Síntesis de alta temperatura autopropagada

La síntesis autopropagada a alta temperatura (SHS) es un método para producir compuestos tanto inorgánicos como orgánicos mediante reacciones de combustión exotérmicas en sólidos de distinta naturaleza. ^{[ 1 ]} Las reacciones pueden ocurrir entre un reactivo sólido acoplado a un gas, un 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 lleva a cabo a altas temperaturas, el método es ideal para la producción de materiales refractarios, incluidos polvos, aleaciones metálicas o cerámicas.

El proceso SHS moderno fue descrito y patentado en 1971, ^{[ 3 ] [ 4 ]} aunque ya se conocían algunos procesos similares al SHS.

La síntesis a alta temperatura autopropagada es una técnica de síntesis verde altamente eficiente en términos energéticos, que utiliza pocos o ningún disolvente tóxico. Se han realizado análisis ambientales que demuestran que la SHS tiene un menor impacto ambiental que las técnicas tradicionales de procesamiento en fase líquida. ^{[ 5 ]} Esta técnica consume menos energía para la producción de materiales, y el ahorro en costos energéticos aumenta a medida que se incrementa el tamaño de los lotes de síntesis.

La síntesis por combustión autoensamblada (SHS) no es una técnica adecuada para la producción de nanopartículas. Generalmente, la alta temperatura del proceso provoca la sinterización de las partículas durante y después de la reacción. Las altas temperaturas generadas durante la síntesis también generan problemas de disipación de energía y de recipientes de reacción adecuados; sin embargo, algunos sistemas utilizan este calor residual para impulsar otros procesos de la planta.

En su formato habitual, la SHS se lleva a cabo a partir de reactivos finamente pulverizados que se mezclan íntimamente. En algunos casos, los reactivos se pulverizan finamente, mientras que en otros se sinterizan para minimizar su área superficial y prevenir reacciones exotérmicas no iniciadas, que pueden ser peligrosas. ^{[ 6 ]} En otros casos, las partículas se activan mecánicamente mediante técnicas como la molienda de bolas de alta energía (por ejemplo, en un molino planetario), lo que da como resultado partículas nanocompuestas que contienen ambos reactivos dentro de celdas químicas individuales. ^{[ 7 ] [ 8 ]} Después de la preparación de los reactivos, la síntesis se inicia calentando puntualmente una pequeña parte (generalmente la superior) de la muestra. Una vez iniciada, una onda de reacción exotérmica barre el material restante. La SHS también se ha llevado a cabo 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 mediante la adición de una sal inerte que absorbe calor en el proceso de fusión o evaporación, como el cloruro de sodio , o mediante la adición de un "horno químico" —una mezcla altamente exotérmica— para disminuir la relación de enfriamiento. ^{[ 9 ]}

La reacción de calcogenuros de metales alcalinos (S, Se, Te) y pnicturos (N, P, As) con otros haluros metálicos produce los correspondientes calcogenuros y pnicturos 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. Al sustituir _{GaI₃ por GaCl₃} , la reacción es tan exotérmica que el producto GaN se descompone. Por lo tanto, la elección del haluro metálico influye en el éxito del método.

Otros compuestos preparados mediante este método incluyen dicalcogenuros metálicos como _el MoS₂ . La reacción se lleva a cabo en un reactor de acero inoxidable con exceso de _Na₂S . ^{[ 6 ]}

La síntesis a alta temperatura autopropagada también puede llevarse a cabo en un entorno artificial de alta gravedad para controlar la composición de fases de los productos. ^{[ 11 ]}

SHS se ha utilizado para vitrificar varios flujos de desechos nucleares, incluidas cenizas de incineración, intercambiadores iónicos inorgánicos gastados como la clinoptilolita y suelos contaminados. ^{[ 12 ]}

Debido a la naturaleza de estado sólido de los procesos SHS, es posible medir la cinética de reacción in situ utilizando una variedad de técnicas experimentales, incluyendo explosión electrotérmica, análisis térmico diferencial , enfoques de velocidad de combustión, entre otros. ^{[ 13 ]} Se han estudiado diversos sistemas, incluyendo intermetálicos , termita , carburos y otros. Utilizando SHS, se demostró que el tamaño de partícula tiene un efecto significativo en la cinética de reacción. ^{[ 14 ]} Se demostró además que estos efectos están relacionados con la relación entre el área superficial/volumen de las partículas, y que la cinética puede controlarse mediante molienda 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 fase o dar como resultado directamente productos en fase sólida sin ninguna fusión. ^{[ 16 ]}

• ISMAN Acerca de SHS
• Información sobre síntesis de combustión proporcionada por la ESA
• Síntesis de combustión Archivado el 26/12/2009 en Wayback Machine Bentham Ebook por Maximilian Lackner
• Materiales fabricados por SHS para las necesidades de las colonias lunares.