Första principernas beräkningar av bildningsenergier. (A) Periodiska systemet färgat av de totala elektroniska energierna för λ-Ti3O5 med en elementär substitution. Blå element är de där substituerad λ-Ti3O5 visar en lägre bildningsenergi än den för ren λ-Ti3O5. Orange element är de där substituerad λ-Ti3O5 visar en högre bildningsenergi. (B) Beräknade totala elektroniska energier för λ-AxTi3−xO5 (A, trivalenta element) och (C) λ-BxTi3-xO5 (B, fyrvärda grundämnen) i ordning efter atomnummer. En av tre Ti-ställen i λ-Ti3O5 ersätts av ett färgat element för beräkningarna av de första principerna. Element A i λ-AxTi3−xO5 ersätter Ti1-stället. Element B i λ-BxTi3-xO5 ersätter Ti2-stället. Blå och orangea rutor representerar att elementärt substituerad λ-Ti3O5 visar en lägre formation och en högre formationsenergi, respektive. Svart fyrkant betecknar ren λ-Ti3O5. Kreditera: Vetenskapens framsteg , doi:10.1126/sciadv.aaz5264
Ungefär sjuttio procent av den termiska energin som genereras i värme- och kärnkraftverk går förlorad som spillvärme, med en temperatur under vattnets kokpunkt. I en färsk rapport om Vetenskapens framsteg , Yoshitaka Nakamura och ett forskarlag inom kemi, material, och teknologi i Japan utvecklade ett långsiktigt värmelagringsmaterial för att absorbera värmeenergi vid varma temperaturer från 38 grader C (311 K) till 67 grader C (340 K). De komponerade den unika serien av material med skandium-substituerad lambda-trititan-pentoxid (λ-Sc x Ti 3−x O 5 ). Konstruktionen ackumulerade värmeenergi från varmvatten och frigjorde den ackumulerade värmeenergin vid applicering av tryck. Det nya materialet har potential att ackumulera värmeenergin från varmvatten som genereras i kärn- och värmekraftverk, återvinn sedan den lagrade värmeenergin efter behov baserat på externa tryck. Materialet är också användbart för att återvinna spillvärme i industrifabriker och bilar.
Första principerna beräkningar av bildningsenergi och bestämning av kristallstrukturen
Teamet använde den metallsubstituerade lambda-trititan-pentoxiden (λ-M x Ti 3 O 5 ) under experimenten för att realisera värmelagringsmaterial som kan absorbera lågtemperaturspillvärme och uppvisa foto- och tryckinducerade fasövergångar. Forskare hade tidigare rapporterat om flera typer av metallsubstituerad λ-Ti 3 O 5. I det här arbetet, Nakamura et al. undersökte 54 grundämnen som metallkatjoner lämpade för metallsubstitution av Ti-jonen i λ-Ti 3 O 5 . Av dessa, endast sex hade en stabiliserande effekt inklusive skandium, niob, tantal, zirkonium, hafnium och volfram. Teamet rapporterade sedan syntesen av kristallstrukturen och värmelagringsegenskaperna för den Sc-substituerade λ-Ti 3 O 5 i λ-fasen.
Syntes, kristallstruktur, och morfologi för λ-Sc0.09Ti2.91O5. (A) λ-Sc0.09Ti2.91O5 provsyntes. Pelletiserat blandningspulver av Sc2O3, TiO2, och Ti-metall med en diameter på 8 mm förbereds, smält, och kyls snabbt i en bågsmältningsprocess. Efter smältningsprocessen, det stelnade (som förberedda) provet mals för hand. Fotokredit:Yoshitaka Nakamura, Panasonic Corporation. (B) Synkrotronröntgendiffraktionsmönster (SXRD) av det framställda Sc0.09Ti2.91O5-provet uppsamlat vid rumstemperatur med λ =0,420111 Å. Övre blå och nedre orange staplar representerar de beräknade positionerna för Bragg-reflektionerna av λ-Sc0.09Ti2.91O5 och β-Sc0.09Ti2.91O5. (C) Svepelektronmikroskopi (SEM) bild av det pulveriserade provet visar en kornstorlek under 100 μm. Partiklar från det pulveriserade provet skivas av en fokuserad jonstråle. STEM-bilden visar randliknande domäner med en storlek på cirka 100 nm × 200 nm. Skalstaplar visar 100 μm i SEM-bilden och 100 nm i STEM-bilden. Kreditera: Vetenskapens framsteg , doi:10.1126/sciadv.aaz5264
För att syntetisera den Sc-substituerade föreningen, Nakamura et al. använde en bågsmältningsteknik i en argonatmosfär. Under processen, de blandade föregångare till Sc 2 O 3 , TiO 2 och Ti-pulver för att framställa en 8 mm pellet av blandningen formad till en sfärisk boll. Sedan med hjälp av röntgenfluorescens (XRF) mätningar bestämde de formeln för provet (Sc 0,9 Ti 2,91 O 5 ) och utförde synkrotronröntgendiffraktion (SXRD) för att bestämma kristallstrukturen. Resultaten motsvarade kristallstrukturen för X-Ti 3 O 5 med 0,4 procents expansion efter metallsubstitution. Med hjälp av scanning transmission electron microscopy (STEM) bilder fick teamet randliknande domäner i föreningen.
Tryckinducerad fasövergång och värmelagringsprocess. (A) SXRD-mönster av Sc0.09Ti2.91O5 uppmätt vid rumstemperatur och omgivande tryck efter kompression mellan 0,2 och 1,7 GPa med en hydraulisk press (λ =0,420111 Å). När trycket ökar, λ-(20-3)- och λ-(203)-topparna (blå) minskar och β-(20-3)-toppen (orange) ökar, vilket indikerar en tryckinducerad fasövergång. a.u., godtyckliga enheter. (B) Tryckberoende för fasfraktionerna av Sc0.09Ti2.91O5 beräknat från SXRD-mönstren i (A). Övergångstryck (fasövergångstryck) inträffar vid 670 MPa. (C) SXRD-mönster av Sc0.09Ti2.91O5 uppmätt mellan 27°C (300 K) och 300°C (573 K; λ =0,999255 Å). λ- och β-topparna är konstanta till 50°C (323 K; orange), och sedan minskar P-fasen och A-fasen ökar vid 75°C (348 K; blå). A-fasen omvandlas till a-fasen över 175°C (448 K; svart) men återställs vid kylning. (D) DSC-diagram av Sc0.09Ti2.91O5 visar en endoterm reaktion vid 67°C (340 K). Proverna komprimeras vid 1,7 GPa före mätningarna med variabel temperatur SXRD och DSC. Kreditera: Vetenskapens framsteg , doi:10.1126/sciadv.aaz5264 
Teamet mätte sedan den tryckinducerade fasövergången med SXRD (synkrotronröntgendiffraktion) efter att ha komprimerat proverna med en hydraulisk press. När trycket ökade, λ-fasfraktionen av provet minskade, och p-fasfraktionen ökade i en reversibel process. De mätte provets värmeabsorptionsmassa efter den tryckinducerade fasövergången (λ- till β-fas) med hjälp av differentiell skanningskalorimetri (DSC). De noterade värmeabsorptionen av materialet med en absorptionstopp vid 67 grader C och observerade upprepade tryck- och värmeinducerade fasövergångar. Under fasövergångar från β-fasen till λ-fasen, värmelagringstemperaturen reducerades anmärkningsvärt från ett tidigare registrerat värde på 197 grader C till 67 grader C i föreliggande arbete.
Mekanism för långvarig värmelagring och tryckinducerad fasövergång. (A) Gibbs fri energi (Gsys) kontra λ fasfraktion (x) kurvor från 420 till 200 K med ett 20 K intervall, beräknat med SD-modellen. Blå sfärer indikerar den termiska populationen av λ-fasen. (B) Temperaturberoende för de beräknade λ-fas (blå) och β-fas (röd) fraktionerna. (C) Gsys kontra x under omgivningstryck på 0,1, 400, och 700 MPa vid 300 K. Kredit: Vetenskapens framsteg , doi:10.1126/sciadv.aaz5264
Tidigare rapporter om λ-Ti 3 O 5 krediterade också den reversibla fasövergången mellan λ-fasen och β-fasen genom tryck och värme till energibarriären mellan de två faserna, som härrör från den elastiska interaktionen i materialet. För att förstå mekanismerna för långvarig värmelagring och lågtrycksinducerad värmeenergifrisättning i denna uppställning, Nakamura et al. beräknade Gibbs fria energi i systemet. För detta, de använde en termodynamisk modell baserad på Slichter och Drickamer (SD-modell). Under fasövergången, forskarna kunde upprätthålla λ-fasen under en längre tid eftersom energibarriären mellan de två faserna förhindrade den omedelbara överföringen av λ-fasen till β-fasen. Den resulterande Sc 0,9 Ti 2,91 O 5 förberedda i arbetet visade god stabilitet och kunde bibehållas perfekt i cirka åtta månader till ett år från XRD-mätningen.
Tillämpning av Sc-substituerad λ-Ti3O5 för kraftverk. Schematisk illustration av ett värmeenergiåtervinningssystem som använder Sc-substituerad λ-Ti3O5 värmelagrande keramik. Kylvatten till en turbin i ett kraftverk pumpas från en flod eller ett hav. Vattnet blir varmt efter värmeväxling genom turbinen. Denna varmvattenenergi lagras i tankar som innehåller Sc-substituerad λ-Ti3O5 värmelagrande keramik. Vatten med reducerad värmeenergi återgår till floden eller havet, lindra höjningen av havstemperaturen. Energilagrad Sc-substituerad λ-Ti3O5 värmelagrande keramik kan leverera värmeenergi till byggnader eller industrianläggningar genom att applicera tryck. Vidare, den energilagrade keramiken kan transporteras till avlägsna platser med en lastbil. Kreditera: Vetenskapens framsteg , doi:10.1126/sciadv.aaz5264 
Forskarna undersökte värmelagringssystemet med Sc-substituerad λ-Ti 3 O 5 i en praktisk miljö genom att pumpa kylvatten till en turbin i ett kraftverk från en flod eller hav. När vattnet passerade genom turbinen, dess temperatur ökade på grund av värmeväxling, överföring av varmvattenenergin till Sc-substituerad λ-Ti 3 O 5 material som används i tankarna. Under tiden, vatten med reducerad termisk energi återförs till floden eller havet. Energi lagrad i den Sc-substituerade λ-Ti 3 O 5 skulle kunna frigöras i form av termisk energi genom att trycka på energianvändning vid behov. Nakamura et al. föreställa sig att leverera den lagrade värmeenergin till byggnader eller industrianläggningar som ligger nära kraftverk utan att använda el.
På det här sättet, Yoshitaka Nakamura och kollegor demonstrerade värmelagringskeramik baserad på Sc-substituerad λ-Ti 3 O 5, som absorberade värme från vatten. Baserat på första principberäkningar, de syntetiserade Sc-substituerad λ-Ti 3 O 5 keramik med en värmeabsorption under 100 grader C. Värmeabsorptionsmaterialet återvann termisk energi från kylvatten i kraftverksturbiner och kunde enkelt kontrolleras genom att ändra Sc-halten i Ti 3 O 5 i förhållande till intresseanmälan. Förutom sina funktioner i elkraftverk, forskarna föreslår att materialen används för värmelagringsfunktioner genom att samla spillvärme från vanliga enheter som mobiltelefoner, transportfordon, från fabriker och elektroniska apparater.
© 2020 Science X Network
