Wetenschap
Goedkope, vieze restjes kunnen pure zuurstof vrijgeven:zeshoekige manganieten zijn veelbelovend voor productie op industriële schaal
Nieuwe materialen voor de productie van zuurstof kunnen traditionele productiemethoden uitdagen. Dit is opwindend nieuws, omdat er op veel gebieden in de industrie en de geneeskunde vraag is naar zuivere zuurstof.
"We hebben materialen geïdentificeerd die veel sneller en bij veel lagere temperaturen zuivere zuurstof kunnen opslaan en afgeven dan bekende materialen die momenteel voor dit doel worden gebruikt", zegt professor Sverre Magnus Selbach van de afdeling Materiaalwetenschappen en Technologie van de Noorse Universiteit voor Wetenschap en Technologie (NTNU). Techniek.
Zuurstof is een element, dus het kan niet gemaakt worden, het kan alleen vrijkomen. De meest gebruikelijke methode is om zuurstof rechtstreeks uit de lucht te destilleren, maar het kan ook worden gewonnen uit materialen waarin zuurstof is gebonden.
Zuurstof uit materialen halen
Veel materialen nemen zuurstof uit de lucht op. Wanneer deze materialen worden verwarmd, laten ze deze zuurstof vrij, en kleine veranderingen in de materialen kunnen hun eigenschappen veranderen.
Naarmate het chemische proces versnelt, verwijzen wetenschappers naar "de kinetiek is sneller" in het materiaal. Dat dit proces bij lage temperaturen kan plaatsvinden is een groot voordeel. Het betekent niet alleen dat er minder energie nodig is voor verwarming, maar ook dat reactoren gemaakt kunnen worden van goedkopere materialen die minder onderhoud vergen dan wanneer ze aan hogere temperaturen zouden moeten worden blootgesteld.
"Beide verbeteringen in materiaaleigenschappen maken de materialen competitiever", zegt Frida Hemstad Danmo. Het onderzoek was onderdeel van haar promotiewerk.
De onderzoeksresultaten zijn nu gepubliceerd in het tijdschrift Chemistry of Materials .
Het wondermateriaal
Over wat voor wondermateriaal hebben we het dan? Het is misschien een beetje verrassend. Heb je gehoord van zeshoekige manganieten?
Waarschijnlijk niet. Bijna niemand heeft gehoord van zeshoekige manganieten. Gelukkig hebben de onderzoekers van NTNU dat wel gedaan. Het materiaal is niet alleen zeer geschikt voor het extraheren van zuurstof, het kan ook nog eens heel goedkoop en efficiënt gemaakt worden.
"Omdat zuurstof zo snel in het materiaal wordt opgenomen, kunnen we bulkmaterialen gebruiken die in grote hoeveelheden kunnen worden gemaakt met behulp van goedkopere methoden dan die nodig zijn om nanodeeltjes te maken", legt Danmo uit.
Als het zuurstoftransport in deze zeshoekige manganieten niet al zo snel zou zijn geweest, zou het proces nanodeeltjes nodig hebben gehad om het oppervlak te vergroten en de zuurstof een 'kortere weg' te geven in en uit het materiaal.
Nanodeeltjes zijn ingewikkelder te produceren en kunnen niet zo gemakkelijk in grote hoeveelheden worden gemaakt als bulkmateriaal.
Onzuiverheden in het materiaal zijn geen probleem
De zeshoekige manganieten die ze hebben ontwikkeld zijn zogenaamde ‘materialen met een hoog entropiegehalte’. Dit betekent dat ze niet puur zijn en ook geen bijzonder goed geordende kristalstructuur hebben, en dit is waar het geheim schuilt.
Niet alleen zijn de materialen vrij goedkoop, ze zijn ook niet zo bijzonder als het gaat om de chemische samenstelling. Onzuiverheden en kleine defecten in het materiaal zijn dus geen probleem. Het hoeft niet zo precies te zijn, het proces werkt toch en het maakt het mogelijk om op industriële schaal goedkoper te produceren.
De onderzoekers gebruikten vijf tot zes verschillende zeldzame aardmetalen in de mix waarmee ze experimenteerden, en het resultaat was veel beter dan wanneer goed geordende materialen met slechts één of twee zeldzame aardmetalen werden gebruikt.
"De materialen met een hoog entropiegehalte zijn eigenlijk stabieler dan materialen met een eenvoudiger chemische samenstelling. De reden is de entropie, d.w.z. de wanorde die voortkomt uit het hebben van veel verschillende elementen in de kristalstructuur in plaats van minder", zegt Selbach.
‘Alle spontane processen zullen de wanorde in het universum vergroten. Interessant genoeg is het de wanorde zelf die ook voor zo’n snelle zuurstofopname zorgt, omdat onze materialen niet gevoelig zijn voor een precieze chemische samenstelling. De focus op hoge entropie is een paradigmaverschuiving voor deze specifieke klasse. van materialen, en iets dat ons uitzonderlijke eigenschappen heeft gegeven", zegt Danmo.
Het gebruik van goedkopere en beschikbare materialen
Dit soort materialen worden momenteel niet gebruikt in de industrie, maar er wordt wel veel onderzoek naar gedaan juist omdat het potentieel voor goedkopere zuurstofproductie zo groot is.
“De industrie kan goedkopere grondstoffen gebruiken, zoals oxiden van gerecyclede zeldzame aardmetalen of ertsen van lage kwaliteit. Deze grondstoffen blijven over nadat duurdere elementen zoals neodymium en dysprosium worden gewonnen voor gebruik in elektromotoren in windmolens en elektrische auto’s”, zegt Selbach.
De industrie zou zelfs afvalmaterialen uit de productie van elektromotoren kunnen gebruiken.
In samenwerking met Danmo voerde Aamund Westermoen een groot deel van het experimentele werk uit. Senior Engineer Elvia Anabela Chavez Panduro droeg bij aan metingen bij NTNU, en Kenneth Marshall en Dragos Stoian bij de European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) in Frankrijk hielpen met de synchrotronmetingen bij de Zwitsers-Noorse Beamlines-faciliteit in Grenoble.