Nieuw vinden, efficiëntere manieren om stroom te produceren is een cruciale missie voor het Department of Energy (DOE), en het ontwikkelen van meer geavanceerde materialen is vaak de sleutel tot succes.

Onderzoekers van de West Virginia University (WVU) gebruiken neutronenverstrooiing in het Oak Ridge National Laboratory (ORNL) van het DOE om nieuwe materialen te bestuderen die oxiden met hoge entropie worden genoemd. of HEO's. Hun doel is om inzicht te krijgen in hoe de atomen in de HEO's aan elkaar binden en of de materialen kunnen worden gebruikt om nuttige toepassingen te ontwikkelen om de werking van energiecentrales te verbeteren.

Efficiëntie is van invloed op de totale kosten voor brandstof en de milieuprestaties van de fabriek. Momenteel, ze ontwikkelen HEO's voor verschillende toepassingen, waaronder een gassensor voor hoge temperaturen die zal worden gebruikt om koolmonoxide in het rookgas van een kolengestookte elektriciteitscentrale te detecteren, zodat operators de efficiëntie van de fabriek kunnen bewaken. Een soortgelijke sensor wordt getest in de Longview Power plant in Maidsville, WV, in de buurt van de WVU-hoofdcampus.

"HEO's zijn materialen die bestaan ​​uit vier of meer metaaloxiden die in een bepaalde verhouding of verhouding met elkaar zijn gemengd om een ​​homogene structuur te vormen, " zei WVU materiaalwetenschapper Wei Li, die het vijfkoppige team leidde bij het uitvoeren van de ORNL-neutronenverstrooiingsexperimenten. "We gebruiken neutronen om te zien of de materialen gelijkmatig vermengen tot een enkele oxidefase of dat ze scheiden in meerdere fasen, in dat geval zouden we de verhoudingen van de elementen van het materiaal moeten aanpassen, evenals de productieomstandigheden, om ervoor te zorgen dat de materialen homogeen worden zoals we dat willen."

Onderzoek naar HEO's neemt toe vanwege hun geavanceerde eigenschappen zoals hoge weerstand tegen hitte en corrosie, evenals hun multifunctionaliteit, of potentieel voor diëlektrische, elektrochemisch, en katalytische toepassingen. Het idee is hoe meer metaaloxiden met succes met elkaar kunnen worden gemengd, hoe meer gunstige eigenschappen het materiaal zal hebben.

De meeste HEO's worden gesynthetiseerd door mengsels van metaaloxidepoeders bij hoge temperaturen te verhitten, vervolgens het resulterende materiaal afkoelen tot een enkele vaste fase. Echter, zegt Li, het is onduidelijk hoe uniforme enkelfasige HEO's worden gevormd uit de niet-uniforme, of inhomogeen, mengsels van grondstoffen.

Minder voetafdrukken, betere batterijen

Het team voert een reeks neutronenverstrooiingsexperimenten uit om twee soorten HEO's te bestuderen. Het eerste materiaal is gemaakt van magnesium, kobalt, nikkel, koper, en zinkoxiden - atomair gerangschikt in een kubusvormige steenzoutstructuur, zoals natriumchloride. Het tweede materiaal dat het team bestudeert, is een perovskiet, gemaakt van zeldzame aardmetalen en overgangsmetalen (plus zuurstof).

Om de ecologische voetafdruk te verkleinen, het team is van plan om het eerste type HEO-materiaal te ontwikkelen tot een gassensor die hoog in de uitlaatpijp van een energiecentrale kan worden gemonteerd, waar de temperaturen rond de 1 liggen 800°F (ongeveer 980°C).

"De sensoren zullen op moeilijk bereikbare plaatsen met zware omstandigheden worden geplaatst. Het bereiken van een enkele fase is belangrijk voor de stabiliteit van het materiaal en de gevoeligheid ervan om koolmonoxide te detecteren waarvan we willen voorkomen dat het de atmosfeer bereikt, " zei Li.

Bovendien, de ruwe vorm van het materiaal dat wordt gebruikt om de gassensor te maken, kan ook worden gebruikt om componenten te maken voor geavanceerde lithiumbatterijen, gewoon door lithiumoxide toe te voegen aan de lijst van grondstoffen ((MgCoNiCuZn) _{1- x} Li _x O _1-δ ).

Li zegt dat de lithium-ionbatterijen die momenteel in bepaalde energiecentrales worden gebruikt om overtollige energie op te slaan, op grafiet gebaseerde elektroden gebruiken, die een goede stabiliteit bieden maar een beperkte opslagcapaciteit hebben. Li werkt aan een upgrade naar robuustere lithiumbatterijen, maar het vinden van elektroden met hoge capaciteit met een stabiliteit die vergelijkbaar is met die van grafiet vormt een uitdaging. Met dat in gedachten, het team wil een metaaloxide met hoge entropie gebruiken om een ​​verbeterde elektrode te ontwikkelen voor een lithium-ionbatterij die hoge lithiumgeleidingseigenschappen en uitzonderlijke stabiliteit biedt voor langdurige oplaad- en ontlaadcycli.

Het potentieel van perovskiet

Met de perovskiet, het team wil een katalysator ontwerpen die kan worden gebruikt bij de ontwikkeling van een brandstofcel die een alternatieve manier kan zijn om grote hoeveelheden elektriciteit op te wekken. De onderzoekers zeggen dat brandstofcellen van 1 tot 2 megawatt uiteindelijk kunnen worden ingezet om industriële installaties of zelfs kleine gemeenschappen van stroom te voorzien.

"Normaal gesproken, we verbranden dingen om elektriciteit op te wekken. Dat betekent dat we zuurstof en brandstof nodig hebben - of waterstof, " zei collega WVU-onderzoeksassistent-professor Wenyuan Li. "Echter, brandstofcellen wekken elektriciteit op via een elektrochemisch proces dat de chemische energie van waterstof en zuurstof omzet in elektronen met behulp van een katalysator. Daarom ontwikkelen we de perovskiet voor efficiënte waterstofoxidatie- en zuurstofreductiereacties."

De behoefte aan neutronen

Neutronen zijn een ideaal hulpmiddel voor het onderzoeksteam vanwege de diepe materiaalpenetrerende eigenschappen van de deeltjes en hun acute gevoeligheid voor lichte elementen zoals lithium. Hetzelfde, de VULCAN-diffractometer van SNS is een ideaal instrument om de drie toepassingen te bestuderen die het WVU-team onderzoekt. VULCAN heeft grote detectoren en hoge penetratiemogelijkheden, perfect voor het bestuderen van omvangrijke industriële monsters, zoals motorblokken, onder een reeks gesimuleerde bedrijfsomstandigheden zoals extreme drukken en temperaturen.

Met behulp van VULCAN, de onderzoekers waren in staat om in realtime de beweging van individuele elementen of atomen in de materialen te volgen, inzicht krijgen in hoe de HEO's zich vormen tijdens de productie om te leren of ze tijdens en na de verwarmings- en koelbehandelingen één of meerdere fasen vormden.

"VULCAN is een zeer uitgebalanceerd en krachtig hulpmiddel. Sommige van de in situ metingen die we doen, nemen tussen de 12 en 20 uur verwarming en koeling in beslag, en we kunnen volgen hoe de structuren elke minuut tot 30 seconden veranderen, " zei Wenyuan Li. "We waren in staat om in relatief korte tijd veel materialen te analyseren."

De WVU-onderzoekers waren voor het eerst gebruikers van neutronenverstrooiing. De verzamelde gegevens zullen hen verder helpen bij het verfijnen van de elementaire verhoudingen in hun materialen en het maken van kleine aanpassingen aan hun productiemethoden om uiteindelijk materialen met de hoogste kwaliteit en efficiëntie te garanderen.