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

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 9407 (2023) Citar este artigo

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Apresentamos um cálculo ab initio para entender as estruturas eletrônicas e as propriedades ópticas de um WC de carboneto de tungstênio, sendo um componente importante de um cermet à base de TiCN. O cermet à base de TiCN é amplamente utilizado como ferramenta de corte e é 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 energia bastante baixa \(\sim\) 0,6 eV (2 \(\upmu\)m) e, portanto, pode ser um bom constituinte de um absorvedor seletivo solar. O valor de mérito avaliado para conversão fototérmica é proeminentemente alto em comparação com os de 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. Assim, surgiu uma borda de plasma transparente, 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 adequadas.

A substituição de combustíveis fósseis por fontes de energia renováveis ​​tem sido intensamente investigada nos últimos anos. A energia solar tem sido considerada uma alternativa promissora para resolver problemas energéticos globais devido à sua abundância1. A exploração de tecnologias sustentáveis ​​e ecológicas tem sido considerada significativa para alcançar o uso prático da captação 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 brilha mais. O armazenamento de energia térmica é significativamente mais barato do que outros sistemas de armazenamento de energia (por exemplo, baterias)3. No entanto, foram identificadas três limitações de um absorvedor solar artificial para melhorar o sistema solar térmico4. Primeiro, absorvedores solares com alta eficiência são feitos através de projetos complicados usando metamateriais estruturados em subcomprimentos de onda. Em segundo lugar, os métodos tradicionais de preparação requerem equipamentos caros de deposição à base de vácuo e alvos de alta pureza para criar uma superfície multicamadas. Terceiro, a estabilidade térmica é insuficiente para manter a sua absorvância selectiva espectral durante a operação a longo prazo a altas temperaturas.

Cermet é um composto de metal e cerâmica com dureza, estabilidade térmica e propriedades antioxidantes. Um absorvedor solar típico é mostrado na Fig. 1a1,2. O absorvedor solar à base de cermet consiste em uma camada de cermet como absorvente com uma camada anti-reflexo na parte superior e um refletor infravermelho na parte inferior. O absorvedor seletivo solar é um papel importante para alcançar o alto desempenho como absorvedor solar. O poder emissivo do corpo negro aumenta significativamente em altas temperaturas, resultando em grande perda de calor radiativo do absorvedor. Um absorvedor seletivo solar 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 absorvedores à base de cermet têm sido bem investigados com óxidos com partículas metálicas. A função dielétrica do compósito é controlada pelo aumento da fração volumétrica 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 que consiste em uma camada anti-reflexo, uma camada de cermet e uma camada reflexiva infravermelha. (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 espectro de absorção \(A(\lambda )\) descrito com uma linha sólida verde é preferível como absorvedor solar.