Identifying intercalation electrodes for electrochemical ion recovery and desalination
Este estudio emplea un flujo de trabajo computacional de alto rendimiento para cribar más de 20.000 materiales e identificar 11 electrodos de intercalación prometedores para la recuperación selectiva de iones y uno para la desalinización, ofreciendo una lista de candidatos validados termodinámicamente para avanzar en las tecnologías de tratamiento de agua con eficiencia energética.
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El agua dulce se está convirtiendo en un recurso cada vez más escaso a medida que el nivel del mar aumenta y la actividad humana incrementa el contenido de sal en los ríos y lagos. Si bien la eliminación de la sal del agua de mar para crear agua potable es un desafío conocido, los océanos también albergan un tesoro de minerales valiosos como el litio, el magnesio y el calcio. La extracción de estos elementos específicos del mismo agua que queremos limpiar presenta un problema de ingeniería único. Los métodos tradicionales para limpiar el agua, como forzarla a través de membranas finas, son efectivos para eliminar todas las sales pero no pueden distinguir entre un mineral útil y uno inútil. Por el contrario, los métodos diseñados para extraer un solo mineral suelen tener dificultades para funcionar de manera eficiente en el complejo y salino entorno del océano. La solución reside en encontrar materiales que puedan actuar como esponjas selectivas, absorbiendo solo los iones que deseamos mientras dejan el resto atrás, o, por el contrario, absorbiendo todo para dejar agua pura.
Para resolver esto, los investigadores recurrieron a una clase de materiales conocidos como electrodos de intercalación. Estos son estructuras sólidas con diminutos espacios vacíos dentro de sus redes cristalinas, muy parecidos a un panal con celdas faltantes. Al colocarse en el agua y conectarse a una fuente de energía, estos materiales pueden atraer átomos cargados, o iones, de la solución y bloquearlos de forma segura en esos espacios vacíos. Este proceso es el mismo mecanismo que permite a las baterías de iones de litio almacenar energía, pero aquí el objetivo no es almacenar electricidad, sino cosechar átomos específicos del agua. El desafío es que los materiales que se utilizan actualmente para este propósito, como ciertos compuestos de hierro y manganeso, a menudo se descomponen o se disuelven al exponerse a las duras condiciones de la salmuera. Son demasiado lentos para trabajar o simplemente inestables con el tiempo.
En un nuevo estudio, un equipo de científicos se propuso encontrar mejores materiales buscando entre miles de posibilidades que nunca han sido probadas en un laboratorio. No mezclaron productos químicos en un vaso de precipitados; en su lugar, utilizaron potentes computadoras para simular cómo se comportarían diferentes estructuras cristalinas en el agua de mar. Comenzaron con una enorme biblioteca digital que contenía más de 20,000 estructuras químicas diferentes que contienen litio, sodio, potasio, magnesio o calcio. Utilizando un método llamado teoría del funcional de la densidad, que calcula la energía de los átomos y los electrones, modelaron cómo reaccionaría cada estructura al ser sumergida en agua con la composición química específica del océano.
Los investigadores tuvieron que tener en cuenta el hecho de que el agua de mar no es solo agua y sal; es una sopa compleja de iones que puede atacar y disolver muchos materiales. Construyeron mapas detallados, conocidos como diagramas de Pourbaix, que muestran exactamente qué combinaciones de acidez y voltaje eléctrico permiten que un material permanezca sólido y estable. Ajustaron estos mapas para incluir los iones específicos presentes en el agua de mar, como el cloruro y el sulfato, que a menudo se ignoran en las pruebas estándar. Luego aplicaron un conjunto estricto de reglas: un material debía permanecer estable en el agua de mar, ser capaz de retener los iones que capturaba sin desmoronarse, y hacerlo a un voltaje eléctrico que fuera seguro y práctico. También buscaron materiales que pudieran ser selectivos, lo que significa que capturarían solo un tipo de ion, o no selectivos, lo que significa que capturarían muchos tipos a la vez.
Tras ejecutar estas simulaciones, el número de candidatos viables se redujo drásticamente. De las 20,414 estructuras iniciales, solo un puñado pasó todas las pruebas. El equipo identificó 11 materiales prometedores que actúan como esponjas selectivas para iones específicos. Por ejemplo, encontraron un material llamado molibdato de hierro que es altamente efectivo para capturar litio, un elemento crítico para las baterías, mientras ignora otros iones. También encontraron otras estructuras que podrían capturar selectivamente magnesio, calcio, sodio o potasio. Estos hallazgos son significativos porque ofrecen una lista de recetas químicas específicas que los experimentales ahora pueden intentar construir y probar en el mundo real. Algunos de estos materiales ya se sabe que existen, mientras que otros son descubrimientos teóricos completamente nuevos que la computadora sugiere que deberían funcionar.
El estudio también buscó materiales que pudieran actuar como esponjas generales para la desalinización, eliminando todos los iones no deseados para dejar agua limpia. Los investigadores encontraron que un material común conocido como fosfato de hierro y olivino es el mejor candidato para este trabajo, capaz de capturar cuatro tipos diferentes de iones simultáneamente. Sin embargo, descartaron explícitamente varios otros materiales que se utilizan actualmente en la investigación, como ciertos compuestos basados en el manganeso. Sus simulaciones mostraron que estos materiales de manganeso se disolverían en el agua de mar, lo que los hace inadecuados para un uso a largo plazo. Esta distinción es crucial, ya que evita que los científicos pierdan tiempo intentando mejorar materiales que son fundamentalmente inestables en el entorno oceánico.
Los investigadores también señalaron que su lista está fuertemente influenciada por los datos disponibles en su biblioteca digital. Debido a que se ha investigado mucho más sobre el litio para las baterías, hay más estructuras que contienen litio en la base de datos, razón por la cual la lista final contiene muchos candidatos selectivos de litio. Reconocieron que sus modelos computacionales se basan en condiciones ideales y aún no tienen en cuenta la velocidad con la que los iones se mueven a través del material o cómo este podría degradarse tras años de uso. No obstante, el estudio proporciona una hoja de ruta termodinámica robusta. Nos dice qué materiales son lo suficientemente estables como para existir en el océano y cuáles es probable que fallen, ofreciendo un punto de partida claro para desarrollar la próxima generación de tecnología para cosechar recursos y limpiar nuestra agua.
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