Hexagonale Manganite sind vielversprechend für die Produktion im industriellen Maßstab

Neue Materialien zur Sauerstoffproduktion könnten traditionelle Produktionsmethoden auf die Probe stellen. Das sind spannende Neuigkeiten, denn reiner Sauerstoff wird in vielen Bereichen der Industrie und Medizin benötigt.

„Wir haben Materialien identifiziert, die reinen Sauerstoff viel schneller und bei viel niedrigeren Temperaturen speichern und freisetzen können als die derzeit für diesen Zweck verwendeten Materialien“, sagt Professor Sverre Magnus Selbach von der Fakultät für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik der Norwegischen Universität für Wissenschaft und Technologie (NTNU).

Sauerstoff ist ein Element, das nicht hergestellt, sondern nur freigesetzt werden kann. Die gängigste Methode besteht darin, Sauerstoff direkt aus der Luft zu destillieren, er kann aber auch aus Materialien gewonnen werden, in denen Sauerstoff gebunden ist.

Sauerstoff aus Materialien gewinnen

Viele Materialien absorbieren Sauerstoff aus der Luft. Wenn diese Materialien erhitzt werden, geben sie diesen Sauerstoff frei und kleine Veränderungen in den Materialien können ihre Eigenschaften verändern.

Wenn sich der chemische Prozess beschleunigt, sprechen Wissenschaftler davon, dass die Kinetik im Material „schneller“ ist. Die Tatsache, dass dieser Prozess bei niedrigen Temperaturen stattfinden kann, ist ein großer Vorteil. Das bedeutet nicht nur, dass weniger Energie zum Heizen benötigt wird, sondern auch, dass Reaktoren aus billigeren Materialien hergestellt werden können, die weniger Wartung benötigen, als wenn sie höheren Temperaturen ausgesetzt wären.

„Diese beiden Verbesserungen der Materialeigenschaften machen die Werkstoffe wettbewerbsfähiger“, sagt Frida Hemstad Danmo. Die Forschung war Teil ihrer Doktorarbeit.

Die Forschungsergebnisse liegen nun vor veröffentlicht im Journal Chemie der Materialien.

Das Wundermaterial

Von was für einem Wundermaterial sprechen wir also? Das mag ein wenig überraschend sein. Haben Sie schon von hexagonalen Manganiten gehört?

Wahrscheinlich nicht. Fast niemand hat von hexagonalen Manganiten gehört. Zum Glück haben die Forscher der NTNU davon gehört. Das Material eignet sich nicht nur sehr gut zur Sauerstoffgewinnung, es kann auch recht günstig und effizient hergestellt werden.

„Da Sauerstoff so schnell vom Material absorbiert wird, können wir Massenmaterialien verwenden, die in großen Mengen mit billigeren Methoden hergestellt werden können als die, die zur Herstellung von Nanopartikeln erforderlich sind“, erklärt Danmo.

Wenn der Sauerstofftransport in diesen hexagonalen Manganiten nicht bereits so schnell wäre, hätte der Prozess Nanopartikel erfordert, um die Oberfläche zu vergrößern und dem Sauerstoff einen „kürzeren Weg“ in das Material und aus dem Material heraus zu bieten.

Die Herstellung von Nanopartikeln ist komplizierter und die Produktion großer Mengen ist nicht so einfach wie bei Massenmaterialien.

Verunreinigungen im Material sind unproblematisch

Die von ihnen entwickelten hexagonalen Manganite sind sogenannte „Hochentropiematerialien“. Das heißt, sie sind weder rein noch weisen sie eine besonders geordnete Kristallstruktur auf – und genau darin liegt das Geheimnis.

Die Materialien sind nicht nur recht günstig, sie sind auch nicht allzu anspruchsvoll, was die chemische Zusammensetzung angeht. Verunreinigungen und kleine Defekte im Material sind daher kein Problem. Man muss es nicht so genau nehmen, das Verfahren funktioniert trotzdem und ermöglicht eine kostengünstigere Produktion im industriellen Maßstab.

Die Forscher verwendeten in ihrer Experimentiermischung fünf bis sechs verschiedene Seltenerdmetalle und erzielten deutlich bessere Ergebnisse als bei der Verwendung wohlgeordneter Materialien mit nur einem oder zwei Seltenerdmetallen.

„Die Materialien mit hoher Entropie sind tatsächlich stabiler als solche mit einfacherer chemischer Zusammensetzung. Der Grund dafür ist die Entropie, also die Unordnung, die entsteht, wenn in der Kristallstruktur viele statt weniger unterschiedliche Elemente vorhanden sind“, sagt Selbach.

„Alle spontanen Prozesse erhöhen die Unordnung im Universum. Interessanterweise ist es die Unordnung selbst, die auch für eine so schnelle Sauerstoffaufnahme sorgt, da unsere Materialien nicht auf eine genaue chemische Zusammensetzung reagieren. Die Konzentration auf hohe Entropie ist ein Paradigmenwechsel für diese spezielle Materialklasse und hat uns außergewöhnliche Eigenschaften verliehen“, sagt Danmo.

Verwendung billigerer und verfügbarer Materialien

Materialien dieser Art werden derzeit in der Industrie nicht eingesetzt, es wird jedoch intensiv an ihnen geforscht, weil das Potenzial für eine kostengünstigere Sauerstoffproduktion so groß ist.

„Die Industrie kann billigere Rohstoffe verwenden, etwa Oxide recycelter Seltenerdmetalle oder Erze geringerer Qualität. Diese Rohstoffe bleiben übrig, nachdem teurere Elemente wie Neodym und Dysprosium für den Einsatz in Elektromotoren in Windmühlen und Elektroautos gewonnen wurden“, sagt Selbach.

Auch Reststoffe aus der Elektromotorenproduktion könnten für die Industrie sinnvoll genutzt werden.

In Zusammenarbeit mit Danmo führte Aamund Westermoen einen Großteil der experimentellen Arbeiten durch. Die leitende Ingenieurin Elvia Anabela Chavez Panduro steuerte Messungen an der NTNU bei, und Kenneth Marshall und Dragos Stoian von der European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) in Frankreich halfen bei den Synchrotronmessungen, die an der Swiss-Norwegian Beamlines-Einrichtung in Grenoble durchgeführt wurden.