Дешевые и грязные материалы могут производить чистый кислород
Дешевые, грязные остатки могут производить чистый кислород. Новые материалы для производства кислорода могут бросить вызов традиционным методам. Эта новость является захватывающей, так как чистый кислород востребован в различных областях промышленности и медицины.
«Мы определили материалы, которые могут накапливать и освобождать чистый кислород гораздо быстрее и при значительно низших температурах, чем известные на сегодняшний день материалы, используемые для этих целей», – говорит профессор Сверре Магнус Селбах из Норвежского университета науки и технологий (NTNU), кафедры материаловедения и инженерии.
Кислород – это элемент, поэтому его нельзя создать, а можно только высвободить. Наиболее распространенный метод получения кислорода – это дистилляция его из воздуха, но его также можно извлечь из материалов, содержащих связанный кислород.
Извлечение кислорода из материалов
Многие материалы поглощают кислород из воздуха. При нагревании эти материалы освобождают кислород, и небольшие изменения в их свойствах могут существенно влиять на процесс.
Как химический процесс ускоряется, ученые говорят, что «кинетика быстрее» в материале. То, что этот процесс может происходить при низких температурах, является большим преимуществом. Это означает, что требуется меньше энергии для нагрева, а также что реакторы могут быть изготовлены из более дешевых материалов, требующих меньшего обслуживания по сравнению с теми, которые должны выдерживать высокие температуры.
«Оба эти улучшения свойств материала делают материалы более конкурентоспособными», – говорит Фрида Хемстад Данмо, чья докторская работа была посвящена этим исследованиям.
Результаты исследований были опубликованы в журнале Chemistry of Materials.
Чудо-материал
Какой это чудо-материал? Это может вызвать у вас удивление. вы когда-нибудь слышали о гексагональных манганитах?
Почти никто не слышал о гексагональных манганитах. К счастью, исследователи из NTNU слышали о них. Этот материал не только очень подходит для извлечения кислорода, но и может быть изготовлен довольно дешево и эффективно.
«Поскольку кислород так быстро поглощается этим материалом, мы можем использовать объемные материалы, которые можно изготавливать в больших количествах с использованием более дешевых методов, чем те, которые требуются для производства наночастиц», – объясняет Данмо.
Если бы транспорт кислорода не был бы таким быстрым в этих гексагональных манганитах, процесс потребовал бы наночастицы для увеличения поверхности и предоставления кислороду «короткого пути» для входа и выхода из материала.
Наночастицы более сложны в производстве и не могут быть изготовлены в больших количествах так же легко, как объемные материалы.
Примеси в материале не являются проблемойРазработанные гексагональные манганиты являются так называемыми «высокоэнтропийными материалами». Это означает, что они не чистые и не обладают особо хорошо упорядоченной кристаллической структурой, и в этом заключается секрет.
Эти материалы не только дешевы, но и не требовательны к химическому составу. Примеси и небольшие дефекты не представляют проблемы. Процесс работает все равно, и это позволяет достичь более дешевого производства в промышленных масштабах.
Исследователи использовали пять-шесть различных редкоземельных металлов в своей смеси, и результат оказался значительно лучше, чем при использовании хорошо упорядоченных материалов, содержащих только один или два редкоземельных металла.
«Высокоэнтропийные материалы на самом деле более стабильны, чем те, у которых более простая химическая композиция. Причина в энтропии, то есть в беспорядке, возникающем при наличии многих различных элементов в кристаллической структуре вместо меньшего их количества», – говорит Селбах.
Беспорядок – это естественное состояние
«Все спонтанные процессы увеличивают беспорядок во вселенной. Интересно, что именно беспорядок также обеспечивает столь быстрое поглощение кислорода, так как наши материалы не чувствительны к точному химическому составу. Фокус на высокой энтропии представляет собой смену парадигмы для этого класса материалов и дал нам исключительные свойства», – говорит Данмо.
Использование дешевых и доступных материаловЭти материалы пока не используются в промышленности, но ведется много исследований именно из-за их потенциала для более дешевого производства кислорода.
«Промышленность может использовать более дешевые сырьевые материалы, такие как оксиды переработанных редкоземельных металлов или низкосортную руду. Эти сырьевые материалы остаются после извлечения более дорогих элементов, таких как неодим и диспросий, используемых в электродвигателях ветряных мельниц и электромобилей», – говорит Селбах.
вы уловили это? Промышленность может даже использовать отходы от производства электрических моторов.
В сотрудничестве с Данмо, Аамунд Вестермон проводил большую часть экспериментальной работы. Старший инженер Элвия Анабела Чавес Пандуро в NTNU добавила измерения, а Кеннет Маршалл и Драгос Стоян из Европейского синхротронного радиационного центра (ESRF) во Франции помогли с синхротронными измерения, сделанными на Швейцарско-Норвежских лучевых линиях в Гренобле. Фрида Хемстад Данмо сейчас работает в Norsk Hydro.
