Calcolo dei principi primi delle energie di formazione. (A) Tavola periodica colorata dalle energie elettroniche totali di -Ti3O5 con una sostituzione elementare. Gli elementi blu sono quelli in cui il λ-Ti3O5 sostituito mostra un'energia di formazione inferiore a quella del λ-Ti3O5 puro. Gli elementi arancioni sono quelli in cui il λ-Ti3O5 sostituito mostra una maggiore energia di formazione. (B) Energie elettroniche totali calcolate di -AxTi3−xO5 (A, elementi trivalenti) e (C) -BxTi3-xO5 (B, elementi tetravalenti) in ordine di numero atomico. Uno dei tre siti Ti in -Ti3O5 è sostituito da un elemento colorato per i calcoli dei primi principi. L'elemento A in λ-AxTi3−xO5 sostituisce nel sito Ti1. L'elemento B in λ-BxTi3-xO5 sostituisce nel sito Ti2. I quadrati blu e arancioni rappresentano che il -Ti3O5 sostituito dall'elemento mostra una formazione inferiore e un'energia di formazione più elevata, rispettivamente. Il quadrato nero denota -Ti3O5 puro. Credito: Progressi scientifici , doi:10.1126/sciadv.aaz5264
Circa il settanta per cento dell'energia termica generata nelle centrali termiche e nucleari viene dispersa come calore di scarto, con una temperatura inferiore al punto di ebollizione dell'acqua. In un recente rapporto su Progressi scientifici , Yoshitaka Nakamura e un gruppo di ricerca in chimica, materiali, e la tecnologia in Giappone ha sviluppato un materiale di accumulo di calore a lungo termine per assorbire l'energia termica a temperature calde che vanno da 38 gradi C (311 K) a 67 gradi C (340 K). Hanno composto la serie unica di materiali utilizzando scandio-sostituito lambda-trititanio-pentossido (λ-Sc X Ti 3−x oh 5 ). Il costrutto ha accumulato energia termica dall'acqua calda e ha rilasciato l'energia termica accumulata in seguito all'applicazione della pressione. Il nuovo materiale ha il potenziale per accumulare l'energia termica dell'acqua calda generata nelle centrali nucleari e termiche, quindi riciclare l'energia termica immagazzinata su richiesta in base alle pressioni esterne. Il materiale è applicabile anche per riciclare il calore di scarto negli stabilimenti industriali e nelle automobili.
Calcolo dei principi primi dell'energia di formazione e determinazione della struttura cristallina
Il team ha utilizzato il lambda-trititanio-pentossido sostituito con metallo (λ-M X Ti 3 oh 5 ) durante gli esperimenti per realizzare materiali di accumulo di calore in grado di assorbire il calore di scarto a bassa temperatura e mostrare transizioni di fase indotte da foto e pressione. Gli scienziati avevano precedentemente segnalato diversi tipi di λ-Ti . metallo-sostituito 3 oh 5. In questo lavoro, Nakamura et al. censiti 54 elementi come cationi metallici adatti alla sostituzione metallica dello ione Ti in λ-Ti 3 oh 5 . Di questi, solo sei hanno avuto un effetto stabilizzante compreso lo scandio, niobio, tantalio, zirconio, afnio e tungsteno. Il team ha quindi riportato la sintesi della struttura cristallina e le proprietà di accumulo di calore del λ-Ti . sostituito con sc 3 oh 5 nella fase .
Sintesi, struttura di cristallo, e morfologia di -Sc0.09Ti2.91O5. (A) sintesi del campione λ-Sc0.09Ti2.91O5. Polvere di miscela granulata di Sc2O3, TiO2, e viene preparato un metallo Ti con un diametro di 8 mm, fuso, e rapidamente raffreddato in un processo di fusione ad arco. Dopo il processo di fusione, il campione solidificato (come preparato) viene macinato a mano. Credito fotografico:Yoshitaka Nakamura, Panasonic Corporation. (B) Modello di diffrazione dei raggi x di sincrotrone (SXRD) del campione Sc0.09Ti2.91O5 così preparato raccolto a temperatura ambiente con =0.420111 . Le barre blu superiore e arancione inferiore rappresentano le posizioni calcolate delle riflessioni di Bragg di λ-Sc0.09Ti2.91O5 e β-Sc0.09Ti2.91O5. (C) L'immagine al microscopio elettronico a scansione (SEM) del campione in polvere mostra una granulometria inferiore a 100 μm. La particella del campione in polvere viene affettata da un fascio di ioni focalizzato. L'immagine STEM mostra domini simili a strisce con una dimensione di circa 100 nm × 200 nm. Le barre della scala mostrano 100 μm nell'immagine SEM e 100 nm nell'immagine STEM. Credito: Progressi scientifici , doi:10.1126/sciadv.aaz5264
Per sintetizzare il composto Sc-sostituito, Nakamura et al. utilizzato una tecnica di fusione ad arco in un'atmosfera di argon. Durante il processo, hanno mescolato precursori di Sc 2 oh 3 , TiO 2 e polveri di Ti per preparare un pellet di 8 mm della miscela a forma di palla sferica. Quindi, utilizzando misurazioni di fluorescenza a raggi X (XRF), hanno determinato la formula del campione (Sc 0.9 Ti 2.91 oh 5 ) ed eseguito la diffrazione dei raggi X di sincrotrone (SXRD) per determinare la struttura cristallina. I risultati corrispondevano alla struttura cristallina di λ-Ti 3 oh 5 con un'espansione dello 0,4 percento dopo la sostituzione del metallo. Utilizzando immagini di microscopia elettronica a trasmissione a scansione (STEM), il team ha ottenuto domini simili a strisce nel composto.
Transizione di fase indotta dalla pressione e processo di accumulo di calore. (A) Modelli SXRD di Sc0.09Ti2.91O5 misurati a temperatura ambiente e pressione ambiente dopo compressione tra 0,2 e 1,7 GPa con una pressa idraulica (λ =0,420111 Å). All'aumentare della pressione, i picchi λ-(20-3) e λ-(203) (blu) diminuiscono e il picco β-(20-3) (arancione) aumenta, indicando una transizione di fase indotta dalla pressione. a.u., unità arbitrarie. (B) Dipendenza dalla pressione delle frazioni di fase di Sc0.09Ti2.91O5 calcolate dai modelli SXRD in (A). La pressione di crossover (pressione di transizione di fase) si verifica a 670 MPa. (C) Modelli SXRD di Sc0.09Ti2.91O5 misurati tra 27°C (300 K) e 300°C (573 K; =0,999255 Å). I picchi λ e β sono costanti fino a 50°C (323 K; arancione), quindi la fase diminuisce e la fase aumenta a 75°C (348 K; blu). La fase si trasforma nella fase α al di sopra di 175°C (448 K; nero) ma viene ripristinata al raffreddamento. (D) Il grafico DSC di Sc0.09Ti2.91O5 mostra una reazione endotermica a 67 ° C (340 K). I campioni vengono compressi a 1,7 GPa prima delle misurazioni del grafico a temperatura variabile SXRD e DSC. Credito: Progressi scientifici , doi:10.1126/sciadv.aaz5264 
Il team ha quindi misurato la transizione di fase indotta dalla pressione utilizzando SXRD (diffrazione dei raggi X di sincrotrone) dopo aver compresso i campioni con una pressa idraulica. Quando la pressione aumenta, la frazione in fase del campione è diminuita, e la frazione in fase è aumentata in un processo reversibile. Hanno misurato la massa di assorbimento di calore del campione dopo la transizione di fase indotta dalla pressione (da λ- a β-fase) utilizzando la calorimetria a scansione differenziale (DSC). Hanno notato l'assorbimento di calore del materiale con un picco di assorbimento a 67 gradi C e hanno osservato ripetute transizioni di fase indotte dalla pressione e dal calore. Durante le transizioni di fase dalla fase alla fase , la temperatura di accumulo del calore si è notevolmente ridotta da un valore precedentemente registrato di 197 gradi C a 67 gradi C nel presente lavoro.
Meccanismo di accumulo di calore a lungo termine e transizione di fase indotta dalla pressione. (A) Curve di energia libera di Gibbs (Gsys) rispetto a frazione di fase (x) da 420 a 200 K con un intervallo di 20 K, calcolato dal modello SD. Le sfere blu indicano la popolazione termica della fase . (B) Dipendenza dalla temperatura delle frazioni calcolate della fase (blu) e della fase β (rosso). (C) Gsys rispetto a x a pressioni ambiente di 0,1, 400, e 700 MPa a 300 K. Credito: Progressi scientifici , doi:10.1126/sciadv.aaz5264
Rapporti precedenti su λ-Ti 3 oh 5 ha anche attribuito la transizione di fase reversibile tra la fase e la fase per pressione e calore alla barriera energetica tra le due fasi, che ha origine dall'interazione elastica all'interno del materiale. Per comprendere i meccanismi dell'accumulo di calore a lungo termine e del rilascio di energia termica indotta a bassa pressione in questa configurazione, Nakamura et al. calcolato l'energia libera di Gibbs del sistema. Per questo, hanno utilizzato un modello termodinamico basato su Slichter e Drickamer (modello SD). Durante il processo di transizione di fase, gli scienziati hanno potuto mantenere la fase per un tempo prolungato poiché la barriera energetica tra le due fasi ha impedito il trasferimento immediato della fase nella fase . Il risultante Sc 0.9 Ti 2.91 oh 5 preparato nel lavoro ha mostrato una buona stabilità e poteva essere mantenuto perfettamente per circa otto mesi a un anno dalla misurazione XRD.
Applicazione di -Ti3O5 Sc-sostituito per centrali elettriche. Illustrazione schematica di un sistema di riciclaggio dell'energia termica che utilizza ceramiche di accumulo di calore -Ti3O5 sostituite da sc. L'acqua di raffreddamento per una turbina in una centrale elettrica viene pompata da un fiume o da un mare. L'acqua diventa calda dopo lo scambio di calore attraverso la turbina. Questa energia dell'acqua calda viene immagazzinata in serbatoi contenenti ceramiche di accumulo termico -Ti3O5 sostituite da sc. L'acqua a ridotta energia termica ritorna al fiume o al mare, mitigare l'aumento della temperatura del mare. Le ceramiche ad accumulo di calore -Ti3O5 sostituite con Sc ad accumulo di energia possono fornire energia termica a edifici o impianti industriali applicando la pressione. Per di più, le ceramiche immagazzinate dall'energia possono essere trasportate in luoghi distanti da un camion. Credito: Progressi scientifici , doi:10.1126/sciadv.aaz5264 
Gli scienziati hanno studiato il sistema di accumulo di calore con -Ti . sostituito da sc 3 oh 5 in un ambiente pratico pompando acqua di raffreddamento per una turbina in una centrale elettrica da un fiume o dal mare. Mentre l'acqua passava attraverso la turbina, la sua temperatura è aumentata a causa dello scambio termico, trasferire l'energia dell'acqua calda a Sc-sostituito λ-Ti 3 oh 5 materiali utilizzati nei serbatoi. Nel frattempo, acqua a ridotta energia termica restituita al fiume o al mare. Energia immagazzinata nel -Ti . Sc-sostituito 3 oh 5 potrebbe essere rilasciato sotto forma di energia termica esercitando una pressione per l'uso di energia su richiesta. Nakamura et al. prevedere di fornire l'energia termica immagazzinata a edifici o impianti industriali vicini alle centrali elettriche senza utilizzare l'elettricità.
In questo modo, Yoshitaka Nakamura e colleghi hanno dimostrato ceramiche di accumulo di calore basate su -Ti . sostituito da sc 3 oh 5, che assorbe calore dall'acqua. Sulla base dei calcoli dei primi principi, hanno sintetizzato -Ti . Sc-sostituito 3 oh 5 ceramiche con un assorbimento di calore inferiore a 100 gradi C. Il materiale di assorbimento del calore recuperava energia termica dall'acqua di raffreddamento nelle turbine delle centrali elettriche e poteva essere facilmente controllato modificando il contenuto di Sc in Ti 3 oh 5 relativo alla domanda di interesse. Oltre alle sue funzioni nelle centrali elettriche, gli scienziati propongono di utilizzare i materiali per le funzioni di accumulo di calore raccogliendo il calore di scarto da dispositivi normali come telefoni cellulari, veicoli di trasporto, da fabbriche e dispositivi elettronici.
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