p Encontrando novos, maneiras mais eficientes de produzir energia é uma missão crítica para o Departamento de Energia (DOE), e o desenvolvimento de materiais mais avançados costuma ser a chave para o sucesso. p Pesquisadores da West Virginia University (WVU) estão usando espalhamento de nêutrons no Oak Ridge National Laboratory (ORNL) do DOE para estudar novos materiais chamados óxidos de alta entropia, ou HEOs. Seu objetivo é coletar insights sobre como os átomos nos HEOs se unem e se os materiais podem ser usados ​​para desenvolver aplicações úteis para melhorar as operações da usina.

p A eficiência afeta os custos gerais de combustível e desempenho ambiental da planta. Atualmente, eles estão desenvolvendo HEOs para várias aplicações, incluindo um sensor de gás de alta temperatura que será usado para detectar monóxido de carbono no gás de combustão de uma usina a carvão para permitir que os operadores monitorem a eficiência da usina. Um sensor semelhante está sendo testado na usina Longview Power em Maidsville, WV, perto do campus principal da WVU.

p "HEOs são materiais que consistem em quatro ou mais óxidos de metal misturados em uma certa proporção ou proporção para formar uma estrutura homogênea, "disse o cientista de materiais WVU Wei Li, que liderou a equipe de cinco pessoas na condução dos experimentos de espalhamento de nêutrons ORNL. "Estamos usando nêutrons para ver se os materiais se misturam uniformemente em uma única fase de óxido ou se eles se separam em várias fases, nesse caso, precisaríamos ajustar as proporções dos elementos do material, bem como as condições de fabricação, para garantir que os materiais se formem de forma homogênea da maneira que queremos. "

p A pesquisa em HEOs está aumentando por causa de suas propriedades avançadas, como alta resistência ao calor e corrosão, bem como sua multifuncionalidade, ou potencial para dielétrico, eletroquímico, e aplicações catalíticas. A ideia é quanto mais óxidos de metal podem ser misturados com sucesso, mais propriedades benéficas o material terá.

p A maioria dos HEOs é sintetizada pelo aquecimento de misturas de pós de óxido metálico em altas temperaturas, em seguida, resfriar o material resultante em uma única fase sólida. Contudo, disse Li, não está claro como os HEOs monofásicos uniformes se formam a partir do não uniforme, ou não homogêneo, misturas de matérias-primas.

p Menos pegadas, melhores baterias

p A equipe está realizando uma série de experimentos de espalhamento de nêutrons para estudar dois tipos de HEOs. O primeiro material é feito de magnésio, cobalto, níquel, cobre, e óxidos de zinco - atomicamente dispostos em uma estrutura de sal-gema em forma de cubo, como o cloreto de sódio. O segundo material que a equipe está estudando é um perovskita, feito de terras raras e metais de transição (mais oxigênio).

p Para reduzir a pegada de carbono, a equipe pretende desenvolver o primeiro tipo de material HEO em um sensor de gás que pode ser montado no alto da chaminé de exaustão de uma usina, onde as temperaturas variam em torno de 1, 800 ° F (cerca de 980 ° C).

p "Os sensores serão colocados em áreas de difícil acesso com condições adversas. Alcançar uma única fase é importante para a estabilidade do material e sua sensibilidade para detectar o monóxido de carbono que queremos evitar de atingir a atmosfera, "disse Li.

p O que mais, a forma bruta do material usado para fazer o sensor de gás também pode ser usada para fazer componentes para baterias de lítio avançadas, apenas adicionando óxido de lítio à lista de ingredientes crus ((MgCoNiCuZn) _{1- x} Li _x O _1-δ )

p Li diz que as baterias de íon-lítio atualmente empregadas em certas usinas para armazenar o excesso de energia usam eletrodos à base de grafite, que oferecem boa estabilidade, mas têm capacidade de armazenamento limitada. Li está trabalhando para atualizar para baterias de lítio mais robustas, mas encontrar eletrodos de alta capacidade com estabilidade comparável à do grafite representa um desafio. Com aquilo em mente, a equipe pretende usar um óxido de metal de alta entropia para desenvolver um eletrodo aprimorado para uma bateria de íon-lítio que oferece propriedades de alta condução de lítio, bem como estabilidade excepcional para ciclos de carga e descarga de longo prazo.

p Potencial da perovskita

p Com a perovskita, a equipe quer projetar um catalisador para ser usado no desenvolvimento de uma célula de combustível que pode fornecer um meio alternativo de gerar grandes quantidades de eletricidade. Os pesquisadores afirmam que células de combustível de 1 a 2 megawatts podem eventualmente ser implantadas para alimentar instalações de tamanho industrial ou mesmo pequenas comunidades.

p "Normalmente, queimamos coisas para criar eletricidade. Isso significa que precisamos de oxigênio e combustível - ou hidrogênio, "disse o professor assistente de pesquisa WVU Wenyuan Li." No entanto, as células de combustível geram eletricidade por meio de um processo eletroquímico que converte a energia química do hidrogênio e do oxigênio em elétrons usando um catalisador. É por isso que estamos desenvolvendo a perovskita para reações eficientes de oxidação de hidrogênio e redução de oxigênio. "

p A necessidade de nêutrons

p Os nêutrons são uma ferramenta ideal para a equipe de pesquisa por causa das propriedades de penetração profunda das partículas e de sua sensibilidade aguda a elementos leves, como o lítio. Da mesma forma, o difratômetro VULCAN no SNS é um instrumento ideal para estudar as três aplicações que a equipe WVU está investigando. O VULCAN possui detectores de grande área e alta capacidade de penetração, perfeitos para estudar amostras volumosas de tamanho industrial - como blocos de motor - sob uma variedade de condições operacionais simuladas, como pressões e temperaturas extremas.

p Usando VULCAN, os pesquisadores foram capazes de rastrear em tempo real o movimento de elementos individuais ou átomos nos materiais, obter insights sobre como os HEOs se formam durante a fabricação para saber se eles formaram uma ou várias fases durante e após os tratamentos de aquecimento e resfriamento.

p "O VULCAN é uma ferramenta muito balanceada e poderosa. Algumas das medições in situ que estamos fazendo levam entre 12 e 20 horas de aquecimento e resfriamento, e somos capazes de monitorar como as estruturas mudam a cada minuto a 30 segundos, "disse Wenyuan Li." Fomos capazes de analisar muitos materiais em um tempo relativamente curto. "

p Os pesquisadores da WVU foram os primeiros usuários do espalhamento de nêutrons. Os dados coletados irão ajudá-los ainda mais no ajuste fino das proporções elementares em seus materiais e fazer ajustes minuciosos em seus métodos de fabricação para garantir materiais com a mais alta qualidade e eficiência no final.