Ongeveer zeventig procent van de thermische energie die wordt opgewekt in thermische en kerncentrales gaat verloren als restwarmte, met een temperatuur onder het kookpunt van water. In een recent rapport over wetenschappelijke vooruitgang , Yoshitaka Nakamura en een onderzoeksteam in de chemie, materialen, en technologie in Japan ontwikkelde een materiaal voor langdurige warmteopslag om warmte-energie te absorberen bij warme temperaturen van 38 graden C (311 K) tot 67 graden C (340 K). Ze hebben de unieke reeks materialen samengesteld met behulp van scandium-gesubstitueerd lambda-trititanium-pentoxide (λ-Sc _x Ti _3−x O ₅ ). Het construct verzamelde warmte-energie uit warm water en gaf de verzamelde warmte-energie vrij bij het uitoefenen van druk. Het nieuwe materiaal heeft het potentieel om de warmte-energie van warm water te accumuleren dat wordt gegenereerd in kern- en thermische centrales, recycle vervolgens de opgeslagen warmte-energie op aanvraag op basis van externe drukken. Het materiaal is ook toepasbaar voor het recyclen van restwarmte in industriële fabrieken en auto's.

Eerste principes berekeningen van vormingsenergie en bepaling van de kristalstructuur

Het team gebruikte het metaal-gesubstitueerde lambda-trititanium-pentoxide (λ-M _x Ti ₃ O ₅ ) tijdens de experimenten om warmteopslagmaterialen te realiseren die afvalwarmte bij lage temperatuur kunnen absorberen en foto- en drukgeïnduceerde faseovergangen vertonen. Wetenschappers hadden eerder melding gemaakt van verschillende soorten metaal-gesubstitueerde λ-Ti ₃ O _5. In dit werk, Nakamura et al. onderzocht 54 elementen als metaalkationen die geschikt zijn voor metaalsubstitutie van het Ti-ion in λ-Ti ₃ O ₅ . Van deze, slechts zes hadden een stabiliserend effect, waaronder scandium, niobium, tantaal, zirkonium, hafnium en wolfraam. Het team rapporteerde vervolgens de synthese van de kristalstructuur en warmteopslageigenschappen van de Sc-gesubstitueerde λ-Ti ₃ O ₅ in de λ-fase.

Om de Sc-gesubstitueerde verbinding te synthetiseren, Nakamura et al. gebruikte een boogsmelttechniek in een argonatmosfeer. Tijdens het proces, ze mengden voorlopers van Sc ₂ O ₃ , TiO ₂ en Ti-poeders om een ​​pellet van 8 mm van het mengsel te bereiden in de vorm van een bolvormige bal. Vervolgens bepaalden ze met behulp van röntgenfluorescentie (XRF) metingen de formule van het monster (Sc _0,9 Ti _2.91 O ₅ ) en voerde synchrotron-röntgendiffractie (SXRD) uit om de kristalstructuur te bepalen. De resultaten kwamen overeen met de kristalstructuur van λ-Ti ₃ O ₅ met 0,4 procent expansie na metaalvervanging. Met behulp van scanning-transmissie-elektronenmicroscopie (STEM) -beelden verkreeg het team streepachtige domeinen in de verbinding.

Het team heeft vervolgens de drukgeïnduceerde faseovergang gemeten met behulp van SXRD (synchrotron-röntgendiffractie) na het comprimeren van de monsters met een hydraulische pers. Toen de druk toenam, de λ-fasefractie van het monster nam af, en de β-fasefractie nam toe in een omkeerbaar proces. Ze maten de warmteabsorptiemassa van het monster na de drukgeïnduceerde faseovergang (λ- naar β-fase) met behulp van differentiële scanningcalorimetrie (DSC). Ze noteerden de warmteabsorptie van het materiaal met een absorptiepiek bij 67 ° C en observeerden herhaalde druk- en warmte-geïnduceerde faseovergangen. Tijdens faseovergangen van de β-fase naar de λ-fase, de warmteopslagtemperatuur is opmerkelijk gedaald van een eerder geregistreerde waarde van 197 ° C tot 67 ° C in het huidige werk.

Eerdere berichten over λ-Ti ₃ O ₅ schreef ook de omkeerbare faseovergang tussen de λ-fase en β-fase door druk en warmte toe aan de energiebarrière tussen de twee fasen, die voortkomt uit de elastische interactie binnen het materiaal. Om de mechanismen van langdurige warmteopslag en door lage druk geïnduceerde warmte-energieafgifte in deze opstelling te begrijpen, Nakamura et al. berekende de Gibbs vrije energie van het systeem. Voor deze, ze gebruikten een thermodynamisch model gebaseerd op de Slichter en Drickamer (SD-model). Tijdens het proces van faseovergang, de wetenschappers konden de λ-fase voor een langere tijd handhaven, omdat de energiebarrière tussen de twee fasen de onmiddellijke overdracht van de λ-fase naar de β-fase verhinderde. De resulterende Sc _0,9 Ti _2.91 O ₅ voorbereid in het werk vertoonde een goede stabiliteit en kon perfect worden gehandhaafd gedurende ongeveer acht maanden tot een jaar vanaf de XRD-meting.

De wetenschappers onderzochten het warmteopslagsysteem met Sc-gesubstitueerd λ-Ti ₃ O ₅ in een praktische setting door koelwater voor een turbine in een elektriciteitscentrale uit een rivier of zee te pompen. Terwijl het water door de turbine stroomde, de temperatuur nam toe door warmtewisseling, het overbrengen van de energie van warm water naar Sc-gesubstitueerd λ-Ti ₃ O ₅ materialen die in de tanks worden gebruikt. In de tussentijd, water met een verminderde thermische energie teruggevoerd naar de rivier of de zee. Energie opgeslagen in de Sc-gesubstitueerde λ-Ti ₃ O ₅ zou kunnen worden vrijgemaakt in de vorm van thermische energie door druk uit te oefenen op energieverbruik op aanvraag. Nakamura et al. stel je voor om de opgeslagen thermische energie te leveren aan gebouwen of industriële installaties die zich in de buurt van elektriciteitscentrales bevinden zonder elektriciteit te gebruiken.

Op deze manier, Yoshitaka Nakamura en collega's demonstreerden warmteopslagkeramiek op basis van Sc-gesubstitueerd λ-Ti ₃ O _5, die warmte uit het water absorbeerde. Op basis van eerste-principe berekeningen, ze synthetiseerden Sc-gesubstitueerde λ-Ti ₃ O ₅ keramiek met een warmteabsorptie onder 100 graden C. Het warmteabsorptiemateriaal won thermische energie terug uit koelwater in turbines van elektriciteitscentrales en kon gemakkelijk worden gecontroleerd door het Sc-gehalte in Ti te veranderen ₃ O ₅ met betrekking tot de toepassing van rente. Naast zijn functies in elektriciteitscentrales, de wetenschappers stellen voor om de materialen te gebruiken voor warmteopslagfuncties door afvalwarmte te verzamelen van reguliere apparaten zoals mobiele telefoons, vervoer voertuigen, van fabrieken en elektronische apparaten.

© 2020 Wetenschap X Netwerk