Les nouveaux matériaux permettant de produire de l’oxygène pourraient remettre en question les méthodes de production traditionnelles. C'est une nouvelle passionnante, car l'oxygène pur est demandé dans de nombreux domaines de l'industrie et de la médecine.
"Nous avons identifié des matériaux capables de stocker et de libérer de l'oxygène pur beaucoup plus rapidement et à des températures beaucoup plus basses que les matériaux connus actuellement utilisés à cette fin", déclare le professeur Sverre Magnus Selbach du département de science des matériaux et de technologie de l'Université norvégienne des sciences et technologies (NTNU). Ingénierie.
L'oxygène est un élément, il ne peut donc pas être fabriqué, mais seulement libéré. La méthode la plus courante consiste à distiller l'oxygène directement de l'air, mais il peut également être extrait de matériaux contenant de l'oxygène.
De nombreux matériaux absorbent l’oxygène de l’air. Lorsque ces matériaux sont chauffés, ils libèrent cet oxygène, et de petits changements dans les matériaux peuvent modifier leurs propriétés.
À mesure que le processus chimique s’accélère, les scientifiques font référence à « la cinétique plus rapide » dans le matériau. Le fait que ce processus puisse avoir lieu à basse température constitue un avantage considérable. Non seulement cela signifie que moins d'énergie est nécessaire pour le chauffage, mais également que les réacteurs peuvent être fabriqués à partir de matériaux moins chers qui nécessiteront moins d'entretien que s'ils devaient être exposés à des températures plus élevées.
"Ces deux améliorations des propriétés des matériaux rendent les matériaux plus compétitifs", explique Frida Hemstad Danmo. La recherche faisait partie de son travail de doctorat.
Les résultats de la recherche ont été publiés dans la revue Chemistry of Materials. .
Le matériau merveilleux
Alors, de quel genre de matériau merveilleux parlons-nous ? Cela pourrait être un peu surprenant. Avez-vous entendu parler des manganites hexagonales ?
Probablement pas. Presque personne n’a entendu parler des manganites hexagonales. Heureusement, les chercheurs du NTNU l’ont fait. Le matériau est non seulement très approprié pour extraire l'oxygène, mais il peut également être fabriqué à moindre coût et de manière efficace.
"Comme l'oxygène est absorbé si rapidement dans le matériau, nous pouvons utiliser des matériaux en vrac qui peuvent être fabriqués en grande quantité en utilisant des méthodes moins coûteuses que celles requises pour fabriquer des nanoparticules", explique Danmo.
Si le transport de l'oxygène n'était pas déjà aussi rapide dans ces manganites hexagonales, le processus aurait nécessité des nanoparticules pour augmenter la surface et fournir à l'oxygène un « chemin plus court » pour entrer et sortir du matériau.
Les nanoparticules sont plus compliquées à produire et ne peuvent pas être fabriquées en grande quantité aussi facilement que les matériaux en vrac.
Les manganites hexagonales qu’ils ont développées sont ce qu’on appelle des « matériaux à haute entropie ». Cela signifie qu'ils ne sont ni purs ni dotés d'une structure cristalline particulièrement bien ordonnée, et c'est là que réside le secret.
Non seulement les matériaux sont assez bon marché, mais ils ne sont pas non plus très particuliers en termes de composition chimique. Les impuretés et les petits défauts du matériau ne posent donc aucun problème. Il n'est pas nécessaire que les choses soient aussi précises, le processus fonctionne quand même et il permet de parvenir à une production moins chère à l'échelle industrielle.
Les chercheurs ont utilisé cinq à six métaux de terres rares différents dans le mélange qu'ils ont expérimenté, et le résultat était bien meilleur que lorsque des matériaux bien ordonnés contenant seulement un ou deux métaux de terres rares étaient utilisés.
"Les matériaux à haute entropie sont en réalité plus stables que ceux dont la composition chimique est plus simple. La raison en est l'entropie, c'est-à-dire le désordre qui résulte de la présence de nombreux éléments différents dans la structure cristalline au lieu de moins", explique Selbach.
"Tous les processus spontanés augmenteront le désordre de l'univers. Fait intéressant, c'est le désordre lui-même qui permet également une absorption aussi rapide de l'oxygène, puisque nos matériaux ne sont pas sensibles à une composition chimique précise. Se concentrer sur une entropie élevée est un changement de paradigme pour cette classe particulière. de matériaux, et quelque chose qui nous a donné des propriétés exceptionnelles", déclare Danmo.
Ces types de matériaux ne sont actuellement pas utilisés dans l'industrie, mais de nombreuses recherches sont en cours sur eux, précisément parce que le potentiel de production d'oxygène à moindre coût est si grand.
"L'industrie peut utiliser des matières premières moins chères, telles que des oxydes de métaux des terres rares recyclés ou des minerais de mauvaise qualité. Ces matières premières subsistent après l'extraction d'éléments plus coûteux tels que le néodyme et le dysprosium pour être utilisés dans les moteurs électriques des éoliennes et des voitures électriques", explique Selbach.
L'industrie pourrait même être en mesure d'utiliser les déchets issus de la production de moteurs électriques.
En collaboration avec Danmo, Aamund Westermoen a mené une grande partie du travail expérimental. L'ingénieure principale Elvia Anabela Chavez Panduro a contribué aux mesures au NTNU, et Kenneth Marshall et Dragos Stoian de l'Installation européenne de rayonnement synchrotron (ESRF) en France ont contribué aux mesures synchrotron effectuées dans l'installation des lignes de faisceaux suisses-norvégiennes à Grenoble.
Plus d'informations : Frida Hemstad Danmo et al, Manganites hexagonales à haute entropie pour une absorption et une libération rapides d'oxygène, Chimie des matériaux (2024). DOI :10.1021/acs.chemmater.3c02702
Informations sur le journal : Chimie des matériaux
Fourni par l'Université norvégienne des sciences et technologies
