החוקרים לומדים תהליכים תרמודינמיים בטמפרטורת טמפרטורה גבוהה במיוחד

Anonim

תכונות תרמודינמיות של תרכובות כגון תחמוצת אלומיניום, אשר ידועים כחומרים עקשן כי הם נמס בטמפרטורות מעל 2, 000 מעלות צלזיוס (3, 632 פרנהייט), היה קשה ללמוד כי כמה כלי יכול לעמוד בחום כדי להכיל אותם, ואלה שעושים לעתים קרובות להגיב עם להמיס ולזהם אותו.

עכשיו חוקרים MIT הם לראווה שיטה פחות אלקטרוכימי מכולה ללמוד את התכונות התרמודינמיות של אלה נמס חם במאמר שפורסם בכתב העת של האגודה האלקטרוכימית.

"יש לנו טכניקה חדשה אשר מדגימה כי הכללים של אלקטרוכימיה הם עקבו אחר אלה נמס עקשן, " אומר המחבר הבכיר אנטואן אלנור, פרופסור מטלורגיה. "יש לנו כעת ראיות לכך melts אלה הם יציבים מאוד בטמפרטורה גבוהה, יש להם מוליכות גבוהה."

התאמת הדמיה תרמית (או ארק הדמיה) תנור בשימוש נפוץ יותר לצמיחה גביש אזור צף, סטודנט לתואר שני MIT בראד Nakanishi מומס אלומינה (אלומיניום תחמוצת) מוט ופנה טיפה תליון נוזלי שהיא יצרה עם אלקטרודות, יצירת תא אלקטרוכימי כי מותר הפירוק של אלקטרוליט טהור, אלומינה גז חמצן סגסוגת אלומיניום על ידי אלקטרוליזה בפעם הראשונה. תחמוצת האלומיניום עצמה משמשת אלקטרוליט בתא אלקטרוכימי זה, הפועל באופן דומה לאלקטרוליזה של מים.

"מדידות מתח הפירוק מעניקות לנו גישה ישירה למאפיין התרמודינמי המהותי הפוטנציאל הכימי, הנקרא גם אנרגיית גיבס", מסביר Nakanishi. "הראינו שאנחנו עושים מדידות אלקטרוכימיות במחלקה חדשה של אלקטרוליטים, תחמוצות עקשן מותכת."

השינוי באנרגיה זו של גיבס, או פוטנציאל כימי, ביחס לטמפרטורה ידוע כאנטרופיה. "בטמפרטורות גבוהות, האנטרופיה חשובה מאוד ומאתגרת מאוד לחיזוי, כך שיש יכולת למדוד אנטרופיה במערכות אלה הוא המפתח", אומר Nakanishi.

אגל תלוי

באמצעות טכניקה זו, ארבע מנורות קסנון משתקף לחדד על קצה המדגם, נמס טיפה נוזלית, אשר מוחזק על המוט על ידי מתח פני השטח במהירות מתגבש לאחר כיבוי האורות. בעוד טיפות הוא נוזלי, האלקטרודות הן הרים לתוך טיפה כדי להשלים מעגל חשמלי, עם אלומינה נוזלי עצמו מתפקד כמו אלקטרוליט.

"זה משהו שאנחנו לא רואים לעשות אחרת, כמו גם, עושה אלקטרוכימיה ב טיפה תלויה מעל 2000 C", אומר Nakanishi.

אגל תלוי תלוי בעל מתח גבוה יחסית לצפיפותו.

"ריכוז של אנרגיית האור, אזור חם, תרמי תרמי גדול הנוכחי, מאפשר לנו בצורה מבוקרת מאוד ליצור מצב עבור טיפות יציב הקשר אלקטרודה", אומר Nakanishi. "זה נשמע מאתגר, אבל השיטה שעיבדנו היא פשוטה ומהירה לפעול בפועל, בין השאר, על מצלמה המאפשרת תצפית מתמשכת של הטיפות והאלקטרודות במהלך הניסוי".

Allanore אומר את היציבות של תחמוצת אלומיניום נוזלי בחירה חכמה של חומרים אלקטרודה לאפשר מדידה של רמות אנרגיה מוגדרות היטב.

"העיתון מראה שאנחנו יכולים כעת למדוד תכונות תרמודינמיות בסיסיות של נמס כזה", אומר אלנור. "במקרה של אלומינה מותכת, למעשה הצלחנו לחקור את המאפיין של המוצר קטודה.כאשר אנו decompose תחמוצת אלומיניום, כדי חמצן בצד אחד (האנודה) ואלומיניום בצד השני (קתודה), אז זה נוזלי אלומיניום אינטראקציה עם האלקטרודה, אשר היה אירידיום במקרה זה, "הוא אומר.

וידאו של תא ההפעלה מראה בועות גז חמצן להרכיב בתוך התא כמו אלומינה מתפוררת אלומיניום על הקתודה (האלקטרודה טעונה שלילית) וחמצן טהור באנודה אירידיום (האלקטרודה טעונה חיובי). האלומיניום עושה אינטראקציה עם קטודה אירידיום, אשר אושרה על ידי חלקי ההיתוך ואת התמונות שלאחר הניסוי של מיקרו מראה הפקדה מסגסוגת אלומיניום אירידיום.

"עכשיו אנחנו יכולים לחשב את המאפיין התרמודינמי של סגסוגת זו, של האינטראקציה הזאת, שהיא משהו שלא נמדד מעולם, זה היה מחושב וחזוי.זה מעולם לא נמדד.במסמך זה אנו מאשרים למעשה תחזיות מ חישוב באמצעות השיטה שלנו, "אומר אלנורה.

כוחות ניבוי חדשים

עבור שאלות מפתח תעשייתי, כגון כמה חם מנוע טורבינה יכול לרוץ, מהנדסים צריכים נתונים תרמודינמיים על מצב מוצק והן נוזלי של סגסוגות מתכת, בפרט, אזור המעבר שבו נמס מוצק. "אנחנו לא כל כך גדול על המדינה נוזלי, ובטמפרטורה גבוהה יש לנו גם הרבה בעיות מדידה גיבס אנרגיה במצב נוזלי", אומר Nakanishi.

"כאן אנחנו מוסיפים נתונים ניסיוניים", הוא אומר. "יצרנו שיטה שבאמצעותה ניתן למדוד את האנרגיה החופשית של גיבס של נוזל, אז עכשיו בשילוב עם היכולת שלנו מוצק, אנחנו יכולים להתחיל להודיע ​​דברים כמו אלה טמפרטורות המעבר בין שאלות תרמודינמיות אחרות, אשר קשורות ליציבות החומר. "

להמיס הוא יונית, המכיל תערובת של אניונים חמצן טעונים שלילית אטומי חמצן נייטרלי, כמו גם קטיני אלומיניום טעונה חיובי ואטומי אלומיניום ניטרלי.

"המשמעות החשובה של ממצאי המחקר של ברדלי נקנישי ושל אנטואן אלאנור היא היכולת לקבוע פרמטרים תרמודינמיים (למשל, פעילות תרמודינמית) בטמפרטורות גבוהות מ -1, 600 C ממדידות אלקטרוכימיות עבור תחמוצות מותכות, כמו גם את תחולתו של אלקטרוליט רחב יותר תחמוצת מותכת למלח מותך ", אומר אוניברסיטת טקסס באוניברסיטת אל פאסו, פרופסור להנדסת מכונות, ארתורו ברונסון, שלא היה מעורב במחקר זה. בנוסף, היחס האפשרי ללחץ החלקי של החמצן ליון החמצן החופשי כפוי, יאפיין את השפעתו על הקטיונים והאניונים הקשורים בתוך התחמוצת המותכת על מנת להסביר התנהגות תרמודינמית בין המתכת הנוזלית לבין תחמוצת נוזלית.

"איכות המחקר היא גישה ברמה עולמית שפותחה עבור ניסויים ניסויים קשים של תגובות טמפרטורה גבוהה במיוחד של נוזלים מתכות תחמוצות נוזלי, במיוחד עם הכללת אלקטרוסקופיה עכבה אלקטרוכימיים", אומר ברונסון. עם זאת, מגבלה של המחקר היא חוסר הוודאות של מדידות הטמפרטורה בטווח של פלוס או מינוס 10 מעלות צלזיוס. "חוסר הוודאות של הפרמטרים נמדד יהיה בסופו של דבר תלוי הדיוק של הטמפרטורה נמדדת (כבר פלוס או מינוס 10 קלווין), מכיוון שהפרמטרים האלקטרוכימיים (כלומר, המתח והזרם) יהיו תלויים בבירור באי-ודאות הטמפרטורה ", מסביר ברונסון.

עוד אפשרויות אלקטרוליט

Allanore מציין כי אלקטרוכימיה היא אחת הטכנולוגיות עיבוד סלקטיבי ביותר, "אבל עד היום זה היה מאתגר מאוד ללמוד את האלקטרוכימיה עם אלה טמפרטורות גבוהות נמס."

הבחירה אלקטרוליט הוא המפתח לתכנון תהליכים חדשים עבור מיצוי אלקטרוכימיים של מתכות תגובתי, ואת העבודה החדשה מוכיח כי אלקטרוליטים יותר זמינים לחלץ מתכות. "עכשיו אנחנו יכולים ללמוד את מסיסות של עפרות המכילות תחמוצות מתכת עקשן ב melts אלה.אז אנחנו בעצם עכשיו להוסיף לפחות שלושה או ארבעה אלקטרוליטים המועמד שניתן להשתמש בהם עבור מיצוי מתכת, במיוחד עבור מה שאנו קוראים מתכות תגובתי כגון אלומיניום, ניוביום, טיטניום או את האדמה הנדירה ", מוסיף אלנור. המחקר מומן על ידי משרד המחקר הימי של ארה"ב.

עבודה עתידית יתמקד ביישום אלה בטכניקות אלקטרוכימיות בטמפרטורה גבוהה כדי לחקור את הפוטנציאל להפריד באופן סלקטיבי את תחמוצות כדור הארץ נדיר. אף על פי שנדרש רק בכמויות קטנות יחסית בדרך כלל, אלמנטים בודדים הארץ נדיר חיוניים עבור יישומים עתירי טק, כולל טלפונים סלולריים וכלי רכב חשמליים. שיטות מבוססות היטב כדי לרכז תחמוצות כדור הארץ נדיר מן עפרות לייצר תערובת של 14 תחמוצות כדור הארץ נדיר, הערות Allanore. "אם היינו משתמשים בתערובת תחמוצת כדור הארץ הנדירה כמו אלקטרוליט שלנו, היינו יכולים להפריד באופן סלקטיבי בין מתכת אחת נדירה מ -13 האחרים", הוא אומר.

חדש, חומרים יציבים כגון תחמוצות כדור הארץ נדיר שיכול לעמוד בטמפרטורות גבוהות נדרשים לשימושים מגוונים כמו בניית מטוסים מהירים יותר והארכת החיים של תחנות כוח גרעיניות. אבל מדינה אחת, סין, בעלת מונופול קרוב על ייצור אלמנטים נדירים של כדור הארץ. "הפרדתם של עולמות נדירים זה מזה היא האתגר המרכזי בהפקת מיצוי מתכות עפר נדירות יותר בר קיימא מבחינה כלכלית", אומר Nakanishi.

בעוד העיתון שפורסם לאחרונה בוחן אלקטרוליט אחד, תחמוצת אלומיניום בפני עצמה, Nakanishi אומר "המטרה שלנו היא להרחיב את הגישה הזו, כך שנוכל למדוד את הפוטנציאל הכימי, אנרגיית גיבס, באלקטרוליטים מרובי רכיבים".

"זה פותח את הדלת למועמדים רבים יותר עבור אלקטרוליטים שאנחנו יכולים להשתמש כדי לחלץ מתכות, וגם לעשות חמצן", הוא אומר.

יכולת זו למצות חמצן כתוצר לוואי במקום פחמן חד חמצני או דו תחמוצת הפחמן יש פוטנציאל להפחית פליטת גזי החממה והתחממות כדור הארץ.

menu
menu