El artículo de Luong, DX; Bets, KV; Algozeeb, WA; Stanford, MG; Kittrell, C .; Chen, W.; Tour, JM (2020) es de especial relevancia, ya que demuestra que la producción a gran escala de grafeno es perfectamente factible sin necesidad de un alto grado de sofisticación ni de procedimientos químicos especiales.
En su resumen, los investigadores revelan el objeto de su investigación : «Aquí demostramos que el calentamiento instantáneo por julios de fuentes de carbono de bajo coste, como carbón, coque de petróleo, biocarbón, negro de humo, alimentos desechados, neumáticos de caucho y residuos plásticos mezclados, puede producir grandes cantidades de grafeno a escala de gramo en menos de un segundo«.
Los investigadores lograron producir grafeno de alta calidad en milisegundos con poco gasto energético, utilizando electrodos y tubos de cuarzo, como se explicará más adelante.
El producto denominado Flash Graphene o FG «no requiere horno, disolventes ni gases reactivos.
Los rendimientos dependen del contenido de carbono de la fuente utilizada; cuando se utiliza una fuente con un alto contenido de carbono, como el hollín, el carbón de antracita o el coque calcinado, se obtienen rendimientos del 80 al 90% con una pureza de carbono superior al 99%«.
Los investigadores analizaron las muestras de grafeno mediante espectroscopia Raman y obtuvieron «una banda D baja o ausente para el grafeno Flash, lo que indica que éste tiene una de las concentraciones de defectos más bajas de las que se ha informado hasta ahora para el grafeno«.
Fig. 1. Síntesis de grafeno a partir de diversas fuentes de carbono. (Luong, DX; Bets, KV; Algozeeb, WA; Stanford, MG; Kittrell, C.; Chen, W.; Tour, JM 2020).
El proceso FJH (Instantaneous Joule Heating, o Flash Joule Heating) consiste en el encapsulamiento comprimido (en un fino tubo de cuarzo) del material con alto contenido en carbono que se desea convertir en grafeno, encerrado en una pila de electrodos que genera una corriente que aumenta drásticamente la temperatura (3000 K = 2726 °C) en una ráfaga temporal (flash) de unos pocos milisegundos.
Este proceso provoca la cristalización del carbono en el grafeno.
En cuanto al coste, los autores indican que «sólo se necesitan 7,2 kilojulios por gramo para la síntesis de FG, lo que podría hacerlo adecuado para su uso en compuestos a granel de plásticos, metales, madera contrachapada, cemento y otros materiales de construcción«.
Para demostrar la validez del método con residuos orgánicos, se examinó el caso del café, que «con su 40% de contenido en carbono, proporciona un rendimiento basado en el contenido inicial de carbono de alrededor del 85%«.
Esto se debe a que los residuos orgánicos contienen principalmente hidratos de carbono, por lo que es probable que cualquier residuo orgánico con un alto contenido en hidratos de carbono pueda aprovecharse fácilmente.
A pesar de ello, el mejor rendimiento se ha encontrado utilizando carbón : «el rendimiento del proceso FJH alcanza entre el 80% y el 90% a partir de fuentes con alto contenido en carbono, como el negro de humo, el coque calcinado o el carbón de antracita.
Otros materiales que pueden utilizarse para este fin son : «carbón vegetal, biocarbón, ácido húmico, queratina (cabello humano), lignina, sacarosa, almidón, corteza de pino, hollín de aceite de oliva, col, coco, cáscaras de pistacho, cáscaras de patata, neumáticos de caucho y plásticos mixtos, incluidos el tereftalato de polietileno (PET o PETE), el polietileno de alta o baja densidad, el cloruro de polivinilo, el polipropileno y el poliacrilonitrilo«.
En cuanto a la calidad del grafeno 2D, «se optimiza ajustando la compresión de la muestra entre los electrodos (que afecta a la conductividad de la muestra), la tensión del condensador y la duración de la conmutación, con el fin de controlar la temperatura y la duración del flash.
La desgasificación de hidrógeno, nitrógeno y oxígeno durante el proceso de FJH podría contribuir a la formación de grandes láminas de grafeno fino, evitando el solapamiento de capas y favoreciendo el crecimiento posterior«.
Fig. 2. Ensayos de fabricación de grafeno en diferentes tipos de tubos, combinaciones de temperatura, compresión y sus resultados. (Luong, DX; Bets, KV; Algozeeb, WA; Stanford, MG; Kittrell, C.; Chen, W.; Tour, JM 2020)
Otra propiedad interesante revelada por el estudio fue que el FG «se podía dispersar en una solución de agua/surfactante para lograr dispersiones altamente concentradas de hasta 4 g/l«.
Esto fue posible gracias al método FJH, eficaz para exfoliar capas de grafeno e ideal para la producción de aerogeles, hidrogeles y soluciones fisiológicas.
Entre las aplicaciones de este descubrimiento, se encuentra la posibilidad de mezclar grafeno con productos de construcción, como cemento u hormigón.
Se ha demostrado que al mezclar cemento con grafeno, su resistencia mejora en un 25% en comparación con otros compuestos que contienen grafeno comercial.
«Estas mejoras son casi tres veces superiores a las de otros compuestos de cemento y grafeno registrados con la misma carga...Las imágenes microscópicas muestran una distribución homogénea del FG en la matriz de cemento«.
Estas propiedades pueden extenderse a otros materiales, como los polímeros, que se utilizan mucho en la industria, como el polietilenglicol.
Reflexiones finales
Los costes de producción de grafeno a granel de alta calidad son muy bajos, teniendo en cuenta que se puede sintetizar a partir de residuos orgánicos.
Este artículo demuestra que la producción es sencilla y que puede ampliarse fácilmente.
La producción a gran escala de grafeno, necesaria para satisfacer la demanda de «vacunas», sueros, fertilizantes, productos fitosanitarios y productos para la pulverización e inyección de aerosoles atmosféricos, puede así satisfacerse fácilmente sin sufrir nunca problemas de escasez.
A falta de carbón y sus derivados, es posible utilizar residuos orgánicos y plásticos, que ya se separan para su reciclaje en contenedores por parte de los ciudadanos.
Por otra parte, parece un negocio rentable si se tiene en cuenta que producir una tonelada de grafeno podría costar $350.
Para hacerse una idea de los beneficios que obtiene la industria de la producción de grafeno, basta con echar un vistazo a las cifras de venta de grafeno a granel, que se sitúa en 0,95 $/gramo para pedidos superiores a 25 kg.
Esto significa que por cada tonelada vendida se obtendría un beneficio neto de más de $740.000, una vez deducidos los costes de logística, transporte/distribución, compra de materias primas para la fabricación de grafeno, comercialización e impuestos.
