@ 2022.08.02 , 17:54
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借助AI首次以化学准确度计算出氯化钠熔盐的自由能

辛辛那提大学的一位化学家提出了一种研究熔盐热力学特性的新方法,熔盐可应用与诸多核能和太阳能领域。

加州大学文理学院研究助理和计算化学家Yu Shi与合作者开发了一种新的模拟方法,使用深度学习人工智能计算自由能。

熔盐即将盐熔化成液态。加州大学的团队研究氯化钠,俗称食盐。Shi说,熔盐的特性使其成为核电站冷却系统的宝贵介质。在太阳能塔中,它们可用于传递热量或储存能量。

矛盾的是,虽然盐颗粒是绝缘体,但熔盐可以导电。

“熔盐在高温下很稳定,且可以在液态下保存大量热,它们具有良好的热力学特性。这使它们成为聚光太阳能发电厂的良好储能材料。它们可以用作核反应堆的冷却剂。”

该研究发表在英国皇家化学学会期刊《化学科学》上,可以帮助研究人员检查盐对金属容器造成的腐蚀,如用于下代核反应堆中的金属容器。

他们提供了一种可靠的方法用于分析溶解物质在熔盐中向蒸气的转化过程,帮助工程师了解不同杂质和溶质(溶解在溶液中的物质)对腐蚀的影响。显示潜在有毒气体向大气中的释放方式,这对第四代熔盐核反应堆极为有用。

“使用我们的准化学理论和深度神经网络,使用量子模拟产生的数据进行训练,以化学准确度模拟熔盐的溶剂化热力学。”Shi 说。

该研究的合著者Thomas Beck是加州大学化学系的前任负责人,现在是田纳西州橡树岭国家实验室的科学参与部门负责人。Beck说,熔盐在加热时不会膨胀,不像水在高温下会产生极压。

“核反应堆内的压力会极度上升。这就是反应堆设计的难点——它会导致更多的风险和更高的成本。”

“在橡树岭,我们拥有世界上最快的超级计算机,因此我们的实验将花费更少的时间。”Beck说,“但在典型的超级计算机上,运行这些量子模拟可能需要数周或数月的时间。”

“盐的准确模型很重要。我们是第一组计算出氯化钠在高温下的液态自由能的团队,同时结果与之前的实验数据一致。所以我们证明这是一种有用的技术。”

2020 年,Shi和Beck在PNAS杂志上发表的一项研究中,利用准化学理论和水中钠离子的量子力学模拟,建立了单离子水合的自由能标度。 Shi说,这是第一次使用量子力学计算带电溶质的溶剂化自由能。

熔盐对于开发新能源非常重要——甚至有一天可能会用于聚变能源。

“他们提议使用熔盐作为高温反应堆的涂层冷却剂,但距离核聚变发电这一未来还很远。”

https://phys.org/news/2022-07-chemists-secrets-molten-salts.html


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  1. 8868钛金手机
    @1周 ago
    5292363

    “矛盾的是,虽然盐颗粒是绝缘体,但熔盐可以导电。”这种例子并不少见,比如水和冰。液态相比于固态,物质的能带结构发生了改变,所以性质不同是很正常的。

  2. 5292471

    以后电动车可以5分钟加一罐高温熔化的盐,用它的热能来驱动 — 那还要电动干嘛?

  3. celk
    @1周 ago
    5293692

    @8868钛金手机: 你是说水导电还是冰导电?
    水导电也是水中的杂质在导电啊,跟能带结构有什么关系……
    况且能带结构是固体物理学,和晶格的周期性结构紧密相关,导致电子形成非局域的Bloch波从而导电
    液体哪有什么能带结构,液体导电一般靠的是跑来跑去的离子,不靠孤独的电子

  4. 8868钛金手机
    @1周 ago
    5293778

    @ celk
    首先感谢指证,这里水确实不是个好例子,更合适的例子应该是Si和Ge。固态的Si和Ge是绝缘体,但在液态却是良导体 (Khomskii 2010, page 265),因为液态下他们只具有短程序,与固态的四面体结构截然不同。至于能带理论是否适用于液体的问题,却并不能轻易的下结论。实际上,只要能准确的描述电子的色散关系,能带理论就至少在一定程度上make sense。能带理论描述液体的困难在于,无序的结构使得实空间与倒格子空间缺乏简单的对应关系,以至于没有办法给出类似布里渊区K点的概念,参见Band structure in a liquid, PRL 62(1675), 1989

  5. celk
    @6天 ago
    5294943

    @8868钛金手机: 原来如此。确实我早该预料到的,对于液态下不能产生自由离子的物质,导电的工作就自然落到了电子身上,只不过它居然还能形成一定意义上的能带这是我实在怎么想也想不到的。