Del carbono amorfo al grafeno:
desafíos en la obtención de materiales grafénicos a partir de desechos
Al grafeno se le reconoce como la unidad estructural fundamental del grafito, pero, a diferencia de él, que es un material tridimensional (3D), el grafeno solo tiene dos dimensiones (2D) compuestas por átomos de carbono dispuestos en forma de lámina y con un arreglo hexagonal que le confiere una gran cantidad de propiedades mecánicas, térmicas, eléctricas, de barrera, etc., sumamente atractivas para la ciencia y tecnología.
El grafeno al estar conformado esencialmente por carbono, para su obtención se utilizan fuentes de carbono de alta pureza, como el grafito e incluso gases como el metano, aplicados en distintas metodologías como la exfoliación en fase líquida, oxidación química o deposición química de vapor; pero en la búsqueda de métodos más sostenibles, económicos y escalables, particularmente para su aplicación industrial, se abrió la puerta a otras fuentes de carbono, como la biomasa o residuos plásticos.
El reto es que estos procesos generan inicialmente carbono amorfo, que tiene una estructura desordenada, baja conductividad y sin las propiedades propias del grafeno. Por lo tanto, es importante determinar si los productos generados son verdaderamente grafeno u otro material de carbono, menos ordenado y con propiedades diferentes.
“Anualmente a nivel global se liberan 140 000 millones de toneladas de biomasa del sector agrícola, 181 500 millones de residuos forestales y agrícolas, y alrededor de 464 millones de toneladas de residuos plásticos, de los cuales solo el 20 % se recicla, el 25 % se incinera y el 55 % se deposita en vertederos”
Grafeno a partir de Biomasa
La biomasa, no es más que materia orgánica de origen animal o vegetal, que comprende fragmentos de ramas de árboles, productos de actividades agrícolas, forestales o fracciones biodegradables de basura, por mencionar algunos ejemplos; su composición a base de carbono, hidrógeno y oxígeno es la razón por la cual se ha estudiado como materia prima para la obtención de grafeno, mediante procesos térmicos como la pirolisis, gasificación y carbonización hidrotermal.
Estudios recientes han demostrado que, con el uso de catalizadores metálicos como nitrato de manganeso y un control preciso de temperatura, es posible convertir directamente biomasa en carbono grafítico, es decir, una estructura similar a la del grafeno, evitando la formación de carbono amorfo intermedio. No obstante, la clave para el éxito de este método está en el control del proceso para estimular la grafitización durante la pirolisis, y evitar la carbonización incompleta que generaría carbono amorfo.
Grafeno a partir de la Pirolisis de Plástico
Pirolisis – es la descomposición de un compuesto químico por acción del calor y en ausencia de oxígeno que, aplicada a residuos plásticos hace posible la generación de combustible como gasolina, diésel y otros compuestos, como en este caso, el grafeno. Solo que para este proceso son necesarios catalizadores como el hidróxido de potasio (KOH), sales metálicas o arcillas para facilitar el rompimiento de los enlaces poliméricos y el reordenamiento del carbono para conformar la estructura aromática plana característica del grafeno.
Un ejemplo de este proceso es el calentamiento rápido o Flash Joule Heating (FJH), donde el material plástico es calentado a temperaturas extremadamente altas en fracción de segundos para la generación de un material similar al grafeno turbostrático, es decir, con múltiples capas apiladas desordenadamente.
¿Qué se produce realmente?
Para lograr un grafeno verdadero a partir de las metodologías mencionadas, es esencial el uso de catalizadores que promuevan la grafitización, un control térmico riguroso, y métodos adicionales para exfoliar y estabilizar las láminas del material grafénico producido. Si estas condiciones no se cumplen, el producto podría ser carbono amorfo, que, si bien es útil para determinadas aplicaciones, no cuenta con las propiedades del grafeno.
“El carbono amorfo no tiene un patrón repetitivo de átomos que se extienda a lo largo del material, mientras que el grafeno turbostrático presenta un ordenamiento parcial en capas hexagonales”
Conclusión
Aunque es verdad que la producción de grafeno a partir de biomasa y plástico es una vía prometedora para aprovechar los desechos y reducir su impacto ambiental, los inminentes retos son el control de calidad y pureza del producto resultante así como controlar las emisiones de CO2.
Los materiales resultantes suelen tener una mayor cantidad de defectos y en algunos casos puede ser una mezcla de grafeno, grafeno parcialmente oxidado y carbono amorfo. La clave es identificar y aprovechar adecuadamente cada material de acuerdo con sus características o propiedades diferenciadas.
Redacción: EF/DHS
Referencias
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