Nuevos materiales basados en el grafeno
El entusiasmo generalizado suscitado entorno a las aplicaciones del grafeno en la industria se ha visto menoscabado por los costes elevados, la escalabilidad y las limitaciones relacionadas con la calidad. En este contexto, se han evaluado diferentes metodologías que, o bien provocan defectos en el material resultante, o bien adolecen de un rendimiento limitado. Por lo tanto, existe una necesidad apremiante de producir grafeno de alta calidad a gran escala con funcionalidades novedosas. El paquete de trabajo dedicado a Recubrimientos y Espumas Funcionales, dirigido por el profesor Xinliang Feng de la Universidad Técnica de Dresde (Alemania), se centra en el procesamiento químico y las aplicaciones funcionales del grafeno y los materiales relacionados con el grafeno (GRM, por sus siglas en inglés). «Nuestros objetivos son crear estructuras porosas tales como espumas y membranas, principalmente para filtración, y películas delgadas funcionales para diversas aplicaciones», explica el doctor Martin Lohe, responsable del grupo de Innovación e Industria en la Universidad de Dresde. Producción de grafeno a gran escala Los investigadores han desarrollado satisfactoriamente un proceso de producción de grafeno en el laboratorio basado en la exfoliación electroquímica, que proporciona grafeno de alta calidad con un rendimiento tremendamente mejorado. Este implica el uso de un electrolito y una corriente eléctrica que favorecen la expansión estructural en cuestión de minutos u horas en condiciones ambientales. La exfoliación electroquímica es además respetuosa con el medio ambiente y puede adaptarse a los recursos naturales de carbono. La ventaja más llamativa de este método es que permite producir grafeno con propiedades ajustables con tan solo reemplazar el material de partida y las condiciones del proceso. De esta manera, el grafeno puede fabricarse a medida en función de la aplicación de interés. Los investigadores tuvieron que hacer frente a ciertos obstáculos relacionados, en gran medida, con la tendencia del grafeno de alta calidad a apilarse de nuevo. Para abordar este problema, utilizaron agentes funcionalizadores que proporcionaron grafeno altamente conductivo pero soluble en agua. Este método aumentó a la vez el rendimiento y la estabilidad del material. Nuevas aplicaciones para el grafeno La funcionalización del grafeno lo hace idóneo para una amplia variedad de aplicaciones como, por ejemplo, la fotocatálisis en entornos interiores y exteriores, la desalinización y la purificación, el almacenamiento de energía y los sensores químicos. Los socios del paquete de trabajo dedicado a Recubrimientos y Espumas Funcionales han producido tintas de grafeno utilizadas para imprimir de manera íntegra sensores y dispositivos de almacenamiento de energía. Las nuevas aplicaciones de los GRM de Graphene Flagship incluyen estrategias de purificación del agua como la filtración y la desalinización. Esta última representa una perspectiva prometedora para la producción sostenible, rentable y energéticamente eficiente de agua limpia a partir de aguas salobres y de mar. Los GRM también son adecuados para su uso en sistemas de catalización destinados a la producción de hidrógeno, y en forma de espumas para fines de alumbrado y como elementos de calentamiento rápido. Es más, el grafeno también puede emplearse para mejorar la capacidad del óxido de titanio para disgregar ciertos contaminantes. El cemento reforzado con grafeno y óxido de titanio puede utilizarse como material de recubrimiento fotocatalítico en edificios inteligentes que puede purificar el aire de nuestras ciudades y eliminar los contaminantes del agua. El gran número de solicitudes de patentes, premios y publicaciones científicas ponen de relieve los múltiples logros científicos del paquete de trabajo. Cabe destacar las veinticinco colaboraciones en marcha con socios industriales y las dos empresas derivadas creadas que impulsan el desarrollo de metodologías de producción y productos basados en el grafeno para su comercialización. Es más, los resultados y los materiales nanocompuestos producidos en este paquete de trabajo son puestos en común con otras actividades de Graphene Flagship para su uso en dispositivos de trabajo para campos como la electrónica impresa, los sensores, las pilas de combustible y las celdas fotovoltaicas. Esto fomentará las aplicaciones del grafeno más allá de las tecnologías actuales. Al comentar la exfoliación electroquímica y la funcionalización del grafito, el profesor Feng confía en que «ayudarán a salvar la brecha entre la ciencia de los materiales y las aplicaciones prácticas».
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Suecia