Calcolo ab initio per la struttura elettronica e le proprietà ottiche del carburo di tungsteno in un TiCN

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 9407 (2023) Citare questo articolo

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Presentiamo un calcolo ab initio per comprendere le strutture elettroniche e le proprietà ottiche di un WC in carburo di tungsteno che è un componente importante di un cermet a base di TiCN. Il cermet a base di TiCN è ampiamente utilizzato come utensile da taglio e viene scartato come al solito dopo l'uso. D'altro canto, il cermet stesso è anche un famoso ingrediente di una pellicola per l'assorbimento solare. Abbiamo scoperto che il WC ha un'eccitazione del plasma a energia abbastanza bassa \(\sim\) 0,6 eV (2 \(\upmu\)m) e quindi può essere un buon costituente di un assorbitore selettivo solare. La cifra di merito valutata per la conversione fototermica è decisamente elevata rispetto a quella degli altri materiali inclusi nel cermet a base di TiCN. La parte immaginaria della funzione dielettrica è considerevolmente piccola attorno al punto zero della parte reale della funzione dielettrica, corrispondente all'energia di eccitazione del plasma. Pertanto è apparso un bordo al plasma chiaro, che garantisce l'elevata prestazione del WC come assorbitore solare. Questo è un aspetto affascinante, perché l’utensile da taglio in cermet a base TiCN scartato può essere riciclato come pellicola di assorbimento solare dopo adeguati trattamenti e modifiche.

La sostituzione dei combustibili fossili con fonti energetiche rinnovabili è stata oggetto di studi approfonditi negli ultimi anni. L’energia solare è stata considerata un’alternativa promettente per risolvere i problemi energetici globali grazie alla sua abbondanza1. L’esplorazione di tecnologie sostenibili ed ecocompatibili è stata considerata significativa per ottenere l’uso pratico della raccolta dell’energia solare. La conversione fotovoltaica è la tecnologia più diffusa per generare direttamente energia elettrica dall'energia solare. D'altro canto, sono stati commercializzati anche assorbitori solari a base di cermet per ottenere energia termica dalla luce solare2. Una delle tecnologie collaudate è la centrale solare a concentrazione, che genera l'elettricità tramite una turbina a vapore. L'energia termica può essere immagazzinata per generare elettricità quando il sole non splende più. Lo stoccaggio dell'energia termica è significativamente più economico rispetto ad altri sistemi di stoccaggio dell'energia (ad esempio le batterie)3. Tuttavia, sono stati identificati tre limiti di un assorbitore solare artificiale per migliorare il sistema solare termico4. Innanzitutto, gli assorbitori solari ad alta efficienza sono realizzati attraverso progetti complicati utilizzando metamateriali strutturati al di sotto della lunghezza d’onda. In secondo luogo, i metodi di preparazione tradizionali richiedono costose apparecchiature di deposizione sotto vuoto e target ad elevata purezza per creare una superficie multistrato. In terzo luogo, la stabilità termica è insufficiente per mantenere il loro assorbimento selettivo spettrale durante il funzionamento ad alta temperatura a lungo termine.

Il Cermet è un composito di metallo e ceramica con proprietà di durezza, stabilità termica e antiossidante. Un tipico assorbitore solare è mostrato in Fig. 1a1,2. L'assorbitore solare a base di cermet è costituito da uno strato di cermet come assorbitore con uno strato antiriflesso nella parte superiore e un riflettore a infrarossi nella parte inferiore. L'assorbitore solare selettivo svolge un ruolo importante per ottenere prestazioni elevate come assorbitore solare. La potenza emissiva del corpo nero aumenta significativamente alle alte temperature, determinando una grande perdita di calore radiativo dall'assorbitore. Un assorbitore solare selettivo ideale dovrebbe avere un elevato assorbimento solare e una bassa emissività termica come descritto con una linea verde in Fig. 1b con una lunghezza d'onda di taglio di 2,0 \(\upmu\)m5. Gli assorbitori a base di cermet sono stati ben studiati con ossidi con particelle metalliche. La funzione dielettrica del composito è controllata aumentando la frazione volumetrica del metallo per diminuire le frequenze dei picchi di assorbimento analizzati mediante approssimazione di Bruggeman3.

(a) Una figura schematica di un assorbitore solare a base di cermet costituito da uno strato antiriflesso, uno strato di cermet e uno strato riflettente gli infrarossi. (b) Una figura schematica per vedere le prestazioni ottiche richieste come assorbitore solare. Una curva continua rossa descrive il potere spettrale della luce solare compreso tra 0,3 e 2,0 \(\upmu\)m, e una curva continua blu è il potere spettrale dell'irradiazione termica del corpo nero. Pertanto, 2 \(\upmu\)m è una lunghezza d'onda di taglio che garantisce un elevato assorbimento solare e una bassa emissività termica. Idealmente, come assorbitore solare è preferibile un materiale con uno spettro di assorbimento \(A(\lambda )\) descritto con una linea continua verde.