Trouver du nouveau, des moyens plus efficaces de produire de l'électricité est une mission essentielle pour le ministère de l'Énergie (DOE), et le développement de matériaux plus avancés est souvent la clé du succès.

Des chercheurs de la West Virginia University (WVU) utilisent la diffusion des neutrons au Oak Ridge National Laboratory (ORNL) du DOE pour étudier de nouveaux matériaux appelés oxydes à haute entropie, ou HEO. Leur objectif est de collecter des informations sur la manière dont les atomes des HEO se lient et si les matériaux peuvent être utilisés pour développer des applications utiles pour améliorer le fonctionnement des centrales électriques.

L'efficacité affecte les coûts globaux pour le carburant et la performance environnementale de l'usine. Actuellement, ils développent des HEO pour plusieurs applications, y compris un capteur de gaz à haute température qui sera utilisé pour détecter le monoxyde de carbone dans les gaz de combustion d'une centrale électrique au charbon afin de permettre aux opérateurs de surveiller l'efficacité de la centrale. Un capteur similaire est testé à la centrale électrique de Longview à Maidsville, VM, près du campus principal de WVU.

"Les HEO sont des matériaux constitués de quatre oxydes métalliques ou plus mélangés dans un certain rapport ou proportion pour former une structure homogène, " a déclaré Wei Li, scientifique des matériaux de WVU, qui a dirigé l'équipe de cinq personnes dans la conduite des expériences de diffusion de neutrons de l'ORNL. "Nous utilisons des neutrons pour voir si les matériaux se mélangent uniformément en une seule phase d'oxyde ou s'ils se séparent en plusieurs phases, auquel cas il faudrait ajuster les ratios des éléments du matériau, ainsi que les conditions de fabrication, pour garantir que les matériaux se forment de manière homogène comme nous le souhaitons."

Les recherches sur les HEO se multiplient en raison de leurs propriétés avancées telles que la haute résistance à la chaleur et à la corrosion, ainsi que leur multifonctionnalité, ou potentiel diélectrique, électrochimique, et applications catalytiques. L'idée est que plus d'oxydes métalliques peuvent être mélangés avec succès, les propriétés les plus bénéfiques du matériau auront.

La plupart des HEO sont synthétisés en chauffant des mélanges de poudres d'oxydes métalliques à haute température, puis refroidissement du matériau résultant en une seule phase solide. Cependant, dit Li, on ne sait pas comment les HEO monophasés uniformes se forment à partir du non uniforme, ou inhomogène, mélanges de matières premières.

Moins d'empreintes, de meilleures batteries

L'équipe réalise une série d'expériences de diffusion de neutrons pour étudier deux types de HEO. Le premier matériau est en magnésium, cobalt, nickel, le cuivre, et des oxydes de zinc - disposés atomiquement dans une structure de sel gemme en forme de cube, comme le chlorure de sodium. Le deuxième matériau que l'équipe étudie est une pérovskite, à base de terres rares et de métaux de transition (plus d'oxygène).

Pour réduire l'empreinte carbone, l'équipe a l'intention de développer le premier type de matériau HEO en un capteur de gaz pouvant être monté en hauteur à l'intérieur de la cheminée d'échappement d'une centrale électrique, où les températures se situent autour de 1, 800°F (environ 980°C).

« Les capteurs seront placés dans des zones difficiles d'accès avec des conditions difficiles. La réalisation d'une seule phase est importante pour la stabilité du matériau et sa sensibilité pour détecter le monoxyde de carbone que nous voulons empêcher d'atteindre l'atmosphère, " dit Li.

Quoi de plus, la forme brute du matériau utilisé pour fabriquer le capteur de gaz peut également être utilisée pour fabriquer des composants pour les batteries au lithium avancées, juste en ajoutant de l'oxyde de lithium à la liste des matières premières ((MgCoNiCuZn) 1 fois Li X O 1-δ ).

Li dit que les batteries lithium-ion actuellement utilisées dans certaines centrales électriques pour stocker l'excès d'énergie utilisent des électrodes à base de graphite, qui offrent une bonne stabilité mais ont une capacité de stockage limitée. Li travaille à la mise à niveau vers des batteries au lithium plus robustes, mais trouver des électrodes de grande capacité avec une stabilité comparable à celle du graphite pose un défi. Dans cet esprit, l'équipe vise à utiliser un oxyde métallique à haute entropie pour développer une électrode améliorée pour une batterie lithium-ion qui offre des propriétés de conduction lithium élevées ainsi qu'une stabilité exceptionnelle pour les cycles de charge et de décharge à long terme.

Le potentiel de la pérovskite

Avec la pérovskite, l'équipe veut concevoir un catalyseur à utiliser dans le développement d'une pile à combustible qui peut fournir un moyen alternatif de générer de grandes quantités d'électricité. Les chercheurs affirment que des piles à combustible de 1 à 2 mégawatts pourraient éventuellement être déployées pour alimenter des installations de taille industrielle ou même de petites collectivités.

"Normalement, nous brûlons des choses pour créer de l'électricité. Cela signifie que nous avons besoin d'oxygène et de carburant - ou d'hydrogène, " a déclaré le professeur assistant de recherche WVU Wenyuan Li. " Cependant, les piles à combustible produisent de l'électricité grâce à un processus électrochimique qui convertit l'énergie chimique de l'hydrogène et de l'oxygène en électrons à l'aide d'un catalyseur. C'est pourquoi nous développons la pérovskite pour des réactions efficaces d'oxydation de l'hydrogène et de réduction de l'oxygène."

Le besoin de neutrons

Les neutrons sont un outil idéal pour l'équipe de recherche en raison des propriétés de pénétration profonde des particules et de leur sensibilité aiguë aux éléments légers tels que le lithium. De même, le diffractomètre VULCAN au SNS est un instrument idéal pour étudier les trois applications que l'équipe WVU étudie. VULCAN possède des détecteurs à grande surface et des capacités de pénétration élevées, parfaits pour étudier des échantillons volumineux de taille industrielle, tels que des blocs moteurs, dans un éventail de conditions de fonctionnement simulées telles que des pressions et des températures extrêmes.

En utilisant VULCAN, les chercheurs ont pu suivre en temps réel le mouvement d'éléments individuels ou d'atomes dans les matériaux, obtenir un aperçu de la façon dont les HEO se forment pendant la fabrication pour savoir s'ils ont formé une ou plusieurs phases pendant et après les traitements de chauffage et de refroidissement.

"VULCAN est un outil très équilibré et puissant. Certaines des mesures in situ que nous effectuons prennent entre 12 et 20 heures de chauffage et de refroidissement, et nous sommes en mesure de surveiller comment les structures changent toutes les minutes à 30 secondes, ", a déclaré Wenyuan Li. "Nous avons pu analyser beaucoup de matériaux en un temps relativement court."

Les chercheurs de WVU utilisaient pour la première fois la diffusion des neutrons. Les données recueillies les aideront davantage à affiner les ratios élémentaires de leurs matériaux et à apporter des ajustements minutieux à leurs méthodes de fabrication pour garantir des matériaux de la plus haute qualité et efficacité au final.