Trovare nuovo, modi più efficienti per produrre energia è una missione fondamentale per il Dipartimento dell'Energia (DOE), e lo sviluppo di materiali più avanzati è spesso la chiave per raggiungere il successo.

I ricercatori della West Virginia University (WVU) stanno utilizzando la diffusione di neutroni presso l'Oak Ridge National Laboratory (ORNL) del DOE per studiare nuovi materiali chiamati ossidi ad alta entropia, o HEO. Il loro obiettivo è raccogliere informazioni su come gli atomi negli HEO si legano insieme e se i materiali possono essere utilizzati per sviluppare applicazioni utili per migliorare le operazioni delle centrali elettriche.

L'efficienza influisce sui costi complessivi per il carburante e sulle prestazioni ambientali dell'impianto. Attualmente, stanno sviluppando HEO per diverse applicazioni tra cui un sensore di gas ad alta temperatura che verrà utilizzato per rilevare il monossido di carbonio nei gas di scarico di una centrale elettrica a carbone per consentire agli operatori di monitorare l'efficienza dell'impianto. Un sensore simile è in fase di test presso l'impianto di Longview Power a Maidsville, VV, vicino al campus principale della WVU.

"Gli HEO sono materiali costituiti da quattro o più ossidi metallici mescolati insieme in un certo rapporto o proporzione per formare una struttura omogenea, " ha detto lo scienziato dei materiali WVU Wei Li, che ha guidato il team di cinque persone nella conduzione degli esperimenti di diffusione di neutroni ORNL. "Stiamo usando i neutroni per vedere se i materiali si mescolano uniformemente in una singola fase di ossido o se si separano in più fasi, nel qual caso avremmo bisogno di regolare i rapporti degli elementi del materiale, così come le condizioni di produzione, per garantire che i materiali si formino in modo omogeneo nel modo in cui vogliamo che si formino."

La ricerca sugli HEO è in aumento a causa delle loro proprietà avanzate come l'elevata resistenza al calore e alla corrosione, così come la loro multifunzionalità, o potenziale per dielettrico, elettrochimico, e applicazioni catalitiche. L'idea è più ossidi metallici che possono essere miscelati con successo insieme, più proprietà benefiche avrà il materiale.

La maggior parte degli HEO sono sintetizzati riscaldando miscele di polveri di ossidi metallici ad alte temperature, quindi raffreddare il materiale risultante in un'unica fase solida. Però, dice Li, non è chiaro come gli HEO monofase uniformi si formino dal non uniforme, o disomogeneo, miscele di materie prime.

Meno impronte, batterie migliori

Il team sta eseguendo una serie di esperimenti di diffusione di neutroni per studiare due tipi di HEO. Il primo materiale è fatto di magnesio, cobalto, nichel, rame, e ossidi di zinco, disposti atomicamente in una struttura di salgemma a forma di cubo, come il cloruro di sodio. Il secondo materiale che il team sta studiando è una perovskite, fatto da terre rare e metalli di transizione (più ossigeno).

Per ridurre l'impronta di carbonio, il team intende sviluppare il primo tipo di materiale HEO in un sensore di gas che può essere montato in alto all'interno del camino di scarico di una centrale elettrica, dove le temperature oscillano intorno a 1, 800°F (circa 980°C).

"I sensori saranno posizionati in aree difficili da raggiungere con condizioni difficili. Il raggiungimento di una singola fase è importante per la stabilità del materiale e la sua sensibilità per rilevare il monossido di carbonio che vogliamo evitare che raggiunga l'atmosfera, " disse Li.

Cosa c'è di più, la forma grezza del materiale utilizzato per realizzare il sensore di gas può essere utilizzata anche per realizzare componenti per batterie al litio avanzate, semplicemente aggiungendo ossido di litio alla lista delle materie prime ((MgCoNiCuZn) _{1- x} Li _X oh _1-δ ).

Li afferma che le batterie agli ioni di litio attualmente impiegate in alcune centrali elettriche per immagazzinare l'energia in eccesso utilizzano elettrodi a base di grafite, che offrono una buona stabilità ma hanno una capacità di archiviazione limitata. Li sta lavorando per passare a batterie al litio più robuste, ma trovare elettrodi ad alta capacità con stabilità paragonabile a quella della grafite rappresenta una sfida. Con quello in mente, il team mira a utilizzare un ossido di metallo ad alta entropia per sviluppare un elettrodo migliorato per una batteria agli ioni di litio che offra elevate proprietà di conduzione del litio e un'eccezionale stabilità per cicli di carica e scarica a lungo termine.

Il potenziale della perovskite

Con la perovskite, il team vuole progettare un catalizzatore da utilizzare nello sviluppo di una cella a combustibile in grado di fornire un mezzo alternativo per generare grandi quantità di elettricità. I ricercatori affermano che le celle a combustibile da 1 a 2 megawatt potrebbero essere impiegate per alimentare impianti di dimensioni industriali o anche piccole comunità.

"Normalmente, bruciamo cose per creare elettricità. Ciò significa che abbiamo bisogno di ossigeno e carburante, o idrogeno, " ha detto il professore assistente di ricerca WVU Wenyuan Li. "Tuttavia, le celle a combustibile generano elettricità attraverso un processo elettrochimico che converte l'energia chimica da idrogeno e ossigeno in elettroni utilizzando un catalizzatore. Ecco perché stiamo sviluppando la perovskite per reazioni efficienti di ossidazione dell'idrogeno e riduzione dell'ossigeno".

La necessità di neutroni

I neutroni sono uno strumento ideale per il team di ricerca a causa delle proprietà di penetrazione del materiale in profondità delle particelle e della loro acuta sensibilità agli elementi leggeri come il litio. Allo stesso modo, il diffrattometro VULCAN presso SNS è uno strumento ideale per studiare le tre applicazioni che il team WVU sta studiando. VULCAN dispone di rilevatori di ampia area e capacità di penetrazione elevate, perfette per lo studio di campioni ingombranti di dimensioni industriali, come i blocchi motore, in una serie di condizioni operative simulate come pressioni e temperature estreme.

Usando VULCANO, i ricercatori sono stati in grado di tracciare in tempo reale il movimento dei singoli elementi o atomi nei materiali, acquisire informazioni su come si formano gli HEO durante la produzione per sapere se hanno formato fasi singole o multiple durante e dopo i trattamenti di riscaldamento e raffreddamento.

"VULCAN è uno strumento molto equilibrato e potente. Alcune delle misurazioni in situ che stiamo effettuando richiedono tra le 12 e le 20 ore di riscaldamento e raffreddamento, e siamo in grado di monitorare come le strutture cambiano ogni minuto fino a 30 secondi, " ha detto Wenyuan Li. "Siamo stati in grado di analizzare molti materiali in un tempo relativamente breve".

I ricercatori della WVU hanno utilizzato per la prima volta lo scattering di neutroni. I dati raccolti li aiuteranno ulteriormente a mettere a punto i rapporti elementari nei loro materiali e ad apportare piccoli aggiustamenti ai loro metodi di produzione per garantire materiali con la massima qualità ed efficienza alla fine.