Restos baratos e sujos podem liberar oxigênio puro:manganites hexagonais são promissoras para produção em escala industrial
Frida Hemstad Danmo com um material que parece promissor para produzir oxigênio barato. Crédito:Per Henning, NTNU Novos materiais para a produção de oxigénio podem desafiar os métodos de produção tradicionais. Esta é uma notícia entusiasmante, porque o oxigénio puro é procurado em muitas áreas da indústria e da medicina.
"Identificamos materiais que podem armazenar e liberar oxigênio puro muito mais rápido e em temperaturas muito mais baixas do que os materiais conhecidos atualmente usados para esse fim", diz o professor Sverre Magnus Selbach do Departamento de Ciência de Materiais da Universidade Norueguesa de Ciência e Tecnologia (NTNU) e Engenharia.
O oxigênio é um elemento, portanto não pode ser produzido, apenas liberado. O método mais comum é destilar o oxigênio diretamente do ar, mas também pode ser extraído de materiais que contenham oxigênio ligado.
Recuperação de oxigênio de materiais
Muitos materiais absorvem oxigênio do ar. Quando estes materiais são aquecidos, libertam este oxigénio, e pequenas alterações nos materiais podem alterar as suas propriedades.
À medida que o processo químico se acelera, os cientistas referem-se a “a cinética sendo mais rápida” no material. O facto deste processo poder ocorrer a baixas temperaturas é uma grande vantagem. Isto não significa apenas que é necessária menos energia para aquecimento, mas também que os reactores podem ser feitos de materiais mais baratos que necessitarão de menos manutenção do que se tivessem de ser expostos a temperaturas mais elevadas.
“Essas duas melhorias nas propriedades dos materiais tornam os materiais mais competitivos”, diz Frida Hemstad Danmo. A pesquisa fez parte de seu trabalho de doutorado.
Os resultados da pesquisa foram publicados na revista Chemistry of Materials .
A ilustração mostra como ocorrerá o processo de separação do oxigênio, com o oxigênio entrando no material em um reator e o oxigênio escapando do material em outro. Crédito:Ilustração:Frida Hemstad Danmo
O material maravilhoso
Então, de que tipo de material maravilhoso estamos falando? Pode ser um pouco surpreendente. Você já ouviu falar em manganites hexagonais?
Provavelmente não. Quase ninguém ouviu falar de manganites hexagonais. Felizmente, os pesquisadores da NTNU sim. O material não é apenas muito adequado para extrair oxigênio, mas também pode ser fabricado de maneira bastante barata e eficiente.
“Como o oxigênio é absorvido tão rapidamente pelo material, podemos usar materiais a granel que podem ser produzidos em grandes quantidades usando métodos mais baratos do que os necessários para produzir nanopartículas”, explica Danmo.
Se o transporte de oxigénio já não fosse tão rápido nestas manganites hexagonais, o processo teria exigido nanopartículas para aumentar a área superficial e fornecer ao oxigénio um “caminho mais curto” para dentro e para fora do material.
As nanopartículas são mais complicadas de produzir e não podem ser produzidas em grandes quantidades tão facilmente como o material a granel.
Impurezas no material não são problemáticas
As manganites hexagonais que desenvolveram são os chamados “materiais de alta entropia”. Isto significa que não são puros nem têm uma estrutura cristalina particularmente bem ordenada, e é aí que reside o segredo.
Manganites hexagonais. É melhor aprender o nome imediatamente. Crédito:Foto:Frida Hemstad Danmo
Os materiais não são apenas bastante baratos, mas também não são tão específicos no que diz respeito à composição química. Portanto, impurezas e pequenos defeitos no material não são um problema. As coisas não precisam ser tão precisas, o processo funciona de qualquer maneira e permite obter uma produção mais barata em escala industrial.
Os pesquisadores usaram de cinco a seis metais de terras raras diferentes na mistura que experimentaram, e o resultado foi muito melhor do que quando foram usados materiais bem ordenados com apenas um ou dois metais de terras raras.
"Os materiais de alta entropia são, na verdade, mais estáveis do que aqueles com composição química mais simples. A razão é a entropia, ou seja, a desordem que surge por ter muitos elementos diferentes na estrutura cristalina em vez de menos", diz Selbach.
"Todos os processos espontâneos aumentarão a desordem do universo. Curiosamente, é a própria desordem que também proporciona uma absorção tão rápida de oxigênio, uma vez que nossos materiais não são sensíveis à composição química precisa. Focar na alta entropia é uma mudança de paradigma para esta classe específica. de materiais e algo que nos deu propriedades excepcionais", diz Danmo.
Usando materiais mais baratos e disponíveis
Estes tipos de materiais não são actualmente utilizados na indústria, mas muita investigação está a ser feita sobre eles precisamente porque o potencial para a produção de oxigénio mais barato é tão grande.
“A indústria pode usar matérias-primas mais baratas, como óxidos de metais de terras raras reciclados ou minérios de baixa qualidade. Essas matérias-primas permanecem depois que elementos mais caros, como neodímio e disprósio, são extraídos para uso em motores elétricos de moinhos de vento e carros elétricos”, afirma. Selbach.
A indústria poderá até utilizar resíduos da produção de motores elétricos.
Em colaboração com Danmo, Aamund Westermoen conduziu grande parte do trabalho experimental. A engenheira sênior Elvia Anabela Chavez Panduro contribuiu com medições na NTNU, e Kenneth Marshall e Dragos Stoian do European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) na França ajudaram com as medições síncrotron feitas nas instalações Swiss-Norwegian Beamlines em Grenoble.
