El equipo crea un mapa para la producción de metales ecológicos | Noticias del MIT



En un trabajo que podría marcar el comienzo de procesos más eficientes y respetuosos con el medio ambiente para producir metales importantes como el litio, el hierro y el cobalto, investigadores del MIT y el Laboratorio Nacional de Aceleradores 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 los obstáculos fundamentales detrás de la producción eficiente de otros. Así, 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 contribuir al desarrollo de baterías de metal-aire, primas de las baterías de iones de litio que se utilizan en los vehículos eléctricos en la actualidad.

La mayoría de los metales esenciales para la sociedad actual se producen a partir de combustibles fósiles. Estos combustibles generan las altas temperaturas necesarias para convertir el mineral original en su metal purificado. Pero este proceso es una fuente importante de gases de efecto invernadero: el acero por sí solo representa alrededor del 7% de las emisiones de dióxido de carbono del mundo. Como resultado, los investigadores de todo el mundo están trabajando para identificar formas más ecológicas de producir 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. Esta es la reacción explorada a nivel atómico en una nueva investigación publicada en la edición del 8 de abril de la revista. Química de materiales.

Donald Siegel es director de departamento y profesor de ingeniería mecánica en la Universidad de Texas en Austin. Dijo Siegel, que no participó en el 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 bajas emisiones de carbono al rastrear la termodinámica subyacente hasta las interacciones básicas metal-oxígeno. Espero que este trabajo ayude a crear reglas de diseño que harán que estos importantes procesos industriales sean menos dependientes de los combustibles fósiles.

Yang Shao-Horn, profesor de ingeniería de JR East en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales (DMSE) y el Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT, lidera el trabajo en curso, junto con Michal Bajdich de SLAC.

«Aquí, nuestro objetivo es establecer una comprensión de referencia para predecir la eficiencia de la producción electroquímica de metales y baterías de metal-aire mediante el examen de las barreras termodinámicas calculadas para la conversión entre metal y óxidos de metal», dice Shao-Horn, quien forma parte de el equipo de investigación del MIT. nuevo Centro para la Electrificación y Descarbonización de la Industria, 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 Electrónica del MIT.

Además de Shao-Horn y Bajdich, otros autores de la Química de materiales el artículo son Jaclyn R. Lunger, primera autora y estudiante de posgrado de DMSE; Naomi Lutz, ingeniera mecánica senior; y el estudiante graduado de DMSE Jiayu Peng.

Otras aplicaciones

El trabajo también podría contribuir 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 varios 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 vías electroquímicas eficientes para la producción de metales, sino también a diseñar baterías de metal-aire más eficientes.

Aprende de la división del agua.

La electrólisis también se usa para dividir el agua en oxígeno e hidrógeno, que almacena la energía resultante. Este 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 los óxidos metálicos, el equipo comparó los dos procesos por primera vez.

El resultado: “Poco a poco, descubrimos los pasos elementales en la electrólisis de los metales”, explica Bajdich. El trabajo fue difícil, dice Lunger, porque “no sabíamos cuáles eran esos pasos. Tuvimos que averiguar cómo pasar de A a B”, o de un óxido de metal a un metal y al oxígeno.

Todo el trabajo se llevó a cabo con simulaciones de superordenadores. “Es como una caja de arena de átomos, y luego jugamos con ellos. Es un poco como Legos”, dice Bajdich. Específicamente, el equipo exploró diferentes escenarios para la electrólisis de varios metales. Cada uno involucró diferentes catalizadores, moléculas que aceleran la velocidad de una reacción.

Según Lunger, «para optimizar la reacción, debe encontrar el catalizador que la haga más eficiente». La tarjeta del equipo es básicamente una guía para diseñar los mejores catalizadores para cada metal diferente.

¿Y después? Lunger señaló que el trabajo actual se centra en la electrólisis de metales puros. “Me gustaría ver qué sucede en sistemas más complejos que involucran múltiples metales. ¿Puedes hacer que la reacción sea más eficiente si hay sodio y litio presentes, o cadmio y cesio? »

Este trabajo fue apoyado por una beca de investigación para estudiantes graduados de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU. También recibió el apoyo de una beca de la Iniciativa de Energía del MIT, el Instituto de Investigación de Toyota a través del Programa de Descubrimiento y Diseño de Materiales Acelerados, el Programa de Ciencia de Catálisis del Departamento de Energía, la Oficina de Ciencias Energéticas Básicas y el Programa de Diferenciación a través de la Investigación Avanzada de EE. UU. Proyectos. Agencia — Energía.

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