Nuevo método ecológico para purificar metales críticos: avances de Sandia National Laboratories

MadridLos elementos de tierras raras son cruciales para la tecnología moderna como teléfonos inteligentes, coches eléctricos y sistemas de energía renovable. Sin embargo, los métodos actuales para purificar estos metales utilizan ácidos fuertes y solventes dañinos, lo que provoca contaminación. Esta situación ha generado preocupaciones ambientales y ha resaltado la necesidad de métodos más limpios. Investigadores de los Laboratorios Nacionales de Sandia están desarrollando una manera más amigable con el medio ambiente para extraer tierras raras utilizando marcos organometálicos (MOFs) en mezclas a base de agua.

Los MOFs son estructuras diminutas compuestas por partes metálicas y enlaces orgánicos. Al modificar estos componentes, los investigadores pueden crear "esponjas" que absorben elementos de tierras raras específicos. Este novedoso método ofrece numerosos beneficios.

• Disminuye el impacto ambiental al evitar químicos tóxicos.
• Permite una separación más eficiente de tierras raras.
• Facilita el ajuste fino de MOFs para apuntar a metales específicos.

El equipo de Sandia primero evaluó, utilizando modelos computacionales y pruebas de rayos X, la capacidad de los MOFs para absorber elementos de tierras raras. Su objetivo es diseñar MOFs que puedan seleccionar un elemento de tierras raras específico y excluir los demás. Esto podría transformar industrias que requieren estos materiales, como la electrónica, los autos eléctricos y la energía renovable.

En un estudio, los investigadores desarrollaron dos tipos de marcos organometálicos (MOFs) basados en circonio. Descubrieron que al agregar grupos cargados negativamente, como el fosfonato, a los enlaces, se mejoraba la adsorción de metales. Curiosamente, cuando estos grupos se unían a los centros metálicos, no afectaban significativamente la adsorción de metales de tierras raras, pero sí mejoraban la capacidad de los MOFs para seleccionar níquel sobre cobalto. Esto indica que la estructura de un MOF puede cambiar su funcionalidad.

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Kevin Leung, un científico que investiga materiales mediante el uso de computadoras, empleó dinámica molecular y teoría del funcional de la densidad para analizar el comportamiento de los elementos de tierras raras. Descubrió que estos elementos tienen una mayor afinidad por los químicos con carga negativa que por el agua, y esta tendencia es aún más pronunciada en elementos más pesados como el lutecio. Sin embargo, concluyó que ningún grupo químico puede unirse selectivamente a un solo tipo de metal.

La espectroscopía de rayos X nos proporcionó más detalles. La investigación de Anastasia Ilgen demostró que los elementos de tierras raras se adhieren a los MOF de zirconio y cromo en los centros metálicos. En los MOF con grupos fosfonatos, los elementos de tierras raras prefieren unirse a esos grupos. Esto implica que se puede ajustar la composición química para mejorar la selectividad en la unión de elementos.

Investigadores están explorando diversas formas de diseñar MOFs para seleccionar iones de manera específica. Podrían modificar la química de las partes metálicas, usar más de un tipo de metal o alterar las propiedades de los grupos superficiales. Al ajustar estos factores, esperan crear MOFs capaces de separar eficazmente elementos de tierras raras.

La investigación de Sandia está desarrollando métodos más limpios y eficientes para purificar metales esenciales. Esto puede ayudar a reducir el impacto ambiental y mejorar la sostenibilidad de tecnologías cruciales. El trabajo del equipo demuestra cómo los MOFs pueden ser herramientas útiles para afrontar grandes desafíos en la ciencia de materiales.