탄산칼륨 열에너지 저장 물질의 수분 이동

탄산칼륨(K2CO3)은 가역적인 수화 반응을 통해 열을 흡수 및 방출하는 유망한 열화학 에너지 저장 물질입니다. 그러나 K2CO3를 포함한 수화 반응 염들은 느린 반응 속도로 인해 실제 적용에 제약이 있습니다. 이러한 느린 반응 속도는 수화/탈수화 평형선 근처에서 준안정 영역의 존재로 실험적으로 나타나지만, 반응 속도를 제한하는 원자 수준의 메커니즘은 충분히 이해되지 않고 있습니다. 본 연구에서는 K2CO3 및 수화물(K2CO3·1.5H2O)의 수화 및 탈수화 열역학 및 반응 속도를 제일원리 계산을 통해 조사했습니다. 초기 수화 단계에서 K2CO3 내 물 삽입의 에너지 및 위치 선호도, 그리고 K2CO3·1.5H2O 탈수화 초기 단계에서 물 빈자리 형성 에너지를 예측했습니다. 수화물 내 물 탈착 에너지는 실험적으로 관찰된 2단계 탈수화 과정과 일치했습니다. 무수 및 수화상 모두에서 여러 물 확산 경로를 탐색했습니다. 계산된 자유 에너지 이동 장벽은 무수 K2CO3에서 탄산염 평면에 평행한 [1̄2̄0] 및 [12̄0] 방향으로 확산이 우선적으로 발생함을 보여주었습니다. 수화물에서는 빈자리 매개 물 이동 역시 이방성을 보였으며, [001] 방향의 물 평면 내 이동에서 가장 낮은 장벽이 관찰되었습니다. 계산된 확산 계수는 예상되는 (방)전 시간 내에 완전한 (탈)수화를 달성하기 위해 수십 마이크론 규모의 입자 크기가 필요함을 시사합니다. 본 연구는 열에너지 저장용 수화 반응의 원자 규모 에너지 및 메커니즘에 대한 통찰력을 제공합니다.