Las estructuras metalorgánicas (MOF, por sus siglas en inglés) son una clase de materiales con una porosidad y una superficie excepcionalmente altas (hasta 7000 m²/g). La flexibilidad de diseño y la versatilidad estructural que ofrecen las MOF han despertado un gran interés en numerosas aplicaciones, aunque históricamente ha habido varios intentos fallidos de comercializar estos materiales.

Sin embargo, la capacidad de ajuste, la estabilidad cíclica y las características de adsorción/desorción selectiva de estos materiales están abriendo oportunidades para su comercialización como alternativas energéticamente eficientes para una serie de tecnologías críticas que consumen mucha energía. Entre ellas se incluyen la captura de carbono, la recogida de agua para la producción de agua potable y los sistemas de climatización, así como diversos procesos de separación y purificación química (por ejemplo, separación de gases, filtración de aire, extracción directa de litio, eliminación de PFAS y muchos más).

Históricamente, uno de los principales obstáculos que ha impedido la comercialización generalizada de los MOF ha sido el elevado coste de fabricación, que a su vez se ha traducido en precios de mercado elevados. Sin embargo, las recientes asociaciones entre actores industriales consolidados, como BASF, y startups como AirJoule, Svante y WaHa para ampliar estratégicamente la producción de MOF específicos con el fin de comercializar tecnologías basadas en MOF pueden resultar fundamentales para reducir estos costes. Junto con las características de rendimiento únicas que ofrecen estos materiales, existe el potencial de posicionar los MOF como una opción más competitiva para sustituir a las tecnologías actuales que consumen mucha energía, lo que también puede fomentar una mayor adopción por parte del mercado.

Fabricación de MOF

La implementación industrial depende de la disponibilidad, la calidad y la asequibilidad de los materiales. La mayoría de los MOF desarrollados en laboratorios de investigación se sintetizan mediante métodos solvotérmicos a escala miligramo. Para producir MOF a escala industrial, los métodos de producción deben ser escalables.
Además, la disponibilidad de materias primas es un factor crítico para determinar la viabilidad comercial de un MOF. Con más de 100 000 estructuras registradas, solo unas pocas cumplen los criterios para su posible comercialización. A partir de la información obtenida en entrevistas con actores clave como BASF, Numat y Promethean Particles, el informe de IDTechEx evalúa de forma crítica las ventajas y los retos de los distintos enfoques adoptados por los fabricantes para aumentar la producción de MOF. Basándose en investigaciones primarias, también se abordan los factores que influyen en los costes de producción y, en última instancia, en el precio de venta de los MOF. El informe también presenta una visión general de las capacidades de producción de los principales fabricantes.

La captura de carbono es un factor clave para el crecimiento del mercado de los MOF

El despliegue de tecnologías de captura de carbono es una herramienta importante para alcanzar los objetivos de cero emisiones netas. Sin embargo, a pesar del buen nivel de madurez de los métodos basados en disolventes amínicos (es decir, el lavado con aminas) para capturar CO2, su despliegue sigue siendo limitado, debido principalmente al elevado coste de instalación y al consumo de energía asociado a la regeneración de los disolventes.

Los sistemas modulares de captura de carbono con sorbentes sólidos basados en MOF, como los que están desarrollando Svante y Nuada, están ganando impulso, impulsados por una reducción significativa de los requisitos energéticos para la regeneración de los sorbentes, una mayor estabilidad de los sorbentes, la selectividad del CO2 y un menor gasto de capital en comparación con los sistemas basados en disolventes.

MOF para separaciones y purificaciones químicas

La separación y purificación químicas constituyen operaciones fundamentales de industrias manufactureras como la producción química, la minería y la refinería de petróleo y gas. Los procesos convencionales de separación química térmica basados en la destilación tienen importantes inconvenientes: requieren mucho espacio, suponen un gasto de capital considerable y consumen mucha energía. La selectividad química ajustable y la arquitectura de poros controlable de los MOF permiten la separación selectiva de sustancias químicas cuando se utilizan como sorbentes sólidos o membranas.

Por ejemplo, el fabricante de membranas basadas en MOF UniSieve ha declarado a IDTechEx que ha demostrado la separación de sustancias químicas con puntos de ebullición de aproximadamente 5 °C utilizando su tecnología de membranas no térmicas, lo que de otro modo requeriría una separación térmica con un alto consumo energético utilizando columnas de destilación de unos 100 m de altura. Los avances en aplicaciones como la recuperación de refrigerantes, la extracción directa de litio y varios procesos de separación y purificación de gases, como la mejora del biogás y la producción de propileno de grado polimérico, entre otros, se evalúan en la investigación de IDTechEx.

MOF para tecnologías de recogida de agua y climatización

Las tecnologías de recogida de agua atmosférica (AWH) que utilizan sorbentes avanzados (por ejemplo, MOF) ofrecen la oportunidad de aprovechar los recursos hídricos en regiones donde las fuentes de agua tradicionales son limitadas. Además, los efectos de calentamiento y enfriamiento inducidos por las propiedades de adsorción y desorción del agua de los MOF también pueden utilizarse para sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC) que pueden funcionar con un consumo eléctrico reducido hasta en un 75 % en comparación con las tecnologías de refrigeración por compresión de vapor convencionales. Esto es especialmente importante, ya que se prevé que el consumo mundial de electricidad de los sistemas HVAC se triplique para 2050 debido al aumento de la demanda, especialmente en Asia y Oriente Medio.

El informe de IDTechEx abarca los avances en materiales y tecnología de los sistemas AWH y HVAC que integran MOF, con referencias y comparaciones de los principales indicadores de rendimiento con otros sorbentes. El informe también destaca a los principales actores que están a la vanguardia del desarrollo y la comercialización de estas tecnologías.

MOF para el almacenamiento de gas, el almacenamiento de energía y otras aplicaciones en fase inicial

Los MOF también se están investigando para aplicaciones de almacenamiento de gas, y el fabricante estadounidense de MOF Numat ha comercializado su gama ION-X para el almacenamiento de gases dopantes para la industria de los semiconductores. Varias empresas emergentes también están desarrollando prototipos de soluciones de almacenamiento de gas natural basadas en MOF para apoyar las redes de suministro de gas, mientras que los avances en las aplicaciones de almacenamiento de hidrógeno son menos avanzados. El almacenamiento de energía y las aplicaciones en baterías son también áreas en las que los MOF están despertando mucho interés, con actores como Svolt, GM, LG Energy y otros liderando las actividades de I+D. En el informe de IDTechEx se analizan también otras aplicaciones en fase inicial, como la catálisis, los sensores y otras.

Perspectivas de IDTechEx para los MOF

Las diversas aplicaciones de los MOF ofrecen un amplio abanico de posibilidades para la adopción de tecnologías basadas en MOF, especialmente en aplicaciones en las que los MOF pueden reducir considerablemente el consumo de energía y los costes operativos. Entre ellas se incluyen la captura de carbono, las separaciones químicas y la recogida de agua. Sin embargo, estas tecnologías aún no se han demostrado a escala industrial y las tecnologías novedosas pueden considerarse arriesgadas, lo que puede suponer un obstáculo para su adopción temprana. Además, las tecnologías existentes tienen una fuerte presencia en los principales mercados objetivo, y los MOF pueden tener dificultades para ganar cuota de mercado.

Con la llegada de varios productos comerciales en la próxima década, las tecnologías basadas en MOF tendrán que demostrar su rendimiento a gran escala. Esto también debe complementarse con un crecimiento sostenido de la capacidad de fabricación mediante métodos escalables.

A medida que las tecnologías basadas en MOF se acercan a la comercialización, el nuevo informe de IDTechEx «Metal-Organic Frameworks (MOFs) 2025-2035: Markets, Technologies, and Forecasts» ofrece un análisis independiente de las tendencias clave y considera las aplicaciones de los MOF para otras tecnologías en fase inicial, como el almacenamiento de hidrógeno, el almacenamiento de energía (por ejemplo, baterías), los semiconductores, los sensores y mucho más. Basándose en los conocimientos adquiridos en la investigación primaria, el informe analiza los principales actores del sector y ofrece previsiones de mercado en términos de demanda anual y valor de mercado segmentados por aplicación. IDTechEx prevé que este mercado crecerá a una tasa compuesta anual del 40 % entre 2025 y 2035.

Autor: Dr. Shababa Selim, analista tecnológico sénior de IDTechEx