As propriedades termodinâmicas de compostos como óxido de alumínio, que são conhecidos como materiais refratários porque derretem a temperaturas acima de 2, 000 graus Celsius (3, 632 Fahrenheit), têm sido difíceis de estudar porque poucos vasos podem suportar o calor para contê-los, e aqueles que o fazem costumam reagir com o derretimento e contaminá-lo.

Agora, os pesquisadores do MIT estão apresentando um método eletroquímico sem recipiente para estudar as propriedades termodinâmicas desses hot melts em um artigo publicado no Journal of The Electrochemical Society .

“Temos uma nova técnica que demonstra que as regras da eletroquímica são seguidas para esses fundidos refratários, "diz o autor sênior Antoine Allanore, um professor associado de metalurgia. "Agora temos evidências de que esses derretimentos são muito estáveis ​​em altas temperaturas, eles têm alta condutividade. "

Adaptação de um forno de imagem térmica (ou imagem de arco) mais comumente usado para o crescimento de cristal de zona flutuante, O estudante de graduação do MIT, Brad Nakanishi, derreteu uma haste de alumina (óxido de alumínio) e contatou a gota líquida pendente que se formou com os eletrodos, criando uma célula eletroquímica que permitiu a decomposição do puro, eletrólito de alumina para gás oxigênio e liga de alumínio por eletrólise pela primeira vez. O próprio óxido de alumínio serve como eletrólito nesta célula eletroquímica, que opera de forma semelhante à eletrólise da água.

"As medições de tensão de decomposição nos dão acesso direto à propriedade termodinâmica quintessencial que é o potencial químico, também chamada de energia de Gibbs, "Nakanishi explica." Mostramos que fazemos medições eletroquímicas em uma nova classe de eletrólitos, os óxidos refratários derretidos. "

A mudança nesta energia de Gibbs, ou potencial químico, em relação à temperatura é conhecido como entropia. "Em altas temperaturas, a entropia é realmente importante e muito difícil de prever, portanto, ter capacidade de medir a entropia nesses sistemas é fundamental, "Nakanishi diz.

Uma gota suspensa

Usando esta técnica, quatro lâmpadas de xenônio refletidas se concentram na ponta da amostra, derreter uma gota de líquido, que é preso à haste pela tensão superficial e se solidifica rapidamente depois que as luzes são apagadas. Enquanto a gota é liquefeita, os eletrodos são elevados na gota para completar um circuito elétrico, com a própria alumina líquida funcionando como o eletrólito.

"Isso é algo que não vimos feito de outra forma, também, fazendo eletroquímica em uma gota suspensa acima de 2, 000 C, "Nakanishi diz.

A gota suspensa tem uma alta tensão superficial em relação à sua densidade.

"A concentração da energia da luz, Zona quente, e grandes gradientes térmicos presentes, nos permite, de uma forma muito controlada, criar uma situação para contato estável de gotículas e eletrodos, "Nakanishi diz." Parece um desafio, mas o método que refinamos é simples e rápido de operar na prática, obrigado, em parte, a uma câmera que permite a observação contínua da gota e dos eletrodos durante o experimento. "

Allanore afirma que a estabilidade do óxido de alumínio líquido e uma escolha inteligente dos materiais do eletrodo permitem a medição de níveis de energia bem definidos.

"O artigo mostra que agora podemos medir as propriedades termodinâmicas fundamentais de tal fusão, "Diz Allanore." No caso da alumina fundida, na verdade, pudemos estudar as propriedades do produto catódico. À medida que decompomos o óxido de alumínio, ao oxigênio de um lado [ânodo] e alumínio do outro lado [cátodo], então, o alumínio líquido interage com o eletrodo, que era irídio nesse caso, " ele diz.

O vídeo da célula operacional mostra bolhas de gás oxigênio se formando dentro da célula conforme a alumina se decompõe em alumínio no cátodo (o eletrodo carregado negativamente) e oxigênio puro no ânodo de irídio (o eletrodo carregado positivamente). O alumínio interage com o cátodo de irídio, o que é confirmado por fusão parcial e imagens pós-experimento da microestrutura mostrando um depósito de liga de alumínio-irídio.

"Agora podemos calcular a propriedade termodinâmica dessa liga, dessa interação, que é algo que nunca foi medido antes. Foi calculado e previsto. Nunca foi medido. Aqui neste artigo, confirmamos as previsões reais de computação usando nosso método, "Allanore diz.

Novos poderes preditivos

Para questões industriais importantes, como o quão quente um motor de turbina pode funcionar, engenheiros precisam de dados termodinâmicos sobre os estados sólido e líquido de ligas metálicas, em particular, a zona de transição na qual um sólido derrete. "Não somos tão bons no estado líquido, e em alta temperatura, também temos muitos problemas para medir a energia de Gibbs no estado líquido, "Nakanishi diz.

"Aqui estamos adicionando dados experimentais, "ele diz." Nós criamos um método que permite medir a energia livre de Gibbs de um líquido, então agora combinado com nossa habilidade de uma forma sólida, podemos começar informando coisas como essas temperaturas de transição entre outras questões termodinâmicas, que estão relacionados à estabilidade do material. "

O derretimento é iônico, contendo uma mistura de ânions de oxigênio carregados negativamente e átomos de oxigênio neutros, bem como cátions de alumínio carregados positivamente e átomos de alumínio neutros.

"O principal significado das descobertas da pesquisa de Bradley Nakanishi e Antoine Allanore é a capacidade de determinar parâmetros termodinâmicos [por exemplo, atividade termodinâmica] em temperaturas superiores a 1, 600 C das medições eletroquímicas para óxidos fundidos, bem como a aplicabilidade a um eletrólito mais amplo de um óxido fundido a um sal fundido, "diz o professor de engenharia mecânica Arturo Bronson da Universidade do Texas em El Paso, que não esteve envolvido nesta pesquisa. "Além disso, uma possível relação da pressão parcial de oxigênio com o duplamente carregado, O íon de oxigênio livre irá caracterizar seu efeito sobre os cátions e ânions associados dentro do óxido fundido para explicar o comportamento termodinâmico entre o metal líquido e o óxido líquido. "

"A qualidade da pesquisa é uma abordagem de classe mundial desenvolvida para estudos experimentais difíceis de reações de ultra-alta temperatura de metais líquidos e óxidos líquidos, especialmente com a inclusão de espectroscopia de impedância eletroquímica, "Bronson diz. No entanto, uma limitação do estudo é a incerteza das medições de temperatura dentro de uma faixa de mais ou menos 10 graus C. "A incerteza dos parâmetros medidos dependerá, em última análise, da precisão da temperatura medida [já em mais ou menos 10 kelvins], porque os parâmetros eletroquímicos [isto é, tensão e corrente] dependerá claramente da incerteza da temperatura, "Bronson explica.

Mais possibilidades de eletrólito

Allanore observa que a eletroquímica é uma das tecnologias de processamento mais seletivas, "mas até agora era muito desafiador estudar a eletroquímica com esses fundidos de alta temperatura."

A seleção de eletrólitos é a chave para projetar novos processos para a extração eletroquímica de metais reativos, e o novo trabalho demonstra que mais eletrólitos estão disponíveis para extrair metais. "Agora podemos estudar a solubilidade de minérios contendo óxidos de metal refratários nesses fundidos. Portanto, estamos basicamente adicionando pelo menos três ou quatro eletrólitos candidatos que poderiam ser usados ​​para extração de metal, em particular para o que chamamos de metais reativos, como alumínio, nióbio, titânio, ou as terras raras, "Allanore acrescenta. A pesquisa foi financiada pelo U.S. Office of Naval Research.

Trabalhos futuros se concentrarão na aplicação dessas técnicas eletroquímicas de alta temperatura para investigar o potencial de separação seletiva de óxidos de terras raras. Embora seja necessário apenas em quantidades relativamente pequenas, normalmente, os elementos individuais de terras raras são essenciais para aplicações de alta tecnologia, incluindo telefones celulares e veículos elétricos. Métodos bem estabelecidos para concentrar óxidos de terras raras de seu minério produzem uma mistura dos 14 óxidos de terras raras, Anotações de Allanore. "Se estivéssemos usando uma mistura de óxido de terras raras como nosso eletrólito, poderíamos separar seletivamente um metal de terras raras dos 13 outros, " ele diz.

Novo, materiais estáveis, como óxidos de terras raras, que podem suportar altas temperaturas, são necessários para usos tão variados como construir aviões mais rápidos e estender a vida útil de usinas nucleares. Mas um país, China, detém quase o monopólio sobre a produção de elementos de terras raras. “A separação das terras raras umas das outras é o principal desafio para tornar a extração de metais de terras raras mais sustentável e economicamente viável, "Nakanishi diz.

Enquanto o artigo recém-publicado examina um eletrólito de um único componente, óxido de alumínio por si só, Nakanishi diz que "nosso objetivo é estender essa abordagem para que possamos medir os potenciais químicos, Energia de Gibbs, em eletrólitos multicomponentes. "

"Isso abre a porta para muitos mais candidatos a eletrólitos que podemos usar para extrair metais, e também fazer oxigênio, " ele diz.

Essa capacidade de exaurir o oxigênio como um subproduto, em vez de monóxido de carbono ou dióxido de carbono, tem potencial para reduzir as emissões de gases de efeito estufa e o aquecimento global.

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.