La síntesis autopropagable a alta temperatura (SHS) es un método para producir compuestos orgánicos e inorgánicos mediante reacciones de combustión exotérmica en sólidos de diferente naturaleza. [1] Pueden ocurrir reacciones entre un reactivo sólido acoplado con un gas, líquido u otro sólido. Si los reactivos, intermedios y productos son todos sólidos, se conoce como llama sólida. [2] Si la reacción ocurre entre un reactivo sólido y un reactivo en fase gaseosa, se denomina combustión por infiltración. Dado que el proceso se produce a altas temperaturas, el método es ideal para la producción de materiales refractarios, incluidos polvos, aleaciones metálicas o cerámicas.
El proceso moderno de SHS fue reportado y patentado en 1971, [3] [4] aunque algunos procesos similares a SHS se conocían previamente.
Ventajas y desventajas
La síntesis de autopropagación a alta temperatura es una técnica de síntesis ecológica que es altamente eficiente en energía, que utiliza poco o ningún solvente tóxico. Se han realizado análisis ambientales para demostrar que el SHS tiene un impacto ambiental menor que las técnicas tradicionales de procesamiento en fase de solución. [5] La técnica utiliza menos energía para la producción de materiales, y el ahorro de costos de energía aumenta a medida que aumenta el tamaño de los lotes de síntesis.
SHS no es una técnica adecuada para la producción de nanopartículas. Normalmente, la naturaleza de alta temperatura del proceso conduce a la sinterización de partículas durante y después de la reacción. Las altas temperaturas generadas durante la síntesis también conducen a problemas con la disipación de energía y recipientes de reacción adecuados, sin embargo, algunos sistemas utilizan este exceso de calor para impulsar otros procesos de la planta.
Metodología
En su formato habitual, el SHS se realiza a partir de reactivos finamente pulverizados que se mezclan íntimamente. En algunos casos, los reactivos se pulverizan finamente, mientras que en otros casos, se sinterizan para minimizar su superficie y evitar reacciones exotérmicas no iniciadas, que pueden ser peligrosas. [6] En otros casos, las partículas se activan mecánicamente mediante técnicas como el molino de bolas de alta energía (por ejemplo, en un molino planetario), lo que da como resultado partículas nanocompuestas que contienen ambos reactivos dentro de las células químicas individuales. [7] [8] Después de la preparación del reactivo, la síntesis se inicia calentando puntualmente una pequeña parte (generalmente la parte superior) de la muestra. Una vez iniciado, una ola de reacción exotérmica barre el material restante. El SHS también se ha realizado con películas delgadas, líquidos, gases, sistemas polvo-líquido, suspensiones de gas, sistemas en capas, sistemas gas-gas y otros. Las reacciones se han llevado a cabo en vacío y bajo gases inertes o reactivos. La temperatura de la reacción puede moderarse agregando sal inerte que absorbe calor en el proceso de fusión o evaporación, como cloruro de sodio , o agregando "horno químico" —una mezcla altamente exotérmica— para disminuir la proporción de enfriamiento. [9]
Ejemplos de
La reacción de calcogenuros de metales alcalinos (S, Se, Te) y pnictidos (N, P, As) con otros haluros metálicos produce los correspondientes calcogenuros y pnictidos metálicos. [10] La síntesis de nitruro de galio a partir de triyoduro de galio y nitruro de litio es ilustrativa:
- GaI 3 + Li 3 N → GaN + 3 LiI
El proceso es tan exotérmico (ΔH = -515 kJ / mol) que el LiI se evapora, dejando un residuo de GaN. Con GaCl 3 en lugar de GaI 3 , la reacción es tan exotérmica que el producto GaN se descompone. Por tanto, la selección del haluro metálico afecta al éxito del método.
Otros compuestos preparados por este método incluyen dicalcogenuros metálicos tales como MoS 2 . La reacción se lleva a cabo en un reactor de acero inoxidable con exceso de Na 2 S. [6]
La síntesis autopropagable a alta temperatura también se puede realizar en un entorno artificial de alta gravedad para controlar la composición de fase de los productos. [11]
El SHS se ha utilizado para vitrificar diversas corrientes de desechos nucleares, incluidas las cenizas de la incineración, los intercambiadores de iones inorgánicos gastados como la clinoptilolita y los suelos contaminados. [12]
Cinética de reacción
Debido a la naturaleza de estado sólido de los procesos de SHS, es posible medir la cinética de reacción in situ utilizando una variedad de técnicas experimentales, que incluyen explosión electrotérmica, análisis térmico diferencial , enfoques de velocidad de combustión, entre otros. [13] Se han estudiado una variedad de sistemas, incluidos intermetálicos, termita, carburos y otros. Usando SHS, se demostró que el tamaño de partícula tiene un efecto significativo sobre la cinética de reacción. [14] Se demostró además que estos efectos están relacionados con la relación entre el área de superficie / relación de volumen de las partículas, y que la cinética se puede controlar mediante un molino de bolas de alta energía. [15] Dependiendo de la morfología de los reactivos, es posible iniciar una reacción SHS donde ocurre una fase líquida antes de la formación de la fase o para dar como resultado directamente productos en fase sólida sin fusión. [dieciséis]
Referencias
- ^ "Enciclopedia concisa de síntesis de alta temperatura autopropagable. Historia, teoría, tecnología y productos". 1st Ed., Editores: I.Borovinskaya, A.Gromov, E.Levashov et al., Pie de imprenta: Elsevier Science, 2017 [1]
- ^ Mukasyan, Alexander S .; Shuck, Christopher E .; Pauls, Joshua M; Manukyan, Khachatur V. (2 de diciembre de 2018). "El fenómeno de la llama sólida: una perspectiva novedosa" . Materiales de ingeniería avanzada . 174 (2–3): 677–686. doi : 10.1016 / j.cej.2011.09.028 .
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enlaces externos
- ISMAN Acerca de SHS
- Información de síntesis de combustión de la ESA
- Combustion Synthesis Bentham Ebook por Maximilian Lackner
- [2] Materiales formados por SHS para las necesidades de las colonias lunares.