Carbono verde

Naukas

Los materiales de carbono son casi siempre negros. Exceptuando el diamante, ese alótropo de carbono tan admirado por su belleza que es transparente salvo que cuente con alguna inclusión de otros elementos químicos y el grafeno, también transparente. Sin embargo se habla a menudo de carbones o materiales de carbono verdes. En este caso no estamos hablando de su apariencia sino de los métodos seguidos para su fabricación.

Cuando hablamos en general de materiales de carbono nos estamos refiriendo a una extensa familia de materiales, que se diferencian por su morfología, porosidad y el ordenamiento de sus átomos. Hay materiales de carbono que conocemos desde hace siglos, como los carbones activos y algunos descubiertos mucho más recientemente, como los fullerenos, los nanotubos y el grafeno. Esta variedad de materiales se traduce en una gran variedad de aplicaciones, incluyendo aplicaciones estructurales, energéticas y medioambientales.

Entre las aplicaciones estructurales de los materiales de carbono destaca su utilización en material deportivo de alta gama o en vehículos, ya que permiten disminuir el peso manteniendo una buena resistencia mecánica. También existen aplicaciones funcionales, en las que el material de carbono desempeña un papel por sí mismo. Así, muchos de los materiales de carbono se utilizan en aplicaciones energéticas, forman parte por ejemplo de las pilas, baterías o supercondensadores, al igual que en aplicaciones medioambientales, en las que se utilizan para eliminar contaminantes de corrientes gaseosas o de efluentes líquidos.

La mayor parte de estas aplicaciones utilizan materiales de carbono que no se encuentran de forma natural, sino que se sintetizan industrialmente. Los métodos clásicos de síntesis de materiales de carbono implican generalmente condiciones poco sostenibles, como pueden ser el uso de elevadas temperaturas o de precursores no renovables. Para disminuir el coste de producción y ser más respetuosos con el medio ambiente existe interés en el desarrollo de métodos alternativos de producción de materiales de carbono que utilicen precursores renovables y procesos menos costosos energéticamente y más limpios.

El uso de precursores renovables para la obtención de materiales de carbono ha sido ampliamente estudiado en el caso de los carbones activos, el material de carbono con mayor volumen de producción. Se ha fabricado carbón activo a partir de cáscara de coco, huesos de aceituna, cáscara de almendras y otros residuos industriales, pero se requieren elevadas temperaturas y/o el uso de compuestos químicos como agentes de activación para lograr las características deseadas en el producto final, esencialmente un buen desarrollo poroso. En muchos casos se puede producir, además, una gran variabilidad de las características de los materiales entre distintos lotes. Esto hace que sea necesario desarrollar vías más flexibles para la obtención de nuevos materiales de carbono a partir de fuentes renovables de tipo biomasa lignocelulósica u otros residuos de la industria alimentaria/agrícola

Una de las vías que ha sido más explorada en los últimos años es el desarrollo de métodos solvotermales de síntesis de materiales de carbono. Básicamente en estos métodos se utiliza un precursor de carbono mezclado con un disolvente -en muchas ocasiones agua, en cuyo caso se habla de métodos hidrotermales-, y se les calienta a temperaturas moderadas (generalmente por debajo de 200°C). En estas condiciones la mezcla precursor-disolvente está sometida a presiones moderadas que permiten que se produzca la formación de diversas estructuras de carbono.

Proceso de síntesis de materiales de carbono mediante carbonización hidrotermal
Proceso de síntesis de materiales de carbono mediante carbonización hidrotermal

Así por ejemplo cuando se utilizan azúcares como fuente de carbono podemos obtener nanoestructuras esféricas de carbono. Seleccionando las condiciones de síntesis y el precursor se pueden controlar los tamaños de las nanoesferas u obtener otras estructuras como nanofibras y mediante el uso de ciertos aditivos es posible modificar las propiedades químicas superficiales de estos materiales o incluso sintetizar composites orgánico-inorgánico en una única etapa de síntesis, lo que aumenta las posibilidades de aplicación. Al tratarse de esquemas de síntesis en usa sola etapa el proceso es más rápido y más barato que los métodos convencionales, además de ser un procedimiento fácilmente escalable. Estos procesos de carbonización hidrotermal pueden utilizarse para moléculas sencillas como carbohidratos pero también para materiales más complejos incluyendo celulosa y lignina, como paso previo a la utilización de residuos reales como serrín y desechos de biomasa. Una de las ventajas más directas de la utilización de métodos hidrotermales para producir materiales de carbono utilizando biomasa como precursor, es que en estas condiciones no es necesario partir de biomasa seca, como ocurre cuando se utilizan procedimientos térmicos.

En los últimos 10 años se han producido avances importantes en este campo, y se han utilizado muchos precursores para la obtención de materiales de carbono. Además los materiales obtenidos han sido estudiados para su empleo en numerosas aplicaciones, entre las que destacan su utilización en agricultura. De hecho, la conocida como terra preta do indio, un suelo fértil del Amazonas modificado por los humanos desde hace 2500 años muestra cantidades importantes de carbón vegetal (1)

A la izquierda suelo con biochar, a la derecha sin biochar
A la izquierda suelo con biochar, a la derecha sin biochar (imagen)

Los materiales de carbono obtenidos mediante carbonización hidrotermal han sido aplicados para los usos clásicos de los materiales de carbono, como adsorbentes tanto en fase acuosa como gaseosa, como soportes de catalizadores heterogéneos y de fotocatalizadores, así como en sistemas de almacenamiento de energía, formando parte de los electrodos de baterías y supercondensadores, o de producción de energía constituyendo los soportes de electrocatalizadores en las pilas de combustible. Recientemente se han utilizado también para aplicaciones biomédicas incluyendo diagnóstico de imagen y liberación controlada de fármacos.

Como decíamos al principio estos materiales de carbono se consideran “verdes” porque utilizan biomasa como precursor y condiciones moderadas de temperatura de síntesis. Pero hay un factor adicional por lo que los materiales de carbono obtenidos por carbonización hidrotermal presentan un “verdor” añadido. La biomasa es una fuente renovable de energía y por tanto se considera que el ciclo de CO2 asociado a su utilización es nulo. Esto quiere decir que el CO2 que consume la planta durante su crecimiento equivale al CO2 que se libera al medioambiente cuando los restos vegetales son degradados por los microorganismos del suelo. Sin embargo aquí rompemos ese ciclo, puesto que estabilizamos el contenido en carbono de la biomasa en un material de carbono estable, por lo que se considera que estos procedimientos de síntesis son CO2-negativos, retiran CO2 de la atmósfera. El carbón es uno de los principales culpables del aumento de CO2 en nuestra atmósfera, pero los procesos avanzados de síntesis de materiales de carbono pueden contribuir a mitigar este efecto.

Este post ha sido realizado por Teresa Valdés-Solís (@Tvaldessolis) y es una colaboración de Naukas con la Cátedra de Cultura Científica de la UPV/EHU.

Referencias:

(1) https://es.wikipedia.org/wiki/Terra_preta // http://www.biochar.info/biochar.terra-preta.cfml

Novel carbon adsorbents, editado por JMD Tascón, 2012, Elsevier http://www.elsevier.com/books/novel-carbon-adsorbents/tascandampoacuten/978-0-08-097744-7

MM Titirici y col. Sustainable carbon materials Chem. Soc. Rev. 2015, 44, 250-290 http://dx.doi.org/10.1039/C4CS00232F

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