West Virginia forskere bruger neutroner til at studere materialer til forbedringer af kraftværker

Finder nyt, mere effektive måder at producere strøm på er en kritisk mission for Department of Energy (DOE), og udvikling af mere avancerede materialer er ofte nøglen til at opnå succes.

Forskere fra West Virginia University (WVU) bruger neutronspredning ved DOE's Oak Ridge National Laboratory (ORNL) til at studere nye materialer kaldet højentropioxider, eller HEO'er. Deres mål er at indsamle indsigt i, hvordan atomerne i HEO'erne binder sammen, og om materialerne kan bruges til at udvikle nyttige applikationer til at forbedre driften af ​​kraftværker.

Effektivitet påvirker de samlede omkostninger til brændstof og anlæggets miljøydelse. I øjeblikket, de udvikler HEO'er til flere applikationer, herunder en høj temperatur gassensor, der vil blive brugt til at detektere kulilte i røggassen fra et kulfyret kraftværk for at give operatører mulighed for at overvåge anlæggets effektivitet. En lignende sensor testes på Longview Power -værket i Maidsville, WV, nær WVU hovedcampus.

"HEO'er er materialer, der består af fire eller flere metaloxider blandet sammen i et bestemt forhold eller forhold for at danne en homogen struktur, "sagde WVU -materialeforsker Wei Li, der ledede fempersoners team i at gennemføre ORNL-neutronspredningsforsøgene. "Vi bruger neutroner til at se, om materialerne blandes jævnt i en enkelt oxidfase, eller om de adskilles i flere faser, i så fald skulle vi justere forholdet mellem materialets elementer, såvel som fremstillingsbetingelserne, for at sikre, at materialerne formes homogent, som vi ønsker dem."

Forskning i HEO'er stiger på grund af deres avancerede egenskaber såsom høj modstandsdygtighed over for varme og korrosion, såvel som deres multifunktionalitet, eller potentiale for dielektrisk, elektrokemisk, og katalytiske applikationer. Ideen er jo flere metaloxider, der med succes kan blandes sammen, jo mere gavnlige egenskaber vil materialet have.

De fleste HEO'er syntetiseres ved opvarmning af blandinger af metaloxidpulvere ved høje temperaturer, derefter afkøling af det resulterende materiale til en enkelt fast fase. Imidlertid, siger Li, det er uklart, hvordan ensartede enfasede HEO'er dannes fra de uensartede, eller inhomogen, blandinger af råvarer.

Færre fodspor, bedre batterier

Teamet udfører en række neutronspredningsforsøg for at studere to typer HEO'er. Det første materiale er lavet af magnesium, kobolt, nikkel, kobber, og zinkoxider - atomisk arrangeret i en terningformet stensaltstruktur, som natriumchlorid. Det andet materiale holdet studerer er en perovskite, lavet af sjældne jordarters og overgangsmetaller (plus oxygen).

For at reducere CO2 -fodaftrykket, holdet har til hensigt at udvikle den første type HEO-materiale til en gassensor, der kan monteres højt inde i et kraftværks udstødningsstabel, hvor temperaturen ligger omkring 1, 800°F (ca. 980°C).

"Sensorerne vil blive placeret i svært tilgængelige områder med barske forhold. At opnå en enkelt fase er vigtigt for materialets stabilitet og dets følsomhed til at detektere kulilte, som vi ønsker at forhindre i at nå atmosfæren, "sagde Li.

Hvad mere er, den rå form af det materiale, der bruges til at fremstille gassensoren, kan også bruges til at fremstille komponenter til avancerede lithiumbatterier, bare ved at tilføje lithiumoxid til listen over råvarer ((MgCoNiCuZn) _{1- x} Li _x O _1-5 ).

Li siger, at de lithium-ion-batterier, der i øjeblikket anvendes i visse kraftværker til lagring af overskydende energi, bruger grafitbaserede elektroder, som giver god stabilitet, men har begrænset lagerkapacitet. Li arbejder på at opgradere til mere robuste lithium-batterier, men at finde elektroder med høj kapacitet med stabilitet, der kan sammenlignes med grafit, udgør en udfordring. Med det i tankerne, teamet sigter mod at bruge et metal med høj entropi til at udvikle en forbedret elektrode til et lithium-ion-batteri, der tilbyder høje litiumledningsegenskaber samt enestående stabilitet til langsigtede opladnings- og afladningscyklusser.

Perovskites potentiale

Med perovskitten, holdet ønsker at designe en katalysator, der skal bruges i udviklingen af ​​en brændselscelle, der kan være et alternativt middel til at generere store mængder elektricitet. Forskerne siger, at 1 til 2 megawatt brændselsceller i sidste ende kan blive indsat til at drive industrielle faciliteter eller endda små samfund.

"Normalt, vi brænder ting for at skabe elektricitet. Det betyder, at vi har brug for ilt og brændstof - eller brint, "sagde kollega WVU forskningsassistent professor Wenyuan Li." Dog, brændselsceller genererer elektricitet gennem en elektrokemisk proces, der omdanner den kemiske energi fra hydrogen og ilt til elektroner ved hjælp af en katalysator. Derfor udvikler vi perovskitten til effektive hydrogenoxidations- og iltreduktionsreaktioner. "

Behovet for neutroner

Neutroner er et ideelt værktøj for forskerholdet på grund af partiklernes dybe materialegennemtrængende egenskaber og deres akutte følsomhed over for lette elementer som lithium. Ligeledes, VULCAN-diffraktometeret ved SNS er et ideelt instrument til at studere de tre applikationer, som WVU-teamet undersøger. VULCAN har store detektorer og høje penetreringsevner, der er perfekte til at studere voluminøse prøver i industriel størrelse - såsom motorblokke - under en række simulerede driftsforhold såsom ekstreme tryk og temperaturer.

Ved hjælp af VULCAN, forskerne var i stand til i realtid at spore bevægelsen af ​​individuelle elementer eller atomer i materialerne, få indsigt i, hvordan HEO'erne dannes under fremstillingen for at lære, om de dannede en eller flere faser under og efter opvarmnings- og kølebehandlingerne.

"VULCAN er et meget afbalanceret og kraftfuldt værktøj. Nogle af de in situ -målinger, vi foretager, tager mellem 12 og 20 timers opvarmning og afkøling, og vi er i stand til at overvåge, hvordan strukturerne ændrer sig hvert minut til 30 sekunder, " sagde Wenyuan Li. "Vi var i stand til at analysere en masse materialer på relativt kort tid."

WVU-forskerne var førstegangsbrugere af neutronspredning. Indsamlede data vil yderligere hjælpe dem med at finjustere elementforholdene i deres materialer og foretage minutiøse justeringer af deres fremstillingsmetoder for at sikre materialer med den højeste kvalitet og effektivitet i sidste ende.