Grafeno flash, un material barato que se puede obtener de la basura

Tras descubrirse el grafeno en 2004 se desarrollaron diversos métodos de producción. Una forma es exfoliar grafito para obtener monocapas de grafeno, pero ello requiere el uso de disolventes o tratamientos de cizallamiento, sonicación o electroquímicos. Una alternativa es tratar el grafito con oxidantes fuertes para obtener óxido de grafeno, que es más fácil de exfoliar, pero la reducción posterior para obtener grafeno suele provocar defectos. Digamos que esta es una síntesis descendente: de grafito a grafeno.

Pero también están las estrategias ascendentes, que consisten en obtener el grafeno directamente por la técnica de deposición de vapor químico o por métodos orgánicos sintéticos avanzados, con el inconveniente de que también se suelen obtener estructuras con defectos.

Una estrategia ascendente que consigue grafeno de alta calidad, fácilmente exfoliable y con pocos defectos se ha descubierto en 2020. Al producto que se obtiene se le ha denominado grafeno flash y la técnica tiene la ventaja adicional de que la materia prima puede ser prácticamente cualquier material que contenga carbono, desde el propio carbón en todas sus variedades (coque, biocarbón, negro de humo…) a la mayoría de los materiales y sustancias que se encuentran en un basurero (sobras de alimentos, neumáticos, desechos de plásticos…). Se ha comprobado el funcionamiento del método con ácidos húmicos, queratina (cabello), lignina, sacarosa, almidón, corteza de pino, posos de café, hollín de aceite de oliva, repollo, coco, cáscaras de pistacho, pieles de patata o mezclas de residuos plásticos..

Otra de las características del procedimiento de síntesis del grafeno flash es que dura menos de un segundo (de ahí su nombre, también debido a que se obtiene mediante una descarga eléctrica). Y por si fueran pocas ventajas, una más es que el grafeno resultante es turboestrático (es decir, las monocapas apiladas tienen orientaciones al azar, a diferencia del grafeno AB), lo que facilita que la exfoliación, ya que la adherencia es baja.  

El método de síntesis no requiere hornos convencionales, ni disolventes ni gases reactivos. Simplemente se basa en un calentamiento instantáneo por efecto Joule (es decir, por electricidad) del material carbonoso. En los primeros ensayos, el material se introdujo en un tubo de cuarzo en cuyos extremos había dos electrodos de lana de cobre o grafito cuya función era proporcionar una descarga o pulso eléctrico. Con los mismos electrodos el material se presionó ligeramente, pero de forma que los gases volátiles que se iban a formar pudieran escapar. Al comprimir la materia carbonosa se minimiza su resistencia eléctrica, pues es preciso que conduzca la corriente.

Se le aplicó entonces una descarga que duró entre 50 y 200 ms, pero se puede conseguir en bastante menos tiempo. La diferencia de potencial (400 V) la proporcionó una batería de condensadores. En 100 ms se alcanzó una intensidad de corriente de 1000 A. En ese tiempo, el material carbonoso alcanza una temperatura de 3000 K, lo que lo descompone químicamente en alto grado, quedando solo carbón. Utilizando un tubo de cuarzo de 15 mm de diámetro, la primera síntesis proporcionó 1 g de grafeno flash. El costo de energía para la síntesis fue de solo 7,2 kilojulios por gramo. El rendimiento dependía del contenido de carbono del material. Con negro de humo, carbón antracítico o coque calcinado, que son muy ricos en carbono, oscilaba entre el 80 y el 90%.

Imágenes de microscopía electrónica de transmisión de alta resolución de grafeno flash turboestrático obtenido de posos de café.

La comprobación de que se había obtenido grafito turboestrático se hizo por espectroscopía Raman, técnica que demostró también (por la baja intensidad de la llamada banda D) que el producto tenía una de las concentraciones de defectos más bajas informadas hasta entonces para el grafeno.

La orientación desordenada de las capas de grafeno facilita su rápida exfoliación, lo que permite obtener de forma bastante sencilla un grafeno útil para obtener materiales compuestos con plásticos, metales, madera contrachapada, hormigón y otros materiales de construcción. Se comprobó que añadiendo solo un 0,05% de este material al hormigón y dejando curar 28 días aumentó la resistencia a la compresión del hormigón en un 25 %.

Aunque el procedimiento ahora funciona solo a escala de laboratorio, se espera desarrollarlo para que se pueden obtener cantidades industriales. Además, se trabaja en recuperar los productos gaseosos que se obtienen de las reacciones químicas que se producen en el proceso, como hidrógeno, nitrógeno y oxígeno.    

Es, pues, una técnica de química verde, mucho más barata que otras de producción de grafeno, consumidora de poca energía y que aprovecha cualquier material carbonoso, incluidos los desechos de todo tipo de los vertederos. Con estos materiales de partida el método no daba tan buenos resultados como con carbones, pero se ha seguido trabajando para perfeccionarlo, concretamente aplicando secuencias de pulsos eléctricos (por ejemplo, hacer que pase corriente alterna durante unos segundos antes de dar la descarga) y controlando el tiempo de la descarga.

En estos dos vídeos se explica el proceso. El primero muestra el montaje experimental original que hizo el químico James M. Tour y su equipo.

(Universidad de Rice)

(Universidad de Rice)

Fuente: Luong, D.X., Bets, K.V., Algozeeb, W.A. et al. Gram-scale bottom-up flash graphene synthesis. Nature 577, 647–651 (2020). doi.org/10.1038/s41586-020-1938-0