07.05.2025 von Dr. Chiara Baldini, Aileen Sammler
Charakterisierung von NaNO₃–KNO₃-Salzschmelzen mit thermischen Analysegeräten von NETZSCH und Röntgenfraktometrie
Salze und Salzsysteme finden in zahlreichen Branchen und im täglichen Leben vielfältige Anwendung ‒ von der Lebensmittelkonservierung und -aromatisierung über Pharmazie und Medizin bis hin zur Landwirtschaft und Wasseraufbereitung. Darüber hinaus ist eine große Vielfalt an Salzen in Industriezweigen wie der chemischen Produktion, der Metallurgie und der Energieerzeugung, einschließlich der Nuklear- und Solartechnologie, unverzichtbar.
Neue Erkenntnisse zur Phasenstabilität von NaNO₃-KNO₃ für die thermische Energiespeicherung
Unsere neueste Studie konzentriert sich auf das NaNO₃-KNO₃-System, ein weit verbreitetes Wärmeübertragungsfluid und thermisches Energiespeichermaterial in konzentrierten Solarkraftwerken (CSP). Trotz seiner weit verbreiteten Anwendung gibt es immer noch Diskrepanzen in den Gleichgewichtsphasendiagrammen aufgrund der Bildung metastabiler Phasen, die durch die experimentellen Bedingungen beeinflusst werden.
Durch die Integration von dynamischer Differenzkalorimetrie (DSC), thermomechanischer Analyse (TMA), Laser-Flash-Analyse (LFA) und Hochtemperatur-Röntgendiffraktometrie (HTXRD) konnten detailliertere Einblicke in die thermischen und strukturellen Eigenschaften des Systems gewonnen werden. Insbesondere HTXRD bestätigte die Bildung von metastabilen festen Lösungsphasen, was die Notwendigkeit eines kombinierten thermischen und strukturellen Ansatzes für ein umfassendes Verständnis des Materialverhaltens unterstreicht.
Die kürzlich im Journal of Materials Research and Technology veröffentliche wissenschaftliche Arbeit "Comprehensive analysis of metastable phase formation in the NaNO₃-KNO₃ system by thermal analysis and high-temperature X-ray diffraction" geht direkt auf diese Diskrepanzen ein.
In dieser Studie wurde ein multitechnischer Ansatz mit dynamischer Differenz-Kalorimetrie (NETZSCH DSC 204 F1 Phoenix®), thermomechanischer Analyse (NETZSCH TMA 402 F1 Hyperion®), Laser-Flash-Analyse (NETZSCH LFA 467 HyperFlash®) und Hochtemperatur-Röntgendiffraktometrie (HTXRD ‒Empyrean Series 3) genutzt.
Die Ergebnisse zeigen signifikante Unterschiede in den Übergangstemperaturen und Volumenänderungen zwischen dem ersten und zweiten Aufheizzyklus. Darüber hinaus bestätigten die Hochtemperatur-Röntgendiffraktometrie-Studien die Bildung und das Fortbestehen metastabiler Phasen und lösten damit bisher ungelöste Widersprüche in den veröffentlichten Literaturdaten.
Diese Integration unterstützt die Entwicklung innovativer, für verschiedene Temperaturbereiche optimierte Materialien und verbessert so die Effizienz und Nachhaltigkeit von Industrieprozessen und Energiespeicherlösungen.
Für eine detaillierte Analyse der Methode und Ergebnisse steht das vollständige Paper online zur Verfügung.
Danksagung
Danksagung Diese Studie wurde in Zusammenarbeit mit Forschern der NETZSCH-Gerätebau GmbH (Selb, Deutschland), Malvern Panalytical B.V. (Almelo, 7602 EA, Niederlande) und Forschungszentrum Jülich GmbH, IMD-1 (Jülich, Deutschland) durchgeführt. Wir danken den Autoren für ihre wertvollen Beiträge und die Unterstützung durch ihre jeweiligen Institutionen.
Schauen Sie ebenfalls unser Webinar: Salt Systems Exploring Experimental Limits (Englisch)
Salzsysteme bilden neben Oxiden und Metallen eine eigene Materialgruppe. Ihre weitreichende Verwendung als Wärmeübertragungsmedien oder chemische Reaktionspartner in Schlüsselindustrien wie der Metallurgie, Kernenergie und Solarenergie ist auf ihre einzigartigen thermophysikalischen Eigenschaften in Verbindung mit relativ geringen Kosten und guter Verfügbarkeit zurückzuführen. Die Kombination von Salzen mit unterschiedlichen Kationen und Anionen erhöht die Anwendungsvielfalt erheblich. Die genaue Bestimmung thermophysikalischer Eigenschaften wie DichteDie Massen-Dichte ist definiert als Verhältnis zwischen Masse und Volumen.Dichte, Wärmekapazität und WärmeleitfähigkeitDie Wärmeleitfähigkeit (λ mit der Einheit W/(m•K)) beschreibt den Transport von Energie - in Form von Wärme - durch einen Körper aufgrund eines Temperaturgefälles.Wärmeleitfähigkeit hängt in hohem Maße von der Probenvorbereitung und der Wahl der Tiegelmaterialien ab. Informationen über die Thermische StabilitätEin Material ist thermisch stabil, wenn es sich unter Temperatureinfluss nicht zersetzt. Eine Möglichkeit, die thermische Stabilität einer Substanz zu bestimmen ist die Verwendung eines TGA (thermogravimetrischer Analysator).thermische Stabilität und das Verdampfungs-/Zersetzungsverhalten von Salzen sind ebenfalls wichtig für die Interpretation der Versuchsergebnisse. Einige Salzmischungen können metastabile Phasen bilden, die vom Temperaturprogramm oder anderen Parametern der Versuchsanordnung abhängen können.
All diese Herausforderungen und mögliche Lösungen für die Untersuchung von Salzsystemen mit NETZSCH TG/DTA/DSC/TMA/LFA-Analysegeräten werden in unserem Webinar diskutiert.
