Nya material för att producera syre kan utmana traditionella produktionsmetoder. Detta är spännande nyheter, eftersom rent syre efterfrågas inom många områden inom industri och medicin.
"Vi har identifierat material som kan lagra och frigöra rent syre mycket snabbare och vid mycket lägre temperaturer än kända material som för närvarande används för detta ändamål", säger professor Sverre Magnus Selbach vid Norges teknisk-naturvetenskapliga universitet (NTNUs) institution för materialvetenskap och Engineering.
Syre är ett grundämne, så det kan inte göras, bara frigöras. Den vanligaste metoden är att destillera syre direkt från luften, men det kan också utvinnas från material som har syre bundet i sig.
Många material absorberar syre från luften. När dessa material värms upp frigör de detta syre, och små förändringar i materialen kan förändra deras egenskaper.
När den kemiska processen påskyndar, hänvisar forskare till att "kinetiken är snabbare" i materialet. Att denna process kan ske vid låga temperaturer är en stor fördel. Det betyder inte bara att det krävs mindre energi för uppvärmning, utan också att reaktorer kan tillverkas av billigare material som kommer att behöva mindre underhåll än om de skulle behöva utsättas för högre temperaturer.
– Båda dessa förbättringar av materialegenskaper gör materialen mer konkurrenskraftiga, säger Frida Hemstad Danmo. Forskningen var en del av hennes doktorandarbete.
Forskningsresultaten har nu publicerats i tidskriften Chemistry of Materials .
Undermaterialet
Så, vilken typ av undermaterial pratar vi om? Det kan vara lite överraskande. Har du hört talas om hexagonala manganiter?
Antagligen inte. Nästan ingen har hört talas om hexagonala manganiter. Som tur är har forskarna vid NTNU. Materialet är inte bara mycket lämpligt för att utvinna syre, det kan också tillverkas ganska billigt och effektivt.
"Eftersom syre absorberas så snabbt i materialet kan vi använda bulkmaterial som kan tillverkas i stora mängder med billigare metoder än de som krävs för att tillverka nanopartiklar", förklarar Danmo.
Om syretransporten inte redan var så snabb i dessa hexagonala manganiter, skulle processen ha krävt nanopartiklar för att öka ytan och ge syret en "kortare väg" in och ut ur materialet.
Nanopartiklar är mer komplicerade att tillverka och kan inte tillverkas i stora mängder lika lätt som bulkmaterial.
De hexagonala manganiterna de har utvecklat är så kallade "högentropimaterial". Det betyder att de varken är rena eller har en särskilt välordnad kristallstruktur, och det är här hemligheten ligger.
Materialen är inte bara ganska billiga, de är inte heller så speciella när det kommer till kemisk sammansättning. Föroreningar och småfel i materialet är därför inget problem. Saker och ting behöver inte vara så exakta, processen fungerar ändå, och det gör det möjligt att uppnå billigare produktion i industriell skala.
Forskarna använde fem till sex olika sällsynta jordartsmetaller i blandningen de experimenterade med, och resultatet blev mycket bättre än när välordnade material med bara en eller två sällsynta jordartsmetaller användes.
"De högentropimaterialen är faktiskt mer stabila än de med enklare kemisk sammansättning. Anledningen är entropin, det vill säga störningen som kommer av att ha många olika element i kristallstrukturen istället för färre", säger Selbach.
"Alla spontana processer kommer att öka universums oordning. Intressant nog är det själva störningen som också ger en så snabb syreabsorption, eftersom våra material inte är känsliga för exakt kemisk sammansättning. Att fokusera på hög entropi är ett paradigmskifte för just denna klass av material och något som har gett oss exceptionella egenskaper", säger Danmo.
Dessa typer av material används för närvarande inte i industrin, men det görs en hel del forskning på dem just för att potentialen för billigare syreproduktion är så stor.
"Industrien kan använda billigare råvaror, som oxider av återvunna sällsynta jordartsmetaller eller malm av låg kvalitet. Dessa råvaror finns kvar efter att dyrare grundämnen som neodym och dysprosium utvinns för användning i elmotorer i väderkvarnar och elbilar", säger Selbach.
Industrin kanske till och med kan använda avfallsmaterial från tillverkningen av elmotorer.
I samarbete med Danmo genomförde Aamund Westermoen mycket av det experimentella arbetet. Senioringenjör Elvia Anabela Chavez Panduro bidrog med mätningar vid NTNU, och Kenneth Marshall och Dragos Stoian vid European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) i Frankrike hjälpte till med synkrotronmätningar som gjordes vid Swiss-Norwegian Beamlines-anläggningen i Grenoble.
Mer information: Frida Hemstad Danmo et al, High-Entropy Hexagonal Manganites for Fast Oxygen Absorption and Release, Kemi av material (2024). DOI:10.1021/acs.chemmater.3c02702
Journalinformation: Materialens kemi
Tillhandahålls av Norges tekniska och naturvetenskapliga universitet
