Las llamadas pilas de combustible son una solución a los problemas que plantean los combustibles fósiles. Con solo hidrógeno y aire (el oxígeno del aire) se puede impulsar cualquier vehículo con la gran ventaja de que el producto de la correspondiente reacción electroquímica es solo agua. Pero el método tiene la dificultad del almacenamiento seguro del hidrógeno. Se han investigado muchas formas de acumular hidrógeno. Actualmente, se estudian mucho en este sentido unos nuevos materiales que se denominan armazones o redes metaloorgánicas, nombre que simplificaremos por RMO, aunque son más conocidos por sus siglas en inglés MOF (metal-organic framework). Se basan en los compuestos de coordinación o complejos, por lo que se clasifican dentro de los llamados polímeros de coordinación.
Como es sabido, un compuesto de coordinación está formado por un átomo central (normalmente un catión metálico) unido a entidades moleculares denominadas ligandos. Los ligandos poseen electrones de valencia no compartidos que los aportan al átomo central para formar enlace; esta forma de enlazamiento se llama de coordinación (o enlace dativo). Según el número de átomos dadores de electrones del ligando, este se denomina mono-, di-… o multidentado.
Pues bien, es posible formar redes en cuyos nudos se sitúan átomos metálicos o racimos de dichos átomos (clústeres), estando los nudos conectados mediante ligandos multidentados. A los metales se les llama unidades de construcción secundarias y a los ligandos conectores o extensores porque permiten que la red se extienda. Los extensores pueden ser ditópicos, tritópicos, tetratópicos, etc. (figura 7.36), según el número de unidades secundarias que conecten (2, 3, 4…). El conjunto es lo que se denomina red metaloorgánica. Sus unidades repetitivas se pueden extender en una, dos o tres dimensiones como se esquematiza en la figura 7. 31-izqda.
Como los enlaces de coordinación son relativamente fuertes, las redes metaloorgánicas son normalmente sólidos, y además tienen una estructura cristalina que supone la existencia de poros, cavidades y canales que permiten la inclusión de moléculas más pequeñas. La figura 7.31-dcha. muestra la estructura de la red metaloorgánica llamada MOF-5, que fue una de las primeras que se sintetizó (actualmente se cuentan por millares). En este compuesto los nudos metálicos los forman clústeres [Zn4O]6+ que están unidos entre sí por ligandos de 1,4-benzodicarboxilato (tetradentados, ditópicos). En la figura 7.32 se muestran imágenes obtenidas por microscopía electrónica de barrido de cristales de MOF-5.
Otras RMO tienen topologías diferentes, habiéndose encontrado decenas de ellas. La topología depende en gran medida de los metales o clústeres metálicos que posea la RMO y de su número de coordinación (número de ligandos de los que se rodea). Pero también la determina el tipo de agente modulador que se emplea en la síntesis. Los moduladores compiten con los extensores en unirse al centro metálico y permiten controlar el tamaño de los cristales e incluso cambiar la topología, si bien los mecanismos de estas funciones no han sido completamente elucidados en muchos casos por el momento[4]. La figura 7.33 ilustra cómo a partir de un mismo ligando (en este caso ácido tereftálico) y distintas unidades de construcción secundaria se pueden crear redes de diversas geometrías y, consecuentemente, diferentes tamaños de poros.
La existencia de huecos hace a estos compuestos ideales como almacenes de combustibles (hidrógeno, metano). Por ejemplo, se ha demostrado que el MOF-5, que tiene la estructura tridimensional cúbica porosa que se observa en la figura 7.31-dcha., puede absorber hasta 17,2 moléculas de H2 por cada unidad Zn4O(BDC)3 a 78 K y 20 atm. A temperaturas más bajas absorbe más moléculas. Además, para admitir más moléculas o de mayor tamaño basta hacer más largos los extensores. Como se observa en la figura 7.33-dcha.[6], la cavidad del IRMOF-8 es mayor que la del MOF-5 gracias a que su extensor es más largo. Pues bien, el IRMOF-8 absorbe el cuádruple de hidrogeno que el MOF-5 a temperatura ambiente y presión de 10 atm. Concretamente, el IRMOF-8 absorbe 20 mg de H2 por gramo, 20 veces más que el carbón activo y más o menos lo mismo que los nanotubos de carbono (apartado 10.2) cuando estos se ponen a temperaturas criogénicas.
Las cavidades de las redes metaloorgánicas tienen el tamaño suficiente como para que en ellas se puedan introducir moléculas de no muchos átomos. Esta característica hace muy útiles a las RMO para absorber gases o separar mezclas de ellos, llegando a competir con otros materiales porosos como los carbones activados, las sílices mesoporosas (apartado 4.10) o las zeolitas (apartado 4.9), sobre todo por sus propiedades únicas de alta porosidad, gran superficie, estructura adaptable y funcionalidad modificable.
Así, además de moléculas muy pequeñas como el H2, las redes metaloorgánicas han demostrado tener la capacidad de absorber muy bien otros gases combustibles como el metano (CH4) o el acetileno (HC≡CH); gases tóxicos como el monóxido de carbono (CO) y el amoniaco (NH3) o gases ambientalmente dañinos como el CO2. En cuanto a su capacidad de separar gases, esto se ha llegado a poder hacer incluso con especies de tamaño molecular muy parecido, como el acetileno (HCºCH) y el etileno (H2C=CH2), o el propileno (H2C=CH–CH3) y el propano (H3C–CH2–CH3), diseñando adecuadamente el tamaño de los poros[7].
Como es de esperar por su tamaño, la molécula de H2O también puede introducirse con facilidad dentro de las cavidades de muchas RMO. Eso hizo pensar a los pioneros del desarrollo de estos compuestos químicos que se podrían aprovechar para recolectar agua. Hay muchas RMO capaces de absorber agua, unos más y otros menos. Al principio se encontró uno basado en circonio que era bastante efectivo, pero este metal es caro. Basados en aluminio hay algunos que también son muy útiles en este sentido. Un ejemplo es el MOF-303, cuya estructura se presentan en la figura 7.34.
Se ha demostrado que esta RMO puede absorber el escaso vapor de agua que hay en la atmósfera del desierto para descargarlo en forma de agua líquida con ayuda de un dispositivo alimentado por energía solar. El invento podría proporcionar agua en regiones poco lluviosas para mejorar el nivel de vida de sus habitantes y paliar la desertización. El equipo y su método de funcionamiento se ilustran en la figura 7.35. Durante la noche se abre la tapa de la caja de condensación, permitiendo que la RMO se sature con la humedad del aire del desierto. Durante el día, la caja se sella para crear un sistema cerrado. El aire caliente húmedo fluye desde el RMO a un condensador y se enfría disipando calor a los alrededores. Cuando se alcanza el punto de rocío se produce condensación y se acumula agua líquida en el fondo de la caja.
Ahora bien, hay que tener en cuenta que este invento, aunque tiene gran interés científico, por el momento no sirve para solucionar el problema de la falta de agua de una comunidad humana del desierto, ya que los volúmenes de líquido que se obtienen son insuficientes. Se necesitaría mucha cantidad de MOF. Además, el agua que se recolecta es destilada y habría que mineralizarla para su consumo.
[1] Imagen: DimensionalityandCoordination.png. Wikimedia Commons. https://commons.wikimedia.org/w/index.php?title=File:DimensionalityandCoordination.png&oldid=471538464.
[2] Imagen: D. S. Bell. LCGC North America 36 (2018) 352-354.
[3] Imagen: W. Zhou. Crystals 9 (2019) 7. https://doi.org/10.3390/cryst9010007.
[4] C. V. McGuire y R. S. Forgan. Chem. Commun. 51 (2015) 5199-5217. https://doi.org/10.1039/C4CC04458D; R. J. Marshall. J. Mater. Chem. A 4 (2016) 6955-6963. https://doi.org/10.1039/C5TA10401G.
[5] Imagen: P. Rocío-Bautista. Separations 6 (2019) 33. https://doi.org/10.3390/separations6030033.
[6] N. L. Rosi (op. cit.).
[7] H. Li et al. Mater Today 21 (2018) 108-121. https://doi.org/10.1016/j.mattod.2017.07.006.
[8] Imagen: Yaghi lab, UC Berkeley. https://www.eurekalert.org/multimedia/892666.
[9] Imagen: F. Fathieh et al. Sci. Adv. 4 (2018) eaat3198. https://doi.org/10.1126/sciadv.aat3198.
Este texto pertenece al libro:
Carlos Romero Muñiz, José M.ª Gavira Vallejo: Noventa materiales de ingeniería para la enseñanza de Física y Química. Triplenlace.com, 2025. https://triplenlace.com/aula-libros/90mi/ .
