Los químicos son pioneros en un método electroquímico limpio para fabricar hierro, un paso clave para descarbonizar la industria del acero. Su proceso utiliza salmuera y óxido de hierro, reemplazando un alto horno con un mayor contenido de carbono, y está optimizado para utilizar materiales naturales. Al encontrar óxidos de hierro que son económicos, porosos y significativamente más eficientes, el equipo está sentando las bases para una producción de acero a gran escala y respetuosa con el medio ambiente. Con la ayuda de ingenieros y fabricantes, están acercando esta tecnología ecológica al mundo real.

Los químicos de la Universidad de Oregón están trabajando para encontrar una manera más limpia de producir hierro para su uso en la fabricación de acero, uno de los mayores emisores de carbono del mundo.

El año pasado, el químico Paul Kempler de la Universidad de Oregón y su equipo introdujeron un método para producir hierro mediante electroquímica. El proceso se basa en una serie de reacciones químicas que convierten la salmuera y el óxido de hierro en hierro metálico puro.

En su último estudio, los investigadores se centraron en mejorar el proceso determinando qué tipos de óxidos de hierro podrían hacer que la reacción fuera más rentable, un paso importante hacia la ampliación del método para uso industrial.

"En realidad tenemos un principio químico, una regla de diseño rectora, que nos enseñará cómo identificar óxidos de hierro de bajo costo que pueden usarse en estos reactores", dijo Kempler.

La investigación fue publicada el 9 de abril en ACS Energy Letters.

En 2024, la producción mundial de acero se acercará a los 2 mil millones de toneladas, que se utilizarán en todo, desde la construcción hasta los automóviles y las infraestructuras. Actualmente, el paso que consume más combustibles fósiles en el proceso de producción de acero es la conversión del mineral de hierro (óxido de hierro que se encuentra en la naturaleza) en hierro metálico puro.

Tradicionalmente, el hierro se fabrica en altos hornos, que emiten dióxido de carbono a la atmósfera, pero el equipo de Kempler está desarrollando un método diferente para fabricar hierro.

La postdoctorada Ana Konovalova muestra una celda electroquímica diseñada en el laboratorio de Paul Kempler. Fuente de la imagen: Universidad de Oregon

Su proceso utiliza salmuera y óxido de hierro baratos y fácilmente disponibles como materias primas, convirtiéndolos en hierro metálico mediante una serie de reacciones químicas. Estas reacciones también producen cloro, un subproducto comercialmente valioso.

Cuando Kempler y su equipo comenzaron a desarrollar su proceso hace varios años, obtuvieron pequeñas cantidades de óxido de hierro de empresas proveedoras de productos químicos.

Estos materiales obtuvieron buenos resultados en las pruebas de laboratorio, pero no reflejaron los materiales ricos en hierro que se encuentran en la naturaleza, que tienen mayores diferencias en composición y estructura.

"Entonces la siguiente pregunta natural es: ¿Qué pasaría si realmente intentaras procesar algo que fue excavado directamente del suelo, sin purificación adicional, molienda, etc.?" dijo Ana Konovalova, investigadora postdoctoral en el laboratorio de Kempler que codirigió el proyecto.

Cuando el equipo probó diferentes tipos de óxidos de hierro, quedó claro que algunos funcionaban mucho mejor que otros. Pero los investigadores no están seguros de qué causó la diferencia en la cantidad de hierro metálico que produjeron a partir de los diferentes materiales de partida. ¿Cuál es el tamaño de las partículas de óxido de hierro? ¿O la composición del material? ¿O la presencia o ausencia de impurezas específicas?

La forma y la porosidad de las partículas de óxido metálico, más que el tamaño de las partículas, son fundamentales para la eficiencia de la fabricación electroquímica de hierro. Fuente de la imagen: Adaptado de ACS Energy Letters 2025, DOI: 10.1021/acsenergylett.5c00166

Konovalova y el estudiante de posgrado Andrew Goldman encontraron formas creativas de probar ciertas variables mientras mantenían otras constantes.

Por ejemplo, convirtieron polvo de óxido de hierro en nanopartículas y trataron térmicamente algunas de las nanopartículas para hacerlas más densas y menos porosas.

"Se solidificó en la misma forma de nanopartícula secundaria, pero no se observaron más partículas primarias en su interior. Era esencialmente el mismo material, sólo que en una etapa diferente", dijo Konovalova.

En las pruebas de laboratorio, la diferencia fue dramática: "Con estas partículas porosas, podemos producir hierro muy rápidamente en un área pequeña", dijo Goldman, "mientras que las partículas densas no pueden alcanzar la misma velocidad, por lo que estamos limitados en la cantidad de hierro que podemos producir por metro cuadrado de electrodo".

Esta fue una idea clave para que el proceso funcionara a escala industrial, cuyo éxito a menudo depende de factores económicos.

Las grandes plantas electroquímicas son costosas de construir y el costo es directamente proporcional al área del electrodo. Para que sea económicamente viable, el electrodo debe poder generar suficiente producto rápidamente para recuperar la inversión inicial. La velocidad de reacción más rápida de las partículas porosas significa que el costo de capital inicial se puede recuperar más rápidamente, reduciendo así el costo final del producto de hierro, idealmente lo suficientemente bajo como para competir con los métodos tradicionales.

El punto clave, dice Kempler, no es que estas nanopartículas específicas sean esenciales para que el proceso electroquímico funcione bien. En cambio, este estudio muestra que la superficie del material de partida es lo que realmente importa. Las nanopartículas porosas tienen una superficie mayor, lo que favorece la reacción y, por tanto, acelera la reacción. También pueden resultar rentables otros óxidos de hierro con estructuras porosas.

"El objetivo es encontrar un recurso que sea abundante, barato y que tenga un bajo impacto ambiental", dijo Kempler. "No estaríamos satisfechos si inventáramos un método que fuera más destructivo que el método dominante actual para producir hierro".

Para llevar su proceso más allá del laboratorio, el laboratorio de Kempler está colaborando con investigadores de otros campos. Trabajar con ingenieros civiles de OSU les ayudó a comprender mejor las condiciones necesarias para que el producto se utilice en aplicaciones del mundo real. La asociación con una empresa de fabricación de electrodos les ayudó a resolver los desafíos logísticos y científicos de ampliar el proceso electroquímico.

Compilado de /ScitechDaily