Carbón nanomateriales El maravilloso material grafeno puede haber encontrado su aplicación. Ayudará a descarbonizar la industria, producir hormigón más ecológico y hacer hidrógeno.
El maravilloso material grafeno puede haber encontrado su aplicación. Ayudará a descarbonizar la industria, producir hormigón más ecológico y hacer hidrógeno. Cerca de donde los equipos universitarios de remo de la segunda universidad más antigua de Gran Bretaña practican sus brazadas a lo largo del río Cam, un contenedor gris se encuentra afuera de una unidad comercial esperando ser enviado a Abu Dhabi. En el interior hay un equipo ideado por una empresa llamada Levidian Nanosystems. En un acuerdo anunciado el 16 de mayo con Zero Carbon Ventures, una empresa de los Emiratos Árabes Unidos, Levidian enviará 500 unidades más a la región durante los próximos cinco años. Tomarán el metano emitido por los vertederos o que se quema en los sitios de producción de petróleo y lo convertirán en hidrógeno de combustión más limpia, junto con una pila de polvo negro esponjoso llamado grafeno. El grafeno, que consiste en monocapas de átomos de carbono unidos en un patrón hexagonal repetitivo, es el material más delgado conocido. Fue aislado en 2004 en la Universidad de Manchester por Andre Geim y Konstantin Novoselov, quienes ganaron un premio Nobel por su descubrimiento. En ese momento, en medio de mucha publicidad, se decía que el grafeno ofrecía posibilidades asombrosas. Sin duda tiene muchas propiedades interesantes. Para empezar, es 200 veces más fuerte que el acero. Sin embargo, es extremadamente ligero y flexible. También es un excelente conductor del calor y la electricidad, y muestra una interesante capacidad de absorción de luz. Los investigadores todavía están encontrando formas de ajustarlo para obtener otras funciones. Recientemente, por ejemplo, se ha demostrado que al disponer varias láminas de grafeno en ángulos particulares, se puede crear una versión superconductora del material (es decir, que deja pasar la electricidad sin resistencia).
Poner el carbono a trabajar Sin embargo, a pesar de esta promesa, además de algunos nichos de uso en electrónica, filtración de agua y algunos equipos deportivos especializados, el grafeno sigue sin emplearse en gran medida. Ciertamente, no ha surgido ninguna aplicación asesina del tipo predicho cuando se descubrió el material. Pero eso podría estar a punto de cambiar. El hormigón está lo más lejos posible de la superconductividad en el espectro de la sensualidad tecnológica. Sin embargo, es un material importante y de gran preocupación para quienes intentan frenar el calentamiento global, porque el proceso de elaboración inevitablemente libera dióxido de carbono. Y el grafeno puede ser la clave para reducir considerablemente esa contribución. Emisiones de CO2 de contaminación de edificios por $ de ingresos, kg Global, industrias seleccionadas, 2017
Cemento Hierro y acero Petróleo y gas Mineria Químicos
El hormigón se fabrica mezclando arena, grava, agua y cemento. Y el cemento se hace tostando piedra caliza, una roca compuesta de carbonato de calcio, para expulsar el dióxido de carbono y dejar atrás el óxido de calcio. Los 5.000 millones de toneladas de cemento producidos cada año representan alrededor del 8 % del CO2 antropogénico del mundo y generan emisiones anormalmente altas por dólar de ingresos obtenidos en comparación incluso con otras industrias contaminantes (ver gráfico). Sin embargo, si se agrega menos del 0,1 % en peso de grafeno a la mezcla, el concreto termina siendo un 30 % más resistente. Y un hormigón más fuerte significa que se necesita menos, con la consiguiente reducción de CO2. Eso, de hecho, suena como una aplicación asesina. Sin embargo, hay un camino por recorrer. Como ocurre con la mayoría de los materiales nuevos, la producción comercial puede tardar años en escalar hasta el punto de adopción en el mercado masivo. Los compuestos de fibra de carbono a base de petróleo se inventaron en la década de 1950, pero pasaron más de 30 años antes de que comenzaran a usarse en cantidades significativas en aviones y automóviles. El grafeno ahora se está moviendo en esa dirección. Según estimaciones de idTechEx, una firma de analistas con sede en Cambridge, la capacidad de producción anual mundial del material fue inferior a las 3.000 toneladas en el primer trimestre de 2019. Para el primer trimestre de este año, esa cifra se había más que cuadriplicado, hasta 12.700 toneladas. Los nuevos métodos de producción, como el de Levidian Nanosystems y otros que se están desarrollando en todo el mundo, están contribuyendo a este crecimiento.
Además del metano, el grafeno se fabrica a partir de una gama cada vez mayor de materiales, incluidos desechos y plásticos mixtos desechados, que de lo contrario podrían terminar en un vertedero. Esto evita "exfoliar" el grafito extraído, que en la actualidad es el proceso de fabricación dominante. El grafito, la forma común de carbono cristalino (el más raro es el diamante) es, en esencia, muchas capas de grafeno apiladas una encima de la otra.
De hecho, para hacer su descubrimiento, el Dr. Geim y el Dr. Novoselov simplemente usaron cinta adhesiva para despegar capas individuales de un bloque de grafito. Como eso es demasiado tedioso para el uso industrial, se han desarrollado varios métodos químicos y mecánicos para acelerar las cosas. Dos de los mayores proveedores del mundo, por ejemplo, utilizan procesos patentados a base de agua para realizar la exfoliación. NanoXplore, en Montreal, Canadá, aumentó recientemente su capacidad a 4000 toneladas al año, y Sixth Element Materials Technology, una empresa con sede en Changzhou, China, planea expandir su capacidad anual de 1000 toneladas. Fuera de la mina Sin embargo, los diversos grados de grafeno producidos por exfoliación no son necesariamente verdes. El grafito no es un recurso renovable y debe extraerse, lo que puede ser perjudicial para el medio ambiente. Como alternativa, algunos productores obtienen su materia prima en otros lugares. Esto puede ser como compuestos orgánicos en forma gaseosa, como el metano, o como líquidos como el etanol, un alcohol que se puede hacer a partir de materia vegetal. Estos se utilizan en la deposición química de vapor (cvd), un proceso industrial establecido desde hace mucho tiempo. cvd se basa en una reacción química, a veces en combinación con calor y un catalizador, para depositar átomos de carbono convertidos en vapor sobre un sustrato, como cobre o níquel. A continuación, se puede eliminar el sustrato, si se desea, y recuperar el grafeno. Levidian Nanosystems emplea otro enfoque, al que llama bucle. Este proceso utiliza microondas para convertir el metano (una molécula compuesta por un átomo de carbono y cuatro hidrógenos) en plasma mediante la extracción de electrones de sus moléculas.
Esto hace que los enlaces químicos que mantienen unida la molécula se rompan, creando así hidrógeno (que se extrae de la parte superior de la cámara de reacción) y grafeno de alta calidad (que se acumula en la parte inferior). El proceso no depende de ningún catalizador.
La idea es que el bucle se pueda utilizar para eliminar el carbono de los flujos de gas metano, como los que se encuentran en varios procesos industriales, plantas de tratamiento de agua y reactores de biogás, así como pozos de petróleo y vertederos. Eso elimina el metano, un potente contaminante, sin generar CO2, lo que sería un resultado inevitable si, en cambio, se quemara el metano. El hidrógeno que se produce se puede quemar como combustible sin producir gases de efecto invernadero y el grafeno se vende para otras aplicaciones, como un aditivo para endurecer la pintura anticorrosión exactamente de la misma manera que la pintura gris que se usó para proteger el contenedor de envío de Levidian los elementos han sido tratados. Aunque Levidian comenzó como un productor de grafeno, ahora considera que su función es brindar un servicio de descarbonización. El sistema de bucle está siendo probado por National Grid de Gran Bretaña, que es responsable de la distribución de gas y electricidad del país, para aumentar la cantidad de hidrógeno en el suministro de gas. El ingrediente principal del gas natural es el metano, y descarbonizarlo de esta manera puede producir hasta un 40% de reducción en las emisiones de CO2 cuando el gas se quema posteriormente, según John Hartley, jefe de Levidian. En cuanto al grafeno, National Grid planea usarlo para reforzar sus tuberías para que puedan transportar más hidrógeno. Dependiendo de la fuente del metano, Levidian afirma que el proceso de bucle tiene un menor costo y un menor impacto ambiental que otros medios para producir hidrógeno, en particular, la reformación con vapor, que genera una gran cantidad de CO2. De hecho, a los precios actuales del mercado, la venta del grafeno producido significa que el hidrógeno sale gratis. Con el tiempo, la compañía espera que el proceso del circuito pueda ampliarse para convertirse en un gran productor de gas.
James Tour y sus colegas de la Universidad Rice en Houston, Texas, ampliaron aún más su red en la búsqueda de materias primas alternativas para fabricar grafeno. Hasta ahora, han probado con éxito carbón, coque de petróleo (un subproducto de la refinación de petróleo), comida desechada, llantas viejas y desechos plásticos mixtos. Para llevar a cabo la conversión, Dr Tour utiliza un método llamado proceso “flash” que su equipo ha desarrollado. Esto emplea una cámara de reacción especialmente diseñada en la que un material que contiene carbono se intercala entre un par de electrodos. Luego se utilizan pulsos de electricidad de alta energía para crear un rápido aumento de la temperatura a 2.700°C. En solo un segundo más o menos, esto da como resultado un repentino destello de luz (de ahí el nombre) causado por la liberación de energía a medida que las moléculas en el material se desintegran. Cualquier sustancia que no sea carbono se vaporiza en un gas, que puede recolectarse, limpiarse y usarse en otros procesos. Lo que queda es una forma de grafeno llamada turbostratic. Consiste en una serie de capas desalineadas entre sí. Sin embargo, esa desalineación es una característica útil porque permite que las capas se separen más fácilmente cuando el material se mezcla con otros materiales. Con el grafeno, cuantas menos capas, más poderosos son los beneficios otorgados.
Reparación de grietas de hormigón
Una mezcla que interesa especialmente al Dr. Tour es el hormigón, del que se vierten cada año unos 30.000 millones de toneladas. La adición de una pequeña cantidad de grafeno al concreto proporciona un ancla para que el cemento se agarre, lo que resulta en una interacción más poderosa a medida que el concreto se cura. Esto significa no solo que se necesita menos hormigón para lograr el mismo nivel de resistencia, sino también que es probable que las estructuras hechas con él duren más. La mejora con grafeno también protegería las barras de refuerzo, las varillas de acero utilizadas para reforzar el hormigón, de la humedad. Si el agua se cuela en pequeñas grietas en el concreto, puede causar que las barras de refuerzo se oxiden y se expandan, lo que provoca el desmoronamiento del concreto y, a veces, el derrumbe de los edificios. En ciertos casos, de hecho, el uso de barras de refuerzo en la construcción podría evitarse por completo, ahorrando costos y las emisiones involucradas en la producción del acero del que están hechas. El año pasado, un equipo de la Universidad de Manchester, trabajando con Nationwide Engineering, una empresa constructora británica, usó grafeno para mejorar el piso de concreto de un nuevo gimnasio en Amesbury, en el sur de Inglaterra, evitando la necesidad de barras de refuerzo. Esto redujo la cantidad de material que de otro modo se necesitaría en casi un tercio, lo que resultó en un ahorro similar en las emisiones de CO2. Otro peligro para el concreto es el cloro, que se encuentra en el agua de mar y es particularmente corrosivo. Sixth Element dice que descubrió que la adición de solo 0,005 % de grafeno al cemento marino mejora su resistencia al cloro en un 40 %. Incluso podría ser posible construir sin hormigón agregando grafeno a materiales compuestos hechos de madera y polímeros. Esto sería particularmente ecológico si el grafeno involucrado se produjera a partir de desechos o materiales reciclados, incluido el propio grafeno. Dr Tour ya ha flasheado con éxito composites hechos con grafeno con el fin de recuperar el material para que pueda ser utilizado de nuevo. El uso de compuestos más resistentes y ligeros que sean fácilmente reciclables podría tentar a muchos fabricantes a dejar de utilizar materiales que consumen mucha energía, como el acero y el aluminio. Ford, por su parte, ha comenzado a utilizar grafeno para mejorar la durabilidad y reducir el peso de algunos de los compuestos utilizados en sus automóviles. Un factor de complicación es que no todo el grafeno es técnicamente grafeno. La mayoría de los grafenos comerciales tienen más de una capa de átomos. En general, la mayoría de la industria acepta cualquier cosa de menos de diez capas como grafeno, aunque algunos productos tienen más que eso. El grafeno también varía en forma, desde películas hasta polvos, nano plaquetas, óxidos de grafeno y más. Además, existen diferentes niveles de calidad, especialmente porque algunas de las estructuras de carbono de las que está hecho contienen defectos. Esto no significa necesariamente que el grafeno de alta calidad, llamado de “pocas capas”, sea el más útil. Todos los tipos tienen algún valor, por lo que el precio depende de la aplicación para la que se utilice el material. Esta enorme variación en lo que se denomina grafeno da como resultado precios que van desde decenas de dólares el kilogramo hasta más de 1000 dólares.
“Nuestro objetivo es estar en el extremo inferior de ese espectro”, dice Jon Van Leeuwen, director ejecutivo de Universal Matter, una empresa canadiense con sede en Burlington, Ontario, que obtuvo la licencia del proceso flash de la Universidad de Rice. Está construyendo una planta de demostración, que a principios del próximo año debería producir una tonelada de grafeno flash por día. El cemento verde es visto como el mercado más grande. “Todos sabemos que funciona en cemento y hormigón”, dice el Sr. Van Leeuwen. “Pero para ir a lo grande se necesita un cierto punto de costo que ha sido inalcanzable hasta ahora”. Otros mercados potenciales incluyen la adición de pequeñas cantidades de grafeno al betún utilizado para hacer carreteras de asfalto. Esto prolongaría en gran medida su vida, previniendo el deslizamiento y la formación de surcos en climas cálidos y el agrietamiento durante los períodos de frío, lo que provoca baches. El grafeno también puede aumentar la resistencia a la abrasión de los neumáticos de los automóviles, haciéndolos durar más. Sin polvo de hadas Pero usar grafeno no es tan simple como “rociar un poco de polvo de hadas mágico en el producto final”, advierte Adrian Potts, director ejecutivo de Applied Graphene Materials, una empresa británica con sede en Redcar. La empresa fabrica su propio grafeno a partir de etanol mediante un proceso cvd y también compra el material. Materiales de grafeno aplicado nuevo y emocionante producto de dispersiones de grafeno https://vimeo.com/707693134 Su experiencia particular se encuentra en lo que se denomina “tecnologías de dispersión", lo que significa poner grafeno de pocas capas en una variedad de sustancias diferentes para que sea más fácil mezclarlo con los productos. Por sí solo, el grafeno tiende a volver a acumularse en grafito, lo que puede disminuir su utilidad. La idea, dice el Dr. Potts, es hacer que "el grafeno permanezca como grafeno" cuando se mezcla con cosas como tratamientos anticorrosión, compuestos e incluso la cera para automóviles utilizada para pulir y proteger la carrocería del vehículo. Sin embargo, persisten algunas preocupaciones sobre las implicaciones para la salud del uso creciente de nanomateriales de ingeniería como el grafeno. Los investigadores están tratando de obtener una mejor comprensión de cómo podrían ingresar al cuerpo y cuáles podrían ser los efectos de hacerlo. Por lo tanto,
agrega el Dr. Potts, será importante para la industria a medida que se amplía para encontrar formas que no solo permitan que el grafeno se use en aplicaciones a granel, sino que también se use de manera segura.
No todos están convencidos de que el grafeno esté en la cúspide de un gran éxito como solución ambiental. Richard Collins, el director de investigación de América del Norte de idTechEx, sigue de cerca el negocio. Está de acuerdo en que el grafeno podría convertirse en una tecnología habilitadora para ciertos procesos de descarbonización. “Pero la materia prima y los procesos utilizados actualmente por los principales jugadores hacen que llamarlo material verde sea una exageración”. Algunos de los nuevos métodos de producción, como el proceso flash, podrían cambiar eso, especialmente si pueden usar materiales de desecho como alimentos desechados como materia prima, dice el Dr. Collins. Pero advierte que estos métodos se encuentran en una etapa temprana y aún tienen que probarse a escala. Sin embargo, agrega, se puede encontrar un precedente con los hermanos mayores y menos glamorosos del grafeno, los nanotubos de carbono. Se trata esencialmente de láminas enrolladas de grafeno y también se pueden fabricar con cvd. Los nanotubos de carbono han estado en desarrollo durante una década más o menos que el grafeno, con una producción anual que ronda los miles de toneladas. Pero la demanda está empezando a dispararse y puede llegar a más de 70.000 toneladas para 2032. ¿La razón? Los nanotubos de carbono han encontrado su aplicación asesina: fabricar cátodos para las baterías de iones de litio utilizadas por los automóviles eléctricos (evs). Con las gigafábricas de baterías surgiendo en todo el mundo, esto se ha convertido en un negocio en auge. Los investigadores están buscando formas de usar el grafeno para mejorar el rendimiento de las baterías. El grafito ya se usa ampliamente en la fabricación de baterías. El grafeno podría permitir que las baterías de los vehículos eléctricos sean más livianas, duraderas y de carga más rápida. Si algo de eso vale la pena, el grafeno habrá encontrado otro mercado importante. La gran apuesta Sin embargo, el hormigón verde sigue siendo la gran apuesta para el grafeno, sobre todo porque los volúmenes de material involucrados son muy grandes. Sin embargo, enfrenta competencia en ese campo. Se están explorando otras formas de reducir las emisiones de hormigón. Un método prometedor es inyectar CO2 capturado en el concreto en el punto en que se mezclan el agua y el cemento. Esto no solo bloquea el gas como carbonato de calcio, sino que también fortalece el concreto. Aun así, no hay nada que impida que alguien agregue un poco de grafeno también, si el precio es correcto. Muchos de los otros usos potenciales del grafeno además del hormigón y las baterías también podrían convertirse en grandes mercados.
El simple hecho de hacer que las cosas duren más con recubrimientos anticorrosión y producir estructuras compuestas más resistentes sería bueno para el medio ambiente, sobre todo porque necesitarán menos mantenimiento y no será necesario reemplazarlas con tanta frecuencia. Y cuando, eventualmente, estas cosas lleguen al final de sus vidas, si el grafeno se puede recuperar y usar nuevamente, sería un impulso bienvenido para construir una economía circular. Nada es seguro con las nuevas tecnologías, pero el momento del material maravilloso podría estar llegando. Martin Eduardo Lucione https://facebook.com/Ecoalfabetizacion https://issuu.com/martinlucione Extraido The Economic science & technology