CORVALLIS, Ore. – Químicos e ingenieros de la Universidad Estatal de Oregón han descubierto una nueva y fascinante forma de tomar parte del dióxido de carbono atmosférico que está causando el efecto invernadero y utilizarlo para fabricar un material avanzado y de alto valor para su uso en productos de almacenamiento de energía.
Esta innovación en nanotecnología no absorberá suficiente carbono para resolver el calentamiento global, dicen los investigadores. Sin embargo, proporcionará una forma ecológica y económica de producir grafeno nanoporoso para su uso en «supercondensadores», dispositivos que pueden almacenar energía y liberarla rápidamente.
Dichos dispositivos se utilizan en todo, desde la industria pesada hasta la electrónica de consumo.
Los hallazgos fueron publicados recientemente en Nano energía por científicos de la Facultad de Ciencias de OSU, la Facultad de Ingeniería de OSU, el Laboratorio Nacional de Argonne, la Universidad del Sur de Florida y el Laboratorio Nacional de Tecnología Energética en Albany, Oregon. El trabajo fue apoyado por OSU.
En la reacción química que se desarrolló, el resultado final es grafeno nanoporoso, una forma de carbono que está ordenada en su estructura atómica y cristalina. Tiene una enorme superficie específica de unos 1.900 metros cuadrados por gramo de material. Por eso, tiene una conductividad eléctrica al menos 10 veces mayor que el carbón activado que ahora se usa para fabricar supercondensadores comerciales.
«Hay otras formas de fabricar grafeno nanoporoso, pero este enfoque es más rápido, tiene poco impacto ambiental y cuesta menos», dijo Xiulei (David) Ji, profesor asistente de química de OSU en la Facultad de Ciencias de OSU y autor principal del estudio. .
“El producto presenta una gran área superficial, gran conductividad y, lo que es más importante, tiene una densidad bastante alta que es comparable a los carbones activados comerciales.
“Y la fuente de carbono es el dióxido de carbono, que es un recurso sostenible, por decir lo menos”, dijo Ji. «Esta metodología utiliza abundante dióxido de carbono al mismo tiempo que hace que los productos de almacenamiento de energía tengan un valor significativo».
Debido a que los materiales involucrados son económicos y la fabricación es simple, este enfoque tiene el potencial de ampliarse para la producción a niveles comerciales, dijo Ji.
La reacción química descrita en este estudio involucró una mezcla de metales magnesio y zinc, una combinación descubierta por primera vez. Estos se calientan a alta temperatura en presencia de un flujo de dióxido de carbono para producir una reacción “metalotérmica” controlada. La reacción convirtió los elementos en sus óxidos metálicos y grafeno nanoporoso, una forma pura de carbono que es notablemente fuerte y puede conducir el calor y la electricidad de manera eficiente. Posteriormente, los óxidos metálicos podrían reciclarse nuevamente en sus formas metálicas para hacer que un proceso industrial sea más eficiente.
En comparación, otros métodos para hacer grafeno nanoporoso a menudo usan productos químicos corrosivos y tóxicos, en sistemas que serían difíciles de usar a grandes niveles comerciales.
“La mayoría de los supercondensadores de carbón comerciales ahora usan carbón activado como electrodos, pero su conductividad eléctrica es muy baja”, dijo Ji. “Queremos un almacenamiento y liberación de energía rápidos que proporcionen más potencia, y para ese propósito, el grafeno nanoporoso más conductor funcionará mucho mejor. Esto resuelve un problema importante en la creación de supercondensadores más potentes”.
Un supercondensador es un tipo de dispositivo de almacenamiento de energía, pero se puede recargar mucho más rápido que una batería y tiene mucha más potencia. Se utilizan principalmente en cualquier tipo de dispositivo donde se necesita un almacenamiento de energía rápido y una liberación de energía breve pero potente.
Se utilizan en electrónica de consumo y tienen aplicaciones en la industria pesada, con la capacidad de impulsar cualquier cosa, desde una grúa hasta una carretilla elevadora. Un supercondensador puede capturar energía que de otro modo se desperdiciaría, como en las operaciones de frenado. Y sus capacidades de almacenamiento de energía pueden ayudar a “suavizar” el flujo de energía de los sistemas de energía alternativa, como la energía eólica.
Pueden alimentar un desfibrilador, abrir los toboganes de emergencia en un avión y mejorar en gran medida la eficiencia de los automóviles eléctricos híbridos. Los materiales de carbono nanoporosos también pueden adsorber gases contaminantes, funcionar como filtros ambientales o usarse en el tratamiento del agua. Los usos están en constante expansión y se han visto limitados principalmente por su costo.
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