Cerâmica de armazenamento de calor de longo prazo que absorve energia térmica da água quente
p Cálculos de primeiros princípios de energias de formação. (A) Tabela periódica colorida pelas energias eletrônicas totais de λ-Ti3O5 com uma substituição elementar. Os elementos azuis são aqueles em que λ-Ti3O5 substituído mostra uma energia de formação inferior do que o λ-Ti3O5 puro. Os elementos laranja são aqueles em que λ-Ti3O5 substituído mostra uma energia de formação mais alta. (B) Energias eletrônicas totais calculadas de λ-AxTi3 − xO5 (A, elementos trivalentes) e (C) λ-BxTi3-xO5 (B, elementos tetravalentes) em ordem de número atômico. Um dos três sites Ti em λ-Ti3O5 é substituído por um elemento colorido para os cálculos dos primeiros princípios. O elemento A em λ-AxTi3 − xO5 substitui no local Ti1. O elemento B em λ-BxTi3-xO5 substitui no local Ti2. Os quadrados azuis e laranja representam que λ-Ti3O5 substituído elementar mostra uma formação inferior e uma energia de formação superior, respectivamente. O quadrado preto denota λ-Ti3O5 puro. Crédito: Avanços da Ciência , doi:10.1126 / sciadv.aaz5264
p Aproximadamente setenta por cento da energia térmica gerada em usinas térmicas e nucleares é perdida como calor residual, com uma temperatura abaixo do ponto de ebulição da água. Em um relatório recente sobre
Avanços da Ciência , Yoshitaka Nakamura e uma equipe de pesquisa em química, materiais, e a tecnologia no Japão desenvolveu um material de armazenamento de calor de longo prazo para absorver a energia térmica em temperaturas variando de 38 graus C (311 K) a 67 graus C (340 K). Eles compuseram a série única de materiais usando lambda-trititânio-pentóxido de escândio substituído (λ-Sc
x Ti
3 − x O
5 ) O construto acumulou energia térmica da água quente e liberou a energia térmica acumulada com a aplicação de pressão. O novo material tem potencial para acumular a energia térmica da água quente gerada em usinas nucleares e térmicas, em seguida, recicle a energia térmica armazenada conforme a demanda, com base nas pressões externas. O material também é aplicável para reciclar calor residual em fábricas industriais e automóveis. p
Cálculos de primeiros princípios de energia de formação e determinação da estrutura cristalina
p A equipe usou lambda-trititânio-pentóxido de metal substituído (λ-M
x Ti
3 O
5 ) durante os experimentos para realizar materiais de armazenamento de calor que podem absorver o calor residual de baixa temperatura e exibir transições de fase induzidas por foto e pressão. Os cientistas haviam relatado anteriormente vários tipos de λ-Ti substituídos por metal
3 O
5 Nesse trabalho, Nakamura et al. pesquisou 54 elementos como cátions metálicos adequados para a substituição metálica do íon Ti em λ-Ti
3 O
5 . Destes, apenas seis tiveram um efeito estabilizador, incluindo escândio, nióbio, tântalo, zircônio, háfnio e tungstênio. A equipe então relatou a síntese da estrutura cristalina e propriedades de armazenamento de calor do λ-Ti substituído com Sc
3 O
5 na fase λ.
p Síntese, estrutura de cristal, e morfologia de λ-Sc0.09Ti2.91O5. (A) Síntese de amostra de λ-Sc0.09Ti2.91O5. Pó de mistura peletizada de Sc2O3, TiO2, e o metal Ti com um diâmetro de 8 mm é preparado, derretido, e rapidamente resfriado em um processo de fusão a arco. Após o processo de fusão, a amostra solidificada (conforme preparada) é moída manualmente. Crédito da foto:Yoshitaka Nakamura, Panasonic Corporation. (B) Padrão de difração de raios-x síncrotron (SXRD) da amostra como preparada Sc0.09Ti2.91O5 coletada à temperatura ambiente com λ =0,420111 Å. Barras superiores azuis e inferiores laranja representam as posições calculadas das reflexões de Bragg de λ-Sc0.09Ti2.91O5 e β-Sc0.09Ti2.91O5. (C) A imagem de microscopia eletrônica de varredura (SEM) da amostra em pó mostra um tamanho de grão abaixo de 100 μm. A partícula da amostra em pó é cortada por um feixe de íons focalizado. A imagem STEM mostra domínios semelhantes a faixas com um tamanho de cerca de 100 nm × 200 nm. As barras de escala mostram 100 μm na imagem SEM e 100 nm na imagem STEM. Crédito: Avanços da Ciência , doi:10.1126 / sciadv.aaz5264
p Para sintetizar o composto substituído por Sc, Nakamura et al. usou uma técnica de derretimento de arco em uma atmosfera de argônio. Durante o processo, eles misturaram precursores de Sc
2 O
3 , TiO
2 e pós de Ti para preparar um grânulo de 8 mm da mistura moldado em uma bola esférica. Em seguida, usando medições de fluorescência de raios-X (XRF), eles determinaram a fórmula da amostra (Sc
0.9 Ti
2,91 O
5 ) e realizou difração de raios-X síncrotron (SXRD) para determinar a estrutura cristalina. Os resultados corresponderam à estrutura cristalina de λ-Ti
3 O
5 com 0,4 por cento de expansão após a substituição do metal. Usando imagens de microscopia eletrônica de transmissão de varredura (STEM), a equipe obteve domínios semelhantes a faixas no composto.
p
p Transição de fase induzida por pressão e processo de armazenamento de calor. (A) Padrões SXRD de Sc0.09Ti2.91O5 medidos à temperatura ambiente e pressão ambiente após compressão entre 0,2 e 1,7 GPa com uma prensa hidráulica (λ =0,420111 Å). Conforme a pressão aumenta, os picos λ- (20-3) e λ- (203) (azul) diminuem e o pico β- (20-3) (laranja) aumenta, indicando uma transição de fase induzida por pressão. a.u., unidades arbitrárias. (B) Dependência da pressão das frações de fase de Sc0.09Ti2.91O5 calculada a partir dos padrões SXRD em (A). A pressão de cruzamento (pressão de transição de fase) ocorre a 670 MPa. (C) padrões de SXRD de Sc0.09Ti2.91O5 medidos entre 27 ° C (300 K) e 300 ° C (573 K; λ =0,999255 Å). Os picos λ e β são constantes até 50 ° C (323 K; laranja), e então a fase β diminui e a fase λ aumenta a 75 ° C (348 K; azul). A fase λ se transforma na fase α acima de 175 ° C (448 K; preto), mas é restaurada após o resfriamento. (D) O gráfico DSC de Sc0.09Ti2.91O5 mostra uma reação endotérmica a 67 ° C (340 K). As amostras são comprimidas a 1,7 GPa antes das medições do gráfico SXRD e DSC de temperatura variável. Crédito: Avanços da Ciência , doi:10.1126 / sciadv.aaz5264
Transições de fase induzidas por pressão, propriedades de armazenamento de calor, e mecanismos de armazenamento de calor de longo prazo
p Em seguida, a equipe mediu a transição de fase induzida por pressão usando SXRD (difração de raios-X síncrotron) após compactar as amostras com uma prensa hidráulica. Quando a pressão aumentou, a fração de fase λ da amostra diminuiu, e a fração da fase β aumentou em um processo reversível. Eles mediram a massa de absorção de calor da amostra após a transição de fase induzida por pressão (fase λ para β) usando calorimetria de varredura diferencial (DSC). Eles notaram a absorção de calor do material com um pico de absorção a 67 graus C e observaram repetidas transições de fase induzidas por pressão e calor. Durante as transições de fase da fase β para a fase λ, a temperatura de armazenamento de calor reduziu notavelmente de um valor previamente registrado de 197 graus C para 67 graus C no presente trabalho.
p Mecanismo de armazenamento de calor de longo prazo e transição de fase induzida por pressão. (A) Curvas de energia livre de Gibbs (Gsys) versus fração de fase λ (x) de 420 a 200 K com um intervalo de 20 K, calculado pelo modelo SD. As esferas azuis indicam a população térmica da fase λ. (B) Dependência da temperatura das frações de fase λ (azul) e fase β (vermelho) calculadas. (C) Gsys versus x sob pressões ambientais de 0,1, 400, e 700 MPa a 300 K. Crédito: Avanços da Ciência , doi:10.1126 / sciadv.aaz5264
p Relatórios anteriores sobre λ-Ti
3 O
5 também creditou a transição de fase reversível entre a fase λ e a fase β por pressão e calor à barreira de energia entre as duas fases, que se origina da interação elástica dentro do material. Para entender os mecanismos de armazenamento de calor de longo prazo e liberação de energia térmica induzida por baixa pressão nesta configuração, Nakamura et al. calculou a energia livre de Gibbs do sistema. Por esta, eles usaram um modelo termodinâmico baseado no Slichter e Drickamer (modelo SD). Durante o processo de transição de fase, os cientistas poderiam manter a fase λ por um tempo prolongado, uma vez que a barreira de energia entre as duas fases impedia a transferência imediata da fase λ para a fase β. O Sc resultante
0.9 Ti
2,91 O
5 preparado no trabalho mostrou boa estabilidade e pode ser mantido perfeitamente por cerca de oito meses a um ano a partir da medição de XRD.
p
p Aplicação de λ-Ti3O5 substituído com Sc para usinas de energia. Ilustração esquemática de um sistema de reciclagem de energia térmica usando cerâmica de armazenamento de calor λ-Ti3O5 substituída com Sc. A água de resfriamento de uma turbina em uma usina de energia é bombeada de um rio ou mar. A água fica quente após a troca de calor pela turbina. Essa energia de água quente é armazenada em tanques contendo cerâmica de armazenamento de calor λ-Ti3O5 substituída com Sc. Água com uma energia térmica reduzida retorna ao rio ou ao mar, mitigando o aumento da temperatura do mar. As cerâmicas de armazenamento de calor λ-Ti3O5 substituídas por Sc e armazenadas em energia podem fornecer energia térmica a edifícios ou instalações industriais aplicando pressão. Além disso, a cerâmica armazenada em energia pode ser transportada para locais distantes por um caminhão. Crédito: Avanços da Ciência , doi:10.1126 / sciadv.aaz5264
Prova de conceito
p Os cientistas investigaram o sistema de armazenamento de calor com λ-Ti substituído por Sc
3 O
5 em um ambiente prático, bombeando água de resfriamento para uma turbina em uma usina de um rio ou mar. Conforme a água passava pela turbina, sua temperatura aumentou devido à troca de calor, transferir a energia da água quente para λ-Ti substituído com Sc
3 O
5 materiais usados nos tanques. Enquanto isso, água com reduzida energia térmica devolvida ao rio ou ao mar. Energia armazenada no λ-Ti substituído com Sc
3 O
5 poderia ser liberado na forma de energia térmica pela aplicação de pressão para uso de energia sob demanda. Nakamura et al. vislumbrar o fornecimento da energia térmica armazenada a instalações prediais ou industriais próximas a usinas, sem o uso de eletricidade.
p Desta maneira, Yoshitaka Nakamura e colegas demonstraram cerâmicas de armazenamento de calor com base em λ-Ti substituído por Sc
3 O
5, que absorveu o calor da água. Com base em cálculos de primeiros princípios, eles sintetizaram Sc-substituído λ-Ti
3 O
5 cerâmicas com uma absorção de calor abaixo de 100 graus C. O material de absorção de calor recuperou energia térmica da água de resfriamento em turbinas de usinas de energia e pode ser facilmente controlado alterando o conteúdo de Sc em Ti
3 O
5 relativa à aplicação de interesse. Além de suas funções em usinas elétricas, os cientistas propõem o uso de materiais para funções de armazenamento de calor por meio da coleta de calor residual de dispositivos regulares, como telefones celulares, veículos de transporte, de fábricas e dispositivos eletrônicos. p © 2020 Science X Network
