De studie en ontwikkeling van BaZrO3 oplossingen, suspensies en inkten

Katrien De Keukeleere
 Supergeleiding: de toekomst?In een belangrijk deel van de geïndustrialiseerde wereld wordt de elektriciteitopwekking momenteel ingenomen door kerncentrales. De controversiële discussie omtrent kernafval en milieuvervuiling voor de volgende generaties zijn alom bekend. Mede na de ramp in Fukushima wordt daarom zeer intensief op zoek gegaan naar methoden die elektriciteit op een groene en duurzame manier produceren. Hierbij hebben zonnecellen een goede opmars gemaakt, maar deze alleen voldoen niet aan de grote vraag naar efficiënte en milieuvriendelijke elektriciteit.

De studie en ontwikkeling van BaZrO3 oplossingen, suspensies en inkten

 Supergeleiding: de toekomst?

In een belangrijk deel van de geïndustrialiseerde wereld wordt de elektriciteitopwekking momenteel ingenomen door kerncentrales. De controversiële discussie omtrent kernafval en milieuvervuiling voor de volgende generaties zijn alom bekend. Mede na de ramp in Fukushima wordt daarom zeer intensief op zoek gegaan naar methoden die elektriciteit op een groene en duurzame manier produceren. Hierbij hebben zonnecellen een goede opmars gemaakt, maar deze alleen voldoen niet aan de grote vraag naar efficiënte en milieuvriendelijke elektriciteit. Wind –en waterkrachtenergie kan, zoals geweten, een belangrijk alternatief zijn. Hierin kunnen supergeleidende materialen een belangrijke rol spelen.

Gegenereerde elektriciteit van verschillende energiebronnen moet een grote weg afleggen van de energieleverancier tot de klant. Hierbij wordt momenteel gebruik gemaakt van metalen (vb. koper) die tijdens deze weg, wegens de aanzienlijke weerstand in het materiaal, een groot deel van de elektriciteit laat verloren gaan onder de vorm van warmte. Ook al wordt energie dus opgewekt op een efficiënte en milieuvriendelijke manier, toch wordt veel kostbare elektriciteit ‘verspild’. Er bestaat echter een materiaal dat in staat is de elektrische stroom te geleiden zonder enige vorm van verlies, namelijk een supergeleider. Dit is dus een materiaal dat elektrische stroom super geleidt, met als gevolg ontstaat een zeer grote stroom aan een zeer lage energiekost! In onze energieverslindende maatschappij kan dit een doorbraak betekenen voor het gebruik van meer milieuvriendelijke materialen als alternatief voor stookolie. De supergeleidende materialen met de beste vooruitzichten voor de productie op grote schaal werken bij lage temperatuur (92 Kelvin of -181°C, de zogenaamde ‘kritische temperatuur’ Tc) en bestaan uit de elementen yttrium (Y), barium (Ba), koper (Cu) en zuurstof (O), in de vorm van de YBa2Cu3O7 structuur, ook wel YBCO genaamd. Naast de geleiding van stroom zonder weerstand, bezit een supergeleider een tweede opmerkelijke eigenschap. Het materiaal is namelijk in staat om te zweven boven een permanente magneet. Dit komt doordat de supergeleider het magnetische veld van de permanente magneet volledig uitstoot. Een toepassing hiervan is de MAGLEV (magnetic levitation) trein, waarbij een supergeleider aangebracht is op de trein en de sporen een permanente magneet vormen. Deze trein kan snelheden tot 600km/h halen, doordat het zwevende effect boven de sporen alle wrijving teniet doet.

De masterscriptie die hier besproken wordt heeft tot doel deze supergeleidende materialen milieuvriendelijk te synthetiseren, waarbij enkel onschadelijke en volledig watergebaseerde oplossingen gebruikt worden. Bovendien worden in de supergeleider zeer kleine niet-supergeleidende deeltjes ingebouwd, die de eigenschappen sterk verbeteren, zoals verder uitgelegd.

Supergeleiders worden meestal gebruikt in extreem hoge magneetvelden voor toepassingen in hernieuwbare energie (zoals wind –en waterkrachtenergie), sterke magneten voor medische beeldvorming, motoren, generatoren en transformatoren. De supergeleidende eigenschappen van YBCO gaan echter verloren bij het gebruik van te hoge magneetvelden. De karakteristieke eigenschappen zijn namelijk afhankelijk van twee karakteristieke magnetisch velden Hc1 en Hc2. Als een extern magnetisch veld H kleiner is dan Hc1 bezit de supergeleider zijn optimale eigenschappen. Als Hc1<H<Hc2 bevindt het materiaal zich in een toestand tussen de supergeleidende en normale toestand. In deze intermediaire toestand bezit het materiaal nog steeds supergeleidende eigenschappen, maar zijn ook kernen van normale (niet-supergeleidende) gebieden of vortices aanwezig. Het aangelegde magnetische veld dringt dus als het ware binnen in kleine gebieden van het supergeleidende materiaal. De vortices kan men vergelijken met een windhoos, waarbij in het binnenste van de windhoos alles stil is (normale stroom met weerstand), maar waarbij aan de buitenkant van de windhoos een zeer grote kracht (grote superstroom zonder weerstand) aanwezig is. Deze vortices zullen bewegen o.i.v. een groot extern magnetisch veld H en een aangelegde spanning, door de inwerkende krachten van deze twee. Dit veroorzaakt een elektrische weerstand waardoor de supergeleidende eigenschappen verminderen of in het ergste geval vernietigd worden. Als H>Hc2 ontstaat een volledig ‘normaal’, niet-supergeleidend materiaal. Indien men in staat is om de beweging van de vortices te verminderen of te beletten, dan spreekt men van pinnen. Het pinnen van de vortices kan tot stand gebracht worden door normale materialen zonder supergeleidende eigenschappen of pinningcentra toe te voegen aan de YBCO supergeleider. Hierdoor zijn sterke kernen van normale gebieden reeds aanwezig in de supergeleider, die niet zullen bewegen o.i.v. sterke magnetische velden. Deze normale materialen moeten zeer klein zijn opdat ze de supergeleidende eigenschappen van YBCO zo weinig mogelijk verstoren. Te grote normale materialen zullen anders overheersen t.o.v. het supergeleidend materiaal waardoor het geheel niet meer supergeleidend is. Daarom wordt gebruik gemaakt van nanodeeltjes. Nanodeeltjes zijn heel kleine deeltjes ( ̴10-9m), die niet met het blote oog zichtbaar zijn (ter illustratie: ±70 triljoen nanodeeltjes gaan in één waterdruppel).

Het bereiden van deze nanodeeltjes als pinningcentra was dan ook het doel van de masterscriptie. Bariumzirconaat of BaZrO3 (BZO) werd als pinningcentra gekozen dankzij zijn specifieke eigenschappen (hoog smeltpunt, thermisch stabiel, weinig chemisch reactief…). Dankzij deze eigenschappen kan BZO ook in vele andere toepassingen gebruikt worden: in vele structurele toepassingen, zoals beschermlagen op materialen die onder verhoogde temperaturen werkzaam zijn. Het kan ook toegepast worden in brandstofcellen dat als alternatief voor milieuvriendelijkere batterijen, auto’s en zelfs energiecentrales kan gebruikt worden.

Tijdens de masterscriptie werden kristallijne nanodeeltjes van slechts 5nm gesynthetiseerd door synthese vanuit waterige oplossingen via het eenvoudig gebruik van een microgolfoven. De synthese is snel, milieuvriendelijk en efficiënt. De zuiverheid van de materialen moet verder geoptimaliseerd worden, maar de verwerking van de deeltjes in supergeleidende dunne lagen is aangetoond. Hiervoor werd de eenvoudige techniek ink-jet printen gebruikt. Door de ombouw van het prototype van een kleurenprinter, kunnen dunne lagen en patronen van het supergeleidende materiaal geprint worden op geschikte substraten. Via de energie-efficiënte en milieuvriendelijke synthese, samen met een minimaal materiaalgebruik via precieze printtechnieken, is een stap dichter gezet naar het gebruik van supergeleidende materialen op grote schaal. Hiermee zijn we terug een stap dichter naar de ontwikkeling van materialen met een goede levenscyclus en een lage ‘footprint’ op het gebied van energieverbruik en milieuvervuiling.

Bibliografie

[1]        T. Schneller and T. Schober, Solid State Ionics, 2003. 164(3-4): p. 131-136.

[2]        X. Obradors, T. Puig, A. Palau, A. Pomar, F. Sandiumenge, P. Mele and K. Matsumoto, Comprehensive Nanoscience and Technology. 5.

[3]        Y. Ma and L. Xiao, Chinese Science Bulletin, 2004. 49(23): p. 2435-2439.

[4]        T. Aytug, M. Paranthaman, E.D. Specht, Y. Zhang, K. Kim, Y. Zuev, C. Cantoni, A. Goyal, D. Christen, V. Maroni, Y. Chen and V. Selyamanickam, Superconductor Science & Technology, 2009. 23.

[5]        S. Awaji, M. Namba, K. Watanabe, M. Miura, M. Yoshizumi, T. Isumi and Y. Shiohara, Superconductor Science & Technology, 2009. 23.

[6]        A. Ichinose, N. Kazuaki, H. Tomoya, K. Matsumoto, R. Kita, M. Mukaida, Y. Yoshida and S. Horii, Superconductor Science & Technology, 2007. 20: p. 1144-1150.

[7]        P. Vermeir, I. Cardinael, M. Bäcker, J. Schaubroeck, E. Schacht, S. Hoste and I. Van Driessche, Superconductor Science & Technology, 2009. 22.

[8]        I. Van Driessche, Z. Hens and P. Vander Voort, "Cursus Solid State Chemistry", 2009 - 2010 Ghent University

[9]        H.G. Bohn and T. Schober, Journal of American Ceramic Society, 2000. 83: p. 768-772.

[10]      K. Matsumoto and P. Mele, Superconductor Science & Technology, 2010. 23(1).

[11]      J.L. Macmanus-Driscoll, S.R. Foltyn, Q.X. Jia, H. Wang, A. Serguis, L. Civale, B. Maioriv, M.E. Hawley, M.P. Maley and D.E. Peterson, Nature Materials, 2004. 3(7): p. 439-443.

[12]      I. Van Driessche and B. Glowacki, "Cursus Superconducting Materials", 2010 - 2011 Ghent University

[13]      ISIS - Science & Technology Facilities Council A magnet floating above a superconductor due to the Meissner Effect. Available from: http://www.isis.stfc.ac.uk/learning/materials-world/research/supercondu….

[14]      GITAM, Department of Engineering Physics Available from: http://www.gitam.edu/eresource/Engg_Phys/semester_2/supercon/bcs.htm.

[15]      DPMC, Laboratoy of Atomic & Solid State Physics Meissner effect Available from: http://ln-www.insp.upmc.fr/axe1/Dispositifs%20quantiques/AxeI2_more/VOR….

[16]      Helsinki University of Technology Structure of a single unit cell of YBCO. Available from: http://www.tkk.fi/Units/AES/projects/prlaser/material.htm.

[17]      K. De Buysser, "Cursus Keramische Materialen", 2010 - 2011 Ghent University

[18]      A. Kiessling, J. Hänisch, T. Thersleff, E. Reich, M. Weigand, R. Hühne, M. Sparing, B. Holzapfel, J.H. Durrell and L. Schultz, Superconductor Science & Technology, 2011. 24.

[19]      N. Moutalibi and A. M'chirgui, Jounal of Physics: Conference Series, 2008. 97.

[20]      V. Grosse, S. Engmann, F. Schmidl, A. Undisz, M. Rettenmayr and P. Seidel, physica status solidi (RRL) – Rapid Research Letters, 2010. 4(5-6): p. 97-99.

[21]      P. Mikheenko, J.S. Abeel, A. Sarkar, V.S. Dang, M.M.A. Kechik, K.L. Tanner, P. Paturi, H. Huhtinen, N.H. Babu, D.A. Cardwell and A. Crisan, Journal of Physics: Conference Series, 2010. 234.

[22]      X.M. Cui, B.W. Tao, Z. Tian, J. Xiong, X.F. Zhang and Y.R. Li, Superconductor Science & Technology, 2006. 19: p. 844-847.

[23]      B. Guillaume, F. Boschini, I. Garcia-Cano, A. Rulmont, R. Cloots and M. Ausloos, Journal of the European Ceramic Society, 2004. 25: p. 3593-3604.

[24]      S. Yamanaka, M. Fujikane, T. Hamaguchi, H. Muta, T. Oyama, T. Matsuda, S. Kobayashi and K. Kurosaki, Journal of Alloys and Compounds, 2003. 359(1-2): p. 109-113.

[25]      J. Robertson, Journal of Vacuum Science & Technology B, 2000. 18(3): p. 1785-1791.

[26]      K. Kamiyama. 1998

[27]      A.-M. Azad, S. Subramaniam and T.W. Dung, Journal of Alloys and Compounds, 2002. 334(1-2): p. 118-130.

[28]      R. Liang, D.A. Bonn and W.N. Hardy, Physica C: Superconductivity, 1998. 304(1-2): p. 105-111.

[29]      R. Vassen, X.Q. Cao, F. Tietz, D. Basu and D. Stover, Journal of the American Ceramic Society, 2000. 83(8): p. 2023-2028.

[30]      Z. Chen, S. Duncan, K.K. Chawla, M. Koopman and G.M. Janowski, Materials Characterization, 2002. 48(4): p. 305-314.

[31]      M. Rajendran and M.S. Rao, Journal of Materials Research, 1994. 9(9): p. 2277-2284.

[32]      Thermodata Nuclear Phase Diagrams BaO-ZrO2 phase diagram. Available from: http://www.crct.polymtl.ca/fact/documentation/TDNucl/BaO-ZrO2.jpg.

[33]      S.K. M. Enhessari, K. Ozaee, J. Iran. Chem. Res., 2010. 3: p. 11-15.

[34]      A. Aimable, B. Xin, N. Millot and D. Aymes, Journal of Solid State Chemistry, 2008. 181(1): p. 183-189.

[35]      B.L. Newalkar, S. Komarneni and H. Katsuki, Materials Research Bulletin, 2001. 36(13-14): p. 2347-2355.

[36]      J.A. M. L. Moreira, J. A. Varela, and E. Longo, 2009. 9: p. 833-839.

[37]      M. Veith, S. Mathur, N. Lecerf, V. Huch, T. Decker, H.P. Beck, W. Eiser and R. Haberkorn, Journal of Sol-Gel Science and Technology, 2000. 17(2): p. 145-158.

[38]      F. Boschini, A. Rulmont, R. Cloots and B. Vertruyen, Journal of the European Ceramic Society, 2009. 29(8): p. 1457-1462.

[39]      K.J. Leonard, S. Sathyamurthy and M.P. Paranthaman, Chemistry of Materials, 2005. 17(15): p. 4010-4017.

[40]      H.P. Kumar, C. Vijayakumar, C.N. George, S. Solomon, R. Jose, J.K. Thomas and J. Koshy, Journal of Alloys and Compounds, 2008. 458(1-2): p. 528-531.

[41]      F. Boschini, B. Robertz, A. Rulmont and R. Cloots, Journal of the European Ceramic Society, 2003. 23(16): p. 3035-3042.

[42]      G. Demazeau, Jounal of Physics: Conference Series, 2008.

[43]      CEM Corporation Software - Principles of Microwave Synthesis.

[44]      Biotage Microwave vs. conventional heating. Available from: http://www.biotage.com/DynPage.aspx?id=22052.

[45]      Malvern Instruments Dynamic Light Scattering: An introduction in 30 minutes.

[46]      D. Depla, "Cursus Kristalchemie", 2008 - 2009 Ghent University

[47]      Rigaku Corporation A first Look at Bragg's Law. Available from: http://www.jeffreycreid.com/Analytical_Methods/XRD_theory.html.

[48]      Thermo Scientific Schema van een theta:theta goniometer. Available from: http://yearnmedia.com/?p=104.

[49]      Electron Microscopy. Available from: http://www.unl.edu/CMRAcfem/em.htm.

[50]      A. Adriaans, "Cursus Chemische Oppervlaktekarakterisering", 2009-2010 Ghent University

[51]      M.L. Moreira, J. Andres, J.A. Varela and E. Longo, Crystal Growth and Design, 2009. 9(2): p. 833-839.

[52]      G. Taglieri, M. Tersigni, P.L. Villa and C. Mondelli, Journal of Inorganic Materials, 1999. 1: p. 103 - 110.

[53]      Sigma Aldrich MSDS fiches.

[54]      A.E. Martell and R.M. Smith, "Critical Stability Constants", 1974

[55]      ASTM fiches. Available from: www.astm.org.

[56]      F. Boschini, A. Rulmont, R. Cloots and R. Moreno, Journal of the European Ceramic Society, 2005. 25(13): p. 3195-3201.

[57]      Z. Lu, Y. Tang, L. Chen and Y. Li, Journal of Crystal Growth, 2004. 266(4): p. 539-544.

[58]      X. Hu, J. Gong, L. Zhang and J.C. Yu, Advanced Materials, 2008. 20(24): p. 4845-4850.

[59]      L.R. Macario, M.L. Moreira, J. Andres and E. Longo, CrystEngComm, 2010. 12: p. 3612-3619.

Universiteit of Hogeschool
Chemie
Publicatiejaar
2011
Share this on: