Los nuevos materiales para producir oxígeno pueden desafiar los métodos de producción tradicionales. Esta es una noticia emocionante, porque en muchos sectores de la industria y la medicina se demanda oxígeno puro.
"Hemos identificado materiales que pueden almacenar y liberar oxígeno puro mucho más rápido y a temperaturas mucho más bajas que los materiales conocidos que se utilizan actualmente para este propósito", dice el profesor Sverre Magnus Selbach del Departamento de Ciencia de Materiales y Tecnología de la Universidad Noruega de Ciencia y Tecnología (NTNU). Ingeniería.
El oxígeno es un elemento, por lo que no se puede producir, sólo liberarse. El método más común es destilar oxígeno directamente del aire, pero también se puede extraer de materiales que contienen oxígeno unido.
Muchos materiales absorben oxígeno del aire. Cuando estos materiales se calientan, liberan oxígeno y pequeños cambios en los materiales pueden cambiar sus propiedades.
A medida que el proceso químico se acelera, los científicos se refieren a que "la cinética es más rápida" en el material. El hecho de que este proceso pueda realizarse a bajas temperaturas es una gran ventaja. No sólo significa que se requiere menos energía para calentar, sino también que los reactores pueden fabricarse con materiales más baratos que necesitarán menos mantenimiento que si tuvieran que exponerse a temperaturas más altas.
"Ambas mejoras en las propiedades de los materiales los hacen más competitivos", afirma Frida Hemstad Danmo. La investigación fue parte de su trabajo doctoral.
Los resultados de la investigación se han publicado en la revista Chemistry of Materials. .
El material maravilloso
Entonces, ¿de qué tipo de material maravilloso estamos hablando? Puede que resulte un poco sorprendente. ¿Has oído hablar de las manganitas hexagonales?
Probablemente no. Casi nadie ha oído hablar de las manganitas hexagonales. Afortunadamente, los investigadores de NTNU lo han hecho. El material no sólo es muy adecuado para extraer oxígeno, sino que también se puede fabricar de forma bastante económica y eficiente.
"Dado que el oxígeno se absorbe tan rápidamente en el material, podemos utilizar materiales a granel que se pueden fabricar en grandes cantidades utilizando métodos más baratos que los necesarios para fabricar nanopartículas", explica Danmo.
Si el transporte de oxígeno no fuera tan rápido en estas manganitas hexagonales, el proceso habría requerido nanopartículas para aumentar el área de superficie y proporcionar al oxígeno un "camino más corto" para entrar y salir del material.
Las nanopartículas son más complicadas de producir y no se pueden producir en grandes cantidades tan fácilmente como el material a granel.
Las manganitas hexagonales que han desarrollado son los llamados "materiales de alta entropía". Esto significa que no son puros ni tienen una estructura cristalina especialmente ordenada, y ahí está el secreto.
Los materiales no sólo son bastante baratos, sino que tampoco son tan particulares en cuanto a su composición química. Por tanto, las impurezas y los pequeños defectos del material no suponen un problema. No hace falta que las cosas sean tan precisas, el proceso funciona de todos modos y permite conseguir una producción más barata a escala industrial.
Los investigadores utilizaron de cinco a seis metales de tierras raras diferentes en la mezcla con la que experimentaron, y el resultado fue mucho mejor que cuando se utilizaron materiales bien ordenados con sólo uno o dos metales de tierras raras.
"Los materiales de alta entropía son en realidad más estables que aquellos con una composición química más simple. La razón es la entropía, es decir, el desorden que resulta de tener muchos elementos diferentes en la estructura cristalina en lugar de menos", dice Selbach.
"Todos los procesos espontáneos aumentarán el desorden del universo. Curiosamente, es el desorden mismo el que también proporciona una absorción tan rápida de oxígeno, ya que nuestros materiales no son sensibles a la composición química precisa. Centrarse en la alta entropía es un cambio de paradigma para esta clase particular de materiales y algo que nos ha aportado propiedades excepcionales", afirma Danmo.
Este tipo de materiales no se utilizan actualmente en la industria, pero se están realizando muchas investigaciones sobre ellos precisamente porque el potencial para una producción de oxígeno más barata es muy grande.
"La industria puede utilizar materias primas más baratas, como óxidos de metales de tierras raras reciclados o minerales de baja calidad. Estas materias primas permanecen después de que se extraen elementos más caros como el neodimio y el disprosio para su uso en motores eléctricos de molinos de viento y coches eléctricos", afirma Selbach.
La industria podría incluso utilizar materiales de desecho de la producción de motores eléctricos.
En colaboración con Danmo, Aamund Westermoen realizó gran parte del trabajo experimental. La ingeniera senior Elvia Anabela Chávez Panduro contribuyó con las mediciones en NTNU, y Kenneth Marshall y Dragos Stoian en la Instalación Europea de Radiación Sincrotrón (ESRF) en Francia ayudaron con las mediciones de sincrotrón realizadas en las instalaciones Swiss-Norwegian Beamlines en Grenoble.
Más información: Frida Hemstad Danmo et al, Manganitas hexagonales de alta entropía para una rápida absorción y liberación de oxígeno, Química de materiales (2024). DOI:10.1021/acs.chemmater.3c02702
Información de la revista: Química de los Materiales
Proporcionado por la Universidad Noruega de Ciencia y Tecnología
