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