯蔵プロセスについて広く研究されてきた。ノルボルナジエンは太陽光から抽出したエネルギーを使用してクアドリシクランに変換され、クアドリシクランに蓄えられた歪みエネルギー（約110 kJ/mol）がノルボルナジエンに戻る際に制御された放出により、エネルギーを再び抽出して後で使用することができる。
アゾベンゼン系とノルボナジエン-クアドリシクラン系の両方の研究は、劣化、不安定性、エネルギー密度の低さ、コストの問題から、1980年代に実用的ではないとして放棄されました。[ 5 ]しかし、最近のコンピューティング能力の進歩により、太陽熱燃料の材料を見つけることへの関心が再び高まっています。2011年、マサチューセッツ工科大学（MIT）の研究者は、原子レベルでシステムをモデル化する時間依存密度汎関数理論を使用して、カーボンナノチューブ（CNT）テンプレートに結合したアゾベンゼン分子で構成されるシステムを設計しました。CNT基板は、隣接する分子間のカスタマイズ可能な相互作用を可能にし、たとえば蓄積されるエネルギー量の増加など、燃料の特性を微調整するのに大いに役立ちます。[ 3 ]実験手順を通じて、研究者は、ハイブリッドナノ構造が機能的な熱燃料として機能するという最初の原理実証を得ることができました。アゾベンゼンは、太陽光に非常に多く含まれる波長を吸収するという利点があります。このとき、分子はトランス異性体からシス異性体へと変化し、シス異性体はエネルギー状態が約 0.6 eV 高くなります。[ 5 ]分子を元の状態に戻す、つまり蓄積したエネルギーを放出するには、いくつかの方法があります。1つ目は熱を加えることですが、これは放出によって発生する熱量に比べてコスト効率が悪いです。2つ目の、より効果的な方法は、熱障壁を下げて熱を放出させる触媒を使用することです。これはスイッチのようなものです。[ 6 ]シスからトランスへの遷移は、青色の可視光によっても引き起こすことができます。
このシステムは、リチウムイオン電池に匹敵するエネルギー密度を提供すると同時に、活性化燃料の安定性を数分から1年以上まで向上させ、著しい劣化なしに多数のサイクルを可能にします。[ 3 ]基板と光活性分子のさまざまな組み合わせを調べることにより、さらなる改善のための研究が行われています。
太陽光化学燃料には、潜在的および既存の用途が多岐にわたります。この技術の大きな利点の1つは、拡張性の高さです。エネルギーを貯蔵し、必要に応じて後で熱に変換できるため、小型の移動式ユニットに最適です。こうしたユニットは、太陽光で充電できる携帯用ストーブや小型パーソナルヒーターから、電力網のない地域での医療用衛生設備まで多岐にわたります。MITで開発されたシステムを自動車の窓の凍結防止システムとして使用する計画もあります。また、規模を拡大して、より大きな住宅や建物、さらには水域を加熱することも可能です。太陽熱燃料は、劣化することなく無限にサイクルできることが望ましいため、一般的に他の形態の貯蔵よりも頻繁な交換が必要となる大規模な導入に最適です。