Nuovi materiali per la produzione di ossigeno potrebbero mettere in discussione i metodi di produzione tradizionali. Questa è una notizia entusiasmante, perché l'ossigeno puro è richiesto in molti settori dell'industria e della medicina.
"Abbiamo identificato materiali che possono immagazzinare e rilasciare ossigeno puro molto più velocemente e a temperature molto più basse rispetto ai materiali attualmente utilizzati per questo scopo", afferma il professor Sverre Magnus Selbach presso il Dipartimento di Scienza dei Materiali e Tecnologia dell'Università norvegese di Scienza e Tecnologia (NTNU). Ingegneria.
L'ossigeno è un elemento, quindi non può essere prodotto, ma solo rilasciato. Il metodo più comune è quello di distillare l'ossigeno direttamente dall'aria, ma può anche essere estratto da materiali che contengono ossigeno legato.
Molti materiali assorbono l'ossigeno dall'aria. Quando questi materiali vengono riscaldati, rilasciano ossigeno e piccoli cambiamenti nei materiali possono modificarne le proprietà.
Poiché il processo chimico accelera, gli scienziati si riferiscono al fatto che "la cinetica è più veloce" nel materiale. Il fatto che questo processo possa avvenire a basse temperature è un grande vantaggio. Non solo significa che è necessaria meno energia per il riscaldamento, ma anche che i reattori possono essere realizzati con materiali più economici che avranno bisogno di meno manutenzione rispetto a quando dovessero essere esposti a temperature più elevate.
"Entrambi questi miglioramenti nelle proprietà dei materiali rendono i materiali più competitivi", afferma Frida Hemstad Danmo. La ricerca faceva parte del suo lavoro di dottorato.
I risultati della ricerca sono stati ora pubblicati sulla rivista Chemistry of Materials .
Il materiale delle meraviglie
Quindi, di che tipo di materiale meraviglioso stiamo parlando? Potrebbe essere un po’ sorprendente. Hai sentito parlare di manganiti esagonali?
Probabilmente no. Quasi nessuno ha sentito parlare di manganiti esagonali. Fortunatamente, i ricercatori della NTNU lo hanno fatto. Il materiale non solo è molto adatto per l'estrazione dell'ossigeno, ma può anche essere prodotto in modo abbastanza economico ed efficiente.
"Poiché l'ossigeno viene assorbito così rapidamente nel materiale, possiamo utilizzare materiali sfusi che possono essere prodotti in grandi quantità utilizzando metodi più economici rispetto a quelli necessari per produrre nanoparticelle", spiega Danmo.
Se il trasporto dell'ossigeno non fosse già così rapido in queste manganiti esagonali, il processo avrebbe richiesto nanoparticelle per aumentare l'area superficiale e fornire all'ossigeno una "via più breve" per entrare e uscire dal materiale.
Le nanoparticelle sono più complicate da produrre e non possono essere prodotte in grandi quantità con la stessa facilità del materiale sfuso.
Le manganiti esagonali che hanno sviluppato sono i cosiddetti "materiali ad alta entropia". Ciò significa che non sono né puri né hanno una struttura cristallina particolarmente ordinata, ed è qui che sta il segreto.
Non solo i materiali sono abbastanza economici, ma non sono nemmeno così particolari in termini di composizione chimica. Impurità e piccoli difetti del materiale non rappresentano quindi un problema. Non è necessario che le cose siano così precise, il processo funziona comunque e consente di ottenere una produzione più economica su scala industriale.
I ricercatori hanno utilizzato da cinque a sei diversi metalli delle terre rare nella miscela che hanno sperimentato, e il risultato è stato molto migliore rispetto a quando venivano utilizzati materiali ben ordinati con solo uno o due metalli delle terre rare.
"I materiali ad alta entropia sono in realtà più stabili di quelli con una composizione chimica più semplice. Il motivo è l'entropia, cioè il disordine che deriva dall'avere molti elementi diversi nella struttura cristallina anziché meno", afferma Selbach.
"Tutti i processi spontanei aumenteranno il disordine dell'universo. È interessante notare che è il disordine stesso che fornisce anche un assorbimento di ossigeno così rapido, poiché i nostri materiali non sono sensibili a una composizione chimica precisa. Concentrarsi sull'elevata entropia è un cambiamento di paradigma per questa particolare classe di materiali e qualcosa che ci ha dato proprietà eccezionali," dice Danmo.
Questi tipi di materiali non sono attualmente utilizzati nel settore, ma sono in corso molte ricerche proprio perché il potenziale per una produzione di ossigeno più economica è molto grande.
"L'industria può utilizzare materie prime più economiche, come ossidi di metalli delle terre rare riciclati o minerali di bassa qualità. Queste materie prime rimangono dopo che elementi più costosi come il neodimio e il disprosio vengono estratti per essere utilizzati nei motori elettrici dei mulini a vento e delle auto elettriche", afferma Selbach.
L'industria potrebbe addirittura essere in grado di utilizzare i materiali di scarto della produzione di motori elettrici.
In collaborazione con Danmo, Aamund Westermoen ha condotto gran parte del lavoro sperimentale. L'ingegnere senior Elvia Anabela Chavez Panduro ha contribuito alle misurazioni presso NTNU, mentre Kenneth Marshall e Dragos Stoian presso l'ESRF (European Synchrotron Radiation Facility) in Francia hanno contribuito alle misurazioni del sincrotrone effettuate presso l'impianto svizzero-norvegese Beamlines a Grenoble.
Ulteriori informazioni: Frida Hemstad Danmo et al, Manganiti esagonali ad alta entropia per un rapido assorbimento e rilascio di ossigeno, Chimica dei materiali (2024). DOI:10.1021/acs.chemmater.3c02702
Informazioni sul giornale: Chimica dei materiali
Fornito dall'Università norvegese di scienza e tecnologia
