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“Identificar los óxidos que pueden convertirse en metal de hierro a bajas temperaturas es un paso importante en el desarrollo de procesos para la fabricación de acero que estén totalmente basados en electricidad�, dice Paul Kempler, autor del estudio.

Con la obtención electroquímica de hierro, se aísla el metal al pasar electricidad a través de un líquido que contiene materias primas con hierro. En comparación con los altos hornos a temperaturas elevadas, el proceso electroquímico podría reducir significativamente las emisiones de contaminación atmosférica, como gases de efecto invernadero, dióxido de azufre y material particulado, y sugiere un ahorro de energía considerable. Anteriormente, Kempler y colegas utilizaron este proceso para convertir soluciones que contenían partículas de óxido de hierro sólido (III) e hidróxido de sodio directamente en hierro elemental a temperaturas de entre 176 °F y 194 °F (80 °C y 90 °C). Sin embargo, al probar algunos minerales de hierro natural con partículas densas e impurezas de tamaño irregular, este proceso a baja temperatura no resultaba suficientemente eficaz. Por lo tanto, Kempler y un nuevo equipo de investigadores liderados por Anastasiia Konovalova y Andrew Goldman se reunieron para intentar entender qué materias primas similares al mineral de hierro podrían apoyar el crecimiento escalable del proceso.

Primero, los investigadores prepararon partículas de óxido de hierro con un área superficial específica elevada, orificios internos y cavidades conectivas para investigar cómo impactaba la morfología a nanoescala de las partículas en la reacción electroquímica. Luego, convirtieron algunas de ellas en partículas de óxido de hierro de un micrómetro para imitar la morfología de los minerales naturales. Estas partículas contenían solo unas pocas impurezas traza, como carbono y bario. El equipo diseñó un cátodo especializado para extraer metal de hierro de una solución de hidróxido de sodio que contenía las partículas de óxido de hierro a medida que la corriente pasaba a través de él. En los experimentos, los óxidos de hierro densos se redujeron, o se convirtieron en hierro elemental, de manera más selectiva a una densidad de corriente de 50 miliamperios por centímetro cuadrado, similar a la de las baterías de iones de litio de carga rápida. Por el contrario, las partículas sueltas con mayor porosidad y, por lo tanto, mayor área superficial, facilitaron una producción electroquímica de hierro más eficiente, en comparación con las fabricadas para parecerse a la hematita de mineral de hierro natural menos porosa.

Los investigadores evaluaron el coste potencial de su método de obtención de hierro mediante procesos electroquímicos. A la densidad actual utilizada en los experimentos, estimaron que podría producirse hierro a menos de USD 600 por tonelada métrica (USD 0,60 por kilogramo), lo que es comparable a la producción tradicional. El estudio demostró que se pueden obtener densidades de corriente mucho mayores, de hasta 600 miliamperios por centímetro cuadrado, similares a las utilizadas en las celdas de electrólisis industriales, al usar partículas con porosidad a nanoescala. Para que esta tecnología se pueda adoptar comercialmente, se necesitarán nuevos avances en materia de diseño de celdas electroquímicas y técnicas para hacer que las materias primas de óxido de hierro sean más porosas.

Los autores agradecen la financiación de la Oficina de Ciencia y la Oficina de Ciencias Básicas de la Energía del Departamento de Energía de EE. UU.