Autor: Energeia Graphenemex

El Impacto del Grafeno en la Industria del Plástico:

Publicado el | por Energeia Graphenemex

El Impacto del Grafeno en la Industria del Plástico:

Innovación y Sostenibilidad

Los orígenes del plástico se remontan al año 1860 en Estados Unidos, cuando la compañía Phelan & Collander en medio de una crisis en las reservas de marfil, un material muy utilizado para la fabricación de distintos objetos como bolas de billar, teclas de piano, joyería, botones y estructuras decorativas, convocó al desarrollo de un material capaz de sustituir al marfil a cambio de una atractiva compensación económica para la época. Fue entonces que, John Wesley Hyatt presentó la propuesta del “celuloide”, un carbohidrato proveniente de las plantas que, si bien no logró sustituir en su totalidad al marfil, sí fue el punto de partida para el desarrollo del plástico, con sucesores inmediatos como la baquelita o el PVC hasta los actuales plásticos de ingeniería.

“La palabra plástico proviene del griego “plastikos” que significa que se puede moldear”

Los plásticos son materiales sintéticos que se obtienen por distintos procesos de polimerización a partir de derivados del petróleo. Su evolución y perfeccionamiento desde sus primeras apariciones los han colocado al día de hoy en materiales prácticamente indispensables para numerosas actividades e industrias. Sin embargo, después de tantos años de uso descontrolado, además de representar soluciones o alternativas para incontables necesidades, los plásticos también se han convertido en una problemática ambiental y sanitaria ya que, así como ha crecido su versatilidad y demanda, también ha incrementado la cantidad de residuos. Por lo tanto, la ya no tan nueva filosofía de circularidad sostenible o economía circular no se limita a tomar conciencia sobre el uso adecuado y aprovechamiento de los recursos, sino que se extiende a adaptaciones económicas, de infraestructura y de procesos como el reciclaje.

El reciclaje es el hecho de someter a los materiales usados, en este caso a los plásticos, a un reprocesamiento para que puedan volver a utilizarse y, aunque indiscutiblemente es una excelente herramienta para preservar los recursos naturales y para reducir la cantidad de desechos, es importante tener en cuenta dos aspectos, el primero es que el reciclaje no aplica en todos los casos porque no todos los plásticos son reciclables y el segundo, es que su reprocesamiento conlleva etapas o pasos durante los cuales los materiales pueden perder propiedades respecto a los plásticos vírgenes, limitando su uso en muchas aplicaciones industriales.

Durante los últimos veinte años la intervención de la nanoingeniería para la modificación de polímeros como el polietileno (PE), polipropileno (PP), el polietilentereftalato (PET), entre otros con nanopartículas de carbono como el grafeno o los nanotubos de carbono (CNT), ha arrojado resultados muy interesantes en torno al mejoramiento de las propiedades mecánicas, reológicas, eléctricas y/o térmicas de los materiales. La ventaja del grafeno sobre los CTN, además de otras propiedades intrínsecas, es que es un nanomaterial en forma de lámina cuya gran superficie de área y mayor facilidad de dispersión le permite crear fases más homogéneas para mejorar la transferencia de carga y, por lo tanto, incrementar la resistencia mecánica de los plásticos modificados.

Empresas como Gerdau Graphene (Brasil), Graphenetech S.L. (España), Colloids (Reino Unido) y Energeia- Graphenemex (México) en los últimos 5 años han logrado posicionar en el mercado distintos tipos de masterbatches o plásticos concentrados con grafeno para distintas aplicaciones; si bien cada compañía tiene sus propios objetivos y mercados, entre ellas existen puntos ambientales y económicos de convergencia que los motivaron a mejorar la industria del plástico, debido a que el grafeno incluso a bajas concentraciones (< 2 % peso) puede mejorar la calidad de los polímeros tanto vírgenes como reciclados. Por ejemplo, el grafeno puede incrementar en 30% el módulo de flexión y en 40% la resistencia al impacto, pero también puede aumentar la resistencia a la tensión hasta en un 17% y en 60% la resistencia a la ruptura e incluso aumentar la resistencia a la fotodegradación. Con esto y dependiendo de las necesidades muy particulares de cada desarrollo o aplicación es posible reestablecer algunas de las propiedades mecánicas de los plásticos reciclados y/o extender el tiempo de vida de los materiales con la finalidad de reducir la cantidad circulante de plásticos de un solo uso o en su defecto, lograr las mismas propiedades mecánicas de los polímeros, pero con menor espesor.

Energeia – Graphenemex®, la empresa mexicana líder en América Latina en investigación y producción de materiales grafénicos para aplicaciones industriales, a través de su línea de Graphenergy Masterbatch en 2023 lanzó al mercado una amplia gama de masterbatches con grafeno para ser utilizados como aditivos de refuerzo multifuncional. Entre sus principales ventajas están:

  • Excelente dispersión dentro de la matriz polimérica,
  • Pueden ser incorporados a polímeros reciclados,
  • Incrementan la resistencia a la tensión, deformación e impacto,
  • Mejoran la resistencia a rayos ultravioleta,
  • Facilitan las condiciones de procesamiento (estabilidad térmica),
  • Actúan como agentes nucleantes (modificación de la temperatura de cristalización del polímero).

Redacción: EF/DHS

Referencias:

  1. Ramazan Asmatulu et al., Synthesis and Analysis of Injection-Molded Nanocomposites of Recycled High-Density Polyethylene Incorporated With Graphene Nanoflakes, POLYMER COMPOSITES—2015;
  2. Feras Korkees et al., Functionalised graphene effect on the mechanical and thermal properties of recycled PA6/PA6,6 blends. 2021 Journal of Composite Materials 55(16);
  3. Devinda Wijerathne et. al., Mechanical and graphe properties of graphene nanoplatelets-reinforced recycled polycarbonate composites. International Journal of Lightweight Materials and Manufacture 6 (2023) 117e128;
  4. Abdou Khadri Diallo et al., A multifunctional additive for sustainability, Sustainable Materials and Technologies, 33, 2022, e000487.

Innovación con Grafeno

Publicado el | por Energeia Graphenemex

Innovación con Grafeno

Hacia una Industria del Cemento Más Sostenible y Eficiente

Parte 2

Para la industria del cemento la reducción en las emisiones de CO2 no es un tema nuevo, de hecho, a lo largo de los últimos 30 años los productores han logrado reducir aproximadamente el 40% del combustible necesario para el proceso de Clinkerización, disminuyendo con esto la misma proporción de CO2, esto se debe a que por cada kilogramo de cemento se producen alrededor de 900 g de CO2.

Por otro lado, hace poco más de 10 años la colaboración entre la Agencia Internacional de Energía, la Asociación Global del Cemento y el Concreto (GCCA) y la Federación Interamericana del Cemento (FICEM) fijaron la primera Hoja de Ruta para la reducción de emisiones, sentando con ello las bases para que, en 2021 la Cámara Nacional del Cemento (CANACEM), la FICEM y las cementeras CEMEX, Cruz Azul, Cementos Chihuahua, Cementos Fortaleza, Holcim México y Cementos Moctezuma hicieran lo propio para evaluar sus emisiones y determinar las estrategias durante la producción del cemento “Hacia una economía baja en carbono”.

De acuerdo con la Hoja de ruta de la industria del Cemento en México publicada por la CANACEM, los principales indicadores para la reducción de CO2 son: 1. el factor Clinker/Cemento, 2. el co- procesamiento, 3. la eficiencia energética y, 4. la exploración de nuevas tecnologías que permitan la captación de CO2, la reducción de Clinker y/o el reforzamiento del cemento.

En el artículo anterior que trata sobre las problemáticas medioambientales de la industria de la construcción y de la consecuente meta por cumplir del cero neto de emisiones de CO2 para el año 2050, se abordaron las más reconocidas áreas de oportunidad que la nanotecnología grafénica tiene para una construcción sostenible, como:

1. Reducción del cemento,

2. Aprovechamiento de residuos,

3. Reducción de costos y,

5. Eficiencia energética.

Asimismo, el pasado 4 de septiembre, el portal https://www.graphene-info.com/ publicó la nueva edición del Graphene-enhanced Construction Materials Market Report en el cual se habla con mayor profundidad sobre las ventajas del uso del grafeno en materiales de construcción, las empresas relacionadas con esta industria en todo el mundo, así como los proyectos actuales e investigaciones relacionadas.

El óxido de grafeno (GO) es un nanomaterial de la familia del carbono en forma de láminas con un tamaño menor a 100 nm o 0.1 micrones en extensión y con tan solo un átomo de espesor; a lo largo de su superficie contiene grupos funcionales del tipo hidroxilo (OH), epoxi (-O-), carboxilo (COOH) y carbonilo (C=O) que le permiten interactuar con los cristales de C-S-H del cemento mejorando el proceso de hidratación. Entre las características del GO que lo volvieron atractivo para su estudio como modificador químico del cemento, son su gran resistencia a la tracción (130 GPa), extensa superficie de área (2630 m2/g), alta conductividad térmica (5300 W/mK) y propiedades de barrera. De tal forma que dicha interacción ayuda a mejorar las características de las estructuras base cemento como el concreto, permitiendo lo siguiente:

1. Consumir menos cemento en las estructuras de concreto logrando propiedades mecánicas similares, a partir del incremento en la resistencia a la compresión desde un 5 hasta un 30%, mayor resistencia a la tensión entre un 8 y un 20%, aumento en el módulo elástico entre 4 y 12% e incremento en resistencia a la abrasión entre el 10 y 12%.

2. Fabricar estructuras de concreto de mejor calidad y mayor durabilidad, gracias a una menor porosidad e incrementando su impermeabilidad entre un 12 y 60%, mejorando su desempeño ante entornos agresivos.

3. Mejorar la difusividad térmica del concreto y, en consecuencia, tener un mayor control del agrietamiento térmico del concreto, mayor resistencia al fuego y capacidad de deshielo sobre pavimento.  

4. Favorece la trabajabilidad, mejora la apariencia de las estructuras, acelera el tiempo de fraguado y mejora el desmolde debido a que el GO actúa como catalizador en la reacción de hidratación del cemento.

5. Protege contra la corrosión microbiológicamente inducida, ya que la presencia del GO limita las condiciones necesarias para el anclaje y reproducción microbiana.

Energeia- Graphenemex® desde 2018 se ha dedicado a explorar los beneficios de la nanotecnología grafénica en distintos sectores industriales y, como expertos en la materia siempre recomienda que, para lograr a satisfacción los resultados mencionados y dadas las múltiples variables del sector de la construcción, sobre todo aquellas relacionadas con los nuevos ajustes en la composición del cemento, es importante realizar las pruebas de validación necesarias siempre asesorados por el personal capacitado para llegar al punto óptimo de dosificación.

Redacción: EF/DHS

Referencias

  1. M. Murali et al., Utilizing graphene oxide in cementitious composites: A systematic review. Case Studies in Construction Materials 17 (2022) e01359.
  2. Z. Pan, et al., Mechanical properties and microstructure of a graphene oxide–cement composite, Cem. Concr. Compos. vol. 58 (2015) 140–147, https://doi. org/10.1016/j.cemconcomp.2015.02.001
  3. E. Cuenca, L. D’Ambrosio, D. Lizunov, A. Tretjakov, O. Volobujeva, L. Ferrara, Mechanical properties and self-healing capacity of ultra high performance fibre reinforced concrete with alumina nano-fibres: tailoring ultra high durability concrete for aggressive exposure scenarios, Cem. Concr. Compos. vol. 118 (2021).
  4. N. Makul, Modern sustainable cement and concrete composites: review of current status, challenges and guidelines, Sustain. Mater. Technol. vol. 25 (2020); 5. L. Lu, P. Zhao, Z. Lu, A short discussion on how to effectively use graphene oxide to reinforce cementitious composites, Constr. Build. Mater. vol. 189 (2018) 33–41.
  5. Q. Wang, J. Wang, C.-x Lu, B.-w Liu, K. Zhang, C.-z Li, Influence of graphene oxide additions on the microstructure and mechanical strength of cement, N. Carbon Mater. vol. 30 (4) (2015) 349–356.
  6. https://canacem.org.mx/site/wp-content/uploads/2023/03/Hoja-de-Ruta-Mexico-FICEM.pdf.
  7. https://cdn.ymaws.com/www.thegraphenecouncil.org/resource/resmgr/case_studies/first_graphene__-_greening_c.pdf
  8. https://www.graphene-info.com

Innovación con Grafeno

Publicado el | por Energeia Graphenemex

Innovación con Grafeno:

Hacia una Industria del Cemento Más Sostenible y Eficiente

Parte 1

El dióxido de carbono (CO2) es un gas incoloro, inodoro y no tóxico presente de manera natural en la atmósfera. En condiciones normales debería mantenerse en equilibrio para retener el calor que el ser humano necesita para sobrevivir y sin que se convierta en un gas de efecto invernadero. Sin embargo, la sobrepoblación, industrialización y explotación del medio ambiente se han encargado de romper dicho equilibrio logrando que los niveles de CO2 sean cada vez más difíciles de controlar y, por lo tanto, que aumenten, se concentren, absorban la radiación y eviten que el calor escape, repercutiendo en el calentamiento global.  

De acuerdo con las estadísticas, la producción de cemento y la industria de los combustibles fósiles (carbón, petróleo y gas natural), son los responsables de liberar alrededor del 90% del CO2 y probablemente el 70% de los gases de efecto invernadero. Aunque obviamente otras industrias también contribuyen como la agricultura, la moda y el transporte.  

“La sustentabilidad de nuestra civilización depende de si podemos suministrar fuentes de energía, alimentos y productos químicos a la creciente población sin comprometer la salud de nuestro planeta a largo plazo”. Doria- Serrano, 2009.

En lo que respecta al cemento, el principal compuesto del concreto, los reportes mencionan que por sí solo aporta entre el 7 y 8% de las emisiones globales de CO2. Como referencia tenemos que, para producir una tonelada del Clinker, que a su vez es el principal componente del cemento, se liberan alrededor de ~0,86 toneladas de CO2, de las cuales, alrededor del 60% provienen de la transformación de la piedra caliza en óxido de calcio o cal a una temperatura promedio de 1450 °C, proceso también conocido como quemado del cemento o clinkerización. Mientras que el otro 40% se atribuye a la quema del combustible fósil (carbón) necesario para la calcinación de la piedra caliza y formación del Clinker.   

“En 2021 las emisiones de carbono generadas por la producción de cemento alcanzaron casi 2, 900 millones de toneladas de dióxido de carbono. Mientras que en 2002 se registraron 1,400 millones de toneladas.” The Global Carbon Project.

Por lo tanto, y en vías de alcanzar el objetivo del cero neto de emisiones para el 2050 que exige el acuerdo de París, la industria del cemento se ha visto obligada a tomar medidas que reduzcan su impacto a partir del uso de combustibles alternativos (biomasa, llantas, residuos sólidos urbanos); de mejorar la eficiencia energética reduciendo la temperatura de clinkerización a través de fundentes y mineralizadores (como CaF2, BaO, SnO2, P2O5, Na2O, NiO, ZnO, etc.) o de la renovación de hornos; de modificar la química del cemento con materiales suplementarios para reducir el consumo de Clinker o para capturar CO22 y, recientemente con el uso de grafeno para mejorar la calidad del cemento y del concreto.  

“Se espera que para el 2050 el consumo mundial de concreto de 25 mil millones al año aumente entre un 12 y un 23 %”

De acuerdo con la Cámara Nacional del Cemento (CANACEM), la gran mayoría de los proyectos registrados en Latinoamérica trabajan en la sustitución de combustibles fósiles por combustibles alternativos; México es el único país que registra una mayor producción de cementos adicionados para reducir el contenido de Clinker.

El Grafeno es un nanomaterial que consiste en láminas atómicas de carbono separadas del grafito, con propiedades mecánicas, eléctricas, térmicas, de barrera, etc. superiores a otros materiales base carbono, que le han permitido incursionar en un sinfín de aplicaciones e industrias, incluidas la de la construcción. De acuerdo con estimaciones del Graphene flagship, se espera que el uso de grafeno en la construcción reduzca las emisiones de CO2 en un 30%.

“La producción de 1 kg de grafeno produce 0,17 kg de CO2, en comparación con los 0,86 kg de CO2 del cemento Portland, reforzando las ventajas medioambientales del nanomaterial”.

Desde el aislamiento del Grafeno en 2004 y el posterior reconocimiento con el Premio Nobel de Física 2010 a sus descubridores, comenzó una carrera internacional para estudiar, comprender y obtener el nanomaterial en cantidades suficientes que pudiesen ser utilizadas en aplicaciones a gran escala a un costo asequible. En el ramo de la construcción no fue hasta el año 2018 en que las investigaciones e inversiones manifestaron sus primeros frutos en distintas partes del mundo, por ejemplo:

2018- Graphenemex® lanzó al mercado Nanocreto® el primer aditivo para concreto con óxido de grafeno en el mundo (México).

2019- Graphenenano desarrolló Smart aditives, aditivos con grafeno para concreto (España).

2019- GrapheneCA presentó su línea de productos OG concrete admix para la industria del concreto (E.U.A).

2021- Científicos de la Universidad de Manchester desarrollaron el aditivo para concreto Concretene (Reino Unido).

2022- Energeia Fusion- Graphenemex® lanzó al mercado la línea Graphenergy construcción, una versión mejorada de Nanocreto® (México).

2022- Versarien presentó ante el mercado CementeneTM la primera construcción por impresión 3D en el mundo con una mezcla reforzada con grafeno (Reino Unido).

Basquiroto de Souza y colaboradores en su artículo “Graphene opens pathways to a carbon-neutral cement industry” publicado en 2022 en la revista Science Bulletin resumieron las áreas de oportunidad que el grafeno tiene en pro de la sustentabilidad de los materiales de construcción:

1. Reducción del cemento portland gracias a las importantes mejoras en resistencia a la compresión y módulo elástico del concreto.

2. Aumentar el aprovechamiento de subproductos o materiales reciclados en el concreto para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero hasta en un 7%, así como la reducción de un 2% en cuanto a consumo energético durante la fabricación de mortero reforzado con óxido de grafeno.

3. Reducción de costos de construcción debido a mejora en la resistencia o a la mayor incorporación de subproductos o materiales de desecho. De acuerdo con un análisis de costos se concluyó si bien el uso de óxido de grafeno puede incrementar ligeramente el costo del concreto, el índice de economía (resistencia a la compresión/costo por m3) de las mezclas puede aumentar hasta un 40 %.

4. Reducción en costos de mantenimiento. Al mejorar la calidad de las estructuras de concreto se infieren disminuciones de las emisiones de CO2 a través de una reducción en la cantidad de materiales de construcción y energía asociados con el mantenimiento.

5. Construcciones energéticamente eficientes: las propiedades térmicas del grafeno pueden aplicarse también a las construcciones para lograr ahorros energéticos disminuyendo el uso de sistemas de refrigeración/ calefacción.

Para Energeia- Graphenemex® la empresa líder en América Latina en el diseño de aplicaciones con materiales grafénicos es un orgullo formar parte de la línea del tiempo del grafeno para una construcción sostenible. 

Redacción: EF/DHS

Referencias

  1. Ige, O.E.; Olanrewaju, O.A.; Duffy, K.J.; Collins, O.C. Environmental Impact Analysis of Portland Cement (CEM1) Using the Midpoint Method. Energies 2022, 15, 2708.
  2. International Energy Agency, World Business Council for Sustainable Development. Technology roadmap – low-carbon transition in the cement industry. April 2018
  3. Felipe Basquiroto de Souza, Xupei Yao, Wenchao Gao, Wenhui Duan, Graphene opens pathways to a carbon-neutral cement industry, Science Bulletin, 2022, 67, 1, 2022, 5
  4. Papanikolaou I, Arena N, Al-Tabbaa A. Graphene nanoplatelet reinforced concrete for self-sensing structures– a lifecycle assessment perspective. Journal of Cleaner Production, 2019, 240: 118202
  5. Devi S, Khan R. Effect of graphene oxide on mechanical and durability performance of concrete. Journal of Building Engineering, 2020, 27: 101007
  6. Doria- Serrano. Química verde: un nuevo enfoque para el cuidado del medio ambiente. Educación química. 2009. UNAM.
  7. https://theplanetapp.com/que-son-las-emisiones-de-co2/
  8. https://graphene-flagship.eu/materials/news/materials-of-the-future-graphene-and-concrete/#:~:text=Graphene%2Denhanced%20concrete%20is%202.5,CO2%20emissions%20by%2030%25.
  9. https://www.versarien.com/files/5716/3050/8952/White_Paper_-_Graphene_for_the_construction_sector_-_final_version.pdf

Innovaciones en Tecnologías del Agua

Publicado el | por Energeia Graphenemex

Innovaciones en Tecnologías del Agua:

El Impacto del Grafeno

Hasta junio de 2024 el Instituto Nacional de Estadística y Geografía (INEGI) registró que, alrededor del 50% del territorio mexicano se encontraba en sequía severa, 30% en sequía extrema y 11% en sequía excepcional, habiendo tenido en consecuencia repercusiones importantes no solo en el abastecimiento de agua potable, siendo que en México solo el 52.3% de la población cuenta con dicho servicio, sino también afectaciones para el desarrollo de numerosas actividades económicas, como el sector agrícola y ganadero.

Pero la crisis hídrica no es un problema nacional, de acuerdo con la OMS/UNICEF más de 2000 millones de personas en todo el mundo carecen de agua potable por ello, dichos organismos definieron objetivos para el desarrollo sostenible hacia el 2030, en vías de garantizar la disponibilidad del agua y para cuyo cumplimiento es crítico mejorar la educación en materia de higiene; la protección y restablecimiento de los ecosistemas; el uso eficiente los recursos hídricos; la inversión en infraestructuras e instalaciones de saneamiento, así como fomentar el uso de nuevas tecnologías del agua, por ejemplo, para sistemas de riego, recolección de agua de lluvia y métodos para su tratamiento y reutilización.

Dentro de las nuevas tecnologías se encuentra la tecnología nano, misma que ha sido revolucionada desde hace 20 años por el aislamiento del Grafeno, un nanomaterial multifuncional base carbono perteneciente a la familia del diamante y del grafito, sobre el cual se han desarrollado numerosas investigaciones para evaluar sus efectos en las propiedades de los materiales utilizados en las tecnologías del agua, p.ej. membranas de filtración, medios floculantes, entre otros. El interés despertado para el estudio del grafeno en dichas aplicaciones resulta de sus extraordinarias características fisicoquímicas mismas que pueden ser controladas y compartidas con otros materiales tridimensionales.  Desde el inicio de su estudio como nanorelleno de matrices principalmente poliméricas se identificaron interesantes mejoras mecánicas, antiadherentes, antifricción, antimicrobianas y filtrantes que le permitieron incrementar su tiempo de vida, reducir las incrustaciones principalmente de materia orgánica sobre su superficie y con ello mantener constante el flujo del agua y, por lo tanto, la eficiencia de filtración.

Por ejemplo, investigadores del Instituto de Tecnología de Madrás y la Universidad de Tel Aviv en Israel desarrollaron con éxito un aerogel de sílice con óxido de grafeno para la descontaminación de aguas residuales, mientras que científicos de la Universidad Palacký de Olomouc, República Checa, pertenecientes al proyecto 2D-CHEM financiado por el Consejo Europeo de Investigación del Graphene flagship, diseñaron un grafeno ácido sintetizado a partir del fluorografeno con la facultad de remover metales pesados como el plomo y cadmio, así como metales nobles como el paladio, galio o indio.

Cabe destacar que los atractivos resultados de las investigaciones sobre el grafeno en las tecnologías del agua finalmente salieron de los laboratorios para llegar al mercado. Las empresas que hasta el momento han logrado explotar sus beneficios son la empresa australiana CLEAN TEQ WATER experta en el tratamiento de agua, con presencia en Melbourne, Beijing, Tianjin, y África que, a través de su filial NematiQ desarrolló exitosamente membranas de nanofiltración con grafeno más duraderas y capaces de reducir el consumo de energía; recientemente la compañía obtuvo la certificación WaterMark como producto seguro para la filtración de agua. Por su parte, la empresa británica EVOVE antes conocida como G2O Water Technologies ya utiliza entre otras tecnologías, recubrimientos hidrófilos de óxido de grafeno para mejorar el rendimiento de las membranas cerámicas o poliméricas convencionales.

Finalmente, el trabajo conjunto entre científicos del Graphene flaship y los lideres europeos en la industria de la purificación de agua como Icon Lifesaver, Medica SpA y Polymem S.A, a través del proyecto GRAPHIL buscan posicionar un nuevo sistema de filtración a partir de membranas poliméricas de fibra hueca mezcladas con grafeno para la gestión segura de agua potable, principalmente para uso doméstico.

Es así como los avances del grafeno gradualmente han ido ganando terreno fuera de las fronteras académicas para contribuir a solucionar una de las problemáticas más importantes en el mundo. Energeia- Graphenemex® la empresa mexicana pionera en América Latina en la producción y desarrollo de aplicaciones con materiales grafénicos en colaboración con otras compañías y centros de investigación se suma a la búsqueda de estrategias para mejorar la disponibilidad y calidad del agua, esperando en el corto plazo tener nuevas aplicaciones con grafeno en el mercado.

Redacción: EF/DHS

Innovación en Recubrimientos Antiadherentes

Publicado el | por Energeia Graphenemex

Innovación en Recubrimientos Antiadherentes:

Integración de Materiales Grafénicos para Mejores Propiedades y Desempeño

Actualmente, cuando se habla de un recubrimiento antiadherente, se refiere a un recubrimiento que impide, en cierto grado la adhesión de sustancias ya sean en estado sólido o líquido sobre la superficie en el que está aplicado. La capacidad antiadherente de estos recubrimientos, esta basado en que presentan tasas muy bajas de tensión superficial, también llamada energía superficial y es representada por “γ”.

Para que los recubrimientos sean considerados como antiadherentes deben tener una energía superficial, γ menor de 26 mJ/m2 y ángulos de contacto con el agua superior a 90°. Una superficie en la cual la gota forma un ángulo de contacto mayor que 90°, es una superficie hidrofóbica. Esta condición implica que la mojabilidad, adhesividad y la energía superficial son bajas (Ver Fig 1.). En cambio, si la superficie es hidrofílica, se observará un ángulo de contacto menor a 90° y la mojabilidad, adhesividad como la energía superficial serán altas.

Fig.1 Esquema representando los ángulos de contacto de una superficie hidrofóbica e hidrofílica.

A nivel industrial existe múltiples recubrimientos antiadherentes a base de fluoropolímeros. Los usos y aplicaciones que abarca el uso de fluoropolímeros en los recubrimientos cubre una extensa gama de productos. El efecto de antiadherencia y fácil desmoldeo, permite su empleo en diversas industrias, como la textil, química, automotriz y la industria alimenticia, para la elaboración de utensilios, moldes, herramientas y equipos que requieran ser aislados de productos químicos o alimentos.

La mayoría de los recubrimientos antiadherentes poseen alta resistencia térmica, sin embargo, no poseen gran resistencia a la abrasión. Sin embargo, el tema de uso de fluoropolimeros en utensilios para la cocina, pone en duda que este tipo de material no sea de riesgo para la salud humana, dado que puede haber desprendimiento de sustancias dañinas durante su uso.

En años recientes, Energeia – Graphenemex®, una empresa mexicana líder en la producción de materiales grafeno, ha implementado el uso de estos nanomateriales a base de carbono. Los materiales grafénicos, como el óxido de grafeno y el grafeno, permiten mejorar las propiedades en los recubrimientos, como, por ejemplo, recubrimientos anticorrosivos, antibacterianos, con mayor resistencia a la abrasión y alta resistencia a la radiación UV.

Durante estas evaluaciones de propiedades, se observó, que los materiales grafénicos, también puede ser utilizados como nuevos aditivos para el desarrollo de recubrimientos antiadherentes. La incorporación de los materiales grafénicos a recubrimientos tipo epoxi, permitió mejora a la adherencia a los sustratos, sin embargo, también se observó que el acabado de estos recubrimientos era mas liso y brilloso. Al exponer la aplicación de estos recubrimientos, en un medio corrosivo, se observó que el recubrimiento mostró un comportamiento hidrofóbico, que mantenía mas limpia su superficie, en comparación al recubrimiento control (sin material grafenico) que poco a poco perdía su brillo y se podía observar la mojabilidad y la depositación de contaminantes sobre la superficie del recubrimiento (Ver Figura 2).

Fig.2 Efecto antiadherentes de recubrimientos con material grafénico.

Por otro lado, se evaluó el efecto antiadherente de un recubrimiento ecológico con y sin material grafenico. Este recubrimiento está elaborado a base de cal, mucilago de nopal y pigmentos minerales. Es bien conocido, que los materiales a base de cal y carbonatos, tiene absorber muy fácil la humedad, por lo que se estudió el efecto del material grafenico en la pintura base cal. Entre los resultados encontrados, es que la pintura mostro tener efecto antimicrobiano, mayor resistencia a la radiación UV y mayor impermeabilidad (efecto antiadherente).

En la Figura 3, se puede apreciar la respuesta de un recubrimiento base cal con y sin material grafenico, cuando es mojado por agua. Se puede apreciar que los recubrimientos con materiales grafénicos; Grafeno y óxido de grafeno (GO) a diferentes concentraciones, hay muy poca deformación en la gota pues su energía interna es superior a la energía superficial, mostrando un comportamiento hidrofóbico (repelencia al agua). En caso de el recubrimiento control (sin material grafenico), se puede observar que tiene muy poca capacidad antiadherente, es más fácil que absorba agua por la presencia de una elevada energía superficial. Ahora la gota se expande sobre la superficie inmediatamente que la gota de agua cae sobre la superficie, mostrando un comportamiento altamente hidrofílico. Estos resultados mostraron, que los materiales grafénicos, modificaron la naturaleza del recubrimiento, es decir, a nivel superficial modificaron la energía superficial de los recubrimientos.

Figura 3. Comportamiento de mojabilidad de un recubrimiento base cal, con y sin materiales grafénicos.

Actualmente Energeia – Graphenemex®, empresa mexicana lider en América Latina en investigación y producción de materiales grafénicos para el desarrollo de aplicaciones a nivel industrial, tiene a la venta diferentes tipos de materiales grafénicos, para su uso en el desarrollo y producción de recubrimientos anticorrosivos, antibacterianos y con mejores propiedades antiadherentes,

Referencias

  1. Tong, Yao &Song, Mo. (2013). Graphene based materials and their composites as coatings.
  2. Zhen, Z. & Zhu, H. Graphene: Fabrication, Characterizations, Properties and Applications. Graphene (Academic Press, 2018).
  3. Sachin Sharma Ashok Kumar, Shahid Bashir, K. Ramesh, S. Ramesh, Progress in Organic Coatings, 154, (2021)

El Futuro de las Baterías

Publicado el | por Energeia Graphenemex

El Futuro de las Baterías:

Grafeno como Solución Sostenible a la Crisis de Litio

En la última década, el aumento global en la demanda de baterías de iones de litio ha sido impulsado por la creciente popularidad de dispositivos electrónicos, desde dispositivos portátiles como tabletas, consolas y teléfonos celulares, hasta vehículos eléctricos. Según el Fondo Monetario Internacional, se prevé que para 2050 la demanda de baterías supere la oferta en un 40%, lo que plantea una potencial crisis para las industrias que dependen de ellas si no se implementan alternativas viables.

Las problemáticas de las baterías de iones de litio no se limitan solo al equilibrio oferta-demanda. El litio es un recurso finito cuya extracción y desecho tienen impactos negativos en el medio ambiente y la salud humana. Además, las baterías presentan riesgos de seguridad significativos, como inestabilidad, sobrecarga, sobrecalentamiento e incendios.

El grafeno, un nanomaterial bidimensional de carbono con estructura de lámina extremadamente delgada, transparente y resistente, ha captado la atención de los expertos en baterías. Su arquitectura única permite una alta conductividad eléctrica y estabilidad química, características esenciales para mejorar el rendimiento de baterías de iones de litio (LIB), litio-azufre (LSB) y litio-oxígeno (LOB).

Beneficios del grafeno en las baterías:

  1. Mayor capacidad de almacenamiento energético: El grafeno tiene una estructura con una extensa área superficial, lo que facilita una mayor cantidad de sitios de intercalación para los iones de litio. Esto se traduce en una mejora significativa en la capacidad de almacenamiento energético de las baterías.
  2. Mejora en la conductividad eléctrica: Los enlaces π-π del grafeno permiten un transporte eficiente de electrones entre los materiales activos de los electrodos y los colectores de corriente. Esto reduce la resistencia interna de las baterías y mejora su potencia de salida, lo que es crucial para aplicaciones que requieren altas tasas de carga y descarga.
  3. Estabilidad mejorada y mayor durabilidad: El grafeno promueve la estabilidad de los materiales de los electrodos al prevenir la degradación prematura durante los ciclos de carga y descarga. Esto no solo prolonga la vida útil de las baterías, sino que también asegura una mayor estabilidad cíclica, manteniendo un rendimiento constante a lo largo del tiempo.

Perspectivas futuras y alternativas:

A pesar del crecimiento continuo del mercado de baterías de iones de litio, sus riesgos ambientales y limitaciones técnicas están impulsando la investigación hacia alternativas más sostenibles y eficientes. Algunas de estas alternativas incluyen sistemas de baterías basados en sodio/azufre, quitina/zinc, silicio/carbono, y combinaciones de grafeno con otros materiales avanzados.

En Energeia-Graphenemex, nos enorgullece estar a la vanguardia de estas innovaciones, explorando cómo el grafeno y otros materiales nanotecnológicos pueden seguir transformando la industria de las baterías y contribuyendo a un futuro energético más limpio y sostenible.

Redacción: EF/ DHS

Referencias

  1. A. Ali, P.K. Shen, Nonprecious metal’s graphene-supported electrocatalysts for hydrogen evolution reaction: fundamentals to applications, Carbon Energy 2 (2020) 99.
  2. A. Ali, P.K. Shen, Recent progress in graphene-based nanostructured electrocatalysts for overall water splitting, Electrochem. Energy Rev. 3 (2020) 370;
  3. A. Ali, P.K. Shen, Recent advances in graphene-based platinum and Palladium electrocatalysts for the methanol oxidation reaction, J. Mater. Chem. 7 (2019) 22189–22217; 4. Moreno-Brieva, Fernando, & Merino-Moreno, Carlos. (2020). Scientific and Technological Links from Samsung On Lithium Batteries and Graphene. Journal of technology management & innovation, 15(4), 81
  4. Yu Yang, Renjie Wang, Zhaojie Shen, Quanqing Yu, Rui Xiong, Weixiang Shen, Towards a safer lithium-ion batteries: A critical review on cause, characteristics, warning and disposal  strategy for thermal runaway, Advances in Applied Energy, 11, 2023, 100146
  5. https://www.hibridosyelectricos.com/coches/grafeno-baterias-coches-electricos_69751_102.html
  6. https://rpp.pe/columnistas/fernandoortegasanmartin/grafeno-vs-litio-el-futuro-de-las-baterias-automotrices-noticia-1391824
  7. https://www.energymonitor.ai/tech/energy-storage/graphene-is-set-to-disrupt-the-ev-battery-market/
  8. https://www.eleconomista.com.mx/opinion/Datos-sobre-el-mercado-de-smartphones-en-Mexico-20240131-0117.html

Óxido de Grafeno y su versatilidad en el desarrollo de aplicaciones

Publicado el | por Energeia Graphenemex

Óxido de Grafeno y su versatilidad en el desarrollo de aplicaciones:

De Tecnologías de Detección a Soluciones Ambientales

El grafeno y sus derivados como el óxido de grafeno (GO) y óxido de grafeno reducido (rGO) son nanomateriales de carbono bidimensionales y en forma de lámina con una amplia gama de oportunidades para numerosas aplicaciones debido a su delgadez, transparencia, conductividad, flexibilidad, estabilidad química, impermeabilidad y resistencia mecánica. En el caso del GO y rGO, además de su gran superficie de área con zonas hidrófilas e hidrófobas propias del grafeno, permiten la adsorción de moléculas aromáticas orgánicas, iones y polímeros mediante apilamiento π-π, puentes de hidrógeno e interacciones electrostáticas; propiedades que los convirtieron en materiales adecuados para la construcción de sensores o de plataformas biocatalíticas y fotocatalíticas. De acuerdo con diversos reportes, la relación superficie-volumen de los materiales de grafeno mejora la carga superficial de las moléculas deseadas, mientras que su excelente conductividad eléctrica, sobre todo a temperatura ambiente, favorece el paso de los electrones hacia la superficie de los electrodos para análisis o fotocatálisis.

Por otro lado, las láminas de grafeno no son propiamente planas, es decir, presentan ondulaciones que se forman como resultado de la unión entre sus átomos de carbono o de fluctuaciones térmicas que, finalmente, pueden inducir campos magnéticos y cambiar sus propiedades electrónicas para el diseño de sensores, biosensores o dispositivos electrónicos en general. Es así como en el transcurso de más de diez años de investigación y de la exploración de su maravillosa multifuncionalidad, el estudio del grafeno ha trascendido para el desarrollo de dispositivos altamente sensibles para monitorear, por ejemplo, la presencia de gases nocivos, moléculas o proteínas de relevancia médica e incluso para la descontaminación del agua.

Sistemas de detección

Los metamateriales son un tipo de compuestos con la capacidad de producir respuestas electromagnéticas útiles para el diseño de sensores o dispositivos de detección no destructiva. Por lo general, este tipo de sensores están conformados por un material aislante y un material conductor, sensibles al índice de refracción de la capa superior del analito. En presencia del grafeno se ha observado que dicha interacción (sensor- analito) se ve mejorada por cambios en la intensidad de la resonancia y, por lo tanto, se pueden lograr cambios de amplitud que favorecen aún más la sensibilidad de detección.

En un estudio realizado en 2023 por la Escuela de Ingeniería Electrónica y de la Información de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Zhejiang, Hangzhou, China, se diseñó un sensor compuesto por una película de poliimida (PI) como capa aislante, una estructura de aluminio como capa conductora y una monocapa de grafeno como interfaz de detección. Los resultados de la simulación indicaron que el grafeno puede modular todo el campo eléctrico y producir un cambio de amplitud que incrementa los límites detección de manera importante.

En otro estudio realizado en el Laboratorio de materiales nanoestructurados del Instituto de Física de la UASLP., se utilizó óxido de grafeno funcionalizado con nanopartículas de oro como plataforma de biodetección por SERS (Surface Enhanced Raman spectroscopy), una importante técnica para la detección biológica gracias a su alta sensibilidad, bajos requerimientos de muestra, relativamente bajo costo y detección en tiempo real. Para la investigación se utilizó cristal violeta como molécula estándar y flavin adenin dinucleótido como coenzima experimental por su participación en numerosos procesos redox de reacciones metabólicas y transporte biológico de electrones. Los resultados arrojaron que los híbridos de óxido de grafeno con nanopartículas de oro mejoran sustancialmente las señales SERS en comparación con las nanopartículas individuales. Además, los resultados son consistentes con otras investigaciones sobre la identificación de una importante mejora para la estabilización de moléculas y reducción de la fluorescencia durante las mediciones, la cual suele ser una gran desventaja de este tipo de técnicas, respaldando su potencial como herramienta diagnóstica o de seguimiento.

Eliminación de gases tóxicos

Los avances en la nanoingeniería permiten que las láminas de grafeno y GO puedan manipularse para la detección y separación de ciertos gases. De acuerdo con los resultados de un estudio realizado por el Departamento de Ingeniería Energética de la Universidad de Hanyang, Seúl, Corea, la difusión selectiva se puede lograr controlando los canales y poros del flujo de gas mediante diferentes métodos de apilamiento, logrando demostrar que los grupos funcionales del GO proveen un comportamiento de adsorción único hacia el CO2. .

Conversión de CO2

Las propiedades fotocatalíticas del GO también pueden ser aprovechadas para la conversión de CO2 en hidrocarburos como el metanol para la captación de la energía solar y la reducción de CO2. En 2018, dentro del laboratorio de Tecnología Avanzada para Síntesis y Procesamiento de Materiales, de la Universidad Tecnológica de Wuhan, China, se utilizaron nanopartículas de cromato de plata (Ag2CrO4) como fotosensibilizador y GO como co- catalizador para la reducción fotocatalítica de CO2 en metanol y metano. El estudio concluyó que esta sinergia entre nanopartículas puede mejorar hasta 2,3 veces la actividad de conversión bajo irradiación solar gracias a una mejor absorción de luz, mayor adsorción de CO2 y mejor eficiencia en la separación de carga.

Descontaminación de agua

Las tecnologías del agua tienen diversas áreas de oportunidad, particularmente en el mejoramiento de los sistemas de filtración o de membranas. A este respecto se ha encontrado que el uso de nanoestructuras híbridas de grafeno, por ejemplo, con rutenio o magnetita puede permitir la eliminación de microorganismos y materia orgánica presentes en el agua. No obstante, se continúa el avance de las investigaciones para el perfeccionamiento de las metodologías basadas en grafeno para la eliminación y reducción de iones metálicos como el zinc, cobre, plomo, cadmio, cobalto, entre otros. 

En Energeia- Graphenemex® reconocemos y admiramos los avances que los centros de investigación han logrado en distintas áreas del conocimiento, partiendo de la ciencia básica hasta resultados en ciencia aplicada. Tenemos la firme convicción de que en el corto o mediano plazo este tipo de tecnologías las veremos materializadas en productos reales, útiles para la sociedad y el medio ambiente.

Redacción: EF/ DHS   

Referencias

  1. A. Fasolino, J.H. Los, M.I. Katsnelson, Intrinsic ripples in graphene, Nat. Mater. 6 (2007) 858;
  2. W. Bao, F. Miao, Z. Chen, H. Zhang, W. Jang, C. Dames, C.N. Lau, Controlled ripple texturing of suspended graphene and ultrathin graphite membranes, Nat. Nanotechnol. 4 (2009) 562;
  3. G. Yildiz, M. Bolton-Warberg and F. Awaja. Graphene and graphene oxide for bio-sensing: General properties and the effects of graphene ripples. Acta Biomaterialia 131 (2021) 62;
  4. Lang, T.; Xiao, M.; Cen,W. Graphene-Based Metamaterial Sensor for Pesticide Trace Detection. Biosensors 2023, 13, 560;
  5. D. Hernández- Sánchez, E. G. Villabona Leal, I. Saucedo-Orozco, V. Bracamonte, E. Pérez, C. Bittencourt and M. Quintana, Phys. Chem. Chem. Phys., 2017;
  6. Kim, H.W.; Yoon, H.W.; Yoon, S.-M.; Yoo, B.M.; Ahn, B.K.; Cho, Y.H.; Shin, H.J.; Yang, H.; Paik, U.; Kwon, S. Selective gas transport through few-layered graphene and graphene oxide membranes. Science 2013, 342, 91;
  7. Kim, D.; Kim, D.W.; Lim, H.-K.; Jeon, J.; Kim, H.; Jung, H.-T.; Lee, H. Intercalation of gas molecules in graphene oxide interlayer: The role of water. J. Phys. Chem. C 2014, 118, 11142;
  8. Xu, D.; Cheng, B.; Wang, W.; Jiang, C.; Yu, J. Ag2CrO4/g-C3N4/graphene oxide ternary nanocomposite Z-scheme photocatalyst with enhanced CO2 reduction activity. Appl. Catal. B Environ. 2018, 231, 368;
  9. Jiˇríˇcková, A.; Jankovský, O.; Sofer, Z.; Sedmidubský, D. Synthesis and Applications of Graphene Oxide. Materials 2022, 15, 920;
  10. M. Quintana, E. Vazquez & M. Prato, “Organic Functionalization of Graphene in Dispersions”, Acc. Chem. Res., vol. 46, n.o 1, pp. 138-148, 2013. DOI: 10.1021/ar300138e; 11. Roberto Urcuyo1,2,3, Diego González-Flores1,3, Karla Cordero-Solano, Rev. Colomb. Quim., vol. 50, no. 1, pp. 51-85, 2021;
  11. B. Xue, M. Qin, J. Wu et al., “Electroresponsive Supramolecular Graphene Oxide Hydrogels for Active Bacteria Adsorption and Removal”, ACS Appl. Mater. Interfaces, 8, 24, 15120;
  12. C. Wang, C. Feng, Y. Gao, X. Ma, Q. Wu & Z. Wang, “Preparation of a graphene-based magnetic nanocomposite for the removal of an organic dye from aqueous solution”, Chem. Eng. J.,173, 1, 92.

El Grafeno como Motor de la Revolución Energética

Publicado el | por Energeia Graphenemex

El Grafeno como Motor de la Revolución Energética:

Avances en Eficiencia y Almacenamiento de Energía Renovable

En el ámbito actual, la preocupación por el medio ambiente y el cambio climático ha dejado de ser una moda para convertirse en una prioridad. Esto ha dado lugar a la creación de equipos multidisciplinarios a nivel global, enfocados en encontrar soluciones tecnológicas más sostenibles para los desafíos energéticos, como la generación y almacenamiento de energía, con el objetivo adicional de reducir al máximo las emisiones.

En este contexto, la gestión de la energía térmica mediante tecnologías pasivas, como la solar, ha adquirido una importancia significativa. Su aprovechamiento como una alternativa ecológica y energéticamente eficiente ha experimentado un crecimiento considerable, desde su aplicación en entornos domésticos hasta sistemas de generación eléctrica.

Sin embargo, la intermitencia natural de la energía solar debido a los ciclos diurnos y nocturnos plantea desafíos a largo plazo. Por esta razón, es necesario considerar tecnologías complementarias, como los materiales de cambio de fase (PCM por sus siglas en inglés). Estos materiales tienen la capacidad de absorber energía térmica del entorno para cambiar su estado, liberando esta energía almacenada para aplicaciones de calefacción o refrigeración en diversos sectores, incluyendo la construcción, dispositivos electrónicos y aplicaciones aeroespaciales, entre otros.

Dentro de los PCM más conocidos se encuentra la parafina, cuya capacidad de cambio de fase sólido-líquido le permite almacenar calor latente al absorber energía térmica hasta alcanzar su punto de fusión. Aunque las parafinas presentan ventajas como ser materiales seguros, confiables y económicos, así como tener una estabilidad aceptable para ciclos largos de cristalización-fusión, también enfrentan desafíos, como su baja conductividad térmica y su fuga en estado líquido.

Afortunadamente, los PCM, incluyendo la parafina, se benefician de los avances en nanotecnología, especialmente al ser modificados con nanopartículas como el Grafeno. La incorporación de Grafeno en PCM como la parafina mejora significativamente la conductividad térmica y la eficiencia energética, facilitando el almacenamiento y conversión de energía solar a térmica.

¿Qué hace tan especial al Grafeno?

El Grafeno gracias a sus excepcionales características fisicoquímicas es uno de los nanomateriales más prometedores como coadyuvante en la resolución de las problemáticas energéticas. A diferencia de otras nanoestructuras de carbono como el diamante, grafito, carbón activado, fullerenos o nanotubos, el Grafeno tiene mejores propiedades eléctricas y mecánicas, con la ventaja adicional de que se combina fácilmente con otros compuestos como los PCM para compartir sus características y mejorar su desempeño. Por ejemplo, comparado con los nanotubos, una de las nanoestructuras de carbono más conocidas y estudiadas, el Grafeno tiene una mayor movilidad de cargas (200.000 cm2 V 1 s 1 Vs. 150.000 cm2 V 1 s 1), mayor conductividad eléctrica (6,6 MS m -1 Vs. 0,35 MS m -1), y mayor transmitancia (97,0% Vs. 95,7%) que lo hacen sumamente atractivo para su uso en materia energética.

¿Cómo se relacionan el Grafeno con los PCM para el aprovechamiento de la energía solar?

Históricamente desde el punto de vista sostenible y como aplicación real, la arquitectura es uno de los claros ejemplos en el aprovechamiento de la energía solar. Partiendo en la antigüedad con la fabricación de paredes de adobe para atrapar el calor del día y liberarlo durante la noche, hasta la infraestructura moderna con el uso de calentadores o paneles solares hasta la implementación de muros Trombe como herramienta de calefacción pasiva. Por ejemplo, estos últimos constan de un sistema de materiales como el vidrio, madera, acero, aluminio, concreto y PCM como la parafina, dispuestos en configuraciones especiales que en conjunto permiten absorber el calor para conducirlo lentamente hacia la vivienda. A partir la identificación de las propiedades multifuncionales del Grafeno y de la exploración de sus beneficios en distintos sectores, pudo identificarse que su incorporación en la parafina utilizada para la fabricación de sistemas de calefacción pasiva puede mejorar la conductividad térmica o la fuerza impulsora hasta en un 164%, mostrando una evidente superioridad sobre las nanopartículas híbridas de alta eficiencia como el Cu-TiO2 o Al2O3-MWCNT, cuyos beneficios normales oscilan entre el 50 y 70%. Esto quiere decir que, en caso de lograr integrar estas tecnologías a los sistemas de calefacción pasiva además de mejorar el confort térmico durante todo el año también representaría ahorros energéticos importantes, además de reducir las emisiones de CO2.

Celdas solares

Otra conocida aplicación potencial de la nanotecnología en el sector energético, es el diseño de la cuarta generación de paneles solares, que incluye el uso de nanomateriales bidimensionales como el disulfuro de molibdeno (MoS2), Diseleniuro de wolframio (WSe2) y nuevamente, el Grafeno.

Entre las ventajas más representativas que el Grafeno ha demostrado sobre otros materiales está, además de su resistencia mecánica, su alta movilidad de cargas, gran transmitancia, ligereza, flexibilidad y estabilidad, que han logrado que en menos de 10 años su desempeño para el diseño de paneles solares haya tenido importantes avances al incrementar su eficiencia del 1.5% al 15%, casi comparable con la eficiencia de las celdas actuales que oscila entre el 20 y 22%. No obstante, y en vías de mejorar aún más estos porcentajes, los expertos en la materia continúan explorando metodologías a partir del dopaje del Grafeno con otras estructuras como el silicio, hexafluoruro de molibdeno, óxido de molibdeno, cloruro de tionilo, ácido trioxionítrico, cloruro de oro, boro, oxígeno, nitrógeno, fósforo o azufre, para reducir su resistencia y aprovechar mejor la energía de la luz solar.  

En Energeia – Graphenemex, la empresa líder en Latinoamérica en el diseño y desarrollo de aplicaciones con materiales grafénicos somos sensibles de los retos que, como cualquier tecnología emergente, el Grafeno enfrenta, y nos es grato formar parte del selecto grupo de investigadores e industriales que a nivel mundial busca beneficiar a la sociedad, a la economía y al medio ambiente con las bondades que estos maravillosos materiales pueden ofrecer.

Gracias a nuestro equipo multidisciplinario en muy poco tiempo hemos logrado vencer los obstáculos que han limitado la llegada de este material al mercado en aplicaciones reales,  comenzando con su producción a gran escala, con calidad controlada y a un costo asequible, así como con el desarrollo de nuevos productos con nanoingeniería grafénica sobre los cuales ha sido fundamental controlar su estabilidad y compatibilidad con los compuestos y procesos utilizados en cada aplicación o industria.

Probablemente el Grafeno como aliado de las energías renovables aún está en etapas incipientes y no propiamente por su manipulación, sino por la complejidad que este sector representa, sin embargo, no se deben desestimar los importantes avances logrados a lo largo de la última década, puesto que son las bases para las siguientes generaciones de equipos y/o tecnologías.

Redacción: EF/DHS

Referencias

  1. Jafaryar M, Sheikholeslami M. Simulation of melting paraffin with graphene nanoparticles within a solar thermal energy storage system. Sci Rep. 2023, 26;13(1):8604;
  2. R. Bharathiraja, T. Ramkumar, M. Selvakumar. Studies on the thermal characteristics of nano-enhanced paraffin wax phase change material (PCM) for thermal storage applications. J. Energy Storage, 73, Part C, 2023, 109216;
  3. Li-Wu Fan, Xin Fang, Xiao Wang, Yi Zeng, Yu-Qi Xiao, Zi-Tao Yu, Xu Xu, Ya-Cai Hu, Ke-Fa Cen, Effects of various carbon nanofillers on the thermal conductivity and energy storage properties of paraffin-based nanocomposite phase change materials, Applied Energy, 110, 2013, 163;
  4. Top Khac Le., et al., Advances in solar energy harvesting integrated by van der Waals graphene heterojunctions. RSC Adv., 2023, 13, 31273

Avanzando en la Durabilidad del Asfalto

Publicado el | por Energeia Graphenemex

Avanzando en la Durabilidad del Asfalto:

Aprovechando el Potencial del Grafeno para Carreteras Sostenibles

La mayor parte de la infraestructura vial en el mundo está conformada por pavimento compuesto por un sistema complejo de asfalto, agregados y aglutinantes que interactúan en una interfaz que mantiene su resistencia y estabilidad estructural. De acuerdo con el Asphalt Institute, anualmente se producen 87 millones de toneladas de asfalto en todo el mundo, de las cuales, alrededor del 85% se utiliza en la industria de pavimentación que, si bien ofrece una gran capacidad de carga y durabilidad, es inevitable que el asfalto se dañe por la exposición constante a radiación, temperatura, humedad y tráfico.

Por otro lado, el deterioro del asfalto no solo afecta a una infraestructura de transporte básica para el desarrollo socioeconómico de la población, sino que también involucra impactos ambientales en términos de agotamiento de recursos y altas emisiones de CO2 causadas por las obras viales. Estos factores se suman a las razones para la constante búsqueda de tecnologías de modificación que aumenten la durabilidad y mejoren las propiedades mecánicas de los pavimentos mediante el uso de fibras, caucho; aditivos como elastómeros termoplásticos, resinas plásticas y sintéticas, polvo de hierro, cal hidratada o desechos de vidrio. Sin embargo, en algunos casos, la aplicación de estos productos pueden presentar problemas prácticos como condiciones especiales de preparación, poca estabilidad de almacenamiento, dificultad para mezclar en construcción y complejidad para compatibilizar dichos componentes con el sistema asfáltico.

Afortunadamente, las nanoestructuras de carbono como el grafeno y óxido de grafeno (GO) vuelven a aparecer en escena como propuestas de soluciones para estas problemáticas a partir de interesantes aportaciones al asfalto en cuanto a rigidez, antienvejecimiento, resistencia a la deformación y penetración; reducción en la aparición de surcos, mejor consistencia y capacidad de transferencia de calor; resistencia al deslizamiento e incluso, reducción en el esfuerzo necesario para la compactación durante su preparación.

Además, entre las ventajas del grafeno está que puede mezclarse con otras tecnologías modificadoras de asfalto como el polietileno de baja densidad (LDPE), polietileno de alta densidad (HDPE), tereftalato de polietileno (PET), poliestireno (PS), caucho granulado, escoria de horno, resinas epóxicas y, sobre todo, con el estireno-butadieno-estireno (SBS), el cual es uno de los polímeros más aceptados en la industrial del asfalto y con el cual, el óxido de grafeno (GO) gracias a su contenido de oxígeno promueve la absorción de aromáticos y saturados del SBS con una importante mejora en la respuesta de temperatura, adherencia y rigidez en el ligante.

Algunos de los métodos identificados que prometen simplificar la incorporación del grafeno en las mezclas asfálticas son:  

  1. Método de adición directa: el grafeno es incorporado al ligante asfáltico previamente fundido.  
  2. Método de adición indirecta: el grafeno y el aglutinante asfáltico se disuelven simultáneamente en una solución media para posteriormente formar una solución uniforme.
  3. Método de adición auxiliar: el grafeno se modifica químicamente con grupos funcionales o se adiciona en conjunto con otros agentes modificadores para posteriormente fundirse en el aglutinante asfáltico.

Aunque hasta el momento son pocas las empresas que han explorado al grafeno como aditivo mejorador del asfalto, la amplia investigación realizada a lo largo de la última década está ayudando a sentar las bases para comprender y proyectar el potencial de esta tecnología en beneficio de la industria de la pavimentación. Incluso, el pasado mes de febrero de 2024, la revista Infraestructures publicó los resultados del proyecto ECOPAVE fundado por la Unión Europea, el cual consistió en una prueba en campo con 5 años de duración realizada a lo largo de 1 km de tráfico pesado al sur de Roma, Italia. Para el estudio se colocaron cuatro secciones de pavimento asfáltico con y sin adiciones de polímeros modificados con grafeno. Transcurridos los 5 años de evaluación los investigadores reafirmaron el potencial del asfalto modificado con el polímero de grafeno como tecnología innovadora y factible para la pavimentación de carreteras de alto tráfico, gracias a que demostró valores de rigidez más altos a diferentes temperaturas, mejor comportamiento a la fatiga y mayor resistencia a la deformación que, en conjunto prometen una mayor vida útil, con una reducción importante en los gastos de mantenimiento.

En Energeia- Graphenemex® como líderes en el desarrollo de aplicaciones con grafeno tenemos la firme convicción de que, aunque aún hay trabajo por realizar, falta muy poco para poder disfrutar de los beneficios económicos y ambientales que esta maravillosa tecnología puede aportar no solo a nuestras calles y carreteras, sino a la sociedad.

Redacción: EF/DHS

Referencias

  1. Mechanism and Performance of Graphene Modified Asphalt: An Experimental Approach Combined with Molecular Dynamic Simulations. Case Studies in Construction Materials. 2023, 18, e01749;
  2. Properties and Characterization Techniques of Graphene Modified Asphalt Binders. Nanomaterials 2023, 13, 955;
  3. Analysis on the road performance of graphene composite rubber asphalt and its mixture. Case Studies in Construction Materials. 2022, 17, e01664;
  4. A complete study on an asphalt concrete modified with Graphene and recycled hard-plastics: A case study. Case Studies in Construction Materials. 2022, 17, e01437;
  5. Effect of Graphene Oxide on Aging Properties of polyurethane-SBS Modified Asphalt and Asphalt Mixture. Polymers 2022, 14, 3496;
  6. Mechanical Characteristics of Graphene Nanoplatelets-Modified Asphalt Mixes: A Comparison with Polymer- and Not-Modified Asphalt Mixes. Materials 2021, 14, 2434;
  7. Impact of Graphene Oxide on Zero Shear Viscosity, Fatigue Life and Low-Temperature Properties of Asphalt Binder. Materials 2021, 14, 3073;
  8. Experimental Investigation into the Structural and Functional Performance of Graphene Nano-Platelet (GNP)-Doped Asphalt. Appl. Sci. 2019, 9, 686;
  9. Modified Asphalt with Graphene-Enhanced Polymeric Compound: A Case Study. Infrastructures 2024, 9, 39.