Transforman el carbón en grafeno, componente útil que mejoraría la resistencia del concreto

 Con un rendimiento promedio del 23 % se destaca el potencial del carbón en la producción de materiales muy pequeños como el grafeno, el cual tiene propiedades excepcionales: alta conductividad eléctrica, resistencia mecánica y ligereza, características que lo hacen valioso para aplicaciones en electrónica, medicina y construcción. Para Colombia, país con reservas de carbón de 6.000 millones de toneladas, este avance abre nuevas puertas para su uso en aplicaciones como el fortalecimiento de materiales y el desarrollo de nuevos productos industriales.

El óxido de grafeno es una forma oxidada del grafeno, un material compuesto por capas de carbono de un solo átomo de grosor; pese a su potencial, producirlo en cantidades suficientes y de forma económica sigue siendo un desafío, especialmente en países en vías de desarrollo.

César Germán Franco Rodríguez, doctor en Ingeniería - Ciencia y Tecnología de Materiales de la Universidad Nacional de Colombia (UNAL), desarrolló un proceso innovador para obtener óxido de grafeno a partir de carbones antárcticos, minerales que se caracterizan por ser muy puros y tener un alto contenido de carbono. Su investigación no solo busca valorizar recursos naturales como el carbón, sino además promover aplicaciones sostenibles, como mejorar la resistencia del concreto.

La tesis doctoral, dirigida por el profesor Carlos Guerrero, del Departamento de Química de la UNAL, aplicó un proceso llamado oxidación de Homers, que consiste en someter el carbón a una mezcla de ácidos fuertes (sulfúrico y fosfórico) y agentes oxidantes (permanganato de potasio), los cuales descomponen las estructuras complejas del carbón y generan óxido de grafeno.

Con carbones boyacenses

Para comenzar, el doctor seleccionó carbones de minas en Boavita (Boyacá), conocidos por su alta pureza y contenido de carbono. Estas muestras se trituraron y clasificaron según su tamaño para garantizar que el material procesado fuera homogéneo y adecuado para las reacciones químicas.

“La norma técnica indica que las partículas deben tener tamaños menores a los 0,5 mm y deben estar acompañadas de un proceso de limpieza que, en el caso del carbón, incluye un baño alcalino con hidróxido de sodio o hidroxido de potasio para eliminar impurezas minerales, lo que mejora la pureza y concentración del carbono”, explica el investigador.

Posteriormente, el material se sometió a oxidación química mediante el método de Homers, en una reacción controlada de 10 horas para modificar la estructura cristalina del carbón e insertar cadenas funcionales que forman óxido de grafeno. Este se exfolió mediante un baño ultrasónico con surfactante, para obtener la limpieza perfecta de material.

Luego se purificó con etanol, se secó y caracterizó usando técnicas como espectrofotometría UV-Visible –que mide la cantidad de luz que absorbe o transmite una muestra en el rango de longitudes de onda ultravioleta (UV) y visible–, que sirve para determinar la concentración y calidad de una sustancia, como la pureza o la presencia de impurezas.

También utilizó microscopía electrónica de barrido, técnica que se utiliza para analizar la morfología y topografía de la superficie de un material; con la microscopía de fuerza atómica determinó capas, y a través de la espectroscopia Raman confirmó la estructura química y el grosor del material.

Así, el investigador encontró que es posible obtener óxido de grafeno a partir de carbón antracítico, un tipo de carbón con alta pureza y bajo contenido de impurezas.

Las estructuras obtenidas tienen una altura promedio entre 10,8 y 184,6 nanómetros (nm), un nanómetro es una mil millonésima parte de un metro. Además, las partículas resultantes presentan tamaños entre los 200 nm y 10 micrómetros (la milésima parte de un milímetro).

“En términos de rendimiento, el proceso logró extraer un 30 % del peso inicial del material, lo que indica que una porción significativa del carbón se convierte en óxido de grafeno”, señala el doctor Franco.

Actualmente el investigador trabaja en incorporar óxido de grafeno en el concreto, buscando aumentar su resistencia mecánica hasta en un 50 %, avance que reduciría el consumo de concreto hasta en un 25 %, alineándose con políticas de sostenibilidad y valorización de residuos.

“El carbón no es ni bueno ni malo, depende del uso que le demos. Este proyecto muestra cómo podemos transformar residuos en soluciones útiles para la humanidad, promoviendo alternativas sostenibles”, concluye el investigador.

Reducir oxígeno y carbón aumentaría eficiencia energética de paneles solares y celulares

 Después de crear las láminas microscópicamente delgadas para conducir energía –corriente o luz–, las cuales suelen utilizarse en paneles solares y en dispositivos láser y electrónicos como el celular, se presentó un 23 % de impurezas por alta presencia de oxígeno y 19 % de carbón, datos que sirven para determinar que su rendimiento energético es bajo.

En los paneles solares la ineficiencia energética hace referencia a sus limitantes para alcanzar un rendimiento óptimo en la conversión de la luz solar en electricidad; aunque esto depende de factores como la sombra de un árbol o la antigüedad del dispositivo, también se relaciona con la composición química con la que se creó la lámina conductora de energía.

Para comparar los factores químicos que influyen en esta deficiencia, a partir de indio, galio y nitrógeno, el ingeniero físico Andrey Alessandro Rodríguez Ospina elaboró láminas con espesores imperceptibles al ojo humano (20 micrómetros, más finos que el filo de una hoja de papel) y con una dimensión de apenas 1 cm de ancho y largo, trabajo que adelantó en el Laboratorio de Nanoestructuras Semiconductoras de la Universidad Nacional de Colombia (UNAL) Sede Manizales.

El indio –un metal poco abundante– es crucial en la fabricación de láminas debido a su baja fusión y maleabilidad; no suele encontrarse en forma pura en la naturaleza y a menudo se extrae como subproducto del zinc.

Por su parte el galio, presente especialmente como un subproducto de la extracción de aluminio, mejora las propiedades eléctricas por su bajo punto de fusión.

Y el nitrógeno, al formar compuestos, puede fortalecer las láminas proporcionando resistencia y estabilidad en diversas aplicaciones. Comercialmente se obtiene a través de procesos como la destilación fraccionada del aire.

Este trabajo se encuentra en la línea de investigación del profesor Álvaro Pulzara Mora, del Departamento de Física y Química de la UNAL Sede Manizales, quien, como integrante del grupo de investigación Magnetismo y Materiales Avanzados, ha realizado valiosos aportes al desarrollo de nuevas técnicas para elaborar materiales semiconductores dirigidos a distintos dispositivos tecnológicos.

Alta tecnología

Las láminas se crearon mediante pulverización catódica con un magnetrón sputtering, equipo que contiene un blanco de los elementos como indio, galio y nitrógeno (cátodos). En esta cámara de vacío se introduce gas argón para generar un plasma. Así, los iones resultantes colisionan con el blanco liberando átomos del material objetivo. Estos se depositan en un sustrato, como la lámina de cobre, formando una película delgada con propiedades específicas.

Se utilizó la técnica magnetrón sputtering con un sustrato de silicio y dos blancos hechos de indio y nitruro de galio, con una pureza del 99,9 %. “Los materiales se depositaron en una atmósfera de argón a baja presión de 5,5 × 10-2 Torr (unidad de presión) y la temperatura de las muestras se controló a 300 y 400 °C; una primera muestra con 10 escáneres en 1 minuto y 55 segundos, y otra con 20 escáneres de 3 minutos 40 segundos”, amplía el ingeniero físico. El escáner hace referencia al número de veces que se repasó para analizarlos.

“Es importante usar el argón (gas incoloro, inodoro e insípido), ya que el tamaño de su átomo es óptimo para generar la separación de las partículas, y además no contamina la muestra. El proceso puede tardar entre 30 minutos o más de dos horas, según el tamaño de la muestra”, explica el ingeniero.

En otra fase del estudio, y para entender la composición química de la superficie del material, en el Laboratorio del Centro de Investigación y de Estudios Avanzados del Instituto Politécnico Nacional (Cinestav) en México, se utilizó el método por espectroscopia de fotoelectrones por rayos X (XPS), que permite ver los átomos en la superficie de un material al analizar la energía de los electrones expulsados cuando es bombardeado con rayos X.

El análisis de la muestra reveló la presencia de enlaces de indio con oxígeno, e indio y nitrógeno, y de galio con nitrógeno. Además, se observaron similitudes en la composición superficial y en los enlaces químicos entre las muestras a 300 y 400 °C, destacando la estabilidad general.

Sin embargo, se identificaron diferencias notables como el aumento del enlace nitrógeno-indio a temperaturas más elevadas. También se evidenció la importancia de considerar la temperatura en la formación de enlaces de carbono, en especial en presencia de silicio como sustrato.

“En la caracterización se determinó la presencia de más del 23 % de oxígeno y más del 19 % de carbón, que no es poco, considerados como impurezas que limitan la eficiencia de energía”. Pese a ello, no es posible eliminarlas del todo, ya que, “por más potente que sea el magnetrón, lo que se puede hacer es dejar las moléculas en su mínima expresión, máximo a un 5 o 10 %, pero no podrán desaparecer por completo”, explica el ingeniero.

Anota además que incluso para todo el proceso de elaboración, primero es necesario vaciar o liberar toda la carga de los elementos dentro del magnetrón entre 2 y 5 días para prepararlo. “Si se lograra reducir esas impurezas, por ejemplo la eficiencia de un panel solar pasaría del estándar, que es entre un 28 y 30 % de uso de energía del 100 % que recibe, a un 50 %”.

El estudio es muy importante ya que proporciona información sobre la composición de los materiales empleados en la producción industrial de semiconductores, utilizados cada vez más en nuestra cotidianidad.

 

 

Residuos de madera convertidos en energía, carbón vegetal y hasta vinagre

 Hojas de los árboles, viruta de madera, cisco de café o cascarilla de arroz, entre otros residuos, son la materia prima con la que se pueden generar energías con emisión neutra de dióxido de carbono (CO2) a la atmósfera, además de productos como biochar (carbón vegetal) y vinagre de madera, muy cotizados en el mercado. Con innovaciones como estas, la Universidad Nacional de Colombia (UNAL) Sede Medellín proyecta la puesta en marcha de una spin-off.

Imagine que todas las hojas que poda de los árboles de su finca pueden ir no a la basura sino a una máquina que las procesa y obtiene de ellas energía para iluminar un espacio o para utilizar la lavadora o la licuadora. Así, los residuos que muchas veces son considerados como basura, dejarían de ser problema para convertirse en una oportunidad.

Como las oportunidades se aprovechan, el grupo de investigación Termodinámica Aplicada y Energías Alternativas (Tayea), de la UNAL Sede Medellín, lidera investigaciones que les permitan generar energía eléctrica y obtener productos con valor agregado.

Uno de los procesos para llegar a dichos fines es la gasificación, que “consiste en tomar un material sólido carbonoso, como por ejemplo las hojas de las podas de los árboles, y meterlo en un reactor a una temperatura de unos 850 °C, en presencia de poco de oxígeno, vapor de agua y dióxido de carbono”, explica profesor Farid Chejne Janna, líder del Tayea.

Allí el material lignocelulósico, llamado técnicamente biomasa, empieza a ser “cortado a nivel molecular”, o craqueado.

“Se trata de cadenas largas de carbonos, hidrógenos y oxígenos que se van ‘cortando’ durante la gasificación, de manera que van quedando moléculas más pequeñas como metano, monóxido de carbono, hidrógeno, etc.”, complementa Carlos Mario Ceballos, investigador del Tayea y profesor de la Universidad de La Guajira.

El resultado de este proceso es un producto gaseoso rico en hidrógeno y monóxido de carbono, gases que se pueden usar para producir energía eléctrica o térmica, que incluso se podrían enriquecer con más hidrógeno para llevarlo a otro tipo de reactor y producir gasolina, diésel, keroseno, dimetil éter (precursor de biocombustibles y productos químicos) o ácido acetilsalicílico (aspirina).

Todas estas posibilidades abren un panorama alternativo para la industria colombiana, que el grupo de investigación ha llamado “descarbonización”, pues el proceso de gasificación permite generar energía eléctrica con una emisión neutra de dióxido de carbono –uno de los principales causantes del calentamiento global– evitando la producción de metano, que es 28 veces más dañino que el CO₂ y que se genera por la descomposición inadecuada de los residuos agroindustriales.

“Con base en la tecnología de gasificación, que ya se tiene desarrollada, junto al uso de la alta ingeniería (modelamiento matemático, simulación de procesos, optimización y diseño de equipos), se está buscando aportar a la descarbonización de la industria colombiana”, comenta el profesor Ceballos.

Tanto así, que el Tayea proyecta crear “DeCO2”, una spin-off que proporcionaría dispositivos para la gasificación y la generación de energía; además ofrecería asesoría en torno a la optimización de procesos industriales con base en el modelamiento y la simulación. La industria nacional tiene un potencial de ahorro energético que rondaría entre el 20 y 25 %.

En ese sentido, proyectan conformar “distritos de aprovechamiento energético de residuos”, en los que, con volúmenes de biomasa intermedios producidos en empresas medianas, grandes unidades residenciales, universidades, colegios o centros vacacionales, se pueda generar energía y otros productos de valor agregado.

Así, teniendo en cuenta que con la gasificación quedan algunos elementos sólidos –como el biochar– y líquidos –como el vinagre de madera, usado en la industria alimentaria–, el grupo también le está apostando a la consolidación de productos para el mercado.

“El biochar se puede convertir en carbón activado, muy usado en la captura de gases, la limpieza de afluentes hídricos y el sector textil”, señala el profesor Ceballos.

Además de las innovaciones conocidas hasta ahora, el Tayea avanza en la simulación molecular, el modelamiento de procesos a escala de partícula y a escala de proceso y el desarrollo de nuevos diseños ingenieriles para la generación de tecnologías locales.