El intercambio iónico es una técnica poderosa para convertir un material en otro al sintetizar nuevos productos. En este proceso, los científicos saben qué reactivos conducen a qué productos, pero cómo funciona el proceso (la ruta exacta de cómo un material puede convertirse en otro) sigue siendo difícil de alcanzar.
En un artículo publicado en Nature Materials , un equipo de investigadores de la Escuela de Ingeniería Molecular Pritzker de la Universidad de Chicago arroja nueva luz sobre este misterio. Al investigar materiales de cátodos de litio para almacenamiento en baterías, un equipo del Laboratorio Liu ha demostrado que existe una vía general para el intercambio de iones de litio y sodio en materiales de cátodos de óxido en capas.
"Exploramos sistemáticamente el proceso de intercambio iónico en litio y sodio", dijo el primer autor Yu Han, Ph.D. candidato en PME. "La vía de intercambio iónico que revelamos es nueva."
Al ayudar a explicar cómo funciona el proceso de intercambio iónico, este artículo abre las puertas a los investigadores que trabajan con materiales metaestables, es decir, materiales que actualmente no se encuentran en sus formas más estables posibles. También puede conducir a nuevas innovaciones en la fabricación atómicamente eficiente, utilizando menos precursores iniciales y generando menos residuos al sintetizar materiales.
"Ampliará la familia de materiales metaestables que la gente puede sintetizar", dijo el asistente de PME. Prof. Chong Liu.
Aunque las posibles aplicaciones resuenan en toda la síntesis de materiales, el artículo comenzó analizando la producción de litio para cátodos de baterías. A medida que el cambio climático aleja al mundo de los combustibles fósiles, se necesitan más y mejores baterías para almacenar energía renovable.
"El antiguo método de síntesis de estado sólido consistiría en elegir un poco de sal que contenga los elementos que se buscan sintetizar. Luego los combinas con la proporción correcta de cada uno de los elementos", dijo Liu. "Entonces lo quemas."
Sin embargo, quemar los precursores de litio a 800-900 grados Celsius es más efectivo cuando se trabaja con materiales estables. En los casos en que la forma metaestable tenía propiedades interesantes que, en teoría, podrían producir excelentes cátodos de batería, las altas temperaturas empujaron a los materiales a un nuevo estado que era más estable, pero que a menudo carecía de propiedades interesantes.
Sin embargo, el intercambio iónico es un método de síntesis que se puede realizar a temperatura ambiente o a temperaturas relativamente bajas de 100 grados Celsius.
"El intercambio iónico a temperatura ambiente nos permite acceder a esos óxidos en capas metaestables, que no podrían sintetizarse directamente mediante síntesis de estado sólido a temperatura elevada, pero que podrían estar equipados con propiedades químicas y físicas únicas", dijo Han.
En el intercambio iónico, las sales no se queman sino que se disuelven, lo que permite que los iones que tienen la misma carga reemplacen a los iones no deseados. Permite a los investigadores variar la composición química manteniendo una estructura sólida:solo se intercambian los iones. Pero esto también tuvo sus inconvenientes. Históricamente, el proceso ha consumido muchos recursos y se basa en prueba y error.
Los conocimientos del artículo del equipo de PME permitirán a los investigadores predecir no sólo las composiciones y fases finales, sino también los estados intermedios para trazar las rutas cinéticas.
Los investigadores de PME ya han puesto en práctica sus conocimientos sobre las vías de intercambio iónico, creando lo que Han llamó "una forma muy eficiente" de sintetizar litio (Li) a partir de sodio (Na) y viceversa. El artículo demuestra por primera vez la síntesis de óxido de cobalto de sodio en fase pura a partir del óxido de cobalto de litio original y también óxido de cobalto de litio a partir de óxido de cobalto de sodio a 1-1000 Li-Na (relación molar) con un método de intercambio iónico asistido electroquímico mitigando la barreras cinéticas.
El equipo espera que los futuros innovadores vayan más allá y creen procesos más eficientes y con menos desperdicio para sintetizar los materiales que la humanidad necesita para el cambio climático u otras necesidades globales apremiantes.
"En la fabricación actual, la gente está enfatizando la eficiencia atómica, lo que significa utilizar la menor cantidad de material para llegar a lo que se desea", dijo Liu.
Más información: Yu Han et al, Descubriendo las vías predictivas del intercambio de litio y sodio en óxidos en capas, Nature Materials (2024). DOI:10.1038/s41563-024-01862-8
Información de la revista: Materiales naturales
Proporcionado por la Universidad de Chicago
