Postdoc Ana Konovalova muestra la célula electroquímica diseñada en el laboratorio de Paul Kempler. Crédito: Universidad de Oregón
Los químicos de la Universidad de Oregon están acercando una forma más verde de hacer que el metal de hierro para la producción de acero sea más cerca de la realidad, un paso para limpiar una industria que es uno de los mayores contribuyentes a las emisiones de carbono en todo el mundo. La investigación fue publicada en ACS Energy Letters.
El año pasado, el químico de UO Paul Kempler y su equipo informaron una forma de crear hierro con electroquímica, utilizando una serie de reacciones químicas que convierten el agua salada y el óxido de hierro en metal de hierro puro.
En su último trabajo, han optimizado los materiales de partida para el proceso, identificando qué tipos de óxidos de hierro harán que las reacciones químicas sean las más rentables. Esa es una clave para que el proceso funcione a escala industrial.
“En realidad tenemos un principio químico, una especie de regla de diseño guía, que nos enseñará cómo identificar óxidos de hierro de bajo costo que podríamos usar en estos reactores”, dijo Kempler.
Utilizado en todo, desde edificios hasta automóviles hasta infraestructura, se produjeron casi 2 mil millones de toneladas métricas de acero en todo el mundo en 2024. Actualmente, la parte más intensiva en combustible fósil de ese proceso es convertir el mineral de hierro, la forma oxidada de hierro que se encuentra en la naturaleza, en el metal de hierro puro.
Es la forma y la porosidad, no el tamaño, de las partículas de óxido de metal lo que importan para la eficiencia en la creación de hierro electroquímico. Crédito: Adaptado de ACS Energy Letters 2025, doi: 10.1021/acsenergylett.5C00166
Tradicionalmente realizado en calzoncillos que envían dióxido de carbono a la atmósfera, el equipo de Kempler está desarrollando un enfoque diferente para la producción de hierro.
Su proceso comienza con el agua salada y el óxido de hierro, que son baratos y disponibles, y los transforma en metal de hierro a través de una serie de reacciones químicas. Esas reacciones también producen cloro, un subproducto comercialmente valioso.
Cuando Kempler y su equipo comenzaron a desarrollar su proceso hace unos años, comenzaron con pequeñas cantidades de óxidos de hierro de compañías de suministro de productos químicos.
Esos materiales funcionaron bien en las pruebas de laboratorio. Pero no reflejaron el tipo de materiales ricos en hierro que se encuentran naturalmente, que tienen mucha más variación en la composición y la estructura.
“Entonces, una siguiente pregunta muy natural fue: ¿qué sucede si realmente intentas trabajar con algo que fue excavado directamente de la tierra, sin ser purificado adicional, adicional, y así sucesivamente?” dijo Ana Konovalova, quien dirigió el proyecto como investigadora postdoctoral en el laboratorio de Kempler.
A medida que el equipo experimentó con diferentes tipos de óxidos de hierro, estaba claro que algunos funcionaron mucho mejor que otros. Pero los investigadores no estaban seguros de qué estaba impulsando la diferencia en la cantidad de metal de hierro que podrían generar a partir de diferentes materiales de partida. ¿Era del tamaño de las partículas de óxido de hierro? La composición del material? La presencia o ausencia de impurezas específicas?
Konovalova y el estudiante graduado Andrew Goldman encontraron formas creativas de probar ciertas variables mientras mantenían a otros igual.
Por ejemplo, tomaron polvo de óxido de hierro y lo convirtieron en nanopartículas. Pusieron algunas de las nanopartículas a través de un tratamiento térmico que las hizo mucho más densas y menos porosas.
“Se solidifica en esta misma forma de nanopartícula secundaria, pero no hay más partículas primarias observadas en el interior. Es esencialmente el mismo material, solo en diferentes etapas”, dijo Konoveova.
En las pruebas de laboratorio, la diferencia fue sorprendente: “Con las partículas realmente porosas, podemos hacer hierro muy rápido en un área pequeña”, dijo Goldman. “Las partículas densas simplemente no pueden alcanzar la misma velocidad, por lo que estamos limitados en la cantidad de hierro que podemos hacer por metro cuadrado de electrodos”.
Esa es una visión clave para hacer que el proceso funcione a escala industrial, donde el éxito a menudo se reduce a la economía.
Las plantas electroquímicas a gran escala son costosas de construir, y eso cuesta escamas con el área del electrodo. Para hacerlo económicamente viable, los electrodos deben poder generar suficiente producto lo suficientemente rápido como para pagar la inversión inicial.
La tasa de reacción más rápida de las partículas porosas significa que el costo de capital inicial se puede recuperar más rápido, lo que se traduce en un costo final más bajo para el producto de hierro, idealmente lo suficientemente bajo como para ser competitivo con los métodos convencionales.
La conclusión no es que estas nanopartículas específicas sean necesarias para que el proceso electroquímico funcione bien, dijo Kempler. Más bien, el estudio sugiere que la superficie de los materiales de partida realmente importa. Las nanopartículas porosas tenían mucha más superficie para que la reacción tuviera lugar, haciendo que la reacción fuera más rápida. Otros óxidos de hierro con una estructura porosa también podrían ser rentables.
“El objetivo es encontrar algo que sea abundante, barato y que tendrá un impacto ambiental menor que la alternativa”, dijo Kempler. “No estaremos satisfechos si inventamos algo que es más dañino que la forma principal en que hoy hacemos hierro”.
Para llevar su proceso más allá del laboratorio, el laboratorio de Kempler está trabajando con investigadores en otros campos. Una colaboración con ingenieros civiles en la Universidad Estatal de Oregon los está ayudando a comprender mejor lo que se necesita para que el producto funcione en aplicaciones del mundo real. Y una colaboración con una empresa de fabricación de electrodos les está ayudando a abordar los desafíos logísticos y científicos de ampliar un proceso electroquímico.
“Creo que lo que muestra este trabajo es que la tecnología puede satisfacer las necesidades de una sociedad industrial sin ser devastador ambientalmente”, dijo Goldman.
“Todavía no hemos resuelto todos los problemas, por supuesto, pero creo que es un ejemplo que sirve como un punto de nucleación para una forma diferente de pensar en cómo se ven las soluciones. Podemos seguir teniendo la industria, la tecnología y la medicina, y podemos hacerlo de una manera limpia, y eso es increíble”.
Más información: vías para el resumen electroquímico a escala a través de la reducción directa de Fe2O3, ACS Energy Letters (2025). Doi: 10.1021/acsenergylett.5c00166
Proporcionado por la Universidad de Oregón
Cita: los científicos avanzan una forma más verde de producir hierro: el proceso podría ayudar a reducir las emisiones de carbono en la industria del acero (2025, 9 de abril) recuperado el 9 de abril de 2025 de https://techxplore.com/news/2025-04-scientists-advance-greener-carbon.html
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