El fósforo es un ingrediente esencial en miles de productos, incluidos herbicidas, baterías de iones de litio e incluso refrescos. La mayor parte de este fósforo proviene de un proceso intensivo en energía que contribuye significativamente a las emisiones globales de carbono.
por Anne Trafton, Instituto de Tecnología de Massachusetts
En un esfuerzo por reducir esa huella de carbono , los químicos del MIT han ideado una forma alternativa de generar fósforo blanco , un intermediario crítico en la fabricación de esos productos que contienen fósforo . Su enfoque, que utiliza electricidad para acelerar una reacción química clave, podría reducir las emisiones de carbono del proceso a la mitad o incluso más, dicen los investigadores.
“El fósforo blanco es actualmente un intermedio indispensable, y nuestro proceso reduce drásticamente la huella de carbono de convertir el fosfato en fósforo blanco”, dice Yogesh Surendranath, profesor asociado de química en el MIT y autor principal del estudio.
El nuevo proceso reduce la huella de carbono de la producción de fósforo blanco de dos maneras: reduce las temperaturas requeridas para la reacción y genera significativamente menos dióxido de carbono como producto de desecho.
Recién graduado del MIT Jonathan “Jo” Melville Ph.D. ’21 y el estudiante graduado del MIT Andrew Licini son los autores principales del artículo, que aparece hoy en ACS Central Science .
Fósforo purificador
Cuando el fósforo se extrae del suelo, se encuentra en forma de fosfato, un mineral cuya unidad básica comprende un átomo de fósforo unido a cuatro átomos de oxígeno. Alrededor del 95 por ciento de este mineral de fosfato se usa para hacer fertilizantes. El mineral de fosfato restante se procesa por separado en fósforo blanco, una molécula compuesta por cuatro átomos de fósforo unidos entre sí.
Luego, el fósforo blanco se alimenta a una variedad de procesos químicos que se utilizan para fabricar muchos productos diferentes, como electrolitos de baterías de litio y dopantes de semiconductores.
La conversión de esos fosfatos extraídos en fósforo blanco representa una fracción sustancial de la huella de carbono de toda la industria del fósforo, dice Surendranath. La parte del proceso que consume más energía es la ruptura de los enlaces entre el fósforo y el oxígeno, que son muy estables.
Usando el “proceso térmico” tradicional, esos enlaces se rompen calentando coque de carbono y roca de fosfato a una temperatura de 1.500 grados centígrados. En este proceso, el carbono sirve para eliminar los átomos de oxígeno del fósforo, lo que conduce a la generación eventual de CO 2 como subproducto. Además, mantener esas temperaturas requiere una gran cantidad de energía, lo que aumenta la huella de carbono del proceso.
“Ese proceso no ha cambiado sustancialmente desde su inicio hace más de un siglo. Nuestro objetivo era descubrir cómo podíamos desarrollar un proceso que redujera sustancialmente la huella de carbono de este proceso”, dice Surendranath. “La idea era combinarlo con electricidad renovable e impulsar esa conversión de fosfato a fósforo blanco con electrones en lugar de usar carbono“.
Para hacer eso, los investigadores tuvieron que encontrar una forma alternativa de debilitar los fuertes enlaces fósforo-oxígeno que se encuentran en los fosfatos. Lo lograron controlando el entorno en el que se produce la reacción. Los investigadores encontraron que la reacción podría promoverse utilizando una forma deshidratada de ácido fosfórico, que contiene largas cadenas de sales de fosfato unidas por enlaces llamados anhídridos de fosforilo. Estos enlaces ayudan a debilitar los enlaces fósforo-oxígeno.
Cuando los investigadores pasan una corriente eléctrica a través de estas sales, los electrones rompen los enlaces debilitados, lo que permite que los átomos de fósforo se liberen y se unan entre sí para formar fósforo blanco. A las temperaturas necesarias para este sistema (alrededor de 800 C), el fósforo existe como gas, por lo que puede burbujear fuera de la solución y recolectarse en una cámara externa.
descarbonización
El electrodo que los investigadores utilizaron para esta demostración se basa en el carbono como fuente de electrones, por lo que el proceso genera algo de dióxido de carbono como subproducto. Sin embargo, ahora están trabajando para cambiar ese electrodo por uno que usaría el fosfato como fuente de electrones, lo que reduciría aún más la huella de carbono al separar limpiamente el fosfato en fósforo y oxígeno.
Con el proceso informado en este documento, los investigadores han reducido la huella de carbono general para generar fósforo blanco en aproximadamente un 50 por ciento. Con futuras modificaciones, esperan reducir las emisiones de carbono a casi cero, en parte mediante el uso de energía renovable como la energía solar o eólica para impulsar la corriente eléctrica requerida.
Si los investigadores logran ampliar su proceso y hacerlo ampliamente disponible, podría permitir a los usuarios industriales generar fósforo blanco en el sitio en lugar de enviarlo desde los pocos lugares del mundo donde se fabrica actualmente. Eso reduciría los riesgos de transportar fósforo blanco, que es un material explosivo.
“Estamos entusiasmados con la perspectiva de generar en el sitio este producto intermedio, para que no tenga que hacer el transporte y la distribución”, dice Surendranath. “Si pudiera descentralizar esta producción, el usuario final podría hacerla en el sitio y usarla de manera integrada”.
Para realizar este estudio, los investigadores tuvieron que desarrollar nuevas herramientas para controlar los electrolitos (como sales y ácidos) presentes en el medio ambiente y para medir cómo esos electrolitos afectan la reacción. Ahora, planean usar el mismo enfoque para tratar de desarrollar procesos bajos en carbono para aislar otros elementos industrialmente importantes, como el silicio y el hierro.
“Este trabajo se enmarca dentro de nuestros intereses más amplios en la descarbonización de estos procesos industriales heredados que tienen una enorme huella de carbono”, dice Surendranath. “La ciencia básica que nos lleva allí es comprender cómo se pueden adaptar los electrolitos para fomentar estos procesos”.
Más información: Jonathan Melville et al, La síntesis electrolítica de fósforo blanco se promueve en sales fundidas deficientes en óxido. Ciencia Central de la AEC (2023). DOI: 10.1021/accentsci.2c01336 . pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acscentsci.2c01336
