作者:Thamarasee Jeewandara，科学X网络，物理
（同organic）有机 地层能量的第一性原理计算
(一)元素周期表，由λ-Ti3O5的总电子能量着色，带有元素取代
蓝色元素是那些取代的λ-Ti3O5显示出比纯的λ-Ti3O5更低的形成能的元素
橙色元素是取代的λ-Ti3O5显示出更高的形成能的元素
(B)按原子序数顺序计算的λ-axti 3 xO5(A，三价元素)和(C) λ-BxTi3-xO5 (B，四价元素)的总电子能量
在第一性原理计算中，λ-Ti3O5中三个钛位置中的一个被有色元素取代
λ-axti 3 xO5中的元素A取代了Ti1位点
λ-BxTi3-xO5中的B元素取代了Ti2位点
蓝色和橙色方块表示元素取代的λ-Ti3O5分别显示较低的形成和较高的形成能量
黑色正方形表示纯λ-Ti3O5
学分:科学进步，doi: 10
1126/sciadv
aaz5264 热电厂和核电厂产生的热能大约有70%作为废热损失掉了，其温度低于水的沸点
在最近的一份《科学进展》报告中，中村善孝和日本的一个化学、材料和技术研究小组开发了一种长期储热材料，可以在38摄氏度(311 K)至67摄氏度(340 K)的温暖温度下吸收热能
他们使用钪取代的λ-五氧化三钛(λ-ScxTi3 xO5)组成了独特的系列材料
该结构从热水中积累热能，并在施加压力时释放积累的热能
这种新材料有潜力积累核电站和热电厂产生的热水热能，然后根据外部压力按需回收储存的热能
该材料也适用于工业工厂和汽车的余热回收
形成能的第一性原理计算和确定晶体结构 研究小组在实验中使用金属取代的λ-五氧化二钛(λ-MxTi3O5)来实现储热材料，该储热材料可以吸收低温废热并表现出光和压力诱导的相变
科学家们以前曾报道过几种金属取代的λ-Ti3O5
在这项工作中，中村等人
考察了54种元素作为金属阳离子，适用于λ-Ti3O5中钛离子的金属取代
其中，只有六种具有稳定作用，包括钪、铌、钽、锆、铪和钨
该小组随后报道了λ相中Sc取代的λ-Ti3O5的晶体结构和储热性能的合成
λ-Sc0的合成、晶体结构和形貌
09Ti2
91O5
(A) λ-Sc0
09Ti2
91O5样品合成
制备直径为8毫米的Sc2O3、二氧化钛和钛金属的粒状混合物粉末，熔化，并在电弧熔化过程中快速冷却
在熔化过程之后，用手研磨固化的(准备好的)样品
图片来源:松下公司中村善隆
(二)同步加速器x光衍射(SXRD)模式的准备Sc0
09Ti2
91O5样品在室温下收集，λ = 0
420111 Å
上部蓝色条和下部橙色条代表λ-Sc0的布拉格反射的计算位置
09Ti2
91O5和β-Sc0
09Ti2
91O5
粉末样品的扫描电子显微镜图像显示粒度低于100微米
粉末样品中的颗粒被聚焦离子束切割
STEM图像显示尺寸约为100纳米× 200纳米的条状区域
比例尺在扫描电镜图像中显示为100微米，在茎图像中显示为100纳米
学分:科学进步，doi: 10
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aaz5264 为了合成钪取代的化合物，中村等人
在氩气氛中使用电弧熔化技术
在这个过程中，他们混合了三氧化二钪、二氧化钛和钛粉末的前体，制备了一个8毫米的球状混合物小球
然后使用x光荧光(XRF)测量，他们确定了样品的配方(Sc0
9Ti2
91O5)，并进行同步辐射x光衍射(SXRD)以确定晶体结构
结果与λ-Ti3O5的晶体结构一致
金属置换后膨胀4%
利用扫描透射电子显微镜(STEM)图像，研究小组获得了化合物中的条状区域
压力诱导相变和蓄热过程
(一)Sc0的SXRD模式
09Ti2
压缩后在室温和环境压力下测得的91O5介于0
2和1
7 GPa，带液压机(λ = 0
420111 Å)
随着压力增加，λ-(20-3)和λ-(203)峰(蓝色)减少，β-(20-3)峰(橙色)增加，表明压力诱导的相变
a
u
，任意单位
(二)Sc0相分数的压力依赖性
09Ti2
91O5根据(A)中的SXRD模式计算
转换压力(相变压力)出现在670兆帕
(三)Sc0的SXRD模式
09Ti2
在27℃(300℉)和300℃(573℉)之间测得的91O5λ = 0
999255 Å)
λ和β峰在50°C(323° K；橙色)，然后在75°C(348K；蓝色)
λ相在175°C(448K；黑色)但冷却后会恢复
(四)Sc0的差示扫描量热图
09Ti2
91O5在67℃(340K)时显示吸热反应
样本以1压缩
变温SXRD和差示扫描量热图测量前为7 GPa
学分:科学进步，doi: 10
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aaz5264 压力诱发的相变、储热特性和长期储热机制 在用液压机压缩样品后，研究小组接着用SXRD(同步加速器x光衍射)测量了压力诱导的相变
当压力增加时，样品的λ相分数降低，β相分数增加，呈可逆过程
他们使用差示扫描量热法测量了压力诱导相变(λ-到β-相)后样品的吸热质量
他们注意到该材料的吸热峰值在67摄氏度，并观察到反复的压力和热诱导相变
在从β相到λ相的相变过程中，储热温度从先前记录的197摄氏度显著降低到目前工作中的67摄氏度
长期蓄热和压力诱导相变的机理
吉布斯自由能(Gsys)与λ相分数(x)的关系曲线，从420到200 K，间隔20 K，由标清模型计算
蓝色球体表示λ相的热总体
(二)计算的λ相(蓝色)和β相(红色)分数的温度依赖性
(C)环境压力为0时，Gsys与x的关系
300 K时为1，400和700兆帕
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aaz5264 以前关于λ-Ti3O5的报道也将λ-相和β-相之间的可逆相变归因于两相之间的能垒，这种能垒源于材料内部的弹性相互作用
为了理解在这个装置中长期热储存和低压诱导热能释放的机制，Nakamura等人
计算系统的吉布斯自由能
为此，他们使用了一个基于Slichter和Drickamer (SD模型)的热力学模型
在相变过程中，由于两个相之间的能垒阻止了λ相立即转变为β相，科学家可以长时间保持λ相
由此产生的Sc0
9Ti2
本工作制备的91O5显示出良好的稳定性，从XRD测量可以很好地保持约8个月至1年
钪取代λ-Ti3O5在电厂中的应用
使用钪取代的λ-Ti3O5蓄热陶瓷的热能回收系统示意图
发电厂涡轮机的冷却水是从河流或海洋中抽取的
水在通过涡轮机进行热交换后变热
这种热水能量储存在含有钪取代的λ-Ti3O5蓄热陶瓷的水箱中
热能减少的水返回河流或海洋，减缓了海水温度的上升
储能Sc取代的λ-Ti3O5储热陶瓷可以通过施加压力向建筑物或工业厂房提供热能
此外，储能陶瓷可以用卡车运到很远的地方
学分:科学进步，doi: 10
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aaz5264 概念证明 科学家们通过从河流或海洋中为发电厂的涡轮机抽取冷却水，在实际环境中研究了用钪取代的λ-Ti3O5的储热系统
当水通过涡轮机时，由于热交换，其温度升高，将热水的能量传递给水箱中使用的Sc取代的λ-Ti3O5材料
与此同时，热能减少的水返回河流或海洋
储存在钪取代的λ-Ti3O5中的能量可以通过施加压力以热能的形式按需释放
Nakamura等人
设想在不使用电力的情况下，将储存的热能提供给靠近发电厂的建筑或工厂
通过这种方式，中村义孝和他的同事展示了基于Sc取代的λ-Ti3O5的储热陶瓷，它从水中吸收热量
基于第一性原理计算，他们合成了吸热低于100℃的Sc取代的λ-Ti3O5陶瓷
吸热材料从发电厂涡轮机的冷却水回收热能，并且可以通过改变Ti3O5中的钪含量相对于所关注的应用来容易地控制
除了在发电厂中的功能之外，科学家们还建议将这些材料用于储热功能，方法是从手机、运输工具、工厂和电子设备等常规设备中收集余热
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