13.09.2021 - University of Delaware

Utilizar la electricidad para impulsar la química

El avance de la Universidad de Delaware abre la puerta al acceso a nuevos materiales para la catálisis, la detección y el almacenamiento de gases

Los marcos orgánicos metálicos (MOF) son una clase prometedora de materiales que tienen muchas aplicaciones como catalizadores, sensores y para el almacenamiento de gases. Los MOF, ampliamente estudiados en las dos últimas décadas, suelen producirse mediante procesos químicos que requieren mucho calor y alta presión.

Ahora, los químicos de la Universidad de Delaware Joel Rosenthal y Eric Bloch informan de que es posible producir materiales MOF basados en hierro directamente utilizando electricidad renovable a temperatura ambiente.

El método desarrollado por la Universidad de Delaware tiene una eficacia del 96% en el uso de la electricidad para formar los materiales MOF de forma rápida, fiable y económica. Los investigadores de la UD informaron del avance en un nuevo artículo publicado en ACS Central Science, una revista de la Sociedad Química Americana.

Según Rosenthal, catedrático de química y bioquímica de la Facultad de Artes y Ciencias de la Universidad de Duke, una forma fácil de pensar en los MOF es imaginar juguetes de juguete, en los que los grupos de átomos metálicos representan las ruedas de madera del juguete y las pequeñas moléculas orgánicas representan los palos que conectan los grupos.

En el medio hay espacios vacíos con un enorme potencial para el almacenamiento y la separación de sustancias químicas. Por ejemplo, una pila de material MOF del tamaño de un guisante tiene una superficie interna del tamaño de dos campos de fútbol que puede utilizarse para almacenar gases como el metano o el hidrógeno, separar gases y catalizar reacciones. Incluso pueden utilizarse como sensores.

"La calidad de los materiales que podemos producir es tan buena como la que cabría esperar de los mejores métodos térmicos, pero mucho más escalable y sostenible", afirma Rosenthal, experto en electroquímica. "Nuestro descubrimiento es un gran paso adelante para hacer de los MOF una opción más práctica para muchas aplicaciones diferentes".

La electricidad impulsa la química

Uno de los problemas que ha limitado los MOF a los laboratorios académicos es que fabricarlos a gran escala es difícil y no especialmente respetuoso con el medio ambiente. Por eso, Rosenthal tuvo la idea de empezar a utilizar la electricidad para activar la síntesis de los MOF. El uso de la electricidad permite ajustar fácilmente la cantidad de energía introducida en un proceso sintético a temperatura ambiente, creando una forma más segura de fabricar MOFs sin las altas temperaturas, las altas presiones y los reactivos a veces tóxicos que se utilizan normalmente.

Conduzca hasta el pie del puente conmemorativo de Delaware y, tanto en el lado de Delaware como en el de Nueva Jersey, verá plantas químicas del tamaño de un pequeño estadio. Estas plantas albergan unos cuantos reactores que realizan un puñado de reacciones químicas diferentes para fabricar productos químicos útiles para la sociedad.

"Para llevar a cabo de forma eficiente muchos procesos químicos térmicos a escala comercial o de productos básicos se requieren generalmente estas grandes huellas y una infraestructura muy costosa, pero la electroquímica ofrece una forma de romper estas reglas", dijo Rosenthal. "No es necesario construir una planta electroquímica gigante para ampliar eficazmente un método electroquímico. La electrosíntesis suele ser mucho más versátil en términos de traslación de un laboratorio académico al mercado comercial".

Sin embargo, la química no es tan sencilla como la de un niño sentado en el salón conectando ruedas y palos. Los avances en la síntesis de MOF hasta la fecha se han visto limitados por las combinaciones de metales que pueden utilizarse y los tipos de materiales sintéticos y orgánicos que pueden combinarse mediante enfoques térmicos.

El artículo se centra específicamente en la preparación de materiales MOF utilizando grupos de átomos de hierro. Rosenthal y Bloch no son los primeros en fabricar MOF de hierro. Tradicionalmente, explicó Rosenthal, los investigadores fabrican estos materiales tomando una sal de hierro (3+), una molécula orgánica y un disolvente relativamente caro que se descompone en determinadas condiciones de reacción y lo calientan todo en un recipiente sellado a altas presiones durante al menos un día, a veces varios, y luego lo abren para ver qué obtienen.

Por el contrario, él y Bloch empiezan con una solución que contiene disolvente, moléculas orgánicas e iones de hierro (2+), que tienen un electrón extra que cambia el comportamiento del hierro. Los investigadores utilizan un electrodo hecho de carbono o de un tipo de vidrio conductor para hacer pasar electricidad a través de la solución y cambiar la carga de las partículas metálicas de la solución de hierro (2+) a hierro (3+). Es como un interruptor, que hace que el hierro esté más cargado para que pueda producir el MOF de forma directa y eficiente, sin reacciones secundarias o efectos típicos de los métodos tradicionales de química térmica.

"A medida que el electrodo va tomando electrones del hierro, ese hierro va y encuentra un enlazador orgánico y hace un MOF. Es casi 100% eficiente, en el sentido de que cada electrón que movemos da lugar a la síntesis de MOF. No hay reacciones secundarias ni productos no deseados", afirma Bloch, profesor adjunto de química y bioquímica especializado en marcos orgánicos metálicos y materiales adsorbentes.

Además, si se utiliza el tipo de electrodo adecuado, es posible hacer algo más que crear y recoger el producto MOF. El equipo de investigación puede cultivar el material directamente en el sustrato conductor de la electricidad, una ventaja que podría permitir el uso de los MOF en diversos dispositivos y soportes estampados, poniendo al alcance de la mano sensores MOF avanzados.

Rosenthal explicó que para convertir un MOF en un sensor se necesita una forma de interconectarlo con un soporte conductor de la electricidad para obtener una lectura. Esto es algo que la comunidad investigadora no había averiguado cómo hacer bien, hasta ahora, dijo. La síntesis electroquímica y el crecimiento del MOF en el soporte de electrodos del equipo de la UD proporciona una forma de interconectar el MOF para mejorar la comunicación entre materiales.

Una de las formas en que esta tecnología podría utilizarse es en sensores en miniatura, tal vez en teléfonos móviles para medir la calidad del aire o para detectar selectivamente partículas en el aire como parte de las medidas de seguridad en los aeropuertos.

"Detectar gases y moléculas ahora puede ser bastante sencillo, de forma similar a como funciona un detector de humo para detectar un tipo de gas en lugar de otro en función de su reactividad", explica Bloch.

La reacción electrosintética también es rápida, ya que el polvo de MOF se forma en la solución en cuestión de minutos. Y mientras que los materiales que permanecen demasiado tiempo en la solución suelen degradarse con el tiempo o convertirse en un material totalmente diferente debido a reacciones secundarias, los materiales MOF creados mediante electrosíntesis son estables y simplemente se depositan en el fondo del frasco. Como el proceso de electrosíntesis se lleva a cabo a temperatura ambiente, la descomposición del material es mucho menos preocupante.

Cuanto más larga sea la electrólisis, mayor será la cantidad de material de MOF que se podrá extraer como producto. Según los investigadores, la sencillez del método lo hace versátil para trasladarlo de un laboratorio académico al mercado comercial.

La estudiante de posgrado Anna Weaver, coautora del artículo, sólo llegó a la UD este verano, pero Rosenthal dijo que desempeñó un papel clave en la demostración de la eficacia del método del equipo. Weaver realizó varios experimentos de última hora que proporcionaron datos adicionales para el artículo.

"La capacidad de Anna de hacer contribuciones tan rápidamente habla tanto de su talento como de la facilidad con la que se puede llevar a cabo esta química. No hace falta aprender un arte oscuro para que esto funcione", dijo.

La química impulsada por la electricidad también abre la puerta a la exploración de materiales que se ha predicho que tienen excelentes propiedades para los MOF, como los basados en el cobalto, pero que siguen siendo desconocidos porque son incompatibles con las químicas tradicionales que dependen del calor para poner en marcha la reacción.

"Como catalizadores, sabemos que ciertos metales serían fenomenales como MOF, pero los métodos normales no funcionan. Creemos que ésta es una vía para fabricar nuevos MOF estables y muy reactivos con propiedades totalmente diferentes a las que hemos podido acceder antes", dijo Bloch.

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

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