El control del tamaño del cristalito en los materiales MNO₂ en capas permite un mecanismo de almacenamiento de calor de doble modo: intercalación del agua interna de capas convencional y adsorción de superficie recientemente activada. A medida que las nanohojas se vuelven más delgadas, las interacciones superficiales con las moléculas de agua se mejoran, manifestándose como estados como líquidos o en forma de hielo que dependen de las condiciones estructurales. Este refinamiento estructural mejora significativamente el rendimiento del almacenamiento de calor, particularmente por debajo de 100 ° C, que ofrece una vía para la utilización eficiente de la energía térmica de bajo grado. Crédito: Química de comunicaciones (2025). Doi: 10.1038/s42004-025-01567-2
Capturar y almacenar eficientemente el exceso de calor, particularmente por debajo de 200 ° C, es primordial para lograr una sociedad neutral en carbono. Cada año, las fábricas y las casas producen un exceso de calor, gran parte de los cuales se desperdicia. Del mismo modo, a medida que el mundo depende más de fuentes de energía renovables, la necesidad de capturar y almacenar el calor crece.
Una colaboración entre la Universidad de Tohoku y la Agencia de Energía Atómica de Japón ha hecho avances significativos a este respecto, desarrollando nanohojas de dióxido de manganeso en capas (MNO2) que pueden almacenar el calor incluso por debajo de 100 ° C.
Los detalles del estudio se publicaron en la revista Química de comunicaciones.
“Nuestras nanohojas operan utilizando un mecanismo de almacenamiento de calor en modo dual, donde las moléculas de agua se absorben simultáneamente (intercaladas) y se adsorben de la atmósfera”, explica el estudiante graduado de la Universidad de Tohoku Hiroki Yoshisako.
Yoshisako dirigió el grupo de investigación junto con Norihiko L. Okamoto y Tetsu Ichitsubo de la Universidad de Tohoku, junto con Kazuya Tanaka de la Agencia de Energía Atómica de Japón.
El dióxido de manganeso en capas funciona gracias a la intercalación, un proceso reversible donde las moléculas o iones de los huéspedes se insertan en la estructura en capas de un material huésped sin causar importantes cambios estructurales. Si bien se sabía anteriormente que las moléculas de agua entran en capas MNO2 a alrededor de 130 ° C, el equipo se sorprendió al enterarse de un segundo mecanismo: la adsorción de la superficie que emerge a temperaturas inferiores a 60 ° C descomponiendo dióxido de manganeso en capas en nanoxidas ultrathina.
Este mecanismo dual aumenta la cantidad total de moléculas de agua almacenables en 1,5 veces y mejora la densidad de almacenamiento de energía en aproximadamente un 30% en comparación con MNO2 a granel. Como resultado, las nanohojas pueden operar efectivamente a temperaturas mucho más bajas.
El equipo también construyó un modelo geométrico que predice el número de sitios de adsorción de agua basados en el grosor de la nanoesheo. El análisis reveló que el agua entre capas exhibe características sólidas, mientras que el agua de la superficie adsorbida se comporta más como un líquido.
Okamoto enfatiza que sus hallazgos ofrecen un principio de diseño robusto para adaptar el rendimiento del almacenamiento de calor basado en estructuras a nanoescala y tendrán un impacto positivo en el desarrollo futuro de las soluciones de gestión térmica.
“Nuestro avance abre nuevas vías para las soluciones de gestión térmica de próxima generación, que se extienden desde sistemas de almacenamiento de calor solar para uso nocturno hasta dispositivos portátiles de recuperación de calor de desechos a baja temperatura y generación de energía termoeléctrica descentralizada que puede operar independientemente de su tiempo o ubicación”.
Más información: Hiroki Yoshisako et al, utilizando la adsorción de agua superficial en las nanocapas MNO2 en capas para mejorar el rendimiento del almacenamiento de calor, la química de las comunicaciones (2025). Dos: 10.1038/s42004-025-01567-2
Proporcionado por la Universidad de Tohoku
Cita: El nuevo material de la nanoja permite el almacenamiento de calor de alta densidad por debajo de 100 ° C a través de la adsorción de agua (2025, 10 de julio) Recuperado el 10 de julio de 2025 de https://techxplore.com/news/2025-07-nanoheet-material-enables-high-densidad.html
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