Nuevo material polimérico versátil
Captador de metales de alta eficacia y componente para pilas ecológicas
Investigadores de la Universidad de Ulm han desarrollado un material orgánico con propiedades extraordinarias: El novedoso polímero es extremadamente eficaz para recuperar de soluciones valiosos metales preciosos como el oro o el paladio, separar semimetales tóxicos y, además, hacer que las baterías sean más respetuosas con el medio ambiente. El alto contenido en azufre y la estructura esponjosa de este polímero de tioortoéster son inusuales. Los resultados del proyecto realizado en el marco del clúster de excelencia POLiS (Post Lithium Storage) se han publicado en Angewandte Chemie Novit. Esta nueva revista sólo publica trabajos sobresalientes.
La ilustración muestra la estructura del material esponjoso con las dos aplicaciones en un cátodo de batería (izquierda) y para la deposición de iones metálicos (derecha)
Dr. J. Richers, Dr. C. Kühne
La característica especial del material blanco y escamoso desarrollado por el grupo de investigación dirigido por el profesor Max von Delius, del Instituto de Química Orgánica de la Universidad de Ulm, es un contenido excepcionalmente alto de azufre, en torno al 50%, y una superficie muy fisurada.
"Nuestro material se basa en una clase de reacción no utilizada hasta ahora en química de polímeros: la llamada química de tioortoésteres", explica von Delius. "Esto implica el uso de moléculas que están formadas por un átomo de carbono y tres de azufre, como un trípode. Esta composición confiere al material un altísimo contenido de azufre y provoca una fuerte reticulación del polímero. Esto garantiza una gran estabilidad, insolubilidad en agua y una estructura superficial extremadamente fragmentada". Aunque el alto contenido en azufre era uno de los objetivos de los investigadores, la estructura porosa, comparable a la de una esponja natural, se creó más bien por casualidad durante el proceso de síntesis y resultó ser un afortunado efecto secundario. "Gracias a esta gran superficie de contacto, los átomos de azufre pueden unir iones metálicos con especial eficacia", explica von Delius.
Una posible aplicación es la separación selectiva de los llamados metales de acuñación, como el paladio, el oro y la plata, a partir de soluciones. En el caso del paladio, que se utiliza mucho en la industria farmacéutica y tiene un precio similar al del oro, el material consigue mejores resultados que los llamados "secuestrantes" existentes. Se trata de sustancias captadoras de metales utilizadas por las empresas farmacéuticas, por ejemplo, para eliminar los residuos de paladio de las materias primas medicinales. Los análisis de fijación de metales realizados por un equipo dirigido por la profesora Kerstin Leopold en el Instituto de Química Analítica y Bioanalítica revelaron una capacidad máxima de fijación de paladio de 41,2 miligramos por gramo para el polímero de tioortoéster. Esta capacidad es casi el doble de la de un secuestrante comercial establecido.
El polímero también es adecuado para aplicaciones medioambientales; por ejemplo, para eliminar sustancias problemáticas como el semimetálico tóxico antimonio de la escoria de las plantas incineradoras de residuos. En las pruebas, el nuevo material absorbió hasta 2,23 miligramos de antimonio por gramo de polímero, varias veces más. Hasta el 83% de las sustancias ligadas pudieron volver a liberarse del material, con sólo una ligera pérdida de rendimiento tras varias aplicaciones. "La capacidad de separar selectivamente determinados metales es una gran ventaja", afirma Leopold.
Batería ecológica con azufre en lugar de metal
El nuevo polímero también muestra propiedades prometedoras como componente de los modernos sistemas de almacenamiento de energía. Como parte del Cluster de Excelencia POLiS ("Post Lithium Storage"), los investigadores probaron el material como cátodo sin metal en baterías de iones de litio. "Observamos una capacidad estable de unos 100 mAh por gramo a lo largo de 1000 ciclos de carga y descarga. Y, a diferencia de los materiales catódicos convencionales, el nuevo polímero no contiene metales críticos y tiene un impacto ambiental significativamente menor", informa von Delius.
El trabajo de los investigadores de Ulm no sólo ha sido aceptado por la prestigiosa revista Angewandte Chemie International Edition, sino que también ha sido elevado a la nueva revista Angewandte Chemie Novit tras recibir las máximas calificaciones en el proceso de revisión por pares; se trata del primer estudio publicado en este formato, que sólo publica artículos con un valor de novedad excepcional.
Se prevé un mayor desarrollo con socios industriales
Ya se ha presentado una solicitud de patente para el nuevo material desarrollado, principalmente por sus extraordinarias propiedades como aglutinante selectivo de metales como el paladio y el antimonio. Su uso como cátodo orgánico libre de metales en baterías de litio también forma parte de la solicitud de patente. El equipo de investigación está preparando conversaciones con posibles socios industriales para seguir desarrollando el proceso hasta su madurez comercial en diversos ámbitos, desde la preparación de productos químicos hasta la purificación del agua y el almacenamiento de energía.
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