Las propiedades termodinámicas de compuestos como el óxido de aluminio, que se conocen como materiales refractarios porque se funden a temperaturas superiores a 2, 000 grados Celsius (3, 632 Fahrenheit), han sido difíciles de estudiar porque pocos recipientes pueden soportar el calor para contenerlos, y los que lo hacen a menudo reaccionan con la masa fundida y la contaminan.

Ahora, los investigadores del MIT están mostrando un método electroquímico sin contenedores para estudiar las propiedades termodinámicas de estos hot melts en un artículo publicado en el Revista de la sociedad electroquímica .

"Tenemos una nueva técnica que demuestra que se siguen las reglas de la electroquímica para estos fundidos refractarios, "dice el autor principal Antoine Allanore, profesor asociado de metalurgia. "Ahora tenemos evidencia de que estos derretidos son muy estables a altas temperaturas, tienen alta conductividad ".

Adaptar un horno de imágenes térmicas (o imágenes de arco) más comúnmente utilizado para el crecimiento de cristales de zona flotante, El estudiante graduado del MIT, Brad Nakanishi, fundió una varilla de alúmina (óxido de aluminio) y se puso en contacto con la gota de líquido pendiente que se formó con electrodos. creando una celda electroquímica que permitió la descomposición de puro, electrolito de alúmina a gas oxígeno y aleación de aluminio por electrólisis por primera vez. El óxido de aluminio en sí mismo sirve como electrolito en esta celda electroquímica, que funciona de manera similar a la electrólisis del agua.

"Las mediciones de voltaje de descomposición nos dan acceso directo a la propiedad termodinámica por excelencia que es el potencial químico, también llamada energía de Gibbs, "Explica Nakanishi." Hemos demostrado que hacemos mediciones electroquímicas en una nueva clase de electrolitos, los óxidos refractarios fundidos ".

El cambio en esta energía de Gibbs, o potencial químico, con respecto a la temperatura se conoce como entropía. "A altas temperaturas, la entropía es realmente importante y muy difícil de predecir, por lo que tener la capacidad de medir la entropía en estos sistemas es clave, "Dice Nakanishi.

Una gota que cuelga

Usando esta técnica, cuatro lámparas de xenón reflejadas en la punta de la muestra, derritiendo una gota de líquido, que se sujeta a la varilla por la tensión superficial y se solidifica rápidamente después de que se apagan las luces. Mientras la gota se licua, los electrodos se elevan en la gota para completar un circuito eléctrico, con la propia alúmina líquida funcionando como electrolito.

"Eso es algo que no hemos visto que se haga de otra manera, así como, haciendo electroquímica en una gota suspendida por encima de 2, 000 C, "Dice Nakanishi.

La gota que cuelga tiene una alta tensión superficial en relación con su densidad.

"La concentración de la energía luminosa, zona caliente, y grandes gradientes térmicos presentes, nos permite de una manera muy controlada crear una situación para el contacto estable de gotitas y electrodos, "Dice Nakanishi." Suena desafiante, pero el método que hemos perfeccionado es sencillo y rápido de utilizar en la práctica gracias, en parte, a una cámara que permite la observación continua de la gota y los electrodos durante el experimento ".

Allanore dice que la estabilidad del óxido de aluminio líquido y una elección inteligente de los materiales de los electrodos permiten medir niveles de energía bien definidos.

"El artículo muestra que ahora podemos medir las propiedades termodinámicas fundamentales de tal fusión, "Dice Allanore." En el caso de la alúmina fundida, de hecho, hemos podido estudiar la propiedad del producto del cátodo. A medida que descomponemos el óxido de aluminio, al oxígeno en un lado [ánodo] y al aluminio en el otro lado [cátodo], entonces ese aluminio líquido interactúa con el electrodo, que era iridio en ese caso, " él dice.

El video de la celda operativa muestra burbujas de gas de oxígeno que se forman dentro de la celda a medida que la alúmina se descompone en aluminio en el cátodo (el electrodo con carga negativa) y oxígeno puro en el ánodo de iridio (el electrodo con carga positiva). El aluminio interactúa con el cátodo de iridio, lo que se confirma mediante la fusión parcial y las imágenes posteriores al experimento de la microestructura que muestran un depósito de aleación de aluminio e iridio.

"Ahora podemos calcular la propiedad termodinámica de esa aleación, de esa interacción, que es algo que nunca se midió antes. Fue calculado y predicho. Nunca se midió. Aquí, en este artículo, confirmamos las predicciones de la computación utilizando nuestro método, "Dice Allanore.

Nuevos poderes predictivos

Para preguntas industriales clave, como qué tan caliente puede funcionar un motor de turbina, los ingenieros necesitan datos termodinámicos sobre el estado sólido y líquido de las aleaciones metálicas, en particular, la zona de transición en la que se funde un sólido. "No somos tan buenos en el estado líquido, y a altas temperaturas también tenemos muchos problemas para medir la energía de Gibbs en estado líquido, "Dice Nakanishi.

"Aquí estamos agregando datos experimentales, ", dice." Hemos creado un método que permite medir la energía libre de Gibbs de un líquido, así que ahora combinado con nuestra habilidad en un sólido, podemos comenzar a informar cosas como estas temperaturas de transición entre otras preguntas termodinámicas, que están relacionados con la estabilidad del material ".

La masa fundida es iónica, que contiene una mezcla de aniones de oxígeno cargados negativamente y átomos de oxígeno neutros, así como cationes de aluminio cargados positivamente y átomos de aluminio neutros.

"El significado clave de los hallazgos de la investigación de Bradley Nakanishi y Antoine Allanore es la capacidad de determinar parámetros termodinámicos [por ejemplo, actividad termodinámica] a temperaturas superiores a 1, 600 C de las mediciones electroquímicas de óxidos fundidos, así como la aplicabilidad a un electrolito más amplio desde un óxido fundido hasta una sal fundida, "dice Arturo Bronson, profesor de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Texas en El Paso, que no participó en esta investigación. "Además, una posible relación de la presión parcial de oxígeno con la doble carga, El ión de oxígeno libre caracterizará su efecto sobre los cationes y aniones asociados dentro del óxido fundido para explicar el comportamiento termodinámico entre el metal líquido y el óxido líquido ".

"La calidad de la investigación es un enfoque de clase mundial desarrollado para estudios experimentales difíciles de reacciones a temperaturas ultra altas de metales líquidos y óxidos líquidos, especialmente con la inclusión de espectroscopia de impedancia electroquímica, "Dice Bronson. Sin embargo, una limitación del estudio es la incertidumbre de las mediciones de temperatura dentro de un rango de más o menos 10 grados C. "La incertidumbre de los parámetros medidos dependerá en última instancia de la precisión de la temperatura medida [ya en más o menos 10 kelvins], porque los parámetros electroquímicos [es decir, voltaje y corriente] dependerá claramente de la incertidumbre de la temperatura, "Explica Bronson.

Más posibilidades de electrolitos

Allanore señala que la electroquímica es una de las tecnologías de procesamiento más selectivas, "pero hasta la fecha ha sido un gran desafío estudiar la electroquímica con estos fundidos a alta temperatura".

La selección de electrolitos es clave para diseñar nuevos procesos para la extracción electroquímica de metales reactivos, y el nuevo trabajo demuestra que hay más electrolitos disponibles para extraer metales. "Ahora podemos estudiar la solubilidad de los minerales que contienen óxidos de metales refractarios en estos fundidos. Por lo tanto, básicamente ahora estamos agregando al menos tres o cuatro electrolitos candidatos que podrían usarse para la extracción de metales, en particular para lo que llamamos metales reactivos como el aluminio, niobio, titanio, o las tierras raras, ", Agrega Allanore. La investigación fue financiada por la Oficina de Investigación Naval de Estados Unidos.

El trabajo futuro se centrará en la aplicación de estas técnicas electroquímicas de alta temperatura para investigar el potencial para separar selectivamente los óxidos de tierras raras. Aunque se requiere solo en cantidades relativamente pequeñas por lo general, los elementos individuales de tierras raras son esenciales para aplicaciones de alta tecnología, incluidos teléfonos móviles y vehículos eléctricos. Los métodos bien establecidos para concentrar óxidos de tierras raras de su mineral producen una mezcla de los 14 óxidos de tierras raras, Notas de Allanore. "Si usáramos una mezcla de óxido de tierras raras como nuestro electrolito, potencialmente podríamos separar selectivamente un metal de tierras raras de los otros 13, " él dice.

Nuevo, Se necesitan materiales estables como los óxidos de tierras raras que pueden soportar altas temperaturas para usos tan variados como construir aviones más rápidos y extender la vida útil de las centrales nucleares. Pero un país Porcelana, tiene un casi monopolio sobre la producción de elementos de tierras raras. "La separación de tierras raras entre sí es el desafío clave para hacer que la extracción de metales de tierras raras sea más sostenible y económicamente factible, "Dice Nakanishi.

Si bien el artículo recientemente publicado examina un electrolito de un solo componente, óxido de aluminio por sí mismo, Nakanishi dice que "nuestro objetivo es ampliar este enfoque para que podamos medir los potenciales químicos, Energía de Gibbs, en electrolitos multicomponente ".

"Esto abre la puerta a muchos más candidatos para los electrolitos que podemos utilizar para extraer metales, y también hacer oxígeno, " él dice.

Esta capacidad de extraer oxígeno como subproducto en lugar de monóxido de carbono o dióxido de carbono tiene el potencial de reducir las emisiones de gases de efecto invernadero y el calentamiento global.

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.