Cuando Ange Nzihou, experto en convertir los residuos de la sociedad en productos valiosos, visitó Princeton en 2022, trajo consigo una técnica para transformar biomasa residual en grafeno, un material con múltiples usos, desde baterías a células solares. Sabía que su método, basado en un catalizador de hierro no tóxico, ofrecía ventajas sobre otros que emplean sustancias químicas peligrosas, metales preciosos o combustibles fósiles.
Sólo había un problema: Nzihou no sabía exactamente cómo funcionaba el proceso.
«En mi trabajo como ingeniero químico, a menudo me interesan las propiedades finales de los materiales y cómo pueden aplicarse al mundo real», explica Nzihou, distinguido catedrático de ingeniería química del IMT Mines Albi – CNRS (Francia) que visitó Princeton a través del Programa Fulbright de Profesores Visitantes. «Pero si queremos optimizar las propiedades de los materiales que producimos, tenemos que entender qué ocurre en las escalas nano y atómica para que se produzca la transformación».
Ahí es donde Claire White, profesora asociada de ingeniería civil y medioambiental y del Centro Andlinger de Energía y Medio Ambiente, vino a ayudar.
Como anfitriona de Nzihou en la facultad, White aportó su experiencia en la caracterización de materiales a escala nanométrica y atómica para descubrir el mecanismo que permitía al hierro ayudar a convertir biomasa residual en grafeno.
El resultado no sólo fueron dos artículos, el primero publicado en ChemSusChem y el otro en Applied Nano Materials, que detallan el mecanismo y la promesa de utilizar el hierro como catalizador para transformar biomasa residual, como astillas de madera y otra biomasa rica en celulosa, en materiales de carbono de valor añadido. También fue una plataforma de lanzamiento para una colaboración continuada entre los dos grupos, que combinó la experiencia de cada uno de ellos para añadir nuevas dimensiones a sus programas de investigación.
Un descubrimiento de proporciones nanométricas
El grafeno, una lámina de carbono puro de sólo un átomo de grosor, suele fabricarse por deposición química de vapor, un proceso muy utilizado en la industria de los semiconductores para producir recubrimientos uniformes. Sin embargo, según Nzihou, la deposición química de vapor suele depender de sustancias químicas peligrosas y tecnologías caras. Asimismo, dijo que las alternativas para la producción de grafeno suelen emplear materiales tóxicos o de coste prohibitivo, así como el uso de fuentes basadas en el petróleo.
En busca de una forma ecológica de producir grafeno, Nzihou y White recurrieron a fuentes infrautilizadas de biomasa como material de partida para el proceso. Por desgracia, la mayor parte de esa biomasa es rica en celulosa, un polímero abundante que se encuentra en las paredes celulares de las plantas. La celulosa ha demostrado ser difícil de convertir en materiales de carbono altamente ordenados, como el grafeno, sin utilizar catalizadores tóxicos o de metales de tierras raras, debido a la estructura y disposición de sus enlaces químicos.
Pero Nzihou descubrió que un catalizador de óxido de hierro podía lograrlo. Introduciendo el hierro en la biomasa y calentándola en un entorno con oxígeno limitado mediante un proceso conocido como carbonización, Nzihou demostró que era posible transformar la biomasa rica en celulosa en un material final con extensas regiones de láminas ordenadas de grafeno.
«Ange había demostrado que era posible utilizar hierro como catalizador», explica White. «Pero la verdadera cuestión estaba en intentar comprender cómo el hierro proporcionaba este comportamiento catalítico».
White recurrió a su experiencia en caracterización a escala atómica y nanométrica para encontrar la respuesta. Mediante técnicas como la dispersión total de rayos X, la espectroscopia Raman, la microscopia electrónica de transmisión y las mediciones magnéticas, los investigadores descubrieron que, en el transcurso del proceso de calentamiento, el catalizador de óxido de hierro se descomponía primero para formar nanopartículas dentro de la biomasa. Cuando la biomasa rica en celulosa empezó a disolverse a temperaturas más altas, precipitó en forma de capas de láminas de grafeno sobre la superficie de las partículas de hierro.
«De hecho, pudimos observar esta capa ordenada de átomos de carbono que se formó alrededor de las nanopartículas de hierro durante el proceso», explica White.
Curiosamente, Nzihou y White descubrieron que unas pocas nanopartículas de hierro de mayor tamaño favorecían la formación de grafeno en regiones más extensas que muchas otras más pequeñas, una pista útil que podría servir de base a futuros esfuerzos por ampliar el proceso de transformación de biomasa residual en grafeno. Los investigadores siguen perfeccionando el proceso para aumentar el tamaño de las regiones de grafeno puro y reducir el número de defectos en el material final.
«Ahora que conocemos el mecanismo, podemos averiguar cómo mejorar el proceso y optimizar las propiedades de las láminas de grafeno en comparación con el método convencional de deposición química de vapor, e incluso estudiar formas de ampliarlo en un futuro próximo«, explica Nzihou. «Porque, al fin y al cabo, nuestro trabajo consiste en desarrollar materiales avanzados de carbono respetuosos con el medio ambiente, al tiempo que cerramos el ciclo del carbono y mitigamos las emisiones de dióxido de carbono».
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Una plataforma de lanzamiento para colaboraciones fructíferas
Los investigadores afirmaron que el proyecto les permitió aprovechar los conocimientos de unos y otros para avanzar en el campo de la utilización sostenible del carbono, y que la asociación inicial ha encajado desde entonces en múltiples proyectos de investigación en curso.
«Ha sido una colaboración apasionante», afirma White. «Nunca me habría imaginado trabajando en estos materiales de carbono sostenible, pero estos proyectos con Ange me han brindado una oportunidad inmejorable para ampliar mi trabajo y añadir nuevas dimensiones a mi investigación».
Para Nzihou, su estancia como becario Fulbright no ha sido más que un anticipo de lo que está por venir. Volverá al Centro Andlinger en marzo de 2024 como investigador visitante Gerhard R. Andlinger para seguir explorando formas de transformar fuentes infrautilizadas de biomasa en materiales avanzados de carbono con propiedades específicas para aplicaciones que van desde la agricultura al almacenamiento de energía y el secuestro de CO2.
Con White, planea ampliar el alcance de su trabajo uniendo la experiencia de otros miembros de la facultad de Princeton como Craig Arnold, Michele Sarazen y Rodney Priestley para desarrollar una estrategia de utilización sostenible del carbono. También pretende colaborar con el Laboratorio de Física del Plasma de Princeton (PPPL) para explorar el uso de plasmas para alimentar diversos procesos de producción.
«Creo que esta investigación sobre el carbono que estamos realizando tendrá una repercusión increíble, porque aún quedan muchos retos apasionantes por superar en este campo», afirma Nzihou. «Y creo que Princeton es el lugar adecuado para hacerlo. Cuando vi la estructura del Centro Andlinger, vi que tenía todo lo que necesitaría para desarrollar mi investigación.»
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