Billige, snavsede rester kan frigive ren ilt:Sekskantede manganitter viser lovende for produktion i industriel skala
Nye materialer til fremstilling af ilt kan udfordre traditionelle produktionsmetoder. Det er spændende nyheder, fordi ren ilt efterspørges på mange områder inden for industri og medicin.
"Vi har identificeret materialer, der kan lagre og frigive ren ilt meget hurtigere og ved meget lavere temperaturer end kendte materialer, der i øjeblikket anvendes til dette formål," siger professor Sverre Magnus Selbach ved Norges Tekniske Naturvidenskabelige Universitet (NTNUs) Institut for Materialevidenskab og Engineering.
Ilt er et grundstof, så det kan ikke laves, kun frigives. Den mest almindelige metode er at destillere ilt direkte fra luften, men det kan også udvindes fra materialer, der har ilt bundet i sig.
Hentning af ilt fra materialer
Mange materialer optager ilt fra luften. Når disse materialer varmes op, frigiver de denne ilt, og små ændringer i materialerne kan ændre deres egenskaber.
Efterhånden som den kemiske proces fremskyndes, henviser forskerne til, at "kinetikken er hurtigere" i materialet. At denne proces kan foregå ved lave temperaturer er en stor fordel. Det betyder ikke kun, at der kræves mindre energi til opvarmning, men også at reaktorer kan fremstilles af billigere materialer, som vil kræve mindre vedligeholdelse, end hvis de skulle udsættes for højere temperaturer.
"Begge disse forbedringer i materialeegenskaber gør materialerne mere konkurrencedygtige," siger Frida Hemstad Danmo. Forskningen var en del af hendes doktorgradsarbejde.
Forskningsresultaterne er nu publiceret i tidsskriftet Chemistry of Materials .
vidundermaterialet
Så hvilken slags vidundermateriale taler vi om? Det er måske lidt overraskende. Har du hørt om sekskantede manganitter?
Sikkert ikke. Næsten ingen har hørt om sekskantede manganitter. Det har forskerne på NTNU heldigvis. Materialet er ikke kun meget velegnet til at udvinde ilt, det kan også laves ganske billigt og effektivt.
"Fordi ilt absorberes så hurtigt i materialet, kan vi bruge bulkmaterialer, der kan fremstilles i store mængder ved hjælp af billigere metoder end dem, der kræves for at lave nanopartikler," forklarer Danmo.
Hvis ilttransporten ikke allerede var så hurtig i disse hexagonale manganitter, ville processen have krævet nanopartikler for at øge overfladearealet og give ilten en 'kortere vej' ind og ud af materialet.
Nanopartikler er mere komplicerede at fremstille og kan ikke laves i store mængder så let som bulkmateriale.
Renheder i materialet er uproblematiske
De sekskantede manganitter, de har udviklet, er såkaldte "højentropi materialer." Det betyder, at de hverken er rene eller har en særlig velordnet krystalstruktur, og det er her hemmeligheden ligger.
Ikke nok med at materialerne er ret billige, de er heller ikke så særlige, når det kommer til kemisk sammensætning. Urenheder og småfejl i materialet er derfor ikke et problem. Tingene behøver ikke at være så præcise, processen fungerer alligevel, og den gør det muligt at opnå billigere produktion i industriel skala.
Forskerne brugte fem til seks forskellige sjældne jordarters metaller i den blanding, de eksperimenterede med, og resultatet var meget bedre, end når velordnede materialer med kun et eller to sjældne jordarters metaller blev brugt.
"De højentropimaterialer er faktisk mere stabile end dem med en enklere kemisk sammensætning. Årsagen er entropien, dvs. den lidelse, der kommer af at have mange forskellige grundstoffer i krystalstrukturen i stedet for færre," siger Selbach.
"Alle spontane processer vil øge universets uorden. Interessant nok er det selve lidelsen, der også giver så hurtig iltabsorption, da vores materialer ikke er følsomme over for præcis kemisk sammensætning. Fokus på høj entropi er et paradigmeskifte for denne særlige klasse af materialer, og noget, der har givet os exceptionelle egenskaber," siger Danmo.
Brug af billigere og tilgængelige materialer
Disse typer materialer bruges i øjeblikket ikke i industrien, men der bliver forsket meget i dem, netop fordi potentialet for billigere iltproduktion er så stort.
"Industrien kan bruge billigere råvarer, såsom oxider af genanvendte sjældne jordarters metaller eller malm af lav kvalitet. Disse råmaterialer forbliver, efter at dyrere grundstoffer som neodym og dysprosium er udvundet til brug i elmotorer i vindmøller og elbiler," siger Selbach.
Industrien kan endda være i stand til at bruge affaldsmaterialer fra produktionen af elektriske motorer.
I samarbejde med Danmo foretog Aamund Westermoen meget af det eksperimenterende arbejde. Senioringeniør Elvia Anabela Chavez Panduro bidrog med målinger ved NTNU, og Kenneth Marshall og Dragos Stoian ved European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) i Frankrig hjalp med synkrotronmålingerne foretaget på Swiss-Norwegian Beamlines-anlægget i Grenoble.
Flere oplysninger: Frida Hemstad Danmo et al., High-Entropy Hexagonal Manganites for Hurtig Oxygen Absorption and Release, Kemi af materialer (2024). DOI:10.1021/acs.chemmater.3c02702
Journaloplysninger: Materialernes kemi
Leveret af Norges Universitet for Videnskab og Teknologi
Varme artikler
-
NASAs opdager den tropiske cyklon Carlos nattestrækningNASA-NOAAs Suomi NPP-satellit fangede et natkig på Tropical Cyclone Carlos i det sydlige Indiske Ocean den 9. februar kl. 21:18 UTC (16:18 EST). Kredit:NOAA/NASA Goddard MODIS Rapid Response Team -
Undersøgelse:Stigning i cannabisdyrkning eller boligudvikling kan påvirke vandressourcerneKredit:CC0 Public Domain Dyrkning af cannabis kan have en betydelig effekt på grundvand og overfladevandressourcer, når det kombineres med privat brug, beviser fra en ny undersøgelse tyder på. Fo -
New Zealand introducerer banebrydende nul-kulstofregning, herunder mål for landbrugsmetanLandbruget – herunder metan fra køer og får – bidrager i øjeblikket med næsten halvdelen af New Zealands drivhusudledning. Kredit:www.shutterstock.com, CC BY-ND New Zealands længe ventede nul-ku -
FN siger, at verden kvæler i plastik, mens miljøkrisen vokserLangt størstedelen af plastik, der nogensinde er fremstillet, er endt med at blive dumpet, næsten ikke genbrugt eller destrueret på trods af genbrug og andre tiltag for at begrænse brugen Der br
- Sådan fodrer Wild Equirrels
- Partisan-pandemien:Lever vi nu i alternative virkeligheder?
- Håber på nye katalysatorer med høj aktivitet
- Terraced grafen til ultrafølsom magnetfeltsensor
- Ozonforureningen i Tyskland falder takket være lavere nitrogenoxidemissioner
- Sticky nanopartikler bekæmper hjertesygdomme (med video)