Billige, skitne rester kan gi rent oksygen
Industrien trenger mye rent oksygen. Nye materialer som er rimelige og robuste, kan gi oss billigere og mer bærekraftig oksygenproduksjon.
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.
Frida Hemstad Danmo på laben. Dette er instrumentet forskerne brukte for å gjøre de første kinetikkmålingene for oksygenopptak. Det kalles et røntgendiffraktometer. Foto: Frida Hemstad Danmo
– 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 ved NTNU.
Nå er oksygen er et grunnstoff, og dermed er det 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, men også at reaktorer kan lages av billigere materialer som vil trenge mindre vedlikehold enn om de utsettes for høyere temperaturer.
– Begge disse forbedringene av materialegenskaper gjør materialene mer konkurransedyktige, sier Frida Hemstad Danmo. Forskningen var del av hennes doktorgradsarbeid.
Nå er forskningsresultatene publisert i tidsskriftet Chemistry of Materials.
Vidundermaterialet
Så hva slags vidundermateriale er det snakk om? Det er kanskje litt overraskende. Ja, for du har vel hørt om heksagonale manganitter?
Nei, da. 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.
– Siden oksygenet absorberes så raskt i materialet, kan vi bruke bulk-materialer som kan lages i store mengder med billigere metoder enn de som må brukes for å lage nanopartikler, påpeker Danmo.
Om ikke oksygentransporten allerede var så rask i disse heksagonale manganittene, ville prosessen ha krevd nanopartikler for å øke overflatearealet og for å gi oksygenet «kortere vei» inn og ut av materialet.
Heksagonale manganitter. Det er like greit å lære seg navnet med det samme. Foto: Frida Hemstad Danmo
Nanopartikler stiller høyere krav til fremstilling og kan ikke like enkelt lages i store mengder som såkalt bulkmateriale.
Urenheter i materialet gjør ingenting
De heksagonale manganittene de har utviklet er såkalte «høyentropimaterialer». Det betyr at de hverken 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, og 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, og 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, og noe som her har gitt oss eksepsjonelle egenskaper, sier Danmo.
Illustrasjonen viser hvordan prosessen for oksygenseparasjon vil foregå, med oksygen som går inn i materialet i én reaktor, og oksygen som slipper ut av materialet i en annen. Illustrasjon: Frida Hemstad Danmo
Kan bruke billigere og tilgjengelige materialer
Slike materialer brukes ikke i industrien i dag, men mange forsker på dem nettopp fordi potensialet for billigere oksygenproduksjon 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.
Fikk du med deg det? Industrien kan kanskje til og med bruke restmaterialer fra produksjonen av elmotorer.
Sammen med Danmo utførte Aamund Westermoen mye av det eksperimentelle arbeidet. Senioringeniør Elvia Anabela Chavez Panduro bidro med målinger på NTNU og Kenneth Marshall og Dragos Stoian ved European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) i Frankrike hjalp til med synkrotronmålingene som ble gjort på den sveitsisk-norske strålelinjen i Grenoble. Frida Hemstad Danmo jobber nå i Norsk Hydro.
Referanse: Frida Hemstad Danmo, Aamund Westermoen, Kenneth Marshall, Dragos Stoian, Tor Grande, Julia Glaum, and Sverre M. Selbach. High-Entropy Hexagonal Manganites for Fast Oxygen Absorption and Release. Chem. Mater. 36, 2711, 2024. https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.3c02702
