Smartphones, laptops, caixas de som Bluetooth, veículos elétricos (VEs) — essas tecnologias fazem parte do nosso dia a dia, mas raramente pensamos nos elementos metálicos que as fazem funcionar. As unidades centrais de processamento (CPUs) e as unidades de processamento gráfico (GPUs) em nossos dispositivos eletrônicos são feitas de silício, e esses chips cuidam dos cálculos. No entanto, existem outros componentes de circuitos igualmente importantes, como discos rígidos e memória flash. Sem eles, seríamos incapazes de manter grandes quantidades de dados armazenados temporária ou permanentemente enquanto navegamos ou realizamos tarefas exigentes. As matérias-primas desses componentes são feitas do que chamamos de metais críticos.
Metais críticos são considerados como tal por dois motivos: seus papéis cruciais nas indústrias modernas e sua abundância e distribuição geográfica desiguais. Esses fatores os tornam altamente desejados, porém mais difíceis de obter em regiões e países que carecem de depósitos naturais significativos. O aumento do protecionismo e as barreiras comerciais estão exacerbando os desequilíbrios entre oferta e demanda. Espera-se também que a volatilidade dos preços persista à medida que esses desequilíbrios continuem.
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Esses fatores mostram por que o mundo precisa de processos mais eficientes e eficazes para a extração de metais críticos. Os métodos atuais são comumente realizados com produtos químicos tóxicos e condições de reação severas, tornando essas etapas ambientalmente prejudiciais e ineficientes devido ao uso significativo de solventes. Além disso, uma parcela considerável de metais críticos é perdida no processo de purificação devido a tecnologias de separação ineficazes.
Felizmente, pesquisas científicas significativas estão abordando essas questões, e métodos melhores podem em breve atender às necessidades do mercado e aos imperativos ambientais.
O que são metais críticos?
Ao observar a Tabela Periódica dos Elementos (veja a Figura 1), os metais críticos incluem alguns metais alcalino-terrosos como o lítio, alguns metais de transição da primeira série como o cobalto e alguns metais do bloco p como o telúrio. Eles também compreendem metais de transição da segunda e terceira séries, abrangendo os metais do grupo da platina (MGPs) — platina, paládio, ródio, rutênio, irídio e ósmio. Os metais críticos também incluem alguns dos lantanídeos ou metais de terras raras (MTRs), também conhecidos como elementos de terras raras (ETRs), incluindo lantânio, cério, praseodímio, neodímio, samário, európio, gadolínio e térbio.
O Serviço Geológico dos Estados Unidos (USGS) monitora um conjunto maior chamado minerais críticos, incluindo os elementos alumínio, cobre, ferro e níquel, mas não os estamos considerando em nossa análise devido à sua abundância relativa e processos de purificação estabelecidos.
Além de serem altamente valiosos e distribuídos de forma desigual, os metais críticos também substituíram metais de desempenho inferior devido às suas propriedades físicas aprimoradas. Por exemplo, alguns metais críticos, como o neodímio, possuem propriedades magnéticas permanentes incrivelmente fortes, superiores às do ferro, o que os torna ideais para dispositivos de memória de alto desempenho em smartphones, computadores e servidores de computação em nuvem, sendo, portanto, componentes indispensáveis na era digital.
Vale a pena observar a quantidade de metais críticos que cada país ou região possui para os elementos em questão. O USGS fornece cobertura global desses recursos naturais com relatórios e atualizações regulares. A Tabela 1 mostra um mapa de calor dos dados do USGS para as reservas em toneladas métricas (TM) por país ou região; observe que o USGS relata os elementos dos MGPs e os lantanídeos (ETRs) como duas entidades combinadas, enquanto o lítio, o cobalto e o telúrio são distinguidos. Como esperado, o telúrio tem pouquíssima abundância, com reservas relatadas para o Canadá de apenas 0,9 mil TM, 3,1 mil na China, 3,8 mil nos Estados Unidos e 5,8 mil na Rússia. Compare isso com 57 milhões de TM de lítio na Austrália, ou 44 milhões de TM de ETRs na China e 1,8 milhão de TM nos EUA.
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Aplicações de metais críticos
Os metais críticos são usados em inúmeras tecnologias e dispositivos, mas como eles são especificamente incorporados? Existem três aplicações principais:
- Baterias/armazenamento de energia: O lítio e o cobalto são usados em baterias por sua densidade de carga e estabilidade do cátodo para ciclos de vida de longa duração. Não foram encontrados outros elementos que ofereçam o mesmo desempenho. Por exemplo, baterias de baixo custo e amplamente utilizadas à base de chumbo e zinco estão disponíveis comercialmente há muitos anos, mas apresentam preocupações ambientais e menor retenção de carga e vida útil da bateria.
- Ímãs: Centros de dados exigem materiais magnéticos para manter o desempenho em temperaturas elevadas, câmeras de smartphones precisam de atuadores magnéticos de ultraprecisão para estabilização de imagem e motores de veículos elétricos demandam ímãs que mantenham a força sob estresse. O neodímio é um dos metais magnéticos permanentes mais fortes disponíveis comercialmente no mundo; o disprósio mantém a força magnética em altas temperaturas; e o térbio pode ser usado para aprimorar as propriedades magnéticas de outros componentes. Metais críticos como o praseodímio oferecem uma alternativa de custo relativamente menor ao neodímio em alguns casos. Os componentes de memória típicos em que estão envolvidos incluem unidades de disco rígido para armazenamento de dados de alta densidade, RAM magnética para memória não volátil e ímãs em miniatura para alto-falantes e fones de ouvido.
- Catálise: Dentre os metais críticos usados em catálise, o rutênio é vital para a produção de amônia e o irídio para a produção de hidrogênio verde (eletrólise da água). Catalisadores são amplamente utilizados para reduzir vários gases nocivos de escapamentos automotivos e incluem platina para converter monóxido de carbono, ródio para reduzir óxidos nitrosos e paládio, que pode converter hidrocarbonetos não queimados.
Melhorando a extração, separação e purificação de metais críticos
As indústrias que utilizam metais críticos já enfrentam desafios significativos devido à sua falta de abundância. Além disso, uma vez que os dispositivos atingem o fim de seu ciclo de vida, eles são normalmente descartados em aterros sanitários. Esforços recentes têm se concentrado na reciclagem desses dispositivos para extrair tais metais críticos e reutilizá-los em novos produtos. Embora isso tenha se mostrado bem-sucedido até certo ponto e deva ser uma prioridade, existem outras maneiras de melhorar as taxas de extração de metais críticos no início de seus ciclos de vida, como na mineração, separação e purificação.
Atualmente, existem dois processos típicos para a extração de metais críticos de outros elementos: hidrometalurgia e pirometalurgia, sendo cada um deles um termo abrangente para processos específicos. A hidrometalurgia inclui lixiviação ácida, lixiviação alcalina, extração por solvente e processos de troca iônica. A pirometalurgia inclui fundição e ustulação em alta temperatura, calcinação para remover impurezas voláteis e um processo de redução usando carbono ou hidrogênio.
Cada um desses métodos apresenta riscos ambientais, como o alto consumo de energia, geralmente obtido pela queima de combustíveis fósseis, e a geração de produtos químicos tóxicos. Novas tecnologias verdes, no entanto, podem superar esses desafios:
Metais para baterias: Lítio e cobalto
As técnicas de separação e purificação para metais críticos de baterias, como lítio e cobalto, tendem a incluir evaporação de salmoura e concentração, precipitação seletiva e eletrólise ou química redox. Recentemente, pesquisadores relataram um novo reagente para ligar seletivamente o cloreto de lítio a partir de uma variedade de sais metálicos, incluindo sódio, magnésio e zinco, com alta eficiência. A precipitação pode ser um método de baixo custo e escalável, e foi usada com sucesso para separar o cobalto do níquel com a simples adição de carbonato, o que faz com que o complexo de cobalto resultante precipite, deixando o níquel solvatado.
Metais do grupo da platina (PGMs)
Para elementos do grupo da platina e terras raras, as novas tecnologias incluem cristalização fracionada, cascatas de extração por solvente, cromatografia iônica e precipitação seletiva. Por exemplo, um complexo de platina foi separado de outros PGMs, incluindo paládio e ródio, com um aditivo orgânico chamado cucurbit[6]uril, que se liga seletivamente às espécies de platina e as precipita da solução.
Metais especiais: Ouro e telúrio
A purificação do minério de ouro é um processo tóxico e continua sendo um desafio. Por esse motivo, pesquisadores encontraram uma maneira de remover ânions de ouro do carvão ativado usando um agente coordenante orgânico de custo relativamente baixo, a α-ciclodextrina; o carvão ativado é um substrato típico usado na indústria aurífera.
O telúrio é um metal crítico notoriamente difícil por dois motivos: sua abundância é tão baixa que raramente é minerado, sendo antes separado dos resíduos da mineração de níquel, e ele possui vários estados de oxidação que podem ser difíceis de ativar quimicamente para fins de precipitação devido à sua afinidade em permanecer como óxido. Pesquisadores descobriram, no entanto, que ao adicionar certos derivados de catecol ao TeO2, eles poderiam expulsar o oxigênio e formar um complexo de telúrio sob condições redox, purificando os produtos com sucesso.
Examinamos a CAS Content CollectionTM, o maior repositório de informações científicas curado por humanos, para entender melhor como as tecnologias de separação e purificação estão evoluindo. Encontramos uma forte trajetória ascendente para publicações em periódicos e patentes relacionadas a esses processos nos últimos 25 anos (veja a Figura 3).
Também examinamos o número de periódicos e patentes para metais críticos selecionados (veja a Figura 4). O crescimento geral reflete a tendência crescente de dispositivos operados por bateria, como telefones celulares e, mais recentemente, veículos elétricos. O lítio ascende ao topo dos metais críticos publicados a partir de 2018, superando o cobalto em 2022. Dentre os PGMs, platina e paládio são os metais mais relatados em patentes, seguidos por prata e ouro, e depois ródio e rutênio. Para artigos de periódicos, os elementos de terras raras (REEs), como cério, neodímio e lantânio, são os mais publicados depois do paládio.
A partir dessa análise, podemos observar a robusta atividade de pesquisa em torno desses elementos, e o crescimento nas publicações de patentes visto na Figura 3 demonstra que tecnologias aprimoradas de separação e purificação estão chegando à comercialização.
Pesquisadores de materiais podem usar o CAS SciFinder para pesquisar na literatura de ciência dos materiais, identificando relações estrutura-propriedade e métodos de síntese que apoiam a inovação.
Existe também uma diferenciação geográfica em torno das tendências de publicação, abrangendo tanto periódicos quanto patentes. A Figura 5 mostra um mapa de calor do total de documentos em função do metal crítico e do país, agrupados de acordo com aplicações típicas, como baterias e energia solar, catálise e eletrônica. A China é o principal país em publicações para muitos metais críticos, particularmente lítio, cobalto, ouro, prata, platina, paládio, lantânio, cério e neodímio. O Japão é um forte concorrente em cobalto, platina e paládio. É notável que existam menos publicações sobre telúrio e irídio, com a China e o Japão apresentando os maiores números, enquanto o ósmio tem o menor número de publicações entre todos os elementos e países ou regiões.
Duas observações podem ser feitas ao comparar a Figura 5 com a Tabela 1: (1) a China possui os recursos de metais críticos mais abundantes e publica o maior número de documentos; (2) nem a Coreia do Sul nem o Japão possuem recursos de metais críticos, mas estão entre os três principais países ou regiões em número de documentos publicados. Isso serve de inspiração para países em situação semelhante ao redor do mundo que buscam crescimento tecnológico diante da escassez relativa.
Para uma compreensão mais detalhada dos principais detentores de patentes, foram selecionados os quatro principais países e regiões, e os cessionários de patentes foram analisados em função dos elementos de metais críticos (veja a Figura 6).
A Central South University é a principal publicadora de patentes no geral e de patentes de cobalto, com a Guangdong Brunp Recycling Technology Co. detendo o maior número de patentes de lítio. No Japão, a Sumitomo Metal Mining Co. Ltd. é a maior detentora de patentes, seguida pela JX Nippon Mining & Metals Corp., ambas com ampla publicação em muitos dos metais críticos selecionados. Na Coreia do Sul, o paládio é o metal crítico mais patenteado, particularmente pelo Korea Institute of Energy Research. Essas análises destacam a concentração de metais críticos na Ásia e os esforços de pesquisa centralizados na região.
Metais críticos, futuro crítico
O mercado de metais críticos representa um setor substancial e crescente da economia global, com variações significativas nas avaliações de mercado entre diferentes categorias de metais. O mercado de lítio está projetado para atingir US$ 11,1 bilhões este ano, enquanto o mercado de cobalto demonstrou crescimento contínuo impulsionado pela maior demanda de baterias para veículos elétricos e eletrônicos. Ele está agora avaliado em US$ 17 bilhões. O mercado de metais do grupo da platina (PGM) foi avaliado em US$ 21,6 bilhões em 2024, com expectativa de crescimento para US$ 22,7 bilhões em 2025, e o mercado de elementos de terras raras (REE) apresenta avaliações variadas dependendo da fonte, com estimativas que variam de cerca de US$ 4 bilhões a mais de US$ 8 bilhões em 2025, refletindo a complexidade e a rápida evolução do mercado.
Esses metais continuarão sendo indispensáveis para as economias modernas enquanto alimentarem smartphones, computadores, veículos elétricos e sistemas de energia renovável. Tensões geopolíticas e políticas comerciais podem agravar a volatilidade dos preços e os desequilíbrios entre oferta e demanda, portanto, as empresas devem desenvolver estratégias de fornecimento robustas e um mapeamento abrangente da cadeia de suprimentos para navegar neste cenário incerto.
A trajetória em direção a tecnologias de extração e separação mais sustentáveis pode ajudar a enfrentar esses desafios, com o investimento contínuo em pesquisa provavelmente gerando avanços que reduzam o impacto ambiental e melhorem a eficiência. O aumento nas publicações científicas e patentes sugere inovações promissoras que podem transformar os métodos de processamento tradicionais.
Ao extrair mais metais críticos com maior sustentabilidade ambiental, mais desses elementos de importância vital estarão disponíveis para alimentar os dispositivos eletrônicos dos quais a vida moderna depende. Felizmente, as perspectivas são promissoras para metodologias novas e melhores, o que significa um futuro positivo para os motores tecnológicos de hoje e de amanhã.
