Cálculos de primeros principios de energías de formación. (A) Tabla periódica coloreada por las energías electrónicas totales de λ-Ti3O5 con una sustitución elemental. Los elementos azules son aquellos en los que el λ-Ti3O5 sustituido muestra una energía de formación más baja que la del λ-Ti3O5 puro. Los elementos naranjas son aquellos en los que el λ-Ti3O5 sustituido muestra una mayor energía de formación. (B) Energías electrónicas totales calculadas de λ-AxTi3 − xO5 (A, elementos trivalentes) y (C) λ-BxTi3-xO5 (B, elementos tetravalentes) en orden de número atómico. Uno de los tres sitios de Ti en λ-Ti3O5 se sustituye por un elemento de color para los cálculos de los primeros principios. El elemento A en λ-AxTi3 − xO5 se sustituye en el sitio Ti1. El elemento B en λ-BxTi3-xO5 se sustituye en el sitio Ti2. Los cuadrados azules y naranjas representan que el λ-Ti3O5 elemental sustituido muestra una formación más baja y una energía de formación más alta, respectivamente. El cuadrado negro denota λ-Ti3O5 puro. Crédito: Avances de la ciencia , doi:10.1126 / sciadv.aaz5264
Aproximadamente el setenta por ciento de la energía térmica generada en las centrales térmicas y nucleares se pierde como calor residual, con una temperatura por debajo del punto de ebullición del agua. En un informe reciente sobre Avances de la ciencia , Yoshitaka Nakamura y un equipo de investigación en química, materiales y la tecnología en Japón desarrolló un material de almacenamiento de calor a largo plazo para absorber energía térmica a temperaturas cálidas que van desde 38 grados C (311 K) a 67 grados C (340 K). Ellos compusieron la serie única de materiales utilizando pentóxido de trititanio lambda sustituido con escandio (λ-Sc X Ti 3 − x O 5 ). La construcción acumuló energía térmica del agua caliente y liberó la energía térmica acumulada al aplicar presión. El nuevo material tiene el potencial de acumular la energía térmica del agua caliente generada en centrales nucleares y térmicas, luego, recicle la energía térmica almacenada según la demanda en función de las presiones externas. El material también es aplicable para reciclar el calor residual en fábricas industriales y automóviles.
Cálculos de primeros principios de la energía de formación y determinación de la estructura cristalina.
El equipo utilizó el pentóxido de lambda-trititanio-metal-sustituido (λ-M X Ti 3 O 5 ) durante los experimentos para realizar materiales de almacenamiento de calor que puedan absorber el calor residual a baja temperatura y exhibir transiciones de fase inducidas por foto y presión. Los científicos habían informado previamente sobre varios tipos de λ-Ti sustituidos con metales 3 O 5. En este trabajo, Nakamura y col. encuestaron 54 elementos como cationes metálicos adecuados para la sustitución de metales del ión Ti en λ-Ti 3 O 5 . De estos, solo seis tuvieron un efecto estabilizador, incluido el escandio, niobio, tantalio circonio, hafnio y tungsteno. Luego, el equipo informó la síntesis de la estructura cristalina y las propiedades de almacenamiento de calor del λ-Ti sustituido con Sc 3 O 5 en la fase λ.
Síntesis, estructura cristalina, y morfología de λ-Sc0.09Ti2.91O5. (A) Síntesis de muestra de λ-Sc0.09Ti2.91O5. Polvo de mezcla granulado de Sc2O3, TiO2, y se prepara Ti metal con un diámetro de 8 mm, Derretido, y se enfría rápidamente en un proceso de fusión por arco. Después del proceso de fusión, la muestra solidificada (preparada) se muele a mano. Crédito de la foto:Yoshitaka Nakamura, Panasonic Corporation. (B) Patrón de difracción de rayos X de sincrotrón (SXRD) de la muestra de Sc0.09Ti2.91O5 preparada tal como se recogió a temperatura ambiente con λ =0.420111 Å. Las barras superior azul y naranja inferior representan las posiciones calculadas de las reflexiones de Bragg de λ-Sc0.09Ti2.91O5 y β-Sc0.09Ti2.91O5. (C) La imagen de microscopía electrónica de barrido (SEM) de la muestra en polvo muestra un tamaño de grano por debajo de 100 μm. Las partículas de la muestra en polvo se cortan mediante un haz de iones enfocado. La imagen STEM muestra dominios en forma de franjas con un tamaño de aproximadamente 100 nm × 200 nm. Las barras de escala muestran 100 μm en la imagen SEM y 100 nm en la imagen STEM. Crédito: Avances de la ciencia , doi:10.1126 / sciadv.aaz5264
Para sintetizar el compuesto sustituido con Sc, Nakamura y col. utilizó una técnica de fusión por arco en una atmósfera de argón. Durante el proceso, ellos mezclaron precursores de Sc 2 O 3 , TiO 2 y polvos de Ti para preparar una pastilla de 8 mm de la mezcla en forma de bola esférica. Luego, utilizando mediciones de fluorescencia de rayos X (XRF), determinaron la fórmula de la muestra (Sc 0,9 Ti 2,91 O 5 ) y realizó difracción de rayos X sincrotrón (SXRD) para determinar la estructura cristalina. Los resultados correspondieron a la estructura cristalina de λ-Ti 3 O 5 con una expansión del 0,4 por ciento después de la sustitución de metales. Utilizando imágenes de microscopía electrónica de transmisión de barrido (STEM), el equipo obtuvo dominios en forma de franjas en el compuesto.
Transición de fase inducida por presión y proceso de almacenamiento de calor. (A) Patrones SXRD de Sc0.09Ti2.91O5 medidos a temperatura ambiente y presión ambiental después de una compresión entre 0.2 y 1.7 GPa con una prensa hidráulica (λ =0.420111 Å). A medida que aumenta la presión, los picos λ- (20-3) y λ- (203) (azul) disminuyen y el pico β- (20-3) (naranja) aumenta, indicando una transición de fase inducida por la presión. a.u., unidades arbitrarias. (B) Dependencia de la presión de las fracciones de fase de Sc0.09Ti2.91O5 calculada a partir de los patrones SXRD en (A). La presión de cruce (presión de transición de fase) se produce a 670 MPa. (C) Patrones SXRD de Sc0.09Ti2.91O5 medidos entre 27 ° C (300 K) y 300 ° C (573 K; λ =0.999255 Å). Los picos λ y β son constantes hasta 50 ° C (323 K; naranja), y luego la fase β disminuye y la fase λ aumenta a 75 ° C (348 K; azul). La fase λ se transforma en la fase α por encima de 175 ° C (448 K; negro) pero se restablece al enfriarse. (D) El gráfico DSC de Sc0.09Ti2.91O5 muestra una reacción endotérmica a 67 ° C (340 K). Las muestras se comprimen a 1,7 GPa antes de las mediciones del gráfico de temperatura variable SXRD y DSC. Crédito: Avances de la ciencia , doi:10.1126 / sciadv.aaz5264 
A continuación, el equipo midió la transición de fase inducida por la presión utilizando SXRD (difracción de rayos X sincrotrón) después de comprimir las muestras con una prensa hidráulica. Cuando la presión aumentó, la fracción de fase λ de la muestra disminuyó, y la fracción de fase β aumentó en un proceso reversible. Midieron la masa de absorción de calor de la muestra después de la transición de fase inducida por presión (fase λ a β) utilizando calorimetría de barrido diferencial (DSC). Observaron la absorción de calor del material con un pico de absorción a 67 grados C y observaron repetidas transiciones de fase inducidas por la presión y el calor. Durante las transiciones de fase de la fase β a la fase λ, la temperatura de almacenamiento de calor se redujo notablemente de un valor previamente registrado de 197 grados C a 67 grados C en el presente trabajo.
Mecanismo de almacenamiento de calor a largo plazo y transición de fase inducida por presión. (A) Curvas de energía libre de Gibbs (Gsys) versus fracción de fase λ (x) de 420 a 200 K con un intervalo de 20 K, calculado por el modelo SD. Las esferas azules indican la población térmica de la fase λ. (B) Dependencia de la temperatura de las fracciones calculadas de la fase λ (azul) y la fase β (rojo). (C) Gsys versus x bajo presiones ambientales de 0.1, 400, y 700 MPa a 300 K. Crédito: Avances de la ciencia , doi:10.1126 / sciadv.aaz5264
Informes anteriores sobre λ-Ti 3 O 5 también atribuyó la transición de fase reversible entre la fase λ y la fase β por presión y calor a la barrera de energía entre las dos fases, que se origina en la interacción elástica dentro del material. Para comprender los mecanismos del almacenamiento de calor a largo plazo y la liberación de energía térmica inducida por baja presión en esta configuración, Nakamura y col. calculó la energía libre de Gibbs del sistema. Para esto, utilizaron un modelo termodinámico basado en Slichter y Drickamer (modelo SD). Durante el proceso de transición de fase, los científicos pudieron mantener la fase λ durante un tiempo prolongado, ya que la barrera de energía entre las dos fases impedía la transferencia inmediata de la fase λ a la fase β. El Sc resultante 0,9 Ti 2,91 O 5 preparado en el trabajo mostró una buena estabilidad y pudo mantenerse perfectamente durante aproximadamente ocho meses a un año a partir de la medición de XRD.
Aplicación de λ-Ti3O5 sustituido por Sc para centrales eléctricas. Ilustración esquemática de un sistema de reciclaje de energía térmica que utiliza cerámica de almacenamiento de calor λ-Ti3O5 sustituida por Sc. El agua de refrigeración para una turbina en una central eléctrica se bombea desde un río o mar. El agua se calienta después del intercambio de calor a través de la turbina. Esta energía de agua caliente se almacena en tanques que contienen cerámicas de almacenamiento de calor λ-Ti3O5 sustituidas por Sc. El agua con una energía térmica reducida regresa al río o al mar, mitigar el aumento de la temperatura del mar. Las cerámicas de almacenamiento de calor λ-Ti3O5 sustituidas por Sc almacenadas en energía pueden suministrar energía térmica a edificios o plantas industriales mediante la aplicación de presión. Es más, la cerámica almacenada en energía se puede transportar a lugares distantes en un camión. Crédito: Avances de la ciencia , doi:10.1126 / sciadv.aaz5264 
Los científicos investigaron el sistema de almacenamiento de calor con λ-Ti sustituido por Sc 3 O 5 en un entorno práctico bombeando agua de refrigeración para una turbina en una central eléctrica desde un río o mar. Mientras el agua pasaba por la turbina, su temperatura aumentó debido al intercambio de calor, transfiriendo la energía del agua caliente a λ-Ti sustituido con Sc 3 O 5 materiales utilizados en los tanques. Mientras tanto, el agua con una energía térmica reducida regresa al río o al mar. Energía almacenada en el λ-Ti sustituido por Sc 3 O 5 podría liberarse en forma de energía térmica aplicando presión para el uso de energía bajo demanda. Nakamura y col. Prevea suministrar la energía térmica almacenada a edificios o plantas industriales cercanas a centrales eléctricas sin utilizar electricidad.
De este modo, Yoshitaka Nakamura y sus colegas demostraron cerámicas de almacenamiento de calor basadas en λ-Ti sustituido por Sc 3 O 5, que absorbió el calor del agua. Basado en cálculos de primeros principios, ellos sintetizaron Sc-sustituido λ-Ti 3 O 5 cerámicas con una absorción de calor por debajo de 100 grados C. El material de absorción de calor recuperó la energía térmica del agua de refrigeración en las turbinas de las centrales eléctricas y podría controlarse fácilmente cambiando el contenido de Sc en Ti 3 O 5 relativo a la aplicación de interés. Además de sus funciones en centrales eléctricas, los científicos proponen utilizar los materiales para funciones de almacenamiento de calor mediante la recolección de calor residual de dispositivos normales como teléfonos móviles, Transporte y Vehículos, de fábricas y dispositivos electrónicos.
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