Nye materialer for å fremstille oksygen kan utfordre tradisjonell produksjon. Dette er spennende nyheter, for rent oksygen er etterspurt på mange områder innenfor industri og medisin.

– Vi har funnet frem til materialer som kan lagre og slippe ut rent oksygen mye raskere, og ved mye lavere temperaturer, enn kjente materialer for dette formålet, sier professor Sverre Magnus Selbach ved Institutt for materialteknologi på NTNU.

Nå er oksygen er et grunnstoff. Det er dermed ikke sånn at du lager det direkte. Den vanligste metoden er å destillere oksygenet direkte fra lufta. Men du kan også ta det fra materialer som har oksygen bundet i seg.

Henter oksygen fra materialer

Mange materialer tar nemlig opp oksygen fra lufta. Når disse materialene varmes opp, kan de slippe ut dette oksygenet igjen. Små endringer i dem kan endre egenskapene deres.

Når den kjemiske prosessen går raskere, snakker vitenskapsfolk om at «kinetikken er raskere» i materialet. At det virker ved lavere temperatur, er en stor fordel. 

Ikke bare betyr det at du trenger å tilføre mindre energi. Det betyr også at reaktorer kan lages av billigere materialer. De vil trenge mindre vedlikehold enn om de utsettes for høyere temperaturer.

– Begge disse forbedringene av materialegenskaper gjør materialene mer konkurransedyktige, sier forsker Frida Hemstad Danmo. 

Nå er resultatene publisert i det vitenskapelige tidsskriftet Chemistry of Materials.

Vidundermaterialet

Så hva slags vidundermateriale er det snakk om? 

Nesten ingen har hørt om heksagonale manganitter. Men heldigvis har forskerne ved NTNU det. Og materialet er ikke bare svært så egnet til å utvinne oksygen. Det kan også lages ganske billig og effektivt. 

Heksagonal er et type symmetri. Det kan dreies i en viss del grader rundt en akse og likevel se likt ut. Et eksempel på dette er snøkrystaller. Og manganitt er et gråsvart mineral.

– Siden oksygenet absorberes så raskt i materialet, kan vi bruke bulk-materialer. De kan lages i store mengder med billigere metoder enn de som må brukes for å lage nanopartikler, påpeker Danmo.

Om ikke transporten av oksygen allerede var så rask i disse heksagonale manganittene, ville prosessen ha krevd nanopartikler for å øke arealet på overflaten og for å gi oksygenet «kortere vei» inn og ut av materialet.

Nanopartikler stiller høyere krav til fremstilling. De kan ikke like enkelt lages i store mengder som såkalt bulkmateriale.

Urenheter i materialet gjør ingenting

De heksagonale manganittene  har utviklet er såkalte høyentropimaterialer. Det betyr at de verken er rene eller har spesielt velordnet krystallstruktur. 

Og der ligger noe av hemmeligheten.

Ikke bare er materialene ganske billige. De er heller ikke kresne på den kjemiske sammensetningen. Urenheter og småfeil i materialet er derfor ikke noe problem. Det trenger ikke å være så nøyaktig. Prosessen fungerer likevel. Dette gjør det mulig å få billigere produksjon i industriell skala.

Forskerne brukte fem-seks ulike metaller av sjeldne jordarter i miksen de eksperimenterte med. Resultatet ble mye bedre enn for velordnede materialer med ett eller to sjeldne jordartsmetaller.

– Høyentropimaterialene er faktisk mer stabile enn de med enklere kjemisk sammensetning. Årsaken er entropien, altså uordenen som kommer fra å ha mange ulike elementer i krystallstrukturen istedenfor færre, sier Selbach.

Uorden er den naturligste tilstanden.

– Alle spontane prosesser vil øke universets uorden. Interessant nok er det uorden i seg selv som også gir så rask oksygenabsorpsjon, siden materialene våre ikke er sensitive for nøyaktig kjemisk sammensetning. Å satse på høyentropi er et paradigmeskifte for akkurat denne klassen materialer. Her har det gitt oss eksepsjonelle egenskaper, sier Danmo.

Kan bruke billigere og tilgjengelige materialer

Slike materialer brukes ikke i industrien i dag. Mange forsker likevel på dem nettopp fordi potensialet for billigere produksjon av oksygen er så stort.

– Industrien kan bruke billigere råmaterialer, for eksempel oksider av resirkulerte sjeldne jordartsmetaller. Eller lavkvalitetsmalm. For eksempel etter at dyrere grunnstoffer som neodym og dysprosium allerede er separert ut til bruk i elmotorer i vindmøller og elbiler, sier Selbach.

Grunnstoffene neodym og dysprosium er sølvfargede, myke og formbare metaller.

Industrien kan altså kanskje til og med bruke restmaterialer fra produksjonen av elmotorer.

Referanse:

 Frida Hemstad Danmo mfl.: High-Entropy Hexagonal Manganites for Fast Oxygen Absorption and Release. Chem. Mater., 2024. Doi.org/10.1021/acs.chemmater.3c02702

Artikkelen er produsert og finansiert av NTNU

NTNU er én av over 80 eiere av forskning.no. Deres kommunikasjonsansatte leverer innhold til forskning.no. Vi merker dette innholdet for å tydelig skille formidling fra uavhengig redaksjonelt stoff.
Her kan du lese mer om ordningen.

Fikk du med deg disse sakene fra NTNU?

• 

  Nye modeller av tykk­tarmen i 3D kan avdekke syk­dommer raskere

• 

  5 gode råd i tilfelle du går deg vill

• 

  Fremmede arter truer plantelivet på Svalbard

• 

  Slik forsvarer E. coli-bakterien seg mot antibiotika

• 

  Vil avsløre plakk rundt hjertet som kan sprekke som en kvise

• 

  Slik kan førerløse skip seile gjennom skummel is og dårlig vær i Arktis

Les flere saker fra NTNU her.

forskning.no vil gjerne høre fra deg!
Har du en tilbakemelding, spørsmål, ros eller kritikk? TA KONTAKT HER