Hybrid Organic-inorganic Materials with Phase Transitions for Solid-state Cooling and Solar Thermal Energy Storage

Abstract

[Resumo] A presente tese de doutoramento céntrase no estudo de materiais híbridos orgánicos-inorgánicos con transicións de fase para aplicacións de refrixeración en estado sólido e almacenamento de enerxía. Dada a importancia de substituír os compostos perigosos, tóxicos e/ou contaminantes empregados en ditas aplicacións, este traballo céntrase na selección, deseño e síntese de materiais con unidades orgánicas e inorgánicas que poidan proporcionar transicións de fase altamente enerxéticas e outras propiedades funcionais, fundamentais para sistemas enerxéticos como a refrixeración en estado sólido e o almacenamento de enerxía. Estudouse a estrutura química e as propiedades funcionais (calóricas, eléctricas e magnéticas) para analizar o comportamento dos materiais e contemplar opcións innovadoras dada a multi-sensibilidade a diferentes estímulos (temperatura, presión ou campo eléctrico). Como resultado desta investigación, a perovskita híbrida [(CH3)4N]Mn(N3)3 e os cristais plásticos híbridos [(CH3)3(CH2Cl)N]FeCl4, [(CH3)3(CH2Cl)N]GaCl4 e [(CH3)3S]FeCl4 reportanse como materiais barocalóricos prometedores para aplicaciós de refrixeración en estado sólido. Ademais, [(CH3)3(CH2Cl)N]GaCl4 e [(CH3)3S]FeCl4, que son materiais novos reportados nesta tese, presentan propiedades calóricas, eléctricas e magnéticas moi interesantes e axeitadas para aplicacións de almacenamento de enerxía térmica solar e a posibilidade de combinalas con almacenamento de enerxía eléctrica para sistemas multi-funcionais. Os resultados aquí presentados son unha aportación para o desenvolvemento de sistemas sostibles e respectuosos co medio ambiente para o uso e almacenamento de enerxía.

[Resumen] La presente tesis doctoral se centra en el estudio de materiales híbridos orgánicos-inorgánicos con transiciones de fase para aplicaciones de refrigeración en estado sólido y almacenamiento de energía. Dada la importancia de sustituir los compuestos peligrosos, tóxicos y/o contaminantes empleados en tales aplicaciones, este trabajo se centra en la selección, diseño y síntesis de materiales con unidades orgánicas e inorgánicas que puedan proporcionar transiciones de fase altamente energéticas y otras propiedades funcionales, fundamentales para sistemas energéticos como la refrigeración en estado sólido y el almacenamiento de energía. Se estudió la estructura química y las propiedades funcionales (calóricas, eléctricas y magnéticas) para analizar el comportamiento de los materiales y contemplar opciones innovadoras dada la multi-sensibilidad a diferentes estímulos (temperatura, presión o campo eléctrico). Como resultado de esta investigación, la perovskita híbrida [(CH3)4N]Mn(N3)3 y los cristales plásticos híbridos [(CH3)3(CH2Cl)N]FeCl4, [(CH3)3(CH2Cl)N]GaCl4 y [(CH3)3S]FeCl4 se reportan como materiales barocalóricos prometedores para aplicaciones de refrigeración en estado sólido. Además, [(CH3)3(CH2Cl)N]GaCl4 y [(CH3)3S]FeCl4, que son materiales nuevos reportados en esta tesis, presentan propiedades calóricas, eléctricas y magnéticas muy interesantes y adecuadas para aplicaciones de almacenamiento de energía térmica solar y la posibilidad de combinarlas con almacenamiento de energía eléctrica para sistemas multi-funcionales. Los resultados aquí presentados son una aportación para el desarrollo de sistemas sostenibles y respetuosos con el medio ambiente para el uso y almacenamiento de energía.

[Abstract] The present Ph.D. Thesis is focused on the study of hybrid organic-inorganic materials with phase transitions for solid-state cooling and energy storage applications. Given the importance of substituting the dangerous, toxic and/or polluting compounds employed in such applications, this work is centered in the selection, design and synthesis of materials with organic and inorganic units that can provide high-energetic phase transitions and other functional properties, fundamental for energy systems such as solid-state cooling and energy storage. The chemical structure and functional properties (caloric, electric and magnetic) were studied to analyze the performance of the materials and contemplate innovative options given by the multi-sensitivity to different stimuli (temperature, pressure or electric field). As result of this research, the hybrid perovskite [(CH3)4N]Mn(N3)3 and the hybrid plastic crystals [(CH3)3(CH2Cl)N]FeCl4, [(CH3)3(CH2Cl)N]GaCl4 and [(CH3)3S]FeCl4 are reported as promising barocaloric materials for solid-state cooling. Furthermore, [(CH3)3(CH2Cl)N]GaCl4 and [(CH3)3S]FeCl4, which are new materials reported in this thesis, revealed very interesting caloric, electric and magnetic properties suitable for solar thermal energy storage applications and the possibility of combining them with electrical energy storage for multi-functional systems. The results here presented are an input to the development of sustainable and environmentally-friendly systems for the use and storage of energy