Coques, una alternativa para sintetizar materiales de grafeno
Los coques carboquímico y metalúrgico estudiados provienen de la subcuenca de Sabinas, Coahuila. Fueron exfoliados en un proceso mecanoquímico, utilizando molienda planetaria con ayuda de ácido esteárico, escriben investigadores del CIQA
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El CIQA es uno de los 27 Centros Públicos de Investigación.
El grafeno es un material bidimensional de una monocapa de átomos de carbono con una estructura tipo panal de abeja. Ha suscitado un gran interés en los últimos años debido a sus extraordinarias propiedades en diversos campos de aplicación (energía, salud, automotriz). El método de obtención más utilizado se basa en la separación de las láminas de grafeno que, apiladas, forman el grafito. Las láminas están unidas por fuerzas de van der Waals que dificultan la separación. Por ello, es importante el estudio de métodos capaces de poder separar las láminas del grafito para obtener las monocapas de grafeno.
La preparación de materiales grafénicos se realiza normalmente a partir de grafitos realizando oxidaciones químicas, que se basan en introducir grupos funcionales oxigenados para incrementar el espacio interlaminar de grafito y disminuir las fuerzas intermoleculares; esto facilita su exfoliación, y permite obtener láminas de óxidos de grafeno. Tras su reducción con borohidruro de sodio o hidracina, se obtiene el óxido de grafeno reducido. Otro método de fabricación de materiales grafénicos es la exfoliación en fase líquida utilizando disolventes, los que ayudan a dispersar el material. La dispersión se realiza con procesos sonoquímicos, (ultrasonido), o mecanoquímicos, como la exfoliación de alto esfuerzo de corte. Los materiales de grafeno se obtienen después de una purificación para eliminar los disolventes utilizados; los dos procesos permiten un escalado industrial. Sin embargo, ambos procesos requieren ser optimizados para controlar las propiedades de los productos obtenidos y dependen grandemente de las características y disponibilidad del material de partida.
La preparación de materiales grafénicos se realiza normalmente a partir de grafitos realizando oxidaciones químicas.
El grafito, principal precursor para la síntesis de los materiales de grafeno, puede ser obtenido por medio de síntesis o por explotación de yacimientos minerales. El grafito natural es un recurso limitado cuyos principales productores son China, India, Brasil, Corea del Norte y Canadá; su disponibilidad, por tanto, está condicionada a las circunstancias geopolíticas presentes en cada región. Según su origen, las propiedades y composición están determinadas por el proceso natural de formación. Por otro lado, el grafito sintético tiene la ventaja de fabricarse de una gran variedad de precursores comerciales (petróleo o carbón). Sin embargo, su manufactura requiere temperaturas cercanas a los 3000 °C, lo que representa un alto costo de producción por el consumo energético.
El grafito sintético se obtiene de diferentes precursores, siendo el coque uno de los más utilizados. Éste se obtiene fundamentalmente a partir de carbón (coque siderúrgico), residuos de petróleo (coque petroquímico) y breas de alquitrán de hulla (coque carboquímico)
El coque se define como un producto con un elevado contenido de carbono, obtenido de la carbonización de materiales orgánicos, constituido por carbono no grafítico. Está formado por hojas de grafeno no ordenadas ni estrechamente unidas entre sí; por esta razón su estructura se denomina pre-grafítica. El ordenamiento laminar del coque para convertirlo a grafito, puede lograrse por medio de su calentamiento a temperaturas mayores a los 2300 °C, en atmósfera inerte.
Varios grupos de investigación realizan estudios sobre la producción de materiales tipo grafeno a partir de coques. Se les distingue así debido a que no provienen de grafitos, sin embargo, se les puede llamar tipo grafeno o simplemente materiales grafénicos a partir de coques debido a que las láminas obtenidas de estos materiales mantienen su estructura pre-grafítica similar a la estructura del grafeno proveniente de grafitos. El grupo de compositos del Instituto de Ciencia y Tecnología del Carbón, en España, ha publicado artículos en los que, por carbonización y coquización de breas de alquitrán de hulla, logran obtener un material de coque con estructura pre-grafítica; éste, tras ser oxidado químicamente, da lugar a materiales tipo grafeno. Asimismo, ha estudiado diversos coques de petróleo y carboquímicos que, utilizando métodos para oxidarlos, generan materiales grafénicos similares a los que se sintetizan de grafitos. Los materiales fueron probados como electrodos de trabajo dentro de un súper capacitor electroquímico, con resultados muy prometedores, comparables a los electrodos formados con grafenos a partir de grafitos. El uso de coques sin pasar por un proceso de grafitización, por el bajo costo de producción, ofrece una alternativa económicamente viable para la producción industrial de los materiales grafénicos, lo que señala la relevancia de las investigaciones.
El Laboratorio Nacional de Materiales Grafénicos (LNMG), del Centro de Investigación en Química Aplicada (CIQA), en Saltillo, Coahuila, con líneas de investigación que incluyen la manufactura de grafeno y su uso en varias aplicaciones del sector salud, energía y la transformación de plásticos, realiza investigaciones similares a las del INCAR.
En el LNMG se han desarrollado tecnologías que utilizan materia prima de la región carbonífera del Estado de Coahuila. Esta región tiene una extensión territorial de aproximadamente 16,040 Km2, y está conformada por los municipios de Múzquiz, San Juan de Sabinas, Sabinas, Progreso y Juárez. Dentro de esta región carbonífera se encuentran 4 diferentes subcuencas: Sabinas, Saltillo-Lampacitos, San Patricio y Esperanzas; ricas en diversos tipos de carbón (lignito, turba, hulla y antracita).
Los coques carboquímico y metalúrgico estudiados provienen de la subcuenca de Sabinas. Han sido exfoliados en un proceso mecanoquímico, utilizando molienda planetaria con ayuda de ácido esteárico por periodos de 1 a 4 horas, obteniendo materiales tipo grafeno comparables a los que provienen de grafitos. El rendimiento se encuentra en un 99%, lo que hace que pueda ser escalable desde un punto de vista industrial; el proceso, tiene la ventaja de cuidar al medio ambiente ya que solo utiliza ácido esteárico, un producto natural obtenido de grasas animales, empleado comúnmente en jabones, velas y cosméticos.
El grafito, principal precursor para la síntesis de los materiales de grafeno.
Los materiales grafénicos obtenidos por el grupo del LNMG, han sido probados como cargas dentro del polímero ABS, mejorando su propiedad mecánica de resistencia a la rotura. Los materiales pueden ser utilizados dentro de la industria automotriz (partes cromadas, vestiduras, interiores del auto, por mencionar algunas), abriendo la posibilidad de estudiarlos como aditivos de otros polímeros útiles en diferentes aplicaciones.
De igual forma, los grafenos a partir de coques fueron probados como electrodos de trabajo en la cuantificación de moléculas de interés biológico (glucosa). Los resultados obtenidos fueron buenos, mostrando la capacidad de uso de los materiales para fabricar dispositivos capaces de ayudar a las personas que padecen diabetes; ayudándolas a controlar su enfermedad cuantificando los contenidos de azúcar usando orina o saliva, lo que aumenta su calidad de vida.
Esta línea de investigación del LNMG ofrece materiales con potencial para ser aplicados en diversas áreas de la ciencia y la tecnología de México; su atractivo es el permitir el uso de materiales de la región, dando valor añadido a los productos obtenidos en esas zonas del país.
Referencias:
1. Gobierno del Estado de Coahuila de Zaragoza, Perfil región carbonífera, Invest Coahuila, Coahuila de Zaragoza México, 2019, https://investcoahuila.com/wp-content/uploads/2020/08/SEC-CARBONIFERA-2019-SEP.pdf.
2. Coordinación General de Minería, Perfil de mercado del carbón, Secretaria de Economía, Coahuila de Zaragoza México, 2020, https://www.gob.mx/cms/uploads/attachment/file/564112/Carb_n_2020__ENE_.pdf.
3. Sierra U. Álvarez P. Blanco C. Granada M. Santamaría R. Menéndez R. New alternatives to graphite for producing graphene materials, Carbon, 2015, http://dx.doi.org/10.1016/j.carbon.2015.05.105.
4. Sierra U. Mercado A. Cuara E. Diaz E. Cortés A. Gallardo C. Fernández S. Coke-derived few layer graphene-like materials by mild planetary milling exfoliation, Fuel 2020, https://doi.org/10.1016/j.fuel.2019.116455.
*Laboratorio Nacional de Materiales Grafénicos / Centro de Investigación en Química Aplicada
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