Una nueva investigación de parte del laboratorio del químico James Tour de la Universidad de Rice, ha dado lugar al desarrollo de un nuevo proceso que es capaz de convertir grandes cantidades de basura, en grafeno, en solo cuestión de 10 milisegundos.
El proceso es rápido y barato; el químico James Tour dijo que la técnica de «grafeno flash», puede convertir una tonelada de carbón, desperdicio de comida o plástico en grafeno, por una fracción del costo utilizado por otros métodos de producción de grafeno a granel.
«Esto es un gran problema», dijo Tour. “El mundo tira del 30% al 40 % de todos los alimentos, porque se descompone, por ptro lado, los desechos plásticos son una preocupación mundial. Ya hemos demostrado que cualquier materia sólida a base de carbono, incluidos los desechos plásticos mezclados y los neumáticos de goma, se puede convertir en grafeno”.
Como se informó en la Revista Nature, el grafeno instantáneo se produce en 10 milisegundos, calentando materiales que contienen carbono a 3.000 Kelvin, aproximadamente 5.000 grados Fahrenheit. El material de origen puede ser casi cualquier cosa con contenido de carbono. El desperdicio de alimentos, de plástico, coque de petróleo, carbón, recortes de madera y biochar son los principales candidatos, dijo Tour.
Figura 1. El polvo negro de carbón se convierte en grafeno en una explosión de luz y calor, a través de una técnica desarrollada en la Universidad de Rice. El grafeno flash convierte cualquier fuente de carbono en el valioso material 2D en 10 milisegundos. Foto de Jeff Fitlow
«Dado que el precio comercial actual del grafeno es de $ 67,000 a $ 200,000 por tonelada, las perspectivas para este proceso parecen excelentes», expreso Tour.
Alegó también, que una concentración de tan solo 0.1 % de grafeno flash utilizado en el cemento, podría disminuir el enorme impacto ambiental del concreto en un tercio. Según los informes, la producción de cemento emite hasta un 8 % de dióxido de carbono producido por el hombre cada año.
«Al fortalecer el concreto con grafeno, podríamos usar menos de este material para la construcción, y el costo para la fabricación disminuiría, así como transportarlo», dijo.
James Tour continua agregando que: “básicamente, estamos atrapando gases de efecto invernadero como el dióxido de carbono y el metano que los desechos alimenticios habrían emitido en los vertederos. Estamos convirtiendo esos carbonos en grafeno y agregándolo al concreto, reduciendo así la cantidad de dióxido de carbono generado en la fabricación del material. Es un escenario ambiental de beneficio mutuo con grafeno”.
«Convertir la basura en un tesoro es clave para la economía circular», dijo el co-autor correspondiente Rouzbeh Shahsavari, profesor adjunto de ingeniería civil y ambiental y de ciencia de materiales y nanoingeniería en Rice, además, funge como presidente de C-Crete Technologies. «Aquí, el grafeno actúa como una plantilla 2D y un agente de refuerzo que controla la hidratación del cemento y el posterior desarrollo de la resistencia».
En el pasado, dijo Tour, “el grafeno ha sido demasiado costoso para usar en estas aplicaciones. El proceso flash reducirá en gran medida el precio mientras nos ayuda a gestionar mejor los desechos».
«Con nuestro método, ese carbono se vuelve fijo», dijo. «No volverá a salir al aire».
El proceso se alinea, muy bien, con la recientemente anunciada iniciativa Carbon Hub, de la Universidad de Rice. El objetivo es crear un futuro de cero emisiones que reutilice los hidrocarburos del petróleo y el gas con el fin de generar hidrógeno y carbono sólido con cero emisiones. El proceso de grafeno instantáneo puede convertir ese carbono sólido en grafeno para concreto, asfalto, edificios, automóviles, ropa y más, dijo Tour.
Figura 2. En un instante, el carbón negro se convierte en grafeno a través de una técnica desarrollada por científicos de la Universidad de Rice. El proceso escalable promete convertir rápidamente el carbono de cualquier fuente en grafeno a granel. De izquierda a derecha: pasante de pregrado Christina Crassas, químico James Tour y los estudiantes graduados Paul Advincula y Duy Luong. Foto de Jeff Fitlow.
El calentamiento Flash de Joule para convertir grafeno a granel, desarrollado en el laboratorio Tour por el estudiante graduado de Rice y autor principal Duy Luong, mejora técnicas como la exfoliación de grafito y la deposición química de vapor en una lámina de metal, las cuales requerían mucho más esfuerzo y costo para producir un poco de grafeno.
Aún mejor, el proceso produce grafeno “turbostratico”, con capas desalineadas que son fáciles de separar. «AB apiló el grafeno de otros procesos, como la exfoliación de grafito, es muy difícil de separar», dijo Tour. “Las capas se adhieren fuertemente juntas. Pero es mucho más fácil trabajar con el grafeno turbostratico, porque la adhesión entre capas es mucho más baja. Simplemente, se separan en solución o al mezclar compuestos».
«Eso es importante, porque ahora podemos hacer que cada una de estas capas atómicas individuales interactúen con un host compuesto», dijo.
El laboratorio señaló que los granos de café usados, se transformaron en láminas de grafeno de una sola capa.
Los compuestos a granel de grafeno con plástico, metales, madera contrachapada, concreto y otros materiales de construcción serían un mercado importante para el grafeno instantáneo, según los investigadores, que ya están probando concreto y plástico con grafeno mejorado.
El proceso flash ocurre en un reactor diseñado a medida que calienta el material rápidamente y emite todos los elementos que no son de carbono como gas. «Cuando este proceso se industrializa, los elementos como el oxígeno y el nitrógeno que salen del reactor flash pueden quedar atrapados como moléculas pequeñas porque tienen valor», dijo Tour.
Dijo que el proceso flash produce muy poco exceso de calor, canalizando casi toda su energía hacia el objetivo. «Puedes poner tu dedo directamente en el contenedor unos segundos después», dijo Tour. «Y tenga en cuenta que esto es casi tres veces más caliente que los hornos de deposición química de vapor que anteriormente utilizamos para hacer grafeno, pero en el proceso flash el calor se concentra en el material de carbono y ninguno en un reactor circundante».
«Todo el exceso de energía sale como luz, en un destello muy brillante, y debido a que no hay solventes, es un proceso súper limpio», dijo.
Luong no esperaba encontrar grafeno cuando encendió el primer dispositivo a pequeña escala para encontrar nuevas fases de material, comenzando con una muestra de carbón. «Esto comenzó cuando eché un vistazo a un artículo de Science que hablaba sobre el calentamiento instantáneo de Joule para producir nanopartículas de metales que cambian de fase», dijo. Pero Luong se dio cuenta rápidamente de que el proceso no producía más que grafeno de alta calidad.
Las simulaciones a nivel atómico del investigador y coautor de Rice, Ksenia Bets, confirmaron que la temperatura es clave para la rápida formación del material. «Básicamente, aceleramos el lento proceso geológico por el cual el carbono evoluciona a su estado fundamental, el grafito», dijo. “Muy acelerado por un poco de calor, también se detiene en el instante correcto, en la etapa de grafeno».
«Es sorprendente cómo las simulaciones por computadora de última generación, notoriamente lentas para observar dicha cinética, revelan los detalles de los movimientos y la transformación atómica modulada a alta temperatura», dijo Bets.
James Tour espera producir un kilogramo (2.2 libras) por día de grafeno repentino dentro de dos años, comenzando con un proyecto recientemente financiado por el Departamento de Energía de Estados Unidos para convertir el carbón de origen estadounidense. «Esto podría proporcionar una salida para el carbón a gran escala al convertirlo de manera económica en un material de construcción de mucho mayor valor», dijo.
Figura 3. El químico James Tour de la Universidad de Rice, a la izquierda, y el estudiante graduado Duy Luong, exponen una muestra de grafeno turbostático puro, recién convertido a través de la técnica flash de grafeno desarrollada en el laboratorio de Tour. Los investigadores dijeron que el proceso puede ampliarse para producir cantidades a escala industrial del material valioso, a partir de cualquier fuente de carbono. Foto de Jeff Fitlow
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