Att hitta nytt, effektivare sätt att producera kraft är ett avgörande uppdrag för Department of Energy (DOE), och att utveckla mer avancerade material är ofta nyckeln till framgång.

Forskare från West Virginia University (WVU) använder neutronspridning vid DOE:s Oak Ridge National Laboratory (ORNL) för att studera nya material som kallas högentropioxider, eller HEOs. Deras mål är att samla in insikter om hur atomerna i HEO binder samman och om materialen kan användas för att utveckla användbara applikationer för att förbättra kraftverksdriften.

Effektivitet påverkar de totala kostnaderna för bränsle och anläggningens miljöprestanda. För närvarande, de utvecklar HEO:er för flera applikationer inklusive en högtemperaturgassensor som kommer att användas för att detektera kolmonoxid i rökgasen från ett koleldat kraftverk för att tillåta operatörer att övervaka anläggningens effektivitet. En liknande sensor testas vid Longview Power Plant i Maidsville, WV, nära WVU:s huvudcampus.

"HEOs är material som består av fyra eller flera metalloxider blandade tillsammans i ett visst förhållande eller proportion för att bilda en homogen struktur, " sa WVU-materialforskaren Wei Li, som ledde teamet på fem personer vid genomförandet av ORNL neutronspridningsexperiment. "Vi använder neutroner för att se om materialen blandas jämnt i en enda oxidfas eller om de separeras i flera faser, i så fall skulle vi behöva justera förhållandena mellan materialets element, såväl som tillverkningsförhållandena, för att säkerställa att materialen bildas homogent på det sätt vi vill att de ska. "

Forskning om HEO ökar på grund av deras avancerade egenskaper som hög motståndskraft mot värme och korrosion, såväl som deras multifunktionalitet, eller potential för dielektrikum, elektrokemiska, och katalytiska tillämpningar. Tanken är ju fler metalloxider som framgångsrikt kan blandas ihop, desto mer fördelaktiga egenskaper kommer materialet att ha.

De flesta HEO syntetiseras genom uppvärmning av blandningar av metalloxidpulver vid höga temperaturer, kylning av det resulterande materialet till en enda fast fas. Dock, säger Li, det är oklart hur enhetliga enfas-HEOs bildas från de olikformiga, eller inhomogen, blandningar av råvaror.

Färre fotspår, bättre batterier

Teamet utför en serie neutronspridningsexperiment för att studera två typer av HEO. Det första materialet är tillverkat av magnesium, kobolt, nickel, koppar, och zinkoxider - atomiskt arrangerade i en kubformad stensaltstruktur, som natriumklorid. Det andra materialet som teamet studerar är en perovskite, tillverkad av sällsynta jordartsmetaller och övergångsmetaller (plus syre).

För att minska koldioxidavtrycket, teamet har för avsikt att utveckla den första typen av HEO-material till en gassensor som kan monteras högt inuti ett kraftverks avgasstapel, där temperaturen varierar runt 1, 800°F (cirka 980°C).

"Sensorerna kommer att placeras i svåråtkomliga områden med tuffa förhållanden. Att uppnå en enda fas är viktigt för materialets stabilitet och dess känslighet för att upptäcka kolmonoxid som vi vill förhindra från att nå atmosfären, " sa Li.

Vad mer, råformen av materialet som används för att göra gassensorn kan också användas för att göra komponenter för avancerade litiumbatterier, bara genom att tillsätta litiumoxid till listan över råvaror ((MgCoNiCuZn) _{1- x} Li _x O _1-5 ).

Li säger att litiumjonbatterierna som för närvarande används i vissa kraftverk för att lagra överskottsenergi använder grafitbaserade elektroder, som erbjuder bra stabilitet men har begränsad lagringskapacitet. Li arbetar med att uppgradera till mer robusta litiumbatterier, men att hitta elektroder med hög kapacitet med stabilitet jämförbar med grafit utgör en utmaning. Med det i åtanke, teamet siktar på att använda en metalloxid med hög entropi för att utveckla en förbättrad elektrod för ett litiumjonbatteri som erbjuder höga litiumledningsegenskaper såväl som exceptionell stabilitet för långvariga laddnings- och urladdningscykler.

Perovskites potential

Med perovskiten, laget vill designa en katalysator som ska användas vid utveckling av en bränslecell som kan tillhandahålla ett alternativt sätt att generera stora mängder el. Forskarna säger att 1 till 2 megawatt bränsleceller så småningom kan användas för att driva anläggningar i industriell storlek eller till och med små samhällen.

"I vanliga fall, vi bränner saker för att skapa elektricitet. Det betyder att vi behöver syre och bränsle – eller väte, "sa Wenyuan Li, forskarassistentprofessor vid WVU." Men bränsleceller genererar elektricitet genom en elektrokemisk process som omvandlar den kemiska energin från väte och syre till elektroner med hjälp av en katalysator. Det är därför vi utvecklar perovskiten för effektiv väteoxidation och syrereduktionsreaktioner."

Behovet av neutroner

Neutroner är ett idealiskt verktyg för forskargruppen på grund av partiklarnas djupa materialpenetrerande egenskaper och deras akuta känslighet för lätta element som litium. Likaså, VULCAN -diffraktometern vid SNS är ett idealiskt instrument för att studera de tre applikationer som WVU -teamet undersöker. VULCAN har storarea detektorer och hög penetrationskapacitet perfekt för att studera skrymmande industriella prover – som motorblock – under en rad simulerade driftsförhållanden som extrema tryck och temperaturer.

Använder VULCAN, forskarna kunde spåra i realtid rörelsen av enskilda element eller atomer i materialen, få insikter i hur HEO bildas under tillverkning för att lära sig om de bildade enstaka eller flera faser under och efter uppvärmnings- och kylningsbehandlingarna.

"VULCAN är ett mycket balanserat och kraftfullt verktyg. Vissa av de in situ-mätningar vi gör tar mellan 12 och 20 timmars uppvärmning och kylning, och vi kan övervaka hur strukturerna ändras varje minut till 30 sekunder, "sa Wenyuan Li." Vi kunde analysera mycket material på relativt kort tid. "

WVU-forskarna var förstagångsanvändare av neutronspridning. Data som samlas in kommer ytterligare att hjälpa dem att finjustera grundämnesförhållandena i deras material och göra små justeringar av deras tillverkningsmetoder för att säkerställa material med högsta kvalitet och effektivitet i slutändan.