Les alcools de sucre : une solution pour le stockage de l’énergie thermique ?

À la recherche d’une utilisation plus efficace de l’énergie thermique résiduelle, l’utilisation des « matériaux à changement de phase (MCP) » est une option intéressante. Les MCP possèdent une grande capacité de chaleur latente et la capacité de stocker et libérer de la chaleur lorsqu’ils passent d’un état de la matière à un autre.

Parmi les nombreux MCP, les alcools de sucre (AS), une classe de composés organiques couramment utilisés comme édulcorants, se distinguent en raison de leur faible coût, de leur caractère non toxique, non corrosif et biodégradable.

Les alcools de sucre et leur potentiel

En particulier, les AS ont généralement un point de fusion compris entre 100 et 200 °C, une plage de température importante où une énorme quantité de chaleur résiduelle existe mais est actuellement gaspillée dans notre monde.

Cependant, les AS souffrent généralement du problème de la surfusion, où, au lieu de se solidifier, ils restent à l’état liquide même à des températures bien inférieures au point de fusion. La surfusion dégrade la qualité (ou « exergie ») de l’énergie thermique stockée, car l’énergie thermique à basse température est moins utile.

Une nouvelle étude prometteuse

Dans une nouvelle étude, des chercheurs de l’Institut de Technologie de Tokyo (Tokyo Tech) dirigés par le professeur Yoichi Murakami ont découvert que confiner les AS dans des cristaux de réseau organique covalent (COF) résout efficacement le problème de la surfusion.

Leurs résultats, publiés dans la revue Materials Horizons, ont le potentiel de révolutionner les AS en tant que matériaux de stockage de chaleur.

Le Dr Murakami, professeur au Laboratoire pour l’énergie zéro carbone à Tokyo Tech, explique : « Nous proposons un nouveau concept de matériaux avec lequel l’énergie thermique stockée peut être récupérée à une température beaucoup plus élevée qu’auparavant, en atténuant largement le problème de longue date de la surfusion qui dégrade l’énergie thermique stockée. Nous avons créé une nouvelle classe de MCP solides à base d’AS abondants, non toxiques et à faible coût. »

La solution : les cristaux de réseau organique covalent

Normalement, le D-mannitol pur (Man), l’un des AS, a un point de fusion de 167 °C, mais il se solidifie généralement à des températures aléatoires autour de 80-120 °C, ce qui représente une surfusion importante d’environ 47-87 °C. Pour résoudre ce problème, les chercheurs ont introduit le Man dans les cristaux de COF-300, l’un des COF les plus typiques.

Ils ont découvert que, tandis que la fusion du Man confiné dans le COF se produisait à environ 150-155 °C, la solidification du Man confiné dans le COF se produisait de manière reproductible dans la plage de température légèrement inférieure de 130-145 °C.

Ainsi, la surfusion a été réduite à seulement 10-20 °C, bien moins que la surfusion précédente d’environ 47-87 °C.

« Ces résultats indiquent que les cycles de fusion-solidification du composite Man-COF se produisent dans une plage de température étroite de 130-155 °C sans surfusion importante ou aléatoire », souligne le professeur Murakami, mettant en évidence l’effet découvert du confinement COF.

En synthèse

Selon leur article publié, des travaux antérieurs avaient confiné les AS dans des matériaux poreux inorganiques rigides tels que la silice nanoporeuse et l’alumine pour former des MCP solides, mais ils n’avaient pas réussi à résoudre le problème de surfusion des AS.

Les COF ne sont pas seulement des matériaux poreux flexibles, mais ont également des pores beaucoup plus petits (de l’ordre de l’échelle du nanomètre unique) que ceux des matériaux nanoporeux inorganiques précédents.

La présente étude devrait ouvrir la voie à une nouvelle classe de matériaux de stockage de chaleur solides à base d’AS verts et à faible coût pour un stockage efficace de l’énergie thermique.

Pour une meilleure compréhension

1. Qu’est-ce que les matériaux à changement de phase (MCP) ?

Les matériaux à changement de phase (MCP) sont des matériaux qui ont une grande capacité de chaleur latente et la capacité de stocker et libérer de la chaleur lorsqu’ils passent d’un état de la matière à un autre. Ils sont utilisés pour une utilisation plus efficace de l’énergie thermique résiduelle.

2. Quels sont les avantages des alcools de sucre (AS) en tant que MCP ?

Les alcools de sucre (AS) sont une classe de composés organiques couramment utilisés comme édulcorants. Ils se distinguent en tant que MCP en raison de leur faible coût, de leur caractère non toxique, non corrosif et biodégradable.

3. Quel est le problème de la surfusion dans les AS ?

La surfusion est un problème courant dans les AS, où ils restent à l’état liquide même à des températures bien inférieures au point de fusion. Cela dégrade la qualité de l’énergie thermique stockée, car l’énergie thermique à basse température est moins utile.

4. Comment les cristaux (COF) résolvent-ils le problème de la surfusion ?

Les chercheurs de l’Institut de Technologie de Tokyo ont découvert que confiner les AS dans des cristaux de réseau organique covalent (COF) résout efficacement le problème de la surfusion. Les COF sont des matériaux poreux flexibles avec des pores beaucoup plus petits que ceux des matériaux nanoporeux inorganiques précédents.

5. Quel est l’impact de cette découverte sur le stockage de l’énergie thermique ?

Cette étude ouvre la voie à une nouvelle classe de matériaux de stockage de chaleur solides à base d’AS verts et à faible coût pour un stockage efficace de l’énergie thermique.

Article : « Composite formation of covalent organic framework crystals and sugar alcohols for exploring a new class of heat-storage materials » – DOI: 10.1039/d3mh00905j