Categoría: Soluciones con Grafeno

Grafeno, el material diferenciador para el aprovechamiento de la energía solar

Publicado el | por Energeia Graphenemex

Grafeno

el material diferenciador para el aprovechamiento de la energía solar

La energía solar al ser una fuente limpia y abundante es una de las mejores opciones de energía renovable. Sin embargo, y pese a los avances tecnológicos, al día de hoy sigue siendo insignificante su aprovechamiento. De acuerdo con las estadísticas solo el 0.015% de la energía solar se utiliza para la producción de electricidad, el 0.3% para calefacción y el 11% para la fotosíntesis natural de la biomasa. Por el contrario, alrededor del 85% de las necesidades de energía global se satisfacen mediante combustibles fósiles, los cuales sabemos que son recursos finitos y altamente contaminantes.

“En 90 minutos el sol manda a la tierra la energía suficiente para satisfacer toda la demanda energética del planeta durante un año”

Las celdas solares son dispositivos que permiten convertir la energía solar en electricidad a través del efecto fotovoltaico; están fabricadas de materiales semiconductores que producen un campo eléctrico cuando se expone a la luz solar y se dividen en cuatro generaciones:

Primera generación

Las celdas solares de primera generación se fabricaron por primera vez en 1954 por los laboratorios Bell. Para ellas se utilizaron películas cristalinas de silicio monocristalino y policristalino con un espesor promedio de 200 a 300 µm, logrando inicialmente una eficiencia de conversión de energía del 6% que posteriormente ascendió hasta al 29% con el uso del arseniuro de galio (GaAs). De hecho, este tipo de celdas siguen siendo las más populares gracias a su alto coeficiente de absorción.

Segunda generación

Emplea las celdas de primera generación en conjunto con una nueva serie de películas considerablemente más delgadas de tan solo 10 µm de espesor a base de silicio microcristalino (µC-Si), silicio amorfo (A-Si), cobre indio galio seleniuro (CIGS) y telurio de cadmio/sulfuro de cadmio (CDTE/CDS). Dos ventajas de esta generación, es su costo y resistencia mecánica, mientras que su desventaja es que para lograr esos beneficios se tuvo que sacrificar en cierta medida la eficiencia de conversión, la cual se redujo a un 23%. Pese a este inconveniente, este tipo de celdas solares siguen estando disponibles en el mercado.

Tercera generación

El alto costo de fabricación de las celdas de silicio, resultado de su compleja manufactura a partir de silicio de alta calidad, abrió paso a la tercera generación, que integra materiales más flexibles, ligeros y económicos. Es así como surgen las celdas solares sensibilizadas con pigmento (DSSC), celdas solares de perovskita (PSC), celdas solares orgánicas/ poliméricas (OPV), celdas solares sensibilizadas con puntos cuánticos (QDSSC) y, finalmente, las celdas solares multiunión.

Probablemente la celda más interesante de este rubro, pero también la más compleja y costosa, es la multiunión. Como su nombre lo indica, consiste en múltiples uniones a partir de varios materiales semiconductores que producen una corriente eléctrica en respuesta a las diferentes longitudes de onda incidentes, mejorando de esta manera la conversión de la luz solar en electricidad; hasta el momento la eficiencia de conversión que se tiene registrada con estos diseños es del 36%

Cuarta generación (híbrida)

Esta última fusiona la flexibilidad y bajo costo de los polímeros, con la estabilidad y durabilidad de las nanopartículas y óxidos metálicos, así como de las nanoestructuras de carbono como el grafeno.

  • Celdas solares con grafeno

El grafeno es una nanoestructura de carbono con gran conductividad, transmitancia, resistencia mecánica, estabilidad térmica e inercia química. Pero además consta de una estructura de banda sin brechas (zero band gap) que permite la conducción de electrones como si fuera un metal, así como con del efecto Hall cuántico que permite que sus cargas libres se muevan fácilmente en dos dimensiones a gran velocidad.

Gracias a estas características se descubrió que el grafeno puede utilizarse para la fabricación de electrodos conductores transparentes, dispositivos de captación de energía, fotodetectores y otros dispositivos ópticos. No obstante, pese a que el grafeno es un excelente conductor, no tiene la misma capacidad para recolectar la corriente eléctrica producida dentro de una celda solar, a diferencia de su variante oxidada, el óxido de grafeno (GO), que es un material menos conductor, pero más transparente y mejor colector de carga.

“El grafeno se ha clasificado como un semiconductor semimetálico que presenta una dispersión electrónica lineal con gran movilidad y altas velocidades”.

Otro factor importante del grafeno es su espesor, que a su vez depende de su número de capas. Por esta razón el grafeno se clasifica en monocapa, bicapa, tricapa, de pocas capas (<5 capas) y multicapa (<10 capas), recordando que más de 10 capas de grafeno ya se considera grafito.  Al ser los grafenos bicapa y tricapa los que mantienen un mejor equilibrio entre sus propiedades de transmitancia y resistencia, son los más adecuados para su uso en celdas solares, sobre las cuales idealmente debe mantenerse un espesor máximo de 20 nm.

Aplicaciones del grafeno sobre los componentes de las celdas solares

Electrodos conductores transparentes (ECT).

Los primeros componentes en los que el grafeno ha demostrado tener impactos beneficiosos son los electrodos conductores transparentes (ECT). Anteriormente y debido a su alta conductividad y transmitancia en el espectro visible, para los ECT se utilizaba el óxido de indio- estaño (ITO) sin embargo, las películas suelen ser frágiles e inestables a altas temperaturas. Adicional a esto, cabe mencionar que el indio es un metal sumamente escaso, tóxico y costoso. De hecho, en cuanto aumentó la demanda de las celdas solares, el precio del indio se elevó a tal grado que el costo de los ECT representó el 50% de los costos de fabricación. Por estas razones, el ITO fue remplazado por el óxido de estaño dopado con flúor (FTO), que es más económico y soporta tratamientos químicos agresivos con altas temperaturas.

Además del FTO, el grafeno aparece como alternativa para superar las limitaciones del ITO en los ECT de las celdas solares, siempre y cuando se aumente la relación entre la resistencia y transmitancia. Para ello se han estudiado con buenos resultados los dopajes y co- dopajes químicos del grafeno con polímeros como el PEN, PEDOT: PSS, nanopartículas de oro, nanocables de plata, nanopartículas cúbicas de platino, ácido nitrico (HNO 3), cloruro de tionilo (SOCl 2), trietilentetramina (TETA), óxido de grafeno (GO) y bis (trifluorometano sulfonil) amida (TFSA).

Dopaje:  modificación química para disminuir la resistencia del grafeno y ampliar la función de trabajo.

HNO₃-AuNp: ácido nítrico- nanopartículas de oro.

PEN: poli (naftalato de etileno): polímero poliéster con propiedades de barrera.

PEDOT: PSS: Poli(3,4-etilendioxitiofeno)-poli (estireno sulfonato) / polímero transparente y conductor.

Capas fotoactivas

Las capas fotoactivas de las celdas solares incluyen capas interfaciales activas, capas de separación de carga electrón/hueco, capas de transporte electrón/hueco (ETL/HTL), capas de bloqueo de carga electrón/hueco y capas amortiguadoras.

De acuerdo con los reportes, el óxido de grafeno neutralizado con litio (GO-Li) en las capas interfaciales mejora no solo la eficiencia sino también la estabilidad del dispositivo a la intemperie (calor, aire y humedad) o como película protectora antirreflectante, gracias a su inercia química y transparencia. Otras funcionalizaciones del grafeno para las capas fotoactivas incluyen al óxido de grafeno reducido con tiolato (TrGO) y al grafeno con sulfuro de cadmio (CdS).

Áreas de oportunidad del grafeno sobre los distintos tipos de celdas solares

Celdas solares de silicio

Las investigaciones indican que la eficiencia de conversión de las celdas solares con grafeno se puede mejorar con la incorporación de una capa de pasivación dieléctrica entre el grafeno y el sustrato de silicio para suprimir la difusión de electrones desde este último hacia la capa de grafeno. Entre los materiales aislantes que podrían utilizarse con efectividad están el dióxido de silicio (SiO 2), disulfuro de molibdeno (MoS 2), óxido de aluminio (Al 2 O3), óxido de grafeno (GO), nitruro de boro hexagonal (h-BN), poli (3-hexil tiofeno-2,5-diilo) (P3HT), puntos cuánticos, trióxido de molibdeno (MoO 3), y el espiroOMeTAD, por mencionar algunos.

Celdas solares orgánicas/ poliméricas

En este tipo de celdas, el grafeno puede tener tres funciones generales:

  1. Como aditivo en materiales donantes o donantes-aceptores,
  2. como electrodo conductor transparente (ánodo y cátodo),
  3. como capa fotoactiva separada. 

El grafeno bicapa y tricapa gracias a su alta conductividad puede corregir los problemas de transporte de carga del sistema donador-aceptor de electrones (P3HT: PCBM) asociados al desequilibrio de la movilidad de electrones y huecos para evitar el atrapamiento de carga y mejorar su recolección eficiente. 

P3HT: PCBM sistema donador-aceptor de electrones de las celdas solares poliméricas.

P3HT: polímero conductor

PCBM: derivado de fullereno. 

Celdas solares sensibilizadas con pigmento

Con esta tecnología se trata de emular el proceso de las células vegetales para producir energía a partir de pigmentos orgánicos. En ellas, inicialmente el grafeno se utilizó para remplazar al FTO de los fotoánodos, pero con el tiempo se identificaron ventajas adicionales en los siguientes componentes:

  1. Fotoánodos: como conductor transparente tanto para el dióxido de titanio (TiO2) como para la sensibilización de los pigmentos; en los fotoánodos el grafeno puede mejorar la tasa de transporte de carga, evitar la recombinación y aumentar la captación de luz.
  2. Contraelectrodos: como sustituto del platino,
  3. Como aditivo fotoanódico: para mejorar la transferencia de electrones,
  4. Electrodos poliméricos, en los que un polímero (PEDOT-PSS) permite la conductividad, mientras que el grafeno facilita la catálisis.

Fotoánodo: Es el vehículo de electrones desde el pigmento fotoexcitado hasta el circuito externo. Se compone de una capa de dióxido de titanio (TiO2) sobre un sustrato de vidrio o plástico conductor.

Contraelectrodos:  participan en la inyección de electrones del pigmento fotooxidado en los electrolitos para catalizar las reacciones de reducción.

Celdas solares de Perovskita

La perovskita es un mineral compuesto por óxido de calcio y titanio que desde 2009 se utiliza para la fabricación de celdas solares. En un inicio su eficiencia fue del 3,9% pero en poco tiempo ascendió al 32%. A pesar de su buen desempeño, facilidad de fabricación y versatilidad, las celdas solares de Perovskita tienen dos importantes desventajas. La primera es una fácil degradación ante la intemperie y la segunda, una toxicidad relacionada con la presencia de plomo que, naturalmente conlleva preocupaciones para la salud humana y ambiental. Es entonces que los esfuerzos para contrarrestar dichos inconvenientes se han enfocado, por un lado, en modificar químicamente al mineral y por otro, en encapsularlo para protegerlo de las condiciones externas.

Así como ocurre con otros tipos de celdas, también se ha identificado que la presencia de grafeno o de su variante reducida dentro de las capas fotoactivas (HTL/ETL) de las celdas de perovskita puede mejorar aún más su eficiencia entre un 14 y 28%. Esto se debe a que el grafeno al ser un material ambipolar, es decir, que puede mover las cargas en distintas direcciones, puede ayudar a equilibrar la función trabajo – conductividad, agilizar la extracción de electrones y mejorar la estabilidad a la intemperie.

Claramente y como se ha mencionado con anterioridad, la funcionalización o dopaje del grafeno juega un papel importante para mejorar el desempeño de los componentes de las celdas solares. En el caso de las celdas de perovskita, es útil la funcionalización con nanopartículas metálicas, óxidos metálicos y o nanopartículas de perovskita, no solo para mejorar la estabilidad del grafeno sino para incrementar la superficie de área y la conductividad eléctrica en todo el sistema.

Si bien es un hecho que las celdas solares con grafeno aún no se encuentran comercialmente disponibles, ya se tienen algunos avances reportados en esta vía.  El primero de ellos es la serie G12 Evolution de la compañía Znshine Solar, compuesta por tres módulos de grafeno y que, en 2018, ganó un concurso para proporcionar 37.5 MW de módulos a Bharat Heavy Electricals Limited (BHEL), el mayor fabricante de equipos de generación de energía de la India. Según el contrato, el 10% del envío fue de paneles solares recubiertos de grafeno. Posteriormente, en 2019, la compañía firmó un contrato con los Servicios de Energía Etihad de los Emiratos Árabes Unidos para el suministro de 100MW.

Por último, a finales de 2024 las empresas austalianas Halocell energy y First Graphene anunciaron una alianza para un proyecto de dos años para la fabricación de celdas solares de perovskita con grafeno. El objetivo fue acelerar el proceso de fabricación, mejorar el rendimiento de captación de luz y de esa manera ampliar la producción y satisfacer la demanda comercial. De acuerdo con la información publicada los módulos de perovskita con grafeno son hasta cinco veces más eficientes y rentables que las celdas de silicio comunes.

Bibliografía

  1. Photovoltaic Cell Generations and Current Research Directions for Their Development Materials 2022, 15, 5542;
  2. Recent Advancements in Applications of Graphene to Attain Next-Level Solar Cells. C 2023, 9, 70;
  3. Rational and key strategies toward enhancing the performance of graphene/silicon solar cells. Mater. Adv., 2023, 4, 1876;
  4. Recent Applications of Graphene in Dye-sensitized Solar Cells. Current Opinion in Colloid & Interface Science 20 (2015) 406
  5. Recent advances of graphene-based materials in planar perovskite solar cells. Next Nanotechnology 5 (2024) 100061;
  6. https://www.halocell.energy/news-posts/first-graphene-to-supply-halocells-indoor-perovskite-solar-cell-production-line;%20%0b
  7. https://www.graphene-info.com/graphene-solar-panels

Funcionalización del Grafeno

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Funcionalización del Grafeno

Transformando Propiedades para Aplicaciones Innovadoras

El grafeno es una nanoestructura de carbono en forma de lámina y con propiedades multifuncionales que, aunque suele ser químicamente inerte, bajo ciertas condiciones y gracias a su extensa superficie de área, puede interactuar con otras moléculas o partículas para generar una gran diversidad de derivados con características particulares como las que se comentará más adelante.

Químicamente inerte: que no es capaz de reaccionar o es inactivo

Las interacciones que el grafeno puede tener también reciben el nombre de funcionalizaciones o dopajes, que no son más que modificaciones químicas con el objetivo de dar al grafeno nuevas propiedades o “funciones” como, por ejemplo, para volverlo hidrofílico, ya que como es bien sabido, el grafeno es un material en esencia hidrofóbico y, en consecuencia, difícil de manipular. De esta cualidad surge probablemente la funcionalización más común a partir del anclaje de grupos oxigenados hidroxilo, epoxi, carbonilo y carboxilo a lo largo de toda su estructura de carbono que da origen a su variante más conocida, la cual recibe el nombre de: Óxido de Grafeno (GO, por sus siglas en inglés).

“La funcionalización del grafeno cambia la química de la superficie, como la carga y la hidrofobicidad”

Funcionalización covalente y no covalente

Las funcionalizaciones que se le pueden hacer al grafeno son del tipo covalente y no covalente. La primera se refiere a la formación de fuertes enlaces químicos con otras partículas o moléculas que cambian la estructura y la hibridación de sus átomos de carbono. Este tipo de funcionalización permite un mejor control del proceso en comparación con la funcionalización no covalente (fuerza de van der Waals, interacciones electrostáticas, puentes de hidrogeno o apilamiento π-π) que no altera su estructura química, ya que las partículas o moléculas se adsorben a su superficie de una manera más débil y reversible.

“La funcionalización química del grafeno es una herramienta importante para su introducción en el mundo de las aplicaciones”

Como se mencionó anteriormente, la funcionalización más conocida del grafeno es el óxido de grafeno, también encontrado en la literatura bajo el nombre de óxido de grafito o grafeno oxidado. Esta variante se define como una única monocapa grafítica funcionalizada covalentemente con grupos hidroxilo y epoxi por encima y por debajo de cada lámina de grafeno, así como con grupos carbonilo y carboxilo generalmente en sus bordes.

Estas modificaciones en la estructura del grafeno tienen distintas ventajas, por un lado, ayudan a su mejor dispersión en medios acuosos, evitan su re- aglomeración, le dan más sitios de interacción para funcionalizaciones adicionales o bien, facilitan su incorporación con los materiales tridimensionales (p.ej. polímeros) y, finalmente, permiten una mayor escala de producción tanto del GO como del grafeno propiamente dicho. Esto se debe a que los grupos oxigenados anclados a la superficie del GO pueden ser removidos por métodos químicos, electroquímicos o térmicos que reestablecen parcialmente la estructura del grafeno y, por lo tanto, el GO puede ser utilizado como un material precursor.

Esto último es importante porque una de las razones por las cuales existen pocas aplicaciones con grafeno en el mercado, es que los métodos comunes de producción tienen rendimientos bajos o insuficientes para un uso industrial.

A continuación, se mencionan algunos ejemplos de las funcionalizaciones no relacionadas entre sí, pero que se pueden hacer al grafeno y sus derivados para distintas aplicaciones.  

Funcionalización del grafeno con polímeros

Para la correcta funcionalización del grafeno es fundamental que se formen enlaces fuertes entre los átomos de carbono del grafeno y los polímeros mediante funcionalizaciones covalentes. Sin embargo, esta es una tarea compleja ya que el grafeno consta solo de carbono y carece de grupos funcionales para poderse conjugar. Por esta razón, el GO y rGO son los principales precursores para la funcionalización del grafeno con polímeros mediante enlaces no covalentes.

Un primer ejemplo es la funcionalización directa del GO por apilamiento π–π durante los procesos de extrusión de los polímeros en donde las altas temperaturas y fuertes fuerzas de corte fracturan los agregados y permiten a las cadenas poliméricas difundirse en los espacios de las láminas del GO para poder integrarse correctamente y de esta manera el GO puede transferir al polímero sus propiedades, principalmente mecánicas.

Sin embargo, el GO también puede funcionalizarse con otras estructuras como quitosano para integrarse en polímeros como el polivinilpropileno (PVP) y el alcohol polivinílico (PVA) o bien, la funcionalización directa de GO con polimetilmetacrilato (PMMA) o con polietilenglicog (PEG) para su uso en bioaplicaciones.

Otro ejemplo de funcionalización del GO es con polianilina, el cual es un polímero conductor con la finalidad de crear materiales para electrodos con un mejor rendimiento electroquímico y de mayor estabilidad a largo plazo; lo mismo ocurre con la funcionalización con compuestos a base de polipirrol para mejorar las capacidades de almacenamiento de energía. Asimismo, se puede funcionalizar con nanopartículas metálicas como el cobre o la plata para aumentar su conductividad eléctrica en recubrimientos conductores o tintas.

Funcionalización del grafeno para aplicaciones biomédicas

La estabilidad en dispersión del grafeno es un requisito esencial para el éxito en todas las aplicaciones, por esta razón el GO es la variante más utilizada. Las funcionalizaciones adicionales que pueden hacerse a través de los mencionados grupos oxigenados presentes a lo largo de toda su superficie no solo favorecen la dispersión del grafeno en agua, sino que también aumentan su biocompatibilidad y seguridad. Además, su extensa superficie de área, incluyendo las zonas hidrofóbicas propias del grafeno, permite la adsorción de moléculas orgánicas, DNA, RNA, proteínas, iones o polímeros mediante interacciones no covalentes (apilamiento π-π, puentes de hidrógeno e interacciones electrostáticas) para distintas aplicaciones médicas como por ejemplo, el diseño de plataformas biocatalíticas mediante la funcionalización con nanopartículas de oro para uso en biosensores de diagnóstico y/o seguimiento de enfermedades; con pigmentos fluorescentes para imagenología;  nanopartículas de plata para fines antimicrobianos o con polímeros como el polietilenglicol para el anclaje y transporte de fármacos.

Funcionalización del grafeno para la fabricación de dispositivos fotovoltaicos

Las propiedades del grafeno que lo postularon como fuerte candidato para la optimización de dispositivos fotovoltaicos son su ligereza, transparencia, gran superficie de área, y ausencia de la banda prohibida debido a su alta movilidad y conductividad eléctrica a temperatura ambiente.

Banda prohibida:  barrera de energía que los electrones deben superar para circular como corriente eléctrica.

A lo largo de los años se ha estudiado el desempeño del grafeno tanto en capas interfaciales, capas activas y como electrodos conductores transparentes; la incorporación de grafeno en las celdas solares de silicio puede aumentar su eficiencia de conversión de energía solar en electricidad en un 20%; en las celdas solares de grafeno con perovskita se ha encontrado mayor densidad de corriente y eficiencia superior al 80%. Para el caso de las celdas solares sensibilizadas con pigmentos en las que se ha utilizado óxido de grafeno funcionalizado con dióxido de titanio (TiO2) se ha observado un efecto plasmónico que demuestra mejor eficiencia en cuanto a captación de luz y transporte de carga.

Otros ejemplos de las funcionalizaciones probadas en el grafeno son el poli (3-hexiltiofeno) (P3HT), nanopartículas de oro y poli (3,4-etilendioxitiofeno): poli (ácido estireno sulfónico), bis(trifluorometanosulfonil)amida y metales como el cobre.

Funcionalización del grafeno para la fabricación de lubricantes

En los aceites sintéticos tradicionales suelen utilizarse algunos aditivos con nanopartículas para reducir la pérdida de energía y el desgaste. Esto se justifica por la capacidad que tienen para crear películas protectoras entre las interfaces de contacto de las superficies rugosas para disminuir la fricción y el desgaste. Sin embargo, una de las limitantes para su uso en aceites lubricantes especialmente en aquellos de baja viscosidad, es la poca estabilidad que las nanopartículas pueden llegar a presentar.

La eficiencia tribológica o lubricante del grafeno tiene origen en su gran resistencia mecánica, su estructura plana, delgada y con débiles enlaces entre sus láminas, en su alta estabilidad térmica y, finalmente, en la tan mencionada extensa área superficial. No obstante, y como en muchas otras aplicaciones, se tiene documentado que el dopaje del grafeno con nitrógeno, fosforo, azufre, boro y fluor; con grupos alquilo como la octadecilamina, el octadeciltriclorosilano y octadeciltrietilano o con modificaciones con aminas como alquilaminas mejoran aún más sus propiedades tribológicas. Asimismo, la funcionalización con polímeros también ha demostrado buenos resultados no solo tribológicos, sino también en cuanto a dispersabilidad y la estabilidad, p. ej., con el difluoruro de polivinilideno (PVDF), el politetrafluoroetileno (PTFE), el poli (éter-éter -ketona) y polietilenimina. Aunque otras investigaciones también han reportado funcionalizaciones del grafeno con octadecilamina para otros fines como la biodegradabilidad de los lubricantes, por mencionar algunas.

Con lo anterior solo se describen algunos ejemplos de las incontables funcionalizaciones que se pueden hacer al grafeno para incursionar en aplicaciones específicas ya que en muchas ocasiones no es suficiente la presencia del grafeno dentro de un material o mezcla para generar un efecto notable. Afortunadamente es tan amplio su campo de acción que, sabiendo sintetizarlo y utilizarlo es posible lograr resultados asombrosos.

Redacción: EF/DHS

  1. Surface Functionalization of Graphene-Based Materials: Biological Behavior, Toxicology, and Safe-By-Design Aspects , Adv. Biology 2021, 5, 2100637
  2. Applications of Pristine and Functionalized Carbon Nanotubes, Graphene, and Graphene Nanoribbons in Biomedicine. Nanomaterials 2021, 11, 3020
  3. Modelling of graphene functionalization, Phys. Chem. Chem. Phys., 2016, 18, 6351
  4. Graphene and functionalized graphene: Extraordinary prospects for nanobiocomposite materials . Composites Part B: Engineering, 2017, 121,34  
  5. Highly Stable Graphene Oxide-Gold Nanoparticle Platforms for Biosensing Applications, 2017,  Physical Chemistry Chemical Physics 20(3)
  6. Graphene oxide: a stable carbon framework for functionalization, : J. Mater. Chem. A, 2013, 1, 11559
  7. Functionalised graphene as flexible electrodes for polymer photovoltaics, Journal of Alloys and Compounds Volume 825, 5 June 2020, 153954
  8. Graphene and its derivatives for solar cells application, Nano Energy Volume 47, May 2018, Pages 51-65
  9. Effect of HNO3 functionalization on large scale graphene for enhanced tri-iodide reduction in dye-sensitized solar cells, journal of materials chemistry, 2012, 38
  10. The development of TiO2-graphene oxide nano composite thin films for solar cells, Results in Physics 11 (2018) 46
  11. Graphene/Si Schottky solar cells: a review of recent advances and prospects, RSC Adv., 2019, 9, 863–877 |
  12. Tribological improvement of potential lubricants for electric vehicles using double functionalized graphene oxide as additives, Tribology International 193 (2024) 109402
  13. Graphene-Based Nanomaterials as Lubricant Additives: A Review, Lubricants 2022, 10, 273

Aerogeles de Grafeno

Publicado el | por Energeia Graphenemex

Aerogeles de Grafeno

Una Revolución en la Descontaminación y la Eficiencia Industrial

Los aerogeles son materiales sintéticos, translúcidos y de aspecto gelatinoso en los que se reemplaza el contenido líquido de un gel por aire o algún tipo de gas para formar una red porosa de nanoestructuras interconectadas. Suelen fabricarse de materiales como el sílice, alúmina, óxido de cromo, titanio, estaño o carbono, cada uno con propiedades especiales para distintas industrias. Por ejemplo, en la industria de la construcción se utilizan para el aislamiento térmico y acústico de las edificaciones; en la industria alimenticia para el control de humedad; en medicina para la liberación de fármacos o reparación de defectos óseos; en la agricultura para el aprovechamiento del agua y, finalmente en las tecnologías de purificación de agua y aire para la adsorción de contaminantes, por mencionar algunos. 

“Pese a las bondades de los aerogeles, dos de sus desventajas son su fragilidad y alto costo, razones por las cuales se siguen buscando alternativas para su perfeccionamiento”

El grafeno es una nanoestructura esencialmente plana formada por una o hasta diez láminas de átomos de carbono fuertemente enlazados y con extraordinarias propiedades mecánicas, térmicas y eléctricas, transferibles a otros materiales. Sin embargo, para que esta transferencia suceda, es común realizarle al grafeno funcionalizaciones adicionales con grupos oxigenados o dopantes químicos o físicos como moléculas de ADN, iones metálicos, nanopartículas o polímeros para inhibir el apilamiento π-π de las láminas y así mejorar su interacción y estabilidad, fundamentalmente porque una de las limitantes del grafeno es la fuerte tendencia de sus láminas a aglomerarse.

“Un factor crucial para el buen desempeño de grafeno es la correcta dispersión y/o distribución de sus láminas a lo largo de toda la matriz del material de soporte”

El punto de convergencia entre los aerogeles y el grafeno es que los aerogeles son estructuras tridimensionales macroscópicas en las que el grafeno no solo puede mantenerse estable sin aglomerarse, sino que también puede mejorar sus propiedades en cuanto a ligereza, conductividad eléctrica, aislamiento térmico, compresibilidad y elasticidad, pero también permite funcionalizaciones con otros materiales o elementos como el hidróxido de cobalto, oxido de cobalto, dióxido de manganeso, oxido de molibdeno, disulfuro de molibdeno, nitrógeno, azufre o boro para mejorar el rendimiento de detección electroquímica, la eficiencia de supercondensadores, funciones electrocatalíticas o de adsorción de contaminantes.

Aerogeles de grafeno para descontaminación

Pese a que mucho se ha descrito sobre las capacidades adsorbentes del grafeno gracias a su extensa superficie de área y, en consecuencia, numerosos sitios de interacción para la captación de contaminantes, sobre todo en su versión oxidada conocida como óxido de grafeno (GO), la dificultad para eliminar los adsorbatos y reciclar las láminas de GO limita sus aplicaciones prácticas. Para fortuna de la ciencia y la tecnología, las recientes investigaciones sugieren que la fabricación de aerogeles de grafeno tridimensionales (3D) puede restringir eficazmente la agregación del GO durante la adsorción y mejorar su capacidad de regeneración debido a que estas nuevas estructuras no solo poseen la estructura cristalina del grafeno, sino que también tienen una densidad extremadamente baja, alta porosidad y gran área superficial que facilita la difusión y adsorción de contaminantes en la red 3D, además de permitir su reciclabilidad.

Una investigación publicada en 2024 por la internacionalmente reconocida revista Nature, describió dos métodos para la producción de aerogeles con grafeno. En dicho estudio se evaluó la capacidad fotocatalítica de ambos materiales encontrando un rendimiento superior respecto a sus contrapartes sin grafeno. Asimismo, se analizaron distintos pigmentos y disolventes orgánicos tóxicos y aceites como el formaldehído, diclorometano, acetona, etanol, metanol; aceite de bomba, de ricino y de silicona con mejores tasas de descontaminación. De igual forma, otros estudios han demostrado que los aerogeles de grafeno pueden eliminar hasta el 99 % metales pesados ​​del agua en comparación con los adsorbentes comunes como el carbón activado y respecto a otros métodos de tratamiento como el intercambio iónico, la coagulación y la filtración, debido a su mayor área de superficie, capacidad de adsorción, larga vida útil y regeneración.

En lo que respecta a la descontaminación del aire, la mayoría de los sistemas utilizan filtros de partículas de alta eficiencia (HEPA) con carbón activado, no obstante, su limitada capacidad de adsorción hace necesarios mantenimientos donde se requieren reemplazos regulares de filtro. Como solución a esta problemática en un estudio realizado en la Universidad de Tianjin en China se analizó la capacidad fotocatalítica del dióxido de titanio combinada con la capacidad de adsorción de un aerogel con grafeno. La investigación concluyó que la sinergia entre ambos materiales ofrece una interesante ventaja sobre los sistemas de filtración convencionales.

Con lo anterior se hace referencia a la manera en la que dos tecnologías distintas pueden fusionarse para hacer sinergia y solucionar distintos problemas. Para Energeia- Graphenemex la empresa mexicana líder en América latina en la producción de materiales grafénicos y desarrollo de aplicaciones es motivador saber cómo la tecnología del grafeno poco a poco permea positivamente en distintos sectores industriales.

Redacción: EF/DHS

Referencias

  1. Gaelle Nassar, et. al., A review on the current research on graphene-based aerogels and their applications. Carbon Trends 4 (2021) 100065;
  2. Ting Yao et. al., Preparation of β-cyclodextrin-reduced graphene oxide aerogel and its application for adsorption of herbicides. Journal of Cleaner Production, 468, (2024) 143109;
  3. Karabo G. Sekwele et. al., Cellulose, graphene and graphene‑cellulose composite aerogels and their application in water treatment: a review. Discover Materials (2024) 4:23;
  4. Ashish K. Kasar et al., Graphene aerogel and its composites: synthesis, properties and applications. Journal of Porous Materials (2022) 29:1011

El Grafeno

Publicado el | por Energeia Graphenemex

El Grafeno

El alótropo de carbono más versátil con propiedades extraordinarias 

El carbono es uno de los elementos más abundantes de la tierra y más importantes para los seres vivos. Incluso, es considerado el rey de la tabla periódica gracias a sus excelentes propiedades químicas, las cuales se deben a una estructura electrónica capaz de crear moléculas con enlaces sencillos, dobles y triples pudiendo formar hasta diez millones de elementos. 

Los alótropos de carbono por su parte son aquellos materiales base carbono con distintas configuraciones moleculares y, en consecuencia, distintas propiedades. Por ejemplo, en el grafito, conocido por ser un material blando, conductor eléctrico y de gran resistencia térmica, los átomos de carbono están unidos entre sí por tres enlaces covalentes en forma de hexágonos distribuidos en capas apiladas, pero débilmente unidas.  

Entre sus aplicaciones más conocidas están los lápices, baterías, lubricantes, entre otras. Mientras que, en el diamante, un material aislante y por demás conocido por su alto valor económico en joyería, los átomos de carbono se encuentran unidos también por enlaces covalentes, pero en forma de tetraedros que le confiere una extrema dureza utilizada principalmente para instrumentos de corte.  

Otros alótropos de carbono, quizá menos conocidos y de clase nanométrica, es decir, de tamaño menor a 0.1 micras, son los fullerenos de apariencia semejante a un balón de futbol, el cual puede actuar como semiconductor o superconductor; los nanotubos monocapa o multicapa, que no son más que capas de carbono en forma tubular caracterizados por tener gran resistencia, elasticidad y conductividad.  

Y, finalmente, el grafeno, una molécula constituida por capas de carbono similares a las del grafito, pero en bloques aislados desde una capa hasta 10 como máximo, pero con propiedades superiores en términos de resistencia mecánica, conductividad térmica, eléctrica, entre muchas otras. 

“Existen otros materiales que no deben identificarse como alótropos de carbono, p.ej., el negro de humo y el carbón activado, que se definen como materiales carbonáceos obtenidos a partir de materias primas que contienen carbono” 

El carbón activado o carbón vegetal, es un material similar al grafito, pero de aspecto rugoso y poroso con una importante capacidad adsorbente utilizada fundamentalmente para la eliminación de contaminantes en el aire o en el agua. A diferencia del grafito o del grafeno, que se componen de átomos de carbono organizados en un patrón hexagonal, el carbón activado se constituye por anillos heptagonales y pentagonales más desorganizados por las impurezas adquiridas al momento de su producción, comúnmente a partir de la carbonización de biomasa como madera, cáscaras de coco, huesos o bien de coque de petróleo en ausencia de aire, seguido de una gasificación parcial con vapor de agua o dióxido de carbono para modificar su porosidad. 

“En el carbón activado, el término activación se refiere a la aplicación de medios físicos o químicos para incrementar su porosidad y, por ende, su área superficial” 

El negro de humo o negro de carbón, es un carbón amorfo coloidal compuesto por la agregación de esferas nanométricas con aproximadamente un 1% de especies orgánicas. Se obtiene de la combustión incompleta de hidrocarburos como el petróleo bajo condiciones controladas y, aunque al igual que el carbón activado es un material carbonoso, sus propiedades no dependen de su porosidad, sino de la distancia entre sus partículas.  Es entonces que, mientras que en el carbón activado se aprovechan las propiedades absorbentes, el negro de humo se utiliza como refuerzo del caucho, en pigmentos conductores o como estabilizador de rayos UV.  

¿Qué hace del grafeno un material superior? 

De todos los alótropos de carbono y materiales carbonosos, el grafeno es el nanomaterial más revolucionario y reconocido como la unidad fundamental de todas las formas de grafito, ya que se puede curvar en fullerenos, enrollar en nanotubos y apilarse en grafito. 

Lo que hace del grafeno un material superior, son los fuertes y organizados enlaces entre sus átomos que determinan la estructura en forma de panal de abeja y que a la vez explican su fortaleza mecánica, mientras que el electrón que queda libre cuando cada átomo de carbono se enlaza con otros tres, es la respuesta a su excelente conductividad.  

Lo sorprendente del grafeno es su extraordinaria multifuncionalidad, ya que aunado a lo antes mencionado en términos mecánicos y de conductividad tanto térmica como eléctrica, también el grafeno es sumamente ligero, transparente, impermeable, biocompatible, antimicrobiano, anticorrosivo, resistente a la radiación y, finalmente, tiene la gran facultad de reaccionar químicamente con otras sustancias para compartir todas estas propiedades, de tal manera que puede formar compuestos con características nuevas o mejoradas. Esta capacidad de interactuar con otros compuestos no solo justifica su estudio, sino que promueve su uso para el desarrollo de numerosas aplicaciones en casi todas las industrias, desde la industria de la construcción, para mejorar las propiedades del concreto; en la industria del reciclaje y del plástico, extendiendo la vida útil de los materiales; de los recubrimientos anticorrosivos y antimicrobianos, incrementando su eficiencia protectora, hasta la industria electrónica, energética o biomédica, con diversos beneficios dependiendo de las necesidades de cada sector.   

¿Cómo se obtiene el grafeno? 

El grafeno se puede obtener por dos técnicas principales. La primera recibe el nombre de “abajo hacia arriba” mediante el método de deposición química de vapor (CVD, por sus siglas en inglés), el cual se basa en la extracción de los átomos de carbono a partir de gases como el metano; aunque es un método bastante conocido y comprendido, es poco utilizado para producciones industriales debido a su baja escala de producción y los altos costos de operación. La segunda técnica y además la más común, ya que supera los inconvenientes del CVD, pero no las particularidades del material, es la técnica de “arriba hacia abajo”, la cual consiste en el aislamiento o separación de las capas de carbono o grafeno propiamente dicho mediante la exfoliación mecánica, electroquímica o química del grafito a granel. Entendiendo que, la separación de menos de 10 capas de carbono se considera grafeno y que un número mayor será considerado grafito. De hecho, suele haber una gran confusión entre el grafito y el grafeno, no obstante, es fácil determinar sus diferencias. Por ejemplo, el grafito es un material tridimensional (3D), mientras que el grafeno tiene una estructura bidimensional (2D), lo cual quiere decir que una de sus dimensiones (extensión) se encuentra en el orden de las micras y la segunda dimensión (espesor) se ubica en la escala nanométrica. Es por eso que un punto de referencia del grafeno es que tiene un átomo de espesor.   

En Energeia- Graphenemex®, la empresa mexicana pionera en América Latina enfocada en la investigación y producción de materiales grafénicos, tiene como fortaleza la creación de métodos y procesos patentados para la producción replicable y a gran escala de distintos tipos de grafenos que asegura su disponibilidad para el desarrollo de aplicaciones ya sea propias o, como aliado estratégico de otras compañías interesadas en innovar y mejorar sus productos con esta extraordinaria tecnología.  

Redacción: EF/ DHS 

Carbonatación y Óxido de Grafeno:

Publicado el | por Energeia Graphenemex

Carbonatación y Óxido de Grafeno:

Una Solución para Reducir Emisiones de CO₂

En artículos previos hemos tratado sobre la influencia de la industria del cemento en las emisiones de CO2 y de los compromisos adquiridos para su reducción hacia el año 2050. El día de hoy hablaremos de cómo el fenómeno de carbonatación que generalmente es considerada como una patología en el concreto, podría compensar en cierta medida el CO2 liberado durante la fabricación del cemento.

¿Qué es la carbonatación? 

En el concreto la carbonatación es un proceso natural que ocurre por la reacción entre el dióxido de carbono (CO2) del ambiente con la humedad del concreto, transformando al hidróxido de calcio alcalino de la pasta de cemento a carbonato de calcio con un pH más neutral. Este fenómeno hace que el concreto que usualmente se encuentra entre pH 12 y 13, ahora se encuentre alrededor de 9, haciendo que el acero de refuerzo pierda su capa protectora y quede expuesto para ser atacado por la corrosión.

¿De qué depende la carbonatación?

La tasa de carbonatación está controlada por la difusividad del CO2 y su reactividad con la matriz cementante, a la vez dependiente de su microestructura conformada por productos de hidratación (hidróxido de calcio, hidrato de silicato de calcio, óxidos alcalinos, etc.) y por la estructura de los poros (distribución, tamaño y saturación). Por lo tanto, en concretos poco permeables o mejor aún, secos, la carbonatación será mucho más lenta que en concretos permeables o con 50 o 60% de humedad. Por esta razón, durante la fabricación del concreto suelen utilizarse adiciones micrométricas del tipo ceniza volante, escoria de alto horno, metacaolín, humo de sílice y algunos nanomateriales para reducir la porosidad, así como para disminuir la cantidad de hidróxido de calcio y promover la formación de C-S-H. Además de otras prácticas como la aplicación de recubrimientos en la superficie del concreto. 

La carbonatación como herramienta para la reducción de emisiones

La carbonatación puede concebirse de dos maneras, la primera y la más conocida, es como una patología del concreto y la segunda, como una oportunidad para reducir el CO2 atmosférico. Esto se debe a que existen dos tipos de carbonatación, la natural y la acelerada. La carbonatación natural es un proceso lento que ocurre en el largo plazo y que no tiene la capacidad de captar CO2, mientras que la carbonatación acelerada o mineral, por su parte, utiliza una alta concentración de CO2 que acelera el proceso de hidratación del cemento y produce carbonatos en los cuales el CO2 se almacena permanentemente en forma mineral termodinámicamente estable. Este proceso también se conoce como recarbonatación, porque dicho carbonato es el mismo que se utiliza como materia prima para la fabricación del cemento. Empresas como Blue planet, Carbon cure, Solidia technologies y Carbi crete están desarrollando estrategias para secuestrar hasta 17 kg de CO2 por metro cubico de concreto principalmente prefabricado debido a que es un proceso que debe realizarse en condiciones controladas.

El óxido de grafeno (GO, por sus siglas en inglés) es una nanoestructura de carbono cuya multifuncionalidad ofrece numerosos beneficios para distintas industrias. En lo que respecta al concreto, sus ventajas se dirigen a mejorar su resistencia mecánica y durabilidad, pero poco se ha descrito sobre sus efectos en la carbonatación y captación de CO2.

Una investigación realizada por la Universidad de Arlington, Texas en 2022, estudió el mecanismo de interacción del óxido de grafeno en concretos curados bajo carbonatación acelerada. Los resultados arrojaron que GO al mejorar la hidratación del cemento permite que los poros del concreto se refinen con la precipitación y depósito de carbonato de calcio sobre los productos de hidratación y las partículas de cemento, de tal forma que su crecimiento en las superficies limita la reacción química entre los productos de hidratación y el CO2 bajo un flujo continuo de CO2. Con esto concluyeron que, el GO además de mejorar las propiedades mecánicas del concreto, también puede ayudar a capturar y almacenar hasta un 30% de CO2 atmosférico durante las etapas tempranas de curado.

Redacción: EF/ DHS

Referencias

  1. Geetika Mishra, et al., Carbon sequestration in graphene oxide modified cementitious system, Journal of Building Engineering, 2022, 62, 105356;
  2. Nur Azni Farhana Mazri et al., Graphene and its tailoring as emerging 2D nanomaterials in efficient CO2 absorption: A state-of-the-art interpretative review. Alexandria Engineering Journal, 2023, 77, 479;
  3. Mohd Hanifa et al., A review on CO2 capture and sequestration in the construction industry: Emerging approaches and commercialised technologies, Journal of CO2 Utilization, 2023, 67, 102292;
  4. Yating Ye et al., Optimizing the Properties of Hybrids Based on Graphene Oxide forCarbon Dioxide Capture, Ind. Eng. Chem. Res. 2022, 61, 1332;
  5. Sanglakpam Chiranjiakumari Devi et al., Influence of graphene oxide on sulfate attack and carbonation of concrete containing recycled concrete aggregate, Construction and Building Materials, 2020, 250, 118883

Avances en Protección Ignífuga:

Publicado el | por Energeia Graphenemex

Avances en Protección Ignífuga:

La Promesa del Óxido de Grafeno en Recubrimientos Intumescentes

Los recubrimientos intumescentes son pinturas especializadas que se aplican en las estructuras de concreto y acero de todo tipo de edificios industriales y/o residenciales para brindar protección ante un incendio, no solo en materia de infraestructura, sino en cuanto a seguridad, dando el tiempo necesario para la asistencia y evacuación de las instalaciones.

Ante un incendio, este tipo de recubrimientos se expande y forma una espuma carbonizada que aísla del fuego y limita su propagación, al mismo tiempo que libera gases no combustibles que reducen la concentración de oxígeno alrededor de las estructuras protegiéndolas de daños mayores durante 1 y 3 h aproximadamente.

Los componentes principales de los recubrimientos intumescentes son: un aglutinante polimérico, una fuente de ácido (p. ej. polifosfato de amonio – APP), un aditivo de expansión (p.ej. melamina – MEL), una fuente de carbono (p.ej. pentaeritritol – PER) y otros elementos de relleno (p.ej. grafito expandible) que también suelen influir en el factor de expansión y en el retardo de fuego.

Pese a su gran eficiencia, la espuma carbonizada formada por el sistema APP-MEL-PER- puede tener poca resistencia a la oxidación a altas temperaturas conduciendo a una baja eficiencia de retardo y fácil destrucción durante la combustión. Por tal motivo, también se han explorado otros aditivos como el carbonato de calcio, hidróxido de aluminio, sílice y algunos materiales de carbono para mejorar su protección. Por ejemplo, el grafito expandible en recubrimientos epóxicos mejora la degradación térmica y la resistencia al fuego; los nanotubos de carbono reducen la tasa de liberación de calor en polímeros y el GO, gracias a su nanoestructura reticular ha sido identificado como una barrera térmica eficaz para prevenir la difusión de la llama y reducir la propagación del calor. Esto sucede porque el GO al dispersarse homogéneamente dentro de la matriz del recubrimiento forma un “camino tortuoso” para reducir la velocidad de difusión térmica y de descomposición de la matriz, por lo tanto, puede mejorar la propiedad ignífuga y la resistencia mecánica del recubrimiento.

Pese a que hasta el momento no existen recubrimientos intumescentes con óxido de grafeno en el mercado, las investigaciones han concluido que el GO puede mejorar el sistema APP-MEL-PER, puesto que se ha identificado que promueve la reacción de descomposición del APP que a su vez acelera la formación del ácido fosfórico que reacciona con el PER para formar carbono. Y, aunque se ha observado que, por un lado, el GO puede llegar a disminuir la estabilidad térmica de los recubrimientos, su presencia favorece la producción de gases y los coeficientes intumescentes reduciendo la conductividad térmica.

Energeia- Graphenemex, en colaboración con una reconocida compañía mexicana de recubrimientos especializados, están trabajando en un nuevo desarrollo para lanzar al mercado el primer recubrimiento intumescente con óxido de grafeno para continuar colocando a México a la vanguardia de nuevas tecnologías.

Redacción: EF/DHS

Referencias

  1. Wang Zhan et al., Influence of graphene on fire protection of intumescent fire retardant coating for steel structure, Energy Reports 6 (2020) 693;
  2. Qiuchen Zhang et al., Effects and Mechanisms of Ultralow Concentrations of Different Types of Graphene Oxide Flakes on Fire Resistance of Water-Based Intumescent Coatings, Coatings 2024, 14, 162;
  3. M. Sabet, et al., The Effect of Graphene Oxide on Flame Retardancy of Polypropylene and Polystyrene, Materials Performance and Characterization 9, no. 1 (2020): 284;
  4. Cheng‑Fei Cao et al., Fire Intumescent, High‑Temperature Resistant, Mechanically Flexible Graphene Oxide Network for Exceptional Fire Shielding and Ultra‑Fast Fire Warning, Nano-Micro Lett. (2022) 14:92;
  5. Quanyi Liu et al., Recent advances in the flame retardancy role of graphene and its derivatives in epoxy resin materials. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 2021, 149, 106539

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