Cálculo ab initio para estrutura eletrônica e propriedade óptica de carboneto de tungstênio em um TiCN

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 9407 (2023) Cite este artigo

1 Altmétrica

Detalhes das métricas

Apresentamos um cálculo ab initio para entender estruturas eletrônicas e propriedades ópticas de um WC de carboneto de tungstênio sendo um componente principal de um cermet à base de TiCN. O cermet à base de TiCN é amplamente utilizado como ferramenta de corte, sendo descartado normalmente após o uso. Por outro lado, o próprio cermet também é um ingrediente famoso de um filme de absorção solar. Descobrimos que o WC tem uma excitação de plasma de baixa energia \(\sim\) 0,6 eV (2 \(\upmu\)m) e, portanto, pode ser um bom constituinte de um absorvedor solar seletivo. A figura de mérito avaliada para a conversão fototérmica é proeminentemente alta em comparação com as dos outros materiais incluídos no cermet à base de TiCN. A parte imaginária da função dielétrica é consideravelmente pequena em torno do ponto zero da parte real da função dielétrica, correspondendo à energia de excitação do plasma. Portanto, uma borda de plasma clara apareceu, garantindo o alto desempenho do WC como absorvedor solar. Este é um aspecto fascinante, porque a ferramenta de corte de cermet à base de TiCN desperdiçada pode ser reciclada como filme de absorção solar após tratamentos e modificações adequados.

A substituição de combustíveis fósseis por fontes renováveis ​​de energia tem sido intensamente investigada nos últimos anos. A energia solar tem sido considerada uma alternativa promissora para resolver os problemas energéticos globais devido à sua abundância1. Explorar tecnologias sustentáveis ​​e ecológicas tem sido considerado significativo para alcançar o uso prático da colheita de energia solar. A conversão fotovoltaica é a tecnologia mais difundida para gerar energia elétrica diretamente a partir da energia solar. Por outro lado, absorvedores solares à base de cermet também têm sido comercializados para obtenção de energia térmica a partir da luz solar2. A usina de energia solar concentrada é uma das tecnologias comprovadas, que gera eletricidade por meio de uma turbina a vapor. A energia térmica pode ser armazenada para gerar eletricidade quando o sol não está mais brilhando. O armazenamento de energia térmica é significativamente mais barato do que outro sistema de armazenamento de energia (por exemplo, baterias)3. No entanto, três limitações de um absorvedor solar artificial foram identificadas para melhorar o sistema solar térmico4. Primeiro, os absorvedores solares com alta eficiência são feitos por meio de projetos complicados usando metamateriais estruturados em comprimento de onda inferior. Em segundo lugar, os métodos tradicionais de preparação requerem equipamentos caros de deposição a vácuo e alvos de alta pureza para criar uma superfície multicamadas. Em terceiro lugar, a estabilidade térmica é insuficiente para manter sua absortância seletiva espectral durante a operação de alta temperatura a longo prazo.

Cermet é um composto de metal e cerâmica com dureza, estabilidade térmica e propriedades anti-oxidação. Um absorvedor solar típico é mostrado na Fig. 1a1,2. O absorvedor solar à base de cermet consiste em uma camada de cermet como absorvedor com uma camada anti-reflexo na parte superior e um refletor infravermelho na parte inferior. O absorvedor solar seletivo é um papel importante para alcançar o alto desempenho como absorvedor solar. O poder emissivo do corpo negro aumenta significativamente em alta temperatura, resultando em grande perda de calor por radiação do absorvedor. Um absorvedor solar seletivo ideal deve ter alta absortividade solar e baixa emissividade térmica, conforme descrito com uma linha verde na Fig. 1b com comprimento de onda de corte de 2,0 \(\upmu\)m5. Os absorventes à base de cermet têm sido bem investigados com óxidos com partículas metálicas. A função dielétrica do compósito é controlada pelo aumento da fração de volume do metal para diminuir as frequências dos picos de absorção analisados ​​pela aproximação de Bruggeman3.

(a) Uma figura esquemática de um absorvedor solar à base de cermet consistindo de uma camada antirreflexo, uma camada de cermet e uma camada refletora de infravermelho. (b) Uma figura esquemática para ver o desempenho óptico necessário como absorvedor solar. Uma curva sólida vermelha descreve a potência espectral da luz solar variando de 0,3 a 2,0 \(\upmu\)m, e uma curva sólida azul é a potência espectral da irradiação térmica do corpo negro. Assim, 2 \(\upmu\)m é um comprimento de onda de corte que garante alta absortividade solar e baixa emissividade térmica. Idealmente, um material com um espectro de absortividade \(A(\lambda )\) descrito com uma linha sólida verde é preferível como absorvedor solar.