Langtidsvarmelagrende keramik absorberer termisk energi fra varmt vand

Første-princippets beregninger af dannelsesenergier. (A) Periodisk system farvet af de samlede elektroniske energier af λ-Ti3O5 med en elementær substitution. Blå grundstoffer er dem, hvor substitueret λ-Ti3O5 viser en lavere dannelsesenergi end ren λ-Ti3O5. Orange grundstoffer er dem, hvor substitueret λ-Ti3O5 viser en højere dannelsesenergi. (B) Beregnet samlet elektronisk energi for λ-AxTi3 − xO5 (A, trivalente grundstoffer) og (C) λ-BxTi3-xO5 (B, tetravalente elementer) i rækkefølge efter atomnummer. Et af tre Ti-steder i λ-Ti3O5 erstattes af et farvet element til beregningerne af de første principper. Element A i λ-AxTi3−xO5 erstatter Ti1-stedet. Element B i λ-BxTi3-xO5 erstatter Ti2-stedet. Blå og orange firkanter repræsenterer, at elementært substitueret λ-Ti3O5 viser en lavere formation og en højere formationsenergi, henholdsvis. Sort firkant angiver ren λ-Ti3O5. Kredit: Videnskabens fremskridt , doi:10.1126/sciadv.aaz5264

Cirka 70 procent af den termiske energi, der genereres i termiske og atomkraftværker, går tabt som spildvarme, med en temperatur under vands kogepunkt. I en nylig rapport vedr Videnskabens fremskridt , Yoshitaka Nakamura og et forskerhold i kemi, materialer, og teknologi i Japan udviklede et langsigtet varmelagringsmateriale til at absorbere varmeenergi ved varme temperaturer fra 38 grader C (311 K) til 67 grader C (340 K). De komponerede den unikke serie af materialer ved hjælp af scandium-substitueret lambda-trititanium-pentoxid (λ-Sc _x Ti _3-x O ₅ ). Konstruktionen akkumulerede varmeenergi fra varmt vand og frigav den akkumulerede varmeenergi ved påføring af tryk. Det nye materiale har potentiale til at akkumulere varmeenergien fra varmt vand, der genereres i atom- og termiske kraftværker, genbrug derefter den lagrede varmeenergi efter behov baseret på eksterne tryk. Materialet kan også bruges til genbrug af spildvarme på industrielle fabrikker og biler.

Første principper beregninger af formationsenergi og bestemmelse af krystalstrukturen

Holdet brugte det metalsubstituerede lambda-trititanium-pentoxid (λ-M _x Ti ₃ O ₅ ) under forsøgene for at realisere varmelagermaterialer, der kan absorbere lavtemperatur spildvarme og udvise foto- og trykinducerede faseovergange. Forskere havde tidligere rapporteret om flere typer metalsubstitueret λ-Ti ₃ O _5. I dette arbejde, Nakamura et al. undersøgte 54 grundstoffer som metalkationer egnet til metalsubstitution af Ti-ionen i λ-Ti ₃ O ₅ . Af disse, kun seks havde en stabiliserende effekt, herunder scandium, niobium, tantal, zirkonium, hafnium og wolfram. Holdet rapporterede derefter syntesen af krystalstrukturen og varmelagringsegenskaberne for den Sc-substituerede λ-Ti ₃ O ₅ i λ-fasen.

Syntese, krystal struktur, og morfologi af λ-Sc0.09Ti2.91O5. (A) λ-Sc0.09Ti2.91O5 prøvesyntese. Pelletiseret blandingspulver af Sc2O3, TiO2, og Ti-metal med en diameter på 8 mm er forberedt, smeltet, og afkøles hurtigt i en buesmelteproces. Efter smeltningsprocessen, den størknede (som forberedt) prøve formales i hånden. Billedkredit:Yoshitaka Nakamura, Panasonic Corporation. (B) Synkrotron røntgendiffraktion (SXRD) mønster af den som fremstillede Sc0.09Ti2.91O5 prøve opsamlet ved stuetemperatur med λ =0,420111 Å. Øvre blå og nedre orange søjler repræsenterer de beregnede positioner for Bragg-reflektionerne af λ-Sc0.09Ti2.91O5 og β-Sc0.09Ti2.91O5. (C) Scanning elektronmikroskopi (SEM) billede af den pulveriserede prøve viser en kornstørrelse under 100 μm. Partikler fra den pulveriserede prøve skæres i skiver af en fokuseret ionstråle. STEM-billede viser stribelignende domæner med en størrelse på ca. 100 nm × 200 nm. Skala søjler viser 100 μm i SEM-billedet og 100 nm i STEM-billedet. Kredit: Videnskabens fremskridt , doi:10.1126/sciadv.aaz5264

For at syntetisere den Sc-substituerede forbindelse, Nakamura et al. brugt en buesmelteteknik i en argonatmosfære. Under processen, de blandede forstadier til Sc ₂ O ₃ , TiO ₂ og Ti-pulvere til fremstilling af en 8 mm pellet af blandingen formet til en sfærisk kugle. Derefter ved hjælp af røntgenfluorescens (XRF) målinger bestemte de formlen for prøven (Sc _0,9 Ti _2,91 O ₅ ) og udførte synkrotron røntgendiffraktion (SXRD) for at bestemme krystalstrukturen. Resultaterne svarede til krystalstrukturen af λ-Ti ₃ O ₅ med 0,4 procent ekspansion efter metalsubstitution. Ved hjælp af scanning transmission elektronmikroskopi (STEM) billeder opnåede teamet stribelignende domæner i forbindelsen.

Trykinduceret faseovergang og varmelagringsproces. (A) SXRD -mønstre af Sc0.09Ti2.91O5 målt ved stuetemperatur og omgivende tryk efter kompression mellem 0,2 og 1,7 GPa med en hydraulisk presse (λ =0,420111 Å). Når trykket stiger, λ-(20-3) og λ-(203) toppene (blå) falder og β-(20-3) toppen (orange) stiger, hvilket indikerer en trykinduceret faseovergang. a.u., vilkårlige enheder. (B) Trykafhængighed af fasefraktionerne af Sc0.09Ti2.91O5 beregnet ud fra SXRD-mønstrene i (A). Overgangstryk (faseovergangstryk) forekommer ved 670 MPa. (C) SXRD-mønstre af Sc0.09Ti2.91O5 målt mellem 27°C (300 K) og 300°C (573 K; λ =0,999255 Å). Toerne λ og β er konstante indtil 50 ° C (323 K; orange), og derefter falder β -fasen, og λ -fasen stiger ved 75 ° C (348 K; blå). λ-fasen omdannes til α-fasen over 175°C (448 K; sort), men genoprettes ved afkøling. (D) DSC -diagram over Sc0.09Ti2.91O5 viser en endoterm reaktion ved 67 ° C (340 K). Prøver komprimeres ved 1,7 GPa før SXRD- og DSC-diagrammålingerne med variabel temperatur. Kredit: Videnskabens fremskridt , doi:10.1126/sciadv.aaz5264

Trykinducerede faseovergange, varmelagrende egenskaber, og langsigtede varmelagringsmekanismer

Holdet målte derefter den trykinducerede faseovergang ved hjælp af SXRD (synkrotron røntgendiffraktion) efter at have komprimeret prøverne med en hydraulisk presse. Når trykket steg, λ-fase-fraktionen af prøven faldt, og β-fasefraktionen steg i en reversibel proces. De målte prøvens varmeabsorptionsmasse efter den trykinducerede faseovergang (λ- til β-fase) ved hjælp af differentiel scanningskalorimetri (DSC). De noterede materialets varmeabsorption med en absorptionstop ved 67 grader C og observerede gentagne tryk- og varmeinducerede faseovergange. Under faseovergange fra β-fasen til λ-fasen, varmelagringstemperaturen er bemærkelsesværdigt reduceret fra en tidligere registreret værdi på 197 grader C til 67 grader C i nærværende værk.

Mekanisme for langvarig varmelagring og trykinduceret faseovergang. (A) Gibbs fri energi (Gsys) versus λ fase fraktion (x) kurver fra 420 til 200 K med et 20 K interval, beregnet efter SD-modellen. Blå kugler angiver den termiske population af λ-fasen. (B) Temperaturafhængighed af de beregnede λ-fase (blå) og β-fase (rød) fraktioner. (C) Gsys versus x under omgivende tryk på 0,1, 400, og 700 MPa ved 300 K. Kredit: Videnskabens fremskridt , doi:10.1126/sciadv.aaz5264

Tidligere rapporter om λ-Ti ₃ O ₅ også krediteret den reversible faseovergang mellem λ-fasen og β-fasen ved tryk og varme til energibarrieren mellem de to faser, som stammer fra den elastiske interaktion i materialet. For at forstå mekanismerne til langsigtet varmelagring og lavtryksinduceret varmeenergifrigivelse i denne opsætning, Nakamura et al. beregnet Gibbs gratis energi i systemet. For det, de brugte en termodynamisk model baseret på Slichter og Drickamer (SD-modellen). Under faseovergangsprocessen, forskerne kunne opretholde λ-fasen i længere tid, da energibarrieren mellem de to faser forhindrede den umiddelbare overførsel af λ-fasen til β-fasen. Den resulterende Sc _0,9 Ti _2,91 O ₅ forberedt i arbejdet viste god stabilitet og kunne opretholdes perfekt i cirka otte måneder til et år fra XRD -målingen.

Anvendelse af Sc-substitueret λ-Ti3O5 til kraftværker. Skematisk illustration af et varmeenergigenanvendelsessystem, der anvender Sc-substitueret λ-Ti3O5 varmelagre keramik. Kølevand til en turbine i et kraftværk pumpes fra en flod eller et hav. Vand bliver varmt efter varmeveksling gennem turbinen. Denne varmtvandsenergi lagres i tanke indeholdende Sc-substitueret λ-Ti3O5 varmelagrende keramik. Vand med reduceret varmeenergi vender tilbage til floden eller havet, afbøde stigningen i havtemperaturen. Energilagret Sc-substitueret λ-Ti3O5 varmelagrende keramik kan levere varmeenergi til bygninger eller industrianlæg ved at påføre tryk. Desuden, den energilagrede keramik kan transporteres til fjerne steder med en lastbil. Kredit: Videnskabens fremskridt , doi:10.1126/sciadv.aaz5264

Bevis på koncept

Forskerne undersøgte varmelagringssystemet med Sc-substitueret λ-Ti ₃ O ₅ i praktiske rammer ved at pumpe kølevand til en turbine i et kraftværk fra en flod eller hav. Da vandet passerede gennem turbinen, dens temperatur steg på grund af varmeudveksling, overføre energien af varmt vand til Sc-substitueret λ-Ti ₃ O ₅ materialer, der bruges i tankene. I mellemtiden vand med reduceret termisk energi returneres til floden eller havet. Energi lagret i den Sc-substituerede λ-Ti ₃ O ₅ kunne frigives i form af termisk energi ved at lægge pres på energiforbrug efter behov. Nakamura et al. forestille sig at levere den lagrede termiske energi til bygnings- eller industrianlæg, der ligger tæt på kraftværker, uden at bruge elektricitet.

På denne måde Yoshitaka Nakamura og kolleger demonstrerede varmelagringskeramik baseret på Sc-substitueret λ-Ti ₃ O _5, som optog varme fra vand. Baseret på de første princips beregninger, de syntetiserede Sc-substitueret λ-Ti ₃ O ₅ keramik med en varmeabsorption under 100 grader C. Det varmeabsorberende materiale genvundne termisk energi fra kølevand i kraftværksturbiner og kunne nemt styres ved at ændre Sc-indholdet i Ti ₃ O ₅ i forhold til anvendelsen af renter. Ud over dets funktioner i elektriske kraftværker, forskerne foreslår at bruge materialerne til varmelagringsfunktioner ved at indsamle spildvarme fra almindelige enheder såsom mobiltelefoner, transportkøretøjer, fra fabrikker og elektronisk udstyr.

Sidste artikelNyt solcellemateriale kunne rense drikkevandet

Næste artikelProducerer egerhjul automatisk og fleksibelt af kompositmaterialer