Вода усиливает способность материала поглощать и отдавать тепло

Японские исследователи продемонстрировали, как улучшить свойство обычного материала поглощать и отдавать тепловую энергию без разложения, что полезно, когда утилизируется сбросное тепло промышленных предприятий. Материал содержит в себе молекулы воды, которая взаимодействует с окружающим воздухом: теплообменные процессы проходят интенсивнее.

За образец взяли слоистый минерал - оксид марганца, который содержит ионы калия и кристаллическую воду. Этот материал очень похож на бернессит - распространенная на земле порода, которая привлекает внимание из-за своих способностей накапливать энергию и выступать как катализатор гидролиза.

Исследователи из Университета Тохоку и корпорации Rigaku, которая разрабатывает и производит инструменты для измерений и термического анализа на основе рентгеновских лучей, наблюдали, как структура соединения менялась при нагреве и охлаждении. При это измеряли количество и скорость накопления и высвобождения тепловой энергии. Чёрный порошок просвечивали электронным микроскопом и записывали показания рентгеновского дифрактометра.

Материал отлично сохраняет и выделяет тепло благодаря механизму, который известен как «интеркаляция воды». Когда на материал воздействует тепло, молекулы воды внутри слоистой структуры получают энергию и выходят в окружающее пространство. Обезвоженный материал хранит тепловую энергию до тех пор, пока не будет насыщен влажным воздухом, после чего поглотит молекулы воды и снова выделит тепло.

«Быстрый и обратимый процесс, и структура материала сохраняет свои свойства. Кислород из атмосферы не разрушает кристаллы оксида марганца, а вода не растворяет материал, который хорошо подходит для утилизации сбросного тепла в промышленных установках».

Материал при температуре 200 ⁰C обезводился. Затем обезвоженный материал охладили до температуры ниже 120 ⁰C в сухом контейнере. В присутствие влажного воздуха молекулы воды поглощались, а накопленное тепло выделялось. Плотность энергии материала составляет более 1000 МДж/м³. Заряжается и разряжается за несколько минут, срок службы - длительный.

Связанная статья журнала Nature Communications: https://doi.org/10.1038/s41467-022-28988-0

Источник: Университет Тохоку, http://www.tohoku.ac.jp/en/press/material_that_could_save_industries_heat.html