Los metales líquidos sacuden procesos de ingeniería química centenarios
Ofrece a la industria química una "posibilidad sin precedentes" para cambiar el futuro de los procesos químicos
Los metales líquidos podrían ser la solución largamente esperada para "ecologizar" la industria química, según unos investigadores que probaron una nueva técnica que esperan pueda sustituir a los procesos de ingeniería química de alto consumo energético que se remontan a principios del siglo XX, que consumen mucha energía.
Agitación de galio líquido en una placa de Petri.
University of Sydney/Philip Ritchie
La producción química representa aproximadamente entre el 10 y el 15% de las emisiones totales de gases de efecto invernadero. Además, las fábricas químicas consumen más del 10% de la energía mundial.
Los hallazgos publicados en Nature Nanotechnology ofrecen una innovación muy necesaria que se aleja de los viejos catalizadores de materiales sólidos que consumen mucha energía. La investigación está dirigida por el profesor Kourosh Kalantar-Zadeh, director de la Escuela de Ingeniería Química y Biomolecular de la Universidad de Sídney, y la doctora Junma Tang, que trabaja conjuntamente en la Universidad de Sídney y la UNSW.
Un catalizador es una sustancia que acelera y facilita las reacciones químicas sin participar en ellas. Los catalizadores sólidos, normalmente metales sólidos o compuestos sólidos de metales, se utilizan habitualmente en la industria química para fabricar plásticos, fertilizantes, combustibles y materias primas.
Sin embargo, la producción química mediante procesos sólidos consume mucha energía y requiere temperaturas de hasta mil grados centígrados.
En cambio, el nuevo proceso utiliza metales líquidos, en este caso disolviendo el estaño y el níquel, lo que les confiere una movilidad única que les permite migrar a la superficie de los metales líquidos y reaccionar con moléculas de entrada como el aceite de canola. El resultado es la rotación, fragmentación y reensamblaje de las moléculas de aceite de canola en cadenas orgánicas más pequeñas, incluido el propileno, un combustible de alto valor energético crucial para muchas industrias.
"Nuestro método ofrece una posibilidad sin parangón a la industria química para reducir el consumo de energía y hacer más ecológicas las reacciones químicas", afirma el profesor Kalantar-Zadeh.
"Se prevé que el sector químico será responsable de más del 20 por ciento de las emisiones en 2050", dijo el profesor Kalantar-Zadeh. "Pero la fabricación de productos químicos es mucho menos visible que otros sectores: es vital un cambio de paradigma".
Cómo funciona el proceso
Los átomos de los metales líquidos están dispuestos de forma más aleatoria y tienen mayor libertad de movimiento que los sólidos. Esto les permite entrar fácilmente en contacto con las reacciones químicas y participar en ellas. "En teoría, pueden catalizar sustancias químicas a temperaturas mucho más bajas, lo que significa que necesitan mucha menos energía", explica Kalantar-Zadeh.
En su investigación, los autores disolvieron níquel y estaño de alto punto de fusión en un metal líquido a base de galio con un punto de fusión de sólo 30 grados centígrados.
"Al disolver níquel en galio líquido, accedimos al níquel líquido a temperaturas muy bajas, actuando como un 'super' catalizador". En comparación, el punto de fusión del níquel sólido es de 1455 grados centígrados. El mismo efecto, en menor medida, se experimenta también con el estaño metálico en galio líquido", explicó el Dr. Tang.
Los metales se dispersaron en disolventes metálicos líquidos a nivel atómico. "Así tenemos acceso a catalizadores de átomo único. Un solo átomo es la mayor superficie accesible para la catálisis, lo que ofrece una ventaja notable a la industria química", explicó el Dr. Arifur Rahim, autor principal y becario DECRA de la Facultad de Ingeniería Química y Biomolecular.
Según los investigadores, su fórmula también podría utilizarse para otras reacciones químicas mezclando metales mediante procesos a baja temperatura.
"Requiere una temperatura tan baja para catalizar que, en teoría, podríamos hacerlo incluso en la cocina con la placa de gas, pero no lo intenten en casa", dijo el Dr. Tang.
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Publicación original
Junma Tang, Andrew J. Christofferson, Jing Sun, Qingfeng Zhai, Priyank V. Kumar, Jodie A. Yuwono, Mohammad Tajik, Nastaran Meftahi, Jianbo Tang, Liming Dai, Guangzhao Mao, Salvy P. Russo, Richard B. Kaner, Md. Arifur Rahim, Kourosh Kalantar-Zadeh; "Dynamic configurations of metallic atoms in the liquid state for selective propylene synthesis"; Nature Nanotechnology, 2023-11-9
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