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El potencial del grafeno para los sistemas de energía renovable

El potencial del grafeno para los sistemas de energía renovable

La estructura del grafeno [Imagen:UCL Ciencias Físicas y Matemáticas, Flickr]

A principios de este año, a fines de enero, las universidades de Manchester y Abu Dhabi anunciaron su intención de colaborar en un proyecto para producir espuma que contenga grafeno, un material que consiste en una sola capa de átomos de carbono dispuestos en una red de panal que es 10 veces más fuerte que el acero pero 1000 veces más ligero que una hoja de papel por unidad de superficie.

El grafeno se descubrió por primera vez en un laboratorio de la Universidad de Manchester en 2004, luego de años de intentos de científicos para producir una sola capa de carbono y mucha teorización, siendo observado a través de un microscopio electrónico en 1962. Los profesores Andre Geim y Konstantin Novoselov utilizaron un proceso llamado ' Técnica de la cinta adhesiva en la que se utilizó repetidamente cinta adhesiva para despegar capas de grafeno de un trozo de grafito hasta que solo quedó una capa de átomos. Esto les valió a los dos científicos un premio Nobel en 2010.

En un futuro cercano, el grafeno podría potencialmente usarse para componentes eléctricos y otros elementos como sensores, baterías, compuestos, membranas de intercambio iónico y otros productos. El equipo de investigación se centrará en tres proyectos que involucran grafeno y materiales bidimensionales que podrían usarse en una variedad de aplicaciones. Uno de los proyectos desarrollará una técnica de impresión de inyección de tinta de bajo costo para construir microsensores. Estos podrían luego utilizarse en el sector energético y para aplicaciones militares. Otro proyecto analizará el potencial del uso de grafeno en la desalinización de agua.

El profesor Brian Derby de la Universidad de Manchester, hablando con The Engineer, explicó que la ventaja de usar grafeno en electrodos de batería, por citar solo un ejemplo, es que tiene una superficie muy alta y, sin embargo, solo tiene un átomo de espesor. Sin embargo, para que el material sea útil, las capas de un átomo de espesor deben empaquetarse en un objeto 3D. Esta es la razón por la que los investigadores intentarán producir espuma a partir del grafeno para desarrollar formas de empaquetar el material para que puedan ensamblarse en el espacio pero mantener su superficie lo más posible. El equipo también espera desarrollar compuestos en los que las escamas de grafeno se dispersen dentro de una matriz de polímero, creando así un compuesto fuerte pero aún viable.

Investigación sobre grafeno en la Universidad de Exeter, Reino Unido [Imagen:Universidad de Exeter, Flickr]

¿Cómo podría el grafeno beneficiar al sector de las energías renovables?

En 2011, los ingenieros de la Universidad Northwestern descubrieron que los ánodos de grafeno retienen la energía mejor que el grafito, lo que permite una carga diez veces mejor de la batería, con aplicaciones potenciales que incluyen el uso en vehículos eléctricos (EV). En 2013, investigadores de la Universidad de Rice en Texas predijeron que el grafeno, con la adición de algunos átomos de boro, podría usarse para producir un ánodo flexible ultradelgado para baterías de iones de litio. El boro ayuda a que los iones de litio se adhieran al grafeno, lo que ayuda a proporcionar una carga rápida, razón por la cual la investigación de la Universidad de Rice se realizó en asociación con Honda, solo uno de los muchos fabricantes de vehículos que actualmente producen nuevos modelos de vehículos eléctricos. Otras empresas, como Kia y Hyundai, han mostrado interés en el material, ambas empresas registrando patentes para el uso de grafeno en pilas de combustible.

Los investigadores de la Universidad de Rice también encontraron que el grafeno mezclado con óxido de vanadio se puede usar para desarrollar cátodos rentables de alto rendimiento que se pueden recargar en 20 segundos y retener más del 90 por ciento de su capacidad después de un uso prolongado. El grafeno también se puede usar para supercondensadores y los investigadores de UCLA han descubierto que se puede recubrir en un DVD. Luego, se puede usar una grabadora de DVD para inscribir millones de circuitos de supercondensadores en la capa de grafeno, que posteriormente se pueden despegar y usar por cualquier persona que requiera una batería súper potente. Los científicos en Suecia también han descubierto que la maghemita, un tipo de óxido de hierro similar al mineral rojo, se puede agregar al grafeno y hacer que se enrolle en un nanopergamino. Luego, estos pueden usarse como electrodos en baterías de iones de litio.

El profesor Forsyth de la Escuela de Ingeniería Eléctrica y Electrónica de la Universidad de Manchester cree que el grafeno puede ayudar a aumentar la eficiencia de los vehículos eléctricos al reducir el peso de las baterías, que actualmente pueden pesar alrededor de 200 kilogramos. Esto también ayudaría a extender el alcance de los vehículos eléctricos más allá de los 100 kilómetros, siendo la ansiedad por el alcance el factor principal que retrasa su aceptación. Sin embargo, el uso del grafeno en baterías también podría impulsar el sector de almacenamiento de energía, ya que la propia Universidad de Manchester ha probado una batería a escala de red y un sistema de conversión en su campus.

Mercedes SLS AMG E-cell en el Salón del Automóvil de Ginebra [Imagen:Cedric Ramírez, Flickr]

Con respecto a la energía solar fotovoltaica, el grafeno se puede utilizar para desarrollar revestimientos antirreflejos para células solares, ya que investigadores de la India han descubierto que el material puede reducir la reflectancia cerca de la parte ultravioleta del espectro solar del 35 por ciento a solo el 15 por ciento. Silvija Gradečak del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) también descubrió que el grafeno en las células fotovoltaicas puede ofrecer una mayor eficiencia de conversión de energía, mientras que otros investigadores de la Universidad Tecnológica de Michigan han descubierto que el grafeno puede reemplazar al platino en los electrodos de las células solares sin pérdida de eficiencia.

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Otro uso potencial del material es la sustitución del óxido de indio y estaño (ITO) en las células solares. Este es un material raro y caro. Actualmente se utiliza para electrodos transparentes pero también es muy frágil. Los científicos del MIT esperan desarrollar una nueva celda solar hecha de grafeno y disulfuro de molibdeno, que dé como resultado una celda solar delgada y liviana con una eficiencia 1000 veces mayor que los paneles de silicio convencionales.

En los vehículos eléctricos de celda de combustible (FCEV), el grafeno podría ayudar a reducir el costo del combustible de hidrógeno renovable, lo que a su vez significaría más estaciones de combustible de hidrógeno debido a los menores costos de procesamiento. Los científicos de la Universidad de Rice han demostrado que el grafeno dopado con nitrógeno y aumentado con cobalto es un catalizador eficaz y duradero para la producción de hidrógeno a partir del agua, que reemplaza al costoso platino.

Hasta ahora, las dos principales aplicaciones de energía renovable del grafeno parecen ser las células solares y las baterías para vehículos eléctricos, aunque el mercado general del material ahora supera los $ 9 millones en semiconductores, productos electrónicos, baterías y compuestos.

El nuevo Centro de Innovación en Ingeniería de Grafeno (GEIC) planeado por la Universidad de Manchester [Imagen:Universidad de Manchester]

El Reino Unido ahora está avanzando con esto, la Universidad de Manchester ahora está en camino hacia la construcción de un segundo centro de investigación especializado en grafeno que acaba de obtener el permiso de planificación el 15th Febrero. El Centro de Innovación de Ingeniería de Grafeno (GEIC) se centrará en el desarrollo y la aplicación de productos de grafeno liderados por la industria, cooperando con el Instituto Nacional de Grafeno (NGI) y el propuesto Instituto Sir Henry Royce para la Investigación de Materiales Avanzados para permitir el desarrollo de grafeno de investigación inicial para productos finales, estableciendo así a Manchester como un centro global líder para la investigación del grafeno. El énfasis estará en la mejora de los materiales existentes y en la apertura de nuevos mercados con fondos para el GEIC proporcionados en gran parte por la compañía de energía renovable Masdar de Abu Dhabi y el Consejo de Financiamiento para la Educación Superior del Fondo de Inversión de la Asociación de Investigación del Reino Unido de Inglaterra (UKRPIF). El centro se completará a finales de 2017.

Ver el vídeo: Cómo hacer Grafeno casero (Octubre 2020).