Environ soixante-dix pour cent de l'énergie thermique générée dans les centrales thermiques et nucléaires est perdue sous forme de chaleur résiduelle, avec une température inférieure au point d'ébullition de l'eau. Dans un récent rapport sur Avancées scientifiques , Yoshitaka Nakamura et une équipe de recherche en chimie, matériaux, et la technologie au Japon a développé un matériau de stockage de chaleur à long terme pour absorber l'énergie thermique à des températures allant de 38 degrés C (311 K) à 67 degrés C (340 K). Ils ont composé la série unique de matériaux utilisant du pentoxyde de lambda-trititane substitué par du scandium (λ-Sc X Ti 3−x O 5 ). La construction a accumulé de l'énergie thermique à partir de l'eau chaude et a libéré l'énergie thermique accumulée lors de l'application de la pression. Le nouveau matériau a le potentiel d'accumuler l'énergie thermique de l'eau chaude produite dans les centrales nucléaires et thermiques, puis recycler l'énergie thermique stockée à la demande en fonction des pressions externes. Le matériau est également applicable pour recycler la chaleur résiduelle dans les usines industrielles et les automobiles.

Calculs des premiers principes de l'énergie de formation et détermination de la structure cristalline

L'équipe a utilisé le lambda-trititanium-pentoxyde substitué par un métal (λ-M X Ti 3 O 5 ) au cours des expériences pour réaliser des matériaux de stockage de chaleur qui peuvent absorber la chaleur perdue à basse température et présenter des transitions de phase photo-induites et induites par la pression. Les scientifiques avaient déjà signalé plusieurs types de λ-Ti substitué par un métal 3 O 5. Dans ce travail, Nakamura et al. a étudié 54 éléments en tant que cations métalliques adaptés à la substitution métallique de l'ion Ti dans λ-Ti 3 O 5 . Parmi ceux-ci, seuls six avaient un effet stabilisant dont le scandium, niobium, tantale, zirconium, hafnium et tungstène. L'équipe a ensuite rapporté la synthèse de la structure cristalline et des propriétés de stockage de chaleur du λ-Ti substitué par Sc. 3 O 5 dans la phase .

Pour synthétiser le composé Sc-substitué, Nakamura et al. utilisé une technique de fusion à l'arc dans une atmosphère d'Argon. Pendant le processus, ils ont mélangé des précurseurs de Sc 2 O 3 , TiO 2 et des poudres de Ti pour préparer une pastille de 8 mm du mélange façonnée en une boule sphérique. Ensuite, à l'aide de mesures de fluorescence X (XRF), ils ont déterminé la formule de l'échantillon (Sc 0,9 Ti 2,91 O 5 ) et effectué la diffraction des rayons X synchrotron (SXRD) pour déterminer la structure cristalline. Les résultats correspondaient à la structure cristalline du λ-Ti 3 O 5 avec 0,4 pour cent d'expansion après substitution du métal. À l'aide d'images de microscopie électronique à transmission à balayage (STEM), l'équipe a obtenu des domaines en forme de bande dans le composé.

L'équipe a ensuite mesuré la transition de phase induite par la pression à l'aide de SXRD (diffraction des rayons X synchrotron) après compression des échantillons avec une presse hydraulique. Lorsque la pression a augmenté, la fraction de phase de l'échantillon a diminué, et la fraction de phase a augmenté dans un processus réversible. Ils ont mesuré la masse d'absorption de chaleur de l'échantillon après la transition de phase induite par la pression (phase λ à β) en utilisant la calorimétrie différentielle à balayage (DSC). Ils ont noté l'absorption de chaleur du matériau avec un pic d'absorption à 67 degrés C et ont observé des transitions de phase répétées induites par la pression et la chaleur. Pendant les transitions de phase de la phase à la phase , la température de stockage de chaleur a été remarquablement réduite d'une valeur précédemment enregistrée de 197 degrés C à 67 degrés C dans le présent travail.

Rapports précédents sur λ-Ti 3 O 5 a également attribué la transition de phase réversible entre la phase et la phase par la pression et la chaleur à la barrière énergétique entre les deux phases, qui provient de l'interaction élastique au sein du matériau. Pour comprendre les mécanismes de stockage de chaleur à long terme et de libération d'énergie thermique induite par basse pression dans cette configuration, Nakamura et al. a calculé l'énergie libre de Gibbs du système. Pour ça, ils ont utilisé un modèle thermodynamique basé sur le Slichter et Drickamer (modèle SD). Pendant le processus de transition de phase, les scientifiques ont pu maintenir la phase pendant une période prolongée car la barrière énergétique entre les deux phases empêchait le transfert immédiat de la phase dans la phase . Le Sc résultant 0,9 Ti 2,91 O 5 préparé dans le travail a montré une bonne stabilité et a pu être maintenu parfaitement pendant environ huit mois à un an à partir de la mesure XRD.

Les scientifiques ont étudié le système de stockage de chaleur avec du λ-Ti substitué par Sc 3 O 5 dans un cadre pratique en pompant de l'eau de refroidissement pour une turbine dans une centrale électrique à partir d'une rivière ou d'une mer. Au fur et à mesure que l'eau traversait la turbine, sa température a augmenté en raison de l'échange de chaleur, transfert de l'énergie de l'eau chaude au -Ti substitué par Sc 3 O 5 matériaux utilisés dans les réservoirs. Pendant ce temps, eau à énergie thermique réduite restituée au fleuve ou à la mer. Énergie stockée dans le -Ti substitué par Sc 3 O 5 pourrait être libérée sous forme d'énergie thermique en appliquant une pression pour l'utilisation de l'énergie à la demande. Nakamura et al. envisager de fournir l'énergie thermique stockée à des bâtiments ou des installations industrielles proches des centrales électriques sans utiliser d'électricité.

De cette façon, Yoshitaka Nakamura et ses collègues ont démontré des céramiques de stockage de chaleur à base de λ-Ti substitué par Sc 3 O 5, qui absorbe la chaleur de l'eau. Sur la base des calculs des premiers principes, ils ont synthétisé du -Ti substitué par Sc 3 O 5 céramique avec une absorption de chaleur inférieure à 100 degrés C. Le matériau d'absorption de chaleur récupère l'énergie thermique de l'eau de refroidissement dans les turbines des centrales électriques et pourrait être facilement contrôlé en modifiant la teneur en Sc dans Ti 3 O 5 par rapport à l'application de l'intérêt. En plus de ses fonctions dans les centrales électriques, les scientifiques proposent d'utiliser les matériaux pour des fonctions de stockage de chaleur en récupérant la chaleur résiduelle des appareils ordinaires tels que les téléphones portables, véhicules de transport, des usines et des appareils électroniques.

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