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One-step synthesis of anhydrous Mg(NO3)2-NaNO3-KNO3 molten salt for high-temperature thermal energy storage

Este estudio demuestra que una síntesis de deshidratación de un solo paso de la sal fundida ternaria anhidra de Mg(NO3)2-NaNO3-KNO3 mejora significativamente la estabilidad térmica, reduce la temperatura de fusión e incrementa el calor latente de fusión, convirtiéndola en una candidata prometedora para el almacenamiento de energía térmica a alta temperatura en aplicaciones de energía solar de concentración.

Autores originales: Hongtao Zhang, Xin Xu, Huaiyou Wang, Yongfeng Gao, Wei Chen, Min Wang

Publicado 2026-07-22

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CC BY 4.0

Autores originales: Hongtao Zhang, Xin Xu, Huaiyou Wang, Yongfeng Gao, Wei Chen, Min Wang

Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta es una explicación generada por IA del artículo a continuación. No ha sido escrita ni avalada por los autores. Para mayor precisión técnica, consulte el artículo original. Leer descargo de responsabilidad completo

El problema pegajoso del Sol y la magia de la sal seca

Imagina intentar almacenar la energía del sol como guardas dinero en una hucha. Cuando el sol brilla con fuerza, quieres capturar tanto calor como sea posible y guardarlo para un día lluvioso, o una noche nublada. Esta es la gran idea detrás de la Energía Solar Concentrada (CSP, por sus siglas en inglés). Los científicos utilizan espejos gigantes para enfocar la luz solar en un receptor, calentando un líquido especial que fluye a través de tuberías. Este líquido caliente hace girar una turbina para generar electricidad, incluso después de que el sol se ha puesto.

El problema es encontrar el líquido "hucha" perfecto. Durante mucho tiempo, los científicos han utilizado una mezcla de dos sales comunes (nitrato de sodio y nitrato de potasio) porque son baratas y retienen bien el calor. Pero tienen algunos defectos molestos: se congelan a temperaturas demasiado altas (lo que las hace difíciles de arrancar) y comienzan a descomponerse y pudrirse si se calientan demasiado, lo que limita cuánto se puede almacenar la energía. Para solucionar esto, los investigadores intentaron añadir un tercer ingrediente: nitrato de magnesio. Esto es como añadir una especia secreta a una sopa para bajar su punto de congelación. Sin embargo, el nitrato de magnesio que suelen comprar viene con una pesada mochila de moléculas de agua adheridas (es un "hidrato"). Cuando intentas derretir esta sal húmeda, el agua crea un desastre químico, generando una sustancia viscosa y corrosiva que arruina la mezcla y la vuelve inestable a altas temperaturas. El desafío ha sido: ¿cómo se quita el agua sin romper la sal o hacer que explote?

El truco del secado en un solo paso

En este estudio, un equipo de investigadores de la Universidad Normal de Qinghai y otras instituciones decidió abordar este problema de la "sal húmeda" de frente. Querían crear una versión súper estable y libre de agua (anhidra) de una mezcla de tres sales: nitrato de magnesio, nitrato de sodio y nitrato de potasio. En lugar de comprar nitrato de magnesio seco (que es caro y difícil de manipular), comenzaron con la versión húmeda y barata y descubrieron una forma ingeniosa de secarla en un solo paso directamente dentro de la mezcla.

Piensa en los cristales de nitrato de magnesio húmedos como esponjas empapadas en agua. Si simplemente los lanzas a un horno caliente, el agua podría evaporarse demasiado rápido, haciendo que la esponja se desmorone o reaccione mal con las otras sales. Los investigadores diseñaron un "programa de horneado" específico para exprimir el agua suavemente. Colocaron el nitrato de magnesio húmedo en un contenedor especial y lo calentaron por etapas. Primero lo calentaron a 150 °C, luego a 250 °C y finalmente a 300 °C, manteniéndolo en cada temperatura durante un tiempo determinado. Hicieron esto en un vacío (un espacio sin aire) o bajo un flujo de gas para retirar rápidamente el vapor de agua tan pronto como abandonaba la sal. Este proceso de secado cuidadoso y paso a paso convirtió la sal húmeda e inestable en un polvo seco y estable sin permitir que se convirtiera en la "viscosidad" corrosiva que suele ocurrir.

Una vez que el nitrato de magnesio estuvo seco, lo mezclaron con las otras dos sales para crear su nueva sal fundida ternaria "MNK". Luego sometieron esta nueva mezcla a una serie de pruebas para ver cómo se comportaba en comparación con la versión húmeda antigua. Utilizaron una máquina llamada TG-DSC, que es como una báscula súper inteligente que también mide el calor. Calienta la sal lentamente mientras la pesa para ver si pierde peso (lo que significaría que se está descomponiendo o perdiendo agua) y mide cuánta energía necesita para fundirse.

Los resultados fueron bastante prometedores. La nueva sal seca era un material de almacenamiento de calor mucho mejor que la versión húmeda. Primero, no comenzó a descomponerse hasta alcanzar los 457,6 °C, mientras que la versión húmeda empezó a desmoronarse a solo 404,1 °C. Esto es algo muy importante porque significa que puedes calentar la sal mucho más, almacenando más energía sin que se pudra. Los investigadores descubrieron que la sal seca podía operar de forma segura hasta los 450 °C, extendiendo la "zona segura" para las plantas de energía solar.

Segundo, la sal seca se fundió a una temperatura más baja. La mezcla húmeda necesitaba llegar a los 157,5 °C antes de convertirse en líquido, pero la versión seca comenzó a fundirse a 148,2 °C. Esto facilita el arranque del sistema por la mañana. Mejor aún, cuando se fundió, absorbió más energía. El "calor latente de fusión" (la energía que absorbe mientras se funde) saltó de 66,61 J·g⁻¹ para la sal húmeda a 88,71 J·g⁻¹ para la sal seca. Eso es un aumento significativo en la "potencia de batería" que tiene la sal.

El equipo también comprobó si la sal sobreviviría al ser calentada y enfriada repetidamente, simulando años de ciclos de día y noche. Después de calentar la sal seca a 450 °C y dejarla enfriar, la pesaron. Perdió casi nada de masa (solo un 2,01 % tras 300 horas a alta temperatura), demostrando que era muy estable. En contraste, la sal húmeda perdió mucha masa (8,61 %) a la misma temperatura porque el agua en su interior escapaba y la sal se descomponía. Incluso buscaron signos químicos de problemas, como la presencia de un subproducto corrosivo llamado hidroxinitrato de magnesio. Encontraron esta sustancia nociva en las muestras de sal húmeda, pero estaba completamente ausente en la sal seca.

El artículo concluye que este método sencillo de secado en un solo paso es una forma viable de fabricar sal de alto rendimiento para la energía solar. Al eliminar cuidadosamente el agua antes de que la sal se funda, crearon un material que es más estable, retiene más calor y puede soportar temperaturas más altas que la mezcla húmeda tradicional. Aunque el artículo no afirma que esta sea la solución final para toda la energía solar, sugiere que esta sal seca específica es un candidato muy sólido para hacer que el almacenamiento de energía solar sea más eficiente y fiable.

Resumen Técnico: Síntesis en un solo paso de la sal fundida anhidra de Mg(NO₃)₂-NaNO₃-KNO₃ para el almacenamiento de energía térmica a alta temperatura

Planteamiento del problema
Las sales de nitrato fundidas son medios establecidos como tecnología de vanguardia para el almacenamiento de energía térmica (TES) en la energía solar de concentración (CSP) debido a su baja presión de vapor y su alta capacidad calorífica. Sin embargo, la "Sal Solar" comercial (NaNO₃-KNO₃) está limitada por un punto de fusión elevado (~220 °C) y una ventana operativa estrecha (<400 °C) causada por la descomposición de los nitratos. Aunque se ha explorado la adición de nitrato de magnesio (Mg(NO₃)₂) para reducir el punto de fusión, el uso de la materia prima hexahidrato de nitrato de magnesio (Mg(NO₃)₂·6H₂O) introduce problemas críticos de estabilidad. La presencia de agua de cristalización promueve la hidrólisis durante la fusión, lo que conduce a la formación de nitratos básicos (p. ej., Mg(OH)(NO₃)₂) y la liberación de gases corrosivos de NOₓ. Esto resulta en una descomposición térmica prematura, una estabilidad térmica deteriorada y una ventana de temperatura operativa reducida, creando un cuello de botella técnico para las aplicaciones de TES a alta temperatura.

Metodología
Este estudio propone una estrategia de síntesis en un solo paso para fabricar una sal fundida ternaria de Mg(NO₃)₂-NaNO₃-KNO₃ anhidra mediante el control de la deshidratación de Mg(NO₃)₂·6H₂O antes y durante la formación de la mezcla eutéctica.

Síntesis: El proceso consistió en mezclar NaNO₃ y KNO₃ purificados con Mg(NO₃)₂·6H₂O en una relación molar específica (apuntando a 17,77 % en peso de Mg(NO₃)₂, 15,28 % en peso de NaNO₃ y 35,97 % en peso de KNO₃). Se implementó un programa de calentamiento por etapas en un montaje de crisol de corindol personalizado bajo atmósferas de aire o vacío. El protocolo incluyó rampas de temperatura específicas (p. ej., de 25 °C a 300 °C) y tiempos de permanencia (hasta 360 minutos) para asegurar una deshidratación completa y una mezcla de fundido sin hidrólisis.
Caracterización: Las muestras resultantes fueron analizadas mediante Termogravimetría-Calorimetría de Barrido Diferencial (TG-DSC) para evaluar la descomposición térmica, las transiciones de fase y la capacidad calorífica específica. La Difracción de Rayos X (XRD) y la espectroscopía Raman se emplearon para identificar las fases cristalinas y la evolución estructural durante la deshidratación. La cromatografía iónica (IC) se utilizó para detectar iones impurezas (NO₂⁻) y productos de hidrólisis (Mg(OH)(NO₃)).
Pruebas de durabilidad: La durabilidad de los ciclos térmicos se evaluó durante 720 horas (30 ciclos) a temperaturas que oscilaron entre 250 °C y 500 °C, monitoreando la pérdida de masa, los cambios en el punto de fusión y los cambios de entalpía.

Contribuciones clave y resultados
El estudio demuestra que el proceso de deshidratación adaptado produce con éxito una sal fundida ternaria MNK anhidra y estable con propiedades termofísicas significativamente mejoradas en comparación con las sales preparadas a partir de precursores hidratados.

Estabilidad térmica mejorada: La sal MNK anhidra exhibió un aumento sustancial en la estabilidad térmica. La temperatura de inicio de descomposición ( $T_{onset}$ ) se elevó de 404,1 °C (control hidratado) a 457,6 °C. En consecuencia, el límite operativo superior se extendió hasta los 450 °C. El análisis de pérdida de masa mostró que la sal anhidra mantuvo una pérdida de masa inferior al 3 % hasta los 450 °C, mientras que la muestra no deshidratada sufrió una pérdida de masa severa (17,71 %) a 500 °C debido a la descomposición de los hidratos residuales y los nitratos básicos.
Propiedades de cambio de fase optimizadas: El proceso de deshidratación redujo el punto de fusión ( $T_m$ ) de 157,5 °C a 148,2 °C (una reducción de ~9,3 °C). Simultáneamente, el calor latente de fusión ( $\Delta H_m$ ) aumentó significativamente de 66,61 J·g⁻¹ a 88,71 J·g⁻¹. La capacidad calorífica específica ( $C_p$ ) a 300 °C también mejoró de 1,211 J·g⁻¹·K⁻¹ a 1,572 J·g⁻¹·K⁻¹, atribuido a la dispersión de fonones dentro de la estructura porosa formada durante la deshidratación.
Supresión de la hidrólisis: El análisis químico confirmó la eliminación de las vías de hidrólisis. En las muestras no deshidratadas, se detectaron NO₂⁻ y Mg(OH)(NO₃) a temperaturas superiores a 400 °C y 250 °C, respectivamente. Por el contrario, la sal MNK anhidra no mostró NO₂⁻ detectable por debajo de 450 °C y estuvo libre de Mg(OH)(NO₃) en todo el rango probado (250–500 °C).
Durabilidad de ciclado: Después de 30 ciclos térmicos (720 horas), la sal anhidra mantuvo su punto de fusión inicial, la entalpía de cambio de fase y la temperatura de descomposición con desviaciones marginales. El control no deshidratado exhibió una disminución brusca del punto de fusión después de 550 horas debido a la descomposición.

Significancia
El artículo sostiene que esta estrategia de síntesis en un solo paso proporciona una ruta factible y escalable para la fabricación de materiales de almacenamiento de energía térmica basados en nitratos de alto rendimiento. Al suprimir eficazmente la hidrólisis y eliminar la humedad residual, el método aborda las principales limitaciones de estabilidad de las sales que contienen nitrato de magnesio. La sal fundida ternaria MNK anhidra resultante ofrece una ventana de temperatura operativa más amplia (extendiéndose hasta los 450 °C) y una densidad de almacenamiento de energía superior, lo que la convierte en un candidato viable para aplicaciones de próxima generación de energía solar de concentración. El trabajo establece una base crítica para optimizar los parámetros de calcinación para lograr mezclas eutécticas anhidras termodinámicamente estables sin comprometer la integridad estructural de la matriz de la sal.

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