Oxygène pur à moindre coût : le potentiel des nouveaux matériaux dévoilé

Les nouvelles découvertes en matière de production d’oxygène pourraient transformer les méthodes traditionnelles. Cette innovation est particulièrement intéressante, car l’oxygène pur est très recherché dans de nombreux secteurs industriels et médicaux.

Des chercheurs ont identifié des matériaux capables de stocker et de libérer de l’oxygène pur plus rapidement et à des températures beaucoup plus basses que les matériaux actuellement utilisés.

«Nous avons identifié des matériaux qui peuvent stocker et libérer de l’oxygène pur beaucoup plus rapidement et à des températures beaucoup plus basses que les matériaux connus actuellement utilisés à cette fin», explique le professeur Sverre Magnus Selbach du Département des sciences et de l’ingénierie des matériaux de l’Université norvégienne de science et de technologie (NTNU).

Extraction de l’oxygène à partir de matériaux

De nombreux matériaux absorbent l’oxygène de l’air. Lorsqu’ils sont chauffés, ils libèrent cet oxygène, et de petites modifications dans les matériaux peuvent changer leurs propriétés. À mesure que le processus chimique s’accélère, les scientifiques parlent de «cinétique plus rapide» dans le matériau. Le fait que ce processus puisse se dérouler à basse température constitue un avantage majeur. Non seulement cela nécessite moins d’énergie pour le chauffage, mais cela permet également de fabriquer des réacteurs à partir de matériaux moins coûteux nécessitant moins d’entretien.

«Ces deux améliorations des propriétés des matériaux les rendent plus compétitifs», affirme Frida Hemstad Danmo. Cette recherche faisait partie de son travail de doctorat.

Quel est donc ce matériau miracle ? Il pourrait s’agir d’une surprise. Avez-vous entendu parler des manganites hexagonaux ? Probablement pas. Heureusement, les chercheurs de la NTNU en ont connaissance. Le matériau est non seulement très adapté à l’extraction de l’oxygène, mais il peut également être fabriqué de manière économique et efficace.

«Parce que l’oxygène est absorbé si rapidement dans le matériau, nous pouvons utiliser des matériaux en vrac qui peuvent être produits en grandes quantités en utilisant des méthodes moins coûteuses que celles nécessaires pour fabriquer des nanoparticules», explique Frida Hemstad Danmo. Si le transport de l’oxygène n’était pas déjà si rapide dans ces manganites hexagonaux, le processus aurait nécessité des nanoparticules pour augmenter la surface et offrir à l’oxygène un « chemin plus court » pour entrer et sortir du matériau.

Les impuretés dans le matériau ne posent pas de problème

Les manganites hexagonaux développés sont des matériaux dits «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 exigeants en termes de composition chimique. Les impuretés et les petits défauts dans le matériau ne posent donc pas de problème. Les choses n’ont pas besoin d’être si précises, le processus fonctionne quand même, ce qui permet d’atteindre une production moins coûteuse 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 avec un ou deux métaux de terres rares étaient utilisés.

«Les matériaux à haute entropie sont en fait plus stables que ceux avec une composition chimique 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», détaille Magnus Selbach.

Le désordre est l’état naturel

«Tous les processus spontanés augmenteront le désordre de l’univers. Fait intéressant, c’est le désordre lui-même qui permet une absorption rapide de l’oxygène, car nos matériaux ne sont pas sensibles à une composition chimique précise. Se concentrer sur la haute entropie représente un changement de paradigme pour cette classe particulière de matériaux, et cela nous a permis d’obtenir des propriétés exceptionnelles», ajoute Hemstad Danmo.

Ces types de matériaux ne sont pas actuellement utilisés dans l’industrie, mais de nombreuses recherches sont en cours sur eux précisément en raison du potentiel de production d’oxygène moins coûteuse.

«L’industrie peut utiliser des matières premières moins chères, telles que des oxydes de métaux de terres rares recyclés ou des minerais de faible qualité. Ces matières premières restent après l’extraction d’éléments plus coûteux tels que le néodyme et le dysprosium pour une utilisation dans les moteurs électriques des éoliennes et des voitures électriques», conclut le Professeur Selbach.

Article : « High-Entropy Hexagonal Manganites for Fast Oxygen Absorption and Release » – DOI: 10.1021/acs.chemmater.3c02702

Légende illustration : Frida Hemstad Danmo avec un matériau qui semble prometteur pour produire de l’oxygène à moindre coût. Photo : Per Henning, NTNU