مقایسه روش های تهیه پودر کامپوزیتی Co3O4- Fe2O3 به عنوان ماده ذخیره کننده انرژی حرارتی و مطالعه مورفولوژی و تغییر فاز آن در طی واکنش های احیا – اکسیداسیون

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 استادیار، گروه مهندسی متالورژی و مواد،دانشگاه صنعتی همدان، همدان، ایران.

2 کارشناسی ارشد، گروه مهندسی متالورژی و مواد،دانشگاه صنعتی همدان، همدان، ایران.

چکیده

در این تحقیق پودر کامپوزیتی Co3O4 حاوی 15 درصد وزنی Fe2O3 به دو روش کلی شامل الف- آسیاکاری هم زمان (0، 1 و 16 ساعت) مخلوط اکسید ها و ب- آسیاکاری جداگانه اکسید کبالت (0، 1 و 16 ساعت) و اکسید آهن (0، 5/0 و 7 ساعت) و سپس مخلوط کردن آنها، تهیه و از نظر اندازه متوسط ذرات، مورفولوژی ذرات، نحوه پخش ذرات فاز ثانویه (اکسید آهن)، آنالیز فازی و ظرفیت ذخیره انرژی حرارتی به روش های FE-SEM، XRD و ترموگراویمتری مورد مطالعه قرار گرفت. مشخص شد که روش‌ آماده سازی تأثیر محسوسی بر اندازه ذرات ماده و ظرفیت ذخیره اکسیژن (معادل ظرفیت ذخیره انرژی حرارتی) دارد و افزودن اکسید آهن و نیز کاهش اندازه ذرات آن به عنوان فاز ثانویه موجب افزایش ظرفیت ذخیره ماده نسبت به اکسید کبالت اولیه می شود. نتایج نشان داد که به طور کلی نمونه های تهیه شده به روش الف ظرفیت ذخیره انرژی پایین تری نسبت به نمونه های تهیه شده به روش ب دارند. علاوه بر این مشخص شد که پودر کامپوزیتی تهیه شده به روش ب در زمان آسیا کاری کوتاه تر فاز زمینه (اکسید کبالت) منجر به ایجاد اندازه های ذرات کوچکتر در طی فرایندهای احیا-اکسیداسیون می شود. همچنین نتایج نشان داد که کاهش اندازه ذرات پودر کامپوزیتی الزاما هم جهت با بهبود ظرفیت ذخیره انرژی حرارتی ماده نمی تواند باشد و سایر عوامل مانند تشکیل فاز اسپینل (Fe2O3.CoO) نیز از عواملی است که تاثیر زیادی در کاهش ظرفیت ذخیره انرژی حرارتی در ماده دارد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Comparison of Preparation Methods of Co3O4-Fe2O3 Composite Powder as a Heat Storage Material and Study of its Morphological and Phase Evolution during Redox Reactions

نویسندگان [English]

  • Mehdi Pourabdoli 1
  • Maryam Delavari 2
  • Ahmad Ghaderi Hamidi 1
1 Assistant Professor, Department of Metallurgy and Materials Eng., HamedanUniverisity of Technology, Hamedan, Iran.
2 MSc, Department of Metallurgy and Materials Eng., HamedanUniverisity of Technology, Hamedan, Iran.
چکیده [English]

In this study, Co3O4-15 wt. % Fe2O3 composite powder was synthesized by two methods including: A-simultaneous milling of oxide mixtures (0, 1 and 16 h) and B-separately milling of cobalt oxide (0, 1 and 16 h) and iron oxide (0, 0.5 and 7 h) and then mixing. Average particle size, particle morphology, iron oxide distribution, phase analysis, and heat storage capacity were studied by FE-SEM, XRD and thermogravimetry methods. It was found that preparation method has a significant effect on the above-mentioned parameters. The results showed that decreasing of iron oxide particle size and addition of it to cobalt oxide, increase the heat storage capacity of the material relative to as-received cobalt oxide. It was revealed that samples prepared by method A generally had lower heat storage capacity than samples prepared by method B. In addition, it was found that small-scale particle size of the composite may not necessarily improve heat storage capacity of the material, and spinel phase formation (Fe2O3.CoO) also is a key factor that has a great effect on decreasing the heat storage capacity.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Cobalt oxide
  • Iron oxide
  • Heat storage
  • Thermochemical
  • Mechanical milling
1-Silakhori, M., Jafarian, M., Arjomandi, M., Nathan, G. J. Thermogravimetric analysis of Cu, Mn, Co, and Pb oxides for thermochemical energy storage, Journal of Energy storage, 2019; 23:138-147.
2-Wu, S., Zhou, C., Doroodchi, E., Moghtaderi, B. Thermodynamic analysis of a novel hybrid thermochemical-compressed air energy storage system powered by wind, solar and/or off-peak electricity, Energy Conversion and Managemnt, 2019; 180:1268-1280.
3-Bohm, H., Lindorfer, J. Techno-economic assessment of seasonal heat storage in district heating with thermochemical materials, Energy, 2019; 179: 1246-1264.
4-Yan, T., Wang, C. Y., Li, D. Performance analysis of a solid-gas thermochemical  composite sorption system for thermal energy storage  and energy upgrade, Applied Thermal Enghineering, 2019; 150: 512-521.
5- Andre, L., Abanades, S., Cassayre, L., High-temperature thermochemical energy storage based on redox reactions using Co-Fe and Mn-Fe mixed metal oxides, Journal of Solid State Chemistry, 2017; 253: 6-14.
6- Abedin,A. H. and Rosen, M. A.A critical review of thermochemical energy storagesystems. The Open Renewable Energy Journal, 2011; 4: 42-46.
7- Pardo, P., Deydier, A., Anxionnaz-Minvielle, Z., Rougé, S., Cabassud, M., Cognet, P. A review on high temperature thermochemical heat energy storage.Renewable &Sustainbale Energy Reviews, 2014; 32:591–610.
8- Aydin, D., Casey, S. P., Riffat, S. The latest advancements on thermochemical heat storage systems. Renewable &Sustainbale Energy Reviews, 2015; 41:356–367.
9- Agrafiotis, C., Roeb, M., Schmucher, M., Sattler, C. Exploitation of thermochemical cycles based on solid oxide redox systems for thermochemical storage of solar heat: Part 2. Solar Energy 2015; 114: 440-458.
10- Siegel, N. P. Thermal energy storage for solar power production. Wires Energy and Environment, 2012; 1:119–131.
11- Kuravi, S., Trahan, J., Goswami,Y., Rahman, M. M., Stefanakos, E. K. Thermal energy storage technologies and systems for concentrating solar power plants. Progress in Energy and Combustion Science, 2013; 39:285–319.
12- Mahlia, T. M. I., Saktisahdan, T. J., Jannifar, A., Hasan, M. H., Matseelar, H. S. C. A review of available methods and development on energy storage; technology update.Renewable &Sustainbale Energy Reviews, 2014; 33 532-454.

13- Andre, L., Abanades, S., Flamant, G. Screening of thermochemical  systems based on solid-gas reversible reactions for high temperature solar thermal energy storage, Renewable &Sustainbale Energy Reviews, 2016; 64:703-715.

14- Carrillo, A. J., Moya, J., Bayon, A., Jana, P., Oshea, V. A., Thermochemical energy storage at high temperature via redox cycles of Mn and Co oxides. Solar Energy & Solar Cells, 2014; 123:47-57.
15- U.S.Department of Energy. Thermochemical heat storage for concentrated solar power.General atomic project, 2011; GA-C27137.
16-Muroyama, A. P.,Schrader, A. J., Loutzenhiser, P. G. Solar electricity via an Air Brayton cycle with an integrated two-step thermochemical cycle for heat storage based on Co3O4/CoO redox reactions II: Kinetic analyses, Solar Energy, 2015; 122: 409–418.
17- Singh, A., Tescari, S., Lantin, G., Agrafiotis, C., Roeb, M., Sattler, C. Solar thermochemical heat storage via the Co3O4/CoO looping cycle: Storage reactor modelling and experimental validation. Solar Energy, 2017; 144: 453–465.
18- Yan, T., Wang, R. Z., Li, T. X., Wang, L. W., Fred, I. T. A review of promising candidate reactions for chemical heat storage.Renewable &Sustainbale Energy Reviews, 2015; 43:13–31.
19- Block, T., Knoblauch, N., Schmucker, M. The cobalt-oxide/iron-oxide binary system for use as high temperature thermochemical energy storage material. Thermochemical Acta, 2014; 577:25-32.
20- Zhang, H.L., Baeyens, J., Degrève, J., Cacères, G. Concentrated solar power plants: review and design methodology. Renewable &Sustainbale Energy Reviews, 2013; 22:466 –81.
21- Nekokar, N., Pourabdoli, M., GhaderiHamidi, A. Effects of Fe2O3 addition and mechanical activation on thermochemical heat storage properties of the Co3O4/CoO system.Journal of Particle Science and Technology, 2018; 4: 13-22.
22-Nekokar,  N., Pourabdoli, M., GhaderiHamidi, A. Effect of mechanical activation on thermal energy storage of Co3O4/CoO system. Advanced powder Technology, 2017; 2(29): 333-340.

23-Nekokar, N., Pourabdoli, M. Isothermal redox kinetics of Co3O4-Fe2O3 composite as a thermochemical heat storage material, International Journal of Engineering, 2019; 32 (8), 1200-1209.

24-Hasanvand, A., Pourabdoli, M., GhaderiHamidi, A., Thermochemical heat storage properties of mechanical activated Co3O4-5 wt. % Al2O3 and Co3O4-5 wt. % Y2O3Ccomposite powders. Iranian Jouranl of Materials Science and Engineering, 2020, In press.
25- Hasanvand, A., Pourabdoli, M., Theoretical thermodynamics and practical studies of oxygen desorption from Co3O4-5 wt. % Al2O3 and Co3O4-5 wt. % Y2O3Ccomposites. Jouranl of Particle Science and Technology, 2019, 5 (1):20-30.