Encontrar nuevos formas más eficientes de producir energía es una misión crítica para el Departamento de Energía (DOE), y el desarrollo de materiales más avanzados suele ser la clave para lograr el éxito.

Investigadores de la Universidad de West Virginia (WVU) están utilizando la dispersión de neutrones en el Laboratorio Nacional Oak Ridge (ORNL) del DOE para estudiar materiales novedosos llamados óxidos de alta entropía. o HEOs. Su objetivo es recopilar información sobre cómo se unen los átomos en los HEO y si los materiales se pueden usar para desarrollar aplicaciones útiles para mejorar las operaciones de las centrales eléctricas.

La eficiencia afecta los costos generales del combustible y el desempeño ambiental de la planta. En la actualidad, Están desarrollando HEO para varias aplicaciones, incluido un sensor de gas de alta temperatura que se utilizará para detectar monóxido de carbono en el gas de combustión de una planta de energía de carbón para permitir a los operadores controlar la eficiencia de la planta. Se está probando un sensor similar en la planta de energía de Longview en Maidsville, VIRGINIA OCCIDENTAL, cerca del campus principal de WVU.

"Los HEO son materiales que constan de cuatro o más óxidos metálicos mezclados en una determinada proporción o proporción para formar una estructura homogénea, "dijo el científico de materiales de WVU, Wei Li, quien dirigió el equipo de cinco personas en la realización de los experimentos de dispersión de neutrones ORNL. "Estamos usando neutrones para ver si los materiales se mezclan uniformemente en una sola fase de óxido o si se separan en múltiples fases, en cuyo caso necesitaríamos ajustar las proporciones de los elementos del material, así como las condiciones de fabricación, para asegurarnos de que los materiales se formen de manera homogénea de la manera que queremos ".

La investigación sobre los HEO está aumentando debido a sus propiedades avanzadas, como su alta resistencia al calor y la corrosión, así como su multifuncionalidad, o potencial para dieléctrico, electroquímico y aplicaciones catalíticas. La idea es la mayor cantidad de óxidos metálicos que se puedan mezclar con éxito, más propiedades beneficiosas tendrá el material.

La mayoría de los HEO se sintetizan calentando mezclas de polvos de óxidos metálicos a altas temperaturas, luego enfriar el material resultante en una sola fase sólida. Sin embargo, dice Li, no está claro cómo se forman los HEO monofásicos uniformes a partir de los no uniformes, o no homogéneo, mezclas de materias primas.

Menos huellas, mejores baterías

El equipo está realizando una serie de experimentos de dispersión de neutrones para estudiar dos tipos de HEO. El primer material está hecho de magnesio, cobalto, níquel, cobre, y óxidos de zinc, dispuestos atómicamente en una estructura de sal de roca en forma de cubo, como cloruro de sodio. El segundo material que está estudiando el equipo es una perovskita, hecho de metales de tierras raras y de transición (más oxígeno).

Para reducir la huella de carbono, el equipo tiene la intención de desarrollar el primer tipo de material HEO en un sensor de gas que pueda montarse en lo alto dentro de la chimenea de escape de una planta de energía, donde las temperaturas oscilan alrededor de 1, 800 ° F (aproximadamente 980 ° C).

“Los sensores se colocarán en zonas de difícil acceso con condiciones adversas. Lograr una sola fase es importante para la estabilidad del material y su sensibilidad para detectar el monóxido de carbono que queremos evitar que llegue a la atmósfera, "dijo Li.

Y lo que es más, la forma cruda del material utilizado para fabricar el sensor de gas también se puede utilizar para fabricar componentes para baterías de litio avanzadas, simplemente agregando óxido de litio a la lista de ingredientes crudos ((MgCoNiCuZn) _{1- x} Li _X O _1-δ ).

Li dice que las baterías de iones de litio que se emplean actualmente en ciertas plantas de energía para almacenar el exceso de energía usan electrodos a base de grafito, que ofrecen una buena estabilidad pero tienen una capacidad de almacenamiento limitada. Li está trabajando para actualizar a baterías de litio más robustas, pero encontrar electrodos de alta capacidad con una estabilidad comparable a la del grafito plantea un desafío. Con eso en mente, El equipo tiene como objetivo utilizar un óxido metálico de alta entropía para desarrollar un electrodo mejorado para una batería de iones de litio que ofrezca altas propiedades de conducción de litio, así como una estabilidad excepcional para ciclos de carga y descarga a largo plazo.

El potencial de la perovskita

Con la perovskita, el equipo quiere diseñar un catalizador que se utilizará en el desarrollo de una pila de combustible que pueda proporcionar un medio alternativo para generar grandes cantidades de electricidad. Los investigadores dicen que eventualmente se podrían implementar celdas de combustible de 1 a 2 megavatios para alimentar instalaciones de tamaño industrial o incluso pequeñas comunidades.

"Normalmente, quemamos cosas para generar electricidad. Eso significa que necesitamos oxígeno y combustible, o hidrógeno, ", dijo el profesor asistente de investigación de WVU Wenyuan Li." Sin embargo, Las pilas de combustible generan electricidad a través de un proceso electroquímico que convierte la energía química del hidrógeno y el oxígeno en electrones mediante el uso de un catalizador. Es por eso que estamos desarrollando la perovskita para reacciones eficientes de oxidación de hidrógeno y reducción de oxígeno ".

La necesidad de neutrones

Los neutrones son una herramienta ideal para el equipo de investigación debido a las propiedades de penetración profunda de material de las partículas y su aguda sensibilidad a elementos ligeros como el litio. Igualmente, el difractómetro VULCAN en SNS es un instrumento ideal para estudiar las tres aplicaciones que está investigando el equipo de WVU. VULCAN tiene detectores de área grande y capacidades de alta penetración perfectas para estudiar muestras voluminosas de tamaño industrial, como bloques de motor, bajo una variedad de condiciones de operación simuladas como presiones y temperaturas extremas.

Usando VULCAN, los investigadores pudieron rastrear en tiempo real el movimiento de elementos individuales o átomos en los materiales, obtener información sobre cómo se forman los HEO durante la fabricación para saber si formaron una o varias fases durante y después de los tratamientos de calentamiento y enfriamiento.

"VULCAN es una herramienta muy equilibrada y poderosa. Algunas de las mediciones in situ que estamos haciendo requieren entre 12 y 20 horas de calentamiento y enfriamiento, y podemos monitorear cómo cambian las estructuras cada minuto a 30 segundos, ", dijo Wenyuan Li." Pudimos analizar una gran cantidad de materiales en un tiempo relativamente corto ".

Los investigadores de WVU fueron usuarios por primera vez de la dispersión de neutrones. Los datos recopilados los ayudarán aún más a afinar las proporciones elementales en sus materiales y realizar ajustes mínimos en sus métodos de fabricación para garantizar materiales con la más alta calidad y eficiencia al final.