Wetenschappers in Japan hebben een veel voorkomende stof gevonden die omkeerbaar en snel relatief grote hoeveelheden laagwaardige warmte kan opslaan en afgeven zonder te ontbinden. Het onderzoek kan leiden tot efficiënter hergebruik van industriële restwarmte. De resultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift Nature Communications en waren een samenwerking tussen wetenschappers van Tohoku University's Institute for Materials Research en Rigaku Corporation, een bedrijf dat op röntgenstraling gebaseerde meet- en thermische analysetools ontwerpt en produceert.

Bij hun onderzoek gebruikten de onderzoekers een gelaagd mangaanoxidemineraal dat kaliumionen en kristalwater bevat. Dit mineraal lijkt qua samenstelling vrij veel op birnessiet, dat vaak op het aardoppervlak wordt aangetroffen. Het team fabriceerde hun verbinding in de vorm van een onoplosbaar zwart poeder en onderzocht vervolgens de kristalstructuur met behulp van een röntgendiffractometer en een transmissie-elektronenmicroscoop. Vervolgens onderzochten ze hoe de structuur van de verbinding veranderde bij verwarming of afkoeling, en hoeveel en hoe snel warmte-energie werd opgeslagen en afgegeven.

Door het materiaal tot 200︎ graden Celsius te verwarmen, droogde het uit door de opgeslagen watermoleculen de energie te geven die ze nodig hebben om in de omringende atmosfeer te worden vrijgegeven. Toen het gedehydrateerde materiaal vervolgens werd afgekoeld tot onder 120︎C in een droge container en vervolgens werd blootgesteld aan vochtige lucht, absorbeerde het watermoleculen en gaf het zijn opgeslagen warmte af.

"Dit intercalatiemechanisme, waarbij watermoleculen omkeerbaar in een gelaagd materiaal worden ingebracht, is zeer voordelig voor warmteopslag", zegt materiaalwetenschapper Tetsu Ichitsubo van Tohoku University. "Het is erg snel, omkeerbaar en de structuur van het materiaal blijft goed behouden. Bovendien degradeert zuurstof in de atmosfeer het gelaagde mangaanoxidekristal niet en lost water het niet op. Dit maakt het een uitstekende kandidaat voor hergebruik van restwarmte in industriële omgevingen."

Dit gelaagde mangaandioxide van het birnessiettype met kristalwaterverbinding vertoonde betere algemene prestaties in vergelijking met andere verbindingen die momenteel worden onderzocht voor warmteopslagdoeleinden. "Ons materiaal heeft een lange levensduur, kan grote hoeveelheden warmte per volume-eenheid omkeerbaar opslaan en afgeven, en laadt en ontlaadt snel", zegt Ichitsubo. + Verder verkennen

Arseen helpt zwarte fosfor stabiel te maken voor energie-efficiëntie