En un trabajo que podría marcar el comienzo de procesos más eficientes y ecológicos para la producción de metales importantes como el litio, el hierro y el cobalto, investigadores del MIT y SLAC han mapeado lo que está sucediendo a nivel atómico detrás de un enfoque particularmente prometedor llamado electrólisis de metales.

Al crear mapas para una amplia gama de metales, no solo determinaron qué metales deberían ser más fáciles de producir con este enfoque, sino que también identificaron las barreras fundamentales detrás de la producción eficiente de otros. Como resultado, el mapa de los investigadores podría convertirse en una importante herramienta de diseño para optimizar la producción de todos estos metales.

El trabajo también podría ayudar al desarrollo de baterías de metal-aire, primas de las baterías de iones de litio que se usan en los vehículos eléctricos actuales.

La mayoría de los metales clave para la sociedad actual se producen utilizando combustibles fósiles. Estos combustibles generan las altas temperaturas necesarias para convertir el mineral original en su metal purificado. Pero ese proceso es una fuente importante de gases de efecto invernadero:el acero por sí solo representa alrededor del siete por ciento de las emisiones de dióxido de carbono a nivel mundial. Como resultado, investigadores de todo el mundo están trabajando para identificar formas más ecológicas para la producción de metales.

Un enfoque prometedor es la electrólisis de metales, en la que un óxido de metal, el mineral, se descarga con electricidad para crear metal puro con oxígeno como subproducto. Esa es la reacción explorada a nivel atómico en la investigación actual, que se informa en la edición del 8 de abril de 2022 de la revista Chemistry of Materials .

Donald Siegel es director de departamento y profesor de ingeniería mecánica en la Universidad de Texas en Austin. Dice Siegel, que no participó en la química de materiales estudio:"Este trabajo es una contribución importante para mejorar la eficiencia de la producción de metales a partir de óxidos metálicos. Aclara nuestra comprensión de los procesos de electrólisis con bajo contenido de carbono al rastrear la termodinámica subyacente hasta las interacciones metal-oxígeno elementales. Espero que este trabajo ayude en la creación de reglas de diseño que harán que estos importantes procesos industriales dependan menos de los combustibles fósiles".

Yang Shao-Horn, profesor de ingeniería de JR East en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales (DMSE) del MIT y el Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT, es líder del trabajo actual con Michal Bajdich del Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC en California.

"Aquí, nuestro objetivo es establecer una comprensión básica para predecir la eficiencia de la producción electroquímica de metales y las baterías de metal-aire a partir del examen de las barreras termodinámicas computarizadas para la conversión entre metal y óxidos metálicos", dice Shao-Horn, quien forma parte del equipo de investigación de El nuevo Centro para la Electrificación y Descarbonización de la Industria del MIT, ganador de la primera competencia Climate Grand Challenges del Instituto. Shao-Horn también está afiliado al Laboratorio de Investigación de Materiales y al Laboratorio de Investigación de Electrónica del MIT.

Además de Shao-Horn y Bajdich, otros autores del artículo sobre Química de materiales son Jaclyn R. Lunger, primera autora y estudiante de posgrado de DMSE, y Naomi Lutz y Jiayu Peng. Lutz recibió su licenciatura del MIT en ingeniería mecánica en 2022. Peng es estudiante de posgrado de DMSE.

Otras aplicaciones

El trabajo también podría ayudar al desarrollo de baterías de metal-aire, como las baterías de litio-aire, aluminio-aire y zinc-aire. Estos primos de las baterías de iones de litio que se utilizan en los vehículos eléctricos actuales tienen el potencial de electrificar la aviación porque sus densidades de energía son mucho más altas. Sin embargo, aún no están en el mercado debido a una variedad de problemas, incluida la ineficiencia.

La carga de baterías de metal-aire también implica electrólisis. Como resultado, la nueva comprensión a nivel atómico de estas reacciones no solo podría ayudar a los ingenieros a desarrollar rutas electroquímicas eficientes para la producción de metales, sino también a diseñar baterías de metal-aire más eficientes.

Aprendiendo de la división del agua

La electrólisis también se usa para dividir el agua en oxígeno e hidrógeno, que almacena la energía resultante. Ese hidrógeno, a su vez, podría convertirse en una alternativa ecológica a los combustibles fósiles. Dado que se sabe mucho más sobre la electrólisis del agua, el enfoque del trabajo de Bajdich en SLAC, que sobre la electrólisis de óxidos metálicos, el equipo comparó los dos procesos por primera vez.

El resultado:"Poco a poco descubrimos los pasos elementales involucrados en la electrólisis de metales", dice Bajdich. El trabajo fue desafiante, dice Lunger, porque "no estaba claro para nosotros cuáles son esos pasos. Teníamos que descubrir cómo llegar de A a B", o de un óxido de metal a metal y oxígeno.

Todo el trabajo se realizó con simulaciones de supercomputadoras. "Es como una caja de arena de átomos, y luego jugamos con ellos. Es un poco como Legos", dice Bajdich. Más concretamente, el equipo exploró diferentes escenarios para la electrólisis de varios metales. Cada uno involucró diferentes catalizadores, moléculas que aumentan la velocidad de una reacción.

Dice Lunger:"Para optimizar la reacción, debe encontrar el catalizador que la haga más eficiente". El mapa del equipo es esencialmente una guía para diseñar los mejores catalizadores para cada metal diferente.

¿Que sigue? Lunger señaló que el trabajo actual se centró en la electrólisis de metales puros. "Estoy interesado en ver qué sucede en sistemas más complejos que involucran múltiples metales. ¿Se puede hacer que la reacción sea más eficiente si hay sodio y litio presentes, o cadmio y cesio?" + Explora más

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